[0001] Die Erfindung betrifft einen Durchlaufdampferzeuger mit einer Brennkammer mit einer
Anzahl von Brennern für fossilen Brennstoff und einer aus gasdicht miteinander verschweißten
Dampferzeugerrohren gebildeten Umfassungswand, wobei der Brennkammer heizgasseitig
in einem oberen Bereich über einen Horizontalgaszug ein Vertikalgaszug nachgeschaltet
ist, wobei ein dem Vertikalgaszug zugewandter Teil der Umfassungswand unterhalb des
Horizontalgaszuges einwärts geneigt ist und dadurch mit dem Boden des angrenzenden
Horizontalgaszuges eine in die Brennkammer hineinstehende Nase bildet.
[0002] 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, d. h., das zugeführte
Wasser fließt in einer Anzahl von Rohren, welche die Energie in Form von Strahlungswärme
der Brennerflammen und/oder durch Konvektion vom bei der Verbrennung entstehenden
Rauchgas aufnehmen.
[0003] 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.
[0004] Fossil befeuerte Dampferzeuger sind anhand einer Vielzahl von Kriterien kategorisierbar:
Dampferzeuger können generell 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. Diese Beschreibung ist genau genommen nur bei Teillasten mit unterkritischem
Druck von Wasser (P
Kri ≈ 221 bar) im Verdampfer gültig. Der Anschaulichkeit halber wird diese Darstellung
jedoch in der folgenden Beschreibung durchgehend verwendet. 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.
[0005] Ein Durchlaufdampferzeuger unterliegt im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger
keiner Druckbegrenzung, so dass er für Frischdampfdrücke weit über dem kritischen
Druck von Wasser ausgelegt werden kann.
[0006] 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-DampfGemisch, vorhanden ist.
[0007] 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.
[0008] Basierend auf der Strömungsrichtung des Gasstroms können Dampferzeuger weiterhin
beispielsweise in vertikale und horizontale Bauarten eingeteilt werden. Bei fossil
befeuerten Dampferzeugern in vertikaler Bauweise werden dabei üblicherweise Einzug-
und Zweizugkessel unterschieden.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] In einem als Zweizugkessel ausgebildeten Dampferzeuger werden üblicherweise die Wände
hängend in einem Kesselgerüst angeordnet, so dass sie sich bei Erwärmung im Betrieb
frei nach unten ausdehnen können. Dabei umfasst der Zweizugdampferzeuger üblicherweise
vier Wände pro Zug, bei denen darauf zu achten ist, dass sich die Wände der einzelnen
Züge gleichmäßig ausdehnen, da sonst unzulässig Spannungen in den Verbindungen der
einzelnen Wände auftreten können.
[0012] Weiterhin umfassen derartige Zweizugkessel häufig eine so genannte Brennkammernase.
Diese Nase ist ein Vorsprung, der aus der am Übergang zum Horizontalgaszug nach innen
geneigten Brennkammerwand und dem Boden des Horizontalgaszuges gebildet wird. Eine
derartige Brennkammernase verbessert den Fluss des Rauchgases am Übergang zum Horizontalgaszug.
[0013] Nachteilig ist dabei jedoch, dass durch die Brennkammernase die Berohrung der Brennkammerrückwand,
d. h. der dem Horizontalgaszug und dem zweiten Vertikalgaszug zugewandten Wand, unterbrochen
wird. Das Gewicht der Rückwand muss also üblicherweise durch eine gesonderte Konstruktion
zwischen oberem und unterem Ende der Nase in das Kesselgerüst derart eingeleitet werden,
dass sich bei Erwärmung oder Belastung - z. B. durch Innendruck, Ascheablagerung oder
Eigengewicht - die Rückwand in gleichem Maße bewegt wie die anderen Wände. Zur Lösung
dieses Problems existieren bislang verschiedene Ansätze:
[0014] Beispielsweise kann das obere und das untere Ende der Nase mittels Zugstangen und
Federn bzw. so genannten Konstanthängern, die trotz Änderung des Federwegs immer annähernd
die gleiche Kraft übertragen, geschehen. Eine derartige Konstruktion passt sich also
der unterschiedlichen Ausdehnung der Wände an. Unterschiedliche Lasten z. B. durch
wechselnden Innendruck bzw. durch Ascheablagerungen verursachen jedoch hohe Spannungen
an den Verbindungen zu den Seitenwänden. Außerdem sind diese Konstanthänger kostenaufwändig.
