WO2003004934A2 - Heizfläche eines dampferzeugers mit zahlreichen, von einem kühlmedium durchströmten, etwa parallel zueinander verlaufenden heizflächenrohren - Google Patents

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    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/10—Water tubes; Accessories therefor
    • F22B37/107—Protection of water tubes

Definitions

  • the invention relates to a heating surface of a steam generator with numerous heating surface tubes through which a cooling medium flows and which run approximately parallel to one another and which are arranged in the flow channel of the steam generator by means of suspensions.
  • the flue gases that are produced during combustion are loaded with dust and ash. Due to the high temperature of the flue gases (approx. 1000 - 1400 ° C), which is above the melting point of the ash, deposits and caking occur, particularly on heating surfaces in the area near the combustion chamber, which are mainly composed of sintered slag and ash components put together.
  • the mechanical excitation means knockers which can lead to damage to the heating surface tubes, and the inadequate cleaning action in the case of very large heating surface expansions are disadvantageous here.
  • the object of the invention to propose to design heating surfaces of steam generators in such a way that a constant growth of the deposits in the form of slagging of the heating surfaces located in the flow area of the flue gases is prevented and the above-mentioned disadvantages are avoided.
  • the object is achieved in that the heating flat tubes are surrounded by protective sleeves between their suspensions, which lie loosely on the surface of the heating flat tubes, the ends of the protective sleeves have an expansion distance from the suspensions of the heating flat tubes and the material of the protective sleeves compared to the material of the heating flat tubes has higher coefficients of thermal expansion.
  • the protective sleeves axially in several parts, preferably in two parts.
  • the parts of the protective sleeve are z. B. firmly connected by welding.
  • the coefficient of thermal expansion of the material of the protective sleeves should advantageously be 1.5 times higher than the coefficient of heat of the material of the heating flat tubes. It also makes sense to measure the gap between the outer surface of the heating surface tubes and the inner surface of the protective sleeve with up to 1 mm in order to ensure that the protective sleeve expands and, on the other hand, to prevent dust from penetrating.
  • the slag that forms on the heating surface tubes when the steam generator is in operation adheres above all to those heating surface tubes that are particularly close to the combustion chamber of the steam generator.
  • the first heating surface tube bundle, and in particular the heating surface tubes lying at the front in the flow path of the flue gases are particularly badly affected by slag caking.
  • the invention is based on the knowledge that compared to the heating surface tubes, which are cooled by a medium flowing through them (water, steam) and due to the higher coefficient of thermal expansion of the material of the protective sleeves compared to the material of the heating surface tubes, the protective sleeves during operation of the steam generator are much more efficient experienced greater expansion in the axial direction.
  • the protective sleeves expand in the direction of the suspensions.
  • the protective sleeves also cover the area of the heating flat tubes, which remains uncovered as an expansion distance to the suspensions of the heating flat tubes when the protective sleeves are installed.
  • the cleaning effect of the flat heating pipes, ie the flaking off of the slag cakes on the protective sleeves now occurs when the steam generator is taken out of operation or load changes occur with temperature changes of the flue gases.
  • the protective sleeves contract significantly more when cooling than the flat heating pipes. This contraction of the protective sleeve causes the slag cakes to flake off and thus the heating surfaces, which have been provided with the protective sleeves due to the risk of slag caking, to be cleaned off.
  • Fig. 1 - a schematic section of a side view of two superimposed heating surface tube bundles in a steam generator
  • Fig. 2 - a schematic side view of a heating surface tube with a protective sleeve mounted around the heating surface tube
  • Fig. 3 - a schematic section through a heating surface tube with a mounted protective sleeve
  • the heating surfaces of the high-pressure and intermediate-pressure superheaters are suspended from a lignite-dust-fired steam generator by means of a series of suspensions 1 fastened to the ceiling of the steam generator in the flow path of the flue gases 6 which are generated in the steam generator during combustion of the lignite dust (FIG. 1).
