DE3004848C2

DE3004848C2 - Wirbelschichtfeuerung

Info

Publication number: DE3004848C2
Application number: DE3004848A
Authority: DE
Inventors: Günther Prof. Dr.-Ing. Dibelius; Reinhold Dr.-Ing. 5100 Aachen Pitt
Original assignee: L&C Steinmueller GmbH
Current assignee: Hitachi Zosen Inova Steinmueller GmbH
Priority date: 1980-02-09
Filing date: 1980-02-09
Publication date: 1983-11-10
Also published as: DE3004848A1

Description

a) Der Verdichter ist in zwei hintereinander angeordnete Einzelverdichter unterteilt, von denea der erste Verdichter (25) nur von der Gasturbine (23) und der zweite Verdichter (26) mittels Fremdenergie angetrieben ist;

b) dem ersten Verdichter (25) ist eine steuerbare Luft-Umgehungsleitung parallel geschaltet;

c) der Gasturbine (23) ist eine steuerbare Rauchgas-Umgehungsleitung (2&) mit Rauchgaskühler (27) parallel geschaltet.

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Die Erfindung betrifft e?ne Wir-' elschichtfeuerung mit veränderlicher Wärmeleistung aufgrund änderbaren Feuerraumdruckes, wobei zum Ein. eilen von Drücken, die höher sind als der für eine nicht aufgeladene Betriebsweise der Wirbelschichtfeuerung notwendige Mindestdruck, der zur Luftzufuhr notwendige Verdichter allein durch eine auf gleicher Welle angeordnete Gasturbine angetrieben wird, in der dem Rauchgas der <o Wirbelschichtfeuerung die zum Antrieb des Verdichters notwendige Energie entzogen und nach der das Rauchgas ohne weitere Abkühlung dem Rauchgaskamin zugeführt wird, und wobei ein Verdichterantrieb mittels Fremdenergie vorgesehen ist.

Es ist bekannt, daß Wirbelschichtfeuerungen bei nahezu amtosphärischem Druck, aber auch bei höheren Drücken betrieben werden können, und daß mit dem Druck im Feuerraum ihre Wärmeleistung zunimmt. Die für die Luftversorgung der Wirbelschichtfeuerung 5<i notwendige Antriebsenergie wird bei nicht aufgeladener Betriebsweise ausschließlich durch Fremdenergie bereitgestellt. Bei aufgeladener Betriebsweise kann der zur Versorgung der Wirbelschichtfeuerung mit Verbrennungs- und Fluidisierungsluft notwendige Verdichter durch eine mit dem Rauchgas aus der Wirbelschichtfeuerung beaufschlagte Turbine angetrieben werden (GB-OS 20 10 973). Der Luftverdichter und die Rauchgasturbine können auf einer Welle angeordnet sein. Die Gesamtanlage kann im Prinzip so ausgelegt werden, *o daß die dem Rauchgas in der Turbine entzogene Energie gerade groß genug ist, um den Verdichter anzutreiben und um Verluste zu decken, so daß der Maschinengruppe Luftverdichter/Rauchgasturbine weder Leistung von außen zu-, noch aus dieser nach außen abgeführt wird. Um dieserart die ganze^Verdichtungsarbeit aufzubringen, muß jedoch die Temperatur des Rauchgases vor der Turbine hoch genug sein; sie ist abhangig von den Wirkungsgraden der Turbine und des Verdichters, vom Luftverhältnis bei der Verbrennung, von der Art des eingesetzten Brennstoffs und des Brennstoffeintrags, von der Größe der mechanischen Verluste und vom Druckverhältnis an den Maschinen.

Diese Auslegung führt auf Rauchgastemperaturen am Turbineneintritt, die zu hoch sind, als daß zur Reinigung des Rauchgases vor der Turbine nach heutigem Stand der Technik Filter ausreichender Wirkung uni Standzeit eingesetzt werden können. Auch muß bei hohen Rauchgastemperaturen ein großes Druckverhältnis in der Turbine abgebaut werden, damit das Rauchgas nach der Turbine weit genug abgekühlt ist, so daß es ohne weitere Abkühlung dem Rauchgaskamin zugeführt werden kann. Diese zwangsläufige Kopplung von Temperatur-und Druckänderungen engt die Möglichkeit ein. den angestrebten Zweck, nämlich die Veränderung der Wärmeleistung durch Druckänderung im Feuerraum, bei guten Gesamtwirkungsgraden zu erreichen.

