DE1576855A1

DE1576855A1 - Dampferzeuger

Info

Publication number: DE1576855A1
Application number: DE19671576855
Authority: DE
Inventors: Chambert Lars Axel Andreas
Original assignee: Svenska Maskinverken AB
Current assignee: Svenska Maskinverken AB
Priority date: 1966-10-28
Filing date: 1967-10-27
Publication date: 1970-05-06
Also published as: CH475024A; SE312563B; US3464393A; GB1201783A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit Zwangsumlauf' arbeitenden Dampferzeuger, der geeignet ist, bis zu einem gewünschten Druck betrieben zu werden, der sowohl unterhalb als auch oberhalb des kritischen Punktes des Arbeitsmediums liegen kann.

Bei bekannten Dampferzeugern oder Kesseln wird das Arbeitsmedium in Kanälen oder Rohren erhitzt, die von außen her beheizt werden. Hierbei kann man eine Unterteilung in denjenigen Teil, welcher das Medium erhitzt, so daß eine Verdampfung stattfindet · (Siedezone), oder in welchem beim überkritischen Betrieb ein Punkt nahe dem kritischen Punkt erreicht wird, und denjenigen Teil vornehmen, welcher allgemein als Überhitzer bezeichnet wird und dazu dient, das Medium so zu erhitzen, daß es in den gewünschten endgültigen Zustand gebracht wird· Die erfindungsgemäße Konstruktion bezieht sich auf denjenigen Teil, mittels dessen das Medium bis zur Verdampfung oder bis zu einem Punkt erhitzt wird, der nahe am kritischen Punkt des Mediums liegt. Im folgenden wird dieser Teil als der Verdampfungsteil der Anlage bezeichnet. 0 09819/01 21

Bei Dampferzeugern bekannter Bauart wird zwischen den in Fig. 1 gezeigten Systemen unterschieden.

Fig. 1 zeigt bei I eine geradlinige Anordnung mit einem Vorwärmer a, einem Verdampfungsteil b und einem Überhitzer c, wie sie im wesentlichen auch bei der Anordnung II vorgesehen sind; bei dem System II sind jedoch einige Dampfabscheider d vorgesehen, denen der gesammelte Strom des Mediums aus dem Teil b zugeführt wird. Bei allgemein niedriger Belastung der Anlage kann bei den Anordnungen I und II der gewünschte minimale Strom dadurch erzielt werden, daß das Medium über Ventile und Pumpen von einem zwischen den Teilen b und c liegenden Punkt aus zur Einlaßseite zurückgefördert wird. Bei hohen Belastungen strömt das Medium bei der Anordnung I durch einen direkten Strömungsweg und bei der Anordnung II durch einen im wesentlichen direkten Strömungsweg, wobei ein kleinerer Teil über den Dampfabscheider zurückgeleitet v/ird. Der Dampfabscheider kann als Zyklonabscheider ausgebildet sein, bei dem eine Standhöhenregelung vorgesehen ist, und der so ausgebildet ist, daß das abgeschiedene Medium abgeführt werden kann.

Bei den Anordnungen IHa und IHb findet die Abscheidung des Dampfes normalerweise in einem liegend angeordneten Druckbehälter e bzw· einem Dom statt, und das abgeschiedene Medium, das nicht verdampft worden ist, wird bei der Anordnung IHb ' duroh natürliche Zirkulation oder bei der Anordnung IHa durch eine oder mehrere Pumpen f zum Einlaß oder einem Punkt vor dem Verdampfungsteil zurückgeleitet. Dieser Grundgedanke wird bei der als Domkessel bekannten Bauart angewendet. Die Abscheidung des Dampfes in dem dargestellten Druckbehälter e bzw. dem Dom

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kann in mehreren kleinen Zyklonen bewirkt werden oder auf andere Weise erfolgen. Die Regelung des Stroms des mediums erfolgt dadurch, daß die Standhöhe in dem Druckbehälter geregelt wird.

Bei der Anordnung IV, die nur tür den überkritischen .Betrieb bestimmt ist, findet eine Rückumwälzung innerhalb eines bestimmten Teils des Belastungsbereichs von einem zwischen den Teilen b und 'c liegenden Punkt aus über die dargestellte Rückleitung zur Einlaßseite einer Pumpe f statt. Bei den hier in Präge kommenden -Betriebsdrücken braucht keine Dampfabscheidung vorgesehen zu werden.

