WO2005028955A1 - Durchlaufdampferzeuger sowie verfahren zum betreiben des durchlaufdampferzeugers - Google Patents

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WO2005028955A1
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heating surface
flow
steam generator
heating
gas
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PCT/EP2004/008526
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Joachim Franke
Rudolf Kral
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F22B1/1807—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines
    • F22B1/1815—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines using the exhaust gases of gas-turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a once-through steam generator in which an evaporator pass-through heating surface is arranged in a gas train through which an approximately vertical heating gas direction can flow, and which comprises a number of steam generator pipes connected in parallel to flow through a flow medium.
  • the heat contained in the relaxed working fluid or heating gas from the gas turbine is used to generate steam for the steam turbine.
  • the heat transfer takes place in a waste heat steam generator connected downstream of the gas turbine, in which a number of heating surfaces for water preheating, steam generation and steam superheating are usually arranged.
  • the heating surfaces are connected to the water-steam cycle of the steam turbine.
  • the water-steam cycle usually comprises several, e.g. B. three, pressure levels, each pressure level can have an evaporator heating surface.
  • a continuous steam generator In contrast to a natural or forced circulation steam generator, a continuous steam generator is not subject to any pressure limitation, so that fresh steam pressures far above the critical pressure of water (P Kr i «221 bar) - where there are only slight differences in density between liquid-like and steam-like medium - are possible.
  • a high live steam pressure favors high thermal efficiency and thus low C0 2 emissions from a fossil-fired power plant.
  • a continuous steam generator has a simple design compared to a circulation steam generator and can therefore be produced with particularly little effort.
  • the use of a steam generator designed according to the continuous flow principle as waste heat steam generator of a gas and steam turbine system is therefore particularly favorable in order to achieve a high overall efficiency of the gas and steam turbine system with a simple construction.
  • Such a heat recovery steam generator can be carried out in a technically particularly simple manner by the heating gas supplied to the steam generator from the gas turbine flowing through the gas train in a vertical direction, in particular from bottom to top.
  • two possible concepts come into consideration for the connection of the steam generator tubes forming the evaporator flow heating surface on the flow medium and hot gas side: Either the steam generator tubes laid within the gas flue are flowed through in the so-called cross or counterflow by the flow medium, that is, the flow medium is flowed through each heating surface tube in successive passes through the gas channel across the gas flow, hence the designation cross-flow switching.
  • the horizontal pipe sections leading from one side of the gas channel to the other side are connected to one another via deflection pieces in such a way that they are successively flowed through in the vertical direction against the flow direction of the gas, hence the designation countercurrent circuit.
  • This circuit is therefore referred to below only as a countercurrent circuit. It is generally known that an evaporator heating surface in countercurrent circuit is problematic with regard to the stability of the flow. In particular, a uniform distribution of the flow over all parallel tubes of the evaporator heating surface requires technical effort.
  • An alternative to the countercurrent circuit is the so-called direct current circuit, in which the steam generator tubes are flowed through in cross / direct current.
  • the horizontally guided pipe sections are connected to one another via deflection pieces, as in the cross-flow circuit described above, only that they are now flowed through successively in the vertical direction in the direction of flow of the gas, hence the name DC circuit.
  • This circuit is therefore referred to below only as a DC circuit.
  • a DC circuit requires the use of relatively large heating surfaces, the manufacture and assembly of which are associated with considerable effort.
  • a steam generator is known from EP 0 425 717 A, which has the advantages mentioned of a once-through steam generator. Its evaporator flow heating surface is designed as a combination of countercurrent and direct current switching, in that a number of pipe sections is switched in the counterflow direction, while a number of further pipe sections are connected in the direct current direction. This type of connection enables a higher degree of flow stability to be achieved than with a purely counterflow switch. In addition, when using a pure DC circuit necessary high technical and apperative effort can be reduced.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a once-through steam generator of the type mentioned above which, even when subjected to comparatively large mass flow densities of the flow medium, even with different heating of the steam generator tubes, has a particularly high stability, in particular with respect to temperature imbalances.
  • the evaporator once-through heating surface comprises a heating surface segment through which the flow medium can flow in countercurrent to the gas flue, the outlet of which on the flow medium side is positioned in the direction of the hot gas, such that the saturated steam temperature which occurs in the evaporator once-through heating surface during operation is less than a predetermined maximum deviation the heating gas temperature prevailing at the position of the outlet of the heating surface segment differs in operation.
