DE102006004704A1 - Method for optimizing waste heat boilers - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a method of optimally dimensioning the heat transfer tubes in waste heat boilers of power plants. The aim is to maintain the calculated and planned thermic values as accurately as possible. This is achieved by first of all theortetical calculations being carried out, to be precise in particular for the heat transfer values and pressure losses, by the heat transfer tubes being fabricated according to these calculations with regard to dimensions and rib geometry at the start of production, by the calculated thermic values being checked at certain intervals in a comparison test bay during the production of the heat transfer tubes and by corrections being made to individual parameters if deviations are established.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Bemessung der Wärmeübertragungsrohre in Abhitzekesseln von Kraftwerken.The The invention relates to a method for optimum dimensioning of the heat transfer tubes in waste heat boilers of power plants.

Beispielsweise zur Stromerzeugung werden weltweit jährlich ca. 150 bis 250 Kraftwerke mit Abhitzekesseln gebaut, in denen Wärmeübertragungsrohre vorhanden sind. Die Wärmeübertragungsrohre dienen zur Wärmeübertragung der heißen Rauchgase auf das zu erwärmende und zur Stromerzeugung dienende Medium, das normalerweise Wasser und/oder Dampf ist.For example Every year around 150 to 250 power plants are used to generate electricity built with waste heat boilers in which heat pipes exist are. The heat transfer tubes serve for heat transfer the hot ones Flue gases on the to be heated and power generating medium, which is normally water and / or Steam is.

Die Wärmeübertragungsrohre in den Abhitzekesseln sind in der Regel als Rippenrohre ausgebildet, wobei die Rippen senkrecht zur Rohrachse auf die Rohroberfläche aufgeschweißt werden.The Heat transfer tubes in the waste heat boilers are usually designed as finned tubes, wherein the ribs are welded perpendicular to the tube axis on the tube surface.

Bei modernen Verfahren zur Herstellung solcher Rippenrohre ( EP 1 276 571 ) werden die Rippen in Form eines Bandes schraubenlinig kontinuierlich auf die Rohroberfläche aufgeschweißt. Dabei ist es auch möglich, die nach außen gerichteten Rippenenden in einzelne Segmente aufzuteilen (DE-OS 100 63 831).In modern processes for producing such finned tubes ( EP 1 276 571 ), the ribs in the form of a tape are screwed continuously screw-shaped on the pipe surface. It is also possible to divide the outwardly directed rib ends into individual segments (DE-OS 100 63 831).

In einem Abhitzekessel der gängigen Größe sind ca. 25.000 Rippenrohre mit einer Länge von 20 m enthalten, wobei jedes Rohr ca. 260 Rippen pro Meter aufweist. Wenn es sich um Rippen handelt, die in Segmente aufgeteilt sind, so weist die Rippe über ihren Umfang von 360° ca. 25 bis 35 Segmente auf. In einem einzigen Abhitzekessel kommen also ca. 0,13 Mrd. Rippen und dementsprechend ca. 3,9 Mrd. Rippensegmente vor.In a waste heat boiler of common Size are about 25,000 finned tubes with a length of 20 m included, wherein each tube has about 260 ribs per meter. When it comes to ribs which are divided into segments, so the rib points over their Circumference of 360 ° approx. 25 to 35 segments on. In a single waste heat boiler so come approx. 0.13 billion ribs and accordingly approx. 3.9 billion rib segments in front.

