EP1695007A1 - Durchlaufdampferzeuger - Google Patents

Durchlaufdampferzeuger

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Publication number
EP1695007A1
EP1695007A1 EP04790884A EP04790884A EP1695007A1 EP 1695007 A1 EP1695007 A1 EP 1695007A1 EP 04790884 A EP04790884 A EP 04790884A EP 04790884 A EP04790884 A EP 04790884A EP 1695007 A1 EP1695007 A1 EP 1695007A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam generator
side walls
region
tubes
generator tubes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04790884A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rudolf Kral
Andre Schrief
Frank Thomas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP04790884A priority Critical patent/EP1695007A1/de
Publication of EP1695007A1 publication Critical patent/EP1695007A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • 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
    • F22B37/14—Supply mains, e.g. rising mains, down-comers, in connection with water tubes
    • F22B37/146—Tube arrangements for ash hoppers and grates and for combustion chambers of the cyclone or similar type out of the flues
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • 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
    • F22B37/14—Supply mains, e.g. rising mains, down-comers, in connection with water tubes

Definitions

  • the invention relates to a steam generator with a combustion chamber, which has funnel side walls in its bottom region, and with a peripheral wall formed from gas-tightly welded steam generator pipes.
  • a steam generator can be designed according to various design principles.
  • the heating of a number of steam generator tubes which together form the gas-tight peripheral wall of the combustion chamber, leads to complete evaporation of a flow medium in the steam generator tubes in one pass.
  • the flow medium - usually water - is fed to the superheater tubes connected downstream of the steam generator tubes and overheated there.
  • a high live steam pressure promotes high thermal efficiency and thus lower CO 2 emissions from a fossil-fired power plant.
  • the steam generator pipes are usually connected to one another by fins.
  • the surrounding wall is thus formed from a number of approximately parallel steam generator tubes which are connected to one another via fins and welded in a gas-tight manner.
  • the steam generator tubes of the steam generator can be arranged vertically or spirally and thus inclined.
  • funnel side walls of the combustion chamber are usually arranged, the shape of which allows the uncomplicated removal of ash that has arisen during the combustion process.
  • the combustion chamber wall is usually made of vertical steam generator tubes and fins.
  • the steam generator tubes In the lower section in the area of the funnel, the steam generator tubes usually also run in the manner of a vertical pipe in the same direction as in their upper section forming the combustion chamber wall.
  • the parallel tubes enter the funnels via inlet collectors and then form the parallel tubes of the combustion chamber.
  • the heat generated during the combustion of a fuel gas within the combustion chamber is introduced both directly through the walls of the steam generator tubes and via the fins into the flow medium flowing through the steam generator tubes.
  • the heating of each steam generator tube determines the weight of the water column in the respective tube. Since the flow of flow medium through a steam generator tube and thus the outlet temperature of the flow medium depends on the pressure of the water column in the corresponding tube, the outlet temperature through a steam generator tube is decisively influenced by the heating of the corresponding steam generator tube.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a steam generator of the type mentioned above, in which it is ensured in every operating state that the differences in the temperatures of the flow medium at the outlet of individual steam generator pipes do not exceed a critical value.
  • This object is achieved according to the invention in that a number of steam generator tubes in the area of the funnel side walls have a different tube outer diameter and / or a different fin width than in the area of the peripheral wall of the combustion chamber.
  • the invention is based on the consideration that high material loads on the steam generator tubes can be avoided by ensuring that the temperature differences of the flow medium at the outlet of individual steam generator tubes do not exceed a critical value. Therefore, the heating of a steam generator tube should not deviate significantly from the heating of the other steam generator tubes at any point of the steam generator.
  • the length of the steam generator tubes has to be varied with increasing tapering of the funnel in the case of a conventional design. Some steam generator tubes are therefore shorter than others and are therefore exposed to weaker heating in the area of the funnel side walls. With the conventional design Different heating of the steam generator tubes and fins can therefore not be avoided due to the geometric conditions in their lower section arranged in the region of the funnel side walls.
  • the lengths of the individual steam generator tubes should not deviate too much from one another.
  • the steam generator tubes should be guided along the side faces of the funnel side walls. This is made possible by a suitable choice of pipe geometries.
  • the steam generator is advantageously designed as a once-through steam generator.
  • a number of steam generator tubes have a smaller tube diameter in the lower section forming the funnel side walls than in the upper section forming the combustion chamber wall.
  • the reduction in the pipe diameter in the funnel side walls allows the pipes to be piped with the same number of steam generator pipes as in the upper section forming the combustion chamber wall.
  • the tapering of the funnel side walls is not taken into account by reducing the number of steam generator tubes, but by reducing the tube diameter. This means that all steam generator tubes run over approximately the same length in the heated area and comparable heating of all steam generator tubes is ensured.
