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Dampfkessel zur Erzeugung von hochgespanntem überhitztem Wasserdampf
Die Erfindung betrifft einen Dampfkessel zum Erzeugen von hochgespanntem, überhitztem
Wasserdampf, umfassend einen Kesselraum mit einem Feuerraum und einem Rauchgaszug,
wobei die Außenwände des Kesselraumes als Rohrwände ausgebildet sind, die von dem
zu verdampfenden Wasser durchströmt werden und wobei eine Trennwand zwischen dem
Feuerraum und dem Rauchgaszug ebenfalls von einer Rohrwand gebildet ist
Es
ist bekannt, derartige Kessel mit mindestens einem Strahlungsüberhitzer auszustatten.
Kessel mit Strahlungsüberhitzern sind in Industriekraftwerken unerläßlich,wenn bei
hoher Eintrittstemperatur des Speisewassers und/oder dem Einbau eines Zwischenüberhitzers
das Verhältnis der Wärmeleistung von Speisewasservorwärmung und Verdampfung einerseits
zur Uberhitzung andererseits soweit zugunsten der Uberhitzung verschoben wird, daß
über die Berührungsheizflächen die geforderte Überhitzerleistung nicht mehr erbracht
werden kann. In an sich bekannten Konstruktionen werden in großen Kesseln Strahlungsüberhitzer
in den Feuerraum eingehängt, derart, daß sie einen Teil der Verdampferheizflächen
abdecken. Schottenüberhitzer werden bisweilen zusätzlich angewendet. Diese Konstruktionsprinzipien
können bei kleineren Kesseln, wie sie vorwiegend in Industriekraftwerken als Industriekessel
Verwendung finden, im allgemeinen nicht angewendet werden, da sie sehr kostenintensiv
sind.
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Industriekraftwerke haben die Aufgabe, Produktionsbetriebe mit Dampf
und Strom zu versorgen. Bei ausgeglichenem Bedarf an Strom und Dampf werden dafür
Anlagen mit Gegendruckturbinen eingesetzt. In vielen Fällen werden aber Entnahmekondensationsturbinen
angewendet, da der Strombedarf aus der Gegendruckanlage nicht gedeckt werden kann.
Charakteristisch für Gegendruckanlagen ist, daß bei kalorischer Bewertung des an
den Betrieb abzugebenden Dampfes die Wärmekosten des Stromes optimal niedrig ausfallen,
da sie abgesehen vom aufzuwendenden Wärmeäquivalent nur belastet werden mit den
Verlusten des Kessels, den mechanischen Verlusten der Turbine und des Getriebes
und den Verlusten des Generators des Turbogeneratorsatzes.
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Das gleiche gilt für den Strom, der mit dem kraftwerksinternen Dampf
erzeugt wird, da beispielsweise die für die Speisewasservorwärmung benötigte Energie
sich in einem geschlossenen
Kreislauf bewegt. In Industriekraftwerken
besteht also das Bedürfnis, die kraftwerksinterne Dampfverwendung so hoch wie möglich
zu halten, wobei in an sich bekannter Weise die Speisewasservorwärmunq ins Extreme
getrieben werden kann. Dabei wird man bei Anwendung von Kesseln mit sehr hohem Frischdampfdruck
und gegebenenfalls Vorschaltturbinen den in der Turbine partiell entspannten Dampf
einer Zwischenüberhitzung zuführen.
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Technische Lösungen mit eingehängten Strahlungsüberhitzern sind deshalb
sehr teuer, weil die spezifischen Kosten umso höher liegen, je kleiner die Kesselleistung
wird. So werden beispielsweise für Kessel mit einem Frischdampfdruck von 125 kp/cm2
bei einer Dampftemperatur von 5200 C mit einer 0 Speisewassereintrittstemperatur
von etwa 250 C Preise von mehr als 50.000 Mark/t Dampf genannt für Kessel mit einer
Leistung von beispielsweise 50 t/h. Das sind für einen Industriebetrieb unzumutbare
Werte. Nach dem heutigen Stand der Technik erscheinen Industriekessel mit Strahlungsüberhitzern
erst wirtschaftlich denkbar bei Dampfleistungen von mehr als 200 t/h.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kessel zu schaffen,
bei dem mit möglichst geringem Aufwand das Verhältnis von Uberhitzerleistung zu
Verdampferleistung vergrößert wird und der kostengünstig betrieben werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die
Trennwand als Strahlungsüberhitzer ausgebildet ist.
