[0001] Die Erfindung betrifft eine Zwanglaufdampferzeugeranlage nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Es sind solche Anlagen bekannt, bei denen bis in hohe Lastbereiche hinein
ein Teil des aus den Brennkammerwandrohren austretenden Arbeitsmittels an deren Eintritt
zurückgeführt wird. Durch den so erzeugten Zwangumlauf wird bei allen Lasten ein so
hoher Arbeitsmitteldurchfluss sichergestellt, dass jederzeit eine gute arbeitsmittelseitige
Kühlung der exponierten Brennkammerwandrohre gewährleistet ist.
[0002] Da es bei vertikaler Rohrführung kaum zu vermeiden ist, dass die einzelnen Rohre
unterschiedlich beheizt werden, werden diese bekannten Anlagen im ganzen Lastbereich
mit überkritischem Druck betrieben. Dadurch wird die mit stärkerer Beheizung einhergehende
stärkere Dampfbildung, die bei unterkritischem Druck zu Strömungsinstabilität führen
kann, unterbunden.
[0003] Wird.im Dampferzeuger der überkritische Druck auch auf das niedrige Teillastgebiet
ausgedehnt, so muss der Frischdampfdruck vor der Turbine, ihrer Schluckcharakteristik
angepasst, gedrosselt werden. Da mit einer solchen Drosselung ein erheblicher Temperaturabfall
verbunden ist und da die Turbinen auf rasche Temperaturänderungen empfindlich sind,
muss bei einem solchen Konzept die Laständerungsgeschwindigkeit erheblich limitiert
werden. Es ist allerdings bekannt, die lastabhängige Entspannung des Dampfdruckes
in den Dampferzeuger hinein, vorzugsweise an den Ueberhitzereintritt, zu verlegen
und die Temperatur am Kesselaustritt, z.B. durch Einspritzregelung, konstant zu halten.
Diese Lösung bedingt aber den Einbau zusätzlicher Drosselorgane, die bei langdauerndem
Drosselbetrieb wegen ihrer hohen Belastung vorzeitigem Verschleiss unterworfen sein
können.
[0004] Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Dampferzeuger nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 zu schaffen, der durch Gleitdruckbetrieb einen hohen Betriebswirkungsgrad aufweist,
einen sicheren Dauerbetrieb mit Teillast gewährleistet und überdies schnelle Lastwechsel
erlaubt. Dieses Ziel wird durch die Kombination der Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs
1 erreicht.
[0005] Gegenüber einer Lösung mit, sich um die Brennkammer herumwindenden Wandrohren hat
die Erfindung die Vorteile einer billigeren und rascheren Fertigung sowie geringerer
Fertigungsrisiken.
[0006] Die Massnahme nach Anspruch 2 ergibt eine Verkleinerung des Gewichtes und des Materialbedarfs
der druckführenden Teile.
[0007] Das Merkmal nach Anspruch 3 schliesslich gestattet, die Brennkammerwände thermisch
höher zu belasten. Bei vertikalen Brennkammerwänden wird ja die der Flammenstrahlung
ausgesetzte Seite der Rohre stärker beheizt, sodass auf der dieser Beheizung zugewendeten
Innenseite Filmverdampfung auftreten kann, die zu unzulässigen Rohrwandtemperaturen
führt. Durch die schraubenlinig angeordneten Nuten an der Innenwand wird dem Arbeitsmittel
wegen seiner Längsströmung eine Rotation aufgezwungen, durch welche die schwerere,
flüssige Phase des Arbeitsmittels an die Wand zentrifugiert wird. Es gelingt dadurch,
die thermische Belastbarkeit der Rohre, über das durch die Oberflächenvergrösserung
zu erwartende Mass hinaus, zu erhöhen. Dieser Effekt stellt sich besonders bei vertikal
aufwärts durchströmten Rohren ein.
[0008] Vor Jahrzehnten, als die heutige Wasseraufbereitungstechnik noch nicht bekannt war,
traten in den Endpartien der Verdampferrohre wasserseitig Salzbeläge auf, welche die
Rohre vom kühlenden Arbeitsmittel isolierten, sodass sie sich zu hoch erhitzten und
platzten. Um diese Erscheinung zu vermeiden, wurden die Endpartien des Verdampfers
in ein schwach beheiztes Gebiet des Dampferzeugers verlegt. Dadurch wurde zweierlei
erreicht: wiegen der geringeren Temperaturdifferenz zwischen Rauchgas und Arbeitsmittel
dehnte sich die Endverdampfung auf eine erheblich längere Rohrstrecke aus, wodurch
der Aufbau des Belages viel langsamer vor sich ging. Wegen der geringeren Wärmebelastung
ergaben selbst mehrfach dickere Salzbeläge noch keine unzulässige Ueberhitzung der
Rohre. Es wurde dadurch möglich, Rohrreisser zu vermeiden, indem die Salzablagerungen
periodisch ausgespült wurden.
