[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anfahren eines Durchlaufdampferzeugers
gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5.
[0002] Befeuerte Durchlaufdampferzeuger umfassen heute typischerweise eine oder mehrere
Economizerstufen, eine oder mehrere Verdampferstufen sowie eine oder mehrere Überhitzerstufen.
Mittels einer Speisepumpe wird Speisewasser über eine Speisewasserzuleitung dem Durchlaufdampferzeuger
als Arbeitsfluid zugeführt. Dieses Arbeitsfluid strömt dann mit einem bestimmten Massenstrom
nacheinander durch die einzelnen Rohrsysteme (Heizflächen) der verschiedenen Stufen
und wird dort erwärmt, verdampft und überhitzt. Solche befeuerten Durchlaufdampferzeuger
sind in aller Regel mit einem Anfahr- und Schwachlastsystem, bestehend aus einem Wasserabscheidesystem
und einer Umwälzpumpe, ausgerüstet. Das Wasserabscheidesystem, das am Ausgang der
letzten Verdampferstufe und vor einer Überhitzerstufe angeordnet ist, trennt dabei
unverdampftes Arbeitsfluid von verdampftem Arbeitsfluid. Das unverdampfte Arbeitsfluid
wird mittels der Umwälzpumpe wieder in die Speiswasserzuleitung zurückgeführt.
[0003] Im Anfahr- und Schwachlastbetrieb werden die Heizflächen der Verdampferstufen und
der Economiserstufe bis zu einer bestimmten Last unabhängig von der Feuerungsleistung
mit einem konstanten Massenstrom durchströmt. Der Lastpunkt bis zu dem dieser Massenstrom
konstant gehalten wird, ist als BENSON Mindestlast bekannt.
[0004] Die Phase des Anfahrens bzw. der Schwachlast mit in Betrieb befindlicher Umwälzpumpe
wird als Umwälzbetrieb bezeichnet. Das nicht verdampfte Arbeitsfluid wird dabei typischerweise
in Zyklonabscheidern des Wasserabscheidesystems vom verdampften Arbeitsfluid getrennt
und über eine Wasserflasche des Wasserabscheidesystems und die Umwälzpumpe in die
Speisewasserzuleitung zurückgeführt, während das verdampfte Arbeitsfluid den nachgeschalteten
Überhitzerheizflächen der Überhitzerstufen zugeführt wird.
[0005] Wird das dem Verdampfer zugeführte Arbeitsfluid dagegen komplett verdampft, so werden
die Zyklonabscheider nur noch mit Sattdampf oder mit überhitztem Dampf durchströmt.
Die Umwälzpumpe wird dann außer Betrieb genommen, da aus der Wasserflasche kein Wasser
mehr rückgeführt werden kann. Dieser Betrieb wird als Durchlaufbetrieb bezeichnet.
[0006] Bei mehrstufigen Verdampfern kann nun aber die Situation entstehen, dass der sogenannte
BENSON Mindestmassenstrom im Anfahrbetrieb nicht ausreicht, um in den Heizflächen
der verschiedenen Verdampferstufen eine ausreichende Kühlung und Strömungsstabilität
des Arbeitsfluides sicherzustellen. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn die
Rohre einer Verdampferheizfläche abwärts durchströmt werden. Ist im normalen Durchlaufbetrieb
bei unterkritischen Drücken und hohen Eintrittsdampfgehalten in einer Heizfläche der
zweiten oder dritten Verdampferstufe eine gleichmäßige Verteilung des Arbeitsfluides
und eine gute Kühlung der Rohre gegeben, so muss dennoch im Anfahrbetrieb davon ausgegangen
werden, dass am Eintritt dieser Verdampferheizflächen zunächst unterkühltes Wasser
und dann mit steigender Feuerleistung und Dampfproduktion Arbeitsfluid mit jedem Dampfgehalt
vorliegen kann, der geringer ist als der Dampfgehalt an der betreffenden Stelle bei
BENSON Mindestlast. Insbesondere bei einer abwärts geführten Verdampferheizfläche
kann im Anfahrbetrieb eine unerwünschte Umkehrung der Strömung in einzelnen Rohren
oder auch eine Stagnation der Strömung des Arbeitsfluids in Teilen der einzelnen Verdampferstufen
auftreten. Eine gesicherte Rohrkühlung ist dann unter Umständen nicht mehr gegeben.
