EP0324201B1 - Verfahren zum Regeln der Wasserdampferzeugung in einer Verbrennungsanlage - Google Patents

Verfahren zum Regeln der Wasserdampferzeugung in einer Verbrennungsanlage Download PDF

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EP0324201B1 EP88202774A EP88202774A EP0324201B1 EP 0324201 B1 EP0324201 B1 EP 0324201B1 EP 88202774 A EP88202774 A EP 88202774A EP 88202774 A EP88202774 A EP 88202774A EP 0324201 B1 EP0324201 B1 EP 0324201B1
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water vapor
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combustion zone
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Georg Dr. Schaub
Rolf Dr. Peters
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B31/00—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus
    • F22B31/0007—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus with combustion in a fluidized bed
    • F22B31/0084—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus with combustion in a fluidized bed with recirculation of separated solids or with cooling of the bed particles outside the combustion bed

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating the generation of water vapor in a plant for burning solid, fine-grained and dusty fuels with air in the combustion zone of a circulating fluidized bed, with a heat exchanger in the upper region of the combustion zone, with a water vapor accumulator connected to the heat exchanger and with one Steam feed line from the steam storage to a turbine.
  • this is achieved according to the invention by continuously measuring the pressure and temperature above and below the heat exchanger in the combustion zone and the temperature in the water vapor storage, the heat transfer coefficient (K value), the heat flow and from this the amount of water vapor generated in the heat exchanger in a control system , compares with the desired value of the steam required by the turbine and changes the supply of fuel and combustion air to the combustion zone in the event of a deviation.
  • K value the heat transfer coefficient
  • the method is also suitable for an incinerator, which includes a fluidized bed cooling with several chambers, to which part of the combustion residue is added.
  • the amount of water vapor that is generated in the fluid bed cooling is also calculated and added to the amount of water vapor generated in the combustion zone, as defined in claim 2.
  • the calculated total quantity of the water vapor currently generated is compared with the setpoint in at least one controller and the fuel and combustion air supply are changed according to the difference.
  • the plant for generating the water vapor consists of a circulating fluidized bed (1) with a separating cyclone (2), fluid bed cooling (3), heat exchanger (4) and water vapor storage (5).
  • the heat exchanger (4) is located in the upper area of the combustion zone (7), e.g. from vertical, parallel tubes (4a).
  • the tubes are preferably arranged in a ring on the inside of the wall of the combustion zone.
  • the fine-grained and dust-like fuel in particular coal
  • Pre-heated primary air conveys the blower (13) into the lower end of the fluidized bed and secondary air is supplied through the blower (14).
  • Solids and gases leave combustion through the channel (15) and are separated in the cyclone (2), the gases in line (17) being drawn off and being fed to a gas cleaning device (not shown).
  • the separated solids are partly returned to the combustion zone (7) through lines (18) and (19), the remaining solids are fed through line (20) to the fluid bed cooling (3).
  • the fluid bed cooling (3) is divided by partition walls (8) into several, only partially closed chambers (3a, 3b, 3c). Solids and gases can pass from one chamber to the other.
  • a blower (22) feeds air to each chamber, which keeps the solids in a swirling motion.
  • Heat exchangers (6a, 6b, 6c) belong to each chamber. If you put water in these heat exchangers to evaporate it, they are called “evaporators”below; the heat exchanger (s) to which water vapor is added to overheat them are called “superheaters”.
  • the heated exhaust air from the fluidized bed cooling (3) is fed into the combustion zone (7) in line (23), and part of the cooled solids is also conducted back through line (24) into the combustion zone (7), excess solids are drawn off in line (25).
  • the evaporators in the fluid bed cooling (3) also contribute to the steam production, the temperature must also be monitored in each chamber which contains an evaporator. Chambers with superheaters are not monitored.
  • the chamber (3a) has a heat exchanger (6a) which works as a superheater, whereas the heat exchangers (6b) and (6c) of the chambers (3b) and (3c) of the evaporation of water serve.
  • the chamber (3c) therefore has the temperature monitor TV (1) and the chamber (3b) contains the temperature monitor TV (2).
  • the number of chambers in the fluidized bed cooling (3) can fluctuate, and one or more of these chambers can also contain evaporators.
