DE19914761C1

DE19914761C1 - Fossilbeheizter Durchlaufdampferzeuger

Info

Publication number: DE19914761C1
Application number: DE19914761A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Wittchow
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: US20020017251A1; KR100709794B1; ES2312338T3; CN1192189C; ATE411493T1; JP4489306B2; DK1166014T3; RU2217654C2; CA2369019C; CN1346433A; US6481386B2; JP2002541418A; KR20010112269A; DE50015408D1; EP1166014A1; CA2369019A1; WO2000060282A1; EP1166014B1

Abstract

Ein Durchlaufdampferzeuger (2) weist eine Brennkammer (4) mit Verdampferrohren (10) für fossilen Brennstoff (B) auf, der heizgasseitig über einen Horizontalgaszug (6) einem Vertikalgaszug (8) nachgeschaltet ist. Beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers sollen nun Temperaturunterschiede in einem Verbindungsabschnitt (Z), der den Austrittsbereich (34) der Brennkammer (4) und den Eintrittsbereich (32) des Horizontalgaszugs (6) umfaßt, besonders gering gehalten sein. Hierzu ist von einer Mehrzahl von parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Verdampferrohren (10) eine Anzahl von Verdampferrohren (10) schleifenförmig in dem Verbindungsabschnitt (Z) geführt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchlaufdampferzeuger, der eine Brennkammer für fossilen Brennstoff aufweist, der heizgasseitig über einen Horizontalgaszug ein Vertikalgaszug nachgeschaltet ist, wobei die Umfassungswände der Brennkammer aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten Verdampferrohren gebildet sind.

Bei einer Kraftwerksanlage mit einem Dampferzeuger wird der Energiegehalt eines Brennstoffs zur Verdampfung von einem Strömungsmedium im Dampferzeuger genutzt. Dabei wird das Strömungsmedium üblicherweise in einem Verdampferkreislauf geführt. Der durch den Dampferzeuger bereitgestellte Dampf wiederum kann beispielsweise für den Antrieb einer Dampftur bine und/oder für einen angeschlossenen externen Prozeß vor gesehen sein. Treibt der Dampf eine Dampfturbine an, so wird über die Turbinenwelle der Dampfturbine üblicherweise ein Ge nerator oder eine Arbeitsmaschine betrieben. Im Falle eines Generators kann der durch den Generator erzeugte Strom zur Einspeisung in ein Verbund- und/oder Inselnetz vorgesehen sein.

Der Dampferzeuger kann dabei als Durchlaufdampferzeuger aus gebildet sein. Ein Durchlaufdampferzeuger ist aus dem Aufsatz "Verdampferkonzepte für Benson-Dampferzeuger" von J. Franke, W. Köhler und E. Wittchow, veröffentlicht in VGB Kraftwerks technik 73 (1993), Heft 4, S. 352-360, bekannt. Bei einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von als Verdamp ferrohren vorgesehenen Dampferzeugerrohren zu einer Verdamp fung des Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem einmaligen Durchlauf.

Durchlaufdampferzeuger werden üblicherweise mit einer Brenn kammer in vertikaler Bauweise ausgeführt. Dies bedeutet, daß die Brennkammer für eine Durchströmung des beheizenden Medi ums oder Heizgases in annähernd vertikaler Richtung ausgelegt ist. Heizgasseitig kann der Brennkammer dabei ein Horizontal gaszug nachgeschaltet sein, wobei beim Übergang von der Brennkammer in den Horizontalgaszug eine Umlenkung des Heiz gasstroms in eine annähernd horizontale Strömungsrichtung er folgt. Derartige Brennkammern erfordern jedoch im allgemeinen aufgrund der temperaturbedingten Längenänderungen der Brenn kammer ein Gerüst, an dem die Brennkammer aufgehängt wird. Dies bedingt einen erheblichen technischen Aufwand bei der Herstellung und Montage des Durchlaufdampferzeugers, der um so größer ist, je größer die Bauhöhe des Durchlaufdampferzeu gers ist. Dies ist insbesondere bei Durchlaufdampferzeugern der Fall, die für eine Dampfleistung von mehr als 80 kg/s bei Vollast ausgelegt sind.

Ein Durchlaufdampferzeuger unterliegt keiner Druckbegrenzung, so daß Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser (p_kri = 221 bar) - wo es nur noch einen geringen Dich teunterschied gibt zwischen flüssigkeitsähnlichem und dampf ähnlichem Medium - möglich sind. Ein hoher Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermischen Wirkungsgrad und somit niedrige CO₂-Emissionen eines fossilbeheizten Kraftwerks, das beispielsweise mit Steinkohle oder auch mit Braunkohle in fe ster Form als Brennstoff befeuert sein kann.

Ein besonderes Problem stellt die Auslegung der Umfassungs wand des Gaszuges oder Brennkammer des Durchlaufdampferzeu gers im Hinblick auf die dort auftretenden Rohrwand- oder Ma terialtemperaturen dar. Im unterkritischen Druckbereich bis etwa 200 bar wird die Temperatur der Umfassungswand der Brennkammer im wesentlichen von der Höhe der Sättigungstempe ratur des Wassers bestimmt, wenn eine Benetzung der In nenoberfläche der Verdampferrohre sichergestellt werden kann. Dies wird beispielsweise durch die Verwendung von Verdampfer rohren erzielt, die auf ihrer Innenseite eine Oberflächen struktur aufweisen. Dazu kommen insbesondere innenberippte Verdampferrohre in Betracht, deren Einsatz in einem Durch laufdampferzeuger beispielsweise aus dem oben zitierten Auf satz bekannt ist. Diese sogenannten Rippenrohre, d. h. Rohre mit einer berippten Innenoberfläche, haben einen besonders guten Wärmeübergang von der Rohrinnenwand zum Strömungsme dium.

Erfahrungsgemäß läßt es sich nicht vermeiden, daß beim Be trieb des Durchlaufdampferzeugers Wärmespannungen zwischen benachbarten Rohrwänden unterschiedlicher Temperatur auftre ten, wenn diese miteinander verschweißt sind. Dies ist insbe sondere bei dem Verbindungabschnitt der Brennkammer mit dem ihr nachgeschalteten Horizontalgaszug der Fall, also zwischen Verdampferrohren des Austrittsbereichs der Brennkammer und Dampferzeugerrohren des Eintrittsbereichs des Horizontalgas zugs. Durch diese Wärmespannungen kann die Lebensdauer des Durchlaufdampferzeugers deutlich verkürzt werden und im Ex tremfall können sogar Rohrreißer entstehen.

In DE-U-19 87 132 ist ein Verbindungsabschnitt zwischen zwei übereinander liegenden Rohrwänden beschrieben, in denen das Kühlmittel in unterschiedlichen physikalischen Zuständen vor liegt. Die oberen Rohrenden der unteren Rohrwand sind nach hinten aus der Rohrwand heraus gebogen und münden in einen Sammler, unter dem sich ein zweiter Sammler befindet, der mit den unteren Rohrenden der darüber liegenden Rohrwand verbun den ist. Diese Anordnung zielt nur auf Rohrwände, die in ei nem Vertikalgaszug die Führung von Kühlmittel in unterschied lichen Zuständen ermöglichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen fossil beheizten Durchlaufdampferzeuger der oben genannten Art anzu geben, der einen besonders geringen Herstellungs- und Monta geaufwand erfordert, und bei dessen Betrieb außerdem Tempera turunterschiede an der Verbindung der Brennkammer mit dem ihr nachgeschalteten Horizontalgaszug gering gehalten sind. Dies soll insbesondere für die einander unmittelbar oder mittelbar benachbarten Verdampferrohre der Brennkammer und Dampferzeu gerrohre des der Brennkammer nachgeschalteten Horizontalgas zugs der Fall sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Durch laufdampferzeuger eine Brennkammer mit einer Anzahl von in der Höhe des Horizontalgaszugs angeordneten Brennern auf weist, wobei eine Mehrzahl der Verdampferrohre jeweils paral lel mit Strömungsmedium beaufschlagbar ist, und wobei in ei nem Verbindungsabschnitt, der den Austrittsbereich der Brenn kammer und den Eintrittsbereich des Horizontalgaszugs umfaßt, eine Anzahl der parallel mit Strömungsmedium beaufschlagbaren Verdampferrohre schleifenförmig geführt ist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß ein mit beson ders geringem Herstellungs- und Montageaufwand erstellbarer Durchlaufdampferzeuger eine mit einfachen Mitteln ausführbare Aufhängekonstruktion aufweisen sollte. Ein mit vergleichs weise geringem technischem Aufwand zu erstellendes Gerüst für die Aufhängung der Brennkammer kann dabei einhergehen mit ei ner besonders geringen Bauhöhe des Durchlaufdampferzeugers. Eine besonders geringe Bauhöhe des Durchlaufdampferzeugers ist erzielbar, indem die Brennkammer in horizontaler Bauweise ausgeführt ist. Hierzu sind die Brenner in der Höhe des Hori zontalgaszugs in der Brennkammerwand angeordnet. Somit strömt beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers das Heizgas in annä hernd horizontaler Hauptströmungsrichtung durch die Brennkam mer.

Beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers mit der horizontalen Brennkammer sollten außerdem an der Verbindung der Brennkam mer mit dem Horizontalgaszug Temperaturunterschiede besonders gering sein, um vorzeitige Materialermüdungen als Folge von Wärmespannungen zuverlässig zu vermeiden. Diese Temperaturun terschiede sollten insbesondere zwischen einander unmittelbar oder mittelbar benachbarten Verdampferrohren der Brennkammer und Dampferzeugerrohren des Horizontalgaszugs besonders ge ring sein, damit im Austrittsbereich der Brennkammer und im Eintrittsbereich des Horizontalgaszugs Materialermüdungen als Folge von Wärmespannungen besonders zuverlässig verhindert sind.

Der mit Strömungsmedium beaufschlagte Eintrittsabschnitt der Verdampferrohre weist nun aber beim Betrieb des Durchlauf dampferzeugers eine vergleichsweise geringere Temperatur auf als der Eintrittsabschnitt der Dampferzeugerrohre des der Brennkammer nachgeschalteten Horizontalgaszugs. In die Ver dampferrohre tritt nämlich vergleichsweise kaltes Strömungs medium ein im Gegensatz zu dem heißen Strömungsmedium, das in die Dampferzeugerrohre des Horizontalgaszugs eintritt. Also sind die Verdampferrohre beim Betrieb des Durchlaufdampfer zeugers im Eintrittsabschnitt kälter als die Dampferzeuger rohre im Eintrittsabschnitt des Horizontalgaszugs. Damit sind an der Verbindung zwischen der Brennkammer und dem Horizon talgaszug Materialermüdungen als Folge von Wärmespannungen zu erwarten.

Tritt nun aber in den Eintrittsabschnitt der Verdampferrohre der Brennkammer nicht kaltes sondern vorgewärmtes Strömungs medium ein, so wird auch der Temperaturunterschied zwischen dem Eintrittsabschnitt der Verdampferrohre und dem Ein trittsabschnitt der Dampferzeugerrohre nicht mehr so groß ausfallen, wie dies bei einem Eintritt von kaltem Strömungs medium in die Verdampferrohre der Fall wäre. Wenn also das Strömungsmedium erst in einem ersten Verdampferrohr geführt wird, das von der Verbindung der Brennkammer mit dem Horizon talgaszug weiter entfernt angeordnet ist als ein zweites Ver dampferrohr, und dann in dieses zweite Verdampferrohr einge leitet wird, so tritt beim Betrieb des Durchlaufdampferzeu gers durch Beheizung vorgewärmtes Strömungsmedium in das zweite Verdampferrohr ein. Die aufwendige Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Verdampferrohr kann entfallen, wenn ein Verdampferrohr einen Einlaß für Strömungsmedium in mitten der Umfassungswand der Brennkammer aufweist. Denn dann kann dieses Verdampferrohr zunächst von oben nach unten und dann von unten nach oben in der Brennkammer geführt sein. Da mit erfolgt beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers durch Beheizung eine Vorwärmung des Strömungsmediums in dem von oben nach unten geführten Abschnitt des Verdampferrohrs, be vor das Strömungsmedium in den sogenannten Eintrittsabschnitt der Verdampferrohre im unteren Bereich der Brennkammer ein tritt. Als besonders günstig erweist es sich hierbei, wenn eine Anzahl der parallel mit Strömungsmedium beaufschlagbaren Verdampferrohre schleifenförmig in der jeweiligen Umfassungs wand der Brennkammer geführt ist.

Die Seitenwände des Horizontalgaszugs und/oder des Vertikal gaszugs sind vorteilhafterweise aus gasdicht miteinander ver schweißten, vertikal angeordneten, jeweils parallel mit Strö mungsmedium beaufschlagbaren Dampferzeugerrohren gebildet.

Vorteilhafterweise ist jeweils einer Anzahl von parallel ge schalteten Verdampferrohren der Brennkammer ein gemeinsames Eintrittssammler-System vorgeschaltet und ein gemeinsames Austrittssammler-System für Strömungsmedium nachgeschaltet. Ein in dieser Ausgestaltung ausgeführter Durchlaufdampferzeu ger ermöglicht nämlich einen zuverlässigen Druckausgleich zwischen einer Anzahl von parallel mit Strömungsmedium beauf schlagbaren Verdampferrohren, so daß jeweils alle parallel geschalteten Verdampferrohre zwischen dem Eintrittssammler- System und dem Austrittssammler-System den gleichen Gesamt druckverlust aufweisen. Dies bedeutet, daß bei einem mehrbe heizten Verdampferrohr im Vergleich zu einem minderbeheizten Verdampferrohr der Durchsatz steigen muß. Dies gilt auch für die parallel mit Strömungsmedium beaufschlagbaren Dampferzeu gerrohre des Horizontalgaszugs oder des Vertikalgaszugs, de nen vorteilhafterweise ein gemeinsames Eintrittssammler-Sy stem für Strömungsmedium vorgeschaltet und ein gemeinsames Austrittssammler-System für Strömungsmedium nachgeschaltet ist.

Die Verdampferrohre der Stirnwand der Brennkammer sind vor teilhafterweise parallel mit Strömungsmedium beaufschlagbar und den Verdampferrohren der Umfassungswände, die die Seiten wände der Brennkammer bilden, strömungsmediumsseitig vorge schaltet. Dadurch ist eine besonders günstige Kühlung der stark beheizten Stirnwand der Brennkammer gewährleistet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rohrinnendurchmesser einer Anzahl der Verdampferrohre der Brennkammer abhängig von der jeweiligen Position der Ver dampferrohre in der Brennkammer gewählt. Auf diese Weise sind die Verdampferrohre in der Brennkammer an ein heizgasseitig vorgebbares Beheizungsprofil anpaßbar. Mit dem hierdurch be wirkten Einfluß auf die Durchströmung der Verdampferrohre sind besonders zuverlässig Temperaturunterschiede des Strö mungsmediums am Austritt aus den Verdampferrohren der Brenn kammer besonders gering gehalten.

Für eine besonders gute Wärmeübertragung von der Wärme der Brennkammer auf das in den Verdampferrohren geführte Strö mungsmedium weist vorteilhafterweise eine Anzahl der Verdamp ferrohre auf ihrer Innenseite jeweils ein mehrgängiges Ge winde bildende Rippen auf. Dabei ist vorteilhafterweise ein Steigungswinkel α zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene und den Flanken der auf der Rohrinnenseite angeordneten Rippen kleiner als 60°, vorzugsweise kleiner als 55°.

In einem beheizten, als Verdampferrohr ohne Innenberippung, einem sogenannten Glattrohr, ausgeführten Verdampferrohr kann nämlich von einem bestimmten Dampfgehalt an die für einen be sonders guten Wärmeübergang erforderliche Benetzung der Rohr wand nicht mehr aufrechterhalten werden. Bei fehlender Benet zung kann eine stellenweise trockene Rohrwand vorliegen. Der Übergang zu einer derartigen trockenen Rohrwand führt zu ei ner sogenannten Wärmeübergangskrise mit verschlechtertem Wär meübergangsverhalten, so daß im allgemeinen die Rohrwandtem peraturen an dieser Stelle besonders stark ansteigen. In ei nem innenberippten Verdampferrohr tritt aber nun im Vergleich zu einem Glattrohr diese Krise des Wärmeübergangs erst bei einem Dampfmassengehalt < 0,9, also kurz vor dem Ende der Verdampfung, auf. Das ist auf den Drall zurückzuführen, den die Strömung durch die spiralförmigen Rippen erfährt. Auf grund der unterschiedlichen Zentrifugalkraft wird der Wasser- vom Dampfanteil separiert und an die Rohrwand transportiert. Dadurch wird die Benetzung der Rohrwand bis zu hohen Dampfge halten aufrechterhalten, so daß am Ort der Wärmeübergangs krise bereits hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen. Das bewirkt trotz Wärmeübergangskrise einen relativ guten Wärme übergang und als Folge niedrige Rohrwandtemperaturen.

