DE3625062A1 - Dampferzeuger mit nachgeschalteter katalytischer gasreinigung und mit ueberlagertem zwangsumlauf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, insbesondere einen Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger, mit einer Speisewasserpumpe, mit einem Economizer und mit einem rauchgasseitig angeordneten Katalysatorbett zur Stickoxid-Minderung, sowie mit einem dem Economizer nachgeschalteten Verdampfer, mit einem Überhitzer, mit einem in einer Speisewasserleitung angeordneten, von der vor dem Katalysatorbett vorliegenden Rauchgastemperatur angesteuerten Drei-Wege-Regelventil, von dem eine Abzweigleitung zum Verdampfer führt, mit mindestens einer Abscheideflasche und mit mindestens einem Regelventil.

Wird einem Dampferzeuger eine katalytische Rauchgasreinigungsanlage zur Stickoxid-Minderung nachgeschaltet, dann ist zu beachten, daß die optimale Wirksamkeit des zur NO _X -Reduzierung eingesetzten Katalysators auf einen bestimmten Temperaturbereich, beispielsweise auf einen Bereich zwischen 320 und 400°C, beschränkt ist. Die Einhaltung dieses Temperaturbereiches bringt insbesondere im Schwachlastbetrieb des Dampferzeugers Probleme. Um ein Umterschreiten des genannten Temperaturbereiches zu verhindern, sind verschiedene Lösungsvorschläge gemacht worden.

Aus der DE-PS 33 44 712 ist bekannt, in einem Dampferzeuger der eingangs beschriebenen Gattung die Rauchgastemperatur- Einstellung vor einer katalytischen Gasreinigungsanlage bei Schwachlastbetrieb mittels einer Abzweigleitung (Economizer-Bypass) vorzunehmen. Hierbei wird ein Speisewasserstrom vor einem Economizer mittels eines Drei- Wege-Ventils geteilt. Ein Teilstrom durchströmt den Economizer, der andere wird in der Abzweigleitung am Economizer vorbeigeführt und mit dem aus dem Economizer austretenden Teilstrom vor einem Verdampfer wieder vereinigt. Da die Rauchgastemperatur vor der katalytischen Gasreinigungsanlage auf die Regelung des Drei-Wege-Ventils wirkt, wird bei fallender Rauchgastemperatur der durch den Economizer geführte Speisewasser-Teilstrom und damit die Strömungsgeschwindigkeit im Economizer kleiner. Bei gleichbleibendem Wärmestromangebot wird der Speisewasser-Teilstrom höher aufgewärmt, wodurch es teilweise im Economizer zur Dampfbildung kommt.

Zur Vermeidung örtlicher Überhitzungen und damit von Zerstörungen in den Heizflächen des Verdampfers ist aus der DE-PS 33 44 712 auch bekannt, an der Mischstelle von Economizer-Bypass-Strom und von im Economizer aufgewärmtem Speisewasser-Teilstrom, die funktionsmäßig einer Abscheideflasche entspricht, den Dampf über eine regelbare Dampfleitung unmittelbar einem dem Verdampfer nachgeschalteten Überhitzer zuzuführen.

Nachteilig dabei ist, daß infolge der durch die Dampfbildung veränderten Bedingungen für den Wärmeaustausch im Economizer die Rauchgastemperaturregelung für einen optimalen Katalysatorbetrieb sehr erschwert ist. Ein weiterer Nachteil ist der apparative Mehraufwand hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung der Mischstelle.

Denn es ist auch bekannt, daß für Dampferzeuger, insbesondere für Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger, für den An- und Abfahr-, sowie Schwachlastbetrieb je nach Häufigkeit und Dauer des Betriebsfalles auf der Wasser- bzw. Dampfseite verschiedene bewährte Schaltsysteme existieren.