  • FIG. 2 shows how the various measuring points shown in FIG. 1, namely T1, T2, T4, T5, p1, p2, TV (1) and TV (2), transmit their information via signal lines to a control system ( 40) feed.
  • This control system can be tailored specifically to the calculations described below, but it can also be a computer.
  • the control system (40) continuously calculates the currently generated amount of water vapor in the system and gives this information as an actual value to the controllers (41) and (42).
  • the regulators are also given the setpoint m of the amount of water vapor required by the turbine (34) and brought up in the line (33).
  • the output of the controller (41) leads via the signal line (45) to the fuel supply device (10) and ensures that if the steam production is too low, more fuel is fed into the combustion (7).
  • the controller (42) controls the blower (13) via the signal line (46) and the blower (14) via the signal line (47). It ensures that when there is an increased fuel requirement in combustion (7), sufficient combustion air is introduced.
  • the following formulas are used, in which the temperature in ° C and the pressure in mbar are to be used:
  • K a ⁇ (p2 _ p1) _ b + c ⁇ (T1 + T2) + d ⁇ T4
  • the coefficients a, b, c and d have values in the following areas:
  • K value: K (i) a (i) + c (i) * TV (i) + d (i) * T4

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Erzeugung von Wasserdampf in einer Anlage zum Verbrennen fester, feinkörniger und staubförmiger Brennstoffe mit Luft in der Verbrennungszone einer zirkulierenden Wirbelschicht, mit einem Wärmeaustauscher im oberen Bereich der Verbrennungszone, mit einem mit dem Wärmeaustauscher verbundenen Wasserdampfspeicher und mit einer Wasserdampf-Speiseleitung vom Wasserdampfspeicher zu einer Turbine.
  • Dampferzeugungsanlagen mit Verbrennung in der zirkulierenden Wirbelschicht und mit Fließbettkühlern zum Ausnutzen der im Verbrennungsrückstand enthaltenen Wärmeenergie sind bekannt und z.B. in EP-C-0 046 406 sowie in EP-A-0 033 713 beschrieben. Einzelheiten dieser Anlagen kennt man auch aus US-A-3 672 069, 4 111 158 und 4 165 717. In US-A-4 453 495 wird ein Dampferzeuger mit Verbrennung in der zirkulierenden Wirbelschicht dadurch geregelt, daß man das Fluidisierungsgas nach Menge und Temperatur sowie die Menge der umlaufenden Feststoffe geeignet einstellt. In WO-A-83/03294 soll im Dampferzeuger mit Verbrennung in der zirkulierenden Wirbelschicht eine im wesentlichen konstante Bettemperatur eingehalten werden. Die Regelung erfolgt hierbei durch Einstellen der Menge an rückgeführten Feststoffen.
  • Wenn man den in diesen Anlagen erzeugten Wasserdampf zur Stromerzeugung im Kraftwerk nutzt, ist es wichtig, daß man Veränderungen, welche die Dampfproduktion beeinflussen, frühzeitig feststellt, um Regeleingriffe schnell vornehmen zu können, damit man die Dampfproduktion möglichst konstant hält. Die Turbine verlangt nämlich bei konstanter Leistung die Zufuhr von Wasserdampf in einer Menge, die praktisch konstant sein soll.
  • Beim eingangs genannten Verfahren wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man Druck und Temperatur oberhalb und unterhalb des Wärmeaustauschers in der Verbrennungszone und die Temperatur im Wasserdampfspeicher laufend mißt, den Wärmedurchgangskoeffizienten (K-Wert), den Wärmestrom und daraus die Menge des im Wärmeaustauscher erzeugten Wasserdampfs in einem Leitsystem laufend berechnet, mit dem von der Turbine benötigten Sollwert des Wasserdampfs vergleicht und bei einer Abweichung die Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft zur Verbrennungszone verändert.
