EP0944801B1 - Dampferzeuger - Google Patents

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EP0944801B1
EP0944801B1 EP97951103A EP97951103A EP0944801B1 EP 0944801 B1 EP0944801 B1 EP 0944801B1 EP 97951103 A EP97951103 A EP 97951103A EP 97951103 A EP97951103 A EP 97951103A EP 0944801 B1 EP0944801 B1 EP 0944801B1
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EP
European Patent Office
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steam
steam generator
once
generator
heating
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EP97951103A
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English (en)
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EP0944801A1 (de
Inventor
Eberhard Wittchow
Joachim Franke
Rudolf Kral
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0944801A1 publication Critical patent/EP0944801A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0944801B1 publication Critical patent/EP0944801B1/de
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    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • 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
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    • 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
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    • F22B29/06—Steam boilers of forced-flow type of once-through type, i.e. built-up from tubes receiving water at one end and delivering superheated steam at the other end of the tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/10—Water tubes; Accessories therefor
    • F22B37/12—Forms of water tubes, e.g. of varying cross-section
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    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/62—Component parts or details of steam boilers specially adapted for steam boilers of forced-flow type
    • F22B37/70—Arrangements for distributing water into water tubes
    • F22B37/74—Throttling arrangements for tubes or sets of tubes

Definitions

  • the invention relates to a steam generator.
  • the In a gas and steam turbine plant, the is relaxed Work equipment or heating gas from the gas turbine contained Heat used to generate steam for the steam turbine.
  • the heat transfer takes place in a downstream of the gas turbine Heat recovery steam generator, in which usually a Number of heating surfaces for water preheating, for steam generation and is arranged for steam superheating.
  • the heating surfaces are connected to the steam turbine water-steam cycle.
  • the water-steam cycle usually comprises several e.g. three, pressure levels, each pressure level an evaporator heating surface can have.
  • a high live steam pressure promotes high thermal efficiency and thus low CO 2 emissions from a fossil-fired power plant.
  • a continuous steam generator has a simple design compared to a circulation steam generator and can therefore be produced with particularly little effort.
  • the use of a steam generator designed according to the continuous flow principle as waste heat steam generator of a gas and steam turbine system is therefore particularly favorable in order to achieve a high overall efficiency of the gas and steam turbine system with a simple construction.
  • a continuous steam generator can basically in one of two alternative designs, namely standing Construction or lying construction.
  • a once-through steam generator in a lying design is for a flow of the heating medium or heating gas, for example of the exhaust gas from the gas turbine, in approximately horizontal Direction designed, whereas a continuous steam generator in a standing construction for a flow through the heating Medium is designed in an approximately vertical direction.
  • a continuous steam generator in a horizontal design is in contrast to a continuous steam generator in a standing construction with particularly simple means and with particularly little Manufacturing and assembly costs can be produced.
  • the steam generator tubes are in a horizontal construction a heating surface, however, depending on its positioning exposed to very different heating.
  • individual steam generator tubes to a merger of steam flow with widely differing Steam parameters and thus to undesirable losses in efficiency, especially a comparatively reduced one Effectiveness of the affected heating surface and thereby reduced steam generation.
  • Different heating Adjacent steam generator tubes can also, in particular in the area of their confluence with an outlet collector, lead to damage to the steam generator pipes or the collector.
  • a steam generator with the features of the preamble of claim 1 is known from FR-A-1 558 043.
  • the invention has for its object a steam generator specify that is suitable for a horizontal design is and also the advantages of a continuous steam generator having.
  • the steam generator should continue one particularly high efficiency of a fossil-fired power plant enable.
  • Continuous heating surface is to be understood here as a heating surface which is designed according to the flow principle. That the Flow medium supplied flow medium is therefore in the single pass through the continuous heating surface or through a a plurality of continuous heating surfaces connected in series comprehensive heating surface system completely evaporated.
  • a continuous heating surface of such a heating surface system can also be used for preheating or overheating of the flow medium can be provided.
  • the or each continuous heating surface, particularly in the manner of a Pipe bundle a number of consecutively in the heating gas direction arranged pipe layers include, each of a number of steam generator tubes arranged side by side in the heating gas direction is formed.
  • the invention is based on the consideration that for a a design in a horizontal design suitable steam generator for a high efficiency the impact of a local different heating on the steam parameters especially should be kept low.
  • Steam generator tubes should be the one flowing through the steam generator tubes Medium after it emerges from the steam generator tubes for each one assigned to a common continuous heating surface Steam generator tube approximately the same temperature and / or have the same vapor content.
  • An approximation the temperatures of the respective steam generator tubes escaping flow medium even with different heating the respective steam generator tubes can be reached by each steam generator tube for one at its average, heating dependent on its position in the heating gas duct adapted flow of the medium is designed.
  • the steam generator tubes at least one Continuous heating surface on average for a ratio of friction pressure loss to geodetic pressure drop at full load of less than 0.4, preferably less than 0.2, or dimensioned.