  • the invention is based on the consideration that when feeding the evaporator continuous heating surface with comparative large mass flow densities, a locally different heating of individual pipes could influence the flow conditions in such a way that more heated pipes flow through less and less heated pipes through more flow medium.
  • multi-heated pipes would be cooled less well than lower-heated pipes, so that the temperature differences that occurred would be amplified automatically.
  • the system should be suitably designed for a general and global limitation of possible temperature differences.
  • the knowledge that the flow medium at the outlet from the evaporator pass-through heating surface must have at least the saturated steam temperature essentially given by the pressure in the steam generator tube can be used for this purpose.
  • the flow medium can have a maximum of the temperature that the heating gas has at the point of exit of the flow medium from the evaporator continuous heating surface.
  • the maximum possible temperature imbalances can thus be suitably limited by appropriately coordinating these two limit temperatures which limit the possible temperature interval at all.
  • the outlet in the heating gas direction can be freely positioned so that an additional design parameter is available.
  • a particularly suitable means of coordinating the two limit temperatures with one another is the targeted positioning of the outlet of the evaporator passage heating surface in the flow direction of the heating gas.
  • the positioning of the outlet of the evaporator continuous heating surface in relation to the temperature profile of the heating gas in the gas flue is selected such that a maximum deviation of approximately 50 ° C. is maintained, so that with regard to available materials and further design parameters a particularly high level of operational security is guaranteed.
  • Flow oscillations occur when the area within the steam generator tube in which evaporation takes place shifts significantly within the tube when a steam generator tube is heated more.
  • the shifting of the evaporation area within a steam generator tube undesirably influences the pressure loss of the flow within the evaporator flow heating surface. Therefore, in the case of a steam generator that is so sensitive to a different heating of the steam generator tubes, throttles could be provided at the inlet of all steam generator tubes, which allow the pressure loss of the flow within the evaporator passage heating surface to be controlled over a relatively large area.
  • the evaporator continuous heating surface advantageously comprises a further heating surface segment upstream of the heating surface segment on the flow medium side, which heating surface is expediently arranged in front of the heating surface segment.
  • the further heating surface segment upstream of the heating surface segment on the flow medium side is advantageously likewise designed in the manner of a countercurrent section or alternatively connected in direct current to the heating gas direction.
  • the steam generator is expediently used as a waste heat steam generator in a gas and steam turbine plant.
  • the steam generator is advantageously connected downstream of a gas turbine on the hot gas side. In this circuit, additional firing for increasing the heating gas temperature can be expediently arranged behind the gas turbine.
  • the stated object is achieved in that the flow medium, viewed in the direction of the heating gas, is discharged from the evaporator flow heating surface at a position at which the heating gas temperature prevailing in operation is less than a predetermined maximum deviation from the saturated steam which arises in operation due to the pressure loss in the evaporator flow heating surface temperature differs.
  • the flow medium is guided in counterflow to the hot gas direction before it emerges from the evaporator continuous heating surface.
  • the flow medium flows through the flow medium against the direction of the heating gas, ie from top to bottom.
  • the advantages achieved by the invention consist in particular in that the now provided, adapted to the temperature profile of the heating gas in the gas flue positioning of the outlet on the flow medium side of the evaporator pass-through heating surface, the overall temperature interval achievable in the evaporation of the flow medium between saturated steam temperature of the flow medium and heating gas temperature at the Outlet point is comparatively narrowly limited, so that only small outlet-side temperature differences are possible regardless of the flow conditions. Thereby sufficient adjustment of the temperatures of the flow medium can be ensured in every operating condition.
  • the continuous evaporator heating surface is the continuous evaporator heating surface
  • Flow through the evaporator is more stable in terms of flow than a pure counterflow circuit. This ensures a particularly high flow stability and a particularly high level of operational safety for the steam generator. In addition, however, it is also ensured that the possible outlet temperatures are limited in terms of their absolute level, so that the permissible limit temperatures specified by the material properties remain safely below.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a section in longitudinal section of a continuous steam generator
  • FIG. 2 shows the evaporation section of the once-through steam generator according to FIG. 1 in an alternative embodiment.
  • the continuous steam generator 1 according to FIG. 1 is connected in the manner of a heat recovery steam generator on the exhaust gas side of a gas turbine (not shown in more detail).
