DE1751293A1 - Abhitzekessel - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

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PATENTANWALT DIPL-INO. R. MOUt.-BORNEB

21 258/9

General Electric Company Schenectady5, N.Y./USA

Abhitzekessel

Die Erfindung betrifft einen Abhitzekessel mit einem Vorwärmer, einem Verdampfer und einem Überhitzer, welche innerhalb eines Abzugschachts für die gasförmigen Produkte einer Verbrennung angeordnet sind und mit einem Brenner, |(

welcher vor dem Vorerhitzer, Verdampfer und Überhitzer zum Aufheizen der gasförmigen Produkte angeordnet ist.

Der Abhitzekessel gehört in die Gruppe der Dampferzeuger, welche dux'ch Wärmerückgewinnung von Wärme aus einer Verbrennungsmaschine, z» B, einer Gasturbine betrieben werden,

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um mit dieser so ausnutzbaren Wärme Dampf zu erzeugen· ' Derartige Abhitzekessel sind bekannt und'in zahlreichen . < Konstruktionen erprobt worden. Zwei Hauptfaktoren, durch welche die Wirtschaftlichkeit bei Abhitzekesseln gesteigert werden kann, sind der Betrieb und die Konstruktion« Die Wirtschaftlichkeit im Betrieb ist auf eine Leistungssteigerung des Abhitzekessels und die Wirtschaftlichkeit in der Konstruktion auf eine höhere Dampferzeugungskapazität unter Beachtung von Kostengrenzen.bzw« des diesbezüglich einzuschränkenden Materialaufwands ausgerichtet· Bei der Entwicklung des Abhitzekessels gemäß der Erfindung wurde im Vergleich zu den bekannten Dampferzeugern und im Hinblick auf eine vorgegebene Dampferzeugungskapazitat vorrangig auf eine verhältnismäßig wirtschaftliche Konstruktion geachtet*

Bei Abhitzekesseln, welche durch unbeheizte, abgezogene Gase betrieben werden, deren Wärme für die Dampferzeugung verwendet wird, werden diese heissen Gase einmal durch den Dampferzeuger geführt, nachdem diese vorher' erstmalig genutzt und dabei nur einmal beheizt worden sind« Beim'Absaugen mit einer Temperatur von ca, 150 C enthalten die Gase noch immer mehr Wärmeenergie als die Umgebungsluft. Ebenso enthalten diese Gase unverbrauchte oder überschüssige Luft, welche zwecks Verbrennung mit Brennstoff angereichert werden können.

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Es ist bekannt, abgesaugte Gase zu beiieizen, d. h. dem Luftüberschuß zusätzlichen Brennstoff hinzuzufügen und damit Wärmeenergie zu addieren. Bei den bekannten beheizten Abhitzekesseln werden die Gase jedoch nur einmal durch den Abhitzekessel geführt. Das Ergebnis ist, daß nur ein Temperaturabfall von beispielsweise 700 C auf 150 C oder ein Wärmeentzug von ca. 5^0 C genutzt werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt jedoch, obgleich die Eintritts- und Austrittstemperaturen z, B. 700 C bzw_o 150 C betragen, eine weit größere Nutzung der mit dem Temperaturabfall von ca. 5^tO C gegebenen Wärmeenergie.

Gegenstand der Erfindung ist demzufolge ein durch beheizte Abgase betriebener Abhitzekessel mit günstigster Anordnung für das Erzeugen einer vorgegebenen Üanipfmenge erforderlichen Bestandteile und ein Abhitzekessel mit einer gesteigerten Kapazität bei einer vorgegebenen maximalen Temperatur und einer vorgegebenen#ärmeaustausch-Fläche.

