EP1512906A1 - Durchlaufdampferzeuger in liegender Bauweise und Verfahren zum Betreiben des Durchlaufdampferzeugers - Google Patents
Durchlaufdampferzeuger in liegender Bauweise und Verfahren zum Betreiben des Durchlaufdampferzeugers Download PDFInfo
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Definitions
- the invention relates to a continuous steam generator, wherein in one in an approximately horizontal heating gas direction fürströmbarem Schukanal an evaporator fürlauf carving Structure is arranged, which a number of to flow through a flow medium connected in parallel steam generator tubes includes.
- a gas and steam turbine plant In a gas and steam turbine plant is in the relaxed Working fluid or fuel gas contained in the gas turbine Heat used to generate steam for the steam turbine.
- the heat transfer takes place in one of the gas turbine downstream Heat recovery steam generator, in which usually a Number of heating surfaces for water pre-heating, for steam generation and are arranged for steam overheating.
- the heating surfaces are connected in the water-steam cycle of the steam turbine.
- the water-steam cycle usually includes several, z. B. three, pressure levels, each pressure level one Evaporator can have.
- a continuous steam generator In contrast to a natural or forced circulation steam generator, a continuous steam generator is not subject to any pressure limitation, so that fresh steam pressures are possible far above the critical pressure of water (P Kri ⁇ 221 bar) - where there are only slight differences in density between liquid-like and vapor-like medium.
- a high live steam pressure promotes a high thermal efficiency and thus low CO 2 emissions of a fossil-fired power plant.
- a continuous steam generator in comparison to a circulating steam generator a simple construction and is thus produced with very little effort.
- the use of a designed according to the flow principle steam generator as heat recovery steam generator of a gas and steam turbine plant is therefore particularly favorable to achieve a high overall efficiency of the gas and steam turbine plant with a simple design.
- a steam generator which is suitable for a design in horizontal construction and also having the said advantages of a continuous steam generator.
- the known steam generator in terms of his Evaporator fürlaufterrorism relationship designed such that a compared to another steam generator tube of the same Evaporator continuous heating surface more heated steam generator tube a higher compared to the other steam generator tube Having flow rate of the flow medium.
- the evaporator continuous heating surface the known steam generator thus shows in the nature of the flow characteristic of a natural circulation evaporator heating surface (Natural circulation characteristic) when occurring different heating of individual steam generator tubes a self-stabilizing behavior without the requirement external influence to an alignment of the exit side Temperatures also at differently heated, flow medium side connected in parallel steam generator tubes leads.
- this design concept requires that the well-known steam generator for a feed with flow medium provided with comparatively low mass flow density is.
- the invention is therefore based on the object, a continuous steam generator of the above mentioned type, too at a Feeding with flow medium with comparatively large mass flow densities a particularly high operational Security guaranteed. Furthermore, a particularly suitable Method for operating the steam generator of the above be specified type mentioned.
- Counterflow to the Schutal flow-through Walker michunsegment includes, the flow-medium-side outlet in Seen heating gas direction is positioned so that the in the operating case at the outlet of the evaporator fürlaufterrorism construction adjusting, pressure-dependent saturated steam temperature by less than a given maximum deviation from the Operating case at the position of the exit of the Schuvicsegments deviates from the prevailing heating gas temperature.
- the invention is based on the consideration that in the Feeding the evaporator fürlaufsammlung-3 with comparatively large mass flow densities a locally different Heating individual pipes, the flow conditions such could affect that of less heated and more heated pipes less heated pipes flowed through by more flow medium become. More heated pipes would be worse in this case cooled as underheated pipes, so that the occurring Temperature differences would be amplified automatically. To this Fall even without active influence on the flow conditions To be able to respond effectively, the system should be for a fundamental and global limitation of possible temperature differences be designed suitable. This is the knowledge usable, that at the exit from the evaporator fürlaufsammlungncing the flow medium at least substantially saturated steam temperature given by the pressure in the steam generator tube must have.
- the positioning of the exit is the Evaporator continuous heating surface in relation to the temperature profile of the heating gas in the throttle cable selected such that a maximum deviation is maintained at about 50 ° C, so in terms of on available materials and other design parameters ensures a particularly high level of operational safety is.
- the heating surface for the implementation from all process sections of the complete evaporation, So from preheating, evaporation and at least partial overheating, in a single stage, so without intermediate components to collect and / or distributing the flow medium, suitably formed.
- the heating surface for the implementation from all process sections of the complete evaporation, So from preheating, evaporation and at least partial overheating, in a single stage, so without intermediate components to collect and / or distributing the flow medium, suitably formed.
- the steam generator tubes includes a number of the steam generator tubes in each case a plurality of flow medium side alternately cascaded riser pipe sections and downpipes.
- the flow medium side is advantageously Entry of the evaporator continuous heating surface designed as a riser pipe and so close to the hot gas side Inlet of the evaporator continuous heating surface arranged, that during operation, the steam generator tubes flowing through Flow medium at the inlet of the first downcomer piece a flow rate of more than a predetermined one Minimum speed has.
- the first riser and downcomer pieces preferably form a further heating surface segment arranged in DC circuit, also referred to below as DC segment, which is advantageously arranged in countercurrent circuit Schuvinsegment, in the following also countercurrent segment called upstream flow medium side is connected.
