DE4408284A1 - Verbesserte Temperatursteuerung von Dampf für Kessel - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zwangsdurchlaufkessel und befaßt sich insbesondere mit einer verbesserten Dampftemperatursteuerung für Zwangsdurchlaufkessel.

In einem kommerziellen Zwangsdurchlaufkessel wird Wärme, von welcher Dampf und letztendlich Elektrizität erzeugt werden, durch Verbrennen fossiler Brennstoffe erzeugt, wie z. B. Kohle oder Öl. Der Kessel ist mit einer Dampf­ turbine verbunden, welche zusammen mit einem Generator Elektrizität erzeugt. Der Zwangsdurchlaufkessel selbst beinhaltet einen Gefäßkörper. Eine Heizvor­ richtung ist an einer inneren Oberfläche des Gefäßkörpers befestigt, um jeg­ liches Wasser oder Dampf, welche durchtreten, zu erwärmen. In einer verein­ fachten Form tritt eine Reihe benachbarter Bestandteile durch das Gefäß hin­ durch und bildet eine durchgehende Leitung, um Wasser und letztendlich Dampf durch sie hindurchzubefördern. Die Leitung erstreckt sich im allge­ meinen von dem Äußeren des Gefäßes in das Gefäß hinein und dann aus dem Gefäß wieder hinaus. Tritt die Leitung in das Gefäß, so wird das durch sie hin­ durchfließende Wasser zu Dampf in einem ersten Abschnitt der Leitung umge­ wandelt, und ein letzterer Abschnitt der Leitung erwärmt den Dampf, bevor er das Gefäß über einen Auslaß verläßt. Um die Temperatur des von dem Gefäß ausgestoßenen Dampfs zu steuern, wird die Temperatur des Überhitzers vari­ iert. Ein außerhalb des Gefäßes positioniertes Sprühventil stößt Wasser in die Leitung aus, um dem der Heizvorrichtung zugeordneten Temperaturanstieg ent­ gegenzuwirken, falls notwendig. Die Temperatur des Überhitzers wird durch eine kooperative Wechselwirkung zwischen der Heizvorrichtung und dem Sprühventil gesteuert. Um z. B. die Erwärmung in dem Überhitzer zu erhöhen, wird die Heizvorrichtungstemperatur erhöht, wodurch der Temperaturanstieg innerhalb des Überhitzers erhöht wird. Um die Temperatur des Überhitzers ab­ zusenken, sprüht das Sprühventil Wasser in den Überhitzer, wodurch der Wärme der Heizvorrichtung des Überhitzers entgegengewirkt wird und der Temperaturanstieg innerhalb des Überhitzers verringert wird.

Ein Thermoelement ist an der Leitung bei dem Gefäßauslaß befestigt (Außenseite des Gefäßkörpers), und es kommuniziert sowohl mit dem Sprüh­ ventil und der Heizvorrichtung. Dieses Thermoelement mißt die Temperatur des hindurchtretenden Dampfes. Aus Gründen der Effizienz sollte der den Kessel verlassende und in die Turbine eintretende Dampf innerhalb vorgegebener Grenzwerte sein. Das Thermoelement mißt die Temperatur, um zu bestimmen, ob die voreingestellten Grenzwerte erfüllt werden und teilt diese Information der Heizvorrichtung und dem Sprühventil mit. Falls die Temperatur unterhalb des unteren akzeptierbaren Grenzwertes liegt, erzeugt die Heizvorrichtung mehr Wärme, um den Dampf in dem Überhitzer weiter zu erwärmen. Falls die Temperatur einen akzeptierbaren oberen Grenzwert überschreitet, gibt das Sprühventil Wasser in den Überhitzer frei. Dies senkt den Temperaturanstieg innerhalb des Überhitzers, so daß die Erwärmung des Dampfs verringert wird.