  • the continuous steam generator 1 has a peripheral wall 2, which forms a gas duct 6 for the exhaust gas from the gas turbine, through which the heating gas direction y can be flowed in an approximately vertical direction indicated by the arrows 4.
  • a number of heating surfaces designed according to the continuous flow principle, in particular an evaporator continuous heating surface 8, are arranged in the gas flue 6. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, only the evaporator continuous heating surface 8 shown, but a larger number of continuous heating surfaces can also be provided.
  • the evaporator system formed from the evaporator pass-through heating surface 8 can be acted upon with flow medium W, which evaporates once through the evaporator pass-through heating surface 8 and is discharged as steam D after exiting the evaporator pass-through heating surface 8 and is usually supplied with superheater heating surfaces for further overheating. That formed from the evaporator heating surface 8
  • Evaporator system is connected in the water-steam cycle of a steam turbine, not shown.
  • a number of further heating surfaces are connected in the water-steam circuit of the steam turbine.
  • the heating surfaces can be, for example, superheaters, medium pressure evaporators, low pressure evaporators and / or preheaters.
  • the evaporator continuous heating surface 8 of the continuous steam generator 1 according to FIG. 1 comprises a tube bundle type
  • a plurality of steam generator tubes 12 which are connected in parallel to flow through the flow medium W
  • a plurality of steam generator tubes 12 are arranged next to one another as seen in the heating gas direction y. Only one of the steam generator tubes 12 arranged next to one another in this way is visible.
  • the steam generator tubes 12 each comprise a number of pipe sections through which there is horizontal flow, two of which are each connected by a pipe section through which there is a vertical flow. In other words: the steam generator tubes are each meandering inside the gas cable 6.
  • the steam generator tubes 12, which are arranged next to one another in this way are each followed by a common inlet header 14 at their inlet 13 into the evaporator once-through heating surface 8 and a common outlet header 18 at their outlet 16 from the evaporator once-through heating surface 8.
  • the continuous steam generator 1 is designed for a particularly high level of operational safety and for the consequent suppression of significant temperature differences at the outlet 16 between adjacent steam generator tubes 12, also referred to as temperature unbalance, even when fed with comparatively high mass flow densities.
  • the evaporator flow-through heating surface 8 comprises, in its rear region as seen on the flow medium side, a heating surface segment 20 which is connected in countercurrent to the heating gas direction y.
  • the evaporator continuous heating surface 8 comprises a further heating surface segment 22 connected upstream of this on the flow medium side.
  • the switching of the outlet 16 in the heating gas direction y can be selected by means of this circuit.
  • This positioning is selected in the continuous steam generator 1 in such a way that the saturated steam temperature of the flow medium W which is set in the evaporator continuous heating surface 8 as a function of pressure is less than a predetermined maximum deviation of approximately 50 ° C. from that in the operating case at the position or at the height of the outlet 16 Heating surface segment 20 prevailing heating gas temperature. Since the temperature of the flow medium W at the outlet 16 must always be at least equal to the saturated steam temperature, but on the other hand cannot be higher than the heating gas temperature prevailing at this point, the possible temperature differences between differently heated pipes are without further countermeasures to the predetermined maximum deviation of about 50 ° C limited.
  • the first heating surface segment 20 is connected to the second heating surface segment 22 by a connecting piece 24.
  • the evaporator pass-through heating surface 8 comprises the further heating surface segment 22, the connecting piece 24 connected downstream of this on the flow medium side, and the flow piece flowing to the connecting piece 24. Heating surface segment 20 connected on the medium side.
  • the further heating surface segment 22 is likewise connected in counterflow to the heating gas direction 4.
  • both the alternative circuit shown in FIG. 1 and the one shown in FIG. 2 of the evaporator continuous heating surface 8 have a particularly high flow stability.
  • the occurrence of flow oscillations is reliably prevented. These occur when a different heating of individual steam generator tubes 12 shifts the evaporation area within the relevant steam generator tube 12 strongly along the flow direction of the flow medium W.
  • flow oscillations can be avoided by artificially increasing the pressure loss in the flow medium W when flowing through the evaporator pass-through heating surface 8 by throttling at the entry of the tubes.
  • the problem of flow oscillations does not occur. It has been shown that the evaporation area moves comparatively little within the respective steam generator tube 12 in the event of a different heating. To stabilize the flow, therefore, only a slight artificial increase in pressure loss is required.