Eine Anzahl der Verdampferrohre der Brennkammer weist vor teilhafterweise Mittel zum Reduzieren des Durchflusses des Strömungsmediums auf. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn die Mittel als Drosseleinrichtungen ausgebildet sind. Drosseleinrichtungen können beispielsweise Einbauten in die Verdampferrohre sein, die an einer Stelle im Inneren des jeweiligen Verdampferrohrs den Rohrinnendurchmesser verklei nern. Dabei erweisen sich auch Mittel zum Reduzieren des Durchflusses in einem mehrere parallele Leitungen umfassenden Leitungssystem als vorteilhaft, durch das den Verdampferroh ren der Brennkammer Strömungsmedium zuführbar ist. Dabei kann das Leitungssystem auch einem Eintrittssammler-System von parallel mit Strömungsmedium beaufschlagbaren Verdampferroh ren vorgeschaltet sein. In einer Leitung oder in mehreren Leitungen des Leitungssystems können dabei beispielsweise Drosselarmaturen vorgesehen sein. Mit solchen Mitteln zur Re duzierung des Durchflusses des Strömungsmediums durch die Verdampferrohre läßt sich eine Anpassung des Durchsatzes des Strömungsmediums durch einzelne Verdampferrohre an deren je weilige Beheizung in der Brennkammer herbeiführen. Dadurch sind zusätzlich Temperaturunterschiede des Strömungsmediums am Austritt der Verdampferrohre besonders zuverlässig beson ders gering gehalten.

Benachbarte Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre sind an ihren Längsseiten vorteilhafterweise über Metallbänder, sogenannte Flossen, gasdicht miteinander verschweißt. Diese Flossen kön nen im Herstellungsverfahren der Rohre bereits fest mit den Rohren verbunden sein und mit diesen eine Einheit bilden. Diese aus einem Rohr und Flossen gebildete Einheit wird auch als Flossenrohr bezeichnet. Die Flossenbreite beeinflußt den Wärmeeintrag in die Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre. Da her ist die Flossenbreite vorzugsweise abhängig von der Po sition der jeweiligen Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre im Durchlaufdampferzeuger an ein heizgasseitig vorgebbares Be heizungsprofil angepaßt. Als Beheizungsprofil kann dabei ein aus Erfahrungswerten ermitteltes typisches Beheizungsprofil oder auch eine grobe Abschätzung, wie beispielsweise ein stu fenförmiges Beheizungsprofil, vorgegeben sein. Durch die ge eignet gewählten Flossenbreiten ist auch bei stark unter schiedlicher Beheizung verschiedener Verdampfer- bzw. Dampf erzeugerrohre ein Wärmeeintrag in alle Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre derart erreichbar, daß Temperaturunter schiede des Strömungsmediums am Austritt aus den Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohren besonders gering gehalten sind. Auf diese Weise sind vorzeitige Materialermüdungen als Folge von Wärmespannungen zuverlässig verhindert. Dadurch weist der Durchlaufdampferzeuger eine besonders lange Lebensdauer auf.

In dem Horizontalgaszug sind vorteilhafterweise eine Anzahl von Überhitzerheizflächen angeordnet, die annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Heizgases angeordnet und deren Rohre für eine Durchströmung des Strömungsmediums parallel geschaltet sind. Diese in hängender Bauweise angeordneten, auch als Schottheizflächen bezeichneten Überhitzerheizflächen werden überwiegend konvektiv beheizt und sind strömungsmedi umseitig den Verdampferrohren der Brennkammer nachgeschaltet. Hierdurch ist eine besonders günstige Ausnutzung der Heizgas wärme gewährleistet.

Vorteilhafterweise weist der Vertikalgaszug eine Anzahl von Konvektionsheizflächen auf, die aus annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Heizgases angeordneten Rohren ge bildet sind. Diese Rohre einer Konvektionsheizfläche sind für eine Durchströmung des Strömungsmediums parallel geschaltet. Auch diese Konvektionsheizflächen werden überwiegend konvek tiv beheizt.

Um weiterhin eine besonders vollständige Ausnutzung der Wärme des Heizgases zu gewährleisten, weist der Vertikalgaszug vor teilhafterweise einen Economizer auf.

Vorteilhafterweise sind die Brenner an der Stirnwand der Brennkammer angeordnet, also an derjenigen Seitenwand der Brennkammer, die der Abströmöffnung zum Horizontalgaszug ge genüberliegt. Ein derartig ausgebildeter Durchlaufdampferzeu ger ist auf besonders einfache Weise an die Ausbrandlänge des fossilen Brennstoffs anpaßbar. Unter Ausbrandlänge des fossi len Brennstoffs ist dabei die Heizgasgeschwindigkeit in hori zontaler Richtung bei einer bestimmten mittleren Heizgastem peratur multipliziert mit der Ausbrandzeit t_A der Flamme des fossilen Brennstoffs zu verstehen. Die für den jeweiligen Durchlaufdampferzeuger maximale Ausbrandlänge ergibt sich da bei bei der Dampfleistung M bei Vollast des Durchlaufdampfer zeugers, dem sogenannten Vollastbetrieb. Die Ausbrandzeit t_A der Flamme des fossilen Brennstoffs wiederum ist die Zeit, die beispielsweise ein Kohlenstaubkorn mittlerer Größe benö tigt, um bei einer bestimmten mittleren Heizgastemperatur vollständig auszubrennen.

Vorteilhafterweise ist der untere Bereich der Brennkammer als Trichter ausgebildet. Auf diese Weise kann beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers bei der Verbrennung des fossilen Brennstoffs anfallende Asche besonders einfach abgeführt wer den, beispielsweise in eine unter dem Trichter angeordnete Entaschungseinrichtung. Bei dem fossilen Brennstoff kann es sich dabei um Kohle in fester Form handeln.

Um Materialschäden und eine unerwünschte Verschmutzung des Horizontalgaszuges, beispielsweise aufgrund des Eintrags von schmelzflüssiger Asche einer hohen Temperatur, besonders ge ring zu halten, ist die durch den Abstand von der Stirnwand zum Eintrittsbereich des Horizontalgaszuges definierte Länge der Brennkammer vorteilhafterweise mindestens gleich der Aus brandlänge des fossilen Brennstoffs beim Vollastbetrieb des Durchlaufdampferzeugers. Diese horizontale Länge der Brenn kammer wird im allgemeinen mindestens 80% der Höhe der Brennkammer betragen, gemessen von der Trichteroberkante, wenn der untere Bereich der Brennkammer trichterförmig ausge führt ist, bis zur Brennkammerdecke.

Die Länge L (angegeben in m) der Brennkammer ist für eine be sonders günstige Ausnutzung der Verbrennungswärme des fossi len Brennstoffs vorteilhafterweise als Funktion der Dampflei stung M (angegeben in kg/s) des Durchlaufdampferzeugers bei Vollast, der Ausbrandzeit t_A (angegeben in s) der Flamme des fossilen Brennstoffs und der Austrittstemperatur T_BRK (angege ben in °C) des Heizgases aus der Brennkammer gewählt. Dabei gilt bei gegebener Dampfleistung M des Durchlaufdampferzeu gers bei Vollast für die Länge L der Brennkammer näherungs weise der größere Wert der beiden Funktionen (I) und (II):

L (M, t_A) = (C₁ + C₂ . M) . t_A (I)

und

L (M, T_BRK) = (C₃ . T_BRK + C₄)M + C₅(T_BRK)² + C₆ . T_BRK + C7 (II)

mit

C₁ = 8 m/s und
C₂ = 0,0057 m/kg und
C₃ = -1,905 . 10^-4 (m . s)/(kg°C) und
C₄ = 0,286 (s . m)/kg und
C₅ = 3 . 10^-4 m/(°C)² und
C₆ = -0,842 m/°C und
C₇ = 603,41 m.

