DE1256652B - Zwangdurchlaufdampferzeuger - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

F22b

Deutsche Kl.: 13 g - 7

Nummer: 1256 652

Aktenzeichen: S 804201 a/13 g

Anmeldetag: 16. Juli 1962

Auslegetag: 21. Dezember 1967

Die Erfindung betrifft einen Zwangdurchlaufdampferzeuger, insbesondere für Betrieb bei überkritischem Druck und insbesondere mit überlagertem Arbeitsmittelumlauf, mit mindestens zwei gasdicht voneinander getrennten Brennkammern, die mit vertikalen, nebeneinanderliegenden, arbeitsmittelseitig parallelgeschalteten Rohren ausgekleidet sind.

Bei bekannten Dampferzeugern dieser Art sind die Bohrungen der gasdicht voneinander getrennten Brennkammern arbeitsmittelseitig parallel geschaltet. Dabei tritt in jeder Brennkammer zwischen Arbeitsmitteleintritt und Arbeitsmittelaustritt der Brennkammerrohre eine beträchtliche Temperaturspanne auf, was mit entsprechenden Wärmedehnungen der Rohre verbunden ist, wenn der Dampferzeuger verschiedene Betriebszustände durchfährt, wie z. B. beim Anfahren. Dazu kommen dann noch unterschiedliche Wärmedehnungen der Rohre untereinander. Die Wärmedehnungen erschweren das Befestigten der Brennkammerrohre am Kesselgerüst, so daß hierfür besondere Maßnahmen notwendig sind. Weiter erschweren sie das Abdichten der Brennkammer nach außen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zwangdurchlaufdampferzeuger der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Wärmedehnungen der Brennkammerrohre wesentlich verkleinert sind, so daß sich auf einfache Weise ein Abdichten der Brennkammer nach außen erreichen läßt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Berohrung mindestens der außenliegenden Wände einer Brennkammer arbeitsmittelseitig in Reihe zu der Berohrung mindestens der außenliegenden Wände einer anderen Brennkammer Zwangdurchlaufdampferzeuger

Anmelder:

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,

Winterthur (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,

Düsseldorf, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt:

Edward L. Kochey jun., Colebrook, Conn.;

Elno M. Powell, Avon, Conn.,

Virginius Z. Caracristi, West Hartford, Conn.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 27. Juli 1961

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noch den Vorteil geringerer Herstellungskosten, weil wegen der auf den Brennkamerumfang bezogen kleineren Anzahl Rohre weniger Schweißnahtlänge erforderlich ist.

Andere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus folgender Beschreibung und den Ansprüchen sowie der Zeichnung, welche einige Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt. Es zeigt

F i g. 1 schematisch in Form eines Flußdiagramms

geschaltet ist. Durch diese Schaltung wird bei Ver- 35 einen Dampferzeuger gemäß Erfindung mit zwei, je Wendung zweier Brennkammern die Temperatur- aus einer Brennkammer mit anschließendem Rauchspanne zwischen Arbeitsmitteleintritt und Arbeitsmittelaustritt jeder Brennkammer ungefähr halbiert,
und es werden dabei auch die Wärmedehnungen der
Rohre bedeutend kleiner. Dies gestattet ohne Schwie- 40
rigkeit die Brennkammern nach außen abzudichten,
z.B. durch das sogenannte skin casing oder sogar
durch Verschweißen der Rohre miteinander. Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß

man bei gleicher Leistung einen größeren Arbeits- 45 Einheit, mit einem kleineren Teil des ersten Zwimittelfluß, bezogen auf eine bestimmte Länge des schenüberhitzers und mit dem gesamten zweiten Brennkammerumfanges, erhält, was gestattet, Rohre Zwischenüberhitzer,

mit größerem Durchflußquerschnitt zu verwenden, F i g. 4 einen Querschnitt durch die beiden Brenn-

die gegen Ablagerungen auf der Innenseite weniger kammern des Dampferzeugers, die einen gewissen empfindlich sind; die Verwendung von Rohren mit 5° Abstand voneinander haben,

größerem Durchflußquerschnitt bringt bei der Aus- F i g. 5 eine Teilansicht der Innenfläche einer

führung mit geschweißter Rohrwand darüber hinaus Brennkammerwand, wobei die vertikalen, nebenein-

