DURCHLAUFDAMPFERZEUGER

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Durchlaufdampferzeuger mit einer Anzahl von Brennern für fossilen Brennstoff, dessen Umfassungswand ganz oder teilweise aus gasdicht miteinander verschweißten Dampferzeugerrohren gebildet ist, bei dem die Brenner in einer Brennkammer angeordnet sind, der heizgasseitig über einen Horizontalgaszug ein Vertikalgaszug nachgeschaltet ist wobei ein erster Teil der Dampferzeugerrohre als ein System von einem Wasserabscheidesystem strömungsmediumsseitig vorgeschalteten Verdampferrohren ausgebildet ist und ein zweiter Teil der Dampferzeugerrohre als ein System von dem Wasserabscheidesystem strömungsmediumsseitig nachgeschalteten Überhitzerrohren ausgebildet ist.

[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: Basierend auf der Strömungsrichtung des Gasstroms können Dampferzeuger beispielsweise in vertikale und horizontale Bauarten eingeteilt werden. Bei fossil befeuerten Dampferzeugern in vertikaler Bauweise werden dabei üblicherweise Einzug- und Zweizugkessel unterschieden.

[0005] 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 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 im Rauchgaskanal horizontal angeordnet und daher vollständig entwässerbar, was in frostgefährdeten Umgebungen erwünscht sein kann.

[0006] 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. Ein solcher Zweizugkessel ist z.B. in Dokument EP 0 308 728 A1 offenbart.

[0007] Dampferzeuger können weiterhin 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)- wo bei keiner Temperatur Wasser und Dampf gleichzeitig vorkommen können und damit auch keine Phasentrennung möglich ist - im Verdampfer gültig. Der Anschaulichkeit halber wird diese Darstellung jedoch in der folgenden Beschreibung durchgehend verwendet.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] Im Schwachlastbetrieb oder beim Anfahren wird ein derartiger Durchlaaufdampferzeuger 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.

[0011] 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.

[0012] Insbesondere im Anfahrbetrieb verursacht das oben genannte Konzept jedoch hohe Temperaturunterschiede zwischen Verdampferrohren und Überhitzerrohren: Beim Kaltstart strömt in den Verdampferrohren noch unverdampftes Strömungsmedium bei Sättigungstemperatur, während sich in den Überhitzerrohren noch Dampf mit höherer Temperatur befindet. Beim Heißstart hingegen werden die Verdampferrohre mit kaltem Speisewasser gefüllt, während die Überhitzerrohre noch auf Betriebstemperaturniveau sind. Dies kann zu einer Überlastung und Schädigung der Materialien durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung führen.

[0013] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Durchlaufdampferzeuger der oben genannten Art anzugeben, der einen vergleichsweise geringeren Reparaturaufwand mit sich bringt und eine vergleichsweise hohe Lebensdauer aufweist.

[0014] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem an Verdampferrohre parallel angrenzende Überhitzerrohre dem Wasserabscheidesystem strömungsmediumsseitig unmittelbar nachgeschaltet sind.

[0015] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Reduzierung des Reparaturaufwands und eine Erhöhung der Lebensdauer des Durchlaufdampferzeugers möglich wäre, wenn Beschädigungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnung miteinander verschweißter Dampferzeugerrohre minimiert werden könnten. Die unterschiedliche Ausdehnung ist die Folge von hohen Temperaturdifferenzen zwischen den Dampferzeugerrohren. Dabei werden diese Temperaturdifferenzen durch unterschiedliche Kühlung der Dampferzeugerrohre und durch unterschiedliche Temperaturen des in ihnen strömenden Strömungsmedium verursacht und treten daher insbesondere an der Trennstelle zwischen miteinander verschweißten Verdampfer- und Überhitzerrohren auf, da diese durch das zwischengeschaltete Wasserabscheidesystem insbesondere beim Kalt- und Heißstart einen unterschiedlichen Durchfluss an Strömungsmedium mit unterschiedlichen Temperaturen aufweisen.

