(19)
(11) EP 1 086 339 B1

(12) EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT

(45) Hinweis auf die Patenterteilung:
12.12.2001  Patentblatt  2001/50

(21) Anmeldenummer: 99936322.9

(22) Anmeldetag:  26.05.1999
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)7: F22B 21/34
(86) Internationale Anmeldenummer:
PCT/DE9901/550
(87) Internationale Veröffentlichungsnummer:
WO 9964/787 (16.12.1999 Gazette  1999/50)

(54)

FOSSILBEHEIZTER DAMPFERZEUGER

FOSSIL FUEL FIRED STEAM GENERATOR

GENERATEUR DE VAPEUR CHAUFFE PAR DES COMBUSTIBLES FOSSILES

(84) Benannte Vertragsstaaten:
CH DE DK ES FR GB LI SE

(30) Priorität: 10.06.1998 DE 19825800
11.11.1998 DE 19851809

(43) Veröffentlichungstag der Anmeldung:
28.03.2001  Patentblatt  2001/13

(73) Patentinhaber: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
80333 München (DE)

(72) Erfinder:
  • FRANKE, Joachim
    D-90518 Altdorf (DE)
  • KRAL, Rudolf
    D-91058 Erlangen (DE)


(56) Entgegenhaltungen: : 
DE-A- 4 431 185
US-A- 3 136 298
 FR-A- 1 154 150
US-A- 3 527 261
   
       
    Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen).


    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchlaufdampferzeuger mit einer Brennkammer für einen fossilen Brennstoff, der heizgasseitig über einen Horizontalgaszug ein Vertikalgaszug nachgeschaltet ist.

    [0002] Der Einsatz eines Dampferzeugers dient üblicherweise dazu, ein in einem Verdampferkreislauf geführtes Strömungsmedium, beispielsweise ein Wasser-Wasser/Dampf-Gemisch, zu verdampfen. Hierzu weist der Dampferzeuger Verdampferrohre auf, deren Beheizung zu einer Verdampfung des darin geführten Strömungsmediums führt.

    [0003] Dokument US-A-3 527 261 offenbart einen Naturum laufdampferzeuger mit einer Brennkammer, der heizgasseitig über einen Horizontalgaszug ein Vertikalgaszug nachgeschaltet ist.

    [0004] Dampferzeuger werden üblicherweise mit einer Brennkammer in stehender Bauweise ausgeführt. Dies bedeutet, daß die Brennkammer für eine Durchströmung des beheizenden Mediums oder Heizgases in annähernd vertikaler Richtung ausgelegt ist. Heizgasseitig kann der Brennkammer dabei ein Horizontalgaszug nachgeschaltet sein, wobei beim Üergang von der Brennkammer in den Horizontalgaszug eine Umlenkung des Heizgasstromes in eine annähernd horizontale Strömungsrichtung erfolgt. Diese stehende Bauweise der Brennkammer erfordert jedoch aufgrund der temperaturbedingten Längenänderungen der Brennkammer ein Gerüst, an dem die Brennkammer aufgehängt wird. Dies bedingt einen erheblichen technischen Aufwand bei der Herstellung und Montage des Dampferzeugers, der um so größer ist, je größer die Bauhöhe des Dampferzeugers ist.

    [0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fossilbeheizten Durchlaufdampferzeuger der oben genannten Art anzugeben, der einen besonders geringen Herstellungs- und Montageaufwand erfordert.

    [0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die Brennkammer eine Anzahl von Brennern aufweist, die in der Höhe des Horizontalgaszuges angeordnet sind.

    [0007] Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß ein mit besonders geringem Herstellungs- und Montageaufwand erstellbarer Durchlaufdampferzeuger eine mit einfachen Mitteln ausführbare Haltekonstruktion aufweisen sollte. Ein mit vergleichsweise geringem technischem Aufwand zu erstellendes Gerüst für die Aufhängung der Brennkammer kann dabei einhergehen mit einer besonders geringen Bauhöhe des Durchlaufdampferzeugers. Eine besonders geringe Bauhöhe des Durchlaufdampferzeugers ist erzielbar, indem die Brennkammer in liegender Bauweise ausgeführt ist. Hierzu sind die Brenner in der Höhe des Horizontalgaszugs in der Brennkammerwand angeordnet. Somit wird die Brennkammer beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers in annähernd horizontaler Richtung von dem Heizgas durchströmt.

    [0008] Vorteilhafterweise sind die Brenner an der Stirnseite der Brennkammer angeordnet, also an derjenigen Seitenwand der Brennkammer, die der Abströmöffnung zum Horizontalgaszug gegenüberliegt. Ein derartig ausgebildeter Dampferzeuger ist auf besonders einfache Weise an die Ausbrandlänge des Brennstoffs anpaßbar. Unter Ausbrandlänge des Brennstoffs ist dabei die Rauchgasgeschwindigkeit in horizontaler Richtung bei einer bestimmten mittleren Rauchgastemperatur multipliziert mit der Ausbrandzeit tA des Brennstoffs zu verstehen. Die für den jeweiligen Dampferzeuger maximale Ausbrandlänge ergibt sich dabei beim Vollastbetrieb des Dampferzeugers. Die Ausbrandzeit tA wiederum ist die Zeit, die beispielsweise ein Kohlenstaubkorn mittlerer Größe benötigt, um bei einer bestimmten mittleren Rauchgastemperatur vollständig auszubrennen.