Die vorliegende Erfindung wird beispielsweise bei Abhitzekesseln angewendet, welche Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer aufweisen, die in der Strömungsbahn von Abgasen angeordnet sind, welche von Gasturbinen abgezogen werden. Dabei ist oberhalb von Vorerwärmer, Verdampfer und Überhitzer ein Brenner angeordnet, um in den Abgasen zusätzliche Wärmeenergie

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zu erzeugen. Oberhalb des Brenners ist zum Zwecke des Wärmeentzugs aus den noch unbeheizten von der Gasturbine abgezogenen Abgasen ein Vorwärmer angeordnet, welcher parallel zum Speisewasserumlauf des Verdampfers angeordnet ist und ein Teil desselben darstellt.

In den beiliegenden Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel für den Abhitzekessel gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Ks zeigen:

Fig. 1 einen Abhitzekessel, bei dem die ausgenutzten abgezogenen Abgase beheizt werden, entsprechend dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen Abhitzekessel gemäß Fig. 1, jedoch mit unbeheizten Abgasen;

Fig. 3 eine mehr detaillierte Darstellung des Abhitzekessels gemäß Fig. 1, und

Fig. k einen Abhitzekessel gemäß der Erfindung, bei dem dip für die Wärmerückgewinnung abgezogenen Abgase beheizt werden.

Der in Fig. 1 gezeigte, mit beheizten Abgasen betriebene Abhitzekessel 2 weist einen Vorwärmer '(, oincn Verdampfer d, einen Überhitzer H und einon Uronner K) nuf, w

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innerhalb eines AbzugsSchachtes 12 angeordnet sind, durch welchen die von einer Verbrennungsmaschine, ζ. B. einer Gasturbine kommenden abgezogenen Abgase geführt werden. Ein Speisewasserbeiiälter Ik ist außerhalb des Schachtes 12 angeordnet« Das Speisewasser wird diesem Speisewasserbehälter 1 't vom Vorwärmer h zugeführt und mittels einer Pumpe 16 in den Verdampfer°gefördert. Der Verdampfer 6 bezieht somit sein Speisewasser vom Speisewasserbehälter 14 und führt dieses im Form von Wasser und Dampf in diesen zurück. Der ™

Speisewasserbehälter ΛΗ führt auch dem Überhitzer 8 Speisewasser zu, von dem aus der erzeugte Dampf seiner Verwendung zugeführt wird.

Die von einer Turbine oder einem Diffusor (nicht dargestellt) abgezogenen Abgase treten in den Schacht 12 ein und werden durch ein Knie kO geführt, welches die Abgase aus einer im wesentlichen horizontalen Strümungsrichtung in eine senkrecht dazu verlaufende Richtung ablenkt. Diese Ablenkung der Abgase Λ verursacht Druck unmittelbar hinter dem Knie kO und Strömungsturbulenzen. Um diese Turbulenzen zu beseitigen, sind Leitblechc k2 und Gitter kk in der Strömungsbahn der Abgase vorgesehen, um diese als gleichmäßigen Strom dem Brenner 10 zuzuführen.

In der Darstellung in FLg. 2 sind für gleiche ToLLe gleiche liezugszfihlen verwendet. Aucljiiier ist dor Vorwärmer k_t der Verdampfer 6 und (lev Überlii. tzor 8 Innerhalb dos Schachtes 12 im

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Strömungsweg der abgezogenen, von einer Gasturbine zugeführten Abgase vorgesehen. Der Speisewasserbehälter U . ,. : und die Pumpe 16 sind ebenfalls vorhanden und arbeiten : nach dem gleichen Schema wie der Abhitzekessel in Fig. 1. Der unbeheizte Abhitzekessel gemäß Fig. 2 weist keinen Brenner auf, sondern nutzt nur die Wärme der abgezogenen Abgase,

^ Es ist offensichtlich, daß bei einer vorgegebenen Abgastemperatur die Leistung des in Fig. 2 dargestellten unbeheizten Abhitzekessels begrenzt ist und nur durch Erhöhung der Abgastemperatur oder der zugeführten Abgasmenge gesteigert werden kann. Hierin liegt die Funktion und Aufgäbe der beheizten Abhitzekessel. Die beheizten Abhitzekessel führen der innerhalb der abgezogenen Abgase vorhandenen unverbrannten oder überschüssigen Luft Brennstoff zu und addieren da-ί'^{l lS} durch eine für die Dampferzeugung bestimmte Wärmemenge. '

