EP2321578B1 - Durchlaufdampferzeuger - Google Patents

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EP2321578B1
EP2321578B1 EP09782807.3A EP09782807A EP2321578B1 EP 2321578 B1 EP2321578 B1 EP 2321578B1 EP 09782807 A EP09782807 A EP 09782807A EP 2321578 B1 EP2321578 B1 EP 2321578B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tubes
steam generator
water
baffle plate
steam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP09782807.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2321578A2 (de
Inventor
Joachim Franke
Jan BRÜCKNER
Martin Effert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP09782807.3A priority Critical patent/EP2321578B1/de
Publication of EP2321578A2 publication Critical patent/EP2321578A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2321578B1 publication Critical patent/EP2321578B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B29/00—Steam boilers of forced-flow type
    • F22B29/06—Steam boilers of forced-flow type of once-through type, i.e. built-up from tubes receiving water at one end and delivering superheated steam at the other end of the tubes
    • 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
    • F22B21/341—Vertical radiation boilers with combustion in the lower part
    • 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
    • F22B37/26—Steam-separating arrangements

Definitions

  • the invention relates to a continuous steam generator having a combustion chamber with a number of burners for fossil fuel, the heating gas side in a top region via a horizontal gas is followed by a vertical gas train, the Um chargedswand the combustion chamber of gas-tight welded together, a Wasserabscheidesystem flow medium side upstream evaporator tubes and gas-tight with each other welded, the Wasserabscheidesystem flow medium side downstream superheater tubes is formed, wherein the Wasserabscheideystem comprises a number of Wasserabscheideigan, each of the Wasserabscheideetic comprises a connected to the respective upstream evaporator tubes Einströmrohr ma, seen in its longitudinal direction merges into a Wasserableitrohr voting, wherein in the transition region, a number of Abströmrohr familiaen branches off, the verb with an inlet header of the respective downstream superheater tubes verb are unden.
  • a fossil-fueled steam generator the energy of a fossil fuel is used to generate superheated steam, which can then be supplied to power a steam turbine, for example, in a power plant.
  • Steam generators are usually designed as water tube boilers, in particular in the steam temperatures and pressures typical in a power plant environment, that is to say the supplied water flows in a number of tubes, which store the energy in the form of radiant heat of the burner flames and / or by convection and / or by heat conduction from the flue gas produced during combustion.
  • the steam generator tubes usually form the combustion chamber wall by being welded together in gas-tight fashion.
  • the combustion chamber Smoke gas side downstream areas can also be provided in the exhaust duct arranged Dampfmaschineerrohe.
  • Fossil fueled steam generators can be categorized by a variety of criteria: based on the flow direction of the gas flow, steam generators can be classified, for example, into vertical and horizontal types. In fossil-fueled steam generators in vertical construction usually a draw-in and two-pass boiler are distinguished.
  • the flue gas produced by the combustion in the combustion chamber always flows vertically from bottom to top. All arranged in the flue gas heating surfaces are flue gas side above the combustion chamber. Tower boilers offer a comparatively simple construction and easy control of the stresses caused by the thermal expansion of the tubes. Furthermore, all heating surfaces of the arranged in the flue gas duct steam generator tubes are horizontal and therefore completely drainable, which may be desirable in frost-prone environments.
  • Steam generators may continue to be designed as a natural circulation, forced circulation or continuous steam generator.
  • a continuous steam generator the heating of a number of evaporator tubes leads to a complete evaporation of the flow medium in the evaporator tubes in one pass.
  • the flow medium - usually water - is after its evaporation to the evaporator tubes downstream superheater tubes fed and overheated there.
  • the position of the evaporation end point, ie the location at which the water content of the flow is completely evaporated, is variable and mode-dependent.
  • the evaporation end point is for example in an end region of the evaporator tubes, so that the overheating of the vaporized flow medium already begins in the evaporator tubes (with the nomenclature used this description is strictly valid only at partial loads with subcritical pressure in the evaporator.) For the sake of clarity however, this representation will be used throughout the following description).
  • 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 can reach steam pressures far above the critical pressure of water (P Kri ⁇ 221 bar) - where at no temperature water and steam can occur simultaneously and therefore no phase separation is possible is - can be designed.
  • such a continuous steam generator is usually operated with a minimum flow of flow medium in the evaporator tubes in order to ensure reliable cooling of the evaporator tubes.
  • the pure mass flow through the evaporator usually no longer suffices for cooling the evaporator tubes, so that an additional throughput of flow medium is superimposed on the passage of flow medium through the evaporator in circulation.
  • the operationally provided minimum flow of flow medium in the evaporator tubes is thus not completely evaporated during startup or during low load operation in the evaporator tubes, so that in such an operating mode at the end of the evaporator tubes still unevaporated flow medium, in particular a water-steam mixture is present.
  • the evaporator tubes of the continuous steam generator are usually designed for a flow through unvaporised flow medium after passing through the combustion chamber walls, continuous steam generators are usually designed so that even when starting and in low load operation, a water ingress into the superheater tubes is reliably avoided.