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Durch diese erfindungsgemäße Lösung können die Kosten in der Nähe
der für klassische Mitteldruckkessel anfallenden Kosten gehalten werden, denn bei
dem erfindungsgemäßen Kessel werden Verdampferheizflächen nicht etwa abgedeckt,
sondern durch den als Rohrwand ausgebildeten Strahlungsüberhitzer ersetzt. Dadurch
wird eine wesentliche Verminderung des Materialeinsatzes
und der
Montagekosten erzielt. Einer wirtschaftlichen Gestaltung eines Industriekraftwerkes
für eine Stromerzeugung mit niedrigen Wärmekosten sind damit nach kleinen Dampfleistungen
hin kaum Grenzen gesetzt. Dabei ist diese Lösung für Kessel aller Größen mit offenem
oder geschlossenem Kesselraum anwendbar.
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Durch die Gestaltung des Strahlungsüberhitzers in der genannten Form
werden weitere ökonomische Vorteile erzielt, dadurch, daß der Druckverlust bei mehreren
in Serie geschalteten, vom Hochdruckdampf durchströmten Uberhitzern, d.h.
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dem Strahlungsüberhitzer, sowie in dem Rauchgaszug angeordneten Berührungsüberhitzern,
relativ klein gehalten werden kann. Wegen des geringen Druckverlustes kann der Ausgangsdruck
in einer Wasser und Dampf im Gleichgewicht enthaltenden Obertrommel des Dampfkessels
kleiner gehalten werden, wodurch sich die Materialkosten für die Obertrommel und
zusätzlich die laufenden Betriebskosten verringern, da die Pumpenarbeit für die
Speisung des Kessels verkleinert wird.
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Der technischen Lösung standen unter anderem folgende Schwierigkeiten
entgegen: Die als Rohrwand ausgebildete Trennwand zwischen Feuerraum und Rauchgaszug,
die üblicherweise ein Teil des Verdampfers ist, wird in den Kessel bekannter Konstruktionen
nach den Regeln der Technik eingeschweißt. Da alle Rohre der Kesselwände unter dem
Sättigungsdruck des Wassers in der Obertrommel stehen, herrscht auch überall die
gleiche Temperatur, es treten in den Wänden und deren Schweißungen keine betriebsbedingten
Wärmespannungen auf.
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Die Ausbildung der Trennwand als Strahlungsüberhitzer führt aber zwangsläufig
zu Temperaturunterschieden der durchströmenden Medien und damit in einer geschweißten
Konstruktion
'zu Wärmespannungen, zu deren Vermeidung erfindungsgemäß
vorgeschlagen wird, daß die als Strahlungsüberhitzer ausgebildete Rohrwand mit einem
Verteiler der Bodenrohrwand des Kesselraumes verschweißt und an den Seitenrohrwänden
gleitend geführt ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung: Die beiliegenden Zeichnungen erläutern die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispiels. Es stellen dar: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Kessels Fig. 2 einen Horizontalschnitt an der Verbindungslinie
zwischen einer Seitenwand des Kessels und der Trennwand zwischen Feuerraum und Rauchgaszug.
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Die schematische Darstellung der Fig. 1 zeigt die wesentlichen Teile
des Kessels in ihrer prinzipiellen räumlichen Anordnung, sowie ihr funktionelles
Zusammenwirken. Der Kessel umfaßt einen Kesselraum 10, dessen äußere Wände als Rohrwände,
beispielsweise Membranwände ausgebildet sind.Diese Membranwände bestehen aus zueinander
parallelen, im wesentlichen in einer Ebene liegenden Rohren (Fig. 21, , die über
Stege miteinander verschweißt sind und von dem zu verdampfenden Medium durchflossen
werden. Die Enden der Rohre sind jeweils über einen Verteiler - auch Sammler genannt
- miteinander verbunden, wobei der - in Durchflußrichtung des Mediums gesehen -
am Anfang der Rohre liegende untere Sammler das zu verdampfende
Medium
auf die einzelnen Rohre verteilt und der - in Durchflußrichtung des Mediums gesehen
- am Ende der Rohre liegende obere Sammler zum Sammeln des durch partielle Verdampfung
entstandenen Dampf-Wassergemisches dient.