Unter "näherungsweise" ist hierbei eine zulässige Abweichung der Länge L der Brennkammer vom durch die jeweilige Funktion definierten Wert um +20%/-10% zu verstehen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson dere darin, daß durch die schleifenförmige Führung einiger Verdampferrohre in der Umfassungswand der Brennkammer, Tempe raturunterschiede in der unmittelbaren Umgebung der Verbin dung der Brennkammer mit dem Horizontalgaszug beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers besonders gering ausfallen. Die durch Temperaturunterschiede zwischen unmittelbar benachbar ten Verdampferrohren der Brennkammer und Dampferzeugerrohren des Horizontalgaszugs verursachten Wärmespannungen an der Verbindung der Brennkammer mit dem Horizontalgaszug bleiben daher beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers weit unter den Werten, bei denen beispielsweise die Gefahr von Rohrreißern gegeben ist. Damit ist der Einsatz einer horizontalen Brenn kammer in einem Durchlaufdampferzeuger auch mit vergleichs weise langer Lebensdauer möglich. Durch die Auslegung der Brennkammer für eine annähernd horizontale Hauptströmungs richtung des Heizgases ist außerdem eine besonders kompakte Bauweise des Durchlaufdampferzeugers gegeben. Dies ermöglicht bei Einbindung des Durchlaufdampferzeugers in ein Kraftwerk mit einer Dampfturbine auch besonders kurze Verbindungsrohre von dem Durchlaufdampferzeuger zu der Dampfturbine.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch einen fossilbeheizten Durchlaufdampfer zeuger in Zweizugbauart in Seitenansicht und

Fig. 2 schematisch einen Längsschnitt durch ein einzelnes Verdampferrohr,

Fig. 3 ein Koordinatensystem mit den Kurven K₁ bis K₆,

Fig. 4 schematisch den Verbindungsabschnitt der Brennkammer mit dem Horizontalgaszug,

Fig. 5 schematisch den Verbindungsabschnitt der Brennkammer mit dem Horizontalgaszug und

Fig. 6 ein Koordinatensystem mit den Kurven U₁ bis U₄.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Der fossilbeheizbare Durchlaufdampferzeuger 2 gemäß Fig. 1 ist einer nicht näher dargestellten Kraftwerksanlage zugeord net, die auch eine Dampfturbinenanlage umfaßt. Dabei ist der Durchlaufdampferzeuger 2 für eine Dampfleistung bei Vollast von mindestens 80 kg/s ausgelegt. Der im Durchlaufdampferzeu ger 2 erzeugte Dampf wird dabei zum Antrieb der Dampfturbine genutzt, die ihrerseits wiederum einen Generator zur Stromer zeugung antreibt. Der durch den Generator erzeugte Strom ist dabei zur Einspeisung in ein Verbund- oder ein Inselnetz vor gesehen.

Der fossilbeheizte Durchlaufdampferzeuger 2 umfaßt eine in horizontaler Bauweise ausgeführte Brennkammer 4, der heiz gasseitig über einen Horizontalgaszug 6 ein Vertikalgaszug 8 nachgeschaltet ist. Der untere Bereich der Brennkammer 4 ist durch einen Trichter 5 mit einer Oberkante entsprechend der Hilfslinie mit den Endpunkten X und Y gebildet. Durch den Trichter 5 kann beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 2 Asche des fossilen Brennstoffs B in eine darunter angeordnete Entaschungseinrichtug 7 abgeführt werden. Die Umfassungs wände 9 der Brennkammer 4 sind aus gasdicht miteinander ver schweißten, vertikal angeordneten Verdampferrohren 10 gebil det, von denen eine Anzahl N parallel mit Strömungsmedium S beaufschlagbar ist. Dabei ist eine Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 die Stirnwand 11. Zusätzlich sind auch die Sei tenwände 12 des Horizontalgaszugs 6 bzw. 14 des Vertikalgas zugs 8 aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal ange ordneten Dampferzeugerrohren 16 bzw. 17 gebildet. Dabei sind eine Anzahl der Dampferzeugerrohre 16 bzw. 17 jeweils paral lel mit Strömungsmedium S beaufschlagbar.

Einer Anzahl der Verdampferrohre 10 der Brennkammer 4 ist strömungsmediumsseitig ein Eintrittssammler-System 18 für Strömungsmedium S vorgeschaltet und ein Austrittssammler-Sy stem 20 nachgeschaltet. Das Eintrittssammler-System 18 umfaßt dabei eine Anzahl von parallelen Eintritssammlern. Dabei ist zum Zuführen von Strömungsmedium S in das Eintrittssammler- System 18 der Verdampferrohre 10 ein Leitungssystem 19 vorge sehen. Das Leitungssystems 19 umfaßt mehrere parallel ge schaltete Leitungen, die jeweils mit einem der Eintrittssamm ler des Eintrittssammler-Systems 18 verbunden sind.

In gleicher Weise ist den parallel mit Strömungsmedium S be aufschlagbaren Dampferzeugerrohren 16 der Seitenwände 12 des Horizontalgaszugs 6 ein gemeinsames Eintrittssammlersystem 21 vorgeschaltet und ein gemeinsames Austrittssammlersystem 22 nachgeschaltet. Dabei ist zum Zuführen von Strömungsmedium S in das Eintrittssammler-System 21 der Dampferzeugerrohre 16 ebenfalls ein Leitungssystem 19 vorgesehen. Das Leitungssy stem umfaßt auch hier mehrere parallel geschaltete Leitungen, die jeweils mit einem der Eintrittssammler des Eintrittssamm ler-Systems 21 verbunden sind.

Durch diese Ausgestaltung des Durchlaufdampferzeugers 2 mit Eintrittssammler-Systemen 18, 21 und Austrittssammler-Syste men 20, 22 ist ein besonders zuverlässiger Druckausgleich zwischen den parallel geschalteten Verdampferrohren 10 der Brennkammer 4 bzw. den parallel geschalteten Dampferzeuger rohren 16 des Horizontalgaszugs 6 in der Weise möglich, daß jeweils alle parallel geschalteten Verdampfer- bzw. Dampfer zeugerrohre 10 bzw. 16 den gleichen Gesamtdruckverlust auf weisen. Dies bedeutet, daß bei einem mehr beheizten Verdamp ferrohr 10 bzw. Dampferzeugerrohr 16 im Vergleich zu einem minderbeheizten Verdampferrohr 10 bzw. Dampferzeugerrohr 16 der Durchsatz steigen muß.

Die Verdampferrohre 10 weisen - wie in Fig. 2 dargestellt - einen Rohrinnendurchmesser D und auf ihrer Innenseite Rip pen 40 auf, die eine Art mehrgängiges Gewinde bilden und eine Rippenhöhe C haben. Dabei ist der Steigungswinkel α zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene 42 und den Flanken 44 der auf der Rohrinnenseite angeordneten Rippen 40 kleiner als 55°. Dadurch werden ein besonders hoher Wärmeübergang von den Innenwänden der Verdampferrohre 10 an das in den Verdampfer rohren 10 geführte Strömungsmedium S und gleichzeitig beson ders niedrige Temperaturen der Rohrwand erreicht.

Der Rohrinnendurchmesser D der Verdampferrohre 10 der Brenn kammer 4 ist abhängig von der jeweiligen Position der Ver dampferrohre 10 in der Brennkammer 4 gewählt. Auf diese Weise ist der Durchlaufdampferzeuger 2 an die unterschiedlich starke Beheizung der Verdampferrohre 10 angepaßt. Diese Aus legung der Verdampferrohre 10 der Brennkammer 4 gewährleistet besonders zuverlässig, daß Temperaturunterschiede des Strö mungsmediums S beim Austritt aus den Verdampferrohren 10 be sonders gering gehalten sind.

Als Mittel zum Reduzieren des Durchflusses des Strömungsmedi ums S sind ein Teil der Verdampferrohre 10 mit Drosselein richtungen ausgestattet, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt sind. Die Drosseleinrichtungen sind als den Rohr innendurchmesser D an einer Stelle verkleinernde Lochblenden ausgeführt und bewirken beim Betrieb des Durchlaufdampferzeu gers 2 eine Reduzierung des Durchsatzes des Strömungsmedi ums S in minderbeheizten Verdampferrohren 10, wodurch der Durchsatz des Strömungsmediums S der Beheizung angepaßt wird.

Weiterhin sind als Mittel zum Reduzieren des Durchsatzes des Strömungsmediums S in den Verdampferrohren 10 eine oder meh rere nicht näher dargestellte Leitungen des Leitungssy stems 19 mit Drosseleinrichtungen, insbesondere Drosselarma turen, ausgestattet.

Benachbarte Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 10, 16, 17 sind in nicht näher in der Zeichnung dargestellter Weise an ihren Längsseiten über Flossen gasdicht miteinander ver schweißt. Durch eine geeignete Wahl der Flossenbreite kann nämlich die Beheizung der Verdampfer- bzw. Dampferzeuger rohre 10, 16, 17 beeinflußt, werden. Daher ist die jeweilige Flossenbreite an ein heizgasseitig vorgebbares Beheizungspro fil angepaßt, das von der Position der jeweiligen Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 10, 16, 17 im Durchlaufdampferzeu ger 2 abhängt. Das Beheizungsprofil kann dabei ein aus Erfah rungswerten ermitteltes typisches Beheizungsprofil oder auch eine grobe Abschätzung sein. Dadurch sind Temperaturunter schiede am Austritt der Verdampfer- bzw. Dampferzeuger rohre 10, 16, 17 auch bei stark unterschiedlicher Beheizung der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 10, 16, 17 besonders gering gehalten. Auf diese Weise sind Materialermüdungen als Folge von Wärmespannungen zuverlässig verhindert, was eine lange Lebensdauer des Durchlaufdampferzeugers 2 gewährlei stet.

