EP1554522B1 - Verfahren zum betreiben eines dampferzeugers in liegender bauweise - Google Patents

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EP1554522B1
EP1554522B1 EP03750460A EP03750460A EP1554522B1 EP 1554522 B1 EP1554522 B1 EP 1554522B1 EP 03750460 A EP03750460 A EP 03750460A EP 03750460 A EP03750460 A EP 03750460A EP 1554522 B1 EP1554522 B1 EP 1554522B1
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EP
European Patent Office
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steam generator
evaporator
flow
flow medium
durchlaufheizfläche
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EP03750460A
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EP1554522A1 (de
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Joachim Franke
Rudolf Kral
Eberhard Wittchow
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F22B1/1807—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines
    • F22B1/1815—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines using the exhaust gases of gas-turbines

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a steam generator with an evaporator through-flow surface arranged in a heating gas duct which can be flowed through in an approximately horizontal heating gas direction, comprising a number of steam generator tubes connected in parallel to flow through a flow medium, each of which has an approximately vertical flow through the flow medium in the downstream direction Downcomer pipe and a this downstream of the flow medium side, arranged approximately vertically and by the flow medium in the upward directionteurströmbares riser pipe, wherein the evaporator fürlaufterrorism behavior is designed such that a more compared to another steam generator the same evaporator fürlaufsammlungsynthesis configuration more heated steam generator tube compared to the other steam generator tube higher throughput having the flow medium.
  • the heat contained in the relaxed working fluid or heating gas from the gas turbine is used to generate steam for the steam turbine.
  • the heat transfer takes place in a heat recovery steam generator connected downstream of the gas turbine, in which a number of heating surfaces for water preheating, steam generation and steam superheating is usually arranged.
  • the heating surfaces are connected in the water-steam cycle of the steam turbine.
  • the water-steam cycle usually comprises several, e.g. three, pressure stages, each pressure stage may have a Verdampferloom phenomenon.
  • a continuous steam generator In contrast to a natural or forced circulation steam generator, a continuous steam generator is not subject to any pressure limitation, so that it is possible for live steam pressures far above the critical pressure of water (P Kri ⁇ 221 bar) - where no differentiation of the phases water and steam and thus no phase separation is possible. can be designed.
  • a high live steam pressure promotes a high thermal efficiency and thus low CO 2 emissions of a fossil-fired power plant.
  • a continuous steam generator in comparison to a circulating steam generator a simple construction and is thus produced with very little effort.
  • the use of a designed according to the flow principle steam generator as heat recovery steam generator of a gas and steam turbine plant is therefore particularly favorable to achieve a high overall efficiency of the gas and steam turbine plant with a simple design.
  • a steam generator which is suitable for a design in horizontal design and also has the advantages of a continuous steam generator mentioned.
  • the evaporator heating surface of the known steam generator is connected as Norlaufterrorism phenomenon and designed such that a more heated compared to another steam generator tube fürlaufterrorism related steam generator tube has a higher compared to the other steam generator tube throughput of the flow medium.
  • continuous heating surface is generally to be understood a heating surface, which is designed for a flow according to the flow principle. The flow medium supplied to the evaporator heating surface interconnected as a continuous heating surface is thus completely evaporated in a single pass through this continuous heating surface or through a heating surface system comprising a plurality of continuous heating surfaces connected in series.
  • the evaporator fürlaufterrorism the steam generator in the Art
  • a U-shaped construction of a number of parallel to the flow of the flow medium steam generator tubes may be formed, each having an approximately vertically arranged, from the flow medium in the downward flow-through downpipe piece and this downstream of the flow medium side, approximately vertically arranged and flow medium through-flow in the upward direction riser piece.
  • the flow through the fürlaufterrorism decisions favors - flow-promoting - pressure contribution on the geodetic pressure of the water column located in the downpipe of each steam generator tube water column available.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for operating a steam generator of the type mentioned above, with a relatively high degree of flow stability in the operation of the evaporator fürlauf redesign construction can be achieved in a relatively simple manner.
  • this object is achieved in that the flow medium of the evaporator fürlaufments Design is supplied such that it has a flow rate of more than a predetermined minimum speed in the downcomer of the respective steam generator tube.
  • the invention is based on the consideration that a particularly high flow stability and thus a particularly high level of operational safety for the steam generator of the type mentioned above can be achieved by consistently suppressing possible causes for self-adjusting flow instabilities.
  • one of these possible causes may be the occurrence of vapor bubbles in the downcomer of the respective steam generator tube. If, in fact, vapor bubbles should form in the downcomer piece, they could rise in the water column located in the downcomer piece and thus perform a movement counter to the flow direction of the flow medium.
  • the flow direction of the flow medium oppositely directed movement of possibly existing vapor bubbles consistently, by a suitable specification of the operating parameters, a forced entrainment of the vapor bubbles in the actual flow direction be ensured of the flow medium.
  • This can be achieved by feeding the evaporator pass-through heating surface with flow medium in a suitable manner, wherein a sufficiently high flow velocity of the flow medium in the steam generator tubes brings about the desired entrainment effect on the possibly existing or forming vapor bubbles.
  • the flow rate of the flow medium in the downcomer piece of the respective steam generator tube is adjusted such that in the permissible operating range in any case a take-over of possibly existing vapor bubbles is ensured.
  • the flow velocity required for entrainment of the vapor bubbles is advantageously set as the minimum velocity for the flow velocity of the flow medium in the downcomer of the respective steam generator tube.
  • the setting of a sufficiently high flow rate of the flow medium in the downcomer of the respective steam generator tube is possible in a particularly simple manner by the flow medium is supplied to the downcomer of the respective steam generator tube in teilverdampftem state and / or with a certain minimum enthalpy.
  • the flow medium is advantageously partially pre-evaporated prior to its entry into the evaporator fürlaufsammlung construction that it has a vapor content and / or an enthalpy of more than a predetermined minimum steam content or a predetermined minimum enthalpy when entering the evaporator fürlaufterrorism behavior.
  • a desired vapor content and / or a desired enthalpy of the flow medium is adjustable.
  • a suitable choice of the vapor content and / or the enthalpy of the flow medium flowing through the flow heating surface above a predetermined minimum steam content and / or a predetermined minimum enthalpy a sufficient flow velocity of the flow medium can be ensured in the downer piece of the respective steam generator tube fürlauf carving procedure.
  • the flow rate of a water-steam mixture is in fact higher with the same mass flow rate, the greater the vapor content and thus the specific volume of the mixture.
  • the flow rate of the water-steam mixture can be set in particular so high that possibly present in the downpipe section of each steam generator tube existing steam bubbles reliably and can be transferred to the respective downcomer branch piece of riser pipe. Even with the U-shaped design of the steam generator tubes of the evaporator fürlaufsammlung construction thus one of the flow direction of the flow medium opposite movement of the vapor bubbles is safely excluded, so that a particularly high flow stability and thus a particularly high operational safety for the steam generator with such a designed evaporator fürlaufsammlung construction is guaranteed.
  • FIG. 1 shown with an evaporator section steam generator 1 is downstream in the manner of a heat recovery steam generator of a gas turbine not shown exhaust.
  • the steam generator 1 has a surrounding wall 2, which forms a in a nearly horizontal, indicated by the arrows 4
  • the Schugaskanal 6 is a number - in the exemplary embodiment two - arranged by the flow principle evaporator heating surfaces 8, 10, which are connected in series for the flow of a flow medium W, D.
  • the multistage evaporator system formed from the evaporator pass-through heating surfaces 8, 10 can be acted upon by unevaporated flow medium W, which evaporates in a single pass through the evaporator pass-through heating surfaces 8, 10 and is discharged as vapor D after exit from the evaporator pass-through heating surface 8 and usually to the further Overheating superheater heating is supplied.