- the steam generator is used as a heat recovery steam generator a gas and steam turbine plant used.
- the steam generator advantageously loomgas briefly one Gas turbine downstream.
- this circuit may suitably behind the gas turbine an additional firing to increase be arranged the heating gas temperature.
- the stated object is achieved by the flow medium in Schugasraum seen at a Position removed from the evaporator fürlaufsammlung Structure at which the heating gas temperature prevailing during operation less than a given maximum deviation from the during operation due to the pressure loss in the evaporator continuous heating surface adjusting saturated steam temperature differs.
- the flow medium before its exit from the evaporator fürlauf redesign in countercurrent led to the fuel gas with additional or alternative advantageous embodiment, a maximum deviation of about 50 ° C is specified.
- the flow medium is advantageously already at or immediately after entering the Evaporator continuous heating surface of such a strong heating exposed to it in a first downer of the respective steam generator tube a flow velocity of more than a predetermined minimum speed.
- the minimum speed is for taking along generated in the respective first downpipe piece Steam bubbles required flow rate specified.
- the feeding of the evaporator fürlaufsammlung construction takes place thus such that the comparatively high flow rate already in the first downflowed steam generator tube the desired deadweight on the possibly causes existing vapor bubbles. flow instabilities due to a movement of rising vapor bubbles contrary to the flow direction of the flow medium can thus safely avoided.
- the advantages achieved by the invention are in particular in that by the now provided, to the temperature profile the heating gas in the throttle cable adapted positioning the flow-medium-side outlet of the evaporator fürlaufterrorism simulation the total in the evaporation of the flow medium Achievable temperature interval between saturated steam temperature of the flow medium and heating gas temperature the exit point is narrowed comparatively narrow, so that regardless of the flow conditions only small outlet-side temperature differences are possible. Thereby can be a sufficient approximation of the temperatures of the flow medium be ensured in any operating condition. In addition, however, it is also ensured that the possible Exit temperatures limited in their absolute height are, so that given by the material properties permissible limit temperatures remain safely below.
- FIG shows simplified in Representation in longitudinal section a continuous steam generator in lying construction.
- the continuous steam generator 1 according to the FIG is in the manner of a Heat recovery steam generator of a not shown Gas turbine downstream on the exhaust side.
- the continuous steam generator 1 has a surrounding wall 2, the one in a approximately horizontal, indicated by the arrows 4
- In the heating gas channel 6 is one each Number of heating surfaces designed according to the flow principle, Also referred to as evaporator fürlauf costumes configuration 8, arranged.
- evaporator fürlauf costumes arranged in the embodiment according to the FIG is only an evaporator pass-through heating surface 8 is shown, but it can also a larger number of evaporator fürlauf redesign be provided.
- the evaporator through-flow 8 formed evaporator system is acted upon by flow medium W, the with a single pass through the evaporator fürlaufsammlung Structure Evaporates 8 and after exiting the evaporator fürlaufsammlung Structure 8 discharged as vapor D and usually superheater heating surfaces supplied for further overheating becomes.
- the formed from the evaporator fürlaufsammlung construction 8 Evaporator system is in the water-steam cycle, not shown a steam turbine switched.
- the evaporator system are in the water-steam cycle of the Steam turbine a number of others, not closer in the FIG switched shown heating surfaces. At the heating surfaces These may be, for example, superheaters, medium-pressure evaporators, Low pressure evaporator and / or act to preheater.
- the evaporator passage heating surface 8 of the continuous steam generator 1 Comprises in the manner of a tube bundle Plural of parallel to the flow of the flow medium W switched steam generator tubes 12. It is in each case a plurality of steam generator tubes 12 in Schugasraum x seen side by side. It is only each one of the juxtaposed steam generator tubes 12th visible, noticeable.
- the steam generator pipes arranged next to each other 12 is flow side before its entry 13th in the heating gas 6 each have a common inlet collector 14 before and after their exit 16 from the Schugaskanal. 6 a common outlet header 18 downstream.
- the Steam generator tubes 12 include a number of the flow medium W in upwardly flowed through riser pieces 20 and downflow through downpipes 22, in each case by flowed through in a horizontal direction overflow 24 are interconnected.
- the continuous steam generator 1 is for a particularly high operational Security and consistent suppression of Also referred to as temperature imbalance significant temperature differences at the exit 16 between adjacent ones Steam generator tubes 12 even with a feed with comparatively designed high mass flow densities.
- a Number of each interconnected by overflow 24 Riser pipe pieces 20 and downpipe pieces 22 form
- another, in DC to Walkergasraum x switched Schuvicsegment 28 which is the Schumatisegment 26 is connected upstream. Through this circuit is the positioning the outlet 16 seen in Bankgasraum x selectable. This positioning is in the continuous steam generator.
- An arrangement of downwardly flowed pipe sections as the downcomers 22 within the Schugaskanals 6th is basically only possible if by appropriate measures the stability of the flow within the steam generator tubes 12 is ensured.
- a heating from downwards namely, through-flow pipe sections can generally for the formation of vapor bubbles in the flow medium W lead, if, due to their low specific Weight against the flow direction of the flow medium W rise, the stability of the flow and thus the operational Safety of the continuous steam generator 1 impair could.