    [0009] Um Materialschäden und eine unerwünschte Verschmutzung des Horizontalgaszuges, beispielsweise aufgrund von Ascheansatz, besonders gering zu halten, ist die durch den Abstand von der Stirnseite zum Eintrittsbereich des Horizontalgaszuges definierte Länge der Brennkammer vorteilhafterweise mindestens gleich der Ausbrandlänge des Brennstoffs beim Vollastbetrieb des Durchlaufdampferzeugers.

    [0010] Die Länge L (angegeben in m) der Brennkammer ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als Funktion des BMCR-Wertes W (angegeben in kg/s) der Brennkammer, der Ausbrandzeit tA (angegeben in s) des Brennstoffs und der Austrittstemperatur TBRK (angegeben in °C) des Arbeitsmediums aus der Brennkammer gewählt. BMCR steht für Boiler maximum continuous rating und BMCR-Wert ist der international üblicherweise verwendete Begriff für die höchste Dauerleistung eines Dampferzeugers. Diese entspricht auch der Auslegungsleistung, also der Leistung bei Vollastbetrieb des Dampferzeugers. Dabei gilt bei gegebenem BMCR-Wert W für die Länge L der Brennkammer näherungsweise der größere Wert der Funktionen:

    und

    mit

    und

    und

    und

    und

    und

    und



    [0011] Unter "näherungsweise" ist hierbei eine zulässige Abweichung vom durch die jeweilige Funktion definierten Wert um +20%/ -10% zu verstehen.

    [0012] Die Stirnseite der Brennkammer und die Seitenwände der Brennkammer, des Horizontalgaszuges und/oder des Vertikalgaszuges sind vorteilhafterweise aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, jeweils parallel mit Strömungsmedium beaufschlagbaren Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohren gebildet.

    [0013] Für eine besonders gute Wärmeübertragung von der Wärme der Brennkammer auf das in den Verdampferrohren geführte Strömungsmedium weist vorteilhafterweise eine Anzahl der Verdampferrohre auf ihrer Innenseite jeweils ein mehrgängiges Gewinde bildende Rippen auf. Dabei ist vorteilhafterweise ein Steigungswinkel α zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene und den Flanken der auf der Rohrinnenseite angeordneten Rippen kleiner als 60°, vorzugsweise kleiner als 55°. In einem beheizten, als Verdampferrohr ohne Innenberippung, einem sogenannten Glattrohr, ausgeführten Verdampferrohr kann nämlich von einem bestimmten Dampfgehalt an die Benetzung der Rohrwand nicht mehr aufrechterhalten werden. Bei fehlender Benetzung kann eine stellenweise trockene Rohrwand vorliegen. Der Übergang zu einer derartigen trockenen Rohrwand resultiert in der Art einer Krise des Wärmeübergangs in einem besonders eingeschränkten Wärmeübergangsverhalten, so daß im allgemeinen die Rohrwandtemperaturen an dieser Stelle besonders stark ansteigen. In einem innenberippten Rohr tritt aber nun im Vergleich zu einem Glattrohr diese Krise des Wärmeübergangs erst bei einem Dampfmassengehalt > 0,9, also kurz vor dem Ende der Verdampfung, auf. Das ist auf den Drall zurückzuführen, den die Strömung durch die spiralförmigen Rippen erfährt. Aufgrund der unterschiedlichen Zentrifugalkraft wird der Wasser- vom Dampfanteil separiert und an die Rohrwand gedrückt. Dadurch wird die Benetzung der Rohrwand bis zu hohen Dampfgehalten aufrechterhalten, so daß am Ort der Wärmeübergangskrise bereits hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen. Das bewirkt einen besonders guten Wärmeübergang und als Folge niedrige Rohrwandtemperaturen.

    [0014] Benachbarte Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre sind vorteilhafterweise über Metallbänder, sogenannte Flossen, gasdicht miteinander verschweißt. Die Flossenbreite beeinflußt den Wärmeeintrag in die Dampferzeugerrohre. Daher ist die Flossenbreite vorzugsweise abhängig von der Position der jeweiligen Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre im Dampferzeuger an ein gasseitig vorgebbares Temperaturprofil angepaßt. Als Temperaturprofil kann dabei ein aus Erfahrungswerten ermitteltes typisches Temperaturprofil oder auch eine grobe Abschätzung, wie beispielsweise ein Stufenprofil, vorgegeben sein. Durch die geeignet gewählten Flossenbreiten ist auch bei stark inhomogener Beheizung verschiedener Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre ein Wärmeeintrag in alle Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre derart erreichbar, daß Temperaturunterschiede am Auslaß der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre besonders gering gehalten sind. Auf diese Weise sind vorzeitige Materialermüdungen zuverlässig verhindert. Dadurch weist der Dampferzeuger eine besonders lange Lebensdauer auf.

    [0015] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rohrinnendurchmesser der Verdampferrohre der Brennkammer abhängig von der jeweiligen Position der Verdampferrohre in der Brennkammer gewählt. Auf diese Weise sind die Verdampferrohre in der Brennkammer an ein gasseitig vorgebbares Temperaturprofil anpaßbar. Mit dem hierdurch bewirkten Einfluß auf die Durchströmung der Verdampferrohre sind besonders zuverlässig Temperaturunterschiede am Auslaß der Verdampferrohre der Brennkammer gering gehalten.