Bei der Berohrung der horizontalen Brennkammer 4 ist zu be rücksichtigen, daß die Beheizung der einzelnen, miteinander gasdicht verschweißten Verdampferrohre 10 beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 2 sehr unterschiedlich ist. Deswegen wird die Auslegung der Verdampferrohre 10 hinsichtlich ihrer Innenberippung, ihrer Flossenverbindung zu benachbarten Ver dampferrohren 10 und ihres Rohrinnendurchmessers D so ge wählt, daß alle Verdampferrohre 10 trotz unterschiedlicher Beheizung annähernd gleiche Austrittstemperaturen des Strö mungsmediums S aufweisen und eine ausreichende Kühlung aller Verdampferrohre 10 für alle Betriebszustände des Durchlauf dampferzeugers 2 gewährleistet ist. Eine Minderbeheizung ei niger Verdampferrohre 10 beim Betrieb des Durchlaufdampfer zeugers 2 wird dabei durch den Einbau von Drosseleinrichtun gen zusätzlich berücksichtigt.

Die Rohrinnendurchmesser D der Verdampferrohre 10 in der Brennkammer 4 sind in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Posi tion in der Brennkammer 4 gewählt. Dabei weisen Verdampfer rohre 10, die beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 2 ei ner stärkeren Beheizung ausgesetzt sind, einen größeren Rohr innendurchmesser D auf als Verdampferrohre 10, die beim Be trieb des Durchlaufdampferzeugers 2 geringer beheizt werden. Damit wird gegenüber dem Fall mit gleichen Rohrinnendurchmes sern erreicht, daß sich der Durchsatz des Strömungsmediums S in den Verdampferrohren 10 mit größerem Rohrinnendurchmes ser D erhöht und dadurch Temperaturdifferenzen am Austritt der Verdampferrohre 10 infolge unterschiedlicher Beheizung reduziert werden. Eine weitere Maßnahme, die Durchströmung der Verdampferrohre 10 mit Strömungsmedium S an die Beheizung anzupassen, ist der Einbau von Drosseleinrichtungen in einen Teil der Verdampferrohre 10 und/oder in das zur Zuführung von Strömungsmedium S vorgesehene Leitungssystem 19. Um dagegen die Beheizung an den Durchsatz des Strömungsmediums S durch die Verdampferrohre 10 anzupassen, kann die Flossenbreite in Abhängigkeit von der Position der Verdampferrohre 10 in der Brennkammer 4 gewählt werden. Alle genannten Maßnahmen bewir ken trotz stark unterschiedlicher Beheizung der einzelnen Verdampferrohre 10 eine annähernd gleiche spezifische Wärme aufnahme des in den Verdampferrohren 10 geführten Strömungs mediums S beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 2 und so mit nur geringe Temperaturdifferenzen des Strömungsmediums S an deren Austritt. Die Innenberippung der Verdampferrohre 10 ist dabei derart ausgelegt, daß eine besonders zuverlässige Kühlung der Verdampferrohre 10 trotz unterschiedlicher Behei zung und Durchströmung mit Strömungsmedium S bei allen Last zuständen des Durchlaufdampferzeugers 2 gewährleistet ist.

Der Horizontalgaszug 6 weist eine Anzahl von als Schottheiz flächen ausgebildeten Überhitzerheizflächen 23 auf, die in hängender Bauweise annähernd senkrecht zur Hauptströmungs richtung 24 des Heizgases G angeordnet und deren Rohre für eine Durchströmung des Strömungsmediums S jeweils parallel geschaltet sind. Die Überhitzerheizflächen 23 werden überwie gend konvektiv beheizt und sind strömungsmediumsseitig den Verdampferrohren 10 der Brennkammer 4 nachgeschaltet.

Der Vertikalgaszug 8 weist eine Anzahl von überwiegend kon vektiv beheizbaren Konvektionsheizflächen 26 auf, die aus an nähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 24 des Heizga ses G angeordneten Rohren gebildet sind. Diese Rohre sind für eine Durchströmung des Strömungsmediums S jeweils parallel geschaltet. Außerdem ist in dem Vertikalgaszug 8 ein Economi zer 28 angeordnet. Ausgangsseitig mündet der Vertikalgaszug 8 in einen weiteren Wärmetauscher, beispielsweise in einen Luftvorwärmer und von dort über einen Staubfilter in einen Kamin. Die dem Vertikalgaszug 8 nachgeschalteten Bauteile sind in der Zeichnung nicht näher dargestellt.

Der Durchlaufdampferzeuger 2 ist mit einer horizontalen Brennkammer 4 mit besonders niedriger Bauhöhe ausgeführt und somit mit besonders geringem Herstellungs- und Montageaufwand errichtbar. Hierzu weist die Brennkammer 4 des Durchlauf dampferzeugers 2 eine Anzahl von Brennern 30 für fossilen Brennstoff B auf, die an der Stirnwand 11 der Brennkammer 4 in der Höhe des Horizontalgaszuges 6 angeordnet sind. Bei dem fossilen Brennstoff B kann es sich dabei um feste Brenn stoffe, insbesondere Kohle handeln.

Damit der fossile Brennstoff B, beispielsweise Kohle in fe ster Form, zur Erzielung eines besonders hohen Wirkungsgrads besonders vollständig ausbrennt und Materialschäden der heiz gasseitig gesehen ersten Überhitzerheizfläche 23 des Horizon talgaszuges 6 und eine Verschmutzung derselben, beispiels weise durch Eintrag von schmelzflüssiger Asche mit hoher Tem peratur, besonders zuverlässig verhindert sind, ist die Länge L der Brennkammer 4 derart gewählt, daß sie die Aus brandlänge des fossilen Brennstoffs B beim Vollastbetrieb des Durchlaufdampferzeugers 2 übersteigt. Die Länge L ist dabei der Abstand von der Stirnwand 11 der Brennkammer 4 zum Ein trittsbereich 32 des Horizontalgaszugs 6. Die Ausbrandlänge des fossilen Brennstoffs B ist dabei definiert als die Heiz gasgeschwindigkeit in horizontaler Richtung bei einer be stimmten mittleren Heizgastemperatur multipliziert mit der Ausbrandzeit t_A der Flamme F des fossilen Brennstoffs B. Die für den jeweiligen Durchlaufdampferzeuger 2 maximale Aus brandlänge ergibt sich beim Vollastbetrieb des jeweiligen Durchlaufdampferzeugers 2. Die Ausbrandzeit t_A der Flamme F des Brennstoffs B wiederum ist die Zeit, die beispielsweise ein Kohlenstaubkorn mittlerer Größe zum vollständigen Aus brennen bei einer bestimmten mittleren Heizgastemperatur be nötigt.

Um eine besonders günstige Ausnutzung der Verbrennungswärme des fossilen Brennstoffs B zu gewährleisten, ist die Länge L (angegeben in m) der Brennkammer 4 in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur T_BRK (angegeben in °C) des Heizgases G aus der Brennkammer 4, der Ausbrandzeit t_A (angegeben in s) der Flamme F des fossilen Brennstoffs B und der Dampfleistung M (angegeben in kg/s) des Durchlaufdampferzeugers 2 bei Vollast geeignet gewählt. Diese horizontale Länge L der Brennkammer 4 beträgt dabei mindestens 80% der Höhe H der Brennkammer 4. Die Höhe H wird dabei von der Oberkante des Trichters 5 der Brennkammer 4, in Fig. 1 durch die Hilfslinie mit den End punkten X und Y markiert, bis zur Brennkammerdecke gemessen. Die Länge L der Brennkammer 4 bestimmt sich näherungsweise über die Funktionen (I) und (II):

L (M, t_A) = (C₁ + C₂ . M) . t_A (I)

und

L (M, T_BRK) = (C3 . T_BRK + C₄)M + C₅(T_BRK)² + C₆ . T_BRK + C₇ (II)

mit

Näherungsweise ist hierbei als eine zulässige Abweichung der Länge L der Brennkammer 4 um +20%/-10% vom durch die jewei lige Funktion definierten Wert zu verstehen. Dabei gilt bei der Auslegung des Durchlaufdampferzeugers 2 für eine vorge gebene Dampfleistung M des Durchlaufdampferzeugers 2 bei Vol last der größere Wert aus den Funktionen (I) und (II) für die Länge L der Brennkammer 4.

Als Beispiel für eine mögliche Auslegung des Durchlaufdampf erzeugers 2 sind für einige Längen L der Brennkammer 4 in Ab hängigkeit von der Dampfleistung M des Durchlaufdampferzeu gers 2 bei Vollast in das Koordinatensystem gemäß Fig. 3 sechs Kurven K₁ bis K₆ eingezeichnet. Dabei sind den Kurven jeweils folgende Parameter zugeordnet:

K₁: t_A = 3 s gemäß (I),
K₂: t_A = 2,5 s gemäß (I),
K₃: t_A = 2 s gemäß (I),
K₄: T_BRK = 1200°C gemäß (II),
K₅: T_BRK = 1300°C gemäß (II),
K₆: T_BRK = 1400°C gemäß (II).