  • the Design for a full load pressure at the superheater outlet from 80 bar or less is advantageously the Steam generator tubes of at least one continuous heating surface Average pressure level for a ratio of frictional pressure loss to geodetic pressure drop at full load of less than 0.6, preferably less than 0.4.
  • the geodetic pressure drop gives the pressure drop due to the weight of the water and steam column based on the area of the flow cross-section in the steam generator tube.
  • the loss of friction pressure on the other hand describes the pressure drop in the steam generator tube as a result the flow resistance for the flow medium.
  • the total pressure drop in a steam generator pipe settles in essentially from the geodetic pressure drop and the loss of friction pressure.
  • Each steam generator tube is expediently a continuous heating surface for a higher throughput of the flow medium designed as each downstream in the direction of the heating gas Steam generator tube of the same continuous heating surface.
  • a steam generator tube of the or each continuous heating surface has a larger inner diameter than one in the direction of the heating gas seen downstream steam generator tube of the same Continuous heating surface.
  • a throttle device upstream is a number of steam generator tubes or each continuous heating surface in the direction of flow of the flow medium a throttle device upstream. You can especially in the design case compared to steam generator pipes the same continuous heating surface, less heated steam generator tubes be provided with the throttle device.
  • the Throughput of the steam generator tubes of a once-through heating surface is thus controllable, so that an additional adjustment of the Throughput to the heating is enabled.
  • the steam generator pipes can also have a throttle device in groups be upstream.
  • each continuous heating surface a plurality of entry collectors and / or a plurality of Assigned to exit collectors, with each entry collector in Flow direction of the flow medium a number of Steam generator tubes of the respective continuous heating surface together is upstream or each outlet collector one Number of steam generator tubes of the respective continuous heating surface is connected downstream. So one is special favorable spatial arrangement of the steam generator tubes in your Connection area to the entry collector possible.
  • each steam generator tube has a particularly high heat absorption expediently a ribbing on the outside on.
  • each steam generator tube can expediently on its inner wall with a thread-like ribbing be provided to the heat transfer from the steam generator tube to increase the flow medium flowing in it.
  • the steam generator is expediently used as a waste heat steam generator a gas and steam turbine plant used.
  • the steam generator is advantageously one on the hot gas side Downstream gas turbine.
  • This circuit can be used expediently Additional firing behind the gas turbine to increase the Schugastemparatur be arranged.
  • Embodiments of the invention are based on a drawing explained in more detail. In it show:
  • Figures 1, 2 and 3 each in a simplified representation in Longitudinal section of a steam generator in a horizontal construction.
  • the steam generator 1 according to Figures 1, 2 and 3 is in the Type of heat recovery steam generator not shown Downstream gas turbine.
  • the steam generator 1 has a surrounding wall 2, which approximately in one horizontal, indicated by the arrows 4 heating gas direction flowable heating gas channel 3 for the exhaust gas from the Forms gas turbine.
  • the heating gas channel 3 there is a number of after heating surfaces designed according to the continuous flow principle, also as continuous heating surfaces 8, 10 designated.
  • the embodiment according to Figures 1, 2 and 3 are two continuous heating surfaces 8, 10, but it can also only a continuous heating surface or a larger number of continuous heating surfaces be provided.
  • the continuous heating surfaces 8, 10 each comprise a number of in the manner of a tube bundle Pipe layers 11 arranged one behind the other in the heating gas direction or 12.
  • Each tube layer 11, 12 in turn comprises one Number of juxtaposed in the heating gas direction Steam generator tubes 13 and 14, of which for each tube layer 11, 12 only one is visible at a time.
  • the almost vertical arranged to flow through a flow medium W in parallel switched steam generator tubes 13 of the first continuous heating surface 8 are on the output side to a common one Outlet collector 15 connected.
  • the same arranged approximately vertically, to flow through a Flow medium W steam generator pipes connected in parallel 14 of the second continuous heating surface 10, however, are on the output side connected to an outlet collector 16 common to them.
  • the steam generator tubes 14 of the second continuous heating surface 10 are the steam generator tubes 13 of the first Flow heating surface 8 fluidically via a downpipe system 17 downstream.
  • the evaporator system formed from the continuous heating surfaces 8, 10 can be acted upon with the flow medium W, which at evaporates once through the evaporator system and after exiting the second continuous heating surface 10 as Steam D is discharged. That from the continuous heating surfaces 8, 10 evaporator system formed is in the not shown Water-steam cycle of a steam turbine switched. In addition to the continuous heating surfaces 8, 10 Evaporator systems are in the water-steam cycle the steam turbine a number more, in Figures 1, 2 and 3 schematically indicated heating surfaces 20 switched. Both Heating surfaces 20 can, for example, be superheaters Medium pressure evaporator, around low pressure evaporator and / or around Act preheater.
