DE19604704C1 - Dampfkondensator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampfkondensator mit mindestens einem kühl­ wasserdurchströmten Rohrbündel, dessen in parallel zueinander angeordneten Rohrreihen etwa rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Dampfes verlaufende Rohre an ihren Enden in Rohrböden befestigt sind, wobei das Rohrbündel im Querschnitt dreieckförmig ausgebildet so in einem Kondensatorgehäuse ange­ ordnet ist, daß sich der Querschnitt des Rohrbündels in Strömungsrichtung des Dampfes erweitert.

Dampfkondensatoren der voranstehend beschriebenen Art sind beispielsweise aus der DE 41 41 132 C2 sowie aus dem Aufsatz "Leistungserhöhung durch Kondensatorumbau" aus VGB Kraftwerkstechnik 72 (1992) Heft 2, Seiten 96 bis 100 bekannt. Bei diesen bekannten Konstruktionen werden die aus etwa waagerecht verlaufenden Rohren gebildeten Rohrbündel von oben mit aus dem Abdampfstutzen einer Turbine kommendem Dampf angeströmt. Bei den zu erreichenden guten Wirkungsgraden des Wasserdampfkreislaufs moderner Kraftwerke enthält der Turbinenabdampf eine Nässe von 10% bis 12%. Infolge der Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Dampf und den mit Kühlwasser durchströmten Rohrbündeln schlägt sich der Dampf an den kühlwasserdurchflossenen Rohren nieder. Die im Querschnitt dreieckförmige Ausbildung der Rohrbündel ist bei den bekannten Konstruktionen so ausgebil­ det, daß sich die Rohrbündel stufenförmig in Anströmrichtung erweitert.

Bei der Verwendung von sehr kaltem Kühlwasser, wie dies insbesondere bei küstennahen Standorten der Kraftwerke häufig der Fall ist, treten infolge des niedrigen Abdampfdruckes und dadurch großen Volumenstroms im Abdampfstutzen der Turbine und im Kondensator Dampfgeschwindigkeiten von über 200 m/s auf. Der Dampf beschleunigt die in ihm enthaltenen und von Wänden und Einbauten abgerissenen Wassertropfen insbesondere bei großen Turbosätzen, bei denen auch die Beschleunigungsstrecken groß sind, auf so hohe Geschwindigkeiten, daß sie an frei angeströmten Rohren zu einer mechanischen Tropfenschlag-Erosion führen. Der Materialabtrag kann so groß sein, daß diese Rohre entlang ihrer Aufprallinie regelrecht aufbrechen.

Um diese mechanische Tropfenschlag-Erosion abzuwenden, ist es aus der Praxis bekannt, bei bestehenden Dampfkondensatoren die am weitesten außen angeordneten Rohre des Rohrbündels durch massive Rohre zu ersetzen oder mit halbschalenförmigen Abdeckblechen zu versehen, die aus einem besonders widerstandsfähigen Werkstoff hergestellt sind. Dieses Aufbringen der halbschalenförmigen Schutzbleche ist technisch sehr aufwendig und teuer und verschlechtert darüber hinaus den Wirkungsgrad des Dampfkondensators.

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Dampfkondensator der eingangs beschriebe­ nen Art derart weiterzubilden, daß durch eine einfache und kostengünstige Konstruktion die Gefahr der mechanischen Tropfenschlag-Erosion vermieden wird.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß die am weitesten außen angeordneten Rohre des Rohrbün­ dels in Strömungsrichtung des Dampfes so hintereinander angeordnet sind, daß jedes äußere Rohr das nachfolgende äußere Rohr um mehr als den halben Querschnitt dieses nachfolgenden Rohres überlappt.

