EP1848925B1 - Dampferzeuger in liegender bauweise - Google Patents

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EP1848925B1
EP1848925B1 EP06708193.5A EP06708193A EP1848925B1 EP 1848925 B1 EP1848925 B1 EP 1848925B1 EP 06708193 A EP06708193 A EP 06708193A EP 1848925 B1 EP1848925 B1 EP 1848925B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam generator
water
flow
tubes
steam
Prior art date
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Active
Application number
EP06708193.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1848925A2 (de
Inventor
Jan BRÜCKNER
Joachim Franke
Rudolf Kral
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP1848925A2 publication Critical patent/EP1848925A2/de
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Active 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
    • 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
    • F22B1/1807—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines
    • F22B1/1815—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines using the exhaust gases of gas-turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • 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
    • F22B37/26—Steam-separating arrangements

Definitions

  • the invention relates to a steam generator, in which an evaporator fürlaufterrorism Design is arranged in a flow-through in an approximately horizontal Kleingasschschkanal an evaporator fürlaufterrorism phenomenon comprising a number of parallel to the flow of a flow medium steam generator tubes, with a number of each a few steam generator tubes flow medium side downstream outlet collectors.
  • Such steam generators are eg in US-A-4572110 and in US-A-6055803 disclosed.
  • the heat contained in the relaxed working fluid or heating gas from the gas turbine is used to generate steam for the steam turbine.
  • the heat transfer takes place in a heat recovery steam generator connected downstream of the gas turbine, in which a number of heating surfaces for water preheating, steam generation and steam superheating is usually arranged.
  • 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 stage may have a Verdampferloom phenomenon.
  • 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 it is possible for fresh steam pressures far above the critical pressure of water (P Kri ⁇ 221 bar) - where no differentiation of the phases water and steam and thus no phase separation is possible. can be designed.
  • a high live steam pressure promotes a high thermal efficiency and thus low CO 2 emission 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.
  • this continuous steam generator In order to ensure between homogenization and stabilization of the flow conditions seen in Schugasraum successively arranged evaporator tubes, this continuous steam generator, a number of the Evaporator fürlaufsammlung configuration downstream outlet collectors, which are aligned with their longitudinal direction substantially parallel to the Edelgasraum and thus absorb the seen from in Walkergasraum successively arranged and thus differently heated evaporator tubes flowing out flow medium.
  • These outlet headers of the evaporator continuous heating surface also serve as inlet manifolds for the downstream superheater heating surface.
  • a continuous steam generator is operated in low-load operation or when starting with a minimum flow of flow medium in the evaporator tubes to ensure reliable cooling of the evaporator tubes and to avoid possible formation of steam in the evaporator fürlaufsammlung Structure flow medium side upstream economizer heating.
  • This minimum flow is not completely evaporated during startup or during low-load operation in the evaporator tubes, so that in such an operating mode at the end of the evaporator tubes still unvaporized flow medium is present. In other words, in this mode of operation, a water-steam mixture emerges from the evaporator tubes.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a continuous steam generator of the type mentioned above, which allows for low production costs even in start-up or low load operation, a particularly high operational flexibility and thus in particular also kept low start-up and load change times.
  • each outlet header each comprises an integrated Wasserabscheiderelement via which the respective outlet header is connected on the steam side with a number of downstream superheater tubes a Kochhitzerschreib construction.
  • the invention is based on the consideration that in order to achieve a particularly high operational flexibility even in start-up or low-load operation, a particularly large proportion of the total available heating surfaces should be usable for evaporation purposes.
  • a superheater heating surface connected downstream of the evaporator throughflow heating surface should also be used for evaporation of the flow medium if necessary, that is to say just for start-up or light-load purposes.
  • the evaporation end point should be slidable into the superheater heating surface.
  • the transition area between the evaporator passage heating surface and the subsequent superheater heating surface should be designed such that a feed of water into the superheater heating surface is possible.
  • the water separation system connected between the evaporator flow heating surface and the superheater heating surface should be designed such that a complex distribution is not required.
  • the water separation system is designed decentralized, wherein the separation function is integrated tube groups in a plurality of parallel connected, individual pipe groups associated components.
  • the type of construction anyway associated with only a small number of evaporator tubes, provided with their longitudinal direction in Walkergasraum outlet collector are provided.
  • the outlet collectors are designed for a water-vapor separation according to the principle of inertial separation as required.
  • the knowledge is used that due to the considerable inertial differences between steam on the one hand and water on the other hand, the vapor content of a water-steam mixture at an existing flow comparatively much easier deflection can be subjected as the proportion of water.
  • the respective outlet header is designed substantially as a cylinder body which is connected at its not connected to the steam generator tubes end with a Wasserableitrohr consensus.
  • the discharge collector provided with an integrated water separation function is thus essentially in the manner of a T-piece formed, in which the cylinder body forms a substantially straight-through channel, in which due to its relatively higher inertia preferably the water content of the flow medium is performed. From this channel branches off the Abströmrohr congress, in which due to its relatively lower inertia preferably the vapor content of the flow medium is deflected into.
  • the outlet collector viewed from above - aligned with its longitudinal direction substantially parallel to the Schugasraum so that they take the view of Schugasraum successively arranged and thus differently heated evaporator tubes flowing flow medium.
  • the outlet header Viewed in the lateral direction, can also be aligned substantially parallel to the direction of the heating gas.
  • the outlet collector with integrated separation function is preferably designed so that on the one hand the water content of the flow medium is preferably guided on the inner wall of the cylinder body opposite the branching outflow pipe piece and on the other hand the discharge of the water is favored.
  • the cylinder body and / or the Wasserableitrohr choir are advantageously arranged with its longitudinal direction relative to the horizontal in the flow direction of the flow medium inclined downwards.
  • the inclination can also be relatively strong, so that the cylinder body is oriented substantially vertically.
  • said inertia separation is additionally favored by the gravitational effect on the water content of the flow medium flowing in the cylinder body.
  • a particularly simple design with regard to the flow guidance of the separated water can be achieved by advantageously some or all Wasserabscheideretti water outlet side groups each with a common Outlet collector are connected, in turn, in a further advantageous embodiment, a water collection tank is connected downstream.
  • downstream water components such as outlet header or water tank are completely filled with water, so that forms a backwater with further inflowing water in the corresponding line pieces.
  • this backwater has reached the Wasserabscheideremia, at least a partial flow of new inflowing water is passed along with the entrained in the flow medium steam to the subsequent superheater tubes.
  • this partial flow corresponds to the amount of water that can not be absorbed by the downstream components of the water separator elements.
  • control device is advantageously in a connected to the water collection drain pipe connected via an associated control device controllable control valve.
  • the control device is advantageously acted upon by an input value characteristic of the enthalpy of the flow medium on the steam-side outlet of the superheater heating surface arranged downstream of the water separation system.