Obwohl das gegenwartig verwendete System effizient ist, ist es nicht ohne Nachteile. In dieser Hinsicht weist der Dampf eine signifikante Wanderzeit durch den Überhitzer auf. Falls die Temperatur des durch den Überhitzer wandernden Dampfs nicht innerhalb der vorbestimmten Grenzwerte liegt, wird er nicht erfaßt, bis daß er das Thermoelement neben dem Dampfauslaß erreicht. Das Thermoelement teilt diese Information dem Sprühventil und der Heizvor­ richtung mit, welche, nachdem sie diese Information erhalten hat, entsprechend reagiert, um entweder die Temperatur des Dampfs innerhalb des Überhitzers anzuheben oder abzusenken. Dies ist ein Nachteil, da es eine Zeitverzögerung gibt, bevor man effizienten Dampf durch die Turbine hindurchtreten läßt.

Folglich besteht eine Notwendigkeit für eine verbesserte Temperatursteuerung von Dampf, der durch Zwangsdurchlaufkessel erzeugt wird.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung bereit, die entworfen ist, um der zuvor erwähnten Notwendigkeit gerecht zu werden. Insbesondere richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen Zwangsdurchlaufkessel zum Erzeugen von Dampf aus einer Flüssigkeit, wobei der Zwangsdurchlaufkessel aufweist: a) ein Kesselgefäß mit einem inneren Abschnitt, einem Einlaß zum Einführen der Flüssigkeit in das Kesselgefäß und einem Auslaß; b) eine erste an dem Einlaß befestigte Leitung zum Hindurchschicken der Flüssigkeit durch das Kesselgefäß und innerhalb des Gefäßes angeordnet; c) eine innerhalb des inneren Abschnitts positionierte Heizvorrichtung, die betrieben werden kann, um Wärme zu er­ zeugen für ein Verdampfen des Wassers in der ersten Leitung; d) eine zweite Leitung, die an der ersten Leitung an einem Ende und an dem Auslaß an dem anderen Ende befestigt ist; wobei die zweite Leitung den in der ersten Leitung erzeugten Dampf hindurchschickt und die Heizvorrichtung den durch die zweite Leitung hindurchtretenden Dampf erwärmt; wobei die zweite Leitung an der ersten Leitung im Inneren des Kesselgefäßes befestigt ist, außerhalb des Kes­ selgefäßes vorbeiläuft und daraufhin in das Innere des Kesselgefäßes eintritt, wo die zweite Leitung mit dem Auslaß verbunden ist, der den Dampf aus dem Kesselgefäß austreten läßt; f) ein mit der zweiten Leitung verbundenes Sprüh­ ventil zum Steuern des Temperaturanstiegs der Heizvorrichtung und g) ein erstes Thermoelement zum Messen der Dampftemperatur, das mit dem Ab­ schnitt der zweiten Leitung verbunden ist, die außerhalb des Gefäßes angeord­ net ist; wobei das erste Thermoelement mit der Heizvorrichtung und dem Sprühventil zusammenarbeitet und die Heizvorrichtung mehr Wärme erzeugt, wenn das erste Thermoelement die Temperatur unterhalb eines gewünschten Pegels erfühlt und die Heizvorrichtung mehr Wärme erzeugt, wenn das erste Thermoelement die Temperatur unterhalb einem gewünschten Pegel erfühlt, und das Sprühventil Wasser in die zweite Leitung freigibt, wenn das erste Thermoelement die Temperatur oberhalb eines gewünschten Pegels erfühlt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Dampftem­ peratursteuerung für Zwangsdurchlaufkessel bereitzustellen.