Bei der Bemessung der einzelnen Parameter für den Abhitzekessel werden die Wärmeübertragungsrohre zunächst aufgrund von Erfahrungswerten berechnet. Dabei ist das Problem bekannt, dass bereits bei geringfügigen Abweichungen von der Rippenrohrgeometrie erhebliche Abweichungen von den errechneten Werten auftreten können. Die Kesselbauer planen daher regelmäßig erhebliche Reserven bzw. Sicherheiten ein. Wenn die errechneten Werte eingehalten oder möglicherweise sogar übertroffen werden, stellen diese Reserven bzw. Sicherheiten einen erheblichen Mehraufwand dar. Es wird daher versucht, diese Reserven und Sicherheiten so gering wie möglich zu halten, um den zusätzlichen vorrichtungstechnischen Aufwand und die damit zusammenhängenden Kosten gering zu halten.at the design of the individual parameters for the waste heat boiler the heat transfer tubes first calculated based on empirical values. The problem is known that already at minor Deviations from the finned tube geometry significant deviations can occur from the calculated values. The boiler makers plan therefore regularly significant Reserves or collateral. When the calculated values are met or maybe even be surpassed, these reserves or collateral represent a significant additional expense It is therefore attempted, these reserves and collateral so low as possible to keep to the extra device-technical effort and the related To keep costs low.

Häufig werden daher trotz der eingeplanten Reserven und Sicherheiten die geforderten wärmetechnischen Werte unterschritten. Dies führt nachträglich dazu, dass die Kraftwerke nicht mit voller Leistung arbeiten können.Become frequent Therefore, despite the scheduled reserves and collateral the required heat engineering Values fell short of. this leads to later to the fact that the power plants can not work at full capacity.

Versuchsserien haben ergeben, dass die errechneten bzw. eingeplanten wärmetechnischen Werte in der Praxis um 20% und mehr nach oben und unten abweichen können. Dies bedeutet eine erhebliche Unsicherheit bei der Planung und späteren Inbetriebnahme eines Kraftwerks.test series have shown that the calculated or planned thermotechnical values in practice may vary by 20% and more up and down. This means a considerable uncertainty in the planning and later commissioning a power plant.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst genaue Einhaltung der errechneten und geplanten wärmetechnischen Werte zu erreichen.Of the Invention is therefore based on the object as possible exact adherence to the calculated and planned thermal engineering To reach values.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zunächst theoretische Berechnungen erfolgen, und zwar insbesondere für die Wärmeübertragungswerte und Druckverluste, dass die Wärmeübertragungsrohre bezüglich Abmessungen und Rippengeometrie zu Beginn der Produktion nach diesen Berechnungen gefertigt werden, dass während der Produktion der Wärmeübertragungsrohre die berechneten wärmetechnischen Werte in bestimmten Intervallen in einem Vergleichsprüfstand überprüft werden und dass bei Feststellung von Abweichungen Korrekturen bei den einzelnen Parametern vorgenommen werden.According to the invention this Task solved by that first theoretical calculations are made, in particular for the heat transfer values and pressure drops that the heat transfer tubes in terms of Dimensions and rib geometry at the beginning of production after these Calculations are made that during the production of the heat transfer tubes the calculated thermo-technical Values can be checked at certain intervals in a benchmark and that upon detection of deviations corrections in the individual Parameters are made.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die Ausrüstung eines Abhitzekessels mit Wärmeübertragungsrohren optimal zu gestalten und die errechneten wärmetechnischen Werte sehr genau einzuhalten.by virtue of the method according to the invention Is it possible, equipment a waste heat boiler with heat transfer tubes optimally designed and the calculated thermo-technical values very accurately observed.

Die Produktion der Wärmeübertragungsrohre für einen geplanten bzw. im Bau befindlichen Abhitzekessel erstreckt sich über einen Zeitraum von 4 bis 12 Wochen, sodass genügend Zeit bleibt, um in den vorgegebenen Intervallen eine Überprüfung der wärmetechnischen Werte in einem Vergleichsprüfstand vorzunehmen.The Production of the heat transfer tubes for one planned or under construction waste heat boiler extends over a Period of 4 to 12 weeks, so that enough time remains in the given intervals a review of the thermotechnical Values in a comparative test bench make.

Bei Feststellung von Abweichungen erfolgen dann die Korrekturen in der Weise, dass die ermittelten Werte aus den vorangegangenen Intervallen überkompensiert werden.at Determination of deviations then take place the corrections in the Way that the determined values from the previous intervals overcompensated become.