Gemäß der Firmenpublikation der Kraftwerkunion (KWU) "Bensonkessel - Anfahr- und Schwachlastsysteme" aus 4/1974, Bl. 2.1-1, Bl. 2.1-2 und Bild 3.2-1 kann für Benson-Kessel, die beispielsweise einen großen Teil ihrer Betriebszeit mit extrem kleinen Lasten betrieben werden, vorzugsweise ein Betriebssystem mit einer Umwälzpumpe gewählt werden. Danach wird im Schwachlastbetrieb ein aus einem Verdampfer austretendes Wasser-Dampf-Gemisch in einem Abscheider mit angeschlossenem Sammelgefäß oder in einer Abscheideflasche getrennt. Während der Dampfanteil einem der Abscheideflasche nachgeschalteten Überhitzer zugeführt wird, sammelt sich der Wasseranteil im unteren Gefäßteil der Abscheideflasche und wird von dort über eine Umwälzleitung mittels einer Umwälzpumpe einem Speisewasserstrom vor Eintritt in den Economizer zugemischt. Ein in der Umwälzleitung befindliches Umwälz- Regelventil regelt den Wasserstand in der Abscheideflasche. Hierbei entsteht ein Zwangsumlauf, durch den im Verdampfer aus Gründen der Strömungsstabilität und der ausreichenden Wärmeabfuhr ein Mindestdurchfluß aufrecht erhalten wird.

Bei Anhebung der Last wird, sobald erzeugte Dampfmenge dem Verdampfermindestdurchfluß entspricht, durch Außerbetriebnahme der Umwälzregelung und der Umwälzpumpe vom Umwälzbetrieb auf Durchlaufbetrieb (Benson-Betrieb) umgeschaltet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem eingangs beschriebenen Dampferzeuger die wasser-/ dampfseitige Schaltung von Economizer, Verdampfer, Abscheideflasche, Überhitzer mit geringstem apparativem Aufwand so zu verbessern, daß eine problemlose Temperatureinstellung für das in das Katalysatorbett eintretende Rauchgas auch im Schwachlastbetrieb des Dampferzeugers sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruches gelöst.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt sich zwar im Prinzip an jeder Dampferzeuger-Anlage ausführen. Besonders sinnvoll ist ihre Anwendung, wenn der Dampferzeuger, insbesondere ein Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger in der Art eines Benson-Kessels bereits mit einer Umwälzpumpe und mit einem Regelventil in einer Umwälzleitung für den An- und Abfahr-, sowie den Schwachlastbetrieb ausgerüstet ist. Durch die Installation einer regelbaren Rückführleitung wird im Schwachlastbetrieb der vorhandene Zwangsumlauf von einem weiteren überlagert, durch den der Economizer zur Unterbindung einer Dampfbildung mit einem bestimmten Mindestdurchfluß beaufschlagt wird. Gleichzeitig wird die Temperatur des Speisewassers vor Eintritt in den Economizer angehoben und ermöglicht so in Verbindung mit der Drei- Wege-Ventil-Regelung für den Economizer-Bypass eine problemlose Rauchgastemperaturregelung. Zwar wird mit fallender Last und mit nahezu konstantem Durchfluß im Economizer die Aufwärmung des Speisewassers bei verschwindendem Temperaturprofil immer kleiner; ein Abstand von wenigen Graden, beispielsweise 3°C, zur Siedetemperatur ist aber ausreichend, um keine Dampfbildung im Economizer zu erhalten.

Aufgrund des Mindestdurchflusses im Economizer bleibt auch die Rauchgastemperaturregelung bei Ausfall beispielsweise eines HD-Vorwärmers unbeeinflußt, da in diesem Falle der Economizer-Bypass-Strom erhöht wird.

Als weiterer Vorteil des Zwangsumlaufes ergibt sich, daß der Mindestdruck zur Dampfbildung im Economizer aufgrund einer niederen Wassertemperatur am Austritt des Economizers um ca. 15 bis 20 bar erniedrigt ist. In der Folge brauchen die Ventile der dem Dampferzeuger zugeschalteten Dampfturbine bei reinem Gleitdruck nicht so stark gedrosselt werden.