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Zu den Begrenzungswänden des Kesselraumes 10 gehört also eine Bodenmembranwand
12, die von einem unteren Verdampfersammler 14 ausgehend in Durchflußrichtung des
Mediums leicht ansteigend in eine im wesentliche vertikale Frontmembranwand 16 mündet.
Die Frontmembranwand 16 wiederum geht in eine in Durchflußrichtung des Mediums gegenüber
der Horizontalen leicht ansteigende Deckenmewiranwand 18 über, die in einem oberen
Verdampfersammler 20 endet.
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Die Rückwand des Kesselraumes 10 ist von einer vertikalen rückwärtigen
Membranwand 22 gebildet, die von einem unteren Verdampfersammler 24 ausgeht und
in den oberen Verdampfersammler 20 einmündet. Die Seitenwände des Kesselraumes 10
liegen parallel zur Zeichenebene der Fig. 1 und sind als Seitenmembranwände 26 ausgebildet
(Fig. 2) die sich jeweils zwischen einem unteren Verdampfersammler 28 und einem
oberen Vefdampfersammler 30 erstrecken. Alle äußeren Membranwände 12, 16, 18, 22
und 26 sind gasdicht miteinander verschweißt.
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Der so abgegrenzte Kesselraum 10 ist mittels einer Trennwand 32 in
einen Feuerraum 34 und einen Rauchgaszug 36 unterteilt. Der Feuerraum 34 wird von
mindestens einem in der Frontmembranwand 16 angeordneten Brenner 38 beheizt.
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Die Trennwand 32 ist ebenfalls als eine Membranwand ausgebildet, und
zwar so, daß sie gemäß der Erfindung als Strahlungsüberhitzer verwendbar ist. Die
Rohrquerschnitte des Strahlungsüberhitzers werden dabei klein gehalten, um einen
sehr hohen Wärmeübergang von der Rohrwand auf den
Dampf zu erzielen,
da eine kleine Wärmeübergangszahl das hohe Angebot an Strahlungswärme nur über eine
merkliche Anhebung der Temperatur der Wand über die des Dampfes weitergeben könnte.
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Die Trennwand 32 erstreckt sich zwischen einem unteren Uberhitzersammler
40,der mittels eines Steges 41 auf den unteren Verdampfersammler 14 aufgeschweißt
ist, und einem ausserhalb des Kesselraumes 10 liegenden oberen Überhitzersammler
42.
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In einem oberen Bereich oberhalb eines im wesentlichen vertikal verlaufenden
Abschnittes 44 der Trennwand 32 sind die einzelnen Rohre 46 (Fig. 2) der Trennwand
32 in alternierender Reihenfolge schleifenförmig in den Feuerraum 34 bzw den Rauchgaszug
36 gezogen, und im wesentlichen vertikal oberhalb des unteren Überhitzersammlers
40 durch die Deckenmembranwand 18 geführt und mit dieser gasdicht verschweißt. Durch
diese Auffächerung der Rohre 46 in zwei Reihen von Schleifen ist in dem oberen Bereich
der Trennwand 32 ein Gitter gebildet, durch das die Rauchgase aus dem Feuerraum
34 in den Rauchgaszug 36 gelangen, anschließend durch den Rauchgaszua 36 nach unten
strömen und am unteren Ende des Rauchgaszuges 36 abgezogen werden. Zudem sind die
Schleifen geeignet, eine Wärmeausdehnung der Trennwand 32 in vertikaler Richtung
aufzufangen, so daß die Schweißverbindungen der Rohre 46 mit der Deckenmembranwand
18 nicht belastet werden. Es ist auf eine möglichst symmetrische Ausbildung der
Schleifen zu achten, da ungleich lange Schleifen zu unterschiedlichen Strömungsverhältnissen
des Dampfes in den Rohren 46 und damit zu unterschiedlichen Temperaturen innerhalb
der Trennwand 32 führen. Die Verbindung der Trennwand 32 mit den Seitenwänden 26
wird weiter unten noch eingehend beschrieben.
