EP1144910B1 - Fossilbeheizter dampferzeuger - Google Patents
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- EP1144910B1 EP1144910B1 EP00902545A EP00902545A EP1144910B1 EP 1144910 B1 EP1144910 B1 EP 1144910B1 EP 00902545 A EP00902545 A EP 00902545A EP 00902545 A EP00902545 A EP 00902545A EP 1144910 B1 EP1144910 B1 EP 1144910B1
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- combustion chamber
- steam generator
- evaporator tubes
- tubes
- flow medium
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B21/00—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically
- F22B21/34—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically built-up from water tubes grouped in panel form surrounding the combustion chamber, i.e. radiation boilers
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
- F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
- F22B37/40—Arrangements of partition walls in flues of steam boilers, e.g. built-up from baffles
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- F22—STEAM GENERATION
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- F22B21/00—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically
- F22B21/34—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically built-up from water tubes grouped in panel form surrounding the combustion chamber, i.e. radiation boilers
- F22B21/346—Horizontal radiation boilers
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B31/00—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus
- F22B31/04—Heat supply by installation of two or more combustion apparatus, e.g. of separate combustion apparatus for the boiler and the superheater respectively
Definitions
- the invention relates to a steam generator having a first and a second combustion chamber, each having a number of fossil fuel burners, wherein the first and the second combustion chamber are designed for an approximately horizontal main flow direction of the heating gas, wherein the first and the second combustion chamber lead into a common horizontal gas train upstream of a vertical gas train in a vertical gas train.
- the energy content of a fuel used for evaporation of a flow medium in the steam generator In a power plant with a steam generator, the energy content of a fuel used for evaporation of a flow medium in the steam generator.
- the steam generator has evaporator tubes for the evaporation of the flow medium, the heating of which leads to an evaporation of the flow medium guided therein.
- the steam provided by the steam generator can in turn be provided, for example, for a connected external process or else for the drive of a steam turbine. If the steam drives a steam turbine, usually a generator or a working machine is operated via the turbine shaft of the steam turbine.
- the power generated by the generator may be provided for feeding into a composite and / or island grid.
- the steam generator can be designed as a continuous steam generator.
- a continuous steam generator is from the essay " Evaporator Concepts for Benson Steam Generators "by J. Franke, W. Köhler and E. Wittchow, published in VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), No. 4, pp. 352-360 , known.
- the heating of steam generator tubes provided as evaporator tubes leads to an evaporation of the flow medium in the steam generator tubes in a single pass.
- Fossil-fired steam generators are typically designed for a particular type and quality of fuel and for a particular performance range. This means that the combustion chamber of the steam generator is adapted in its main dimensions, ie length, width, height, to the combustion and ash properties of the given fuel and to the predetermined power range. Therefore, each steam generator with its associated fuel and power range has an individual design of the combustion chamber with respect to the main dimensions.
- the combustion chamber of a steam generator can be redesigned, for example, for a new power range and / or a fuel of other nature or quality.
- it can be used on planning documents of existing steam generators.
- With the help of the documents then usually an adjustment of the main dimensions of the combustion chamber to the requirements of the newly to be constructed steam generator.
- the design of a steam generator for new given boundary conditions is still associated with a comparatively high design effort due to the complexity of the underlying systems. This is especially true if the respective steam generator is to have a particularly high overall efficiency.
- Continuous steam generators are usually designed with a combustion chamber in a vertical design. This means that the combustion chamber is designed for a flow through the heating medium or heating gas in approximately vertical direction.
- the combustion chamber can be followed by a horizontal gas train, wherein the transition from the combustion chamber in the horizontal gas train, a deflection of the Schugasstroms takes place in an approximately horizontal flow direction.
- the combustion chamber generally requires due to the temperature-induced changes in length of the combustion chamber a framework on which the combustion chamber is hung. This requires considerable technical effort in the manufacture and assembly of the continuous steam generator, which is the greater, the greater the height of the continuous steam generator.
- a particularly simple concept for a modular steam generator therefore offers a horizontally constructed combustion chamber with a first and a second combustion chamber, wherein the first and the second combustion chamber are designed for an approximately horizontal main flow direction of the heating gas, wherein the first and the second combustion chamber in open a common horizontal gas flue upstream of a vertical gas train.
- the burners are arranged on the end wall of the first combustion chamber and on the end wall of the second combustion chamber, that is on the surrounding wall of the first and the second combustion chamber, which faces the outflow opening to the horizontal gas train, and both in the first and in the second combustion chamber arranged the height of the horizontal gas flue in the combustion chamber wall.
- the two combustion chambers are flowed through by the heating gas in approximately horizontal main flow direction during operation of the steam generator.
- Such a steam generator is from the AT 376 026 B known.
- the invention is based on the object of specifying a steam generator of this type, in which material damage and undesired contamination of the horizontal gas flue, for example, due to the entry of molten ash of a high temperature, are kept particularly low.
- This object is achieved in that the defined by the distance from the end wall to the inlet region of the horizontal gas train length L of the first and the second combustion chamber at least equal to the Ausbrandwin of Fuel is at full load operation of the steam generator.
- This horizontal length L of the first combustion chamber and the second combustion chamber will generally be greater than the height of the first and the second combustion chamber, measured from the funnel upper edge to the combustion chamber ceiling.
- the steam generator is thus adaptable to the burn-out length of the fuel. Under Ausbrandrat of the fuel while the fuel gas velocity in the horizontal direction at a certain average heating gas temperature multiplied by the burnout time t A of the fuel to understand.
- the maximum burn-out length for the respective steam generator results in the steam output of the steam generator at full load, the so-called full-load operation of the steam generator.
- the burn-out time t A is the time required, for example, a coal dust grain medium size to burn out completely at a certain mean heating gas temperature.
- the length L (indicated in m) of the first and the second combustion chamber is for a particularly favorable utilization of the combustion heat of the fossil fuel in an advantageous embodiment as a function of the BMCR value W (indicated in kg / s) of the steam generator, the number N Combustion chambers, the burn-out time t A (indicated in s) of the fuel and the outlet temperature T BRK (indicated in ° C) of the heating gas selected from the combustion chambers.
- BMCR stands for Boiler maximum continuous rating and is the internationally commonly used term for the highest continuous output of a steam generator. This also corresponds to the design performance, ie the power at full load operation of the steam generator.
- the end wall of the first combustion chamber and the end wall of the second combustion chamber, and the side walls of the first and the second combustion chamber, the horizontal gas flue and / or the vertical gas train are advantageously formed of gas-tight welded together, vertically arranged evaporator or steam generator tubes, wherein a number of Evaporator or steam generator tubes in each case can be acted upon in parallel with flow medium.
- flow medium advantageously has a number of evaporator tubes on its inner side in each case a Herzoges thread forming ribs.
- a pitch angle ⁇ between a plane perpendicular to the tube axis and the flanks of the arranged on the tube inside ribs is advantageously less than 60 °, preferably less than 55 °.
- a so-called smooth tube, evaporator tube can namely no longer be maintained by a certain vapor content of the required for a particularly good heat transfer wetting the tube wall. If there is no wetting, there may be a partially dry pipe wall. The transition to such a dry pipe wall leads to a kind of heat transfer crisis with deteriorated heat transfer behavior, so that in general increase the pipe wall temperatures at this point particularly strong. In an internally ribbed pipe, however, this crisis of heat transfer now occurs only at a steam mass content> 0.9, ie shortly before the end of the evaporation, compared to a smooth pipe. This is due to the spin experienced by the flow through the spiral ribs.
- a number of the evaporator tubes of the combustion chamber advantageously has means for reducing the flow of the flow medium. It proves to be particularly advantageous if the means are designed as throttle devices. Throttling devices can be, for example, internals in the evaporator tubes, which reduce the pipe inside diameter at a point in the interior of the respective evaporator tube. In this case, also prove to be means for reducing the flow in a multiple parallel lines comprehensive piping system advantageous through which the evaporator tubes of the combustion chamber flow medium can be fed. In one line or in several lines of the line system, for example, throttle valves can be provided.