  • the heat input into the flow medium occurs not only through the tube walls, but also through the fins connecting the individual steam generator tubes together.
  • the width of the combustion chamber wall and the funnel side walls results from the number of steam generator tubes multiplied by the distance from the tube axis to the tube axis, the distance from the tube axis to the tube axis being equal to the tube diameter added to the width of a fin.
  • the width of the fins in the lower section of the steam generator tubes forming the funnel side walls can therefore advantageously also be changed and in particular reduced.
  • the pipe outer diameter in the lower section is advantageously reduced by 5 to 15 percent compared to the pipe diameter in the upper section.
  • the fin width is advantageously reduced in the lower section by 30 to 70 percent compared to the width in the upper section.
  • a number of steam generator tubes are advantageously arranged at least partially parallel to the direction of inclination of the funnel side walls.
  • Such an arrangement allows a particularly good adaptation of the length of each individual steam generator tube to the heating conditions and thus a particularly uniform heating.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that when the steam generator is designed as a once-through steam generator, the occurrence of impermissibly large temperature differences of the flow medium in individual steam generator pipes can be effectively avoided with comparatively little structural effort. Because, in particular in the lower section of the steam generator tubes forming the funnel side walls, all steam generator tubes are exposed to a similarly strong heating, this can also occur when feeding of the steam generator with a low mass flow density do not lead to greatly differing flow rates and therefore also not to impermissibly high temperature differences of the flow medium at the outlet of the steam generator pipes.
  • Fig. Lb an alternative embodiment of the continuous steam generator
  • FIG. 2 shows a further alternative embodiment of the once-through steam generator according to FIG. 1.
  • FIG. 1 a schematically shows a steam generator 1 designed as a continuous steam generator, the vertical throttle cable of which is surrounded by a surrounding wall 4 and forms a combustion chamber which merges at the lower end into a floor formed by funnel side walls 6.
  • the bottom comprises a discharge opening 8 for ashes, not shown.
  • the vertical steam generator tubes 12 In the area of the throttle cable, there are a number of burners (not shown) in the vertical steam generator tubes 12 formed surrounding wall 4 of the combustion chamber attached.
  • the vertically extending steam generator tubes 12 are welded together via fins 14 and together with the fins 14 form the peripheral wall 4 of the combustion chamber in their upper section.
  • An inlet header 16 is arranged below the floor, from which the steam generator tubes 12 are supplied with flow medium.
  • the flow rate of the flow medium through the individual steam generator tubes 12 or the division of the flow rate among the individual steam generator tubes 12 is strongly determined by the respective weights of the water columns in the individual steam generator tubes 12. This has the consequence that heating, which is in the lower part of the combustion chamber, especially in the area of the funnel side walls 6, has a great influence on the flow through the steam generator tubes 12. If individual steam generator tubes 12 are heated comparatively strongly, the weight of their water column and thus also the resistance in the steam generator tube 12 in question decreases. This increases the flow rate in this steam generator tube 12 in comparison to other, less strongly heated steam generator tubes 12. If a steam generator tube 12 becomes comparatively weak heated, the flow rate is reduced accordingly.
  • a steam generator tube 12 is heated comparatively weakly in the area of the funnel side walls, for example because it only enters the heated side walls 6 at the upper edge of the funnel. th area occurs and thus has a comparatively short length within the heated area, it has a lower flow rate compared to other, comparatively strongly heated steam generator tubes 12 which have a greater length within the heated area.
  • all steam generator tubes 12 are exposed to similar heating. Under these conditions, a steam generator tube 12 with a comparatively low flow rate will absorb more heat than one with a comparatively high throughput, so that the different heating of the steam generator tubes 12 in the region of the funnel side walls 6 may result in considerable differences in the outlet temperature of the flow medium.
  • the steam generator tubes 12 of the steam generator 1 in FIG. 1 a have a smaller diameter in the lower section forming the funnel side walls 6 than in the upper section forming the peripheral wall 4 of the combustion chamber.
  • the fins 14 also have a smaller width in the lower section than in the upper section.
  • the width of the base which is determined by the number of parallel steam generator tubes 12 and by the tube diameter added to the width of a fin 14, can thus be reduced by a smaller tube diameter and a smaller width of the fins 14 instead of by reducing tion of the number of parallel steam generator tubes 12. This achieves the required tapering of the floor in the manner of at least partially guiding the steam generator pipes along the floor.
  • each steam generator tube 12 in the lower section is 5 to 15 percent compared to the tube diameter in the upper section and the width of the fins 14 in the lower section are reduced by 30 to 70 percent compared to the width in the upper section.