[0009] Mit dem Aufkommen der modernen Wasseraufbereitungstechniken, die zu den im Anspruch
angegebenen hohen Reinheitswerten führten, wurde das Anbringen des Endverdampfers
im schwachbeheizten Gebiet wegen einiger Nachteile aufgegeben. Ein besonderer Nachteil
war, dass dadurch die Wärmeaufnahmefähigkeit der als Verdampferwände ausgelegten Brennkammerwände
verringert wurde. Durch die erwähnte neue Aufgabenstellung führt nun das an sich bekannte
Merkmal in Kombination mit den weiteren Merkmalen des Anspruchs 1 zu den aufgeführten
neuen Vorteilen.
[0010] Eine der früher sehr erwünschten Eigenschaften der Endverdampfung im schwach beheizten
Gebiet, nämlich die Erstreckung der Wärmeaufnahme auf eine grössere Heizfläche, ist
bei der neuen Aufgabestellung nachteilig, da sie zu höherem Kesselgewicht führt. Diese
nun störende Eigenschaft kann durch Anwendung der Merkmale nach Anspruch 2 entschärft
werden.
[0011] Die Erfindung wird nun an einem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel
näher erläutert: Die Anlage enthält einen Kondensator 1, in dem Dampf einer Turbinengruppe
2 kondensiert wird. Am Kondensator 1 ist eine Zusatzwasserleitung 3 mit Zusatzwasserpumpe
4 und einer Zusatzwasser-Aufbereitungsanlage 5 angeschlossen. Vom Sumpf des Kondensators
führt eine Kondensatleitung 6 über eine Kondensatpumpe 7, eine Kondensataufbereitungsanlage
8 und zwei Kondensatvorwärmer 9 und 10 zum Eintritt eines auf einem Speisewassergefäss
13 sitzenden Entgasers 12.
[0012] Aus dem Wasserbereich des Speisewasserbehälters 13 führt eine Speisewasserleitung
15 mit einer Speisepumpe 16 und zwei Hochdruckvorwärmern 17 und 18 zum Eingang eines
Economisers 20 eines Zwangdurchlaufdampferzeugers 22.
[0013] Der Austritt des Economisers 20 ist über eine Verbindungsleitung 23 am Verteiler
25 einer Verdampferheizfläche 26 angeschlossen. Diese besteht aus miteinander dicht
verschweissten Rohren 27, die einen trichterartig ausgebildeten Boden 28 und vier
ebene Wände 29 einer Brennkammer 30 des Dampferzeugers 22 bilden. In den Wänden 29
verlaufen die Rohre 27 vertikal; in einem Abschnitt A sind sie mit schraubenlinig
verlaufenden Innennuten versehen. Die Brennkammer 30 weist eine Feuerung 32 auf.
[0014] Die wandbildenen Rohre 27 sind abwechslungsweise auf der Höhe der einen und der anderen
von zwei horizontalen Ebenen E und F aus den Wänden 29 nach aussen abgebogen und zu
Sammlern 35 geführt. Diese Sammler 35 sind über eine Leitung 36 mit einem Endverdampfer
40 verbunden, der aus einem System von Rippenrohren 41 besteht und in einem von der
Brennkammer 30 ausgehenden Rauchgaszug 60 unmittelbar unterhalb des Economisers 20
angeordnet ist. Der Austritt des Endverdampfers 40 ist über eine Leitung 42 mit dem
Eingang eines Wasserabscheiders 44 verbunden, von dessen Grunde eine Leitung 45 mit
niveaugesteuertem Ventil 46 zum Speisewassergefäss 13 zurückführt.
[0015] Am Dampfaustritt des Abscheiders 44 ist ein Verbindungsrohr 50 angeschlossen, das
in einen Ringverteiler 51 mündet, von dem aus Wandrohre 53 zu einem Ringsammler 55
führen. Die Wandrohre 53 treten abwechslungsweise in den Horizontalebenen E und F
in die Brennkammerwände 29 ein. Sie sind miteinander und mit den Rohren 27 dicht verschweisst,
sodass der Rauchgaszug 60 sich nahtlos an die Brennkammer 30 anschliesst. Der Zug
60 ist in seiner obersten Partie durch ungekühlte Blechwände 62 und eine Decke 63
begrenzt, an die sich ein Kamin 65 anschliesst.