  • the evaporator tubes are usually connected to the superheater tubes connected downstream via a Wasserabscheidesystem.
  • the water separator causes a separation of the emerging during the start or in low load operation of the evaporator tubes water-steam mixture in water and in steam.
  • the steam is supplied to the water separator downstream superheater tubes, whereas the separated water can be fed back to the evaporator tubes, for example via a circulating pump or discharged through a decompressor.
  • the Wasserabscheidesystem can include a variety of Wasserabscheidemaschinen that are integrated directly into the tubes.
  • each of the parallel-connected evaporator tubes may be assigned a water separation element.
  • the Wasserabscheideetic can continue to be designed as a so-called T-piece Wasserabscheideimplantation.
  • each T-piece water separation element in each case comprises an inflow pipe piece connected to the upstream evaporator pipe, which, as seen in its longitudinal direction, merges into a water drainage pipe piece, wherein an outflow pipe piece connected to the downstream superheater pipe branches off in the transition region.
  • the T-piece Wasserabscheideelement is designed for a Trägheitsseparation of the flowing from the upstream evaporator tube in the Einströmrohr Anlagen water-steam mixture. Due to its comparatively higher inertia, the water content of the flow medium flowing in the inflow pipe section flows at the transition point preferably in the axial extension of the inflow pipe section and thus passes into the Wasserableitrohr choir and from there usually further into a connected collecting container. By contrast, the vapor portion of the water-steam mixture flowing in the inflow pipe section can better follow an imposed deflection due to its comparatively lower inertia and thus flows via the outflow pipe piece to the downstream superheater pipe section.
  • a continuous steam generator of this type is for example from the EP 1 701 091 known.
  • the transfer of flow medium to the superheater tubes is not only limited to steam, but now a water-steam mixture can be continued to the superheater tubes by the Wasserabscheideieri be fed.
  • the evaporation end point can be pushed into the superheater tubes as needed.
  • the live steam temperature can be controlled in comparatively large limits by influencing the feedwater quantity.
  • the invention is therefore based on the object to provide a continuous steam generator of the type mentioned above, while maintaining a particularly high operational flexibility brings a comparatively lower design and repair costs.
  • a distributor element being arranged on the steam side between the respective water separation element and the inlet collector.
  • the invention is based on the consideration that the decentralized separation of water, which takes place separately in each of the parallel-connected evaporator tubes in the construction described above, a comparatively large number of T-piece Wasserabscheideijnn can lead to design problems in large-scale application. Due to the space problems that may be associated with the necessity of accommodating such a large number of water separation elements, such a construction can also entail significant additional costs and limitations of the continuous flow steam generator due to the high design effort involved.
  • a distributor element is arranged on the steam side between the respective Wasserabscheideelement and the inlet header.
  • the geometric parameters of a number of outlet pipes are chosen such that a homogeneous flow distribution is ensured on the inlet header of the respectively downstream superheater pipes.
  • a homogeneous entry is already achieved in the inlet header, which continues accordingly in the downstream superheater tubes.
  • the outlet tubes can, for example, have the same diameter and be guided at equal intervals parallel to one another in the inlet header.
  • the distributor element is designed as a star distributor, d. H. it comprises a baffle plate, an inlet tube arranged perpendicular to the baffle plate, and a number of outlet tubes arranged in a star shape around the baffle plate in the plane thereof.
  • the inflowing water impinges on the baffle plate and is distributed in a symmetrical manner perpendicular to the inflow direction and directed into the outlet tubes.
  • the baffle plate in a particularly advantageous embodiment is circular and the exit tubes arranged concentrically to the center of the baffle plate at equal intervals to the respective adjacent outlet tubes. In this way, a particularly homogeneous distribution is ensured on the different outlet pipes.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that a uniform distribution of the flow medium is achieved on the superheater tubes by the vapor-side arrangement of an additional distribution element between the respective Wasserabscheideelement and the inlet header of the superheater superheating even at a much lower number of Wasserabscheideimplantationn.
  • These measures make it possible to reduce the number of water separation elements in the first place. This means a much lower production cost and a comparatively lower complexity of the pipe system of the continuous steam generator and it is a particularly high operational flexibility even in start-up or low load operation achievable.
  • FIG. 1 shows a continuous steam generator in Zweizugbauweise in a schematic representation.
  • the continuous steam generator 1 according to the figure comprises a combustion chamber 2 designed as a vertical gas train, which is located in an upper combustion chamber Region 4 a horizontal gas train 6 is connected downstream. At the horizontal gas train 6, another vertical gas train 8 connects.
  • a number not shown burner is provided which burn a liquid or solid fuel in the combustion chamber.
  • the surrounding wall 12 of the combustion chamber 2 is formed from steam generator tubes which are welded together in a gastight manner and into which a flow medium, usually water, is pumped in by a pump (not shown in greater detail), which is heated by the heat generated by the burners.
  • the steam generator tubes can be aligned either spirally or vertically. Due to differences in both the geometry of the individual tubes and in their heating, different mass flows and temperatures of the flow medium (imbalances) in parallel tubes set. In a helical arrangement, a comparatively higher design effort is required, but the resulting imbalances between parallel connected pipes are comparatively lower than in the case of a perpendicularly annealed combustion chamber 2.