  • Das Verfahren ist auch für eine Verbrennungsanlage geeignet, zu der eine Fließbettkühlung mit mehreren Kammern gehört, welcher man einen Teil des Verbrennungsrückstandes zuführt. Die Menge des Wasserdampfs, die in der Fließbettkühlung erzeugt wird, berechnet man ebenfalls und addiert sie der in der Verbrennungszone erzeugten Menge an Wasserdampf hinzu, wie es im Patentanspruch 2 definiert ist. Die berechnete Gesamtmenge des momentan erzeugten Wasserdampfs vergleicht man in mindestens einem Regler mit dem Sollwert und verändert die Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft der Differenz entsprechend.
  • Einzelheiten des Regelungsverfahrens werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1 eine Ausführungsform der zu regelnden Anlage in schematischer Darstellung und
    • Fig. 2 die Verarbeitung der Meßwerte.
  • Die Anlage zum Erzeugen des Wasserdampfs besteht im vorliegenden Fall aus einer zirkulierenden Wirbelschicht (1) mit Abscheidezyklon (2), Fließbettkühlung (3), Wärmeaustauscher (4) und Wasserdampfspeicher (5). Der Wärmeaustauscher (4) befindet sich im oberen Bereich der Verbrennungszone (7), er besteht z.B. aus senkrechten, parallel angeordneten Rohren (4a). Die Rohre sind bevorzugt ringförmig an der Innenseite der Wand der Verbrennungszone angeordnet.
  • Der feinkörnige und staubförmige Brennstoff, insbesondere Kohle, wird über eine Zufuhreinrichtung (10) und die Leitung (11) in den unteren Bereich der Verbrennungszone (7) eingetragen und zwar bevorzugt eingeblasen. Vorerhitzte Primärluft fördert das Gebläse (13) in das untere Ende der Wirbelschicht und Sekundärluft wird durch das Gebläse (14) zugeführt. Feststoffe und Gase verlassen die Verbrennung durch den Kanal (15) und werden im Zyklon (2) getrennt, wobei die Gase in der Leitung (17) abziehen und einer nicht dargestellten Gasreinigung zugeführt werden. Die abgeschiedenen Feststoffe werden durch die Leitungen (18) und (19) zum Teil in die Verbrennungszone (7) zurückgeführt, die restlichen Feststoffe gibt man durch die Leitung (20) der Fließbettkühlung (3) auf.
  • Die Fließbettkühlung (3) ist durch Zwischenwände (8) in mehrere, nur teilweise geschlossene Kammern (3a, 3b, 3c) unterteilt. Feststoffe und Gase können von einer Kammer in die andere gelangen. Durch ein Gebläse (22) wird jeder Kammer Luft zugeführt, welche die Feststoffe in wirbelnder Bewegung hält. Zu jeder Kammer gehören Wärmeaustauscher (6a, 6b, 6c). Wenn man in diese Wärmeaustauscher Wasser einleitet, um es zu verdampfen, werden sie nachfolgend "Verdampfer" genannt; der oder die Wärmeaustauscher, denen man Wasserdampf zuführt, um ihn zu überhitzen, seien "Überhitzer" genannt.
  • Die erwärmte Abluft aus der Fließbettkühlung (3) gibt man in der Leitung (23) in die Verbrennungszone (7), ebenso führt man einen Teil der gekühlten Feststoffe durch die Leitung (24) zurück in die Verbrennungszone (7), überschüssige Feststoffe zieht man in der Leitung (25) ab.
  • Aus dem Wasserdampfspeicher (5) gibt man Wasser durch die Leitung (28) in das untere Ende des Wärmeaustauschers (4), zieht den erzeugten Wasserdampf durch die Leitung (29) ab und gibt sie dem Speicher (5) auf. Durch die Leitung (30) führt man dem Speicher Speisewasser zu, das bevorzugt vorgewärmt ist und zieht den erzeugten Wasserdampf durch die Leitung (31) ab. In einem Überhitzer (32), der mehrstufig ausgebildet sein kann, überhitzt man den Wasserdampf und speist ihn durch die Leitung (33) in die Entspannungsturbine (34) ein. Abgekühlter Wasserdampf bzw. Kondensat verläßt die Turbine in der Leitung (35), Kondensat kann nach einer nicht dargestellten Aufbereitung durch die Leitung (30) in den Speicher (5) zurückgeführt werden.