Angesichts dieser Aufgabe beruht die vorliegende Erfindung auf einem Zwangsdurchlaufkessel zum Erzeugen von Dampf aus einer Flüssigkeit, wobei der Zwangsdurchlaufkessel aufweist: a) ein Kesselgefäß mit einem inneren Ab­ schnitt, einem Einlaß zum Einführen der Flüssigkeit in das Kesselgefäß und einem Auslaß; b) eine erste an dem Einlaß befestigte Leitung zum Hindurch­ schicken der Flüssigkeit durch das Kesselgefäß und im Inneren des Gefäßes an­ geordnet; c) eine innerhalb des inneren Abschnitts positionierte Heizvor­ richtung, die betrieben werden kann, um Wärme zu erzeugen für ein Ver­ dampfen der Flüssigkeit in der ersten Leitung; d) eine zweite Leitung, die an der ersten Leitung an einem Ende der zweiten Leitung und an dem Auslaß an dem anderen Ende der zweiten Leitung befestigt ist; wobei die zweite Leitung den in der ersten Leitung erzeugten Dampf hindurchschickt und die Heizvor­ richtung betrieben werden kann, um den durch die zweite Leitung hindurch­ tretenden Dampf zu erwärmen; wobei die zweite Leitung an der ersten Leitung im Inneren des Kesselgefäßes befestigt ist, außerhalb des Kesselgefäßes vorbei­ läuft und daraufhin in das Innere des Kesselgefäßes eintritt, wo die zweite Leitung mit dem Auslaß verbunden ist, der den Dampf aus dem Kesselgefäß austreten läßt; f) ein mit der zweiten Leitung verbundenes Sprühventil zum Steuern des Temperaturanstiegs der Heizvorrichtung, gekennzeichnet durch: g) ein erstes Thermoelement zum Messen der Dampftemperatur, das mit dem Ab­ schnitt der zweiten Leitung verbunden ist, der außerhalb des Kesselgefäßes an­ geordnet ist, wobei das erste Thermoelement mit der Heizvorrichtung zusam­ menarbeitet und die Heizvorrichtung mehr Wärme erzeugt, wenn das erste Thermoelement die Temperatur unterhalb eines gewünschten Pegels erfüllt, und die Heizvorrichtung ihre Wärme verringert, wenn die Heizvorrichtung die Tem­ peratur oberhalb eines gewünschten Pegels erfühlt.

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Kraftwerks für fossile Brennstoffe; und

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm eines verbesserten Zwangsdurchlaufkes­ sels, welches das verbesserte Temperatursteuerungsschema der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

In den Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente be­ zeichnen, veranschaulicht Fig. 1 die Umgebung der vorliegenden Erfindung und beschreibt einen Abschnitt eines Kraftwerks für fossile Brennstoffe, der allge­ mein mit 10 bezeichnet ist. Das Kraftwerk wandelt thermische Energie in me­ chanische Energie um, die zur Erzeugung von Elektrizität verwendet wird. Hierfür tritt Wasser (nicht gezeigt) in einen Kessel 20 ein, wobei Wärme er­ zeugt wird, und diese Wärme wandelt das Wasser zu Dampf um. Der Dampf tritt aus dem Kessel 20 über ein Auslaßrohr 30 aus und strömt in eine Hoch­ druckturbine 40. Der Dampf dreht an einer Welle (nicht gezeigt) befestigte Turbinenblätter innerhalb der Turbine 40, und ein mit der Turbine 40 verbun­ dener Generator 45 wird betrieben, um Elektrizität auf eine wohlbekannte Art zu erzeugen, wenn die Turbinenwelle rotiert. Der Dampf verläßt die Turbine 40 über ein Rohr 50 und tritt in einen Zwischenüberhitzer 60 ein, wobei der Dampf wiedererwärmt wird. Der wiedererwärmte Dampf tritt in eine Niederdrucktur­ bine 70 ein und dreht an einer Welle (nicht gezeigt) befestigte Turbinenblätter innerhalb der Turbine 70. Ein mit der Niederdruckturbine 70 verbundener zweiter Generator 75 kann betrieben werden, um Elektrizität auf eine wohlbe­ kannte Art und Weise zu erzeugen, wenn die Turbinenwelle rotiert. Der Dampf tritt aus der Niederdruckturbine 70 über ein Rohr 80 aus und tritt in einen Kon­ densor 90 ein, wo der Dampf wieder zu Wasser kondensiert wird. Das Wasser tritt aus dem Kondensor 90 über ein Rohr 95 aus und strömt in eine Pumpe 100, die das Wasser über ein Einlaßrohr 110 zu dem Kessel 20 zurückpumpt.