Bei der erfindungsgeraäßen neuen Anordnung V findet die Verdampfung in der üblicüen weise in dem mit b bezeichneten Teil statt. Die Dampfabscheidung erfolgt in mehreren kleinen Zyklonen G, von denen jeder mit Gruppen von Verdampferrohren verbunden ist. Das abgeschiedene Medium wird zu einem Mischbehälter h zurückgeleitet. Die Antriebskraft für das Ivledium wird durch eine Pumpe i aufgebracht, oder es wird gegebenenfalls mit natürlicher Zirkulation gearbeitet. Das zugeführte Medium wird auf der Basis einer Standhönenbestimmung oder mit Hilfe eines anderen „Verfahrens in dem Mischbehälter h so geregelt, daß eine ausreichende !!enge des Mediums vorhanden ist, um das einwandfreie Arbeiten der Anlage zu gewährleisten. Somit iet die Dampfabscneidun^::funktion in der beschriebenen i/eise von demjenigen Teil des Systems getrennt, welcher in erster Linie dazu dient, das zu^eflüirte ..ledium und das erneut umgewälzte lledium zu miscnen, wobei I.;eßvorric:vfcungen vorgesenen sind, um den Strom des zu.~efünrte:i Ilcaiums zu re .ein.

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Im Vergleich zu bekannten Systemen bietet die erfindungsgemäße Anordnung die nachstehend aufgeführten Vorteile,

1. Die Abscheidung des Dampfes kann an einem Punkt erfolgen, der dem Verdampfungsteil sehr nahe benachbart ist. Die Anwendung des beschriebenen Grundgedankens der Verwendung mehrerer Dampfabscheider bedeutet, daß man den großen Druckbehälter, den Dom und bestimmte Sammelkasten durch kleinere Mischbehälter und die Dampfabscheider ersetzen kann. Die erforderlichen Strömungsquerschnitte sind im Vergleich zu einem Domkessel bekannter Bauart relativ klein, und zwar unter anderem deshalb, weil bei einem Domkessel der gesamte Strom des von dem Verdampfungsteil kommenden Kediums in den Dom eingeleitet werden muß.

2. Wenn man eine Menge des zurückgeleiteten Mediums verwendet, die in Beziehung zu dem verdampften Strom des Mediums geeignet ist, kann man die Rohranordnung mit im wesentlichen senkrechten Rohren beibehalten, die für einen Domkessel bekannter 3auart charakteristisch ist.

3. Die erfindungs^emäße Konstruktion ermöglicht einen Betrieb mit geringen Druckverlusten. Ein Faktor, der hierzu bei-r trägt, ist die Tatsache, daß die Geschwindigkeit, d.h. die kinetische Energie in dem Verdampfungskanal, ebenfalls zur Abtrennung des Dampfes ausgenutzt werden kann.

4. Das enindungsgemäße System ermöglicht es, die Uassengeschwindigkeiten, die für stabile Wärmeübergangsbedingungen erforderlich sind, unabhängig von der Belastung und dem Druck gewählt werden, und daß die kleinste Last auf die Durchfluß-

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- 5 menge Null eingestellt wird.

5. Derjenige Teil des Druckbehälter, welcher bei variierender last bei unterkritischem Betrieb ein variierendes Dampf/Wasser-Volumen aufweist, wird im wesentlichen nur durch die Rohre in der Verdampfungszone gebildet. Hieraus ergibt sich eine gute Regelbarkeit und die Möglichkeit, die Standhöhe in dem Mischbehälter vor den Pumpen auf einfache Weise einzustellen.

6. Der Druckabfall in dem System kann auf dem niedrigsten möglichen Wert gehalten werden. Der Druckabfall im Verdampfungsteil wird durch die Pumpenmittel überwunden, so daß sich der. niedrigste mögliche Druck am Einlaß der Anlage einstellt.

7. Der maximale Betriebsdruck kann so gewählt werden, daß er den kritischen Punkt erreicht oder überschreitet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden an Hand schematiocher Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Pig. 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Dampferzeugungssystem.