ν In Fig. 3 ist der in Fig. 1 dargestellte Abhitzekessel in ^!

seinen, den Verdampfer 6 betreffenden Einzelheiten disutlicher gezeigt. Eine Speisewasseraustrittsleitung 18 führt vom Speisewasserbehälter ~\k zur Speisewasserpumpe 16, welche durch eine Druckleitung 19 mit einem Verteiler 20 verbünden ist, an dem eine Anzahl von parallel zueinander verlaufenden Rohren angeschlossen ist. Diese Rohre verlaufen zu einer Sammelkammer 22, welche über eine Rücklaufleitung 2k mit dem Speisewasser-

behälter 1^ verbunden ist. Zusammengefaßt gesagt, bilden die Rohre des Verdampfers 6, der Verteiler 20 und die Sammelkammer 22 einen Umlaufkreis A.

Bei einem typischen Anwendungsboispiel für Abhitzekessel gemäß Fig. 3 werden die Abgase mit einer Temperatur von ca. i(75^OC dem Brenner 1O zugeführt und durch diesen auf ca. 700⁰C erwärmt, um anschließend über den Überhitzer, den Verdampfer und den Vorwärmer geführt zu werden und nach Erzeugung einer dadurch gegebenen Dampfmenge noch eine Temperatur von ca. 150 C aufzuweisen. Der hierbei durchgeführte "Wärmeentzug entspricht 700 G minus 1 50 C = ca. 550 C.

unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird der erfindungsgemäße Abhitzekessel gemäß Fig. k beschrieben. Ein Wärmerückgewinnungs-Element oder ein Vorwärmer 2.6 ist innerhalb des Schachtes 12, oberhalb des Brenners 10 und unterhalb des Knies h§ vorgesehen. Der Vorwärmer 26 steht in Verbindung mit einem Vor- s!

wärmer-Verteiler 28 und einer Vorwärmer-Sammelkanuner 30. Der Verteiler 28 ist über eine Speisewasserleitung 32 mit der Druckleitung 19 an der Druckseite der Pumpe 16 verbunden, während zwischen der Sammelkammer 30 und der in die zum Speisewasserbehälter ]k führenden Rücklaufleitung 2k eine dicht an die Eintrittsseite des Speisewasserbehälters 14 führende Verbindung durch eine Leitung 3k hergestellt ist.

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Die Rohre des Vorwärmers 26, der Verteiler 28, die Samme 1 kammer 30, die Leitungen 18, 32 und Jk und der Speisewasserbehälter 1*t bilden somit einen weiteren Umlauf kreis D. Die Leitungen 32 und 3k, der Verteiler 28 und die Sammelkammer 30 und die Rohre des Vorwärmers 26 des Umlaufsystems B sind parallel zu den Leitungen 19, Zh des Verteilers 20 und der Samme1kammer 22 und den Rohren dee Um- _ laufsystems A mit diesem verbunden.

Es ist offensichtlich, daß der Vorwärmer 26 in Fig., k aus einer an einer anderen Stelle, und zwar vor dem Brenner angeordneten Anzahl von Rohren des Verdampfers 6 besteht.

Um dies eindeutig zu erläutern, wird davon ausgegangen, daß im Abhitzekessel gemäß Fig. 3 vierzehn Reihen von Rohren im Verdampfer 6 vorhanden sind, wogegen in dem Abhitzekessel gemäß Fig. k acht Reihen von Rohren im Verdampfer 6 und sechs 1/ Reihen von Rohren im Vorwärmer 26 angeordnet sind. Damit sind im Schacht 12 in beiden Fällen die gleiche Anzahl von Rohren unter im wesentlich gleichem konstruktiven und material— mäßigen Aufwand vorhanden. Es hat sich orgeben, daß bei den Abhitzekesseln gemäß Fig. k und einem in beiden Anordnungen vorhandenen, auf 700 C aufheizenden brennei , eine Kapazitätssteigerung von ca. ^O % gegenüber dem Dampferzeuger in Fig. 3 erreicht wird.

