DE19528438A1 - Verfahren und System zum Anfahren eines Durchlaufdampferzeugers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anfahren ei­ nes Durchlaufdampferzeugers mit einer eine Anzahl von Bren­ nern für einen fossilen Brennstoff aufweisenden Brennkammer, deren gasdichte Umfassungswand aus mindestens annähernd ver­ tikal verlaufend angeordneten Verdampferrohren gebildet ist, die speisewasserseitig von unten nach oben durchströmt wer­ den. Sie bezieht sich weiter auf ein Anfahrsystem zur Durch­ führung des Verfahrens.

In einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von die gasdichte Umfassungswand einer Brennkammer bildenden vertikal angeordneten Rohren eines Verdampfers zu einer vollständigen Verdampfung des Strömungsmediums in den Verdampferrohren in einem Durchgang. Üblicherweise wird dem Durchlaufstrom des Verdampfers - und häufig auch einem im Durchlaufdampferzeuger angeordneten rauchgas-beheizten Vorwärmer oder Economizer - während des Anfahrens ein Umlaufstrom überlagert. Dadurch sollen durch entsprechend hohe Geschwindigkeiten in den Roh­ ren diese sicher gekühlt werden. Dabei beträgt der aus Durch­ laufstrom und überlagertem Umlaufstrom bestehende Mindest­ strom bei vertikal angeordneten Rohren in den Umfassungswän­ den der Brennkammer zwischen 25% und 50% des Vollaststroms. Dies bedeutet, daß beim Anfahren die Dampferzeugerlast erst auf mindestens 25% bis 50% gesteigert werden muß, bevor der wirkungsgradmäßig günstige Durchlaufbetrieb mit seinen hohen Dampfaustrittstemperaturen erreicht wird.

Wie aus der Europäischen Patentschrift 0 054 601 B1 bekannt ist, wird daher üblicherweise zum Anfahren und in einem unter einer bestimmten Grenzlast von 50% der Vollast liegenden Lastbereich die Menge des von einer Speisepumpe zu fördernden Strömungsmediums vorzugsweise konstant gehalten. Dabei ist der Förderstrom der Speisepumpe gleich dem Verdampferdurch­ satz. Bei dieser Betriebsweise sind die mit dem Zünden eines ersten Brenners des Durchlaufdampferzeugers beginnenden und mit Erreichen des Durchlaufbetriebs mit seinen hohen Dampf­ temperaturen endenden Anfahrzeiten sehr lang. Dies hat ver­ hältnismäßig hohe Anfahrverluste zur Folge, da deren Höhe we­ sentlich von den Anfahrzeiten beeinflußt wird.