  • the continuous heating surfaces 8, 10 are designed such that local Differences in the heating of the steam generator tubes 13 or 14 only to small temperature differences or Differences in steam content from the respective steam generator pipes 13 or 14 escaping flow medium W.
  • Each steam generator tube 13, 14 has due to the Interpretation of the respective continuous heating surface 8.10 a higher Flow rate of the flow medium W on as each in it Steam generator tube 13 viewed downstream of the heating gas direction or 14 of the same continuous heating surface 8 or 10.
  • the steam generator tubes are 13 of the first continuous heating surface 8, the input side are connected to an entry collector 21, such designed that during full load operation of the steam generator 1 the ratio of frictional pressure loss to geodetic Pressure drop within the respective steam generator tube 13 in Average is less than 0.2.
  • each steam generator tube 13, 14 of the continuous heating surface 8 and 10 a larger one Have inner diameters than each in the direction of the heating gas seen downstream steam generator tube 13 or 14 of the same Continuous heating surface 8 or 10.
  • each continuous heating surface is 8, 10 each have a plurality of entry collectors 26 or 28 and a plurality of exit collectors 30 or 32 assigned, which makes grouping particularly easy Way is possible.
  • Each entry collector is 26, 28 in the flow direction of the flow medium W a number of steam generator tubes 13 and 14 of the respective continuous heating surface 8 or 10 upstream together.
  • Every exit collector 30, 32 is in the flow direction of the Flow medium W of a number of steam generator tubes 13 or 14 of the respective continuous heating surface 8 or 10 together downstream.
  • a throttle device 34 is connected upstream of each tube group.
  • the continuous steam generator 1 is in terms of design its continuous heating surfaces 8, 10 to the spatially inhomogeneous Heating of the steam generator tubes 13, 14 due to the lying Design adapted.
  • the steam generator 1 is therefore particularly special also suitable for a horizontal construction.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger.
Bei einer Gas- und Dampfturbinenanlage wird die im entspannten Arbeitsmittel oder Heizgas aus der Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für die Dampfturbine genutzt. Die Wärmeübertragung erfolgt in einem der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger, in dem üblicherweise eine Anzahl von Heizflächen zur wasservorwärmung, zur Dampferzeugung und zur Dampfüberhitzung angeordnet ist. Die Heizflächen sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine geschaltet. Der Wasser-Dampf-Kreislauf umfaßt üblicherweise mehrere, z.B. drei, Druckstufen, wobei jede Druckstufe eine Verdampferheizfläche aufweisen kann.
Für den der Gasturbine als Abhitzedampferzeuger heizgasseitig nachgeschalteten Dampferzeuger kommen mehrere alternative Auslegungskonzepte, nämlich die Auslegung als Durchlaufdampferzeuger oder die Auslegung als Umlaufdampferzeuger, in Betracht. Bei einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von als Verdampferrohren vorgesehenen Dampferzeugerrohren zu einer Verdampfung des Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem einmaligen Durchlauf. Im Gegensatz dazu wird bei einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger das im Umlauf geführte Wasser beim Durchlauf durch die Verdampferrohre nur teilweise verdampft. Das dabei nicht verdampfte Wasser wird nach einer Abtrennung des erzeugten Dampfes für eine weitere Verdampfung denselben Verdampferrohren erneut zugeführt.
Ein Durchlaufdampferzeuger unterliegt im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so daß Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser (pkri = 221 bar) - wo es nur noch einen geringen Dichteunterschied gibt zwischen flüssigkeitsähnlichem und dampfähnlichem Medium - möglich sind. Ein hoher Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermischen Wirkungsgrad und somit niedrige CO2-Emissionen eines fossilbeheizten Kraftwerks. Zudem weist ein Durchlaufdampferzeuger im Vergleich zu einem Umlaufdampferzeuger eine einfache Bauweise auf und ist somit mit besonders geringem Aufwand herstellbar. Die Verwendung eines nach dem Durchlaufprinzip ausgelegten Dampferzeugers als Abhitzedampferzeuger einer Gas- und Dampfturbinenanlage ist daher zur Erzielung eines hohen Gesamtwirkungsgrades der Gas- und Dampfturbinenanlage bei einfacher Bauweise besonders günstig.
Ein Durchlaufdampferzeuger kann grundsätzlich in einer von zwei alternativen Bauformen ausgeführt sein, nämlich in stehender Bauweise oder in liegender Bauweise. Ein Durchlaufdampferzeuger in liegender Bauweise ist dabei für eine Durchströmung des beheizenden Mediums oder Heizgases, beispielsweise des Abgases aus der Gasturbine, in annähernd horizontaler Richtung ausgelegt, wohingegen ein Durchlaufdampferzeuger in stehender Bauweise für eine Durchströmung des beheizenden Mediums in einer annähernd vertikalen Richtung ausgelegt ist.