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Abstract

Ein Durchlaufdampferzeuger (1), bei dem in einem in einer annähernd vertikalen Heizgasrichtung (y) durchströmbaren Gaszug (6) eine Verdampferdurchlaufheizfläche (8) angeordnet ist, die eine Anzahl von zur Durchströmung eines Strömungsmediums (W) parallel geschalteten Dampferzeugerrohren (12) umfasst, soll auch bei einer Bespeisung mit vergleichsweise hoher Massenstromdichte des Strömungsmediums (W) eine besonders hohe betriebliche Stabilität und Sicherheit aufweisen. Dazu umfasst die Verdampferdurchlaufheizfläche (8) erfindungsgemäss ein vom Strömungsmedium (W) im Gegenstrom zum Gaszug (6) durchströmbares Heizflächensegment (20), dessen strömungsmediumseitiger Austritt (16) in Heizgasrichtung (y) gesehen derart positioniert ist, dass die sich im Betriebsfall druckabhängig in der Verdampferdurchlaufheizfläche (8) einstellen de Sattdampftemperatur um weniger als eine vorgegebene Maximalabweichung von der im Betriebsfall an der Position des Austritts (16) des Heizflächensegments (20) herrschenden Heizgastemperatur abweicht.

Description

Durchlaufdampferzeuger sowie Verfahren zum Betreiben des Durchlaufdampferzeugers
Die Erfindung betrifft einen Durchlaufdampferzeuger, bei dem in einem in einer annähernd vertikalen Heizgasrichtung durchströmbaren Gaszug eine Verdampferdurchlaufheizfläche angeordnet ist, die eine Anzahl von zur Durchströmung eines Strδ- ύngsmediums parallel geschalteten Dampferzeugerrohren umfasst .
Bei einer Gas- und Dampfturbinenanlage wird die im entspannten Arbeitsmittel oder Heizgas aus der Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für die Dampfturbine genutzt. Die Wärmeübertragung erfolgt in einem der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger, in dem üblicherweise eine Anzahl von Heizflächen zur Wasservorwärmung, zur Dampferzeu- gung und zur Dampfüberhitzung angeordnet sind. Die Heizflä- chen sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine geschaltet. Der Wasser-Dampf-Kreislauf umfasst üblicherweise mehrere, z. B. drei, Druckstufen, wobei jede Druckstufe eine Verdampferheizfläche aufweisen kann.
Für den der Gasturbine als Abhitzedampferzeuger heizgasseitig nachgeschalteten Dampferzeuger kommen mehrere alternative Auslegungskonzepte, nämlich die Auslegung als Durchlaufdampf- erzeuger oder die Auslegung als Umlaufdampferzeuger, in Betracht. Bei einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von als Verdampferrohren vorgesehenen Dampferzeugerrohren zu einer Verdampfung des Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem einmaligen Durchlauf. Im Gegensatz dazu wird bei einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger das im Umlauf geführte Wasser bei einem Durchlauf durch die Verdampferrohre nur teilweise verdampft. Das dabei nicht verdampfte Wasser wird nach einer Abtrennung des erzeugten Dampfes für -eine weitere Verdampfung den selben Verdampferrohren erneut zugeführt .
Ein Durchlaufdampferzeuger unterliegt im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so dass Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser (PKri « 221 bar) - wo es nur noch geringe Dichteunterschiede gibt zwischen flüssigkeitsähnlichem und dampfähnlichem Medium - möglich sind. Ein hoher Frischdampfdruck begün- stigt einen hohen thermischen Wirkungsgrad und somit niedrige C02-Emissionen eines fossilbeheizten Kraftwerks. Zudem weist ein Durchlaufdampferzeuger im Vergleich zu einem Umlaufdampferzeuger eine einfache Bauweise auf und ist somit mit besonders geringem Aufwand herstellbar. Die Verwendung eines nach dem Durchlaufprinzip ausgelegten Dampferzeugers als Abhitzedampferzeuger einer Gas- und Dampfturbinenanlage ist daher zur Erzielung eines hohen GesamtWirkungsgrades der Gas- und Dampfturbinenanlage bei einfacher Bauweise besonders günstig.
