EP2676072A1 - Verfahren zum betreiben eines durchlaufdampferzeugers und zur durchführung des verfahrens ausgelegter dampferzeuger - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines durchlaufdampferzeugers und zur durchführung des verfahrens ausgelegter dampferzeuger

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EP2676072A1
EP2676072A1 EP12709060.3A EP12709060A EP2676072A1 EP 2676072 A1 EP2676072 A1 EP 2676072A1 EP 12709060 A EP12709060 A EP 12709060A EP 2676072 A1 EP2676072 A1 EP 2676072A1
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EP
European Patent Office
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mass flow
evaporator
load
interval
flow
Prior art date
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EP12709060.3A
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EP2676072B1 (de
Inventor
Joachim Brodesser
Martin Effert
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP2676072B1 publication Critical patent/EP2676072B1/de
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    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B29/00—Steam boilers of forced-flow type
    • F22B29/06—Steam boilers of forced-flow type of once-through type, i.e. built-up from tubes receiving water at one end and delivering superheated steam at the other end of the tubes
    • F22B29/12—Steam boilers of forced-flow type of once-through type, i.e. built-up from tubes receiving water at one end and delivering superheated steam at the other end of the tubes operating with superimposed recirculation during starting and low-load periods, e.g. composite boilers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B35/00—Control systems for steam boilers
    • F22B35/06—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B35/00—Control systems for steam boilers
    • F22B35/06—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type
    • F22B35/10—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type of once-through type
    • F22B35/101—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type of once-through type operating with superimposed recirculation during starting or low load periods, e.g. composite boilers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/0318—Processes
    • Y10T137/0324—With control of flow by a condition or characteristic of a fluid
    • Y10T137/0374—For regulating boiler feed water level

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a continuous steam generator with an evaporator, in which a Lucasmassenstrom a flow medium with the aid of a feed pump is fed to the evaporator and there at least partially ⁇ evaporated, wherein not evaporated flow medium deposited in a separator downstream of the evaporator and a circulating mass flow of the separated flow medium by means of a circulating pump is fed back into the evaporator, so that the called evaporator mass ⁇ stream mass flow of the evaporator flowing through the flow medium additively composed of the Lucasmassenstrom and Umisselzmassenstrom.
  • the invention further relates to a designed for carrying out the method steam generator.
  • a forced once-through steam generator In a forced once-through steam generator, the passage of the usually supplied in the form of feed water flow medium through the usually provided preheater, the evaporator and the superheater by a correspondingly powerful feedwater pump, short supply pump erzwun ⁇ gen. Thus, the heating of the flow medium takes place up to the saturated steam temperature Evaporation and subsequent overheating continuously in one pass, so no drum is needed.
  • a forced once-through steam generator can also be operated in the supercritical range at pressures of 230 bar and more. With forced circulation boilers very large steam outputs can be generated in a relatively small space.
  • Fired forced-circulation steamers with spirally wound around a combustion chamber evaporator tubes are usually designed for a mass flow density of the guided through the evaporator tubes flow medium of about 2000 kg / (sm 2 ) at 100% load (full load).
  • Entspre ⁇ accordingly the previously customary design guidelines to the mass flow density in an evaporator with straight tubes at part load not screaming ⁇ th a value of about 800 kg / (sm 2), in order to avoid cooling problems at the tube walls by a Schich processing of the flow. This value corresponds to the above-mentioned full load mass flow density of
  • Non-evaporated water which just obtained in the start-up and low load operation is usually in a downstream of the evaporator water (short: separator) separated from steam and fed to a Wassersammeigefäß (the so-called collection bottle or short bottle), currency ⁇ rend the steam in usually supplied to a superheater.
  • a circulating pump is used to recirculate the istschie ⁇ dene water and in front of the economizer called feedwater in the feedwater mass Ström (short: Lucasmassenstrom) involve, so ultimately return it to the evaporator inlet.
  • the evaporator mass flow is composed of the feed mass flow and the circulating mass flow, also referred to as recirculation mass flow.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for operating a continuous steam generator of the abovementioned ⁇ th type, which avoids the disadvantages mentioned, and thus designed for low cost of acquisition and operating costs for effective and safe part-load operation with ausrei ⁇ chender cooling the evaporator tubes is.
  • the width ⁇ ren to be a particularly geeig ⁇ neter for performing the process through steam generator indicated.
  • the operation in the high load interval is referred to as continuous operation, because in the separator no more water.
  • the invention is based on the consideration that, in principle, it would be possible to dispense with the recirculation loop with the circulating pump, thus diverting the water deposited in the separator at start-up and during light load operation one after the other and discarding it (so-called run-off operation).
  • this would be disadvantageous from a thermodynamic and economic point of view and, moreover, would undesirably increase the thermal load on the superheater heating surfaces downstream of the evaporator because of the lower fluid temperatures at the inlet of the economiser and evaporator and the resulting lower production of cooling steam acting on the heating surfaces Start-up operation.
  • the present invention is detached from the design guidelines for the recirculation mass flow, which have hitherto been valid and considered to be operationally reliable. It has surprisingly been found that the design mass flow for the circulating pump, at least in a low load interval compared to the bishe ⁇ rigen level of knowledge can be significantly reduced without having to accept any ir ⁇ gendwelche disadvantages. In particular, in the vicinity of the zero-load state, the evaporator minimum mass flow, which in this case is effected almost exclusively by the circulating-mass flow, can be halved compared with the previously established value. The assurance of sufficient cooling of the evaporator tubes under these conditions - even if they are designed as smooth tubes - could be proven by appropriate thermo-hydraulic calculations and simulations.
  • the previously common values for the evaporator minimum mass flow are then back at higher load levels down given and achieved by appropriate control of the feed mass flow and the circulation ⁇ mass flow.
  • the transition between the two control scenarios preferably takes place continuously, in particular li ⁇ near.
  • the feed mass flow is increased linearly with increasing load in the low load interval.
  • the circulation mass flow rate is kept constant, this means that the total evaporator mass flow - as already mentioned, the sum of the feed mass flow and the circulation mass flow - increases linearly with the load.
  • the Umisselzmassenstrom is preferably decreased linearly with increasing load.
  • the Umisselzmassenstrom is thereby reduced to the same extent as the feed mass flow is increased. This means that the sum of the two mass flows, namely the evaporator mass flow, remains constant in the middle load interval.
  • the low-load interval begins at zero load ⁇ and ends preferably at approximately 20% of rated ⁇ provided according to the full load.
  • the medium load directly adjoins ⁇ interval which preferably ends at approximately 40% of the interpretation ⁇ supply provided according to the full load.
  • the circulation mass flow in the low load interval is set to approximately 20% of the full load value of the evaporator mass flow.
  • a value of the Ummélzmassenstrom Why of unge ⁇ ferry 400 kg / (sm 2) is in the low-load interval, ⁇ particularly advantageous, according to an evaporator mass flow density at full load of about
  • the circulation mass flow and the feed mass flow are adjusted in the middle load interval such that the evaporator mass flow always reaches at least 40% of the full load value in this interval.
  • the evaporator ⁇ mass flow in this load interval by opposing Verän- the supply current and circulating current are kept constant (see above).
  • the initially ge above object is achieved by a once-through steam generator having an evaporator, the strömungsmediumseitg a feed pump connected upstream and a separator is connected downstream for non-evaporated Strö ⁇ mung medium, wherein the separator via ei ne return line, in which a circulation pump is connected , is connected to the water-side steam generator inlet, and wherein an electronic control or regulating unit is provided for the feed pump and the circulation pump, which performs the method steps of Ver ⁇ procedure described above.
  • the separator is thus (indirectly) connected via the feedwater servor Anlagenr with the evaporator inlet.
  • control or regulation unit for the purpose mentioned advantageously a corresponding control or regulation program is implemented in hardware and / or software.
  • the control unit acts according to previous operator input (such as: start, shutdown, partial load operation, etc.) on the Spei se pump and the circulation pump and controls their winnings device, ie the respective throughput of flow medium (feed water and separated water from the evaporator ).
  • the control or regulation unit is expediently supplied with the actual value of relevant operating variables, so that a corresponding readjustment can take place in the event of a deviation from the desired setpoint.
  • the continuous steam generator is preferably fired directly by ei ne number of burners.
  • He preferably has one Combustion chamber or a throttle cable
  • the surrounding wall is formed of a plurality of gas-tight welded together evaporator tubes, wherein at least a portion of the enclosure wall forms the actual evaporator (next to possibly other areas that form the feedwater or the superheater).
  • the throttle cable is preferably designed as a vertical gas flue and has at least in the evaporator section a spiral tube, that is, spirally or helically within the perimeter wall around the longitudinal axis of the gas flue winding evaporator tubes on.
  • the evaporator tubes are preferably smooth tubes; but there are also conceivable provided with a êtberippung pipes.
  • the minimum mass flow density at the highest load in recirculation mode can vary from the typical value for smooth tubes
  • an evaporator with internally finned tubes can be run in continuous operation at loads above 25% of full load when the full load mass flow density of the evaporator is 2000 kg / (sm 2 ).
  • the circulation pump according to the invention can be dimensioned particularly compact. In a spiral evaporator with internally tipped tubes, the transition from recirculation to continuous operation is about 25% load rather than 40% load.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that an operation of a forced once-through steam generator with recovery of the deposited on or after the evaporator liquid flow medium (water) in the feedwater is made possible by the deliberate departure from previously relevant design principles (so-called Forced-circulation mixing system), in spite of comparatively low selected Umicalzmassenstrom in the vicinity of the zero-load range, a high operational safety and sufficient Rohrküh ⁇ ment is ensured.
  • the circulating pump can be dimensioned particularly compact in this case and be ponderegüns ⁇ tig in the purchase accordingly.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a continuous steam generator
  • FIG. 3 shows another such diagram, wherein the Kennli ⁇ nienverlauf corresponds to a novel, according to the invention ver ⁇ improved operation control.
  • the continuous steam generator 2 shown in FIG. 1 comprises an evaporator 4 for the evaporation of a flow medium M, which is preceded by a feedwater preheater 6, also referred to as economizer, on the flow medium side.
  • the evaporator 4 comprises a plurality of flow parallel maral ⁇ teten, gas-tight welded together and designed as smooth tubes steam generator tubes, which form a region of a peripheral wall of a combustion chamber in the manner of a spiral bore, which is heated by a number of burners (not in detail here shown).
  • the evaporator 4 is followed by a superheater 8 with a number of Matterhitzersammlung inhabit flow medium side.
  • the Strö ⁇ mung medium M is not completely evaporated in the evaporator 4 but it remains at the evaporator outlet 16, a proportion of unevaporated, liquid flow medium M, namely water W.
  • This water content is in a flow medium side Zvi ⁇ rule the evaporator 4 and the superheater 8 connected in separator 18 from the vapor fraction which is passed to the superheater 8, separated and deposited.
  • the separated water W is collected in a collecting vessel 20 connected to the separator 18, and from there, depending on the operating state, is guided to varying degrees via a return line 22 to the inlet of the feedwater pre-heater 6.
  • a circulation pump 24 is connected in the return line 22 and the return line 22 is downstream ⁇ Windtone the feed pump 12 and upstream of the feedwater preheater ⁇ connected to the feed line 10. 6 Excess water W is derived from the collecting vessel 20 via a line 26 from ⁇ .
  • the mass flow of the evaporator 4 flowing through the flow medium M is thus additively from the mass flow of supplied feedwater S, namely the feed mass flow SM, and the mass flow to the previously separated water W, namely recirculated by means of the circulation pump 24 the Ummélzmassenstrom UM, together.
  • mass flow colloquially also the term flow is used.
  • a force acting on the feed pump 12 and the circulation pump 24 and ge manipulated optionally not shown ⁇ on here or regulating ⁇ valves in the piping system of the flow medium M electronic control or regulating unit 28 is used for the operating condition-dependent control or regulation of the mass flow, especially when starting or Low duty.
  • a number of sensors connected to the control or regulation unit 28 are furthermore provided (not shown here).
  • the circulation mass flow UM remains at the value 0%, while the feed mass flow SM and thus the evaporator mass flow VM rise to full load value 100% (not shown in the diagram).
  • the circulation pump 24 must therefore be designed for a comparatively high mass flow value of 40% of the evaporator mass flow VM at full load.
  • FIG. 3 shows a control scheme improved in terms of the requirements for the circulation pump 24 in a diagrammatic representation analogous to FIG.
  • the feed mass flow SM increased in the load interval between 0% and 40% load linearly from the value 0% to the value 40%.
  • the Umisselzmassenstrom UM is now in a first load interval between 0% and 20% load, here referred to as low load interval I, kept constant at a reduced compared to FIG 2 value of 20%. Only in the subsequent middle load interval II between 20% load and 40% load is the circulation mass flow reduced linearly to the value 0%.
  • the evaporator flow in the low load interval I increases from the value of 20% linearly to the value of 40% and is maintained in the middle load interval II at the value of 40%.
  • the evaporator mass flow VM increases as in the previously discussed case of the feed mass flow SM and thus the evaporator mass flow VM to full load value 100%.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers (2) mit einem Verdampfer (4), bei dem ein Speisemassenstrom (SM) eines Strömungsmediums (M) mit Hilfe einer Speisepumpe (12) dem Verdampfer (4) zugeführt und dort zumindest teilweise verdampft wird, wobei nicht verdampftes Strömungsmedium (W) in einem dem Verdampfer (4) nachgeschalteten Abscheider (18) abgeschieden und ein Umwälzmassenstrom (UM) des abgeschiedenen Strömungsmediums (W) mit Hilfe einer Umwälzpumpe (24) in den Verdampfer (4) zurück geführt wird, so dass sich der als Verdampfermassenstrom (VM) bezeichnete Massenstrom des den Verdampfer (4) durchströmenden Strömungsmediums (M) additiv aus dem Speisemassenstrom (SM) und dem Umwälzmassenstrom (UM) zusammensetzt. Dabei ist vorgesehen, dass in einem Niedriglastintervall (I) der Speisemassenstrom (SM) mit steigender Last (L) erhöht wird, während der Umwälzmassenstrom (UM) im Wesentlichen konstant gehalten wird, in einem Mittellastintervall (II) der Speisemassenstrom (SM) mit steigender Last (L) weiter erhöht und der Umwälzmassenstrom (UM) bis auf null verringert wird, und gegebenenfalls in einem Hochlastintervall der Speisemassenstrom (SM) mit steigender Last (L) weiter erhöht und der Umwälzmassenstrom (UM) auf null gehalten wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen zur Durchführung des Verfahrens besonders geeigneten Durchlaufdampferzeuger.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers und zur Durchführung des Verfahrens ausgelegter Dampferzeuger
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers mit einem Verdampfer, bei dem ein Speisemassenstrom eines Strömungsmediums mit Hilfe einer Speisepumpe dem Verdampfer zugeführt und dort zumindest teil¬ weise verdampft wird, wobei nicht verdampftes Strömungsmedium in einem dem Verdampfer nachgeschalteten Abscheider abgeschieden und ein Umwälzmassenstrom des abgeschiedenen Strömungsmediums mit Hilfe einer Umwälzpumpe in den Verdampfer zurück geführt wird, so dass sich der als Verdampfermassen¬ strom bezeichnete Massenstrom des den Verdampfer durchströmenden Strömungsmediums additiv aus dem Speisemassenstrom und dem Umwälzmassenstrom zusammensetzt. Die Erfindung betrifft ferner einen zur Durchführung des Verfahrens ausgelegten Dampferzeuger .
Bei einem Zwangdurchlaufdampferzeuger wird der Durchlauf des üblicherweise in Form von Speisewasser zugespeisten Strömungsmediums durch den in der Regel vorgesehenen Vorwärmer, den Verdampfer und den Überhitzer durch eine entsprechend leistungsstarke Speisewasserpumpe, kurz Speisepumpe erzwun¬ gen. Somit erfolgt die Erwärmung des Strömungsmediums bis zur Sattdampftemperatur, die Verdampfung und anschließende Überhitzung kontinuierlich in einem Durchlauf, so dass keine Trommel benötigt wird. Im Gegensatz zu einem Dampferzeuger, der für einen Naturumlaufbetrieb ausgelegt ist, kann ein Zwangdurchlaufdampferzeuger auch im überkritischen Bereich bei Drücken von 230 bar und mehr betrieben werden. Mit Zwangdurchlaufkesseln können sehr große Dampfleistungen auf relativ kleinem Raum erzeugt werden. Da die Menge an Strömungs¬ medium im System relativ gering ist, hat das System eine geringe Trägheit und erlaubt so eine schnelle Reaktion auf Laständerungen . Befeuerte Zwangdurchlauf erdampfer mit spiralförmig um eine Brennkammer gewundenen Verdampferrohren (so genannte Spiral- berohrung) werden gewöhnlich für eine Massenstromdichte des durch die Verdampferrohre geführten Strömungsmediums von ca. 2000 kg/(sm2) bei 100 % Last (Volllast) ausgelegt. Entspre¬ chend den bislang üblichen Auslegungsrichtlinien soll die Massenstromdichte in einem Verdampfer mit Glattrohren bei Teillast einen Wert von etwa 800 kg/(sm2) nicht unterschrei¬ ten, um Kühlungsprobleme an den Rohrwänden durch eine Schich tung der Strömung zu vermeiden. Dieser Wert entspricht bei der oben genannten Volllastmassenstromdichte von
2000 kg/(sm2) einem Lastwert von 40 % der Volllast. Dies ist dann auch der Lastfall, für den der Verdampfermindestmassen- strom definiert wird. Im Anfahr- und Schwachlastbetrieb wird durch die Speisewasserregelung sichergestellt, dass dem Verdampfer immer dieser Verdampfermindestmassenstrom zugeführt wird .
Nicht verdampftes Wasser, welches gerade im Anfahr- und Schwachlastbetrieb anfällt, wird üblicherweise in einem dem Verdampfer nachgeschalteten Wasserabscheider (kurz: Abscheider) vom Dampf getrennt und zu einem Wassersammeigefäß (der so genannten Sammelflasche oder kurz Flasche) geführt, wäh¬ rend der Dampf in der Regel einem Überhitzer zugeführt wird. Vielfach wird eine Umwälzpumpe verwendet, um das abgeschie¬ dene Wasser zu rezirkulieren und vor dem auch als Economiser bezeichneten Speisewasservorwärmer in den Speisewassermassen ström (kurz: Speisemassenstrom) einzubinden, es also letztlich wieder zum Verdampfereinlass zurückzuführen. Der Verdampfermassenstrom setzt sich in diesem Fall additiv aus dem Speisemassenstrom und dem auch als Rezirkulationsmassenstrom bezeichneten Umwälzmassenstrom zusammen.
Bei einer bislang üblichen Betriebsweise wird beim Anfahren der Speisemassenstrom stetig erhöht, während der Umwälzmas¬ senstrom in gleichem Maße herunter geregelt wird. Folglich muss in dem oben genannten Beispiel die Umwälzpumpe für eine vergleichsweise hohe Umwälzmassenstromdichte von ca. 800 kg/ (ms2) entsprechend 40 % des Volllastwertes der Ver¬ dampfermassenstromdichte ausgelegt sein, denn im Nulllast¬ betrieb oder knapp oberhalb davon wird beinahe der gesamte Verdampfermassenstrom durch den Umwälzmassenstrom gebildet. Dieser vergleichsweise hohe Auslegungsmassenstrom der Umwälzpumpe führt dazu, dass die Umwälzpumpe vergleichsweise leis¬ tungsstark und groß dimensioniert sein muss und dementspre¬ chend mit hohen Anschaffungskosten verbunden ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers der oben genann¬ ten Art anzugeben, das die genannten Nachteile vermeidet, mithin bei gering gehaltenen Anschaffungs- und Betriebskosten für einen effektiven und sicheren Teillastbetrieb mit ausrei¬ chender Kühlung der Verdampferrohre ausgelegt ist. Des Weite¬ ren soll ein zur Durchführung des Verfahrens besonders geeig¬ neter Durchlaufdampferzeuger angegeben werden.
In Bezug auf das Verfahren wird die genannte Aufgabe erfin¬ dungsgemäß gelöst, indem
- in einem Niedriglastintervall der Speisemassenstrom mit steigender Last erhöht wird, während der Umwälzmassenstrom im Wesentlichen konstant gehalten wird,
- in einem Mittellastintervall der Speisemassenstrom mit steigender Last weiter erhöht und der Umwälzmassenstrom bis auf null verringert wird, und
- gegebenenfalls in einem Hochlastintervall der Speisemas¬ senstrom mit steigender Last weiter erhöht und der Umwälzmassenstrom auf null gehalten wird.
Der Betrieb im Hochlastintervall wird als Durchlaufbetrieb bezeichnet, weil im Abscheider kein Wasser mehr anfällt.
Die Bezugnahme auf den Fall steigender Last erfolgt hier le¬ diglich zum Zweck einer eindeutigen Definition; die Regelungscharakteristik gilt analog auch für den Fall sinkender Last. Dies bedeutet beispielsweise, dass im Niedriglastinter- vall der Speisemassenstrom mit sinkender Last verringert wird etc .
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es zwar prinzipiell möglich wäre, auf den Rezirkulationskreisklauf mit der Umwälzpumpe zu verzichten, mithin das im Abscheider abgeschiedene Wasser beim Anfahren und im Schwachlastbetrieb ein¬ fach abzuleiten und zu verwerfen (sogenannter Ablaufbetrieb) . Dies wäre jedoch unter thermodynamischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten nachteilig und würde darüber hinaus - wegen der geringeren Fluidtemperaturen am Eintritt von Economiser und Verdampfer und der somit geringeren Produktion von kühlend auf die Heizflächen wirkendem Dampf - zu einer unerwünschten Erhöhung der thermischen Belastung der dem Verdampfer nachgeschalteten Überhitzerheizflächen beim Anfahrbetrieb führen .
Die vorliegende Erfindung löst sich von den bislang gültigen und als betriebsbewährt angesehenen Auslegungsrichtlinien für den Umwälzmassenstrom. Es wurde nämlich überraschenderweise gefunden, dass der Auslegungsmassenstrom für die Umwälzpumpe zumindest in einem Niedriglastintervall gegenüber dem bishe¬ rigen Kenntnisstand deutlich verringert werden kann, ohne ir¬ gendwelche Nachteile hinnehmen zu müssen. Insbesondere kann in der Nähe des Nulllastzustandes der - in diesem Fall fast ausschließlich durch den Umwälzmassenstrom bewerkstelligte - Verdampfermindestmassenstrom gegenüber dem bislang festgesetzten Wert halbiert werden. Dabei konnte die Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung der Verdampferrohre unter diesen Bedingungen - auch dann, wenn sie als Glattrohre ausgeführt sind - durch entsprechende thermohydraulische Berechnungen und Simulationen nachgewiesen werden. Zu höheren Lastbereichen hin werden dann wieder die bislang gebräuchlichen Werte für den Verdampfermindestmassenstrom vorgegeben und durch entsprechende Regelung des Speisemassenstroms und des Umwälz¬ massenstroms erreicht. Der Übergang zwischen den beiden Regelszenarien erfolgt vorzugsweise stetig, insbesondere li¬ near . Vorteilhafterweise wird im Niedriglastintervall der Speise¬ massenstrom linear mit steigender Last erhöht. Bei konstant gehaltenem Umwälzmassenstrom bedeutet dies, dass der gesamte Verdampfermassenstrom - wie bereits erwähnt die Summe aus Speisemassenstrom und Umwälzmassenstrom - linear mit der Last ansteigt .
Vorzugsweise wird auch im Mittellastintervall der Speisemas¬ senstrom linear mit steigender Last erhöht, während der Umwälzmassenstrom bevorzugt linear mit steigender Last verringert wird. In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird dabei der Umwälzmassenstrom im gleichen Maße verringert, wie der Speisemassenstrom erhöht wird. Dies bedeutet, dass die Summe aus beiden Massenströmen, nämlich der Verdampfermassenstrom, im Mittellastintervall konstant bleibt.
Zweckmäßigerweise beginnt das Niedriglastintervall bei Null¬ last und endet bevorzugt bei ungefähr 20 % der auslegungs¬ gemäß vorgesehenen Volllast. An das Niedriglastintervall schließt sich zweckmäßigerweise unmittelbar das Mittellast¬ intervall an, welches bevorzugt bei ungefähr 40 % der ausle¬ gungsgemäß vorgesehenen Volllast endet.
In besonders bevorzugter Auslegung wird der Umwälzmassenstrom im Niedriglastintervall auf ungefähr 20 % des Volllastwertes des Verdampfermassenstroms eingestellt. Dabei ist im Niedrig¬ lastintervall ein Wert der Umwälzmassenstromdichte von unge¬ fähr 400 kg/(sm2) besonders vorteilhaft, entsprechend einer Verdampfermassenstromdichte bei Volllast von etwa
2000 kg/ (sm2) .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung werden der Umwälzmassenstrom und der Speisemassenstrom im Mittellastintervall derart eingestellt, dass der Verdampfermassenstrom in diesem Intervall stets mindestens 40 % des Volllastwertes erreicht. Besonders bevorzugt ist dabei der Fall, dass der Verdampfer¬ massenstrom in diesem Lastintervall durch gegenläufige Verän- derung von Speisestrom und Umwälzstrom konstant gehalten wir (siehe oben) .
In Bezug auf den Durchlaufdampferzeuger wird die eingangs ge nannte Aufgabe gelöst durch einen Durchlaufdampferzeuger mit einem Verdampfer, dem strömungsmediumseitg eine Speisepumpe vorgeschaltet und ein Abscheider für nicht verdampftes Strö¬ mungsmedium nachgeschaltet ist, wobei der Abscheider über ei ne Rückführungsleitung, in die eine Umwälzpumpe geschaltet ist, mit dem wasserseitigen Dampferzeugereinlass verbunden ist, und wobei eine elektronische Steuerungs- oder Regelungs einheit für die Speisepumpe und die Umwälzpumpe vorgesehen ist, die die Verfahrensschritte des oben beschriebenen Ver¬ fahrens ausführt.
Wie eingangs bereits angedeutet, mündet die Rückführungslei¬ tung zweckmäßigerweise stromabwärts der Speisepumpe und stromaufwärts des Speisewasservorwärmers in die Speiselei¬ tung. Der Abscheider ist also (mittelbar) über den Speisewas servorwärmer mit dem Verdampfereinlass verbunden.
In der Steuerungs- oder Regelungseinheit ist zu dem genannte Zweck vorteilhafterweise ein entsprechendes Steuerungs- oder Regelungsprogramm hardwaremäßig und/oder softwaremäßig imple mentiert. Über geeignete Stellwertgeber wirkt die Steuerungs oder Regelungseinheit gemäß vorheriger Bedieneingabe (etwa: Anfahren, Herunterfahren, Teillastbetrieb etc.) auf die Spei sepumpe und die Umwälzpumpe ein und steuert deren Förderleis tung, sprich den jeweiligen Durchsatz von Strömungsmedium (Speisewasser und abgeschiedenes Wasser aus dem Verdampfer) . Über geeignete Messwertgeber oder Sensoren wird der Steuerungs- oder Regelungseinheit zweckmäßigerweise der Istwert relevanter Betriebsgrößen zugeführt, so dass bei Abweichung vom gewünschten Sollwert eine entsprechende Nachregelung erfolgen kann.
Der Durchlaufdampferzeuger wird vorzugsweise direkt durch ei ne Anzahl von Brennern befeuert. Er weist vorzugsweise eine Brennkammer bzw. einen Gaszug auf, dessen Umfassungswand aus einer Vielzahl von gasdicht miteinander verschweißten Verdampferrohren gebildet ist, wobei zumindest ein Teilbereich der Umfassungswand den eigentlichen Verdampfer bildet (neben gegebenenfalls weiteren Bereichen, die den Speisewasservorwärmer oder den Überhitzer bilden) . Der Gaszug ist bevorzugt als Vertikalgaszug ausgestaltet und weist zumindest in der Verdampfersektion eine Spiralberohrung, das heißt sich Spiral- oder helixartig innerhalb der Umfassungswand um die Längsachse des Gaszugs windende Verdampferrohre, auf. Bei den Verdampferrohren handelt es sich bevorzugt um Glattrohre; es sind aber auch mit einer Innenberippung versehene Rohre denkbar .
Bei Verwendung von innenberippten Rohren in Spiralverdampfern kann die Mindestmassenstromdichte bei der höchsten Last im Umwälzbetrieb von dem typischen Wert für Glattrohre von
800 kg/(sm2) auf etwa 500 kg/(sm2) reduziert werden. Daher kann ein Verdampfer mit innenberippten Rohren bei Lasten oberhalb von 25 % der Volllast im Durchlaufbetrieb gefahren werden, wenn die Volllastmassenstromdichte des Verdampfers bei 2000 kg/(sm2) liegt. Auch bei der Verwendung von innenberippten Rohren in einem Spiralverdampfer kann die Umwälzpumpe erfindungsgemäß besonders kompakt dimensioniert werden. Bei einem Spiralverdampfer mit innenberippten Rohren liegt der Übergang vom Umwälz- in den Durchlaufbetrieb bei etwa 25 % Last anstatt bei 40 % Last. Die vorherigen und folgenden Beschreibungen, die zahlenmäßig für einen Verdampfer mit Glattrohren ausgelegt sind, lassen sich unter Berücksichti¬ gung dieser Randbedingung auf einen Verdampfer mit innenberippten Rohren übertragen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die bewusste Abkehr von bislang einschlägigen Auslegungsprinzipien ein Betrieb eines Zwangdurchlaufdampferzeugers mit Rückforderung des am oder nach dem Verdampfer abgeschiedenen flüssigen Strömungsmediums (Wasser) in den Speisewasservorwärmer ermöglicht wird (so genanntes Zwanglauf-Mischsystem) , bei dem trotz vergleichsweise niedrig gewähltem Umwälzmassenstrom in der Nähe des Nulllastbereiches eine hohe betriebliche Sicherheit und ausreichende Rohrküh¬ lung gewährleistet ist. Die Umwälzpumpe kann in diesem Fall besonders kompakt dimensioniert und entsprechend kostengüns¬ tig in der Anschaffung sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen in jeweils stark vereinfachter und schematisierter Darstellung:
FIG 1 ein Blockschaltbild eines Durchlaufdampferzeugers ,
FIG 2 ein Diagramm, in dem verschiedene für den Durch- fluss von Strömungsmedium durch entsprechende Komponenten des Durchlaufdampferzeugers charakteristi¬ sche und für seine bisherige Betriebssteuerung ma߬ gebliche Kennlinien als Funktion der Last aufgetra¬ gen sind, und
FIG 3 ein weiteres derartiges Diagramm, wobei der Kennli¬ nienverlauf einer neuartigen, erfindungsgemäß ver¬ besserten Betriebssteuerung entspricht.
Der in FIG 1 dargestellte Durchlaufdampferzeuger 2 umfasst einen Verdampfer 4 zur Verdampfung eines Strömungsmediums M, dem ein auch als Economiser bezeichneter Speisewasservorwärmer 6 strömungsmediumseitig vorgeschaltet ist. Der Verdampfer 4 umfasst eine Mehrzahl von strömungsmäßig parallel geschal¬ teten, gasdicht miteinander verschweißten und als Glattrohren ausgeführten Dampferzeugerrohren, die nach Art einer Spiral- berohrung einen Bereich einer Umfassungswand einer Brennkammer bilden, welche über eine Anzahl von Brennern beheizt wird (hier nicht im Detail dargestellt) . Dem Verdampfer 4 ist ein Überhitzer 8 mit einer Anzahl von Überhitzerheizflächen strömungsmediumseitig nachgeschaltet. Beim Betrieb des Durchlauf¬ dampferzeugers 2 wird dem Speisewasservorwärmer 6 über die Speiseleitung 10 mit Hilfe einer Speisepumpe 12 das Strö- mungsmedium M in Form von Speisewasser S zugeführt, im Spei¬ sewasservorwärmer 6 vorgewärmt, anschließend über den Verdampfereintritt 14 in den Verdampfer 4 geleitet und dort ver¬ dampft. Der den Verdampfer 4 über den Verdampferaustritt 16 verlassende Dampf D wird schließlich im Überhitzer 8 überhitzt und danach seiner vorgesehenen Verwendung, beispielsweise in einer Dampfturbine, zugeführt.
Beim Teillastbetrieb, insbesondere beim Anfahren oder beim Herunterfahren des Durchlaufdampferzeugers 2, wird das Strö¬ mungsmedium M im Verdampfer 4 nicht vollständig verdampft, sondern es verbleibt am Verdampferaustritt 16 ein Anteil an unverdampftem, flüssigem Strömungsmedium M, nämlich Wasser W. Dieser Wasseranteil wird in einem strömungsmediumseitig zwi¬ schen den Verdampfer 4 und den Überhitzer 8 geschalteten Abscheider 18 vom Dampfanteil, der zum Überhitzer 8 weitergeleitet wird, getrennt und abgeschieden. Das abgeschiedene Wasser W wird in einem mit dem Abscheider 18 verbundenen Sammelgefäß 20 gesammelt und von dort je nach Betriebszustand in unterschiedlichem Maße über eine Rückführungsleitung 22 zum Eintritt des Speisewasservorwärmers 6 zurück geführt. Zu die¬ sem Zweck ist in die Rückführungsleitung 22 eine Umwälzpumpe 24 geschaltet, und die Rückführungsleitung 22 ist stromab¬ wärts der Speisepumpe 12 und stromaufwärts des Speisewasser¬ vorwärmers 6 an die Speiseleitung 10 angeschlossen. Überschüssiges Wasser W wird aus dem Sammelgefäß 20 über eine Ab¬ leitung 26 abgeleitet.
Der den Verdampfer 4 durchströmende Massenstrom an Strömungsmedium M, nämlich der Verdampfermassenstrom VM, setzt sich damit additiv aus dem Massenstrom an zugeführtem Speisewasser S, nämlich dem Speisemassenstrom SM, und dem Massenstrom an mit Hilfe der Umwälzpumpe 24 zurück zirkuliertem, zuvor abgeschiedenem Wasser W, nämlich dem Umwälzmassenstrom UM, zusammen. Anstelle der Bezeichnung Massenstrom wird umgangssprachlich auch die Bezeichnung Durchfluss verwendet. Eine auf die Speisepumpe 12 und die Umwälzpumpe 24 sowie ge¬ gebenenfalls auf hier nicht dargestellte Stell- oder Regel¬ ventile im Leitungssystem des Strömungsmediums M einwirkende elektronische Steuerungs- oder Regelungseinheit 28 dient zur betriebszustandsabhängigen Steuerung bzw. Regelung dieser Massenströme, speziell beim Anfahr- oder Schwachlastbetrieb. Zur Erfassung des betrieblichen Ist-Zustandes sind ferner eine Anzahl von mit der Steuerungs- oder Regelungseinheit 28 verbundenen Sensoren vorgesehen (hier nicht dargestellt) .
FIG 2 zeigt hierzu den Verlauf relevanter Kennlinien gemäß einem herkömmlichen Regelungsschema. Aufgetragen als Funktion der Last L sind hier der Umwälzmassenstrom UM, der Speisemassenstrom SM und der Verdampfermassenstrom VM. Die Lastwerte auf der Abszisse sind jeweils als prozentualer Wert der Maxi¬ mallast (Volllast) angegeben, und in ähnlicher Weise sind die Durchfluss- bzw. Massenstromwerte auf der Ordinate als pro¬ zentuale Werte des auslegungsgemäß vorgesehenen maximalen Verdampfermassenstroms VM bei Volllast angegeben. Wie man sieht, nimmt der Umwälzmassenstrom UM mit steigender Last vom Ausgangwert 40 % (entsprechend 0 % Last) stetig und insbeson¬ dere linear auf den Wert 0 % (entsprechend 40 % Last) ab, während der Wert des Speisemassenstroms SM im entsprechenden Lastintervall linear von 0 % auf 40 % steigt. Die Summe aus dem Speisemassenstrom SM und dem Umwälzmassenstrom UM, die den Verdampfermassenstrom VM repräsentiert, besitzt daher in diesem Lastintervall den konstanten Wert 40 %. Bei noch größeren Lasten verbleibt der Umwälzmassenstrom UM auf dem Wert 0 %, während der Speisemassenstrom SM und damit der Verdampfermassenstrom VM bis zum Volllastwert 100 % ansteigen (im Diagramm nicht mehr dargestellt) . Die Umwälzpumpe 24 muss da¬ her für einen vergleichsweise hohen Massenstromwert von 40 % des Verdampfermassenstroms VM bei Volllast ausgelegt sein.
Demgegenüber zeigt FIG 3 ein hinsichtlich der Anforderungen an die Umwälzpumpe 24 verbessertes Regelungsschema in einer zu FIG 2 analogen diagrammatischen Darstellung. Ähnlich wie bei der durch FIG 2 repräsentierten Regelungsvariante wird der Speisemassenstrom SM im Lastintervall zwischen 0 % und 40 % Last linear vom Wert 0 % auf den Wert 40 % gesteigert. Abweichend von der vorherigen Variante wird nunmehr der Umwälzmassenstrom UM in einem ersten Lastintervall zwischen 0 % und 20 % Last, hier als Niedriglastintervall I bezeichnet, auf einem gegenüber FIG 2 reduzierten Wert von 20 % konstant gehalten. Erst im anschließenden Mittellastintervall II zwischen 20 % Last und 40 % Last wird der Umwälzmassenstrom linear auf den Wert 0 % reduziert. Demnach steigt der Verdamp- ferdurchfluss im Niedriglastintervall I vom Wert 20 % linear auf den Wert 40 % an und wird im Mittellastintervall II auf dem Wert 40 % gehalten. Im sich rechts anschließenden Hochlastintervall jenseits 40 % Last (nicht mehr dargestellt) steigt dann wie im zuvor diskutierten Fall der Speisemassenstrom SM und damit der Verdampfermassenstrom VM bis zum Volllastwert 100 % an.
Durch die Reduzierung des Auslegungsmassenstroms für die Um¬ wälzpumpe 24 auf einen gegenüber FIG 2 halbierten Wert von 20 % des maximalen Verdampfermassenstroms VM sind die Anfor¬ derungen an die Umwälzpumpe 24 deutlich reduziert, ohne die ausreichende Kühlung der Verdampferrohre des Verdampfers 4 im Schwachlastbereich zu gefährden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers (2) mit einem Verdampfer (4), bei dem ein Speisemassenstrom (SM) eines Strömungsmediums (M) mit Hilfe einer Speisepumpe (12) dem Verdampfer (4) zugeführt und dort zumindest teilweise verdampft wird, wobei nicht verdampftes Strömungsmedium (W) in einem dem Verdampfer (4) nachgeschalteten Abscheider (18) abgeschieden und ein Umwälzmassenstrom (UM) des abgeschiede- nen Strömungsmediums (W) mit Hilfe einer Umwälzpumpe (24) in den Verdampfer (4) zurück geführt wird, so dass sich der als Verdampfermassenstrom (VM) bezeichnete Massenstrom des den Verdampfer (4) durchströmenden Strömungsmediums (M) additiv aus dem Speisemassenstrom (SM) und dem Umwälzmassenstrom (UM) zusammensetzt, und wobei
- in einem Niedriglastintervall (I) der Speisemassenstrom
(SM) mit steigender Last (L) erhöht wird, während der Um¬ wälzmassenstrom (UM) im Wesentlichen konstant gehalten wird,
- in einem Mittellastintervall (II) der Speisemassenstrom
(SM) mit steigender Last (L) weiter erhöht und der Umwälzmassenstrom (UM) bis auf null verringert wird, und
- gegebenenfalls in einem Hochlastintervall der Speisemas¬ senstrom (SM) mit steigender Last (L) weiter erhöht und der Umwälzmassenstrom (UM) auf null gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Niedriglastintervall (I) der Speisemassenstrom (SM) linear mit steigender Last (L) erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem im Mittellastintervall (II) der Speisemassenstrom (SM) linear mit steigender Last (L) erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem im Mittellastintervall (II) der Umwälzmassenstrom (UM) linear mit steigender Last (L) verringert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem im Mittellastintervall (II) der Speisemassenstrom (SM) linear mit steigender Last (L) erhöht und der Umwälzmassenstrom (UM) im gleichen Maße linear mit steigender Last (L) verringert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Niedriglastintervall (I) bei Nulllast beginnt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Niedriglastinter- vall (I) bei Verwendung von Glattrohren bei ungefähr 20 %, bei Verwendung von innenberippten Rohren bei ungefähr 12,5 % der auslegungsgemäß vorgesehenen Volllast endet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem sich das Mittellastintervall (II) unmittelbar an das Niedriglast¬ intervall (I) anschließt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Mittellastintervall (II) bei Verwendung von Glattrohren bei ungefähr 40 %, bei Verwendung von innenberippten Rohren bei ungefähr 25 % der auslegungsgemäß vorgesehenen Volllast endet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Umwälzmassenstrom (UM) im Niedriglastintervall (I) bei Ver- wendung von Glattrohren auf ungefähr 20 %, bei Verwendung von innenberippten Rohren auf ungefähr 12,5 % des Volllastwertes des Verdampfermassenstroms (VM) eingestellt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Umwälzmassenstrom (UM) und der Speisemassenstrom (SM) im Mittellastintervall (II) derart eingestellt werden, dass die Verdampfermassenstromdichte in diesem Intervall bei Verwen¬ dung von Glattrohren im Mittel stets mehr als 700 kg/(sm2), bei Verwendung von innenberippten Rohren im Mittel stets mehr als 440 kg/(sm2) des Volllastwertes beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem im Niedriglastintervall (I) bei Verwendung von Glattrohren eine Umwälzmassenstromdichte von ungefähr 400 kg/(sm ), bei Ver¬ wendung von innenberippten Rohren von ungefähr 250 kg/(sm2) eingestellt wird.
13. Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers (2) mit einem Verdampfer (4), bei dem ein Speisemassenstrom (SM) eines Strömungsmediums (M) mit Hilfe einer Speisepumpe (12) dem Verdampfer (4) zugeführt und dort zumindest teilweise verdampft wird, wobei nicht verdampftes Strömungsmedium (W) in einem dem Verdampfer (4) nachgeschalteten Abscheider (18) abgeschieden und ein Umwälzmassenstrom (UM) des abgeschiedenen Strömungsmediums (W) mit Hilfe einer Umwälzpumpe (24) in den Verdampfer (4) zurück geführt wird, so dass sich der als Verdampfermassenstrom (VM) bezeichnete Massenstrom des den Verdampfer (4) durchströmenden Strömungsmediums (M) additiv aus dem Speisemassenstrom (SM) und dem Umwälzmassenstrom (UM) zusammensetzt, und wobei
- in einem Mittellastintervall (II) der Speisemassenstrom
(SM) mit sinkender Last (L) verringert und der Umwälzmas¬ senstrom (UM) von null ausgehend vergrößert wird, und
- in einem Niedriglastintervall (I) der Speisemassenstrom
(SM) mit sinkender Last (L) weiter verringert wird, während der Umwälzmassenstrom (UM) im Wesentlichen konstant gehalten wird.
14. Durchlaufdampferzeuger (2) mit einem Verdampfer (4) zur Verdampfung eines Strömungsmediums (M) , dem strömungsmedium- seitig eine Speisepumpe (12) vorgeschaltet und ein Abscheider
(18) für nicht verdampftes Strömungsmedium (W) nachgeschaltet ist, wobei der Abscheider (18) über eine Rückführungsleitung
(22), in die eine Umwälzpumpe (24) geschaltet ist, mit dem Verdampfereintritt (14) verbunden ist, und wobei eine elekt¬ ronische Steuerungs- oder Regelungseinheit (28) für die Spei¬ sepumpe (12) und die Umwälzpumpe (24) vorgesehen ist, die die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aus¬ führt .
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