  • a normal tube diameter of 34 mm and a fin width of 16 mm this results in a tube diameter of approximately 32 mm and a fin width of approximately 6 mm in the lower section.
  • a particularly uniform heating of the steam generator tubes 12 in the region of the funnel side walls 6 can be achieved by the steam generator tubes 12 in their lower section, as shown in FIG.
  • This oblique arrangement allows the strength of the heating of each steam generator tube 12 to be largely adapted to its length within the heated area. In other words, the comparatively weak heating of a steam generator tube 12 is compensated for by a longer length in the heated area made possible by the oblique arrangement of the steam generator tubes 12.
  • FIG. 1 a shows an arrangement in which the steam generator tubes 12 are arranged obliquely in their lower section, in which the tube diameter is reduced, that is to say not parallel to the direction of inclination of the base.
  • this arrangement up to a certain height H determined by the geometry and dimensions of the bottom, fins 14 and steam generator tubes 12, an arrangement of the steam generator tubes 12 is provided parallel to the direction of inclination of the base. Above this height H, the described oblique arrangement is provided.
  • the steam generator tubes 12 can also be arranged as shown in FIG. 1b.
  • a pipe diameter that is reduced compared to the diameter in the upper section up to a certain height H there is also a pipe with steam generator pipes 12 arranged parallel to the direction of inclination of the floor and with a pipe diameter that is reduced compared to the diameter in the upper section.
  • an oblique arrangement of the steam generator tubes 12 is provided, but the angle of inclination of the steam generator tubes 12 relative to their original direction in the plane of the floor is selected such that the steam generator tubes 12 as well as the fins 14 in their oblique section have the same tube diameter or the same width as in the upper section.
  • the tube diameter and fin width are only reduced to height H.
  • the steam generator tubes 12 can be arranged as shown in FIG. 2.
  • the outermost steam generator tubes 12, that is to say those steam generator tubes 12 which are at the greatest distance from the central axis A are designed over the entire height of the funnel side walls 6 both with a non-reduced tube diameter and a non-reduced fin width, and are arranged obliquely.
  • the innermost steam generator tubes 12 with the smallest distance from the central axis A are designed with a reduced tube diameter and fin width over their entire length and arranged parallel to the central axis A and thus to the direction of inclination of the floor.
  • the respective steam generator pipes 12 lying between the outermost and the innermost steam generator pipe 12 form the transition and each have a first section with a reduced pipe diameter and a fin width, in which they are arranged parallel to the central axis, and a second section with a non-reduced pipe diameter and a non-reduced fin width , in which they are arranged obliquely and thus parallel to the outermost steam generator tube 12.

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Abstract

Ein Dampferzeuger (1) mit einer Brennkammer, die in ihrem Bodenbereich Trichterseitenwände (6) aufweist, und mit einer aus einer Anzahl von mit einem Strömungsmedium durchströmbaren Dampferzeugerrohren (12) gebildeten Umfassungswand (4) soll möglichst geringe Temperaturunterschiede im Strömungsmedium am Austritt der Dampferzeugerrohre (12) aufweisen. Dazu sind die Dampferzeugerrohre (12) insbesondere in dem die Trichterseitenwände (6) bildenden unteren Abschnitt derart angeordnet, dass sie einer möglichst gleichmässigen Beheizung ausgesetzt sind. Dazu weist eine Anzahl von Dampferzeugerrohren (12) erfindungsgemäss im Bereich der Trichterseitenwände (6) einen anderen Rohrdurchmesser auf als im Bereich der Umfassungswand (4).

Description

Beschreibung
Durchlaufdampferzeuger
Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger mit einer Brennkammer, die in ihrem Bodenbereich Trichterseitenwände aufweist, und mit einer aus gasdicht miteinander verschweißten Dampferzeugerrohren gebildeten Umfassungswand.
Ein Dampferzeuger kann nach verschiedenen Auslegungsprinzipien konzipiert sein. In einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung einer Anzahl von Dampferzeugerrohren, die zusammen die gasdichte Umfassungswand der Brennkammer bilden, zu einer vollständigen Verdampfung eines Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem Durchgang. Das Strömungsmedium - üblicherweise Wasser - wird nach seiner Verdampfung den Dampferzeugerrohren nachgeschalteten Überhitzerrohren zugeführt und dort überhitzt.
Ein Durchlaufdampferzeuger unterliegt im Gegensatz zu einem Naturumlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so dass er für Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser (pkrit = 221 bar) - wo keine Unterscheidung der Phasen Wasser und Dampf und damit auch keine Phasentrennung möglich ist - ausgelegt werden kann. Ein hoher Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermischen Wirkungsgrad und somit niedrigere C02-Emissionen eines fossil beheizten Kraftwerks.