Ein solcher Abhitzedampferzeuger kann technisch besonders einfach ausgeführt werden, indem das dem Dampferzeuger von der Gasturbine zugeführte Heizgas den Gaszug in vertikaler Richtung, insbesondere von unten nach oben, durchströmt. Dabei kommen für die strδmungsmedium- und heizgasseitige Ver- Schaltung der die Verdampferdurchlaufheizflache bildenden Dampferzeugerrohre grundsätzlich zwei mögliche Konzepte in Betracht: Entweder werden die innerhalb des Gaszuges verlegten Dampferzeugerrohre im so genannten Kreuz- oder Gegenstrom vom Strömungsmedium durchströmt, das heißt, das Strδmungsme- dium durchströmt jedes Heizflächenrohr in aufeinander folgenden Durchgängen durch den Gaskanal quer zur Gasströmung, deshalb die Bezeichnung Kreuzstromschaltung. Die von einer Seite des Gaskanals zur anderen Seite führenden horizontalen Rohrstücke sind über Umlenkstücke derart miteinander verbunden, dass sie in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend entgegen der Strömungsrichtung des Gases durchströmt werden, deshalb die Bezeichnung Gegenstromschaltung. Insgesamt handelt es sich also um eine Mischform von Kreuz- und Gegenstromschaltung. Der Kreuzstromcharakter ist für die folgenden Erörterungen unwesentlich. Diese Schaltung wird deshalb im folgenden nur als Gegenstromschaltung bezeichnet. Es ist allgemein bekannt, dass eine Verdampferheizflache in Gegenstromschaltung problematisch hinsichtlich der Stabilität der Strömung ist. Insbesondere eine gleichmäßige Verteilung der Strömung auf alle parallelen Rohre der Verdampferheizflache erfordert technischen Aufwand.
Eine Alternative zur Gegenstromschaltung stellt die so genannte Gleichstromschaltung dar, bei der die Dampferzeuger- rohre im Kreuz-/Gleichstrom durchströmt werden. Bei dieser Schaltung sind die horizontal geführten Rohrstücke wie in der vorangehend beschriebenen Kreuzstromschaltung über Umlenkstücke miteinander verbunden, nur dass sie nun in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend in Strδmungsrichtung des Gases durchströmt werden, deshalb die Bezeichnung Gleichstromschaltung. Insgesamt handelt es sich also um eine Mischform von Kreuz- und Gleichstromschaltung. Der Kreuzstromcharakter ist für die folgenden Erörterungen unwesentlich. Diese Schaltung wird deshalb im folgenden nur als Gleichstromschaltung bezeichnet. Eine Gleichstromschaltung erfordert den Einsatz verhältnismäßig großer Heizflächen, deren Herstellung und Montage mit erheblichem Aufwand verbunden sind.
Aus der EP 0 425 717 A ist ein Dampferzeuger bekannt, der die genannten Vorteile eines Durchlaufdampferzeugers aufweist. Seine Verdampferdurchlaufheizfläche ist als Kombination von Gegenstrom- und Gleichstromschaltung ausgelegt, indem eine Anzahl von Rohrabschnitten in Gegenstromrichtung geschaltet ist, während eine Anzahl von weiteren Rohrabschnitten in Gleichstromrichtung geschaltet ist. Durch diese Art der Ver- schaltung kann ein höheres Maß an Strömungsstabilität er- reicht werden als bei einer reinen Gegenstromschaltung. Zudem kann der bei Verwendung einer reinen Gleichstromschaltung notwendige hohe technische und apperative Aufwand verringert werden.
Grundsätzlich problematisch bei Dampferzeugern in derartiger Bauweise können so genannte Temperaturschieflagen sein, also Temperaturdifferenzen an den Austritten benachbarter, strö- mungsmediumseitig parallel geschalteter Dampferzeugerrohre, die zu Rohrreißern oder anderen Beschädigungen führen können. Zur Vermeidung derartiger Temperaturschieflagen können Durch- laufdampferzeuger für besonders geringe Massenstromdichten des Strömungsmediums ausgelegt sein, was jedoch die Flexibilität bei der Wahl der Auslegungsparameter für den Dampferzeuger begrenzt .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Durchlaufdampferzeuger der oben genannten Art anzugeben, der auch bei einer Beaufschlagung mit vergleichsweise großen Massenstromdichten des Strömungsmediums auch bei unterschiedlicher Beheizung der Dampferzeugerrohre eine besonders hohe Stabili- tat insbesondere gegenüber Temperaturschieflagen aufweist.
Des Weiteren soll ein zum Betreiben dieses Dampferzeugers besonders geeignetes Verfahren der oben genannten Art angegeben werde .