Ein Durchlaufdampferzeuger in liegender Bauweise ist im Gegensatz zu einem Durchlaufdampferzeuger in stehender Bauweise mit besonders einfachen Mitteln und mit besonders geringem Fertigungs- und Montageaufwand herstellbar. Bei einem Durchlaufdampferzeuger in liegender Bauweise sind die Dampferzeugerrohre einer Heizfläche jedoch je nach ihrer Positionierung einer stark unterschiedlichen Beheizung ausgesetzt. Insbesondere bei ausgangsseitig in einen gemeinsamen Austrittssammler mündenden Dampferzeugerrohren kann eine unterschiedliche Beheizung einzelner Dampferzeugerrohre jedoch zu einer Zusammenführung von Dampf strömen mit stark voneinander abweichenden Dampfparametern und somit zu unerwünschten Wirkungsgradverlusten, insbesondere zu einer vergleichsweise verringerten Effektivität der betroffenen Heizfläche und dadurch reduzierten Dampferzeugung, führen. Eine unterschiedliche Beheizung benachbarter Dampferzeugerrohre kann zudem, insbesondere im Bereich ihrer Einmündung in einen Austrittssammler, zu Schäden an den Dampferzeugerrohren oder dem Sammler führen.
Ein Dampferzeuger mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der FR-A-1 558 043 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger anzugeben, der für eine Auslegung in liegender Bauweise geeignet ist und zudem die genannten Vorteile eines Durchlaufdampferzeugers aufweist. Der Dampferzeuger soll weiterhin einen besonders hohen Wirkungsgrad eines fossilbeheizten Kraftwerkes ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Dampferzeuger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Durchlaufheizfläche derart ausgelegt ist, daß ein im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr derselben Durchlaufheizfläche mehrbeheiztes Dampferzeugerrohr einen im Vergleich zum weiteren Dampferzeugerrohr höheren Durchsatz des Strömungsmediums aufweist.
Unter Durchlaufheizfläche ist hierbei eine Heizfläche zu verstehen, die nach dem Durchlaufprinzip ausgelegt ist. Das der Durchlaufheizfläche zugeführte Strömungsmedium wird also im einmaligen Durchlauf durch die Durchlaufheizfläche oder durch ein eine Mehrzahl von hintereinandergeschalteten Durchlaufheizflächen umfassendes Heizflächensystem vollständig verdampft. Eine Durchlaufheizfläche eines derartigen Heizflächensystems kann dabei auch zur Vorwärmung oder zur Überhitzung des Strömungsmediums vorgesehen sein. Dabei kann die oder jede Durchlaufheizfläche insbesondere in der Art eines Rohrbündels eine Anzahl von in Heizgasrichtung hintereinander angeordneten Rohrlagen umfassen, von denen jede aus einer Anzahl von in Heizgasrichtung nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohren gebildet ist.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß bei einem für eine Ausführung in liegender Bauweise geeigneten Dampferzeuger für einen hohen Wirkungsgrad die Auswirkung einer lokal unterschiedlicher Beheizung auf die Dampfparameter besonders gering gehalten sein sollte. Für besonders geringe Unterschiede zwischen den Dampfparametern in zwei benachbarten Dampferzeugerrohren sollte das die Dampferzeugerrohre durchströmende Medium nach seinem Austritt aus den Dampferzeugerrohren für jedes einer gemeinsamen Durchlaufheizfläche zugeordnete Dampferzeugerrohr annähernd die gleiche Temperatur und/oder den gleichen Dampfgehalt aufweisen. Eine Angleichung der Temperaturen des aus den jeweiligen Dampferzeugerrohren austretenden Strömungsmediums auch bei unterschiedlicher Beheizung der jeweiligen Dampferzeugerrohre ist erreichbar, indem jedes Dampferzeugerrohr für eine an seine durchschnittliche, von seiner Position im Heizgaskanal abhängige Beheizung angepaßte Durchströmung des Mediums ausgelegt ist.
Für eine besonders günstige Anpassung des Durchsatzes des Strömungsmediums an die Beheizung des jeweiligen Dampferzeugerrohres bei einem Dampferzeuger mit einer Auslegung für einen Vollast-Druck am Überhitzeraustritt von mehr als 80 bar sind vorteilhafterweise die Dampferzeugerrohre mindestens einer Durchlaufheizfläche im Mittel für ein Verhältnis von Reibungsdruckverlust zu geodätischem Druckabfall bei Vollast von weniger als 0,4, vorzugsweise weniger als 0,2, ausgelegt oder bemessen. Bei einem Dampferzeuger mit einer Druckstufe, deren Auslegung für einen Vollast-Druck am Überhitzeraustritt von 80 bar oder weniger bemessen ist, sind vorteilhafterweise die Dampferzeugerrohre mindestens einer Durchlaufheizfläche dieser Druckstufe im Mittel für ein Verhältnis von Reibungsdruckverlust zu geodätischem Druckabfall bei Vollast von weniger als 0,6, vorzugsweise weniger als 0,4, ausgelegt. Dabei liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine unterschiedliche Beheizung zweier Dampferzeugerrohre dann zu besonders geringen Temperaturdifferenzen und/oder Differenzen des Dampfgehaltes des Strömungsmediums an den Ausgängen der jeweiligen Dampferzeugerrohre führt, wenn eine Mehrbeheizung eines Dampferzeugerrohres aufgrund von dessen Auslegung zu einem Anstieg des Durchsatzes des Strömungsmediums in diesem Dampferzeugerrohr führt.
