-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers mit einem Verdampfer, bei dem ein Speisemassenstrom eines Strömungsmediums mit Hilfe einer Speisepumpe dem Verdampfer zugeführt und dort zumindest teilweise verdampft wird, wobei nicht verdampftes Strömungsmedium in einem dem Verdampfer nachgeschalteten Abscheider abgeschieden und ein Umwalzmassenstrom des abgeschiedenen Stromungsmediums mit Hilfe einer Umwälzpumpe in den Verdampfer zurück gefuhrt wird, so dass sich der als Verdampfermassenstrom bezeichnete Massenstrom des den Verdampfer durchströmenden Stromungsmediums additiv aus dem Speisemassenstrom und dem Umwälzmassenstrom zusammensetzt. Die Erfindung betrifft ferner einen zur Durchführung des Verfahrens ausgelegten Dampferzeuger.
-
Bei einem Zwangdurchlaufdampferzeuger wird der Durchlauf des üblicherweise in Form von Speisewasser zugespeisten Stromungsmediums durch den in der Regel vorgesehenen Vorwarmer, den Verdampfer und den Uberhitzer durch eine entsprechend leistungsstarke Speisewasserpumpe, kurz Speisepumpe erzwungen. Somit erfolgt die Erwarmung des Strömungsmediums bis zur Sattdampftemperatur, die Verdampfung und anschließende Überhitzung kontinuierlich in einem Durchlauf, so dass keine Trommel benötigt wird. Im Gegensatz zu einem Dampferzeuger, der für einen Naturumlaufbetrieb ausgelegt ist, kann ein Zwangdurchlaufdampferzeuger auch im uberkritischen Bereich bei Drücken von 230 bar und mehr betrieben werden. Mit Zwangdurchlaufkesseln können sehr große Dampfleistungen auf relativ kleinem Raum erzeugt werden. Da die Menge an Stromungsmedium im System relativ gering ist, hat das System eine geringe Trägheit und erlaubt so eine schnelle Reaktion auf Laständerungen.
-
Befeuerte Zwangdurchlaufverdampfer mit spiralförmig um eine Brennkammer gewundenen Verdampferrohren (so genannte Spiralberohrung) werden gewohnlich fur eine Massenstromdichte des durch die Verdampferrohre geführten Strömungsmediums von ca. 2000 kg/(sm2) bei 100% Last (Volllast) ausgelegt. Entsprechend den bislang üblichen Auslegungsrichtlinien soll die Massenstromdichte in einem Verdampfer mit Glattrohren bei Teillast einen Wert von etwa 800 kg/(sm2) nicht unterschreiten, um Kuhlungsprobleme an den Rohrwanden durch eine Schichtung der Strömung zu vermeiden. Dieser Wert entspricht bei der oben genannten Volllastmassenstromdichte von 2000 kg/(sm2) einem Lastwert von 40% der Volllast. Dies ist dann auch der Lastfall, für den der Verdampfermindestmassenstrom definiert wird. Im Anfahr- und Schwachlastbetrieb wird durch die Speisewasserregelung sichergestellt, dass dem Verdampfer immer dieser Verdampfermindestmassenstrom zugeführt wird.
-
Nicht verdampftes Wasser, welches gerade im Anfahr- und Schwachlastbetrieb anfällt, wird üblicherweise in einem dem Verdampfer nachgeschalteten Wasserabscheider (kurz: Abscheider) vom Dampf getrennt und zu einem Wassersammelgefäß (der so genannten Sammelflasche oder kurz Flasche) geführt, während der Dampf in der Regel einem Überhitzer zugefuhrt wird. Vielfach wird eine Umwälzpumpe verwendet, um das abgeschiedene Wasser zu rezirkulieren und vor dem auch als Economiser bezeichneten Speisewasservorwärmer in den Speisewassermassenstrom (kurz: Speisemassenstrom) einzubinden, es also letztlich wieder zum Verdampfereinlass zuruckzuführen. Der Verdampfermassenstrom setzt sich in diesem Fall additiv aus dem Speisemassenstrom und dem auch als Rezirkulationsmassenstrom bezeichneten Umwälzmassenstrom zusammen.
