EP0325758A1

EP0325758A1 - Dampfkondensator

Info

Publication number: EP0325758A1
Application number: EP88121053A
Authority: EP
Inventors: Francisco Dr. Blangetti; Peter Stucki; Marc-Aurel Voth
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH; ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority date: 1988-01-22
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1989-08-02
Anticipated expiration: 2008-12-16
Also published as: DE3861964D1; US4967833A; AU607036B2; ES2021132B3; CA1309908C; EP0325758B1; AU2861889A; YU239088A

Abstract

In einem Dampfkondensator, in dem der Dampf an kühlwasserdurchflossenen, in separaten Bündeln (2) zusammengefassten Rohren (5) niedergeschlagen wird, wobei die in Reihen angeordneten Rohre (5) eines Bündels (2) einen Hohlraum (13) umschliessen, ist im Hohlraum (13) ein Kühler (14) für die nicht kondensierbaren Gase angeordnet. Es sind zwei voneinander beabstandete Bündel (2) vorgesehen, die über ihre ganze Peripherie vom Dampf beaufschlagt sind, wobei unabhängig von der Kondensator-Aussenform die Bündelform so gewählt ist, dass zwischen den Bündeln (2) einerseits sowie zwischen je einem Bündel (2) und der Kondensatorwandung (4) zunächst ein konvergenter - den Dampf beschleunigenden - Strömungskanal (15) gebildet ist und daran anschliessend ein - den Dampf umlenkenden - divergenter Stauteil (16) gebildet ist. Der Kühler (14) für die nicht kondensierbaren Gase befindet sich innerhalb eines Bündels (2) in der Ebene, in welcher ausserhalb des Bündels (2) der konvergente Dampfkanal (15) in den divergenten Teil (16) übergeht.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Dampfkondensator, in dem der Dampf an kühlwasserdurchflossenen, in separaten Bündeln zusammengefassten Rohren niedergeschlagen wird, wobei die in Reihen angeordneten Rohre eines Bündels einen Hohlraum umschliessen, in dem ein Kühler für die nichtkondensierbaren Gase angeordnet ist.