  • Es ist ersichtlich, daß Schwankungen in der Produktion des Wasserdampfs nur mit großer Verzögerung in der zur Turbine (34) führenden Speiseleitung (33) ankommen und frühzeitig regulierend eingegriffen werden muß, wenn man den Dampfstrom in der Leitung (33) dem Bedarf der Turbine entsprechend konstant halten will. Zu diesem Zweck ist die Anlage mit verschiedenen Meßeinrichtungen ausgerüstet, nämlich:
    • T1 mißt die Temperatur im oberen Bereich der Verbrennungszone in der Nähe des Kanals (15),
    • T2 mißt die Temperatur in der Verbrennungszone etwas unterhalb des unteren Endes des Wärmeaustauschers (4),
    • T4 mißt die Sattdampf-Temperatur im Wasserdampfspeicher (5),
    • T5 mißt die Temperatur des dem Speicher (5) in der Leitung (30) zufließenden Wassers,
    • p1 mißt den Druck am oberen Ende der Verbrennungszone oberhalb des Wärmeaustauschers (4) und
    • p2 mißt den Druck wenig unterhalb des Wärmeaustauschers (4) in der Verbrennungszone (7).
  • Da im vorliegenden Fall auch die Verdampfer in der Fließbettkühlung (3) zur Dampfproduktion beitragen, muß auch hier in jeder Kammer, welche einen Verdampfer enthält, die Temperatur überwacht werden. Kammern mit Überhitzer werden nicht überwacht. Im Beispiel der Fig. 1 wird angenommen, daß die Kammer (3a) einen Wärmeaustauscher (6a) aufweist, der als Überhitzer arbeitet, wogegen die Wärmeaustauscher (6b) und (6c) der Kammern (3b) und (3c) der Verdampfung von Wasser dienen. Die Kammer (3c) weist deshalb die Temperaturüberwachung TV(1) auf und die Kammer (3b) enthält die Temperaturüberwachung TV(2). In der Praxis kann die Zahl der Kammern in der Fließbettkühlung (3) schwanken, auch können eine oder mehrere dieser Kammern Verdampfer enthalten. Beträgt die Zahl der Verdampfer-Kammern n, so gibt es die Temperatur-Meßstellen TV(1), TV(2),... und TV(n). Die Beiträge dieser verschiedenen Verdampfer zur Dampferzeugung müssen in den nachfolgend beschriebenen Berechnungen aufsummiert werden. Die von den Meßstellen erhaltenen Informationen (Druck oder Temperatur) werden nachfolgend der Einfachheit halber genauso wie die jeweilige Meßstelle bezeichnet.
  • In Fig. 2 ist dargestellt, wie die verschiedenen Meßstellen, die in Fig. 1 gezeigt sind, nämlich T1, T2, T4, T5, p1, p2, TV(1) und TV(2), ihre Informationen über Signalleitungen einem Leitsystem (40) zuführen. Dieses Leitsystem kann speziell auf die nachfolgend beschriebenen Berechnungen zugeschnitten sein, es kann sich aber auch um einen Rechner handeln. Das Leitsystem (40) berechnet laufend die momentan erzeugte Menge an Wasserdampf in der Anlage und gibt diese Information als Ist-Wert den Reglern (41) und (42) auf. Den Reglern gibt man auch den Sollwert m der von der Turbine (34) benötigten, in der Leitung (33) herangeführten Wasserdampfmenge ein. Der Ausgang des Reglers (41) führt über die Signalleitung (45) zur Brennstoffzufuhreinrichtung (10) und sorgt dafür, daß bei zu geringer Dampfproduktion mehr Brennstoff in die Verbrennung (7) geführt wird. Der Regler (42) steuert das Gebläse (13) über die Signalleitung (46) und das Gebläse (14) über die Signalleitung (47). Er sorgt dafür, daß bei erhöhtem Brennstoffbedarf in der Verbrennung (7) genügend Verbrennungsluft herangeführt wird.