    [0016] Vorteilhafterweise ist den Verdampferrohren der Brennkammer für das Strömungsmedium ein gemeinsames Eintrittssammler-System vorgeschaltet und ein gemeinsames Austrittssammler-System nachgeschaltet. Ein in dieser Ausgestaltung ausgeführter Dampferzeuger ermöglicht einen zuverlässigen Druckausgleich zwischen den parallel geschalteten Verdampferrohren und somit eine besonders gleichmäßige Durchströmung derselben.

    [0017] Die Verdampferrohre der Stirnseite der Brennkammer sind vorteilhafterweise den Verdampferrohren der Seitenwände der Brennkammer strömungsmediumsseitig vorgeschaltet. Dadurch ist eine besonders günstige Ausnutzung der Wärme der Brenner gewährleistet.

    [0018] In dem Horizontalgaszug sind vorteilhafterweise eine Anzahl von Überhitzerheizflächen angeordnet, die annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Heizgases angeordnet und deren Rohre für eine Durchströmung des Strömungsmediums parallel geschaltet sind. Diese in hängender Bauweise angeordneten, auch als Schottheizflächen bezeichneten, Überhitzerheizflächen werden überwiegend konvektiv beheizt und sind strömungsmediumsseitig den Verdampferrohren der Brennkammer nachgeschaltet. Hierdurch ist eine besonders günstige Ausnutzung der Brennerwärme gewährleistet.

    [0019] Vorteilhafterweise weist der Vertikalgaszug eine Anzahl von Konvektionsheizflächen auf, die aus annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Heizgases angeordneten Rohren gebildet sind. Diese Rohre sind für eine Durchströmung des Strömungsmediums parallel geschaltet. Auch diese Konvektionsheizflächen werden überwiegend konvektiv beheizt.

    [0020] Um weiterhin eine besonders vollständige Ausnutzung der Wärme des Heizgases zu gewährleisten, weist der Vertikalgaszug vorteilhafterweise einen Economizer oder Hochdruckvorwärmer auf.

    [0021] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Anordnung der Brenner in Höhe des Horizontalgaszugs eine besonders niedrige Bauhöhe des Dampferzeugers erreichbar ist. Damit ermöglicht auch die Einbindung des Dampferzeugers in eine Dampfturbinenanlage besonders kurze Verbindungsrohre von dem Dampferzeuger zu der Dampfturbine. Durch die Auslegung der Brennkammer für eine Durchströmung des Heizgases in annähernd horizontaler Richtung ist somit eine besonders kompakte Bauweise des Dampferzeugers gegeben. Dabei ist die Länge der Brennkammer so ausgelegt, daß eine besonders günstige Ausnutzung der Wärme des fossilen Brennstoffs gewährleistet ist.

    [0022] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    FIG 1
    schematisch einen fossil beheizten Dampferzeuger in Zweizugbauart in Seitenansicht und
    FIG 2
    schematisch einen Längsschnitt durch ein einzelnes Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohr und
    FIG 3
    ein Koordinatensystem mit den Kurven K1 bis K6.


    [0023] Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

    [0024] Der fossil beheizte Dampferzeuger 2 gemäß Figur 1 ist in liegender Bauweise und vorteilhafterweise als Durchlaufdampferzeuger ausgeführt. Er umfaßt eine Brennkammer 4, der heizgasseitig über einen Horizontalgaszug 6 ein Vertikalgaszug 8 nachgeschaltet ist. Die Stirnseite 9 und die Seitenwände 10a der Brennkammer 4 sind aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, parallel mit Strömungsmedium S beaufschlagbaren Verdampferrohren 11 gebildet. Zusätzlich können auch die Seitenwände 10b des Horizontalgaszuges 6 bzw. 10c des Vertikalgaszuges 8 aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten Dampferzeugerrohren 12a bzw. 12b gebildet sein. In diesem Fall sind die Dampferzeugerrohre 12a, 12b ebenfalls jeweils parallel mit Strömungsmedium S beaufschlagbar.

    [0025] Die Verdampferrohre 11 weisen - wie in Figur 2 dargestellt - auf ihrer Innenseite Rippen 40 auf, die eine Art mehrgängiges Gewinde bilden und eine Rippenhöhe R haben. Dabei ist der Steigungswinkel α zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene 41 und den Flanken 42 der auf der Rohrinnenseite angeordneten Rippen 40 kleiner als 55°. Dadurch wird ein besonders hoher Wärmeübergang von der Wärme der Brennkammer 4 auf das in den Verdampferrohren 11 geführte Strömungsmedium S bei gleichzeitig besonders niedrigen Temperaturen der Rohrwand erreicht.

    [0026] Benachbarte Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 12a, 12b sind in in Figur 1 nicht näher dargestellter Weise über Flossen gasdicht miteinander verschweißt. Durch eine geeignete Wahl der Flossenbreite kann nämlich die Beheizung der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 12a, 12b beeinflußt werden. Daher ist die jeweilige Flossenbreite abhängig von der Position der jeweiligen Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 12a, 12b im Dampferzeuger an ein gasseitig vorgebbares Temperaturprofil angepaßt. Das Temperaturprofil kann dabei ein aus Erfahrungswerten ermitteltes typisches Temperaturprofil oder auch eine grobe Abschätzung sein. Dadurch sind Temperaturunterschiede am Auslaß der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 12a, 12b auch bei stark unterschiedlicher Beheizung der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 12a, 12b besonders Bering gehalten. Auf diese Weise sind Materialermüdungen zuverlässig verhindert, was eine lange Lebensdauer des Dampferzeugers 2 gewährleistet.