  • the evaporator throughflow heating surfaces 8, 10 formed evaporator system is connected in the non-illustrated water-steam cycle of a steam turbine. In addition to this evaporator system are in the water-steam cycle of the steam turbine, a number of others, in FIG. 1 not shown heating surfaces connected, which are, for example, superheater, Medium-pressure evaporator, low-pressure evaporator and / or can act to preheater.
  • the evaporator fürlaufsammlung configuration 8 of the steam generator 1 comprises in the manner of a tube bundle a plurality of parallel to flow through the flow medium W steam generator tubes 12.
  • a plurality of steam generator tubes 12 to form a so-called pipe layer in Walkergascardi x seen side by side, so that in FIG. 1 in each case only one of the juxtaposed steam generator tubes 12 a pipe layer is visible.
  • the thus juxtaposed steam generator tubes 12 each an associated inlet header 14 upstream and a common outlet header 16 downstream of the flow medium side.
  • the evaporator pass-through heating surface 8 is designed such that it is suitable for feeding the steam generator tubes 12 with a comparatively low mass flow density, the steam generator tubes 12 having a natural circulation characteristic.
  • a more heated steam generator tube 12 compared to another steam generator tube 12 of the same evaporator pass-through heating surface 8 has a higher throughput of the flow medium W compared to the other steam generator tube 12.
  • the evaporator fürlaufsammlung configuration 8 comprises two flow medium side connected in series segments.
  • each steam generator tube 12 of the pass-through heating surface 8 comprises an approximately vertically arranged downpipe piece 20 which can be flowed through by the flow medium W.
  • each steam generator tube 12 comprises a riser tube piece downstream of the downcomer 20, downstream of the downcomer 20 and downstream of the flow medium W 22nd
  • the riser piece 22 is connected to its associated downcomer piece 20 via an overflow piece 24.
  • Each steam generator tube 12 of the evaporator pass-through heating surface 8 has, as in FIG. 1 can be seen, a nearly U-shaped shape, wherein the legs of the U through the downpipe piece 20 and the riser pipe piece 22 and the connecting sheet through the overflow 24 are formed.
  • a steam generator tube 12 designed in this way the geodetic pressure contribution of the flow medium W in the region of the downcomer piece 20-in contrast to the region of the riser piece 22-produces a flow-promoting and not a flow-inhibiting pressure contribution.
  • the water column located in the downpipe piece 20 of the unvaporized flow medium W "pushes" the flow through the respective steam generator tube 12, instead of impeding it.
  • the steam generator tube 12 as a whole has a comparatively low pressure loss.
  • each steam generator tube 12 is suspended or fixed respectively in the inlet region of its downcomer piece 20 and in the exit region of its riser piece 22 in the manner of a hanging construction on the ceiling of the heating gas duct 6.
  • the spatially lower ends of the respective downcomer piece 20 and the respective riser piece 22, which are interconnected by their overflow piece 24, however, are not directly spatially fixed to the heating gas duct 6. Length expansions of these segments of the steam generator tubes 12 are thus tolerable without risk of damage, the respective overflow 24 acts as a strain curve.
  • This arrangement of the steam generator tubes 12 is thus mechanically very flexible and insensitive to thermal stresses occurring in relation to differential strains.
  • U-shaped steam generator tubes 12 have vapor bubbles in the downcomer 20 of a steam generator tube 12. These vapor bubbles could ascend contrary to the flow direction of the flow medium W in the respective downpipe piece 20 and thus hinder the stability of the flow and also the reliable operation of the steam generator 1. To prevent this reliably, the steam generator 1 is designed for feeding the evaporator throughflow heating surface 8 with already partially evaporated flow medium W.
  • a supply of the flow medium D, W is provided in the evaporator fürlaufsammlungsynthesis 8 such that the flow medium D, W in the downcomer piece 20 of the respective steam generator tube 12 has a flow rate of more than a predetermined minimum speed.
  • This in turn is dimensioned such that due to the sufficiently high flow rate of the flow medium D, W in the respective downpipe piece 20, the steam bubbles present there reliably entrained in the flow direction of the flow medium D, W and transferred via the respective overflow piece 24 into the respective downstream riser piece 22.
  • the evaporator fürlauf carving Structure 8 of the steam generator 1 is the flow medium side as further fürlaufterrorism phenomenon the evaporator fürlauf carving phenomenon 10 upstream.
  • the evaporator continuous heating surface 10 is thus designed in the manner of a pre-evaporator, so that the evaporator system is formed by the further evaporator fürlauf carving phenomenon 10 and this downstream of the flow medium side evaporator fürlaufterrorism phenomenon 8.
  • the provided in the manner of a pre-evaporator further evaporator fürlauf carving phenomenon 10 is spatially arranged in the comparatively colder space region of the Schugaskanals 6 and thus the heating gas side downstream of the evaporator fürlauf carving scene 8.
  • the evaporator pass-through heating surface 8 is arranged in greater proximity to the inlet region of the heating gas duct 6 for the heating gas flowing out of the gas turbine and thus exposed to a comparatively strong heat input by the heating gas during operation.
  • the further evaporator passage heating surface 10 is in turn also formed by a number of parallel to the flow of the flow medium W steam generator tubes 30.
  • the steam generator tubes 30 are aligned substantially vertically with their longitudinal axis and designed for a flow through the flow medium W from a lower inlet region to an upper outlet region, ie from bottom to top.
  • the evaporator fürlaufsammlung configuration 10 is also designed such that a more compared to another steam generator tube 30 more heated steam generator tube 30 a compared to further steam generator tube 30 higher throughput of the flow medium W has.
  • the further evaporator für Mothermore In order according to the concept provided for by the evaporator fürlaufsammlung discussion 8 and by this upstream of the flow medium side further evaporator fürlaufsammlung construction 10 evaporator system, namely in the design case, the input-side feeding the evaporator fürlaufsammlung phenomenon 8 with partially pre-evaporated, a sufficiently high steam content and / or a sufficiently high enthalpy Flow medium D, W, the further evaporator fürlaufments the structurally dimensioned.
  • a suitable choice of material and a suitable dimensioning of the steam generator tubes 30, possibly also different from each other, but also a suitable positioning of the steam generator tubes 30 are taken into account relative to each other.
  • the further evaporator fürlauf carving Structure 10 is dimensioned such that in the operating case in the hereafter connected evaporator fürlaufsammlung phenomenon 8 inflowing flow medium D, W requires a flow rate of more than the entrainment of existing in the respective downpipes 20 vapor bubbles Minimum speed has.
  • the high operational safety designed according to the design is particularly achievable in that the heat absorption during operation is essentially distributed equally to the evaporator throughflow heating surface 8 and to the further evaporator throughflow heating surface 10.
  • the evaporator fürlauftogether vom 8, 10 and these forming steam generator tubes 12, 30 are therefore dimensioned in the exemplary embodiment such that in the operation of the entire heat input into the evaporator fürlaufsammlung Structure 8 forming steam generator tubes 12 in about the heat input into the further evaporator fürlauf carving procedure 10th forming steam generator tubes 30 corresponds.
  • the further evaporator through-flow heating surface 10 has a number of steam generator tubes 30 suitably selected with regard to the number of steam generator tubes 12 of the throughflow heating surface 8 downstream of them.
  • the further evaporator fürlaufsammlung configuration 10 forming steam generator tubes are designed for a flow through the flow medium W from bottom to top.