  • Im Leitsystem (40) werden durch Rechenschaltungen oder ein Rechenprogramm die K-Werte (Wärmedurchgangskoeffizienten) des Wärmeaustauschers (4) und der Verdampfer (6b) und (6c), die Wärmeströme in diesen Anlagenteilen und daraus dann die Gesamtmenge des tatsächlich erzeugten Dampfes berechnet. Dabei benutzt man folgende Formeln, in welche die Temperatur in °C und der Druck in mbar einzusetzen sind:
  • Für den Wärmeaustauscher (4):
  • K-Wert: K  =  a · (p2 _ p1) _ b  +  c · (T1  +  T2)  +  d · T4
  • Wärmestrom: W  =  K · F · (0,5 · (T1  +  T2) _ T4)
  • Es bedeuten: F  =  Wärmeaustauschfläche des Wärmeaustauschers (4) in m².
  • Die Koeffizienten a, b, c und d haben je nach Anlage Werte in folgenden Bereichen:
  • a  =  4 bis 6
  • b  =  75,9 bis 121
  • c  =  0,082 bis 0,123
  • d  =  0,104 bis 0.157
  • Der genaue Wert eines Koeffizienten ist während des Probebetriebs der Anlage zu ermitteln.
  • Für die Verdampfer enthaltende Kammer i (i  =  1, 2,..., n) gelten folgende Formeln:
  • K-Wert: K(i)  =  a(i)  +  c(i) · TV(i)  +  d(i) · T4
  • Wärmestrom: W(i)  =  K(i) · F(i) · (TV(i) _ T4)
  • Es bedeuten:
  • F(i)  =  Wärmeaustauschfläche des Verdampfers der Kammer (i) in m²
  • Bereiche der Koeffizienten:
  • a(i)  =  170 bis 285
  • c(i)  =  0,162 bis 0,205
  • d(i)  =  0,124 bis 0,156
  • Die Gesamtmenge M (in kg/sec) des in allen Verdampfern erzeugten Wasserdampfs ergibt sich aus der Formel:
    M  =  X  :  Y
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
     Die Formeln gelten für verschiedene Anlagengrößen mit und ohne Fließbettkühlung.

Claims (2)

1. Verfahren zum Regeln der Erzeugung von Wasserdampf in einer Anlage zum Verbrennen fester, feinkörniger und staubförmiger Brennstoffe mit Luft in der Verbrennungszone (7) einer zirkulierenden Wirbelschicht, mit einem Wärmeaustauscher (4) im oberen Bereich der Verbrennungszone, mit einem mit dem Wärmeaustauscher verbundenen Wasserdampfspeicher (5) und mit einer Wasserdampf-Speiseleitung vom Wasserdampfspeicher zu einer Turbine (34), dadurch gekennzeichnet, daß man Druck und Temperatur oberhalb und unterhalb des Wärmeaustauschers (4) in der Verbrennungszone (7) und die Temperatur im Wasserdampfspeicher (5) laufend mißt, den Wärmedurchgangskoeffizienten (K-wert), den Wärmestrom und daraus die Menge des im Wärmeaustauscher (4) erzeugten Wasserdampfs in einem Leitsystem (40) laufend berechnet, mit dem von der Turbine (34) benötigen Sollwert des Wasserdampfs vergleicht und bei einer Abweichung die Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft zur Verbrennungszone (7) verändert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, mit einer zur Verbrennungsanlage gehörenden, mehrere Kammern (3a, 3b, 3c) aufweisenden Fließbettkühlung (3) für einen Teil des Verbrennungsrückstands, wobei die Kammern Wärmeaustauscher für die Verdampfung von Speisewasser oder für die Überhitzung von Wasserdampf enthalten, mit Zufuhr von Wirbelluft (22) zu den Kammern der Fließbettkühlung, wobei aus der Fließbettkühlung Abluft (23) und ein Teil des gekühlten Feststoffrückstands (24) in die Verbrennungszone (7) geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß man auch die Menge des in den Wasser verdampfenden Wärmeaustauschern (Verdampfern) (6b, 6c) in der Fließbettkühlung erzeugten Wasserdampfs im Leitsystem (40) laufend berechnet, indem man die Temperatur in den zu Verdampfern gehörenden Kammern (3b, 3c) laufend mißt und in das Leitsystem eingibt, die K-Werte, die zugehörigen Wärmeströme und daraus die Wasserdampfmengen berechnet und zur Menge des im Wärmeaustauscher (4) erzeugten Wasserdampfs addiert.
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