Pig. 3 ist ein Längsschnitt durch einen Zyklonabscheider.

Pig. 4 zeigt den Zyklonabscheider nach Pig. 3 im Grundriß.

Pig. 5 ist ein Schnitt längs der Linie A-A in Pig. 3.

Pig. 6 ist ein Schnitt längs der Linie B-B in Pig. 5.

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In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Das System von Verdampfungsflächen, das die feuerung umschließt, ähnelt allgemein bekannten Konstruktionen, und es umfaßt aufrecht stehende Kesselrohre 1.An den Auslassen der. Rohre 1 sind relativ zahlreiche Dampfabscheider 2 vorgesehen. Gemäß i'ig. 2 kann das System auf bekannte Weise mit einem Startsystem 3 und mit einem unteren Blassystem 4 ausgerüstet sein.

Die erwähnten Dampfabscheider können z.B. gemäß Pig. 3 bis 6 ausgebildet sein, wo ein Ausführungsbeispiel dargestellt i°-.. bei dem die Rohre oder Kanäle für das von dem Kessel kommende teilweise verdampfte Liedium direkt mit dem Daapfabscheider verbunden sein können. Bei dieser Anordnung ergeben sich nur minimale Strömungsverluste, und die Strömungsgeschwindigkeit, die das Medium bereits in der Verdampfungszone erreicht hat, wobei sich diese Strömungsgeschwindigkeit gegebenenfalls noch etwas erhöht, icann ausgenutzt werden, um eine gute Abscneidungswirkung zu erzielen.

Das in den Dampf abs cheidern 2 abgeschiedene liedium strömt von den Dampfabscheidern aus zu einem Mischbehälter 5 zurück, und zwar entweder über getrennte Leitungen 6 oder eine einzige allen Abscheidern gemeinsam zugeordnete Leitung, Der abgeschiedene Dampf strömt gewöhnlich über mehrere Rohrleitungen Y von den Abscneidern aus zum Einlaß des Überhitzerteils, der gemäß ü'ig. 2 drei Überhitzer b, 9 und 10 umfaßt.

Das in den Abscheidern 2 abgeschiedene, erneut umzuwälzende Medium strömt zu dem Mischbehälter !? zurück; die Anlage

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kann einen oder mehrere solche Mischbehälter umfassen; in dem Mischbehälter wird das zurückgeleitete Medium mit dem zugeführten Medium gemiscnt, um dann zu den Yerdampferrohren 1 zurückgeleitet zu werden, und zwar mit Hilfe von Pumpenmitteln, bei denen es eich z.B. um eine durch einen Elektromotor angetriebene ■Umwälzpumpe 11 handelt. Bei einem Dampfkessel der beschriebenen Art kann der Mischbehälter b z.B. als aufrecht stehender Behälter ausgebildet sein, bei dem beim unterkritischen Betrieb die Standhöhe im wesentlicnen auf oder unter der Standhöhe in den Abscheidern gehalten wird. Das Beimiscnen des frisch zugeführten Mediums kann vollständig oder teilweise in dem Mischbehälter erfolgen, jedoch geschieht dies stets vor der Verdampfungszone. Der Miscnbenälter ist zum Zweck des Druckausgleichs auf geeignete V/eise durch eine Leitung 12 mit einem vor dem Überhitzer 8 liegenden Punkt verbunden. Das frisch zugeführte Medium wird in einem Vorwärmer 13 vorgewärmt, bevor es mit dem zirkulierenden lledium gemischt wird.

Bei der in den beschriebenen Zyklonen 2 stattfindenden Dampfabscheidung handelt es sich um einen sich selbst einstellenden Prozeß. Bs ist jedoch sehr schwierig, die Standhöhe des Inhalts des Mtköhbehälters t? einzustellen bzw. zu regeln. Wie schon erwähnt, kann das zugefUhrte Medium in diesem behälter beigemischt werden, was bedeutet» daß der Behälter möglicherweise ein Medium in Form einer homogenen Phase, jedoch von anderer Temperatur, enthält, was sich jeweils nach der Belastung usw. richtetj ferner kann das Medium zwei Phasen bilden, wobei sich die flüscige Phase auf der Sättigungstemperatur befindet, wobei . eich die flüssige Phase jedoch auch auf einer niedrigeren

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- 8 Temperatur befinden kann.

