DE3026866C2 - Dampferzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, der die im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Merkmale aufweist. Ein solcher Dampferzeuger ist aus der DE-OS 27 34 031 bekannt Bei dem bekannten Dampferzeuger gelangt vorgewärmtes Speisewasser in einen Sammler, aus dem es sich auf eine Anzahl parallel durchsiiömter und längs einer Mantellinie des horizontal liegenden zylinderförmigen Dampferzeugerabschnitts angeordneter Rohre verteilt. Am anderen axialen Ende des Dampferzeugerabschnitts ist ein weiterer Sammler vorgesehen, von dem aus das Arbeitsmittel auf zwei weitere Sätze parallel durch- ⁴" strömter Rohre verteilt wird, die im Gegenstrom zum erstgenannten Satz von Rohren durchflossen werden. Am entgegengesetzten Axialende des Dampferzeugerabschnitts sind weitere Sammler vorgesehen, aus denen das Arbeitsmittel wieder in Sätze parallel durchströmter Rohre gelangt, die im Gegenstrom zu den zweiten Sätzen durchflossen werden.

Bei einem derartigen Dampferzeuger ist die Wärmeverteilung in Umfangsrichtung des horizontal liegenden Zylinders keineswegs gleichförmig, und entsprechend ungleichförmig ist auch bei dem bekannten Dampferzeuger die Aufheizung der einzelnen Rohre und des sie durchströmenden Arbeitsmittels. Die beiden durch die Aufteilung des Arbeitsmittels in zwei Stränge gebildeten Kreisläufe werden durchaus unterschiedlich erhitzt, was bekanntlich unerwünscht ist und zu Problemen führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgleichen Dampferzeuger derart auszubilden, daß die Aufheizung des Arbeitsmittels in den parallel durchflossenen Rohrsträngen außerordentlich gleichförmig erfolgt. Zur Lösung dieser Aufgabe sind die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Maßnahmen vorgesehen. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß das Verbinden von antiparallel durchströmten Rohrabschnitten mittels 180° -Krümmern an sich bekannt ist aus der im übrigen gattungsfernen DE-AS 12 00 834.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 ist eine Ansicht des Dampferzeugers gemäß der Erfindung.

F i g. 2 ist eine perspektivische Teilschnittdarstellung einer StrahJungskammerdes Dampferzeugers.

F i g. 3 ist ein Schnitt durch die Kammer nach F i g. 2, und

Fig.4 zeigt in Diagrammform die Speisewassersteuerung des Dampferzeugers.

F i g. 1 zeigt in schematisierter Seitenansicht einen vollständigen Dampferzeuger gemäß vorliegender Erfindung. Er ist so ausgelegt, daß er an Ort und Stelle auf Schienen aufgebaut werden kann, etwa nahe einem Bohrloch oder nahe Bohrlöchern, die mit 80%igem Dampf zu beaufschlagen sind. Trotz des mechanisch komplizierten Aufbaus ist der Dampferzeuger so ausgelegt, daß er ohne dauernde Personalüberwachung arbeiten kann, und periodische Betriebsprüfungen brauchen nur in Intervallen von bis zu zwölf Stunden zu erfolgen.

Gemäß F i g. 1 ist der Dampferzeuger um den Brenner 1 herum gebaut, der so angeordnet ist, daß er seine Flamme im wesentlichen längs der Achse eines zylindrischen, sich in Horizontalrichtung erstreckenden Brennraums 2 ausbreitet Eine Speisewasserquelle (nicht dargestellt) ist an Rohre 3 angeschlossen, deren Verlängerungen in dem Konvektionsabschnitt oder Berührungsheizabschnitt des Dampferzeugers montiert sind. Die Rohre im Konvektionsabschnitt führen das Speisewasser zu den stromabwärts liegenden Rohren, die gleichförmig verteilt längs der Innenwandungen der horizontalen Kammer montiert sind, um die Strahlungswärme der Flamme des Brenners 1 in das Wasser/ Dampf-Fluid zu übertragen, das die Rohre im Strahlungsheizabschnitt durchströmt

Die von der Flamme 10 des Brenners 1 erzeugten Verbrennungsprodukte werden aus der zylindrischen Kammer 2 ausgetragen und nach oben in den Konvektionsabschnitt 4 umgelenkt Im Konvektionsabschnitt 4 sind die dort angeordneten Rohre mit den stromabwärts liegenden Rohren im Strahlungsabschnitt verbunden, um das Aufheizen des Speisewassers durch die Verbrennungsprodukte einzuleiten.