- the steam generator tubes 12 each comprise a plurality of flow medium side alternately connected in series Riser pipe pieces 20 and downcomers 22 which within the Schugaskanals 6 laid, so a heating by the fuel gas are exposed.
- the inlet 13 is at the gas inlet of the evaporator fürlaufsammlung design 8, ie in Walkergasraum x far ahead in the heating gas channel 6, arranged.
- the arrangement of the entrance 13 in the region of the Schugaskanals 6, in which the Heating gas has the highest temperature is a very fast Heating and thus evaporation of the flow medium W achieved in the steam generator tubes 12. Because the flow velocity a water-steam mixture at the same Mass flow rate is higher, the greater the vapor content and thus the specific volume of the mixture is reached the flow medium W in this arrangement of the inlet collector 14 comparatively fast a high flow velocity.
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Abstract
Ein Durchlaufdampferzeuger (1), bei dem in einem in einer annähernd
horizontalen Heizgasrichtung (x) durchströmbaren
Heizgaskanal (6) eine Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) angeordnet
ist, die eine Anzahl von zur Durchströmung eines
Strömungsmediums (W) parallel geschalteten Dampferzeugerrohren
(12) umfasst, soll bei besonders geringem konstruktiven
Aufwand ein hohes Maß an betrieblicher Sicherheit sowie eine
hohe Effizienz aufweisen. Dazu umfasst die Verdampfer-Durchlaufheizfläche
(8) erfindungsgemäß ein vom Strömungsmedium
(W) im Gegenstrom zum Heizgaskanal (6) durchströmbares Heizflächensegment
(26) umfasst, dessen strömungsmediumseitiger
Austritt (16) in Heizgasrichtung (x) gesehen derart positioniert
ist, dass die sich im Betriebsfall am Austritt der Verdampfer-Durchlaufheizfläche
(8) einstellende Sattdampftemperatur
um weniger als eine vorgegebene Maximalabweichung von
der im Betriebsfall an der Position des Austritts (16) des
Heizflächensegments herrschenden Heizgastemperatur abweicht.
Dazu ist bzw. sind der oder die Eintrittssammler (14) derart
nah am gasseitigen Eintritt der Verdampfer-Durchlaufheizfläche
(8) angeordnet, dass das Strömungsmedium (W) im ersten
Fallrohrstück (22) eine Strömungsgeschwindigkeit von mehr als
der zur Mitnahme entstehender Dampfblasen erforderlichen Mindestgeschwindigkeit
aufweist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Durchlaufdampferzeuger, bei dem
in einem in einer annähernd horizontalen Heizgasrichtung
durchströmbarem Heizgaskanal eine Verdampfer-Durchlaufheizfläche
angeordnet ist, die eine Anzahl von zur Durchströmung
eines Strömungsmediums parallel geschalteten Dampferzeugerrohren
umfasst.
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 sind. 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 bei einem Durchlauf durch die Verdampferrohre
nur teilweise verdampft. Das dabei nicht verdampfte Wasser
wird nach einer Abtrennung des erzeugten Dampfes für eine
weitere Verdampfung den selben 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 geringe Dichteunterschiede
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.
Besondere Vorteile hinsichtlich des Herstellungsaufwands,
aber auch hinsichtlich erforderlicher Wartungsarbeiten, bietet
ein Abhitzedampferzeuger in liegender Bauweise, bei dem
das beheizende Medium oder Heizgas, also das Abgas aus der
Gasturbine, in annähernd horizontaler Strömungsrichtung durch
den Dampferzeuger geführt ist. Bei einem Durchlaufdampferzeuger
in liegender Bauweise können die Dampferzeugerrohre einer
Heizfläche jedoch je nach ihrer Positionierung einer stark
unterschiedlichen Beheizung ausgesetzt sein. Insbesondere bei
ausgangsseitig mit einem gemeinsamen Sammler verbundenen
Dampferzeugerrohren kann eine unterschiedliche Beheizung einzelner
Dampferzeugerrohre zu einer Zusammenführung von Dampfströmen
mit stark voneinander abweichenden Dampfparametern
und somit zu unerwünschten Wirkungsgradverlusten, insbesondere
zu einer vergleichsweise verringerten Effektivität der betroffenen
Heizfläche und einer dadurch reduzierten Dampferzeugung,
führen. Eine unterschiedliche Beheizung benachbarter
Dampferzeugerrohre kann zudem, insbesondere im Einmündungsbereich
von Sammlern, zu Schäden an den Dampferzeugerrohren
oder dem Sammler führen. Die an sich wünschenswerte Verwendung
eines in liegender Bauweise ausgeführten Durchlaufdampferzeugers
als Abhitzedampferzeuger für eine Gasturbine kann
somit erhebliche Probleme hinsichtlich einer ausreichend stabilisierten
Strömungsführung mit sich bringen.
Aus der EP 0 944 801 B1 ist ein Dampferzeuger bekannt, der
für eine Auslegung in liegender Bauweise geeignet ist und zudem
die genannten Vorteile eines Durchlaufdampferzeugers aufweist.