Dies ist auf besonders einfache Weise durch einen im Vergleich zum geodätischen Druckabfall besonders geringen Reibungsdruckverlust erreichbar. Der geodätische Druckabfall gibt dabei den Druckabfall aufgrund des Gewichtes der Wasser- und Dampfsäule bezogen auf die Fläche des Strömungsquerschnittes im Dampferzeugerrohr an. Der Reibungsdruckverlust hingegen beschreibt den Druckabfall im Dampferzeugerrohr infolge des Strömungswiderstandes für das Strömungsmedium. Der gesamte Druckabfall in einem Dampferzeugerrohr setzt sich im wesentlichen zusammen aus dem geodätischen Druckabfall und dem Reibungsdruckverlust.
Bei einer besonders starken Beheizung eines einzelnen Dampferzeugerrohres wird die Dampferzeugung in diesem Dampferzeugerrohr besonders groß. Das Gewicht des unverdampftem Mediums in diesem Dampferzeugerrohr nimmt somit ab, so daß der geodätische Druckabfall in diesem Dampferzeugerrohr ebenfalls abnimmt. Alle innerhalb einer Durchlaufheizfläche parallel geschalteten Dampferzeugerrohre weisen aufgrund ihrer gemeinsamen eingangsseitigen Verbindung mit einem Eintrittssammler und ihrer gemeinsamen ausgangsseitigen Verbindung mit einem Austrittssammler jedoch den gleichen gesamten Druckabfall auf. Bei einem im Vergleich zu den ihm parallel geschalteten Dampferzeugerrohren besonders geringen geodätischen Druckabfall in einem der Dampferzeugerrohre aufgrund seiner besonders starken Beheizung strömt für einen Druckausgleich dann eine besonders große Menge an Strömungsmedium durch das mehrbeheizte Rohr, wenn aufgrund der Auslegung der Durchlaufheizfläche der geodätische Druckabfall im Mittel der dominante Beitrag zum gesamten Druckabfall ist.
Mit anderen Worten: Ein im Vergleich zu den ihm parallel geschalteten Dampferzeugerrohren stärker beheiztes Dampferzeugerrohr weist einen erhöhten Durchsatz an Strömungsmedium auf, wohingegen ein im Vergleich zu den ihm parallel geschalteten Dampferzeugerrohren besonders gering beheiztes Dampferzeugerrohr einen besonders geringen Durchsatz an Strömungsmedium aufweist. Durch eine geeignete Vorgabe des Verhältnisses aus Reibungsdruckverlust zu geodätischem Druckabfall durch die Auslegung der Dampferzeugerrohre, insbesondere hinsichtlich der gewählten Massenstromdichte in den Dampferzeugerrohren, ist dieser Effekt nutzbar für eine selbsttätige Anpassung des Durchsatzes jedes Dampferzeugerrohres an dessen Beheizung.
Bei der Auslegung der Dampferzeugerrohre hinsichtlich des Verhältnisses von Reibungsdruckverlust zu geodätischem Druckabfall sind die relevanten Größen gemäß den in den Druckschriften Q. Zheng, W. Köhler, W. Kastner und K. Riedle "Druckverlust in glatten und innenberippten Verdampferrohren", Wärme- und Stoffübertragung 26, S. 323-330, Springer-Verlag 1991, und Z. Rouhani "Modified correlation for voidfraction and two-phase pressure drop", AE-RTV-841, 1969, angegebenen Beziehungen ermittelbar. Dabei sind für einen Dampferzeuger mit einer Auslegung für einen Vollast-Druck am Überhitzeraustritt von 180 bar oder weniger dessen Kennwerte für den Vollast-Betriebszustand einzusetzen. Für einen Dampferzeuger mit einer Auslegung für einen Vollast-Druck von mehr als 180 bar sind hingegen seine Kennwerte für einen Teillast-Betriebszustand bei einem Betriebsdruck am Überhitzer-Austritt von etwa 180 bar einzusetzen.
Wie umfangreiche Versuche ergaben, tritt die durch das genannte Auslegungskriterium für die Dampferzeugerrohre gewünschte selbsttätige Erhöhung des Durchsatzes an Strömungsmedium bei einer Mehrbeheizung des Dampferzeugerrohres auch in einem Druckbereich oberhalb des kritischen Druckes des Strömungsmediums auf. Die gewünschte selbsttätige Erhöhung des Durchsatzes bei einer Mehrbeheizung eines Dampferzeugerrohres tritt zudem bei einer Durchlaufheizfläche, der im Auslegungsfall ein Wasser-Dampf-Gemisch zuströmt, auch dann auf, wenn der Reibungsdruckverlust im Dampferzeugerrohr im Mittel um etwa das Fünffache höher ist als bei einem Dampferzeugerrohr einer Durchlaufheizfläche, der im Auslegungsfall lediglich Wasser zuströmt.