Stand der Technik

Ein derartiger Dampfkondensator ist aus der schweizerischen Patentschrift Nr. 423 819 bekannt. Dort sind in einem Kondensatorgehäuse die Kondensatorrohre in mehreren, sogenannten Teilbündeln angeordnet. Der Dampf strömt durch einen Abdampfstutzen in das Kondensatorgehäuse ein und verteilt sich im Raum durch Strömungskanäle. Diese verengen sich in der allgemeinen Richtung der Strömung derart , dass die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes in diesen Kanälen zumindest annähernd konstant bleibt. Die freie Zuströmung des Dampfes zu den aussenliegenden Rohren der Teilbündel ist gewahrt. Durch die Bündel strömt der Dampf anschliessend mit durch die geringe Rohrreihentiefe bedingtem kleinen Widerstand hindurch. Um die Bedingung der in den Zuströmkanälen konstant zu haltenden Dampfgeschwindigkeit erfüllen zu können, sind die Teilbündel im Kondensator so nebeneinander angeordnet, dass zwischen ihnen Strömungskanäle entstehen, die im Schnittbild in der gleichen Grössenordnung erscheinen wie die Teilbündel selbst. Des weiteren bilden die Rohre in den hintereinanderfolgenden Reihen eine in sich geschlossene Wand, die vorzugsweise durchwegs von gleicher Dicke ist.
Dieser bekannte Kondensator weist den Vorteil auf, dass durch die lockere Anordnung der Teilbündel alle peripheren Rohre eines Teilbündels ohne merklichen Durchverlust gut mit Dampf beschnickt sind. Andererseits bedingt das Erfordernis nach zumindest annähernd gleicher "Wandstärke" des berohrten Teilbündels um den Hohlraum herum eine relativ grosse Bauhöhe des Teilbündels. Hieraus resultiert die hervorragende Eignung dieses Teilbündelkonzeptes für Grosskondensatoren, bei denen eine Mehrzahl von Teilbündeln stehend nebeneinander angeordnet werden. Weniger geeignet ist diese bekannte Löstung für Dampfkondensatoren von kleinen Kraftwerksanlagen bis zu 100 MW elektrisch, in der Chemie oder in der Verfahrenstechnik, bei welchen die anfallenden Dampfmengen geringer sind.
Aus Kostengründen werden bei den zuletzt genannten Anlagen die Oberflächenkondensatoren vorwiegend in runder Form ausgeführt. Diese Konzepte werden normalerweise mit einseitiger Dampfspülung des Bündels durch einen in der Kondensatormitte angeordneten V-Schnitt ausgeführt. Die Flüsse werden in vertikaler Richtung von der Mitte nach aussen mit den Luftkühlern an beiden Mantelseiten angeordnet. Die typischen Schwachstellen dieser Konzepte liegen im Mangel an Kondensationsleistung der unteren Rohrpartien sowie an konsequenter Kondensatunterkühlung und hohem Sauerstoffgehalt im Kondensat, sowie in einem schlechten Teillastverhalten.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Kondensator der eingangs genannten Art beliebiger Grösse und von vorzugsweise einfacher äusserer Form zu schaffen, der die Vorteile der oben genannten Teilbündelkonzepte aufweist.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zwei voneinander beabstandete Bündel vorgesehen sind, die über ihre ganze Peripherie vom Dampf beaufschlagt sind, wobei unabhängig von der Kondensator-Aussenform die Bündelform so gewählt ist, dass zwischen den Bündeln einerseits sowie zwischen je einem Bündel und der Kondensatorwandung zunächst ein konvergenter - den Dampf beschleunigenden - Strömungskanal gebildet ist und daran anschliessend ein - den Dampf umlenkenden - divergenter Stauteil gebildet ist, und dass der Kühler für die nicht kondensierbaren Gase innerhalb eines Bündels sich in der Ebene befindet, in welcher ausserhalb des Bündels der konvergente Dampfkanal in den divergenten Teil übergeht.
Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, das infolge der bewusst realisierten Druckabsenkung in den durchströmten Gassen auf der Höhe des Luftkühlers zu beiden Seiten des jeweiligen Bündels der dampfseitige Druckabfall über das Bündel etwa konstant ist, so dass sich ein homogener Druckgradient in Richtung Kühler ergibt. Mit dieser Massnahme wird eine gute Dampfdurchspülung durch das Bündel erreicht. Nach Durchlauf der maximalen Geschwindigkeit erfährt der Dampf in der Gassen eine Abbremsung bis auf Null mit Druckrückgewinn auf dem Niveau des Kondensatsammelbehälters. Dies bewirkt eine Erhöhung der Sättigungstemperatur des Dampfes und damit eine Rückbildung der stattgefundenen Kondensatunterkühlung und der Sauerstoffkonzentration im Kondensat. Dadurch, dass durch die gewählte Strömungsführung der Stau erst am unteren Bündelende erfolgt, werden zudem Ansammlungen von nichtkondensierbaren Gasen in den Bündelgassen selbst vermieden.
Bei einer Zweifluss-Kühlwasserführung ist es zweckmässig, wenn das Kühlwasser zunächst die unteren Rohre eines jeden Bündels beaufschlagt, wobei der Kühler für die nicht kondensierbaren Gase vorzugsweise im Innern des zuerst beaufschlagten, unteren Rohrbündels angeordnet ist. Hierdurch werden die regenerativen Eigenschaften der Bündelkonfiguration unterstützt.
Es ist sinnvoll, wenn die Rohre das Kühlers im Hohlraum des Bündels mit einem Abdeckblech versehen sind, welches zudem als geschlossener Absaugkanal ausgebildet ist, der mit der Kühlerzone über Blenden kommuniziert. Das multifunktionale Abdeckblech schützt dabei die Kühlerrohre vor dem herabrinnenden Kondensat.
Ferner ist es bei Zwei- oder Mehrflussanordnungen unumgänglich, das Luft-Dampfgemisch seitlich aus dem Kondensator herauszuführen. Hierzu empfiehlt es sich, dass das vom Kühler in den Saugkanal einströmende Dampf-Luftgemisch aus dem Kanal über mindestens eine, jedes Bündel durchdringende Saugleitung abzusaugen, wozu an der Trennfläche zwischen den beiden Flüssen ein resp. zwei Rohrreihen im ansonsten geschlossenen Mantel fehlen und durch schikaneartige Dampfsperren ersetzt sind. Diese Dampfsperren verhindern ein direktes Einströmen des Dampfes zu den Luftkühlern.
Eine ähnliche Abschirmung ist zwar aus der bereits genannten CH-PS 423 819 bekannt. Indes handelt es sich dort um eine geschlossene Verschalung, welche in der Vertikalen ein Strömungshindernis darstellt, insbesondere für das herabtropfende Kondensat.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Kraftwerkkondensator schematisch dargestellt.
Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Kondensators;
Fig. 2 einen teilweisen Querschnitt durch den Kondensator;
Fig. 3 das Detail A aus Fig. 2 in vergrössertem Massstab.