  • the lignite dust is blown into the combustion chamber 2 of the steam generator at a height of approximately 30 m and burned.
  • a plurality of heating surface tube bundles 3 are fastened in parallel to the suspensions 1.
  • Each of these heating surface tube bundles 3 is formed from a plurality of heating surface tubes 4 running approximately parallel to one another and represents a superheater heating surface of the steam generator.
  • the heating surface tubes 4 of the heating surface tube bundles 3 are arranged in such a way that the heating surface tubes 4 lying one above the other are in a vertical alignment. All superimposed heating surface tubes 4 of a heating surface tube bundle 3 are also referred to as tube disks.
  • the parallel heating surface tube bundles 3 are attached to the suspensions 1 at a distance of approximately 1 m from one another. The space between the individual heating surface tube bundles 3 forms an alley.
  • the ends of the protective sleeves 7 have an expansion distance 8 from the adjacent suspensions 1.
  • the high temperature resistant material of the protective sleeves 7 is selected so that it has a much higher coefficient of thermal expansion (1.5 times) than the material of the heating surface tube 4.
  • the inner diameter of the protective sleeve 7 corresponds essentially to the outer diameter of the heating surface tube 4, so that the inside of the protective sleeve 7 rests on the surface of the heating surface tube 4 (Fig. 3).
  • the gap formed between the heating surface tube 4 and the protective sleeve 7 is approximately 0-1 mm in size.
  • the length of the protective sleeve 7 is chosen so that the two ends of the protective sleeve 7 are each at an expansion distance 8 from the suspensions 1.
  • the protective sleeve expands in the direction of the suspensions during operation of the steam boiler due to the thermal expansion, so that the heating surface tube between the suspensions is almost completely covered with the protective sleeve.
  • the wall thickness of the protective sleeve (approx. 3 - 5 mm) is selected so that the heat transfer from the flue gas to the medium flowing in the heating surface tubes is not excessively impeded.
  • the heating flat tubes can be equipped with the protective sleeves, on which particularly strong slag caking was found during the operation of the steam generator.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizfläche eines Dampferzeugers mit zahlreichen, von einem Kühlmedium durchströmten, etwa parallel zueinander verlaufenden Heizflächenrohren (4), die im Strömungskanal des Dampferzeugers mittels Aufhängungen (1) angeordnet sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Heizflächen von Dampferzeugern so zu gestalten, dass ein ständiges Anwachsen der Ablagerungen in Form der Verschlackungen der im Strömungsbereich der Rauchgase befindlichen Heizflächen verhindert wird und die damit verbundenen o.g. Nachteile vermieden werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Heizflächenrohre (4) zwischen ihren Aufhängungen (1) von Schutzhülsen (7) umgeben sind, welche lose auf der Oberfläche der Heizflächenrohre (4) aufliegen, die Enden der Schutzhülsen (7) zu den Aufhängungen (1) der Heizflächenrohre (4) einen Dehnungsabstand (8) aufweisen und das Material der Schutzhülsen gegenüber dem Material der Heizflächenrohre (4) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.

Description

Heizfläche eines Dampferzeugers mit zahlreichen, von einem Kühlmedium durchströmten, etwa parallel zueinander verlaufenden Heizflächenrohren
Die Erfindung betrifft eine Heizfläche eines Dampferzeugers mit zahlreichen, von einem Kühlmedium durchströmten, etwa parallel zueinander verlaufenden Heizflächenrohren, die im Strömungskanal des Dampferzeugers mittels Aufhängungen angeordnet sind.
Dampferzeuger von Kraftwerken und Heizwerken sowie Wirbelschichtanlagen und Müllverbrennungsanlagen, welche mit Kohlenstaub und anderen festen Brennstoffen befeuert werdeη, weisen u. a. oberhalb der Brennkammer bzw. nachgeschaltet aus Rohrbündeln gebildete Heizflächen auf, welche von Medien, wie Wasser oder Dampf, durchströmt werden, um die Wärme des in der Brennkammer des Dampferzeugers verbrannten Brennstoffs aufzunehmen und abzutransportieren.