Eine solchermaßen vorgenommene Ausgestaltung hat den Vorteil, daß mit dem Abdampfstrom im Dampfkondensator strömende Wassertropfen nicht rechtwinklig auf die Oberfläche der am weitesten außen angeordneten Rohre des Rohrbündels auftreffen können, da jedes der äußeren Rohre durch das in Strömungsrichtung vorhergehende Rohr so weit abgedeckt wird, daß selbst ein tangential entlang des vorhergehenden Rohres strömender Tropfen nicht rechtwinklig auf die Rohroberfläche auftreffen kann. Die vom Dampf mitgerissenen Kondensattropfen treffen statt dessen unter einem vom rechten Winkel abweichenden Auftreffwinkel mit einer mehr oder weniger großen tangentialen Komponente auf die Rohroberfläche, so daß der Tropfen nicht seine gesamte kinetische Energie dazu verwenden kann, die Rohroberfläche zu zerstören; die schräg auftreffenden Tropfen werden quasi von der Oberfläche abgelenkt. Die gefürchtete Tropfenschlag-Erosion wird somit ohne wirkungsgrad-verschlechternde Abdeckbleche vermieden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung überlappen sich in Strömungsrichtung des Dampfes aufeinanderfolgende, am weitesten außen angeordnete Rohre des Rohrbündels so weit, daß eine in Strömungsrichtung des Dampfes an ein äußeres Rohr angelegte Anströmtangente unter einem Auftreffwinkel von höchstens 55°, vorzugsweise höchstens 45° auf die Oberfläche des in Strömungsrichtung des Dampfes nachfolgenden Rohres trifft. Bei Auftreffwinkeln unter ca. 45° sind die Tropfen bei den in der Praxis gebräuchlichen Strömungsgeschwindigkeiten nicht mehr in der Lage, einen nennenswerten Materialabtrag an den Rohren zu bewirken, wie dies die Schadensbilder von Rohren unterschiedlicher Anlagen zeigen.

Um zusätzlich eine mechanische Tropfenschlag-Erosion an der obersten Rohrreihe des Rohrbündels zu verhindern, wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, in Strömungsrichtung des Dampfes oberhalb der obersten Rohrreihe des Rohrbündels eine Ablenkvorrichtung anzuordnen, die ein direktes, das heißt rechtwinkliges Auftreffen auf die Oberfläche der Rohre der obersten Rohrreihen verhindert. Erfindungsgemäß kann diese Ablenkvorrichtung zum Schutz der obersten Rohrreihe des Rohrbündels zugleich als Gehäuseaussteifung ausgebildet sein. Eine solche Gehäuseaussteifung ist vorteilhaft, um dem unter Vakuum betriebenen Kondensatorgehäuse die notwendige Stabilität zu verleihen.

Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß ausgestalteten Dampfkondensators dargestellt, ohne die Erfindung auf diese Ausführungsformen zu beschränken. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil eines Dampfkon­ densators,

Fig. 2 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt II gemäß Fig. 1 des Rohrbündels im Bereich des Rohrbündelrandes,

Fig. 3 einen weiter vergrößert dargestellten Ausschnitt III aus Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch das Rohrbündel gemäß der Schnittlinie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 einen Ausschnitt gemäß Fig. 3 einer zweiten Ausführungsform der Rohranordnung und

Fig. 6 einen weiteren Ausschnitt gemäß Fig. 3 einer dritten Ausführungsform.

Der in Fig 1 dargestellte Teil eines Dampfkondensators zeigt ein durch die um­ hüllenden Seitenlinien angedeutetes Rohrbündel 1, das - gegebenenfalls ge­ meinsam mit weiteren Rohrbündeln 1 - in einem auf der Zeichnung nicht dar­ gestellten Kondensatorgehäuse angeordnet ist und von oben her mit Dampf beaufschlagt wird, der vom Abdampfstutzen einer Dampfturbine kommt und im Kondensator kondensiert werden soll. Um eine homogene Dampfströmung und eine möglichst gleichmäßige Beaufschlagung der das Rohrbündel 1 bil­ dende Rohre 2 des Dampfkondensators zu erzielen, werden sogenannte Dampfgassen gebildet.

Entsprechend dieser Darstellung, die eine nicht beschränkende spezielle Ausführungsform eines Dampfkondensators zeigt, bildet das Rohrbündel 1 zwei im Querschnitt dreieckförmige Bündelteile 1a und 1b, die oberhalb eines weiteren Bündelabschnittes 1c angeordnet sind. Bei anderen Ausführungsformen kann ein Rohrbündel 1 auch aus nur einem oder mehr als zwei Bündelteilen gebildet sein. Beim Ausführungsbeispiel sind zwischen den Bündelteilen 1a bzw. 1b und dem Bündelabschnitt 1c Kondensatableitbleche 3 angeordnet. Mittig zwischen den Bündelteilen 1a und 1b und dem Bündelabschnitt 1c ist ein Kühler 4 vorgesehen, aus dem die nicht kondensierbaren Gase, insbesondere Luft aus dem Dampfkondensator abgesaugt werden. Die Rohre 2 des Kühlers 4 sind von den darüberliegenden Rohren 2 der Bündelteile 1a und 1b durch eine Abdeckung 5 getrennt, welche verhindert, daß zu kondensierender Dampf und von den Rohren 2 der Bündelteilen 1a und 1b abtropfendes Kondensat von oben her in den Kühler 4 eintreten.