Nachdem die Verbrennungsprodukte die verfügbare Wärme auf das Wasser in den Kon vektionsabschnittrohren übertragen haben, werden sie nach oben ausgetragen. Die Rohre des Strahlungsabschnitts liefern nun Dampf einer vorgegebenen Qualität, normalerweise 80%, der in Bohrlöcher injiziert wird, um die Sekundärförderung von Erdöl zu unterstützen.

Es gibt viele ungelöste Probleme bezüglich des Dampferzeugers. Wenn beispielsweise der dem Brenner 1 zugeführte Brennstoff Schwefelverbindungen enthält, so werden die nach oben aus dem Konvektionsabschnitt 4 abgegebenen Verbrennungsprodukte diese Verunreinigungen enthalten. Die Entfernung der Schwefelverbindungen und anderer Verunreinigungen wird erforscht und weiterentwickelt. Die vorliegende Erfindung befaßt sich jedoch mit der horizontalen zylindrischen Kammer 2, wo die Strahlungswärme aus dem Verbrennungsvorgang von dem Wasser/Dampf-Fluid absorbiert wird, das durch die in der Kammer montierten Rohre strömt.

Es hat sich als erforderlich erwiesen, die Speiserohre in der Kammer 2 zu unterteilen. Bei der Auslegung des Dampferzeugers nach Fig. 1 wird das Verhältnis der

Gesamtflächen im Konvektionsabschnitt und Strahlungsabschnitt der Heizflächen vorgegeben durch hier oieht weiter interessierende zahlreiche Faktoren. Wenn diese Dampferzeuger über ca. 15MW pro Stunde absorbieren sollen bei einem Wasserdun iisatz von mehr als 27 0001 pro Stunde, sr. zwingen die iConstruktionsparameter der Kammer 2 zu einer Unterteilung der Rohre in eine Mehrzahl von Gruppen, die an einen gemeinsamen Einlaßsammler angeschlossen sind. Dieses ursprüngliche Unterteilungserfordernis führt zu dem Aurwerfen von Problemen, deren Lösung mit der vorliegenden Erfindung angestrebt wird.

Die Speiserohre des Strahlungsabschnittes erstrekken sich in Form gerader paralleler Stränge längs des horizontalen Zylinders, der die Strahlungskammer bildet. Ein Durchmesser für diese Rohre könnte gewählt werden, der zu der gewünschten der Strahlungswärme ausgesetzten Gesamtfläche führen könnte, und das Arbeitsmittel könnte durch die Rohre zwangsweise mit einem Durchsatz geführt werden, der unterhalb der durchbrennsicheren Temperaturgrenzwerte läge. Die Stränge könnten seitlich nebeneinander rings um die Peripherie der Innenwandung der Kammer 2 montiert werden und in einen fortlaufenden Rohrstrang verbunden werden durch geschweißte 180"-Krümmer, die sich über die Enden des Zylinders von Kammer 2 hinaus erstrecken würden. Die Unterteilung der fluidführenden Rohre in Gruppen oder Sätze von Strängen jedoch führt zu einem störenden Problem, wenn die Oberflächen dieser Stränge der Strahlungshitze des Flammen- Jo körpers ausgesetzt werden, der sich in Achsrichtung der Kammer 2 ausbreitet.

Unglücklicherweise erstreckt sich der Flammenkörper des Brenners 1 nicht mit gleichbleibenden Abmessungen im wesentlichen längs der Achse der J5 Kammer Z Der Flammenkörper wird aufrechterhalten durch Verbrennungsluft und Brennstoff, die heftig in den Brenner 1 injiziert werden. Infolgedessen ist der Flammenkörper eine flackernde wabernde Masse von verbrennendem Brennstoff, der Strahlungswärme auf ■*« die Innenwandungen der Kammer 2 mit einer großen Unregelmäßigkeit überträgt Solange die wasser- bzw. dampfführenden Rohrstränge in einen einzigen langen Pfad längs einer Serpentine rings um die Peripherie der Kammer 2 in Zylinderform angeschlossen wären, gäbe die ungleichförmige Übertragung von Strahlungswärme längs der Länge der zahlreichen Stränge nur geringe Probleme. Das Arbeitsmittel, das an einem Ende des Rohres eingespeist würde, gelangte in Wärmeaustausch mit der gesamten Wärme, die vom Flammenkörper ">" abgegeben wird, wenn das Arbeitsmittel längs des einzigen Pfades strömt, der von dem Rohr gebildet wird. Dies ist aber offensichtlich nicht der Fall, wenn das Arbeitsmittelrohr unterteilt ist. Wenn die Unterteilungen der Arbeitsmittelrohre nicht derart auf der ⁵"> Innenwandung des die Kammer 2 bildenden Zylinders angeordnet werden, daß sie gleichförmig der Strahlungswärme ausgesetzt würden, so wurden die verschiedenen Unterteilungen der Leitung nicht gleiche Wassertemperaturen und/oder gleiche Dampfqualitä- ^b0 ten erzeugen. Demgemäß wird mit der vorliegenden Erfindung das Grundproblem der Verteilung der verschiedenen Abschnitte gelöst, in die das Arbeitsmittelrohr unterteilt ist. Die Verteilung relativ zur Strahlungswärme des Flammenkörpers soll Gleichförmigkeit bezüglich Temperatur und/oder Qualität des Arbeitsmittels ergeben, das aus den einzelnen Abschnitten entnehmbar ist.

