DE4227457A1 - Dampferzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen fossil befeuerten Dampferzeuger und mit einem Gaszug, dessen Umfassungswand aus miteinander gasdicht verbundenen Rohren gebildet ist, die im wesentlichen vertikal angeordnet und mediumseitig parallel von unten nach oben durchströmt sind.

Die Umfassungswand ist häufig von Heizflächenelement zu Heizflächenelement einer unterschiedlich starken Beheizung ausgesetzt. So ist meist im unteren Teil, in dem eine Anzahl von Brennern für den fossilen Brennstoff angeordnet sind, die Beheizung wesentlich stärker als im oberen Teil. Der Grund hierfür liegt auch darin, daß in diesem oberen Teil häufig zusätzliche Wärmetauscherflächen angeordnet sind, welche die Umfassungswand gegen eine zu intensive Beheizung, insbesondere durch Wärmestrahlung, abschirmen.

Bei einem aus der Europäischen Patentschrift 0 054 601 bekannten Dampferzeuger dient die Umfassungswand des verti­ kalen Gaszugs nur im unteren Teil als Verdampferheizfläche. Der Dampf - oder bei Teillast das Wasser-Dampf-Gemisch - wird anschließend einem nachgeschalteten Konvektionsverdamp­ fer zugeführt. Der obere Teil der Umfassungswand wird aus als Überhitzerheizfläche dienenden Rohren gebildet. Da nur ein Teil der Umfassungswand als Verdampferfläche genutzt wird, treten bei einer Mehrbeheizung einzelner Rohre nur verhältnismäßig geringe Temperaturdifferenzen am Austritt dieser Rohre auf. Eine ungleichmäßige Verteilung des Wasser-Dampf-Gemisches auf die Rohre des der Verdampfer­ heizfläche nachgeschalteten Konvektionsverdampfers sind wegen der geringen Beheizung dieses Verdampfers beherrsch­ bar. Da allerdings die Kühlung des oberen Teils der Umfas­ sungswand mit unter einem hohen Druck von etwa 280 bis 320 bar stehendem überhitztem Dampf erfolgt, wird in diesem oberen Teil der Umfassungswand hoch chromhaltiger Stahl eingesetzt, der bei der Fertigung eine komplizierte Wärmebehandlung erfordert. Außerdem ist diese bekannte Schaltung aufgrund erforderlicher Verbindungsleitungen und Sammler zum und vom Konvektionsverdampfer sehr kostenauf­ wendig und benötigt einen erhöhten Regelungsaufwand im Konvektionszug, insbesondere durch den Einbau von rauchgas­ seitigen Regelzügen. Eine ähnliche Schaltung ist auch in der Druckschrift VGB Kraftwerkstechnik, Heft 7, 1991, Seiten 637 bis 643, beschrieben.

Bei einem Durchlaufdampferzeuger mit einer spiralförmigen Rohranordnung der Umfassungswand, bei der die Massenstrom­ dichte in den Rohren üblicherweise etwa 2500 kg/m²s beträgt, kann die Auswirkung einer Mehrbeheizung auf Temperaturdif­ ferenzen zwischen den Rohren durch Vergrößern der Rohr­ innendurchmesser im oberen Teil des vertikalen Gaszugs re­ duziert werden. Bei Umfassungswänden mit vertikal angeord­ neten Rohren kann dieses Prinzip jedoch nicht angewendet werden, da die ohnehin vergleichsweise kleinere Massen­ stromdichte, die ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren ist, dann so weit reduziert wird, daß bei Dampfdrücken in der Nähe des kritischen Punktes eine siche­ re Kühlung der Rohre nicht mehr gewährleistet ist. Außer­ dem kommt erschwerend hinzu, daß einerseits zur sicheren Kühlung der Rohre hohe Massenströme erforderlich sind, an­ dererseits hohe Massenströme zu großen Temperaturdifferen­ zen zwischen einzelnen Rohren führen können. Weiterhin be­ steht bei Verwendung eines Zwischensammlers im Naßdampf­ bereich durch Entmischung die Gefahr einer Ungleichvertei­ lung von Wasser und Dampf, so daß in einem diesem Zwischen­ sammler nachgeschalteten Rohrsystem große Temperaturunter­ schiede auftreten können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger der eingangs genannten Art derart weiterzu­ bilden, daß einerseits eine ausreichende Kühlung der Rohre der Umfassungswand sichergestellt ist, und daß anderer­ seits auch eine Mehrbeheizung einzelner Rohre nicht zu un­ zulässigen Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Rohren führt. Dies soll mit möglichst geringem Kostenauf­ wand erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rohre in einem ersten unteren Teil des Gaszugs einen größe­ ren Innendurchmesser aufweisen als die Rohre in einem darüberliegenden zweiten Teil des Gaszugs.