[0015] Eine weitere Möglichkeit besteht in der einfachen Weiterführung der Rohre der unteren
Brennkammer in vertikaler Richtung bis zum Aufhängepunkt im Kesselgerüst. Damit hat
die Verbindung vom unteren Ende der Nase bis zum Kesselgerüst annähernd gleiche Temperaturen
wie die Seitenwände und die Vorderwand. Allerdings muss die Berohrung der Nase dann
separat erfolgen, was einen zusätzlichen Aufwand an Verbindungsrohren bedeutet.
[0016] Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Rohre der Brennkammerrückwand am unteren
Ende der Nase strömungsmediumsseitig aufzuteilen, so dass ein Teil der Rohre in die
Berohrung der Nase geführt wird, ein anderer Teil parallel dazu vertikal zum Kesselgerüst.
Damit steht aber nur ein Teil der Rohre und des Strömungsmediums für die Nase zur
Verfügung, was unter Umständen zu einer nicht ausreichenden Kühlung der Nase führen
kann, da diese durch ihre exponierte Position in der Brennkammer einen vergleichsweise
hohen Wärmeeintrag aufweist. Im Gegensatz dazu ist der Wärmeeintrag für die entnommenen,
vertikal nach oben geführten Tragrohre entsprechend geringer, was Probleme hinsichtlich
der Verteilung des Massenstroms hervorrufen kann. Alle Wandrohre oberhalb der Nase
und die Tragrohre sollen möglichst gleiche Dampftemperaturen am Austritt aufweisen.
Weiterhin ist ein aufwändiger Übergang in die Nasenberohrung z. B. durch Änderung
der Rohrteilung oder andere Rohrgeometrie erforderlich.
[0017] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Durchlaufdampferzeuger der
oben genannten Art anzugeben, welcher bei einer besonders hohen Zuverlässigkeit im
Betrieb eine vereinfachte Konstruktion aufweist.
[0018] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zumindest einem Teil der Dampferzeugerrohre
der Nase an deren oberen Ende eine Anzahl von Tragrohren strömungsmediumsseitig nachgeschaltet
ist, die im Wesentlichen vertikal zum unteren Ende der Nase geführt sind.
[0019] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein besonders einfache technische
Konstruktion eines Durchlaufdampferzeugers in Zweizugbauweise möglich wäre, wenn die
Aufhängung der Rückwand insbesondere im Bereich der Nase durch vertikal angeordnete
Tragrohre geschehen könnte und somit keine zusätzlichen Federn oder Konstanthänger
notwendig werden. Dabei sollte im Sinne der betrieblichen Sicherheit darauf geachtet
werden, dass eine ausreichende Kühlung der Nase selbst aufgrund des hohen Wärmeeintrags
erfolgt. Vor diesem Hintergrund sollte daher ein möglichst großer Teil der Rohre des
unteren Bereiches der Rückwand der Brennkammer in die Nase geführt werden, so dass
nahezu der gesamte Mediumsstrom zur Kühlung der Nase zur Verfügung steht. Allerdings
stehen dann keine Rohre mehr als Tragrohre für die Rückwand zur Verfügung. Komplizierte
Verteilsysteme oder separate Berohrungen der Nase als Abhilfe bedeuten allerdings
wieder einen zusätzlichen technischen Konstruktionsaufwand.
[0020] Zur Lösung dieser anscheinend gegensätzlichen Auslegungsziele sollten daher erst
am oberen Ende der Nase zumindest ein Teil der Rohre entgegen der sonst üblichen Strömungsrichtung
der Berohrung der Brennkammer von oben nach unten geführt werden. Diese Rohre können
dann bei einer Verbindung mit dem unteren Ende der Nase als Tragrohre für die Rückwand
dienen.
[0021] In vorteilhafter Ausgestaltung ist einem weiteren Teil der Dampferzeugerrohre der
Nase an deren oberen Ende eine Anzahl von Tragrohren strömungsmediumsseitig nachgeschaltet,
die im Wesentlichen vertikal zu einer Decke der Brennkammer geführt sind. Dadurch
stehen auch Tragrohre zur Verfügung, die die Nase und den an die Nase angeschlossenen
unteren Teil der Brennkammer mit der Decke verbinden und so für eine zuverlässige
Aufhängung sorgen. Da diese Tragrohre mit Strömungsmedium durchflossen sind, dehnen
sie sich ebenso wie die übrigen Teile der Brennkammer aus und es erfolgt eine gleichmäßige
Ausdehnung aller vier Brennkammerwände und es entstehen keine unzulässigen Spannungen
an den Verbindungen der Wände.