In modernen Abhitzekesseln werden heutzutage in der Regel Rippenrohre als Wärmeübertragungsrohre verwendet, da diese eine große Wärmeübertragungsfläche aufweisen. Wenn also bei Rippenrohren Korrekturen in der laufenden Produktion vorgenommen werden sollen, so kann dies auf sehr einfache Weise dadurch erfolgen, dass die Rippenabstände verändert werden. Dies erfolgt insbesondere bei kontinuierlich schraubenlinig aufgebrachten Rippen dadurch, dass der Anstellwinkel der Bandzufuhr verändert wird.In Modern waste heat boilers are usually finned tubes nowadays as heat transfer tubes used as this is a big one Have heat transfer surface. So when making finned tubes make corrections in the current production should be done in a very simple way, that the rib spacing changed become. This is done in particular with continuous helical applied ribs characterized in that the angle of attack of the tape supply changed becomes.

Wenn also bei der Überprüfung im Vergleichsprüfstand festgestellt wird, dass beispielsweise die Wärmeübergangswerte nicht eingehalten und erheblich unterschritten werden, so können zur Kompensation die Rippenabstände verringert werden. Statt der errechneten Rippenanzahl pro Meter werden dann beispielsweise Rohre mit einer größeren Anzahl von Rippen pro Meter erzeugt. Dadurch werden die fehlerhaften Werte aus dem vorangegangenen Produktionsintervall durch die nun in der Folgezeit produzierten Wärmeübertragungsrohre überkompensiert, sodass das errech nete Gesamtergebnis wieder stimmt. Diese Verfahrensschritte werden regelmäßig bis zur endgültigen Fertigstellung der Gesamtheit der Wärmeübertragungsrohre fortgesetzt.If, therefore, it is found during the check in the test bench that, for example, the heat transfer values are not maintained and raised Lich distances can be reduced for compensation. Instead of the calculated number of fins per meter then, for example, tubes are produced with a larger number of ribs per meter. As a result, the faulty values from the previous production interval are overcompensated by the heat transfer tubes now produced in the subsequent period, so that the calculated total result is correct again. These process steps are regularly continued until the final completion of the entirety of the heat transfer tubes.

Die Entnahme einer ersten Probe soll vorzugsweise zu einem relativ frühen Zeitpunkt, beispielsweise nach der ersten Tonne gefertigter Wärmeübertragungsrohre, erfolgen. Im Anschluss daran werden Proben in größeren regelmäßigen Intervallen entnommen, beispielsweise nach jeweils 200 Tonnen gefertigter Wärmeübertragungsrohre, die unmittelbar nach der Entnahme in dem Vergleichsprüfstand überprüft werden. Die dabei ermittelten Ist-Werte dienen dann als Ausgangsbasis für die Bestimmung der Geometrie der nachfolgend produzierten Wärmeübertragungsrohre.The Taking a first sample should preferably take place at a relatively early stage, for example after the first ton of manufactured heat transfer tubes, respectively. Thereafter, samples are taken at larger regular intervals, for example after every 200 tons of manufactured heat transfer tubes, which are checked immediately after removal in the benchmark. The actual values determined in this case then serve as the basis for the determination the geometry of the subsequently produced heat transfer tubes.

Die Erfindung wird anhand eines praktischen Beispiels im Nachfolgenden im Einzelnen erläutert.The The invention will be described below by way of practical example explained in detail.