  • the mass flow flowing out of the water collecting container can be adjusted in the operating mode of the bypassed separating system by targeted activation of the valve connected in the outflow line of the water collecting container. Since this is replaced by a corresponding mass flow of water from the Wasserabscheiderettin, thus, the mass flow is adjustable, which passes from the Wasserabscheiderimplantationn in the collection system. Thus, in turn, the remaining partial flow is adjustable, which is passed together with the steam in the superheater tubes, so that a predetermined enthalpy can be maintained via an appropriate setting of this partial flow, for example, at the end of the downstream superheater.
  • the water partial flow passed on together with the steam to the superheater pipes can also be influenced by a corresponding control of the superimposed circulation.
  • the control device associated with the evaporator tubes circulating pump can be controlled.
  • the respective outlet collector provided with integrated water separation function is designed for the use of gravity to facilitate the removal of the separated water.
  • the or each outlet collector is advantageously arranged above the Schugaskanals.
  • a particularly high operational stability of the steam generator can be achieved by the evaporator fürlaufsammlung Design is designed for a self-stabilizing flow behavior with occurring heating differences between individual steam generator tubes of fürlaufsammlung description.
  • This can be achieved by the evaporator fürlaufsammlung construction is designed in a particularly advantageous embodiment such that a more heated compared to another steam generator tube fürlaufsammlung construction same steam generator tube has a higher compared to the other steam generator tube throughput of the flow medium.
  • the thus designed evaporator fürlauf carving phenomenon thus shows in the nature of the flow characteristics of a Bachumlaufverdampferloom configuration (natural circulation) with occurring different heating individual steam generator tubes a self-stabilizing behavior that leads to an adjustment of the exit temperatures even at differently heated, flow medium side parallel steam turbine tubes without the need for external influence ,
  • the steam generator is used as a heat recovery steam generator of a gas and steam turbine plant.
  • the steam generator is advantageously followed by a gas turbine on the hot gas side.
  • this circuit can be arranged expediently behind the gas turbine, an additional firing to increase the temperature of the heating gas.
  • a decentralized Wasserabscheidesystem can be provided by the integration of Wasserabscheidefunktion in the outlet collector, in which due to the small number of each water separator downstream superheater tubes can be a complex distribution system omitted.
  • a feed of unevaporated flow medium through the water is possible, so that the evaporation end point can be moved into the superheater tubes if necessary.
  • particularly large proportions of the heating surfaces are used for evaporation purposes, wherein
  • a particularly high operational flexibility can be achieved even under these load conditions.
  • the T-piece-like configuration of the outlet collector as a cylinder body with branching Abströmrohr choir can also be achieved by simple means a reliable water separation according to the principle of inertial separation.
  • FIG. 1 shows in a simplified representation in longitudinal section the evaporator section of a steam generator in horizontal construction.
  • the steam generator 1 has a surrounding wall 2, which forms a in a nearly horizontal, indicated by the arrows 4
  • Bankgasraum x fuel gas channel 6 for the exhaust gas from the gas turbine.
  • a designed according to the flow principle evaporator fürlauf redesign 8 is arranged, which is followed by a superheater 10 for the flow of a flow medium W, D.
  • the evaporator fürlauf carving scene 8 is acted upon with unvaporized flow medium W, which evaporates in normal or full load operation with a single pass through the evaporator fürlaufsammlung construction 8 and after exiting the evaporator fürlaufsammlung construction 8 as steam D superheater 10 is supplied.
  • the evaporator through-flow heating surface 8 and the superheater 10 formed evaporator system is connected in the non-illustrated water-steam cycle of a steam turbine.
  • a number of other, not shown in FIG heating surfaces are connected in the water-steam cycle of the steam turbine, which, for example, in which can be superheater, medium pressure evaporator, low pressure evaporator and / or preheater.
  • the evaporator passage heating surface 8 is formed by a number of parallel to the flow of the flow medium W steam generator tubes 12.
  • the steam generator tubes 12 are aligned substantially vertically with their longitudinal axis and designed for a flow through the flow medium W from a lower inlet region to an upper outlet region, ie from bottom to top.
  • the evaporator fürlaufsammlung design 8 comprises in the manner of a tube bundle a number of seen in Bankgasraum x successively arranged pipe layers 14, each of which is formed from a number of viewed in Bankgasraum x juxtaposed steam generator tubes 12, and of which in FIG each only one Steam generator tube 12 is visible.
  • Each pipe layer 14 may comprise up to 200 steam generator tubes 12.
  • the steam generator tubes 12 of each tube layer 14 are each preceded by a common inlet collector 16 aligned with its longitudinal direction substantially perpendicular to the heating gas direction x and arranged below the heating gas channel 6.
  • a common inlet header 16 may also be assigned to a plurality of pipe layers 14.
  • the inlet header 16 are connected to a in FIG only schematically indicated water supply system 18, which may include a distribution system for needs-based distribution of the influx of flow medium W to the inlet header 16.
  • the superheater heating surface 10 is formed by a number of superheater tubes 22. These are designed in the exemplary embodiment for a flow of the flow medium in the downward direction, ie from top to bottom.
  • the superheater tubes 22 On the input side is the superheater tubes 22 upstream of a number of designed as a so-called T-distributor distributors 24.
  • the superheater tubes 22 open into a common live steam collector 26, from which the superheated live steam can be supplied in a manner not shown to an associated steam turbine.
  • the live steam collector 26 is arranged below the heating gas channel 6.
  • the superheater heating surface 10 could also be equipped with U-shaped superheater tubes 22.
  • each superheater tube 22 each comprise a downcomer piece and this downstream riser piece, wherein the live steam collector 26 as well as the outlet header 20 is disposed above the Schugaskanals 6.
  • a drainage collector can be connected between downpipe pipe and riser pipe piece.
  • the evaporator pass-through heating surface 8 is designed such that it is suitable for feeding the steam generator tubes 12 with a comparatively low mass flow density, wherein the design flow conditions in the steam generator tubes 12 have a natural circulation characteristic. In this natural circulation characteristic, a more heated steam generator tube 12 compared to another steam generator tube 12 of the same evaporator pass-through heating surface 8 has a higher throughput of the flow medium W compared to the other steam generator tube 12.
  • the steam generator 1 is designed for a reliable, homogeneous flow guidance with a comparatively simple construction.
  • the designed according to the design of the evaporator fürlaufsammlung Design 8 natural circulation characteristic is consistently used for a simple held distribution system.
  • This natural circulation characteristic and the concomitantly designed, comparatively low mass flow density that is provided allow the merging of the partial flows from one another in heating gas direction x arranged and thus differently heated steam generator tubes in a common room.
  • With the saving of an autonomous complex distribution system it is thus possible to shift the mixing of the flow medium W flowing out of the evaporator through-flow heating surface 8 into the outlet collector or outlets 20.
