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Die Erfindung betrifft einen Durchlaufdampferzeuger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Durchlaufdampferzeugers gemäß Anspruch 5.
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Die Erfindung bezieht sich konkret auf Durchlauf- bzw. Zwangdurchlaufdampferzeuger für Kraftwerksanlagen, mit einer im Querschnitt rechteckigen Brennkammer, deren jede Brennkammerwand im Wesentlichen vertikal angeordnete und über Rohrstege miteinander gasdicht verbundene Verdampferrohre umfasst, die von einem Strömungsmedium von unten nach oben durchströmbar sind. Die Beheizung dieser, die Brennkammerwände bildenden Verdampferrohre, führt hier zu einer vollständigen Verdampfung des Strömungsmediums in einem Durchgang. Prinzipiell können die Verdampferrohre des Durchlaufdampferzeugers dabei teilweise oder über die ganze Länge vertikal bzw. senkrecht und/oder schrauben- bzw. spiralförmig angeordnet sein. Durchlaufdampferzeuger können dabei als Zwangdurchlaufdampferzeuger ausgelegt sein, wobei der Durchlauf des Strömungsmediums hier von einer Speisepumpe erzwungen wird.
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Wesentliche Vorteile eines reinen vertikalen Verdampferrohrkonzeptes sind eine einfache Konstruktion der Brennkammeraufhängung, ein geringer Fertigungs- und Montageaufwand sowie eine größere Wartungsfreundlichkeit. Im Vergleich zu einer spiralförmig berohrten Brennkammerwand lassen sich auf diesem Weg die Investitionskosten erheblich reduzieren. Designbedingt sind aber die Temperaturschieflagen solcher senkrecht berohrten Verdampferrohrkonzepte im Vergleich zu spiralförmig berohrten Brennkammern wesentlich größer. Während die Verdampferrohre in einer Spiralwicklung nahezu sämtliche Beheizungszonen der Brennkammer durchlaufen und sich somit ein guter Beheizungsausgleich erzielen lässt, verbleiben die einzelnen Brennkammerrohre der Senkrechtberohrung vom vorgeschalteten Verdampfer-Eintrittssammler bis zum nachgeschalteten Verdampfer-Austrittssammler in der jeweiligen Beheizungszone. Somit erfahren Rohre in stark beheizten Brennkammerbereichen, z. B. in der Nähe der Brenner oder auch im Mittenwandbereich von Brennkammern mit rechteckigem Querschnitt, über der gesamten Rohrlänge eine kontinuierliche Mehrbeheizung. Rohre in schwach beheizten Brennkammerbereichen, insbesondere die Eckwandrohre der Brennkammer mit rechteckigem Querschnitt, erfahren dagegen über der gesamten Rohrlänge eine Minderbeheizung. Bei Konzepten mit spiralförmigen Verdampferrohren liegen die Mehr- und Minderbeizungen einzelner Rohre bzw. Rohrgruppen im niedrigen einstelligen Prozentbereich. Bei senkrecht berohrten Konzepten, sind hingegen bezogen auf die mittlere Wärmeaufnahme eines einzelnen Verdampferrohres, deutlich größere Mehr- und Minderbeheizungen bekannt. Die wesentliche Herausforderung bei senkrecht berohrten Brennkammerwänden liegt demnach in der Beherrschbarkeit dieser großen Beheizungsschieflagen zwischen einzelnen Verdampferrohren.
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Ein sehr wirksamer und bereits in der
DE 4 431 185 A1 offenbarter Weg, das zuvor beschriebene Problem zu lösen, ist eine Auslegung der Senkrechtberohrung nach dem sogenannten "Low-Mass-Flux" Design. Bei diesem Lösungsansatz werden in der Senkrechtberohrung geringstmögliche Massenstromdichten angestrebt, die in einer positiven Durchsatz-Charakteristik der einzelnen Verdampferrohre münden. Konkret bedeutet dies, dass Rohre mit einer Mehrbeheizung einen höheren und Rohre mit einer Minderbeheizung einen geringeren Durchsatz aufweisen. Somit kann alleine durch eine zielgerichtete Anwendung physikalischer Gesetzmäßigkeiten dem Auftreten unzulässig hoher Temperaturschieflagen wirksam entgegengetreten werden. Da aber in den letzten Jahren die Anforderungen hinsichtlich des Anlagenwirkungsgrades stetig gestiegen sind und sich somit Frischdampftemperatur und -druck ebenfalls kontinuierlich gesteigert haben und zudem auch immer größere Lastbereiche durch die Kraftwerksanlage abgedeckt werden müssen, besteht eine Notwendigkeit dieses "Low-Mass-Flux" Design weiterzuentwickeln. Der Einsatz neuentwickelter Werkstoffe und deren Beherrschbarkeit in der Verarbeitung und während des Betriebs der Kraftwerksanlage machen es zudem erforderlich, mögliche Temperaturschieflagen noch weiter zu reduzieren.
