Einrichtung zum Kühlen der Erhitzerrohre von Wärmekraftanlagen, in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel einen geschlossenen Kreislauf beschreibt. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kühlen der Erhitzerrohre von Wärme- fraftanlagen, in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt,
wobei das durch äussere Wärmezufuhr in einem Röhrenga.s- erhitzer erhitzte Arbeitsmittel in mindestens einer Turbine unter Arbeitsleistung expan dieren gelassen und nachfolgend in min destens einem Verdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird, sowie in einem Wärme- austauscher zwischen dem expandierten und dem wieder verdichteten Arbeitsmittelstrom vorgängig der äussern Wärmezufuhr im Röh- rengaserhitzer ein Wärmeaustausch statt findet.
Die Röhren des Gaserhitzers solcher An lagen sind sehr hohen Temperaturen aus gesetzt. Hinzu kommt, dass sie infolge des in deren Innerem herrschenden Druck auch noch mechanisch stark beansprucht sind. Be absichtigt man daher das Arbeitsmittel im Röhrengaserhitzer auf hohe Temperatur zu bringen, so ist man gezwungen, den Bau stoff der Rohre bis an die Grenze der zu lässigen Wärmefestigkeit zu beanspruchen.
wenn man mit praktisch noch brauchbaren Abmessungen der Rohre auskommen will. Bei einer solchen hohen Beanspruchung der Rohre durch die Feuergase von aussen und das unter Überdruck fliessende, hochzuerhit- zende Arbeitsmittel im Innern muss vor allem darnach getrachtet werden, die Rohrtempera tur bei nur sehr kleinen Schwankungen auf einem höchst zulässigen Wert zu erhalten.
Wenn daher beispielsweise infolge von Be- lasiungsschwankungen die Wärmeaufnahme des Arbeitsmittels aussetzt, oder anderseits von der Feuerung zu viel Wärme abgegeben wird, so besteht die Gefahr, dass die Rohr temperatur mindestens kurzzeitig über den betreffenden zulässigen Wert steigt, so dass die Rohre den von ihnen .geforderten Bean spruchungen nicht mehr gewachsen sind.
Die Gefahr einer derartigen Überhitzung ist bei Röhrengaserhitzern von Anlagen der er wähnten Art grösser als bei Dampfkesseln, weil bei denen infolge des auf Innen- und Aussenseite der Rohre verhältnismässig schlechten Wärmeüberganges die Rohrtem peratur bei einer gewünschten Arbeitstem peratur der aufzuheizenden Arbeitsgase be deutend höher ist als bei gleich hoher Ar beitstemperatur des Dampfes einer Dampf kraftanlage.
Das Nichtüberschreiten eines festgelegten Wertes der Rohrwandtemperatur von Röhrengaserhitzern ist um so wichtiger, als in dem in Frage kommenden Tempera turbereich von beispielsweise 600-800 C, die Festigkeit des Stahls oder entsprechender Legierungen mit wachsender Temperatur ausserordentlich rasch abnimmt. Schon Tem peraturerhöhungen von beispielsweise 20 C schwächen die Festigkeitseigenschaften ganz erheblich.
Zweck der Erfindung ist nun, eine Ein richtung zum Kühlen der Erhitzerrohre von Wärmekraftanlagen der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche bei einer plötzlichen Erhitzung der Rohre des Röhrengaserhitzers über ein festgesetztes Mass hinaus, der betref fenden Temperaturerhöhung rasch und wirk sam entgegenzuwirken gestattet.
Erreicht wird das gemäss vorliegender Erfindung durch eine zusätzliche, abschliessbare Leitung, welche vom Verdichter gefördertes Arbeits mittel unter Umgehung des Wärmeaus- tauschers unmittelbar in den Gaserhitzerein- tritt überzuführen gestattet.
Auf der Zeichnung ist beispielsweise eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstan des in vereinfachter Darstellungsweise ver anschaulicht.