  • the continuous steam generator 1 shown further comprises, to improve the flue gas duct, a nose 14, which merges directly into the bottom 16 of the horizontal gas flue 6 and projects into the combustion chamber 2. Furthermore, a grid 18 is arranged from further superheater tubes in the transition region from the combustion chamber 2 to the horizontal gas flue 6 in the flue gas duct.
  • the steam generator tubes in the lower part 10 of the combustion chamber 2 are designed as evaporator tubes.
  • the flow medium is first evaporated in them and fed via outlet collector 20 to the water separation system 22.
  • Wasserabscheidesystem 22 not yet evaporated water is collected and removed. This is necessary, in particular during start-up operation, when a greater amount of flow medium has to be pumped in to ensure reliable cooling of the evaporator tubes than in an evaporator tube passage can be evaporated.
  • the generated steam is conducted into the walls of the combustion chamber 2 in the upper region 4 and optionally distributed to the arranged in the walls of the horizontal gas flue 6 superheater tubes.
  • the Wasserabscheidesystem 22 includes a number of T-piece Wasserabscheide instituten 24.
  • Each number of evaporator tubes opens via an outlet header 20 into a common transition pipe piece 26, each of which a T-piece Wasserabscheideelement 24 is connected downstream.
  • the T-piece Wasserabscheideelement 24 includes an inflow pipe section 28, which, viewed in its longitudinal direction merges into a Wasserableitrohr Sea 30, wherein in the transition region a Abströmrohr lending 32 branches off.
  • the Wasserableitrohr proceedings 30 opens into a collector 34.
  • To the collector 34 is connected via connecting lines 35, a collecting container 36 (bottle) downstream.
  • an outlet valve 38 is connected, via which the separated water can either be discarded or re-fed to the evaporation cycle.
  • the outlet valve 38 can be closed and thus an overfeed of the T-piece Wasserabscheideieri 24 brought about.
  • still unevaporated water enters the superheater tubes, so that they can still be used for further evaporation, d. h.,
  • the evaporation end point can be moved into the superheater tubes, which allows a relatively higher flexibility in the operation of the continuous steam generator 1.
  • T-piece Wasserabscheideijnn 24 In order to allow a particularly simple construction of the continuous steam generator 1, a comparatively smaller number of T-piece Wasserabschreibeijnn 24 should be used. In order to compensate for the resulting inhomogeneities in terms of distribution to the superheater tubes and thus to allow such a configuration in the first place, the T-piece Wasserabschreibeijnn 24 distributor elements 42 are interposed in the manner of star distributors. These provide for a pre-distribution of the flow medium in the event of over-feeding of the T-piece Wasserabscheidemaschine 24 on the inlet header 40th
  • the flow medium strikes a circular baffle plate and bounces from there into star-shaped, concentrically-symmetrically arranged outlet tubes 44.
  • the symmetrical arrangement allocates approximately the same amount of flow medium to each outlet tube 44.
  • the flow medium in the inlet manifolds 40 would not be uniform can be distributed because they are not suitable due to their width for such a homogeneous distribution of, for example, a single supply line.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Durchlaufdampferzeuger mit einer Brennkammer mit einer Anzahl von Brennern für fossilen Brennstoff, der heizgasseitig in einem oberen Bereich über einen Horizontalgaszug ein Vertikalgaszug nachgeschaltet ist, wobei die Umfassungswand der Brennkammer aus gasdicht miteinander verschweißten, einem Wasserabscheidesystem strömungsmediumsseitig vorgeschalteten Verdampferrohren und aus gasdicht miteinander verschweißten, dem Wasserabscheidesystem strömungsmediumsseitig nachgeschalteten Überhitzerrohren gebildet ist, wobei das Wasserabscheidesystem eine Anzahl von Wasserabscheideelementen umfasst, wobei jedes der Wasserabscheideelemente ein mit den jeweils vorgeschalteten Verdampferrohren verbundenes Einströmrohrstück umfasst, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück übergeht, wobei im Übergangsbereich eine Anzahl von Abströmrohrstücken abzweigt, die mit einem Eintrittssammler der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre verbunden sind.
  • In einem fossil befeuerten Dampferzeuger wird die Energie eines fossilen Brennstoffs zur Erzeugung von überhitztem Dampf genutzt, der anschließend beispielsweise in einem Kraftwerk einer Dampfturbine zur Stromerzeugung zugeführt werden kann. Insbesondere bei den in einer Kraftwerksumgebung üblichen Dampftemperaturen und -drücken werden Dampferzeuger üblicherweise als Wasserrohrkessel ausgeführt, das heißt, das zugeführte Wasser fließt in einer Anzahl von Rohren, welche die Energie in Form von Strahlungswärme der Brennerflammen und/oder durch Konvektion und/oder durch Wärmeleitung vom bei der Verbrennung entstehenden Rauchgas aufnehmen.