Das in Fig. k dargestellte bevorzugte Ausfülirunfvsbri spiel

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stellt keinesfalls das Optimum des Anwendungsbereichs der Erfindung dar. Der Vorwärmer 26 und das zugehörige Umlaufsystem JJ braucht nicht unbedingt mi.t dem Umlauf sy stem A verbunden zu sein. Falls es vorteilhaft ist, kann ein separates Umlaufsystem B vorgesehen werden, welches einen separaten Speisewetsserbehälter 14 mit separater Speisewasserpumpe 16 usv. umfaßt. Weiterhin können oberhalb des JJrenners 10 nicht nur der Vorwärmer 26, sondern auch ein Vorwärmer h und ein überhitzer 8 angeordnet sein. Daraus ergibt sich die Anordnung von hintereinandergeschalteten Abhitzekesseln vorbeschriebener Art, wobei einer der beiden nur mit heißen Abgasen unbeheizt und der andere zusätzlich beheizt betrieben wird. Diese Anordnung bringt eine wesentlich erhöhte Verdampfungs-Kapazität mit sich, ohne jedoch die Materialkosten unverhältnismäßig zu erhöhen.

Verglichen mit den gegebenen Temperaturen im Ausführungsbei— spiel gemäß Fig. 3 werden die im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. h oberhalb des Vorverdampfers mit h75 C zugeführten Abgase durch den Vorwärmer 26 auf 315 C abgekühlt und erreichen mit dieser Temperatur den Urenner 10, der die Abgase auf 700 C aufheizt. Nach dem Durchströmen des Überhitzers 8, des Verdampfers 6 und des Vorwärmers h sind die Abgase auf eine Temperatur von 150 C abgekühlt. Somit ist ein Wärmeentzug erfolgt, der 700°C entspricht, nämlich ('f75°C-315°C) zuzüglich (700°C-150°C), DLe im Zusammenhang mit don Fig. 3 und h genannten Temperaturen

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und Daten von Abhitzekesseln stellen nur Ausführungsbeispiele dar, ohne die Erfindung auf diese Werte einzuschränken«

Es hat sich ergeben, daß die vorliegende Erfindung eine höchst vorteilhafte Anordnung zum Steigern der Boiler- oder Verdampfungskapazität darstellt und zwar bei einem Minimum an Materialaufwand. Diese Höchstleistungs-Anordnung gemäß der Erfindung ergibt eine wesentliche Kapazitäts-Steigerung bei nur unverhältnismäßiger Steigerung von Material- und sonstigen Kosten»

Ein weiterer sich aus der Erfindung ergebender Vorteil ist die Anpassungsfähigkeit der Anordnung an zahlreiche Anforderungen· Auszugehen ist dabei davon, daß Boiler mit der Maximaltemperatur beheizt und die Wärmeaustauschfläche möglichst minimal gehalten werden soll« Im Hinblick auf den erfindungsgemäßen Abhitzekessel kann jede zur Grundleistung des beheizten Abhitzekessels zusätzlich gewünschte Dampferzeugung im . Dereich bis zu ca. kO fi Mehrleistung durch die Größe des Vorerhitzers bestimmt und erreicht werden. Damit ist den Herstellern von Abhitzekesseln mehr Flexibilität bei der Aus- , legung der Abhitzekessel insofern gegeben, als ein.Grundtyp von Abhitzekessel installiert werden und den unterschiedlich, gewünschten Leistungen durch die unterschiedliche, Größe der Vorwärmer 26 entsprochen werden kann· Die gewünschte maximale