In der Figur bezeichnet 1 einen Röhren- 23 in welchem das gasförmige, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibende Arbeitsmittel durch Zufuhr äusserer Wärme erhitzt wird. Die eigentliche Erhitzung des Arbeitsmittels er folgt in Schlangen 2, welche von Feuergasen umspült werden. Das so erhitzte Arbeitsmit tel gelangt durch eine Leitung 3 in eine Turbine 4, wo es unter gleichzeitiger Arbeits abgabe beispielsweise an einen Generator 5 und an einen Turboverdichter 6 expandiert.
Das aus der Turbine 4 strömende Arbeits mittel gelangt durch eine Leitung 8 in einen a.ls Gegenstromapparat ausgebildeten Wä.rme- austauseher 9, wo dasselbe ein Röhrensystem durchströmt und dabei Wärme an den Teil höheren Druckes des Arbeitsmittels abgibt, welcher durch eine Leitung 10 aus dem Turboverdichter 6 in den Wärmeaustauscher 9 und aus diesem durch eine Leitung 11 in einen Sammler 6 des Erhitzers 1 gelangt. Der im Wärmeaustauscher 9 abgekühlte Teil des Arbeitsmittels gelangt durch eine Leitung 12 in den Turboverdichter 6, wo er unter Küh lung wieder auf einen höheren Druck ver dichtet wird.
Von der Leitung 10 zweigt bei 18 eine zusätzliche Leitung 14 ab, in welche ein Zwischenkühler 15 eingeschaltet ist und welche an den Sammler 6 des Röhrengas- erhitzers 1 angeschlossen ist. In diese Lei tung 14 ist ferner ein Absperrorgan 16 ein gebaut. Die Einstellung .dieses Absperrorga- nes 16 wird von einer Thermostateinrichtung 17 beherrscht. deren Tätigkeit ihrerseits von der Temperatur an der Stelle 18 einer Schlange 2 des Röhrengaserhitzers abhängig ist.
Bei der beschriebenen Anlage bildet die Leitung 14 einen Bypass, durch den bei offenem Absperrorgan 16 aus dem Verdichter 6 kommendes, noch verhältnismässig kaltes Arbeitsmittel unter Umgehung des Wärme austauschers 9 unmittelbar in .den Sammler 6 des Röhrengaserhitzers 1 gelangen kann. Dieser Bypass 14 ist unter normalen Arbeits bedingungen abgesperrt, so dass das im Ver dichter 6 verdichtete Arbeitsmittel restlos durch die Leitung 10 in den \Värmeaustau- scher 9 gelangt, um in diesem vorgewärmt zu werden und so bereits vorerhitzt in den Röhrengaserhitzer 1 zu gelangen.
Tritt aber aus irgend einem Grunde im Erhitzer 1 eine zu hohe Rohrwandtemperatur auf, so bewirkt die Thermostateinrichtung 17 ein mindestens teilweises Öffnen des By- passes 14, so dass jetzt verhältnismässig kaltes Arbeitsmittel unter Umgehung des Wärme- austauschers 9 unmittelbar in den Sammler 6 des Röhrengaserhitzers 1 und aus diesem Sammler 6 in die zu heissen Rohre 2 gelangt, wo es sich mit dem vom Wärmeaustauscher 9 kommenden, bereits vorgewärmten Arbeits mittel mischt.
Auf diese Weise wird die Temperatur der Rohre 2 rasch erniedrigt, wodurch naturgemäss auch die Rohrwand temperatur herabgesetzt wird.
Sind dann in zwischen die Arbeitsbedingungen des Gras erhitzers 1 wieder den veränderten Belastun gen .durch Einregulierung der Feuerung an gepasst worden und ist daher auch die zu lässige obere Grenze der Rohrwandtempera- tur wieder erreicht, so bewirkt die Thermo- stateinrichtung 17 ein Schliessen der Ab- sperrvorrichtung 16, so dass der Durchfluss durch den Bypass 14 unterbrochen wird.
Der Hilfskühler 15 bewirkt, dass der durch den Bypass 14 strömende Arbeitsmittelteil hinsichtlich der Temperaturerniedrigung der Rohre 2 besonders wirksam wird, indem sich dieser Teil im Kühler 15 auf eine tiefe Tem peratur bringen lässt. Unter Umständen ist es jedoch möglich, auch ohne einen solchen Hilfskühler auszukommen.
