EP1979105B1 - Verfahren zur optimalen bemessung der wärmeübertragungsrohre in abhitzekesseln - Google Patents
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- EP1979105B1 EP1979105B1 EP07702364A EP07702364A EP1979105B1 EP 1979105 B1 EP1979105 B1 EP 1979105B1 EP 07702364 A EP07702364 A EP 07702364A EP 07702364 A EP07702364 A EP 07702364A EP 1979105 B1 EP1979105 B1 EP 1979105B1
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- F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
- F28F1/34—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending obliquely
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- B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
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- B21C37/15—Making tubes of special shape; Making tube fittings
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Definitions
- the invention relates to a method for optimal dimensioning of the heat transfer tubes in waste heat boilers of power plants.
- heat transfer tubes serve to transfer the heat of the hot flue gases to the medium to be heated and used for power generation, which is normally water and / or steam.
- the heat transfer tubes in the waste heat boilers are generally designed as finned tubes, wherein the fins are welded perpendicular to the tube axis on the tube surface.
- each tube In a waste heat boiler of the usual size are about 25,000 finned tubes with a length of 20 m included, each tube has about 260 fins per meter. If the ribs are divided into segments, the rib has about 25 to 35 segments over its 360 ° circumference. In a single waste heat boiler therefore approx. 0.13 billion ribs and accordingly approx. 3.9 billion rib segments occur.
- the heat transfer tubes are initially based on empirical values calculated.
- the problem is known that even with slight deviations from the finned tube geometry, significant deviations from the calculated values can occur.
- the boilerbuilders therefore regularly plan considerable reserves or collateral. If the calculated values are maintained or even exceeded, these reserves or collateral represent a significant additional effort. It is therefore attempted to minimize these reserves and collateral in order to minimize the additional equipment expense and the associated costs hold.
- Test series have shown that the calculated or planned thermal values can in practice vary by 20% and more upwards and downwards. This means considerable uncertainty in the planning and later commissioning of a power plant.
- the invention is therefore based on the object to achieve the highest possible compliance with the calculated and planned thermal engineering values.
- this object is achieved by initially performing theoretical calculations, in particular for the heat transfer values and pressure losses, that the heat transfer tubes are manufactured with respect to dimensions and rib geometry at the beginning of production according to these calculations, that during the production of the heat transfer tubes the calculated thermal values in certain intervals are checked in außsprüfstand and that are made in determining deviations corrections in the individual parameters of the subsequently produced heat transfer tubes.
- finned tubes are usually used as heat transfer tubes, since they have a large heat transfer surface.
- this can be done in a very simple manner by changing the finned spacings. This is done in particular with continuously helically applied ribs characterized in that the angle of attack of the tape supply is changed.
- the rib spacings can be reduced for compensation.
- tubes are produced with a larger number of ribs per meter.
- the incorrect values from the previous production interval are overcompensated by the heat transfer tubes now produced in the subsequent period, so that the calculated total result is correct again.
- the removal of a first sample should preferably take place at a relatively early time, for example after the first ton of heat transfer tubes produced. Thereafter, samples are taken at longer regular intervals, for example after each 200 tons of manufactured heat transfer tubes, which are checked immediately after removal in the test bench. The actual values determined in this case then serve as a basis for determining the geometry of the subsequently produced heat transfer tubes.
- a power plant operator plans to build a new power plant with a corresponding heat recovery boiler, which will contain around 25,000 finned tubes with a length of 20 m.
- the ribs are welded to the tube surface, which are welded in the form of an endless rib in a continuous process helically on the outer tube shell.
- the pitch angle of the welded-on ribbed bandage is selected so that, for example, about 260 ribs per meter are generated.
- the outer edge of the rib is cut in a height of about 2/3 of the rib height, with about 25 to 35 segments per rib or per rib turn arise.
- the finned tubes are designed in terms of their thermal values so that a required heat transfer performance of the flue gases on the finned tubes flowing medium, such as water and / or steam, is achieved.
- the number of fins per meter is increased as needed. If the specified values are exceeded, the number of ribs will be reduced accordingly.
- Sampling is then repeated at regular, longer intervals, for example after production of each 200 tons of heat transfer tubes.