-
Bei einer bislang ublichen Betriebsweise wird beim Anfahren der Speisemassenstrom stetig erhöht, während der Umwälzmassenstrom in gleichem Maße herunter geregelt wird. Folglich muss in dem oben genannten Beispiel die Umwälzpumpe für eine vergleichsweise hohe Umwalzmassenstromdichte von ca. 800 kg/(ms2) entsprechend 40% des Volllastwertes der Verdampfermassenstromdichte ausgelegt sein, denn im Nulllastbetrieb oder knapp oberhalb davon wird beinahe der gesamte Verdampfermassenstrom durch den Umwälzmassenstrom gebildet. Dieser vergleichsweise hohe Auslegungsmassenstrom der Umwälzpumpe fuhrt dazu, dass die Umwälzpumpe vergleichsweise leistungsstark und groß dimensioniert sein muss und dementsprechend mit hohen Anschaffungskosten verbunden ist.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers der oben genannten Art anzugeben, das die genannten Nachteile vermeidet, mithin bei gering gehaltenen Anschaffungs- und Betriebskosten für einen effektiven und sicheren Teillastbetrieb mit ausreichender Kühlung der Verdampferrohre ausgelegt ist. Des Weiteren soll ein zur Durchfuhrung des Verfahrens besonders geeigneter Durchlaufdampferzeuger angegeben werden.
-
In Bezug auf das Verfahren wird die genannte Aufgabe erfindungsgemaß gelöst, indem
-
- – in einem Niedriglastintervall der Speisemassenstrom mit steigender Last erhöht wird, während der Umwälzmassenstrom im Wesentlichen konstant gehalten wird,
- – in einem Mittellastintervall der Speisemassenstrom mit steigender Last weiter erhoht und der Umwälzmassenstrom bis auf null verringert wird, und
- – gegebenenfalls in einem Hochlastintervall der Speisemassenstrom mit steigender Last weiter erhöht und der Umwalzmassenstrom auf null gehalten wird.
-
Der Betrieb im Hochlastintervall wird als Durchlaufbetrieb bezeichnet, weil im Abscheider kein Wasser mehr anfallt.
-
Die Bezugnahme auf den Fall steigender Last erfolgt hier lediglich zum Zweck einer eindeutigen Definition; die Regelungscharakteristik gilt analog auch für den Fall sinkender Last. Dies bedeutet beispielsweise, dass im Niedriglastintervall der Speisemassenstrom mit sinkender Last verringert wird etc.
-
Die Erfindung geht von der Uberlegung aus, dass es zwar prinzipiell möglich ware, auf den Rezirkulationskreisklauf mit der Umwälzpumpe zu verzichten, mithin das im Abscheider abgeschiedene Wasser beim Anfahren und im Schwachlastbetrieb einfach abzuleiten und zu verwerfen (sogenannter Ablaufbetrieb). Dies wäre jedoch unter thermodynamischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten nachteilig und würde daruber hinaus – wegen der geringeren Fluidtemperaturen am Eintritt von Economiser und Verdampfer und der somit geringeren Produktion von kühlend auf die Heizflächen wirkendem Dampf – zu einer unerwünschten Erhöhung der thermischen Belastung der dem Verdampfer nachgeschalteten Uberhitzerheizflächen beim Anfahrbetrieb fuhren.
