Dampferzeuger mit einem temperaturgeregelten Parallelrohrsystem

Abstract

 Die Erfindung bezieht.sich auf einen Dampferzeuger (1) mit einem temperaturgeregelten Parallelrohrsystem, mit den Endheizflächen (7, 8, 9, 10) der einzelnen Stränge (3 bis 6) zugeordneten Einspritzkühlern (12, 13), mit einem an der die einzelnen Stränge (3, 4, 5, 6) aufnehmenden Dampfsammelleitungen (11) angeschlossenen Meßfühler (39) für die Temperatur des Mischdampfes und mit einer vom Meßfühler und einer Sollwertvorgabe (57) gesteuerten Regeleinrichtung (56) für die Enspritzkühler. Bei Dampferzeugern mit Parallelrohrsystemen kommt es immer wieder zu ungleichen Aufheizungen in den einzelnen zueinander parallelen Strängen und Parallelrohren. Diese erzwingen eine Begrenzung der Leistung des Dampferzeugers. Die Erfindung sieht hierzu vor, daß jeden der parallelgeschalteten Stränge ein separater Temperaturmeßfühler (37, 38) für die Dampftemperatur zugeordnet ist und diese Temperaturmeßfühler an einen Temperaturregler (40) angeschlossen sind, der seinerseits den Einspritzkühler des Stranges mit der höchsten Dampftemperatur aufsteuert und den Einspritzkühler des Stranges mit der niedrigsten Dampftemperatur zusteuert. Zusätzlich können den heißen Enden der einzelnen Parallelrohre (17 bis 26) separate Temperaturmeßfühler (27 bis 36) zugeordnet sein, die an eine Überwachungslogik (42, 43) angeschlossen sind, die die Meßwerte mit einem Referenzwert (44, 45) vergleicht und den zugeordneten Einspritzkühler bei Überschreiten des Referenzwertes vorrangig aufsteuert. Ein erfindungsgemäßer Dampferzeuger ist insbesondere für den Einsatz im Kraftwerksbereich und in der Grundstoffindustrie geeignet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Dampferzeuger mit einem temperaturgeregelten Parallelrohrsystem mit den Endheizflächen der einzelnen Stränge des Parallelrohrsystems vorgeschalteten Einspritzkühlern, mit einem an der die einzelnen Stränge aufnehmenden Dampfsammelleitung angeschlossenen Meßfühler für die Temperatur des Mischdampfes hinter dem Parallelrohrsystem und mit einer vom Meßfühler und einer Sollwertvorgabe gesteuerten Regeleinrichtung für die Einspritzkühler.

[0002] Bei Meßfühlern mit Parallelrohrsystemen ist es zur Temperaturregelung des Dampfes bekannt, vor den Endheizflächen der Hochdrucküberhitzer und Zwischenüberhitzer Einspritzkühler vorzusehen. Die Steuerventile für die Einspritzkühler werden dabei über einen Regler gesteuert, der seinerseits wiederum von einem in der Dampfsammelleitung angeordneten Temperaturfühler, sowie von einer Sollwertvorgabe beeinflußt wird. Bei Parallelrohrsystemen, d.h. bei Heizflächen mit parallel zueinander geschalteten Rohrbündeln, Schotten oder Membranwänden sind ungleichmäßige Beheizungszustände und unterschiedliche Durchströmungsgeschwindigkeiten der Rohrleitungen unvermeidlich. Das führt dazu, daß zwischen den zueinander parallelen Rohrleitungen und Strängen unzulässig hohe Temperaturdifferenzen auftreten können, die zu unzulässig hohen Spannungen im Material führen, und daß örtlich, betriebsbedingt auch unzulässig hohe Absoluttemperaturen an den einzelnen Rohren des Parallelrohrsystems erreicht werden können. Solche Überbeanspruchungen führen dann zu Rohrschäden mit der Folge erhöhter Reparaturkosten und einer verminderten Verfügbarkeit der Dampferzeugungsanlage.

[0003] Zur Vermeidung solcher Überbeanspruchungen ist es bereits bekannt, die Dampftemperatur nach oben hin zu begrenzen Dabei wird eine gewisse Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades der Dampferzeugeranlage in Kauf genommen.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Weg zu weisen, wie bei Dampferzeugern mit Parallelrohrsystemen Überbeanspruchungen einzelner Rohre oder Stränge vermieden werden können, ohne daß die Dampftemperatur allzusehr gegenüber der theoretisch zulässigen Dampftemperatur zurückgenommen werden muß.

[0005] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben.