Es ist wichtig, eine ziemlich .konstante Standhöhe bzw. einen konstanten Inhalt des Mischbehälters einzuregeln, um zu verhindern, daß das Medium in Form seiner flüssigen Phase zu dem Überhitzer gelangt.

Es kann sich als ausreichend erweisen, mit einem konstanten Inhalt des Mischbehälter zu arbeiten, und hierdurch würden die sich an den kritischen Punkten ergebenen Schwierigkeiten vermieden, denn an diesen kritischen Punkten würde natürlich die übliche Regelung der Standhöhe nicht brauchbar sein.

Der Inhalt des Mischbehälters kann auf verschiedene Weisen gemessen v/erden. Eine Möglichkeit besteht z.B. darin, das Gewicht des Mischbehälters direkt zu messen.

Dampferzeuger, die im überkritischen Bereich arbeiten, müssen gegen thermische Stoßbelastungen der Überhitzer 8, 9 und 10 sowie der zu der Turbine 15 führenden Dampfleitungen gesichert sein_t Auch der im überkritischen Bereich arbeitende Verdampfungsteil, d.h. die Rohre 1, müssen geschützt werden. Jj'ehler, die bei dem Einstell- oder Regelsystem auftreten, können zu thermischen Stoßbeanspruchungen führen} beispielsweise kann sich ein schneller Druckabfall ergeben, während der kritische Druck herrscht und gleichzeitig das ganze System mit dem Medium gefüllt wird, das sich in der flüssigen Phase befindet. Aus Sicherheitsgründen muß man daher vor den betreffenden ""eilen der Anlage eine Absperrvorrichtung und geeignete Steuermittel vorsehen. Dies geschieht gewöhnlich gemäß Fig. 1 bei aer im überkritischen Bereich arbeitenden Anordnung IV zwischen den

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Teilen "b und c der Anlage.

Bei Systemen, die entweder nur im unterkritischen Bereich oder abwecnselnd im unterkritischen und im überkritischen Bereich arbeiten, ist es erforderlich, eine andere Anordnung zu wählen, da beim Drosseln des die Zyklone verlassenden gesättigten Mediums, das unter einem höheren Druck steht, eine gewisse v/assermenge als Bestandteil des Mediums jenseits der Drosselstelle anfällt. Dieses ',Yasser kann in Leitungen und Verteilerbehältern vor dem überhitzer abgeschieden werden und zu einer ungleichmäßigen atrömungsverteilung führen.

Aus diesem Grunde ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 2 die Absperr- und Regelvorrichtung hinter dem ersten überhitzerteil 8 angeordnet. Die Vorrichtung umfaßt Regelventile 16, von denen jeder Leitung eines zugeordnet ist, und die zur Regelung des Drucks dienen. Jenseits der Regelventile sind zur Temperaturregelung Einspritzkühler 17 angeordnet. Solche Kühler sind auch zwiscüen dem zweiten Überhitzer 9 und dem dritten überhitzer 10 vorgesehen. Diese Anordnung bietet die nachstehend genannten Vorteile.

1. Es besteht Gewänr dafür, daß hinter der Steuervorrichtung bzw. dem Ventil trockener Dampf zur Verfugung steht."

2. Der Verüampfungsteil kann in Betrieb gesetzt werden, v-änrend diese Ventile geschlossen sind, um das Entstehen von Kondensat in noch Kalten Überhitzerelementen zu vermeiden.

3. In der Praxis wänlt man in den meisten Fällen den ersten Punkt, an dem sich der Strom des Mediums mit einem oder zwei

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gesammelten Strömen vereinigt, d.h. vor den Einspritzkühlern.

4. Beim Betrieb mit stark variierender Belastung ermöglicht es die erfindungsgemäße Anordnung in Kombination mit einer geeigneten Temperaturregelung, daß die * onstruktionsdaten des Überhitzers auf optimale Weise gewählt werden. Dies bedeutet unter anderem, daß der Druck in den Überhitzerteilen 9 und 10 auf die V/erte begrenzt werden kann, die angesichts der herrschenden Speisetemperatur zulässig sindj dies ist unter anderem dann von iiedeutung, wenn sich die Belastung des Turbinenaggregats schnell verringern Kann.