Beim dargestellten Wärmeaustauscher handelt es sich um einen Oberflächenkondensator in runder Bauform, wie er geeignet ist für die sogenannte Unterfluranordnung. In der Regel weisen derartige Kondensatoren Austauschflächen zwischen 500 und 2500 m² auf.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Ueber einen nicht gezeigten Abdampfstutzen, mit dem der Kondensator an der Turbine hängt, strömt der Dampf in den länglichen Kondensatorhals 1 ein. Darin wird ein möglichst gutes homogenes Strömungsfeld erzeugt, um eine saubere Dampfbespülung der stromabwärts angeordneten Bündel 2 über deren ganze Länge vorzunehmen. Zwecks sauberer Verteilung des Dampfes können Umlenkschaufeln 3 im Kondensatorhals 1 vorgesehen sein.
Der Kondensationsraum im Innern des zylinderischen Kondensatormantels beinhaltet zwei getrennte Bündel 2. Dies hat unter anderem zum Ziel, dass auch während des Anlagenbetriebes eine kühlwasserseitige Teilabschaltung vorgenommen werden kann, beispielsweise zum Zwecke einer kühlwasserseitigen Inspektion des abgeschalteten Bündels. Die unabhängige Kühlwasserbeaufschlagung kommt dadurch zum Ausdruck, dass gemäss Fig. 1 die Wasserkammern durch eine vertikale Trennwand 10 in zwei Kompartimente unterteilt sind.
Die Bündel bestehen aus einer Anzahl Rohre 5, die an ihren beiden Ende jeweils in Rohrböden 6 befestigt sind. Jenseits der Rohrböden sind jeweils die Wasserkammern 7 angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist eine Zweifluss-Kühlwasserführung ge wählt, was bedingt, dass sich die Eintritts- und Austrittswasserkammern auf einer Seite des Kondensators und die Umkehrkammern auf dessen anderer Seite befinden. Um die Kondensatbelastung des unteren Bündelteiles gering zu halten, wird der untere Bündelteil zum ersten Fluss gewählt, d.h. das Kühlwasser wird dort eingeführt. Demzufolge bilden in Fig. 1 die unteren Wasserkammeranschlüsse die Eintrittsrohre 8 und die oberen Wasserkammeranschlüsse die Austrittsrohre 9. Horizontale Trennwände 11 unterteilen jeweils die Kammern in Eintritts- resp. Austrittskammern.
Das von den Bündeln 2 abfliessende Kondensat wird im Kondensatsammelgefäss 12 aufgefangen und gelangt von dort in den nicht dargestellten Wasser/Dampf-Kreislauf.
Im Innern jedes Bündels 2 ist ein Hohlraum 13 ausgebildet, in dem sich der mit nicht kondensierbaren Gasen - nachstehend Luft genannt - angereicherte Dampf sammelt. In diesem Hohlraum 13 ist ein Lufkühler 14 untergebracht. Das Dampf-Lutfgemisch durchströmt diesen Luftkühler, wobei der grösste Teil des Dampfes kondensiert. Der Rest des Gemisches wird am kalten Ende abgesaugt.
Soweit sind Kondensatoren bekannt. Dabei ist zu beachten, dass der sich im Innern des Rohrbündels befindliche Luftkühler die Wirkung hat, dass das Dampf-Gasgemisch innerhalb des Kondensatorbündels beschleunigt wird. Dadurch verbessern sich die Verhältnisse insofern, als keine kleinen Strömungsgeschwindigkeiten vorherrschen, die den Wärmeübergang beeinträchtigen könnten.
Ausgehend von der vorgegebenen Aussenform des Kondensators - im vorliegenden Fall ein Zylinder - ist die Form der beiden Bündel 2 so angepasst, dass folgende Ziele erreicht werden:
- Gute Ausnützung des Temperaturgefälles
- Kleiner Druckabfall im Rohrbündel trotz hoher Packungs dichte der Berohrung
- Keine stagnierenden Luftansammlungen in den Dampfgassen und den Bündeln
- Keine Unterkühlung des Kondensates
- Gute Entgasung des Kondensates.
Hierzu sind die Bündel so gestaltet, dass aller Rohre der Peripherie ohne merklichen Druckverlust gut mit Dampf angeströmt sind. Um nun eine homogene, saubere Dampfströmung zu gewährleisten und insbesondere um Stauungen innerhalb des Bündels auszuschliessen, sind die vorhandenen Strömungspfade zwischen den beiden Bündeln 2 einerseits sowie zwischen je einem Bündel und deren benachbarter Kondensatorwand folgendermassen ausgebildet:
Zunächst wird vorausgesetzt, dass über dem gesamten Ausströmquerschnitt des Kondensatorbodens 1 ein einigermassen homogenes Strömungsfeld vorherrscht, was unter anderem durch Anordnung der Umlenkschaufeln 3 erzielt werden kann. Diese sind dabei so angestellt, dass durch die Nachlaufströmung des Dampfes keine Schwingungen der zuerst vom Dampf beaufschlagten Rohre induziert werden.
Der überwiegende erste Teil 15 des Strömungspfades zwischen Bündelanfang und Bündelende ist konvergent ausgebildet. Darin erfährt der strömende Dampf eine räumliche Beschleunigung mit entsprechender Senkung des statischen Druckes. Dies verläuft ungefähr homogen an beiden Seiten des Bündels. Bei der vorzunehmenden Kanalverengung beidseits des Bündels ist dabei der Tatsache Rechnung zu tragen, dass infolge der Kondensation der Dampfmassenstrom zunehmend geringer wird.