[0006] Infolge der Zuordnung eines separaten Strangmeßfühlers für die Dampftemperatur zu einem jeden der parallel geschalteten Stränge werden einerseits ungleiche Belastungen der einzelnen Stränge erfaßt und wird zugleich die Voraussetzung geschaffen, um über eine Steuerlogik den stärker belasteten Strang durch Aufsteuern des zugeordneten Einspritzkühlers zu entlasten und durch Zusteuern des dem am wenigesten belasteten Strang zugeordneten Einspritzkühlers einen Ausgleich zu schaffen. Dadurch wird die Beanspruchung der einzelnen Stränge, wie etwa von Membranenwänden, Schotten und bestimmten Rohrbünden vergleichmäßigt.

[0007] Eine zuverlässige Absicherung gegenüber Beanspruchung bzw. Ubertemperaturen erreicht man, wenn in Ausgestaltung der Erfindung den heißen Enden der einzelnen Parallelrohre eines jeden Stranges separate Temperaturmeßfühler zugeordnet sind, die an eine Überwachungslogik angeschlossen sind, die die Meßwerte mit einem fest vorgegebenen Referenzwert für die Temperatur vergleicht und den zugeordneten Einspritzkühler bei Überschreiten des Referenzwertes vorrangig zu anderen Steuerbefehlen aufsteuert. Hierdurch läßt sich wirkungsvoll eine lokale Überbeanspruchung bzw. Überhitzung vermeiden, ohne daß dadurch die Gesamtleistung des Dampferzeugers wesentlich herabgesetzt werden muß.

[0008] Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Die Figur ein schematisches Schaltbild eines Dampferzeugers mit einem Parallelrohrsystem und die Schaltanordnung für die Regelung der Temperatur in den einzelnen Heizflächen.

[0009] Bei dem in der Figur schematisch dargestellten Dampferzeuger 1 strömt das Speisewasser von unten über den hier nicht dargestellten Economiser und Verdampfer in. eine Verteilerleitung 2 und von dort in die diversen in zueinander parallel geschalteten Strängen 3, 4, 5 und 6 angeschlossenen Vor- und Endüberhitzerheizflächen 7, 8, 9, 10 des Dampferzeugers 1 ein. Diese Heizflächen können Teile der Kesselaußenwand oder auch Teile einer Zwischen-oder Membranwand sein. In der Darstellung der Figur führt der linke Strang 3 in ein Teil der Außenwand 7 eines Dampferzeugers 1 und der rechte Strang 4 in eine Zwischenwand 9 des Dampferzeugers und sind die im rechten und linken Strang 3, 4 eingezeichneten oberen Heizflächen 8, 10 Endüberhitzerheizflächen, d.h. Rohrbündel, die man sich etwa im mittleren Bereich des Rauchgaszuges installiert vorstellen muß. Hinter den Endüberhitzerflächen 8, 10 münden die einzelnen Stränge in eine Dampfsammelleitung 11, die zum Verbraucher, im allgemeinen zur Dampfturbine (nicht dargestellt) führt.

[0010] In jeden der beiden dargestellten Stränge 3, 4 erkennt man hinter den Heizflächen 7, 9 der Kesselaußenwand bzw. der Zwischenwand und den zugehörigen Endüberhitzer Heizflächen 8, 10 je einen Einspritzkühler 12, 13, der über je ein separates, motorgesteuertes Ventil 14, 15 an die Speisewasserleitung 16 angeschlossen ist. Sowohl an den heißen Enden der Parallelrohre 17 bis 26 der einzelnen Endüberhitzer 8, 10, wie auch an den den jeweiligen Endüberhitzern verlassenden einzelnen Strängen 3 bis 6 sowie an der Sammeldampfleitung 11, in die die Stränge schließlich einmünden, sind Temperaturmeßfühler 27 bis 39 angeordnet. Die in den die Endüberhitzer 8, 10 verlassenden Strängen eingebauten Temperaturmeßfühler 37, 38 sind an einen Temperaturregler 40 angeschlossen, der seinerseits wieder über eine weitere Steuerlogik 41 mit den Stellmotoren der einzelnen Steuerventile 14, 15 der Einspritzkühler 12, 13 verbunden sind. Der Temperaturregler ist so aufgebaut, daß er in vorgegebenen Zeitintervallen den Temperaturmeßfühler 37, 38 mit der jeweils höchsten und niedrigsten Dampf temperatur ermittelt und das Steuerventil 14, 15 des Einspritzkühlers 12, 13 des Stranges 3 bis 6 mit der höchsten Dampftemperatur etwas weiter aufsteuert und das Steuerventil 14, 15 des Einspritzkühlers 12, 13 des Stranges 3-bis 6 mit der niedrigsten Dampftemperatur etwas zusteuert. Die Temperaturen der einzelnen Stränge werden so einander angenähert.