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gaszug gebildeten Einheiten und die Anordnung der verschiedenen Heizflächen in bezug auf den Fluß der Verbrennungsgase,

F i g. 2 einen Vertikalschnitt durch eine der beiden Einheiten, wobei diese Einheit den Hauptteil des ersten Zwischenüberhitzers enthält und keinen zweiten Zwischenüberhitzer aufweist,

F i g. 3 einen Vertikalschnitt durch die andere

anderliegenden, zusammengeschweißten Rohre zu sehen sind,

F i g. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 in F i g. 5,

F i g. 7 ein Schema nach Art der F i g. 2 und 3 eines Dampferzeugers mit Rauchgasumwälzung,

F i g. 8 einen Teil eines abgewandelten Arbeitsmittelumwälzsystems.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 weist der für Betrieb bei überkritischen Drücken bestimmte

überzogen sind, die — wie F i g. 5 und 6 zeigen — kleinen Abstand voneinander aufweisen und über die gesamte Wandlänge der Brennkammer, über die sie sich erstrecken, zusammengeschweißt sind. Es ist ein 5 relativ schmaler Steg 62 zwischen benachbarten Rohren 60 vorgesehen, wobei die Rohre und die Stege eine Einheit bilden. Jede der Brennkammern ist im Querschnitt quadratisch und weist eine vordere Wand 64, eine hintere Wand 66 und zwei Seiten-Dampferzeuger zwei Einheiten./4 und 5 auf, wobei io wände68 auf (Fig. 4). Die Rohre60, welche sich jede dieser Einheiten eine Brennkammer 1OA bzw. nach oben längs der Innenfläche der vorderen Wand 10 5 besitzt, von der ein Rauchgaszug 12^4 bzw. 12 B 64 erstrecken, sind an ihren unteren Enden an die ausgeht. Der Dampferzeuger enthält eine Speise- Kollektoren 70 angeschlossen (F i g. 2 und 3). Sie pumpe 16, die Arbeitsmittel über eine Leitung 18 sind oben abgebogen, erstrecken sich längs der Dach- und zwei parallelgeschaltete Leitungen 20 zu den 15 fläche der Brennkammern und sind mit ihren Enden und durch die Ekonomiser 22/1 und 225 in den ent- mit dem Kollektor 72 verbunden. Die Rohre 60, sprechenden Einheiten hindurchdrückt. Von diesen welche aufwärts verlaufend die hintere Wand 66 Ekonomisern aus wird das Arbeitsmittel durch Lei- überziehen, sind an ihren unteren Enden an den tungen 24 in eine Leitung 26 gefördert, die zu einem Kollektor 71 angeschlossen. Diese Rohre sind in Mischorgan 28 führt. Von diesem Mischorgan 28 ao ihrem weiteren Verlauf entsprechend einer eine Eingelangt das Arbeitsmittel über eine Leitung 30 in schnürung der Brennkammer bildenden Nase ge-Eintrittskollektoren 74, 70 und 71 (Fig. 3) am bogen und erstrecken sich dann längs der geneigten unteren Ende der Brennkammer 1OS. Von diesen Wand des Rauchgaszuges 12A oder 125. Danach Kollektoren aus strömt das Arbeitsmittel aufwärts erstrecken sich die Rohre aufwärts quer durch den durch Rohre 60, welche die Wandugen dieser Brenn- as Rauchgaszug, anschließend ein Stück längs des kammer überziehen, und wird in Austrittskollektoren Daches und münden schließlich in den Kollektor 72. 76 und 72 am oberen Ende der Brennkammer 10 B Die Rohre 60, die die Seitenwände 68 überziehen, aufgenommen. Durch eine Leitung 32 wird es zum sind an ihren unteren Enden an Kollektoren 74 anunteren Ende der Brennkammer 10 A geführt, wo es geschlossen, erstrecken sich nach oben längs der von Eintrittskollektoren 74, 70 und 71 (F i g. 2) auf- 30 Seitenwände und münden mit ihren oberen Enden in genommen wird, mit denen die unteren Enden der Kollektoren 76, die ihrerseits mit dem zugehörigen Rohre 60 verbunden sind, die die Brennkammer 10 A Kollektor 72 in Verbindung stehen, überziehen. Das Arbeitsmittel strömt wieder nach Sowohl die Ekonomiser 22.4 und 2225 als auch