  • the number of outlet headers 20 is adapted to the number of steam generator tubes 12 in each tube layer 14, so that in each case an outlet header 20 is assigned to each of the steam generator tubes 12 positioned one behind the other, forming a so-called evaporator disc.
  • the distributors 24 are each aligned with their longitudinal axis parallel to the heating gas direction x, so that in each case a respective distributor 24 is assigned to the respective superheater tubes 22 positioned in succession.
  • the steam generator 1 is designed so that, if necessary, in particular in start-up or low-load operation, the steam generator tubes 12 in addition to the vaporizable mass flow of flow medium for reasons of operational safety yet another Umicalzmassenstrom can be superimposed on the flow medium.
  • the steam generator tubes 12 in the Superheater tubes 22 can be moved into it.
  • each of the outlet headers 20 comprises an integrated water separator element 28, via which the respective outlet header 20 is connected via an overflow pipe 30 to one of the downstream distributors 24 on the flow medium side.
  • the discharge collectors 20 each provided with integrated separation function are designed for the concept of inertial separation of a water-steam mixture.
  • the knowledge is used that the water content of a water-steam mixture due to its relatively greater inertia at a branch point preferably continues to flow straight in its flow direction, whereas the vapor content of a forced deflection is relatively easier to follow due to its relatively lower inertia.
  • the outlet headers 20 are each embodied in the form of T-pieces, wherein an outlet pipe piece 34 for flow medium branches off from a main body designed substantially as a cylinder body 32.
  • the designed as a cylinder body 32 main body of the respective outlet header 20 is connected at its not connected to the steam generator tubes 12 end 36 with a Wasserableitrohr Gi 38.
  • this construction thus flows the water content of the water-steam mixture in the outlet header 20 at which the respective integrated Wasserabscheiderelement 28 forming branch point of Abströmrohr ceremoniess 34 preferably in the axial direction and passes
  • the steam content of the water-steam mixture flowing in the cylinder body 32 can better follow an imposed deflection because of its comparatively lower inertia and thus preferably flows via the outflow pipe section 34 and the further intermediate components to the downstream superheater pipes 22 too.
  • the cylinder body 32 can be arranged with its longitudinal direction opposite the horizontal in the flow direction inclined downwards.
  • Water outlet side, so on the Wasserableitrohr Communitye 38, the integrated into the outlet header 20 Wasserabscheiderieri 28 are connected in groups with a respective common outlet header 40.
  • This is a water collection tank 42, in particular a separation bottle, downstream.
  • the water collecting container 42 is connected via a connected outflow line 44, from which also a discharge line 45 connected to a sewage system, to the water supply system 18 of the continuous evaporator heating surface 8, so that a closed circulation circuit can be operated.
  • This circulation can be superimposed in start-up, low or partial load operation flowing into the steam generator tubes 12 evaporable flow medium, an additional circulation to increase the operational safety.
  • the separating system formed by the integrated water separator elements 28 can be operated in such a way that all water still entrained at the outlet of the steam generator tubes 12 is separated from the flow medium and only evaporated flow medium is passed on to the superheater tubes 22.
  • the Wasserabscheidesystem can also be operated in the so-called over-flow mode, in which not all water is separated from the flow medium, but together with the steam, a partial flow of entrained water is passed on to the superheater tubes 22. In this mode, the evaporation end point shifts into the superheater tubes 22.
  • over-fed mode first both the water collecting container 42 and the upstream outlet header 40 completely fill with water, so that a backflow forms up to the transition region respective water separator element 28, at which the Abströmrohr Schi 34 branches off. Due to this backwater also experiences the water content of the water separator 28 incoming flow medium at least partially a deflection and thus passes together with the steam in the Abströmrohr sang 34.
  • the height of the partial flow, which is supplied to the superheater tubes 22 together with the steam results here on the one hand, from the total water mass flow supplied to the respective water separator element 28 and, on the other hand, from the partial mass flow discharged via the water drainage pipe section 38.
  • mass flow of non-evaporated flow medium can be adjusted.
  • the water separation system is associated with a control device 60 which is connected on the input side to a measuring sensor 62 designed to determine a characteristic value characteristic of the enthalpy at the flue gas end of the superheater heating surface 22.
  • the control device 60 acts, on the one hand, on a control valve 64 connected in the outflow line 44 of the water collecting container 42. This can be specified by selective control of the control valve 64, the water flow, the off taken from the separation system. This mass flow can in turn be withdrawn from the flow medium in the water separator elements 28 and forwarded to the subsequent collection systems.
  • control valve 64 influencing the Wasserabscheiderelement 28 respectively branched off water flow and thus influencing the after the deposition still passed in the flow medium to the Matterhitzersammlung vom 22 water content possible.
  • control device 60 can still act on a circulating pump 66 connected in the outflow line 44, so that the inflow rate of the medium into the water separation system can also be adjusted accordingly.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, bei dem in einem in einer annähernd horizontalen Heizgasrichtung durchströmbaren Heizgaskanal eine Verdampfer-Durchlaufheizfläche angeordnet ist, die eine Anzahl von zur Durchströmung eines Strömungsmediums parallel geschalteten Dampferzeugerrohren umfasst, mit einer Anzahl von jeweils einigen Dampferzeugerrohren strömungsmediumsseitig nachgeschalteten Austrittssammlern.
  • Solche Dampferzeuger sind z.B. in US-A-4572110 und in US-A-6055803 offenbart.
  • 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 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 er für Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser (PKri ≈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 niedrige CO2-Emision 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. Ein derartiger Dampferzeuger, der bei einer Auslegung als Durchlaufdampferzeuger mit vergleichsweise geringem baulichem und konstruktivem Aufwand ein besonders hohes Maß an Strömungsstabilität aufweist, ist beispielsweise aus der WO 2004/025176 A1 bekannt. Dieser Dampferzeuger weist eine Verdampfer-Durchlaufheizfläche auf, die eine Anzahl von zur Durchströmung eines Strömungsmediums parallel geschalteten Dampferzeugerrohren oder Verdampferrohren umfasst. Um dabei zwischen in Heizgasrichtung gesehen hintereinander angeordneten Verdampferrohren eine Homogenisierung und Stabilisierung der Strömungsverhältnisse zu gewährleisten, weist dieser Durchlaufdampferzeuger eine Anzahl von der Verdampfer-Durchlaufheizfläche nachgeschalteten Austrittssammlern auf, die mit ihrer Längsrichtung im Wesentlichen parallel zur Heizgasrichtung ausgerichtet sind und somit das aus in Heizgasrichtung gesehen hintereinander angeordneten und somit unterschiedlich beheizten Verdampferrohren abströmende Strömungsmedium aufnehmen. Diese Austrittssammler der Verdampfer-Durchlaufheizfläche dienen gleichermaßen als Eintrittsverteiler für die nachgeschaltete Überhitzerheizfläche.
