EP0357590A1 - Abhitze-Dampferzeuger - Google Patents

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EP0357590A1
EP0357590A1 EP89890214A EP89890214A EP0357590A1 EP 0357590 A1 EP0357590 A1 EP 0357590A1 EP 89890214 A EP89890214 A EP 89890214A EP 89890214 A EP89890214 A EP 89890214A EP 0357590 A1 EP0357590 A1 EP 0357590A1
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EP
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waste heat
circulation
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water
drum
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Kurt Budin
Georg Dipl.-Ing. Dr. Gasteiger
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AE ENERGIETECHNIK GMBH
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Simmering Graz Pauker AG
Austrian Energy and Environment SGP Waagner Biro GmbH
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    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F22B1/1807—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines
    • F22B1/1815—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines using the exhaust gases of gas-turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B29/00—Steam boilers of forced-flow type
    • F22B29/04—Steam boilers of forced-flow type of combined-circulation type, i.e. in which convection circulation due to the difference in specific gravity between cold and hot water is promoted by additional measures, e.g. by injecting pressure-water temporarily

Definitions

  • the invention relates to a waste heat steam generator in use behind a gas turbine, at least one drum being provided, which is integrated in a circulation system consisting of at least one downpipe, at least one evaporator heating surface and at least one riser pipe.
  • Waste heat steam generators are usually designed in two types, e.g. with natural circulation or forced circulation.
  • natural circulation the evaporator bundles are arranged in a horizontal flue gas duct in a vertical installation position and connected to at least one steam drum via downpipes and riser pipes.
  • the heating surface tubes from the superheater and economizer or from various other heating surfaces, if present, can be designed in a horizontal and / or vertical arrangement.
  • the heating surface pipes from the superheater, evaporator and economizer or other heating surfaces, if present, are arranged in a vertical flue gas duct in a horizontal installation position.
  • the evaporator heating surfaces are connected to at least one steam drum via downpipes, circulation pumps and risers.
  • the circulation pumps which ensure the water circulation in the evaporator, are associated with a cost and labor in the construction of the system and also form a disruptive factor.
  • the object of the present invention is to provide a waste heat steam generator which is simulated by a gas turbine and has the advantage that the water circulation is ensured without the use of a circulation pump.
  • an injector is provided in the downpipe system, which additionally feeds water in the flow direction in the downpipe system during the start-up phase.
  • the acceleration of the water circulation in the start-up phase can be achieved by an injector arranged in the riser pipe system, which feeds water into the riser pipe system in the flow direction.
  • a device for feeding steam, steam water mixture, gases such as nitrogen or the like into the riser pipe system is provided to accelerate the water circulation in the start-up phase.
  • a lockable connecting line can be provided between the inlet and the outlet header of the evaporator heating surfaces in order to accelerate the water circulation in the start-up phase.
  • the waste heat steam generator in question is provided in a vertical version with an evaporator heating surface 1, a drum 2, a down pipe system 3, a riser pipe system 4 and a feed line 5 with a feed pump 6.
  • the drum 2 is connected on the water side to the downpipe system 3, which opens into an inlet header 7 via a lower stroke 29, to which the pipe system of the evaporator heating surface 1 is connected.
  • the term "lower stroke” is to be understood so that the downpipes 3 are led down to a level which is lower than the inlet manifold 7 of the evaporator heating surface 1, so that the water flows from the bottom up before it enters the collector.
  • the "lower stroke” can thus be understood as a kind of water bag.
  • the evaporator heating surface 1 is connected on the outlet side to an outlet header 8, into which the riser pipe system 4 opens, which is connected to the steam chamber of the drum 2 via an overtravel 9, or directly via a pipe system 10 to the water chamber 11 of the drum 2.
  • overstroke is to be understood such that the steam / water mixture is introduced into the drum 2 higher than the level of the water in the drum.
  • the feed pump 6 promotes the like from a feed water tank. Via the feed line 5 water into the water space 11 for make-up.
  • an injector 12 is provided in the downpipe system 3, which is connected to a shut-off device 14, e.g. a valve, a tap or the like.
  • a shut-off device 14 e.g. a valve, a tap or the like.
  • provided line 13 is connected to the feed line 5.
  • a second variant provides a pump 16 in a bypass line 15 which connects the downpipe system 3 with an injector 17 Riser pipe system 4 connects.
  • This pump 16 feeds boiler water into the riser pipe system 4 in its direction of flow, as a result of which the water circulation is dynamically excited in the start-up phase and the excitation can be switched off again after the stationary circulation state has been reached by switching off the pump 16.
  • the riser pipe system 4 can be fed from a line 18 in which a shut-off device 19, e.g. a valve, a tap or the like. steam, nitrogen or another gas. This measure increases the thermosiphon effect and ensures an acceleration of the circulation process in the start-up phase.
  • a shut-off device 19 e.g. a valve, a tap or the like. steam, nitrogen or another gas.
  • a fourth variant sees one through a shut-off device 21, e.g. a valve, a tap or the like.
  • lockable line 22 which connects the inlet header 7 to the outlet header 8 of the evaporator heating surface 1.
  • the installation of such a lockable connecting line 22 between at least one inlet and at least one outlet header 7 or 8 of the evaporator heating surfaces 1 ensures that when the first vapor bubbles are formed, they stimulate the water circulation in the start-up phase by direct discharge into the riser pipe system 4.
  • thermosiphon effect of the water circulation can be advantageously influenced by suitable dimensioning of the pipe system of the evaporator heating surfaces 1 and of the downcomer and riser pipe systems 3 and 4.
  • the waste heat boiler design can be retained in the known embodiment and the use of circulation pumps in the circuit can be dispensed with.
  • the evaporator heating surface 1 is arranged in a horizontal arrangement in an exhaust gas duct 23, into which the exhaust gases of one or more gas turbines flow in the direction of arrow A, above and / or below the evaporator heating surface 1, a superheater heating surface 24 can also be provided in a horizontal arrangement, which is connected on the inlet side to the steam chamber 26 of the drum 2 via an inlet collector 30 and a line 25 and on the outlet side leads to the turbine via an outlet collector 31 and a line 27 provided with a shut-off device 28 .