Der zu kondensierende, aus dem Abdampfstutzen einer Turbine kommende Dampf wird von oben her in den Dampfkondensator eingeführt. Er beauf­ schlagt demzufolge von oben kommend die Rohre 2 des in die Bündelteile 1a und 1b sowie in den Bündelabschnitt 1c aufgeteilten Rohrbündels 1, dessen Rohre 2 von Kühlwasser durchströmt sind. Die Durchströmung der Rohre 2 mit Kühlwasser K ist in Fig. 4 durch den waagerechten Pfeil angedeutet. Infolge der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlwasser und dem Abdampf schlägt sich der Dampf an den kühlwasserdurchströmten Rohren 2 nieder. Das Kondensat fließt bzw. tropft nach unten ab und gelangt auf diese Weise ent­ weder auf die Kondensatableitbleche 3 dieser Ausführungsform oder auf den Boden des nicht dargestellten Kondensatorgehäuses, so daß es in den Wasser-Dampf-Kreislauf zurückgeführt werden kann.

Wie weiterhin aus Fig. 4 ersichtlich, werden die Bündelteile 1a und 1b des Rohrbündels 1 des Dampfkondensators durch Rohre 2 gebildet, die an ihren Enden in Rohrböden 6 befestigt sind. Ferner ist aus dieser Abbildung ersichtlich, daß die Rohre 2 auf ihrer Länge durch mehrere Stützwände 7 unterstützt sind.

Der ausschnittweise vergrößerten Darstellung eines Teils eines der Bündelteile 1a bzw. 1b in Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die das Rohrbündel 1 bildenden Rohre 2 in parallel zueinander angeordneten Rohrreihen verlaufen, die etwa rechtwinklig zu der durch den senkrechten Pfeil angedeuteten Strömungsrich­ tung des Dampfes ausgerichtet sind. Der Fig. 2 sowie insbesondere der Fig. 3 ist die spezielle Anordnung der am weitesten außen angeordneten Rohre 2 des Rohrbündels 1 zu entnehmen. Die in Strömungsrichtung des Dampfes hintereinander angeordneten äußeren Rohre 2 des Rohrbündels 1 sind so angeordnet, daß gemäß Fig. 3 eine in Strömungsrichtung des Dampfes an ein äußeres Rohr 2 angelegte Anströmtangente AT unter einem Auftreffwinkel α von höchstens 55° auf die Oberfläche des nachfolgenden äußeren Rohres 2 trifft. Es ergibt sich somit eine Überlappung des nachfolgenden Rohres 2 um mehr als den halben Querschnitt, so daß ein rechtwinkliges Auftreffen von im Dampf enthaltenen Wassertropfen auf die Rohroberfläche ausgeschlossen ist.

Dieses Überlappen der in Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden äußeren Rohre 2 mit der Folge, daß die mit dem Dampf im Dampfkondensator strömenden Wassertropfen nicht rechtwinklig auf die Oberfläche der am weitesten außen angeordneten Rohre 2 des Rohrbündels 1 auftreffen können, verhindert somit die gefürchtete Tropfenschlag-Erosion. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform trifft ein tangential entlang des vorhergehen­ den äußeren Rohres 2 strömender Tropfen etwa unter einem Auftreffwinkel α von 45° auf die Oberfläche des nachfolgenden äußeren Rohres 2. Bei einem solchen Auftreffwinkel kann auch ein mit hoher Geschwindigkeit auftreffender Wassertropfen keinen nennenswerten Materialabtrag an dem Rohr 2 bewirken.

Aus der Abbildung Fig. 1 ist ferner ersichtlich, daß zum Schutz der obersten Rohrreihe des Rohrbündels 1 oberhalb dieser obersten Rohrreihe eine Ablenk­ vorrichtung 8 angeordnet ist, die ein rechtwinkliges Auftreffen des Dampfes auf das Rohrbündel 1 verhindert. Da eine Aussteifung des Kondensatorgehäuses für den Vakuumbetrieb des Dampfkondensators erforderlich ist, ist es vorteilhaft, die Ablenkvorrichtung 8 als Aussteifung für das Kondensatorgehäuse auszubilden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen jeweils eine der Fig. 3 entsprechenden Ausschnitt eines Rohrbündels 1 mit unterschiedlicher Rohranordnung.