[0007] Das einer Verdampferstufe am Eintritt zugeführte Arbeitsfluid verteilt sich auf die
verschiedenen Parallelrohre der Einzelheizflächen. In der Regel sind die Verdampfer
mehrstufig ausgeführt. Diese Stufen sind meist durch Sammler voneinander getrennt
und können jeweils aus mehreren parallel geschalteten Heizflächen bestehen. Wesentliches
Kennzeichen ist, dass dem Eintritt des Verdampfers ein Massenstrom zugeführt wird,
der verteilt durch die Heizflächen strömt und in die Abscheider gelangt. Dieser Massenstrom
wird entlang des Strömungswegs bis zum Eintritt in die Abscheider nicht vergrößert.
Hinzu kommt, dass eine gleichmäßige Verteilung von Wasser- und Dampfgemisch über Sammler
nicht gewährleistet werden kann. Erst bei sehr hohen Dampfgehalten kann davon ausgegangen
werden, dass es in den Eintrittssammlern nicht mehr zu starken Entmischungen der beiden
Phasen kommt. Eine ungleichmäßige Verteilung der beiden Phasen Wasser und Dampf ist
ungünstig für die Rohrkühlung und die Stabilität der Strömung, sie begünstigt außerdem
Temperaturschieflagen die zur Schädigung der betroffenen Heizfläche führen können.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Anfahren eines
Durchlaufdampferzeugers bereitzustellen, welche die zuvor beschriebenen Nachteile
überwindet.
[0009] Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie der
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
[0010] Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
[0011] Dadurch, dass auf einer Druckseite der Umwälzpumpe eine Leitung zu einer Einbindestelle
nach der ersten Verdampferstufe vorgesehen ist, kann zumindest ein Teil des in der
Wasserflasche gesammelten nicht verdampften Arbeitsfluids über diese Umwälzpumpe und
über ein Regelventil wieder den weiteren Verdampferstufen zugeführt werden und so
dem Arbeitsfluid mit einem durch das Regelventil bestimmten Massenstrom wieder beigemischt
werden. Somit kann auch dann, wenn der BENSON Mindestmassenstrom im Anfahrbetrieb
nicht ausreichend hoch ist, eine stabile Strömung und damit eine sichere Kühlung der
Verdampferheizflächen aller Verdampferstufen gewährleistet werden.
[0012] Mit dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es nun möglich, die zweite und auch die nachfolgenden weiteren Verdampferstufen
mit einem höheren Verdampfermindestmassenstrom zu beaufschlagen. Eine solche Erhöhung
des Massenstroms wirkt sich positiv auf die Strömungsstabilität und auf die Rohrkühlung
in diesen Verdampferstufen aus. Für die verschiedenen Verdampferstufen kann so während
der Anfahrphase, aber auch während einer Schwachlastphase, ein an die jeweiligen thermohydraulischen
Erfordernisse angepasster Verdampfermindestmassenstrom eingestellt werden. Der einer
ersten Verdampferstufe zugeführte Mindestmassenstrom des Arbeitsfluids, wird so, vor
dem Eintritt in eine nachfolgende weitere Verdampferstufe durch die geregelte Zufuhr
von über den Wasserabscheider und die Einbindestelle rezirkulierendes Wasser, vergrößert.
[0013] Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figur beispielhaft erläutert werden.
Es zeigt:
- FIG 1
- schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Anfahren und Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers.