-
Die vorliegende Erfindung lost sich von den bislang gültigen und als betriebsbewährt angesehenen Auslegungsrichtlinien für den Umwalzmassenstrom. Es wurde namlich uberraschenderweise gefunden, dass der Auslegungsmassenstrom fur die Umwälzpumpe zumindest in einem Niedriglastintervall gegenuber dem bisherigen Kenntnisstand deutlich verringert werden kann, ohne irgendwelche Nachteile hinnehmen zu mussen. Insbesondere kann in der Nähe des Nulllastzustandes der – in diesem Fall fast ausschließlich durch den Umwälzmassenstrom bewerkstelligte – Verdampfermindestmassenstrom gegenuber dem bislang festgesetzten Wert halbiert werden. Dabei konnte die Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung der Verdampferrohre unter diesen Bedingungen – auch dann, wenn sie als Glattrohre ausgeführt sind – durch entsprechende thermohydraulische Berechnungen und Simulationen nachgewiesen werden. Zu höheren Lastbereichen hin werden dann wieder die bislang gebräuchlichen Werte für den Verdampfermindestmassenstrom vorgegeben und durch entsprechende Regelung des Speisemassenstroms und des Umwalzmassenstroms erreicht. Der Übergang zwischen den beiden Regelszenarien erfolgt vorzugsweise stetig, insbesondere linear.
-
Vorteilhafterweise wird im Niedriglastintervall der Speisemassenstrom linear mit steigender Last erhoht. Bei konstant gehaltenem Umwälzmassenstrom bedeutet dies, dass der gesamte Verdampfermassenstrom – wie bereits erwähnt die Summe aus Speisemassenstrom und Umwälzmassenstrom – linear mit der Last ansteigt.
-
Vorzugsweise wird auch im Mittellastintervall der Speisemassenstrom linear mit steigender Last erhöht, während der Umwälzmassenstrom bevorzugt linear mit steigender Last verringert wird. In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird dabei der Umwälzmassenstrom im gleichen Maße verringert, wie der Speisemassenstrom erhöht wird. Dies bedeutet, dass die Summe aus beiden Massenstromen, nämlich der Verdampfermassenstrom, im Mittellastintervall konstant bleibt.
-
Zweckmäßigerweise beginnt das Niedriglastintervall bei Nulllast und endet bevorzugt bei ungefahr 20% der auslegungsgemaß vorgesehenen Volllast. An das Niedriglastintervall schließt sich zweckmäßigerweise unmittelbar das Mittellastintervall an, welches bevorzugt bei ungefähr 40% der auslegungsgemaß vorgesehenen Volllast endet.
-
In besonders bevorzugter Auslegung wird der Umwälzmassenstrom im Niedriglastintervall auf ungefähr 20% des Volllastwertes des Verdampfermassenstroms eingestellt. Dabei ist im Niedriglastintervall ein Wert der Umwalzmassenstromdichte von ungefahr 400 kg/(sm2) besonders vorteilhaft, entsprechend einer Verdampfermassenstromdichte bei Volllast von etwa 2000 kg/(sm2).
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung werden der Umwälzmassenstrom und der Speisemassenstrom im Mittellastintervall derart eingestellt, dass der Verdampfermassenstrom in diesem Intervall stets mindestens 40% des Volllastwertes erreicht. Besonders bevorzugt ist dabei der Fall, dass der Verdampfermassenstrom in diesem Lastintervall durch gegenläufige Veranderung von Speisestrom und Umwälzstrom konstant gehalten wird (siehe oben).
-
In Bezug auf den Durchlaufdampferzeuger wird die eingangs genannte Aufgabe gelost durch einen Durchlaufdampferzeuger mit einem Verdampfer, dem stromungsmediumseitg eine Speisepumpe vorgeschaltet und ein Abscheider für nicht verdampftes Stromungsmedium nachgeschaltet ist, wobei der Abscheider über eine Rückführungsleitung, in die eine Umwälzpumpe geschaltet ist, mit dem wasserseitigen Dampferzeugereinlass verbunden ist, und wobei eine elektronische Steuerungs- oder Regelungseinheit für die Speisepumpe und die Umwalzpumpe vorgesehen ist, die die Verfahrensschritte des oben beschriebenen Verfahrens ausführt.
-
Wie eingangs bereits angedeutet, mündet die Ruckführungsleitung zweckmäßigerweise stromabwarts der Speisepumpe und stromaufwärts des Speisewasservorwarmers in die Speiseleitung. Der Abscheider ist also (mittelbar) über den Speisewasservorwärmer mit dem Verdampfereinlass verbunden.