[0022] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind allen Dampferzeugerrohren des dem Vertikalgaszug
zugewandten Teils der Umfassungswand strömungsmediumsseitig Dampferzeugerrohre der
Nase nachgeschaltet. Dadurch ist sichergestellt, dass das gesamte Strömungsmedium
aus der Brennkammerrückwand bzw. deren unteren Dampferzeugerrohren in die Nase strömt
und somit für eine ausreichende Kühlung der Nase gesorgt ist. Die Nase hat nämlich
aufgrund ihrer exponierten Position im Inneren der Brennkammer einen besonders hohen
Wärmeeintrag.
[0023] Vorteilhafterweise ist den zum unteren Ende der Nase geführten Tragrohren ein im
Bereich des unteren Endes der Nase angeordneter Sammler nachgeschaltet. Dieser Sammler
kann dann das für die Tragrohre abgezweigte Strömungsmedium sammeln und über eine
entsprechende Weiterleitung dem System weiter zur Verfügung stellen.
[0024] Dazu ist den zum unteren Ende der Nase geführten Tragrohren eine Anzahl von Verbindungsrohren
nachgeschaltet, die in den Dampferzeugerrohren des oberen Bereichs der Brennkammer
nachgeschaltete Rohre münden. Somit wird der für die Tragrohre abgezweigte Mediumsstrom
den weiteren Dampferzeugerrohren des oberen Bereichs der Brennkammer parallel geschaltet
und dem System wieder zugeführt. Somit ist eine vollständige Nutzung des Mediumsstroms
der Tragrohre möglich.
[0025] Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch
die strömungsmediumsseitige Nachschaltung einer Anzahl von Tragrohren, die im Wesentlichen
vertikal zum unteren Ende der Nase geführt sind, an zumindest einen Teil der Dampferzeugerrohre
der Nase an deren oberen Ende eine besonders einfache technische Konstruktion bei
gleichzeitiger hoher betrieblicher Zuverlässigkeit des Dampferzeugers möglich ist.
Einerseits werden zur Lastübernahme durch das Kesselgerüst vollständig Dampferzeugerrohre
verwendet und keine separaten Konstruktionen wie beispielsweise Konstanthänger verwendet,
andererseits steht durch diese Konstruktion der gesamte Wasser-Dampf-Strom der Rückwand
für die Nase zur Verfügung und es ist eine ausreichende Kühlung der Brennkammernase
sichergestellt. Es stellen sich im Übrigen in den Rohrwänden weit gehend gleiche Temperaturen
ein, ohne dass eine separate und aufwändige Bohrung der Nase oder ein komplizierter
Übergang mit Geometrieänderungen der Rohre erforderlich wäre.
[0026] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
- FIG 1
- schematisch einen fossil beheizten Durchlaufdampferzeuger in Zweizugbauweise, und
- FIG 2
- eine schematische Darstellung der Verschaltung der einzelnen Dampferzeugerrohre der
Brennkammerwand.
[0027] Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit demselben Bezugszeichen versehen.
[0028] Der Durchlaufdampferzeuger 1 gemäß der FIG 1 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.
[0029] Im unteren Bereich 10 der Brennkammer 2 ist eine Anzahl nicht näher gezeigter Brenner
vorgesehen, die einen flüssigen oder festen Brennstoff in der Brennkammer 2 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. Bei einer spiralförmigen Anordnung
ist ein vergleichsweise höherer Konstruktionsaufwand erforderlich, dafür sind die
entstehenden Schieflagen - unterschiedliche Massenströme und Temperaturen des Strömungsmediums
in parallel geschalteten Rohren - vergleichsweise geringer als bei senkrecht berohrter
Brennkammer 2.
[0030] Der 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. Durch ihre exponierte Position im Inneren der Brennkammer
2 weist die Nase 14 einen besonders hohen Wärmeeintrag auf und sollte daher einen
besonders hohen Durchsatz an Strömungsmedium aufweisen, so dass für eine ausreichende
Kühlung der Nase 14 gesorgt ist.
[0031] Die Züge des Dampferzeugers 1 sind hängend in einem Gerüst 18 angeordnet, so dass
sich die Züge des Dampferzeugers 1 bei Erwärmung ungehindert nach unten ausdehnen
können. Damit eine möglichst gleichmäßige Ausdehnung aller Wände insbesondere der
Brennkammer 2 des Dampferzeugers 1 erfolgt, sollten alle Umfassungswände 12 der Brennkammer
2 ungefähr die gleiche Temperatur aufweisen, so dass eine gleichmäßige Erwärmung und
Ausdehnung erfolgt. Dies ist am einfachsten zu bewerkstelligen, indem die gesamte
Tragekonstruktion aus Dampferzeugerrohren besteht.
