Technisches Gebiet
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Das technische Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht,
ist die Messung der Temperatur in einem Fluid am Auslaß
eines Verdampfers in einem eindurchgängigen Kessel vom
sogenannten Benzontyp. Zur Erfindung gehört ein Verfahren für
eine solche Messung und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
Stand der Technik, die Probleme
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Ein Benzon-Kessel enthält einen Speisewasservorwärmer
(Economiser), einen Verdampfer, einen
Dampf/Wasser-Separator, eine Anzahl, gewöhnlich zwei, Überhitzer und einen
Zwischendampfkühler sowie eventuell einen oder mehrere
Wiedererhitzer (Nacherhitzer) mit zugehörigen Dampfkühlern.
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Benzon-Kessel gibt es in einer Anzahl verschiedener
Ausführungen. Am bekanntesten in bestehenden Anlagen ist die
Verwendung eines Verdampfers, der aus Membranwänden besteht,
welche die Wände eines Ofens bilden. Am oberen Ende dieses
Ofens beginnt ein Abgaskanal, der die Abgase zu dem
Schornstein leitet. Genau am übergang vom Ofen zu dem Abgaskanal
sind Strahlungsübererhitzer angeordnet, deren
Hauptwärmeaufnahme durch Strahlung der Flammen im Ofen erfolgt. Hinter
den Strahlungsüberhitzern im Inneren des Abgaskanals sind
Konvektionsüberhitzer angebracht, die den Hauptteil der
Wärme durch Konvektion aufnehmen. Weiter zum Inneren des
Abgaskanals, wo die Abgastemperatur niedriger ist, ist der
Speisewasservorwärmer angeordnet. Bei diesem Anlagetyp wird
der Brennstoff entweder in fein verteilter Form über
spezielle Brenner injiziert, wobei er schließlich frei treibend
im Ofen verbrannt wird, oder er wird in größeren Klumpen auf
einem Feuerungsrost am Boden des Ofens eingegeben, wobei die
flüchtigen Bestandteile entweichen und im Ofen verbrannt
werden, währen die festen Bestandteile auf dem Feuerungsrost
verbrannt werden.
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In jüngster Zeit wurden in zunehmendem Maße sogenannte
Wirbelbett-Kessel verwendet, bei denen die Hauptverbrennung des
Brennstoffes in einem Bett stattfindet, welches aus einem
Absorbtionsmittel und Asche besteht. Das Bett ist in einem
Bettgefäß eingeschlossen, welches aus Membranwänden in der
gleichen Weise wie der Ofen eines konventionellen Kessels
besteht. Die Verbrennungsluft wird von unten durch eine
Anzahl Luftdüsen zugeführt, wodurch das Bett fluidisiert wird.
Bei einer mäßigen Gasgeschwindigkeit im Bettgefäß verbleiben
die Partikel im Bettgefäß, und man erhält ein sogenanntes
aufwallendes Bett ("bubbling bed"). Bei höheren
Gasgeschwindigkeiten begleiten die Partikel das Gas und werden in
Zyklonen abgeschieden, so daß sie dem Bettgefäß wieder
zugeführt werden können. In diesem Falle spricht man von einem
zirkulierenden Wirbelbett. Der Druck im Bett kann in manchen
Fällen beträchtlich höher als der atmosphärische Druck sein.
Ein Beispiel hierfür sind die sogenannten PFBC-Dampfkessel,
bei denen eine Gasturbine einen unter Druck stehenden
Wirbelschichtkessel als Combustor verwendet. Den Wirbelbett-
Kesseln ist gemeinsam, daß die wärmeübertragenden Flächen,
das heißt der Speisewasservorwärmer, der Verdampfer, die
Überhitzer und die Wiedererhitzer, zumindest teilweise in
dem Bett selbst untergebracht sind. Die PFBC-Kessel stellen
einen extremen Fall dar, da die gesamten Flächen des
Verdampfers, des Überhitzers und des Wiedererhitzers aus einem
Rohrbündel bestehen, welches in dem Bett angeordnet ist,
während die Bettgefäßwand anähernd mit einem
Speisewasservorwärmer verglichen werden kann. Atmosphärische
Wirbelbett-Kessel ähneln einem konventionellen Kessel mehr, da die
Bettgefäßwand einen Teil des Speisewasservorwärmers
darstellt und die Überhitzer zumindest teilweise in den
Konvektionsteilen stromabwärts des Bettgefäßes plaziert sind.