In Fig. 2 ist der Kessel 20 gezeigt und beinhaltet einen Gefäßkörper 120. Der Gefäßkörper 120 beinhaltet eine Außenwand 130 und eine Innenwand 140, die eine Wanddicke 150 festlegt. Eine Heizvorrichtung 160 ist an der Innenwand 140 befestigt und erzeugt ein Feuer im Inneren 162 des Gefäßkörpers 120 durch Verbrennen fossiler Brennstoffe, wie z. B. Kohle oder Öl. Um diese Erwärmung zu erzeugen, tritt Luft in die Heizvorrichtung 160 über ein Rohr 170 ein, welches sich durch die Wanddicke 150 des Gefäßkörpers 120 zu der Heizvor­ richtung 160 erstreckt, und der Brennstoff (das heißt Kohle oder Öl) tritt in die Heizvorrichtung 160 über ein Rohr 180 ein, welches sich gleichermaßen durch die Wanddicke 150 des Gefäßkörpers 120 erstreckt. Die Luft und der Brenn­ stoff, welche in die Heizvorrichtung 160 eintreten, arbeiten zusammen, um die durch die Heizvorrichtung 160 erzeugte Wärme zu steuern. Ein Ventil 190 ist an dem Brennstoffrohr 180 positioniert zum Steuern der Brennstoffmenge, die in die Heizvorrichtung 160 eintritt, und ein Ventil 200 ist gleichermaßen an dem Luftrohr 170 positioniert, um die Luftmenge, die in die Heizvorrichtung 160 eintritt, zu steuern. Eine Öffnung 210 in dem Gefäßkörper 120 ist an der zu der Heizvorrichtung 160 gegenüberliegenden Seite des Gefäßkörpers 120 positioniert, um ein Rohr 220 aufzunehmen, welches es dem erwärmten Gas (Luft) innerhalb des Gefäßkörpers 120 gestattet, zu entweichen.

Um Wasser innerhalb des Kessels 20 zu erwärmen und schließlich Dampf zu erzeugen, tritt Wasser in den Gefäßkörper 120 über das Einlaßrohr 110 ein. Ein Ventil 240 ist an dem Einlaßrohr 110 angeordnet zum Steuern der in das Gefäß 120 eintretenden Wassermenge. Das Einlaßrohr 110 erstreckt sich durch die Wanddicke 150 und in das Innere 162 des Gefäßkörpers 120, wo es mit einem Vorwärmer 250 verbunden ist. Der Vorwärmer 250 ist ein schleifenförmiges Rohr und ist die erste Stufe zum Erwärmen des Wassers, welches in das Gefäß 120 eintritt. Der Vorwärmer 250 erstreckt sich durch das Innere 162 des Gefäß­ körpers 120 und tritt aus dem Gefäßkörper 120 durch die Wanddicke 150 gegenüber dem Speisewassereinlaß 230 aus. Neben der Außenwand 130 ist ein Rohr 260 an dem Vorwärmer 250 befestigt, und das Rohr 260 erstreckt sich entlang der Außenseite des Gefäßkörpers 120, wie gezeigt. Das Rohr 260 tritt in das Gefäß 120 durch die Wanddicke 150 ein und ist an der ersten Stufe eines Verdampfungsabschnitts 280 befestigt. Somit geht Wasser, das durch den Vor­ wärmer 250 strömt weiter durch das Rohr 260, um in den Verdampfungsab­ schnitt 280 einzutreten. Der Verdampfungsabschnitt 280 ist ein schleifenförmi­ ges Rohr und ist die primäre Komponente zum Verdampfen des durch sie hin­ durchtretenden Wassers. Der Verdampfungsabschnitt 280 tritt durch die Heiz­ vorrichtung 160 hindurch, welche einen Teil des Wassers verdampft, und der Verdampfungsabschnitt 280 erstreckt sich im allgemeinen über die Höhe des Gefäßes 120. Das erwärmte Gas im Innern 162 des Gefäßkörpers 120 strömt über den Verdampfungsabschnitt 280, wodurch die Temperatur des darin ent­ haltenen Wassers angehoben wird, um das Wasser zu Dampf umzuwandeln.