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Abstract

Abhitze-Dampferzeuger in vertikaler Bauart mit einer Trommel (2), welche in ein Umlaufsystem bestehend aus Fallrohren (3), Verdampferheizfläche (1) und Steigrohren (4) eingebunden ist. Zur Erzielung eines Wasserumlaufes ohne Verwendung einer Umwälzpumpe sind die Fallrohre (3) mit der Verdampferheizfläche (1) bzw. deren Eintrittssammler (7) über einen Unterhub (29) verbunden. Außerdem können die Steigrohre (4) mit dem Dampfraum (26) der Trommel (2) über einen Überhub (9) und oder mit dem Wasserraum (11) der Trommel (2) direkt verbunden sein.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abhitze-Dampferzeuger in der Verwendung hinter einer Gasturbine, wobei mindestens eine Trommel vorgesehen ist, welche in ein Umlaufsystem, bestehend aus mindestens einem Fallrohr, mindestens einer Verdampferheizfläche und mindestens einem Steigrohr eingebunden ist.
  • Üblicherweise werden Abhitze-Dampferzeuger in zwei Bauarten ausgeführt u.zw. mit Naturumlauf oder Zwangsumlauf. Beim Naturumlauf sind die Verdampferbündel in einem horizontalen Rauchgaskanal in vertikaler Einbaulage angeordnet und über Fallrohre und Steigrohre mit mindestens einer Dampftrommel verbunden. Hiebei können die Heizflächenrohre vom Überhitzer und Economizer bzw. von diversen anderen Heizflächen falls vorhanden, in waagrechter und bzw. oder senkrechter Anordnung ausgeführt sein.
  • Beim Zwangsumlauf sind die Heizflächenrohre vom Überhitzer, Verdampfer und Economizer bzw. andere Heizflächen, falls vorhanden, in einem vertikalen Rauchgaskanal in horizontaler Einbaulage angeordnet. Die Verdampferheizflächen sind über Fallrohre, Umwälzpumpen und Steigrohre mit mindestens einer Dampftrommel verbunden. Die Umwälzpumpen, welche den Wasserumlauf im Verdampfer sicherstellen, sind mit einem Kosten- und Arbeitsaufwand bei der Erstellung der Anlage verbunden und bilden außerdem einen Störfaktor.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Abhitze-­Dampferzeugers, welcher einer Gasturbine nachgestellt ist und den Vorteil hat, daß der Wasserumlauf ohne Verwendung einer Umwälzpumpe sichergestellt wird.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Abhitze-Dampferzeuger der eingangs erwähnten Art durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:
    • a) daß die Fallrohre mit der Verdampferheizfläche über einen Unterhub
    • b) daß die Verdampferheizfläche horizontal angeordnet ist und
    • c) daß der Umlauf ein Naturumlauf ist.
  • Durch die Verwendung einer horizontal angeordneten Verdampferheizfläche wird eine kompakte Konstruktion des Dampferzeugers erzielt, wobei der Unterhub den richtigen Wasserumlauf sicherstellt, ohne daß es einer Umwälzpumpe bedarf, die abgesehen vom Kostenaufwand die Konstruktion verkompliziert und die Störanfälligkeit der Anlage erhöht.
  • Zur Beschleunigung des Wasserumlaufes in der Anfahrphase ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung in Fallrohrsystem ein Injektor vorgesehen, welcher in der Anfahrphase in das Fallrohrsystem zusätzlich Wasser in der Strömungsrichtung einspeist.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Beschleunigung des Wasserumlaufes in der Anfahrphase durch einen im Steigrohrsystem angeordneten Injektor erreicht werden, der Wasser in das Steigrohrsystem in der Strömungsrichtung einspeist.
  • Gemäß einer anderen Variante der Erfindung ist zur Beschleunigung des Wasserumlaufes in der Anfahrphase eine Einrichtung zur Einspeisung von Dampf, Dampfwassergemisch, Gasen, wie Stickstoff od. dgl. in das Steigrohrsystem vorgesehen.
  • Schließlich kann zur Beschleunigung des Wasserumlaufes in der Anfahrphase zwischen dem Ein- und dem Austrittssammler der Verdampferheizflächen eine absperrbare Verbindungsleitung vorgesehen sein.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert, in welcher ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abhitze-Dampferzeugers schematisch dargestellt ist.
