-
Die
Erfindung betrifft einen Dampfumformer, bei dem Sattdampf einem
Dampfdurchlauf-Überhitzer
zugeführt
wird und der entstehende um mindestens 200° C überhitzte Heißdampf bei
wechselnder und intermittierender Dampfabnahme eine Hauptdampfleitung
passiert, in die ein Düsenstock
mit Düsenbohrungen
hineinragt, dem über
ein erstes Steuerventil, der jeweiligen Dampfabnahme angepaßt, vorgewärmtes Einspritzwasser
zugeführt
wird, und der mit einem Zwischenraum allseitig beabstandet von einem
Mantelrohr umgeben ist, das koaxial zu den Düsenbohrungen Durchtrittsbohrungen
in die Hauptdampfleitung aufweist, wobei der Zwischenraum mit einer
weiteren Dampfleitung gesteuert verbunden ist.
-
Ein
derartiger Dampfumformer ist aus der
DE 43 13 115 C2 bekannt. Bei diesem wird
dem Zwischenraum zwischen dem Mantelrohr und dem Düsenstock
Heißdampf
als Treibdampf zugeführt,
so daß bei
gleichzeitiger Zuführung
des Kühlwassers Sattdampf
aus der Mantelrohrdurchtrittsbohrung austritt. Da überhitzter
Heißdampf
eine Temperatur über 550° C, also
Rotgluttemperatur aufweist, die der ganze Düsenstock annimmt, tritt bei
jeder Zuschaltung des Wassers ein unzuträglicher Thermoschock des Düsenrohres
auf.
-
In
dem zentralen Düsenstockrohr
ist ein Steuerkolben angeordnet, mit dem gesteuert ein Teil der
Düsenbohrungen
oder alle eintrittsseitig abgesperrt werden können. Eine Treibdampfsteuerung
ist nicht vorgesehen.
-
Weiterhin
ist aus der
US 2,293,314 ein Dampfumformer
mit einem Düsenstock
bekannt, der mit zwei Zuleitungen verbunden ist, die Wasser bzw. Hochdruck-Treibdampf
führen,
so daß das
Kühlwasserrohr
bei Einschaltung des Wassers einen Thermoschock erleidet.
-
Aus
der
US 2,155,986 ist
ein Düsenstock
mit einem mit Hochdrucktreibdampf gespeisten Mantelrohr bekannt.
Der Treibdampf tritt, durch lange enge Bohrungen im Düsenkopf
geführt,
stirnseitig aus dem Düsenstock
aus separaten Bohrungen um eine zentrale Wasserdüsenbohrung aus. Ein Vorkühlen des Düsenstocks
mit Sattdampf vor einem Zuschalten des Kühlwassers ist nicht vorgesehen
und wäre
wegen der langen engen Dampfbohrungen nur beschränkt wirksam.
-
Weiterhin
ist aus der
DE 37 13
726 A1 eine Dampfumformvorrichtung mit einem Düsenstock
bekannt, der von einer Seite in ein Hauptdampfrohr ragt und von
einem Mantelrohr umgeben ist, das von der gegenüberliegenden Dampfrohrseite
mit Hochdruck-Treibdampf gespeist ist. Das Düsenrohr weist einen Steuerkolben
und radiale Austrittsdüsen
auf, von denen sich im Mantel Treibdampfaustrittsöffnungen
befinden. Der überwiegende
Teil des Düsenrohres
weist kein Mantelrohr auf und ist daher einem unzuträglichen
Thermoschock ausgesetzt, wenn Kühlwasser
zugeschaltet wird.
-
Aus
der
DE 43 05 116 A1 ist
weiterhin ein Dampfumformer mit einem Einspritzkühler mit einem Düsenstock
bekannt, mit dem Heißdampf
durch Einspritzen von Kesselspeisewasser in einen anderen, höher gesättigten
Dampfzustand tieferer Temperatur umgeformt wird. Nachteilig dabei
ist, daß bei
Anfahrvorgängen,
wenn gekühlter
Dampf angefordert wird, durch Zufuhr des kalten Speisewassers in
den heißen
Düsenstock
die Werkstoffe des Düsenstockes eine
hohe Thermoschockbeanspruchung erleiden und daher nur eine begrenzte
Lebensdauer haben. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn beispielsweise nach Änderungen
des Dampfbedarfes Wasser eingespritzt werden muß, besonders dann, wenn ein
Zusatzbrenner den Dampf überhitzt.
Der Temperatursprung kann mehrere 100° C betragen.
