DE4142376A1

DE4142376A1 - Fossil befeuerter durchlaufdampferzeuger

Info

Publication number: DE4142376A1
Application number: DE4142376A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Kastner; Wolfgang Dr Ing Koehler; Eberhard Dipl Ing Wittchow
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-12-20
Filing date: 1991-12-20
Publication date: 1993-06-24
Also published as: JPH07502333A; RU2091664C1; EP0617778B1; ES2077442T3; US5735236A; DE59203702D1; KR940703983A; EP0617778A1; CN1040146C; CN1075789A; JP3241382B2; WO1993013356A1; KR100260468B1; CA2126230A1

Description

Bei mit fossilen Brennstoffen befeuerten Durchlaufdampf erzeugern mit senkrecht berohrten Brennkammerwänden weisen die Rohre am Austritt der Brennkammerwände häufig große Temperatur unterschiede auf, da an die einzelnen Rohre des Parallelrohr systems unterschiedlich viel Wärme übertragen wird. Die Ur sachen der unterschiedlich übertragenen Wärme liegen an dem unterschiedlichen Wärmestromdichteprofil - so wird z. B. in den Brennkammerecken weniger Wärme übertragen als in der Nähe der Brenner - und in den Differenzen der beheizten Rohrlängen, insbesondere im Trichterbereich, bei für Kohlefeuerung dimen sionierten Durchlaufdampferzeugern.

Zur Minderung dieser Temperaturunterschiede an den Rohrenden ist aus einer Veröffentlichung in der VGB Kraftwerkstechnik 64, Heft 4, Seiten 298 und 299 eine Lösung mit Drosselblenden und einem Druckausgleichssammler bekannt. Hiernach erhalten die einzelnen Rohre Drosselblenden am Eintritt, um den Wasser/ Dampfdurchsatz einzelner Rohre den Beheizungs- und Längenunter schieden anzupassen. Nachteile dieser Lösung sind, daß die Drosseln am Rohreintritt nur für einen einzigen Betriebsfall ausgelegt werden können, wechselnde Verschmutzungen der Brenn kammerwände jedoch eine überproportionale Temperaturabweichung einzelner Rohre zur Folge haben können.

Außerdem wird im Naßdampfgebiet - also an einer Stelle, wo alle Rohre noch die gleiche Temperatur haben, aber Naßdampf unterschiedlichen Dampfgehaltes führen - bei einem mittleren Dampfgehalt von 80% bei 35% Kessellast ein sogenannter Druck ausgleichssammler angeordnet, durch den der gesamte Verdampfer massenstrom durchgesetzt wird, um eine Mischung des aus den Einzelrohren des Parallelrohrsystems austretenden Naßdampfes zu erzwingen.

In dem Durckausgleichssammler kann eine Entmischung des eintretenden Naßdampfes derart erfolgen, daß einzelne abgehen de Rohre bevorzugt Wasser und andere wiederum bevorzugt Dampf erhalten. Die Folge ist, daß dann auch bei gleichmäßiger Be heizung der Rohrwände oberhalb des Druckausgleichssammlers eine stark unterschiedliche Erwärmung des Dampfes und damit unter schiedliche Rohrwandtemperaturen sowie daraus resultierende Wärmespannungen auftreten, die zu Rohrreißern führen können.

Die Massenstromdichte in den senkrecht angeordneten Verdampfer rohren wird erfindungsgemäß so gewählt, daß der geodätische Druckabfall in den Rohren wesenlich größer ist als der Rei bungsdruckabfall. Dies bewirkt, daß der Durchsatz durch ein Rohr bei einer Mehrbeheizung gegenüber anderen Parallelrohren ansteigt und dadurch die Mehrbeheizung im Hinblick auf die Austrittstemperatur zum größten Teil kompensiert wird. Bei sehr langen senkrechten Verdampferrohren, wie sie z. B. bei Durchlaufdampferzeugern in Einzug-Bauart verwendet werden, kann trotz einer Massenstromdichte von 1000 kg/m²s und weniger, bezogen auf 100% Last, der Reibungsdruckabfall im Verhältnis zum geodätischen Druckabfall so groß werden, daß der Durchsatz durch ein mehrbeheiztes Rohr gegenüber den Parallelrohren zurückgeht und dadurch unerwünscht hohe Dampftemperaturen am Rohrende entstehen.