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Ein Benzon-Kessel arbeitet in folgender Weise: Speisewasser
wird dem Speisewasservorwärmer zugeführt, wo die Temperatur
des Speisewasser erhöht wird. Am Ausgang des
Speisewasservorwärmers sollte ein gewisser Abstand zum Siedepunkt
bestehen. Von dem Speisewasservorwärmer wird das Wasser dem
Verdampfer zugeführt, wo es vollständig verdampft wird und der
Dampf etwas überhitzt wird. Der leicht überhitzte Dampf wird
über den Dampf/Wasser-Separator einem ersten Überhitzer
zugeführt, in welchem die Temperatur des Dampfes erhöht wird.
Hinter dem ersten Überhitzer strömt der Dampf durch einen
ersten steuerbaren Dampfkühler, wo der Dampf etwas gekühlt
wird, bevor er in einem zweiten Überhitzer auf die
gewünschte Endtemperatur erhitzt wird. Danach wird der Dampf
durch eine Hochdruckturbine geleitet, worauf der Dampf dem
Wiedererhitzer des Kessels über einen zweiten steuerbaren
Dampfkühler zurückgeführt wird. In dem Wiedererhitzer wird
die Temperatur des Dampfes wieder auf die gewünschte
Endtemperatur gesteigert, bevor er schließlich durch eine Zwi
schendruckturbine und eine Niederdruckturbine entspannt
wird. Bei bestimmten Kesseln kann es mehr als zwei
Überhitzer geben, und es können auch mehrere Wiedererhitzer
vorhanden sein. Für den hier beschriebenen Kessel wird angenommen,
daß der gesamte Dampf zum Antrieb einer Turbine verwendet
wird. Bei anderen Anwendungen können andere Dampfverbraucher
vorhanden sein, wie zum Beispiel in die chemische Industrie
oder bei einem regionalen Heizkraftwerk.
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Der Speisewasserfluß muß mit der Last verändert werden,
damit der Dampfzustand am Ausgang des Verdampfers aufrecht er
halten wird. Wegen der Gefahr hoher lokaler Temperaturen in
den Verdampferrohren darf jedoch der Speisewasserstrom nicht
kleiner als ein sogenannter Minimalfluß sein, der
normalerweise 25 bis 40 % des Speisewasserstromes bei Vollast
bedes Anfahrens der Zustand am Verdampferausgang aus einem
Gemisch aus Wasser und Dampf besteht. Während dieser
Niedriglasten wird der Dampf/Wasser-Separatur zur Abtrennung des
Wassers aus dem Dampf verwendet, um ein Eindringen von
Wasser in die Überhitzer zu verhindern. Der Betriebspunkt, bei
dem am Verdampferausgang der Übergang vom
Wasser-Dampfgemisch zu überhitztem Dampf, oder umgekehrt, erfolgt, wird
als Benzonpunkt bezeichnet. In manchen Kesseln kann es
notwendig sein, mehrere unterschiedliche Minimalflüsse zu
haben. So ist es möglich, beispielsweise, einen Minimalfluß
während des Anf ahrens und während des normalen Betriebes zu
haben, während nach einer Auslösung ein anderer Minimalfluß
notwendig sein kann.
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Zur Steuerung der Temperatur hinter den Überhitzern und
Wiedererhitzern werden Dampfkühler verwendet. Gewöhnlich ist
ein Dampkühler als Sprühdüse ausgebildet, durch welche
Wasser in den Dampf gesprüht wird.