Ein Kraftwerksbetreiber plant ein neues Kraftwerk zur Stromerzeugung mit einem entsprechenden Abhitzekessel, der in seinem Innern etwa 25.000 Rippenrohre mit einer Länge von 20 m enthalten soll. Die Rippen werden auf die Rohroberfläche aufgeschweißt, wobei diese in Form einer Endlosrippe im kontinuierlichen Verfahren schraubenlinig auf den äußeren Rohrmantel aufgeschweißt werden. Der Steigungswinkel des aufgeschweißten Rippenverbandes ist so gewählt, dass beispielsweise ca. 260 Rippen pro Meter erzeugt werden. Der äußere Rippenrand ist in einer Höhe von ca. 2/3 der Rippenhöhe eingeschnitten, wobei ca. 25 bis 35 Segmente je Rippe bzw. je Rippenwindung entstehen.One Power plant operator plans a new power plant to generate electricity with a corresponding waste heat boiler, which in its interior about 25,000 Finned tubes with a length of 20 m should contain. The ribs are welded onto the pipe surface, wherein this in the form of a continuous rib in a continuous process helically on the outer pipe jacket welded become. The pitch angle of the welded ribbed dressing is like this selected that for example about 260 ribs per meter are generated. The outer rib edge is at a height incised by about 2/3 of the rib height, where about 25 to 35 segments per rib or per rib winding arise.

Die Rippenrohre sind bezüglich ihrer wärmetechnischen Werte so ausgelegt, dass eine gefordert Wärmeübertragungsleistung der Rauchgase auf das die Rippenrohre durchströmende Medium, beispielsweise Wasser und/oder Dampf, erreicht wird.The Finned tubes are re their thermal engineering Values designed to require a heat transfer performance of the flue gases on the the finned tubes flowing through Medium, such as water and / or steam, is achieved.

Bei der Herstellung der Rippenrohre halten erfahrungsgemäß allenfalls 10% der Rohrlängen die errechneten Werte in einem Toleranzfeld von ± 2,5% ein. Bei den übrigen 90% der hergestellten Rohrlängen weichen die Ist-Werte von den errechneten Soll-Werten über ± 2,5% nach oben und unten ab.at experience the production of the finned tubes hold at best 10% of the pipe lengths the calculated values within a tolerance range of ± 2.5%. For the remaining 90% the produced pipe lengths the actual values deviate from the calculated target values over ± 2.5% up and down.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Produktionsaufnahme zunächst nach den vorgegebenen errechneten Werten produziert. Bereits nach kurzer Zeit, beispielsweise nach der Produktion der ersten Tonne, werden aus der laufenden Produktion Probestücke entnommen, die in einem speziellen Rippenrohr-Teststand hinsichtlich ihrer wärmetechnischen Werte überprüft werden.at Application of the method according to the invention is at the start of production according to the predetermined produced calculated values. Already after a short time, for example after production of the first ton, will be out of production specimens taken in a special finned tube test stand regarding their thermal engineering Values are checked.

Wird dabei festgestellt, dass die vorgegebenen Wärmeübertragungswerte unterschritten werden, so wird in der folgenden Produktion die Rippenanzahl pro Meter je nach Bedarf erhöht. Bei Überschreitung der vorgegebenen Werte wird die Rippenanzahl entsprechend verringert.Becomes determined that the predetermined heat transfer values fell below in the following production the number of ribs per Meters increased as needed. When exceeded given values, the number of ribs is reduced accordingly.

Die Probeentnahme wird dann in regelmäßigen größeren Intervallen, beispielsweise nach Produktion von jeweils 200 Tonnen an Wärmeübertragungsrohren, wiederholt. Der Produktionsvorgang braucht dabei nicht unterbrochen zu werden. Stellt sich dann heraus, dass die Rohre im vorangegangenen Intervall die Soll-Werte um 10% unterschritten haben, so wird man im folgenden Intervall die Rippengeometrie so ändern, dass die Werte um 10% überschritten werden. Im darauffolgenden Intervall kann man dann wieder auf den Soll-Wert zurückgehen, bis dann erneut Abweichungen von den Soll-Werten festgestellt werden.The Sampling will then be at regular larger intervals, for example after production of each 200 tons of heat transfer tubes, repeated. The production process does not need to be interrupted. Then it turns out that the pipes in the previous interval the setpoint values 10% below, you will in the following interval the Change rib geometry like this, that the values exceeded by 10% become. In the following interval you can then back to the Set value go back, until then again deviations from the target values are detected.