- Adjacent evaporator or steam generator tubes are advantageously welded together via metal bands, so-called fins, gas-tight.
- the fin width affects the heat input into the steam generator tubes. Therefore, the fin width is preferably adapted depending on the position of the respective evaporator or steam generator tubes in the steam generator to a gas side prescribable heating profile. In this case, a typical heating profile determined from empirical values or else a rough estimate, such as, for example, a step-shaped heating profile, can be predefined as the heating profile. Due to the suitably chosen fin widths, heat input into all evaporator or steam generator tubes is achievable even with very different heating of different evaporator or steam generator tubes, so that temperature differences at the outlet of the evaporator or steam generator tubes are kept particularly low. In this way, premature material fatigue is reliably prevented. As a result, the steam generator on a particularly long life.
- the tube inner diameter of a number of the evaporator tubes of the first and the second combustion chamber is selected depending on the respective position of the evaporator tubes in the first and the second combustion chamber. In this way, a number of the evaporator tubes of the first and the second combustion chamber can be adapted to a gas-side prescribable heating profile. As a result, temperature differences at the outlet of the evaporator tubes of the first and the second combustion chamber are kept particularly low.
- a number of parallel-connected evaporator tubes which are assigned to the first or the second combustion chamber, preceded by a common inlet collector system for the flow medium and connected downstream of a common outlet collector system.
- a designed in this embodiment steam generator allows reliable pressure equalization between the parallel connected evaporator tubes and thus a particularly favorable distribution of the flow medium in the flow through the evaporator tubes.
- the respective inlet header system may be preceded by a line system provided with throttle fittings.
- the evaporator tubes of the end wall of the first and the second combustion chamber are advantageously upstream of the evaporator tubes of the side walls of the first and the second combustion chamber flow medium side. This ensures a particularly favorable cooling of the end wall of the first and the second combustion chamber.
- a number of superheater heating surfaces are advantageously arranged, which are arranged approximately perpendicular to the main flow direction of the hot gas and whose tubes are connected in parallel for a flow through the flow medium.
- These arranged in a hanging design, also referred to as Schottsammlung lake, Studentshitzersammlung lake are predominantly heated convection and downstream of the evaporator tubes of the first and the second combustion chamber downstream of the flow medium side. This ensures a particularly favorable utilization of the supplied via the burner fuel gas heat.
- the vertical gas train has a number of convection heating surfaces which are formed from tubes arranged approximately perpendicular to the main flow direction of the heating gas. These tubes of a convection heating surface are connected in parallel for flow through the flow medium. These convection heating surfaces are heated predominantly convection.
- the structure of the combustion chamber is advantageously provided in a modular manner.
- similar modules prove to be particularly easy to use and allow in relation to a desired performance of the combustion chamber a particularly high degree of flexibility.
- the modules should also make the combustion chamber particularly easy to enlarge or reduce.
- the vertical gas train advantageously has an economizer.
- the advantages achieved by the invention are, in particular, that the concept of a modular construction of the combustion chamber of the steam generator, this requires a particularly low design and manufacturing costs.
- this requires a particularly low design and manufacturing costs.
- the respective redesign of the dimensioning of the combustion chamber only the addition or removal of one or more combustion chambers is now provided in the design of the combustion chamber of the steam generator for a given power range and / or a certain fuel quality.
- two or more combustion chambers of smaller power can be connected in parallel upstream of a common horizontal gas draft on the gas side.
- the steam generator 2 according to FIG. 1 is associated with a power plant not shown, which also includes a steam turbine plant.
- the steam generated in the steam generator is used to drive the steam turbine, which in turn drives a generator for generating electricity.
- the electricity generated by the generator is provided for feeding into a network or an island network.
- a diversion of a subset of the steam for feeding into an external process connected to the steam turbine plant may be provided, which may be a heating process.
- the fossil-heated steam generator 2 according to FIG. 1 is advantageously designed as a continuous steam generator. It comprises a first horizontal combustion chamber 4 and a second horizontal combustion chamber 5, on the basis of which in the FIG. 1 shown side view of the steam generator 2 only one can be seen.
- the combustion chambers 4 and 5 of the steam generator 2 is a common horizontal gas train 6 downstream of the hot gas side, which opens into a vertical gas 8.
- the front wall 9 and the side walls 10 of the first combustion chamber 4 and second combustion chamber 5 are each formed of gas-tight welded together, vertically arranged evaporator tubes 11, wherein in each case a number of evaporator tubes 11 can be acted upon in parallel with flow medium S.
- the evaporator tubes 11 have - as in FIG. 2 shown on its inside ribs 40, which form a kind multi-threaded and have a rib height R.
- the pitch angle ⁇ between a plane perpendicular to the tube axis 41 and the flanks 42 of the pipe inside arranged on the ribs 40 is less than 55 °. This results in a particularly high heat transfer from the inner wall of the evaporator tubes 11 to the flow medium S guided into the evaporator tubes 11 and, at the same time, particularly low temperatures of the tube wall.
- Adjacent evaporator or steam generator tubes 11, 14, 15 are gas-tight welded together in a manner not shown by fins.
- the respective fin width namely the heating of the evaporator or steam generator tubes 11, 14, 15 can be influenced. Therefore, the respective fin width is adapted depending on the position of the respective evaporator or steam generator tubes 11, 14, 15 in the steam generator 2 to a gas side prescribable heating profile.
- the heating profile can be a typical heating profile determined from empirical values or else a rough estimate. As a result, temperature differences at the outlet of the evaporator or steam generator tubes 11, 14, 15 are kept particularly low even with very different heating of the evaporator or steam generator tubes 11, 14, 15.
- the tube inner diameter D of the evaporator tubes 11 of the combustion chamber 4 or 5 is selected depending on the respective position of the evaporator tubes 11 in the combustion chamber 4 and 5 respectively. In this way, the steam generator 2 is adapted to the different degrees of heating of the evaporator tubes 11. This design of the evaporator tubes 11 of the combustion chamber 4 and 5 ensures particularly reliable that temperature differences at the outlet of the evaporator tubes 11 are kept particularly low.
- a number of the evaporator tubes 11 of the side walls 10 of the combustion chamber 4 and 5 upstream of an inlet manifold system 16 is preceded by the flow medium side for flow medium S and in each case an outlet collector system 18 downstream.
- the entry collector system 16 comprises a number of parallel admission collectors.
- a line system 19 is provided for supplying flow medium S into the inlet header system 16 of the evaporator tubes 11 of the combustion chamber 4 or 5, a line system 19 is provided.
- the line system 19 includes a plurality of parallel lines, each connected to one of the inlet header of the inlet header system 16.
- throttling devices As a means for reducing the flow of the flow medium S, a part of the evaporator tubes 11 are equipped with throttling devices, which are not shown in detail in the drawing.
- the throttling devices are embodied as pinhole diaphragms reducing the internal pipe diameter D and, during operation of the steam generator 2, effect a reduction of the throughput of the flow medium S in underheated Evaporator tubes 11, whereby the flow rate of the flow medium S of the heating is adjusted.
- throttle devices as a means for reducing the flow rate of the flow medium S in a number of the evaporator tubes 11 of the combustion chamber 4 and 5 one or more not shown in the drawing lines of the line system 19 with throttle devices, in particular throttle valves equipped.
- the evaporator tubes 11 of the end walls 9 of the combustion chamber 4 and 5 respectively the evaporator tubes 11 of the side walls 10 of the combustion chamber 4 or 5 upstream of the flow medium side.
- the horizontal gas flue 6 has a number of superheater heating surfaces 22 designed as Schott heating surfaces, which are arranged in a hanging construction approximately perpendicular to the main flow direction 24 of the heating gas G and whose tubes are each connected in parallel for flow through the flow medium S.