[0016] Am Sammler 55 der einen ersten Ueberhitzer bildenden Wandrohre 53 sind über Leitungsabschnitte
70 und 73 ein zweiter Ueberhitzer 72 und ein Endüberhitzer 75 in Reihe angeschlossen,
und vom Austritt des Endüberhitzers 75 führt eine Frischdampfleitung 77 zu einer Hochdruckturbine
78. Deren Austritt ist über eine Zuleitung 80 mit einem Zwischenüberhitzer 82 verbunden,
der im Rauchgaszug 60 zwischen den beiden Ueberhitzern 72 und 75 angeordnet ist. Vom
Austritt des Zwischenüberhitzers 82 führt eine Rückleitung 84 zu einer Niederdruckturbine
86, die zusammen mit der Hochdruckturbine 78 und einem Generator 88, auf einer gemeinsamen
Welle sitzend, die Turbinengruppe 2 bildet.
[0017] Die Kondensataufbereitungsanlage 8 ist derart ausgelegt, dass das behandelte Kondensat
praktisch keine Salze mehr aufweist, was einer Leitfähigkeit von 0,2 uSiemens entspricht,
und dass der Siliziumgehalt unter 0,02 ppm liegt. Damit sind Salzabscheidungen im
Verdampfer vernächlässigbar.
[0018] Die Zusatzwasseraufbereitungsanlage 5 dient der Entlastung der Kondensataufbereitungsanlage
8 wie auch dem Schutze des Kondensators 1.
[0019] Die Anlage eignet sich unter anderem vorzüglich für Gleitdruckbetrieb, wobei im Vollastbetrieb
vorzugsweise überkritischer Druck herrschen kann. Bei der nun folgenden Beschreibung
der Wirkungsweise der Anlage wird zunächst vorausgesetzt, die Speisepumpe liefere
unterkritischen Druck, da dieser Zustand bei Teillast auch in im Gleitdruck betriebenen
Anlagen auftritt, die bei Vollast mit überkritischem Druck gefahren werden.
[0020] Im Normalbetrieb wird das im Kondensator 1 anfallende Kondensat zusammen mit dem
über Leitung 3 zuströmenden Zusatzwasser in der Kondensataufbereitungsanlage 8, die
vorzugsweise einen Kationenaustauscher, einenC0
2-Riesler, einenAnionenaustauscher und einen Mischbettfilter enthält, praktisch völlig
entsalzt. Anschliessend wird es durch die beiden Vorwärmer 9 und 10, die an den beiden
untersten Entnahmen 11 der Niederdruckturbine 86 auf nicht gezeichnete Weise angeschlossen
sind, erwärmt und in den Entgaser 12 eingespeist, aus dem es in das Speisegefäss 13
fliesst. Das Arbeitsmittel -jetzt nicht mehr Kondensat, sondern Speisewasser genannt-
wird nun von der Speisepumpe auf einen von der Last der Anlage abhängigen Druck, bei
Vollastbetrieb gegebenenfals überkritischen Druck, gebracht.. In den beiden Hochdruckvorwärmern
17 und 18 , die von zwei Entnahmestellen 19 der Niederdruckturbine 86 aus mit Anzapfdampf
gespeist werden wird das Speisewasser erhitzt. Eine weitere Erhitzung, bei dem angenommenen
Betrieb mit unterkritischem Druck bis nahe an die Verdampfungstemperatur, erfolgt
im Economiser 20. Anschliessend wird das Wasser möglichst gleichmässig auf die Rohre
27 aufgeteilt. Zur Vergleichmässigung der Mengenströme sind in den Mündungen der Rohre
27 einstellbare Drosselorgane eingebaut. Da die Beheizung der einzelnen Rohre unter
sich nicht genau gleich ist, nehmen die Arbeitsmittelströme der einzelnen Rohre ungleich
viel Wärme auf und dementsprechend verdampft in den verschiedenen Rohren eine ungleich
grosse Wassermenge.
[0021] Durch passende Einstellung der Drosselorgane versucht man, die Arbeitsmittelsträme
in den Rohren des Verdampfers 26 so einzustellen, dass am Ende jedes Verdampferrohres
27 ein gleicher Wasseranteil unverdampft bleibt. Da wegen Aenderungen der Flamnenlage
oder wegen variierender rauchgasseitiger Verschmutzung der Rohre die Beheizung der
einzelnen Rohre sich verändert, ist der Verdampfer 26 so klein bemessen, dass mit
sehr grosser Wahrscheinlichkeit auch bei Teillastbetrieb selbst im Austrittquerschnitt
desjenigen Rohres 27 mit ungünstigsten Verhältnissen noch ein kleiner Anteil unverdampften
Wassers strömt. Auf diese Weise ist vermieden, dass einzelne Rohre eine überhöhte
Temperatur annehmen.