Anstatt den durch die zusätzliche Leitung 14 strömenden Teil des Arbeitsmittels in der gezeigten Weise einem Sammler des Röhren- gaserhitzers 1 zuzuführen, kann dieser Teil auch unmittelbar den einzelnen Rohren des Erhitzers zugeleitet werden. Sind diese Rohre als Schlangen ausgebildet, so geschieht die Zuführung zweckmässig in den innersten Strang der Schlangen. Es können auch meh rere Leitungen vorgesehen werden, durch die Arbeitsmittel nach dem Verdichter 6 unter Umgehung des Wärmeaustauschers 9 unmit telbar zu den Röhren des Erhitzers strömen kann.
Der Bypass 14 kann auch dazu verwendet werden, um beim Abstellen des Röhren- gaserhitzers, das heisst beim Stillegen der Anlage, kälteres Arbeitsmittel den Rohr schlangen 2 zuzuführen, um eine möglichst rasche Abkühlung derselben zu erreichen. Dies ist unter Umständen wichtig, wenn für Überholungsarbeiten nur wenig Zeit zur Ver fügung steht und man daher nicht darauf angewiesen ist, den Gaserhitzer durch natür liche, langsame Kühlung abkühlen zu lassen.
Zweckmässig kann in dem Stück der Lei tung 10, welches sich von der Abzweigstelle 13 nach dem Wärmeaustauscher 9 erstreckt, noch ein Drosselorgan vorgesehen werden, um zu erreichen, dass in gewissen Fällen der weit aus grösste Teil des Arbeitsmittels durch den offenen Bypass 14 getrieben wird. Dieses Drosselorgan kann derart mit dem Abschluss- organ der zusätzlichen Leitung 14 gekoppelt sein, dass beim Schliessen des einen das an dere geöffnet wird und umgekehrt.
Device for cooling the heater tubes of thermal power plants, in which a gaseous working medium describes a closed circuit. The invention relates to a device for cooling the heater tubes of thermal fraft systems, in which a gaseous working medium describes a closed circuit under excess pressure,
The working medium heated by external heat supply in a Röhrenga.s- heater is allowed to expand in at least one turbine under work power and is then brought back to higher pressure in at least one compressor, and in a heat exchanger between the expanded and the recompressed A heat exchange takes place prior to the external heat supply in the tubular gas heater.
The tubes of the gas heater in such systems are set to very high temperatures. In addition, they are also subject to high mechanical loads due to the pressure prevailing inside them. Therefore, if you intend to bring the working fluid in the tubular gas heater to a high temperature, you are forced to claim the construction material of the tubes up to the limit of the permissible heat resistance.
if you want to get by with practically usable dimensions of the pipes. With such high stress on the pipes from the outside of the fire gases and the high-temperature working medium flowing under overpressure, the main aim must be to maintain the pipe temperature at a maximum permissible value with only very small fluctuations.
If, for example, due to fluctuations in ventilation, the heat absorption of the working medium stops or, on the other hand, too much heat is given off by the furnace, there is a risk that the pipe temperature will at least briefly rise above the permissible value in question, so that the pipes will exceed their limit .required stresses are no longer able to cope with.
The risk of such overheating is greater with tubular gas heaters of systems of the type mentioned, than with steam boilers, because the tube temperature at a desired working temperature of the working gases to be heated is significantly higher than in the case of which, due to the relatively poor heat transfer on the inside and outside of the tubes, the tube temperature at the same high working temperature of the steam from a steam power plant.
Not exceeding a specified value of the pipe wall temperature of tubular gas heaters is all the more important as in the temperature range in question, for example 600-800 C, the strength of the steel or corresponding alloys decreases extremely rapidly with increasing temperature. Even temperature increases of 20 C, for example, weaken the strength properties quite considerably.
The purpose of the invention is to create a device for cooling the heater tubes of thermal power plants of the type mentioned above, which allows rapid and effective counteracting of the temperature increase in question when the tubes of the tubular gas heater suddenly heat up beyond a set level.
