DE4126631A1 - Gasbeheizter abhitzedampferzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft gasbeheizte Abhitzedampferzeuger mit einem Umlauf-Dampferzeuger in einer Niederdruckstufe und mit je einem Benson-Verdampfer in einer Mitteldruck- und in einer Hoch­ druckstufe. Dabei sind die Verdampfer im Gleichstrom und alle anderen Wärmetauscher im Gegenstrom zum heizenden Gasstrom geführt. Ein derartiger gasbeheizter Abhitzedampferzeuger ist durch die PCT/DE 89/00081 bekannt geworden.

Durch einen Aufsatz "Zwangdurchlauf-Dampferzeuger im Abgas­ system einer Gasturbine", veröffentlicht in der Zeitschrift EVT-Register 45/86 auf den Seiten 59 bis 63, ist auch schon die Auslegung und der Betrieb von Abhitzedampferzeugern hinter Gasturbinen bekannt. In Einzelrohren von bei dieser Anordnung eingesetzten Parallelrohrsystemen treten bei ungünstigen Ver­ hältnissen Instabilitäten in der Strömung auf der Wasser-Dampf- Seite auf. Diese Instabilitäten sind bei der bekannten Anordnung durch wasserseitig eingebaute Drosseln unterdrückt. Diese Drosseln erhöhen jedoch in unerwünschter Weise eine für die Wassereinspeisung erforderliche Pumpenleistung. Außerdem neigen diese Drosseln zum Verstopfen mit der Folge sinkender Wärmeleistung der zugehörigen Einzelrohre und einer Erhöhung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Rohrreißern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gasbeheizten Abhitzedampferzeuger zu schaffen, dessen wasser­ seitig parallel geschaltete Einzelrohre in einem überwiegend konvektiv beheizten Verdampfer von annähernd gleich großen Wassermengen durchströmt werden, so daß in den Einzelrohren auch annähernd gleich große Wärmemengen umgesetzt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Benson-Verdampfer der Hochdruckstufe aus zwei je für sich im Gleichstrom mit dem Gasstrom geführten Teilen besteht und daß die in diesen Teilen umgesetzten Wärmemengen zueinander im Verhältnis 7 : 3 bis 7 : 1 stehen und daß der vom Wasser- Dampf-Gemisch zuerst durchströmte Teil im Gasstrom gegenüber dem zweiten Teil stromab liegt.

Gemäß zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung liegt die Eintrittstemperatur des Wassers in den ersten Teil des Hoch­ druckverdampfers deutlich unterhalb und die Austrittstempera­ tur des erzeugten Wasserdampfes bei Verlassen des zweiten Teils des Hochdruckverdampfers deutlich oberhalb der Siede­ temperatur und bleibt die Wärmemengenaufteilung auf die beiden Teile des Hochdruckverdampfers auch bei Momentanlasten von 40% bis 150% der Nennlast zwischen 7 : 3 und 10 : 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß sich die in der Niederdruckstufe, der Mitteldruckstufe und der Hochdruckstufe erzeugten Dampfmengen zueinander etwa verhalten wie 1 : 3 10 und daß jeder der beiden Teile des Hochdruck- Verdampfers aus einer Vielzahl von wasserseitig parallel ge­ schalteten Rohren aufgebaut ist. Darüber hinaus ist es häufig zweckmäßig, zwischen den beiden Teilen des Hochdruck-Verdamp­ fers sowie am Eingang des ersten Teils und am Ausgang des zweiten Teils des Hochdruck-Verdampfers eine Druckausgleichs­ trommel vorzusehen.

Erfindungsgemäß aufgebaute gasbeheizte Abhitzedampferzeuger sind sehr vorteilhaft, weil praktisch keine zu Regelungszwecken erhöhten Druckverluste, beispielsweise infolge eines Einsatzes von Drosseln, auftreten und trotzdem maximal mögliche Wärmemen­ gen sicher übertragen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen als Abhitzedampferzeuger gestalteten Teil eines Abgaskanals und

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt hieraus in größerem Maßstab.

Einander entsprechende Bauteile sind in beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In einen Abgaskanal 1 sind Wärmetauscher eines Abhitzedampf­ erzeugers eingebaut. Der Abgaskanal 1 wird von unten nach oben von heißem Abgas 2 durchströmt. Als Abgas 2 dient beispiels­ weise aus einer Gasturbine zu einem Kamin strömendes entspanntes noch heißes Arbeitsgas oder in einem geschlossenen Kreis jeweils in einem Hochtemperaturreaktor aufgeheiztes Gas. Die Temperatur des Abgases 2 liegt am unteren Ende des Abhitze­ dampferzeugers beispielsweise über 750 K und am oberen Ende beispielsweise unter 400 K.