-
In der Steuerungs- oder Regelungseinheit ist zu dem genannten Zweck vorteilhafterweise ein entsprechendes Steuerungs- oder Regelungsprogramm hardwaremäßig und/oder softwaremäßig implementiert. Uber geeignete Stellwertgeber wirkt die Steuerungs- oder Regelungseinheit gemäß vorheriger Bedieneingabe (etwa: Anfahren, Herunterfahren, Teillastbetrieb etc.) auf die Speisepumpe und die Umwälzpumpe ein und steuert deren Förderleistung, sprich den jeweiligen Durchsatz von Stromungsmedium (Speisewasser und abgeschiedenes Wasser aus dem Verdampfer). Uber geeignete Messwertgeber oder Sensoren wird der Steuerungs- oder Regelungseinheit zweckmaßigerweise der Istwert relevanter Betriebsgrößen zugefuhrt, so dass bei Abweichung vom gewünschten Sollwert eine entsprechende Nachregelung erfolgen kann.
-
Der Durchlaufdampferzeuger wird vorzugsweise direkt durch eine Anzahl von Brennern befeuert. Er weist vorzugsweise eine Brennkammer bzw. einen Gaszug auf, dessen Umfassungswand aus einer Vielzahl von gasdicht miteinander verschweißten Verdampferrohren gebildet ist, wobei zumindest ein Teilbereich der Umfassungswand den eigentlichen Verdampfer bildet (neben gegebenenfalls weiteren Bereichen, die den Speisewasservorwarmer oder den Uberhitzer bilden). Der Gaszug ist bevorzugt als Vertikalgaszug ausgestaltet und weist zumindest in der Verdampfersektion eine Spiralberohrung, das heißt sich spiral- oder helixartig innerhalb der Umfassungswand um die Langsachse des Gaszugs windende Verdampferrohre, auf. Bei den Verdampferrohren handelt es sich bevorzugt um Glattrohre; es sind aber auch mit einer Innenberippung versehene Rohre denkbar.
-
Bei Verwendung von innenberippten Rohren in Spiralverdampfern kann die Mindestmassenstromdichte bei der höchsten Last im Umwälzbetrieb von dem typischen Wert für Glattrohre von 800 kg/(sm2) auf etwa 500 kg/(sm2) reduziert werden. Daher kann ein Verdampfer mit innenberippten Rohren bei Lasten oberhalb von 25% der Volllast im Durchlaufbetrieb gefahren werden, wenn die Volllastmassenstromdichte des Verdampfers bei 2000 kg/(sm2) liegt. Auch bei der Verwendung von innenberippten Rohren in einem Spiralverdampfer kann die Umwälzpumpe erfindungsgemäß besonders kompakt dimensioniert werden. Bei einem Spiralverdampfer mit innenberippten Rohren liegt der Ubergang vom Umwälz- in den Durchlaufbetrieb bei etwa 25% Last anstatt bei 40% Last. Die vorherigen und folgenden Beschreibungen, die zahlenmäßig für einen Verdampfer mit Glattrohren ausgelegt sind, lassen sich unter Berucksichtigung dieser Randbedingung auf einen Verdampfer mit innenberippten Rohren übertragen.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die bewusste Abkehr von bislang einschlägigen Auslegungsprinzipien ein Betrieb eines Zwangdurchlaufdampferzeugers mit Rückforderung des am oder nach dem Verdampfer abgeschiedenen flüssigen Stromungsmediums (Wasser) in den Speisewasservorwärmer ermöglicht wird (so genanntes Zwanglauf-Mischsystem), bei dem trotz vergleichsweise niedrig gewähltem Umwalzmassenstrom in der Nähe des Nulllastbereiches eine hohe betriebliche Sicherheit und ausreichende Rohrkühlung gewahrleistet ist. Die Umwalzpumpe kann in diesem Fall besonders kompakt dimensioniert und entsprechend kostengünstig in der Anschaffung sein.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen in jeweils stark vereinfachter und schematisierter Darstellung:
-
1 ein Blockschaltbild eines Durchlaufdampferzeugers,
-
2 ein Diagramm, in dem verschiedene fur den Durchfluss von Stromungsmedium durch entsprechende Komponenten des Durchlaufdampferzeugers charakteristische und für seine bisherige Betriebssteuerung maßgebliche Kennlinien als Funktion der Last aufgetragen sind, und
-
3 ein weiteres derartiges Diagramm, wobei der Kennlinienverlauf einer neuartigen, erfindungsgemaß verbesserten Betriebssteuerung entspricht.