  • Im Allgemeinen wird ein Durchlaufdampferzeuger im Schwachlastbetrieb oder beim Anfahren mit einem Mindeststrom an Strömungsmedium in den Verdampferrohren betrieben, um eine sichere Kühlung der Verdampferrohre zu gewährleisten und um eine mögliche Dampfbildung in der der Verdampfer-Durchlaufheizfläche strömungsmediumsseitig vorgeschalteten Economizerheizfläche zu vermeiden. Dieser Mindeststrom wird beim Anfahren oder im Schwachlastbetrieb in den Verdampferrohren nicht vollständig verdampft, so dass bei einer derartigen Betriebsart am Ende der Verdampferrohre noch unverdampftes Strömungsmedium vorhanden ist. Mit anderen Worten: Bei dieser Betriebsart tritt aus den Verdampferrohren ein Wasser-Dampf-Gemisch aus. Allerdings ist eine Verteilung eines derartigen Wasser-Dampf-Gemisches auf den Verdampferrohren üblicherweise nachgeschaltete Überhitzerrohre im Durchlaufdampferzeuger in der Regel nicht möglich; die üblicherweise vorgesehene Verteilung setzt vielmehr voraus, dass das zu verteilende Strömungsmedium ausschließlich Dampfanteile enthält. Daher ist in der Regel beim Anfahren oder im Schwachlastbetrieb des Durchlaufdampferzeugers am Austritt der Verdampfer-Durchlaufheizfläche eine Wasser-Dampf-Trennung erforderlich, die in der Regel in so genannten Zyklon-Abscheidern erfolgt.
  • Bauartbedingt ist eine Durchspeisung dieser Zyklon-Abscheider mit Wasser nur bedingt möglich. Die für die Verdampfung nutzbare Heizfläche muss somit in Strömungsrichtung des Strömungsmediums gesehen vor den Abscheidern liegen und ist somit begrenzt. Dies hat zur Folge, dass die Frischdampftemperatur nur in kleinen Grenzen durch die Speisewassermenge geregelt werden kann, wobei für einen größeren Regelbereich in der Regel Einspritzkühler erforderlich sind. Die mit diesen Aspekten verbundene Einschränkung der betrieblichen Flexibilität bedingt neben dem hohen apparativen Aufwand üblicherweise in der Regel unerwünscht lange Anfahrzeiten und Reaktionszeiten bei Laständerungen des Durchlaufdampferzeugers im Schwachlastbetrieb.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Durchlaufdampferzeuger der oben genannten Art anzugeben, der bei gering gehaltenem Herstellungsaufwand auch im Anfahr- oder Schwachlastbetrieb eine besonders hohe betriebliche Flexibilität und damit insbesondere auch gering gehaltene Anfahr- und Lastwechselzeiten ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der oder jeder Austrittssammler jeweils ein integriertes Wasserabscheiderelement umfasst, über das der jeweilige Austrittssammler dampfseitig mit einer Anzahl von nachgeschalteten Überhitzerrohren einer Überhitzerheizfläche verbunden ist.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zur Erreichung einer besonders hohen betrieblichen Flexibilität auch im Anfahr- oder Schwachlastbetrieb ein besonders großer Anteil der insgesamt verfügbaren Heizflächen zu Verdampfungszwecken nutzbar sein sollte. Dabei sollte insbesondere auch eine der Verdampfer-Durchlaufheizfläche nachgeschaltete Überhitzerheizfläche im Bedarfsfall, also gerade zu Anfahr- oder Schwachlastzwecken, zur Verdampfung des Strömungsmediums herangezogen werden können. Dementsprechend sollte der Verdampfungsendpunkt in die Überhitzerheizfläche hinein verschiebbar sein. Um dies zu ermöglichen, sollte der Übergangsbereich zwischen der Verdampfer-Durchlaufheizfläche und der nachfolgenden Überhitzerheizfläche derart ausgelegt sein, dass eine Durchspeisung von Wasser in die Überhitzerheizfläche hinein ermöglicht ist. Im Hinblick auf die mit der Durchspeisung von Wasser üblicherweise einhergehenden Verteilungsprobleme sollte daher das zwischen die Verdampfer-Durchlaufheizfläche und die Überhitzerheizfläche geschaltete Wasserabscheidesystem derart ausgelegt sein, dass eine aufwendige Verteilung nicht erforderlich ist. Dies ist erreichbar, indem unter Abweichung von der üblicherweise vorgesehenen zentralen Wasser-Dampf-Trennung das Wasserabscheidesystem dezentral konzipiert ist, wobei die Abscheidefunktion rohrgruppenweise in eine Mehrzahl parallel geschalteter, einzelnen Rohrgruppen zugeordneter Bauteile integriert ist. Hierzu sind die ohnehin bauartbedingt jeweils einer nur geringen Anzahl von Verdampferrohren zugeordneten, mit ihrer Längsrichtung in Heizgasrichtung ausgerichteten Austrittssammler vorgesehen.
  • Vorteilhafterweise sind die Austrittssammler dabei für eine bedarfsweise Wasser-Dampf-Separation nach dem Prinzip der Trägheitsseparation ausgelegt. Dabei wird die Erkenntnis genutzt, dass aufgrund der erheblichen Trägheitsunterschiede zwischen Dampf einerseits und Wasser andererseits der Dampfanteil eines Wasser-Dampf-Gemisches bei einer vorhandenen Strömung vergleichsweise wesentlich leichter einer Umlenkung unterzogen werden kann als der Wasseranteil. Gerade bei der Integration der Wasserabscheidefunktion in den oder die Austrittssammler hinein kann dies auf besonders einfache Weise umgesetzt werden, indem vorteilhafterweise der jeweilige Austrittssammler im Wesentlichen als Zylinderkörper ausgestaltet ist, der an seinem nicht mit den Dampferzeugerrohren verbundenen Ende mit einem Wasserableitrohrstück verbunden ist.
  • Dabei zweigt in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung vom jeweiligen Zylinderkörper oder vom jeweiligen Wasserableitrohrstück ein Abströmrohrstück für Strömungsmedium ab, das zweckmäßigerweise mit einer Anzahl von nachgeschalteten Überhitzerrohren verbunden ist. In dieser Ausgestaltung ist der mit einer integrierten Wasserabscheidefunktion versehene Austrittssammler somit im Wesentlichen in der Art eines T-Stücks ausgebildet, bei dem der Zylinderkörper einen im Wesentlichen geradlinig durchströmbaren Kanal bildet, in dem aufgrund seiner vergleichsweise höheren Trägheit bevorzugt der Wasseranteil des Strömungsmediums geführt wird. Von diesem Kanal zweigt das Abströmrohrstück ab, in das aufgrund seiner vergleichsweise geringeren Trägheit bevorzugt der Dampfanteil des Strömungsmediums hinein umgelenkt wird.
