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Wasserrohrkessel mit einem aus mehreren Teilen bestehenden Überhitzer
Die Erfindung betrifft einen Wasserrohrkessel mit einem aus mehreren Teilen bestehenden Überhitzer, wobei ein Überhitzerteil als Teilstromüberhitzer ausgebildet ist, der in einer Sekundärbrennkammer angeordnet und von einer mit der Kesseldampfleistung regelbaren Dampfmenge durchströmt ist, die auch bei Vollast nur einen Teil der gesamten zum Verbraucher (z. B. Turbine) strömenden Dampfmenge ausmacht, nach Patent Nr. 243284.
Dieser Wasserrohrkessel ist besonders als Schiffskessel geeignet, kann aber auch für ortsfeste Kesselanlagen verwendet werden.
Die bisher gebauten Wasserrohr-Schiffskessel, die fast ausschliesslich mit Öl gefeuert werden und eine niedrige Bauhöhe besitzen, können die Überhitzungstemperatur des Dampfes (z. B. 5000C bei 42 atü Betriebsdruck) nur bis zirka Zweidrittellast halten. Sinkt die Last der Kessel unter dieses Mass, so fällt auch die Dampftemperatur immer stärker ab.
Bei Schiffen ist es nun relativ oft der Fall, dass durch längere Zeit hindurch die Kessel mit sehr niedriger Last betrieben werden (z. B. beim Manövrieren in küstennahen Gewässern, bei der Einfahrt in Häfen, beim Kreuzen in nebeligen Gewässern, beim Passieren von Meeresstrassen usw. ). Durch das starke Absinken der Dampfüberhitzung während dieser Schwachlastperioden - die Dampf temperatur kann 3500 C und weniger betragen-tritt in den Niederdruckgehäusen der Turbinen eine grosse Dampfnässe auf, welche zu Erosionen an den Endschaufeln, eventuell auch zur Zerstörung derselben führen kann. Auch tritt während der Lasteinsenkungen ein starkes Ansteigen der spezifischen Dampfverbräuche der Turbinen auf.
Auch bei ortsfesten Kesselanlagen sind Betriebsfälle bekannt, bei denen periodisch sehr niedrige Teillasten auftreten (z. B. beim Inselbetrieb von kalorischen Kraftanlagen, bei kalorischen Spitzenkraftwerken, bei Industriekraftanlagen u. a.). Auch an den Turbinen solcher Anlagen treten durch zu grosse Dampfnässe Schäden an den Endschaufeln auf.
Bei grossen stationären Dampfblöcken ergeben sich überdies beim Ab- und Wiederanfahren beachtliche Gefahrenmomente für wertvolle Anlagenteile und damit für die Betriebsbereitschaft der Gesamtanlagen. Auch dauern die Operationen des An- und Abfahrens meist mehrere Stunden. Hier erhebt sich die Forderung, über Schwachlastperioden (z. B. während des Rückgangs des Energieverbrauches in denspä- ten Nachtstunden oder über das Wochenende) die Blöcke mit minimaler Last bei Erreichen der erforderlichen Überhitzungstemperatur in Betrieb zu halten.
Zur Vermeidung der geschilderten Nachteile bzw. zur Erfüllung der zuletzt erwähnten Forderung ist nach Patent Nr. 243284 ein Wasserrohrkessel mit einem aus mehreren Teilen bestehenden Überhitzer, wobei ein Überhitzerteil als Teilstromüberhitzer ausgebildet ist, vorgeschlagen worden, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Teilstromüberhitzer in einer Sekundärbrennkammer angeordnet und von einer mit der Kesseldampfleistung regelbaren Dampfmenge durchströmt ist, die auch bei Vollast nur einen Teil der gesamten zum Verbraucher (z. B. Turbine) strömenden Dampfmenge ausmacht. Die Sekundärbrennkammer dieses Kessels kann dabei rauchgasseitig zur Hauptbrennkammer in Serie oder parallelgeschaltet
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sein.
Bei Vollast oder grösseren Teillasten wird jene Restdampfmenge, welche nicht durch den Teilstrom- überhitzer strömt, über ein zu diesem parallelgeschaltetes Regelventil (Bypass-Ventil ; Drehschieber) geleitet, welches eine Veränderung der Beaufschlagung des Teilstromüberhitzers erlaubt. Bei kleiner werdender Teillast des Kessels wird ein immer grösserer Anteil des erzeugten Dampfes über den Teilstrom- überhitzer geleitet, bis bei einer Last von 25 bis 15% der Maximallast die gesamte Dampfmenge über den Teilstromüberhitzer strömt. Durch die optimale Beheizung des Teilstromüberhitzers in der Sekundärbrennkammer kann die Überhitzungstemperatur bis zu einer Teillast von zirka 10% der Vollast annähernd konstant gehalten werden.