oben durch die Rohre 60 und dann in Austritts- die Zwischenüberhitzer 46, 48, 56 sowie die Heizkollektoren 76 und 72 am oberen Ende der Brenn- 35 flächen 38 A und 385 sind in üblicher Weise aus kammer 10^4. Von dort wird es über eine Leitung 34 Rohren oder aus zwei Bündeln einer großen Anzahl zu parallelgeschalteten Leitungen 36 geführt, welche von Rohren gebildet, welche in Ebenen angeordnet zu Heizflächenabschnitten 38^4 und 385 führen. und schlangenförmig gekrümmt sind, so daß sie eine Nach dem Durchströmen dieser Abschnitte wird das beträchtliche Wärmeaustauschfläche bilden, die in Arbeitsmittel, wenn es auf den gewünschten Wert 40 dem Rachgaszug oder am oberen Ende der Brennerhitzt ist, durch Leitungen 40 und 42 dem Hoch- kammer liegt, wobei die Verbrennungsgase an den druckteil einer Turbine 44 zugeführt.

Die Anlage arbeitet mit doppelter Zwischenüberhitzung. Der erste Zwischenüberhitzer ist in zwei Abschnitte 46 und 48 geteilt, von denen der relativ 45 kleine Abschnitt 46 in dem Rauchgaszug 125 und der größere Abschnitt 48 in dem Rauchgaszug UA liegen. Der Dampf für den ersten Zwischenüberhitzer wird über eine Leitung 50 von der Turbine 44 dem

Abschnitt 46 zugeführt und gelangt dann über eine 50 wird, kann dabei unter einen kritischen Wert fallen, Leitung 52 zum Abschnitt 48. Nachdem der Dampf der für einen angemessenen Schutz der Rohre erdort auf die gewünschte Temperatur zwischenüber- foderlich ist, wenn die Belastung der Anlage eine hitzt wurde, wird er über eine Leitung54 zur Tür- vorbestimmte Größe, z.B. 7O°/o der maximalen Last, bine zurückgeführt. unterschreitet. Um auch bei kleinen Lasten die Strö-

Der zweite Zwischenüberhitzer 56 liegt ganz im 55 mungsgeschwindigkeit oberhalb dieses kritischen Durchgaszug 125. Der Dampf wird über eine Lei- Wertes zu halten und ferner um die Ausführungstung 55 zum Zwischenüberhitzer 56 geführt und form mit zusammengeschweißten Brennkammerwandströmt, nachdem er auf die gewünschte Temperatur rohren auch in Anlagen, die bei überkritischem zwischenüberhitzt ist, über eine Leitung 58 zur Tür- Druck arbeiten, verwenden zu können, ohne den bine 44 zurück. Das Abdampfrohr der Turbine 44 60 Druckabfall künstlich zu erhöhen, ist dem Durchführt in einen Kondensator 45, wo der Dampf kon- strömungssystem ein Umwälzsystem überlagert. Gemäß Fig. 1, 2 und 3 schließt dieses Umwälzsystem eine Umwälzleitung 78 ein, die die Leitung 34 mit dem Mischorgan 28 verbindet. In dieser Leitung 78 ⁶5 ist eine Umwälzpumpe 80 vorgesehen, und zwischen dieser und dem Mischorgan ist ein Rückschlagventil 82 angeordnet, das eine Rückströmung von dem Mischorgan 28 zur Pumpe 80 verhindert. Die Pumpe

vielen Rohren vorbeistreichen und auf das Arbeitsmittel, welches durch diese Rohre hindurchfließt, Wärme übertragen.