    [0027] Der Rohrinnendurchmesser D der Verdampferrohre 11 der Brennkammer 4 ist abhängig von der jeweiligen Position der Verdampferrohre 11 in der Brennkammer 4 gewählt. Auf diese Weise ist der Dampferzeuger 2 zusätzlich an die unterschiedlich starke Beheizung der Verdampferrohre 11 angepaßt. Diese Auslegung der Verdampferrohre 11 der Brennkammer 4 gewährleistet besonders zuverlässig eine Durchströmung der Verdampferrohre 11 in der Weise, daß Temperaturunterschiede am Ausiaß der Verdampferrohre 11 besonders gering gehalten sind.

    [0028] Bei der Berohrung der Brennkammer ist zu berücksichtigen, daß die Beheizung der einzelnen, miteinander gasdicht verschweißten Verdampferrohre 11 beim Betrieb des Dampferzeugers 2 sehr unterschiedlich ist. Deswegen wird die Auslegung der Verdampferrohre 11 hinsichtlich ihrer Innenberippung, Flossenverbindung zu benachbarten Verdampferrohren 11 und ihres Rohrinnendurchmessers D so gewählt, daß alle Verdampferrohre 11 trotz unterschiedlicher Beheizung annähernd gleiche Austrittstemperaturen aufweisen und eine ausreichende Kühlung der Verdampferrohre 11 für alle Betriebszustände des Dampferzeugers 2 gewährleistet ist. Dies ist insbesondere dadurch gewährleistet, daß der Dampferzeuger 2 für eine vergleichsweise niedrige Massenstromdichte des die Verdampferrohre 11 durchströmenden Strömungsmediums S ausgelegt ist. Durch eine geeignete Wahl der Flossenverbindungen und der Rohrinnendurchmesser D ist zudem erreicht, daß der Anteil des Reibungsdruckverlustes am Gesamtdruckverlust so gering ist, daß sich ein Naturumlaufverhalten einstellt: Stärker beheizte Verdampferrohre 11 werden stärker durchströmt als schwächer beheizte Verdampferrohre 11. Damit wird erreicht, daß die vergleichsweise stark beheizten Verdampferrohre 11 in Brennernähe spezifisch - bezogen auf den Massenstrom - annähernd ebensoviel Wärme aufnehmen wie die vergleichsweise schwach beheizten Verdampferrohre 11 am Brennkammerende. Die Innenberippung ist dabei derart ausgelegt, daß eine ausreichende Kühlung der Verdampferrohrwände sichergestellt ist. Somit weisen mit den oben genannten Maßnahmen alle Verdampferrohre 11 annähernd gleiche Austrittstemperaturen auf. Für einen Dampferzeuger mit vertikalem Gaszug ist ein solches Verdampferkonzept beispielsweise aus VGB-Kraftwerkstechnik 75 (1995), Heft 4, Seiten 353 - 359, bekannt.

    [0029] Den Verdampferrohren 11 der Brennkammer 4 ist strömungsmediumsseitig ein Eintrittssammler-System 16 für Strömungsmedium S vorgeschaltet und ein Austrittssammler-System 18 nachgeschaltet. Dadurch ist ein Druckausgleich der parallel geschalteten Verdampferrohre 11 möglich, der eine gleichmäßige Durchströmung derselben bewirkt.

    [0030] Um eine besonders gute Ausnutzung der Verbrennungswärme des fossilen Brennstoffs B zu erreichen, sind die Verdampferrohre 11 der Stirnseite 9 der Brennkammer 4 den Verdampferrohren 11 der Seitenwände 10a der Brennkammer 4 strömungsmediumsseitig vorgeschaltet.

    [0031] Der Horizontalgaszug 6 weist eine Anzahl von als Schottheizflächen ausgebildeten Überhitzerheizflächen 22 auf, die in hängender Bauweise annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 24 des Heizgases H angeordnet und deren Rohre für eine Durchströmung des Strömungsmediums S parallel geschaltet sind. Die Überhitzerheizflächen 22 werden überwiegend konvektiv beheizt und sind strömungsmediumsseitig den Verdampferrohren 11 der Brennkammer 4 nachgeschaltet.

    [0032] Der Vertikalgaszug 8 weist eine Anzahl von überwiegend konvektiv beheizbaren Konvektionsheizflächen 26 auf, die aus annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Heizgases H angeordneten Rohren gebildet sind. Diese Rohre sind für eine Durchströmung des Strömungsmediums S parallel geschaltet. Außerdem ist in dem Vertikalgaszug 8 ein Hochdruckvorwärmer oder Economizer 28 angeordnet. Ausgangsseitig mündet der Vertikalgaszug 8 in einen nicht näher dargestellten Rauchgas- bzw. Wärmetauscher und von dort über einen Staubfilter in einen Kamin.

    [0033] Der Dampferzeuger 2 ist in horizontaler Bauweise mit besonders niedriger Bauhöhe ausgeführt und somit mit besonders geringem Herstellungs- und Montageaufwand errichtbar. Hierzu weist die Brennkammer 4 des Dampferzeugers 2 eine Anzahl von Brennern 30 für fossilen Brennstoff B auf, die an der Stirnseite 9 der Brennkammer 4 in der Höhe des Horizontalgaszuges 6 angeordnet sind.