-
Zweck
der Erfindung ist es, eine Lösung
zu finden, die die Thermoschockbelastung des Düsenstockes verhindert oder
erheblich mindert.
-
Die
Lösung
besteht darin, daß die
weitere Dampfleitung eine den Sattdampf führende Zwischendampfleitung
zustromseitig des Überhitzers
ist und das Mantelrohr axial versetzt zu den Durchtrittsbohrungen
mindestens eine Austrittsöffnung
in die Hauptdampfleitung aufweist und der Zwischenraum mit der Zwischendampfleitung über eine
Drossel und ein Rückschlagventil
und/oder ein zweites Steuerventil verbunden ist, das jeweils zeitlich
versetzt um eine Vorkühlzeit
des Düsenstocks
vor dem ersten Steuerventil geöffnet
gesteuert ist.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Das
Einspritzkühlwasser
wird gewöhnlich auf
180° C erhitzt
vom Speisewasser eines Heizkessels abgezweigt, in dessen Heizregister
das Speisewasser verdampft wird und als Sattdampf bei ca. 350° C anschließend einem Überhitzer
zugeführt wird,
den der trockene, überhitzte
Dampf mit 550°–800° C verläßt. Wenn
kein Dampf abgenommen wird, wird auch kein Einspritzwasser zugeführt, so
daß sich
der Düsenstock
auf die Temperatur von 550°–800° C aufheizt.
Durch die Zuführung
von etwa 350° C
heißem
Dampf aus der Zwischenleitung vor dem Überhitzer, in den Mantel des
Düsenstockes
und eventuell auch in den Düsenstock
selbst, wird dieser in einem ersten Schritt durch Dampfaufheizung
nach und nach auf diese mittlere Temperatur des Zwischendampfes
gebracht. Wenn danach das kältere Kühlwasser
mit 180° C
eingeleitet wird, ist der weitere Temperaturabfall moderater und
nicht so materialbelastend.
-
Das
Einleiten des Zwischendampfes kann entweder ständig über eine Drossel und ein Rückschlagventil
erfolgen, wobei immer, wenn etwas Dampf abgenommen wird, der Temperaturangleichvorgang
des Düsenstockes
stattfindet, bis bei größerem Dampfbedarf
das Einspritzwasser zugesteuert wird. Der Zwischendampf wird in
verschiedenen Ausführungen
der Vorrichtung entweder nur in dem Mantelbereich um den Düsenstock
herum oder durch den Mantelbereich und den Düsenstock parallel oder durch
den Düsenstock
bis nahe an dessen Ende geführt,
wo er von einem in eine Extremstellung gesteuerten Kolben in den
Mantelbereich übertritt,
von wo er in umgekehrter Richtung bis an eine Austrittsöffnung geleitet
den Düsenstock
umspült.
Der Zwischendampfstrom wird in einer weiteren Ausführung über ein
gesteuertes Ventil kurzzeitig vor der Einsteuerung des Einspritzwassers
in den Düsenstock
bzw. dessen Mantel eingespeist.
-
Der
Wärmeübergang
vom Zwischendampf auf den Düsenstock
und den Mantel ist wesentlich geringer als der vom Wasser; deshalb
findet die Abkühlung
bis zur Zwischendampftemperatur langsamer statt als von dieser bis
zur Wassertemperatur.
-
In
einer weiteren Ausführung
wird auch dieser zweite Temperaturabfall verlangsamt, indem eine angemessene
Menge des Einspritzwassers mit dem Zwischendampf in einem Wärmetauscher
vorgeheizt wird, wobei das Einspritzwasser bis nahe an den kritischen
Punkt aufgeheizt werden kann. Der Querschnitt und die Wasserführung des
Einspritzwassers im Wärmetauscher
sind so gestaltet, daß bei
der Abführung
des Wassers in den Düsenstock
ein stetiger Temperaturabfall des austretenden Wassers auftritt.
-
Eine
Kesselpumpe 1 drückt
Kesselspeisewasser durch den Siederohrverdampfer 2, der
mit Turbinenabgasen 10 beheizt wird. Der erzeugte Sattdampf
wird über
die Hauptdampfleitung, die Zwischen- oder Sattdampfleitung 3,
in den Überhitzer 4 geführt. Dort
wird er mit Turbinenabgasen 10 und bei Bedarf durch die
Abgase 11 eines Zusatzbrenners in Heißdampf umgeformt und über die
Heißdampfleitung 5 dem
Dampfkühler 6 zugeführt, wo
er durch Einspritzen von Kesselspeisewasser in den geforderten Dampfzustand
umgeformt und über
die Dampfleitung 7 dem Verbraucher zugeführt wird.