In den Abgaskanal 1 sind als Wärmetauscher von oben nach unten aufeinander folgend eingebaut ein Kondensatvorwärmer KVW, ein Niederdruck-Verdampfer ND VD, ein erster Hochdruck-Economizer HD ECO 1, ein Niederdruck-Überhitzer NDÜ, ein Mitteldruck-Ver­ dampfer MDVD, ein zweiter Hochdruck-Economizer HD ECO 2, ein Mitteldruck-Überhitzer MDÜ, ein erster Teil HDVD 1 eines Hoch­ druck-Verdampfers, ein zweiter Teil HDVD 2 des Hochdruck-Ver­ dampfers, ein Zwischendruck-Überhitzer (ZDÜ) sowie ein Hoch­ druck-Überhitzer (HDÜ). Dabei liegen der Hochdruck-Econo­ mizer HD ECO 2 und der Mitteldruck-Überhitzer MDÜ im Abgas­ kanal 1 nebeneinander auf dem gleichen Temperaturhorizont. Entsprechendes gilt für einen anderen Temperaturhorizont, für den Zwischendruck-Überhitzer ZÜ und den Hochdruck-Überhitzer HDÜ.

Die Wärmetauscher werden in Richtung von kleinen in sie einge­ zeichneten Pfeilen 3 von Wasser bzw. Wasserdampf eines Wasser- Dampf-Kreislaufs durchströmt. Demzufolge ist die Strömungs­ richtung des Wasser-Dampf-Kreises im Kondensatvorwärmer KVW im Hochdruck-Economizer HD ECO 1 und 2, im Niederdruck-Überhitzer NDÜ, im Mitteldruck-Überhitzer MDÜ, im Zwischendruck-Überhitzer ZÜ sowie im Hochdruck-Überhitzer HDÜ der Strömungsrichtung des Abgases 2 entgegengerichtet. Dagegen sind die Strömungs­ richtung des Abgases 2 und des Wassers bzw. des Dampfes im Niederdruck-Verdampfer ND VD, im Mitteldruck-Verdampfer MD VD sowie in den beiden Teilen des Hochdruck-Verdampfers HD VD 1 und 2 gleichgerichtet.

Durch teilweise außerhalb des Abgaskanals 1 angeordnete Verbindungsleitungen sind die einzelnen Wärmetauscher mitein­ ander verknüpft. Dabei liegt zwischen dem Niederdruck-Verdamp­ fer ND VD und dem Niederdruck-Überhitzer NDÜ die Verbindungs­ leitung 4, zwischen dem Hochdruck-Economizer HD ECO 1 und dem Hochdruck-Economizer HD ECO 2 die Verbindungsleitung 5, zwischen dem Hochdruck-Economizer HD ECO 1 und dem Mitteldruck- Verdampfer MD VD die Verbindungsleitung 6, zwischen dem Mittel­ druck-Verdampfer MD VD und dem Mitteldruck-Überhitzer MDÜ die Verbindungsleitung 7, zwischen dem Mitteldruck-Überhitzer MDÜ und dem Zwischendruck-Überhitzer ZDÜ die Verbindungsleitung 8, zwischen dem Hochdruck-Economizer HD ECO 2 und dem Hochdruck­ verdampfer HD VD 1 die Verbindungsleitung 9, zwischen dem Hoch­ druck-Verdampfer HD VD 1 und dem Hochdruckverdampfer HD VD 2 die Verbindungsleitung 10 sowie zwischen dem Hochdruck Verdamp­ fer HD VD 2 und dem Hochdruck-Überhitzer HDÜ die Verbindungs­ leitung 11. In die Verbindungsleitung 6 ist ein Ventil 12 und in die Verbindungsleitung 9 ist ein Ventil 13 eingeschaltet. Das Ventil 12 dient auch zur Reduktion des Drucks auf den für den Mitteldruckteil vorgesehenen Druckwert. Die im Niederdruck- Verdampfer ND VD erzeugte Dampfmenge verhält sich zu der im Mitteldruck-Verdampfer ND VD und zu der im Hochdruck-Verdampfer HD VD 1 und 2 erzeugten Dampfmenge etwa wie 1 : 3 : 10.

Die einzelnen Wärmetauscher sind zur Erzielung erforderlicher Wärmeübertragungsflächen jeweils aus einer Vielzahl, beispiels­ weise aus mehr als 1000, untereinander parallel geschalteten Einzelrohren zusammengesetzt. Dies gilt vor allem für den als Benson-Verdampfer ausgeführten Hochdruck-Verdampfer aus den beiden Teilen HD VD 1 und HD VD 2.