Hohe Anfahrverluste ergeben sich auch durch einen Wasserüber­ schuß. Dieser entsteht einerseits durch einen im Vergleich zur zugeführten Wärme hohen Wassermassenstrom und zum anderen durch den sogenannten Wasserausstoß. Dieser wiederum ent­ steht, wenn die Verdampfung in der Mitte des Verdampfers be­ ginnt und die stromabwärts vorhandene Wassermenge (Wasserpfropfen) ausschiebt. Daher ist in einem Durchlauf­ dampferzeuger üblicherweise eine Abscheideeinrichtung vorge­ sehen, aus der überschüssiges Wasser abgezogen und entweder mittels einer Umwälzpumpe wieder dem Verdampfer zugeführt oder verworfen wird. In dieser Abscheideeinrichtung ist somit während des Anfahrens das Ende der Verdampfung festgelegt. Ein Anfahrsystem mit einer derartigen Abscheideeinrichtung sowie dabei zusätzlich erforderlichem Trenngefäß, Ventilen und einer Umwälzpumpe erfordert bei hohem technischen Aufwand hohe Investitionskosten, die mit einer gewünschten Realisie­ rung hoher und höchster Dampfdrücke stark zunehmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Anfahren eines Durchlaufdampferzeugers anzugeben, bei dem Anfahrverluste, insbesondere durch Abführen überschüssigen Wassers, weitestgehend vermieden sind. Dies soll bei einem zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Anfahrsystem mit einfachen Mitteln erreicht werden.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wasserstand in den Verdampferrohren und das Verhältnis von Brennstoffstrom zu Speisewasserstrom derart eingestellt werden, daß das Speisewasser beim Durch­ lauf durch den Verdampfer vollständig verdampft, so daß am Verdampferaustritt kein Wasser mehr vorhanden ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß vor dem Anfahren, d. h. vor Feuerung des ersten Brenners, der Wasser­ stand im Verdampfer auf eine definierte Höhe gefahren wird. Dabei soll der Wasserstand in den Verdampferrohren einerseits hoch genug sein, um eine ausreichende Kühlung der Verdampfer­ rohre zu gewährleisten. Andererseits darf der Wasserstand in den Verdampferrohren nicht zu hoch sein, um die Ausbildung eines während des Anfahrvorgangs stromabwärts des Verdamp­ fungsbeginns entstehenden Wasserpfropfens zu vermeiden. Wäh­ rend des Anfahrvorgangs, d. h. zum Zeitpunkt der Feuerung des (ersten) oder jedes Brenners, soll dann die pro Zeiteinheit zuzuführende Speisewassermenge in Abhängigkeit von der den Brennern pro Zeiteinheit zugeführten Brennstoffmenge mit dem Ziel eingestellt werden, daß auch ohne Abscheideeinrichtung kein Wasser in dem Verdampfer dampfseitig nachgeschaltete Überhitzerheizflächen gelangt.

Das Niveau des Wassers, d. h. der Wasserstand in den Verdamp­ ferrohren, kann aus dem sich über dem Verdampfer einstellen­ den Differenzdruck abgeleitet werden. Daher wird in zweck­ mäßiger Weiterbildung sowohl zur Ermittlung als auch zur Ein­ stellung des Wasserstandes in den Verdampferrohren die Druck­ differenz, vorzugsweise zwischen Verdampferaustritt und Ver­ dampfereintritt, ermittelt.

Bezüglich des Anfahrsystems für einen Durchlaufdampferzeuger mit einer eine Anzahl von Brennern für einen fossilen Brenn­ stoff aufweisenden Brennkammer, deren gasdichte Umfassungs­ wand mindestens annähernd vertikal verlaufende Verdampferroh­ re aufweist, die speisewasserseitig von unten nach oben durchströmbar sind, wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Was­ serstandes im Verdampfer sowie zum Einstellen des Verhältnis­ ses von Brennstoffstrom zu Speisewasserstrom.