- the production process does not need to be interrupted. If it then turns out that the pipes have fallen below the nominal values by 10% in the previous interval, then in the following interval the rib geometry will be changed so that the values are exceeded by 10%. In the following interval, it is then possible to go back to the setpoint value until deviations from the setpoint values are again detected.
- the novel process according to the invention makes it possible to comply very precisely with the heat-related values of a waste heat boiler. It then no unnecessary reserves and collateral to be installed, whereby the manufacturing cost and the price of the boiler can be significantly reduced. It is also excluded by the inventive method that under unfavorable conditions, the heat-related values of the waste heat boiler are below, which would mean that the power plant could never be operated with the calculated power.
- the inventive method thus allows for power plant construction a precise adherence to the calculated thermal values, so that optimum operating values can be achieved with minimal technical effort.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Bemessung der Wärmeübertragungsrohre in Abhitzekesseln von Kraftwerken.
- Beispielsweise zur Stromerzeugung werden weltweit jährlich ca. 150 bis 250 Kraftwerke mit Abhitzekesseln gebaut, in denen Wärmeübertragungsrohre vorhanden sind. Die Wärmeübertragungsrohre dienen zur Wärmeübertragung der heißen Rauchgase auf das zu erwärmende und zur Stromerzeugung dienende Medium, das normalerweise Wasser und/oder Dampf ist.
- Die Wärmeübertragungsrohre in den Abhitzekesseln sind in der Regel als Rippenrohre ausgebildet, wobei die Rippen senkrecht zur Rohrachse auf die Rohroberfläche aufgeschweißt werden.
- Bei modernen Verfahren zur Herstellung solcher Rippenrohre (
EP 1 276 571 ) werden die Rippen in Form eines Bandes schraubenlinig kontinuierlich auf die Rohroberfläche aufgeschweißt. Dabei ist es auch möglich, die nach außen gerichteten Rippenenden in einzelne Segmente aufzuteilen (DE-OS 100 63 831 - In einem Abhitzekessel der gängigen Größe sind ca. 25.000 Rippenrohre mit einer Länge von 20 m enthalten, wobei jedes Rohr ca. 260 Rippen pro Meter aufweist. Wenn es sich um Rippen handelt, die in Segmente aufgeteilt sind, so weist die Rippe über ihren Umfang von 360° ca. 25 bis 35 Segmente auf. In einem einzigen Abhitzekessel kommen also ca. 0,13 Mrd. Rippen und dementsprechend ca. 3,9 Mrd. Rippensegmente vor.
- Bei der Bemessung der einzelnen Parameter für den Abhitzekessel werden die Wärmeübertragungsrohre zunächst aufgrund von Erfahrungswerten berechnet. Dabei ist das Problem bekannt, dass bereits bei geringfügigen Abweichungen von der Rippenrohrgeometrie erhebliche Abweichungen von den errechneten Werten auftreten können. Die Kesselbauer planen daher regelmäßig erhebliche Reserven bzw. Sicherheiten ein. Wenn die errechneten Werte eingehalten oder möglicherweise sogar übertroffen werden, stellen diese Reserven bzw. Sicherheiten einen erheblichen Mehraufwand dar. Es wird daher versucht, diese Reserven und Sicherheiten so gering wie möglich zu halten, um den zusätzlichen vorrichtungstechnischen Aufwand und die damit zusammenhängenden Kosten gering zu halten.
- Häufig werden daher trotz der eingeplanten Reserven und Sicherheiten die geforderten wärmetechnischen Werte unterschritten. Dies führt nachträglich dazu, dass die Kraftwerke nicht mit voller Leistung arbeiten können.
- Versuchsserien haben ergeben, dass die errechneten bzw. eingeplanten wärmetechnischen Werte in der Praxis um 20% und mehr nach oben und unten abweichen können. Dies bedeutet eine erhebliche Unsicherheit bei der Planung und späteren Inbetriebnahme eines Kraftwerks.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst genaue Einhaltung der errechneten und geplanten wärmetechnischen Werte zu erreichen.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zunächst theoretische Berechnungen erfolgen, und zwar insbesondere für die Wärmeübertragungswerte und Druckverluste, dass die Wärmeübertragungsrohre bezüglich Abmessungen und Rippengeometrie zu Beginn der Produktion nach diesen Berechnungen gefertigt werden, dass während der Produktion der Wärmeübertragungsrohre die berechneten wärmetechnischen Werte in bestimmten Intervallen in einem Vergleichsprüfstand überprüft werden und dass bei Feststellung von Abweichungen Korrekturen bei den einzelnen Parametern der nachfolgend produzierten Wärmeübertragungsrohre vorgenommen werden.
- Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens_ist es möglich, die Ausrüstung eines Abhitzekessels mit Wärmeübertragungsrohren optimal zu gestalten und die errechneten wärmetechnischen Werte sehr genau einzuhalten.
- Die Produktion der Wärmeübertragungsrohre für einen geplanten bzw. im Bau befindlichen Abhitzekessel erstreckt sich über einen Zeitraum von 4 bis 12 Wochen, sodass genügend Zeit bleibt, um in den vorgegebenen Intervallen eine Überprüfung der wärmetechnischen Werte in einem Vergleichsprüfstand vorzunehmen.
- Bei Feststellung von Abweichungen erfolgen dann die Korrekturen in der Weise, dass die ermittelten Werte aus den vorangegangenen Intervallen überkompensiert werden.
- In modernen Abhitzekesseln werden heutzutage in der Regel Rippenrohre als Wärmeübertragungsrohre verwendet, da diese eine große Wärmeübertragungsfläche aufweisen. Wenn also bei Rippenrohren Korrekturen in der laufenden Produktion vorgenommen werden sollen, so kann dies auf sehr einfache Weise dadurch erfolgen, dass die Rippenabstände verändert werden. Dies erfolgt insbesondere bei kontinuierlich schraubenlinig aufgebrachten Rippen dadurch, dass der Anstellwinkel der Bandzufuhr verändert wird.
- Wenn also bei der Überprüfung im Vergleichsprüfstand festgestellt wird, dass beispielsweise die Wärmeübergangswerte nicht eingehalten und erheblich unterschritten werden, so können zur Kompensation die Rippenabstände verringert werden. Statt der errechneten Rippenanzahl pro Meter werden dann beispielsweise Rohre mit einer größeren Anzahl von Rippen pro Meter erzeugt. Dadurch werden die fehlerhaften Werte aus dem vorangegangenen Produktionsintervall durch die nun in der Folgezeit produzierten Wärmeübertragungsrohre überkompensiert, sodass das errechnete Gesamtergebnis wieder stimmt. Diese Verfahrensschritte werden regelmäßig bis zur endgültigen Fertigstellung der Gesamtheit der Wärmeübertragungsrohre fortgesetzt.
- Die Entnahme einer ersten Probe soll vorzugsweise zu einem relativ frühen Zeitpunkt, beispielsweise nach der ersten Tonne gefertigter Wärmeübertragungsrohre, erfolgen. Im Anschluss daran werden Proben in größeren regelmäßigen Intervallen entnommen, beispielsweise nach jeweils 200 Tonnen gefertigter Wärmeübertragungsrohre, die unmittelbar nach der Entnahme in dem Vergleichsprüfstand überprüft werden. Die dabei ermittelten Ist-Werte dienen dann als Ausgangsbasis für die Bestimmung der Geometrie der nachfolgend produzierten Wärmeübertragungsrohre.
- Die Erfindung wird anhand eines praktischen Beispiels im Nachfolgenden im Einzelnen erläutert.
- Ein Kraftwerksbetreiber plant ein neues Kraftwerk zur Stromerzeugung mit einem entsprechenden Abhitzekessel, der in seinem Innern etwa 25.000 Rippenrohre mit einer Länge von 20 m enthalten soll. Die Rippen werden auf die Rohroberfläche aufgeschweißt, wobei diese in Form einer Endlosrippe im kontinuierlichen Verfahren schraubenlinig auf den äußeren Rohrmantel aufgeschweißt werden. Der Steigungswinkel des aufgeschweißten Rippenverbandes ist so gewählt, dass beispielsweise ca. 260 Rippen pro Meter erzeugt werden. Der äußere Rippenrand ist in einer Höhe von ca. 2/3 der Rippenhöhe eingeschnitten, wobei ca. 25 bis 35 Segmente je Rippe bzw. je Rippenwindung entstehen.
