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Die Erfindung betrifft einen Zwangdurchlaufdampferzeuger mit einer aus gasdicht verschweißten, in vertikaler Richtung durchströmbaren Dampferzeugerrohren gebildeten Umfassungswand, bei dem innerhalb der Umfassungswand ein Durchgangssammler angeordnet ist, der eine erste Mehrzahl parallel geschalteter Dampferzeugerrohre austrittsseitig mit einer zweiten, der ersten Mehrzahl seriell nachgeschalteten Mehrzahl parallel geschalteter Dampferzeugerrohre eintrittsseitig strömungsmediumsseitig verbindet. Sie betrifft weiter eine Kraftwerksanlage mit einem derartigen Dampferzeuger.
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Ein Dampferzeuger ist eine Anlage zur Erzeugung von Dampf aus einem Strömungsmedium. In einer solchen Anlage wird ein Strömungsmedium, typischerweise Wasser erhitzt und in Dampf umgewandelt. Der Dampf wird dann für den Antrieb von Maschinen oder zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet. Üblicherweise umfasst ein Dampferzeuger einen Verdampfer zur Erzeugung des Dampfes sowie einen Überhitzer, in dem der Dampf auf die für den Verbraucher benötigte Temperatur erhitzt wird. Häufig ist dem Verdampfer ein Vorwärmer zur Nutzung von Abwärme vorgeschaltet, der den Wirkungsgrad der Gesamtanlage weiter erhöht.
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Dampferzeuger sind industriell heute üblicherweise als Wasserrohrkessel ausgeführt, d. h., das Strömungsmedium ist in Dampferzeugerrohren geführt. Die Dampferzeugerrohre können dabei miteinander gasdicht verschweißt werden und so eine Umfassungswand bilden, innerhalb derer das die Wärme zuführende Heißgas geführt wird. Dampferzeuger können entweder in stehender oder liegender Bauweise ausgeführt sein, d. h., das Heißgas wird in vertikaler bzw. horizontaler Richtung geführt.
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Dampferzeuger können weiterhin als Zwangdurchlaufdampferzeuger ausgelegt sein, wobei der Durchlauf des Strömungsmediums von einer Speisepumpe erzwungen wird. Das Strömungsmedium wird dabei von der Speisepumpe in den Kessel gefördert und nacheinander werden der Vorwärmer, der Verdampfer und der Überhitzer durchströmt. Die Erwärmung des Speisewassers bis zur Sattdampftemperatur, die Verdampfung und Überhitzung erfolgen kontinuierlich in einem Durchlauf, so dass – zumindest im Volllastbetrieb – keine gesonderte Abscheideeinrichtung für Wasser und Dampf erforderlich ist. Durchlaufdampferzeuger können auch bei überkritischen Drücken betrieben werden. Die Definitionen der einzelnen Heizflächen Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer sind streng genommen bei dieser Betriebsweise nicht mehr sinnvoll, da ein kontinuierlicher Phasenübergang stattfindet.
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Verschiedene technische Ausgestaltungen von Zwangsdurchlaufdampferzeugern mit senkrechter Berohrung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise zeigt die
DE 35 44 504 A1 eine Rohranordnung, bei der die Wandrohre im Brennerbereich vertikal und im oberen Teil der Brennkammer schräg in Form einer Schrauben-(Spiral-) oder Treppenwicklung verlaufen, wobei die Verhältnisse so gewählt sind, dass der Verdampfungsbeginn möglichst bei allen Lasten in den vertikalen Rohren liegt. Im Konvektionskanal gehen die Spiralrohre dann wieder in vertikale Rohre über. Weitere fossil befeuerte Durchlaufdampferzeuger mit senkrechter Berohrung bestehend aus einer Vielzahl parallel geschalteter Rohre sind in den Druckschriften
DE 21 44 675 C3 ,
DE 196 45 748 A und
EP 1 752 707 A2 beschrieben.
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In einer Variante des senkrecht berohrten Durchlaufdampferzeugers ist die Berohrung der Umfassungswand in einen unteren und einen oberen Abschnitt unterteilt, wobei der untere Abschnitt eine erste Mehrzahl parallel geschalteter Dampferzeugerrohre umfasst und der obere Abschnitt eine zweite, der ersten Mehrzahl seriell nachgeschaltete Mehrzahl parallel geschalteter Dampferzeugerrohre. Der untere und der obere Abschnitt sind durch einen Durchgangssammler miteinander verbunden. Dadurch wird einerseits ein Druckausgleich zwischen den parallel geschalteten Dampferzeugerrohren erreicht, andererseits auch eine zumindest partielle Durchmischung des Strömungsmediums aus unterschiedlichen Dampferzeugerrohren.