Beim Einsatz von Abhitzedampferzeugern im Abgasstrom von Gas­ turbinen oder im Kühlmittelstrom von Hochtemperatur-Kernreakto­ ren treten in einteilig ausgeführten Hochdruckverdampfern mit­ unter im Verhältnis der Einzelrohre zueinander indifferente Strömungsverhältnisse auf. Überraschend hat sich nun gezeigt, daß bei einer Teilung des Hochdruckverdampfers HD VD in zwei Teile HD VD 1 und HD VD 2 im Verhältnis 7 : 1 bis 10: 1 oder umgekehrt die Strömungsverhältnisse stabil bleiben, wenn der Hochdruckverdampfer HD VD 2 im Abgasstrom 2 vor dem Hochdruck­ verdampfer HD VD 1 liegt. Diese stabilen Strömungsverhältnisse bleiben auch beim Teillastbetrieb bis unter 40% der Nennlast und bei Überlastbetrieb bis zu 150% der Nennlast erhalten.

Dieses strömungstechnische Verhalten der Hochdruck-Verdampfer­ teile HD VD 1 und HD VD 2 wird noch zusätzlich gestützt durch die Anordnung eines nicht dargestellten Eintrittssammlers 14 am Eingang des Hochdruckverdampfers HD VD 1 und eines Aus­ trittssammlers 15 am Ausgang des Hochdruckverdampfers HD VD 2. Der Eintrittssammler 14 und der Austrittssammler 15 dienen gleichzeitig als Druckausgleichstrommel und gewährleisten, daß die Eintrittstemperatur des Wassers in den Hochdruck-Verdampfer HD VD 1 deutlich unterhalb und die Austrittstemperatur des den Hochdruck-Verdampfer HD VD 2 verlassenden Wasserdampfes deut­ lich über der Siedetemperatur bei dem betriebsmäßig vorgesehe­ nen Hochdruck liegen. In Ausnahmefällen kann es auch zweck­ mäßig sein, zwischen den beiden Teilen HD VD 1 und HD VD 2 des Hochdruck-Verdampfers eine Druckausgleichstrommel vorzusehen.

Die erfindungsgemäße Aufteilung des Hochdruckverdampfers in die Teile HDVD 1 und HDVD 2 ist nicht auf die Anwendung in Abhitzedampferzeugern beschränkt, sondern bei entsprechenden Druck-, Temperatur- und Mengenverhältnissen auch in beliebi­ gen anderen Dampferzeugern anwendbar.

Claims (7)

1. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger mit einem Umlaufdampf­ erzeuger (ND VD) in einer Niederdruckstufe (NDÜ) und mit je einem Bensonverdampfer in einer Mitteldruck- (MD VD, MDÜ) und in einer Hochdruckstufe (HD VD, HDÜ), wobei die Verdampfer (VD) im Gleichstrom und alle anderen Wärmetauscher im Gegen­ strom zum heizenden Gasstrom (2) geführt sind, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Bensonverdampfer der Hochdruckstufe aus zwei je für sich im Gleichstrom mit dem Gasstrom (2) geführten Teilen (HD VD 1 und HD VD 2) besteht,
• - daß die in diesen Teilen (HD VD 1 und HD VD 2) umgesetzten Wärmemengen zueinander im Verhältnis 7 : 3 bis 10 : 1 stehen und
• - daß der vom Wasser-Dampf-Gemisch zuerst durchströmte Teil (HD VD 1) im Gasstrom (2) gegenüber dem zweiten Teil (HD VD 2) stromab liegt.

2. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ trittstemperatur des Wassers in den ersten Teil (HD VD 1) des Hochdruck-Verdampfers deutlich unterhalb und die Austritts­ temperatur des erzeugten Wasserdampfes beim Verlassen des zweiten Teils (HD VD 2) des Hochdruck-Verdampfers deutlich oberhalb der Siedetemperatur bei dem betriebsmäßigen Hochdruck liegt.

3. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach Anspruch 1, (?) dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme­ mengenaufteilung auf die beiden Teile (HD VD 1 und HD VD 2) des Hochdruck-Verdampfers auch bei Momentanlasten von 40% bis 150% der Nennlast zwischen 7 : 3 und 10 : 1 liegt.

4. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach einem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die in der Niederdruckstufe (ND VD, NDÜ), der Mitteldruck­ stufe (MD VD, MDÜ) und der Hochdruckstufe (HD VD 1 und HD VD 2, HDÜ) erzeugten Dampfmengen zueinander verhalten wie 1 : 3 : 10.

5. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Teile des Hochdruck-Verdampfers (HD VD 1 und HD VD 2) aus einer Vielzahl von wasserseitig parallel geschal­ teten Rohren besteht.

6. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Hochdruck-Verdampferteils (HD VD 1) und am Ausgang des Hochdruck-Verdampferteils (HD VD 2) ein Eintritts­ sammler (14) bzw. ein Austrittssammler (15) als Druckausgleichs­ trommel vorgesehen sind.

7. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auch zwischen den beiden Teilen des Hochdruck-Verdampfers (HD VD 1 und HD VD 2) eine Druckausgleichstrommel liegt.