- Die Rippenrohre sind bezüglich ihrer wärmetechnischen Werte so ausgelegt, dass eine gefordert Wärmeübertragungsleistung der Rauchgase auf das die Rippenrohre durchströmende Medium, beispielsweise Wasser und/oder Dampf, erreicht wird.
- Bei der Herstellung der Rippenrohre halten erfahrungsgemäß allenfalls 10% der Rohrlängen die errechneten Werte in einem Toleranzfeld von ± 2,5% ein. Bei den übrigen 90% der hergestellten Rohrlängen weichen die Ist-Werte von den errechneten Soll-Werten über ± 2,5% nach oben und unten ab.
- Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Produktionsaufnahme zunächst nach den vorgegebenen errechneten Werten produziert. Bereits nach kurzer Zeit, beispielsweise nach der Produktion der ersten Tonne, werden aus der laufenden Produktion Probestücke entnommen, die in einem speziellen Rippenrohr-Teststand hinsichtlich ihrer wärmetechnischen Werte überprüft werden.
- Wird dabei festgestellt, dass die vorgegebenen Wärmeübertragungswerte unterschritten werden, so wird in der folgenden Produktion die Rippenanzahl pro Meter je nach Bedarf erhöht. Bei Überschreitung der vorgegebenen Werte wird die Rippenanzahl entsprechend verringert.
- Die Probeentnahme wird dann in regelmäßigen größeren Intervallen, beispielsweise nach Produktion von jeweils 200 Tonnen an Wärmeübertragungsrohren, wiederholt. Der Produktionsvorgang braucht dabei nicht unterbrochen zu werden. Stellt sich dann heraus, dass die Rohre im vorangegangenen Intervall die SollWerte um 10% unterschritten haben, so wird man im folgenden Intervall die Rippengeometrie so ändern, dass die Werte um 10% überschritten werden. Im darauffolgenden Intervall kann man dann wieder auf den Soll-Wert zurückgehen, bis dann erneut Abweichungen von den Soll-Werten festgestellt werden.
- Durch das neue erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die wärmetechnischen Werte eines Abhitzekessels sehr genau einzuhalten. Es brauchen dann keine unnötigen Reserven und Sicherheiten eingebaut zu werden, wodurch der Herstellungsaufwand und der Preis des Kessels erheblich reduziert werden kann. Auch wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeschlossen, dass unter ungünstigen Bedingungen die wärmetechnischen Werte des Abhitzekessels unterschritten werden, was bedeuten würde, dass das Kraftwerk niemals mit der errechneten Leistung betrieben werden könnte.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also für den Kraftwerksbau eine zielgenaue Einhaltung der berechneten wärmetechnischen Werte, sodass mit minimalem technischem Aufwand optimale Betriebswerte erzielt werden können.
Claims (6)
- Verfahren zur optimalen Bemessung von als Rippenrohre ansgebildete Wärmeübertragungsrohren in Abhitzekesseln von Kraftwerken, wobei zunächst theoretische Berechnungen erfolgen, und zwar insbesondere für die Wärmeübertragungswerte und Druckverluste, und wobei die Wärmeübertragungsrohre bezüglich Abmessungen und Rippengeometrie zu Beginn der Produktion nach diesen Berechnungen gefertigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass während der Produktion der Wärmeübertragungsrohre die berechneten wärmetechnischen Werte in bestimmten Intervallen in einem Vergleichsprüfstand überprüft werden und dass bei Feststellung von Abweichungen Korrekturen bei den einzelnen Parametern der nachfolgend produzierten Wärmeübertragungsrohre vorgenommen werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung von Abweichungen die Korrekturen in der Weise erfolgen, dass die ermittelten wärmetechnischen Werte aus den vorangegangenen Intervallen überkompensiert werden, um zu dem angestrebten Ergebnis für den gesamten Abhitzekessel zu gelangen.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturen in der laufenden Produktion insbesondere dadurch erfolgen, dass die Rippenabstände verändert werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme einer ersten Probe nach der Fertigstellung der ersten Tonne der Wärmeübertragungsrohre erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Entnahme der ersten Probe in Intervallen von jeweils etwa 200 Tonnen gefertigter Wärmeübertragungsrohre je eine weitere Probe entnommen und bezüglich der wärmetechnischen Werte untersucht wird.
- Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,dass die Probenentnahme bei laufender Produktion vorgenommen wird.
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