  • the further evaporator continuous heating surface 10 in the manner of a Tube bundle a number of seen in Bankgasraum x successively arranged pipe layers 32, each of which is formed of a number of juxtaposed in Bankgasraum x steam generator tubes 30, and of which FIG. 1 in each case only one steam generator tube 30 is visible.
  • the steam generator tubes 30 of each tube layer 32 are each preceded by a common inlet collector 34 aligned with its longitudinal direction substantially perpendicular to the heating gas direction x.
  • the inlet collector 34 are connected to an in FIG. 1 only schematically indicated water supply system 36 is connected, which may include a distribution system for needs-based distribution of the influx of flow medium W to the inlet header 34.
  • the steam generator tubes 30 forming the further evaporator passage heating surface 10 open into a number of associated outlet collectors 38.
  • Each of the outlet collectors 38 substantially parallel to each other and juxtaposed, of which FIG. 1 only one is visible, is aligned with its longitudinal axis substantially parallel to the heating gas x direction.
  • the number of outlet headers 38 is adapted to the number of steam generator tubes 30 in each tube layer 32.
  • Each outlet header 38 is an inlet header 14 of the further evaporator fürlaufsammlung description 10 flow medium side downstream evaporator fürlaufsammlung Structure 8 assigned. Due to the U-shaped configuration of the evaporator fürlaufsammlung Structure 8 is the respective inlet header 14 as well as the respective outlet header 38 above the Schugaskanals 6.
  • the flow medium side series connection of the evaporator fürlaufsammlung construction 8 with the other evaporator fürlaufsammlung configuration 10 is in a particularly simple manner possible by integrating each outlet header 38 with its respective inlet collector 14 into a structural unit 40.
  • the structural or structural unit 40 is an immediate overflow of the flow medium W from the other evaporator fürlaufsammlungments design 10 in the evaporator fürlauf carving Structure 8 allows, without a comparatively complex distribution or connection system would be required.
  • the steam generator tubes 30 are each two adjacent pipe layers 32 in a direction perpendicular to the Schugasraum x seen offset from each other, so that there is a substantially diamond-shaped basic pattern with respect to the arrangement of the steam generator tubes 30.
  • the outlet headers 38 of which in FIG. 2 only one is shown, positioned such that in each outlet header 38 from each pipe layer 32 each a steam generator tube 30 opens. It can also be seen that each outlet header 38 is integrated with an associated inlet header 14 for the downstream of the evaporator fürlaufsammlung Chemistry 10 evaporator continuous flow surface 8 to a structural unit 40.
  • FIG. 2 is further removed that the evaporator fürlaufsammlung configuration 8 forming steam generator tubes 12 also form a number of x seen in Walkergasraum x consecutive pipe layers, the seen in Walkergascardi x first two pipe layers are formed from the riser pipe sections 22 of the steam generator tubes 12, the output side in the Outlet collector 16 for the vaporized flow medium D open. The next two pipe layers seen in the direction of heating gas x, however, are formed from the downpipe pieces 20 of the steam generator tubes 12, which are the input side connected to a respective associated inlet collector 14.
  • FIG. 3 shows in side view fragmentary the inlet region of the steam generator tubes 12 and the outlet region of the steam generator tubes 30 in the respectively associated Building unit 40, on the one hand the outlet header 38 for a number of the further evaporator fürlaufsammlung configuration 10 forming steam generator tubes 30 and on the other hand the inlet header 14 for each two of the evaporator fürlaufsammlung description 8 forming steam generator tubes 12 comprises.
  • flow medium D, W flowing out of the steam generator tubes 30 and entering the outlet header 38 can flow over directly into the inlet header 14 assigned to the evaporator throughflow heating surface 8.
  • W bounces this first against a bottom plate 42 of the inlet header 14 comprehensive structural unit 40.
  • each steam generator tube 12 is assigned an overflow piece 46.
  • each overflow piece 46 runs obliquely to the heating gas direction x and connects the upper region of the respective associated steam generator tube 12 with the respective outlet opening 48 of the inlet collector 14.
  • all the outlet openings 48 of the inlet collector 14 can be positioned in a common plane perpendicular to the cylinder axis of the structural unit 40 be so that already due to the symmetrical arrangement of the outlet openings 48 in relation to the flow path of the flow medium D, W a uniform distribution of the entering into the steam generator tubes 12 flow medium D, W is guaranteed.
  • FIG. 4 a number of such structural units 40 shown in front view, wherein the in FIG. 2 is based on IV line section. It can be seen that the two in FIG. 4 Structural units 40 on the left, which are shown in the region of their end formed as inlet header 14 for the downstream steam generator tubes 12, are each connected via the overflow pieces 46 to the downstream downcomer pieces 20 of the steam generator tubes 12.
  • the steam generator 1 after FIG. 1 and with the special designs according to the FIGS. 2 to 4 is designed for a particularly safe operation of the evaporator fürlaufsammlung Structure 8.
  • the substantially U-shaped evaporator continuous heating surface 8 is supplied with flow medium D, W at a flow rate of more than a predetermined minimum speed. This ensures that in the downpipe pieces 20 of the fürlaufsammlung construction 8 existing steam generator tubes entrained existing vapor bubbles and spent in the respective downstream riser 22 piece.
  • the evaporator fürlaufsammlung vom 8.10 are designed or dimensioned such that in all operating points of the vapor content or the enthalpy of the flow medium D, W when entering the evaporator fürlaufsammlung construction 8 above suitably predetermined characteristics is, as example in the FIGS. 5a . 5b are shown.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers mit einer in einem in einer annähernd horizontalen Heizgasrichtung durchströmbaren Heizgaskanal angeordneten Verdampfer-Durchlaufheizfläche, die eine Anzahl von zur Durchströmung eines Strömungsmediums parallel geschalteten Dampferzeugerrohren umfasst, die jeweils ein annähernd vertikal angeordnetes, vom Strömungsmedium in Abwärtsrichtung durchströmbares Fallrohrstück und ein diesem strömungsmediumsseitig nachgeschaltetes, annähernd vertikal angeordnetes und vom Strömungsmedium in Aufwärtsrichtung durchströmbares Steigrohrstück aufweisen, wobei die Verdampfer-Durchlaufheizfläche derart ausgelegt ist, dass ein im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr derselben Verdampfer-Durchlaufheizfläche mehrbeheiztes Dampferzeugerrohr einen im Vergleich zum weiteren Dampferzeugerrohr höheren Durchsatz des Strömungsmediums aufweist.
  • Bei einer Gas- und Dampfturbinenanlage wird die im entspannten Arbeitsmittel oder Heizgas aus der Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für die Dampfturbine genutzt. Die Wärmeübertragung erfolgt in einem der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger, in dem üblicherweise eine Anzahl von Heizflächen zur Wasservorwärmung, zur Dampferzeugung und zur Dampfüberhitzung angeordnet ist. Die Heizflächen sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine geschaltet. Der Wasser-Dampf-Kreislauf umfaßt üblicherweise mehrere, z.B. drei, Druckstufen, wobei jede Druckstufe eine Verdampferheizfläche aufweisen kann.
  • Für den der Gasturbine als Abhitzedampferzeuger heizgasseitig nachgeschalteten Dampferzeuger kommen mehrere alternative Auslegungskonzepte, nämlich die Auslegung als Durchlaufdampferzeuger oder die Auslegung als Umlaufdampferzeuger, in Betracht. Bei einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von als Verdampferrohren vorgesehenen Dampferzeugerrohren zu einer Verdampfung des Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem einmaligen Durchlauf. Im Gegensatz dazu wird bei einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger das im Umlauf geführte Wasser bei einem Durchlauf durch die Verdampferrohre nur teilweise verdampft. Das dabei nicht verdampfte Wasser wird nach einer Abtrennung des erzeugten Dampfes für eine weitere Verdampfung den selben Verdampferrohren erneut zugeführt.