  • Im Bereich der Brenner bilden die Dampferzeugerrohre dabei üblicherweise die Brennkammerwand, indem sie gasdicht miteinander verschweißt werden. In weiteren, der Brennkammer rauchgasseitig nachgeschalteten Bereichen können auch im Abgaskanal angeordnete Dampferzeugerrohe vorgesehen sein.
  • Fossil befeuerte Dampferzeuger sind anhand einer Vielzahl von Kriterien kategorisierbar: Basierend auf der Strömungsrichtung des Gasstroms können Dampferzeuger beispielsweise in vertikale und horizontale Bauarten eingeteilt werden. Bei fossil befeuerten Dampferzeugern in vertikaler Bauweise werden dabei üblicherweise Einzug- und Zweizugkessel unterschieden.
  • Bei einem Einzug- oder Turmkessel strömt das durch die Verbrennung in der Brennkammer erzeugte Rauchgas stets senkrecht von unten nach oben. Sämtliche im Rauchgaskanal angeordneten Heizflächen liegen rauchgasseitig oberhalb der Brennkammer. Turmkessel bieten eine vergleichsweise einfache Konstruktion und einfache Beherrschung der durch die thermische Ausdehnung der Rohre entstehenden Spannungen. Weiterhin sind sämtliche Heizflächen der im Rauchgaskanal angeordneten Dampferzeugerrohre horizontal und daher vollständig entwässerbar, was in frostgefährdeten Umgebungen erwünscht sein kann.
  • Beim Zweizugkessel ist in einem oberen Bereich der Brennkammer rauchgasseitig ein Horizontalgaszug nachgeschaltet, welcher in einen Vertikalgaszug mündet. In diesem zweiten vertikalen Gaszug strömt das Gas üblicherweise senkrecht von oben nach unten. Es erfolgt beim Zweizugkessel also eine mehrfache Umlenkung des Rauchgases. Vorteile dieser Bauweise sind beispielsweise die niedrigere Bauhöhe und die daraus resultierenden geringeren Herstellkosten.
  • Dampferzeuger können weiterhin als Naturumlauf-, Zwangumlauf-oder Durchlaufdampferzeuger ausgelegt sein. In einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung einer Anzahl von Verdampferrohren zu einer vollständigen Verdampfung des Strömungsmediums in den Verdampferrohren in einem Durchgang. Das Strömungsmedium - üblicherweise Wasser - wird nach seiner Verdampfung den Verdampferrohren nachgeschalteten Überhitzerrohren zugeführt und dort überhitzt. Die Position des Verdampfungsendpunkts, d. h. der Ort, an dem der Wasseranteil der Strömung vollständig verdampft ist, ist dabei variabel und betriebsartabhängig. Beim Volllastbetrieb eines derartigen Durchlaufdampferzeugers liegt der Verdampfungsendpunkt beispielsweise in einem Endbereich der Verdampferrohre, so dass die Überhitzung des verdampften Strömungsmediums bereits in den Verdampferrohren beginnt (mit der verwendeten Nomenklatur ist diese Beschreibung genau genommen nur bei Teillasten mit unterkritischem Druck im Verdampfer gültig. Der Anschaulichkeit halber wird diese Darstellung jedoch in der folgenden Beschreibung durchgehend verwendet).
  • 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 bei keiner Temperatur Wasser und Dampf gleichzeitig vorkommen können und damit auch keine Phasentrennung möglich ist - ausgelegt werden kann.
  • Im Schwachlastbetrieb oder beim Anfahren wird ein derartiger Durchlaufdampferzeuger üblicherweise mit einem Mindeststrom an Strömungsmedium in den Verdampferrohren betrieben, um eine sichere Kühlung der Verdampferrohre zu gewährleisten. Dazu reicht gerade bei niedrigen Lasten von beispielsweise weniger als 40 % der Auslegungslast der reine Durchlaufmassenstrom durch den Verdampfer üblicherweise nicht mehr zur Kühlung der Verdampferrohre aus, so dass dem Durchlauf an Strömungsmedium durch den Verdampfer im Umlauf ein zusätzlicher Durchsatz an Strömungsmedium überlagert wird. Der betriebsgemäß vorgesehene Mindeststrom an Strömungsmedium in den Verdampferrohren wird somit beim Anfahren oder im Schwachlastbetrieb in den Verdampferrohren nicht vollständig verdampft, so dass bei einer derartigen Betriebsart am Ende der Verdampferrohre noch unverdampftes Strömungsmedium, insbesondere ein Wasser-Dampf-Gemisch, vorhanden ist.
  • Da die den Verdampferrohren des Durchlaufdampferzeugers üblicherweise erst nach einer Durchströmung der Brennkammerwände nachgeschalteten Überhitzerrohre jedoch nicht für eine Durchströmung unverdampften Strömungsmediums ausgelegt sind, sind Durchlaufdampferzeuger üblicherweise derart ausgelegt, dass auch beim Anfahren und im Schwachlastbetrieb ein Wassereintritt in die Überhitzerrohre sicher vermieden wird. Dazu sind die Verdampferrohre üblicherweise mit den ihnen nachgeschalteten Überhitzerrohren über ein Wasserabscheidesystem verbunden. Der Wasserabscheider bewirkt dabei eine Trennung des beim Anfahren oder im Schwachlastbetrieb aus den Verdampferrohren austretenden Wasser-Dampf-Gemisches in Wasser und in Dampf. Der Dampf wird den dem Wasserabscheider nachgeschalteten Überhitzerrohren zugeführt, wohingegen das abgeschiedene Wasser beispielsweise über eine Umwälzpumpe wieder den Verdampferrohren zugeführt oder über einen Entspanner abgeführt werden kann.