Zur Bestimmung der Länge L der Brennkammer 4 sind somit bei spielsweise für die Ausbrandzeit t_A = 3 s der Flamme F des fossilen Brennstoffs B und die Austrittstempera tur T_BRK = 1200°C des Heizgases G aus der Brennkammer 4 die Kurven K₁ und K₄ heranzuziehen. Daraus ergibt sich bei einer vorgegebenen Dampfleistung M des Durchlaufdampferzeugers 2 bei Vollast
von M = 80 kg/s eine Länge von L = 29 m gemäß K₄,
von M = 160 kg/s eine Länge von L = 34 m gemäß K₄,
von M = 560 kg/s eine Länge von L = 57 m gemäß K₄.

Es gilt also stets die als durchgezogene Linie gezeichnete Kurve K₄.

Für die Ausbrandzeit t_A = 2,5 s der Flamme F des fossilen Brennstoffs B und die Austrittstemperatur des Heizgases G aus der Brennkammer T_BRK = 1300°C sind beispielsweise die Kur ven K₂ und K₅ heranzuziehen. Daraus ergibt sich bei einer vorgegebenen Dampfleistung M des Durchlaufdampferzeugers 2 bei Vollast
von M = 80 kg/s eine Länge von L = 21 m gemäß K₂,
von M = 180 kg/s eine Länge von L = 23 m gemäß K₂ und K₅,
von M = 560 kg/s eine Länge von L = 37 m gemäß K₅.

Es gilt also bis M = 180 kg/s der Teil der Kurve K₂, die als durchgezogene Linie gezeichnet ist und nicht die in diesem Wertebereich von M als gestrichelte Linie gezeichnete Kurve K₅. Für Werte von M, die größer als 180 kg/s sind, gilt der Teil der Kurve K₅, der als durchgezogene Linie gezeichnet ist und nicht die in diesem Wertebereich von M als gestrichelte Linie gezeichnete Kurve K₂.

Der Ausbrandzeit t_A = 2 s der Flamme F des fossilen Brenn stoffs B und der Austrittstemperatur T_BRK = 1400°C des Heizga ses G aus der Brennkammer 4 sind beispielsweise die Kurven K₃ und K₆ zugeordnet. Daraus ergibt sich bei einer vorgegebenen Dampfleistung M des Durchlaufdampferzeugers 2 bei Vollast
von M = 80 kg/s eine Länge von L = 18 m gemäß K₃,
von M = 465 kg/s eine Länge von L = 21 m gemäß K₃ und K₆,
von M = 560 kg/s eine Länge von L = 23 m gemäß K₆.

Es gilt also für Werte von M bis 465 kg/s die als durchgezo gene Linie in diesem Bereich gezeichnete Kurve K₃ und nicht die als gestrichelte Linie in diesem Bereich gezeichnete Kurve K₆. Für Werte von M die größer als 465 kg/s sind gilt der Teil der als durchgezogene Linie gezeichneten Kurve K₆ und nicht der Teil der als gestrichelte Linie gezeichneten Kurve K₃.

Damit zwischen dem Austrittsbereich 34 der Brennkammer 4 und dem Eintrittsbereich 32 des Horizontalgaszugs 6 beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 2 vergleichsweise geringe Tempe raturunterschiede auftreten, sind die Verdampferrohre 50 und 52 in dem in Fig. 1 markierten Verbindungsabschnitt Z in be sonderer Weise geführt. Dieser Verbindungsabschnitt Z ist in Fig. 4 und 5 in alternativer Ausführung im Detail darge stellt und umfaßt den Austrittsbereich 34 der Brennkammer 4 und Eintrittsbereich 32 des Horizontalgaszugs 6. Dabei ist das Verdampferrohr 50 ein unmittelbar mit der Seitenwand 12 des Horizontalgaszugs 6 verschweißtes Verdampferrohr 10 der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 und das Verdampferrohr 52 ein diesem unmittelbar benachbartes Verdampferrohr 10 der Um fassungswand 9 der Brennkammer 4. Das Dampferzeugerrohr 54 ist ein unmittelbar mit der Umfassungswand 9 der Brennkam mer 4 verschweißtes Dampferzeugerrohr 16 des Horizontalgas zugs 6, und das Dampferzeugerrohr 56 ist ein diesem unmittel bar benachbartes Dampferzeugerrohr 10 der Seitenwand 12 des Horizontalgaszugs 6.

Das Verdampferrohr 50 tritt entsprechend der Fig. 4 erst oberhalb des Eintrittsabschnitts E der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 in diese Umfassungswand 9 ein. Dabei ist das Verdampferrohr 50 eingangsseitig über das Leitungssystem 19 mit dem Economizer 26 verbunden. Dadurch wird eine Entlüftung des Verdampferrohrs 50 vor dem Anfahren des Durchlaufdampfer zeugers 2 und somit eine besonders zuverlässige Durchströmung desselben erzielt. Das Verdampferrohr 50 ist zunächst für eine Führung des Strömungsmediums S von oben nach unten vor gesehen. Dann ändert sich die Führung des Verdampferrohrs 50 in unmittelbarer Nähe des Eintrittssammler-Systems 18 um 180°, so daß dann eine Strömung des Strömungsmediums S im Verdampferrohr 50 von unten nach oben erfolgen kann. Oberhalb der Stelle, an der das Verdampferrohr 50 in die Umfassungs wand 9 der Brennkammer 4 eingetreten ist, ist das Verdampfer rohr 50 um eine Rohrteilung seitenversetzt - in Richtung auf die Brenner 30 - in der Umfassungswand 9 nach oben geführt. Das Verdampferrohr 50 ist also im letzten Abschnitt in verti kaler Flucht mit dem ersten Abschnitt des Verdampferrohrs 50 geführt.

Das Dampferzeugerrohr 54 der Seitenwand 12 des Horizontalgas zugs 6 ist nach seinem Austritt aus dem Eintrittssammler-Sy stem 21 erst außerhalb der Seitenwand 12 des Horizontalgas zugs 6 geführt. Erst oberhalb der Stelle, an der das Verdamp ferrohr 50 seitenversetzt weitergeführt ist, tritt das Dampf erzeugerrohr 54 in die Seitenwand 12 des Horizontalgaszugs 6 ein. An der Verbindung 36 zwischen der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 und der Seitenwand 12 des Horizontalgaszugs 6 gehört also der untere Teil zu der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 und der obere Teil zu der Seitenwand 12 des Ho rizontalgaszugs 6. Das Verdampferrohr 52 bzw. das Dampferzeu gerrohr 56 sind wie die anderen Verdampferrohre 10 bzw. Dampferzeugerrohre 16 vertikal in der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 bzw. in der Seitenwand 12 des Horizontalgas zugs 6 geführt und eingangsseitig mit dem Eintrittssammler- System 18 bzw. 21 und ausgangsseitig mit dem Austrittssamm ler-System 20 bzw. 22 verbunden.

Eine andere mögliche Ausführungsform für den Verbindungsab schnitt Z der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 mit der Sei tenwand 12 des Horizontalgaszugs 6 ist in Fig. 5 darge stellt. Hierbei tritt das eingangsseitig über das Leitungssy stem 19 mit dem Economizer 26 verbundene Verdampferrohr 50 um eine Rohrteilung seitenversetzt oberhalb des Eintrittsab schnitts E in die Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 ein. Um eine Rohrteilung seitenversetzt bedeutet hier, daß der Ein tritt des Verdampferrohrs 50 in die Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 um eine Rohrlage entfernt von der Verbindung 36 der Brennkammer 4 mit dem Horizontalgaszug 6 erfolgt. Die Führung des Verdampferrohrs 50 ändert sich in unmittelbarer Nähe des Eintrittssammler-Systems 18 um 90°, und die Führung des Verdampferrohrs 50 erfolgt außerhalb der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 in Richtung der Seitenwand 12 des Horizon talgaszugs 6. Vor dem Eintritt in die Seitenwand 12 des Hori zontalgaszugs 6 ändert sich die Führung des Verdampfer rohrs 50 erneut um 90° in Richtung auf das Austrittssammler- System 22 hin. Das Verdampferrohr 50 wird dabei um eine Rohr lage entfernt von der Verbindung 36 der Brennkammer 4 mit dem Horizontalgaszug 6 vertikal in der Seitenwand 12 des Horizon talgaszugs 6 geführt. In der Seitenwand 12 des Horizontalgas zugs 6 erfolgt erneut - unterhalb des Eintritts des Verdamp ferrohrs 50 in die Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 - ein Richtungswechsel des Verdampferrohrs 50 in vertikaler Rich tung um eine Rohrlage seitenversetzt, so daß nun das Verdamp ferrohr 50 direkt an die Verbindung 36 der Brennkammer 4 mit dem Horizontalgaszug 6 grenzt. Oberhalb der Höhe des Ein tritts des Verdampferrohrs 50 in die Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 erfolgt erneut ein Wechsel der Führung des Ver dampferrohrs 50, und zwar von der Seitenwand 12 des Horizon talgaszugs 6 in die Umfassungswand 9 der Brennkammer 4. In der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 ist das Verdampfer rohr 50 dann in seinem letzten Abschnitt entlang der Verbin dung 36 der Brennkammer 4 mit dem Horizontalgaszug 6 vertikal hin zum Austrittssammler-System 20 geführt.