    [0034] Damit der fossile Brennstoff B zur Erzielung eines besonders hohen Wirkungsgrads besonders vollständig ausbrennt und Materialschäden der heizgasseitig gesehen ersten Überhitzerheizfläche des Horizontalgaszuges 6 und eine Verschmutzung derselben, beispielsweise durch Ascheeintrag, besonders zuverlässig verhindert sind, ist die Länge L der Brennkammer 4 derart gewählt, daß sie die Ausbrandlänge des Brennstoffs B beim Vollastbetrieb des Dampferzeugers 2 übersteigt. Die Länge L ist dabei der Abstand von der Stirnseite 9 der Brennkammer 4 zum Eintrittsbereich 32 des Horizontalgaszugs 6. Die Ausbrandlänge des Brennstoffs B ist dabei definiert als die Heizgasgeschwindigkeit in horizontaler Richtung bei einer bestimmten mittleren Rauchgastemperatur multipliziert mit der Ausbrandzeit tA des Brennstoffs B. Die für den jeweiligen Dampferzeuger 2 maximale Ausbrandlänge ergibt sich beim Vollastbetrieb des Dampferzeugers 2. Die Ausbrandzeit tA des Brennstoffs B wiederum ist die Zeit, die beispielsweise ein Kohlenstaubkorn mittlerer Größe zum vollständigen Ausbrennen bei einer bestimmten mittleren Rauchgastemperatur benötigt.

    [0035] Um eine besonders günstige Ausnutzung der Verbrennungswärme des fossilen Brennstoffs B zu gewährleisten, ist die Länge L (angegeben in m) der Brennkammer 4 in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus der Brennkammer 4 TBRK (angegeben in °C), der Ausbrandzeit tA (angegeben in s) des Brennstoffs B und dem BMCR-Wert W (angegeben in kg/s) der Brennkammer 4 geeignet gewählt. Dabei steht BMCR für Boiler maximum continuous rating. Der BMCR-Wert W ist ein international üblicherweise verwendeter Begriff für die höchste Dauerleistung eines Dampferzeugers. Diese entspricht auch der Auslegungsleistung, also der Leistung bei Vollastbetrieb des Dampferzeugers. Dabei bestimmt sich die Länge L der Brennkammer 4 näherungsweise über die Funktionen



    mit

    und

    und

    und

    und

    und

    und



    [0036] Näherungsweise ist hierbei als eine zulässige Abweichung um +20%/-10% vom durch die jeweilige Funktion definierten Wert zu verstehen. Dabei gilt stets bei einem beliebig aber festen BMCR-Wert der Brennkammer 4 der größere Wert der Werte L der Länge L der Brennkammer 4.

    [0037] Als Beispiel für eine Berechnung der Länge L der Brennkammer 4 in Abhängigkeit vom BMCR-Wert W sind in das Koordinatensystem gemäß Figur 3 sechs Kurven K1 bis K6 eingezeichnet. Dabei sind den Kurven jeweils folgende Parameter zugeordnet:

    K1: tA = 3s   gemäß (1),

    K2: tA = 2,5s   gemäß (1),

    K3: tA = 2s   gemäß (1),

    K4: tBRK = 1200°C   gemäß (2),

    K5 : tBRK = 1300°C   gemäß (2) und

    K6: tBRK = 1400°C   gemäß (2).



    [0038] Zur Bestimmung der Länge L der Brennkammer 4 sind somit beispielsweise für eine Ausbrandzeit tA = 3s und eine Austrittstemperatur TBRK = 1200°C des Arbeitsmediums aus der Brennkammer 4 die Kurven K1 und K4 heranzuziehen. Daraus ergibt sich bei einem vorgegebenen BMCR-Wert W der Brennkammer 4

    von W = 80 kg/s eine Länge von L = 29 m gemäß K4,

    von W = 160 kg/s eine Länge von L = 34 m gemäß K4,

    von W = 560 kg/s eine Länge von L = 57 m gemäß K4.



    [0039] Für die Ausbrandzeit tA = 2,5s und die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus der Brennkammer TBRK = 1300°C sind beispielsweise die Kurven K2 und K5 heranzuziehen. Daraus ergibt sich bei einem vorgegebenen BMCR-Wert W der Brennkammer 4

    von W = 80 kg/s eine Länge von L = 21 m gemäß K2,

    von W = 180 kg/s eine Länge von L = 23 m gemäß K2 und K5,

    von W = 560 kg/s eine Länge von L = 37 m gemäß K5.



    [0040] Der Ausbrandzeit tA = 2s und der Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus der Brennkammer tBRK = 1400°C sind beispielsweise die Kurven K3 und K6 zugeordnet. Daraus ergibt sich bei einem vorgegebenen BMCR-Wert W der Brennkammer 4

    von W = 80 kg/s eine Länge von L = 18 m gemäß K3,

    von W = 465 kg/s eine Länge von L = 21 m gemäß K3 und K6,

    von W = 560 kg/s eine Länge von L = 23 m gemäß K6.



    [0041] Beim Betrieb des Dampferzeugers 2 wird den Brennern 30 fossiler Brennstoff B zugeführt. Die Flammen F der Brenner 30 sind dabei horizontal ausgerichtet. Durch die Bauweise der Brennkammer 4 wird eine Strömung des bei der Verbrennung entstehenden Heizgases H in annähernd horizontaler Hauptströmungsrichtung 24 erzeugt. Dieses gelangt über den Horizontalgaszug 6 in den annähernd zum Boden hin ausgerichteten Vertikalgaszug 8 und verläßt diesen in Richtung des nicht näher dargestellten Kamins.