Dazu ist der bekannte Dampferzeuger hinsichtlich seiner
Verdampfer-Durchlaufheizfläche derart ausgelegt, dass ein
im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr derselben
Verdampfer-Durchlaufheizfläche mehrbeheiztes Dampferzeugerrohr
einen im Vergleich zum weiteren Dampferzeugerrohr höheren
Durchsatz des Strömungsmediums aufweist. Die Verdampfer-Durchlaufheizfläche
des bekannten Dampferzeugers zeigt somit
in der Art der Strömungscharakteristik einer Naturumlaufverdampferheizfläche
(Naturumlaufcharakteristik) bei auftretender
unterschiedlicher Beheizung einzelner Dampferzeugerrohre
ein selbststabilisierendes Verhalten, das ohne das Erfordernis
äußerer Einflussnahme zu einer Angleichung der austrittsseitigen
Temperaturen auch an unterschiedlich beheizten,
strömungsmediumseitig parallel geschalteten Dampferzeugerrohren
führt. Allerdings bedingt dieses Auslegungskonzept, dass
der bekannte Dampferzeuger für eine Bespeisung mit Strömungsmedium
mit vergleichsweise geringer Massenstromdichte vorgesehen
ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Durchlaufdampferzeuger
der oben genannten Art anzugeben, der auch
bei einer Bespeisung mit Strömungsmedium mit vergleichsweise
großen Massenstromdichten eine besonders hohe betriebliche
Sicherheit gewährleistet. Des Weiteren soll ein besonders geeignetes
Verfahren zum Betreiben des Dampferzeugers der oben
genannten Art angegeben werden.
Bezüglich des Durchlaufdampferzeugers wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
gelöst, indem die ein vom Strömungsmedium im
Gegenstrom zum Heizgaskanal durchströmbares Heizflächensegment
umfasst, dessen strömungsmediumseitiger Austritt in
Heizgasrichtung gesehen derart positioniert ist, dass die
sich im Betriebsfall am Austritt der Verdampfer-Durchlaufheizfläche
einstellende, druckabhängige Sattdampftemperatur
um weniger als eine vorgegebene Maximalabweichung von der im
Betriebsfall an der Position des Austritts des Heizflächensegments
herrschenden Heizgastemperatur abweicht.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass bei der
Bespeisung der Verdampfer-Durchlaufheizfläche mit vergleichsweise
großen Massenstromdichten eine lokal unterschiedliche
Beheizung einzelner Rohre die Strömungsverhältnisse derart
beeinflussen könnte, dass mehrbeheizte Rohre von weniger und
weniger beheizte Rohre von mehr Strömungsmedium durchströmt
werden. Mehrbeheizte Rohre würden in diesem Fall schlechter
gekühlt als minderbeheizte Rohre, so dass die auftretenden
Temperaturdifferenzen selbsttätig verstärkt würden. Um diesem
Fall auch ohne aktive Beeinflussung der Strömungsverhältnisse
wirksam begegnen zu können, sollte das System für eine grundsätzliche
und globale Begrenzung möglicher Temperaturunterschiede
geeignet ausgelegt sein. Dazu ist die Erkenntnis
nutzbar, dass am Austritt aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche
das Strömungsmedium zumindest die im Wesentlichen
durch den Druck im Dampferzeugerrohr gegebene Sattdampftemperatur
aufweisen muss. Andererseits kann das Strömungsmedium
aber maximal die Temperatur aufweisen, die das Heizgas an der
Austrittsstelle des Strömungsmediums aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche
hat. Durch eine geeignete Abstimmung dieser
beiden das mögliche Temperaturintervall überhaupt eingrenzenden
Grenztemperaturen aufeinander können somit auch
die maximal möglichen Temperaturschieflagen geeignet begrenzt
werden. Durch die Aufteilung der Verdampfer-Durchlaufheizfläche
in ein austrittsseitiges Gegenstromsegment und ein diesem
heizgas- und medienseitig vorgeschaltetes weiteres Segment
ist der Austritt in Heizgasrichtung frei positionierbar, so
dass ein zusätzlicher Auslegungsparameter verfügbar ist. Ein
besonders geeignetes Mittel zur Abstimmung der beiden Grenztemperaturen
aufeinander ist dabei die gezielte Positionierung
des Austritts der Verdampfer-Durchlaufheizfläche in
Strömungsrichtung des Heizgases gesehen.
Vorteilhafterweise ist die Positionierung des Austritts der
Verdampfer-Durchlaufheizfläche in Relation zum Temperaturprofil
des Heizgases im Gaszug derart gewählt, dass eine Maximalabweichung
von etwa 50 °C eingehalten ist, so dass im Hinblick
auf verfügbare Materialien und weitere Auslegungsparameter
eine besonders hohe betriebliche Sicherheit gewährleistet
ist.
Eine besonders einfache und somit auch robuste Bauweise ist
erreichbar, indem die Heizfläche besonders im Hinblick auf
Sammlung und Verteilung des Strömungsmediums besonders einfach
ausgeführt ist. Dabei ist die Heizfläche für die Durchführung
von allen Prozessabschnitten der vollständigen Verdampfung,
also von Vorwärmung, Verdampfung und zumindest
teilweiser Überhitzung, in lediglich einer einzigen Stufe,
also ohne zwischen geschaltete Komponenten zum Sammeln
und/oder Verteilen des Strömungsmediums, geeignet ausgebildet.