[0014] Der in FIG 1 dargestellte Durchlaufdampferzeuger umfasst hier neben einer einzigen
Economizerstufe 10', eine erste Verdampferstufe 21', zwei weitere Verdampferstufen
22' und 23' sowie eine Überhitzerstufe 90, in denen stufenweise Speisewasser als Arbeitsfluid
in Dampf für eine (nicht näher dargestellte) nachgeschaltete Dampfturbine überführt
wird. Die einzelnen Stufen werden dabei durch Bündel von Heizflächenrohren oder auch
durch Membranwandrohre gebildet, die jeweils über Eintrittssammler und Austrittssammler
miteinander verbunden sind. So umfasst die in FIG 1 dargestellte Ecomomizerstufe 10'
ein Bündel von Rohren 10 die über einen Eintrittssammler 101 und über einen Austrittssammler
102 miteinander in Verbindung stehen und so eine Heizfläche 10 der Economizerstufe
10' bilden. Vom Austrittssammler 102 der Economizerstufe 10' strömt dann das Arbeitsfluid
in einen Eintrittssammler 211 der nachgeschalteten ersten Verdampferstufe 21', wird
dort in die Rohre der Heizfläche 21 verteilt und zumindest teilweise verdampft und
anschließend über Austrittssammler 212 wieder gesammelt und in die nachfolgende Verdampferstufe
22' geführt. Auch diese zweite Verdampferstufe weist wieder einen Eintrittssammler
221, eine Heizfläche 22 sowie einen Austrittssammler auf. Entsprechend ist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel noch eine dritte Verdampferstufe 23' mit einem Eintrittssammler
231, einer Heizfläche 23 und einem Austrittssammler 232 vorgesehen.
[0015] An diesen Austrittssammler 232 schließt dann ein Wasserabscheidesystem, das hier
aus einem sogenannten Zyklonabscheider 31 und einer Wasserflasche 32 besteht, an.
Im Zyklonabscheider 31 wird Wasser als unverdampftes Arbeitsfluid vom Dampf als verdampftes
Arbeitsfluid, welches der nachfolgenden Überhitzerstufe 90 zugeführt wird, abgetrennt
und in der Wasserflasche 32 gesammelt. Bekannte Vorrichtungen zum Anfahren und Betreiben
eines solchen Durchlaufdampferzeugers umfassen dabei neben dem Wasserabscheidesystem
ein Anfahrventil 41, über das das abgeschiedene, in der Wasserflasche 32 gesammelte
und nicht rezirkulierte Wasser einem Entspanner 40 zugeführt wird. Beim Entspannen
von Siedewasser in einem atmosphärischen Entspanner 40 entsteht Dampf, der typischerweise
über einen Schalldämpfer 42 abgeführt wird und Wasser, das je nach Qualität als Abwasser
über 43 verworfen oder über einen Kondensatsammelbehälter 51 und eine Kondensatpumpe
52 dem Kondensator 53 zugeführt werden kann. Das in den Kondensator 53 geführte Wasser
ist somit nicht für den Prozess verloren, sondern wird über die Vorwärmer 61 und 63
und den Speisewasserbehälter 62 wieder der Speisepumpe 64 zugeführt. Es kann somit
auch über die Speisepumpe 64 eine Rezirkulation eingestellt werden, die jedoch zu
Wasserverlusten führt, da der bei der Entspannung entstehende Dampf über den Schalldämpfer
42 abgeleitet wird.
[0016] Bei heute bekannten Durchlaufdampferzeugern werden die Komponenten Anfahrventil 41,
Entspanner 40, Kondensatrückführung über 51, 52 und 53 sowie die Speisewasserzuführung
von Deionat über die Zuleitung 54 so dimensioniert, dass die Möglichkeit besteht,
die Anlage auch ohne Umwälzpumpe 33 anzufahren.