Der erste untere Teil des Gaszugs, der im folgenden auch als erster Abschnitt der Umfassungswand bezeichnet wird, zeichnet sich durch sehr hohe Wärmestromdichten und einen guten inneren Wärmeübergang in den Rohren aus und liegt z. B. im Brennerbereich. Der darüberliegende zweite Teil des Gaszugs, der im folgenden auch als zweiter Abschnitt der Umfassungswand bezeichnet wird, zeichnet sich ebenfalls durch hohe Wärmestromdichten, aber einen verschlechterten inneren Wärmeübergang in den Rohren aus und liegt z. B. im sich an den Brennerbereich anschließenden sogenannten Gas­ strahlraum des Dampferzeugers.

Der erste Abschnitt der Umfassungswand umfaßt zweckmäßiger­ weise zur Verbesserung des inneren Wärmeübergangs innen­ berippte vertikal angeordnete Rohre. Diese sind derart di­ mensioniert, daß die mittlere Massenstromdichte in den Roh­ ren bei Vollast vorzugsweise kleiner als 1000 kg/m²s ist. Der Dampf hat am Austritt des ersten Abschnitts einen mitt­ leren Dampfgehalt, der bei einer Teillast von etwa 40% zwi­ schen 0,8 und 0,95 liegt. Bei diesen Voraussetzungen stel­ len sich so günstige Strömungsverhältnisse ein, daß eine Mehrbeheizung einzelner Rohre zu einem erhöhten Durchsatz durch diese Rohre führt, so daß sich nur geringe Temperatur­ differenzen am Austritt der Rohre einstellen.

Im zweiten Abschnitt der Umfassungswand kann abhängig vom Betriebszustand eine Wärmeübergangskrise, d. h. ein soge­ nanntes "Dry out" auftreten. Um unzulässig hohe Rohrwand­ temperaturen bei diesem verschlechterten inneren Wärmeüber­ gang zu vermeiden, wird die Massenstromdichte auf größer als 1000 kg/m²s erhöht. Daher ist der Innendurchmesser der Rohre am Übergang vom ersten auf den zweiten Abschnitt unter Beibehaltung der gleichen Parallelrohranzahl oder Rohrteilungen verringert. Durch Reduzierung der Innendurch­ messer ist auch bei einer hohen Wärmestromdichte im zweiten Abschnitt eine sichere Rohrkühlung gewährleistet.

Die Rohre mit kleinerem Innendurchmesser des zweiten Ab­ schnitts sind vorteilhafterweise direkt an die Rohre größeren Innendurchmessers des ersten Abschnitts ange­ schlossen, so daß die Rohre der beiden Abschnitte direkt ineinander übergehen. Die Rohre des zweiten Abschnitts können mindestens im zuerst durchströmten Teil ebenfalls eine Innenberippung aufweisen.

In einem beheizten Verdampfer-Parallelrohrsystem tritt zwischen Ein- und Austritt ein Druckabfall auf, der zum Austritt hin im wesentlichen durch Reibung aufgrund hoher Dampfgeschwindigkeiten erzeugt wird. Ein hoher Reibungs­ druckabfall bewirkt, daß der Massenstrom durch stärker be­ heizte Rohre entweder reduziert wird, oder aber im Ver­ gleich zur Beheizung weniger stark ansteigt. Ordnet man nun einen Druckausgleichssammler in einem Bereich an, in dem durch Dampfbildung der Reibungsdruckabfall stark ansteigt, so kann sich das vor dem Druckausgleichssammler liegende System den Beheizungsunterschieden nahezu ideal anpassen, d. h. stärkere Beheizung ergibt annähernd gleichermaßen stärkeren Massenstrom.