Zweckmäßigerweise ist jedes Dampferzeugerrohr einer Durchlaufheizfläche für einen höheren Durchsatz des Strömungsmediums ausgelegt als jedes ihm in Heizgasrichtung gesehen nachgeordnete Dampferzeugerrohr derselben Durchlaufheizfläche.
In vorteilhafter Ausgestaltung weist ein Dampferzeugerrohr der oder jeder Durchlaufheizfläche einen größeren Innendurchmesser auf als ein ihm in Heizgasrichtung gesehen nachgeordnetes Dampferzeugerrohr derselben Durchlaufheizfläche. Somit ist in besonders einfacher Weise sichergestellt, daß die Dampferzeugerrohre im Bereich vergleichsweise hoher Heizgastemperatur einen vergleichsweise hohen Durchsatz an Strömungsmedium aufweisen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist einer Anzahl von Dampferzeugerrohren der oder jeder Durchlaufheizfläche in Strömungsrichtung des Strömungsmediums eine Drosseleinrichtung vorgeschaltet. Dabei können insbesondere im Auslegungsfall im Vergleich zu Dampferzeugerrohren derselben Durchlaufheizfläche minderbeheizte Dampferzeugerrohre mit der Drosseleinrichtung versehen sein. Der Durchsatz der Dampferzeugerrohre einer Durchlaufheizfläche ist somit steuerbar, so daß eine zusätzliche Anpassung des Durchsatzes an die Beheizung ermöglicht ist. Den Dampferzeugerrohren kann dabei auch gruppenweise jeweils eine Drosseleinrichtung vorgeschaltet sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der oder jeder Durchlaufheizfläche jeweils eine Mehrzahl an Eintrittssammlern und/oder eine Mehrzahl an Austrittssammlern zugeordnet, wobei jeder Eintrittssammler in Strömungsrichtung des Strömungsmediums einer Anzahl von Dampferzeugerrohren der jeweiligen Durchlaufheizfläche gemeinsam vorgeschaltet ist bzw. jeder Austrittssammler einer Anzahl von Dampferzeugerrohren der jeweiligen Durchlaufheizfläche gemeinsam nachgeschaltet ist. Somit ist eine besonders günstige räumliche Anordnung der Dampferzeugerrohre in ihrem Anschlußbereich an die Eintrittssammler möglich.
Für eine besonders hohe Wärmeaufnahme weisen die Dampferzeugerrohre zweckmäßigerweise auf ihrer Außenseite eine Berippung auf. Zudem kann jedes Dampferzeugerrohr zweckmäßigerweise auf seiner Innenwand mit einer gewindeartigen Berippung versehen sein, um den Wärmeübergang vom Dampferzeugerrohr auf das in ihm strömende Strömungsmedium zu erhöhen.
Zweckmäßigerweise wird der Dampferzeuger als Abhitzedampferzeuger einer Gas- und Dampfturbinenanlage verwendet. Dabei ist der Dampferzeuger vorteilhafterweise heizgasseitig einer Gasturbine nachgeschaltet. Bei dieser Schaltung kann zweckmäßigerweise hinter der Gasturbine eine Zusatzfeuerung zur Erhöhung der Heizgastemparatur angeordnet sein.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein für eine Erzielung eines besonders hohen Gesamtwirkungsgrades einer Gas- und Dampfturbinenanlage besonders günstiger Dampferzeuger auch in liegender Bauweise und somit mit besonders geringem fertigungs- und montagetechnischem Aufwand ausgeführt sein kann. Materialschäden am Dampferzeuger aufgrund der bei dieser Bauweise besonders stark räumlich inhomogenen Beheizung der Dampferzeugerrohre sind dabei aufgrund der strömungstechnischen Auslegung des Dampferzeugers sicher vermieden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Figuren 1, 2 und 3 jeweils in vereinfachter Darstellung im Längsschnitt einen Dampferzeuger in liegender Bauweise.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Dampferzeuger 1 gemäß den Figuren 1, 2 und 3 ist in der Art eines Abhitzedampferzeugers einer nicht näher dargestellten Gasturbine abgasseitig nachgeschaltet. Der Dampferzeuger 1 weist eine Umfassungswand 2 auf, die einen in einer annähernd horizontalen, durch die Pfeile 4 angedeuteten Heizgasrichtung durchströmbaren Heizgaskanal 3 für das Abgas aus der Gasturbine bildet. Im Heizgaskanal 3 ist eine Anzahl von nach dem Durchlaufprinzip ausgelegten Heizflächen, auch als Durchlaufheizflächen 8, 10 bezeichnet, angeordnet. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 1, 2 und 3 sind jeweils zwei Durchlaufheizflächen 8, 10 gezeigt, es kann aber auch lediglich eine Durchlaufheizfläche oder eine größere Anzahl von Durchlaufheizflächen vorgesehen sein.