Bei Anhebung des Lastbetriebes von einem Umlauf- in einen Durchlaufbetrieb (Benson-Betrieb) kann so der "überlagerte" Zwangsumlauf aufgrund der meist reichlich bemessenen Druckhöhe der Umwälzpumpe auch dann noch aufrecht erhalten werden, wenn bereits durch den Verdampferbetrieb ein Durchlaufbetrieb vorliegt. Dieser Betriebszustand findet seine Grenze in der Leistung der Umwälzpumpe, die meist bis zu einer Dampferzeuger-Betriebslast von 50% reicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung die Schaltung eines Zwangsdurchlauf-Dampferzeugers mit einer Umwälzpumpe für den An- und Abfahr-, sowie für den Schwachlastbetrieb.

In einen Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger sind dem Rauchgasstrom folgend nacheinander eine Brennkammer (1), ein Verdampfer (2), ein Überhitzer (3), ein Economizer (4) und ein Katalysatorbett (5) zur Stickoxid-Rauschgasreinigung mit nachfolgendem, nicht dargestelltem Luftvorwärmer, E-Filter und Rauchgaskamin angeordnet.

Wasser-/dampfseitig wird dem Economizer (4) mittels einer Speisewasserpumpe (6) über eine Leitung (7) ein über einer Meßblende (8) eingestellter Speisewasserstrom ( _Sp ) bereitgestellt, der an einem Drei-Wege-Ventil (9) in zwei Teilströme ( _B ) und ( _Eco ) aufgeteilt wird. Die Stellung des Drei-Wege-Ventils (9) hängt von der Temperatur des Rauchgases nach dem Economizer (4) bzw. von dem Katalysatorbett (5) ab, wobei mit sinkender Kessellast der Teilstrom ( _B ) gegenüber dem Teilstrom ( _Eco ) erhöht wird. Dieser eine bei sinkender Kessellast größer werdende und an einer Meßblende (10) bestimmte Teilstrom ( _B ) wird über eine Abzweigleitung (Economizer-Bypass) (11) einem Wasserteilstrom in einer Leitung (12) vor Eintritt in den Verdampfer (2) wieder zugemischt. Dem Verdampfer (2) strömt in einer Leitung (13) ein Wasserstrom ( _Verd ) zu. Das aus dem Verdampfer (2) im Schwachlastbetrieb austretende Wasser-Dampf-Gemisch gelangt über eine Leitung (14) zu einer Abscheideflasche (15), in der der Dampf vom Wasser in einem Abscheideteil getrennt, der Dampf über eine Leitung (16) zu dem Überhitzer (3) abgeführt und das Wasser im unteren Teil der Abscheideflasche (15) gesammelt wird.

Der andere an einer Meßblende (17) ermittelte Teilstrom ( _Eco ) wird dem Economizer (4) über eine Leitung (18) zugeführt, in die kurz vor Eintritt in den Economizer (4) eine Leitung (19) mündet, die mit einer Umwälzpumpe (20) und mit einem Umwälz-Regelventil (21) ausgestattet ist, und über die dem Teilstrom ( _Eco ) ein aus der Abscheideflasche (15) stammender, an einer Meßblende (22) bestimmter Umwälz-Wasserstrom ( _U ) zugemischt wird.

Von dem den Economizer (4) verlassenden Wasserstrom wird ein Teilstrom ( _R ) abgezweigt und über eine mit einem Regelventil (23) und mit einer Meßblende (24) ausgestattete Rückführleitung (25) der Abscheideflasche (15) zugeführt. Der andere aus dem Economizer (4) austretende Teilstrom wird mit dem über die Abzweigleitung (11) geführte Speisewasser-Teilstrom ( _B ) zum Wasserstrom ( _Verd ) zugemischt.

Entsprechend dieser Schaltanordnung wird bei Teillast des Dampferzeugers im Umwälzbetrieb der vom Economizer (4), über Verdampfer (2), Abscheideflasche (15), Umwälzpumpe (20) nach dem Economizer (4) errichtete Zwangsumlauf von einem weiteren, vom Economizer (4) nach der Abscheideflasche (15), der Umwälzpumpe (20) und wieder zum Economizer (4) geführten Wasserumlauf überlagert. Im Durchlaufbetrieb bleibt nur der vom Economizer (4) nach der Abscheideflasche (15), der Umwälzpumpe (20) und wieder zum Economizer (4) errichtete Zwangsdurchlauf aufrecht erhalten, solange bis die Umwälzpumpe (20) nach Erreichen ihrer Leistungsgrenze außer Betrieb genommen wird und nunmehr reiner Durchlaufbetrieb in der Dampferzeuger-Anlage vorliegt.

