DE10131524B4

DE10131524B4 - Heizfläche eines Dampferzeugers mit zahlreichen, von einem Kühlmedium durchströmten, etwa parallel zueinander verlaufenden Heizflächenrohren

Info

Publication number: DE10131524B4
Application number: DE2001131524
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Mengel; Steffen Dipl.-Ing. Lysk
Original assignee: Vattenfall Europe Generation AG and Co KG
Current assignee: General Electric Technology GmbH; Vattenfall Europe Generation AG and Co KG
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2021-07-03
Also published as: DE10131524A1; CN1231698C; WO2003004934A2; CN1522351A; AU2002321138B9; WO2003004934A3; AU2002321138B2; EP1402214A2

Abstract

Heizfläche eines Dampferzeugers mit zahlreichen, von einem Kühlmedium durchströmten, etwa parallel. zueinander verlaufenden Heizflächenrohren, die im Strömungskanal des Dampferzeugers mittels Aufhängungen angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Heizflächenrohre (4) zwischen ihren Aufhängungen (1) von Schutzhülsen (7) umgeben sind, welche lose auf der Oberfläche der Heizflächenrohre (4) aufliegen, die Enden der Schutzhülsen (7) zu den Aufhängungen (1) der Heizflächenrohre (4) einen Dehnungsabstand (8) aufweisen und das Material der Schutzhülsen (7) gegenüber dem Material der Heizflächenrohre (4) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizfläche eines Dampferzeugers mit zahlreichen, von einem Kühlmedium durchströmten, etwa parallel zueinander verlaufenden Heizflächenrohren, die im Strömungskanal des Dampferzeugers mittels Aufhängungen angeordnet sind.

Dampferzeuger von Kraftwerken und Heizwerken sowie Wirbelschichtanlagen und Müllverbrennungsanlagen, welche mit Kohlenstaub und anderen festen Brennstoffen befeuert werden, weisen u. a. oberhalb der Brennkammer bzw. nachgeschaltet aus Rohrbündeln gebildete Heizflächen auf, welche von Medien, wie Wasser oder Dampf, durchströmt werden, um die Wärme des in der Brennkammer des Dampferzeugers verbrannten Brennstoffs aufzunehmen und abzutransportieren.

Die Rauchgase, welche bei der Verbrennung entstehen, sind staub- und aschebeladen. Durch die hohe Temperatur, welche die Rauchgase aufweisen (ca. 1000 – 1400 °C), und die über dem Schmelzpunkt der Asche liegt, kommt es insbesondere an Heizflächen im brennkammernahen Bereich zu Ablagerungen und Anbackungen, die sich hauptsächlich aus zusammengesinterten Schlacke- und Aschebestandteilen zusammensetzen.

Diese Ablagerungen und Anbackungen wachsen mit dem Betrieb des Dampferzeugers, so daß sich sogenannte Schlackebärte an den Rohren der Heizflächen bilden.

Die Ablagerungen und Anbackungen führen einerseits zur Verschlechterung des Wärmeüberganges zwischen dem in der Brennkammer strömenden Rauchgas und dem die Wärme abtransportierenden Medium in den Rohren der Heizflächen, andererseits werden die Rohre der Heizflächen gewichtsmäßig stärker belastet, was mit einer nachteiligen höheren Belastung der Tragkonstruktion der Heizflächen verbunden ist. Ebenfalls besteht die Gefahr, daß sich bei einer bestimmten Größe der Schlackestücke diese von dem Rohr der Heizfläche infolge ihres Gewichts lösen, in der Brennkammer herabfallen und durch die Wucht des Aufpralls Beschädigungen an den unter den Heizflächen liegenden Anlagenteilen, wie z. B. Trichterschräge oder Nachbrennroste, auftreten.

Mit dem Anwachsen der Schlackeanbackungen ist auch das Problem der Arbeitssicherheit bei Arbeiten in der Brennkammer bei außer Betrieb befindlichem Dampferzeuger verbunden. Befindet sich der Arbeitsort unterhalb des Bereiches der Heizflächen mit starken Schlackeanbackungen, ist eine vorherige Beseitigung der Schlacke aus Arbeitsschutzgründen unbedingt erforderlich.

Dies ist aber mit erhöhten Aufwendungen, z. B. Stellen einer weitläufigen Rüstung, verbunden.