  • Das Wasserabscheidesystem kann dabei eine Vielzahl von Wasserabscheideelementen umfassen, die direkt in die Rohre integriert sind. Dabei kann insbesondere jedem der parallel geschalteten Verdampferrohre ein Wasserabscheideelement zügeordnet sein. Die Wasserabscheideelemente können weiterhin als so genannte T-Stück-Wasserabscheideelemente ausgebildet sein. Jedes T-Stück-Wasserabscheideelement umfasst dabei jeweils ein mit dem vorgeschalteten Verdampferrohr verbundenes Einströmrohrstück, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück übergeht, wobei im Übergangsbereich ein mit dem nachgeschalteten Überhitzerrohr verbundenes Abströmrohrstück abzweigt.
  • Durch diese Bauweise ist das T-Stück-Wasserabscheideelement für eine Trägheitsseparation des aus dem vorgeschalteten Verdampferrohr in das Einströmrohrstück einströmenden Wasser-Dampf-Gemisches ausgelegt. Aufgrund seiner vergleichsweise höheren Trägheit strömt nämlich der Wasseranteil des im Einströmrohrstück strömenden Strömungsmediums an der Übergangsstelle bevorzugt in axialer Verlängerung des Einströmrohrstücks weiter und gelangt somit in das Wasserableitrohrstück und von dort aus üblicherweise weiter in einen angeschlossenen Sammelbehälter. Der Dampfanteil des im Einströmrohrstück strömenden Wasser-Dampf-Gemisches kann hingegen aufgrund seiner vergleichsweise geringeren Trägheit besser einer aufgezwungenen Umlenkung folgen und strömt somit über das Abströmrohrstück zum nachgeschalteten Überhitzerrohrstück. Ein Durchlaufdampferzeuger dieser Bauart ist beispielsweise aus der EP 1 701 091 bekannt.
  • Bei einem Durchlaufdampferzeuger mit einem derart ausgelegten Wasserabscheidesystem kann durch die dezentrale Integration der Wasserabscheidung in die einzelnen Rohre des Rohrsystems des Durchlaufdampferzeugers die Wasserabscheidung ohne vorherige Sammlung des aus den Verdampferrohren abströmenden Strömungsmediums erfolgen. Damit ist auch eine direkte Weitergabe des Strömungsmediums in die nachgeschalteten Überhitzerrohre möglich.
  • Konstruktionsbedingt ist darüber hinaus die Übergabe von Strömungsmedium an die Überhitzerrohre nicht nur auf Dampf beschränkt, vielmehr kann nunmehr auch ein Wasser-Dampf-Gemisch an die Überhitzerrohre weitergeführt werden, indem die Wasserabscheideelemente überspeist werden. Dadurch kann der Verdampfungsendpunkt bedarfsweise in die Überhitzerrohre hineinverschoben werden. Damit ist eine besonders hohe betriebliche Flexibilität auch im Anfahr- oder Schwachlastbetrieb des Durchlaufdampferzeugers erreichbar. Insbesondere kann die Frischdampftemperatur in vergleichsweise großen Grenzen durch Beeinflussung der Speisewassermenge geregelt werden.
  • Allerdings ist bei derartigen Systemen zu berücksichtigen, dass aufgrund der Integration der Wasserabscheidefunktion in die einzelnen Rohre hinein gerade im Bereich des Abscheidesystems eine vergleichsweise hohe Anzahl einzelner Rohrstücke oder -elemente erforderlich ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Durchlaufdampferzeuger der oben genannten Art anzugeben, der unter Beibehaltung einer besonders hohen betrieblichen Flexibilität einen vergleichsweise geringeren Konstruktions- und Reparaturaufwand mit sich bringt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem dampfseitig zwischen dem jeweiligen Wasserabscheideelement und dem Eintrittssammler ein Verteilerelement angeordnet ist.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch die dezentrale Wasserabscheidung, die bei der oben beschriebenen Bauweise separat in jedem der parallel geschalteten Verdampferrohre erfolgt, eine vergleichsweise große Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen zu Konstruktionsproblemen bei der großtechnischen Anwendung führen kann. Durch die Platzprobleme, die die Notwendigkeit der Unterbringung einer derart großen Anzahl von Wasserabscheideelementen mit sich bringen kann, kann eine solche Bauweise infolge des mit ihr verbundenen hohen Konstruktionsaufwands auch erhebliche Mehrkosten und Einschränkungen der geometrischen Parameter des Durchlaufdampferzeugers mit sich bringen.