  • Der gegenständliche Abhitze-Dampferzeuger ist in vertikaler Ausführung mit einer Verdampferheizfläche 1, einer Trommel 2, einem Fallrohrsystem 3, einem Steigrohrsystem 4, sowie einer Speiseleitung 5 mit einer Speisepumpe 6 versehen. Die Trommel 2 ist wasserseitig an das Fallrohrsystem 3 angeschlossen, welches über einen Unterhub 29 in einen Eintrittssammler 7 mündet, an den das Rohrsystem der Verdampferheizfläche 1 angeschlossen ist. Der Begriff "Unterhub" ist so zu verstehen, daß die Fallrohre 3 nach unten bis zu einer Ebene geführt sind, die tiefer gelegen ist als der Eintrittssammler 7 der Verdampferheizfläche 1, sodaß das Wasser von unten nach oben strömt bevor es in den Sammler eintritt. Der "Unterhub" kann somit als eine Art Wassersack verstanden werden. Die Verdampferheizfläche 1 ist ausgangsseitig an einen Austrittssammler 8 angeschlossen, in welchen das Steigrohrsystem 4 mündet, das mit dem Dampfraum der Trommel 2 über einen Überhub 9, oder direkt über ein Rohrsystem 10 mit dem Wasserraum 11 der Trommel 2 verbunden ist. Der Begriff "Überhub" ist so zu verstehen, daß das Dampfwassergemisch höher als der Spiegel des Wassers in der Trommel 2 in diese eingeführt wird.
  • Die Speisepumpe 6 fördert aus einem Speisewasserbehälter od.dgl. über die Speiseleitung 5 Wasser in den Wasserraum 11 zur Nachspeisung.
  • Zur Beschleunigung des Wasserumlaufes in der Anfahrphase können als Anfahrhilfe diverse Systeme eingesetzt werden:
  • Nach einer ersten Variante ist im Fallrohrsystem 3 ein Injektor 12 vorgesehen, welcher über eine mit einem Absperrorgan 14, z.B. einem Ventil, einem Hahn od.dgl. versehene Leitung 13 an die Speiseleitung 5 angeschlossen ist. Durch Einspeisung eines Teilstromes aus der Speiseleitung 5 in das Fallrohrsystem 3 in der Strömungsrichtung im Fallrohrsystem 3 wird eine dynamische Anregung des Wasserumlaufes in der Anfahrphase sichergestellt.
  • Eine zweite Variante sieht eine Pumpe 16 in einer Nebenstromleitung 15 vor, welche das Fallrohrsystem 3 mit einem Injektor 17 im Steigrohrsystem 4 verbindet. Diese Pumpe 16 speist Kesselwasser, in das Steigrohrsystem 4 in deren Strömungsrichtung ein, wodurch der Wasserumlauf in der Anfahrphase dynamisch angeregt wird und nach Erreichen des stationären Umlaufzustandes durch Abschalten der Pumpe 16 die Anregung wieder ausgeschaltet werden kann.
  • Im Rahmen der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, die Leitung 15 an die Leitung 5 anzuschließen, in welchem Fall Speisewasser eingeführt wird, wobei die Pumpe 16 entfallen kann. Natürlich kann Wasser auch aus jedem anderen System genommen werden.
  • Gemäß einer dritten Variante kann in das Steigrohrsystem 4 aus einer Leitung 18, in welcher sich ein Absperrorgan 19, z.B. ein Ventil, ein Hahn od.dgl. befindet, Dampf, Stickstoff oder ein anderes Gas eingeblasen werden. Durch diese Maßnahme wird die Thermosyphonwirkung verstärkt und eine Beschleunigung des Umlaufvorganges in der Anfahrphase sichergestellt.
  • Eine vierte Variante sieht eine durch ein Absperrorgan 21, z.B. ein Ventil, einen Hahn od.dgl. absperrbare Leitung 22 vor, welche den Eintrittssammler 7 mit dem Austrittssammler 8 der Verdampferheizfläche 1 verbindet. Der Einbau einer solchen absperrbaren Verbindungsleitung 22 zwischen mindestens einem Ein- und mindestens einem Austrittssammler 7 bzw. 8 der Verdampferheizflächen 1 stellt sicher, daß bei Bildung der ersten Dampfblasen diese durch direkte Ableitung in das Steigrohrsystem 4 den Wasserumlauf in der Anfahrphase anregen.
  • Durch geeignete Dimensionierung des Rohrsystems der Verdampferheiz­flächen 1 und des Fall- und des Steigrohrsystems 3 bzw. 4 kann die Thermosyphonwirkung des Wasserumlaufes vorteilhaft beeinflußt werden.
  • Außerdem ist es vorteilhaft für die Verdampferheizfläche 1, wie in der Zeichnung angedeutet ist, Rippenrohre zu verwenden.
  • Durch den Unterhub 29 und vorzugsweise auch den Überhub 9 und bzw. oder die direkte Verbindung des Steigrohrsystems 4 mit dem Wasserraum 11 der Trommel 2 kann die Abhitzekesselausführung in der bekannten Ausführungsform beibehalten werden und auf die Verwendung von Umwälzpumpen im Kreislauf verzichtet werden.
  • Für die Verwendung des Abhitze-Dampferzeugers hinter Gasturbinen wird die Verdampferheizfläche 1, wie dargestellt, in horizontaler Anordnung in einem Abgaskanal 23 angeordnet, in welchen die Abgase einer oder mehrerer Gasturbinen in Richtung des Pfeiles A einströmen, wobei über und bzw. oder unter der Verdampferheizfläche 1 eine Überhitzerheiz­fläche 24 ebenfalls in horizontaler Anordnung vorgesehen sein kann, die eingangsseitig über einen Eintrittssammler 30 und eine Leitung 25 mit dem Dampfraum 26 der Trommel 2 in Verbindung steht und ausgangsseitig über einen Austrittssammler 31 und eine mit einem Absperrorgan 28 versehene Leitung 27 zur Turbine führt.