Vorteilhafterweise umfasst daher eine Anzahl der Dampferzeugerrohre
jeweils eine Mehrzahl von strömungsmediumseitig
alternierend hintereinandergeschalteten Steigrohrstücken
und Fallrohrstücken.
Eine Beheizung findet dabei sowohl in den Steigrohr- als auch
in den Fallrohrstücken statt. Eine solche Schaltung der Dampferzeugerrohre,
bei der auch eine Beheizung von abwärts
durchströmten Rohrstücken stattfindet, birgt jedoch grundsätzlich
ein Risiko für das Auftreten von Strömungsinstabilitäten.
Wie sich herausgestellt hat, kann als eine dieser möglichen
Ursachen ein Auftreten von Dampfblasen in abwärts
durchströmten Dampferzeugerrohren angesehen werden. Falls
sich nämlich in einem abwärts durchströmten Dampferzeugerrohr
Dampfblasen bilden sollten, so könnten diese in der sich im
Dampferzeugerrohr befindlichen Wassersäule aufsteigen und somit
eine Bewegung entgegen der Strömungsrichtung des Strömungsmediums
vollführen. Um eine derartige, der Strömungsrichtung
des Strömungsmediums entgegen gerichtete Bewegung
von möglicherweise vorhandenen Dampfblasen konsequent zu unterbinden,
sollte durch eine geeignete Vorgabe der Betriebsparameter
eine erzwungene Mitnahme der Dampfblasen in der eigentlichen
Strömungsrichtung des Strömungsmediums sichergestellt
werden. Dies ist erreichbar, indem die Bespeisung der
Verdampfer-Durchlaufheizfläche derart erfolgt, dass die Strömungsgeschwindigkeit
des Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren
den gewünschten Mitnahmeeffekt auf die möglicherweise
vorhandenen Dampfblasen bewirkt. Eine vergleichsweise
hohe Strömungsgeschwindigkeit schon im ersten abwärts durchströmten
Dampferzeugerrohr lässt sich auf besonders einfache
Weise durch eine vergleichsweise starke Beheizung der Dampferzeugerrohre
am strömungsmediumseitigen Eintritt und die dadurch
bedingte rasche Erhöhung des Dampfgehaltes im Strömungsmedium
erzielen. Dazu ist vorteilhafterweise der strömungsmediumseitige
Eintritt der Verdampfer-Durchlaufheizfläche
als Steigrohrstück ausgeführt und derart nah am heizgasseitigen
Eintritt der Verdampfer-Durchlaufheizfläche angeordnet,
dass im Betriebsfall das die Dampferzeugerrohre durchströmende
Strömungsmedium am Eintritt des ersten Fallrohrstücks
eine Strömungsgeschwindigkeit von mehr als einer vorgegebenen
Mindestgeschwindigkeit aufweist.
Die ersten Steigrohr- und Fallrohrstücke bilden vorzugsweise
ein in Gleichstromschaltung angeordnetes weiteres Heizflächensegment,
im Folgenden auch Gleichstromsegment genannt,
das vorteilhafterweise dem in Gegenstromschaltung angeordneten
Heizflächensegment, im Folgenden auch Gegenstromsegment
genannt, strömungsmediumseitig vorgeschaltet ist. Durch eine
solche Anordnung der Segmente im Heizgaskanal wird weitgehend
der Vorteil einer reinen Gegenstromschaltung erhalten, die
Wärme des Abgases effektiv auf das Strömungsmedium zu übertragen,
und gleichzeitig eine hohe, inhärente Sicherheit gegen
schädliche Temperaturdifferenzen am strömungsmediumseitigen
Austritt erzielt.
In alternativer vorteilhafter Ausgestaltung kann das weitere
Heizflächensegment aber auch im Gegenstrom zur Heizgasrichtung
geschaltet sein.
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 Heizgastemperatur angeordnet sein.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gelöst,
indem das Strömungsmedium in Heizgasrichtung gesehen an einer
Position aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche abgeführt
wird, an der die im Betriebsfall herrschende Heizgastemperatur
um weniger als eine vorgegebene Maximalabweichung von der
sich im Betriebsfall infolge des Druckverlusts in der Verdampfer-Durchlaufheizfläche
einstellenden Sattdampftemperatur
abweicht.
Vorteilhafterweise wird das Strömungsmedium vor seinem Austritt
aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche im Gegenstrom
zum Heizgas geführt, wobei in zusätzlicher oder alternativer
vorteilhafter Ausgestaltung eine Maximalabweichung von etwa
50 °C vorgegeben wird.
Um die Entstehung möglicher Strömungsinstabilitäten konsequent
zu unterbinden, wird das Strömungsmedium vorteilhafterweise
bereits beim oder unmittelbar nach dem Eintritt in die
Verdampfer-Durchlaufheizfläche einer derartig starken Beheizung
ausgesetzt, dass es in einem ersten Fallrohrstück des
jeweiligen Dampferzeugerrohres eine Strömungsgeschwindigkeit
von mehr als einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit aufweist.