  • Vorteilhafterweise sind die Austrittssammler - von oben betrachtet - mit ihrer Längsrichtung im Wesentlichen parallel zur Heizgasrichtung ausgerichtet, so dass sie das aus in Heizgasrichtung gesehen hintereinander angeordneten und somit unterschiedlich beheizten Verdampferrohren abströmende Strömungsmedium aufnehmen. In seitlicher Richtung betrachtet können die Austrittssammler ebenfalls im wesentlichen parallel zur Heizgasrichtung ausgerichtet sein. Eine besonders hohe Abscheidewirkung ist aber erreichbar, indem der Austrittssammler mit integrierter Abscheidefunktion vorzugsweise dafür ausgelegt ist, dass einerseits der Wasseranteil des Strömungsmediums bevorzugt an der dem abzweigenden Abströmrohrstück gegenüberliegenden Innenwand des Zylinderkörpers geführt und andererseits die Abführung des Wassers begünstigt wird. Dazu sind der Zylinderkörper und/oder das Wasserableitrohrstück vorteilhafterweise mit ihrer Längsrichtung gegenüber der Horizontalen in Strömungsrichtung des Strömungsmediums gesehen abwärts geneigt angeordnet. Die Neigung kann dabei auch vergleichsweise stark ausgeprägt sein, so dass der Zylinderkörper im wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist. Dabei wird die genannte Trägheitsseparation noch zusätzlich begünstigt durch die Schwerkraftwirkung auf den Wasseranteil des im Zylinderkörper strömenden Strömungsmediums.
  • Eine besonders einfache Bauweise hinsichtlich der Strömungsführung des abgeschiedenen Wassers ist erreichbar, indem vorteilhafterweise einige oder alle Wasserabscheiderelemente wasserausgangsseitig gruppenweise jeweils mit einem gemeinsamen Austrittssammler verbunden sind, dem seinerseits in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ein Wassersammelbehälter nachgeschaltet ist.
  • Bei der Trennung von Wasser und Dampf im Wasserabscheidesystem kann entweder nahezu der gesamte Wasseranteil abgeschieden werden, so dass lediglich noch verdampftes Strömungsmedium an die nachgeschalteten Überhitzerrohre weitergegeben wird. In diesem Fall liegt der Verdampfungsendpunkt entweder noch in den Verdampferrohren oder ist fixiert im Wasserabscheidesystem selbst. Alternativ kann aber auch nur ein Teil des anfallenden Wassers abgeschieden werden, wobei das restliche noch unverdampfte Strömungsmedium zusammen mit dem verdampften Strömungsmedium in die nachfolgenden Überhitzerrohre weitergegeben wird. In diesem Fall, der insbesondere bei der Überlagerung eines zusätzlichen Umlaufs über den eigentlichen Medienstrom im Schwachlast- oder Anfahrbetrieb zum Tragen kommt, verschiebt sich der Verdampfungsendpunkt in die Überhitzerrohre hinein.
  • Im letztgenannten Fall, auch als Überspeisung der Abscheideeinrichtung bezeichnet, werden zunächst die den Wasserabscheiderelementen wasserseitig nachgeschalteten Komponenten wie beispielsweise Austrittssammler oder Wassersammelbehälter vollständig mit Wasser befüllt, so dass sich bei weiter zuströmendem Wasser in den entsprechenden Leitungsstücken ein Rückstau bildet. Sobald dieser Rückstau die Wasserabscheiderelemente erreicht hat, wird zumindest ein Teilstrom von neu zuströmendem Wasser gemeinsam mit dem im Strömungsmedium mitgeführten Dampf an die nachfolgenden Überhitzerrohre weitergegeben. Dem Umfang nach entspricht dieser Teilstrom dabei der Wassermenge, die von den den Wasserabscheiderelementen wasserseitig nachgeschalteten Komponenten nicht aufgenommen werden kann. Um in diesem Betriebsmodus der so genannten Überspeisung des Abscheidesystems eine besonders hohe betriebliche Flexibilität zu gewährleisten, ist vorteilhafterweise in eine an den Wassersammelbehälter angeschlossene Abflussleitung ein über eine zugeordnete Regeleinrichtung ansteuerbares Stellventil geschaltet. Die Regeleinrichtung ist dabei vorteilhafterweise mit einem für die Enthalpie des Strömungsmediums am dampfseitigen Austritt der dem Wasserabscheidesystem nachgeschalteten Überhitzerheizfläche charakteristischen Eingangswert beaufschlagbar.
  • Durch ein derartiges System ist im Betriebsmodus des überspeisten Abscheidesystems durch gezielte Ansteuerung des in die Abflussleitung des Wassersammelbehälters geschalteten Ventils der aus dem Wassersammelbehälter abströmende Massenstrom einstellbar. Da dieser durch einen entsprechenden Wasser-Massenstrom aus den Wasserabscheiderelementen ersetzt wird, ist somit auch der Massenstrom einstellbar, der aus den Wasserabscheiderelementen in das Sammelsystem gelangt. Damit ist wiederum auch der verbleibende Teilstrom einstellbar, der gemeinsam mit dem Dampf in die Überhitzerrohre weitergegeben wird, so dass über eine entsprechende Einstellung dieses Teilstroms beispielsweise am Ende der nachgeschalteten Überhitzerheizfläche eine vorgegebene Enthalpie eingehalten werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der gemeinsam mit dem Dampf an die Überhitzerrohre weitergegebene Wasserteilstrom auch beeinflusst werden durch eine entsprechende Steuerung des überlagerten Umlaufs. Dazu ist in weiterer oder alternativer vorteilhafter Ausgestaltung über die Regeleinrichtung eine den Verdampferrohren zugeordnete Umwälzpumpe ansteuerbar.
  • Vorteilhafterweise ist der jeweilige mit integrierter Wasserabscheidefunktion versehene Austrittssammler für eine Nutzung der Schwerkraft zur Erleichterung der Abführung des abgeschiedenen Wassers ausgelegt. Dazu ist der oder jeder Austrittssammler vorteilhafterweise oberhalb des Heizgaskanals angeordnet.
  • Eine besonders hohe betriebliche Stabilität des Dampferzeugers ist erreichbar, indem die Verdampfer-Durchlaufheizfläche für ein selbststabilisierendes Strömungsverhalten bei auftretenden Beheizungsunterschieden zwischen einzelnen Dampferzeugerrohren der Durchlaufheizfläche ausgelegt ist. Dies ist erreichbar, indem die Verdampfer-Durchlaufheizfläche in besonders vorteilhafter Ausgestaltung 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. Die solchermaßen ausgelegte Verdampfer-Durchlaufheizfläche 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, strömungsmediumsseitig parallel geschalteten Dampferzeugerrohren führt.