Aus der DE 38 19 941 A1 ist ein Verfahren zum Entfernen von Schlackeanbackungen von Rohren eines Dampferzeugers bekannt, wobei jeweils wenigstens ein Rohr mit Hilfe eines Schwingungserregers zu Schwingungen, insbesondere Biegeschwingungen, angeregt wird, wodurch die anhaftenden Schlackeablagerungen von den Rohren abplatzen. Durch eine Einstellung der Schwingfrequenz des Schwingerregers ist es möglich, die Rohre einzeln oder in Gruppen zu Schwingungen anzuregen.

Nachteilig dabei ist, bei großen Heizflächenausdehnungen nicht alle Bereiche ausreichend abreinigen zu können, da durch Mehrfachhalterungen die Schwingungen unterbrochen werden.

In der DE 196 30 482 A1 ist ein Wärmetauscher beschrieben, bei welchem die Wärmeaustauschrohre im Bereich ihrer Windungen ortsfest gehalten sind und der Bereich zwischen den Windungen mit einem Klopfrohr in Berührung steht. Hier erzeugen ruckartige Bewegungen des Klopfrohres ebenfalls Schwingungen in den Wärmetauscherrohren. Durch die entstehenden Vibrationen soll ebenfalls ein Abplatzen der an den Wärmetauscherrohren anhaftenden Schlacke erreicht werden.

Nachteilig dabei sind die mechanischen Anregungsmittel Klopfer, welche zu Beschädigungen an den Heizflächenrohren führen können und die ungenügende Reinigungswirkung bei sehr großen Heizflächenausdehnungen.

Die JP 06300211 A beschreibt ein Wärmetauscherrohr. Dieses besteht aus mindestens drei konzentrisch angeordneten einzelnen Rohren, welche übereinandergeschoben sind und eine hohe Haftung miteinander auch während des Einsatzes in einem Dampferzeuger aufweisen.

Die DE 31 23 060 A1 beschreibt Rohre, welche für hohe Temperaturen ausgelegt sind, um dadurch auftretende hohe Spannungen in den Rohren zu vermindern. Dazu sind die Rohre aus zwei übereinanderliegenden Schichten gebildet, wodurch eine axiale Verschiebung zwischen ihnen ermöglicht wird, um die Spannungen abzubauen. Für die Wärmeausdehnung sind entsprechende Freiräume vorgesehen.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung vorzuschlagen, Heizflächen von Dampferzeugern so zu gestalten, daß ein ständiges Anwachsen der Ablagerungen in Form der Verschlackungen der im Strömungsbereich der Rauchgase befindlichen Heizflächen verhindert wird und die damit verbundenen o. g. Nachteile vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Heizflächenrohre zwischen ihren Aufhängungen von Schutzhülsen umgeben sind, welche lose auf der Oberfläche der Heizflächenrohre aufliegen, die Enden der Schutzhülsen zu den Aufhängungen der Heizflächenrohre einen Dehnungsabstand aufweisen und das Material der Schutzhülsen gegenüber dem Material der Heizflächenrohre einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.

Vorteilhaft dabei ist es, die Schutzhülsen axial mehrteilig, vorzugsweise zweiteilig, auszuführen. Die Teile der Schutzhülse werden dabei z. B. durch Schweißung fest miteinander verbunden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Schutzhülsen sollte vorteilhafterweise um das 1,5fache höher sein als der Wärmekoeffizient des Materials der Heizflächenrohre. Weiterhin ist es sinnvoll, den Spalt zwischen der Mantelfläche der Heizflächenrohre und der Innenoberfläche der Schutzhülse mit bis zu 1 mm zu bemessen, um eine Dehnung der Schutzhülse zu gewährleisten und andererseits ein Eindringen von Staub zu verhindern.

Die beim Betrieb des Dampferzeugers entstehende Schlacke an den Heizflächenrohren haftet vor allem an solchen Heizflächenrohren, die der Brennkammer des Dampferzeugers besonders nah sind. D. h., das erste Heizflächenrohrbündel, und dort insbesondere die im Strömungsweg der Rauchgase vorn liegenden, zuerst beströmten Heizflächenrohre, sind besonders stark von Schlackeanbackungen betroffen. Durch die Anbringung der Schutzhülsen um diese Heizflächenrohre setzt sich die Schlacke an den Schutzhülsen fest.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß gegenüber der Heizflächenrohre, welche durch ein durch sie hindurchströmendes Medium (Wasser, Dampf) gekühlt werden und aufgrund des höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials der Schutzhülsen gegenüber dem Material der Heizflächenrohre die Schutzhülsen beim Betrieb des Dampferzeugers eine viel stärkere Ausdehnung in axialer Richtung erfahren. Die Schutzhülsen dehnen sich in Richtung der Aufhängungen aus. Somit bedecken die Schutzhülsen auch den Bereich der Heizflächenrohre, welcher als Dehnungsabstand zu den Aufhängungen der Heizflächenrohre beim Einbauen der Schutzhülsen unbedeckt geblieben ist.