[0011] Die Temperaturmeßfühler 27 bis 36 an den Parallelrohren 17 bis 26 der einzelnen Endüberhitzer 8, 10 sind an je eine Überwachungslogik 42, 43 je Endüberhitzer angeschlossen, die sie in vorgegebenen Zeitintervallen abfragen. Die Meßwerte werden mit einem vorgegebenen Referenzwert 44, 45 in einer Vergleichsstufe 46, 47 vergleichen. Überschreitet ein Meßwert den Referenzwert, so wird in der Vergleichsstufe ein Signal gebildet, das einerseits über eine Negation 48 bis 51 und eine ODER-Funktion 52 bis 55 die Übertragung der Signale des Temperaturreglers 40 blockiert und zugleich das Steuerventil 14, 15 des Einspritzkühlers 12, 13 des zugehörigen Stranges 3 bis 6 etwas aufsteuert.,

[0012] Der in der Dampfsammelleitung 11 befindliche Meßfühler 39 für die Dampfmischtemperatur ist an ein Regelglied 56 angeschlossen, daß diesen Meßwert mit einem Vorgabewert 57, in dem die vom Verbraucher gewünschte Dampftemperatur eingeprägt ist, vergleicht. Je nachdem ob der Meßwert oberhalb oder unterhalb dieses Sollwertes liegt, wird ein Steuerbefehl zur Auf- bzw. zur Zusteuerung erzeugt. Dieser Meßwert wird über ein ODER-Gatter 58, 59 in die Steuerleitungen aller Steuerventile 14, 15 der Einspritzkühler 12, 13 eingegeben. An den zweiten Eingang dieser ODER-Gatter 58, 59 eines jeden Steuerventiles kann ein von der Stellung des Steuerventils abhängiges Signal anliegen, das bei der Extremstellung des zugehörigen Steuerventils ausbleibt und so eine-Übersteuerung desselben verhindert.

[0013] Beim Betrieb des Dampferzeugers 1 wird das Speisewasser über eine hier nicht weiter dargestellte Speisewasserpumpe einen Economiser und einen Verdampfer in der Darstellung der Figur von unten über die Verteilerleitung 2 in die einzelnen zueinander parallelen Stränge 3 bis 6 und die in diesen Strängen eingebauten Vor- und Endüberhitzerheizflächen 7 bis 10 gedrückt. In ihnen wird das Speisewasser in verschiedenen Parallelrohren aufgeheizt und danach neu gesammelt und in den Prallelrohren 17 bis 26 weiterer Endüberhitzerheizflächen 8, 10 auf den gewünschten Endzustand erhitzt. Der Dampf wird in den zugehörigen Strängen 3 bis 6 gesammelt. Jeder dieser parallel geschalteten Heizflächen oder Stränge leitet den Dampf dann in die Sammeldampfleitung 11, die den überhitzten Dampf dem Verbraucher, im allgemeinen einer Dampfturbine, zuleitet.

[0014] Infolge Ungleichmäßigkeiten in der Wärmeabgabe und infolge dynamischer Ungleichmäßigkeiten des Strömungswiderstandes in den einzelnen Parallelrohren - wie sie z.B. durch etwas vorzeitige Verdampfung entstehen können - entstehen in den parallelen Rohren örtlich und zeitlich unterschiedliche Rohr- und Dampftemperaturen. Diese wiederum werden von den in den einzelnen Strängen 3 bis 6 angeschlossenen Temperaturfühlern erfaßt. Sie veranlassen, daß der Temperaturregler 40 das dem heißesten Strang zugeordnete Steuerventil etwas weiter öffnet und das dem kühlsten Strang zugeordnete Steuerventil etwas weiter zu schließen. Durch diese in kurzen Zeitintervallen vorgenommene Regelungen erfolgt ein Ausgleich der Heizleistung in den verschiedenen Strängen und werden Temperaturschieflagen und Materialüberbeanspruchungen insbesondere im stationären Betrieb vermieden. Für das vom Temperaturfühler 39 der Dampfsammelleitung 11 gesteuerte Regelglied 56 reduziert sich dadurch die Regelstrecke zu einem einstrangigen System, so daß alle Steuerventile zu dieser Hauptregelung nur parallel verstellt zu werden brauchen. Dies kann unabhängig von der jeweiligen Öffnungsposition der einzelnen Steuerventile der Einspritzkühler erfolgen. Nur bei Endlagen, werden jene Steuerbefehle des Regelgliedes 56, die zu einer Überschreitung dieser Endlagen führen würden, unterdrückt. Die hierzu gegenläufigen Befehle werden durch die Aufteilung in einen schliessenden Signalweg 60, 61 und einen öffnenden Signalweg 62, 63 und die Zwischenschaltung von ODER-Gattern 64 bis 67 durchgelassen. Diese ODER-Gatter steuern im Stromkreis der Stellmotore der Steuerventile liegende Schaltelemente 68 bis 71.