Nach Erreichen der maximal vorgegebenen Geschwindigkeit soll der Dampf gemäss der Erfindung nunmehr bis auf die Geschwindigkeit Null abgebremst werden mit gleichzeitigem Druckrückgewinn. Dies wird dadurch erreicht, dass der zweite Teil 16 der Dampfgasse divergent ausgeführt wird. Auch hier gilt es zu beachten, dass die Kanalerweiterung infolge der zunehmenden Abnahme des Massenstromes optisch nicht erkennbar sein muss. Massgebend ist, dass der zum Kondensatorboden hinströmende Restdampf dort einen Staudruck erzeugt. Dadurch wird der Dampf umgelenkt und versorgt so auch die unteren Teile der Bündel. Die durch den Staudruck bedingte Temperaturerhöhung kommt dem von Rohr zu Rohr hinabfliessenden Kondensat zugute, indem es sich, falls es sich unter Sättigungstemperatur abgekühlt hatte, wieder erwärmt. Dadurch sichert man sich zwei Vorteile: Thermodynamische Verluste wegen Kondensatunterkühlung sind nicht vorhanden und der Sauerstoffgehalt des Kondensates ist auf ein Minimun reduziert.
Aus alldem ist zu erkennen, dass zur Spezifizierung des erfinderischen Gedankens keine Zahlenwerte angegeben werden können, da diese von allzu zahlreichen Parametern abhängig sind. Wesentlich ist, dass die Bündelperipherie gleichmässig mit Dampf beschickt werden soll.
Als weitere Massnahme, die der gleichmässigen Bündelbeaufschlagung mit Dampf dient, wird der Lufkühler 14 im Bündelinnern auf jenem Niveau angeordnet, auf dem beidseitig der Bündel der Druckverlauf in der durchströmten Gasse ein relatives Minimum durchläuft. Im gezeigten Beispiel befindet sich der Luftkühler gemäss Fig. 2 somit in der Bündelmitte und zwar im ersten Fluss unmittelbar unterhalb der Trennebene der beiden Flüsse. Das Bündel ist so gestaltet, dass die Dampfansaugung in den Hohlraum 13 - unter Berücksichtigung des wirksamen Druckes an der Rohrperipherie und auf Grund der unterschiedlichen Rohrreihendicke - in radialer Richtung homogen über alle im Hohlraum 13 angrenzenden Rohre wirkt. Daraus resultiert ein homogener Druckgradient und damit eine eindeutige Fliessrichtung des Dampfes und der nicht kondensierbaren Gase in Richtung Luftkühler.
Im Betrieb kondensiert der Dampf an den Rohren 5 und das Kondensat tropft gegen den Kondensatorboden ab. Dieses Abtropfen erfolgt innerhalb der Bündel, wobei das Kondensat mit Dampf steigenden Druckes in Berührung kommt.
Der Luftkühler 14 hat die Aufgabe, die nichtkondensierbaren Gase aus dem Kondensator zu entfernen. Bei diesem Vorgang sind die Dampfverluste so geringe wie möglich zu halten. Dies wird dadurch erreicht, dass das Dampf/Luftgemisch in Richtung Absaugkanal 17 beschleunigt wird. Die hohe Geschwindigkeit hat einen guten Wärmeübergang zur Folge, was zu einer weitgehenden Kondensation des Restdampfes führt. Zwecks Beschleunigung des Gemisches wird der Querschnitt in Strömungsrichtung zunehmend kleiner bemessen, wie es aus Fig. 3 hervorgeht. Die Luft wird über Blenden 18 in den Kanal 17 abgesaugt. Diese Blenden sind mehrfach über die ganze Kondensatorlänge verteilt und bewirken, dass die Saugwirkung in allen Kompartimenten des Kondensators homogen ist.
Ein Teil der Wandung des Absaugkanals 17 ist gleichzeitig als Abdeckblech 19 konzipiert. Dieses Blech ist über die Rohre des Kühlers gestülpt und schützt diese vor der oben nach unten fliessenden Dampf- und Kondensatströmung. Damit ist auch die Eintrittsrichtung des abzukühlenden Gemisches vorgegeben, nämlich von unten nach oben zu den Blenden 18 hin.
Um die Luft aus dem Absaugkanal 17 zum nicht dargestellten Saugapparat zu leiten, sind eine entsprechende Anzahl Rohre 5 aus den Bündeln 2 ausgespart. Je nach Grösse und Staffelung der Rohre 5 handelt es sich dabei um das Fortlassen entweder einer oder zweier Rohrreihen. Durch diese Aussparung wird mehrere, das Bündel durchdringende Saugleitungen 20 herausgeführt. Bei der dargestellten Zweiflussanordnung werden diese Aussparung an der Trennfläche zwischen den beiden Flüssen vorgesehen. Dadurch geht kein Platz verloren, da für die kühlwasserseitigen Trennwände 11 in den Wasserkammern ohnehin Montagefläche vorgesehen werden muss.
Der durch das Fortlassen der Rohre entstehende freie Raum wird mittels Dampfsperren 21 bestückt. Diese haben primär zum Ziel, einen Dampfbypass zu verhindern. Es handelt sich um längsgerichtete schikaneartige Bleche, die nichtgezeigte Durchtrittsöffnungen für die Saugleitungen 20 aufweisen. Diese Schikanen sind so konzipiert, dass sie den vertikalen Dampf- oder Kondensataustausch nicht unterbinden. In Richtung Dampfgasse/Kühler bilden sie ein Strömungshinderniss, das den gleichen Druckverlust aufweisen sollte wie die Originalberohrung.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte und beschriebene Beispiel beschränkt. So könnte in Abweichung zur gezeigten Zweiflussanordnung auch eine Einflussanordnung zur Ausführung gelangen. In diesem Fall ist es zweckmässig, wenn die nichtkondensierbaren Gase in Längsrichtung aus dem Kondensator herausgeführt werden statt quer durch die Bündel. Die Saugleitung durchdringt in diesem Fall einen der Rohrböden und die entsprechende Wasserkammer.

