EP3252375A1 - Kesselanlage, verfahren zum betreiben einer kesselanlage und verwendung einer kesselanlage - Google Patents

Kesselanlage, verfahren zum betreiben einer kesselanlage und verwendung einer kesselanlage Download PDF

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EP3252375A1
EP3252375A1 EP17172310.9A EP17172310A EP3252375A1 EP 3252375 A1 EP3252375 A1 EP 3252375A1 EP 17172310 A EP17172310 A EP 17172310A EP 3252375 A1 EP3252375 A1 EP 3252375A1
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water
boiler
boiler plant
steam
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Luca Viscuso
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Erk Eckrohrkessel GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/22—Drums; Headers; Accessories therefor
    • F22B37/225—Arrangements on drums or collectors for fixing tubes or for connecting collectors to each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
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    • F22B21/34—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically built-up from water tubes grouped in panel form surrounding the combustion chamber, i.e. radiation boilers
    • F22B21/36—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically built-up from water tubes grouped in panel form surrounding the combustion chamber, i.e. radiation boilers involving an upper drum or headers mounted at the top of the combustion chamber

Definitions

  • the invention relates to a boiler system with at least two overhead drums, which is also referred to as a quick-start boiler.
  • forced-circulation boilers do not have a drum, but thick-walled collectors, but such systems are used almost exclusively in large power plants with supercritical steam parameters.
  • subcritical applications e.g., industrial technology, decentralized power generation plants, gas turbine power plants with waste heat boilers and power plants up to 350 MW, the use of natural circulation and forced circulation boilers is dominant and they have thick-walled drum and header components at high pressures.
  • the DE 971 951 B describes a kettle with two overhead drums. This includes two separate systems, so the two drums are used in two separate water circuits.
  • the invention relates to a boiler system for heating a medium, in particular natural circulation or forced circulation or waste heat boiler, particularly preferred Eckrohrkessel comprising downpipes, collectors, manifolds and risers, which form at least part of a cycle of a medium to be heated, characterized in that the circuit at least two drums are connected for separation of the water-steam mixture into steam and water.
  • a medium in particular natural circulation or forced circulation or waste heat boiler, particularly preferred Eckrohrkessel comprising downpipes, collectors, manifolds and risers, which form at least part of a cycle of a medium to be heated, characterized in that the circuit at least two drums are connected for separation of the water-steam mixture into steam and water.
  • the invention relates in particular to natural and forced circulation boilers with firing of solids and / or liquid and / or gaseous fuels and to waste heat boiler plants with one or more pressure stages.
  • this invention proposes distributing the drum volume to at least 2 top drums.
  • It is preferably a two-drum system, which is used in particular for heating water for the purpose of generating hot water and / or water vapor.
  • the boiler pressure vessel is formed by a stable, rectangularly arranged framework of downpipes, collectors and distributors.
  • the latter two are welded with smoke-gas-tight tube walls, whereby a self-contained tubular body is formed.
  • This carries itself and all welded or separately supported heating surfaces.
  • the load is removed via four downpipes at the corners possibly also on additional downpipes on the sides on foundations.
  • the separation of the water-steam mixture already takes place in pre-separators, outside the drum. From there, the steam passes through overflow pipes to the drum and the water-steam mixture flows through pre-separator directly to the drum. Remaining water, bypassing the drum, passes down the return pipes to the distributor.
  • prefabricated tubes can take over the function of the drum, so that a "poly drum” is created. There are many places where the steam is separated from the water, such as the sidewalls of collectors.
  • the ratio of diameter D to wall thickness s of the drum is: D / s ⁇ 15.
  • D / s ⁇ 18 is preferred. In one embodiment of the invention, D / s is 20 to 22.
  • At least one of the drums has a collector function.
  • At least one mixture collector is designed as a drum.
  • the mixture collector can be designed with a front and a rear drain.
  • the steam extraction from the mixture collector can take place in a vapor collector.
  • the drums are arranged in the high pressure part of the boiler system, d. H. in a part of the plant designed for operation above 40 bar.
  • drums designed according to the invention are also arranged in the low-pressure region.
  • the arrangement in different pressure levels is also possible.
  • the invention further relates to a method for operating a boiler system according to the invention, in which heat is generated in the boiler system and is transferred to a medium, in particular water, in circulation and a separation of the water-steam mixture in steam and water in both drums is performed ,
  • the invention further relates to the use of a boiler system according to the invention for generating heat and for transferring the heat to a medium, in particular to water.
  • the main advantage of the volume division according to the invention lies in the reduction of the drum diameter and consequently the drum wall thickness.
  • Another advantage of the system is the reduced boiler weight, as two upper drums are lighter due to the smaller wall thickness than a large drum.
  • the two top drums improve the sinking times, i. H. same settling time (time between maximum and minimum water level in the drum) with smaller drum diameter and drum wall thickness.
  • a rapid startup and shutdown is crucial, especially in gas and steam processes as well as in the use of solar thermal, as rapid load changes occur.
  • FIGS 1 and 2 show conventional versions of Eckrohrkesseln as prior art. It can be seen that different drum sizes are possible.
  • the Eckrohrkessel each comprise a drum 1 and a plurality of downcomers 2. On the upper side they comprise a transfer pipe 3 and mixture collector 4 and on the lower side distributor. 5
  • FIG. 3 shows a Eckrohrkessel invention with two overhead drums 1. These are fluidically interconnected and arranged in the same water-steam cycle. It can be seen that the two drums 1 provide the same volume as the large drum 1 Fig. 2 , but do it with smaller wall thicknesses. Furthermore, the weight of the drums 1 is reduced here and is only 148.2 t compared to the execution in Fig. 2 with 161.7 t.
  • Fig. 4 shows a Eckrohrkessel invention in a perspective view. Top left, in the high pressure part, two drums 1 are visible, while the upper right, in the low pressure part, only a 1 drum is arranged.

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Abstract

Kesselanlage zur Erhitzung eines Mediums, insbesondere Naturumlauf- oder Zwangsumlaufkessel oder Abhitzekessel, besonders bevorzugt Eckrohrkessel, umfassend Fallrohre, Sammler, Verteiler und Steigrohre, die zumindest einen Teil eines Kreislaufs eines zu erwärmenden Mediums ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kreislauf wenigstens zwei Trommeln für eine Trennung des Wasser-Dampf-Gemisches in Dampf und Wasser angeschlossen sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kesselanlage mit wenigstens zwei Obertrommeln, die auch als Schnellstartkessel bezeichnet wird.
  • Im sich derzeit wandelnden Energiemarkt wird die flexible Bereitstellung von Energieerzeugungskapazitäten immer relevanter und Kesselanlagen müssen an diese Bedingungen angepasst werden. Wesentliche Beschränkungen für regelmäßiges schnelles Anfahren von Kesselanlagen bzw. die schnelle Lastwechselfähigkeit sind dickwandige Bauteile wie Trommel und Sammler. Die Wandstärken werden vom Betriebsdruck bestimmt und hohe Drücke sind erforderlich, um Wirkungsgrade zu optimieren. Dickwandige Bauteile müssen aufgrund auftretender Thermospannungen langsam aufgeheizt werden und dies steht im direkten Widerspruch zum schnellen Anfahren und Lastwechsel.
  • Zwangsdurchlaufkessel besitzen aufgrund ihres Aufbaus keine Trommel, dafür aber dickwandige Sammler, allerdings kommen derartige Anlagen fast ausschließlich in Großkraftwerken mit überkritischen Dampfparametern zum Einsatz. Bei unterkritischen Anwendungen, z. B. Industrietechnik, dezentrale Energieerzeugungsanlagen, Gasturbinenkraftwerke mit Abhitzekesseln und Kraftwerke bis ca. 350 MW, ist der Einsatz von Naturumlauf und Zwangsumlaufkesseln dominant und diese verfügen bei hohen Drücken über dickwandige Trommel- und Sammlerbauteile.
  • Die DE 971 951 B beschreibt einen Kessel mit zwei Obertrommeln. Dieser umfasst zwei getrennte Systeme, die beiden Trommeln sind also in zwei getrennten Wasserkreisläufen eingesetzt.
    • Beschreibung der Erfindung:
  • Die Erfindung betrifft eine Kesselanlage zur Erhitzung eines Mediums, insbesondere Naturumlauf- oder Zwangsumlaufkessel oder Abhitzekessel, besonders bevorzugt Eckrohrkessel, umfassend Fallrohre, Sammler, Verteiler und Steigrohre, die zumindest einen Teil eines Kreislaufs eines zu erwärmenden Mediums ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kreislauf wenigstens zwei Trommeln für eine Trennung des Wasser-Dampf-Gemisches in Dampf und Wasser angeschlossen sind.
  • Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Natur- und Zwangsumlaufkessel mit Feuerung von Feststoffen und/ oder flüssigen und/ oder gasförmigen Brennstoffen sowie auf Abhitzekesselanlagen mit einer oder mehreren Druckstufen.
  • Um Wandstärken zu minimieren schlägt diese Erfindung die Verteilung des Trommelvolumens auf wenigstens 2 Obertrommeln vor.
  • Bevorzugt handelt es sich um ein Zweitrommelsystem, das insbesondere zur Erhitzung von Wasser zwecks Erzeugung von Heißwasser und/ oder Wasserdampf dient.
  • In einem Eckrohrkessel wird der Kesseldruckkörper von einem stabilen, rechteckig angeordneten Rahmenwerk aus Fallrohren, Sammlern und Verteilern gebildet. Die beiden letzteren sind mit rauchgasdichten Rohrwänden verschweißt, wodurch ein in sich geschlossener Rohrkörper gebildet wird. Dieser trägt sich selbst und sämtliche eingeschweißte oder gesondert aufgelagerte Heizflächen. Die Last wird über vier Fallrohre an den Ecken ggf. auch über zusätzliche Fallrohre an den Seiten auf Fundamente abgetragen. Die Trennung des Wasser-Dampf-Gemischs erfolgt bereits in Vorabscheidern, außerhalb der Trommel. Von dort gelangt der Dampf durch Überströmrohre zur Trommel und das Wasser-Dampf-Gemisch strömt durch Vorabscheider direkt zur Trommel. Restliches Wasser gelangt unter Umgehung der Trommel über die Rücklaufrohre nach unten zum Verteiler.
  • Es wird in einem Kessel ein definiertes Volumen benötigt, um Dampf abzuscheiden. In einem Eckrohrkessel ist es möglich, dieses Volumen auf mehrere kleine Volumina zu verteilen und nicht als ein großes Volumen auszuführen. Dieses Volumen wird auf die wenigstens zwei angeordneten Trommeln aufgeteilt, die in strömungstechnischer Verbindung stehen.
  • Es können mehr als zwei Trommeln angeordnet sein, bis hin zu beliebig vielen Trommeln. In diesem Fall können konfektionierte Rohre die Funktion der Trommel übernehmen, so dass eine "Polytrommel" entsteht. Es sind viele Stellen vorhanden, an denen der Dampf vom Wasser getrennt wird, wie beispielsweise die Seitenwand von Sammlern.
  • Im erfindungsgemäßen System liegt insbesondere in den beiden bzw. allen Trommeln der gleichen Druck an und alle sind Trommeln an den gleichen Wasserkreislauf angeschlossen.
  • Aufgrund der wasser- und dampfseitigen Verbindung haben beide bzw. alle Trommeln den gleichen Druck und sind an die gleiche Druckstufe angeschlossen.
  • Vorzugweise ist das Verhältnis von Durchmesser D zu Wandstärke s der Trommel: D/s ≥ 15.
  • Bevorzugt ist D/s ≥ 18. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist D/s 20 bis 22.
  • Vorzugweise hat wenigstens eine der Trommeln eine Sammler-Funktion.
  • Das heißt, dass wenigstens ein Gemischsammler als Trommel ausgebildet ist. Dabei kann der Gemischsammler mit einem vorderem und einem hinterem Ablauf ausgeführt sein. Die Dampfentnahme aus dem Gemischsammler kann in einem Dampfsammler erfolgen. Es sind vorzugsweise mehrere Sammler angeordnet, deren Wanddicke im Vergleich zur herkömmlichen Trommel reduziert ist. Wenn mehrere Gemischsammler als Trommel ausgeführt sind, kann gegebenenfalls auf die Anordnung einer konventionellen Trommel verzichtet werden. In diesem Fall ergibt sich ein trommelloser Eckrohrkessel, in dem in den mehreren als Trommeln ausgestalteten Gemischsammlern das Volumen zur Dampf-WasserTrennung zur Verfügung gestellt wird.
  • Vorzugsweise sind die Trommeln im Hochdruckteil der Kesselanlage angeordnet sind, d. h. in einem Teil der Anlage, der für einen Betrieb über 40 bar ausgestaltet ist.
  • Es ist allerdings nicht ausgeschlossen, dass die erfindungsgemäß ausgestalteten Trommeln auch im Niederdruckbereich angeordnet sind. Die Anordnung in unterschiedlichen Druckstufen ist ebenfalls möglich.
  • Vorzugsweise beträgt der Durchmesser D der Trommeln in Bezug zur Länge L der Trommeln: D/L = 0,03 bis 0,5, insbesondere 0,05 bis 0,3.
  • Vorzugsweise beträgt der Durchmesser D der Trommeln in Bezug zur Länge L der Trommeln: D/L = 0,1 bis 0,2.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Kesselanlage, bei der Wärme in der Kesselanlage erzeugt wird und auf ein Medium, insbesondere Wasser, im Kreislauf übertragen wird und eine Trennung des Wasser-Dampf-Gemisches in Dampf und Wasser in beiden Trommeln durchgeführt wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kesselanlage zur Erzeugung von Wärme und zur Übertragung der Wärme auf ein Medium, insbesondere auf Wasser.
  • Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Volumenaufteilung liegt in der Reduzierung des Trommeldurchmessers und demzufolge der Trommelwandstärke. Ein weiterer Vorteil des Systems ist das reduzierte Kesselgewicht, da zwei Obertrommeln aufgrund der jeweils geringeren Wandstärke leichter sind als eine große Trommel. Zusätzlich verbessern die zwei Obertrommeln die Absinkzeiten, d. h. gleiche Absinkzeit (Zeit zwischen maximalem und minimalem Wasserstand in der Trommel) bei kleinerem Trommeldurchmesser und Trommelwandstärke.
  • Es können unter Umständen leichter konventionelle, konfektionierte Rohre verwendet werden, die wesentlich einfacher und günstiger herzustellen und einzubauen sind. Es kann gegebenenfalls auf geschweißte Trommeln verzichtet werden, was Kosten und Aufwand reduziert. Geschweißte Trommeln sind durch ihre Größe und die notwendige Stabilität schwer und aufwändig in der Herstellung, außerdem müssen hohe Anforderungen bezüglich Statik und Druckstabilität erfüllt werden.
  • Es ist eine geringe absolute Wanddicke möglich, was ein rasches hoch- und runterfahren in kurzen Zeiten bis hin zu 1 Minute ermöglicht, da die entstehenden Thermospannungen in den Rohren durch die geringeren Wanddicken wesentlich geringer sind als in dickwandigen Trommeln. Die Wanddicke hängt dabei vom äußeren Durchmesser ab.
  • Ein rasches hoch- und runterfahren ist insbesondere in Gas- und Dampfprozessen sowie bei der Nutzung von Solarthermie entscheidend, da rasche Lastwechsel auftreten.
  • Es findet eine bessere und schnellere Dampfabtrennung statt, da die absolute Höhe des Wasserstandes der Wasserphase niedriger ist, aus der der Dampf abzuscheiden ist.
  • Pumpeneinsatz kann demzufolge gemindert werden.
    • Figurenbeschreibung:
  • Die Figuren 1 und 2 zeigen konventionelle Ausführungen von Eckrohrkesseln als Stand der Technik. Es ist ersichtlich, dass unterschiedliche Trommelgrößen möglich sind.
  • Die Eckrohrkessel umfassen jeweils eine Trommel 1 sowie mehrere Fallrohre 2. An der oberen Seite umfassen sie ein Überströmrohr 3 und Gemischsammler 4 und an der unteren Seite Verteiler 5.
  • Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Eckrohrkessel mit zwei obenliegenden Trommeln 1. Diese sind strömungstechnisch miteinander verbunden und im gleichen Wasser-Dampf-Kreislauf angeordnet. Es wird ersichtlich, dass die beiden Trommeln 1 dasselbe Volumen zur Verfügung stellen wie die große Trommel 1 aus Fig. 2, dabei aber mit geringeren Wandstärken auskommen. Weiterhin ist das Gewicht der Trommeln 1 hier reduziert und beträgt nur 148,2 t im Vergleich zur Ausführung in Fig. 2 mit 161,7 t.
  • Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Eckrohrkessel in perspektivischer Ansicht. Oben links, im Hochdruckteil, sind zwei Trommeln 1 sichtbar, während oben rechts, im Niederdruckteil, nur eine 1 Trommel angeordnet ist.
  • Auch die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Eckrohrkessel umfassen mehrere Fallrohre 2. An der oberen Seite umfassen sie ein Überströmrohr 3 und Gemischsammler 4 und an der unteren Seite Verteiler 5. im Unterschied zu herkömmlichen Eckrohrkesseln weisen Sie jedoch an der Oberseite zwei Trommeln 1 auf.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Trommel
    2
    Fallrohr
    3
    Überströmrohr
    4
    Gemischsammler
    5
    Verteiler

Claims (7)

  1. Kesselanlage zur Erhitzung eines Mediums, insbesondere Naturumlauf- oder Zwangsumlaufkessel oder Abhitzekessel, besonders bevorzugt Eckrohrkessel, umfassend Fallrohre, Sammler, Verteiler und Steigrohre, die zumindest einen Teil eines Kreislaufs eines zu erwärmenden Mediums ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kreislauf wenigstens zwei Trommeln für eine Trennung des Wasser-Dampf-Gemisches in Dampf und Wasser angeschlossen sind.
  2. Kesselanlage nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von Durchmesser D zu Wandstärke s der Trommel ist: D/s ≥15.
  3. Kesselanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der Trommeln eine Sammler-Funktion hat.
  4. Kesselanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trommeln im Hochdruckteil der Kesselanlage angeordnet sind, d. h. in einem Teil der Anlage, der für einen Betrieb über 40 bar ausgestaltet ist.
  5. Kesselanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser D der Trommeln in Bezug zur Länge L der Trommeln beträgt: D/L = 0,03 bis 0,5, insbesondere 0,05 bis 0,3.
  6. Verfahren zum Betreiben einer Kesselanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der Wärme in der Kesselanlage erzeugt wird und auf ein Medium, insbesondere Wasser, im Kreislauf übertragen wird und eine Trennung des Wasser-Dampf-Gemisches in Dampf und Wasser in beiden Trommeln durchgeführt wird.
  7. Verwendung einer Kesselanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Erzeugung von Wärme und Übertragung auf ein Medium, insbesondere auf Wasser.
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