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Bei derartigen Durchlaufdampferzeugern mit in vertikaler Richtung durchströmbaren Dampferzeugerrohren und Durchgangssammler wurde nunmehr festgestellt, dass einzelne Rohre des oberen Abschnitts der Umfassungswand unzulässig hohe Temperaturen annehmen können, was unter Umständen zu einer Zerstörung der Rohrwand führen kann. Dabei ist das Auftreten dieser überhöhten Temperaturen an bestimmte Betriebsparameter geknüpft.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Zwangdurchlaufdampferzeuger der oben genannten Art anzugeben, der unabhängig vom Betriebszustand eine besonders lange Lebensdauer und eine besonders geringe Reparaturanfälligkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die Auslegungsparameter der dem Durchgangssammler nachgeschalteten Dampferzeugerrohre derart gewählt sind, dass die mittlere Massenstromdichte in den parallel geschalteten Dampferzeugerrohren der Umfassungswand bei Volllast des Dampferzeugers nicht unter 1200 kg/m2s liegt.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Überhitzung einzelner Dampferzeugerrohre auf eine unzureichende Ableitung der eintretenden Wärme durch Strömungsmedium zurückzuführen ist. Eine unzureichende Wärmeabfuhr tritt dann auf, wenn das betreffende Dampferzeugerrohr einen zu niedrigen Massenstrom aufweist. Bei einer ausgeprägten Naturumlaufcharakteristik ist bei sehr niedrigem Eintrittsdampfgehalt und sehr geringer Wärmezufuhr der hydrostatische Druckabfall in diesen Rohren bereits annähernd so groß oder gleich groß wie die gesamte Druckdifferenz zwischen Eintritt und Austritt des Dampferzeugerrohrs. Die verbleibende Druckdifferenz als treibende Kraft der Strömung ist demnach sehr gering oder verschwindet ganz, so dass im schlimmsten Fall die Strömung stagniert.
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Zwar sollte der Durchgangssammler einen gewissen Ausgleich zwischen den ihm nachgeschalteten Rohren bewirken, um diesen Effekt abzuschwächen. Es wurde jedoch erkannt, dass der Durchgangssammler zwar einen vollständigen Druckausgleich bewirkt, jedoch keine vollständige Durchmischung des eintretenden Strömungsmediums, die zu einem Ausgleich von Wasser- und Dampfanteil in den ihm nachgeschalteten Dampferzeugerrohren führen würde. Aufgrund des niedrigen Dampfgehalts aus den schwächer beheizten Dampferzeugerrohren des unteren Abschnitts sowie zusätzlicher lokaler Entmischungsphänomene im Sammler kann somit trotzdem am Eintritt in einzelne Rohre der oberen Senkrechtbohrung in bestimmten Betriebszuständen der Dampfgehalt gegen Null gehen. Somit sollte dieses Phänomen durch eine ausreichende Abschwächung der Naturumlaufcharakteristik vermieden werden.
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Dies ist besonders einfach ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen an Einzelrohren durch eine geeignete Wahl der Auslegungsparameter der dem Durchgangssammler nachgeschalteten Dampferzeugerrohre möglich. Da diese jedoch nicht gezielt für bestimmte Betriebszustände anpassbar sind, sondern über den gesamten Lastbereich des Dampferzeugers konstant bleiben, sollten zur einfachen Auslegung entsprechende Kriterien bei Volllast gefunden werden. Wie erfinderisch erkannt wurde, ist eine ausreichende Abschwächung der Naturumlaufcharakteristik dadurch erreichbar, indem die Auslegungsparameter derart gewählt sind, dass die mittlere Massenstromdichte in den parallel geschalteten Dampferzeugerrohren der Umfassungswand bei Volllast des Dampferzeugers nicht unter 1200 kg/m2s liegt.
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In jeweils vorteilhafter Ausgestaltung kommen die Anzahl und/oder der Innendurchmesser der Dampferzeugerrohre als Parameter bei der Auslegung der Massenstromdichte der Umfassungswand in Betracht. Diese Parameter beeinflussen die Strömungscharakteristik innerhalb der Umfassungswand nämlich wesentlich und sind zugleich ohne besonderen Aufwand bei der Konstruktion des Dampferzeugers beeinflussbar.