[0017] Es ist auch möglich, das gesamte Wasser am Austritt der Wasserflasche 32 über das
Anfahrventil 41, den Entspanner 40, den Schalldämpfer 42 und den Ablauf 43 zu verwerfen
, oder es dem Speisewasserbehälter 62 zuzuführen, wenn der Hersteller der Dampfturbine
die Zuführung des Kondensates in den Kondensator 53 der Dampfturbine nicht zulässt.
Wird das gesamte Wasser am Austritt der Wasserflasche 32 verworfen, so muss die Wasserzuführung
von Deionat über die Zuleitung 54 entsprechend dimensioniert werden.
[0018] In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausbildung ist nun auf der Druckseite der
Umwälzpumpe 33, das heißt in der bekannten Rückführungsleitung 34 zur Speisewasser-Einbindestelle
35 zusätzlich zu dem Regelventil 37 ein Drei-Wege-Ventil 71 angeordnet. Ausgehend
von diesem Drei-Wege-Ventil 71 kann dann über eine Leitung 72 ein Teil des Wassers
aus der Wasserflasche 32 zu einer Einbindestelle 73, die zumindest nach einer ersten
Verdampferstufe 21' und vor zumindest einer letzten Verdampferstufe 23' vorgesehen
ist, geregelt geführt werden. So kann ein Anfahrvorgang mit einer maximalen Erhöhung
des Durchsatzes in den Verdampferheizflächen 22 und 23 hinter der Einbindestelle 73
erreicht werden.
[0019] Während der Anfahrphase kann so vor dem Zünden der nicht näher dargestellten Brenner
des Befeuerungssystems und nach dem Füllen der Verdampferstufen 21', 22' und 23' der
Verdampfermindestmassenstrom der ersten Verdampferstufe 21' ausschließlich über die
Speisepumpe 64 zur Verfügung gestellt werden. Der entsprechende Massenstrom kann dabei
durch eine Einrichtung 81 zur Messung der Durchflussmenge erfolgen. Das Dreiwegeventil
71 ist dabei so geschaltet, dass der komplette Massenstrom der Umwälzpumpe 33 zur
Einbindestelle 73 gefördert wird. Ist die Umwälzpumpe 33 so ausgelegt, dass sie den
vollen BENSON Verdampfermindestmassenstrom fördern kann, so wird ab der Einbindestelle
73 der Durchsatz für die nachfolgenden Verdampferheizflächen verdoppelt. Der über
die Leitung 72 zur Einbindestelle 73 geführte Massenstrom kann dabei durch die Messeinrichtung
82 erfolgen. Überschüssiges Wasser der Wasserflasche 32, das nicht über die Umwälzpumpe
33 gefördert wird, wird über das Anfahrventil 41 an den Entspanner 40 weitergeleitet.
[0020] Nach dem Zünden der Brenner und Steigerung der Feuerleistung wird in den Heizflächen
21, 22 und 23 des Verdampfers die Verdampfung einsetzen. Das bei Verdampfungsbeginn
über die Zyklonabscheider 31 und die Wasserflasche 32 ausgestoßene unverdampfte Arbeitsfluid
kann als Abwasser über 43 verworfen werden. Mit weiter steigender Feuerleistung steigt
am Austritt der ersten Verdampferstufe 21' der Dampfgehalt weiter an. Über den von
der Umwälzpumpe 33 über das geöffnete Drei-Wege-Ventil 71 und die Leitung 72 rezirkulierenden
Massenstrom des unverdampften Arbeitsfluids wird der Dampfgehalt an der Einbindestelle
73 etwa halbiert und der Massenstrom des Arbeitsfluids für die Heizflächen der nachfolgenden
Verdampferstufen nahezu verdoppelt. Sobald das von der Speisepumpe 64 zugeführte Wasser
vollständig in den Verdampferheizflächen 21, 22 und 23 verdampft ist, kann das Anfahrventil
41 geschlossen werden. Einen geringen Einfluss auf die Zustände an der Einbindestelle
73 hat die Unterkühlung zur Umwälzpumpe 33. Am Austritt der Wasserflasche 32 liegt
Sattwasser vor, das zur Vermeidung von Kavitation in der Umwälzpumpe 33, insbesondere
bei Druckschwankungen im System durch Zumischen von Speisewasser W über das Ventil
36 leicht unterkühlt wird. Der zur Unterkühlung zugeführte Massenstrom liegt in der
Größenordnung von 1 % bis 1.5 % des Speisewassermassenstroms bei Volllast.