Der Reinigungseffekt der Heizflächenrohre, d. h., das Abplatzen der Schlackeanbackungen an den Schutzhülsen tritt nun ein, wenn der Dampferzeuger außer Betrieb genommen wird oder Lastwechsel mit Temperaturänderungen der Rauchgase erfolgen. Die Schutzhülsen ziehen sich beim Abkühlen wesentlich stärker als die Heizflächenrohre zusammen. Dieses Zusammenziehen der Schutzhülse bewirkt ein Abplatzen der Schlackeanbackungen und somit ein Abreinigen der Heizflächen, die aufgrund der Schlackeanbackungsgefahr mit den Schutzhülsen versehen wurden.

An einem Ausführungsbeispiel soll nachfolgend die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen die Zeichnungen in
1 – einen schematischen Ausschnitt einer Seitenansicht von zwei übereinander angeordneten Heizflächenrohrbündeln in einem Dampferzeuger
2 – eine schematische Seitenansicht eines Heizflächenrohres mit einer um das Heizflächenrohr montierten Schutzhülse
3 – einen schematischen Schnitt durch ein Heizflächenrohr mit montierter Schutzhülse
An einem braunkohlestaubgefeuerten Dampferzeuger sind die Heizflächen der Hochdruck- und Zwischendrucküberhitzer mittels einer Reihe an der Decke des Dampferzeugers befestigten Aufhängungen 1 im Strömungsweg der bei der Verbrennung des Braunkohlenstaubes im Dampferzeuger entstehenden Rauchgase 6 aufgehängt (1). Der Braunkohlenstaub wird in einer Höhe von ca. 30 m in die Brennkammer 2 des Dampferzeugers eingeblasen und verbrannt. Am strömungsseitigen Ende der Brennkammer 2 in einer Höhe von ca. 100 m sind parallel nebeneinander mehrere Heizflächenrohrbündel 3 an den Aufhängungen 1 befestigt. Jedes dieser Heizflächenrohrbündel 3 ist aus mehreren, etwa parallel zueinander verlaufenden Heizflächenrohren 4 gebildet und stellt eine Überhitzerheizfläche des Dampferzeugers dar. Die Heizflächenrohre 4 der Heizflächenrohrbündel 3 sind dabei so angeordnet, daß die übereinanderliegenden Heizflächenrohre 4 in einer senkrechten Flucht liegen.
Sämtliche übereinanderliegende Heizflächenrohre 4 eines Heizflächenrohrbündels 3 werden auch als Rohrscheibe bezeichnet.
Die parallel nebeneinander liegenden Heizflächenrohrbündel 3 sind mit einem Abstand von ca. 1 m voneinander an den Aufhängungen 1 befestigt. Der Zwischenraum zwischen den einzelnen Heizflächenrohrbündeln 3 bildet eine Gasse. Über einer aus parallel nebeneinander angeordneten Heizflächenrohrbündeln 3 gebildeten Überhitzerheizfläche sind weitere Überhitzerheizflächen aus Heizflächenrohrbündeln 5 an den Aufhängungen 1 befestigt.
An den Heizflächenrohren 4, an denen das vorbeiströmende Rauchgas 6 noch Temperaturen aufweist, welche oberhalb der Ascheerweichungstemperatur liegt (ca. 1000 – 1400 °C), werden erfindungsgemäß Schutzhülsen 7 angebracht.
Dabei wird jeweils eine Schutzhülse 7 zwischen zwei Aufhängungen 1 eines Heizflächenrohres 4 befestigt (2). Das erfolgt vorteilhafterweise so, daß die Schutzhülsen 7 aus zwei axial geteilten Rohrhälften bestehen, die um das Heizflächenrohr 4 gelegt werden und mittels Verschweißen miteinander verbunden werden. Die Schutzhülsen 7 sind mittig auf den Heizflächenrohren 4 zwischen zwei Aufhängungen 1 montiert. Die Enden der Schutzhülsen 7 weisen zu den benachbarten Aufhängungen 1 einen Dehnungsabstand 8 auf.
Das hochtemperaturbeständige Material der Schutzhülsen 7 ist dabei so ausgewählt, daß es einen viel höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist (1,5fach) als das Material des Heizflächenrohres 4. Der Innendurchmesser der Schutzhülse 7 entspricht im wesentlichen dem Außendurchmesser des Heizflächenrohres 4, so daß die Innenseite der Schutzhülse 7 auf der Oberfläche des Heizflächenrohres 4 aufliegt (3). Der zwischen Heizflächenrohr 4 und Schutzhülse 7 gebildete Spalt ist ca. 0 – 1 mm groß. Die Länge der Schutzhülse 7 ist dabei so gewählt, daß die beiden Enden der Schutzhülse 7 zu den Aufhängungen 1 jeweils einen Dehnungsabstand 8 aufweisen.
Um dieses beidseitig nicht bedeckte Stück des Heizflächenrohres bei Montage der Schutzhülse dehnt sich bei Betrieb des Dampfkessels aufgrund der Wärmedehnung die Schutzhülse in Richtung der Aufhängungen aus, so daß das Heizflächenrohr jeweils zwischen den Aufhängungen nahezu komplett mit der Schutzhülse abgedeckt ist. Die Wandstärke der Schutzhülse (ca. 3 – 5 mm) wird so gewählt, daß der Wärmeübergang vom Rauchgas auf das in den Heizflächenrohren strömende Medium nicht zu stark behindert wird. An den Schutzhülsen setzen sich nunmehr bei Betrieb des Dampferzeugers Schlackeanbackungen an und wachsen je nach Beaufschlagung mit dem heißen Rauchgas zu einer bestimmten Größe.
Bei Außerbetriebnahme bzw. bei großen Laständerungen des Dampferzeugers mit der sich daraus ergebenden Abkühlung der Heizflächen ziehen sich aufgrund des Materials der Schutzhülsen mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten diese stärker zusammen als die Heizflächenrohre selbst.
Das Zusammenziehen der Schutzhülsen bewirkt nun ein Abplatzen der Schlackeanbackungen von den Schutzhülsen. Damit tritt ein entsprechender Reinigungseffekt der Heizflächen des Dampferzeugers ein.
Um den Aufwand des Anbringens von Schutzrohren zu minimieren, können auch nur die Heizflächenrohre mit den Schutzhülsen ausgestattet werden, an denen im Betrieb des Dampferzeugers besonders starke Schlackeanbackungen festgestellt wurden.
Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