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Naheliegend wäre es die Massenstromverteilung auf einzelne Brennkammerwandbereiche und damit verschiedene Gruppen von Verdampferrohren aufzuteilen und diese dann gezielt zu manipulieren. Konkret bedeutet dies, dass in bevorzugter Art und Weise Wandbereiche mit einer hohen Beheizung vergleichsweise große Durchflussraten und Wandbereiche mit niedriger Beheizung entsprechend niedrigere Durchflussraten aufweisen sollten. Zu diesem Zweck muss die Brennkammer zur Berücksichtigung unterschiedlicher Beheizungszonen in repräsentative Wandbereiche unterteilt werden. Dies geschieht durch eine Segmentierung der Ein- und Austrittssammler. Jedes Sammlersegment ist dabei einem Wandbereich mit repräsentativer Beheizung zugeordnet. Im Eintrittsbereich wird jedes Sammlersegment mit einer eigenen Speisewasserzuführungsleitung versehen. Durch die Wahl einer geeigneten geometrischen Ausgestaltung dieser Zuführungsleitungen, bzw. durch die Installation zusätzlicher Drosselblenden im Bereich dieser Zuführungsleitungen, kann abhängig von der jeweiligen Beheizungssituation die Aufteilung des Gesamtspeisewassermassenstroms auf die einzelnen Sammlersegmente zielgerichtet vorgenommen werden.
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Geometrisch aufeinander abgestimmte Zuführungsleitungen bzw. Drosselblenden haben aber den entscheidenden Nachteil, dass sich ihre Drosselleistung mit der Last verändert. Somit kann die Massenstromverteilung im Verdampfer und die damit verknüpften Temperaturschieflagen am Verdampferaustritt systembedingt nur für einen bestimmten Lastbereich optimiert werden. Darüber hinaus können sowohl die Zuführungsleitungen als auch die Drosselblenden nur bei genauer Kenntnis der Wärmeverteilung über dem Brennkammerumfang zielgerichtet ausgelegt und aufeinander abgestimmt werden. Weicht dann im Betrieb der Kraftwerksanlage die auftretende Wärmeverteilung von der in den Auslegungsberechnungen der Zuführungsleitungen bzw. Drosselblenden verwendeten Verteilung ab, so können im ungünstigsten Fall die Temperaturschieflagen sogar noch ansteigen. Die Idee das Design über die geometrische Anpassung der Zuführungsleitungen mit oder ohne Drosselblenden weiter abzusichern kehrt sich so unter Umständen sogar in das Gegenteil um.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Durchlaufdampferzeuger sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines solchen Durchlaufdampferzeugers bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit dem Durchlaufdampferzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
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Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass dadurch, dass Verdampferrohre der Brennkammerwände entsprechend ihrem Beheizungsgrad durch stromaufwärts angeordnete Eintrittssammler jeweils zu mehrbeizten Rohrgruppen und minderbeheizten Rohrgruppen zusammengefasst sind und im Bereich der entsprechenden Speisewasserzuführung zumindest ein Regelventil zum geregelten Drosseln des Massenstroms des Speisewassers und damit des die Verdampferrohre durchströmenden Strömungsmediums vorgesehen ist, und zum Bestimmen einer Regelgröße für das zumindest eine Regelventil im Bereich von stromabwärts angeordneten Austrittssammlern Temperaturmessmittel zum Messen von Austrittstemperaturen des Strömungsmediums aus den Verdampferrohren vorgesehen sind, können so auch bei nahezu unverändertem Design des Durchlaufverdampfers, Temperaturschieflagen einer senkrecht berohrten Brennkammer im gesamten Lastbereich der Kraftwerksanlage, mit geringem Aufwand effektiv minimiert werden. Im günstigsten Fall ist hierfür nur ein zusätzliches Regelventil als Regelarmatur und ein entsprechendes Regelkonzept vorzusehen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines solchen Durchlaufdampferzeugers sieht dabei vor, dass die Speisewasserzuführung der minderbeheizten Rohrgruppen durch Androsselung des zumindest einen Regelventils soweit reduziert wird, dass sich die Austrittstemperaturen der mehrbeizten Rohrgruppen denen der minderbeheizten Rohrgruppen angleichen bzw. sich auf ähnlichem Niveau befinden.