According to the present invention, this is achieved by an additional, lockable line, which allows working medium conveyed by the compressor to be transferred directly into the gas heater inlet, bypassing the heat exchanger.
In the drawing, for example, an embodiment of the subject matter of the invention is illustrated in a simplified representation.
In the figure, 1 designates a tube 23 in which the gaseous working medium, which continuously describes a closed circuit under excess pressure, is heated by supplying external heat. The actual heating of the working medium he follows in snakes 2, which are surrounded by fire gases. The so heated Arbeitsmit tel passes through a line 3 into a turbine 4, where it expands, for example to a generator 5 and a turbo compressor 6, while simultaneously delivering work.
The working medium flowing out of the turbine 4 passes through a line 8 into a heat exchanger 9 designed as a countercurrent device, where it flows through a pipe system and in the process gives off heat to the part of the higher pressure of the working medium which exits through a line 10 the turbo-compressor 6 enters the heat exchanger 9 and from there through a line 11 into a collector 6 of the heater 1. The cooled in the heat exchanger 9 part of the working medium passes through a line 12 in the turbo compressor 6, where it is compressed under Küh treatment again to a higher pressure ver.
An additional line 14 branches off from the line 10 at 18, into which an intercooler 15 is switched on and which is connected to the collector 6 of the tubular gas heater 1. In this Lei device 14 a shut-off device 16 is also built a. The setting .dieses shut-off device 16 is controlled by a thermostat device 17. whose activity in turn depends on the temperature at the point 18 of a coil 2 of the tubular gas heater.
In the system described, the line 14 forms a bypass through which, when the shut-off element 16 is open, the still relatively cold working medium coming from the compressor 6 can pass directly into the collector 6 of the tubular gas heater 1, bypassing the heat exchanger 9. This bypass 14 is shut off under normal working conditions so that the working fluid compressed in the compressor 6 completely passes through the line 10 into the heat exchanger 9, where it is preheated and thus already preheated to reach the tubular gas heater 1.
If, however, the pipe wall temperature in the heater 1 is too high for any reason, the thermostat device 17 causes at least partial opening of the bypass 14, so that now relatively cold working fluid, bypassing the heat exchanger 9, enters the collector 6 of the tubular gas heater 1 and from this collector 6 enters the pipes 2 to be hot, where it mixes with the already preheated working medium coming from the heat exchanger 9.
In this way, the temperature of the tubes 2 is lowered rapidly, which naturally also lowers the tube wall temperature.
If the changed loads have then been adjusted again between the working conditions of the grass heater 1 by regulating the furnace and the permissible upper limit of the pipe wall temperature has therefore also been reached again, the thermostat device 17 closes the shutdown - Blocking device 16, so that the flow through the bypass 14 is interrupted.
The auxiliary cooler 15 has the effect that the working medium part flowing through the bypass 14 is particularly effective in terms of lowering the temperature of the tubes 2, in that this part can be brought to a low temperature in the cooler 15. Under certain circumstances, however, it is possible to do without such an auxiliary cooler.
Instead of feeding the part of the working medium flowing through the additional line 14 to a collector of the tubular gas heater 1 in the manner shown, this part can also be fed directly to the individual tubes of the heater. If these tubes are designed as snakes, the feed is expediently done in the innermost strand of the snakes. Several lines can also be provided through which the working medium can flow directly to the tubes of the heater after the compressor 6, bypassing the heat exchanger 9.
The bypass 14 can also be used to supply colder working fluid to the pipe coils 2 when the tubular gas heater is switched off, that is to say when the system is shut down, in order to achieve the fastest possible cooling of the same. This may be important if there is little time available for overhaul work and you are therefore not dependent on letting the gas heater cool down with natural, slow cooling.
Appropriately, a throttle device can be provided in the piece of the line 10 which extends from the branch point 13 to the heat exchanger 9 in order to ensure that in certain cases the vast majority of the working medium is driven through the open bypass 14 . This throttle element can be coupled to the closing element of the additional line 14 in such a way that when one closes the other is opened and vice versa.