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Die Umfassungswand eines Dampferzeugers in stehender Bauweise kann unterschiedliche horizontale Querschnitte aufweisen. Eine besonders einfache Konstruktion ist möglich, wenn der Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ist. Bei derartigen Dampferzeugern sind insbesondere die in den Eckbereichen angeordneten Dampferzeugerrohre besonders schwach beheizt, da sie am weitesten vom Zentrum des Heißgaskanals entfernt sind und gleichzeitig eine besonders geringe Wärmeeintragsfläche aufweisen. Dadurch kann der Dampfgehalt einzelner Eckrohre des unteren Abschnitts der Senkrechtberohrung gegen Null gehen, so dass hier ein ungleichmäßig verteiltes Wasser-Dampf-Gemisch in den Zwischensammler eintritt. Da der Zwischensammler auch hier keine ausreichende Durchmischung bewirkt, kann der Massenstrom in den nachgeschalteten Eckrohren zum Erliegen kommen und der Wärmeabtransport damit unzureichend sein. Gerade bei einem derartigen Dampferzeuger ist es daher von besonderem Vorteil, die Auslegungsparameter der dem Durchgangssammler nachgeschalteten Dampferzeugerrohre derart zu wählen, dass die mittlere Massenstromdichte in den parallel geschalteten Dampferzeugerrohren der Umfassungswand bei Volllast des Dampferzeugers nicht unter 1200 kg/m2s liegt.
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Der Durchgangssammler kann durchgängig horizontal umlaufend angeordnet sein, d. h., er verbindet sämtliche unterhalb beziehungsweise oberhalb angeordneten Dampferzeugerrohre der Umfassungswand miteinander. Trotz des vollständigen Druckausgleichs über alle Rohre können dennoch Entmischungen von Wasser- und Dampfanteil auftreten. Vorteilhafterweise sind daher auch bei einem derartigen Zwangdurchlaufdampferzeuger die dem Durchgangssammler nachgeschalteten Dampferzeugerrohre derart ausgelegt, dass die mittlere Massenstromdichte in den parallel geschalteten Dampferzeugerrohren der Umfassungswand bei Volllast des Dampferzeugers nicht unter 1200 kg/m2s liegt.
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Die Berohrung unterhalb des Durchgangssammlers kann spiralförmig umlaufend ausgestaltet sein. Die Rohre verlaufen als um die gesamte Umfassungswand umlaufend. Zwar bedingt dies eine komplexere Konstruktion und auch eine geringere Anzahl von Dampferzeugerrohren im unteren Bereich, allerdings werden dadurch Beheizungsunterschiede in verschiedenen Bereichen der Umfassungswand weitgehend ausgeglichen. Dennoch wurde erkannt, dass es auch bei einer derartigen Konstruktion im Durchgangssammler zu zufälligen lokalen Entmischungen kommen kann, die die oben beschriebenen Probleme des zu geringen Massenstroms in den dem Durchgangssammler nachgeschalteten Rohren verursachen. Daher sind auch bei einer derartigen Konstruktion die dem Durchgangssammler nachgeschalteten Dampferzeugerrohre derart ausgelegt, dass die mittlere Massenstromdichte in den parallel geschalteten Dampferzeugerrohren der Umfassungswand bei Volllast des Dampferzeugers nicht unter 1200 kg/m2s liegt.