- the superheater heating surfaces 22 are heated predominantly convectively and are downstream of the evaporator tubes 11 of the combustion chamber 4 and 5, respectively, on the flow medium side.
- the vertical gas train 8 has a number of convection heating surfaces 26 which can be heated predominantly convectively and which are formed from tubes arranged approximately perpendicular to the main flow direction 24 of the heating gas G. These tubes are each connected in parallel for a flow through the flow medium S.
- 8 economizer 28 is arranged in the vertical gas train.
- the vertical gas train 8 opens into a further heat exchanger, for example into an air preheater and from there via a dust filter into a chimney.
- the vertical gas train 8 downstream components are in FIG. 1 not shown in detail.
- the steam generator 2 is designed in a horizontal design with a particularly low height and thus can be built with very low manufacturing and assembly costs.
- a number of burners 30 for fossil fuel B which are arranged on the end wall 9 of the combustion chamber 4 and 5 in the height of the horizontal gas flue 6, as the FIG. 3 can be seen.
- the lengths L of the combustion chambers. 4 and 5 are selected such that they exceed the burnout length of the fuel B at full load operation of the steam generator 2.
- the length L is the distance from the end wall 9 of the combustion chamber 4 and 5 to the inlet region 32 of the horizontal gas flue 6.
- the burn-out length of the fuel B is defined as the fuel gas velocity in the horizontal direction at a certain average heating gas temperature multiplied by the burn-out time t A of The burn-out time t A of the fuel B, in turn, is the time required, for example, a coal dust grain medium size to burn out completely at a certain mean temperature of the heating gas.
- BMCR stands for Boiler maximum continuous rating. BMCR is an internationally commonly used term for the highest continuous power a steam generator. This also corresponds to the design performance, ie the power at full load operation of the steam generator.
- This horizontal length L of the combustion chambers 4 and 5 is greater than the height H of the combustion chamber 4 and 5.
- the height H is thereby from the funnel upper edge of the combustion chamber 4 and 5, in FIG. 1 marked by the line with the end points X and Y, measured up to the combustion chamber ceiling.
- the length L is determined only once and then applies to each of the N combustion chambers 4 and 5, respectively.
- the length L of the two combustion chambers 4 and 5 is determined approximately via the two functions (1) and (2).
- K 1 : t A 3s according to (1)
- K 2 : t A 2.5s according to (1)
- K 3 : t A 2s according to (1)
- K 4 : T BRK 1200 ° C according to (2)
- K 5 : T BRK 1300 ° C according to (2)
- the flames F of the burner 30 are aligned horizontally during operation of the steam generator 2.
- a flow of the heating gas G produced during combustion is generated in an approximately horizontal main flow direction 24. This passes through the common horizontal gas train 6 in the approximately directed towards the bottom vertical gas train 8 and leaves it in the direction of the fireplace, not shown.
- Flow medium S entering the economizer 28 passes via the convection heating surfaces arranged in the vertical gas train 8 into the inlet header system 16 of the combustion chamber 4 or 5 of the steam generator 2.
- gas-tight welded evaporator tubes 11 of the combustion chamber 4 and 5 of the steam generator 2 takes place the evaporation and optionally a partial overheating of the flow medium S instead.
- the resulting vapor or a water-vapor mixture is collected in the outlet collector system 18 for flow medium S.
- the steam or the water-vapor mixture enters the walls of the horizontal gas flue 6 and the vertical gas flue 8 and from there in turn into the superheater heating surfaces 22 of the horizontal flue 6.
- the superheater heating 22 further overheating of the steam, which then use , For example, the drive of a steam turbine is supplied.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Dampferzeuger mit einer ersten und einer zweiten Brennkammer, die jeweils eine Anzahl von Brennern für fossilen Brennstoff aufweisen, wobei die erste und die zweite Brennkammer für eine annähernd horizontale Hauptströmungsrichtung des Heizgases ausgelegt sind, wobei die erste und die zweite Brennkammer in einen heizgasseitig einem Vertikalgaszug vorgeschalteten gemeinsamen Horizontalgaszug münden.
- Bei einer Kraftwerksanlage mit einem Dampferzeuger wird der Energiegehalt eines Brennstoffs zur Verdampfung von einem Strömungsmedium im Dampferzeuger genutzt. Der Dampferzeuger weist zur Verdampfung des Strömungsmediums Verdampferrohre auf, deren Beheizung zu einer Verdampfung des darin geführten Strömungsmediums führt. Der durch den Dampferzeuger bereitgestellte Dampf wiederum kann beispielsweise für einen angeschlossenen externen Prozeß oder aber für den Antrieb einer Dampfturbine vorgesehen sein. Treibt der Dampf eine Dampfturbine an, so wird über die Turbinenwelle der Dampfturbine üblicherweise ein Generator oder eine Arbeitsmaschine betrieben. Im Falle eines Generators kann der durch den Generator erzeugte Strom zur Einspeisung in ein Verbund- und/oder Inselnetz vorgesehen sein.
- Der Dampferzeuger kann dabei als Durchlaufdampferzeuger ausgebildet sein. Ein Durchlaufdampferzeuger ist aus dem Aufsatz "Verdampferkonzepte für Benson-Dampferzeuger" von J. Franke, W. Köhler und E. Wittchow, veröffentlicht in VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), Heft 4, S. 352-360, bekannt. Bei einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von als Verdampferrohren vorgesehenen Dampferzeugerrohren zu einer Verdampfung des Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem einmaligen Durchlauf.
- Fossilbeheizte Dampferzeuger sind üblicherweise für eine bestimmte Art und Qualität des Brennstoffs und für einen bestimmten Leistungsbereich ausgelegt. Dies bedeutet, daß die Brennkammer des Dampferzeugers in ihren Hauptabmessungen, also Länge, Breite, Höhe, an die Verbrennungs- und Asche-Eigenschaften des vorgegebenen Brennstoffs und an den vorgegebenen Leistungsbereich angepaßt ist. Daher weist jeder Dampferzeuger mit seinem ihm zugeordneten Brennstoff und Leistungsbereich eine individuelle Konstruktion der Brennkammer in Bezug auf die Hauptabmessungen auf.
- Soll nun die Brennkammer eines Dampferzeugers neu konzipiert werden, beispielsweise für einen neuen Leistungsbereich und/oder einen Brennstoff anderer Art oder Qualität, so kann auf Planungsunterlagen von bereits bestehenden Dampferzeugern zurückgegriffen werden. Mit Hilfe der Unterlagen erfolgt dann üblicherweise eine Anpassung der Hauptabmessungen der Brennkammer an die Anforderungen des neu zu konstruierenden Dampferzeugers. Trotz dieser vereinfachenden Maßnahme ist die Auslegung eines Dampferzeugers für neu vorgegebene Randbedingungen jedoch aufgrund der Komplexität der zugrunde liegenden Systeme noch mit einem vergleichsweise hohen Konstruktionsaufwand verbunden. Dies gilt insbesondere dann, wenn der jeweilige Dampferzeuger einen besonders hohen Gesamtwirkungsgrad aufweisen soll.
- Durchlaufdampferzeuger werden üblicherweise mit einer Brennkammer in vertikaler Bauweise ausgeführt. Dies bedeutet, daß die Brennkammer für eine Durchströmung des beheizenden Mediums oder Heizgases in annähernd vertikaler Richtung ausgelegt ist. Heizgasseitig kann der Brennkammer dabei ein Horizontalgaszug nachgeschaltet sein, wobei beim Übergang von der Brennkammer in den Horizontalgaszug eine Umlenkung des Heizgasstroms in eine annähernd horizontale Strömungsrichtung erfolgt. Die Brennkammer erfordert jedoch im allgemeinen aufgrund der temperaturbedingten Längenänderungen der Brennkammer ein Gerüst, an dem die Brennkammer aufgehängt wird. Dies bedingt einen erheblichen technischen Aufwand bei der Herstellung und Montage des Durchlaufdampferzeugers, der um so größer ist, je größer die Bauhöhe des Durchlaufdampferzeugers ist.