Bezüglich des Durchlaufdampferzeugers wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Verdampferdurchlaufheizflache ein vom Strömungsmedium im Gegenstrom zum Gaszug durchströmbares Heizflächensegment umfasst, dessen strömungsmediumseitiger Austritt in Heizgasrichtung gesehen derart positioniert ist, dass die sich im Betriebsfall in der Verdampferdurchlaufheizfläche einstellende Sattdampftemperatur um weniger als eine vorgegebene Maximalabweichung von der im Betriebs- fall an der Position des Austritts des Heizflächensegments herrschenden Heizgastemperatur abweicht.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass bei der Bespeisung der Verdampferdurchlaufheizfläche mit Vergleichs- weise großen Massenstromdichten eine lokal unterschiedliche Beheizung einzelner Rohre die Strömungsverhältnisse derart beeinflussen könnte, dass mehrbeheizte Rohre von weniger und weniger beheizte Rohre von mehr Strömungsmedium durchströmt werden. Mehrbeheizte Rohre würden in diesem Fall schlechter gekühlt als minderbeheizte Rohre, so dass die auftretenden Temperaturdifferenzen selbsttätig verstärkt würden. Um diesem Fall auch ohne aktive Beeinflussung der Strömungsverhältnisse wirksam begegnen zu können, sollte das System für eine grund- sätzliche und globale Begrenzung möglicher Temperaturunterschiede geeignet ausgelegt sein. Dazu ist die Erkenntnis nutzbar, dass am Austritt aus der Verdampferdurchlaufheizflache das Strömungsmedium zumindest die im Wesentlichen durch den Druck im Dampferzeugerrohr gegebene Sattdampftemperatur aufweisen muss . Andererseits kann das Strömungsmedium aber maximal die Temperatur aufweisen, die das Heizgas an der Aus- trittsstelle des Strömungsmediums aus der Verdampferdurchlaufheizfläche hat. Durch eine geeignete Abstimmung dieser beiden das mögliche Temperaturintervall überhaupt eingrenzen- den Grenztemperaturen aufeinander können somit auch die maximal möglichen Temperaturschieflagen geeignet begrenzt werden. Durch die Aufteilung der Verdampfer-Durchlaufheizfläche in ein austrittsseitiges Gegenstromsegment und ein diesem heiz- gas- und medienseitig vorgeschaltetes weiteres Segment ist der Austritt in Heizgasrichtung frei positionierbar, so dass ein zusätzlicher Auslegungsparameter verfügbar ist. Ein besonders geeignetes Mittel zur Abstimmung der beiden Grenztemperaturen aufeinander ist dabei die gezielte Positionierung des Austritts der Verdampferdurchl ufheizfl che in Strömungs- richtung des Heizgases gesehen.
Vorteilhafterweise ist die Positionierung des Austritts der Verdampferdurchlaufheizfläche in Relation zum Temperaturprofil des Heizgases im Gaszug derart gewählt, dass eine Maxi- malabweichung von etwa 50 °C eingehalten ist, so dass im Hinblick auf verfügbare Materialien und weitere Auslegungspara- meter eine besonders hohe betriebliche Sicherheit gewährleistet ist.
Ein weiteres Problem bei einem Dampferzeuger der genannten Bauweise könnte die Gefährdung der Strömungsstabilität durch so genannte Strömungsoszillationen sein. Strömungsoszillationen treten auf, wenn sich bei Mehrbeheizung eines Dampferzeu- gerrohres das Gebiet innerhalb des Dampferzeugerrohres, in dem Verdampfung stattfindet, deutlich innerhalb des Rohres verschiebt. Die Verlagerung des Verdampfungsgebietes innerhalb eines Dampferzeugerrohres beeinflusst den Druckverlust der Strömung innerhalb der Verdampferdurchlaufheizflache auf unerwünschte Art und Weise. Daher könnten bei einem Dampferzeuger, der derart empfindlich auf eine abweichende Beheizung der Dampferzeugerrohre reagiert, Drosseln am Eintritt aller Dampferzeugerröhre vorgesehen sein, die es erlauben, den Druckverlust der Strömung innerhalb der Verdampferdurchlauf- heizflache über einen verhältnismäßig großen Bereich hinweg zu steuern. Um auch hierfür geeignete Auslegungsparameter be- reitzustellen, umfasst die Verdampferdurchlaufheizflache vorteilhafterweise ein weiteres, dem genannten Heizflächensegment strömungsmediumseitig vorgeschaltetes Heizflächensegment, das heizgasseitig zweckmäßigerweise vor dem genannten Heizflächensegment angeordnet ist.