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Die Steuerung eines eindurchgängigen Kessels erfolgt
normalerweise in der Art, daß eine Hauptkesselsteuerung ein
Lastsignal an die Speisewassersteuerung, die Brennstoffsteuerung
und die Luftsteuerung liefert. Diese steuern dann den
primären Speisewasserstrom, den Brennstoffstrom und den Luftstrom
entsprechend vorgegebener Sollwerte, die als Funktion des
Lastsignals gegeben werden. Der entsprechende Steuerkreis
enthält jedoch auch begrenzende Steuerungen. So hat
beispielsweise die Speisewassersteuerung eine eingebaute Be
grenzungssteuerung, die sicherstellt, daß der Strom nicht
kleiner als der Minimaistrom wird, und andere begrenzende
Steuerungen bestimmen den Speisewasserstrom, wenn die
Regelabweichung in der Brennstoffsteuerung oder der
Luftsteuerung
zu groß wird. Gewöhnlich ist auch eine Begrenzungs
steuerung vorhanden, welche den Speisewasserstrom bestimmt,
wenn der Sprühstrom in einem der Dampfkühler zu groß oder zu
klein wird. Die letztgenannte Begrenzungssteuerung ist
praktisch ein Weg zur Einstellung des Speisewasserstromes in
denjenigen Fällen, in denen die Wirklichkeit von der
eingebauten Beziehung zwischen Lastsignal, Luftstrom,
Brennstoffstrom und dem erforderlichen Speisewasserstrom abweicht. In
solchen Fällen, in denen die Beziehung unsicher ist, bei
spielsweise, wenn sie mit Störungen im Prozeß sich
verändert, können Begrenzungssteuerungen eingeführt werden,
welche den Speisewasserstrom auch dann bestimmen, wenn die
Temperatur an bestimmten Punkten in dem Kessel zu stark von den
gewünschten Werten abweicht. Beispiele für solche Punkte
sind der Eingang und Ausgang des Verdampfers sowie der
Ausgang der Überhitzer.
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In bestimmten Fällen wird das Prinzip der primären Steuerung
des Speisewasserstromes als Funktion eines Lastsignals
aufgegeben. Statt dessen wird der Sollwert des Speisewasser
stromes direkt durch die Messung des Dampfzustandes in den
verschiedenen Abschnitten des Kessels bestimmt. Dies hat den
Vorteil, daß die oben genannte Unsicherheit in Verbindung
mit Störungen des Prozesses ausgeschaltet ist, da der Kessel
in jedem Augenblick exakt feststellt, wieviel Wasser er
unabhängig davon benötigt, was in der Umgebung passiert. Der
Nachteil besteht darin, daß Trägheitserscheinungen in dem
Prozeß und in Übertragern und vor allem in den Temperatur
meßgeräten zur Folge haben können, daß die Information über
eine erforderliche Änderung des Speisewasserstromes
verzögert wird. Aus diesem Grunde werden erhöhte Anforderungen an
die Reaktionsgeschwindigkeit gestellt sowie an die
Plazierung der Übertrager und an die Reaktionsgeschwindigkeit der
Steuerungen.
Unabhängig davon, welches der oben genannten Konzepte
gewählt wird, kann es wünschenswert sein, die Temperatur am
Verdampferausgang zu messen. Wenn diese Temperaturmessung
schnell sein muß, was von größter Wichtigkeit ist, wenn das
zuletzt erwähnte der oben genannten Konzepte betroffen ist,
sollte die Temperaturmessung so dicht am Verdampferausgang
wie möglich geschehen. Die Flußverteilung am Verdampfer ist
jedoch selten gleichmäßig. Das bedeutet, daß der Dampf am
Ausgang bestimmter Rohre relativ hoch überhitzt sein kann,
während bei anderen Rohren ein nur leicht überhitzter
Zustand herrschen kann. Einige Rohre können sogar in
bestimmten Betriebsfällen ein Wasser-Dampf-Gemisch am Ausgang haben
trotz der Tatsache, daß der Benzonpunkt überschritten ist.
Überhitzte Dampfmengen unterschiedlicher Temperatur
vermischen sich nur sehr zögerlich miteinander, so daß Schichten
unterschiedlicher Temperaturen entstehen, die sich über eine
ziemlich lange Strecke erhalten. Wenn aus gewissen
Verdampferrohren Wasser austritt, so ist Zeit erforderlich, bevor
das Wasser verdampft ist. Außerdem tendiert das Wasser dazu,
den Rohrwänden zu folgen, so daß es in die
Temperaturmeßtaschen gelangen kann und der Temperatursensor die
Sättigungstemperatur mißt trotz der Tatsache, daß der Dampf während
der Mischung eindeutig überhitzt ist. Zusammenfassend kann
gesagt werden, daß, wenn der Temperatursensor nahe dem
Ausgang des Verdampfers angeordnet wird, um eine schnelle
Messung zu erhalten, die Gefahr einer geringen Zuverlässigkeit
infolge von Meßfehlern besteht.