Vorteilhafterweise wird dabei als Mindestgeschwindigkeit die
zur Mitnahme von im jeweiligen ersten Fallrohrstück erzeugten
Dampfblasen erforderliche Strömungsgeschwindigkeit vorgegeben.
Die Bespeisung der Verdampfer-Durchlaufheizfläche erfolgt
somit derart, dass die vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit
schon im ersten abwärts durchströmten Dampferzeugerrohr
den gewünschten Mitnahmeeffekt auf die möglicherweise
vorhandenen Dampfblasen bewirkt. Strömungsinstabilitäten
aufgrund einer Bewegung von aufsteigenden Dampfblasen
entgegen der Strömungsrichtung des Strömungsmediums können
somit sicher vermieden werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, dass durch die nunmehr vorgesehene, an das Temperaturprofil
des Heizgases im Gaszug angepasste Positionierung
des strömungsmediumseitigen Austritts der Verdampfer-Durchlaufheizfläche
das insgesamt bei der Verdampfung des Strömungsmediums
erreichbare Temperaturintervall zwischen Sattdampftemperatur
des Strömungsmediums und Heizgastemperatur an
der Austrittsstelle vergleichsweise eng eingegrenzt wird, so
dass unabhängig von den Strömungsverhältnissen nur geringe
austrittsseitige Temperaturdifferenzen möglich sind. Dadurch
kann eine ausreichende Angleichung der Temperaturen des Strömungsmediums
in jedem Betriebszustand sichergestellt werden.
Darüber hinaus ist aber auch sichergestellt, dass die möglichen
Austrittstemperaturen in ihrer absoluten Höhe begrenzt
sind, so dass die durch die Materialeigenschaften vorgegebenen
zulässigen Grenztemperaturen sicher unterschritten bleiben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die FIG in vereinfachter
Darstellung im Längsschnitt einen Durchlaufdampferzeuger
in liegender Bauweise.
Der Durchlaufdampferzeuger 1 gemäß der FIG ist in der Art eines
Abhitzedampferzeugers einer nicht näher dargestellten
Gasturbine abgasseitig nachgeschaltet. Der Durchlaufdampferzeuger
1 weist eine Umfassungswand 2 auf, die einen in einer
annähernd horizontalen, durch die Pfeile 4 angedeuteten Heizgasrichtung
x durchströmbaren Heizgaskanal 6 für das Abgas
aus der Gasturbine bildet. Im Heizgaskanal 6 ist jeweils eine
Anzahl von nach dem Durchlaufprinzip ausgelegten Heizflächen,
auch als Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 bezeichnet, angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der FIG ist lediglich
eine Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 gezeigt, es kann aber
auch eine größere Anzahl von Verdampfer-Durchlaufheizflächen
vorgesehen sein.
Das aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 gebildete Verdampfersystem
ist mit Strömungsmedium W beaufschlagbar, das
bei einmaligem Durchlauf durch die Verdampfer-Durchlaufheizfläche
8 verdampft und nach dem Austritt aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche
8 als Dampf D abgeführt und üblicherweise
zur weiteren Überhitzung Überhitzerheizflächen zugeführt
wird. Das aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 gebildete
Verdampfersystem ist in den nicht näher dargestellten Wasser-Dampf-Kreislauf
einer Dampfturbine geschaltet. Zusätzlich zu
dem Verdampfersystem sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der
Dampfturbine eine Anzahl weiterer, in der FIG nicht näher
dargestellter Heizflächen geschaltet. Bei den Heizflächen
kann es sich beispielsweise um Überhitzer, Mitteldruckverdampfer,
Niederdruckverdampfer und/oder um Vorwärmer handeln.
Die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 des Durchlaufdampferzeugers
1 nach der FIG umfasst in der Art eines Rohrbündels eine
Mehrzahl von zur Durchströmung des Strömungsmediums W parallel
geschalteten Dampferzeugerrohren 12. Dabei ist jeweils
eine Mehrzahl von Dampferzeugerrohren 12 in Heizgasrichtung x
gesehen nebeneinander angeordnet. Dabei ist jeweils lediglich
eines der so nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohre 12
sichtbar. Den so nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohren
12 ist dabei strömungsmediumseitig vor ihrem Eintritt 13
in den Heizgaskanal 6 jeweils ein gemeinsamer Eintrittssammler
14 vor- und nach ihrem Austritt 16 aus dem Heizgaskanal 6
ein gemeinsamer Austrittssammler 18 nachgeschaltet. Die
Dampferzeugerrohre 12 umfassen eine Anzahl von vom Strömungsmedium
W in Aufwärtsrichtung durchströmten Steigrohrstücken
20 und in Abwärtsrichtung durchströmten Fallrohrstücken 22,
die jeweils durch in waagerechter Richtung durchströmte Überströmstücke
24 miteinander verbunden sind.