[0022] Das nun in die Sammler 35 einströmende Dampf/Wasser-Gemisch unterschiedlichen Wassergehaltes
wird auf seinem Wege durch die Leitung 36 durchmischt und - mit gegebenenfalls noch
erheblichen Unterschieden im Wassergehalt - in die parallelgeschalteten Rohre 41 des
Endverdampfers 40 verteilt. Da der Endverdampfer 40 in einem schwach beheizten Gebiet
des Rauchgasstromes angeordnet ist, das heisst in einem Gebiet, wo die Rauchgastemperatur
nicht viel höher ist als die Temperatur des verdampfenden Wassers, kann seine rauchgasseitige
Oberfläche, selbst bei sehr ungleichmässiger Verteilung des Arbeitsmittels auf die
Rohre, keine gefährlich hohe Temperaturen annehmen.
[0023] Beim Entwurf des Endverdampfers 40 kann ein Optimum angestrebt werden bezüglich des
Aufwandes für gute Verteilung des Dampf/Wasser-Gemisches am Eintritt der Parallelrohre
des Endverdampfers 40 oder bezüglich der Heizflächengrösse des Endverdampfers 40.
[0024] Aus dem Endverdampfer 40 strömt das Arbeitsmittel, bei Vollast vorzugsweise leicht
überhitzt, in den Abscheider 44. Nachdem dort eventuell noch vorhandenes Wasser abgeschieden
worden ist, strömt der nun trockene Dampf mit hoher, einen guten Wärmeübergang garantierender
Geschwindigkeit und homogener Temperatur durch die den ersten Ueberhitzer bildenden
Wandrohre 53.
[0025] Die'Temperaturdifferenz zwischen den miteinander verschweissten Rohren 27 des Verdampfers
26 und den Rohren 53 des ersten Ueberhitzers ist hauptsächlich durch die Lage des
Endverdampfers 40 im Rauchgasstrom bestimmt. Diese Lage wird so gewählt, dass die
genannte Temperaturdifferenz zu keinen unzulässig hohen Wärmespannungen führt. Zur
Begrenzung der Temperaturdifferenz können Mittel zur Beeinflussung des rauchgasseitigen
Wärmeangebotes an den Endverdampfer vorgesehen sein, was beispielsweise durch Rauchgasumwälzung
bewirkt werden kann oder durch einen Nebenschlusskanal, durch den Rauchgase am Endverdampfer
vorbeigeleitet werden können. Arbeitsmittelseitig lässt sich die Temperaturdifferenz
ebenfalls durch eine Bypassleitung zum Endverdampfer 40 oder etwa durch ein temperaturgesteuertes
Einspritzorgan im Bereich der Leitung 42 kontrollieren.
[0026] Aus dem Ringsammler 55 strömt der überhitzte Dampf durch den zweiten Ueberhitzer
72, in dem eine weitere Erwärmung stattfindet, und sodann über ein Einspritzorgan
74 in der Leitung 73 durch den Endüberhitzer 75. An der anschliessenden Frischdampfleitung
77 ist ein nicht gezeichnetes Temperaturmessorgan vorgesehen, das über nicht gezeichnete
Regelmittel auf das Einspritzorgan 74 einwirkt.
[0027] Nach einer ersten mit einer Temperatursenkung verbundenen Entspannung in der Hochdruckturbine
78 wird der Dampf im Zwischenüberhitzer 82 erneut erhitzt und der Niederdruckturbine
86 zugeführt, in der er auf das im Kondensator 1 erzeugte Vakuum entspannt wird.
[0028] Während im Normalbetrieb die Speisewassermenge beispielsweise von der Austrittstemperatur
des Endverdampfers 40 beeinflusst wird, wird zum Anfahren und in einem unter einer
bestimmten Grenzlast liegenden Lastbereich die Fördermenge der Speisepumpe 16 vorzugsweise
konstant gehalten. Am Austritt des Endverdampfers 40 ergibt sich dabei ein lastabhängiger
Wassergehalt. Das Wasser wird im Abscheider 44 ausgeschieden und über das Ventil 46,
das vom Niveau im Abscheider 44 gesteuert wird, in das Speisewassergefäss 13 zurückgeführt.