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Ein Weg zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der
Temperaturmessung an einem Verdampferausgang besteht darin, den
Temperatursensor in dem Dampfrohr stromabwärts des Separators
anzuordnen. Dies verkleinert die Gefahr, daß Wassertröpfchen in
die Meßtasche eindringen, während gleichzeitig die
Turbulenzen im Separator die Gefahr von Dampf schichten mit
verschiedenen Temperaturen vermindern. Einer der Nachteile besteht
darin, daß die Temperaturmessung langsamer wird, da der
Temperatursensor weiter weg vom Verdampfer angeordnet ist. Dies
ist besonders zu beachten bei geringen Lasten, wenn der
Dampf strom klein ist. Ein anderer Nachteil besteht darin,
daß dann, wenn die Leistungszufuhr auf der Gasseite schnell
auf einen kleinen Wert vermindert wird, beispielsweise
infolge eines Lastabwurfes, ein merkwürdiger Meßfehler
entstehen kann, welcher die Steuerung zum Eintritt in einen
gefährlichen Kreislauf veranlassen kann. Die Erscheinung kann
wie folgt beschrieben werden: Nehmen wir an, daß die
Speisewassersteuerung infolge der Trägheit an den
Temperaturmeßpunkten keine Zeit hat, den Fluß ausreichend schnell zu
verkleinern. Es kann dann passieren, daß der neue
Leistungszufluß von der Gasseite für den Verdampfer nicht ausreicht,
die Enthalpie des Wassers auf den Sättigungspunkt zu
erhöhen. Die Folge ist, daß unterkühltes Wasser aus dem
Verdampfer in den Separator fließt, wo es damit beginnt, den dort
vorhandenen Dampf zu kondensieren. Die dann auftretende
Druckminderung veranlaßt den Dampf, rückwärts durch die
Überhitzer zu dem Separator zu strömen. Der heiße Dampf aus
den Überhitzern passiert dabei den Temperaturmeßpunkt hinter
dem Separator, was die Speisewasserregelung glauben macht,
daß ein Mangel an Wasser besteht. Die Speisewasserregelung
vergrößert daher den Fluß, wodurch der Prozeß beschleunigt
wird. Bei einem Kessel, bei dem die Überhitzer auch nach dem
Lastabfall hohen Temperaturen ausgesetzt sind, kann der
verminderte Kühldampfstrom durch diese Überhitzer zu Schäden
führen.
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In dem oben genannten Beispiel ist es stets möglich, durch
Vorwärtsregelung den Speisewasserstrom zu zwingen,
hinreichend schnell kleiner zu werden, und in einem ausreichenden
Maße die Dampferzeugung im Verdampfer aufrecht zu erhalten.
Auf diese Weise kann die Kühlbedarf der Überhitzer
befriedigt werden. Wenn jedoch gleichzeitig die Notwendigkeit
einer
Kühlung des Verdampfers besteht, muß der Fluß so
optimiert werden, daß er weder zu klein noch zu groß ist.
Angesichts des Kühlbedarfs des Überhitzers sollte der
Speisewasserstrom so klein wie möglich sein. Wenn man jedoch die
untere Grenze dessen annimmt, was für den Verdampfer annehmbar
ist, ist es wichtig, eine Rückführung durch Messung der
Temperatur am Verdampferausgang derart vorzusehen, daß die
Regelung imstande ist, den Speisewasserstrom zu vergrößern,
falls erforderlich. Wenn der Temperaturmeßpunkt stromabwärts
des Separators liegt, reagiert die Temperaturmessung zu
langsam, um für die Regelung verwendet zu werden, wenn man
den geringen Dampf strom berücksichtigt, der nach einem
Lastabwurf herrscht.
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Wie sich aus dem zuvor Gesagten ergibt, ist es daher
wünschenswert, die Temperatur am Verdampferausgang in einer
Weise messen zu können, die sowohl schnell als auch
zuverlässig ist. Es ist auch wichtig&sub1; die Temperatur in
Abschnitten des Kessels und des Verdampferausgangs messen zu können,
was für den Prozeß wichtig und kritisch ist, wie
beispielsweise an den äußeren Rändern des Kessels und in der
zentralen Zone.