Die Einstell- oder Regelgröße ist zweckmäßigerweise der Ver­ dampferdurchsatz, d. h. die Menge des dem Verdampfer medium­ seitig pro Zeiteinheit zugeführten Speisewassers. Die Ein­ stelleinrichtung ist daher zweckmäßigerweise verbunden mit einem Stellglied und einem Durchflußmeßfühler, die in eine in den Verdampfer führende Speisewasserleitung geschaltet sind. Weiter ist die Einstelleinrichtung mit einem Stellglied und einem Durchflußmeßfühler verbunden, die in eine an den oder jeden Brenner führende Brennstoffleitung geschaltet sind. Ferner ist die Einstelleinrichtung verbunden mit einem Stell­ glied, das in eine mit dem Verdampfer eingangsseitig verbun­ dene Ablaßleitung zur Entwässerung geschaltet ist. Außerdem ist die Einstelleinrichtung verbunden mit Mitteln zur Ermitt­ lung des Wasserstandes im Verdampfer. Sowohl zur Ermittlung als auch zur Einstellung des Wasserstandes im Verdampfer sind zweckmäßigerweise mindestens zwei entlang des Verdampfers an­ geordnete Drucksensoren vorgesehen.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist außerdem eine Verbindungs­ leitung zwischen Verdampferaustritt und Verdampfereintritt vorgesehen, in die eine Armatur, z. B. eine Rückschlagklappe, zur Vermeidung einer Rückströmung zum Verdampferaustritt hin, geschaltet ist. Über die Verbindungsleitung kann am Verdamp­ feraustritt eventuell vorhandenes Wasser dem Verdampferein­ tritt zugeführt werden, wenn die vorhandenen Druckverhält­ nisse es erlauben. Andernfalls kann dieses Wasser über eine an die Verbindungsleitung angeschlossene Abströmleitung abge­ führt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß allein durch Verstellen des Verhältnisses von Brennstoffstrom zu Speisewasserstrom bereits während des An­ fahrens die Frischdampftemperatur auf den erforderlichen Wert eingestellt oder geregelt werden kann, da es keinen definier­ ten Verdampfungsendpunkt mehr gibt. Bei einem Anfahrsystem mit Abscheideeinrichtung würde sich aufgrund des dort festge­ haltenen Verdampfungsendes die Frischdampftemperatur entspre­ chend dem Verhältnis von Verdampfer- zu Überhitzerheizfläche beim Anfahren zwangsläufig einstellen, so daß eine Einrege­ lung der Frischdampftemperatur auf den erforderlichen Wert während des Anfahrens nicht möglich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur schematisch einen Durchlaufdampferzeuger mit vertikalem Gaszug und mit einer Einstelleinrichtung eines Anfahrsystems.

Der vertikale Gaszug des Dampferzeugers 1 gemäß Fig. 1 mit rechteckigem Querschnitt ist durch eine Umfassungswand 2 ge­ bildet, die am Unterende des Gaszugs in einen trichterförmi­ gen Boden 3 übergeht. Verdampferrohre 4 der Umfassungswand 2 sind an ihren Längsseiten gasdicht miteinander verbunden, z. B. verschweißt. Der Boden 3 umfaßt eine nicht näher darge­ stellte Austragsöffnung 3a für Asche. Der untere Bereich der Umfassungswand 2 bildet die mit einer Anzahl von Brennern 5 versehene Brennkammer 6 des Durchlaufdampferzeugers 1.

Die mediumseitig, d. h. von Speisewasser oder einem Was­ ser/Wasser-Dampf-Gemisch, von unten nach oben parallel - oder bei Verdampferrohrgruppen hintereinander - durchströmten Ver­ dampferrohre 4 der Umfassungswand 2 sind mit ihren Eintritts­ enden an einen Eintrittssammler 8 und mit ihren Austrittsen­ den an einen Austrittssammler 10 angeschlossen. Der Ein­ trittssammler 8 und der Austrittssammler 10 befinden sich außerhalb des Gaszugs und sind z. B. jeweils durch ein ring­ förmiges Rohr gebildet.

Der Eintrittssammler 8 ist über eine Leitung 12 und einen Sammler 14 mit dem Ausgang eines Hochdruck-Vorwärmers oder Economizers 15 verbunden. Die Heizfläche des Economizers 15 ist in einem oberhalb der Brennkammer 6 liegenden Raum der Umfassungswand 2 angeordnet. Der Economizer 15 ist eingangs­ seitig über einen Sammler 16 und eine Speisewasserleitung 18 mit einem mittels Dampf D beheizten Wärmetauscher 20 verbun­ den, der an die Druckseite einer Speisewasserpumpe 22 ange­ schlossen ist. Die Saugseite der Speisewasserpumpe 22 ist in nicht näher dargestellter Art und Weise über einen Kondensa­ tor mit einer Dampfturbine verbunden und somit in deren Was­ ser-Dampf-Kreislauf geschaltet.