Daher ist in zweckmäßiger Ausgestaltung in der oberen Hälfte des ersten Teils des Gaszugs, z. B. in der Nähe des Übergangs vom ersten auf den zweiten Abschnitt, an jedes Rohr ein Druckausgleichsrohr angeschlossen. Die Druckaus­ gleichsrohre sind zweckmäßigerweise zu einem oder mehreren außerhalb des vertikalen Gaszugs vorgesehenen Druckaus­ gleichsbehältern geführt. Durch den Druckausgleich werden die beiden Abschnitte strömungsseitig weitgehend entkop­ pelt. Der aufgrund der vergleichsweise großen Massenstrom­ dichte relativ hohe Reibungsdruckverlust im zweiten Ab­ schnitt hat daher keine Auswirkungen auf die günstigen Strömungsverhältnisse im ersten Abschnitt, so daß keine Temperaturschieflagen aufgrund von Mehrbeheizungen am Austritt des ersten Abschnitts auftreten können. Durch den direkten Übergang der Rohre vom ersten Abschnitt auf die Rohre vom zweiten Abschnitt wird eine Wasser-Dampf-Ent­ mischung im Naßdampfgebiet sicher vermieden.

Bei einem Dampferzeuger mit einem hohen Gaszug, z. B. einem Dampferzeuger in Einzugbauweise, weisen die Rohre in einem dritten oberen Teil des Gaszugs einen größeren Innendurch­ messer auf als in dem zweiten darunterliegenden Teil des Gaszugs. Dieser dritte Teil des Gaszugs, der im folgenden auch als dritter Abschnitt der Umfassungswand bezeichnet wird, zeichnet sich durch eine niedrige Wärmestromdichte und einen mäßigen inneren Wärmeübergang in den Rohren aus und liegt im sogenannten Konvektionszug des Dampferzeugers.

Am Übergang vom zweiten auf den dritten Abschnitt der Umfassungswand wird die Massenstromdichte wegen der dort herrschenden niedrigen Wärmestromdichte gegenüber der im zweiten Abschnitt wieder abgesenkt, um den Reibungsdruck­ verlust in den Rohren niedrig zu halten. Im dritten Ab­ schnitt können die Rohre ohne Innenberippung ausgebildet sein.

Im weiteren Verlauf des vertikalen Gaszugs sinkt die Wär­ mestromdichte so weit ab, daß im dritten Teil des Gaszugs, d. h. im dritten Abschnitt der Umfassungswand, die halbe Anzahl der Rohre des zweiten Teils des Gaszugs, d. h. des zweiten Abschnitts der Umfassungswand, ausreicht. Die Hal­ bierung der Anzahl der Rohre im dritten Abschnitt wird dadurch erreicht, daß je zwei Rohre des zweiten Teils des Gaszugs in ein ihnen gemeinsam zugeordnetes Rohr des drit­ ten Teils des Gaszugs münden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 einen Dampferzeuger mit einem in drei Abschnitte unterteilten Gaszug, und

Fig. 2 einen Ausschnitt II aus Fig. 1 in größerem Maß­ stab mit Rohren mit unterschiedlichem Innendurchmesser in verschiedenen Abschnitten.

Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Der vertikale Gaszug des Dampferzeugers 1 gemäß Fig. 1 mit rechteckigem Querschnitt ist durch eine Umfassungswand 2 gebildet, die am Unterende des Gaszugs in einen trichter­ förmigen Boden 3 übergeht. Die Rohre 4 der Umfassungswand 2 sind an ihren Längsseiten gasdicht miteinander verbun­ den, z. B. verschweißt. Der Boden 3 umfaßt eine nicht näher dargestellte Austragsöffnung 3a für Asche.

In einem unteren ersten Teil 5 des Gaszugs, d. h. in einem ersten Abschnitt der Umfassungswand 2, sind z. B. vier Bren­ ner für einen fossilen Brennstoff in jeweils einer Öffnung 6 in der Umfassungswand 2 angebracht. An einer derartigen Öffnung 6 sind Rohre 4 der Umfassungswand 2 gekrümmt und verlaufen auf der Außenseite des vertikalen Gaszugs. Ähn­ liche Öffnungen können auch z. B. für Luftdüsen oder Rauch­ gasdüsen gebildet sein.

Über dem ersten unteren Teil 5 des Gaszugs befindet sich ein zweiter Teil 7 des Gaszugs, d. h. ein zweiter Abschnitt der Umfassungswand 2, über dem ein dritter oberer Teil 8 des Gaszugs, d. h. ein dritter Abschnitt der Umfassungswand 2, vorgesehen ist.