Gemäß der Erfindung ist ein Druckausgleichsgefäß an der Außen seite der Brennkammerwände in einer Höhenlage angeordnet, bei der sichergestellt ist, daß ein mehrbeheiztes Rohr einen größeren Durchsatz gegenüber einem Parallelrohr mit mittlerer Beheizung aufweist. Dies ist im allgemeinen der Fall, wenn der geodätische Druckabfall eines Rohres mit mittlerer Beheizung ein Mehrfaches seines Reibungsdruckabfalls beträgt. Die genann ten Druckabfälle beziehen sich auf den Teil der Verdampfer rohre, der sich zwischen dem am Eintritt in den Verdampfer liegenden Sammler und dem genannten stromabwärts liegenden Druckausgleichsgefäß befindet. Die Bedingung für einen Massen stromanstieg in einem stärker beheizten Rohr lautet:

das heißt, daß der gesamte Druckabfall (Δp_Ges) des betrachteten Rohrabschnittes bei einer Mehrbeheizung (Δ) abnehmen muß, wenn man den Durchsatz () konstant hält. Für innen berippte Rohre ist der Reibungsdruckabfall (Δ_PR) nach [1] (siehe weiter unten) zu bestimmen, während für den geodätischen Druckabfall (Δ_PG) die in [2] (siehe weiter unten) angegebene Gleichung zu verwenden ist. Der Beschleunigungsdruck (Δ_PB) ist demgegenüber von untergeordneter Bedeutung und kann bei dieser Berechnung vernachlässigt werden. Erfindungsgemäß soll jedoch der Massenstrom in einem Rohr mit Mehrbeheizung nicht konstant bleiben, sondern ansteigen (Δ<0). Dies ist in einem Parallelrohrsystem dann der Fall, wenn Gleichung (1) erfüllt ist. Somit gilt für das mehrbeheizte Rohr

Gleichung (2) sagt noch nichts über die Höhe des Massenstrom anstiegs aus. Erwünscht wäre ein Anstieg, der die Mehrbeheizung vollständig kompensiert. In diesem Fall würde auch im Rohr mit stärkerer Beheizung die gleiche Aufheizspanne, d. h. die gleiche Enthalpie-Erhöhung wie in den Rohren mit mittlerer Beheizung vorliegen, was zu einer sehr starken Verminderung der beschrie benen Temperaturdifferenz bis auf Null führen würde. Die Bedingung hierfür lautet:

Der Index Ref bezieht sich auf ein Referenzrohr, das den mittleren Durchsatz und die mittlere Wärmeaufnahme aufweist.

In der Praxis wird es nicht immer möglich sein, die in Gleichung (3) aufgeführte Bedingung zu erfüllen. Die Höhenlage des Druck ausgleichsgefäßes, also die Einschaltung des Druckausgleichs gefäßes in das Parallelrohrsystem der senkrecht angeordneten, mindestens auf einem Teil ihrer Länge innenberippten, Rohre, wird deshalb so gewählt, daß eine der folgenden Bedingungen zutrifft:

[1] Q. Zheng, W. Köhler, W. Kastner und K. Riedle
Druckverlust in glatten und innenberippten Verdampferrohren, Wärme- und Stoffübertragung 26, S. 323-330, Springer-Verlag 1991.
[2] Z. Rouhani
Modified correlation for void-fraction and two-phase pressure drop, AE-RTV-841, 1969.

Da bei dieser strömungstechnischen Auslegung alle Parallel rohre bei unterschiedlicher Beheizung zwar unterschiedliche Durchsätze, jedoch annähernd gleiche Dampfgehalte (bei Naß dampf) bzw. Temperaturen (bei überhitztem Dampf) aufweisen, ist eine Mischung in einem Druckausgleichssammler nicht erforderlich. Es ist deshalb nur ein Druckausgleichsgefäß vorgesehen, das lediglich von einem Teil des gesamten Naßdampfstromes durch strömt wird. Dieser sich einstellende Teilstrom bewirkt nicht nur eine Vergleichmäßigung der Strömungsverteilung in den Parallelrohren zwischen dem Eintrittssammler und den abgehenden Druckausgleichsrohren zum Druckausgleichsgefäß, sondern er führt durch die Druckausgleichsrohre minderdurchströmten Rohren einen zusätzlichen Wasserstrom zu, so daß in den Rohren zwischen den Druckausgleichsrohren und dem stromabwärts liegenden Aus trittssammler eine nahezu gleichmäßige Strömungsverteilung herrscht. Die Gefahr der Entmischung des Naßdampfes in Wasser und Dampf besteht nicht, so daß alle Rohre am oberen Ende der Rohrwände annähernd gleiche Temperatur besitzen und Schäden wegen Wärmespannungen nicht auftreten können.