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Oberhalb des Kesselraumes 1o befindet sich eine Obertrommel 48, in
der sich zu verdampfendes Wasser und erzeugter Dampf im Gleichgewicht befinden.
Im unteren Teil des Rauchgaszuges 36 ist ein Speisewasservorwärmer 50 angeordnet,
über den von einer Pumpe 52 aus das Kesselspeisewasser über eine Leitung 54 in die
Obertrommel 48 gepumpt wird.
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Oberhalb des Speisewasservorwärmers 50 sind in dem Rauchgaszug 36
ein erster Berührungsüberhitzer 56 und ein zweiter Berührungsüberhitzer 58 übereinander
angeordnet.
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In vertikaler Richtung zwischen den beiden Berührungsüberhitzern 56
und 58 ist ein Zwischenüberhitzer 64 angeordnet, der zum nochmaligen Erhitzen des
in der Hochdruckstufe einer Turbine bereits partiell entepannten Dampfes dient.
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In der Verbindungsleitung 62 sowie in dem Zwischenüberhitzer ist jeweils
ein Temperaturregler 66 bzw. 68,beispielsweise ein geregelter Einspritzkühler,zur
Regelung der Dampftemperatur angeordnet.
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Der Kessel arbeitet in der folgenden Weise: Von der Pumpe 52 her wird
Speisewasser durch den Speisewasservorwärmer 50 über die Leitung 54 in die Obertrommel
48 gepumpt, in der sich Wasser und Dampf bei etwa 3300 C und 132 at im Gleichgewicht
befinden.Von der Obertrommel 48 wird zu verdampfendes Wasser über eine Falleitung
69 zu den jeweils unteren Verdampfersammlern 14, 24 und 28 geführt. In den Rohren.der
Membranwände 12, 16, 18, 22 und 26 wird das durchstr8mende Wasser durch die von
den Feuerungsgasen abgegebene Strahlungs- und Berührungswärme mindestens teilweise
verdampft.
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Das resultierende Dampf-;asserge'misch gelangt über'die Zuleitungen
70
und 72 von den jeweils oberen Sammlern 20 bzw. 30 der Verdampfermembranwände wieder
in die Obertrommel 48, wo Dampf und Wasser getrennt werden. Das Wasser strömt wieder
über die Falleitung 68 zu den Verdampfersammlern 14, 24 und 28. Der Sattdampf wird
über eine Leitung 74 dem unteren überhitzersammler 40 zugeführt. Der in der Trennwand
32 aufsteigende Dampf wird vorwiegend durch die von den Feuerungsgasen abgegebene
Wärmestrahlung auf etwa 3800 - 4000C am oberen Überhitzersammler 42 erhitzt. Von
dort gelangt dieser partiell überhitzte Dampf durch eine Leitung 60 zum ersten Berührungsüberhitzer
56, und von diesem über eine Verbindungsleitung 62 zum zweiten Berührungsüberhitzer
58. In den Berührungsüberhitzern 56, 58 wird der durchströmende Dampf durch die
Berührungswärme der den Rauchgaszug 36 durchziehenden Rauchgase weiter erhitzt,
0 so daß er mit etwa 520 C und einem Druck von 126 at von dem zweiten Berührungsüberhitzer
58 zur Turbine strömt. Der in der Hochdruckstufe der Turbine partiell entspannte
und abgekühlte Dampf wird in dem Zwischenüberhitzer 64 nochmals auf etwa 500°C erhitzt
und dann der Niederdruckstufe der Turbine zugeführt.
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Der Kesselraum 10 muß bei dem als Beispiel dargestellten Kesseltyp
- abgesehen vom Rauchgasaustritt zum Luftvorwärmer bzw.