Claims

1. Dampfkondensator, in dem der Dampf an kühlwasserdurchflössenen, in separaten Bündeln (2) zusammengefassten Rohren (5) niedergeschlagen wird, wobei die in Reihen angeordneten Rohre eines Bündels einen Hohlraum (13) umschliessen, in dem ein Kühler (14) für die nicht kondensierbaren Gase angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei voneinander beabstandete Bündel (2) vorgesehen sind, die über ihre ganze Peripherie vom Dampf beaufschlagt sind, wobei unabhängig von der Kondensator-Aussenform die Bündelform so gewählt ist, dass zwischen den Bündeln (2) einerseits sowie zwischen je einem Bündel und der Kondensatorwandung zunächst ein konvergenter - den Dampf beschleunigenden - Strömungskanal (15) gebildet ist und daran anschliessend ein - den Dampf umlenkenden - divergenter Stauteil (16) gebildet ist, und dass der Kühler (14) für die nicht kondensierbaren Gase innerhalb eines Bündels sich in der Ebene befindet, in welcher ausserhalb des Bündels der konvergente Dampfkanal in den divergenten Teil übergeht.

2. Dampfkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zweifluss-Kühlwasserführung das Kühlwasser zunächst die unteren Rohre eines jeden Bündels (2) beaufschlagt, wobei der Kühler (14) für die nicht kondensierbaren Gase vorzugsweise im Innern des zuerst vom Wasser beaufschlagten, unteren Rohrbündels angeordnet ist.

3. Dampfkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre des Kühlers (14) im Hohlraum (13) des Bündels (2) mit einem Abdeckblech (19) versehen sind, welches als geschlossener Absaugkanal (17) ausgebildet ist, der mit der Kühlerzone über Blenden (18) kommuniziert.

4. Dampfkondensator nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Kühler in den Saugkanal einströmende Dampf-Luftgemisch aus dem Kanal über mindestens eine, das Bündel durchdringende Saugleitung (20) abgezogen wird, wozu an der Trennfläche zwischen den beiden Flüssen ein resp. zwei Rohrreihen im ansonsten geschlossenen Mantel fehlen und durch schikaneartige Dampfsperren (21) ersetzt sind.