  • Ein Durchlaufdampferzeuger unterliegt im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so dass er für Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser (PKri ≈ 221 bar) - wo keine Unterscheidung der Phasen Wasser und Dampf und damit auch keine Phasentrennung möglich ist - ausgelegt werden kann. Ein hoher Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermischen Wirkungsgrad und somit niedrige CO2-Emisionen eines fossilbeheizten Kraftwerks. Zudem weist ein Durchlaufdampferzeuger im Vergleich zu einem Umlaufdampferzeuger eine einfache Bauweise auf und ist somit mit besonders geringem Aufwand herstellbar. Die Verwendung eines nach dem Durchlaufprinzip ausgelegten Dampferzeugers als Abhitzedampferzeuger einer Gas- und Dampfturbinenanlage ist daher zur Erzielung eines hohen Gesamtwirkungsgrades der Gas- und Dampfturbinenanlage bei einfacher Bauweise besonders günstig.
  • Besondere Vorteile hinsichtlich des Herstellungsaufwands, aber auch hinsichtlich erforderlicher Wartungsarbeiten bietet ein Abhitzedampferzeuger in liegender Bauweise, bei dem das beheizende Medium oder Heizgas, also das Abgas aus der Gasturbine, in annähernd horizontaler Strömungsrichtung durch den Dampferzeuger geführt ist. Bei einem Dampferzeuger in liegender Bauweise können die Dampferzeugerrohre einer Verdampfer-Heizfläche jedoch je nach ihrer Positionierung einer stark unterschiedlichen Beheizung ausgesetzt sein. Insbesondere bei ausgangsseitig mit einem gemeinsamen Sammler verbundenen Dampferzeugerrohren eines Durchlaufdampferzeugers kann eine unterschiedliche Beheizung einzelner Dampferzeugerrohre zu einer Zusammenführung von Dampfströmen mit stark voneinander abweichenden Dampfparametern und somit zu unerwünschten Wirkungsgradverlusten, insbesondere zu einer vergleichsweise verringerten Effektivität der betroffenen Heizfläche und einer dadurch reduzierten Dampferzeugung, führen. Eine unterschiedliche Beheizung benachbarter Dampferzeugerrohre kann zudem, insbesondere im Einmündungsbereich von Sammlern, zu Schäden an den Dampferzeugerrohren oder dem Sammler führen. Die an sich wünschenswerte Verwendung eines in liegender Bauweise ausgeführten Durchlaufdampferzeugers als Abhitzedampferzeuger für eine Gasturbine kann somit erhebliche Probleme hinsichtlich einer ausreichend stabilisierten Strömungsführung mit sich bringen.
  • Aus der EP 0 944 801 B1 ist ein Dampferzeuger bekannt, der für eine Auslegung in liegender Bauweise geeignet ist und zudem die genannten Vorteile eines Durchlaufdampferzeugers aufweist. Dazu ist die Verdampferheizfläche des bekannten Dampferzeugers als Durchlaufheizfläche verschaltet und derart ausgelegt, dass ein im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr derselben Durchlaufheizfläche mehrbeheiztes Dampferzeugerrohr einen im Vergleich zum weiteren Dampferzeugerrohr höheren Durchsatz des Strömungsmediums aufweist. Unter Durchlaufheizfläche ist dabei im allgemeinen eine Heizfläche zu verstehen, die für eine Durchströmung nach dem Durchlaufprinzip ausgelegt ist. Das der als Durchlaufheizfläche verschalteten Verdampferheizfläche zugeführte Strömungsmedium wird also im einmaligen Durchlauf durch diese Durchlaufheizfläche oder durch ein eine Mehrzahl von hintereinander geschalteten Durchlaufheizflächen umfassendes Heizflächensystem vollständig verdampft.
  • Die als Durchlaufheizfläche verschaltete Verdampferheizfläche des bekannten Dampferzeugers zeigt somit in der Art der Strömungscharakteristik einer Naturumlaufverdampferheizfläche (Naturumlaufcharakteristik) bei auftretender unterschiedlicher Beheizung einzelner Dampferzeugerrohre ein selbststabilisierendes Verhalten, das ohne das Erfordernis äußerer Einflußnahme zu einer Angleichung der austrittsseitigen Temperaturen auch an unterschiedlich beheizten, strömungsmediumsseitig parallel geschalteten Dampferzeugerrohren führt.
  • Um bei einem Dampferzeuger in derartiger Bauweise eine besonders geringe Belastung durch thermisch bedingte Spannungen bei besonders im Hinblick auf die wasser- und/oder dampfseitige Verteilung des Strömungsmediums besonders gering gehaltenem Herstellungs- und Montageaufwand zu erreichen, kann die Verdampfer-Durchlaufheizfläche des Dampferzeugers in der Art einer U-förmigen Bauweise aus einer Anzahl von zur Durchströmung des Strömungsmediums parallel geschalteten Dampferzeugerrohren gebildet sein, die jeweils ein annähernd vertikal angeordnetes, vom Strömungsmedium in Abwärtsrichtung durchströmbares Fallrohrstück und ein diesem strömungsmediumsseitig nachgeschaltetes, annähernd vertikal angeordnetes und vom Strömungsmedium in Aufwärtsrichtung durchströmbares Steigrohrstück aufweisen. Wie sich herausgestellt hat, ist bei einer derartigen Bauweise ein die Durchströmung der Durchlaufheizfläche begünstigender - strömungsfördernder - Druckbeitrag über den geodätischen Druck der im Fallrohrstück des jeweiligen Dampferzeugerrohrs befindlichen Wassersäule nutzbar.
  • Allerdings könnte eine derartige Bauweise grundsätzlich das Auftreten von Strömungsinstabilitäten beim Betrieb der Verdampfer-Durchlaufheizfläche begünstigen, die zu betrieblichen Nachteilen führen könnten. Zwar ist durch die Bespeisung der die Durchlaufheizfläche bildenden Dampferzeugerrohre mit vergleichsweise geringer Massenstromdichte und durch den damit verbundenen vergleichsweise geringen Reibungsdruckverlust eine Naturumlaufcharakteristik der Strömung im Dampferzeugerrohr erzielbar, die sich stabilisierend auf die Strömung auswirkt. Dennoch ist es wünschenswert, gerade bei einer derartigen Bauweise mit abwärts durchströmbarem Rohrabschnitt in besonderem Maße zu einer Stabilisierung der Strömungsverhältnisse beim Betrieb der Verdampfer-Durchlaufheizfläche beizutragen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers der oben genannten Art anzugeben, mit dem auf vergleichsweise einfache Weise ein besonders hohes Maß an Strömungsstabilität beim Betrieb der Verdampfer-Durchlaufheizfläche erreichbar ist.
  • Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Strömungsmedium der Verdampfer-Durchlaufheizfläche derartig zugeführt wird, dass es im Fallrohrstück des jeweiligen Dampferzeugerrohrs eine Strömungsgeschwindigkeit von mehr als einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit aufweist.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders hohe Strömungsstabilität und somit ein besonders hohes Maß an betrieblicher Sicherheit für den Dampferzeuger der oben genannten Art erzielbar ist, indem mögliche Ursachen für sich einstellende Strömungsinstabilitäten konsequent unterdrückt werden. Wie sich herausgestellt hat, kann als eine dieser möglichen Ursachen ein Auftreten von Dampfblasen im Fallrohrstück des jeweiligen Dampferzeugerrohrs angesehen werden. Falls sich nämlich im Fallrohrstück Dampfblasen bilden sollten, so könnten diese in der sich im Fallrohrstück befindlichen Wassersäule aufsteigen und somit eine Bewegung entgegen der Strömungsrichtung des Strömungsmediums vollführen. Um eine derartige, der Strömungsrichtung des Strömungsmediums entgegengerichtete Bewegung von möglicherweise vorhandenen Dampfblasen konsequent zu unterbinden, sollte durch eine geeignete Vorgabe der Betriebsparameter eine erzwungene Mitnahme der Dampfblasen in der eigentlichen Strömungsrichtung des Strömungsmediums sichergestellt werden. Dies ist erreichbar, indem die Bespeisung der Verdampfer-Durchlaufheizfläche mit Strömungsmedium in geeigneter Weise erfolgt, wobei eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren den gewünschten Mitnahmeeffekt auf die möglicherweise vorhandenen oder sich bildenden Dampfblasen bewirkt.