Um die Wirbelschichtfeuerung im ganzen Druckbereich vom atmosphärischen Druck bis zum höchsten Ladedruck betreiben zu können und um von einer Betriebsweise ohne Aufladung in eine solche mit Aufladung wechseln zu können, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Luftversorgung der Wirbelschichtfeuerung derart vorzunehmen, daß bei atmosphärischem Betrieb allein die hierzu erforderlichen Einrichtungen wirken und daß die für aufgeladenen Betrieb notwendigen Zusatzeinrichtungen ihren Energiebedarf oberhalb eines für diese Betriebsweise erforderlichen Mindestdruckes nahezu ausschließlich aus der dann im Rauchgas verfügbaren Energie decken.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung die Kombination folgender Merkmale vorgeschlagen:

a) der Verdichter ist in zwei hintereinander angeordnete Einzelverdichter unterteilt, von denen der erste Verdichter nur von der Gasturbine und der zweite Verdichter mitteis Frerndcnergie angetrieben ist;

b) dem ersten Verdichter ist eine steuerbare Luft-Umgehungsleitung parallel geschaltet;

c) der Gasturbine ist eine steuerbare Rauchgas-Umgehungsleitung mit Rauchgaskühler parallel geschaltet.

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind folgende: Die Turbinen-Eintrittstemperatur kann soweit, d. h. bis auf Werte um 300⁰C, abgesenkt werden, wie es zur Reinigung des Rauchgases mit Filtern nach dem Stand der Technik notwendig ist. Auch bei mäßigen Druckverhältnissen wird von dieser Eintrittstemperatur aus das Rauchgas bei der Expansion weit genug abgekühlt, so daß es direkt nach Turbine zum Kamin geführt werden kann.

Weil unter diesen Bedingungen, d. h. bei abgesenkten Rauchgastemperaturen vor Turbine und mäßigen Druckverhältnissen, die Turbine allein die zum Verdichten und zur Deckung der Verluste notwendige Antriebsleitung nicht erbringen kann, ist ein fremd-angetriebener Verdichter dem von der Turbine angetriebenen in Reihe nachgeschaltet. Dies ist aus zwei Gründen günstiger als der bekannte zusätzliche Antrieb auf gleicher Welle mit dem zunächst genannten Verdichter und der Turbine. Der erste Vorteil besteht darin, daß für die im Leistungsgleichgewicht freilaufende Maschinenanordnung ein nur wenig modifizierter —

und daher kostengünstiger — Turbolader verwendet werden kann. Der zweite Vorteil liegt darin, daß im Fall atmosphärischen Betriebs die Anlage mit dem fremdangetriebenen Verdichter allein zu betreiben ist; bei Anordnung aller genannter Maschinen auf einer Welle müßte in diesem Fall die Turbine des Ladersatzes nutzlos, aber verlustwirksam mitgedreht werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung des fremdangetriebenen Verdichters in Reihe nach dem turbinengetriebenen hat gegenüber einer Anordnung in umgekehrter Reihenfolge den Vorteil besseren Betriebsverhaltens: Bei aufgeladenem Betrieb wird die Verbrennungsund Fluidisierungsluft zunächst vom turbinengetriebenen Verdichter angesaugt and verdichtet Wegen der miteinander verknüpften Änderung von Druck und Temperatur bleibt der Volumenstrom an Luft, der dem nachgeschalteten fremdangetriebenen Verdichter zugeführt wird, trotz eines gegenüber dem atmosphärischen Betrieb deutlich vergrößerten Luftmassenstroms nahezu gleich. Die Druckverlust-Massenstrom-Charakteristik der Luft- und Rauchgaswege einer Wirbelschichtfeuerung führt dazu, daß das vom fremdangetriebenen Verdichter bei aufgeladenem Betrieb zu erbringende Druckverhältnis kleiner ist als im atmosphärischen Betrieb. Daher ändert sich zwischen beiden Betriebsarten seine spezifische Verdichterarbeit trotz unterschiedlicher Lufteintrittstemperaturen nur wenig. Die Betriebspunkte »Vollast atmosphärisch« und »Vollast aufgeladen« fallen im Kennfeld des fremdangetriebenen Verdichters fast zusammen. Dies ist für die angestrebte verlustarme Regelung über einen weiten Betriebsbereich von besonderer Bedeutung.