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Schornstein - nach außen hin gasdicht abgeschlossen sein. Um den gewünschten
verlustfreien Durchzug der Rauchgase zu erhalten, sollten auch der Feuerraum 34
und der Rauchgaszug 36 mit Ausnahme der vorgesehenen, von dem Gitter gebildeten
Ver-' bindung durch die Trennwand 32 gas dicht voneinander getrennt sein. Bei der
Einbringung einer gasdichten Trennwand treten Schwierigkeiten auf. Die unterschiedliche
Wärmeausdehnung der jeweiligen Membranwände muß bei einer Verbindung der Uberhitzermembranwand
32 mit den Seitenmembranwänden 26 berücksichtigt werden. Ist der Temperaturunterschied
und damit der Unterschied in der Wärmeausdehnung
von Seitenmembranwänden
26 und Trennwand 32 nicht zu groß, so kann die Verbindung unter Umständen durch
Schweißen erfolgen. Bei höheren Temperaturunterschieden zwischen der Trennwand 32
und den Seitenmembranwänden 26 würde jedoch die unterschiedliche Wärmeausdehnung
der Rohrwände zum Reißen einer gemeinsamen Schweißnaht führen.
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Ab welcher Temperaturdifferenz ein Einschweißen der Trennwand nicht
mehr möglich ist, wird man bei jedem Kessel unter Berücksichtigung aller baulichen
Eigenarten zu ermitteln haben. Im folgenden wird jedoch eine andere Verbindungsmöglichkeit
der Trennwand 32 mit den angrenzenden Membranwänden des Kesselraumes 10 beschrieben,
welche die obigen Schwierigkeiten vermeidet.
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Der Verdampferverteiler 14 und der überhitzerverteiler 40 können mit
einander (beispielsweise mittels eines Steges 41) verschweißt werden, da sie mit
Wasser bzw. Dampf gleicher Temperatur aus der Obertrommel 48 gespeist werden und
daher praktisch die gleiche Temperatur aufweisen.
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Nach Fig. 2 ist an dem der jeweiligen Seitenmembranwand 26 nächsten
Rohr 46 der Trennwand 32 ein in der Ebene der Trennwand 32 liegender Steg 76 angeschweißt,
der sich im wesentlichen über die Länge des vertikalen Abschnittes der Trennwand
32 erstreckt. Der Steg 76 greift in einen Zwischenraum 78 zwischen zwei Rohren 80
einer Seitenmembranwand 26 ein. An dieser Stelle sind die benachbarten Rohre 80
durch einen Steg 82 mit einander verbunden, welcher die Verbindungsstelle nach außen
hin gasdicht abschließt. Auf den dem Steg 76 benachbarten Rohren 80 ist jeweils
ein Aufsatz 84 mit einer dem Steg 76 zugewandten und zu diesem parallelen Planfläche
86 angeschweißt. Auf diese Weise entsteht zwischen den beiden Planflächen 86 eine
Gleitführung für den Steg 76, wobei der Abstand der jeweiligen Planfläche 86 zu
dem Steg 76 so gewählt ist, daß unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen
Ausdehnung des Materials sowohl
der Seitenmembranwand 26 als auch
der Trennwand 32 der Steg 76 nicht zwischen den Planflächen 86 eingeklemmt werden
kann. Somit kann sich die Trennwand 32 ungehindert in vertikaler Richtung ausdehnen.
Die Verbindungsstelle ist zwar nicht absolut gasdicht, jedoch ist der Abstand von
den Planflächen 86 zu dem Steg 76 wiederum so klein gewählt, daß die Menge der an
der Verbindungsstelle durchströmenden Rauchgase gegenüber der Gesamtmenge der durch
das im oberen Teil der Trennwand 32 ausgebildete Gitter vom Feuerraum 34 in den
Rauchgaszug 36 gelangenden Rauchgase vernachlässigbar gering ist.
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Anstelle von Auftragsschweißungen an den der Verbindungsstelle'benachbarten
Rohren 80 der Seitenmembranwand 26 können für diese beiden Rohre auch Rohre größerer
Wandstärke verwendet werden wobei dann die Planflächen 86 durch Abfräsen eines Teiles
der Rohrwandung von außen her erzielt werden.
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Beide Ausführungen der Gleitführung sind in leicht abgewandelter Form
auch bei Seitenwänden denkbar, die nicht als Membranwände ausgebildet sind, sondern
bei denen die Rohre 80 direkt mit einander verschweißt sind. Der Steg 82 kann ortsfest
verankert sein, so daß eine Wärmeausdehnung der Seitenwand 26 in der Fig. 2 nach
oben und unten erfolgt, die Verbindungsstelle selbst aber ruhig bleibt.