[0032] Um einerseits eine Tragekonstruktion insbesondere der dem Horizontalgaszug 6 zugewandten
Teil der Umfassungswand 12 der Brennkammer 2 zu ermöglichen und andererseits eine
ausreichende Kühlung der Nase 14 sicherzustellen, sind die Dampferzeugerrohre der
dem Horizontalgaszug 6 zugewandten Umfassungswand 12 der Brennkammer 2 derart verschaltet,
wie in FIG 2 dargestellt.
[0033] Die Dampferzeugerrohre 20 des unteren Bereichs der Rückwand der Brennkammer 2 münden
zunächst am Punkt A (zur geometrischen Lage der Punkte A bis D sind diese auch in
FIG 1 dargestellt) in einen Sammler 22 und werden weiter zum Punkt B geführt. Hier
wird zunächst der gesamte Massenstrom von A in die Berohrung der Nase 14 geführt.
Somit steht der gesamte Massenstrom aus den Dampferzeugerrohren 20 der Brennkammerrückwand
zur Kühlung der Nase zur Verfügung.
[0034] Am Punkt C wird der Massenstrom geteilt, ein Teil der Rohre verläuft als Tragrohre
24 zum Punkt D an der Decke des Dampferzeugers, ein weiterer Teil wird vom Punkt C
aus als Tragrohre 26 abwärts zum Punkt B geführt. Somit bilden die Tragrohre 24, 26
eine durchgehende Tragekonstruktion für die Rückwand der Brennkammer aus Dampferzeugerrohren.
Die Tragrohre 26 münden in einem Sammler 28 am Punkt B und der Mediumsstrom wird über
eine Verbindungsleitung 30 den den Punkt B nachgeschalteten Rohren bzw. einem Wasser-Dampf-Abscheidesystem
zugeführt. Somit ist auch eine Nutzung des Mediumsstroms aus den Tragrohren 26 möglich.
1. Durchlaufdampferzeuger (1) mit einer Brennkammer (2) mit einer Anzahl von Brennern
für fossilen Brennstoff und einer aus gasdicht miteinander verschweißten Dampferzeugerrohren
(20) gebildeten Umfassungswand (12), wobei der Brennkammer (2) heizgasseitig in einem
oberen Bereich (4) über einen Horizontalgaszug (6) ein Vertikalgaszug (8) nachgeschaltet
ist, wobei ein dem Vertikalgaszug (8) zugewandter Teil der Umfassungswand (12) unterhalb
des Horizontalgaszuges (6) einwärts geneigt ist und dadurch mit dem Boden (16) des
angrenzenden Horizontalgaszuges (6) eine in die Brennkammer (2) hineinstehende Nase
(14) bildet, wobei zumindest einem Teil der Dampferzeugerrohre (20) der Nase (14)
an deren oberen Ende eine Anzahl von Tragrohren (26) strömungsmediumsseitig nachgeschaltet
ist, die im Wesentlichen vertikal zum unteren Ende der Nase (14) geführt sind.
2. Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 1, bei dem einem weiteren Teil der Dampferzeugerrohre
(20) der Nase (14) an deren oberen Ende eine Anzahl von Tragrohren (24) strömungsmediumsseitig
nachgeschaltet ist, die im Wesentlichen vertikal zu einer Decke der Brennkammer (2)
geführt sind.
3. Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem allen Dampferzeugerrohren
(20) der allen Dampferzeugerrohren (20) des dem Vertikalgaszug (8) zugewandten Teils
der Umfassungswand (12) strömungsmediumsseitig Dampferzeugerrohre der Nase (14) nachgeschaltet
sind.
4. Durchlaufdampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem den zum unteren
Ende der Nase (14) geführten Tragrohren (26) ein im Bereich des unteren Endes der
Nase (14) angeordneter Sammler (28) nachgeschaltet ist.
5. Durchlaufdampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem den zum unteren
Ende der Nase (14) geführten Tragrohren (26) eine Anzahl von Verbindungsrohren (30)
nachgeschaltet ist, die in den Dampferzeugerrohren des oberen Bereichs der Brennkammer
(2) nachgeschaltete Rohre münden.