  • Eine Reduzierung des Konstruktionsaufwands des Durchlaufdampferzeugers könnte durch eine einfachere Auslegung des Wasserabscheidesystems erzielt werden. Dazu kann die Anzahl der verwendeten Wasserabscheideelemente reduziert werden. Um jedoch die Vorteile einer dezentralen Wasserabscheidung, wie beispielsweise die Möglichkeit der Durchspeisung mit Wasser-Dampf-Gemisch zu erhalten, sollte die grundsätzliche Bauweise in Form von T-Stück-Wasserabscheideelementen beibehalten werden. Die Kombination beider vorgenannten Konzepte kann durch eine Sammlung des Strömungsmediums von jeweils einer Mehrzahl von Verdampferrohren in jeweils ein Wasserabscheideelement erreicht werden.
  • Durch eine reduzierte Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen kann eine direkte dampfseitige Weiterleitung an die Eintrittssammler der nachgeschalteten Überhitzerrohre jedoch zu Inhomogenitäten bei der Verteilung auf die verschiedenen Überhitzerrohre führen. Um daher nach dem Austritt des Dampfes oder des Wasser-Dampf-Gemisches aus dem T-Stück-Wasserabscheideelement eine gleichmäßige Verteilung auf die nachgeschalteten Überhitzerrohre zu erreichen, ist dampfseitig zwischen dem jeweiligen Wasserabscheideelement und dem Eintrittssammler ein Verteilerelement angeordnet.
  • Vorteilhafterweise sind die geometrischen Parameter einer Anzahl von Ausgangsrohren derart gewählt, dass eine homogene Strömungsverteilung auf den Eintrittssammler der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre gewährleistet ist. Dadurch wird bereits ein homogener Eintrag in den Eintrittssammler erreicht, welcher sich dementsprechend in die nachgeschalteten Überhitzerrohre fortsetzt. Die Ausgangsrohre können dabei beispielsweise gleiche Durchmesser aufweisen und in gleichmäßigen Abständen parallel zueinander in den Eintrittssammler geführt sein.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Verteilerelement als Sternverteiler ausgelegt, d. h. es umfasst eine Prallplatte, ein senkrecht zur Prallplatte angeordnetes Eingangsrohr und eine Anzahl von sternförmig um die Prallplatte in deren Ebene angeordneten Ausgangsrohren. Das einströmende Wasser trifft auf die Prallplatte und wird in symmetrischer Weise senkrecht zur Einströmrichtung verteilt und in die Ausgangsrohre geleitet. Dabei ist die Prallplatte in besonders vorteilhafter Ausgestaltung kreisförmig und die Ausgangsrohre konzentrisch zur Mitte der Prallplatte in gleichen Abständen zu den jeweiligen benachbarten Ausgangsrohren angeordnet. Auf diese Weise ist eine besonders homogene Verteilung auf die verschiedenen Ausgangsrohre gewährleistet.
  • Dabei sind vorteilhafterweise zwischen 5 und 20 Ausgangsrohre pro Verteilerelement vorgesehen. Bei einer geringeren Anzahl könnte eine ausreichende Homogenisierung des Eintrags von Dampf oder Wasser-Dampf-Gemisch in den Eintrittssammler nicht mehr gewährleistet werden, während eine höhere Anzahl problematisch in der geometrischen Ausgestaltung des Verteilerelements sein kann, insbesondere wenn dieses als Sternverteiler ausgelegt ist.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die dampfseitige Anordnung eines zusätzlichen Verteilerelements zwischen dem jeweiligen Wasserabscheideelement und dem Eintrittssammler der nachgeschalteten Überhitzerheizflächen eine Gleichverteilung des Strömungsmediums auf die Überhitzerrohre auch bei einer wesentlich geringeren Anzahl von Wasserabscheideelementen erzielt wird. Durch diese Maßnahmen wird die Reduzierung der Anzahl von Wasserabscheideelementen überhaupt erst ermöglicht. Dies bedeutet einen wesentlich geringeren Fertigungsaufwand und eine vergleichsweise geringere Komplexität des Rohrsystems des Durchlaufdampferzeugers und es ist eine besonders hohe betriebliche Flexibilität auch im Anfahr- oder Schwachlastbetrieb erreichbar.
  • Weiterhin wird eine homogene Temperaturverteilung über die nachgeschalteten Überhitzerrohre ermöglicht, was zu deutlich geringeren mechanischen Belastungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnung der einzelnen Überhitzerrohre führt. Gleichzeitig bleiben alle Vorteile der Benutzung von T-Stück-Wasserabscheideelementen erhalten, so z. B. die Möglichkeit der Weiterleitung von Wasser-Dampf-Gemisch an die Überhitzerrohre, die eine bedarfsgerechte Regelung der Frischdampftemperatur am Dampfauslass des Durchlaufdampferzeugers durch die Steuerung der eingebrachten Strömungsmediumsmenge ermöglicht.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur einen Durchlaufdampferzeuger in Zweizugbauweise in schematischer Darstellung.