    [0042] In den Economizer 28 eintretendes Strömungsmedium S gelangt über die in dem Vertikalgaszug 8 angeordneten Konvektionsheizflächen in das Eintrittssammler-System 16 der Brennkammer 4 des Dampferzeugers 2. In den vertikal angeordneten, gasdicht miteinander verschweißten Verdampferrohren 11 der Brennkammer 4 des Dampferzeugers 2 findet die Verdampfung und gegebenenfalls eine teilweise Überhitzung des Strömungsmediums S statt. Der dabei entstehende Dampf bzw. ein Wasser-Dampf-Gemisch wird in dem Austrittssammler-System 18 für Strömungsmedium S gesammelt. Von dort gelangt der Dampf bzw. das Wasser-Dampf-Gemisch in die Wände des Horizontalgaszuges 6 und des Vertikalgaszuges 8 und von dort wiederum in die Überhitzerheizflächen 22 des Horizontalgaszuges 6. In den Überhitzerheizflächen 22 erfolgt eine weitere Überhitzung des Dampfs, der anschließend einer Nutzung, beispielsweise dem Antrieb einer Dampfturbine, zugeführt wird.

    [0043] Durch die besonders geringe Bauhöhe und kompakte Bauweise des Durchlaufdampferzeugers 2 ist ein besonders geringer Herstellungs- und Montageaufwand desselben gewährleistet. Ein mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand erstellbares Gerüst ist insbesondere durch die in Höhe des Horizontalgaszuges 6 angeordneten Brenner 30 der Brennkammer 4 gewährleistet, die eine Durchströmung der Brennkammer 4 in annähernd horizontaler Hauptströmungsrichtung 24 des Heizgases H bewirken. Dabei ist durch eine Wahl der Länge L der Brennkammer 4 in Abhängigkeit vom BMCR-Wert W der Brennkammer 4 sichergestellt, daß die Verbrennungswärme des fossilen Brennstoffs B besonders zuverlässig ausgenutzt wird. Bei einer Dampfturbinenanlage mit dem eine derart geringe Bauhöhe aufweisenden Durchlaufdampferzeuger 2 können außerdem die Verbindungsrohre von dem Durchlaufdampferzeuger 2 zu der Dampfturbine in besonders kurzer Weise ausgelegt sein.


    Ansprüche

    1. Durchlaufdampferzeuger (2) mit einer Brennkammer (4) für einen fossilen Brennstoff (B), der heizgasseitig über einen Horizontalgaszug (6) ein Vertikalgaszug (8) nachgeschaltet ist, wobei die Brennkammer (4) eine Anzahl von Brennern (30) aufweist, die in der Höhe des Horizontalgaszuges (6) angeordnet sind.
     
    2. Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 1,
    bei dem die Brenner (30) an der Stirnseite (9) der Brennkammer (4) angeordnet sind.
     
    3. Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem die durch den Abstand von der Stirnseite (14) der Brennkammer (4) zum Eintrittsbereich (32) des Horizontalgaszugs (6) definierte Länge (L) der Brennkammer (4) mindestens gieich der Ausbrandlänge des Brennstoffs (B) beim Vollastbetrieb des Dampferzeugers (2) ist.
     
    4. Durchlaufdampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    bei dem die Länge (L) der Brennkammer (4), angegeben in m, als Funktion des BMCR-Werts (W) der Brennkammer (4), angegeben in kg/s, der Ausbrandzeit (tA) des Brennstoffs, angegeben in s, und/oder der Austrittstemperatur (TBRK) des Arbeitsmediums aus der Brennkammer (4), angegeben in °C, naherungsweise gemaß den Gleichungen

       und

       mit

       und

       und

       und

       und

       und

       und

    gewählt ist, wobei für einen BMCR-Wert (W) der Brennkammer (4) der jeweils größere Wert der Länge (L) der Brennkammer (4) gilt.
     
    5. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Anspruche 1 bis 4,
    bei dem die Stirnseite (9) der Brennkammer (4) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Verdampferrohren (11) gebildet ist.
     
    6. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    bei dem die Seitenwände (10a) der Brennkammer (4) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, parallel mit Stromungsmedium (S) beaufschlagbaren Verdampferrohren (11) gebildet sind.
     
    7. Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 6,
    bei dem eine Anzahl der Verdampferrohre (11) auf ihrer Innenseite jeweils ein mehrgängiges Gewinde bildende Rippen (40) tragen.
     
    8. Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 7,
    bei dem ein Steigungswinkel (α) zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene (41) und den Flanken (42) der auf der Rohrinnenseite angeordneten Rippen (40) kleiner als 60°, vorzugsweise kleiner als 55°, ist.
     
    9. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    bei dem die Seitenwände (10b) des Horizontalgaszuges (6) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, parallel mit Stromungsmedium (S) beaufschlagbaren Dampferzeugerrohren (12a) gebildet sind.
     
    10. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    bei dem die Seitenwande (10c) des Vertikalgaszuges (8) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Dampferzeugerrohren (12b) gebildet sind.
     
    11. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    bei dem benachbarte Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre (11, 12a, 12b) über Flossen gasdicht miteinander verschweißt sind, wobei die Flossenbreite abhängig von der jeweiligen Position der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre (11, 12a, 12b) in der Brennkammer (4), des Horizontalgaszugs (6) und/oder des Vertikalgaszugs (8) gewählt ist.
     