Die Rauchgase, welche bei der Verbrennung entstehen, sind staub- und aschebeladen. Durch die hohe Temperatur, welche die Rauchgase aufweisen (ca. 1000 - 1400 °C), und die über dem Schmelzpunkt der Asche liegt, kommt es insbesondere an Heizflächen im brennkammernahen Bereich zu Ablagerungen und Anbackungen, die sich hauptsächlich aus zusammengesinterten Schlacke- und Aschebestandteilen zusammensetzen.
Diese Ablagerungen und Anbackungen wachsen mit dem Betrieb des Dampferzeugers, so daß sich sogenannte Schlackebärte an den Rohren der Heizflächen bilden. Die Ablagerungen und Anbackungen führen einerseits zur Verschlechterung des Wärmeüberganges zwischen dem in der Brennkammer strömenden Rauchgas und dem die Wärme abtransportierenden Medium in den Rohren der Heizflächen, andererseits werden die Rohre der Heizflächen gewichtsmäßig stärker belastet, was mit einer nachteiligen höheren Belastung der Tragkonstruktion der Heizflächen verbunden ist. Ebenfalls besteht die Gefahr, daß sich bei einer bestimmten Größe der Schlackestücke diese von dem Rohr der Heizfläche infolge ihres Gewichts lösen, in der Brennkammer herabfallen und durch die Wucht des Aufpralls Beschädigungen an den unter den Heizflächen liegenden Anlagenteilen, wie z. B. Trichterschräge oder Nachbrennroste, auftreten. Mit dem Anwachsen der Schlackeanbackungen ist auch das Problem der Arbeitssicherheit bei Arbeiten in der Brennkammer bei außer Betrieb befindlichem Dampferzeuger verbunden. Befindet sich der Arbeitsort unterhalb des Bereiches der Heizflächen mit starken Schlackeanbackungen, ist eine vorherige Be- seitigung der Schlacke aus Arbeitsschutzgründen unbedingt erforderlich. Dies ist aber mit erhöhten Aufwendungen, z. B. Stellen einer weitläufigen Rüstung, verbunden.
Aus der DE 38 19 941 A1 ist ein Verfahren zum Entfernen von Schlackeanba- ckungen von Rohren eines Dampferzeugers bekannt, wobei jeweils wenigstens ein Rohr mit Hilfe eines Schwingungserregers zu Schwingungen, insbesondere Biegeschwingungen, angeregt wird, wodurch die anhaftenden Schlackeablagerungen von den Rohren abplatzen. Durch eine Einstellung der Schwingfrequenz des Schwingerregers ist es möglich, die Rohre einzeln oder in Gruppen zu Schwingungen anzuregen.
Nachteilig dabei ist, daß bei großen Heizflächenausdehnungen nicht alle Bereiche ausreichend abreinigen zu können, da durch Mehrfachhalterungen die Schwingungen unterbrochen werden.
In der DE 196 30 482 A1 ist ein Wärmetauscher beschrieben, bei welchem die Wärmeaustauschrohre im Bereich ihrer Windungen ortsfest gehalten sind und der Bereich zwischen den Windungen mit einem Klopfrohr in Berührung steht. Hier erzeugen ruckartige Bewegungen des Klopfrohres ebenfalls Schwingungen in den Wärmetauscherrohren. Durch die entstehenden Vibrationen soll eben- falls ein Abplatzen der an den Wärmetauscherrohren anhaftenden Schlacke erreicht werden.