- Im Gegensatz dazu kann ein mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand zu erstellendes Gerüst einhergehen mit einer besonders geringen Bauhöhe des Dampferzeugers. Ein besonders einfaches Konzept für einen modular aufgebauten Dampferzeuger bietet daher ein in horizontaler Bauweise ausgeführter Verbrennungsraum mit einer ersten und einer zweiten Brennkammer, wobei die erste und die zweite Brennkammer für eine annähernd horizontale Hauptströmungsrichtung des Heizgases ausgelegt sind, wobei die erste und die zweite Brennkammer in einen heizgasseitig einem Vertikalgaszug vorgeschalteten gemeinsamen Horizontalgaszug münden. Dabei sind die Brenner an der Stirnwand der ersten Brennkammer und an der Stirnwand der zweiten Brennkammer angeordnet, also an derjenigen Umfassungswand der ersten bzw. der zweiten Brennkammer, die der Abströmöffnung zum Horizontalgaszug gegenüberliegt, und sowohl in der ersten als auch in der zweiten Brennkammer in der Höhe des Horizontalgaszugs in der Brennkammerwand angeordnet. Somit werden die beiden Brennkammern beim Betrieb des Dampferzeugers vom Heizgas in annähernd horizontaler Hauptströmungsrichtung durchströmt. Ein derartiger Dampferzeuger ist aus der
AT 376 026 B - Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger dieser Art anzugeben, bei dem Materialschäden und eine unerwünschte Verschmutzung des Horizontalgaszuges, beispielsweise aufgrund des Eintrags von schmelzflüssiger Asche einer hohen Temperatur, besonders gering gehalten sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die durch den Abstand von der Stirnwand zum Eintrittsbereich des Horizontalgaszuges definierte Länge L der ersten und der zweiten Brennkammer mindestens gleich der Ausbrandlänge des Brennstoffs beim Vollastbetrieb des Dampferzeugers ist. Diese horizontale Länge L der ersten Brennkammer und der zweiten Brennkammer wird im allgemeinen größer als die Höhe der ersten bzw. der zweiten Brennkammer, gemessen von der Trichteroberkante bis zur Brennkammerdecke, betragen.
- Der Dampferzeuger ist somit an die Ausbrandlänge des Brennstoffs anpaßbar. Unter Ausbrandlänge des Brennstoffs ist dabei die Heizgasgeschwindigkeit in horizontaler Richtung bei einer bestimmten mittleren Heizgastemperatur multipliziert mit der Ausbrandzeit tA des Brennstoffs zu verstehen. Die für den jeweiligen Dampferzeuger maximale Ausbrandlänge ergibt sich dabei bei der Dampfleistung des Dampferzeugers bei Vollast, dem sogenannten Vollastbetrieb des Dampferzeugers. Die Ausbrandzeit tA wiederum ist die Zeit, die beispielsweise ein Kohlenstaubkorn mittlerer Größe benötigt, um bei einer bestimmten mittleren Heizgastemperatur vollständig auszubrennen.
- Die Länge L (angegeben in m) der ersten bzw. der zweiten Brennkammer ist für eine besonders günstige Ausnutzung der Verbrennungswärme des fossilen Brennstoffs in einer vorteilhaften Ausgestaltung als Funktion des BMCR-Werts W (angegeben in kg/s) des Dampferzeugers, der Anzahl N der Brennkammern, der Ausbrandzeit tA (angegeben in s) des Brennstoffs und der Austrittstemperatur TBRK (angegeben in °C) des Heizgases aus den Brennkammern gewählt. BMCR steht für Boiler maximum continuous rating und ist der international üblicherweise verwendete Begriff für die höchste Dauerleistung eines Dampferzeugers. Diese entspricht auch der Auslegungsleistung, also der Leistung beim Vollastbetrieb des Dampferzeugers. Dabei gilt bei gegebenem BMCR-Wert W und gegebener Anzahl der Brennkammern N für die Länge L der ersten und der zweiten Brennkammer näherungsweise der größere Wert der beiden Funktionen (1) und (2):
mitC1 = 8 m/s und C2 = 0,0057 m/kg und C3 = -1,905 · 10-4 (m · s) / (kg°K) und C4 = 0,286 (s · m) /kg und C5 = 3 · 10-4 m/(°K)2 und C6 = -0,842 m/°K und C7 = 603,41 m und C8 = 273,15 K - Unter "näherungsweise" ist hierbei eine zulässige Abweichung vom durch die jeweilige Funktion definierten Wert um +20%/-10% zu verstehen.
- Die Stirnwand der ersten Brennkammer und die Stirnwand der zweiten Brennkammer, sowie die Seitenwände der ersten bzw. der zweiten Brennkammer, des Horizontalgaszuges und/oder des Vertikalgaszuges sind vorteilhafterweise aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohren gebildet, wobei eine Anzahl der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre jeweils parallel mit Strömungsmedium beaufschlagbar ist.
- Für eine besonders gute Wärmeübertragung von der Wärme der ersten und der zweiten Brennkammer auf das in den jeweiligen Verdampferrohren geführte Strömungsmedium weist vorteilhafterweise eine Anzahl der Verdampferrohre auf ihrer Innenseite jeweils ein mehrgängiges Gewinde bildende Rippen auf. Dabei ist vorteilhafterweise ein Steigungswinkel α zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene und den Flanken der auf der Rohrinnenseite angeordneten Rippen kleiner als 60°, vorzugsweise kleiner als 55°.
- In einem beheizten, als Verdampferrohr ohne Innenberippung, einem sogenannten Glattrohr, ausgeführten Verdampferrohr kann nämlich von einem bestimmten Dampfgehalt an die für einen besonders guten Wärmeübergang erforderliche Benetzung der Rohrwand nicht mehr aufrechterhalten werden. Bei fehlender Benetzung kann eine stellenweise trockene Rohrwand vorliegen. Der Übergang zu einer derartigen trockenen Rohrwand führt zu einer Art Wärmeübergangskrise mit verschlechtertem Wärmeübergangsverhalten, so daß im allgemeinen die Rohrwandtemperaturen an dieser Stelle besonders stark ansteigen. In einem innenberippten Rohr tritt aber nun im Vergleich zu einem Glattrohr diese Krise des Wärmeübergangs erst bei einem Dampfmassengehalt > 0,9, also kurz vor dem Ende der Verdampfung, auf. Das ist auf den Drall zurückzuführen, den die Strömung durch die spiralförmigen Rippen erfährt. Aufgrund der unterschiedlichen Zentrifugalkraft wird der Wasser- vom Dampfanteil separiert und an die Rohrwand gedrückt. Dadurch wird die Benetzung der Rohrwand bis zu hohen Dampfgehalten aufrechterhalten, so daß am Ort der Wärmeübergangskrise bereits hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen. Das bewirkt trotz der Wärmeübergangskrise einen relativ guten Wärmeübergang und als Folge niedrige Rohrwandtemperaturen.
- Eine Anzahl der Verdampferrohre der Brennkammer weist vorteilhafterweise Mittel zum Reduzieren des Durchflusses des Strömungsmediums auf. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn die Mittel als Drosseleinrichtungen ausgebildet sind. Drosseleinrichtungen können beispielsweise Einbauten in die Verdampferrohre sein, die an einer Stelle im Inneren des jeweiligen Verdampferrohres den Rohrinnendurchmesser verkleinern. Dabei erweisen sich auch Mittel zum Reduzieren des Durchflusses in einem mehrere parallele Leitungen umfassenden Leitungssystems als vorteilhaft, durch das den Verdampferrohren der Brennkammer Strömungsmedium zuführbar ist. In einer Leitung oder in mehreren Leitungen des Leitungssystems können dabei beispielsweise Drosselarmaturen vorgesehen sein. Mit solchen Mitteln zum Reduzieren des Durchflusses des Strömungsmediums durch die Verdampferrohre läßt sich eine Anpassung des Durchsatzes des Strömungsmediums durch einzelne Verdampferrohre an deren jeweilige Beheizung in der Brennkammer herbeiführen. Dadurch sind zusätzlich Temperaturunterschiede des Strömungsmediums am Austritt der Verdampferrohre besonders zuverlässig besonders gering gehalten.
- Benachbarte Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre sind vorteilhafterweise über Metallbänder, sogenannte Flossen, gasdicht miteinander verschweißt. Die Flossenbreite beeinflußt den Wärmeeintrag in die Dampferzeugerrohre. Daher ist die Flossenbreite vorzugsweise abhängig von der Position der jeweiligen Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre im Dampferzeuger an ein gasseitig vorgebbares Beheizungsprofil angepaßt. Als Beheizungsprofil kann dabei ein aus Erfahrungswerten ermitteltes typisches Beheizungsprofil oder auch eine grobe Abschätzung, wie beispielsweise ein stufenförmiges Beheizungsprofil, vorgegeben sein. Durch die geeignet gewählten Flossenbreiten ist auch bei stark unterschiedlicher Beheizung verschiedener Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre ein Wärmeeintrag in alle Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre derart erreichbar, daß Temperaturunterschiede am Auslaß der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre besonders gering gehalten sind. Auf diese Weise sind vorzeitige Materialermüdungen zuverlässig verhindert. Dadurch weist der Dampferzeuger eine besonders lange Lebensdauer auf.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rohrinnendurchmesser einer Anzahl der Verdampferrohre der ersten bzw. der zweiten Brennkammer abhängig von der jeweiligen Position der Verdampferrohre in der ersten bzw. der zweiten Brennkammer gewählt. Auf diese Weise sind eine Anzahl der Verdampferrohre der ersten bzw. der zweiten Brennkammer an ein gasseitig vorgebbares Beheizungsprofil anpaßbar. Dadurch sind besonders zuverlässig Temperaturunterschiede am Auslaß der Verdampferrohre der ersten bzw. der zweiten Brennkammer gering gehalten.
- Vorteilhafterweise ist jeweils einer Anzahl von parallel geschalteten Verdampferrohren, die der ersten oder der zweiten Brennkammer zugeordnet sind, für das Strömungsmedium ein gemeinsames Eintrittssammler-System vorgeschaltet und ein gemeinsames Austrittssammler-System nachgeschaltet. Ein in dieser Ausgestaltung ausgeführter Dampferzeuger ermöglicht einen zuverlässigen Druckausgleich zwischen den parallel geschalteten Verdampferrohren und somit eine besonders günstige Verteilung des Strömungsmediums bei der Durchströmung der Verdampferrohre. Dabei kann dem jeweiligen Eintrittssammlersystem ein mit Drosselarmaturen versehenes Leitungssystem vorgeschaltet sein. Dadurch ist in besonders einfacher Weise der Durchsatz des Strömungsmediums durch das Eintrittssammlersystem und die parallel geschalteten Verdampferrohre einstellbar.
- Die Verdampferrohre der Stirnwand der ersten bzw. der zweiten Brennkammer sind vorteilhafterweise den Verdampferrohren der Seitenwände der ersten bzw. der zweiten Brennkammer strömungsmediumsseitig vorgeschaltet. Dadurch ist eine besonders günstige Kühlung der Stirnwand der ersten bzw. der zweiten Brennkammer gewährleistet.
- In dem Horizontalgaszug sind vorteilhafterweise eine Anzahl von Überhitzerheizflächen angeordnet, die annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Heizgases angeordnet und deren Rohre für eine Durchströmung des Strömungsmediums parallel geschaltet sind. Diese in hängender Bauweise angeordneten, auch als Schottheizflächen bezeichneten, Überhitzerheizflächen werden überwiegend konvektiv beheizt und sind strömungsmediumsseitig den Verdampferrohren der ersten bzw. der zweiten Brennkammer nachgeschaltet. Hierdurch ist eine besonders günstige Ausnutzung der über die Brenner zugeführten Heizgaswärme gewährleistet.
- Vorteilhafterweise weist der Vertikalgaszug eine Anzahl von Konvektionsheizflächen auf, die aus annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Heizgases angeordneten Rohren gebildet sind. Diese Rohre einer Konvektionsheizfläche sind für eine Durchströmung des Strömungsmediums parallel geschaltet. Auch diese Konvektionsheizflächen werden überwiegend konvektiv beheizt.
- Um eine besonders einfache Auslegung für eine bestimmte Art und Qualität des Brennstoffs sowie für einen vorgegebenen Leistungsbereich des Dampferzeugers zu erlauben, ist der Aufbau der Brennkammer vorteilhafterweise in modularer Weise vorgesehen. Dabei erweisen sich gleichartige Module als besonders einfach in der Handhabung und erlauben in Bezug auf eine gewünschte Leistungsauslegung der Brennkammer ein besonders hohes Maß an Flexibilität. Durch die Module sollte die Brennkammer zudem besonders einfach zu vergrößern oder zu verkleinern sein.
- Um weiterhin eine besonders vollständige Ausnutzung der Wärme des Heizgases zu gewährleisten, weist der Vertikalgaszug vorteilhafterweise einen Economizer auf.
- Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch das Konzept eines modularen Aufbaus der Brennkammer des Dampferzeugers dieser einen besonders geringen Konstruktions- und Herstellungsaufwand erfordert. Statt der jeweiligen Neukonstruktion der Dimensionierung der Brennkammer ist nun bei der Auslegung der Brennkammer des Dampferzeugers für einen vorgegebenen Leistungsbereich und/oder eine bestimmte Brennstoffqualität nur das Hinzufügen oder Entfernen einer oder mehrerer Brennkammern vorgesehen. Dabei können ab einer gewissen Leistungsgröße des Dampferzeugers anstelle einer neuauszulegenden Brennkammer zwei oder mehrere Brennkammern kleinerer Leistung einem gemeinsamen Horizontalgaszug gasseitig parallel vorgeschaltet sein.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- FIG 1
- schematisch einen fossil beheizten Dampferzeuger in Zweizugbauart der Länge nach in Seitenansicht,
- FIG 2
- schematisch einen Längsschnitt durch ein einzelnes Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohr,
- FIG 3
- schematisch eine Ansicht der Front des Dampferzeugers und
- FIG 4
- ein Koordinatensystem mit den Kurven K1 bis K6.
- Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
- Der Dampferzeuger 2 gemäß
Figur 1 ist einer nicht näher dargestellten Kraftwerksanlage zugeordnet, die auch eine Dampfturbinenanlage umfaßt. Der im Dampferzeuger erzeugte Dampf wird dabei zum Antrieb der Dampfturbine genutzt, die ihrerseits wiederum einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Der durch den Generator erzeugte Strom ist dabei zur Einspeisung in ein Verbund- oder ein Inselnetz vorgesehen. Weiterhin kann auch eine Abzweigung einer Teilmenge des Dampfs zur Einspeisung in einen an die Dampfturbinenanlage angeschlossenen externen Prozeß vorgesehen sein, wobei es sich um einen Heizprozeß handeln kann. - Der fossil beheizte Dampferzeuger 2 gemäß
Figur 1 ist vorteilhafterweise als Durchlaufdampferzeuger ausgeführt. Er umfaßt eine erste horizontale Brennkammer 4 und eine zweite horizontale Brennkammer 5, von denen aufgrund der in derFigur 1 dargestellten Seitenansicht des Dampferzeugers 2 nur eine zu sehen ist. Den Brennkammern 4 und 5 des Dampferzeugers 2 ist heizgasseitig ein gemeinsamer Horizontalgaszug 6 nachgeschaltet, der in einen Vertikalgaszug 8 mündet. Die Stirnwand 9 und die Seitenwände 10 der ersten Brennkammer 4 bzw. zweiten Brennkammer 5 sind jeweils aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten Verdampferrohren 11 gebildet, wobei jeweils eine Anzahl der Verdampferrohre 11 parallel mit Strömungsmedium S beaufschlagbar ist. Zusätzlich können auch die Seitenwände 12 des Horizontalgaszuges 6 bzw. 13 des Vertikalgaszuges 8 aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten Dampferzeugerrohren 14 bzw. 15 gebildet sein. In diesem Fall sind die Dampferzeugerrohre 14, 15 ebenfalls jeweils parallel mit Strömungsmedium S beaufschlagbar. - Die Verdampferrohre 11 weisen - wie in
Figur 2 dargestellt - auf ihrer Innenseite Rippen 40 auf, die eine Art mehrgängiges Gewinde bilden und eine Rippenhöhe R haben. Dabei ist der Steigungswinkel α zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene 41 und den Flanken 42 der auf der Rohrinnenseite angeordneten Rippen 40 kleiner als 55°. Dadurch werden ein besonders hoher Wärmeübergang von der Innenwand der Verdampferrohre 11 an das in den Verdampferrohren 11 geführte Strömungsmedium S und gleichzeitig besonders niedrige Temperaturen der Rohrwand erreicht. - Benachbarte Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 14, 15 sind in nicht näher dargestellter weise über Flossen gasdicht miteinander verschweißt. Durch eine geeignete Wahl der Flossenbreite kann nämlich die Beheizung der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 14, 15 beeinflußt werden. Daher ist die jeweilige Flossenbreite abhängig von der Position der jeweiligen Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 14, 15 im Dampferzeuger 2 an ein gasseitig vorgebbares Beheizungsprofil angepaßt. Das Beheizungsprofil kann dabei ein aus Erfahrungswerten ermitteltes typisches Beheizungsprofil oder auch eine grobe Abschätzung sein. Dadurch sind Temperaturunterschiede am Auslaß der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 14, 15 auch bei stark unterschiedlicher Beheizung der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 14, 15 besonders gering gehalten.
- Auf diese Weise sind Materialermüdungen zuverlässig verhindert, was eine lange Lebensdauer des Dampferzeugers 2 gewährleistet.
- Der Rohrinnendurchmesser D der Verdampferrohre 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 ist abhängig von der jeweiligen Position der Verdampferrohre 11 in der Brennkammer 4 bzw. 5 gewählt. Auf diese Weise ist der Dampferzeuger 2 an die unterschiedlich starke Beheizung der Verdampferrohre 11 angepaßt. Diese Auslegung der Verdampferrohre 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 gewährleistet besonders zuverlässig, daß Temperaturunterschiede am Auslaß der Verdampferrohre 11 besonders gering gehalten sind.
- Einer Anzahl der Verdampferrohre 11 der Seitenwände 10 der Brennkammer 4 bzw. 5 ist strömungsmediumsseitig jeweils ein Eintrittssammler-System 16 für Strömungsmedium S vorgeschaltet und jeweils ein Austrittssammler-System 18 nachgeschaltet. Das Eintrittssammler-System 16 umfaßt dabei eine Anzahl von parallel geschalteten Eintrittssammlern. Zum Zuführen von Strömungsmedium S in das Eintrittssammler-System 16 der Verdampferrohre 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 ist ein Leitungssystem 19 vorgesehen. Das Leitungssystem 19 umfaßt mehrere parallel geschaltete Leitungen, die jeweils mit einem der Eintrittssammler des Eintrittssammler-Systems 16 verbunden sind. Dadurch ist ein Druckausgleich der parallel geschalteten Verdampferrohre 11 möglich, der eine besonders günstige Verteilung des Strömungsmediums S bei der Durchströmung der Verdampferrohre 11 bewirkt.
- Als Mittel zum Reduzieren des Durchflusses des Strömungsmediums S sind ein Teil der Verdampferrohre 11 mit Drosseleinrichtungen ausgestattet, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt sind. Die Drosseleinrichtungen sind als den Rohrinnendurchmesser D verkleinernde Lochblenden ausgeführt und bewirken beim Betrieb des Dampferzeugers 2 eine Reduzierung des Durchsatzes des Strömungsmediums S in minderbeheizten Verdampferrohren 11, wodurch der Durchsatz des Strömungsmediums S der Beheizung angepaßt wird. Weiterhin sind als Mittel zum Reduzieren des Durchsatzes des Strömungsmediums S in einer Anzahl der Verdampferrohre 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 eine oder mehrere in der Zeichnung nicht näher dargestellte Leitungen des Leitungssystems 19 mit Drosseleinrichtungen, insbesondere Drosselarmaturen, ausgestattet.
- Bei der Berohrung der ersten und der zweiten Brennkammer 4, 5 ist zu berücksichtigen, daß die Beheizung der einzelnen, miteinander gasdicht verschweißten Verdampferrohre 11 beim Betrieb des Dampferzeugers 2 sehr unterschiedlich ist. Deswegen wird die Auslegung der Verdampferrohre 11 hinsichtlich ihrer Innenberippung, Flossenverbindung zu benachbarten Verdampferrohren 11 und ihres Rohrinnendurchmessers D so gewählt, daß alle Verdampferrohre 11 trotz unterschiedlicher Beheizung annähernd gleiche Austrittstemperaturen aufweisen und eine ausreichende Kühlung der Verdampferrohre 11 für alle Betriebszustände des Dampferzeugers 2 gewährleistet ist. Dies ist insbesondere dadurch gewährleistet, daß der Dampferzeuger 2 für eine vergleichsweise niedrige Massenstromdichte des die Verdampferrohre 11 durchströmenden Strömungsmediums S ausgelegt ist. Durch eine geeignete Wahl der Flossenverbindungen und der Rohrinnendurchmesser D ist zudem erreicht, daß der Anteil des Reibungsdruckverlusts am Gesamtdruckverlust so gering ist, daß sich ein Naturumlaufverhalten einstellt: Stärker beheizte Verdampferrohre 11 werden stärker durchströmt als schwächer beheizte Verdampferrohre 11. Damit wird erreicht, daß die vergleichsweise stark beheizten Verdampferrohre 11 in Brennernähe spezifisch - bezogen auf den Massenstrom - annähernd ebensoviel Wärme aufnehmen wie die vergleichsweise schwach beheizten Verdampferrohre 11 am Brennkammerende. Eine weitere Maßnahme, die Durchströmung der Verdampferrohre 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 an die Beheizung anzupassen, ist der Einbau von Drosseln in einen Teil der Verdampferrohre 11 oder in einen Teil der Leitungen des Leitungssystems 19. Die Innenberippung der Verdampferrohre 11 ist dabei derart ausgelegt, daß eine ausreichende Kühlung der Verdampferrohrwände sichergestellt ist. Somit weisen mit den oben genannten Maßnahmen alle Verdampferrohre 11 annähernd gleiche Austrittstemperaturen auf.
- Um eine günstige Durchflußcharakteristik des Strömungsmediums S durch die Umfassungswände der Brennkammer 4 und damit eine besonders gute Ausnutzung der Verbrennungswärme des fossilen Brennstoffs B zu erreichen, sind die Verdampferrohre 11 der Stirnwände 9 der Brennkammer 4 bzw. 5 jeweils den Verdampferrohren 11 der Seitenwände 10 der Brennkammer 4 bzw. 5 strömungsmediumsseitig vorgeschaltet.
- Der Horizontalgaszug 6 weist eine Anzahl von als Schottheizflächen ausgebildeten Überhitzerheizflächen 22 auf, die in hängender Bauweise annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 24 des Heizgases G angeordnet und deren Rohre für eine Durchströmung des Strömungsmediums S jeweils parallel geschaltet sind. Die Überhitzerheizflächen 22 werden überwiegend konvektiv beheizt und sind strömungsmediumsseitig den Verdampferrohren 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 nachgeschaltet.
- Der Vertikalgaszug 8 weist eine Anzahl von überwiegend konvektiv beheizbaren Konvektionsheizflächen 26 auf, die aus annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 24 des Heizgases G angeordneten Rohren gebildet sind. Diese Rohre sind für eine Durchströmung des Strömungsmediums S jeweils parallel geschaltet. Außerdem ist in dem Vertikalgaszug 8 Economizer 28 angeordnet. Ausgangsseitig mündet der Vertikalgaszug 8 in einen weiteren Wärmetauscher, z.B. in einen Luftvorwärmer und von dort über einen Staubfilter in einen Kamin. Die dem Vertikalgaszug 8 nachgeschalteten Bauteile sind in
Figur 1 nicht näher dargestellt. - Der Dampferzeuger 2 ist in horizontaler Bauweise mit besonders niedriger Bauhöhe ausgeführt und somit mit besonders geringem Herstellungs- und Montageaufwand errichtbar. Hierzu weisen die Brennkammern 4 bzw. 5 des Dampferzeugers 2 eine Anzahl von Brennern 30 für fossilen Brennstoff B auf, die an der Stirnwand 9 der Brennkammer 4 bzw. 5 in der Höhe des Horizontalgaszuges 6 angeordnet sind, wie der
Figur 3 zu entnehmen ist. - Damit der fossile Brennstoff B zur Erzielung eines besonders hohen Wirkungsgrads besonders vollständig ausbrennt und Materialschäden der heizgasseitig gesehen ersten Überhitzerheizfläche des Horizontalgaszuges 6 und eine Verschmutzung derselben, beispielsweise durch Eintrag schmelzflüssiger Asche mit hoher Temperatur, besonders zuverlässig verhindert sind, sind die Längen L der Brennkammern 4 und 5 derart gewählt, daß sie die Ausbrandlänge des Brennstoffs B beim Vollastbetrieb des Dampferzeugers 2 übersteigen. Die Länge L ist dabei der Abstand von der Stirnwand 9 der Brennkammer 4 bzw. 5 zum Eintrittsbereich 32 des Horizontalgaszugs 6. Die Ausbrandlänge des Brennstoffs B ist dabei definiert als die Heizgasgeschwindigkeit in horizontaler Richtung bei einer bestimmten mittleren Heizgastemperatur multipliziert mit der Ausbrandzeit tA des Brennstoffs B. Die für den jeweiligen Dampferzeuger 2 maximale Ausbrandlänge ergibt sich beim Vollastbetrieb des Dampferzeugers 2. Die Ausbrandzeit tA des Brennstoffs B wiederum ist die Zeit, die beispielsweise ein Kohlenstaubkorn mittlerer Größe zum vollständigen Ausbrennen bei einer bestimmten mittleren Heizgastemperatur benötigt.
- Um eine besonders günstige Ausnutzung der Verbrennungswärme des fossilen Brennstoffs B zu gewährleisten, sind die Längen L (angegeben in m) der Brennkammern 4 bzw. 5 in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur des Heizgases G aus der Brennkammer 4 bzw. 5 TBRK (angegeben in °C), der Ausbrandzeit tA (angegeben in s) des fossilen Brennstoffs B, dem BMCR-Wert W (angegeben in kg/s) des Dampferzeugers 2 und der Anzahl N der Brennkammern 4, 5 geeignet gewählt. Dabei steht BMCR für Boiler maximum continuous rating. BMCR ist ein international üblicherweise verwendeter Begriff für die höchste Dauerleistung eines Dampferzeugers. Diese entspricht auch der Auslegungsleistung, also der Leistung bei Vollastbetrieb des Dampferzeugers. Diese horizontale Länge L der Brennkammern 4 und 5 ist dabei größer als die Höhe H der Brennkammer 4 bzw. 5. Die Höhe H wird dabei von der Trichteroberkante der Brennkammer 4 bzw. 5, in
Figur 1 durch die Linie mit den Endpunkten X und Y markiert, bis zur Brennkammerdecke gemessen. Die Länge L wird nur einmal bestimmt und gilt dann für jede der N Brennkammern 4 bzw. 5. Dabei bestimmt sich die Länge L der beiden Brennkammern 4 und 5 näherungsweise über die beiden Funktionen (1) und (2)
mitC1 = 8 m/s und C2 = 0,0057 m/kg und C3 = -1,905 . 10-4 (m · s)/(kg°C) und C4 = 0,286 (s · m) /kg und C5 = 3 · 10-4 m/(°C)2 und C6 = -0,842 m/°C und C7 = 603,41 m. - Näherungsweise ist hierbei als eine zulässige Abweichung um +20%/-10% vom durch die jeweilige Funktion definierten Wert zu verstehen. Dabei gilt stets bei einem beliebig aber festen BMCR-Wert W des Dampferzeugers 2 der größere Wert aus den Funktionen (1) und (2) für die Länge L der Brennkammern 4 und 5.
- Als Beispiel für eine Berechnung der Länge L der Brennkammern 4 bzw. 5, also N = 2, in Abhängigkeit vom BMCR-Wert W des Dampferzeugers 2 sind in das Koordinatensystem gemäß Figur 4 sechs Kurven K1 bis K6 eingezeichnet. Dabei sind den Kurven jeweils folgende Parameter zugeordnet:
K1: tA = 3s gemäß (1), K2: tA = 2,5s gemäß (1), K3 : tA = 2s gemäß (1), K4: TBRK = 1200°C gemäß (2), K5: TBRK = 1300°C gemäß (2) und K6: TBRK = 1400°C gemäß (2). - Zur Bestimmung der Längen L der Brennkammern 4 bzw. 5, die stets die gleiche Länge L aufweisen, sind somit beispielsweise für eine Ausbrandzeit tA = 3s und eine Austrittstemperatur TBRK = 1200°C des Heizgases G aus der Brennkammer 4 bzw. 5 die Kurven K1 und K4 heranzuziehen. Daraus ergibt sich bei einem vorgegebenen BMCR-Wert W des Dampferzeugers 2 für die Länge L mit N = 2 für die Brennkammern 4 und 5
von W/N = 80 kg/s eine Länge von L = 29 m gemäß K4,
von W/N = 160 kg/s eine Länge von L = 34 m gemäß K4,
von W/N = 560 kg/s eine Länge von L = 57 m gemäß K4. - Für die Ausbrandzeit tA = 2,5s und die Austrittstemperatur des Heizgases G aus der Brennkammer 4 bzw. 5 TBRK = 1300°C sind beispielsweise die Kurven K2 und K5 heranzuziehen. Daraus ergibt sich bei N = 2 und einem vorgegebenen BMCR-Wert W des Dampferzeugers 2 für die Länge L der Brennkammer 4 und 5
von W/N = 80 kg/s eine Länge von L =21 m gemäß K2,
von W/N = 180 kg/s eine Länge von L =23 m gemäß K2 und K5,
von W/N = 560 kg/s eine Länge von L =37 m gemäß K5. - Der Ausbrandzeit tA = 2s und der Austrittstemperatur des Heizgases G aus der Brennkammer TBRK = 1400°C sind beispielsweise die Kurven K3 und K6 zugeordnet. Daraus ergibt sich bei N = 2 und einem vorgegebenen BMCR-Wert W des Dampferzeugers 2 für die Länge L der Brennkammern 4 und 5
von W/N = 80 kg/s eine Länge von L =18 m gemäß K3,
von W/N = 465 kg/s eine Länge von L =21 m gemäß K3 und K6,
von W/N = 560 kg/s eine Länge von L =23 m gemäß K6. - Die Flammen F der Brenner 30 sind beim Betrieb des Dampferzeugers 2 horizontal ausgerichtet. Durch die Bauweise der Brennkammer 4 bzw. 5 wird damit eine Strömung des bei der Verbrennung entstehenden Heizgases G in annähernd horizontaler Hauptströmungsrichtung 24 erzeugt. Dieses gelangt über den gemeinsamen Horizontalgaszug 6 in den annähernd zum Boden hin ausgerichteten Vertikalgaszug 8 und verläßt diesen in Richtung des nicht näher dargestellten Kamins.