    12. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    bei dem der Rohrinnendurchmesser (D) der Verdampferrohre (11) der Brennkammer (4) abhängig von der jeweiligen Position der Verdampferrohre (11) in der Brennkammer (4) gewählt ist.
     
    13. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    bei dem den der Brennkammer (4) zugeordneten Verdampferrohren (11) strömungsmediumsseitig ein gemeinsames Eintrittssammler-System (16) für Stromungsmedium (S) vorgeschaltet und ein gemeinsames Austrittssammler-System (18) nachgeschaltet ist.
     
    14. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    bei dem die Verdampferrohre (11) der Stirnseite (9) der Brennkammer (4) strömungsmediumsseitig den Verdampferrohren (11) der Seitenwände (10a) der Brennkammer (4) vorgeschaltet sind.
     
    15. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    bei dem in dem Horizontalgaszug (6) eine Anzahl von Überhitzerheizflächen (22) in hängender Bauweise angeordnet ist.
     
    16. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    bei dem in dem Vertikalgaszug (8) eine Anzahl von Konvektionsheizflachen (26) angeordnet ist.
     


    Claims

    1. Once-through steam generator (2) having a combustion chamber (4) for a fossil fuel (B), downstream of which a vertical gas flue (8) is arranged on the heating-gas side via a horizontal gas flue (6), the combustion chamber (4) having a number of burners (30) which are arranged at the level of the horizontal gas flue (6).
     
    2. Once-through steam generator (2) according to Claim 1, in which the burners (30) are arranged on the end face (9) of the combustion chamber (4).
     
    3. Once-through steam generator (2) according to Claim 1 or 2, in which the length (L) of the combustion chamber (32), which is defined by the distance from the end face (9) of the combustion chamber (4) to the inlet region (32) of the horizontal gas flue (6), is at least equal to the burn-out length of the fuel (B) during full-load operation of the once-through steam generator (2).
     
    4. Once-through steam generator according to one of Claims 1 to 3, in which the length (L) of the combustion chamber (4) (specified in m) is selected as a function of the BMCR value (W) of the combustion chamber (4) (specified in kg/s), the burn-out time (tA) of the fuel (specified in s) and/or the outlet temperature (TBRK) of the working medium from the combustion chamber (4) (specified in °C) approximately according to the equations

       and

       where

       and

       and

       and

       and

       and

       and

    in which case, for a BMCR value (W) of the combustion chamber (4), the respectively larger value of the length (L) of the combustion chamber (4) applies.
     
    5. Once-through steam generator (2) according to one of Claims 1 to 4, in which the end face (9) of the combustion chamber (4) is formed from vertically arranged evaporator tubes (11) which are welded to one another in a gastight manner and to which flow medium (S) can be admitted in a parallel manner.
     
    6. Once-through steam generator (2) according to one of Claims 1 to 5, in which the side walls (10a) of the combustion chamber (4) are formed from vertically arranged evaporator tubes (11) which are welded to one another in a gastight manner and to which flow medium (S) can be admitted in a parallel manner.
     
    7. Once-through steam generator (2) according to Claim 6, in which a number of evaporator tubes (11), on their inside, in each case have ribs (40) forming a multi-start thread.
     
    8. Once-through steam generator (2) according to Claim 7, in which a helix angle (α) between a plane (41) perpendicular to the tube axis and the flanks (42) of the ribs (40) arranged on the tube inside is less than 60°, preferably less than 55°.
     
    9. Once-through steam generator (2) according to one of Claims 1 to 8, in which the side walls (10b) of the horizontal gas flue (6) are formed from vertically arranged steam-generator tubes (12a) which are welded to one another in a gastight manner and to which flow medium (S) can be admitted in a parallel manner.
     
    10. Once-through steam generator (2) according to one of Claims 1 to 9, in which the side walls (10c) of the vertical gas flue (8) are formed from vertically arranged steam-generator tubes (12b) which are welded to one another in a gastight manner and to which flow medium (S) can be admitted in a parallel manner.
     
    11. Once-through steam generator (2) according to one of Claims 1 to 10, in which adjacent evaporator or steam-generator tubes (11, 12a, 12b) are welded to one another in a gastight manner via fins, the fin width being selected as a function of the respective position of the evaporator or steam-generator tubes (11, 12a, 12b) in the combustion chamber (4), of the horizontal gas flue (6) and/or of the vertical gas flue (8).
     
    12. Once-through steam generator (2) according to one of Claims 1 to 11, in which the tube inside diameter (D) of the evaporator tubes (11) of the combustion chamber (4) is selected as a function of the respective position of the evaporator tubes (11) in the combustion chamber (4).
     
    13. Once-through steam generator (2) according to one of Claims 1 to 12, in which a common inlet-collector system (16) for flow medium (S) is connected on the flow-medium side upstream of the evaporator tubes (11) assigned to the combustion chamber (4), and a common outlet-collector system (18) is connected downstream of the said evaporator tubes (11).
     
    14. Once-through steam generator (2) according to one of Claims 1 to 13, in which the evaporator tubes (11) of the end face (9) of the combustion chamber (4) are connected on the flow-medium side upstream of the evaporator tubes (11) of the side walls (10a) of the combustion chamber (4).
     
    15. Once-through steam generator (2) according to one of Claims 1 to 14, in which a number of superheater heating surfaces (22) are arranged in a suspended type of construction in the horizontal gas flue (6).
     