Zusammenfassung der Erfindung
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Um die Erfindung beschreiben zu können, erfolgt zunächst
eine kurze Beschreibung des Aufbaus eines Verdampfers unter
Bezugnahme auf die beigefügte einzige Figur. Das erhitzte
Wasser wird vom Speisewasservorwärmer (Economiser) einem
oder mehreren Verdampfer-Eintrittssammlern 1 eines
Verdampfers zugeführt, von dem/denen aus das Wasser in die
Verdampferrohre 2 geleitet wird, die mit einem wärmeübertragenden
Medium 3 in Kontakt stehen. Die Anzahl der Verdampferrohre
in einer Anlage wird von einer Anzahl von Faktoren bestimmt,
wie zum Beispiel der Art des Verdampfers, der Nennleistung,
usw. Nach dem Verdampfen strömt der Dampf durch
Verdampferstutzen
4 zu einem oder mehreren Ausgangssammlern 5 und wird
dann in den nicht gezeigten Separator geleitet.
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Die am Ausgang jedes einzelnen Rohres, welches relativ
dünnwandig ist, herrschende Bedingung ist eindeutig entweder
Unterkühlung, Sättigung oder Überhitzung. Durch die Anordnung
von Thermoelementen oder Widerstandsthermometern an einer
Anzahl gut ausgewählter Verdampferstutzen erhält man ein Maß
für die Temperatur, die sehr gut der Temperatur des Fluids
in dem Rohr entspricht. Dies erlaubt es, auch den Zustand
des Fluids zu erkennen.
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Gemäß der Erfindung wird die Temperatur des Fluids gemessen
durch Anbringung von Thermoelementen an einer Anzahl
benachbart positionierter Verdampferstutzen für jeden wichtigen
und kritischen Abschnitt des Verdampfers. Durch Ermittlung
des Mittelwertes innerhalb jedes Abschnitts gewinnt man eine
Redundanz für den Fall, daß irgendein Meßpunkt ausfallen
sollte. Die für die ausgewählten Abschnitte des Verdampfers
gewonnenen Mittelwerte können nun entweder zur Berechnung
des mittleren Zustandes am Verdampferausgang verwendet
werden oder zur Berechnung des Zustandes in dem Abschnitt des
Verdampfers, der am dringendsten Speisewasser benötigt.
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Mit Hilfe der erzeugten Mittelwerte für jeden Abschnitt kann
der Mittelwert der Temperatur im Verdampfer bestimmt werden.
Im normalen Lastbereich gibt der Mittelwert das beste Maß
für die Temperatur in dem Fluid, da die Wärmebelastung der
Verdampferrohre dann im gesamten Verdampfer relativ
gleichmäßig ist. Andererseits kann es nach einem Lastabfall
zweckmäßiger sein, den maximalen Wert zu verwenden, da die
Wärmebelastung dann stark zwischen den Abschnitten des
Verdampfers variieren kann. Wenn eine solche Entscheidung getroffen
wird, ist es natürlich in jedem einzelnen Falle notwendig,
die Eigenschaften und die Konstruktion des betreffenden
Verdampfers zu berücksichtigen.
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Die beigefügte Figur zeigt auch ein bevorzugtes Ausführungs
beispiel der Erfindung. Hier sind Thermoelemente und
Widerstandsthermometer 6 und 7 an drei Verdampferstutzen nahe den
schmalen äußeren Seiten des Verdampfers angebracht und
Thermoelemente und Widerstandsthermometer 8 sind an drei
Verdampferstutzen im Zentrum des Verdampfers angebracht. Die
Figur zeigt auch drei Mittelwertbilder 9, 10, 11, deren
Werte dann zur Ermittlung der maximalen Temperatur tmax an
den Verdampferausgängen in einem Maximalwertwähler 12
verwendet werden können oder zur Bestimmung des Mittelwertes
der Temperatur tmean am Verdampferauslaß durch einen
Mittelwertbilder 13 verwendet werden können. Ein Umschalten
zwischen diesen gemessenen Werten in Verbindung mit einem
Lastabfall kann beispielsweise durch einen Wähler 14
erfolgen, dessen Ausgangssignal die betreffende Temperatur tF
darstellt.