Bei Dampferzeugern mit vertikalem Gaszug sind die Dampferzeugerrohre in der Regel über Flossen miteinander verbunden. Die Umfassungswand ist also aus einer Anzahl von annähernd parallelen Dampferzeugerrohren gebildet, die über Flossen miteinander verbunden und gasdicht verschweißt sind. Die Dampferzeugerrohre des Dampferzeugers können dabei vertikal oder spiralförmig und damit geneigt angeordnet sein. Am unteren Ende des Gaszuges sind üblicherweise Trichterseitenwände der Brennkammer angeordnet, dessen Form die unkomplizierte Entfernung von während des Verbrennungsprozesses entstandener Asche erlaubt. Dabei ist die Brennkammerwand aus in der Regel senkrechten Dampferzeugerrohren und Flossen gebildet. Im unteren Abschnitt im Bereich des Trichters verlaufen die Dampferzeugerrohre üblicherweise ebenfalls in der Art einer Senkrechtberohrung in derselben Richtung weiter wie in ihrem die Brennkammerwand bildenden oberen Abschnitt. Die Parallelrohre treten dabei über Eintrittssammler in die Trichter ein und bilden im weiteren Verlauf die Parallelrohre der Brennkammer .
Während des Betriebs eines Durchlaufdampferzeugers wird die bei der Verbrennung eines Brenngases innerhalb der Brennkammer erzeugte Wärme sowohl direkt über die Wände der Dampferzeugerrohre als auch über die Flossen in das die Dampferzeugerrohre durchströmende Strömungsmedium eingetragen. Dabei bestimmt die Beheizung jedes Dampferzeugerrohrs das Gewicht der Wassersäule in dem jeweiligen Rohr. Da der Durchfluss an Strömungsmedium durch ein Dampferzeugerrohr und damit die Austrittstemperatur des Strömungsmediums von dem Druck der Wassersäule in dem entsprechenden Rohr abhängt, wird die Austrittstemperatur durch ein Dampferzeugerrohr entscheidend von der Beheizung des entsprechenden Dampferzeugerrohrs beein- flusst .
Werden die Dampferzeugerrohre unterschiedlich stark beheizt, resultieren somit auch unterschiedliche Austrittstemperaturen des Strömungsmediums. Unter Umständen - insbesondere bei Anfahrvorgängen und niedrigen Lasten - können solche Temperaturdifferenzen einen Wert erreichen, bei dem es zu unzulässig hohen Materialbelastungen kommt.
Bei in der Brennkammerwand und im Bereich der Trichterseitenwände senkrecht verlaufenden Dampferzeugerrohren sind im Bereich der Trichterseitenwände einige Dampferzeugerrohre und die zugehörigen Flossen, nämlich die, die bei viereckigem Querschnitt der Brennkammer im Bereich der vier Ecken liegen, kürzer als die die Spitze der Trichterseitenwände bildenden. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Länge sind die Dampferzeugerrohre und die Flossen somit einer unterschiedlich starken Beheizung ausgesetzt. Es besteht also die Gefahr, dass es wegen der unterschiedlich starken Beheizung der Dampferzeugerrohre im Bereich der Trichterseitenwände zu unzulässig hohen Temperaturdifferenzen des aus den einzelnen Dampferzeugerrohren austretenden Strömungsmediums kommt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger der oben genannten Art anzugeben, bei dem in jedem Betriebszustand sichergestellt ist, dass die Unterschiede in den Temperaturen des Strömungsmediums am Austritt einzelner Dampferzeugerrohre einen kritischen Wert nicht überschreiten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine Anzahl von Dampferzeugerrohren im Bereich der Trichterseitenwände einen anderen Rohraußendurchmesser und/oder eine andere Flossenbreite aufweist als im Bereich der Umfassungswand der Brennkammer.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass hohe Materialbelastungen der Dampferzeugerrohre vermieden werden können, indem sichergestellt wird, dass die Temperaturdifferenzen des Strömungsmediums am Austritt einzelner Dampferzeugerrohre einen kritischen Wert nicht überschreiten. Daher sollte die Beheizung eines Dampferzeugerrohrs an keiner Stelle des Dampferzeugers wesentlich von der Beheizung der anderen Dampferzeugerrohre abweichen. Im Bereich der Trichterseitenwände der Brennkammer muss allerdings bei herkömmlicher Bauweise die Länge der Dampferzeugerrohre mit zunehmender Verjüngung des Trichters variiert werden. Einige Dampferzeugerrohre weisen damit eine geringere Länge auf als andere und sind daher im Bereich der Trichterseitenwände einer schwächeren Beheizung ausgesetzt. Bei der herkömmlichen Bauweise lässt sich daher eine unterschiedliche Beheizung der Dampferzeugerrohre und Flossen aufgrund der geometrischen Verhältnisse in ihrem im Bereich der Trichterseitenwände angeordneten unteren Abschnitt nicht vermeiden. Um trotz der notwendigen Verjüngung der Trichterseitenwände eine nicht zu unterschiedliche Beheizung der einzelnen Dampferzeugerrohre sicherzustellen, sollten die Längen der einzelnen Dampferzeugerrohre nicht zu stark voneinander abweichen. Um das zu ermöglichen, sollten im Bereich der Trichterseitenwände die Dampferzeugerrohre entlang von dessen Seitenflächen geführt sein. Dies wird ermöglicht, indem die Rohrgeometrien geeignet gewählt sind.