Die Durchlaufheizflächen 8, 10 gemäß den Figuren 1, 2 und 3 umfassen jeweils in der Art eines Rohrbündels eine Anzahl von in Heizgasrichtung hintereinander angeordneten Rohrlagen 11 bzw. 12. Jede Rohrlage 11, 12 wiederum umfaßt jeweils eine Anzahl von in Heizgasrichtung nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohren 13 bzw. 14, von denen für jede Rohrlage 11, 12 nur jeweils eines sichtbar ist. Die annähernd vertikal angeordneten, zur Durchströmung eines Strömungsmediums W parallel geschalteten Dampferzeugerrohre 13 der ersten Durchlaufheizfläche 8 sind dabei ausgangsseitig an einen ihnen gemeinsamen Austrittssammler 15 angeschlossen. Die ebenfalls annähernd vertikal angeordneten, zur Durchströmung eines Strömungsmediums W parallel geschalteten Dampferzeugerrohre 14 der zweiten Durchlaufheizfläche 10 hingegen sind ausgangsseitig an einen ihnen gemeinsamen Austrittssammler 16 angeschlossen. Die Dampferzeugerrohre 14 der zweiten Durchlaufheizfläche 10 sind den Dampferzeugerrohren 13 der ersten Durchlaufheizfläche 8 strömungstechnisch über ein Fallrohrsystem 17 nachgeschaltet.
Das aus den Durchlaufheizflächen 8, 10 gebildete Verdampfersystem ist mit dem Strömungsmedium W beaufschlagbar, das bei einmaligem Durchlauf durch das Verdampfersystem verdampft und nach dem Austritt aus der zweiten Durchlaufheizfläche 10 als Dampf D abgeführt wird. Das aus den Durchlaufheizflächen 8, 10 gebildete Verdampfersystem ist in den nicht näher dargestellten Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine geschaltet. Zusätzlich zu dem die Durchlaufheizflächen 8, 10 umfassenden Verdampfersystem sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine eine Anzahl weitere, in den Figuren 1, 2 und 3 schematisch angedeutete Heizflächen 20 geschaltet. Bei den Heizflächen 20 kann es sich beispielsweise um Überhitzer, um Mitteldruckverdampfer, um Niederdruckverdampfer und/oder um Vorwärmer handeln.
Die Durchlaufheizflächen 8, 10 sind derart ausgelegt, daß lokale Unterschiede in der Beheizung der Dampferzeugerrohre 13 bzw. 14 lediglich zu geringen Temperaturunterschieden oder Unterschieden im Dampfgehalt beim aus den jeweiligen Dampferzeugerrohren 13 bzw. 14 austretendem Strömungsmedium W führen. Dabei weist jedes Dampferzeugerrohr 13, 14 infolge der Auslegung der jeweiligen Durchlaufheizfläche 8,10 einen höheren Durchsatz des Strömungsmediums W auf als jedes ihm in Heizgasrichtung gesehen nachgeordnete Dampferzeugerrohr 13 bzw. 14 derselben Durchlaufheizfläche 8 bzw. 10.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 sind die Dampferzeugerrohre 13 der ersten Durchlaufheizfläche 8, die eingangsseitig an einen Eintrittssammler 21 angeschlossen sind, derart ausgelegt, daß beim Vollast-Betrieb des Dampferzeugers 1 das Verhältnis von Reibungsdruckverlust zu geodätischem Druckabfall innerhalb des jeweiligen Dampferzeugerrohrs 13 im Mittel weniger als 0,2 beträgt. Die Dampferzeugerrohre 14 der zweiten Durchlaufheizfläche 10, die eingangsseitig an einen Eintrittssammler 22 angeschlossen sind, sind hingegen derart ausgelegt, daß beim Vollast-Betrieb des Dampferzeugers 1 das Verhältnis von Reibungsdruckverlust zu geodätischem Druckabfall innerhalb des jeweiligen Dampferzeugerrohrs 14 im Mittel weniger als 0,4 beträgt. Zusätzlich kann jedes Dampferzeugerrohr 13, 14 der Durchlaufheizfläche 8 bzw. 10 einen größeren Innendurchmesser aufweisen als jedes ihm in Heizgasrichtung gesehen nachgeordnete Dampferzeugerrohr 13 bzw. 14 derselben Durchlaufheizfläche 8 bzw. 10.