Ein Rohr 290 zum Fördern des Dampfs und Wassers, die erzeugt worden sind oder durch den Verdampfungsabschnitt hindurchgetreten sind, ist mit dem Ausstoßende des Verdampfungsabschnitts 280 verbunden. Das Rohr 290 tritt durch die Wanddicke 150 hindurch und erstreckt sich entlang der Außenwand 130. Das Rohr 290 tritt erneut in das Gefäß 120 durch die Wanddicke 150 ein und ist an einem Verdampfungsabschnitt 300 befestigt. Der Verdampfungsab­ schnitt 300 verdampft weiterhin jegliches Wasser, das durch ihn hindurchtritt, und erwärmt weiterhin den durch das Wasser getragenen Dampf. Der Ver­ dampfungsabschnitt 300 tritt durch die Heizvorrichtung 160 hindurch. Der Ver­ dampfungsabschnitt 300 ist an einem Rohr 310 befestigt. Das Rohr 310 tritt durch die Wanddicke 150 hindurch und erstreckt sich entlang der äußeren Oberfläche des Gefäßkörpers 120. Das Rohr 310 tritt erneut in den Gefäßkörper 120 durch die Wanddicke 150 hindurch. Ein Thermoelement 320, wie z. B. eine E-Konstante, ist mit dem Rohr 310 auf bekannte Art verbunden, und zwar an einem Ort, wo das Rohr 310 außerhalb des Gefäßkörpers 120 positioniert ist. Dieses Thermoelement 320 mißt die Temperatur des durch das Rohr 310 hin­ durchgetretenen Dampfs.

Wie zuvor beschrieben und damit das bezüglich Fig. 1 beschriebene System effizient ist, sollte in die Hochdruckturbine 40 (in Fig. 2 nicht gezeigt) ein­ tretender Dampf zwischen vorbestimmten Temperaturgrenzwerten liegen. Das Thermoelement 320 mißt die Dampftemperatur und gibt diese Information an die Prozeßmeßgeräteausrüstung 320, welche bestimmt, wieviel Dampf in dem nächsten Abschnitt (das heißt einem Überhitzer 330) erwärmt werden sollte, so daß der Dampf innerhalb diese voreingestellten Temperaturgrenzwerte fällt. Der Überhitzer 330 ist im Inneren 162 des Gefäßkörpers 120 positioniert und ist an dem Rohr 310 befestigt. Der Überhitzer 330 arbeitet so, daß er den durch ihn hindurchtretenden Dampf erwärmt. Die Wärme von der Heizvorrichtung 160 erwärmt den Überhitzer 330. Ein Sprühventil 340 ist außerhalb des Gefäßes positioniert und, falls notwendig, sprüht Wasser in den Überhitzer 330, um der Wärme der Heizvorrichtung 160 entgegenzuwirken, wodurch der Wärmeanstieg des Dampfs in dem Überhitzer 330 wegen der Heizvorrichtung 160 abgeschwächt wird. Das Sprühventil 340 führt Wasser in den Überhitzer 330 durch ein Rohr 345 ein. Das Auslaßrohr 30 ist an dem Überhitzer 330 neben der Innenwand 140 befestigt und erstreckt sich durch die Wand 150, wodurch es dem Dampf gestattet wird, zu der Hochdruckturbine 40 (siehe Fig. 1) zu gelangen. Ein Thermoelement 350 ist an dem Auslaßrohr zum Messen der Temperatur des hindurchtretenden Dampfs befestigt. Dieses Thermoelement 350 ist die letzte Dampftemperatur-Meßvorrichtung, bevor der Dampf in die Hochdruckturbine 40 (siehe Fig. 1) eintritt. Das Thermoelement 350 teilt die Temperatur der Prozeßmeßgeräteausrüstung 325 mit, welche abwechselnd die beiden von den Thermoelementen 350 und 320 empfangenen Temperaturen koordiniert. Durch Empfangen von zwei Temperaturmeßwerten (anstelle von nur einem von dem Thermoelement 350) von unterschiedlichen Orten, ist die Prozeßmeßgeräteausrüstung 325 in der Lage, die Heizvorrichtung 160 und das Sprühventil 340 effizient zu regulieren zur Steuerung des Temperaturanstiegs in dem Überhitzer 330.