Claims (7)

1. Abhitze-Dampferzeuger in der Verwendung hinter einer Gasturbine, wobei mindestens eine Trommel vorgesehen ist, welche in ein Umlaufsystem, bestehend aus mindestens einem Fallrohr, mindestens einer Verdampferheizfläche und mindestens einem Steigrohr, eingebunden ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
a) daß die Fallrohre (3) mit der Verdampferheizfläche (1) über einen Unterhub (29) verbunden sind,
b) daß die Verdampferheizfläche (1) horizontal angeordnet ist und
c) daß der Umlauf ein Naturumlauf ist.
2. Abhitze-Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampferheizfläche (1) aus Rippenrohren besteht.
3. Abhitze-Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigrohre (4) mit der Trommel (2) über einen Unterhub (9) mit dem Dampfraum (26) und bzw. oder der Trommel (2) direkt verbunden sind.
4. Abhitze-Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigrohre (4) mit der Trommel (2) mit dem Wasserraum (11) derselben direkt verbunden sind.
5. Abhitze-Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschleunigung des Wasserumlaufes in der Anfahrphase im Steigrohrsystem (4) ein Injektor (17) angeordnet ist, der Wasser in das Steigrohrsystem (4) einspeist.
6. Abhitze-Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschleunigung des Wasserumlaufes in der Anfahrphase eine Einrichtung zur Einspeisung von Dampf, Dampfwassergemisch, Gasen, wie Stickstoff od. dgl. in das Steigrohrsystem (4) vorgesehen ist.
7. Abhitze-Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschleunigung des Wasserumlaufes in der Anfahrphase zwischen dem Ein- und dem Austrittssammler (7 bzw. 8) der Verdampferheizfläche (1) eine absperrbare Verbindungsleitung (22) vorgesehen ist.
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