Es wurde schon erwähnt, daß im atmosphärischen Betrieb der fremdangetriebene Verdichter allein betrieben wird. Um dies zu ermöglichen, sind der Rauchgasturbine und dem von dieser angetriebenen Verdichter steuerbare Umgehungsleitungen parallel geschaltet.

Im aufgeladenen Betrieb ist die Luft-Umgehungsleitung des turbinengetriebenen Verdichters geschlossen. Zur Einstellung von Teillast-Betriebspunkten in dieser Betriebsweise kommen grundsätzlich Eingriffe an beiden Verdichtern, z. B. Leitschaufelverstellungen oder Drosselungen, und Eingriff an der Rauchgasturbine, z. B. Leitschaufelverstellungen oder Umgehungsöffnung, in Betracht.

Eine Leitschaufelverstellung an der Rauchgasturbine würde jedoch bei der vorhandenen Staubbeladung des Rauchgases zu technischen Problem und störanfälligem Betrieb führen.

Die erfindungsgemäße Anordnung führt auf ein einfaches Konzept zur Laständerung:
Zur Einstellung von Teillast-Betriebspunkten genügen Stelleingriffe am fremdangetriebenen Verdichter, närnlich eine Drehzahländerung bei einer entsprechenden Antriebsmaschine oder die Verstellung eines Drallreglers bzw. eines Nachleitapparates. Der mit der Gasturbine freilaufende Verdichter stellt sich bei aufgeladener Betriebsweise mit ihr zusammen entsprechend den Maschinencharakteristiken auf eine Drehzahl ein. Der Rauchgasbypass und die Gasturbine herum ist hier nur noch zur Feinregulierung des Feuerraumdruckes erforderlich.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert, wobei gleichzeitig die Anwendung in einem speziellen Dampferzeugerkonzept vorgesehen ist.

Im Ausführungsbeispiel sind die Dampferzeugerelemente in einen Druckbehälter 1 eingesetzt.

Der Dampferzeuger besteht aus zwei Kesselräumen 2 und 3. Der innere Kesselraum 2 liegt zentral und hat eine Zylinderform mit Kreisquerschnitt. Der Kesselraum 3 hat ebenfalls eine Zylinderform mit einem Kreisringquerschnitt. Beide Kesselräume 2 und 3 sind konzentrisch zueinander angeordnet. Der Kesselraum 2 wird gegenüber dem Kesselraum 3 durch die zylindrische Kesselheizfläche 4 gasdicht abgetrennt Diese Kesselheizfläche 4 erstreckt sich vom Anströmboden 5 der Wirbelschichtfeuerung bis hinter eine im Druckbehalter 1 angeordnete Entstaubung 6. Die gleiche Anordnung ist bei den Kesselheizflächen 7 des Kesselraumes 3 vorgesehen. In den Kesselräumen 2 und 3 sind Eintauchheizflächen 8 und Freiraumheizflächen 9 vorgesehen. Betrieben wird der Dampferzeuger mit einer Wirbelschichtfeuerung.

Mit der nicht näher dargestellten Wirbelschicht, die vom Anströmboden 5 getragen und die in einzelne selbständige Wirbelschichtabschnitte auf Grund der Kesselheizflächenanordnung aufgeteilt ist, sind sogenannte Pufferbehälter 10 über Rohrleitungen 11 verbunden. Über diese Pufferbehäl:.-,· 10 kann die fiuidisierte Wirbeischichtmasse aus den Wirbelschichtfeuerungen abgezogen und wieder zugeführt werden, so daß damit eine schnelle Regelung erreicht wird. Mit den Puffern 10 ist außerdem eine Rohrleitung 12 verbunden, die an da*- nicht dargestellte Luftversorgungssystem für die Brennstofförderung angeschlossen ist. Von der Leitung 12 ist bei 13 eine Leitung 14 abgezweigt, die ebenfalls in die Pufferbehälter 10 einmündet und dort als Fluidisierungselement gestaltet ist. Diese Leitung 14 liegt im wesentlichen konzentrisch im Pufferbehälter 10 und wird in der anschließenden Verbindungsleitung 11 bis zum Anströmboden 5 ebenfalls in konzentrischer Anordnung fortgeführt. Mittels eines in der Leitung 12 in Förderrichtung gesehen hinter der Abzweigstelle 13 eingesetzten Ventils 15 ist der Druck aus der Luftversorgung der Brennstofförderung so regelbar, daß die fiuidisierte Wirbelschichtmasse hin- und hergefördert werden kann.