5. Der Übergang vom unteritritiscnen -betrieb zum überkritischen Betrieb icann schrittweise durchgeführt v/erden, d.h. zuerst wird der Druck im Verdampferteil und im Überhitzerteil vor dem jtiegelventil des Überhitzerteils bis auf den überkritischen Bereich erhöüt, und danach erhöht man den Druck in den Überhitzerteilen 9 und 10.

6. unter von den Konstruictionsdaten abweichenden Bedingungen kann das Regelventil in Verbindung mit den nachgeschalteten Temperaturregelvorrichtungen so eingestellt v/erden, daß die Beanspruchungen der Überhitzer unter Zontrolle gehalten werden. Der beschriebene Eiiekt wird auf vorteilhafte V/eise so ausgenutzt, daß bei Betriebsdrücken, die den gewählten konstruktionsdruck ₎ des Überhitzers überschreiten, die lemperatur bis unter die konstruktiv vorgesehene Temperatur gesenkt wird, so daß eine schädliche ,Virkung einer solchen Betriebsweise auf aie Lebensdauer der überhitzer vermieden wird.

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Pig. 2 zeigt zusätzlich zu den beschriebenen Einrichtungen ebenso wie bei bekannten Anlagen einen Zwischenkühler 18, eine Niederdruckturbine 19» einen Kondensator 20 und einen Ekonomiser 13.

In Fig. 3 bis 6 ist ein Zyklonabscheider dargestellt, der einen Behälter 21 umfaßt, in dessen Wand mehrere Einlasse 22 für das teilweise verdampfte Medium eingebaut sind. Gemäß Fig. die als Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 3 gezeichnet ist, sind die-Einlasse 22 jeweils mit einem Einsatzstück 23 in Form einer tangential gerichteten Düse versehen. Die Querschnittsform der Düse 23 geht aus Jj¹Ig. 6 hervor, bei der es sich um einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. S handelt. Der Dampf wird aus dem Zyklon in der üblichen Weise nach oben über eine Düse abgeführt, während das Wasser an den Innenwänden abläuft und gemäß Fig. 3 in Richtung des Pfeils 25 zum unteren Ende des Zyklons strömt. Gemäß Fig. 3 und 4 sind zahlreiche Einlaßrohre 26 an verschiedenen Punkten in die Wand des Zyklongehäuses eingebaut· Diese Anordnung trägt erheblich zu einer wirksamen Arbeitsweise dee Zyklone bei.

Patentansprüche t ÜQ9819/0121

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Mit Zwangsumlauf arbeitender Dampferzeuger, der für den Betrieb bis zu einem gewählten Druok sowohl oberhalb als auch unterhalb des kritischen Punktes des Arbeitsmediums bestimmt ist und einen ^vorwärmerteil, einen Verdampferteil und einen ÜberhitJaerteil umfaßt, wobei die Abtrennung des dampfes in dem Verdampferteil lediglich mit Hilfe von Dampfabscheidern bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfabscheider (2) direkt mit den Dampferzeugungselementen (1) des Verdampferteils verbunden sind, und daß ein Mischbehälter (5) die Rückleitungen (6) der Dampfabscheider mit dem Speisesystem der Dampferzeugungselemente verbindet, wobei die °tandhöhe der Flüssigkeit oder - beim Betrieb mit überkritischem ^ruck - die Menge des Mediums in dem Mischbehälter durch Regelmittel auf einem bestimmten konstanten </ert gehalten wird.
2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Druckregelventilmittel (16) hinter dem ersten Überhitzerteil (e) angeordnet sind.
3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einspritzkühler ^17) mindestens hinter dem ersten Überhitzerteil angeordnet sind.
4. Dampferzeuger nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfabscheider (2) als Zyklonabscheider ausgebildet sind, die eine große Zahl von einlassen (22) aufweisen, welche auf aer Innenseite tangential gerichtete Düsen

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(23) und auf der Außenseite radiale Auslässe aufweisen, wobei die V"er dampf err öhre des Dampferzeugungsteils getrennt oder in Gruppen von zwei oder mehr direkt mit Einlaßanschlüssen der Zyklonabscheider verbunden sind.

Des· Patentanwalt:

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