Der Dampferzeuger ist dabei vorteilhafterweise als Durchlaufdampferzeuger ausgelegt. Vorteilhafterweise weist eine Anzahl von Dampferzeugerrohren in dem die Trichterseitenwände bildenden unteren Abschnitt einen geringeren Rohrdurchmesser auf als in dem die Brennkammerwand bildenden oberen Abschnitt. Die Reduzierung des Rohrdurchmessers in den Trichterseitenwänden erlaubt dessen Berohrung mit derselben Anzahl von Dampferzeugerrohren wie in dem die Brennkammerwand bildenden oberen Abschnitt. Mit anderen Worten: Der Verjüngung der Trichterseitenwände wird nicht durch die Reduzierung der Anzahl von Dampferzeugerrohren, sondern durch die Reduzierung des Rohrdurchmessers Rechnung getragen. Damit verlaufen alle Dampferzeugerrohre über etwa die gleiche Länge im beheizten Bereich und es ist eine vergleichbare Beheizung aller Dampferzeugerrohre sichergestellt.
Der Wärmeeintrag in das Strömungsmedium erfolgt aber nicht nur durch die Rohrwände, sondern auch durch die die einzelnen Dampferzeugerrohre miteinander verbindenden Flossen. Die Breite der Brennkammerwand und der Trichterseitenwände ergibt sich aus der Anzahl der Dampferzeugerrohre multipliziert mit dem Abstand von Rohrachse zu Rohrachse, wobei der Abstand von Rohrachse zu Rohrachse gleich dem Rohrdurchmesser addiert zur Breite einer Flosse ist. Um der Verjüngung der Trichterseitenwände Rechnung zu tragen, kann daher vorteilhafterweise auch die Breite der Flossen im unteren, die Trichterseitenwände bildenden Abschnitt der Dampferzeugerrohre verändert und insbesondere reduziert werden.
Vorteilhafterweise ist der Rohraußendurchmesser im unteren Abschnitt um 5 bis 15 Prozent gegenüber dem Rohrdurchmesser im oberen Abschnitt reduziert. Die Flossenbreite ist vorteilhafterweise im unteren Abschnitt um 30 bis 70 Prozent gegenüber der Breite im oberen Abschnitt reduziert. Wie sich nämlich herausgestellt hat, lässt sich auf diese Weise eine besonders effektive Ausnutzung der im die Trichterseitenwände bildenden unteren Abschnitt der Dampferzeugerrohre zur Verfügung stehenden Wärme erreichen.
Im Bereich der Trichterseitenwände ist eine Anzahl von Dampferzeugerrohren vorteilhafterweise zumindest teilweise parallel zur Neigungsrichtung der Trichterseitenwände angeordnet. Eine solche Anordnung erlaubt eine besonders gute Anpassung der Länge jedes einzelnen Dampferzeugerrohrs an die Beheizungsverhältnisse und damit eine besonders gleichmäßige Beheizung. Insbesondere ist es bei einer solchen Anordnung beispielsweise möglich, ein weniger stark beheiztes Dampferzeugerrohr so zu verlegen, dass es eine größere Länge innerhalb des beheizten Bereichs aufweist, und auf diese Weise den Effekt einer schwächeren Beheizung durch den einer längeren Beheizung zu kompensieren.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass bei einer Auslegung des Dampferzeugers als Durchlaufdampferzeuger bei vergleichsweise geringem baulichen Aufwand das Auftreten von unzulässig großen Temperaturdifferenzen des Strömungsmediums in einzelnen Dampferzeugerrohren wirksam vermieden werden kann. Weil insbesondere im die Trichterseitenwände bildenden unteren Abschnitt der Dampferzeugerrohre alle Dampferzeugerrohre einer ähnlich starken Beheizung ausgesetzt sind, kann es auch bei einer Bespeisung des Dampferzeugers mit niedriger Massenstromdichte nicht zu stark unterschiedlichen Durchflussraten und somit auch nicht zu unzulässig hohen Temperaturdifferenzen des Strömungsmediums am Austritt der Dampferzeugerrohre kommen.