    16. Once-through steam generator (2) according to one of Claims 1 to 15, in which a number of convection heating surfaces (26) are arranged in the vertical gas flue (8).
     


    Revendications

    1. Générateur (2) de vapeur à passage direct, comprenant une chambre (4) de combustion d'un combustible (B) fossile, en aval de laquelle du côté du gaz chaud il est monté un trajet (8) vertical de tirage du gaz au-dessus d'un trajet (6) horizontal de tirage de gaz, la chambre (4) de combustion comportant un certain nombre de brûleurs (30) qui sont disposés au niveau du trajet (6) horizontal de tirage du gaz.
     
    2. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant la revendication 1,
       dans lequel les brûleurs sont disposés sur le côté (9) frontal de la chambre (4) de combustion.
     
    3. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant la revendication 1 ou 2,
       dans lequel la longueur (L) de la chambre (4) de combustion définie par la distance entre le côté (14) frontal de la chambre(4) de combustion et la partie (32) d'entrée du trajet (6) horizontal de tirage du gaz est au moins égale à la longueur de combustion du combustible (B) en fonctionnement en pleine charge du générateur (2) de vapeur.
     
    4. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant la revendication 1 à 3,
       dans lequel la longueur (L) de la chambre (4) de combustion exprimée en mètres en fonction de la valeur(W) BMCR pour la chambre (4) de combustion exprimée en kg/s, de la durée (tA) de combustion du combustible exprimé en (S) et/ou de la température (TBRK) du fluide de travail sortant de la chambre (4) de combustion exprimée en °C sont sélectionnées approximativement suivant les équations

       et

       avec

       et

       et

       et

       et

       et

       et

       la valeur la plus grande respectivement de la longueur (L) de la chambre (4) de combustion étant prise pour une valeur (W) de BMCR de la chambre (4) de combustion.
     
    5. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant l'une des revendications 1 à 4,
       dans lequel le côté (9) frontal de la chambre (4) de combustion est formé de tubes (11) d'évaporateur soudés les uns aux autres de manière étanche au gaz, disposés verticalement et pouvant être alimentés en parallèle en du fluide (S) en écoulement.
     
    6. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant l'une des revendications 1 à 5,
       dans lequel les parois (10a) latérales de la chambre (4) de combustion sont formées de tubes (11) d'évaporateur soudés entre eux de manière étanche au gaz, disposés verticalement et pouvant être alimentés en parallèle en du fluide (S) en écoulement.
     
    7. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant la revendication 6,
       dans lequel un certain nombre de tubes (11) d'évaporateur portent sur leurs côtés intérieurs respectivement des nervures (40) formant un filetage à plusieurs pas.
     
    8. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant la revendication 6,
       dans lequel un angle (α) d'inclinaison entre un plan (41) perpendiculaire à l'axe des tubes et les flancs (42) des nervures (40) ménagées sur le côté intérieur des tubes est inférieur à 60° et de préférence inférieur à 55°.
     
    9. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant l'une des revendications 1 à 8,
       dans lequel les parois (10b) latérales du trajet (6) horizontal de tirage du gaz sont formées de tubes (12a) de générateur de vapeur soudés entre eux de manière étanche au gaz, disposés verticalement et pouvant être alimentés en parallèle par du fluide (S) en écoulement.
     
    10. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant l'une des revendications 1 à 9,
       dans lequel les parois (10c) latérales du trajet (8) vertical de tirage du gaz sont constitués de tubes (12b) de générateur de vapeur soudés entre eux de manière étanche au gaz, disposés verticalement et pouvant être alimentés en parallèle par du fluide (S) en écoulement.
     
    11. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant l'une des revendications 1 à 10,
       dans lequel des tubes (11, 12A, 12b) voisins d'évaporateur et de générateur de vapeur sont soudés entre eux de manière étanche au gaz par des ailerons, la largeur des ailerons étant choisie en fonction de la position respective des tubes (11, 2a, 12b) d'évaporateur et de générateur de vapeur dans la chambre (4) de combustion, du trajet (6) horizontal de tirage du gaz et/ou du trajet (8) vertical de tirage du gaz.
     
    12. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant l'une des revendications 1 à 11,
       dans lequel le diamètre (D) intérieur des tubes (11) de l'évaporateur de la chambre (4) de combustion est choisi en fonction de la position respective des tubes (11) d'évaporateur dans la chambre (4) de combustion.
     
    13. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant l'une des revendications 1 à 12,
       dans lequel il est monté en amont des tubes (11) d'évaporateur associés à la chambre (4) de combustion du côté du fluide en écoulement un système (16) collecteur d'entrée commun pour du fluide (S) en écoulement et il est monté en aval un système (18) collecteur de sortie commun.
     
    14. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant l'une des revendications 1 à 13,
       dans lequel les tubes (11) d'évaporateur du côté (9) frontal de la chambre (4) de combustion sont montés en amont du côté du fluide en écoulement des tubes(11) d'évaporateur des parois (10a) latérales de la chambre (4) de combustion.
     
    15. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant l'une des revendications 1 à 14,
       dans lequel il est monté suspendues dans le trajet (6) horizontal de tirage du gaz un certain nombre de surfaces de chauffage (22) à surchauffeur.
     
    16. Générateur (2) de vapeur à passage direct suivant l'une des revendications 1 à 15,
       dans lequel il est monté dans le trajet (8) vertical de tirage du gaz un certain nombre de surfaces (26) de convection.
     




    Zeichnung