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Bei fossil befeuerten Dampferzeugern erfolgt der Wärmeeintrag in die Dampferzeugerrohre der Brennkammer nicht ausschließlich konvektiv, sondern ein Großteil des Wärmeanteils wird durch Wärmestrahlung in die Dampferzeugerrohre eingebracht. Insbesondere bei derartigen Dampferzeugern können daher die Unterschiede in der Beheizung einzelner Dampferzeugerrohre besonders groß sein. Daher weist vorteilhafterweise ein Dampferzeuger mit einer eine Anzahl von Brennern für fossilen Brennstoff aufweisenden Brennkammer eine entsprechende Auslegung der Massenstromdichte der Dampferzeugerrohre der Umfassungswand bei Volllast auf.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist dem Zwangdurchlaufdampferzeuger eine Dampfturbine beispielsweise zur Stromerzeugung strömungsmediumsseitig nachgeschaltet. Weiterhin weist eine Kraftwerksanlage vorteilhafterweise einen derartigen Dampferzeuger auf.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die entsprechende Wahl der Auslegungsparameter der dem Durchgangsammler nachgeschalteten Dampferzeugerrohre der Umfassungswand ein ausreichender Wärmeabtransport in jedem Rohr gewährleistet ist und somit unzulässig hohe Temperaturen, die zu Beschädigungen der Rohrwand führen können, vermieden werden. Dabei beruht diese Maßnahme auf der Erkenntnis, dass auch in einem Zwangdurchlaufdampferzeuger eine nicht zu vernachlässigende Naturumlaufcharakteristik vorhanden ist, die durch eine vorgegebene Mindestmassenstromdichte bei Volllast abgeschwächt wird. Letztlich werden dadurch Einschränkungen im Betrieb einer Kraftwerksanlage vermieden.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 schematisch einen senkrecht berohrten Zwangdurchlaufdampferzeuger mit Durchgangssammler, und
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2 eine grafische Darstellung der Massenstromdichte und der Fluidtemperatur am Austritt eines vergleichsweise schwach beheizten Eckrohres des Zwangdurchlaufdampferzeugers mit unterschiedlichen Massenstromdichteauslegungen bei Volllast.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch einen fossil befeuerten, senkrecht berohrten Zwangdurchlaufdampferzeuger 1 gemäß der Erfindung. Der Zwangdurchlaufdampferzeuger 1 umfasst eine aus gasdicht verschweißten Dampferzeugerrohren 2 gebildete Umfassungswand 4. Die Umfassungswand 4 weist dabei einen im Wesentlichen rechteckigen horizontalen Querschnitt 6 auf. Im unteren Bereich des Zwangdurchlaufdampferzeugers 1 ist eine Brennkammer 8 mit einer Anzahl von nicht näher dargestellten Brennern zur Verbrennung eines fossilen Brennstoffs angeordnet, die die Wärmezufuhr zu den Dampferzeugerrohren 4 bereitstellen.
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Die Umfassungswand 4 ist in einen oberen Abschnitt 10 und einen unteren Abschnitt 12 unterteilt, wobei die Abschnitte 10 und 12 über einen Durchgangssammler 14 miteinander verbunden sind. Die Berohrung im unteren Abschnitt 12 ist hier senkrecht angeordnet, kann aber auch spiralförmig um die Umfassungswand umlaufend angeordnet sein. Der Durchgangssammler 14 sammelt das gesamte aus den Dampferzeugerrohren 2 des unteren Abschnitts 12 austretende Strömungsmedium und ermöglicht so einen Druckausgleich zwischen den parallel geschalteten Dampferzeugerrohren 2. Anschließend wird das Strömungsmedium aus dem Durchgangssammler 14 in die Dampferzeugerrohre 2 des oberen Abschnitts 10 eingeleitet, wo es weiter erwärmt und gegebenenfalls überhitzt wird. Der überhitzte Dampf wird nach weiterer Überhitzung in nicht dargestellten Heizflächen einer nicht näher dargestellten Dampfturbine in einer Kraftwerksanlage zugeführt.
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Die durch die Brenner erzeugte Wärme wird weitestgehend über Wärmestrahlung durch die Dampferzeugerrohre 2 aufgenommen. Insbesondere in den Eckrohren 16 des unteren Abschnitts 12 ist aufgrund ihrer Lage in der größten Entfernung zum Zentrum des Zwangdurchlaufdampferzeugers 1 und aufgrund der geometrischen Anordnung der besonders gering mit Wärme beaufschlagten Oberfläche der Wärmeeintrag so gering, dass das aus den Eckrohren 16 des unteren Abschnitts 12 in den Durchgangssammler 14 eintretende Strömungsmedium einen vergleichsweise geringen Dampfgehalt aufweist.