Die Rohre 60, welche die Wandungen der beiden Brennkammern 10 A und 105 überziehen, weisen einen Durchmesser von z. B. 32 bis 48 mm auf. Die Strömungsgeschwindigkeit, die allein durch das im Zwangdurchlauf strömende Arbeitmittel erzeugt

densiert und das Kondensat mittels einer Kondensatpumpe 47 durch einen Vorwärmer 49 und einen Entgaser 51 hindurch der Speisepumpe 16 zugeführt wird.

Die Brennkammern beider Einheiten sind auf gleiche Weise ausgebildet, wobei die Brennkammerwände mit vertikal sich erstreckenden Rohren 60

80 ist eine ungeregelte, frei taufende Zentrifugalpumpe, in welcher der Druck sich umgekehrt mit der Menge der gepumpten Flüssigkeit verändert, und die Pumpe wird von einem Motor mit konstanter Drehzahl angetrieben.

Statt eine Umwälzpumpe in der Leitung 78 anzuordnen, kann die Pumpe auch in der Leitung 30 angeordnet sein (F i g. 8), die von dem Mischorgan 28 zu den Eintrittskollektoren 74, 70 und 71 der Brennkamer 10 B führt. In diesem Fall fließt die gesamte Arbeitsmittelmenge durch die Umwälzpumpe 800. Die Umwälzpumpe kann auch in die Leitung 32, die sich zwischen den beiden Brennkammern erstreckt, oder in die Auslaßleitung, die von dem Sammelrohr 72 der Brennkammer 10 A kommt, eingeschaltet sein, und bei jedem dieser letztgenannten Ausführungsbeispiele ist die Pumpe so zu bemessen, das der Zwangdurchlaufstrom zusätzlich zum Umwälzstrom durch die Pumpe hindurchgehen muß.

Wenn die Umwälzpumpe in das System so eingeschaltet ist, daß sowohl der Zwangdurchlaufstrom als auch der Umwälzstrom durch die Pumpe hindurchgeht, kann ein Bypaß mit Absperrventil um die Pumpe herum vorgesehen sein, um den Zwangdurchlaufstrom in Perioden, in denen die Umwälzpumpe nicht in Betrieb zu sein braucht, um diese Pumpe herumzuführen. Gegebenenfalls kann die Umwälzpumpe auch so ausgeführt sein, daß sie genug freien Strömungsraum hat, so daß es möglich ist, daß der ganze Zwangdurchlaufstrom durch die abgeschaltete Pumpe hindurchgeht, ohne daß dabei ein wesentlicher Druckabfall auftritt.

Die Anordnung der verschiedenen Heizflächen in dem Dampferzeuger erlaubt eine gute Regelung sowohl der Temperatur des zur Turbine strömenden Primärarbeitsmittels als auch der Temperaturen der ersten und der zweiten Zwischenüberhitzung. Die Temperatur und der Druck des der Turbine zugeführten Primärarbeitsmittels werden unter Verwendung bekannter Meß- und Regelvorrichtungen derart geregelt, daß konstante Werte im gesamten Betriebsbereich des Dampferzeugers erhalten werden. Eine vereinfacht dargestellte Regelung zeigt F i g. 1 mit auf die Last und die Temperatur ansprechenden Vorrichtungen 81 bzw. 83, die durch Regelvorrichtungen 85 bzw. 87 Ventile 89 bzw. 93 und damit die Brennstoffzufuhr bzw. die Arbeitsmittelzufuhr beeinflussen.