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Vorzugsweise sind jeder der mehrbeizten Rohrgruppen und minderbeheizten Rohrgruppen jeweils einer der Eintrittssammler und ein Austrittssammler zugeordnet, und jeder der Austrittssammler weist eines der Temperaturmessmittel auf. Bevorzugt sind die Temperaturmessmittel dabei in den von den Austrittssammlern abgehenden Leitungen installiert, da hier eine Mischtemperatur gemessen wird.
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Gerade bei im Wesentlichen rechteckigen Brennkammern, die ausgeprägte minderbeheizte Rohrgruppen in den Eckwandbereichen aufweisen, kann es vorteilhaft sein, wenn jeder der vier Eckwandbereiche eine eigene Speisewasserzuführungsleitung mit jeweils einem eigenen Regelventil aufweist. Durch diese Erweiterung, die im Bedarfsfall auch modular erfolgen kann, kann eine weitere Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung am Austritt der senkrechtberohrten Verdampferwand eines Durchlaufdampferzeugers erreicht werden. Unter diesen Umständen ist es sogar denkbar den Durchlaufdampferzeuger vom Eintritt bis zum Ausritt in einem kompletten Durchlauf zu berohren, so dass bislang noch vorgesehene Umkehrsammler entfallen können. Der für die dynamische Stabilität gegebenenfalls erforderliche Druckausgleich könnte hier mit einem weitaus kostengünstigeren Druckausgleichsammler realisiert werden.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Durchlaufdampferzeugers bzw. des zwangdurchströmten Durchlaufdampferzeugers sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:
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1 schematisch im Querschnitt eine erfindungsgemäße Ausbildung eines Durchlaufdampferzeugers mit rechteckiger Brennkammer,
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2 schematisch eine zweite erfindungsgemäße Ausbildung.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee in einer Brennkammer 1 die Massenstromverteilung des die Verdampferrohre durchströmenden Strömungsmediums in mehrbeheizte Rohrgruppen 10 und minderbeheizte Rohrgruppen 11 zu segmentieren und deren Durchflussraten dann gezielt zu manipulieren. Konkret bedeutet dies, dass Wandbereiche mit hoher Beheizung vergleichsweise große Durchflussraten und Wandbereiche mit niedriger Beheizung entsprechend niedrigere Durchflussraten aufweisen sollten. Zu diesem Zweck wird – wie in 1 und 2 beispielhaft dargestellt – die komplette Brennkammer 1 in repräsentative Wandbereiche E1 bis E4 und M1 bis M4 mit unterschiedlichen Beheizungszonen unterteilt. Dies erfolgt hier zumindest durch eine Segmentierung der Verdampferrohre in Rohrgruppen 10 und 11 mittels nicht näher dargestellter Eintrittssammler am unteren Ende des (Zwang-)Durchlaufdampferzeugers.