[0029] Bei Anlagen für überkritischen Betrieb kann es zweckmässig sein, parallel zum Endverdampfer
40 eine Bypassleitung mit Drosselorgan anzuordnen, sodass bei Betrieb mit hoher Last
ein Teilstrom des Arbeitsmittels im Nebenschluss am Endverdampfer vorbei geführt werden
kann. Damit kann die Temperaturdifferenz zwischen den Rohren 27 und 53 im Bereich,
wo sie miteinander verschweisst sind, herabgesetzt werden, wodurch die Wärmespannungen
verringert werden.
[0030] Wärmespannungen im Bereich der Ebenen E und F lassen sich auch herabsetzen, indem
die Rohre 27 und 53 jeweils nur über kurze Längen miteinander direkt verschweisst
werden und die Abdichtung durch eine Skin-Konstruktion erzielt wird.
[0031] Beim Auslegen des erfindungsgemässen Dampferzeugers setzt man die Grenzlast, bis
zu der Arbeitsmittel über die Verdampferheizfläche umgewälzt wird, nach den Abmessungen
des Dampferzeugers und nach den zu erwartenden Betriebsverhältnissen fest. Liegt diese
Grenzlast tief, so kann es zweckmässig sein, das dem Abscheider entnommene Wasser
- wie in der Zeichnung dargestellt - direkt ins Speisewassergefäss 13 zurückzuführen.
Bei höher liegender Grenzlast ist es vorzuziehen, zwischen der Leitung 45 und der
Speisewasserleitung 15, vorzugsweise stromunterhalb des Hochdruckvorwärmers 18, einen
Wärmeübertrager vorzusehen. An Stelle eines solchen kann auch eine im Vorlauf oder
im Rücklauf angeordnete Umwälzpumpe angebracht werden, wobei die beiden Verdampfer
und auch der Economiser in den Umwälzkreislauf einbezogen sein können.
l. Zwanglaufdampferzeugeranlage zurBeheizung mit fossilen Brennstoffen mit - in der
nachstehendenfeihenfolge bezüglich eines Arbeismittelstroms in Serie geschaltete -
- einer Aufbereitungsanlage zum Entsalzen des einem Dampferzeuger als Arbeitsmittelstrom
zugeführten Wassers auf eine Leitfähigkeit von weniger als 0,2. Mikrosiemens/cm und
zur Verminderung des Siliziumgehaltes im Arbeitsmittelstrom auf unter 0,02 ppm,
- einer Hochdruckspeisepumpe
- einem Ekonomiser des Dampferzeugers
- einem aus dicht verschweissten vertikalen Rohren bestehenden, Brennkammerwände des
Dampferzeugers bildenden Verdampfer,
- Mitteln zum Abscheiden von Wasser aus dem Arbeitsmittelstrom,
- Ueberhitzerheizflächen des Dampferzeugers,
wobei der Wasseraustritt der Mittel zum Abscheiden von Wasser durch eine Rückführleitung
mit einer im Arbeitsmittelstrom zwischen der Wasseraufbereitungsanlage und dem Verdampfer
liegenden Stelle verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass im Arbeitsmittelstrom zwischen dem Brennkammerwände (29) bildenden Verdampfer
(26) und den Mitteln (44) zum Abscheiden von Wasser ein Endverdampfer (40) vorgesehen
ist, der in einem von der Brennkammer (30) ausgehenden Rauchgaszug (60) zwischen mindestens
einer Ueberhitzerheizfläche (72, 75) und dem Economiser (20) angeordnet ist,
- dass an den Brennkammerwände bildenden Verdampferrohren (27), dicht miteinander
und mit jenen verschweisst, wandbildende Ueberhitzerrohre (53) eines ersten Ueberhitzers
angeschlossen sind, wobei diese Ueberhitzerrohre (53) an den Anschlussstellen (51) mit Dampfaustrittsleitungen (50) der wasserabscheidenden Mittel
(44) verbunden sind und
- dass die Zwanglaufdmapferzeugeranlage für den Lastbereich oberhalb 50% der Vollast
für einfachen Durchlauf des Arbeitsmittels durch die Verdampferheizfläche (26) ausgelegt
ist.
2. Zwanglaufdampferzeugeranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
den Endverdampfer (40) bildende Heizfläche aus Rohren besteht, deren gasseitige Oberfläche
durch Rippen vergrössert ist, die sich vorzugsweise in Umfangsrichtung der Rohre erstrecken.
3. Zwanglaufdampferzeugeranlage nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die den ersten Verdampfer (26) bildenden Rohre (27) mindestens im Bereich (A)
des höchsten Wärmeeinfalls schraubenförmig verlaufende Innennuten aufweisen.