Die Einstellung der Regelventile (21) und (23) hängt vom Betriebsfall ab, wobei

_Eco-min = _Eco + _U und _Eco-min

der Mindestdurchfluß im Economizer ist. Im Umwälzbetrieb wird das Regelventil (23) in der Rückführleitung (25) so eingestellt, daß der Mengenstrom ( _R ) dem Mengenstrom ( _B ) in der Abzweigleitung (11) entspricht. Die Stellung des Umwälz-Regelventils (21) dagegen erfolgt derart, daß der Umwälzstrom ( _U ) hierbei um den By-pass-Strom _B größer ist.

Im Durchlaufbetrieb mit überlagertem Zwangsdurchlauf werden die Regelventile (21) und (23) so eingestellt, daß der Umwälzstrom ( _U ) dem Mengenstrom ( _R ) in der Rückführleitung (25) entspricht.

Der erfindungsgemäße Vorschlag läßt sich, bezogen auf dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel anhand des in den beiden vergleichbaren Tabellen aufgestellten Zahlenmaterials veranschaulichen. Diese beiden Tabellen beziehen sich auf einen Dampferzeuger-Lastbetrieb von 35% (Schwachlast), wobei die jeweiligen Zahlenwerte aus einem Umwälzbetrieb und einem Durchlaufbetrieb (Benson-Betrieb) gegenübergestellt sind.

Die in Tabelle 1 wiedergegebenen Zahlenwerte beziehen sich auf einen Schwachlastbetrieb mit einer Economizer-Abzweigleitung und ohne Rückführleitung, jene in Tabelle 2 auf einen Betrieb mit einer Economizer-Abzweigleitung und mit Rückführleitung.

Eine Gegenüberstellung der beiden Tabellen ergibt, daß bei jeweils gleichen Temperaturen des Hochdruckdampfes, das Rauchgas vor und nach dem Economizer durch Anhebung des Durchflusses im Economizer auf _Eco-min =35% die Wassertemperatur vor dem Economizer von 208°C (Tab. 1) auf 303°C bzw. 264°C (Tab. 2) angehoben wird, während die Wassertemperatur nach dem Economizer von 320°C bzw. 304°C (Tab. 1) auf 309°C bzw. 287°C (Tab. 2) abnimmt. Dabei vermindert sich auch der Siededruck im Economizer von 113 bzw. 92 bar (Tab. 1) auf 97 bzw. 73 bar (Tab. 2).

Tabelle 1

Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger mit Economizer-Bypass-Leitung

Tabelle 2

Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger mit Economizer-Bypass-Leitung und überlagertem Zwangsumlauf

Claims (2)

1. Dampferzeuger, insbesondere Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger,

   • - mit einer Speisewasserpumpe,
   • - mit einem Economizer,
   • - mit einem rauchgasseitig angeordneten Katalysatorbett zur Stickoxid-Minderung, sowie
   • - mit einem dem Economizer nachgeschalteten Verdampfer,
   • - mit einem Überhitzer,
   • - mit einem in einer Speisewasserleitung angeordneten, von der vor dem Katalysatorbett vorliegenden Rauchgastemperatur angesteuerten Drei-Wege-Regelventil, von dem eine Abzweigleitung zum Verdampfer führt,
   • - mit mindestens einer Abscheideflasche und
   • - mit mindestens einem Regelventil,
2. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Economizer (4) und dem Verdampfer (2) eine mit einem Regelventil (23) ausgestattete Rückführleitung (25) zu der zwischen Verdampfer (2) und Überhitzer (3) angeordneten Abscheideflasche (15) abzweigt, von der eine mit einer Umwälzpumpe (20) und mit einem Umwälz-Regelventil (21) ausgestattete Umwälz-Leitung (19) in die zwischen dem Drei-Wege-Regelventil (9) und dem Economizer (4) befindliche Speisewasserleitung (18) mündet.