  • Der Durchlaufdampferzeuger 1 gemäß der Figur umfasst eine als Vertikalgaszug ausgebildete Brennkammer 2, der in einem oberen Bereich 4 ein Horizontalgaszug 6 nachgeschaltet ist. An den Horizontalgaszug 6 schließt sich ein weiterer Vertikalgaszug 8 an.
  • Im unteren Bereich 10 der Brennkammer 2 ist eine Anzahl nicht näher gezeigter Brenner vorgesehen, die einen flüssigen oder festen Brennstoff in der Brennkammer verbrennen. Die Umfassungswand 12 der Brennkammer 2 ist aus miteinander gasdicht verschweißten Dampferzeugerrohren gebildet, in die durch eine nicht näher gezeigte Pumpe ein Strömungsmedium - üblicherweise Wasser - eingepumpt wird, welches durch die von den Brennern erzeugte Wärme geheizt wird. Im unteren Bereich 10 der Brennkammer 2 können die Dampferzeugerrohre entweder spiralförmig oder senkrecht ausgerichtet sein. Aufgrund von Unterschieden sowohl in der Geometrie der Einzelrohre als auch in deren Beheizung stellen sich unterschiedliche Massenströme und Temperaturen des Strömungsmediums (Schieflagen) in parallelen Rohren ein. Bei einer spiralförmigen Anordnung ist ein vergleichsweise höherer Konstruktionsaufwand erforderlich, dafür sind die entstehenden Schieflagen zwischen parallel geschalteten Rohren vergleichsweise geringer als bei senkrecht berohrter Brennkammer 2.
  • Der gezeigte Durchlaufdampferzeuger 1 umfasst weiterhin zur Verbesserung der Rauchgasführung eine Nase 14, welche direkt in den Boden 16 des Horizontalgaszuges 6 übergeht und in die Brennkammer 2 hineinragt. Weiterhin ist im Übergangsbereich von der Brennkammer 2 zum Horizontalgaszug 6 im Rauchgaskanal ein Gitter 18 aus weiteren Überhitzerrohren angeordnet.
  • Die Dampfererzeugerrohre im unteren Teil 10 der Brennkammer 2 sind als Verdampferrohre ausgelegt. Das Strömungsmedium wird in ihnen zunächst verdampft und über Austrittssammler 20 dem Wasserabscheidesystem 22 zugeführt. Im Wasserabscheidesystem 22 wird noch nicht verdampftes Wasser gesammelt und abgeführt. Dies ist insbesondere im Anfahrbetrieb notwendig, wenn zur sicheren Kühlung der Verdampferrohre eine größere Menge an Strömungsmedium eingepumpt werden muss, als in einem Verdampferrohrdurchlauf verdampft werden kann. Der erzeugte Dampf wird in die Wände der Brennkammer 2 im oberen Bereich 4 geleitet und gegebenenfalls auf die in den Wänden des Horizontalgaszuges 6 angeordneten Überhitzerrohre verteilt.
  • Neben dem in der Figur gezeigten Zweizugkessel sind selbstverständlich auch noch weitere Konfigurationen für fossil befeuerte Kessel, z. B. in der Art eines Turmkessels, möglich. Die nachfolgend zu beschreibenden Bauteile können bei allen diesen Varianten zum Einsatz kommen.
  • Das Wasserabscheidesystem 22 umfasst eine Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen 24. Jeweils eine Anzahl von Verdampferrohren mündet über einen Austrittssammler 20 in ein gemeinsames Übergangsrohrstück 26, dem jeweils ein T-Stück-Wasserabscheideelement 24 nachgeschaltet ist. Das T-Stück-Wasserabscheideelement 24 umfasst ein Einströmrohrstück 28, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück 30 übergeht, wobei im Übergangsbereich ein Abströmrohrstück 32 abzweigt. Das Wasserableitrohrstück 30 mündet in einen Sammler 34. An den Sammler 34 ist über Verbindungsleitungen 35 ein Sammelbehälter 36 (Flasche) nachgeschaltet. An den Sammelbehälter 36 ist ein Auslassventil 38 angeschlossen, über das das abgeschiedene Wasser entweder verworfen oder erneut dem Verdampfungskreislauf zugeführt werden kann.
  • Im T-Stück-Wasserabscheideelement 24 tritt Strömungsmedium M durch das Einströmrohrstück 28 ein. Das anteilige Wasser fließt bedingt durch seine Massenträgheit in das in Längsrichtung folgende Wasserableitrohrstück 30. Der Dampf hingegen folgt aufgrund seiner geringeren Masse der durch die Druckverhältnisse aufgezwungenen Umlenkung in das Abströmrohrstück 32. Dem Abströmrohrstück 32 sind die Überhitzerrohre im oberen Bereich 4 der Brennkammer 2 und gegebenenfalls im Gitter und im Bereich des Horizontalgaszuges 6 über einen Eintrittssammler 40 nachgeschaltet. In den Wandheizflächen und den anschließenden Konvektivheizflächen wird der Dampf überhitzt und anschließend seiner weiteren Verwendung zugeführt; üblicherweise ist eine in der Figur nicht näher gezeigte Vorrichtung wie beispielsweise eine Dampfturbine vorgesehen.