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist zur Einstellung eines an die jeweilige Beheizung angepaßten Durchsatzes jedem Dampferzeugerrohr 13, 14 der Durchlaufheizflächen 8 bzw. 10 in Strömungsrichtung des Strömungsmediums W jeweils ein Ventil als Drosseleinrichtung 23 vorgeschaltet. Die Anpassung des Durchsatzes der Dampferzeugerrohre 13, 14 der Durchlaufheizflächen 8, 10 an ihre unterschiedliche Beheizung ist auf diese Weise unterstützt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist jeder Durchlaufheizfläche 8, 10 jeweils eine Mehrzahl von Eintrittssammlern 26 bzw. 28 und eine Mehrzahl von Austrittssammlern 30 bzw. 32 zugeordnet, wodurch eine Gruppenbildung auf besonders einfache Weise möglich ist. Dabei ist jeder Eintrittssammler 26, 28 in Strömungsrichtung des Strömungsmediums W einer Anzahl von Dampferzeugerrohren 13 bzw. 14 der jeweiligen Durchlaufheizfläche 8 bzw. 10 gemeinsam vorgeschaltet. Jeder Austrittssammler 30, 32 hingegen ist in Strömungsrichtung des Strömungsmediums W einer Anzahl von Dampferzeugerrohren 13 bzw. 14 der jeweiligen Durchlaufheizfläche 8 bzw. 10 gemeinsam nachgeschaltet. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 sind die Dampferzeugerrohre 13, 14 der Durchlaufheizflächen 8 bzw. 10 wiederum derartig ausgelegt, daß beim Betrieb des Dampferzeugers 1 das Verhältnis von Reibungsdruckverlust zu geodätischem Druckabfall im jeweiligen Dampferzeugerrohr 13, 14 im Mittel geringer ist als 0,2 bzw. 0,4. Den somit gebildeten Rohrgruppen ist jeweils eine Drosseleinrichtung 34 vorgeschaltet.
Der Durchlaufdampferzeuger 1 ist hinsichtlich der Auslegung seiner Durchlaufheizflächen 8, 10 an die räumlich inhomogene Beheizung der Dampferzeugerrohre 13, 14 infolge der liegenden Bauweise angepaßt. Der Dampferzeuger 1 ist somit in besonders einfacher Weise auch für eine liegende Bauweise geeignet.

Claims (8)

  1. Dampferzeuger (1), bei dem in einem in einer annähernd horizontalen Heizgasrichtung durchströmbaren Heizgaskanal (3) mindestens eine Durchlaufheizfläche (8, 10) angeordnet ist, die aus einer Anzahl von annähernd vertikal angeordneten, zur Durchströmung eines Strömungsmediums parallel geschalteten Dampferzeugerrohren (13, 14) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaufheizfläche (8, 10) derart ausgelegt ist, daß ein im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr(13, 14) derselben Durchlaufheizfläche (8, 10) mehrbeheiztes Dampferzeugerrohr (13, 14) einen im Vergleich zum weiteren Dampferzeugerrohr (13, 14) höheren Durchsatz des Strömungsmediums aufweist.
  2. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 1, bei dem die Dampferzeugerrohre (13, 14) mindestens einer Durchlaufheizfläche (8, 10) im Mittel jeweils für ein Verhältnis von Reibungsdruckverlust zu geodätischem Druckabfall bei Vollast von weniger als 0,4, vorzugsweise von weniger als 0,2, ausgelegt sind.
  3. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jedes Dampferzeugerrohr (13, 14) einer Durchlaufheizfläche (8, 10) für einen höheren Durchsatz des Strömungsmediums ausgelegt ist als jedes ihm in Heizgasrichtung gesehen nachgeordnete Dampferzeugerrohr (13, 14) derselben Durchlaufheizfläche (8, 10) .
  4. Dampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Dampferzeugerrohr (13, 14) der oder jeder Durchlaufheizfläche (8, 10) einen größeren Innendurchmesser aufweist als ein ihm in Heizgasrichtung gesehen nachgeordnetes Dampferzeugerrohr (13, 14) derselben Durchlaufheizfläche (8, 10).
  5. Dampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem einer Anzahl von Dampferzeugerrohren (13, 14) der oder jeder Durchlaufheizfläche (8, 10) in Strömungsrichtung des Strömungsmediums jeweils eine Drosseleinrichtung (23) vorgeschaltet ist.
  6. Dampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der oder jeder Durchlaufheizfläche (8, 10) jeweils eine Mehrzahl von Eintrittssammlern (26, 28) und/oder Austrittssammlern (30, 32) zugeordnet ist, wobei jeder Eintrittssammler (26, 28) in Strömungsrichtung des Strömungsmediums einer Anzahl von Dampferzeugerrohren (13, 14) der jeweiligen Durchlaufheizfläche (8, 10) gemeinsam vorgeschaltet ist.
  7. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 6, bei dem mindestens einem Eintrittssammler (26, 28) eine Drosseleinrichtung (34) vorgeschaltet ist.
  8. Dampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dem heizgasseitig eine Gasturbine vorgeschaltet ist.
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