  • Vorteilhafterweise wird dabei die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums im Fallrohrstück des jeweiligen Dampferzeugerrohres derart eingestellt, dass im zulässigen Betriebsbereich in jedem Fall eine Mitnahme von möglicherweise vorhandenen Dampfblasen gewährleistet ist. Dazu wird vorteilhafterweise als Mindestgeschwindigkeit für die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums im Fallrohrstück des jeweiligen Dampferzeugerrohrs die zur Mitnahme der Dampfblasen erforderliche Strömungsgeschwindigkeit, gegebenenfalls erhöht um einen geeignet gewählten Sicherheitsaufschlag, vorgegeben.
  • Die Einstellung einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums im Fallrohrstück des jeweiligen Dampferzeugerrohrs ist auf besonders einfache Weise möglich, indem das Strömungsmedium dem Fallrohrstück des jeweiligen Dampferzeugerrohrs in teilverdampftem Zustand und/oder mit einer gewissen Mindestenthalpie zugeführt wird. Dazu wird das Strömungsmedium vorteilhafterweise vor seinem Eintritt in die Verdampfer-Durchlaufheizfläche derart teilweise vorverdampft, dass es beim Eintritt in die Verdampfer-Durchlaufheizfläche einen Dampfgehalt und/oder eine Enthalpie von mehr als einem vorgegebenen Mindestdampfgehalt bzw. einer vorgegebenen Mindestenthalpie aufweist.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die nunmehr vorgesehene, zumindest teilweise Vorverdampfung des Strömungsmediums vor dessen Eintritt in die aus im wesentlichen u-förmig ausgestalten Dampferzeugerrohren gebildete Durchlaufheizfläche nach vorgebbaren Kriterien ein gewünschter Dampfgehalt und/oder eine gewünschte Enthalpie des Strömungsmediums einstellbar ist. Durch geeignete Wahl des Dampfgehalts und/oder der Enthalpie des der Durchlaufheizfläche zuströmenden Strömungsmediums oberhalb eines vorgegebenen Mindestdampfgehalts und/oder einer vorgegebenen Mindestenthalpie kann eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums im Fallrohrstück des jeweiligen Dampferzeugerrohrs der Durchlaufheizfläche sichergestellt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit eines Wasser-Dampf-Gemisches ist nämlich bei gleichem Massendurchsatz um so höher, je größer der Dampfanteil und damit das spezifische Volumen des Gemisches ist.
  • Die Strömungsgeschwindigkeit des Wasser-Dampf-Gemisches kann dabei insbesondere derart hoch eingestellt werden, dass möglicherweise im Fallrohrstück des jeweiligen Dampferzeugerrohrs vorhandene Dampfblasen zuverlässig mitgerissen und in das dem jeweiligen Fallrohrstück nachgeschaltete Steigrohrstück überführt werden können. Selbst bei der u-förmigen Ausgestaltung der Dampferzeugerrohre der Verdampfer-Durchlaufheizfläche ist somit eine der Strömungsrichtung des Strömungsmediums entgegengesetzte Bewegung der Dampfblasen sicher ausgeschlossen, so dass eine besonders hohe Strömungsstabilität und somit eine besonders hohe betriebliche Sicherheit für den Dampferzeuger mit einer derartig ausgestalteten Verdampfer-Durchlaufheizfläche gewährleistet ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • Figur 1
    in vereinfachter Darstellung im Längsschnitt die Verdampfersektion eines Dampferzeugers in liegender Bauweise,
    Figur 2
    den Dampferzeuger nach Figur 1 ausschnittweise in Aufsicht,
    Figur 3
    den Dampferzeuger nach Figur 1 im Ausschnitt entlang der in Figur 2 dargestellten Schnittlinie,
    Figur 4
    den Dampferzeuger nach Figur 1 im Ausschnitt entlang der in Figur 2 darstellten Schnittlinie, und
    Figur 5
    ein Enthalpie- bzw. Strömungsgeschwindigkeits-Massenstromdiagramm.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Der in Figur 1 mit einer Verdampfersektion gezeigte Dampferzeuger 1 ist in der Art eines Abhitzedampferzeugers einer nicht näher dargestellten Gasturbine abgasseitig nachgeschaltet. Der Dampferzeuger 1 weist eine Umfassungswand 2 auf, die einen in einer annähernd horizontalen, durch die Pfeile 4 angedeuteten Heizgasrichtung x durchströmbaren Heizgaskanal 6 für das Abgas aus der Gasturbine bildet. Im Heizgaskanal 6 ist eine Anzahl - im Ausführungsbeispiel zwei - von nach dem Durchlaufprinzip ausgelegten Verdampfer-Heizflächen 8, 10 angeordnet, die für den Durchfluss eines Strömungsmediums W, D hintereinandergeschaltet sind.
  • Das aus den Verdampfer-Durchlaufheizflächen 8, 10 gebildete mehrstufige Verdampfersystem ist mit unverdampftem Strömungsmedium W beaufschlagbar, das bei einmaligem Durchlauf durch die Verdampfer-Durchlaufheizflächen 8, 10 verdampft und nach dem Austritt aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 als Dampf D abgeführt und üblicherweise zur weiteren Überhitzung Überhitzerheizflächen zugeführt wird. Das aus den Verdampfer-Durchlaufheizflächen 8, 10 gebildete Verdampfersystem ist in den nicht näher dargestellten Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine geschaltet. Zusätzlich zu diesem Verdampfersystem sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine eine Anzahl weiterer, in Figur 1 nicht näher dargestellter Heizflächen geschaltet, bei denen es sich beispielsweise um Überhitzer, Mitteldruckverdampfer, Niederdruckverdampfer und/oder um Vorwärmer handeln kann.
  • Die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 des Dampferzeugers 1 umfasst in der Art eines Rohrbündels eine Vielzahl von zur Durchströmung des Strömungsmediums W parallel geschalteten Dampferzeugerrohren 12. Dabei ist jeweils eine Mehrzahl von Dampferzeugerrohren 12 unter Bildung einer sogenannten Rohrlage in Heizgasrichtung x gesehen nebeneinander angeordnet, so dass in Figur 1 jeweils lediglich eines der so nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohre 12 einer Rohrlage sichtbar ist. Den so nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohren 12 ist strömungsmediumseitig jeweils ein zugeordneter Eintrittssammler 14 vor- und ein gemeinsamer Austrittssammler 16 nachgeschaltet.