Das aus der Entstaubung 6 in den gemeinsamen Rauchgaskanal 16 austretende Rauchgas wird wärmeenv-rgiemäßig noch in einer weiteren Nachschaltheizfläche ausgenutzt und anschließend in einem weiteren Entstauber 18 gereinigt. Das nochmals gereinigte Rauchgas kann entsprechend der Betriebsweise aufgeladen — durchgezogene Pfeile — oder nicht aufgeladen — gestrichelt gezeichnete Pfeile — wärmeenergiemäßig weiter ausgenutzt werden.
Bei aufgeladener Betriebsweise wird durch Schlie-Bung des Ventils 19 in der Rauchgas-Umgehungsleitung

20 und Öffnen des Ventils 21 in der Leitung 22 das Rauchgas in eine dem Druckerhöhungssystem zugeordnete Rauchgasturbine 23 geleitet und dort soweit entsoan.u. daß das Rauchgas direkt in den Schornstein 24 geleitet werden kann. Die in der Rauchgasturbine 23 gewonnene Energie wird ausschließlich als Antriebsenergie für einen Luftverdichter 25 verwendet, der mit einem weiteren mittels Fremdenergie betriebenen Verdichter 26 das gesamte Druckerhöhungssystem darstellt. Bei der aufgeladenen Betriebsweise wird die verdiehtete Luft unter Umgehung eines Rauchgaskühlers 27 über die Leitung 28 den Wirbelschichtfeuerungen zugeführt, wobei über die Abzweigleitung Ά die innere Wirbelschichtfeuerung und durch die Leitung 30 die äußere Wirbelschichtfeuerung versorgt wird.

Bei nicht aufgeladener Betriebsweise wird das Ventil

21 in der Leitung 22 geschlossen und das Ventil 19 in der Rauchgas-Umgehungsleitung 20 geöffnet. Dadurch wird

das aus der zweiten Entstaubung 18 kommende Rauchgas direkt in den Rauchgaskühler 27 geleitet und über die Leitung 20 dem Rauchgaskamin 24 zugeführi. Um das in den Rauengaskamin 24 gelangte Rauchgas in den vorgeschriebenen zulässigen Temperaturen ■> halten zu können und um das Druckerhöhungssystem mit der Rauchgasturbine 23 und dem Luftverdichter 25 im Leistungsgleichgewicht zu halten, dient eine Bypass-Leitung 31 mit Entspannungsventil 32. Entsprechend der gewünschten Dampfleistung können die Ventile 19 und 21 jeweils gegensinnig so gestellt werden, daß das Druekerhöhungssysiem in der Lage ist. kontinuierlich bis /um höchsten Auslegungsdruck die Wirbelschichtfeuerung /u versorgen.

Die Entsorgung der nicht näher dargestellten Wirbelschichtfeuerungen erfolgt für die Kesselräume 2 und 3 jeweils getrennt über die Leitungen 33. Die Entsorgung der ersten Entstaubung 6 erfolgt über die Leitung 34. Der Brennstoff für die Wirbelschichtfeuerung wird ebenfalls über getrennte Rohrleitungen 35 den einzelnen Wirbelschichtfeuerungen zugegeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Wirbelschichtfeuerung mit veränderlicher Wärmeleistung aufgrund änderbaren Feuerraumdruckes, wobei zum Einstellen von Drücken, die höher sind als der für eine nicht aufgeladene Betriebsweise der Wirbelschichtfeuerung notwendige Mindestdruck, der zur Luftzufuhr notwendige Verdichter allein durch eine auf gleicher Welle angeordnete Gasturbine angetrieben wird, in der dem Rauchgas der Wirbelschichtfeuerung die zum Antrieb des Verdichters notwendige Energie entzogen und nach der das Rauchgas ohne weitere Abkühlung dem Rauchgaskamin zugeführt wird, und wobei ein Verdichterantrieb mittels Fremdenergie vorgesehen ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: