EP2772686A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Dampferzeugers in einer Verbrennungsanlage - Google Patents

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EP2772686A1
EP2772686A1 EP14156099.5A EP14156099A EP2772686A1 EP 2772686 A1 EP2772686 A1 EP 2772686A1 EP 14156099 A EP14156099 A EP 14156099A EP 2772686 A1 EP2772686 A1 EP 2772686A1
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EP
European Patent Office
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steam
temperature
drum
water
measured
Prior art date
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EP14156099.5A
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English (en)
French (fr)
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EP2772686B1 (de
Inventor
Dipl.-Ing. Ulrich Otto
Dr.-Ing. Jens Sohnemann
Dipl.-Ing. Thomas Maghon
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.)
Hitachi Zosen Inova Steinmueller GmbH
Nippon Steel Engineering Co Ltd
Original Assignee
Fisia Babcock Environment GmbH
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Application filed by Fisia Babcock Environment GmbH filed Critical Fisia Babcock Environment GmbH
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Publication of EP2772686B1 publication Critical patent/EP2772686B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B35/00—Control systems for steam boilers
    • F22B35/02—Control systems for steam boilers for steam boilers with natural convection circulation

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a steam generator according to the preamble of the first claim and an apparatus for performing the method.
  • the invention relates to a steam generator, in particular a hot steam generator as a water pipe boiler with its own furnace or waste heat boiler, z. B. according to DIN EN 12952 "water tube boiler and plant components", which are equipped as a natural circulation steam generator with a steam drum.
  • a steam drum In this steam drum are boiling water and wet steam at a boiling temperature according to the vapor pressure. The boiling water is fed to the evaporator while the wet steam in the superheater is subsequently heated to final temperature.
  • the invention particularly relates to a control of the steam generator operation with regard to the sufficient cooling of evaporator heating surfaces. It is particularly suitable for steam generators, which have storage heaters, e.g. Rust or fluidized bed firing, in particular so be heated with refuse incinerators. Furthermore, the invention relates to steam generators, which are operated in the temperature equilibrium between drum steam, drum water and downpipe water.
  • the invention is used in particular to be able to judge in case of malfunction with no longer displayed water level in the steam drum a possibly resulting hazard or damage to the steam generator.
  • Disruptions in natural circulation can be determined continuously due to the difference between the temperature of the coming from the evaporator water-steam mixture at least one point before entering the drum and the boiling point in the evaporator.
  • Out DE000019856417A1 is a steam generator with evaporator, steam drum and superheater for use in waste incinerators known.
  • Such steam generators must be constantly cooled. For this purpose, they must be equipped with sufficiently dimensioned feedwater pumps in accordance with DIN EN 12952 Part 7 "Water-tube boilers and plant components - Part 7: Equipment requirements for the boiler" and have reliable instruments for controlling the water supply and as low-water protection. In the event of a lack of water, the heat generation is automatically stopped to prevent overheating of the metallic building materials. However, it is problematic to always determine a lack of water safely and in good time.
  • water level control is usually provided by the drum water level measurement, which is redundant and detects deviations from the water level setpoint.
  • This measurement is usually / often limited to the permissible control range of the water level according to the design. For example, with a drum diameter of 1800 mm to deviations of approx. +/- 350 mm related to the nominal value approx. at the level of the drum center.
  • this low water level protection also usually takes place automatically switching off the furnace including the fuel task.
  • JPO 58070007 A can be regarded as a prior art document.
  • JPO 58070007 A describes a method for operating a steam generator with feed water supply in the steam drum and an evaporator with circulation pump.
  • This steam generator is part of a combined heat and power plant and is heated by the exhaust gases of a gas turbine.
  • the exhaust gases of the Gas turbine only after a successful turbine start over a flue gas flap practically suddenly switched from the bypass to the steam generator. This leads to high temporal and local temperature gradients in the thick-walled boiler components.
  • the temperature change rate of this component is monitored by measuring the drum temperature and deliberately slowed down when a limit value is exceeded by changing the operating mode of the gas turbine.
  • US 4,802,446 describes a method for operating a steam generator with a feedwater supply by means of feedwater pump in a steam drum, an evaporator with water drum and the circulation of the water-steam mixture in at least one downpipe and a Dampfab operationsrohr. It describes the danger that due to insufficient differences in density caused by Dampfblasenmitriss in the downpipe, the natural circulation is disturbed or the capacity of the circulating pump for safe operation is no longer sufficient. To detect this dangerous condition, the temperature difference between the steam drum and the unheated medium in the downpipe, ie before heating, is measured.
  • the solution according to the invention provides a method for operating a steam generator with a feedwater supply and a feedwater pump, wherein the steam generator is arranged in an incinerator with a grate furnace or a fluidized bed furnace, in particular a refuse incinerator.
  • the steam generator in particular a hot steam generator, has a so-called steam drum, in which boiling water and wet steam are in thermodynamic equilibrium at a boiling temperature according to the vapor pressure.
  • the feed water is conveyed by the feedwater pump into the steam drum and mixed into the boiling water.
  • the boiling water in the steam drum is fed via downpipes by means of natural circulation an evaporator and passes through the DampfabGermanrohre back into the steam drum.
  • Evaporator and steam drum are operated in temperature equilibrium between drum steam, drum water and downpipe water.
  • the wet steam is fed to a superheater for further use through a conduit.
  • water level control usually involves the measurement of the drum water level, which is redundant and detects deviations from the nominal water level. This measurement is usually / often limited to the permissible control range of the water level according to the design. For example, with a drum diameter of 1800 mm to deviations of approx. +/- 350 mm related to the nominal value approx. at the level of the drum center.
  • a lack of water is detected, appropriate measures are initiated according to the state of the art by the control technology of the plant. This can be a feedwater supply, a throttling of the combustion air or a reduction of the feed material.
  • the solution according to the invention provides to measure by means of a measuring device, the temperature of the medium coming from the evaporator water-steam mixture in Dampfabriosrohr at least one point before entering the steam drum. Furthermore, the boiling temperature at the steam generator, preferably in the steam drum, to measure or determine. This can be done in a preferred embodiment by a direct or indirect temperature measurement on the steam drum.
  • the term "medium temperature” is understood by the person skilled in the art to mean the temperature which the medium has at the relevant measuring point. Under medium is to be understood in the line located water-steam mixture.
  • a further preferred embodiment provides to measure the pressure at the steam generator, preferably in the steam drum. Advantageously, this is done continuously. For this purpose, a suitable temperature or pressure measuring device must be provided on the drum.
  • the pressure measuring device may be designed in the form of a pressure transducer, the temperature measuring device on the drum in the form of a temperature sensor or a thermometer. From the measured pressure in the steam generator, preferably in the steam drum, the boiling temperature in the steam generator is calculated. This calculation is carried out by means of a control program according to the water vapor table. Such calculation methods are known to the person skilled in the art. Furthermore, the solution of the invention provides to measure the temperature of the water vapor mixture passing from the evaporator in the Dampfabriosstrahlen at least one point before entering the steam drum directly and continuously.
  • temperature measuring devices are provided in the DampfabGermanrohren at least one point before entering the steam drum.
  • one or more sensors may be arranged by means of immersion sleeves in the Dampfab thoroughlyrohren.
  • the measurement of the temperature in the Dampfab thoroughly steamen takes place continuously.
  • a difference is determined in the control program. This difference value is used to trigger a signal which immediately informs the operator about the dangerous operating state via the process control technology.
  • this signal automatically triggers additional measures within the process control technology, e.g. Blocking the feed water supply to prevent further damage to the superheated evaporator tubes after previous lack of water by shock-like cooling.
  • Both the temperature measuring device in the Dampfab2011rohren and the pressure / temperature measuring device on the steam generator, preferably in the steam drum are evaluated in a monitoring device, the difference measured in the Dampfab2011rohren temperature and directly measured or calculated from the pressure measurement / measured boiling temperature in the control program becomes.
  • the monitoring device sends a signal to the higher-level process control system.
  • the operator must now take action so that further heat supply to the evaporator is immediately prevented.
  • refilling with feed water is no longer permitted in order to prevent irreplaceable material changes due to cold feed water being introduced on pipes that have fallen dry.
  • Such a measure may be to close a valve for feedwater supply.
  • the inventive method and apparatus have the advantage that the function of the natural circulation of the water-steam mixture of a steam generator of incinerators regardless of the drum water level measurement can be determined and component damage can be avoided by shock-like cooling of superheated evaporation tubes and a further heat, since the dangerous operating situation is clearly signaled.
  • Feed water 1 from a feedwater tank, not shown, is raised by means of feedwater pump 2 to the pressure level of the steam generator and fed to the steam drum 4 of the steam generator considered here.
  • the feedwater pump 2 is via a not belonging to the invention level control controlled in the steam drum 4.
  • the feed water 1 in the feedwater preheater 3 economizer
  • the steam drum 4 are boiling water 10 and wet steam 11 at a boiling temperature according to vapor pressure.
  • the boiling water 10 is supplied through the unheated downcomer 6 to the evaporator 7 from below and flows through the evaporator 7 from bottom to top. On the way through the evaporator so much heat is supplied to the water that a part of the boiling water 10 evaporates.
  • a measuring device 9 for the medium temperature is arranged in the steam discharge pipe 8 between the evaporator 7 and the steam drum 4. Furthermore, on the steam drum 4, the pressure measuring device 12 or the temperature measuring device 20 (s. FIG. 2 ) arranged.
  • the monitoring device 15 calculates from the pressure measured in the steam drum 4, according to the water-steam panel the associated boiling temperature 13 in the control program and determines the temperature difference 14 between the boiling temperature 13 and the measured temperature 9 in Dampfabriosrohr 8 before the steam drum 4th
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the method and apparatus for operating a steam generator, wherein a temperature measuring device 20 is disposed on the steam drum 4 for temperature measurement and in the monitoring device 15, the temperature of the temperature measuring device 20 is compared with the temperature measured by means of measuring device 9 on the steam discharge pipe 8 has been. As a result, the monitoring device 15 sends a signal 16 to the process control system 17 and the operating data storage 18.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers mit einer Speisewasserzufuhr mittels Speisewasserpumpe (2) in eine Dampftrommel (4), einen Verdampfer (7) und einen Naturumlauf eines Wasser-Dampf-Gemisches in einem Fall- und einem Dampfabführrohr (6, 8), wobei der Dampferzeuger im Temperatur-Gleichgewicht zwischen Trommel-Dampf, Trommel-Wasser und Fallrohr-Wasser betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass - eine mittels Messeinrichtung (9) gemessene Medientemperatur des aus dem Verdampfer (7) kommenden Wasser-Dampf-Gemisches im Dampfabführrohr (8) an mindestens einer Stelle vor dem Eintritt in die Dampftrommel (4) mittels Sensoren in Tauchhülsen gemessen wird, - eine Siedetemperatur (13) in der Dampftrommel (4) gemessen oder berechnet wird, und - aus der mittels Messeinrichtung (9) gemessenen Medientemperatur im Dampfabführrohr (8) und der Siedetemperatur (13) in der Dampftrommel (4) eine Temperaturdifferenz (14) bestimmt wird, deren Wert dazu dient, ein Signal (16) auszulösen, mit dem Maßnahmen zum Abwenden von Schäden der Anlage eingeleitet werden, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung haben den Vorteil, dass die Funktion des Naturumlaufs des Wasser-Dampf-Gemisches eines Dampferzeugers von Verbrennungsanlagen unabhängig von der Trommelwasserstandsmessung feststellbar ist und Bauteilschädigungen durch schockartige Kühlung von überhitzten Verdampfungsrohren sowie eine weitere Wärmezufuhr vermieden werden können, da die gefährliche Betriebssituation eindeutig signalisiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, insbesondere einen Heißdampferzeuger als Wasserrohr-Kessel mit eigener Feuerung oder als Abhitzekessel, z. B. gemäß DIN EN 12952 "Wasserrohrkessel und Anlagenkomponenten", die als Naturumlauf-Dampferzeuger mit einer Dampftrommel ausgerüstet sind. In dieser Dampftrommel befinden sich Siedewasser und Nassdampf bei einer Siedetemperatur gemäß Dampfdruck. Das Siedewasser wird dem Verdampfer zugeführt während der Nassdampf im Überhitzer nachträglich auf Endtemperatur aufgeheizt wird.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere eine Kontrolle des Dampferzeugerbetriebes hinsichtlich der ausreichenden Kühlung von Verdampferheizflächen. Sie ist besonders geeignet für Dampferzeuger, welche über Speicherfeuerungen z.B. Rost- oder Wirbelschichtfeuerungen, insbesondere also mit Müllfeuerungen beheizt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung Dampferzeuger, die im Temperatur-Gleichgewicht zwischen Trommel-Dampf, Trommel-Wasser und Fallrohr-Wasser betrieben werden.
  • Neben der Überwachung eines aktuellen Dampferzeugerbetriebes dient die Erfindung insbesondere dazu, bei Betriebsstörungen mit nicht mehr angezeigtem Wasserstand in der Dampftrommel eine möglicherweise entstandene Gefährdung oder Schädigung des Dampferzeugers beurteilen zu können.
  • Störungen im Naturumlauf können aufgrund der Differenz zwischen der Temperatur des aus dem Verdampfer kommenden Wasser-Dampf-Gemischs an mindestens einer Stelle vor Eintritt in die Trommel und der Siedetemperatur im Verdampfer kontinuierlich ermittelt werden.
  • Aus DE000019856417A1 ist ein Dampferzeuger mit Verdampfer, Dampftrommel und Überhitzer zum Einsatz in Müllverbrennungsanlagen bekannt.
  • Derartige Dampferzeuger müssen ständig gekühlt werden. Sie müssen dazu gemäß DIN EN 12952 Teil 7 "Wasserrohrkessel und Anlagenkomponenten - Teil 7: Anforderungen an die Ausrüstung für den Kessel" mit ausreichend dimensionierten Speisewasser-Pumpen ausgerüstet sein und über zuverlässige Instrumente zur Regelung der Wasserzufuhr und als Wassermangelsicherung verfügen. Bei Wassermangel wird die Wärmeerzeugung automatisch gestoppt um eine Überhitzung der metallischen Baustoffe zu verhindern. Problematisch ist es allerdings, einen Wassermangel immer sicher und rechtzeitig festzustellen.
  • Aus DE000019510619A1 und DE102010008843A1 sind Verfahren zum Messen des Wasserstandes und zur Wasserstandsregelung bekannt.
  • Entsprechend dem Stand der Technik dient als Wassermangelsicherung üblicherweise die Trommelwasserstandsmessung, die redundant ausgeführt ist und Abweichungen vom Wasserstand-Sollwert erfasst. Diese Messung ist üblicherweise/vielfach auf den gemäß Auslegung zulässigen Regelbereich des Wasserstands beschränkt. Z.B. bei einem Trommeldurchmesser von 1800 mm auf Abweichungen von ca. +/- 350 mm bezogen auf den Sollwert ca. in Höhe der Trommelmitte. Bei Ansprechen dieser Wassermangelsicherung erfolgt ebenfalls üblicherweise automatisch die Abschaltung der Feuerung inkl. der Brennstoffaufgabe.
  • Von Nachteil ist diese Art der Messung in solchen Fällen, bei denen es in Ausnahmesituationen trotz aller Vorsichtsmaßnahmen zu Wassermangel kommt, d.h. der Wasserstand in der Dampftrommel fällt unterhalb des messtechnisch erfassten Bereichs. Die Messung kann dann lediglich die Information liefern, dass der Wasserstand kleiner als das messbare Minimum ist/war.
    Mangels besserer Informationen und im Sinne einer konservativen Zustandsbewertung wird die Information "Wasserstand kleiner Minimum" zunächst als Schädigung von gefährdeten Bauteilen interpretiert. Die dann erforderliche, zerstörende oder zerstörungsfreie Zustandsprüfung ist in jedem Fall aufwändig. Vielfach zeigt das Ergebnis der zerstörenden oder zerstörungsfreien Prüfung dann, dass keine Bauteilschädigung vorliegt und dass im Rückschluss offenbar trotz angezeigter Grenzwert-Unterschreitung des Trommelwasserstandes noch eine ausreichende Wasserversorgung des Dampferzeugers vorgelegen hat.
  • Die Ursache dieser "Nicht-Zerstörung" liegt in dem teilweise großen Unterschied zwischen der Dichte des Siedewassers im Fallrohr und der Dichte des Wasser-Dampf-Gemischs im Verdampferrohr (Steigrohr).
  • In WO 2009/024 358 wird vorgeschlagen, die Flüssigkeitssäule in den Fallrohren des Zwangsumlauf-Abhitzekessels einer GuD-Anlage anhand von Differenzdruck-Messungen über die Höhe der Verdampferrohre zu bestimmen.
    Mit dem so gemessenen Druck lässt sich grundsätzlich die Höhe der Flüssigkeitssäule bestimmen, sofern die mittlere Dichte (kg/m3) des Wasser/Dampf Inhalts bekannt ist. Die mittlere Dichte im Verdampferrohr ist in der Regel aber nicht bekannt. Desweiteren erfolgt bei dieser Vorrichtung, die einen Zwangsumlauf des Wasser/Dampf-Gemisches voraussetzt, eine Temperaturmessung des Rauchgases, nicht jedoch im Steigrohr der Anlage.
  • Wie eingangs beschrieben kann es bei den Anlagen nach dem Stand der Technik in Ausnahmesituationen zum Ausfall der Wasserversorgung kommen und als Folge davon zur Überhitzung von Verdampferrohren aufgrund von Wassermangel. Dies gilt besonders für solche Feuerungen, die im Unterschied zu Gas- oder Staubfeuerungen mit einem nennenswerten Brennstoffinventar betrieben werden ("Speicherfeuerungen"). Besonders gefährdet sind dabei Verdampferrohre an der Decke von Verbrennungsanlagen wie Müllfeuerungen, die bei Wassermangel zuerst trocken fallen und aufgrund der Nachwärme aus dem Müllbett weiter beheizt werden. Oberhalb einer bestimmten Grenztemperatur, die vom Werkstoff abhängt, kommt es zu einer irreversiblen Materialveränderung, geringere und kurzfristige Übertemperaturen führen nicht zwangsläufig zu einer Bauteilschädigung.
  • Eine andere Art der Bauteilschädigung kann jedoch bereits bei geringeren Übertemperaturen auftreten, wenn Verdampferrohre nach vorangegangenem Wassermangel schockartig gekühlt werden. In diesen Fällen entstehen aufgrund der kurzzeitig hohen Temperaturgradienten an der Innenseite der Rohrwand Risse in der Magnetit-Schicht, die sich als Schutzschicht auf der Rohrinnenseite befindet. Nachfolgend kommt es dann zum Bauteilversagen durch sogenannte Spannungsrisskorrosion.
  • Bezüglich der Vermeidung von Schäden durch hohe Temperaturgradienten kann JPO 58070007 A als ein Dokument zum Stand der Technik angesehen werden.
    JPO 58070007 A beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers mit Speisewasserzufuhr in die Dampftrommel sowie einem Verdampfer mit Umwälzpumpe. Dieser Dampferzeuger ist dabei Teil einer GUD-Anlage und wird durch die Abgase einer Gasturbine beheizt. Üblicherweise werden die Abgase der Gasturbine erst nach erfolgtem Turbinenstart über eine Rauchgasklappe praktisch schlagartig vom Bypass auf den Dampferzeuger umgeschaltet. Dabei kommt es zu hohen zeitlichen und örtlichen Temperaturgradienten in den dickwandigen Kessel-Bauteilen. Gemäß JPO 58070007 wird durch Messung der Trommeltemperatur die Temperaturänderungsgeschwindigkeit dieses Bauteils überwacht und bei Überschreitung eines Grenzwertes durch Änderung der Betriebsweise der Gasturbine gezielt verlangsamt. Auf diese Weise soll die Wärmebelastung für dickwandige Bauteile wie Trommel und Gehäuse der Umwälzpumpe minimiert und Schäden vermieden werden.
    Die in JPO 58070007 vorgeschlagene Überwachung der
    Temperaturänderungsgeschwindigkeit in der Trommel ist jedoch nicht geeignet, um Überhitzungen von Verdampferrohren aufgrund von Wassermangel zu erkennen und schockartiges Abkühlen dieser Verdampferrohe zu vermeiden.
  • US 4 802 446 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers mit einer Speisewasserzufuhr mittels Speisewasserpumpe in eine Dampftrommel, einen Verdampfer mit Wassertrommel und dem Umlauf des Wasser-Dampf-Gemisches in zumindest einem Fallrohr und einem Dampfabführungsrohr.
    Es wird die Gefahr beschrieben, dass aufgrund zu geringer Dichteunterschiede durch Dampfblasenmitriss im Fallrohr der Naturumlauf gestört wird bzw. die Förderleistung der Umwälzpumpe für einen sicheren Betrieb nicht mehr ausreicht. Zur Erkennung dieses gefährlichen Zustands wird die Temperaturdifferenz zwischen Dampftrommel und dem unbeheizten Medium im Fallrohr, d.h. vor der Beheizung, gemessen.
  • Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Ermittelung dieser Temperaturdifferenz extrem schwierig ist weil die Temperatur eines Wasser-Dampf-Gemischs naturgemäß allein vom Druck und nicht vom Dampfgehalt abhängt. Dem Durchschnittsfachmann ist bekannt, dass Siedewasser, Wasser-Dampfgemisch und Sattdampf bei gleichem Druck stets dieselbe Temperatur haben.
  • Dieser Nachteil lässt sich gemäß der hier vorgestellten Erfindung dadurch umgehen, dass der Fokus auf die Erkennung einer beginnenden, lokalen Überhitzung des Wasser-Dampf-Gemisches als Folge einer unzureichenden Wasserversorgung gelegt wird. Dazu wird die Temperaturdifferenz zwischen Dampftrommel und dem Medium im Dampfabführrohr, d.h. oberhalb der Beheizung des Verdampfers, bestimmt. Im Falle des Eintretens einer Betriebsstörung kann somit durch die Auswertung der Zustandsänderung von Sattdampf hin zu überhitztem Dampf die dann markante Temperaturdifferenz zur Siedetemperatur in der Dampftrommel sicher erfasst werden. Diese Messgröße ist aufgrund der dann nennenswerten Temperaturdifferenzen problemlos erfassbar.
  • Zusätzlich beschreibt US 4 802 446 die Messung einer Rohrwandtemperatur auf der nicht beheizten Seite des Verdampferrohres im Bereich der Feuerung mit Alarmierung bei Überschreitung eines max. zulässigen Grenzwertes als Festwert. Dieses Verfahren hat jedoch zwei Nachteile:
    1. a) Oberhalb der Temperaturmessstelle sind bei weiterreichender Beheizung auch Material-Überhitzungen möglich, ohne dass dies erkannt wird.
    2. b) Die Materialtemperatur auf der beheizten Seite des Verdampferrohres ist stets höher als die Materialtemperatur auf der nicht beheizten Seite des Verdampferrohres.
      Wenn nun die gemäß US 4 802 446 zu messende Materialtemperatur auf der nicht beheizten Seite des Verdampferrohres den materialspezifischen Grenzwert für Materialüberhitzung erreicht, so ist auf der beheizten Seite bereits Materialüberhitzung aufgetreten, ohne dass das erkannt wurde.
  • Diese Nachteile von US 4 802 446 lassen sich gemäß der hier vorgestellten Erfindung dadurch umgehen, dass
    1. a) die Überwachung der Medium Temperatur im Dampfabführrohr und zwar in Strömungsrichtung gesehen hinter dem beheizten Teil des Verdampfers, also oberhalb der Beheizung erfolgt. Die Platzierung der Messung oberhalb der Beheizung ist enorm wichtig, da die Gefahr einer lokalen Überhitzung bis zum Ende des beheizten Teiles eines Verdampfers stetig zunimmt;
    2. b) die Überwachung der Temperaturdifferenz zwischen Dampftrommel-Inhalt einerseits und Medium-Temperatur im Dampfabführrohr andererseits als Funktion des Prozessdrucks erfolgt und somit nicht auf ungeeignete, feste Grenzwerte angewiesen ist.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen die Funktion des Naturumlaufs unabhängig von der Trommelwasserstandsmessung festzustellen ist und mögliche Bauteilschädigungen ohne aufwändige zerstörende oder zerstörungsfreie Prüfungen lediglich durch Auswertung der aufgezeichneten Betriebsdaten beurteilt werden können. Weiterhin soll der Bediener während der Betriebsstörung ein Signal erhalten, welches ihm hilft, Schäden durch schockartige Kühlung von überhitzten Verdampferrohren zu verhindern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruches und eine Vorrichtung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 8 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung geben die Unteransprüche wieder.
  • Die erfindungsgemäße Lösung sieht ein Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers mit einer Speisewasserzufuhr und einer Speisewasserpumpe vor, wobei der Dampferzeuger in einer Verbrennungsanlage mit einer Rostfeuerung oder einer Wirbelschichtfeuerung, insbesondere einer Müllfeuerung, angeordnet ist. Der Dampferzeuger, insbesondere ein Heißdampferzeuger, weist eine sogenannte Dampftrommel auf, in der sich Siedewasser und Nassdampf im thermodynamischen Gleichgewicht bei einer Siedetemperatur gemäß Dampfdruck befinden. Das Speisewasser wird von der Speisewasserpumpe in die Dampftrommel gefördert und in das Siedewasser eingemischt. Das in der Dampftrommel befindliche Siedewasser wird über Fallleitungen mittels Naturumlauf einem Verdampfer zugeführt und gelangt über die Dampfabführrohre wieder zurück in die Dampftrommel. Verdampfer und Dampftrommel werden im Temperatur-Gleichgewicht zwischen Trommel-Dampf, Trommel-Wasser und Fallrohr-Wasser betrieben.
    Der Nassdampf wird zur weiteren Verwendung durch eine Leitung einem Überhitzer zugeführt.
  • Entsprechend dem Stand der Technik dient als Wassermangelsicherung üblicherweise die Trommelwasserstandsmessung, die redundant ausgeführt ist und Abweichungen vom Wasserstandssollwert erfasst. Diese Messung ist üblicherweise/vielfach auf den gemäß Auslegung zulässigen Regelbereich des Wasserstands beschränkt. Z.B. bei einem Trommeldurchmesser von 1800 mm auf Abweichungen von ca. +/- 350 mm bezogen auf den Sollwert ca. in Höhe der Trommelmitte.
  • Wird ein Wassermangel festgestellt, so werden entsprechend dem Stand der Technik durch die Leittechnik der Anlage entsprechende Maßnahmen eingeleitet. Das kann eine Speisewasserzufuhr, eine Drosselung der Verbrennungsluft oder eine Reduzierung des Aufgabegutes sein.
  • Von Nachteil ist diese Art der Messung in solchen Fällen, bei denen es in Ausnahmesituationen trotz aller Vorsichtsmaßnahmen zu Wassermangel kommt, d.h. der Wasserstand in der Dampftrommel fällt unterhalb des messtechnisch erfassten Bereich. Die Messung kann dann lediglich die Information liefern, dass der Wasserstand kleiner als das messbare Minimum ist/war.
  • Die daraus resultierenden Nachteile wurden eingangs bei der Bewertung des Standes der Technik genannt.
  • Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, mittels einer Messeinrichtung die Medientemperatur des aus dem Verdampfer kommenden Wasser-Dampf-Gemisches im Dampfabführrohr an mindestens einer Stelle vor dem Eintritt in die Dampftrommel zu messen.
    Weiterhin ist die Siede-Temperatur am Dampferzeuger, vorzugsweise in der Dampftrommel, zu messen oder zu bestimmen. Das kann in einer bevorzugten Ausführungsvariante durch eine direkte oder indirekte Temperaturmessung an der Dampftrommel erfolgen.
    Unter Medientemperatur versteht der Fachmann die Temperatur, die das Medium an der betreffenden Messstelle aufweist. Unter Medium ist das in der Leitung befindliche Wasser-Dampf-Gemisch zu verstehen.
    Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, den Druck am Dampferzeuger, vorzugsweise in der Dampftrommel, zu messen.
    Vorteilhafterweise geschieht das kontinuierlich. Dazu muss an der Trommel eine dafür geeignete Temperatur- oder Druckmesseinrichtung vorhanden sein. Die Druckmesseinrichtung kann in Form eines Druckmessumformers, die Temperaturmesseinrichtung an der Trommel in Form eines Temperatursensors oder eines Thermometers ausgeführt sein.
    Aus dem gemessenen Druck im Dampferzeuger, vorzugsweise in der Dampftrommel, wird die Siedetemperatur im Dampferzeuger berechnet. Diese Berechnung erfolgt mittels Leittechnikprogramm gemäß Wasserdampftafel. Derartige Berechnungsmethoden sind dem Fachmann bekannt.
    Weiterhin sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, die Temperatur des aus dem Verdampfer gelangenden Wasserdampfgemisches in den Dampfabführrohren an mindestens einer Stelle vor Eintritt in die Dampftrommel direkt und kontinuierlich zu messen.
  • Dazu sind in den Dampfabführrohren an mindestens einer Stelle vor Eintritt in die Dampftrommel Temperaturmesseinrichtungen vorzusehen. Als Temperaturmesseinrichtung können ein oder mehrere Sensoren mittels Tauchhülsen in den Dampfabführrohren angeordnet sein.
  • Vorteilhafterweise erfolgt die Messung der Temperatur in den Dampfabführrohren kontinuierlich.
  • Aus der gemessenen Temperatur des Mediums im Dampfabführrohr und der berechneten/gemessenen Siedetemperatur im Dampferzeuger, vorzugsweise in der Dampftrommel, wird im Leittechnikprogramm eine Differenz bestimmt. Dieser Differenzwert dient dazu, ein Signal auszulösen, welches über die Prozessleittechnik den Bediener unverzüglich über den gefährlichen Betriebszustand informiert.
  • Dieser kann Maßnahmen manueller Art entsprechend der Betriebsanleitung treffen. Ebenso ist denkbar, dass dieses Signal automatisch zusätzliche Maßnahmen innerhalb der Prozessleittechnik auslöst, z.B. Sperrung der Speisewasserzufuhr um weitere Schäden an den überhitzen Verdampferrohre nach vorangegangenem Wassermangel durch schockartige Kühlung zu verhindern.
  • Sowohl die Temperaturmesseinrichtung in den Dampfabführrohren als auch die Druck-/Temperaturmesseinrichtung am Dampferzeuger, vorzugsweise in der Dampftrommel, werden in einer Überwachungsvorrichtung ausgewertet, wobei die Differenz aus in den Dampfabführrohren gemessener Temperatur und direkt gemessen oder aus der Druckmessung errechneter/gemessenen Siedetemperatur im Leittechnikprogramm bestimmt wird. Die so bestimmte Temperaturdifferenz ist im Normalbetrieb nahezu = Null, das heißt, die Temperatur im Dampferzeuger, vorzugsweise in der Dampftrommel, zeigt immer den gleichen Wert wie die Temperatur, die in den Dampfabführrohren gemessen wird. Sobald festgestellt wird, dass die Temperatur in den Dampfabführrohren, also vor der Dampftrommel höher ist, als im Dampferzeuger, vorzugsweise in der Dampftrommel, liegt Wassermangel im Verdampfer vor. Die erhöhte Temperatur ist dabei der Indikator für im Verdampfer einsetzende Überhitzung.
  • In diesem Fall ergeht durch die Überwachungsvorrichtung ein Signal an die übergeordnete Prozessleittechnik. Der Bediener muss nun Maßnahmen ergreifen, so dass eine weitere Wärmezufuhr zum Verdampfer unverzüglich verhindert wird. Zusätzlich ist eine Nachspeisung von Speisewasser nun nicht mehr zulässig, um zu vermeiden, dass an trockengefallenen Rohren irreversible Materialveränderungen durch zugeführtes kaltes Speisewasser entstehen. Eine derartige Maßnahme kann darin bestehen ein Ventil zur Speisewasserzufuhr zu schließen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, die genannten Betriebsdaten in der Betriebsdatenspeicherung aufzuzeichnen. Dies gilt zusätzlich für weitere, den allgemeinen Betrieb des Dampferzeugers beschreibende Betriebsdaten, z.B. die Rauchgastemperaturen.
  • Durch nachträgliche Auswertung der aufgezeichneten Betriebsdaten in ihrem zeitlichen Verlauf kann eine möglicherweise entstandene Gefährdung des Dampferzeugers beurteilt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung haben den Vorteil, dass die Funktion des Naturumlaufs des Wasser-Dampf-Gemisches eines Dampferzeugers von Verbrennungsanlagen unabhängig von der Trommelwasserstandsmessung feststellbar ist und Bauteilschädigungen durch schockartige Kühlung von überhitzten Verdampfungsrohren sowie eine weitere Wärmezufuhr vermieden werden können, da die gefährliche Betriebssituation eindeutig signalisiert wird.
  • Im Folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel und zwei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • Figur 1:
    Schematische Darstellung der Vorrichtung zum Betreiben eines Dampferzeugers, wobei die Dampftemperatur in der Dampftrommel mittels Druckmessung bestimmt wird.
    Figur 2:
    Schematische Darstellung der Vorrichtung zum Betreiben eines Dampferzeugers, wobei die Dampftemperatur in der Dampftrommel mittels Temperaturmessung bestimmt wird.
  • Speisewasser 1 aus einem nicht dargestellten Speisewasserbehälter wird mittels Speisewasserpumpe 2 auf das Druckniveau des Dampferzeugers angehoben und der Dampftrommel 4 des hier betrachteten Dampferzeugers zugeführt. Die Speisewasserpumpe 2 wird über eine nicht zur Erfindung gehörende Niveauregelung in der Dampftrommel 4 gesteuert. Üblicherweise wird das Speisewasser 1 im Speisewasservorwärmer 3 (Economiser) nahezu bis auf Siedetemperatur aufgeheizt.
    In der Dampftrommel 4 befinden sich Siedewasser 10 und Nassdampf 11 bei einer Siedetemperatur gemäß Dampfdruck. Das Siedewasser 10 wird durch das unbeheizte Fallrohr 6 dem Verdampfer 7 von unten her zugeführt und durchströmt den Verdampfer 7 von unten nach oben. Auf dem Weg durch den Verdampfer wird dem Wasser so viel Wärme zugeführt, dass ein Teil des Siedewassers 10 verdampft. Über das unbeheizte Dampfabführrohr 8 gelangt das aus Siedewasser 10 und Nassdampf 11 bestehende Wasser-Dampf-Gemisch wieder in die oberhalb des Verdampfers 7 angeordnete Dampftrommel 4. In der Dampftrommel 4 wird der Nassdampf 11 vom Siedewasser 10 getrennt und dem Überhitzer 19 zugeführt. Das Siedewasser 10 wird durch das unbeheizte Fallrohr 6 wieder dem Verdampfer 7 von unten her zugeführt.
  • Durch die Wärmeaufnahme im Verdampfer 7 sinkt die Dichte des Wasser-Dampf-Gemischs unter die Dichte des Siedewassers 10, so dass auf natürliche Weise eine treibende Druckdifferenz entsteht, durch die wiederum die Versorgung des Verdampfers 7 mit Siedewasser 10 sichergestellt wird (Naturumlauf).
  • Erfindungsgemäß ist im Dampfabführrohr 8 zwischen dem Verdampfer 7 und der Dampftrommel 4 eine Messeinrichtung 9 für die Medientemperatur angeordnet. Weiterhin ist an der Dampftrommel 4 die Druckmesseinrichtung 12 oder die Temperaturmesseinrichtung 20 (s. Figur 2) angeordnet.
  • Die Messeinrichtung 9 für die Medientemperatur wird ebenso wie die Druckmesseinrichtung 12 bzw. die Temperaturmesseinrichtung 20 (s. Figur 2) als Bestandteil der Überwachungsvorrichtung 15 genutzt.
  • Die Überwachungsvorrichtung 15 errechnet aus dem Druck, der in der Dampftrommel 4 gemessen wurde, gemäß Wasser-Dampf-Tafel die dazugehörende Siedetemperatur 13 im Leittechnik-Programm und bestimmt die Temperaturdifferenz 14 zwischen der Siedetemperatur 13 und der gemessenen Temperatur 9 im Dampfabführrohr 8 vor der Dampftrommel 4.
  • Sofern die bestimmte Temperaturdifferenz 14 nahezu gleich Null ist, besteht Normalbetrieb, so dass die Speisewasserpumpe 2 über den Economiser 3 bei Bedarf Speisewasser 1 in die Dampftrommel 4 zuführen kann und eine kontinuierliche Versorgung des Verdampfers 7 erfolgt.
  • Sofern die bestimmte Temperaturdifferenz 14 ungleich Null ist, ist von einer Überhitzung des Dampfes bereits im Verdampfer auszugehen und somit liegt eine Störung des Naturumlaufs 5 mit Wassermangel im Verdampfer vor. Dieser Zustand wird von der Überwachungsvorrichtung 15 sicher erkannt und über die Prozessleittechnik 17 an den Bediener alarmiert. Dieser muss nun unverzüglich durch geeignete Maßnahmen eine weitere Wärmezufuhr zum Verdampfer unterbinden. Im jetzigen Zustand ist eine Nachspeisung des Verdampfers 7 nicht mehr zulässig.
  • Parallel zu dem Signal 16, welches von der Überwachungsvorrichtung 15 zur Prozessleittechnik 17 erfolgt, wird ein Signal 16 mit den Daten der Anlage an die Betriebsdatenspeicherung 18 gegeben.
  • Im Nachgang zu einer Betriebsstörung mit einem nicht mehr angezeigten Wasserstand in der Dampftrommel 4 kann eine möglicherweise entstandene Schädigung des Dampferzeugers durch nachträgliche Auswertung der aufgezeichneten Betriebsdaten 8 im Betriebsdatenspeicher 18 beurteilt werden. Solange für die Temperaturdifferenz 14 keine Werte ungleich Null aufgezeichnet wurden, kann davon ausgegangen werden, dass eine noch ausreichende Wasserversorgung des Dampferzeugers vorgelegen hat. Die Siedewasserreserven in der Dampftrommel 4 sowie dem Fallrohrsystem waren somit ausreichend.
  • Die Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung das Verfahren und die Vorrichtung zum Betrieben eines Dampferzeugers, wobei an der Dampftrommel 4 zur Temperaturmessung eine Temperaturmesseinrichtung 20 angeordnet ist und in der Überwachungsvorrichtung 15 die Temperatur der Temperaturmesseinrichtung 20 mit der Temperatur verglichen wird, die mittels Messeinrichtung 9 am Dampfabführrohr 8 gemessen wurde. Im Ergebnis sendet die Überwachungseinrichtung 15 ein Signal 16 an die Prozessleittechnik 17 und die Betriebsdatenspeicherung 18.
  • Liste der verwendeten Bezugszeichen
    • 1
    Speisewasser vom Speisewasserbehälter
    2
    Speisewasserpumpe
    3
    Speisewasservorwärmer (Economiser)
    4
    Dampftrommel
    5
    Naturumlauf
    6
    Fallrohr (unbeheizt)
    7
    Verdampfer (beheizt)
    8
    Dampfabführrohr (unbeheizt)
    9
    Messeinrichtung für Medientemperatur im Dampfabführrohr
    10
    Siedewasser in der Dampftrommel
    11
    Nassdampf in der Dampftrommel bzw. Nassdampf zum Überhitzer
    12
    Druckmesseinrichtung an der Dampftrommel
    13
    Siedetemperatur, bestimmt aus der Druckmesseinrichtung
    14
    Temperaturdifferenz zwischen gemessener Temperatur am Dampfabführrohr und Siedetemperatur, bestimmt aus der Druckmesseinrichtung bzw. direkt in der Dampftrommel gemessen
    15
    Überwachungsvorrichtung
    16
    Signal zur Prozessleittechnik und Betriebsdatenspeicherung
    17
    Prozessleittechnik
    18
    Betriebsdatenspeicherung
    19
    Überhitzer
    20
    Temperaturmesseinrichtung an der Dampftrommel

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers mit einer Speisewasserzufuhr mittels Speisewasserpumpe (2) in eine Dampftrommel (4), einen Verdampfer (7) und einen Naturumlauf eines Wasser-Dampf-Gemisches in einem Fall- und einem Dampfabführrohr (6, 8), wobei der Dampferzeuger im Temperatur-Gleichgewicht zwischen Trommel-Dampf, Trommel-Wasser und Fallrohr-Wasser betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    - eine mittels Messeinrichtung (9) gemessene Medientemperatur des aus dem Verdampfer (7) kommenden Wasser-Dampf-Gemisches im Dampfabführrohr (8) an mindestens einer Stelle vor dem Eintritt in die Dampftrommel (4) mittels Sensoren in Tauchhülsen gemessen wird,
    - eine Siedetemperatur (13) in der Dampftrommel (4) gemessen oder berechnet wird, und
    - aus der mittels Messeinrichtung (9) gemessenen Medientemperatur im Dampfabführrohr (8) und der Siedetemperatur (13) in der Dampftrommel (4) eine Temperaturdifferenz (14) bestimmt wird, deren Wert dazu dient, ein Signal (16) auszulösen, mit dem Maßnahmen zum Abwenden von Schäden der Anlage eingeleitet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Siedetemperatur (13) in der Dampftrommel (4) direkt oder indirekt gemessen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Siedetemperatur (13) in der Dampftrommel (4) bestimmt wird, indem der Druck in der Dampftrommel (4) bestimmt und daraus die Siedetemperatur (13) berechnet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Dampftrommel (4) und die mittels Messeinrichtung (9) gemessene Medientemperatur im Dampfabführrohr (8) kontinuierlich gemessen werden.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass, Maßnahmen zum Abwenden von Schäden eingeleitet werden, sofern die Temperatur des Wasser-Dampf-Gemisches im Dampfabführrohr (8) höher als die Siedetemperatur (13) im Dampferzeuger ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Maßnahme zum Abwenden eines Schadens ein Signal (16) an die Prozessleittechnik (17) zur eindeutigen Alarmierung des gefährlichen Betriebszustandes erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdaten einer Überwachungsvorrichtung (15) in einer Betriebsdatenspeicherung (20) aufgezeichnet werden.
  8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Verbrennungsanlage, bei der ein Fallrohr (6) und mindestens ein Dampfabführrohr (8) an einem Dampferzeuger angeordnet sind, zu dem eine Leitung für Speisewasser (1) mit einer Speisewasserpumpe (2) führt, wobei am Dampferzeuger eine Leitung für Nassdampf (11) zu einem Überhitzer (19) angeordnet ist und vor dem mindestens einen Dampfabführrohr (8) ein Verdampfer (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    - in dem mindestens einen Dampfabführrohr (8) zwischen Verdampfer (7) und einer Dampftrommel (4) als Messeinrichtung (9) mindestens ein Sensor in einer Tauchhülse angeordnet ist,
    - an der Dampftrommel (4) eine Temperatur- (20) oder/und eine Druckmesseinrichtung (12) angeordnet sind,
    - die Temperatur- und Temperatur- oder Druckmesseinrichtung (9, 20, 12) mit einer Überwachungsvorrichtung (15) verbunden sind, und
    - eine Verbindung von der Überwachungseinrichtung (15) zu einer Prozessleittechnik (17) vorhanden ist, mit der eine Alarmierung zum Bediener übertragen wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Überwachungsvorrichtung (15) und der Prozessleittechnik (17) eine elektrische darstellt.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessleittechnik (17) eine Prozessleittechnik für die Alarmierung des Bedieners darstellt, zu der parallel eine Betriebsdatenspeicherung (18) angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung (12) an der Dampftrommel (4) einen Druckmessumformer darstellt.
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