Durch das neue erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die wärmetechnischen Werte eines Abhitzekessels sehr genau einzuhalten. Es brauchen dann keine unnötigen Reserven und Sicherheiten eingebaut zu werden, wodurch der Herstellungsaufwand und der Preis des Kessels erheblich reduziert werden kann. Auch wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeschlossen, dass unter ungünstigen Bedingungen die wärmetechnischen Werte des Abhitzekessels unterschritten werden, was bedeuten würde, dass das Kraftwerk niemals mit der errechneten Leistung betrieben werden könnte.By the new method according to the invention Is it possible, the thermal engineering The values of a waste heat boiler must be observed very precisely. It then need no unnecessary Reserves and collateral to be installed, reducing the manufacturing cost and the price of the boiler can be significantly reduced. Also is achieved by the method according to the invention excluded that under unfavorable Conditions of thermal engineering Values of the waste heat boiler are below, which would mean that the power plant will never be operated at the calculated power could.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also für den Kraftwerksbau eine zielgenaue Einhaltung der berechneten wärmetechnischen Werte, sodass mit minimalem technischem Aufwand optimale Betriebswerte erzielt werden können.The inventive method allows So for The power plant construction a targeted adherence to the calculated thermotechnical Values, so that optimum operating values are achieved with minimal technical effort can be achieved.

Claims (6)

Verfahren zur optimalen Bemessung der Wärmeübertragungsrohre in Abhitzekesseln von Kraftwerken, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst theoretische Berechnungen erfolgen, und zwar insbesondere für die Wärmeübertragungswerte und Druckverluste, dass die Wärmeübertragungsrohre bezüglich Abmessungen und Rippengeometrie zu Beginn der Produktion nach diesen Berechnungen gefertigt werden, dass während der Produktion der Wärmeübertragungsrohre die berechneten wärmetechnischen Werte in bestimmten Intervallen in einem Vergleichsprüfstand überprüft werden und dass bei Feststellung von Abweichungen Korrekturen bei den einzelnen Parametern vorgenommen werden.Method for optimally dimensioning the heat transfer tubes in waste heat boilers of power plants, characterized in that first theoretical calculations are carried out, in particular for the heat transfer values and pressure losses, that the heat transfer tubes are manufactured with respect to dimensions and rib geometry at the beginning of production according to these calculations, that during production the heat transfer tubes the calculated thermal values at certain intervals in ei be checked in a comparison test bench and that are made in the determination of deviations corrections to the individual parameters. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung von Abweichungen die Korrekturen in der Weise erfolgen, dass die ermittelten wärmetechnischen Werte aus den vorangegangenen Intervallen überkompensiert werden, um zu dem angestrebten Ergebnis für den gesamten Abhitzekessel zu gelangen.Method according to claim 1, characterized in that if deviations are detected, the corrections are done in the same way done that the determined thermal engineering Values from the previous intervals are overcompensated to the desired result for to get the entire waste heat boiler. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Bemessung von Rippenrohren, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturen in der laufenden Produktion insbesondere dadurch erfolgen, dass die Rippenabstände verändert werden.Method according to claim 1 or 2 for the dimensioning of Finned tubes, characterized in that the corrections in the current production in particular by the fact that the rib distances are changed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme einer ersten Probe nach der Fertigstellung der ersten Tonne der Wärmeübertragungsrohre erfolgt.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the removal of a first sample after completion of the first ton of heat transfer tubes he follows. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Entnahme der ersten Probe in Intervallen von jeweils etwa 200 Tonnen gefertigter Wärmeübertragungsrohre je eine weitere Probe entnommen und bezüglich der wärmetechnischen Werte untersucht wird.Method according to claim 4, characterized in that that following the removal of the first sample at intervals each of about 200 tons of manufactured heat transfer tubes each one more Taken sample and with respect the thermal engineering Values is examined. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenentnahme bei laufender Produktion vorgenommen wird.Method according to claim 4 or 5, characterized that the sampling is carried out during production.
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