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Der Durchgangssammler 14 bewirkt nun zwar einen vollständigen Druckausgleich, jedoch keine vollständige Durchmischung des eintretenden Strömungsmediums. Aufgrund des beschriebenen niedrigen Dampfgehalts am Austritt aus den Eckrohren 16 des unteren Abschnitts 12 sowie zusätzlicher lokaler Entmischungsphänomene im Durchgangssammler 14 kann der Dampfgehalt am Eintritt in einzelne Dampferzeugerrohre 2 des oberen Abschnitts 10 sehr gering werden. Je nach Betriebszustand des Zwangdurchlaufdampferzeugers 1 kann dies bei einer unvorteilhaften Auslegung der Berohrung des oberen Abschnitts 10 zu einem deutlichen Einbruch der Durchströmung einzelner Dampferzeugerrohre 2 bis hin zur Stagnation führen. Dies wiederum kann einen unzureichenden Wärmeabtransport und unzulässig hohe Fluidtemperaturen zur Folge haben, so dass letztlich die Rohrwand unzulässig hohe Temperaturen annimmt und zerstört wird.
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Zur Vermeidung einer derartigen Beschädigung sind die dem Durchgangssammler 14 nachgeschalteten Dampferzeugerrohre 2 im oberen Abschnitt 10 für eine mittlere Massenstromdichte von 1230 Kilogramm pro Quadratmeter und Sekunde (kg/m2s) ausgelegt. Dadurch wird der Gesamtdruckverlust für alle parallelen Rohre erhöht. Dies führt dazu, dass der hydrostatische Druckabfall in den jeweiligen Dampferzeugerrohren 2, insbesondere in den Eckrohren 16 relativ gesehen reduziert wird. Somit bleibt stets eine ausreichende Druckdifferenz als treibende Kraft der Stromung vorhanden. Dieser Effekt wird anhand der 2 verdeutlicht:
2 zeigt eine grafische Darstellung der Parameter des Strömungsmediums in einem Eckrohr 16 des oberen Abschnitts 10 für verschiedene Auslegungen mittlerer Massenstromdichte der Berohrung des oberen Abschnitts 10 bei Volllast, und zwar bei vergleichsweise geringer Wärmezufuhr und für einen Teillastbetrieb des Dampferzeugers 1. Die linke Skala zeigt die Massenstromdichte im Eckrohr 16 in kg/m2s, in die rechte Skala zeigt die Fluidtemperatur am Austritt des Eckrohres 16 in Grad Celsius (°C), jeweils aufgetragen gegen den Dampfanteil des Strömungsmediums am Rohreintritt.
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Kurvenzug 20 zeigt die Massenstromdichte im Eckrohr 16 bei einer Auslegung der Berohrung für eine mittlere Massenstromdichte bei Volllast von 870 kg/m2s. Der Abfall des Kurvenzugs 20 zur linken Seite der grafischen Darstellung zeigt deutlich, wie hin zu geringeren Dampfanteilen die Massenstromdichte im Eckrohr 16 abnimmt. Bei einem Dampfanteil von 0 sinkt die Massenstromdichte auf einen Wert von 40 kg/m2s ab, was praktisch einer Stagnation der Strömung im Rohr gleichkommt. Ein ausreichender Wärmeabtransport im Rohr ist nicht mehr gewährleistet und entsprechend steigt die Temperatur des Strömungsmediums und damit des Eckrohres 16 ab einem Dampfanteil von etwa 0,2 signifikant an, wie Kurvenzug 22 darstellt.
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Eine Auslegung der Dampferzeugerrohre 2 des oberen Abschnitts 10 für eine mittlere Massenstromdichte bei Volllast von über 1200 kg/m2s, im Ausführungsbeispiel 1230 kg/m2s reduziert jedoch wie oben beschrieben die Naturumlaufcharakteristik und vermindert so einen übermäßigen relativen hydrostatischen Druckabfall im Eckrohr 16. Kurvenzug 24 zeigt zwar auch, dass hin zu niedrigeren Dampfgehalten die Massenstromdichte in Eckrohr 16 abnimmt. Dabei bleibt aber der Wert der Massenstromdichte auch bei einem Dampfanteil von 0 auf einem wesentlich höheren Wert (hier 330 kg/m2s) als in einer Anordnung mit Auslegung für eine mittlere Massenstromdichte bei Volllast von 870 kg/m2s. Wie Kurvenzug 26 verdeutlicht, führt dies dazu, dass bei jedwedem Dampfgehalt ein ausreichender Wärmeabtransport im Eckrohr 16 gewährleistet ist, d. h., die Temperatur nur in geringem Maße ansteigt oder konstant bleibt. Dadurch werden Beschädigungen der Umfassungswand 4 im oberen Bereich 10 durch übermäßige Temperaturen vermieden und es wird eine insgesamt höhere Lebensdauer des Zwangdurchlaufdampferzeugers 1 erreicht.