-
Da
der Dampfdruck in diesem Dampfkühler 6 niedriger
ist als hinter der Speisewasserpumpe, genügt für die Dosierung des Einspritzwassers
ein erstes Motorregelventil 9, M1.
-
In
einer ersten Ausführung
der Vorrichtung wird das Druckgefälle über den Überhitzer 4 dazu genutzt, über ein
weiteres Motorventil 8, M2 oder eine Drossel mit einem
Rückschlagventil
in ein um den Düsenstock 20 angeordnetes
Mantelrohr 24 des Einspritzkühlers – siehe 2 – Zwischendampf
als Kühldampf über den
Flansch 29 einzublasen, wobei im Mantelraum 30 ein
Dampfkühlfilm
entsteht, der einen wirksamen langsamen Temperaturausgleich schafft,
bevor die Wasserzufuhr über
das genannte erste Motorventil 9 eingeschaltet wird.
-
Das
Mantelrohr 24 ist im unteren Bereich um den Düsenstock 20 durch
einen Zentrieransatz 28 zentriert, der mit Öffnungen 27 für den Kühldampf versehen
ist. Ferner hat das Mantelrohr 24 im Bereich der Wasseraustrittsbohrungen
des Düsenstockes 22 ebenfalls
große
Aussparungen 25, die den Spritzvorgang nicht behindern
und auch etwas Kühldampf
austreten lassen.
-
In
einer zweiten Ausführung
der Vorrichtung nach 3 wird das Einspritzwasser in
einem Behälter 13 mittels
einer Rohrschlange durch den Zwischen- oder Sattdampf vorgewärmt, bevor
er als Kühldampf
dem Mantelrohr 24 zugeführt
wird. Es genügt
eine geringe vorgeheizte Wasserstartmenge im Wärmetauscherbehälter 13,
um den Düsenstock 20 allmählich auf
die Kühlwasser-Betriebstemperatur abzukühlen. Ein
Kondensatableiter 12 ist an der Leitung des zum Heizen
verwendeten Zwischen- oder Sattdampfes zweckmäßig, um bei Stillstand des Kühldampfstromes
eine Kondensatansammlung zu vermeiden; ggf. ist ein drittes Steuerventil 14,
M3, oder eine Drossel dem Wärmetauscher 13 vorgeschaltet,
womit die Sattdampfzuführung
dosiert wird.
-
Der
Kühldampf
wird zweckmäßigerweise
als Sattdampf dem Hochdruckverdampfer 2 des Hauptkessels
K entnommen. Der Kühldampf
wird dabei im allgemeinen eine Temperatur von ca. 350° C aufweisen.
Die Dampfaustrittstemperatur des Überhitzers liegt bei etwa 550° C. Die Temperatur
des Einspritzkühlwassers
liegt bei typisch 180° C.
Aus vorgenannten Temperaturen lassen sich die beim Anfahre des Kühlers auftretenden
Temperaturdifferenzen ableiten, denen der Düsenstock 20 des Kühlers ausgesetzt
ist.
-
Bei
den bekannten Kühlerbauarten
tritt also folgendes schroffes Gefälle auf: Düsenstocktemperatur 550° C auf 180° C Einspritzwassertemperatur.
-
Bei
den erfindungsgemäßen Lösungen ergeben
sich z.B, folgende Stufungen: von der Düsenstocktemperatur 550° C erfolgt
sanfte Abkühlung
mit Dampf auf 350° C,
danach gemäß erster
Ausführung schroffe
Abkühlung
auf 180° C
durch das Einspritzwasser oder gemäß zweiter Ausführung eine
allmähliche
Abkühlung
durch die erfindungsgemäß im Behälter 13 vorgewärmte Startkühlwassermenge.
-
Das
erforderliche Druckgefälle
Kühldampf – Heißdampf entsteht
durch den Druckabfall im Überhitzer 4,
der typisch 1,5 bis 2 bar beträgt.
Die Dimensionierung der Kühldampfleitung
erfolgt so, daß zwischen
dem Mantelrohreintritt und der Heißdampfleitung ein Druckgefälle von
mindestens 0,5 bar erhalten bleibt.
-
In 4 ist
eine Variante des Einspritzkühlers
dargestellt. Hier wird zuerst der Kühldampf über das zweite Motorventil 31,
M2, oder eine Drossel mit einem Rückschlagventil dem Düsenstock 20 so zugeführt, wie
später
des Einspritzwasser, welches über
das erste Motorventil 32, M1 zugeführt wird.