1. Kontinuierliche Abreinigung von Heizflächenbereichen während des Betriebes bzw. bei Außerbetriebnahmen.
2. Minimierung des Reinigungsaufwandes nach Außerbetriebnahme in Vorbereitung von Befahrungen, Befundaufnahmen und Reparaturen.
3. Keine zusätzlichen technischen Einrichtungen zur Abreinigung erforderlich wie Klopfeinrichtungen, Schwingungserreger u. a.
4. Minimierung der Belagstärke auf dem Heizflächenrohr, damit Verbesserung des Wärmeüberganges unter Berücksichtigung des Schutzrohres.

1: Aufhängung
2: Brennkammer
3: Heizflächenrohrbündel
4: Heizflächenrohr
5: Heizflächenrohrbündel
6: Rauchgas
7: Schutzhülse
8: Dehnungsabstand

Claims

Heizfläche eines Dampferzeugers mit zahlreichen, von einem Kühlmedium durchströmten, etwa parallel. zueinander verlaufenden Heizflächenrohren, die im Strömungskanal des Dampferzeugers mittels Aufhängungen angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Heizflächenrohre (4) zwischen ihren Aufhängungen (1) von Schutzhülsen (7) umgeben sind, welche lose auf der Oberfläche der Heizflächenrohre (4) aufliegen, die Enden der Schutzhülsen (7) zu den Aufhängungen (1) der Heizflächenrohre (4) einen Dehnungsabstand (8) aufweisen und das Material der Schutzhülsen (7) gegenüber dem Material der Heizflächenrohre (4) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.
Heizfläche nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schutzhülsen (7) axial mehrteilig, vorzugsweise zweiteilig, ausgeführt sind, wobei die Teile der Schutzhülsen (7) miteinander fest verbunden sind.
Heizfläche nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Material der Schutzhülsen (7) gegenüber dem Material der Heizflächenrohre (4) mindestens einen 1,5fach höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.
Heizfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Spalt zwischen der Mantelfläche der Heizflächenrohre (4) und der Innenoberfläche der Schutzhülsen (7) bis zu 1 mm groß ist.