[0021] Bei einem konventionellen Durchlaufdampferzeuger bei dem nicht die Möglichkeit besteht
unverdampftes Arbeitsfluid über die Umwälzpumpe 33, das Regelventil 37, das Drei-Wege-Ventil
71 sowie die Leitung 72 und die Einbindestelle 73 zu rezirkulieren, würde mit weiter
steigender Feuerleistung ab einer bestimmten Last das Arbeitsfluid am Verdampferaustritt
leicht überhitzt vorliegen und der Durchlaufdampferzeuger in den sogenannten Durchlaufbetrieb
mit einer Regelung der Enthalpie am Verdampferaustritt übergehen.
[0022] In der erfindungsgemäßen Ausbildung wird das Anfahrventil 41 geschlossen, sobald
das von der Speisepumpe 64 zugeführte Wasser vollständig in den Verdampferheizflächen
21, 22 und 23 verdampft wurde. Es kann dann davon ausgegangen werden, dass am Austritt
der ersten Verdampferstufe 21' ungefähr der für den BENSON Mindestlastbetriebspunkt
berechnete Dampfgehalt vorliegt. Liegt Arbeitsfluid mit diesem Dampfgehalt am Eintritt
der zweiten Verdampferstufe 22' vor, so sind dort keine Probleme mit der Verteilung
am Eintritt und mit der Strömungsstabilität zu erwarten. Sobald daher die Notwendigkeit
nicht mehr besteht, die Umwälzpumpe 33 in Betrieb zu halten, kann die Fördermenge
der Umwälzpumpe 33 langsam reduziert werden. Sobald dem Zyklonabscheider 31 nur noch
Sattdampf zugeführt wird, wird die Umwälzpumpe 33 außer Betrieb genommen und der Durchlaufdampferzeuger
befindet sich im regulären Durchlaufbetrieb. Das Drei-Wege-Ventil bleibt dabei in
Stellung offen in Richtung Leitung 72 und Einbindestelle 73.
[0023] Ziel der hier beschriebenen Erfindung ist es, dass zur Sicherstellung der Strömungsstabilität
und der Kühlung in der zweiten Verdampferstufe 22' und der dritten Verdampferstufe
23' ein Massenstrom an Arbeitsmedium als Kühlmedium bereitgestellt wird, der über
den Erfordernissen der ersten Verdampferstufe 21' in Bezug auf den Mindestmassenstrom
liegt.
[0024] Möglich wäre auch eine schrittweise Öffnung des Dreiwegeventils 71 zur Speisewasser-Einbindestelle
35 während des Anfahrvorgangs, sobald das Anfahrventil 41 geschlossen ist. Diese Vorgehensweise
würde in gewisser Weise einem Übergang zu der konventionellen Anfahrmethode aber mit
einem erhöhten Verdampfermindestmassenstrom für alle Verdampferheizflächen 21, 22
und 23 sowie der Economizerheizfläche 10 entsprechen. Das rezirkulierte Wasser kann
so in der ersten Verdampferstufe 21' Speisewasser ersetzen und einen Teil des Mindestmassenstroms
bereitstellen. Damit kann das über das Anfahrventil 41 verworfene Wasser reduziert
werden. Wird ein Teil des rezirkulierten Wassers der Economiserstufe 10' zugeführt,
nachdem das Anfahrventil 41 geschlossen wurde, so erhöht sich der Durchsatz auch für
die erste Verdampferstufe 10'.