Der Durchlaufdampferzeuger 1 ist für eine besonders hohe betriebliche
Sicherheit und zur konsequenten Unterdrückung von
auch als Temperaturschieflage bezeichneten signifikanten Temperaturunterschieden
am Austritt 16 zwischen benachbarten
Dampferzeugerrohren 12 selbst bei einer Bespeisung mit vergleichsweise
hohen Massenstromdichten ausgelegt. Dazu umfasst
die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 in ihrem strömungsmediumseitig
gesehen hinteren Bereich ein Heizflächensegment 26,
das im Gegenstrom zur Heizgasrichtung x geschaltet ist. Eine
Anzahl von jeweils durch Überströmstücke 24 miteinander verbundenen
Steigrohrstücken 20 und Fallrohrstücken 22 bilden
zudem ein weiteres, im Gleichstrom zur Heizgasrichtung x geschaltetes
Heizflächensegment 28, das dem Heizflächensegment
26 vorgeschaltet ist. Durch diese Schaltung ist die Positionierung
des Austritts 16 in Heizgasrichtung x gesehen wählbar.
Diese Positionierung ist beim Durchlaufdampferzeuger 1
derart gewählt, dass die sich im Betriebsfall in der Verdampfer-Durchlaufheizfläche
8 einstellende druckabhängige Sattdampftemperatur
des Strömungsmediums W um weniger als eine
vorgegebene Maximalabweichung von etwa 50 °C von der im Betriebsfall
an der Position oder auf der Höhe des Austritts 16
des Heizflächensegments 26 herrschenden Heizgastemperatur abweicht.
Da die Temperatur des Strömungsmediums W am Austritt
16 immer mindestens gleich der Sattdampftemperatur sein muss,
andererseits aber nicht höher als die an dieser Stelle herrschende
Heizgastemperatur sein kann, sind die möglichen Temperaturdifferenzen
zwischen unterschiedlich beheizten Rohren
auch ohne weitere Gegenmaßnahmen auf die vorgegebene Maximalabweichung
von etwa 50 °C begrenzt.
Dem in Heizgasrichtung x weit vorn im Heizgaskanal 6 angeordneten
weiteren Heizflächensegment 28 ist somit heizgasseitig
und strömungsmediumseitig das ebenfalls von einer Anzahl von
jeweils durch Überströmstücke 24 miteinander verbundenen, im
Gegenstrom zur Heizgasrichtung x durchströmten Steigrohrstücken
20 und Fallrohrstücken 22 gebildete Heizflächensegment
26 nachgeschaltet.
Eine Anordnung von in Abwärtsrichtung durchströmten Rohrstücken
wie den Fallrohrstücken 22 innerhalb des Heizgaskanals 6
ist grundsätzlich nur dann möglich, wenn durch geeignete Maßnahmen
die Stabilität der Strömung innerhalb der Dampferzeugerrohre
12 sichergestellt wird. Eine Beheizung von in Abwärtsrichtung
durchströmten Rohrstücken kann nämlich im Allgemeinen
zur Bildung von Dampfblasen im Strömungsmedium W
führen, die, wenn sie aufgrund ihres geringen spezifischen
Gewichtes entgegen der Strömungsrichtung des Strömungsmediums
W aufsteigen, die Stabilität der Strömung und somit die betriebliche
Sicherheit des Durchlaufdampferzeugers 1 beeinträchtigen
könnten. Andererseits ist eine Schaltung der
Dampferzeugerrohre 12, bei der lediglich eine Beheizung der
in Aufwärtsrichtung durchströmten Rohrstücke, also der Steigrohrstücke
20, stattfindet, mit einem hohen konstruktiven
Aufwand verbunden.
Eine besonders einfache und somit auch robuste Bauweise des
Durchlaufdampferzeugers 1 ist erreichbar, indem die Verdampfer-Durchlaufheizfläche
8 besonders im Hinblick auf Sammlung
und Verteilung des Strömungsmediums W besonders einfach ausgeführt
ist und auf zusätzliche Komponenten wie beispielsweise
unbeheizte Sammelleitungen verzichtet wird. Stattdessen
umfassen die Dampferzeugerrohre 12 jeweils eine Mehrzahl von
strömungsmediumseitig alternierend hintereinandergeschalteten
Steigrohrstücken 20 und Fallrohrstücken 22, die innerhalb des
Heizgaskanals 6 verlegt, also einer Beheizung durch das Heizgas
ausgesetzt sind.
Der Eintritt 13 ist am gasseitigen Eintritt der Verdampfer-Durchlaufheizfläche
8, also in Heizgasrichtung x weit vorne
im Heizgaskanal 6, angeordnet. Durch die Anordnung des Eintritts
13 in dem Bereich des Heizgaskanals 6, in dem das
Heizgas die höchste Temperatur aufweist, wird eine sehr rasche
Aufheizung und somit auch Verdampfung des Strömungsmediums
W in den Dampferzeugerrohren 12 erzielt. Da die Strömungsgeschwindigkeit
eines Wasser-Dampf-Gemisches bei gleichem
Massendurchsatz umso höher ist, je größer der Dampfanteil
und damit das spezifische Volumen des Gemisches ist, erreicht
das Strömungsmedium W bei dieser Anordnung des Eintrittssammlers
14 vergleichsweise schnell eine hohe Strömungsgeschwindigkeit.
Diese ist besonders günstig, um die Stabilität der in den
Dampferzeugerrohren 12 stattfindenden Strömung zu gewährleisten.