-
Der in 1 dargestellte Durchlaufdampferzeuger 2 umfasst einen Verdampfer 4 zur Verdampfung eines Strömungsmediums M, dem ein auch als Economiser bezeichneter Speisewasservorwärmer 6 strömungsmediumseitig vorgeschaltet ist. Der Verdampfer 4 umfasst eine Mehrzahl von stromungsmaßig parallel geschalteten, gasdicht miteinander verschweißten und als Glattrohren ausgeführten Dampferzeugerrohren, die nach Art einer Spiralberohrung einen Bereich einer Umfassungswand einer Brennkammer bilden, welche uber eine Anzahl von Brennern beheizt wird (hier nicht im Detail dargestellt). Dem Verdampfer 4 ist ein Überhitzer 8 mit einer Anzahl von Überhitzerheizflächen stromungsmediumseitig nachgeschaltet. Beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 2 wird dem Speisewasservorwärmer 6 über die Speiseleitung 10 mit Hilfe einer Speisepumpe 12 das Strömungsmedium M in Form von Speisewasser S zugefuhrt, im Speisewasservorwarmer 6 vorgewarmt, anschließend über den Verdampfereintritt 14 in den Verdampfer 4 geleitet und dort verdampft. Der den Verdampfer 4 über den Verdampferaustritt 16 verlassende Dampf D wird schließlich im Uberhitzer 8 uberhitzt und danach seiner vorgesehenen Verwendung, beispielsweise in einer Dampfturbine, zugeführt.
-
Beim Teillastbetrieb, insbesondere beim Anfahren oder beim Herunterfahren des Durchlaufdampferzeugers 2, wird das Strömungsmedium M im Verdampfer 4 nicht vollständig verdampft, sondern es verbleibt am Verdampferaustritt 16 ein Anteil an unverdampftem, flüssigem Stromungsmedium M, nämlich Wasser W. Dieser Wasseranteil wird in einem strömungsmediumseitig zwischen den Verdampfer 4 und den Überhitzer 8 geschalteten Abscheider 18 vom Dampfanteil, der zum Überhitzer 8 weitergeleitet wird, getrennt und abgeschieden. Das abgeschiedene Wasser W wird in einem mit dem Abscheider 18 verbundenen Sammelgefäß 20 gesammelt und von dort je nach Betriebszustand in unterschiedlichem Maße über eine Ruckführungsleitung 22 zum Eintritt des Speisewasservorwarmers 6 zuruck geführt. Zu diesem Zweck ist in die Rückführungsleitung 22 eine Umwalzpumpe 24 geschaltet, und die Rückführungsleitung 22 ist stromabwärts der Speisepumpe 12 und stromaufwärts des Speisewasservorwärmers 6 an die Speiseleitung 10 angeschlossen. Uberschussiges Wasser W wird aus dem Sammelgefäß 20 über eine Ableitung 26 abgeleitet.
-
Der den Verdampfer 4 durchströmende Massenstrom an Stromungsmedium M, namlich der Verdampfermassenstrom VM, setzt sich damit additiv aus dem Massenstrom an zugeführtem Speisewasser S, namlich dem Speisemassenstrom SM, und dem Massenstrom an mit Hilfe der Umwalzpumpe 24 zuruck zirkuliertem, zuvor abgeschiedenem Wasser W, nämlich dem Umwälzmassenstrom UM, zusammen. Anstelle der Bezeichnung Massenstrom wird umgangssprachlich auch die Bezeichnung Durchfluss verwendet.