-
Für den Abkühlvorgang
wird der Steuerkolben 35 von dem Steuerantrieb 36 in
das freie Ende des Düsenstockes 20 nach
unten gefahren, wobei die extrem große Düsenbohrung 34 freigegeben wird.
Der Kühldampf
strömt
als Kühlfilm
zwischen dem Mantelrohr 24 und dem Düsenstock 20 nach oben
und verläßt über eine
Bohrung 37 nahe der Wandung 21 der Hauptdampfleitung
den Kühlmantelraum.
Der währenddessen
außerdem
aus den kleinen Wasserdüsenbohrungen 22 austretende
Dampfanteil ist vernachlässigbar
gering. Das Mantelrohr 24 hat Aussparungen 25 koaxial
zu den Spritzbohrungen 22 des Düsenstockes 20, die
gerade so groß sind,
daß sie
die Wasserbüschel 23 des
Düsenstockes 20 nicht
behindern und andererseits nicht übermäßig groß, um einen erheblichen Druckabfall
des Kühldampfes
zu verhindern.
-
Nach
dem Abkühlen
auf die Zwischendampftemperatur fährt der Motorantrieb 36 den
Steuerkolben 35 in eine obere Stellung über der Extremstellung und
versperrt die Dampfaustrittsdüse 34,
das zweite Motorventil 31 schließt danach und das erste Motorventil 32 öffnet die
Einspritzwasserzufuhr, und der Einspritzvorgang verläuft dann
mit dem relativ kleinen zweiten Temperatursprung am Rohr 24 und am
Düsenstock 20.
-
In
Ausführungen,
in denen das zweite und/oder dritte Steuerventil M2, M3; 8, 14, 31 durch eine
Drossel mit einem Rückschlagventil
ersetzt ist, vereinfacht sich die Steuerung. Die Zuschaltung des Kühlwassers
in den Dampfumformer 6 über
das erste Steuerventil M1; 9, 32 kann bei einer
Dampfanforderung ohne Verzögerung
erfolgen, da der Kühldampf den
Düsenstock 20 dauernd
auf eine mittlere Temperatur bringt und ggf. im Wärmetauscher 13 eine
Startmenge des Kühlwassers
vorgeheizt hält.
-
- 1
- Speisewasserpumpe
- 2
- Siederohrverdampfer
- 3
- Zwischendampfleitung
- 4
- Überhitzer
- 5
- Hauptdampfleitung,
führt hier
Heißdampf
- 6
- Einspritzkühler nach 2
- 7
- Hauptdampfleitung,
führt hier
umgeformten Dampf
- 8
- Steuerventil
für den
Vorwärmdampf,
zweites, M2
- 9
- Steuerventil
für das
Einspritzwasser, erstes, M1
- 10
- Turbinenabgase
- 11
- Heizgase
des bei Bedarf zugeschalteten Zusatzbrenners
- 12
- Kondensatableiter
- 13
- Anwärmbehälter (Kammer)
für das
Einspritzwasser
-
- mit
Heizdampfrohrschlange
- 14
- Steuerventil,
drittes, M3
- 19
- Heißdampf 550° C, Druck
p
- 20
- Düsenstock
- 21
- Hauptdampfleitung
- 22
- Bohrung
im Düsenstock
des Einspritzkühlers –
-
- für Einspritzwasser
- 23
- eingespritzte
Wasserbüschel
- 24
- Mantelrohr
- 25
- Aussparungen
(Durchtrittsöffnungen)
im Mantelrohr
-
- für Einspritzbüschel und
Vorwärmdampf
- 26
- Flansch
für die
Befestigung des Düsenstockes
- 27
- Austrittsöffnungen
für den
Kühldampf
in 28
- 28
- Zentrierring
am Düsenstock
bzw. Zentrierbolzen im Mantelroh
- 29
- Flansch
für die
Vorwärm-
bzw. Kühldampfzufuhr
- 30
- Dampfheiz-
und Kühlfilm
zwischen Düsenstock
-
- und
Mantelrohr, 300° C,
Druck p+2 bar
- 31
- Motorregelventil
für die
Kühldampfzufuhr
- 32
- Motorregelventil
für die
Einspritzwasserzufuhr
- 33
- Befestigungsrohr
und Befestigungsflansch
- 34
- große Bohrung
im Düsenstock
des Einspritzkühlers –
-
- nur
für Kühldampf
- 35
- Steuerkolben
- 36
- Motorantrieb
für Ventil
und Steuerkolben
- 37
- Austrittsöffnung für Kühldampf
in 24
- K
- Kessel