Nachteilig dabei sind die mechanischen Anregungsmittel Klopfer, welche zu Beschädigungen an den Heizflächenrohren führen können und die ungenügende Reinigungswirkung bei sehr großen Heizflächenausdehnungen.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung vorzuschlagen, Heizflächen von Dampferzeugern so zu gestalten, daß ein ständiges Anwachsen der Ablagerungen in Form der Verschlackungen der im Strömungsbereich der Rauchgase befindlichen Heizflächen verhindert wird und die damit verbundenen o. g. Nachteile vermieden werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Heizflachenrohre zwischen ihren Aufhängungen von Schutzhülsen umgeben sind, welche lose auf der Oberfläche der Heizflachenrohre aufliegen, die Enden der Schutzhülsen zu den Aufhängungen der Heizflachenrohre einen Dehnungsabstand aufweisen und das Material der Schutzhülsen gegenüber dem Material der Heizflachenrohre einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.
Vorteilhaft dabei ist es, die Schutzhülsen axial mehrteilig, vorzugsweise zweiteilig, auszuführen. Die Teile der Schutzhülse werden dabei z. B. durch Schweißung fest miteinander verbunden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Schutzhülsen sollte vorteilhafterweise um das 1 ,5fache höher sein als der Wärmekoeffizient des Materials der Heizflachenrohre. Weiterhin ist es sinnvoll, den Spalt zwischen der Mantelfläche der Heizflachenrohre und der Innenoberfläche der Schutzhülse mit bis zu 1 mm zu bemessen, um eine Deh- nung der Schutzhülse zu gewährleisten und andererseits ein Eindringen von Staub zu verhindern.
Die beim Betrieb des Dampferzeugers entstehende Schlacke an den Heizflächenrohren haftet vor allem an solchen Heizflächenrohren, die der Brennkam- mer des Dampferzeugers besonders nah sind. D. h., das erste Heizflächenrohr- bündel, und dort insbesondere die im Strömungsweg der Rauchgase vorn liegenden, zuerst beströmten Heizflachenrohre, sind besonders stark von Schlackeanbackungen betroffen. Durch die Anbringung der Schutzhülsen um diese Heizflachenrohre setzt sich die Schlacke an den Schutzhülsen fest.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß gegenüber der Heizflachenrohre, welche durch ein durch sie hindurchströmendes Medium (Wasser, Dampf) gekühlt werden und aufgrund des höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials der Schutzhülsen gegenüber dem Material der Heizflä- chenrohre die Schutzhülsen beim Betrieb des Dampferzeugers eine viel stärkere Ausdehnung in axialer Richtung erfahren. Die Schutzhülsen dehnen sich in Richtung der Aufhängungen aus. Somit bedecken die Schutzhülsen auch den Bereich der Heizflachenrohre, welcher als Dehnungsabstand zu den Aufhängungen der Heizflachenrohre beim Einbauen der Schutzhülsen unbedeckt geblieben ist. Der Reinigungseffekt der Heizflachenrohre, d. h., das Abplatzen der Schlackeanbackungen an den Schutzhülsen tritt nun ein, wenn der Dampferzeuger außer Betrieb genommen wird oder Lastwechsel mit Temperaturänderungen der Rauchgase erfolgen. Die Schutzhülsen ziehen sich beim Abkühlen wesentlich stärker als die Heizflachenrohre zusammen. Dieses Zusammenziehen der Schutzhülse bewirkt ein Abplatzen der Schlackeanbackungen und somit ein Abreinigen der Heizflächen, die aufgrund der Schlackeanbackungsgefahr mit den Schutzhülsen versehen wurden.