Bei einer Auslegung des Dampferzeugers in Umlaufbauweise sind hingegen nahezu gleiche Massenströme und somit eine gute Kühlung für die Dampferzeugerrohre und zudem nahezu gleiche Dampfgehalte in den Dampferzeugerrohren erreichbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. la schematisch einen Durchlaufdampferzeuger mit vertikal angeordneten Verdampferrohren im Bereich der Brennkammerwand und teilweise parallel zur Neigungsrichtung des Bodens angeordneten Dampferzeugerrohren im Bereich des Bodens,
Fig. lb eine alternative Ausführung des Durchlaufdampfer- zeugers, und
Fig. 2 eine weitere alternative Ausführung des Durchlaufdampferzeugers nach Fig. 1.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. la ist schematisch ein als Durchlaufdampferzeuger ausgestalteter Dampferzeuger 1 dargestellt, dessen vertikaler Gaszug von einer Umfassungswand 4 umgeben ist und eine Brennkammer bildet, die am unteren Ende in einen von Trichterseitenwänden 6 gebildeten Boden übergeht. Der Boden umfasst eine nicht näher dargestellte Austragsöffnung 8 für Asche.
Im Bereich des Gaszugs sind eine Anzahl von nicht dargestellten Brennern in der aus vertikal angeordneten Dampferzeuger- röhren 12 gebildeten Umfassungswand 4 der Brennkammer angebracht. Die vertikal verlaufend angeordneten Dampferzeugerrohre 12 sind über Flossen 14 miteinander verschweißt und bilden zusammen mit den Flossen 14 in ihrem oberen Abschnitt die Umfassungswand 4 der Brennkammer. Unterhalb des Bodens ist ein Eintrittssammler 16 angeordnet, aus dem die Dampferzeugerrohre 12 mit Strömungsmedium bespeist werden.
In der Brennkammer befindet sich beim Betrieb des Dampferzeugers 1 ein bei der Verbrennung eines fossilen Brennstoffes entstehender Flammenkörper. Die auf diese Weise in der Brennkammer erzeugte Wärme wird auf das die Dampferzeugerrohre 12 durchströmende Strömungsmedium übertragen, wo sie die Verdampfung des Strömungsmediums bewirkt. Dabei erfolgt der Wärmeeintrag sowohl direkt über die Rohrwände der Dampferzeugerrohre 12 als auch über die Flossen 14.
Die Durchflussrate des Strömungsmediums durch die einzelnen Dampferzeugerrohre 12 beziehungsweise die Aufteilung des Durchflusses auf die einzelnen Dampferzeugerrohre 12 wird stark bestimmt durch die jeweiligen Gewichte der Wassersäulen in den einzelnen Dampferzeugerrohren 12. Dies hat zur Folge, dass eine Beheizung, die im unteren Teil der Brennkammer, besonders im Bereich der Trichterseitenwände 6, erfolgt, großen Einfluss auf die Durchströmung der Dampferzeugerrohre 12 hat. Werden einzelne Dampferzeugerrohre 12 vergleichsweise stark beheizt, sinkt das Gewicht ihrer Wassersäule und damit auch der Widerstand in dem betreffenden Dampferzeugerrohr 12. Dadurch erhöht sich in diesem Dampferzeugerrohr 12 die Durchflussrate im Vergleich zu anderen, weniger stark beheizten Dampferzeugerrohren 12. Wird ein Dampferzeugerrohr 12 vergleichsweise schwach beheizt, so verringert sich die Durchflussrate entsprechend.
Wird ein Dampferzeugerrohr 12 im Bereich der Trichterseitenwände vergleichsweise schwach beheizt, beispielsweise weil es erst am oberen Rand der Trichterseitenwände 6 in den beheiz- ten Bereich eintritt und somit innerhalb des beheizten Bereiches eine vergleichsweise geringe Länge aufweist, so weist es im Vergleich zu anderen, vergleichsweise stark beheizten Dampferzeugerrohren 12, die innerhalb des beheizten Bereiches eine größere Länge aufweisen, eine niedrigere Durchflussrate auf. Im oberen Abschnitt der Dampferzeugerrohre 12, der die Umfassungswand 4 der Brennkammer bildet, sind alle Dampferzeugerrohre 12 ähnlichen Beheizungen ausgesetzt. Ein Dampferzeugerrohr 12 mit vergleichsweise niedriger Durchflussrate wird bei diesen Bedingungen mehr Wärme aufnehmen als eines mit vergleichsweise hohem Durchsatz, so dass aus der unterschiedlichen Beheizung der Dampferzeugerrohre 12 im Bereich der Trichterseitenwände 6 unter Umständen erhebliche Unterschiede in der Austrittstemperatur des Strömungsmediums auftreten.