1. Verfahren zum Anfahren eines Durchlaufdampferzeugers mit zumindest einer Economizerstufe
(10') welchem Speisewasser (W) als Arbeitsfluid zugeführt wird, einer in Strömungsrichtung
des Arbeitsfluids nachgeschalteten ersten Verdampferstufe (21') und zumindest einer
weiteren Verdampferstufe (22',23') welche nacheinander vom Arbeitsfluid durchströmt
werden und dieses zumindest teilweise verdampft wird, sowie einer in Strömungsrichtung
der letzten der weiteren Verdampferstufen (22',23') nachgeschalteten Wasserflasche
(32) in welcher nicht verdampftes Arbeitsfluid gesammelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des in der Wasserflasche (32) gesammelten nicht verdampften Arbeitsfluids
über eine Umwälzpumpe (33) und ein Regelventil (37) wieder so den weiteren Verdampferstufen
(22',23') zugeführt wird, dass es dem Arbeitsfluid nach der ersten Verdampferstufe
(21') und vor der letzten den weiteren Verdampferstufen (22',23') mit einem durch
das Regelventil (37) bestimmten Massenstrom beigemischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zudem ein Teil des nicht verdampften Arbeitsfluids über ein nach der Umwälzpumpe
(33) und dem Regelventil (37) angeordnetes Drei-Wege-Ventil (71) dem Economizersystem
(10') zugeführt wird und so dem Speisewasser (W) beigemischt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Wege-Ventil (71) während des Anfahrens so geregelt wird, dass der dem Economizersystem
(10') zugeführte Teil des nicht verdampften Arbeitsfluids schrittweise erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe (33) am Ende des Anfahrens außer Betrieb genommen wird.
5. Vorrichtung zum Anfahren eines Durchlaufdampferzeugers mit
- zumindest einer Economizerstufe (10'), der mittels einer Speisepumpe (64) über eine
Speisewasserzuleitung (65) Speisewasser (W) als Arbeitsfluid zugeführt werden kann,
- einer ersten Verdampferstufe (21') und zumindest einer weiteren Verdampferstufe
(22',23'), die dem Economizer (10') in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids nachgeschaltet
sind und nacheinander vom Arbeitsfluid durchströmt werden können und dieses zumindest
teilweise verdampfen können,
- einem Wasserabscheidesystem (31,32) am Ausgang der letzten der weiteren Verdampferstufen
(23'), das unverdampftes Arbeitsfluid von verdampftem Arbeitsfluid trennen kann,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Umwälzpumpe (33), ein Regelventil (37), und eine Leitung (72) zu einer Einbindestelle
(73) nach der ersten Verdampferstufe (21') vorgesehen und so angeordnet sind, dass
zumindest ein Teil des in der Wasserflasche (32) gesammelten nicht verdampften Arbeitsfluids
über die Umwälzpumpe (33) und über das Regelventil (37) wieder den weiteren Verdampferstufen
(22',23') zugeführt und dem Arbeitsfluid mit einem durch das Regelventil (37) bestimmten
Massenstrom wieder beigemischt werden kann,
wobei die Einbindestelle (73) in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids nach der ersten
Verdampferstufe (21') und vor der letzten der weiteren Verdampferstufen (22',23')
liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Druckseite der Umwälzpumpe (33) ein Drei-Wege-Ventil (71) angeordnet ist,
so dass zudem ein Teil des nicht verdampften Arbeitsfluids über ein nach der Umwälzpumpe
(33) und dem Regelventil (37) angeordnetes Drei-Wege-Ventil (71) dem Economizersystem
(10') zugeführt werden kann und so dem Speisewasser (W) beigemischt werden kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Wege-Ventil (71) während des Anfahrens so regelbar ist, dass der dem Economizersystem
(10') zugeführte Teil des nicht verdampften Arbeitsfluids schrittweise erhöht werden
kann.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7
dadurch gekennzeichnet, dass vor jeder der weiteren Verdampferstufen (22',23') eine Einbindestelle (73) vorgesehen
ist.