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In dem in 1 schematisch dargestellten Querschnitt durch den Durchlaufdampferzeuger der Brennkammer 1 sind zwölf segmentierte Rohrgruppen 10 und 11 zu sehen. Jeder Brennkammerwand sind dabei zwei Eintrittssammlersegmente an den Ecken und ein dazwischen liegendes Eintrittssammlersegment zugeordnet. Jedes der Eintrittssammlersegmente ist dabei einem Wandbereich mit repräsentativer Beheizung, hier den minderbeheizten Eckwandbereichen E1–E4 und den mehrbeheizten Mittenwandbereichen M1–M4 zugeordnet, wobei den Eckwandbereichen E1–E4 jeweils zwei Eintrittssammlersegmente an der Ecke zweier benachbarter Brennkammerwände zugeordnet ist. Jedem Eckwandbereich E1 bis E4 ist dabei eine Speisewasserzuführungsleitung S1 bis S4 zum Zuführen von Speisewasser zu den entsprechenden Eintrittssammlern zugeordnet. Diese können dabei, wie in 1 dargestellt, von einer Speisewasserhauptzuführungsleitung 20 aus entsprechend verzweigen und in jedem Eckwandbereich jeweils zwei Rohrgruppen benachbarter Brennkammerwände über die entsprechenden Eintrittssammlersegmente mit Speisewasser versorgen (in 1 durch Pfeile angedeutet). Die Speisewasserhauptzuführungsleitung 20 und die Speisewasserzuführungsleitungen S1 bis S4 bilden dabei die Speisewasserzuführung zu den Rohrgruppen 11 der Eckwandbereiche. Ist nun in der Speisewasserhauptzuführungsleitung 20 ein Regelventil R vorgesehen, so kann auf unterschiedliche Lasten und auch auf Auslegungsunsicherheiten bei der angenommenen Wärmeverteilung, auf die einzelnen Eckwandbereiche E1 bis E4, adäquat reagiert werden, indem durch geregeltes Öffnen oder Schließen des Regelventils R, der den Verdampferrohren der Rohrgruppen 11 der Eckwandbereiche E1 bis E4 zugeführte Speisewassermassenstrom, den aktuellen Betriebsanforderungen angepasst wird. Nicht dargestellt ist in der 1 die Versorgung der Rohrgruppen 10 der Mittenwandbereiche M1 bis M4 mit Speisewasser aus der Speisewasserhauptzuführungsleitung 20.
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Mittels im Bereich von stromabwärts angeordneten Austrittssammlern vorgesehenen Temperaturmessmitteln zum Messen der Austrittstemperaturen des Strömungsmediums kann die Speisewasserzuführung 20 der minderbeheizten Rohrgruppen 11 durch Androsselung des Regelventils R soweit reduziert wird, dass sich die Austrittstemperaturen der minderbeheizten Rohrgruppen 11 denen der mehrbeizten Rohrgruppen 10 angleichen und somit sich das gesamte Temperaturprofil am Austritt des Durchlaufdampferzeugers vergleichmäßigt. Unzulässig hohe Temperaturschieflagen können so effektiv und ohne großen Aufwand verhindert werden, da in Abhängigkeit der gemessenen Temperaturen, Wandbereiche mit geringer Wärmeaufnahme nun geringere Durchströmungen und Wandbereiche mit großer Wärmeaufnahme eine hohe Durchströmung aufweisen.
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Vorzugsweise können dabei am Verdampferaustritt die Temperaturmessmittel der mehrbeheizten Rohrgruppen 10 aus den Mittenwandbereichen als "hoch beheiztes" und die Temperaturmessmittel der minderbeheizten Rohrgruppen 11 aus den Eckwandbereichen als "niedrig beheiztes" System zusammengefasst werden. Ist die gemessene Temperatur des als "hoch beheizten" zusammengefassten Systems zu groß, so kann durch zusätzliche Androsselung des Regelventils der Durchfluss durch die Eckwandbereiche reduziert und im Umkehrschluss in den Mittenwandbereichen angehoben werden, so dass sich die mittlere Temperatur der Mittenwandbereiche auf das gewünschte Niveau absenken lässt.
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Um die zusätzlichen Kosten sowie den regelungstechnischen Aufwand überschaubar zu halten bzw. zu begrenzen, sollte die maximale Anzahl der einzelnen Sammlersegmente samt zugehöriger Regelventile möglichst limitiert werden. Das einfachste System besteht dabei, wie in 1 dargestellt, aus nur einem zusätzlichen Regelventil R in der Speisewasserhauptzuführleitung 20. Dabei wird davon ausgegangen, dass die vier Eckwandbereiche E1 bis E4 der Brennkammer untereinander nahezu die gleiche Beheizung erfahren und so über die Speisewasserzuführleitungen S1 bis S4 und die Speisewasserhauptzuführleitung 20 als eine gemeinsame Rohrgruppe mit einer gemeinsamen Speisewasserzuführung zusammengefasst werden können. Analog dazu sind die verbleibenden Wandmittenbereiche M1 bis M4 durch eine entsprechende, aber nicht näher dargestellte, Speisewasserzuführung auch zu einer gemeinsamen Rohrgruppe zusammengefasst.
