Verfahren zum Regeln der Wasserdampferzeugung in einer Verbrennungsanlage

Abstract

 Geregelt wird die Erzeugung von Wasserdampf in einer Anlage zum Verbrennen fester, feinkörniger und staubförmiger Brennstoffe mit Luft in der Verbrennungszone einer zirkulierenden Wirbelschicht. Die Anlage weist einen Wärmeaustauscher im oberen Bereich der Verbrennungszone, einen mit dem Wärmeaustauscher verbundenen Wasserdampfspeicher und eine Wasserdampf-Speiseleitung vom Speicher zu einer Turbine auf. Man berechnet laufend die Menge des im Wärmeaustauscher erzeugten Wasserdampfs, vergleicht ihn mit dem von der Turbine benötigten Sollwert und stellt danach die Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft zur Verbrennungszone ein.
Zur Verbrennungsanlage kann auch noch eine Fließbettkühlung für einen Teil des Verbrennugsrückstands gehören, wobei die Kühlung mehrere Kammern mit Wärmeaustauscher für die Verdampfung von Speisewasser oder für die Überhitzung von Wasserdampf aufweisen kann. Soweit in den Kammern Wasserdampf aus Speisewasser erzeugt wird, bezieht man diesen Wasserdampf in die zu berechnende Gesamtmenge des in der Verbrennungsanlage erzeugten Wasserdampfs ein.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Erzeugung von Wasserdampf in einer Anlage zum Verbrennen fester, feinkörniger und staubförmiger Brennstoffe mit Luft in der Verbrennungszone einer zirkulierenden Wirbelschicht, mit einem Wärmeaustauscher im oberen Bereich der Verbrennungszone, mit einem mit dem Wärmeaustauscher verbundenen Wasserdampfspeicher und mit einer Wasserdampf-Speiseleitung vom Wasserdampfspeicher zu einer Turbine.

[0002] Dampferzeugungsanlagen mit Verbrennung in der zirkulierenden Wirbelschicht und mit Fließbettkühlern zum Ausnutzen der im Verbrennungsrückstand enthaltenen Wärmeenergie sind bekannt und z.B. im Europa-Patent 0 046 406 sowie in der unter Nummer 0 033 713 veröffentlichten Europa-Anmeldung beschrieben. Einzelheiten dieser Anlagen kennt man auch aus den US-Patenten 3 672 069, 4 111 158 und 4 165 717.

[0003] Wenn man den in diesen Anlagen erzeugten Wasserdampf zur Stromerzeugung im Kraftwerk nutzt, ist es wichtig, daß man Veränderungen, welche die Dampfproduktion beeinflussen, frühzeitig feststellt, um Regeleingriffe schnell vornehmen zu können, damit man die Dampfproduktion möglichst konstant hält. Die Turbine verlangt nämlich bei konstanter Leistung die Zufuhr von Wasserdampf in einer Menge, die praktisch konstant sein soll. Beim eingangs genannten Verfahren wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man die Menge des im Wärmeaustauscher erzeugten Wasserdampfs laufend berechnet, mit dem von der Turbine benötigten Sollwert vergleicht und die Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft zur Verbrennungszone danach einstellt.

[0004] Das Verfahren ist auch für eine Verbrennungsanlage geeignet, zu der eine Fließbettkühlung mit mehreren Kammern gehört, welcher man einen Teil des Verbrennungsrückstandes zuführt. Die Menge des Wasserdampfs, die in der Fließbettkühlung erzeugt wird, addiert man der in der Verbrennungszone erzeugten Menge an Wasserdampf hinzu.

[0005] Zweckmäßigerweise mißt man laufend den Druck und die Temperatur oberhalb und unterhalb des Wärmeaustauschers in der Verbrennungszone sowie die Temperatur in den zu Verdampfern gehörenden Kammern, berechnet unter Berücksichtigung dieser Messungen die Wärmedurchgangskoeffizienten (K-Werte) der Verdampfer in einem Leitsystem, mißt die Temperatur im Wasserdampfspeicher und berechnet unter Berücksichtigung der K-Werte zu den Verdampfern die zugehörigen Wärmeströme und daraus die Gesamtmenge des momentan erzeugten Wasserdampfs. Diese berechnete Gesamtmenge vergleicht man in mindestens einem Regler mit dem Sollwert und verändert die Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft der Differenz entsprechend.