Der erste Abschnitt 5 im Brennerbereich zeichnet sich durch eine sehr hohe Wärmestromdichte und einen guten inneren Wärmeübergang in den Rohren 4 aus. Der zweite Abschnitt 7 im Gasstrahlraum zeichnet sich ebenfalls durch eine hohe Wärmestromdichte, aber auch durch einen geringeren, verschlechterten inneren Wärmeübergang in den Rohren 4 aus. Der dritte Abschnitt 8 im Konvektionszug zeichnet sich durch eine niedrige Wärmestromdichte und einen mäßigen inneren Wärmeübergang in den Rohren 4 aus. Dieser dritte Abschnitt 8 ist insbesondere bei einem Dampferzeuger in Einzugbauweise vorhanden.

Die mediumseitig, d. h. von Wasser oder einem Wasser-Dampf- Gemisch, von unten nach oben parallel durchströmten Rohre 4 der Umfassungswand 2 sind mit ihren Eintrittsenden an einen Eintrittssammler 11 und mit ihren Austrittsenden an einen Austrittssammler 12 angeschlossen. Der Eintritts­ sammler 11 und der Austrittssammler 12 befinden sich außerhalb des Gaszugs und sind z. B. jeweils durch ein ringförmiges Rohr gebildet.

Der Eintrittssammler 11 ist über eine Leitung 13 und einen Sammler 14 mit dem Ausgang eines Hochdruck-Vorwärmers oder Economizers 15 verbunden. Die Heizfläche des Economizers 15 liegt im vom dritten Abschnitt 8 der Umfassungswand 2 umfaßten Raum. Der Economizer 15 ist während des Betriebs des Dampferzeugers 1 eingangsseitig über einen Sammler 16 mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine verbunden.

Der Austrittssammler 12 ist über ein Wasser-Dampf-Trenn­ gefäß 17 und eine Leitung 18 mit einem Hochdruck-Überhitzer 19 verbunden. Der Hochdruck-Überhitzer 19 ist im Bereich des zweiten Abschnitts 7 der Umfassungswand 2 angeordnet. Er ist während des Betriebs ausgangsseitig über einen Samm­ ler 20 mit einem Hochdruckteil der Dampfturbine verbunden. Im Bereich des zweiten Abschnitts 7 liegt außerdem ein Zwischenüberhitzer 21, der über Sammler 22, 23 zwischen den Hochdruckteil und einen Mitteldruckteil der Dampfturbi­ ne geschaltet ist. Im Wasser-Dampf-Trenngefäß 17 anfallen­ des Wasser wird über eine Leitung 24 abgeführt.

In einem Bereich 25 des Übergangs vom ersten Abschnitt 5 zum zweiten Abschnitt 7 der Umfassungswand 2 ist außerhalb des Gaszugs ein Druckausgleichsgefäß 26 vorgesehen, das durch ein ringförmiges Rohr gebildet ist.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist jedes in den Abschnitten 5 und 7 verlaufende Rohr 4 über ein Druckausgleichsrohr 27 mit dem Druckausgleichsgefäß 26 verbunden.

Im Bereich 25, in dem die Rohre 4 vom ersten Abschnitt 5 in den zweiten Abschnitt 7 übergehen, verjüngt sich die lichte Weite der Rohre 4. Mit anderen Worten: Die Rohre 4 weisen im ersten unteren Teil 5 des Gaszugs einen größeren Innendurchmesser d₁ auf als die Rohre 4 in dem darüberlie­ genden zweiten Teil 7 des Gaszugs, deren Innendurchmesser mit d₂ bezeichnet ist. Dabei sind die Rohre 4 mit dem klei­ neren Innendurchmesser d₂ direkt an die mit dem größeren Innendurchmesser d₁ angeschlossen. Die Rohre 4 im Abschnitt 5 weisen in nicht näher dargestellter Weise eine gewinde­ förmige Innenberippung auf. Die Rohre 4 sind im Abschnitt 5 derart dimensioniert, daß die mittlere Massenstromdichte dort bei Vollast kleiner oder gleich 1000 kg/ m²s ist. Die mittlere Massenstromdichte in den Rohren 4 ist im zweiten, dem mittleren Abschnitt 7 dann größer als 1000 kg/m²s.