F i g. 2 zeigt die Strahlurigskammei· 2 des Generators nach Fig. 1 in einer teilgeschnittenen perspektivischen Darstellung. Man erkennt den vom Brenner 1 längs der Achse der zylindrischen Kammer 2 emittierten Flammenkörper 10.

F i g. 3 ist ein Schnitt mittig zwischen den Enden der Kammer 2 und offenbart die Draufsicht auf den Fiammenkörper 10. von dem die Strahlungswärme auf die Innenwandungen der Kammer 2 zu übertragen ist.

Innerhalb der Kammer 2 wird nur wenig Konvektionswärme erzeugt, oder bestenfalls ein relativ kleiner Teil der in der Kammer absorbierten Wärme ist Konvektionswärme. Die von dem Fiammenkörper 10 erzeugten Verbrennungsprodukte werden durch die Öffnung 11 der Endplatte 12 ausgetragen. Diese Verbrennungsprodukte werden nach oben abgelenkt in den Konvektionsabschnitt 4, wo sie abkühlen, wenn sie ihre Wärme auf die im Konvektionsabschnitt angeordneten Rohre übertragen.

Die Anordnung der bei 3 mit Arbeitsmittel versorgten Rohre innerhalb des Konvektionsabschnitts 4 ist nicht dargestellt. Unabhängig von der jeweiligen Anordnung dieser Abschnitte im Konvektionsabschnitt 4 sind ihre Austritte als gemeinsamer Sammler an die Rohre angeschlossen, die auf den Innenwandungen des Abschnitts 2 montiert sind. Die Erfindung befaßt sich mit der Anordnung dieser Arbeitsmittelrohre gemäß F i g. 2 und bezüglich ihrer Montage auf den Innenwandungen des Abschnitts 2.

Nachstehend wird die Anordnung und wechselseitige Verbindung der einzelnen Rohre zu drei RoKrsträngen im Ausführungsbeispiel erläutert.

Unter einem »Strang« soll dabei die Gesamtheit von Rohren verstanden werden, die sämtlich von demselben Arbeitsmittelanteil durchströmt werden, und zwar wechselweise in der einen und der anderen Axialrichtung des Mantels des Zylinders, der von dem Dampferzeugerabschnitt 2 definiert wird. Alle diese Rohre sind nun derart auf dem Zylindermantel verteilt und zusammengeschlossen, daß eine möglichst gleichförmige Absorption der Strahlungswärme von dem Flammenkörper 10 gewährleistet wird.

Um dies zu erreichen, geht man folgendermaßen vor: Zunächst wird das erste Rohr des ersten Satzes auf der Innenwandung verlegt, unmittelbar daneben das zweite Rohr des ersten Satzes, daneben das dritte Rohr des ersten Satzes. Die Rohre dieses ersten Satzes sind in F i g. 2 mit 15 bzw. 16 bzw. 17 bezeichnet. Es folgt dann unmittelbar neben dem dritten Rohr des ersten Satzes das erste Rohr des zweiten Satzes, bezeichnet mit 15' in F i g. 2, dann das zweite Rohr des zweiten Satzes (16'), dann das dritte Rohr des zweiten Satzes (17'). Es geht weiter mit dem ersten Rohr 15" des dritter. Satzes, dem zweiten Rohr 16" des dritten Satzes und dem dritten Rohr 17" des dritten Satzes, und so weiter. Die drei in Serie durchströmten Stränge erhält man dadurch, daß jedes Rohr des ersten Satzes mit dem jeweils gleichbezifferten des zweiten Satzes — also 15 mit 15',

16 mit 16', 17' mit 17' — mittels 180°-Krümmern am Ende des Dampferzeugerabschnitts 2 verbunden wird, am anderen Ende des Dampferzeugers alle Rohre des zweiten Satzes mit den jeweils gleichbezifferten Rohren des dritten Satzes, ebenfalls durch 180°-Krümmer, am ersten Ende wieder die Rohre des dritten mit denen des vierten Satzes verbunden werden, und so weiter. Jeder Strang 15 + 15' + 15" .... 16 + 16' + 16"

17 + 17' + 17" ... umfaßt demgemäß gleichförmig und verschachtelt auf dem Dampferzeugerumfang angeord-

nete Rohre, und das sie durchströmende Arbeitsmittel wird entsprechend gleichförmig erhitzt, und die Qualität des austretenden 8O°/oigen Dampfes ist am Auslaß aller drei Stränge im wesentlichen gleich.