- In den Economizer 28 eintretendes Strömungsmedium S gelangt über die in dem Vertikalgaszug 8 angeordneten Konvektionsheizflächen in das Eintrittssammler-System 16 der Brennkammer 4 bzw. 5 des Dampferzeugers 2. In den vertikal angeordneten, gasdicht miteinander verschweißten Verdampferrohren 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 des Dampferzeugers 2 findet die Verdampfung und gegebenenfalls eine teilweise Überhitzung des Strömungsmediums S statt. Der dabei entstehende Dampf bzw. ein Wasser-Dampf-Gemisch wird in dem Austrittssammler-System 18 für Strömungsmedium S gesammelt. Von dort gelangt der Dampf bzw. das Wasser-Dampf-Gemisch in die Wände des Horizontalgaszuges 6 und des Vertikalgaszuges 8 und von dort wiederum in die Überhitzerheizflächen 22 des Horizontalgaszuges 6. In den Überhitzerheizflächen 22 erfolgt eine weitere Überhitzung des Dampfs, der anschließend einer Nutzung, beispielsweise dem Antrieb einer Dampfturbine, zugeführt wird.
- Durch die besonders geringe Bauhöhe und kompakte Bauweise des Dampferzeugers 2 ist ein besonders geringer Herstellungs- und Montageaufwand desselben gewährleistet. Die Auslegung des Dampferzeugers 2 für einen vorgegebenen Leistungsbereich und/oder eine bestimmte Qualität des fossilen Brennstoffs B erfordert dabei einen besonders geringen technischen Aufwand. Außerdem können aufgrund des modularen Konzepts der Brennkammer ab einer gewissen Leistungsgröße anstelle einer Brennkammer zwei oder mehrere mit kleinerer Leistung dem gemeinsamen Horizontalgaszug 6 parallel vorgeschaltet sein.
Claims (18)
- Dampferzeuger (2) mit einem Verbrennungsraum, der wenigstens eine erste und eine zweite Brennkammer (4, 5) aufweist und die erste und die zweite Brennkammer (4, 5) jeweils eine Anzahl von Brennern (30) für fossilen Brennstoff (B) aufweisen und für eine annähernd horizontale Hauptströmungsrichtung (24) des Heizgases (H) ausgelegt sind, wobei die erste Brennkammer (4) und die zweite Brennkammer (5) in einen heizgasseitig einem Vertikalgaszug (8) vorgeschalteten gemeinsamen Horizontalgaszug (6) münden, wobei eine Anzahl von Brennern (30) jeweils an einer Stirnwand (9) der ersten Brennkammer (4) und an einer Stirnwand (9) der zweiten Brennkammer (5) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die durch den Abstand von der Stirnwand (9) der ersten Brennkammer (4) und von der Stirnwand (9) der zweiten Brennkammer (5) zum Eintrittsbereich (32) des Horizontalgaszugs (6) definierte Länge (L) der ersten Brennkammer (4) und der zweiten Brennkammer (5) mindestens gleich der Ausbrandlänge des Brennstoffs (B) beim Volllastbetrieb des Dampferzeugers (2) ist. - Dampferzeuger nach Anspruch 1, bei dem die Länge (L) der ersten Brennkammer (4) und der zweiten Brennkammer (5) als Funktion des BMCR-Werts (W), der Anzahl N der Brennkammern (4, 5), der Ausbrandzeit (tA) der Brenner (30) und/oder der Austrittstemperatur (TBRK) des Heizgases (H) aus der ersten Brennkammer (4) und der zweiten Brennkammer (5) näherungsweise gemäß den beiden Funktionen (1) und (2)
mitC1 = 8 m/s und C2 = 0,0057 m/kg und C3 = -1,905 · 10-4 (m · s) / (kg°K) und C4 = 0,286 (s · m)/kg und C5 = 3 · 10-4 m/(°K)2 und C6 = -0,842 m/°K und C7 = 603,41 m und C8 = 273,15 K - Dampferzeuger (2) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sowohl die Stirnwand (9) der ersten Brennkammer (4) als auch die Stirnwand (9) der zweiten Brennkammer (5) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Verdampferrohren (11) gebildet ist.
- Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Seitenwände (10) der ersten Brennkammer (4) und die Seitenwände (10) der zweiten Brennkammer (5) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten Verdampferrohren (11) gebildet sind, wobei jeweils eine Anzahl der Verdampferrohre (11) parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbar ist.
- Dampferzeuger (2) nach Anspruch 3 oder 4, bei dem eine Anzahl der Verdampferrohre (11) auf ihrer Innenseite ein mehrgängiges Gewinde bildende Rippen (40) tragen.
- Dampferzeuger (2) nach Anspruch 5, bei dem ein Steigungswinkel (α) zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene (41) und den Flanken (42) der auf der Rohrinnenseite angeordneten Rippen (40) kleiner als 60°, vorzugsweise kleiner als 55°, ist.
- Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Seitenwände (10) des Horizontalgaszuges (6) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Dampferzeugerrohren (14) gebildet sind.
- Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Seitenwände (13) des Vertikalgaszuges (8) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Dampferzeugerrohren (15) gebildet sind.
- Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem eine Anzahl der Verdampferrohre (11) jeweils eine Drosseleinrichtung aufweist.
- Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein Leitungssystem (19) zur Zuführung von Strömungsmedium (S) in die Verdampferrohre (11) der Brennkammer (4) vorgesehen ist, wobei das Leitungssystem (19) zur Reduzierung des Durchflusses des Strömungsmediums (S) eine Anzahl von Drosseleinrichtungen, insbesondere Drosselarmaturen, aufweist.
- Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem benachbarte Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre (11, 14, 15) über Flossen gasdicht miteinander verschweißt sind, wobei die Flossenbreite abhängig von der jeweiligen Position der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre (11, 14, 15) in der ersten Brennkammer (4) bzw. der zweiten Brennkammer (5), des Horizontalgaszugs (6) und/oder des Vertikalgaszugs (8) gewählt ist.
- Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Rohrinnendurchmesser (D) einer Anzahl der Verdampferrohre (11) der ersten Brennkammer (4) bzw. der zweiten Brennkammer (5) abhängig von der jeweiligen Position der Verdampferrohre (11) in der ersten Brennkammer (4) bzw. der zweiten Brennkammer (5) gewählt ist.
- Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem jeweils einer Anzahl von parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Verdampferrohren (11) der ersten Brennkammer (4) bzw. der zweiten Brennkammer (5) strömungsmediumsseitig ein gemeinsames Eintrittssammler-System (16) vorgeschaltet und ein gemeinsames Austrittssammler-System (18) nachgeschaltet ist.
- Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Verdampferrohre (11) der Stirnwände (9) der ersten Brennkammer (4) bzw. der zweiten Brennkammer (5) strömungsmediumsseitig den Verdampferrohren (11) der Seitenwände (10) der ersten Brennkammer (4) bzw. der zweiten Brennkammer (5) vorgeschaltet sind.
- Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem in dem Horizontalgaszug (6) eine Anzahl von Überhitzerheizflächen (22) in hängender Bauweise angeordnet ist.
- Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem in dem Vertikalgaszug (8) eine Anzahl von Konvektionsheizflächen (26) angeordnet ist.
- Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem der Verbrennungsraum (30) in modularer Bauweise aufgebaut ist, und ein erstes Modul die erste Brennkammer (4) umfasst und ein zweites Modul die zweite Brennkammer (5) umfasst.
- Dampferzeuger (2) nach Anspruch 17, bei dem der Verbrennungsraum aus gleichartigen Modulen aufgebaut ist.
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