Während in Fig. 3 der Abstand und der Versatz der Rohre 2 ungleichmäßig sind, zeigen die Ausführungsformen in den Fig. 5 und 6 gewisse Regelmäßigkeiten. Bei allen Ausführungsformen ist die Mittellinie M des Rohrbündels 1 senkrecht ausgerichtet und stimmt mit der durch einen Pfeil gekennzeichneten Hauptströmungsrichtung des Dampfes überein.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 liegen die in einer Reihe nebeneinanderliegenden Rohre 2 in einer waagerechten Ebene, so daß sich zwischen einer die Mittelpunkte der Rohrquerschnitte verbindenden Weise und der Mittellinie M des Rohrbündels 1 ein rechter Winkel ergibt. Die sich in Strömungsrichtung des Dampfes ergebende Erweiterung des Rohrbündels 1 wird dadurch erzielt, daß die in Reihen übereinanderliegenden Rohre 2 unter dem Verbreiterungswinkel β zur Mittellinie M geneigt sind. Dieser Verbreiterungswinkel β beträgt beispielsweise 10°.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 liegen die Mittelpunkte der Rohrquerschnitte in einem rechtwinkligen Koordinatensystem; sowohl die Mittelpunkte der nebeneinander- als auch der übereinanderliegenden Rohre sind zur Mittellinie M unter dem Verbreiterungswinkel β geneigt. Hierdurch liegen benachbarte Rohre nicht in einer rechtwinklig zur Mittellinie des Rohrbündels 1 verlaufenden Ebene.

Bei allen Ausführungsformen ergibt sich die eingangs beschriebene Überdeckung der jeweils äußersten Rohre 2 in Strömungsrichtung des Dampfes, so daß keine Wassertropfen rechtwinklig auf die Oberfläche dieser gefährdeten Rohre 2 auftreffen können.

Insgesamt ist festzustellen, daß ein solchermaßen konstruierter Dampf­ kondensator so einfach und kostengünstig herzustellen ist, wie die aus dem Stand der Technik bekannten Dampfkondensatoren, da nur das Lochbild der in den Rohrböden 6 und evtl. vorhandenen Stützwänden 7 auszubildenden Bohrungen für die Rohre 2 umzustellen ist. Im Gegensatz zu den bekannten Dampfkondensatoren besteht bei einem solchermaßen ausgestalteten Dampfkondensator jedoch nicht die Gefahr, daß die am weitesten außen angeordneten Rohre 2 des Rohrbündels 1 einer mechanischen Tropfen­ schlag-Erosion unterliegen.

Bezugszeichenliste

1 Rohrbündel
1a Bündelteil
1b Bündelteil
1c Bündelabschnitt
2 Rohr
3 Kondensatableitblech
4 Kühler
5 Abdeckung
6 Rohrboden
7 Stützwand
8 Ablenkvorrichtung
AT Anströmtangente
M Mittellinie
K Kühlwasser
α Auftreffwinkel
β Verbreiterungswinkel

Claims (4)

1. Dampfkondensator mit mindestens einem kühlwasserdurchströmten Rohrbündel (1), dessen in parallel zueinander angeordneten Rohrreihen etwa rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Dampfes verlaufende Rohre (2) an ihren Enden in Rohrböden (6) befestigt sind, wobei das Rohrbündel (1) im Querschnitt dreieckförmig ausgebildet so in einem Kondensatorgehäuse angeordnet ist, daß sich der Querschnitt des Rohrbündels (1) in Strömungsrichtung des Dampfes erweitert, dadurch gekennzeichnet, daß die am weitesten außen angeordneten Rohre (2) des Rohrbündels (1) in Strömungsrichtung des Dampfes so hintereinander angeordnet sind, daß jedes äußere Rohr (2) das nachfolgende äußere Rohr (2) um mehr als den halben Querschnitt dieses nachfolgenden Rohres (2) überlappt.

2. Dampfkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in Strömungsrichtung des Dampfes aufeinanderfolgende, am weitesten außen angeordnete Rohre (2) des Rohrbündels (1) soweit überlappen, daß eine in Strömungsrichtung des Dampfes an ein äußeres Rohr (2) angelegte Anströmtangente (AT) unter einem Auftreffwinkel (α) von höchstens 55°, vorzugsweise höchstens 45°, auf die Oberfläche des in Strömungsrichtung des Dampfes nachfolgenden Rohres (2) trifft.

3. Dampfkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des Dampfes oberhalb der obersten Rohrreihe des Rohrbündels (1) eine Ablenkvorrichtung (8) angeordnet ist.

4. Dampfkondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (8) zugleich der Aussteifung des Kondensatorgehäuses dient.