[0015] Hiervon unabhängig wird durch die Uberwachungslogik 42, 43 verhindert, daß einzelne Parallelrohre in den Heizflächen der Endüberhitzer oder Zwischenüberhitzer überlastet werden können. Dies geschieht durch Blockierung der Signalübertragung seitens des Temperaturreglers und des Regelgliedes in Schließrichtung bei gleichzeitiger Aufsteuerung des Steuerventils des zugeordneten Einspritzkühlers.

[0016] Diese Art der Temperaturregelung beim Dampferzeuger läßt sich in analoger Weise auch für Zwischenüberhitzerheizflächen etwa vor der Mittel- und Niederdruckstufe einer Dampfturbine einsetzen. Sie erlaubt es dem Dampferzeuger, näher an seine theoretisch gerade noch zulässige Leistungsobergrenze heranzufahren, ohne örtlich oder zeitlich unzulässige thermische Belastung befürchten zu müssen. Hierdurch läßt sich eine höhere Leistung und ein höherer Wirkungsgrad des Dampferzeugers-erreichen.

Bezugszeichenliste

[0017] 

Dampferzeuger 1

Verteilerleitung 2

Strang 3, 4, 5, 6

Heizfläche 7, 8, 9, 10

Dampfsammelleitung 11

Einspritzkühler 12, 13

Steuer-Ventil 14, 15

Speisewasserleitung 16

Parallelrohr 17 bis 26

Temperaturmeßfühler 27 bis 36, 37, 38, 39

Temperaturregler 40

Steuerlogik 41

Überwachungslogik 42, 43

Referenzwert 44, 45

Vergleichsstufe 46, 47

Negation 48, 49, 50, 51

ODER-Gatter 52, 53, 54, 55

Regelglied 56

Vorgabewert 57

ODER-Gatter 58, 59

Signalweg 60, 61, 62, 63

ODER-Gatter 64, 65, 66, 67

Thyristor 68, 69, 70, 71

Ansprüche

1. Dampferzeuger mit einem temperaturgeregelten Parallelrohrsystem mit den Endheizflächen der einzelnen Stränge des Parallelrohrsystems vorgeschalteten Einspritzkühlern mit einem an der die einzelnen Stränge aufnehmenden Dampfsammelleitung angeschlossenen Meßfühler für die Temperatur des Mischdampfes hinter dem Parallelrohrsystem und mit einer vom Meßfühler und einer Sollwertvorgabe gesteuerten Regeleinrichtung für die Einspritzkühler
dadurch gekennzeichnet , daß jedem der parallelgeschalteten Stränge (3 bis 6) ein separater Temperaturmeßfühler (37, 38) für die Dampftemperatur zugeordnet ist und diese Temperaturmeßfühler an einen Temperaturregler (40) angeschlossen sind, der ihrerseits den Einspritzkühler (12, 13) des Stranges mit der höchsten Dampftemperatur aufsteuert und den Einspritzkühler (12, 13) des Stranges mit der niedrigsten Dampftemperatur zusteuert.

2. Temperaturregelung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß den heißen Enden der einzelnen Parallelrohre (17 bis 26) eines jeden Stranges (3 bis 6) separate Temperaturmeßfühler (27 bis 36) zugeordnet sind, die an eine Überwachungslogik (42, 43) angeschlossen sind, die die Meßwerte mit einem fest vorgegebenen Referenzwert (44, 45) für die Temperatur vergleicht und den zugeordneten Einspritzkühler (12, 13) bei Überschreiten des Referenzwertes vorrangig zu anderen Steuerebefehlen aufsteuert.

3. Temperaturregelung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Signale des der Dampfsammelleitung (11) angeschlossenenen Temperaturmeßfühlers (39) mittels des Regelgliedes alle Einspritzkühler (12, 13) synchron, jedoch nachrangig zu den übrigen Steuersignalen auf- bzw. zusteuern.

4. Temperaturregelung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet , daß in der Überwachungslogik (42, 43) der Meßwert mit der höchsten Temperatur ermittelt und mit dem Referenzwert (44, 45) verglichen wird.

5. Temperaturregelung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Einspritzkühler (12, 13) über Steuerventile (14, 15) betätigbar sind.

6. Temperaturregelung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerventile (12, 13) über Steuerimpulse schrittweise auf- und zusteuerbar sind.

7. Temperaturregelung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet , daß die Steuersignale der Uberwachungslogik (42, 43) über eine Negation und einem im Steuerweg der Steuerlogik geschaltetes UND-Glied (52 bis 55) die Steuerbefehle des Temperaturreglers (40) blockieren und das Steuerventil (14, 15) für den Einspritzkühler (12, 13) aufsteuern.

8. Temperaturregelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperaturfühler (27 bis 36) nur an einzelnen repräsentativen Parallelrohren (17 bis 26) jeweils einer Heizfläche (8, 10) angeschlossen sind.

Zeichnung