Da der gesamte zweite Zwischenüberhitzer 56 im Rauchgaszug 12 B angeordnet ist und der größte Teil 48 des ersten Zwischenüberhitzers 46, 48 im Rauchgaszug 12 A liegen, können die beiden Zwischenüberhitzungstemperaturen teilweise, wenn nicht ganz, durch Beeinflussen des Wärmeinhaltes der aus den Brennkammern 10^4 bzw. 10 B kommenden Verbrennungsgase geregelt werden.

Nach Fig. 1 bis 4 ist jede Brennkammer 1OA und 10 B mit einem sogenannten Tangential-Schwenkbrennersystem ausgerüstet, mittels welchem die Verbrennungszone vom Brennkammeraustritt weg und zu diesem hin bewegt werden kann, wodurch sich der Wärmeinhalt der Rauchgase bei einer gegebenen Feuerintensität verändern läßt, wie dies in der USA.-Patentschrift 2 363 875 beschrieben ist. Bei diesem System sind Brenner 86 — in der Zeichnung schematisch dargestellt — symmetrisch an den Brennkammerwänden auf den Umfang verteilt so angeordnet, daß Brennstoff und Luft tangential an einen vertikal und zentral in der Brennkammer angeordnet gedachten Zylinder zugeführt werden, so daß eine wirbelnde Masse von brennendem Brennstoff entsteht, der um die Brennkammerachse rotiert. Die Brenner sind so angeordnet, daß der Zuführwinkel von Brennstoff und Luft zur Horizontalen und damit die Lage der Verbrennungszone verändert werden können. Wenn diese Verbrennungszone aus einer tiefen Lage zum Brennkammeraustritt hin bewegt

ίο wird, dann nimmt bei einer gegebenen Feuerintensität die Wärmeabgabe an die Brennkammerwandrohre ab, da ein geringerer Teil der Wärme absorbierenden Fläche in der Brennkammer als vorher wirksam ist, was zu einer Zunahme des Wärmeinhaltes oder der Heizleistung der durch die Rauchgaszüge strömenden Gase führt. Diese Zunahme des Wärmeinhaltes läßt sich die Wärmeaufnahme der Zwischenüberhitzer in den Rauchgaszügen anwachsen.

ao Die erste Zwischenüberhitzungstemperatur wird an der Stelle 88 (F i g. 1) nahe dem Auslaß des Zwischenüberhitzerabschnittes 48 gemessen, und in Abhängigkeit dieses Meßergebnisses werden die Brenner 86 in der Brennkammer 10.4 über eine Regelvorrichtung 90 verschwenkt, um diese Temperatur zu regeln. Auf gleiche Weise wird die zweite Zwischenüberhitzungstemperatur an der Stelle 91 am Austritt des Zwischenüberhitzers 56 gemessen und über Regelvorrichtungen 92 die Brenner 86 in der Brennkammer 10 B verschwenkt und die Lage der Verbrennungszone verschoben, so daß auch diese Temperatur auf ihrem gewünschten Wert gehalten wird. Die Temperaturen lassen sich damit über einen wesentlichen Lastbereich konstant halten.