Der ausserhalb der Sekundärbrennkammer liegende Hauptüberhitzer wird bei niedriger Teillast infolge der geringen Dampfgeschwindigkeit nur wenig gekühlt und ist daher gefährdet. Um dampfseitig eine aus- reichende Kühlung dieses Hauptüberhitzers zu gewährleisten, wurde nach einem weiteren Erfindungsmerk- mal des Stammpatentes Nr. 243284 vorgeschlagen, den Endüberhitzer oder den von den Rauchgasen zuerst beaufschlagten Teilüberhitzer in zwei Teile zu teilen, welche bei Vollast oder hoher Teillast des Kessels parallel und bei niederer Teillast in Serie geschaltet sind.
Diese Anordnung hat die Nachteile, dass zwei zusätzliche Ventile erforderlich sind, und das Umsteuern von Parallelschaltung auf Serie oder umgekehrt gleichzeitig, rasch und bei möglichst niederer Kessellast erfolgen muss.
Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden. Der Wasserrohrkessel nach der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sekundärbrennkammer und dem übrigen Kessel eine Konvektionsheizfläche angeordnet ist.
Gemäss andem Kennzeichen der Erfindung ist die Konvektionsheizfläche als Teil des Teilstromüberhitzers ausgebildet und beträgt die Eintrittstemperatur der sekundären Rauchgase in die Hauptbrennkammer bei maximaler Beheizung der Sekundärbrennkammer 600-7000C. Die aus der Sekundärbrennkammer austretenden Rauchgase strömen also vor ihrem Eintritt in die Hauptbrennkammer zur weiteren Abküh- lung durch diese Konvektionsheizfläche.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Konvektionsheizfläche zwischen Sekundärbrennkammer und Hauptbrennkammer rauchgasseitig in Serie zum Teilstromüberhitzer geschaltet.
Besitzt eine Blockanlage Zwischenüberhitzung, so kann auch der Zwischenüberhitzer mit einem Teilstromüberhitzer ausgerüstet werden, wobei dann beide Teilstromüberhitzer in der Sekundärbrennkammer angeordnet werden können.
Die Sekundärbrennkammer ist peripher an der Hauptbrennkammer angeordnet. Bei Kesseln für hohe Drücke, bei denen oft ein Teil der Brennkammer mit Überhitzerheizfläche ausgekleidet ist, kann die Sekundärbrennkammer auch auf einem tieferen Nieveau und ebenfalls peripher an der Hauptbrennkammer angeordnet werden.
Bei Inbetriebnahme des Kessels ist der Teilstromüberhitzer nicht gefährdet, da die Befeuerung der Sekundärbrennkammer erst erfolgt, wenn Dampf zur Kühlung des Teilstromüberhitzers zur Verfügung steht. Bei Schiffskesseln, bei denen die Dampfentnahme vorübergehend ganz aufhören kann, empfiehlt es sich, während dieses Betriebszustandes zur Kühlung des Teilstromüberhitzers dessen Minimaldurchflussmenge über ein kleines Reduzierventil in den Kondensator zu leiten (Kühlung durch Wassereinspritzung).
Um bei niedrigster Teillast (zirka 10% der Maximallast) die Wasserzirkulation in den Verdampferrohren des Kessels zu gewährleisten, können Umwälzpumpen nach einem der bekannten Systeme eingesetzt werden (Naturumlaufkessel mit Hilfsumwälzpumpe, La-Mont-Kessel, Zwangsdurchlaufkessel mit Hilfsumwälzpumpe). Für Kessel, welche von vorneherein als Zwangsumlaufkessel geplant sind, erfordert die Ausrüstung mit einem Teilstromüberhitzer nur einensehr geringen Mehraufwand (weniger als l% des des ursprünglichen Kesselpreises).
Für grosse Blöcke, welche öfter an- und abgefahren werden müssen, ergibt die Verwendung von Kesseln mit Teilstromüberhitzern den weiteren Vorteil, dass die Kessel. die für das Anstossen der Turbine erforderliche Überhitzungstemperatur des Dampfes (450-500 C) schon bei niedriger Teillast erreichen.
Während der Zeit des Vorwärmen der Heissdampfleitungen und der Turbine braucht der Kessel also nur jene Dampfmenge zu erzeugen, welche für das Vorwärmen erforderlich ist. Überschüssiger Dampf, welcher sonst während des Anfahrens reduziert und in den Kondensator geleitet werden muss, braucht also nicht erzeugt werden. Dadurch ergeben sich beachtliche Ersparnisse an Brennstoff.
Die Ausrüstung eines Kessels mit Teilstromüberhitzer bietet weiter den Vorteil, dass bei jeder Last die Einspritzwassermengen zur Regelung der Dampfüberhitzung klein gehalten werden können, da die Hauptüberhitzer allein die gewünschte Heissdampfendtemperatur erst bei einer Last von 0, 85 bis 0, 9 der Maximallast erbringen müssen.
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Bei Kesseln, welche wahlweise mit wechselnden Brennstoffen betrieben werden (Gas oder Öl bzw.
Kohle oder Öl), gibt ein Teilstromüberhitzer die Möglichkeit, die unterschiedliche Beheizung der Haupt- überhitzer durch die verschiedenen Brennstoffe auszugleichen.