Die Führung des Verdampferrohrs 52 schmiegt sich dabei an die Führung des Verdampferrohrs 50 an. Das Verdampferrohr 52 tritt unterhalb des Eintritts des Verdampferrohrs 50 in die Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 ein und ist eingangsseitig über das Leitungssystem 19 mit dem Economizer 28 verbunden. Der Eintritt des Verdampferrohrs 52 erfolgt dabei in der Rohrlage, die an die Verbindung 36 der Brennkammer 4 mit dem Horizontalgaszug 6 grenzt. Nach dem Eintritt des Verdampfer rohrs 52 in die Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 ist das Verdampferrohr 52 vertikal von oben nach unten geführt. In unmittelbarer Nähe des Eintrittssammler-Systems 18 erfolgt eine Änderung der Führung des Verdampferrohrs 52 um 90° in Richtung auf die Seitenwand 12 der Horizontalgaszugs 6. Es ändert seine Richtung nochmals um 90° auf der Höhe der ersten Rohrlage, die an die Verbindung 36 der Brennkammer 4 mit dem Horizontalgaszug 6 grenzt, und tritt in die Seitenwand 12 des Horizontalgaszugs 6 ein. Ab dieser Höhe ist das Verdampfer rohr 52 vertikal in der Seitenwand 12 des Horizontalgaszugs 6 geführt. Es bildet also das verbindende Rohr der Seiten wand 12 des Horizontalgaszugs 6 zu der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4. Das Verdampferrohr 52 verläßt die Seiten wand 12 des Horizontalgaszugs 6 oberhalb der Höhe des Ein tritts des Verdampferrohrs 52 in die Umfassungswand 9 der Brennkammer 4, um oberhalb des Eintritts des Verdampfer rohrs 52 in der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 in verti kaler Richtung geführt zu werden, und zwar in vertikaler Flucht mit dem Eintritt des Verdampferrohrs 52. Oberhalb des Eintritts des Verdampferrohrs 50 in die Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 ändert sich die Führung des Verdampferrohrs 52 erneut, um dann in vertikaler Flucht mit dem ersten Abschnitt des Verdampferrohrs 50 vertikal in der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 geführt zu werden. Der letzte Abschnitt des Verdampferrohrs 52 ist also in vertikaler Flucht mit dem er sten Abschnitt des Verdampferrohrs 50 geführt. Sowohl das Verdampferrohr 50 als auch das Verdampferrohr 52 sind ein gangsseitig mit dem Leitungssystem 19 zwischen dem Economi zer 28 und dem Eintrittssammler-System 18 und ausgangsseitig mit dem Austrittssammler-System 20 verbunden.

Das Dampferzeugerrohr 54 ist eingangsseitig mit dem Ein trittssammler-System 21 verbunden. Nach dem Austritt des Dampferzeugerrohrs 54 aus dem Eintrittssammler-System 21 ist das Dampferzeugerrohr 54 außerhalb des Horizontalgaszugs 6 geführt. Oberhalb des Wechsels des Verdampferrohrs 50 von der Seitenwand 12 des Horizontalgaszugs 6 in die Umfassungswand 9 der Brennkammer 4 tritt das Dampferzeugerrohr 54 in die Sei tenwand 12 des Horizontalgaszugs 6 ein. Der letzte in der Seitenwand 12 des Horizontalgaszugs 6 geführte Abschnitt des Dampferzeugerrohrs 54 ist dabei entlang der Verbindung 36 der Brennkammer 4 mit dem Horizontalgaszug 6 geführt. Die Seiten wand 12 des Horizontalgaszugs 6 ist also an der Verbindung 36 im unteren Teil von dem Verdampferrohr 50 und im oberen Teil von dem Dampferzeugerrohr 54 gebildet.

Auch das Dampferzeugerrohr 56 ist in der Fig. 5 eingangssei tig mit dem Eintrittssammler-System 21 verbunden. Das Dampf erzeugerrohr 56 ist zunächst außerhalb des Horizontalgas zugs 6 geführt. Das Dampferzeugerrohr 56 tritt erst oberhalb der Stelle in die Seitenwand 12 des Horizontalgaszugs 6 ein, an der das Verdampferrohr 50 seine Führung von einer Rohrlage versetzt zur Verbindung 36 auf direkt an die Verbindung 36 angrenzende Führung gewechselt hat. Die Dampferzeugerrohre 54 und 56 sind jeweils ausgangsseitig mit dem Austrittssammler- System 22 verbunden.

Durch die spezielle Rohrführung der Verdampferrohre 50 und 52 bzw. der Dampferzeugerrohre 54 und 56 sind beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 3 Temperaturunterschiede an der Ver bindung 36 zwischen der Brennkammer 4 und dem Horizontalgas zug 6 besonders zuverlässig besonders gering gehalten. Das Strömungsmedium S und damit auch das Verdampferrohr 50 bzw. 52 tritt oberhalb des Eintrittsabschnitts E in die Umfas sungswand 9 der Brennkammer 4 ein. Die weitere Rohrführung der Verdampferrohre 50 und 52 bzw. der Dampferzeugerrohre 54 und 56 erfolgt dann in der Weise, daß beim Betrieb des Durch laufdampferzeugers 2 das Verdampferrohr 50 und 52 und damit auch das in ihnen geführte Strömungsmedium S durch Beheizung vorgewärmt werden, bevor eine unmittelbare Verbindung mit den Dampferzeugerrohren 54, 56 und einem weiteren Dampferzeuger rohr 16 der Seitenwand 12 des Horizontalgaszugs 6 erfolgt. Dadurch weisen die Verdampferrohre 50 und 52 an der Verbin dung 36 beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 2 eine ver gleichsweise höhere Temperatur auf als die ihnen unmittelbar benachbarten Verdampferrohre 10 der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4.

Als Beispiel für mögliche Temperaturen T_S des Strömungsmedi ums S in den Verdampferrohren 10 der Brennkammer 4 bzw. den Dampferzeugerrohren 16 des Horizontalgaszugs 6 sind für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 in das Koordinatensystem ge mäß Fig. 6 für einige Temperaturen T_S (angeben in °C) in Ab hängigkeit von der relativen Rohrlänge R des von unten nach oben durchströmten Teils eines Verdampferrohrs 10, 50, 52 bzw. der Dampferzeugerrohre 54, 56 (angegeben in %) die Kur ven U₁ bis U₄ eingetragen. Dabei ist in den gezeigten Kurven der horizontal geführte Bereich, also die Stufen, nicht be rücksichtigt. U₁ beschreibt dabei den Temperaturverlauf eines Dampferzeugerrohrs 16 des Horizontalgaszugs 6. U₂ dagegen be schreibt den Temperaturverlauf eines Verdampferrohrs 10 ent lang seiner relativen Rohrlänge R. U₃ beschreibt den Tempera turverlauf des von unten nach oben durchströmten Teils des speziell geführten Verdampferrohrs 50 und U₄ beschreibt den Temperaturverlauf des von unten nach oben durchströmten Teils des Verdampferrohrs 52 der Umfassungswand 9 der Brennkammer 4. Anhand der eingezeichneten Kurven wird deutlich, daß durch die spezielle Rohrführung der Verdampferrohre 50 und 52 im Eintrittsabschnitt E der Verdampferrohre 10 in der Umfas sungswand 9 der Brennkammer 4 der Temperaturunterschied zu den Dampferzeugerrohren 16 der Umfassungswand 12 des Horizon talgaszugs deutlich verringert werden kann. Im Beispiel läßt sich die Temperatur der Verdampferrohre 50 und 52 im Ein trittsabschnitt E der Verdampferrohre 50 und 52 um 45 Kelvin erhöhen. Dadurch sind beim Betrieb des Durchlaufdampferzeu gers 2 besonders geringe Temperaturunterschiede im Ein trittsabschnitt E der Verdampferrohre 50 und 52 und den Dampferzeugerrohren 16 des Horizontalgaszugs 6 an der Verbin dung 36 zwischen der Brennkammer 4 und dem Horizontalgaszugs 6 gewährleistet.

Beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers 2 wird den Bren nern 30 fossiler Brennstoff B, vorzugsweise Kohle in fester Form, zugeführt. Die Flammen F der Brenner 30 sind dabei ho rizontal ausgerichtet. Durch die Bauweise der Brennkammer 4 wird eine Strömung des bei der Verbrennung entstehenden Heiz gases G in annähernd horizontaler Hauptströmungsrichtung 24 erzeugt. Dieses gelangt über den Horizontalgaszug 6 in den annähernd zum Boden hin ausgerichteten Vertikalgaszug 8 und verläßt diesen in Richtung des nicht näher dargestellten Ka mins.

In den Economizer 28 eintretendes Strömungsmedium S gelangt in das Eintrittssammler-System 18 der Verdampferrohre 10 der Brennkammer 4 des Durchlaufdampferzeugers 2. In den vertikal angeordneten, gasdicht miteinander verschweißten Verdampfer rohren 10 der Brennkammer 4 des Durchlaufdampferzeugers 2 findet die Verdampfung und gegebenenfalls eine teilweise Überhitzung des Strömungsmediums S statt. Der dabei entste hende Dampf bzw. ein Wasser-Dampf-Gemisch wird in dem Aus trittssammler-System 20 für Strömungsmedium S gesammelt. Von dort gelangt der Dampf bzw. das Wasser-Dampf-Gemisch über die Wände des Horizontalgaszugs 6 und des Vertikalgaszugs 8 in die Überhitzerheizflächen 23 des Horizontalgaszuges 6. In den Überhitzerheizflächen 23 erfolgt eine weitere Überhitzung des Dampfs, der anschließend einer Nutzung, beispielsweise dem Antrieb einer Dampfturbine, zugeführt wird.

Mit der speziellen Führung der Verdampferrohre 50 und 52 fal len beim Betrieb des Durchlaufdampferzeugers Temperaturunter schiede zwischen dem Austrittsbereich 34 der Brennkammer 4 und dem Eintrittsbereich 32 des Horizontalgaszugs 6 besonders gering aus. Dabei ist durch eine Wahl der Länge L der Brenn kammer 4 in Abhängigkeit von der Dampfleistung M des Durch laufdampferzeugers 2 bei Vollast sichergestellt, daß die Ver brennungswärme des fossilen Brennstoffs B besonders zuverläs sig ausgenutzt wird. Außerdem läßt sich der Durchlaufdampfer zeuger 2 durch seine besonders geringe Bauhöhe und kompakte Bauweise mit besonders geringem Herstellungs- und Montageauf wand errichten. Dabei kann ein mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand erstellbares Gerüst vorgesehen sein. Bei einer Kraftwerksanlage mit einer Dampfturbine und einem eine derart geringe Bauhöhe aufweisenden Durchlaufdampferzeuger 2 können außerdem die Verbindungsrohre von dem Durchlaufdampf erzeuger zu der Dampfturbine in besonders kurzer Weise ausge legt sein.

Claims

1. Durchlaufdampferzeuger (2) mit einer Brennkammer (4) für fossilen Brennstoff (B), der heizgasseitig über einen Hori zontalgaszug (6) ein Vertikalgaszug (8) nachgeschaltet ist, wobei die Brennkammer (4) eine Anzahl von in der Höhe des Ho rizontalgaszugs (6) angeordneten Brennern (58) aufweist und die Umfassungswände (9) der Brennkammer (4) aus gasdicht mit einander verschweißten, vertikal angeordneten Verdampferroh ren (10) gebildet sind, wobei eine Mehrzahl der Verdampfer rohre (10) jeweils parallel mit Strömungsmedium (S) beauf schlagbar ist und wobei in einem Verbindungsabschnitt (Z), der den Austrittsbereich (34) der Brennkammer (4) und den Eintrittsbereich (32) des Horizontalgaszugs (6) umfaßt, eine Anzahl der parallel mit Strömungsmedium (5) beaufschlagbaren Verdampferrohre (10, 50, 52) schleifenförmig geführt ist.

2. Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 1, bei dem die Seitenwände (12) des Horizontalgaszugs (6) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Dampferzeu gerrohren (16) gebildet sind.

3. Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Seitenwände (14) des Vertikalgaszugs (8) aus gas dicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, par allel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Dampferzeuger rohren (17) gebildet sind.

4. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jeweils einer Mehrzahl von parallel mit Strömungsme dium (S) beaufschlagbaren Verdampferrohren (10) strömungsme diumsseitig ein gemeinsames Eintrittssammler-System (18) vor geschaltet und ein gemeinsames Austrittssammler-System (20) nachgeschaltet ist.

5. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem jeweils einer Anzahl von parallel mit Strömungsme dium (S) beaufschlagbaren Dampferzeugerrohren (16, 17) des Horizontalgaszugs (6) oder des Vertikalgaszugs (8) strömungs mediumsseitig ein gemeinsames Eintrittssammler-System (21) vorgeschaltet und ein gemeinsames Austrittssammler-Sy stem (22) nachgeschaltet ist.

6. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine Umfassungswand (9) der Brennkammer (4) die Stirnwand (11) ist, wobei die Verdampferrohre (10) der Stirn wand (9) parallel mit Strömungsmedium (5) beaufschlagbar sind.

7. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Verdampferrohre (10) der Stirnwand (11) der Brennkammer (4) strömungsmediumsseitig den anderen Umfas sungswänden (9) der Brennkammer (4) vorgeschaltet sind.

8. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Rohrinnendurchmesser (D) einer Anzahl der Ver dampferrohre (10) der Brennkammer (4) abhängig von der jewei ligen Position der Verdampferrohre (10) in der Brennkam mer (4) gewählt ist.

9. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem eine Anzahl der Verdampferrohre (10) auf ihrer Innen seite jeweils ein mehrgängiges Gewinde bildende Rippen (40) tragen.

10. Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 9, bei dem ein Steigungswinkel (α) zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene (42) und den Flanken (44) der auf der Rohr innenseite angeordneten Rippen (40) kleiner als 60°, vorzugs weise kleiner als 55°, ist.

11. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem eine Anzahl der Verdampferrohre (10) jeweils eine Drosseleinrichtung aufweist.

12. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein Leitungssystem (19) zur Zuführung von Strömungs medium (S) in die Verdampferrohre (10) der Brennkammer (4) vorgesehen ist, wobei das Leitungssystem (19) zur Reduzierung des Durchflusses des Strömungsmediums (S) eine Anzahl von Drosseleinrichtungen, insbesondere Drosselarmaturen, auf weist.

13. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem benachbarte Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre (10, 16, 17) über Flossen gasdicht miteinander verschweißt sind, wobei die Flossenbreite abhängig von der jeweiligen Position der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre (10, 16, 17) in der Brennkammer (4), des Horizontalgaszugs (6) und/oder des Ver tikalgaszugs (8) gewählt ist.

14. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem in dem Horizontalgaszug (6) eine Anzahl von Überhit zerheizflächen (23) in hängender Bauweise angeordnet ist.

15. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem in dem Vertikalgaszug (8) eine Anzahl von Konvekti onsheizflächen (26) angeordnet ist.

16. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die Brenner (58) an der Stirnwand (11) der Brennkam mer (4) angeordnet sind.

17. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die durch den Abstand von der Stirnwand (11) der Brennkammer (4) zum Eintrittsbereich (32) des Horizontalgas zugs (6) definierte Länge (L) der Brennkammer (4) mindestens gleich der Ausbrandlänge des Brennstoffs (B) beim Vollastbe trieb ist.

18. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem die Länge (L) der Brennkammer (4) als Funktion der Dampfleistung (M) bei Vollast, der Ausbrandzeit (t_A), der Flamme (F) des Brennstoffs (B) und/oder der Austrittstempera tur (T_BRK) des Heizgases (G) aus der Brennkammer (4) nähe rungsweise gemäß den beiden Funktionen (I) und (II)
L (M, t_A) = (C₁ + C₂ . M) . t_A (I)
und
L (M, T_BRK) = (C₃ . T_BRK + C₄)M + C₅(T_BRK)² + C₆ . T_BRK + C7 (II)
mit
C₁ = 8 m/s und
C₂ = 0,0057 m/kg und
C₃ = -1,905 . 10^-4 (m . s)/(kg°C) und
C₄ = 0,280 (s . m)/kg und
C₅ = 3 . 10^-4 m/(°C)² und
C₆ = -0,842 m/°C und
C₇ = 603,41 m
gewählt ist, wobei für eine vorgegebene Dampfleistung (M) bei Vollast der jeweils größere Wert der Länge (L) der Brennkam mer (4) gilt.

19. Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem der untere Bereich der Brennkammer (4) als Trich ter (5) ausgebildet ist.