Der Austrittssammler 10 ist über eine Verbindungsleitung 24 und eine Abzweigleitung 26 mit einem Eintrittssammler 27 ei­ nes Hochdruck-Überhitzers 28 verbunden, der innerhalb der Um­ fassungswand 2 zwischen dem Economizer 15 und der Brennkammer 6 angeordnet ist. Der Hochdruck-Überhitzer 28 ist während des Betriebs ausgangsseitig über einen Sammler 30 mit einem Hoch­ druckteil der Dampfturbine verbunden. Zwischen dem Hochdruck- Überhitzer 28 und dem Economizer 15 ist innerhalb der Umfas­ sungswand 2 ein Zwischenüberhitzer 32 vorgesehen, der über Sammler 34, 36 zwischen den Hochdruckteil und einen Mittel­ druckteil der Dampfturbine geschaltet ist. Der Economizer 15, der Hochdruck-Überhitzer 28 und der Zwischenüberhitzer 32 liegen als Konvektions- oder Schottheizflächen im sogenannten Konvektionszug des Durchlaufdampferzeugers 1.

Die vom Austrittssammler 10 der Umfassungswand 2 des Konvek­ tionszuges des Dampferzeugers 1 zum tiefer liegenden Ein­ trittssammler 27 des Hochdruck-Überhitzers 28 geführte Ver­ bindungsleitung 24 ist senkrecht bis in Höhe des Eintritts­ sammlers 8, d. h. des Verdampfereintritts, weitergeführt. In die Verbindungsleitung 24 ist eine Rückschlagklappe 40 ge­ schaltet. Auf beiden Seiten der Rückschlagklappe 40 sind an die Verbindungsleitung 24 Entwässerungsleitungen 42, 44 ange­ schlossen, in die Entwässerungsventile 46 bzw. 48 geschaltet sind.

In die Speisewasserleitung 18 sind in Strömungsrichtung des Speisewassers S hinter dem Wärmetauscher 20 ein erstes Ventil 50 und ein erster Durchflußmeßfühler 52 geschaltet. Der Durchflußmeßfühler 52 dient zur Ermittlung der pro Zeitein­ heit über die Speisewasserleitung 18 geführten Menge an Spei­ sewasser S und somit zur Ermittlung des Speisewasserstroms. Die pro Zeiteinheit über die Speisewasserleitung 18 geführte Menge des Speisewassers S entspricht der dem aus den Verdamp­ ferrohren 4 bestehenden Verdampfer zugeführten Speisewasser­ menge und somit dem Verdampferdurchsatz.

Ein zweiter Durchflußmeßfühler 54 ist in eine Brennstofflei­ tung 56 geschaltet, die über Teilleitungen 58 in die Brenner 5 mündet. In die Brennstoffleitung 56 ist ein zweites Ventil 60 zur Einstellung der dem oder jedem Brenner 5 pro Zeitein­ heit zugeführten Menge an Brennstoff B und somit zur Einstel­ lung des Brennstoffstroms geschaltet. Als Brennstoff B kann Öl, Gas oder Kohle eingesetzt werden.

Die Durchflußmeßfühler 52 und 54 sind über Signalleitungen 62 bzw. 64 mit einem Reglerbaustein 66 als Einstelleinrichtung verbunden. Eine weitere mit dem Reglerbaustein 66 verbundene Signalleitung 68 ist über Meßleitungen 70 und 72 mit Druck­ sensoren 74 bzw. 76 verbunden, die zur Messung des Drucks p_E am Verdampfereintritt bzw. des Drucks p_A am Verdampferaus­ tritt vorgesehen sind. Der Reglerbaustein 66 ist außerdem über Steuerleitungen 78, 80 und 82 mit den Ventilen 50, 60 bzw. 48 verbunden. Der Reglerbaustein 66 und die Durchfluß­ meßfühler 52, 54 sowie die zur Einstellung der Menge des Speisewassers S und zur Einstellung der Menge des Brennstoffs B dienenden Ventile 50 bzw. 60 sind Bestandteile eines An­ fahrsystems 84 zum Anfahren des Durchlaufdampferzeugers 1. Weitere Bestandteile des Anfahrsystems 84 sind die über die Signalleitung 68 mit dem Reglerbaustein 66 verbundenen Druck­ sensoren 74, 76 sowie das über die Steuerleitung 82 mit dem Reglerbaustein 66 verbundene Ventil 48 zum Entwässern aus dem unteren Verdampferteil.