  • 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.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Integration der Wasserabscheidefunktion in die Austrittssammler ein dezentral konzipiertes Wasserabscheidesystem bereitgestellt werden kann, bei dem aufgrund der geringen Anzahl der jedem einzelnen Wasserabscheider nachgeschalteten Überhitzerrohre ein aufwendiges Verteilungssystem entfallen kann. Damit ist auch eine Durchspeisung von nicht verdampftem Strömungsmedium durch die Wasserabscheider möglich, so dass der Verdampfungsendpunkt bei Bedarf in die Überhitzerrohre hinein verschoben werden kann. Damit sind gerade im Anfahr- und Schwachlastbetrieb besonders große Anteile der Heizflächen zu Verdampfungszwecken nutzbar, wobei zudem eine besonders hohe betriebliche Flexibilität auch bei diesen Lastzuständen erreichbar ist. Insbesondere durch die T-Stück-artige Ausgestaltung des Austrittssammlers als Zylinderkörper mit abzweigendem Abströmrohrstück kann zudem mit einfachen Mitteln eine zuverlässige Wasserabscheidung nach dem Prinzip der Trägheitsseparation erreicht werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur in vereinfachter Darstellung im Längsschnitt die Verdampfersektion eines Dampferzeugers in liegender Bauweise.
  • Der in der Figur mit seiner Verdampfersektion gezeigte Dampferzeuger 1 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 x durchströmbaren Heizgaskanal 6 für das Abgas aus der Gasturbine bildet. Im Heizgaskanal 6 ist eine nach dem Durchlaufprinzip ausgelegte Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 angeordnet, der für den Durchfluss eines Strömungsmediums W, D eine Überhitzerheizfläche 10 nachgeschaltet ist.
  • Die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 ist mit unverdampftem Strömungsmedium W beaufschlagbar, das im Normal- oder Volllastbetrieb bei einmaligem Durchlauf durch die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 verdampft und nach dem Austritt aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 als Dampf D der Überhitzerheizfläche 10 zugeführt wird. Das aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 und der Überhitzerheizfläche 10 gebildete Verdampfersystem ist in den nicht näher dargestellten Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine geschaltet. Zusätzlich zu diesem Verdampfersystem sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine eine Anzahl weiterer, in FIG nicht näher dargestellter Heizflächen geschaltet, bei denen es sich beispielsweise um Überhitzer, Mitteldruckverdampfer, Niederdruckverdampfer und/oder um Vorwärmer handeln kann.
  • Die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 ist durch eine Anzahl von zur Durchströmung des Strömungsmediums W parallel geschalteten Dampferzeugerrohren 12 gebildet. Die Dampferzeugerrohre 12 sind dabei mit ihrer Längsachse im Wesentlichen vertikal ausgerichtet und für eine Durchströmung des Strömungsmediums W von einem unteren Eintrittsbereich zu einem oberen Austrittsbereich, also von unten nach oben, ausgelegt.
  • Dabei umfasst die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 in der Art eines Rohrbündels eine Anzahl von in Heizgasrichtung x gesehen hintereinander angeordneten Rohrlagen 14, von denen jede aus einer Anzahl von in Heizgasrichtung x gesehen nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohren 12 gebildet ist, und von denen in FIG jeweils lediglich ein Dampferzeugerrohr 12 sichtbar ist. Jede Rohrlage 14 kann dabei bis zu 200 Dampferzeugerrohre 12 umfassen. Den Dampferzeugerrohren 12 jeder Rohrlage 14 ist dabei jeweils ein gemeinsamer, mit seiner Längsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Heizgasrichtung x ausgerichteter und unterhalb des Heizgaskanals 6 angeordneter Eintrittssammler 16 vorgeschaltet. Alternativ kann auch mehreren Rohrlagen 14 ein gemeinsamer Eintrittssammler 16 zugeordnet sein. Die Eintrittssammler 16 sind dabei an ein in FIG lediglich schematisch angedeutetes Wasserzuführsystem 18 angeschlossen, das ein Verteilersystem zur bedarfsgerechten Aufteilung des Zustroms an Strömungsmedium W auf die Eintrittssammler 16 umfassen kann. Ausgangsseitig und somit in einem Bereich oberhalb des Heizgaskanals 6 münden die die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 bildenden Dampferzeugerrohre 12 in eine Anzahl von zugeordneten Austrittssammlern 20.
  • Analog ist die Überhitzerheizfläche 10 von einer Anzahl von Überhitzerrohren 22 gebildet. Diese sind im Ausführungsbeispiel für eine Durchströmung des Strömungsmediums in Abwärtsrichtung, also von oben nach unten, ausgelegt. Eingangsseitig ist den Überhitzerrohren 22 eine Anzahl von als so genannter T-Verteiler ausgestalteten Verteilern 24 vorgeschaltet. Ausgangsseitig münden die Überhitzerrohre 22 in einen gemeinsamen Frischdampfsammler 26, von dem aus der überhitzte Frischdampf in nicht näher dargestellter Weise einer zugeordneten Dampfturbine zuführbar ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Frischdampfsammler 26 unterhalb des Heizgaskanals 6 angeordnet. Alternativ könnte die Überhitzerheizfläche 10 aber auch mit u-förmig ausgeführten Überhitzerrohren 22 ausgerüstet sein. In diesem in der FIG nicht näher dargestellten Fall umfasst jedes Überhitzerrohr 22 jeweils ein Fallrohrstück und ein diesem nachgeschaltetes Steigrohrstück, wobei der Frischdampfsammler 26 ebenso wie der Austrittssammler 20 oberhalb des Heizgaskanals 6 angeordnet ist. Zwischen Fallrohr- und Steigrohrstück kann dabei ein Entwässerungssammler geschaltet sein.
  • Die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 ist derart ausgelegt, dass sie für eine Bespeisung der Dampferzeugerrohre 12 mit vergleichsweise niedriger Massenstromdichte geeignet ist, wobei die auslegungsgemäßen Strömungsverhältnisse in den Dampferzeugerrohren 12 eine Naturumlaufcharakteristik aufweisen. Bei dieser Naturumlaufcharakteristik weist ein im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr 12 derselben Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 mehr beheiztes Dampferzeugerrohr 12 einen im Vergleich zum weiteren Dampferzeugerrohr 12 höheren Durchsatz des Strömungsmediums W auf.
  • Der Dampferzeuger 1 ist für eine zuverlässige, homogene Strömungsführung bei vergleichsweise einfach gehaltener Bauweise ausgelegt. Dabei ist die auslegungsgemäß für die Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 vorgesehene Naturumlaufcharakteristik konsequent für ein einfach gehaltenes Verteilersystem genutzt. Diese Naturumlaufcharakteristik und die damit verbundene, auslegungsgemäß vorgesehene vergleichsweise niedrig gehaltene Massenstromdichte ermöglichen nämlich die Zusammenführung der Teilströme aus in Heizgasrichtung x gesehen hintereinander angeordneten und somit unterschiedlich beheizten Dampferzeugerrohren in einen gemeinsamen Raum. Unter Einsparung eines eigenständigen aufwändigen Verteilersystems ist somit eine Verlagerung der Vermischung des aus der Verdampfer-Durchlaufheizfläche 8 abströmenden Strömungsmediums W in den oder die Austrittssammler 20 hinein möglich.