[0016] Insbesondere bei Durchlaufdampferzeugern in Zweizugbauweise ist dabei konstruktionsbedingt eine Trennstelle mit parallel verschweißten Verdampfer- und Überhitzerrohren typisch. Um die Temperaturunterschiede zwischen Verdampfer- und Überhitzerrohren möglichst gering zu halten, sollte die Dampftemperatur in den mit den Verdampferrohren parallel verschweißten Überhitzerrohren minimiert werden. Dies ist erreichbar, indem diese Überhitzerrohre dem Wasserabscheidesystem unmittelbar nachgeschaltet sind, so dass keine Erhöhung der Temperatur des in ihnen strömenden Strömungsmediums durch weitere zwischengeschaltete Überhitzerrohre erfolgt. Dadurch werden Temperaturunterschiede als Schadensursache an der Trennstelle konsequent minimiert.

[0017] In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Brennkammerwand des Durchlaufdampferzeugers aus Verdampferrohren gebildet und eine Seitenwand des Horizontalgaszuges aus Überhitzerrohren gebildet, wobei die an die Brennkammer angrenzenden Überhitzerrohre dem Wasserabscheidesystem strömungsmediumsseitig unmittelbar nachgeschaltet sind. Damit werden die Temperaturdifferenzen an der vertikalen Trennstelle zwischen Verdampferrohren der Brennkammer und Überhitzerrohren des Horizontalgaszuges beim Zweizugkessel wirkungsvoll minimiert.

[0018] Vorteilhafterweise ist die Decke des Durchlaufdampferzeugers aus Überhitzerrohren gebildet, die dem Wasserabscheidesystem strömungsmediumsseitig unmittelbar nachgeschaltet sind. Dies bedeutet, dass die Überhitzerrohre der Decke parallel zu weiteren an die Verdampferrohre angrenzenden Überhitzerrohren geschaltet ist. Eine derartige Schaltung ist durch die Parallelschaltung der Heizflächen vorteilhaft hinsichtlich des zu erwartenden Druckverlusts.

[0019] Bei einem Durchlaufdampferzeuger, bei dem an Verdampferrohre parallel angrenzende Überhitzerrohre senkrecht angeordnet sind, sind diese vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass das Strömungsmedium die Überhitzerrohre von oben nach unten durchströmt. Dadurch kann im Falle einer Überspeisung des Wasserabscheidesystems, die eine Beaufschlagung der Überhitzerrohre mit unverdampftem Strömungsmedium zur Folge hat, dieses am Austrittssammler der Überhitzerrohre abgeführt werden. Damit kann eine eventuelle Stagnation der Strömung wirkungsvoll verhindert werden.

[0020] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die strömungsmediumsseitige unmittelbare Nachschaltung von an Verdampferrohre parallel angrenzenden Überhitzerrohren an das Wasserabscheidesystem die Temperaturunterschiede zwischen diesen Rohren konsequent minimiert werden. Dadurch wird die unterschiedliche thermische Ausdehnung minimiert und Beschädigungen und Überlastungen verhindert, was eine geringere Reparaturanfälligkeit und höhere Lebensdauer des Durchlaufdampferzeugers zur Folge hat.

[0021] Insbesondere bei Durchlaufdampferzeugern ohne Umwälzpumpe ist eine derartige Schaltung von Vorteil. Die fehlende Umwälzung führt zu niedrigeren Eintrittstemperaturen in den Verdampfer, zu kleineren Dampfmassenströmen und zu einem Anstieg der erforderlichen Feuerungsleistung beim Anfahren. Simulationen haben gezeigt, dass insbesondere für diese Anlagen an der Trennstelle zwischen Verdampfer- und Überhitzerrohren unzulässige Temperaturdifferenzen auftreten können, wenn - wie bisher üblich - die Überhitzerrohre an der Trennstelle weiteren Überhitzerrohren wie z. B. der Decke nachgeschaltet sind. Die direkte Nachschaltung dieser Überhitzerrohre an das Wasserabscheidesystem vermeidet diese hohen Temperaturdifferenzen wirkungsvoll.

[0022] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur einen Durchlaufdampferzeuger in Zweizugbauweise in schematischer Darstellung.

[0023] Der Durchlaufdampferzeuger 1 gemäß der Figur 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.

[0024] Im unteren Bereich 10 der Brennkammer 2 ist eine Anzahl nicht näher gezeigter Brenner vorgesehen, die einen flüssigen oder festen Brennstoff in der Brennkammer verbrennen. Die Brennkammerwand 12 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 Beheizungsunterschiede zwischen parallel geschalteten Rohren vergleichsweise geringer als bei senkrecht berohrter Brennkammer 2.