Das Anfahrsystem 84 dient zum Einstellen des Verhältnisses von Brennstoffstrom zu Speisewasserstrom mit dem Ziel, daß das Speisewasser S während des Durchlauf durch die Verdamp­ ferrohre 4 vollständig verdampft, so daß am Verdampferaus­ tritt, d. h. am Austrittssammler 10, kein Wasser mehr vorhan­ den ist. Dabei wird der Wasserstand H in den Verdampferrohren 4 vor dem Anfahren im Verdampfer auf eine definierte Höhe H_min gefahren, die kurz oberhalb der Brenner 5 liegt. Dies erfolgt z. B. durch Nachspeisen von Speisewasser S mittels der Speisewasserpumpe 22 oder durch Entwässern aus dem unteren Verdampferteil über die Entwässerungsleitung 44. Der Wasser­ stand H in den Verdampferrohren 4, d. h. das Wasserniveau, wird mittels einer Differenzdruckmessung über dem Verdampfer eingestellt. Dazu wird dem Reglerbaustein 66 über die Signal­ leitung 68 der Differenzdruck Δp_{A, E} als Meßwert zugeführt, der sich aus der Differenz zwischen den mittels der Drucksen­ soren 74 und 76 gemessenen Drücken p_A und p_E am Verdampfer­ austritt bzw. am Verdampfereintritt ergibt.

Der Wasserstand H in den Verdampferrohren 4 wird dabei zwi­ schen den beiden Grenzwerten H_max und H_min gehalten, wobei

ist.

Dabei sind:
H_SB die Höhe (Oberkante) des höchsten Brenners, der mit der Startfeuerleistung in Betrieb ist;
L die Flammenlänge L bei Vollast des Brenners;
P_S die relative Startfeuerleistung des Brenners;
F ein Anpassungsfaktor, der empirisch zu ca. 0,5 bis 2 ermittelt wurde;
H_KHF die Höhe, in der die Konvektions- oder Schottheizflä­ chen mit enger Teilung (< 400 mm) beginnen;
T_min die Zeit (3 bis 10 Minuten) zum Füllen des Speichers, d. h. der Verdampferrohre bis zum Wasserstand H, mit der Geschwindigkeit v_{W, S};
v_WS die Wassergeschwindigkeit in den Verdampferrohren beim Start des Speisewasserstroms zum Zeitpunkt des Zündens des ersten Brenners.

Zur Einstellung des Verhältnisses von Brennstoffstrom zu Speisewasserstrom wird dem Reglerbaustein 66 über die Signal­ leitung 62 der mittels des Durchflußmeßfühlers 52 gemessene aktuelle Wert der Menge des dem Verdampfer, d. h. den Verdamp­ ferrohren 4, pro Zeiteinheit zugeführten Speisewassers S übermittelt. Dieser dem Reglerbaustein 66 von dem Durchfluß­ meßfühler 52 zugeführte Wert entspricht dem aktuellen Speise­ wasserstrom und damit dem Verdampferdurchsatz. Außerdem wird dem Reglerbaustein 66 über die Signalleitung 64 der mittels des Durchflußmeßfühlers 54 zum aktuellen Zeitpunkt gemessene Wert der Menge des den Brennern 5 zugeführten Brennstoffs B übermittelt. Dabei wird das Niveau, d. h. der Wasserstand H, zum Zeitpunkt "Feuer EIN" und das Verhältnis von Brennstoff­ strom zu Speisewasserstrom derart gewählt, daß am Austritts­ sainmler 10 reiner Dampf vorhanden ist, so daß kein Wasser in die Überhitzer-Heizfläche 28 strömt.