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Sollen auch Schieflagen zwischen den einzelnen Eckwandbereichen E1 bis E4 (und ggf. zusätzlich auch zwischen den einzelnen Mittenwandbereichen M1 bis M4) untereinander berücksichtigt und ausgeglichen werden, sind – so wie in 2 dargestellt – im Minimum vier Regelventile R1 bis R4 in jeder der Speisewasserzuführungsleitungen S1 bis S4 zu installieren. Das heißt jedem Eckwandbereich E1 bis E4 kann unabhängig von den anderen Eckwandbereichen Speisewasser individuell geregelt zugeführt werden. Vorteilhafterweise hat hier dabei jedes der vier Eckwandsysteme E1 bis E4 sein eigenes Temperaturmessmittel. Je nach Temperaturverteilung des Strömungsmediums am Austritt des jeweiligen Eckwandbereichs werden diese nun im Verbund derart individuell angedrosselt, dass sich ein relativ gleichmäßiges Austrittstemperaturprofil über dem gesamten Wandumfang des Verdampfers des Durchlaufdampferzeugers einstellt. Hinsichtlich der Koordination der einzelnen Regelventile R1 bis R4 untereinander steigt hier aber auch erwartungsgemäß der regelungstechnische Aufwand.
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Kombinationen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele sowie weitere Ergänzungen sind vor dem Hintergrund von zunehmenden Anforderungen an die Flexibilität während des Betriebs einer Kraftwerkanlage denkbar und sind von der Erfindung mit umfasst. So können zusätzlich auch Schieflagen der einzelnen Mittenwandbereiche M1 bis M4 untereinander und in Bezug zu den Eckwandbereiche E1 bis E4 berücksichtigt und ausgeglichen werden, wenn entsprechende Speisewasserzuführungsleitungen und Regelventile zur Androsselung dieser hoch beheizten Mittenwandbereiche vorgesehen werden. Würde man gleichzeitig auf eigene Regelventile in den Zuführungsleitungen der Rohrgruppen der Eckwandbereiche E1 bis E4 verzichten, so wäre in diesem speziellen Fall im Vorfeld der Durchfluss durch die Eckwandbereiche beispielsweise mittels fest installierter Drosseln soweit zu begrenzen, dass eine Regelung des Speisewassermassenstroms der Mittenwandbereiche überhaupt erst ermöglicht wird. Nur unter diesen Umständen wäre bei voll geöffneter Regelarmatur in den Zuführungsleitungen der hoch beheizten Mittenwandsysteme deren Durchsatz so groß, dass trotz höherer Beheizung die Mittenwandsysteme im Vergleich zu den Eckrohrsystemen geringere Austrittstemperaturen hätten. Durch eine zusätzliche Androsselung der Regelventile der Mittenwandsysteme, könnte der nun zu groß geratene Durchsatz durch die Mittenwandsysteme wieder reduziert werden, um die Austrittstemperaturen aller Systeme zu vergleichmäßigen.
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Neben der projektierten Auslegung des Durchlaufdampferzeugers zur Kompensation von Temperaturschieflagen können mit der erfindungsgemäßen Auslegung des Durchlaufdampferzeugers und dem erfindungsgemäßen Verfahren aber auch Fehlauslegungen des Verteilersystems der Speisewasserzuführung komfortabel abgefedert werden. Zudem sind Beheizungsschieflagen, die bei der Auslegung der Brennkammer nicht berücksichtigt wurden, durch die vorliegende Erfindung ohne negative Folgeerscheinungen sicher handhabbar. Zusätzlich können unter Umständen Brennstoffkombinationen gefahren werden, die vorher nicht möglich waren, weil flexibel auf Beheizungsschieflagen reagiert werden kann. Alles in allem erhöht die vorliegende Erfindung die Verfügbarkeit des Durchlaufdampferzeugers und damit der gesamten Kraftwerksanlage.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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