  • Um die dabei erreichte Homogenisierung von aus in Heizgasrichtung x gesehen unterschiedlich positionierten und somit unterschiedlich beheizten Dampferzeugerrohren 12 abströmendem Strömungsmedium W bei der Weiterleitung in nachfolgende System möglichst geringfügig zu beeinträchtigen, ist jeder der im Wesentlichen parallel zueinander und nebeneinander angeordneten Austrittssammler 20, von denen in FIG lediglich einer sichtbar ist, mit seiner Längsachse im Wesentlichen parallel zur Heizgasrichtung x ausgerichtet. Die Anzahl der Austrittssammler 20 ist dabei an die Anzahl der Dampferzeugerrohre 12 in jeder Rohrlage 14 angepasst, so dass im Wesentlichen den jeweils hintereinander positionierten, eine so genannte Verdampferscheibe bildenden Dampferzeugerrohren 12 jeweils ein Austrittssammler 20 zugeordnet ist. Analog sind auch die Verteiler 24 jeweils mit ihrer Längsachse parallel zur Heizgasrichtung x ausgerichtet, so dass im Wesentlichen den jeweils hintereinander positionierten Überhitzerrohren 22 jeweils ein Verteiler 24 zugeordnet ist.
  • Der Dampferzeuger 1 ist dafür ausgelegt, dass bedarfsweise, insbesondere im Anfahr- oder Schwachlastbetrieb, den Dampferzeugerrohren 12 zusätzlich zu dem verdampfbaren Massenstrom an Strömungsmedium aus Gründen der betrieblichen Sicherheit noch ein weiterer Umwälzmassenstrom an Strömungsmedium überlagert werden kann. Um dabei eine besonders hohe betriebliche Flexibilität und damit insbesondere auch gering gehaltene Anfahr- und Lastwechselzeiten zu gewährleisten und einen besonders großen Anteil an Heizflächen nutzbar zu halten, ist vorgesehen, dass in diesem Betriebszustand der Verdampfungsendpunkt bedarfsweise von den Dampferzeugerrohren 12 in die Überhitzerrohre 22 hinein verschoben werden kann. Um dies mit vergleichsweise gering gehaltenem Herstellungsaufwand zu ermöglichen, umfasst jeder der Austrittssammler 20 ein integriertes Wasserabscheiderelement 28, über das der jeweilige Austrittssammler 20 über ein Überströmrohr 30 strömungsmediumsseitig mit einem der nachgeschalteten Verteiler 24 verbunden ist. Durch diese Bauweise ist insbesondere gewährleistet, dass nach der Wasser-Dampf-Abscheidung eine aufwendige Verteilung von Wasser-Dampf-Gemisch auf die Überhitzerrohre 22 nicht erforderlich ist.
  • Für eine hohe Abscheidewirkung bei hoher betrieblicher Zuverlässigkeit sind die jeweils mit integrierter Abscheidefunktion versehenen Austrittssammler 20 auf das Konzept einer Trägheitsseparation eines Wasser-Dampf-Gemisches hin ausgelegt. Dabei wird die Erkenntnis genutzt, dass der Wasseranteil eines Wasser-Dampf-Gemisches aufgrund seiner vergleichsweise größeren Trägheit an einer Verzweigungsstelle bevorzugt in seiner Strömungsrichtung geradeaus weiterströmt, wohingegen der Dampfanteil einer aufgezwungenen Umlenkung aufgrund seiner vergleichsweise geringeren Trägheit vergleichsweise leichter zu folgen vermag. Um dies für eine besonders einfache Bauweise der Wasserabscheidung zu nutzen, sind die Austrittssammler 20 jeweils in der Art von T-Stücken ausgeführt, wobei von einem im Wesentlichen als Zylinderkörper 32 ausgestalteten Grundkörper ein in das jeweils zugeordnete Überströmrohr 30 mündendes Abströmrohrstück 34 für Strömungsmedium abzweigt.
  • Der als Zylinderkörper 32 ausgestaltete Grundkörper des jeweiligen Austrittssammlers 20 ist dabei an seinem nicht mit den Dampferzeugerrohren 12 verbundenen Ende 36 mit einem Wasserableitrohrstück 38 verbunden. Durch diese Bauweise strömt somit der Wasseranteil des Wasser-Dampf-Gemisches im Austrittssammler 20 an der das jeweilige integrierte Wasserabscheiderelement 28 bildenden Abzweigstelle des Abströmrohrstücks 34 bevorzugt in axialer Richtung weiter und gelangt somit über das Ende 36 in das Wasserableitrohrstück 38. Der Dampfanteil des im Zylinderkörper 32 strömenden Wasser-Dampf-Gemisches kann hingegen aufgrund seiner vergleichsweise geringeren Trägheit besser einer aufgezwungenen Umlenkung folgen und strömt somit über das Abströmrohrstück 34 und die weiteren zwischengeschalteten Komponenten bevorzugt den nachgeschalteten Überhitzerrohren 22 zu. Zur Verstärkung der dabei erreichten Abscheidewirkung und/oder zur erleichterten Wasserabfuhr kann der Zylinderkörper 32 mit seiner Längsrichtung gegenüber der Horizontalen in Strömungsrichtung abwärts geneigt angeordnet sein.
  • Wasserausgangsseitig, also über die Wasserableitrohrstücke 38, sind die in die Austrittssammler 20 integrierten Wasserabscheiderelemente 28 gruppenweise mit einem jeweils gemeinsamen Austrittssammler 40 verbunden. Diesem ist ein Wassersammelbehälter 42, insbesondere eine Abscheideflasche, nachgeschaltet. Der Wassersammelbehälter 42 ist ausgangsseitig über eine angeschlossene Abflussleitung 44, von der auch eine mit einem Abwassersystem verbundene Ableitung 45 abzweigt, mit dem Wasserzuführsystem 18 der Durchlauf-Verdampferheizfläche 8 verbunden, so dass ein geschlossen betreibbarer Umwälzkreislauf entsteht. Über diesen Umwälzkreis kann im Anfahr-, Schwach- oder Teillastbetrieb dem in den Dampferzeugerrohren 12 strömenden verdampfbaren Strömungsmedium ein zusätzlicher Umlauf zur Erhöhung der betrieblichen Sicherheit überlagert werden. Je nach betrieblichem Erfordernis oder Bedarf kann das durch die integrierten Wasserabscheiderelemente 28 gebildete Abscheidesystem dabei derart betrieben werden, dass sämtliches am Austritt der Dampferzeugerrohre 12 noch mitgeführte Wasser aus dem Strömungsmedium abgeschieden und nur verdampftes Strömungsmedium an die Überhitzerrohre 22 weitergegeben wird.