F i g. 3 läßt das Schema der Anordnung der zu jedem _s Strang gehörenden Gruppen nochmals in »Draufsicht« erkennen.

Fig. 2 läßt im übrigen erkennen, daß die 180°-Krümmer nicht nur in der Ebene des U-Bogens gekrümmt sind, sondern auch quer zu dieser, damit Platz für die m ineinandergeschachtelten Krümmer geschaffen wird; da der Radius des U-Bogens relativ groß sein darf, kann man die Krümmer aus dem Rohrmaterial biegen und anschweißen.

Schließlich ist durch die Fig.4 das Steuersystem für ^, den Speisewasserdurchfluß durch die Mehrzahl von Strängen offenbart. Die Stränge 15 ..., 16 .... 17 ... werden von einem gemeinsamen Sammler 18 gespeist. Der Sammler 18 repräsentiert die Rohrauslässe von Abschnitt 4, die gleichförmig ihr aufgeheiztes Arbeitsmittel an die Stränge des Strahlungsabschnitts 2 abgeben.

Die Messung und Steuerung der Wassereinspeisung in die drei Stränge im Strahlungsabschnitt 2 könnte natürlich auch irgendwo in dem System vorgesehen sein. Gemäß Fig.4 wird eine Strömung in jeden Rohrstrang bestimmt durch Blenden 20, 21 und 22. Die Druckdifferenzen über jeder dieser Blenden werden den Steuersystemen 23, 24 bzw. 25 zugeführt. Das Ausgangssteuersignal wird innerhalb jedes der Systeme 23, 24 und 25 erzeugt zum Beaufschlagen der Einstellventile 26, 27 und 28. Demgemäß wird die Strömung durch jeden der drei Stränge in Strahlungskammer 2 durch eine Blende erfaßt. Ein Steuersystem spricht auf das Signal von der Blende an und baut ein Ausgangssteuersignal auf, das angelegt wird an ein Ventil, mittels dem der Durchsatz in dem betreffenden Rohrstrang eingestellt wird, dessen Strömungsdurchsatz erfaßt worden ist. Das Steuersystem kann einen Sollwert vorgeben, um die gewünschte Durchsatzrate vom Sammler 18 aufrechtzuerhalten. Es ist offensichtlich, daß die drei Rohrstränge demgemäß einen Durchsatz aufweisen können, der auf einen gemeinsamen Wert bezogen ist. Das Ergebnis ist ein gleichförmiger Durchsatz von Speisewasser durch die Mehrzahl von Strömungspfaden in Kammer 2.

Der Auslaß der drei Stränge ist mit 30, 31 bzw. 32 bezeichnet. Wenn der Durchsatz des Speisewassers zwischen den Strängen gleich gehalten wird, und ebenso die Strahlungswärme des Brenners 10 gleichförmig vom Speisewasser in den die Stränge bildenden Sätzen von Rohren absorbiert wird, sind die Temperaturen des 80%igen Dampfes an den Auslassen 30, 31 und 32 gleich. Diese Auslässe können demgemäß zusammengeschaltet werden, um den Dampf für die Aufheizung der Formation zu liefern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Dampferzeuger mit einem Gehäuse in Form eines geraden, horizontal angeordneten Zylinders, mit einem an einem Zyünderende angeordneten Brenner, mittels dem eine Flamme längs der Zylinderachse über im wesentlichen die gesamte Zylinderlänge eingespeist wird, mit an eine Speisewasserquelle angeschlossenen Wasser-Dampf-Rohrsträngen eines ersten Satzes von nebeneinanderliegenden Rohren, die längs Mantellinien des Zylinders in. gleichförmigem Umfangsabstand angeordnet sind und in gleicher Richtung durchströmt werden, und mit Wasser-Dampf-Rohrsträngen eines zweiten Satzes von nebeneinanderliegenden Rohren der '⁵ gleichen Anzahl, die mit denen des ersten Satzes in Serie geschaltet und im Gegensirom bezüglich dieser durchströmt werden sowie ebenfalls in gleichförmigem Umfangsabstand längs Mantelünien des Zylinders angeordnet sind, dadurch ge-²⁰ kennzeichnet, daß die einzelnen Rohre des ersten Satzes und des zweiten Satzes an den Zylinderenden jeweils paarweise durch 180°-Krümmer verbunden sind.

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