[0025] Der gezeigte 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.

[0026] Die Dampfererzeugerrohre der Brennkammer 2 sind als Verdampferrohre ausgelegt. Das Strömungsmedium wird in ihnen zunächst verdampft und über Austrittssammler 20 dem Wasserabscheidesystem 22 zugeführt. Im Wasserabscheidesystem 22 wird noch nicht verdampftes Wasser gesammelt und abgeführt. Dies ist insbesondere im Anfahrbetrieb notwendig, wenn zur sicheren Kühlung der Verdampferrohre eine größere Menge an Strömungsmedium eingepumpt werden muss, als in einem Verdampferrohrdurchlauf verdampft werden kann. Der erzeugte Dampf wird in die Eintrittssammler 24 der nachgeschalteten Überhitzerrohre geleitet, welche die Decke 26 des Durchlaufdampferzeugers 1 und die Wände des Horizontalgaszuges 6 bilden. Der Übergang von den Seitenwänden des Vertikalgaszuges zu den Seitenwänden des Horizontalgaszuges 6 stellt die Trennstelle 18 zwischen Verdampferrohren der Brennkammerwand 12 und Überhitzerrohren in den Wänden des Horizontalgaszuges 6 dar.

[0027] Neben dem in der Figur gezeigten Zweizugkessel sind selbstverständlich auch noch weitere Konfigurationen für fossil befeuerte Kessel möglich.

[0028] Um Beschädigungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnung aufgrund von Temperaturdifferenzen an der Trennstelle 18 zwischen den Verdampferrohren der Brennkammerwand 12 und den Überhitzerrohren in den Wänden des Horizontalgaszuges 6 zu vermeiden, sind diese Überhitzerrohre über dem Wasserabscheidesystem 22 über eine Verbindungsleitung 28 direkt nachgeschaltet. Dadurch werden diese Überhitzerrohre lediglich mit Sattdampf beaufschlagt und nicht mit überhitztem Dampf höherer Temperatur, wodurch die Temperatur reduziert wird.

[0029] Dabei sind die Überhitzerrohre in den Wänden des Horizontalgaszuges 6 parallel zu denen der Decke 26 geschaltet und werden von oben nach unten durchströmt. Im Falle einer Überspeisung des Wasserabscheidesystems 22 kann so nicht verdampftes Strömungsmedium in den Austrittssammlern 30 der Überhitzerrohre abgeführt werden und es kann nicht zu einer Stagnation der Strömung kommen.

[0030] Durch die beschriebene Schaltung werden die Temperaturdifferenzen an der Trennstelle 18 zwischen den Verdampferrohren der Brennkammerwand 12 und den Überhitzerrohren in den Wänden des Horizontalgaszuges 6 minimiert, wodurch Beschädigungen wirksam verhindert werden können. Dies hat eine vergleichsweise geringere Reparaturanfälligkeit und längere Lebensdauer des Durchlaufdampferzeugers 1 zur Folge.

Ansprüche

1. Durchlaufdampferzeuger (1) mit einer Anzahl von Brennern für fossilen Brennstoff, dessen Umfassungswand ganz oder teilweise aus gasdicht miteinander verschweißten Dampferzeugerrohren gebildet ist, bei dem die Brenner in einer Brennkammer angeordnet sind, der heizgasseitig über einen Horizontalgaszug (6) ein Vertikalgaszug (8) nachgeschaltet ist, wobei ein erster Teil der gaschicht miteinander verschweißten Dampferzeugerrohre als ein System von einem Wasserabscheidesystem (22) strömungsmediumsseitig vorgeschalteten Verdampferrohren ausgebildet ist und ein zweiter Teil der gaschicht miteinander verschweißten Dampferzeugerrohre als ein System von dem Wasserabscheidesystem (22) strömungsmediumsseitig nachgeschalteten Überhitzerrohren ausgebildet ist, wobei an Verdampferrohre parallel angrenzende Überhitzerrohre dem Wasserabscheidesystem (22) strömungsmediumsseitig unmittelbar nachgeschaltet sind.

2. Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 1, bei dem die Brennkammerwand (12) aus Verdampferrohren gebildet ist und eine Seitenwand des Horizontalgaszuges (6) aus Überhitzerrohren gebildet ist, wobei die an die Brennkammer (2) angrenzenden Überhitzerrohre dem Wasserabscheidesystem (22) strömungsmediumsseitig unmittelbar nachgeschaltet sind.

3. Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Decke (26) des Durchlaufdampferzeugers (1) aus Überhitzerrohren gebildet ist, die dem Wasserabscheidesystem (22) strömungsmediumsseitig unmittelbar nachgeschaltet sind.

4. Durchlaufdampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem senkrecht angeordnete, an Verdampferrohre parallel angrenzende Überhitzerrohre derart ausgelegt sind, dass das Strömungsmedium die Überhitzerrohre von oben nach unten durchströmt.

Claims

1. Once-through steam generator (1) comprising a number of burners for fossil fuel, the surrounding wall thereof being completely or partially formed from steam generator tubes welded together in a gas-tight manner, said burners being disposed in a combustion chamber downstream of which a vertical gas duct (8) is mounted above a horizontal gas duct (6) on the hot gas side, wherein a first part of the steam generator tubes welded together in a gas-tight manner are implemented as a system of evaporator tubes mounted upstream of a moisture separation system (22) on the flow medium side, and a second part of the steam generator tubes welded together in a gas-tight manner are implemented as a system of superheater tubes mounted downstream of the moisture separation system (22) on the flow medium side, wherein superheater tubes in parallel contiguity with evaporator tubes are mounted immediately downstream of the moisture separation system (22) on the flow medium side.

2. Once-through steam generator (1) according to claim 1, wherein the combustion chamber wall (12) is formed from evaporator tubes and a sidewall of the horizontal gas duct (6) is formed from superheater tubes, wherein the superheater tubes adjacent to the combustion chamber (2) are mounted immediately downstream of the moisture separation system (22) on the flow medium side.

3. Once-through steam generator (1) according to claim 1 or 2, wherein the top (26) of the once-through steam generator (1) is formed from superheater tubes which are mounted immediately downstream of the moisture separation system (22) on the flow medium side.

4. Once-through steam generator (1) according to one of claims 1 to 3, wherein vertically disposed superheater tubes in parallel contiguity with evaporator tubes are designed such that the flow medium flows through the superheater tubes from top to bottom.

Revendications

1. Générateur (1) de vapeur à passage continu ayant un certain nombre de brûleurs de combustibles fossiles, dont la paroi d'enceinte est formée, en tout ou partie, de tubes de générateur de vapeur soudés ensemble d'une manière étanche au gaz, les brûleurs étant disposés dans une chambre de combustion en aval de laquelle, du point de vue du gaz de chauffage, un passage (8) vertical pour du gaz est branché par l'intermédiaire d'un passage (6) horizontal pour du gaz, une première partie des tubes de générateur de vapeur soudés entre eux d'une manière étanche au gaz étant sous la forme d'un système de tubes d'évaporateur montés en amont du point de vue du fluide en écoulement d'un système (22) de séparation d'eau, et une deuxième partie des tubes de générateur de vapeur, soudés entre eux d'une manière étanche au gaz, étant sous la forme d'un système de tubes de surchauffeur montés en aval du point de vue du fluide en écoulement du système (22) de séparation d'eau, des tubes de surchauffeur voisins parallèlement à des tubes d'évaporateur étant montés directement en aval du point de vue du fluide en écoulement du système (22) de séparation d'eau.

2. Générateur (1) de vapeur à passage continu suivant la revendication 1, dans lequel la paroi (12) de la chambre de combustion est formée d tubes d'évaporateurs et une paroi latérale du passage (6) horizontal pour du gaz est formée de tubes de surchauffeurs, les tubes de surchauffeur voisins de la chambre de combustion (2) étant montés directement en aval du point de vue du fluide en écoulement du système (22) de séparation d'eau.

3. Générateur (1) de vapeur à passage continu suivant la revendication 1 ou 2, dans lequel le couvercle (26) du générateur (1) à passage continu est formé de tubes de surchauffeur qui sont montés directement en aval du point de vue du fluide en écoulement du système (22) de séparation d'eau.

4. Générateur (1) de vapeur à passage continu suivant l'une des revendications 1 à 3, dans lequel des tubes de surchauffeur, disposés verticalement et voisins parallèlement de tubes d'évaporateur, sont conçus de manière à ce que le fluide en écoulement passe de haut en bas dans les tubes de surchauffeurs.

Zeichnung