-
Eine auf die Speisepumpe 12 und die Umwälzpumpe 24 sowie gegebenenfalls auf hier nicht dargestellte Stell- oder Regelventile im Leitungssystem des Stromungsmediums M einwirkende elektronische Steuerungs- oder Regelungseinheit 28 dient zur betriebszustandsabhängigen Steuerung bzw. Regelung dieser Massenströme, speziell beim Anfahr- oder Schwachlastbetrieb. Zur Erfassung des betrieblichen Ist-Zustandes sind ferner eine Anzahl von mit der Steuerungs- oder Regelungseinheit 28 verbundenen Sensoren vorgesehen (hier nicht dargestellt).
-
2 zeigt hierzu den Verlauf relevanter Kennlinien gemäß einem herkömmlichen Regelungsschema. Aufgetragen als Funktion der Last L sind hier der Umwalzmassenstrom UM, der Speisemassenstrom SM und der Verdampfermassenstrom VM. Die Lastwerte auf der Abszisse sind jeweils als prozentualer Wert der Maximallast (Volllast) angegeben, und in ähnlicher Weise sind die Durchfluss- bzw. Massenstromwerte auf der Ordinate als prozentuale Werte des auslegungsgemaß vorgesehenen maximalen Verdampfermassenstroms VM bei Volllast angegeben. Wie man sieht, nimmt der Umwälzmassenstrom UM mit steigender Last vom Ausgangwert 40% (entsprechend 0% Last) stetig und insbesondere linear auf den Wert 0% (entsprechend 40% Last) ab, wahrend der Wert des Speisemassenstroms SM im entsprechenden Lastintervall linear von 0% auf 40% steigt. Die Summe aus dem Speisemassenstrom SM und dem Umwalzmassenstrom UM, die den Verdampfermassenstrom VM reprasentiert, besitzt daher in diesem Lastintervall den konstanten Wert 40%. Bei noch größeren Lasten verbleibt der Umwälzmassenstrom UM auf dem Wert 0%, während der Speisemassenstrom SM und damit der Verdampfermassenstrom VM bis zum Volllastwert 100% ansteigen (im Diagramm nicht mehr dargestellt). Die Umwälzpumpe 24 muss daher für einen vergleichsweise hohen Massenstromwert von 40% des Verdampfermassenstroms VM bei Volllast ausgelegt sein.
-
Demgegenüber zeigt 3 ein hinsichtlich der Anforderungen an die Umwälzpumpe 24 verbessertes Regelungsschema in einer zu 2 analogen diagrammatischen Darstellung. Ahnlich wie bei der durch 2 repräsentierten Regelungsvariante wird der Speisemassenstrom SM im Lastintervall zwischen 0% und 40% Last linear vom Wert 0% auf den Wert 40% gesteigert. Abweichend von der vorherigen Variante wird nunmehr der Umwalzmassenstrom UM in einem ersten Lastintervall zwischen 0% und 20% Last, hier als Niedriglastintervall I bezeichnet, auf einem gegenüber 2 reduzierten Wert von 20% konstant gehalten. Erst im anschließenden Mittellastintervall II zwischen 20% Last und 40% Last wird der Umwälzmassenstrom linear auf den Wert 0% reduziert. Demnach steigt der Verdampferdurchfluss im Niedriglastintervall I vom Wert 20% linear auf den Wert 40% an und wird im Mittellastintervall II auf dem Wert 40% gehalten. Im sich rechts anschließenden Hochlastintervall jenseits 40% Last (nicht mehr dargestellt) steigt dann wie im zuvor diskutierten Fall der Speisemassenstrom SM und damit der Verdampfermassenstrom VM bis zum Volllastwert 100% an.
-
Durch die Reduzierung des Auslegungsmassenstroms für die Umwälzpumpe 24 auf einen gegenüber 2 halbierten Wert von 20% des maximalen Verdampfermassenstroms VM sind die Anforderungen an die Umwalzpumpe 24 deutlich reduziert, ohne die ausreichende Kuhlung der Verdampferrohre des Verdampfers 4 im Schwachlastbereich zu gefährden.