An einem Ausführungsbeispiel soll nachfolgend die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen die Zeichnungen in
Fig. 1 - einen schematischen Ausschnitt einer Seitenansicht von zwei übereinander angeordneten Heizflächenrohrbündeln in einem Dampferzeuger
Fig. 2 - eine schematische Seitenansicht eines Heizflächenrohres mit einer um das Heizflächenrohr montierten Schutzhülse
Fig. 3 - einen schematischen Schnitt durch ein Heizflächenrohr mit montierter Schutzhülse
An einem braunkohlestaubgefeuerten Dampferzeuger sind die Heizflächen der Hochdruck- und Zwischendrucküberhitzer mittels einer Reihe an der Decke des Dampferzeugers befestigten Aufhängungen 1 im Strömungsweg der bei der Verbrennung des Braunkohlenstaubes im Dampferzeuger entstehenden Rauchgase 6 aufgehängt (Fig. 1 ). Der Braunkohlenstaub wird in einer Höhe von ca. 30 m in die Brennkammer 2 des Dampferzeugers eingeblasen und verbrannt. Am strömungsseitigen Ende der Brennkammer 2 in einer Höhe von ca. 100 m sind parallel nebeneinander mehrere Heizflächenrohrbündel 3 an den Aufhän- gungen 1 befestigt. Jedes dieser Heizflächenrohrbündel 3 ist aus mehreren, etwa parallel zueinander verlaufenden Heizflächenrohren 4 gebildet und stellt eine Überhitzerheizfläche des Dampferzeugers dar. Die Heizflachenrohre 4 der Heizflächenrohrbündel 3 sind dabei so angeordnet, daß die übereinanderlie- genden Heizflachenrohre 4 in einer senkrechten Flucht liegen. Sämtliche übereinanderliegende Heizflachenrohre 4 eines Heizflächenrohrbün- dels 3 werden auch als Rohrscheibe bezeichnet. Die parallel nebeneinander liegenden Heizflächenrohrbündel 3 sind mit einem Abstand von ca. 1 m voneinander an den Aufhängungen 1 befestigt. Der Zwischenraum zwischen den einzelnen Heizflächenrohrbündeln 3 bildet eine Gasse. Über einer aus parallel nebeneinander angeordneten Heizflächenrohrbün- dein 3 gebildeten Überhitzerheizfläche sind weitere Überhitzerheizflächen aus Heizflächenrohrbündeln 5 an den Aufhängungen 1 befestigt. An den Heizflächenrohren 4, an denen das vorbeiströmende Rauchgas 6 noch Temperaturen aufweist, welche oberhalb der Ascheerweichungstemperatur liegt (ca. 1000 - 1400 °C), werden erfindungsgemäß Schutzhülsen 7 angebracht. Dabei wird jeweils eine Schutzhülse 7 zwischen zwei Aufhängungen 1 eines Heizflächenrohres 4 befestigt (Fig. 2). Das erfolgt vorteilhafterweise so, daß die Schutzhülsen 7 aus zwei axial geteilten Rohrhälften bestehen, die um das Heizflächenrohr 4 gelegt werden und mittels Verschweißen miteinander verbunden werden. Die Schutzhülsen 7 sind mittig auf den Heizflächenrohren 4 zwischen zwei Aufhängungen 1 montiert. Die Enden der Schutzhülsen 7 weisen zu den benachbarten Aufhängungen 1 einen Dehnungsabstand 8 auf. Das hochtemperaturbeständige Material der Schutzhülsen 7 ist dabei so ausgewählt, daß es einen viel höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist (1 ,5fach) als das Material des Heizflächenrohres 4. Der Innendurchmesser der Schutzhülse 7 entspricht im wesentlichen dem Außendurchmesser des Heizflächenrohres 4, so daß die Innenseite der Schutzhülse 7 auf der Oberfläche des Heizflächenrohres 4 aufliegt (Fig. 3). Der zwischen Heizflächenrohr 4 und Schutzhülse 7 gebildete Spalt ist ca. 0 - 1 mm groß. Die Länge der Schutzhülse 7 ist dabei so gewählt, daß die beiden Enden der Schutzhülse 7 zu den Auf- hängungen 1 jeweils einen Dehnungsabstand 8 aufweisen.