Längendifferenzen der Verdampferrohre entstehen auch im Bereich eines Trichters, den kohlebefeuerte Dampferzeuger an ihrem unteren Ende aufweisen. Deshalb ist zweckmäßigerweise die unterschiedliche Wärmeaufnahme der Rohre im Bereich des Trichters durch eine Mischung (Temperaturausgleich) ausgegli chen, bevor das zu verdampfende Wasser in die Senkrecht berohrung eintritt.

Gegenüber Anordnungen mit bekannten Druckausgleichssammlern beträgt die Massenstromdichte bei der erfindungsgemäßen Lösung mit einem Druckausgleichsgefäß in den innenberippten Rohren im Bereich des Flammenraumes weniger als 1000 kg/m²s.

Claims

1. Durchlaufdampferzeuger mit einer Feuerung für fossile Brennstoffe mit einem vertikalen Gaszug aus im wesentlichen vertikal angeordneten Rohren, die mit ihren Eintrittsenden an einen Eintrittssammler und mit ihren Austrittsenden an einen Austrittssammler angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet,

- daß von jedem Rohr in gleicher Höhe H ein Druckausgleichsrohr abzweigt, das mit einem Druckausgleichs gefäß verbunden ist, und
- daß die Höhe H so gewählt ist, daß bei einer angenommenen Mehrbeheizung eines einzelnen Rohres zwischen dem Eintritts sammler und dem Abzweig des Druckausgleichsrohres gegenüber dem Mittelwert der Beheizung aller Rohre der rechnerisch ermittelte Massenstrom durch dieses einzelne Rohr ansteigt.

2. Durchlaufdampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre zu mehr als 50% ihrer Länge auf ihrer Innenseite ein mehr gängiges Gewinde bildende Rippen tragen.

3. Durchlaufdampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre des Gaszuges gasdicht miteinander verschweißt sind.

4. Durchlaufdampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe H so gewählt ist, daß bei einer angenommenen Mehrbeheizung von a% eines einzelnen Rohres zwischen dem Eintrittssammler und dem Abzweig des Druckausgleichsrohres gegenüber dem 100% entsprechenden Mittelwert der Beheizung aller Rohre der rechnerisch ermittelte Massenstrom durch dieses einzelne Rohr um mindestens 0,25 · a% ansteigt.

5. Durchlaufdampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe H so gewählt ist, daß bei einer angenommenen Mehrbeheizung von a% eines einzelnen Rohres zwischen dem Eintrittssammler und dem Abzweig des Druckausgleichsrohres gegenüber dem 100% entsprechenden Mittelwert der Beheizung aller Rohre der rechnerisch ermittelte Massenstrom durch dieses einzelne Rohr um mindestens 0,50 · a% ansteigt.

6. Durchlaufdampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe H so gewählt ist, daß bei einer angenommenen Mehrbeheizung von a% eines einzelnen Rohres zwischen dem Eintrittssammler und dem Abzweig des Druckausgleichsrohres gegenüber dem 100% entsprechenden Mittelwert der Beheizung aller Rohre der rechnerisch ermittelte Massenstrom durch dieses einzelne Rohr um mindestens 0,75 · a% ansteigt.

7. Durchlaufdampferzeuger mit einer Feuerung für fossile Brenn stoffe mit einem vertikalen Gaszug aus miteinander gasdicht verschweißten, im wesentlichen vertikal angeordneten und mit ihren Eintrittsenden an einen Eintrittssammler angeschlossenen Rohren und mit einem Trichter an seinem Unterende mit minde stens vier Wänden aus gasdicht miteinander verschweißten Rohren und mit Eintritts- und Austrittssammlern für diese Rohre, dadurch gekennzeichnet, daß die einzel nen Trichterwände zu zwei Gruppen zusammengefaßt sind, die kühlmittelseitig hintereinander durchströmt sind.

8. Durchlaufdampferzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch flußmäßig zuletzt durchströmten Austrittssammler der Trichter wände und der Eintrittssammler des vertikalen Gaszuges durch Verbindungsleitungen durchflußmäßig verbunden sind.