  • Die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 ist derart ausgelegt, dass sie für eine Bespeisung der Dampferzeugerrohre 12 mit vergleichsweise niedriger Massenstromdichte geeignet ist, wobei die Dampferzeugerrohre 12 eine Naturumlaufcharakteristik aufweisen. Bei dieser Naturumlaufcharakteristik weist ein im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr 12 derselben Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 mehr beheiztes Dampferzeugerrohr 12 einen im Vergleich zum weiteren Dampferzeugerrohr 12 höheren Durchsatz des Strömungsmediums W auf. Um dies mit besonders einfachen konstruktiven Mitteln auf besonders zuverlässige Weise sicherzustellen, umfasst die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 zwei strömungsmediumsseitig in Reihe geschaltete Segmente. Im ersten Segment umfasst jedes Dampferzeugerrohr 12 der Durchlaufheizfläche 8 dabei ein annähernd vertikal angeordnetes, vom Strömungsmedium W in Abwärtsrichtung durchströmbares Fallrohrstück 20. Im zweiten Segment umfasst jedes Dampferzeugerrohr 12 ein dem Fallrohrstück 20 strömungsmediumseitig nachgeschaltetes, annähernd vertikal angeordnetes und vom Strömungsmedium W in Aufwärtsrichtung durchströmbares Steigrohrstück 22.
  • Das Steigrohrstück 22 ist dabei mit dem ihm zugeordneten Fallrohrstück 20 über ein Überströmstück 24 verbunden.
  • Jedes Dampferzeugerrohr 12 der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 weist, wie dies in Figur 1 erkennbar ist, eine nahezu u-förmige Form auf, wobei die Schenkel des U durch das Fallrohrstück 20 und das Steigrohrstück 22 und der Verbindungsbogen durch das Überströmstück 24 gebildet sind. Bei einem derartig ausgestalteten Dampferzeugerrohr 12 erzeugt der geodätische Druckbeitrag des Strömungsmediums W im Bereich des Fallrohrstücks 20 - im Gegensatz zum Bereich des Steigrohrstücks 22 - einen strömungsfördernden und nicht einen strömungshemmenden Druckbeitrag. Mit anderen Worten: Die im Fallrohrstück 20 befindliche Wassersäule an unverdampftem Strömungsmedium W "schiebt" die Durchströmung des jeweiligen Dampferzeugerrohrs 12 noch mit an, statt diese zu behindern. Dadurch weist das Dampferzeugerrohr 12 insgesamt gesehen einen vergleichsweise geringen Druckverlust auf.
  • Bei der annähernd u-förmigen Bauweise ist jedes Dampferzeugerrohr 12 jeweils im Eintrittsbereich seines Fallrohrstücks 20 und im Austrittsbereich seines Steigrohrstücks 22 in der Art einer hängenden Bauweise an der Decke des Heizgaskanals 6 aufgehängt oder befestigt. Die räumlich gesehen unteren Enden des jeweiligen Fallrohrstücks 20 und des jeweiligen Steigrohrstücks 22, die durch ihr Überströmstück 24 miteinander verbunden sind, sind hingegen nicht unmittelbar räumlich am Heizgaskanal 6 fixiert. Längendehnungen dieser Segmente der Dampferzeugerrohre 12 sind somit ohne Schadensrisiko tolerierbar, wobei das jeweilige Überströmstück 24 als Dehnungsbogen wirkt. Diese Anordnung der Dampferzeugerrohre 12 ist somit mechanisch besonders flexibel und hinsichtlich thermischer Spannungen unempfindlich gegenüber auftretenden Differenzdehnungen.
  • Beim Dampferzeuger 1 in liegender Bauweise und unter Verwendung der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 mit im Wesentlichen u-förmig ausgestalteten Dampferzeugerrohren 12 treten jedoch im allgemeinen im Fallrohrstück 20 eines Dampferzeugerrohrs 12 Dampfblasen auf. Diese Dampfblasen könnten entgegen der Strömungsrichtung des Strömungsmediums W im jeweiligen Fallrohrstück 20 aufsteigen und somit die Stabilität der Strömung und auch den zuverlässigen Betrieb des Dampferzeugers 1 behindern. Um dies zuverlässig zu unterbinden, ist der Dampferzeuger 1 für eine Bespeisung der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 mit bereits teilweise verdampftem Strömungsmedium W ausgelegt.
  • Dabei ist eine Zuführung des Strömungsmediums D, W in die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 derart vorgesehen, dass das Strömungsmedium D, W im Fallrohrstück 20 des jeweiligen Dampferzeugerrohrs 12 eine Strömungsgeschwindigkeit von mehr als einer vorgebbaren Mindestgeschwindigkeit aufweist. Diese ist wiederum derart bemessen, dass auf Grund der ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums D, W im jeweiligen Fallrohrstück 20 die dort vorhandenen Dampfblasen zuverlässig in Strömungsrichtung des Strömungsmediums D, W mitgerissen und über das jeweilige Überströmstück 24 in das jeweils nachgeschaltete Steigrohrstück 22 überführt werden. Die Einhaltung einer für diesen Zweck ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums D, W in den Fallrohrstücken 20 der Dampferzeugerrohre 12 ist dadurch gewährleistet, dass die Zuführung des Strömungsmediums D, W in die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 mit einem hierzu ausreichend hohen Dampfgehalt und/oder mit einer hierzu ausreichend hohen Enthalpie vorgesehen ist.
  • Um die Zuführung des Strömungsmediums D, W mit hierfür geeigneten Parametern im bereits teilweise verdampften Zustand zu ermöglichen, ist der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 des Dampferzeugers 1 strömungsmediumseitig als weitere Durchlaufheizfläche die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 vorgeschaltet. Die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 ist somit in der Art eines Vorverdampfers ausgelegt, so dass das Verdampfersystem durch die weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 und die dieser strömungsmediumseitig nachgeschaltete Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 gebildet ist. Die in der Art eines Vorverdampfers vorgesehene weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 ist dabei räumlich im vergleichsweise kälteren Raumbereich des Heizgaskanals 6 und somit heizgasseitig stromab der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 angeordnet. Die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 ist hingegen in größerer Nähe zum Eintrittsbereich des Heizgaskanals 6 für das aus der Gasturbine abströmende Heizgas angeordnet und somit im Betriebsfall einem vergleichsweise starken Wärmeeintrag durch das Heizgas ausgesetzt.
  • Die weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 ist ihrerseits ebenfalls durch eine Anzahl von zur Durchströmung des Strömungsmediums W parallel geschalteten Dampferzeugerrohren 30 gebildet. Die Dampferzeugerrohre 30 sind dabei mit ihrer Längsachse im Wesentlichen vertikal ausgerichtet und für eine Durchströmung des Strömungsmediums W von einem unteren Eintrittsbereich zu einem oberen Austrittsbereich, also von unten nach oben, ausgelegt. Um auch für die weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 in der Art eines selbststabilisierenden Betriebsverhaltens eine besonders hohe Stabilität der Durchströmung zu gewährleisten, ist die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 ebenfalls derart ausgelegt, dass ein im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr 30 mehrbeheiztes Dampferzeugerrohr 30 einen im Vergleich zum weiteren Dampferzeugerrohr 30 höheren Durchsatz des Strömungsmediums W aufweist.
  • Um nach dem vorgesehenen Konzept für das durch die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 und durch die dieser strömungsmediumseitig vorgeschaltete weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 gebildete Verdampfersystem, nämlich im Auslegungsfall die eingangsseitige Bespeisung der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 mit teilweise vorverdampftem, einen ausreichend hohen Dampfgehalt und/oder eine ausreichend hohe Enthalpie aufweisendem Strömungsmedium D, W, zu gewährleisten, ist die weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 geeignet dimensioniert. Dabei sind insbesondere eine geeignete Materialwahl und eine geeignete Dimensionierung der Dampferzeugerrohre 30, ggf. auch unterschiedlich zueinander, aber auch eine geeignete Positionierung der Dampferzeugerrohre 30 relativ zueinander berücksichtigt. Gerade im Hinblick auf diese Parameter ist die weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 derart dimensioniert, dass im Betriebsfall das in die ihr nachgeschaltete Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 einströmende Strömungsmedium D, W eine Strömungsgeschwindigkeit von mehr als der zur Mitnahme von in den jeweiligen Fallrohrstücken 20 vorhandenen Dampfblasen erforderlichen Mindestgeschwindigkeit aufweist.
  • Wie sich herausgestellt hat, ist die auslegungsgemäß angestrebte hohe betriebliche Sicherheit in besonderem Maße erreichbar, indem die Wärmeaufnahme im Betriebsfall im Wesentlichen gleich auf die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 und auf die weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 verteilt ist. Die Verdampfer-Durchlaufheizflächen 8, 10 und die diese bildenden Dampferzeugerrohre 12, 30 sind daher im Ausführungsbeispiel derart dimensioniert, dass im Betriebsfall der gesamte Wärmeeintrag in die die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 bildenden Dampferzeugerrohre 12 in etwa dem Wärmeeintrag in die die weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 bildenden Dampferzeugerrohre 30 entspricht. Unter Berücksichtigung der dabei auftretenden Massenströme weist dafür die weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 eine im Hinblick auf die Anzahl der Dampferzeugerrohre 12 der ihr strömungsmediumseitig nachgeschalteten Durchlaufheizfläche 8 geeignet gewählte Anzahl von Dampferzeugerrohren 30 auf.
  • Die die weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 bildenden Dampferzeugerrohre sind für eine Durchströmung des Strömungsmediums W von unten nach oben ausgelegt. Dabei umfasst die weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 in der Art eines Rohrbündels eine Anzahl von in Heizgasrichtung x gesehen hintereinander angeordneten Rohrlagen 32, von denen jede aus einer Anzahl von in Heizgasrichtung x gesehen nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohren 30 gebildet ist, und von denen in Figur 1 jeweils lediglich ein Dampferzeugerrohr 30 sichtbar ist. Den Dampferzeugerrohren 30 jeder Rohrlage 32 ist dabei jeweils ein gemeinsamer, mit seiner Längsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Heizgasrichtung x ausgerichteter Eintrittssammler 34 vorgeschaltet. Die Eintrittssammler 34 sind dabei an ein in Figur 1 lediglich schematisch angedeutetes Wasserzuführsystem 36 angeschlossen, das ein Verteilersystem zur bedarfsgerechten Aufteilung des Zustroms an Strömungsmedium W auf die Eintrittssammler 34 umfassen kann.
  • Ausgangsseitig und somit in einem Bereich oberhalb des Heizgaskanals 6 münden die die weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 bildenden Dampferzeugerrohre 30 in eine Anzahl von zugeordneten Austrittssammlern 38. Jeder der im Wesentlichen parallel zueinander und nebeneinander angeordneten Austrittssammlern 38, von denen in Figur 1 lediglich einer sichtbar ist, ist mit seiner Längsachse im Wesentlichen parallel zur Heizgasrichtung x ausgerichtet. Die Anzahl der Austrittssammler 38 ist dabei an die Anzahl der Dampferzeugerrohre 30 in jeder Rohrlage 32 angepasst.
  • Jedem Austrittssammler 38 ist ein Eintrittssammler 14 der der weiteren Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 strömungsmediumseitig nachgeschalteten Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 zugeordnet. Auf Grund der u-förmigen Ausgestaltung der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 befindet sich der jeweilige Eintrittssammler 14 ebenso wie der jeweilige Austrittssammler 38 oberhalb des Heizgaskanals 6. Die strömungsmediumseitige Hintereinanderschaltung der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 mit der weiteren Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 ist dabei auf besonders einfache Weise möglich, indem jeder Austrittssammler 38 mit dem ihm jeweils zugeordneten Eintrittssammler 14 in eine bauliche Einheit 40 integriert. Durch die bauliche oder konstruktive Einheit 40 ist ein unmittelbares Überströmen des Strömungsmediums W von der weiteren Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 in die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 ermöglicht, ohne dass ein vergleichsweise aufwändiges Verteiler- oder Verbindungssystem erforderlich wäre.
  • Wie in Figur 2 in Aufsicht im Ausschnitt dargestellt ist, sind die Dampferzeugerrohre 30 jeweils zweier benachbarter Rohrlagen 32 in einer Richtung senkrecht zur Heizgasrichtung x gesehen versetzt zueinander angeordnet, so dass sich hinsichtlich der Anordnung der Dampferzeugerrohre 30 ein im Wesentlichen rautenförmiges Grundmuster ergibt. Bei dieser Anordnung sind die Austrittssammler 38, von denen in Figur 2 lediglich einer gezeigt ist, derart positioniert, dass in jeden Austrittssammler 38 aus jeder Rohrlage 32 jeweils ein Dampferzeugerrohr 30 einmündet. Dabei ist auch erkennbar, dass jeder Austrittssammler 38 mit einem zugeordneten Eintrittssammler 14 für die der weiteren Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 nachgeschaltete Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 zu einer baulichen Einheit 40 integriert ist.
  • Figur 2 ist weiterhin entnehmbar, dass die die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 bildenden Dampferzeugerrohre 12 ebenfalls eine Anzahl von in Heizgasrichtung x gesehen hintereinander liegenden Rohrlagen bilden, wobei die in Heizgasrichtung x gesehen ersten beiden Rohrlagen aus den Steigrohrstücken 22 der Dampferzeugerrohre 12 gebildet sind, die ausgangsseitig in den Austrittssammler 16 für das verdampfte Strömungsmedium D münden. Die in Heizgasrichtung x gesehen nächsten beiden Rohrlagen sind hingegen aus den Fallrohrstücken 20 der Dampferzeugerrohre 12 gebildet, die eingangsseitig mit einem jeweils zugeordneten Eintrittssammler 14 verbunden sind.
  • Figur 3 zeigt in Seitenansicht ausschnittsweise den Eintrittsbereich der Dampferzeugerrohre 12 und den Austrittsbereich der Dampferzeugerrohre 30 in die jeweils zugeordnete bauliche Einheit 40, die einerseits den Austrittssammler 38 für eine Anzahl von die weitere Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 bildenden Dampferzeugerrohren 30 und andererseits den Eintrittssammler 14 für jeweils zwei der die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 bildenden Dampferzeugerrohre 12 umfasst. Aus dieser Darstellung wird besonders deutlich, dass aus den Dampferzeugerrohren 30 abströmendes, in den Austrittssammler 38 eintretendes Strömungsmedium D, W auf direktem Weg in den der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 zugeordneten Eintrittssammler 14 überströmen kann. Beim Überströmen des Strömungsmediums D, W prallt dieses zunächst gegen eine Bodenplatte 42 der den Eintrittssammler 14 umfassenden baulichen Einheit 40. Infolge dieses Anprallens erfolgt eine Verwirbelung und besonders innige Durchmischung des Strömungsmediums D, W, bevor dieses vom Eintrittssammler 14 aus in die Fallrohrstücke 20 der zugeordneten Dampferzeugerrohre 12 übertritt.