Solche Temperaturdifferenzen sind nur in gewissen Grenzen tolerierbar, weil sie zu Spannungen führen können, die einen durch die zulässige Materialbelastung der Dampferzeugerrohre 12 vorgegebenen Wert nicht überschreiten dürfen. Eine möglichst gleichmäßige Beheizung aller Dampferzeugerrohre 12 ist deshalb anzustreben und besonders in dem die Trichterseitenwände 6 bildenden unteren Abschnitt der Dampferzeugerrohre 12 bedeutsam.
Um eine möglichst gleichmäßige Beheizung aller Dampferzeugerrohre 12 zu erreichen, weisen die Dampferzeugerrohre 12 des Dampferzeugers 1 in Fig. la in dem die Trichterseitenwände 6 bildenden unteren Abschnitt einen geringeren Durchmesser auf als in dem die Umfassungswand 4 der Brennkammer bildenden oberen Abschnitt. Die Flossen 14 weisen ebenfalls im unteren Abschnitt eine geringere Breite auf als im oberen Abschnitt. Damit lässt sich die Breite des Bodens, die bestimmt wird durch die Anzahl der parallelen Dampferzeugerrohre 12 und durch den Rohrdurchmesser addiert zur Breite einer Flosse 14, durch einen geringeren Rohrdurchmesser und eine geringere Breite der Flossen 14 reduzieren anstatt durch eine Verringe- rung der Anzahl der parallelen Dampferzeugerrohre 12. Damit wird die erforderliche Verjüngung des Bodens in der Art einer zumindest teilweisen Führung der Dampferzeugerrohre entlang des Bodens erreicht.
Wie sich herausgestellt hat, lässt sich eine optimale Anordnung der Dampferzeugerrohre 12 und damit eine besonders effektive Ausnutzung der im Bereich der Trichterseitenwände 6 vorhandenen Wärme erzielen, wenn der Durchmesser jedes Dampferzeugerrohrs 12 im unteren Abschnitt um 5 bis 15 Prozent gegenüber dem Rohrdurchmesser im oberen Abschnitt und die Breite der Flossen 14 im unteren Abschnitt um 30 bis 70 Prozent gegenüber der Breite im oberen Abschnitt reduziert sind. Bei einem üblichen Rohrdurchmesser von 34 mm und einer Flossenbreite von 16 mm ergeben sich somit ein Rohrdurchmesser von ca. 32 mm und eine Flossenbreite von ca. 6 mm im unteren Abschnitt .
Eine besonders gleichmäßige Beheizung der Dampferzeugerrohre 12 im Bereich der Trichterseitenwände 6 kann erreicht werden, indem die Dampferzeugerrohre 12 in ihrem unteren Abschnitt wie in Fig. la dargestellt teilweise nicht parallel zur Neigungsrichtung des Bodens angeordnet sind. Diese schräge Anordnung erlaubt es, die Stärke der Beheizung jedes Dampferzeugerrohrs 12 weitgehend an dessen Länge innerhalb des beheizten Bereiches anzupassen. Mit anderen Worten: Die vergleichsweise schwache Beheizung eines Dampferzeugerrohrs 12 wird durch eine durch die schräge Anordnung der Dampferzeugerrohre 12 ermöglichte größere Länge im beheizten Bereich kompensiert .
Die Anordnung der Dampferzeugerrohre 12 im Bereich des Bodens kann dabei dem in diesem Bereich vorliegenden Temperaturprofil angepasst werden. Fig. la zeigt eine Anordnung, bei der die Dampferzeugerrohre 12 in ihrem unteren Abschnitt, in dem der Rohrdurchmesser reduziert ist, schräg - also nicht parallel zur Neigungsrichtung des Bodens - angeordnet sind. Bei dieser Anordnung ist bis zu einer gewissen, durch die Geometrie und die Maße von Boden, Flossen 14 und Dampferzeugerrohren 12 bestimmten Höhe H eine Anordnung der Dampferzeugerrohre 12 parallel zur Neigungsrichtung des Bodens vorgesehen. Oberhalb dieser Höhe H ist die beschriebene schräge Anordnung vorgesehen.
Alternativ dazu können die Dampferzeugerrohre 12 auch wie in Fig. lb dargestellt angeordnet sein. In diesem Fall ist ebenfalls bis zu einer gewissen Höhe H eine Berohrung mit parallel zur Neigungsrichtung des Bodens angeordneten Dampferzeugerrohren 12 mit gegenüber dem Durchmesser im oberen Abschnitt reduzierten Rohrdurchmesser vorgesehen. Oberhalb dieser Höhe H ist wie im ersten Beispiel eine schräge Anordnung der Dampferzeugerrohre 12 vorgesehen, wobei der Neigungswinkel der Dampferzeugerrohre 12 aber gegenüber ihrer ursprünglichen Richtung in der Ebene des Bodens so gewählt ist, dass die Dampferzeugerrohre 12 ebenso wie die Flossen 14 in ihrem schrägen Abschnitt denselben Rohrdurchmesser beziehungsweise dieselbe Breite aufweisen wie im oberen Abschnitt. Der Rohrdurchmesser und die Flossenbreite sind also in diesem Fall nur bis zur Höhe H reduziert.