Im dritten oberen Abschnitt 8 der Umfassungswand 2 weisen die Rohre 4 wieder einen größeren Innendurchmesser auf als in dem darunterliegenden Abschnitt 7. Während die Rohre 4 auch im zweiten Abschnitt 7 vorzugsweise über ihre gesamte Länge eine gewindeförmige Innenberippung aufweisen, sind die Rohre 4 des dritten Abschnitts 8 nur über einen Teil ihrer Länge, zweckmäßigerweise aber nicht, mit einer gewin­ deförmigen Innenberippung versehen.

Die Anzahl der Rohre 4 im dritten oberen Abschnitt 8 der Umfassungswand 2 ist nur halb so groß wie im zweiten Ab­ schnitt 7. Dabei münden je zwei Rohre 4 des zweiten Ab­ schnitts 7 in einem Bereich 30 in ein ihnen gemeinsam zu­ geordnetes Rohr 4 des dritten Abschnitts 8.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist auch der Außendurchmesser der Rohre 4 in den Abschnitten 5 und 7 unterschiedlich und an den jeweiligen Innendurchmesser d₁, d₂ derart angepaßt, daß die Wanddicke der Rohre in allen Abschnitten 5, 7, 8 etwa gleich groß ist. Es kann aber auch der Außendurchmes­ ser der Rohre 4 in allen Abschnitten 5, 7, 8 gleich groß sein, so daß die Wanddicke der Rohre 4 im mittleren zweiten Abschnitt 7 größer ist als im ersten Abschnitt 5 und/oder im dritten Abschnitt 8.

Dadurch, daß die Rohre 4 der Umfassungswand 2 über ihre Längen in verschiedenen Abschnitten 5, 7, 8 oder Bereichen des Dampferzeugers 1 einen unterschiedlichen Innendurch­ messer d₁, d₂ aufweisen, ist die Dimensionierung der Rohre 4 der Umfassungswand 2 auf eine unterschiedliche Beheizung des Gaszugs abgestimmt. Dabei ist einerseits eine sichere Kühlung der Rohre 4 gewährleistet. Andererseits führt auch eine Mehrbeheizung einzelner Rohre 4 nicht zu unzulässigen Temperaturdifferenzen zwischen den Ausgängen der einzelnen Rohre 4.

Claims (10)

1. Fossil befeuerter Dampferzeuger mit einem Gaszug, dessen Umfassungswand (2) aus miteinander gasdicht verbun­ denen Rohren (4) gebildet ist, die im wesentlichen verti­ kal angeordnet und mediumseitig von unten nach oben durch­ strömt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (4) in einem ersten unteren Teil (5) des Gaszugs einen größeren Innendurchmesser (d₁) aufweisen als die Rohre (4) in einem darüberliegenden zweiten Teil (7) des Gaszugs.

2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (4) mit dem kleineren Innendurchmesser (d₂) direkt an die Rohre (4) mit dem größeren Innendurchmesser (d₁) angeschlossen sind.

3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohr (4) über ein Druckausgleichsrohr (27) mit einem außer­ halb des Gaszugs vorgesehenen Druckausgleichsgefäß (26) verbunden ist.

4. Dampferzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Druckausgleichsrohr (27) in der oberen Hälfte des ersten Teils (5), vorzugsweise im oberen Drittel des ersten Teils (5), z. B. im Bereich (25) des Übergangs vom ersten Teil (5) auf den zweiten Teil (7), des Gaszugs liegt.

5. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (4) im ersten Teil (5) des Gaszugs eine gewinde­ förmige Innenberippung aufweisen.

6. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (4) im zweiten Teil (7) des Gaszugs mindestens über einen Teil ihrer Länge eine gewindeförmige Innenberippung aufweisen.

7. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Massenstromdichte in den Rohren (4) des ersten Teils (5) des Gaszugs bei Vollast kleiner oder gleich 1000 kg/m²s ist.

8. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (4) in einem dritten oberen Teil (8) des Gaszugs einen größeren Innendurchmesser aufweisen als in dem zwei­ ten darunterliegenden Teil (7) des Gaszugs.

9. Dampferzeuger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (4) des dritten Teils (8) mit dem größeren Innen­ durchmesser direkt an die Rohre (4) des zweiten Teils (7) mit dem kleineren Innendurchmesser (d₂) angeschlossen sind.

10. Dampferzeuger Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Rohre (4) im dritten oberen Teil (8) des Gas­ zugs nur halb so groß ist wie im zweiten Teil (7) des Gaszugs, wobei je zwei Rohre (4) des zweiten Teils (7) in ein ihnen gemeinsam zugeordnetes Rohr (4) des dritten Teils (8) münden.