  • Wie in der Darstellung nach Figur 3 zudem noch besonders deutlich wird, ist der als Eintrittssammler 14 für die Dampferzeugerrohre 12 ausgestaltete endseitige Teil der baulichen Einheit 40 derart ausgelegt, dass die Abströmung des Strömungsmediums W in die Dampferzeugerrohre 12 hinein für sämtliche Dampferzeugerrohre 12 aus einer einzigen Ebene senkrecht zur Längsrichtung der baulichen Einheit 40 heraus erfolgt. Um dies auch für zwei Dampferzeugerrohre 12 zu ermöglichen, die hinsichtlich ihrer eigentlichen räumlichen Positionierung zwei verschiedenen, in Heizgasrichtung x gesehen hintereinander angeordneten Rohrlagen zuzuordnen sind, ist jedem Dampferzeugerrohr 12 jeweils ein Überströmstück 46 zugeordnet. Jedes Überströmstück 46 verläuft dabei schräg zur Heizgasrichtung x und verbindet den oberen Bereich des jeweils zugeordneten Dampferzeugerrohrs 12 mit der jeweiligen Austrittsöffnung 48 des Eintrittssammlers 14. Durch diese Anordnung können sämtliche Austrittsöffnungen 48 der Eintrittssammler 14 in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Zylinderachse der baulichen Einheit 40 positioniert sein, so dass bereits aufgrund der symmetrischen Anordnung der Austrittsöffnungen 48 in Relation zum Strömungspfad des Strömungsmediums D, W eine gleichmäßige Verteilung des in die Dampferzeugerrohre 12 eintretenden Strömungsmediums D, W gewährleistet ist.
  • Zur weiteren Verdeutlichung der Rohrführungen im Bereich ihrer Ein- bzw. Austritte in die bzw. aus der baulichen Einheit 40 ist in Figur 4 eine Anzahl derartiger baulicher Einheiten 40 in Vorderansicht gezeigt, wobei die in Figur 2 mit IV bezeichnete Schnittlinie zugrunde gelegt ist. Dabei ist erkennbar, dass die beiden in Figur 4 links dargestellten baulichen Einheiten 40, die im Bereich ihres als Eintrittssammler 14 für die nachgeschalteten Dampferzeugerrohre 12 ausgebildeten Endes gezeigt sind, jeweils über die Überströmstücke 46 mit den nachgeschalteten Fallrohrstücken 20 der Dampferzeugerrohre 12 verbunden sind.
  • Im Vergleich dazu sind die beiden in Figur 4 rechts abgebildeten baulichen Einheiten 40 jeweils im Bereich ihres als Austrittssammler 38 für die Dampferzeugerrohre 30 der weiteren Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 ausgebildeten vorderen Bereich gezeigt. Der Darstellung ist dabei entnehmbar, dass die aus jeweils hintereinander liegenden Rohrlagen 32 in die bauliche Einheit 40 einmündenden Dampferzeugerrohre 30 in einfach gewinkelter Form in die bauliche Einheit 40 hineingeführt sind.
  • Der Dampferzeuger 1 nach Figur 1 und mit den besonderen Ausgestaltungen nach den Figuren 2 bis 4 ist für einen besonders sicheren Betrieb der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 ausgestaltet. Dazu wird beim Betrieb des Dampferzeugers 1 sichergestellt, dass die im wesentlichen u-förmig ausgebildete Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 mit Strömungsmedium D, W mit einer Strömungsgeschwindigkeit von mehr als einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit beaufschlagt wird. Dadurch wird erreicht, dass in den Fallrohrstücken 20 der die Durchlaufheizfläche 8 bildenden Dampferzeugerrohre vorhandene Dampfblasen mitgerissen und in das jeweils nachgeschaltete Steigrohrstück 22 verbracht werden. Um eine dafür ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit beim in die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 einströmenden Strömungsmedium D, W sicherzustellen, erfolgt die Bespeisung der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 unter Nutzung der dieser vorgeschalteten weiteren Verdampfer-Durchlaufheizfläche 10 derart, dass das in die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 einströmende Strömungsmedium D, W einen Dampfgehalt oder eine Enthalpie von mehr als einem vorgebbaren Mindestdampfgehalt bzw. mehr als einer vorgebbaren Mindestenthalpie aufweist. Zur Einhaltung hierzu geeigneter Betriebsparameter sind die Verdampfer-Durchlaufheizflächen 8,10 derart ausgelegt oder dimensioniert, dass in allen Betriebspunkten der Dampfgehalt bzw. die Enthalpie des Strömungsmediums D,W bei Eintritt in die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 oberhalb geeignet vorgegebener Kennlinien liegt, wie sie beispielhaft in den Figuren 5a, 5b dargestellt sind.
  • Die Figuren 5a, 5b zeigen in der Art einer Kurvenschar mit dem Betriebsdruck als Schar-Parameter die funktionale Abhängigkeit des mindestens einzustellenden Dampfanteils Xmin bzw. der mindestens einzustellenden Enthalpie Hmin als Funktion der auslegungsgemäß gewählten Massenstromdichte ṁ. Dargestellt ist dabei als Kurve 70 das Auslegungskriterium jeweils für einen Betriebsdruck von p = 25 bar, wohingegen die Kurve 72 jeweils für einen Betriebsdruck von p = 100 bar vorgesehen ist.
  • So ist an diesen Kurvenscharen beispielsweise erkennbar, dass im Teillastbetrieb bei einer Auslegungsmassenstromdichte ṁ von 100 kg/m2s und einem vorgesehenen Betriebsdruck von p = 100 bar sichergestellt werden sollte, dass der Dampfgehalt Xmin im der Durchlaufheizfläche 8 zuströmenden Strömungsmedium W einen Wert von mindestens 25%, vorzugsweise etwa 30%, einnehmen sollte. In alternativer Darstellung dieses Auslegungskriteriums kann auch vorgesehen sein, dass die Enthalpie des der Durchlaufheizfläche 8 zuströmenden Strömungsmediums W bei den genannten Betriebsbedingungen mindestens einen Wert von H = 1750kJ/kg aufweisen sollte. Die zur Einhaltung dieser Bedingungen auslegungsgemäß vorgesehene weitere Durchlaufheizfläche 10 ist hinsichtlich ihrer Dimensionierung, also beispielsweise hinsichtlich der Art, Anzahl und Ausgestaltung der sie bildenden Dampferzeugerrohre 30, unter Berücksichtigung des auslegungsgemäß im für ihre räumliche Positionierung vorgesehenen Raumbereich innerhalb des Heizgaskanals 6 vorhandenen Wärmeangebots an diese Randbedingungen angepaßt.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers (1) mit einer in einem in einer annähernd horizontalen Heizgasrichtung (x) durchströmbaren Heizgaskanal (6) angeordneten Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8), die eine Anzahl von zur Durchströmung eines Strömungsmediums (W) parallel geschalteten Dampferzeugerrohren (12) umfaßt, die jeweils ein annähernd vertikal angeordnetes, vom Strömungsmedium (W) in Abwärtsrichtung durchströmbares Fallrohrstück (20) und ein diesem strömungsmediumsseitig nachgeschaltetes, annähernd vertikal angeordnetes und vom Strömungsmedium (W) in Aufwärtsrichtung durchströmbares Steigrohrstück (22) aufweisen, wobei die Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) derart ausgelegt ist, daß ein im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr (12) derselben Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) mehrbeheiztes Dampferzeugerrohr (12) einen im Vergleich zum weiteren Dampferzeugerrohr (12) höheren Durchsatz des Strömungsmediums (W) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsmedium (W) der Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) derart zugeführt wird, dass es im Fallrohrstück (20) des jeweiligen Dampferzeugerrohrs (12) eine Strömungsgeschwindigkeit von mehr als einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Mindestgeschwindigkeit die zur Mitnahme von im jeweiligen Fallrohrstück (20) erzeugten Dampfblasen erforderliche Strömungsgeschwindigkeit vorgegeben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Strömungsmedium (W) vor seinem Eintritt in die Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) derart teilweise vorverdampft wird, dass es beim Eintritt in die Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) einen Dampfgehalt und/oder eine Enthalpie von mehr als einem vorgegebenen Mindestdampfgehalt bzw. einer vorgegebenen Mindestenthalpie aufweist.
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