Ist der Eintrittssammler 16 vergleichsweise breit und weisen die äußeren Dampferzeugerrohre einen vergleichsweise großen Abstand voneinander auf wie das beispielsweise bei Dampferzeugern mit zirkulierender Wirbelschicht der Fall ist, so können die Dampferzeugerrohre 12 wie in Fig. 2 dargestellt angeordnet sein. Bei dieser Anordnung sind die äußersten Dampferzeugerrohre 12, also diejenigen Dampferzeugerrohre 12, die den größten Abstand von der Mittelachse A aufweisen, über die gesamte Höhe der Trichterseitenwände 6 sowohl mit nicht reduziertem Rohrdurchmesser und nicht reduzierter Flossenbreite ausgeführt als auch schräg angeordnet. Die innersten Dampferzeugerrohre 12 mit dem geringsten Abstand von der Mittelachse A dagegen sind über ihre gesamte Länge mit reduziertem Rohrdurchmesser und reduzierter Flossenbreite ausgeführt und parallel zur Mittelachse A und damit zur Neigungsrichtung des Bodens angeordnet. Die jeweils zwischen dem äußersten und dem innersten Dampferzeugerrohr 12 liegenden Dampferzeugerrohre 12 bilden den Übergang und weisen jeweils einen ersten Abschnitt mit reduziertem Rohrdurchmesser und reduzierter Flossenbreite, in dem sie parallel zur Mittelachse angeordnet sind, und einem zweiten Abschnitt mit nicht reduziertem Rohrdurchmesser und nicht reduzierter Flossenbreite, in dem sie schräg und damit parallel zum äußersten Dampferzeugerrohr 12 angeordnet sind, auf.
Bei dieser Anordnung sind die Unterschiede in der Stärke der Beheizung der Dampferzeugerrohre 12 im Bereich des Bodens verschwindend klein und eventuell daraus resultierende Temperaturdifferenzen im Strömungsmedium so gering, dass unzulässig hohe Materialbelastungen sicher vermieden werden. Auch bei niedrigen Lasten und bei Anfahrvorgängen sind daher keine Zusatzmaßnahmen erforderlich, um die Temperaturdifferenzen gering zu halten.

Claims

Patentansprüche
1. Dampferzeuger (1) mit einer Brennkammer, die in ihrem Bodenbereich Trichterseitenwände (6) aufweist, und mit einer aus einer Anzahl von einem Strömungsmedium durchströmbaren Dampferzeugerrohren (12) gebildeten Umfassungswand (4), wobei eine Anzahl von Dampferzeugerrohren (12) im Bereich der Trichterseitenwände (6) einen anderen Rohrdurchmesser aufweist als im Bereich der Umfassungswand (4).
2. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl von Dampferzeugerrohren (12) im Bereich der Trichterseitenwände (6) einen geringeren Rohrdurchmesser aufweist als die Dampferzeugerrohre (12) im Bereich der Umfassungswand (4).
3. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem benachbarte Dampferzeugerrohre (12) jeweils über Flossen (14) miteinander verbunden sind, wobei eine Anzahl von Flossen (14) im Bereich der Umfassungswand (14) eine andere Breite aufweist als im Bereich der Trichterseitenwände (6).
4. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 3, wobei eine Anzahl von Flossen (14) im Bereich der Trichterseitenwände (6) eine geringere Breite aufweist als im Bereich der Umfassungswand (4) .
5. Dampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Durchmesser einer Anzahl von Dampferzeugerrohren (12) im Bereich der Trichterseitenwände (6) gegenüber dem Rohrdurchmesser im Bereich der Umfassungswand (4) um 5 bis 15 Prozent reduziert ist.
6. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Breite einer Anzahl von Flossen (14) im Bereich der Trichterseitenwände (6) gegenüber der Flossenbreite im Bereich der Umfassungswand (4) um 30 bis 70 Prozent reduziert ist.
7. Dampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine Anzahl von Dampferzeugerrohren (12) im Bereich der Trichterseitenwände (6) zumindest teilweise parallel zur Neigungsrichtung der Trichterseitenwände (6) angeordnet ist.
8. Dampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der als Durchlaufdampferzeuger ausgelegt ist.
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