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Heiztemperatür, ζ. D. 700 C, kann daher über einen Leistungsbereich von ho $> beibehalten werden, während der beheizte Abhitzekessel mit voller Leistung betrieben und dabei in der kleiiistmöglichen Abmessung gehalten wird,, Diese Virtscliaftliclikeit bei der Herstellung führt zur Virtscliaftliclikeit in der Konstruktion, selbst dann, wenn der Vorwärmer, welcher für unterschiedliche Anlagen unterschiedliche Größe aufweisen kann, nicht immer in der optimal vorteilhaftesten Weise angeordnet ist.

Ein weiterer Vorzug der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Drennerleistung infolge verbesserter Strömungsverhältnisse. Wie zum bekannten, in Fig. 1 dargestellten Abhitzekessel erläutert ist, sind Leitbleche und Gitter zwecks gleichmäßiger Zufühiumg des Abgasstroms zum iirenner erforderlich. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Gleichmässigkeit in der Zuführung durch den infolge der Anordnung des Vorwärmers in dem zugeführten Strom von abgezogenen Abgasen verursachten Druckabfall erreicht. Der Vorwärmer dient somit gleichseitig als zwangsläufig vorhandenes Hilfsmittel zur Förderung der Verbrennung und erübrigt die Gitter hk in Fig.

Es ist offensichtlich, daß vorstehend ein Abhitzekessel beschrieben ist, der· durch Wärmerückgewinnung aus Abgasen betrieben wird und wesentlicle wirtschaftliche Vorteile für den Hersteller und hinsichtlich seiner Konstruktion aufweist und bei einer gegebenen Wärmeaustauschflächo eino Steigerung der

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Verdampfungskapazitat gewährleistet. Die erzielten Vorteile gemäß der Erfindung sind das Ergebnis besserer Ausnutzung von als Wärmequelle und Luftüberschuß dienenden abgezogenen Abgasen«

Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestel.lt ist, einschließlich dessen, was in Abweichung von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   My Abhitzekessel der mit der in abgezogenen Abgasen enthaltenen Wärme betrieben wird und einen Vorwärmer, einen Verdampfer und einen Überhitzer in einer Strömungsbahn von heißen Verbrennungsgasen aufweist, wobei in der Strömungsbahn und oberhalb von Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer ein Brenner zum Aufheizen der Gase angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen weiteren Vorwärmer (26), welcher in der Strömungsbahn (12) und oberhalb des Brenners (io) zwecks Wärmeentzugs aus den Abgasen angeordnet ist

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   und wobei weitere Vorwärmer (26) parallel zu und zumindest mit einem Teil eines Umlaufsystems verbunden ist, das durch den Vorwärmer (**), Verdampfer (6) und Überhitzer (8) führt.
2. 2. Abhitzekessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speisewasserbehälter (14) außerhalb der Stromungsbahn (12) und der Verdampfer (6) innerhalb der Strömungsbahn (12) angeordnet ist und einen Teil derselben eines Umlaufsystems (A) bildet, welches Wasser aus dem Speisewasserbehälter (i4) bezieht und an diesen abgibt und daß der Verdampfer (6) ein Vorwärnerteil (26) aufweist, welches in einem parallel angeordneten Umlauf-System (b) angeordnet ist und einen Teil desselben bildet und Wasser aus dem Speisewasserbehälter (14) erhält und an diesen abgibt.
3. 3. Abhitzekessel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (6) einen Verteiler (20) und eine Sammelkammer (22) und eine Anzahl von sich dazwischen erstreckenden und parallel zueinander verlaufenden Rohren aufweist, und der Vorwärnerteil (26) ebenfalls mit einem Verteiler (28), einer Sammelkammer (30) und einer Anzahl von parallel verlaufenden sich dazwischen erstreckenden Rohren versehen ist·
4. 4. Abhitzekessel nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, ansonst wie beschrieben und bzw« oder

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   dargestellt« Gn/Ba