An Stelle der Regelung der Zwischenüberhitzungstemperaturen durch Verschieben der Verbrennungszonen kann auch eine Regelung durch Rauchgasumwälzung erfolgen (F i g. 7). In diesem Umwälzsystem werden Verbrennungsgase, nachdem sie die durch Konvektion beheizten Zwischenüberhitzer passiert haben, mittels eines Umwälzgebläses 96 durch einen Gaskanal 94 gefördert und in den unteren Teil der Brennkammer eingeführt, und zwar derart, daß die Wärmeaufnahme durch die Brennkammer abnimmt. Durch die Rauchgasumwälzung wird erreicht, daß der Wärmeinhalt der die Brennkammer verlassenden Gase wächst. Wenn die Belastung des Dampferzeugers abnimmt, vergrößert sich die Gasmenge, die wieder in die Brennkammer eingeführt wird, wodurch der Wärmeinhalt der Gase, welche die Zwischenüberhitzer passieren, zunimmt und wodurch wenigstens teilweise die Tendenz der Zwischenüberhitzungstemperaturen, mit abnehmender Last zu sinken, kompensiert wird. Mit dieser Gasumwälzung wird — wie auch bei der Schwenkbrennerverstellung — jede der Brennkammern 1OA und 10 B getrennt beeinflußt, so daß die erste und die zweite Zwischenüberhitzungstemperatur über einen beträchtlichen Lastbereich auf ihrem gewünschten Wert gehalten werden können. Beim Gasumwälzsystem können die Gasumwälzgebläse 96, von denen eines mit je einer Brennkammer 10^4 und 10 B zusammenarbeitet, im Hinblick auf ihre Förderleistung von einer Regelvorrichtung beeinflußt werden, die den Regelvorrichtungen 90 und 92 entsprechen. Die Beeinflussung geschieht durch Verändern der Drehzahl des Gasumwälzgebläses, oder es können verstellbare Klappen in der Gasumwälz-

leitung 94 vorgesehen sein, um die Menge des umgewälzten Gases zu verändern.

Außer den außenliegenden Wänden können auch Zwischenwände in den Brennkammern vorgesehen sein, die zum Arbeitsmittelstrom in den außenliegenden Wänden parallel oder in Reihe geschaltet sein können.

Wenn der erfindungsgemäße Dampferzeuger mit unterkritischen Drücken betrieben wird, hat die Reihenschaltung der Brennkammerberohrungen den Vorteil, daß die Durchflußquerschnitte der einzelnen Berohrungen dem sich ändernden Volumen des Arbeitsmittels entsprechend bemessen werden können.

Anstatt eine Arbeitsmittelumwälzung für beide Brennkammern vorzusehen, kann auch für jede Brennkammer eine Arbeitsmittelumwälzung vorhanden sein. Die Umwälzleitung kann auch durch eine Bypaßleitung mit der Verbindungsleitung zwischen den in Reihe geschalteten Brennkammerberohrungen verbunden sein.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Zwangdurchlauf dampf erzeuger, insbesondere für Betrieb bei überkritischem Druck und insbesondere mit überlagertem Arbeitsmittelumlauf, mit mindestens zwei gasdicht voneinander getrennten Brennkammern, die mit vertikalen, nebeneinanderliegenden, arbeitsmittelseitig parallelgeschalteten Rohren ausgekleidet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Berohrung mindestens der außenliegenden Wände einer Brennkammer arbeitsmittelseitig in Reihe zu der Berührung mindestens der außenliegenden Wände einer anderen Brennkammer geschaltet ist.

2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre die gesamte Höhe des Brennkammerzuges durchmessen.

3. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der überlagerte Arbeitsmittelumlauf mittels einer Umwälzvorrichtung (80; 800) über die hintereinandergeschalteten Rohre aller Brennkammern erstreckt.

4. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte Mittel vorgesehen sind, mit denen die Brennkammern unabhängig voneinander befeuert werden können.

5. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verändern des Wärmeinhaltes der Rauchgase Schwenkbrenner vorgesehen sind, mit denen die Verbrennungszone in mindestens einer der Brennkammern verschoben werden kann.

6. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verändern des Wärmeinhaltes der Rauchgase eine Umwälzvorrichtung (96) vorgesehen ist, mit der abgekühlte Rauchgase dem Rauchgaszug entnommen und in den unteren Teil mindestens einer der Brennkammern eingeführt werden können.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 911264;

deutsche Auslegeschriften Nr. 1000 828,
1014121,1036272;

belgische Patentschrift Nr. 521183;

Zeitschrift Durer-Mitteilungen, Heft 1, September 1956.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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