Um dieses beidseitig nicht bedeckte Stück des Heizflächenrohres bei Montage der Schutzhülse dehnt sich bei Betrieb des Dampfkessels aufgrund der Wärmedehnung die Schutzhülse in Richtung der Aufhängungen aus, so daß das Heizflächenrohr jeweils zwischen den Aufhängungen nahezu komplett mit der Schutzhülse abgedeckt ist. Die Wandstärke der Schutzhülse (ca. 3 - 5 mm) wird so gewählt, daß der Wärmeübergang vom Rauchgas auf das in den Heizflächenrohren strömende Medium nicht zu stark behindert wird. An den Schutzhülsen setzen sich nunmehr bei Betrieb des Dampferzeugers Schlackeanbackungen an und wachsen je nach Beaufschlagung mit dem heißen Rauchgas zu einer bestimmten Größe. Bei Außerbetriebnahme bzw. bei großen Laständerungen des Dampferzeugers mit der sich daraus ergebenden Abkühlung der Heizflächen ziehen sich aufgrund des Materials der Schutzhülsen mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten diese stärker zusammen als die Heizflachenrohre selbst. Das Zusammenziehen der Schutzhülsen bewirkt nun ein Abplatzen der Schlackeanbackungen von den Schutzhülsen. Damit tritt ein entsprechender Reinigungseffekt der Heizflächen des Dampferzeugers ein.
Um den Aufwand des Anbringens von Schutzrohren zu minimieren, können auch nur die Heizflachenrohre mit den Schutzhülsen ausgestattet werden, an denen im Betrieb des Dampferzeugers besonders starke Schlackeanbackungen festgestellt wurden.
Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:
1 . Kontinuierliche Abreinigung von Heizflächenbereichen während des Betriebes bzw. bei Außerbetriebnahmen.
2. Minimierung des Reinigungsaufwandes nach Außerbetriebnahme in Vorbereitung von Befahrungen, Befundaufnahmen und Reparaturen.
3. Keine zusätzlichen technischen Einrichtungen zur Abreinigung erforderlich wie Klopfeinrichtungen, Schwingungserreger u. a.
4. Minimierung der Belagstärke auf dem Heizflächenrohr, damit Verbesserung des Wärmeüberganges unter Berücksichtigung des Schutzrohres.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 Aufhängung
2 Brennkammer 3 Heizflächenrohrbündel
4 Heizflächenrohr
5 Heizflächenrohrbündel
6 Rauchgas
7 Schutzhülse 8 Dehnungsabstand

Claims

Patentansprüche
1. Heizfläche eines Dampferzeugers mit zahlreichen, von einem Kühlmedium durchströmten, etwa parallel zueinander verlaufenden Heizflächenrohren, die im Strömungskanal des Dampferzeugers mittels Aufhängungen angeordnet sind, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h, daß die Heizflachenrohre (4) zwischen ihren Aufhängungen (1 ) von Schutzhülsen (7) umgeben sind, welche lose auf der Oberfläche der Heizflachenrohre (4) aufliegen, die Enden der Schutzhülsen (7) zu den Aufhängungen (1 ) der Heizflachenrohre (4) einen Dehnungsabstand (8) aufweisen und das Material der Schutzhülsen (7) gegenüber dem Material der Heizflachenrohre (4) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.
2. Heizfläche nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß die Schutzhülsen (7) axial mehrteilig, vorzugsweise zweiteilig, ausgeführt sind, wobei die Teile der Schutzhülsen (7) miteinander fest verbunden sind.
3. Heizfläche nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Mate- rial der Schutzhülsen (7) gegenüber dem Material der Heizflachenrohre (4) mindestens einen 1 ,5fach höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.
4. Heizfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Spalt zwischen der Mantelfläche der Heizflachenrohre (4) und der Innenoberfläche der Schutzhülsen (7) bis zu 1 mm groß ist.
Hierzu 3 Seiten Zeichnungen
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