[0006] Einzelheiten des Regelungsverfahrens werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform der zu regelnden Anlage in schematischer Darstellung und

Fig. 2 die Verarbeitung der Meßwerte.

[0007] Die Anlage zum Erzeugen des Wasserdampfs besteht im vorliegenden Fall aus einer zirkulierenden Wirbelschicht (1) mit Abscheidezyklon (2), Fließbettkühlung (3), Wärmeaustauscher (4) und Wasserdampfspeicher (5). Der Wärmeaustauscher (4) befindet sich im oberen Bereich der Verbrennungszone (7), er besteht z.B. aus senkrechten, parallel angeordneten Rohren (4a). Die Rohre sind bevorzugt ringförmig an der Innenseite der Wand der Verbrennungszone angeordnet.

[0008] Der feinkörnige und staubförmige Brennstoff, insbesondere Kohle, wird über eine Zufuhreinrichtung (10) und die Leitung (11) in den unteren Bereich der Verbrennungszone (7) eingetragen und zwar bevorzugt eingeblasen. Vorerhitzte Primärluft fördert das Gebläse (13) in das untere Ende der Wirbelschicht und Sekundärluft wird durch das Gebläse (14) zugeführt. Feststoffe und Gase verlassen die Verbrennung durch den Kanal (15) und werden im Zyklon (2) getrennt, wobei die Gase in der Leitung (17) abziehen und einer nicht dargestellten Gasreinigung zugeführt werden. Die abgeschiedenen Feststoffe werden durch die Leitungen (18) und (19) zum Teil in die Verbrennungszone (7) zurückgeführt, die restlichen Feststoffe gibt man durch die Leitung (20) der Fließbettkühlung (3) auf.

[0009] Die Fließbettkühlung (3) ist durch Zwischenwände (8) in mehrere, nur teilweise geschlossene Kammern (3a,3b,3c) unterteilt. Feststoffe und Gase können von einer Kammer in die andere gelangen. Durch ein Gebläse (22) wird jeder Kammer Luft zugeführt, welche die Feststoffe in wirbelnder Bewegung hält. Zu jeder Kammer gehören Wärmeaustauscher (6a,6b,6c). Wenn man in diese Wärmeaustauscher Wasser einleitet, um es zu verdampfen, werden sie nachfolgend "Verdampfer" genannt; der oder die Wärmeaustauscher, denen man Wasserdampf zuführt, um ihn zu überhitzen, seien "Überhitzer" genannt.

[0010] Die erwärmte Abluft aus der Fließbettkühlung (3) gibt man in der Leitung (23) in die Verbrennungszone (7), ebenso führt man einen Teil der gekühlten Feststoffe durch die Leitung (24) zurück in die Verbrennungszone (7), überschüssige Feststoffe zieht man in der Leitung (25) ab.

[0011] Aus dem Wasserdampfspeicher (5) gibt man Wasser durch die Leitung (28) in das untere Ende des Wärmeaustauschers (4), zieht den erzeugten Wasserdampf durch die Leitung (29) ab und gibt sie dem Speicher (5) auf. Durch die Leitung (30) führt man dem Speicher Speisewasser zu, das bevorzugt vorgewärmt ist und zieht den erzeugten Wasserdampf durch die Leitung (31) ab. In einem Überhitzer (32), der mehrstufig ausgebildet sein kann, überhitzt man den Wasserdampf und speist ihn durch die Leitung (33) in die Entspannungsturbine (34) ein. Abgekühlter Wasserdampf bzw. Kondensat verläßt die Turbine in der Leitung (35), Kondensat kann nach einer nicht dargestellten Aufbereitung durch die Leitung (30) in den Speicher (5) zurückgeführt werden.

[0012] Es ist ersichtlich, daß Schwankungen in der Produktion des Wasserdampfs nur mit großer Verzögerung in der zur Turbine (34) führenden Speiseleitung (33) ankommen und frühzeitig regulierend eingegriffen werden muß, wenn man den Dampfstrom in der Leitung (33) dem Bedarf der Turbine entsprechend konstant halten will. Zu diesem Zweck ist die Anlage mit verschiedenen Meßeinrichtungen ausgerüstet, nämlich:

T1 mißt die Temperatur im oberen Bereich der Verbrennungszone in der Nähe des Kanals (15),

T2 mißt die Temperatur in der Verbrennungszone etwas unterhalb des unteren Endes des Wärmeaustauschers (4),

T4 mißt die Sattdampf-Temperatur im Wasserdampfspeicher (5),

T5 mißt die Temperatur des dem Speicher (5) in der Leitung (30) zufließenden Wassers,

p1 mißt den Druck am oberen Ende der Verbrennungszone oberhalb des Wärmeaustauschers (4) und

p2 mißt den Druck wenig unterhalb des Wärmeaustauschers (4) in der Verbrennungszone (7).

[0013] Da im vorliegenden Fall auch die Verdampfer in der Fließbettkühlung (3) zur Dampfproduktion beitragen, muß auch hier in jeder Kammer, welche einen Verdampfer enthält, die Temperatur überwacht werden. Kammern mit Überhitzer werden nicht überwacht. Im Beispiel der Fig. 1 wird angenommen, daß die Kammer (3a) einen Wärmeaustauscher (6a) aufweist, der als Überhitzer arbeitet, wogegen die Wärmeaustauscher (6b) und (6c) der Kammern (3b) und (3c) der Verdampfung von Wasser dienen. Die Kammer (3c) weist deshalb die Temperaturüberwachung TV(1) auf und die Kammer (3b) enthält die Temperaturüberwachung TV(2). In der Praxis kann die Zahl der Kammern in der Fließbettkühlung (3) schwanken, auch können eine oder mehrere dieser Kammern Verdampfer enthalten. Beträgt die Zahl der Verdampfer-Kammern n, so gibt es die Temperatur-Meßstellen TV(1), TV(2), ... und TV(n). Die Beiträge dieser verschiedenen Verdampfer zur Dampferzeugung müssen in den nachfolgend beschriebenen Berechnungen aufsummiert werden. Die von den Meßstellen erhaltenen Informationen (Druck oder Temperatur) werden nachfolgend der Einfachheit halber genauso wie die jeweilige Meßstelle bezeichnet.

[0014] In Fig. 2 ist dargestellt, wie die verschiedenen Meßstellen, die in Fig. 1 gezeigt sind, nämlich T1, T2, T4, T5, p1, p2, TV(1) und TV(2), ihre Informationen über Signalleitungen einem Leitsystem (40) zuführen. Dieses Leitsystem kann speziell auf die nachfolgend beschriebenen Berechnungen zugeschnitten sein, es kann sich aber auch um einen Rechner handeln. Das Leitsystem (40) berechnet laufend die momentan erzeugte Menge an Wasserdampf in der Anlage und gibt diese Information als Ist-Wert den Reglern (41) und (42) auf. Den Reglern gibt man auch den Sollwert m der von der Turbine (34) benötigten, in der Leitung (33) herangeführten Wasserdampfmenge ein. Der Ausgang des Reglers (41) führt über die Signalleitung (45) zur Brennstoffzufuhreinrichtung (10) und sorgt dafür, daß bei zu geringer Dampfproduktion mehr Brennstoff in die Verbrennung (7) geführt wird. Der Regler (42) steuert das Gebläse (13) über die Signalleitung (46) und das Gebläse (14) über die Signalleitung (47). Er sorgt dafür, daß bei erhöhtem Brennstoffbedarf in der Verbrennung (7) genügend Verbrennungsluft herangeführt wird.

[0015] Im Leitsystem (40) werden durch Rechenschaltungen oder ein Rechenprogramm die K-Werte (Wärmedurchgangskoeffizienten) des Wärmeaustauschers (4) und der Verdampfer (6b) und (6c), die Wärmeströme in diesen Anlagenteilen und daraus dann die Gesamtmenge des tatsächlich erzeugten Dampfes berechnet. Dabei benutzt man folgende Formeln, in welche die Temperatur in °C und der Druck in mbar einzusetzen sind:
Für den Wärmeaustauscher (4):
K-Wert: K = a · (p2-p1) - b + c · (T1+T2) + d · T4
Wärmestrom: W = K · F · (0,5 · (T1+T2)-T4)
Es bedeuten:
F = Wärmeaustauschfläche des Wärmeaustauschers (4) in m².

[0016] Die Koeffizienten a, b, c und d haben je nach Anlage Werte in folgenden Bereichen:
a = 4 bis 6
b = 75,9 bis 121
c = 0,082 bis 0,123
d = 0,104 bis 0.157
Der genaue Wert eines Koeffizienten ist während des Probebetriebs der Anlage zu ermitteln.

[0017] Für die Verdampfer enthaltende Kammer i ( i = 1, 2, ..., n) gelten folgende Formeln:
K-Wert: K(i) = a(i) + c(i) · TV(i) + d(i) · T4
Wärmestrom: W(i) = K(i) · F(i) · (TV(i)-T4)
Es bedeuten:
F(i) = Wärmeaustauschfläche des Verdampfers der Kammer (i) in m²
Bereiche der Koeffizienten:
a(i) = 170 bis 285
c(i) = 0,162 bis 0,205
d(i) = 0,124 bis 0,156
Die Gesamtmenge M (in kg/sec) des in allen Verdampfern erzeugten Wasserdampfs ergibt sich aus der Formel:
M = X : Y


Die Formeln gelten für verschiedene Anlagengrößen mit und ohne Fließbettkühlung.

Ansprüche

1. Verfahren zum Regeln der Erzeugung von Wasserdampf in einer Anlage zum Verbrennen fester, feinkörniger und staubförmiger Brennstoffe mit Luft in der Verbrennungszone einer zirkulierenden Wirbelschicht, mit einem Wärmeaustauscher im oberen Bereich der Verbrennungszone, mit einem mit dem Wärmeaustauscher verbundenen Wasserdampfspeicher und mit einer Wasserdampf-Speiseleitung vom Wasserdampfspeicher zu einer Turbine, dadurch gekennziechnet, daß man die Menge des im Wärmeaustauscher erzeugten Wasserdampfs laufend berechnet, mit dem von der Turbine benötigten Sollwert vergleicht und die Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft zur Verbrennungszone danach einstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit einer zur Verbrennungsanlage gehörenden, mehrere Kammern aufweisenden Fließbettkühlung für einen Teil des Verbrennungsrückstands, wobei die Kammern Wärmeaustauscher für die Verdampfung von Speisewasser oder für die Überhitzung von Wasserdampf enthalten, mit Zufuhr von Wirbelluft zu den Kammern der Fließbettkühlung, wobei aus der Fließbettkühlung Abluft und ein Teil des gekühlten Feststoffrückstands in die Verbrennungszone geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß man die Gesamtmenge des in den Wasser verdampfenden Wärmeaustauschern (Verdampfern) in der Verbrennungszone und der Fließbettkühlung erzeugten Wasserdampfs laufend berechnet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Druck und Temperatur oberhalb und unterhalb des Wärmeaustauschers in der Verbrennungszone sowie die Temperatur in den zu Verdampfern gehörenden Kammern laufend mißt, unter Berücksichtigung dieser Messungen die Wärmedurchgangskoeffizienten (K-Werte) der Verdampfer in einem Leitsystem berechnet, daß man die Temperatur im Wasserdampfspeicher mißt und unter Berücksichtigung der K-Werte zu den Verdampfern die zugehörigen Wärmeströme und daraus die Gesamtmenge des momentan erzeugten Wasserdampfs berechnet, die berechnete Gesamtmenge in mindestens einem Regler mit dem Sollwert vergleicht und bei einer Abweichung die Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft zur Verbrennungszone verändert.

Zeichnung