Ein wichtiger, die Stabilität der Strömung in entscheidendem
Maße beeinträchtigender Faktor ist nämlich das Auftreten
von Dampfblasen in den Dampferzeugerrohren 12. Aufgrund
ihres niedrigen spezifischen Gewichtes können in den Dampferzeugerrohren
12 sich bildende Dampfblasen nach oben aufsteigen
und damit in den abwärts durchströmten Fallrohrstücken 22
eine Bewegung entgegen der Strömungsrichtung vollführen. Da
eine solche Bewegung die Stabilität der Strömung entscheidend
beeinträchtigen würde, muss das Aufsteigen sich bildender
Dampfblasen in den Dampferzeugerrohren 12 konsequent verhindert
werden. Ein wichtiges Kriterium für die Stabilität der
Strömung ist die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums
W. Weist sie bereits im ersten abwärts durchströmten
Rohrstück, also im ersten Fallrohrstück 22, einen Wert auf,
der mindestens so hoch ist wie die zur Mitnahme von Dampfblasen
erforderliche Geschwindigkeit, so werden diese mit der
Strömung mitgerissen und ein Aufsteigen entgegen der Strömungsrichtung
sicher verhindert. Durch die Positionierung des
Eintritts 13 am heizgasseitigen Eintritt und die dadurch bedingte
hohe Geschwindigkeit des Strömungsmediums W bereits im
ersten Fallrohrstück 22 ist der gewünschte Mitnahmeeffekt für
sich bildende Dampfblasen bei gleichzeitig geringem konstruktiven
Aufwand sichergestellt.
Claims (15)
- Durchlaufdampferzeuger (1), bei dem in einem in einer annähernd horizontalen Heizgasrichtung (x) durchströmbaren Heizgaskanal (6) eine Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) angeordnet ist, die eine Anzahl von zur Durchströmung eines Strömungsmediums (W) parallel geschalteten Dampferzeugerrohren (12) umfasst, und die ein vom Strömungsmedium (W) im Gegenstrom zum Heizgaskanal (6) durchströmbares Heizflächensegment(26) umfasst, dessen strömungsmediumseitiger Austritt (16) in Heizgasrichtung (x) gesehen derart positioniert ist, dass die sich im Betriebsfall am Austritt der Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) einstellende Sattdampftemperatur um weniger als eine vorgegebene Maximalabweichung von der im Betriebsfall an der Position des Austritts (16) des Heizflächensegments herrschenden Heizgastemperatur abweicht.
- Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 1, bei dem eine Maximalabweichung von höchstens 70 °C vorgegeben ist.
- Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Anzahl der Dampferzeugerrohre (12) jeweils eine Mehrzahl von strömungsmediumseitig alternierend hintereinandergeschalteten Steigrohr- (20) und Fallrohrstücken (22) umfasst.
- Durchlaufdampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der strömungsmediumseitige Eintritt (13) der Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) derart nah am heizgasseitigen Eintritt der Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) angeordnet ist, dass im Betriebsfall das die Dampferzeugerrohre (12) durchströmende Strömungsmedium (W) eine Strömungsgeschwindigkeit von mehr als einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit aufweist.
- Durchlaufdampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) ein weiteres, dem Heizflächensegment (20) strömungsmediumseitig vorgeschaltetes Heizflächensegment (22) umfasst.
- Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 5, bei dem das weitere Heizflächensegment (22) im Gegenstrom zur Heizgasrichtung (x) geschaltet ist.
- Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 5, bei dem das weitere Heizflächensegment (22) im Gleichstrom zur Heizgasrichtung (x) geschaltet ist.
- Durchlaufdampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dem heizgasseitig eine Gasturbine vorgeschaltet ist.
- Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers (1) mit einer in einem in einer annähernd horizontalen Heizgasrichtung (x) durchströmbaren Heizgaskanal (6) mit einer Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8), die eine Anzahl von zur Durchströmung eines Strömungsmediums (W) parallel geschalteten Dampferzeugerrohren (12) umfasst, wobei das Strömungsmedium (W) in Heizgasrichtung (x) gesehen an einer Position aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) abgeführt wird, an der die im Betriebsfall herrschende Heizgastemperatur um weniger als eine vorgegebene Maximalabweichung von der sich im Betriebsfall am Austritt der Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) einstellenden Sattdampftemperatur abweicht.
- Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Strömungsmedium (W) vor seinem Austritt aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) im Gegenstrom zum Heizgas geführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem eine Maximalabweichung von höchstens 70 °C vorgegeben wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem das Strömungsmedium (W) bereits beim oder unmittelbar nach dem Eintritt in die Dampferzeugerrohre (12) einer derartig starken Beheizung ausgesetzt wird, dass es in einem ersten Fallrohrstück (24) des jeweiligen Dampferzeugerrohrs (12) eine Strömungsgeschwindigkeit von mehr als einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 12, bei dem als Mindestgeschwindigkeit die zur Mitnahme von im jeweiligen ersten Fallrohrstück (22) erzeugten Dampfblasen erforderliche Strömungsgeschwindigkeit vorgegeben wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem das Strömungsmedium (W) nach seinem Eintritt in die Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) im Gegenstrom zum Heizgas geführt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem das Strömungsmedium (W) nach seinem Eintritt in die Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) im Gleichstrom zum Heizgas geführt wird.
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