  • Alternativ kann das Wasserabscheidesystem aber auch im so genannten überspeisten Modus betrieben werden, bei dem nicht alles Wasser aus dem Strömungsmedium abgeschieden wird, sondern zusammen mit dem Dampf noch ein Teilstrom des mitgeführten Wassers an die Überhitzerrohre 22 weitergegeben wird. Bei dieser Betriebsweise verschiebt sich der Verdampfungsendpunkt in die Überhitzerrohre 22 hinein. Im derartigen überspeisten Modus füllen sich zunächst sowohl der Wassersammelbehälter 42 als auch die vorgeschalteten Austrittssammler 40 vollständig mit Wasser, so dass sich ein Rückstau bis hin zum Übergangsbereich jeweiligen Wasserabscheiderelement 28 bildet, an dem das Abströmrohrstück 34 abzweigt. Bedingt durch diesen Rückstau erfährt auch der Wasseranteil des den Wasserabscheiderelementen 28 zuströmenden Strömungsmediums zumindest teilweise eine Umlenkung und gelangt somit gemeinsam mit dem Dampf in das Abströmrohrstück 34. Die Höhe des Teilstroms, der dabei gemeinsam mit dem Dampf den Überhitzerrohren 22 zugeführt wird, ergibt sich dabei einerseits aus dem insgesamt dem jeweiligen Wasserabscheiderelement 28 zugeführten Wassermassenstrom und andererseits aus dem über das Wasserableitrohrstück 38 abgeführten Teilmassenstrom. Somit kann durch geeignete Variation des zugeführten Wassermassenstroms und/oder des über das Wasserableitrohrstück 38 abgeführten Wassermassenstroms der in die Überhitzerrohre 22 weitergegebene Massenstrom an unverdampftem Strömungsmedium eingestellt werden. Damit ist es möglich, durch Ansteuerung einer oder beider der genannten Größen den Anteil an an die Überhitzerrohre 22 weitergegebenem unverdampftem Strömungsmedium derart einzustellen, dass sich beispielsweise eine vorgegebene Enthalpie am Ende der Überhitzerheizfläche 22 einstellt.
  • Um dies zu ermöglichen, ist dem Wasserabscheidesystem eine Regeleinrichtung 60 zugeordnet, die eingangsseitig mit einem zur Ermittlung eines für die Enthalpie am rauchgasseitigen Ende der Überhitzerheizfläche 22 charakteristischen Kennwerts ausgebildeten Messfühler 62 verbunden ist. Ausgangsseitig wirkt die Regeleinrichtung 60 einerseits auf ein in die Abflussleitung 44 des Wassersammelbehälters 42 geschaltetes Stellventil 64 ein. Damit kann durch gezielte Ansteuerung des Stellventils 64 der Wasserstrom vorgegeben werden, der aus dem Abscheidesystem entnommen wird. Dieser Massenstrom kann wiederum in den Wasserabscheiderelementen 28 dem Strömungsmedium entzogen und an die nachfolgenden Sammelsysteme weitergeleitet werden. Damit ist durch Ansteuerung des Stellventils 64 eine Beeinflussung des im Wasserabscheiderelement 28 jeweils abgezweigten Wasserstroms und somit eine Beeinflussung des nach der Abscheidung noch im Strömungsmedium an die Überhitzerheizflächen 22 weitergegebenen Wasseranteils möglich. Alternativ oder zusätzlich kann die Regeleinrichtung 60 noch auf eine in die Abflussleitung 44 geschaltete Umwälzpumpe 66 einwirken, so dass auch die Zuströmrate des Mediums in das Wasserabscheidesystem entsprechend eingestellt werden kann.

Claims (11)

  1. Dampferzeuger (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 parallel geschalteten Dampferzeugerrohren (12) umfasst, mit einer Anzahl von jeweils einigen Dampferzeugerrohren (12) strömungsmediumsseitig nachgeschalteten Austrittssammlern (20),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der oder jeder Austrittssammler (20) jeweils ein integriertes Wasserabscheiderelement (28) umfasst, über das der jeweilige Austrittssammler (20) dampfseitig mit einer Anzahl von nachgeschalteten Überhitzerrohren (22) einer Überhitzerheizfläche (10) verbunden ist.
  2. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der oder jeder Austrittssammler (20) jeweils im Wesentlichen als Zylinderkörper (32) ausgestaltet ist, der an seinem nicht mit den Dampferzeugerrohren (12) verbundenen Ende (36) mit einem Wasserableitrohrstück (38) verbunden ist.
  3. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    vom jeweiligen Zylinderkörper (32) oder vom jeweiligen Wasserableitrohrstück (38) ein Abströmrohrstück (34) für Strömungsmedium abzweigt.
  4. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Zylinderkörper (32) und/oder das Wasserableitrohrstück (38) mit ihrer jeweiligen Längsrichtung gegenüber der Horizontalen in Strömungsrichtung abwärts geneigt angeordnet sind.
  5. Dampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    einige oder alle Wasserabscheiderelemente (28) wasserausgangsseitig gruppenweise mit jeweils einem gemeinsamen Austrittssammler (40) verbunden sind.
  6. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dem jeweiligen Austrittssammler (40) ein Wassersammelbehälter (42) nachgeschaltet ist.
  7. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in eine an den Wassersammelbehälter (42) angeschlossene Abflussleitung (44) ein über eine zugeordnete Regeleinrichtung (60) ansteuerbares Stellventil (64) geschaltet ist, wobei die Regeleinrichtung (60) mit einem für die Enthalpie des Strömungsmediums am dampfseitigen Austritt der dem Wasserabscheidesystem nachgeschalteten Überhitzerheizfläche (10) charakteristischen Eingangswert beaufschlagbar ist.
  8. Dampferzeuger (1) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    über die Regeleinrichtung (60) eine den Dampferzeugerrohren (12) zugeordnete Umwälzpumpe (66) ansteuerbar ist.
  9. Dampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der oder jeder Austrittssammler (20) oberhalb des Heizgaskanals (6) angeordnet ist.
  10. Dampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) derart ausgelegt ist, dass ein im Vergleich zu einem weiteren Dampferzeugerrohr (12) derselben Verdampfer-Durchlaufheizfläche (8) mehrbeheiztes Dampferzeugerrohr (12) einen im Vergleich zum weiteren Dampferzeugerrohr (12) höheren Durchsatz des Strömungsmediums aufweist.
  11. Dampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dem Heizgaskanal (6) heizgasseitig eine Gasturbine vorgeschaltet ist.
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