Die Abzweigleitung 26 von der Verbindungsleitung 24 ist in Eintrittshöhe der Überhitzer-Heizfläche 28 angeordnet. Da­ durch wird im Austrittssammler 10 eventuell vorhandenes Was­ ser an diesem Abzweig zur Überhitzer-Heizfläche 28 vorbei­ strömen und sich im unteren Teil der senkrechten Verbindungs­ leitung 24 sammeln. Von dort aus kann dieses Wasser entweder über das Entwässerungsventil 46 abgeführt oder dem Eintritts­ sammler 8 des Verdampfers zugeführt werden. Alternativ kann dies eventuell vorhandene Wasser auch der Leitung 12 zwischen dem Economizer 15 und dem Eintrittssammler 8 des Verdampfers zugeführt werden. Dabei wird durch die Rückschlagklappe 40 eine Rückströmung zum Austrittssammler 10 verhindert.

Claims (7)

1. Verfahren zum Anfahren eines Durchlaufdampferzeugers mit einer eine Anzahl von Brennern (5) für einen fossilen Brenn­ stoff (B) aufweisenden Brennkammer (6), deren gasdichte Um­ fassungswand (2) aus mindestens annähernd vertikal verlaufend angeordneten Verdampferrohren (4) gebildet ist, die speise­ wasserseitig von unten nach oben durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Was­ serstand (H) in den Verdampferrohren (4) und das Verhältnis von Brennstoffstrom zu Speisewasserstrom derart eingestellt werden, daß das Speisewasser (S) beim Durchlauf durch die Verdampferrohre (4) vollständig verdampft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Was­ serstand (H) in den Verdampferrohren (4) auf eine oberhalb der Brenner (5) vorgesehene Höhe (H_min, H_max) eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ein­ stellung des Wasserstandes (H) in den Verdampferrohren (4) die Druckdifferenz (Δp_{A, E}) entlang der Verdampferrohre (4) ermittelt wird.

4. Anfahrsystem für einen Durchlaufdampferzeuger mit einer eine Anzahl von Brennern (5) für einen fossilen Brennstoff (B) aufweisenden Brennkammer (6), deren gasdichte Umfassungs­ wand (2) mindestens annähernd vertikal verlaufende Verdamp­ ferrohre (4) aufweist, die speisewasserseitig von unten nach oben durchströmbar sind, gekennzeichnet durch eine Einstellein­ richtung (66) zum Einstellen des Wasserstandes (H) im Ver­ dampfer (4) sowie zum Einstellen des Verhältnisses von Brenn­ stoffstrom zu Speisewasserstrom.

5. Anfahrsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ stelleinrichtung (66) verbunden ist mit einem ersten Stell­ glied (50) und einem ersten Durchflußmeßfühler (52), die in eine in den Verdampfer (4) führende Speisewasserleitung (18) geschaltet sind, mit einem zweiten Stellglied (60) und einem zweiten Durchflußmeßfühler (54), die in eine an den oder je­ den Brenner (5) führende Brennstoffleitung (56) geschaltet sind, mit einem in eine mit dem Verdampfer (4) eingangsseitig verbundene Ablaßleitung (44) geschalteten dritten Stellglied (48) sowie mit Mitteln (70, 74, 76) zur Ermittlung des Was­ serstandes (H) im Verdampfer (4).

6. Anfahrsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Mit­ tel zur Ermittlung des Wasserstands (H) im Verdampfer (4) mindestens zwei entlang des Verdampfers (4) angeordnete Drucksensoren (74, 76) vorgesehen sind.

7. Anfahrsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch eine Verbindungs­ leitung (24) zwischen Verdampferaustritt (10) und Verdampfer­ eintritt (8), in die eine Armatur (40) zur Vermeidung einer Rückströmung zum Verdampferaustritt (10) hin geschaltet ist, und an die eine Abströmleitung (42) angeschlossen ist.