Es wird angenommen, daß die vorliegende Erfindung und viele ihrer dazuge­ hörenden Vorteile aus der obigen Beschreibung verständlich sind, und es ist offensichtlich, daß verschiedene Veränderungen in der Form, dem Aufbau und der Anordnung durchgeführt werden können, ohne daß man vom Geist und Umfang der Erfindung abweicht oder alle ihre materiellen Vorteile opfert, ist doch die zuvor beschriebene Form lediglich ein bevorzugtes oder beispielhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Claims (5)

1. Zwangsdurchlaufkessel (20) zum Erzeugen von Dampf aus einer Flüssigkeit, wobei der Zwangsdurchlaufkessel aufweist:

• a) ein Kesselgefäß (120) mit einem Innenabschnitt (162), einem Einlaß (110) zum Einführen der Flüssigkeit in das Kesselgefäß (120) und einem Auslaß (30);
• b) eine erste an dem Einlaß (110) befestigte Leitung (250) zum Hindurch­ schicken der Flüssigkeit durch das Kesselgefäß (120) und im Inneren (162) des Gefäßes (120) angeordnet;
• c) eine in dem inneren Abschnitt (162) positionierte Heizvorrichtung (160), die betrieben werden kann, um Dampf zu erzeugen für ein Verdampfen der Flüs­ sigkeit in der ersten Leitung (250);
• d) eine zweite Leitung (260, 280, 300, 310 und 330), die an der ersten Leitung (250) an einem Ende der zweiten Leitung und an dem Auslaß (30) an dem anderen Ende der zweiten Leitung befestigt ist; wobei die zweite Leitung den in der ersten Leitung (250) erzeugten Dampf führt und die Heizvorrichtung (160) betrieben werden kann, um den durch die zweite Leitung hindurchtretenden Dampf zu erwärmen; wobei die zweite Leitung an der ersten Leitung (250) im Inneren des Kesselgefäßes (120) befestigt ist, außerhalb des Kesselgefäßes (120) verläuft und daraufhin in das Innere des Kesselgefäßes (120) eintritt, wo die zweite Leitung mit dem Auslaß (30) verbunden ist, der den Dampf aus dem Kesselgefäß (120) herausführt;
• f) ein mit der zweiten Leitung verbundenes Sprühventil (340) zum Steuern des Temperaturanstiegs der Wärme; gekennzeichnet durch:
• g) ein erstes Thermoelement (320) zum Messen der Dampftemperatur, welches mit dem Abschnitt der zweiten Leitung verbunden ist, der außerhalb des Kes­ selgefäßes (120) angeordnet ist; wobei das erste Thermoelement (320) mit der Heizvorrichtung (160) zusammenarbeitet und die Heizvorrichtung (160) mehr Wärme erzeugt, wenn das erste Thermoelement (320) die Temperatur unterhalb eines gewünschten Pegels erfühlt, und die Heizvorrichtung (160) ihre Wärme verringert, wenn die Heizvorrichtung (160) die Temperatur oberhalb eines ge­ wünschten Pegels erfühlt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Leitung einen Ver­ dampfungsabschnitt (280 und 300) beinhaltet, der durch die Heizvorrichtung (160) hindurchtritt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zweite Leitung einen innerhalb des Gefäßes (120) angeordneten Überhitzer (330) und ein außerhalb des Gefäßes (120) angeordnetes Rohr (310) enthält, wobei das Rohr (310) zwischen dem Verdampfungsabschnitt (300) und dem Überhitzer (330) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Thermoelement (320) an dem Rohr (310) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, welche weiterhin ein zweites Thermoelement (350) aufweist, das an dem Auslaß (30) angeordnet ist und mit dem Sprühventil (340) kommuniziert, um den Temperaturanstieg in dem Überhitzer (330) effi­ zient zu koordinieren.