  • Bedarfsweise kann das Auslassventil 38 geschlossen werden und so eine Überspeisung der T-Stück-Wasserabscheideelemente 24 herbeigeführt werden. Dabei tritt noch unverdampftes Wasser in die Überhitzerrohre ein, so dass diese noch zur weiteren Verdampfung genutzt werden können, d. h., der Verdampfungsendpunkt kann in die Überhitzerrohre hineinverlagert werden, was eine vergleichsweise höhere Flexibilität im Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 1 ermöglicht.
  • Um eine besonders einfache Konstruktion des Durchlaufdampferzeugers 1 zu ermöglichen, sollte eine vergleichsweise geringere Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen 24 verwendet werden. Um die dadurch entstehenden Inhomogenitäten hinsichtlich der Verteilung auf die Überhitzerrohre auszugleichen und somit eine derartige Ausgestaltung überhaupt erst zu ermöglichen, sind den T-Stück-Wasserabscheideelementen 24 Verteilerelemente 42 in der Art von Sternverteilern zwischengeschaltet. Diese sorgen für eine Vorverteilung des Strömungsmediums im Falle einer Überspeisung der T-Stück-Wasserabscheideelemente 24 auf die Eintrittssammler 40.
  • In den als Sternverteiler ausgebildeten Verteilerelementen 42 trifft das Strömungsmedium auf eine kreisförmige Prallplatte und prallt von dort in sternförmig, konzentrisch-symmetrisch angeordnete Ausgangsrohre 44. Durch die symmetrische Anordnung wird dabei jedem Ausgangsrohr 44 etwa die gleiche Menge an Strömungsmedium zugeteilt. Diese münden in gleichen Abständen in die Eintrittssammler 40, so dass bereits eine Vorverteilung des Strömungsmediums auf die gesamte Breite der Eintrittssammler 40 erfolgt.
  • Bei einer direkten Einleitung des Strömungsmediums über eine einzige Leitung pro T-Stück-Wasserabscheideelement 24 würde das Strömungsmedium in den Eintrittssammlern 40 nicht gleichmäßig verteilt werden können, da diese aufgrund ihrer Breite nicht für eine derartige homogene Verteilung aus beispielsweise einer einzigen Zuleitung geeignet sind.
  • Durch die als Sternverteiler ausgelegten Verteilerelemente 44 wird somit eine einfachere und somit auch kostengünstigere Konstruktion des Durchlaufdampferzeugers 1 möglich, da eine vergleichsweise geringere Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen 24 verwendet werden kann. Weiterhin werden Temperaturunterschiede durch die bessere Vermischung des Strömungsmediums im Vergleich zu einer vollständig dezentralisierten Wasserabscheidung mit einer größeren Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen 24 besser ausgeglichen und somit eine homogenere Temperaturverteilung auf die nachfolgenden Überhitzerrohre erreicht. Damit werden Schäden durch unterschiedliche thermische Ausdehnung von miteinander verschweißten Rohren vermieden.

Claims (4)

  1. Durchlaufdampferzeuger (1) mit einer Brennkammer (2) mit einer Anzahl von Brennern für fossilen Brennstoff, der heizgasseitig in einem oberen Bereich (4) über einen Horizontalgaszug (6) ein Vertikalgaszug (8) nachgeschaltet ist, wobei die Umfassungswand (12) der Brennkammer (2) aus gasdicht miteinander verschweißten, einem Wasserabscheidesystem (22) strömungsmediumsseitig vorgeschalteten Verdampferrohren und aus gasdicht miteinander verschweißten, dem Wasserabscheidesystem (22) strömungsmediumsseitig nachgeschalteten Überhitzerrohren gebildet ist, wobei das Wasserabscheidesystem (22) eine Anzahl von Wasserabscheideelementen (24) umfasst, wobei jedes der Wasserabscheideelemente (24) ein mit den jeweils vorgeschalteten Verdampferrohren verbundenes Einströmrohrstück (28) umfasst, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück (30) übergeht, wobei im Übergangsbereich eine Anzahl von Abströmrohrstücken (32) abzweigt, dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmrohrstücke (32) mit einem Eintrittssammler (40) der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre verbunden sind, und wobei dampfseitig zwischen dem jeweiligen Wasserabscheideelement (24) und dem Eintrittssammler (40) ein Verteilerelement (42) angeordnet ist.
  2. Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 1, bei dem das jeweilige Verteilerelement (42) eine Prallplatte, ein senkrecht zur Prallplatte angeordnetes Eingangsrohr und eine Anzahl von sternförmig um die Prallplatte in deren Ebene angeordneten Ausgangsrohre (44) umfasst.
  3. Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 2, bei dem die Prallplatte kreisförmig ist und die Ausgangsrohre (44) konzentrisch zur Mitte der Prallplatte in gleichen Abständen zu den jeweiligen benachbarten Ausgangsrohren (44) angeordnet sind.
  4. Durchlaufdampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das jeweilige Verteilerelement (42) zwischen fünf und 20 Ausgangsrohre (44) umfasst.
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