Für Dampfkraftanlagen, welche über längere Zeiträume mit stark unterschiedlichen Belastungen fahren müssen, ergeben Dampfkessel mit Teilstromüberhitzer den Vorteil, dass durch die Wahl weniger gro- sser Einheiten (statt mehrerer kleiner) beachtliche Einsparungen an Investitionskosten erzielbar sind, da auch die grossen Einheiten durch ihr einwandfreies Teillastverhalten für sehr niedrige Belastungen geeignet sind.
In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgegenstandes als Schiffskessel dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Aufriss (Schnitt) nach der Linie A-B in Fig. 2, Fig. 2 einen Grundriss nach der Linie C- D in Fig. 1. In Fig. 3 ist ein Schaltschema gezeichnet, welches die Trommel mit der Überhitzerschaltung zeigt. In Fig. 4 ist die Überhitzercharakteristik eines konventionellen Schiffskessels gezeichnet und Fig. 5 zeigt die Temperaturcharakteristik eines Kessels mit Teilstromüberhitzer.
Die Hauptbrennkammer 1 ist durch die Verdampferrohrwände 2 begrenzt. In ihren Seitenwänden sind die Hauptbrenner 3 angeordnet. Die Obertrommel 4 und die Untertrommel 5 sind ausser durch die Verdampferrohre 2 der Hauptbrennkammer 1 noch durch das Verdampferrohrbündel 6 verbunden. Über die Hauptbrennkammer 1 ist die Sekundärbrennkammer 7 mit dem Sekundärbrenner 8 angeordnet.
Der Überhitzer des Kessels besteht aus drei Teilen : dem Vorüberhitzer 9, dem Teilstromüberhitzer 10, der in der Sekundärbrennkammer 7 als Wandüberhitzer 10a mit nachgeschaltetem Konvektionsteil lOb angeordnet ist, und dem Endüberhitzer 11, Der Dampfkühler 12, der zwischen Teilstromüberhitzer 10 und Endüberhitzer 11 geschaltet ist, ist als Oberflächenkühler in der Obertrommel 4 untergebracht. Der Vorüberhitzer 9 und der Endüberhitzer 11 sind zwischen der Hauptbrennkammer 1 und dem Verdampferrohrbündel 6 angeordnet, der Ekonomiser 13 ist auf der andem Seite des Verdampferrohrbündels 6 untergebracht.
Die Rauchgase der Sekundärbrennkammer 7 werden durch eine Lenkwand 14, die aus Rohren des Teilstromüberhitzers 10 gebildet ist, umgelenkt und treten nach dem Durchströmen des Konvektionsteiles lOb des Teilstromüberhitzers 10 durch ein Rohrdurchtrittsgitter 15 aus Verdampfungsrohren 2 in die Hauptbrennkammer l (strichpunktierter Pfeil) und von dieser durch ein weiteres Rohrdurchtrittsgitter 16 in den Endüberhitzer 11.
Im Schaltschema Fig. 3 sind die Trommeln 4 mit Oberflächenkühler 12 sowie der Vorüber- hitzer 9, der Teilstromüberhitzer 10 mit Bypass-Ventil 17, das Mischventil 18 des Oberflächenkühlers 12 und der Endüberhitzer 11 sowie der Heissdampfschieber 19 dargestellt.
Die Beaufschlagung des Teilstromüberhitzers 10 wird durch dessen Bypass-Ventil 17 in allen Lastbereichen des Kessels so geregelt, dass sich seine maximale Durchflussmenge zur minimalen Durchflussmenge höchstens wie 2 : 1 verhält, u. zw. wird der Teilstromüberhitzer 10 bei Vollast minimal und bei niedrigster Teillast maximal beaufschlagt und die Leistung des Sekundärbrenners 8 diesen Beaufschlagungen angepasst. Da sich die Dampfgeschwindigkeiten im Teilstromüberhitzer 10 im gesamten Lastbereich des Kessels ebenfalls höchstens im Verhältnis 2 : 1 ändern (von zirka 24 m/sec auf 12m/sec), ist eine stets ausreichende Kühlung desselben gewährleistet.
Fig. 4 zeigt für einen konventionellen Schiffskessel die Abhängigkeit der Dampf austrittstemperatur von der Kessellast. Das starke Absinken der Dampftemperatur im niederen Lastbereich führt nicht nur zu Erosionen der Trubinenendschaufeln, sondern es können grosse plötzliche Laständerungen bei grossen Schiffsturbinen zum Undichtwerden der Turbinengehäuse führen.
Fig. 5 zeigt in den Kurven A, B und C den Verlauf der Dampftemperaturen eines Kessels mit Teilstromüberhitzer in Abhängigkeit von der Last, u. zw. am Austritt des Vorüberhitzers 9 (Kurve A), am Eintritt des Endüberhitzers 11 (Kurve B) und am Austritt des Endüberhitzers 11.
Der Einfluss des Oberflächenkühlers 12 ist an den zirka bei Zweidrittellast liegenden Knicken der Kurven B und C zu erkennen.
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