Das dem Heizflächensegment strömungsmediumseitig vorgeschaltete weitere Heizflächensegment ist vorteilhafterweise ebenfalls in der Art einer Gegenstromsektion ausgebildet oder alternativ im Gleichstrom zur Heizgasrichtung geschaltet.
Durch eine derartige Anordnung der Segmente im Heizgaskanal wird weitgehend der Vorteil einer reinen Gegenstromschaltung erhalten, die Wärme des Abgases effektiv auf das Strömungsmedium zu übertragen, und gleichzeitig eine hohe inhärente Si- cherheit gegen schädliche Temperaturdifferenzen am strömungs- mediumsseitigen Austritt erzielt. Zweckmäßigerweise wird der Dampferzeuger als Abhitzedampferzeuger einer Gas- und Dampfturbinenanlage verwendet. Dabei ist der Dampferzeuger vorteilhafterweise heizgasseitig einer Gasturbine nachgeschaltet . Bei dieser Schaltung kann zweckmä- ßigerweise hinter der Gasturbine eine Zusatzfeuerung zur Erhöhung der Heizgastemperatur angeordnet sein.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gelöst, indem das Strömungsmedium in Heizgasrichtung gesehen an einer Position aus der Verdampferdurchlaufheizflache abgeführt wird, an der die im Betriebsfall herrschende Heizgastemperatur um weniger als eine vorgegebene Maximalabweichung von der sich im Betriebsfall infolge des Druckverlusts in der Verdampferdurchlaufheizfläche einstellenden Sattdampfte peratur abweicht.
Vorteilhafterweise wird das Strömungsmedium vor seinem Austritt aus der Verdampferdurchlaufheizfläche im Gegenstrom zur Heizgasrichtung geführt. In dem entsprechenden Heizflächen- segment werden die Dampferzeugerrohre dabei vom Strömungsmedium entgegen der Heizgasrichtung, also von oben nach unten, durchströmt. Bei einer derartigen Bespeisung der Verdampferdurchlaufheizfläche ist die Positionierung des Austritts vergleichsweise einfach variierbar und an das Temperaturprofil des Heizgases im Gaszug anpassbar. Vorteilhafterweise wird eine Maximalabweichung von etwa 50 °C vorgegeben.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die nunmehr vorgesehene, an das Tempera- turprofil des Heizgases im Gaszug angepasste Positionierung des strömungsmediumseitigen Austritts der Verdampferdurchlaufheiz läche das insgesamt bei der Verdampfung des Strömungsmediums erreichbare Temperaturintervall zwischen Sattdampftemperatur des Strömungsmediums und Heizgastemperatur an der Austrittsstelle vergleichsweise eng eingegrenzt wird, so dass unabhängig von den Strömungsverhältnissen nur geringe austrittsseitige Temperaturdifferenzen möglich sind. Dadurch kann eine ausreichende Angleichung der Temperaturen des Strömungsmediums in jedem Betriebszustand sichergestellt werden. Zudem ist die Durchlaufverdampferheizfläche durch die geeignete Positionierung des strδmungsmediumseitigen Eintritts der Verdampferdurchlaufheizfläche am gasseitigen Eintritt der
Verdampferdurchlaufheizflache strömungsmäßig stabiler als eine reine Gegenstromschaltung. Somit ist eine besonders hohe Strömungsstabilität und eine besonders hohe betriebliche Sicherheit für den Dampferzeuger gewährleistet. Darüber hinaus ist aber auch sichergestellt, dass die möglichen Austrittstemperaturen in ihrer absoluten Höhe begrenzt sind, so dass die durch die Materialeigenschaften vorgegebenen zulässigen Grenztemperaturen sicher unterschritten bleiben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 in vereinfachter Darstellung ausschnittsweise im Längsschnitt einen Durchlaufdampf rzeuger, und
FIG 2 die Verdampfungssektion des Durchlaufdampferzeugers nach FIG 1 in einer alternativen Ausführung.
Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszei- chen versehen.
Der Durchlaufdampferzeuger 1 gemäß FIG 1 ist in der Art eines Abhitzedampferzeugers einer nicht näher dargestellten Gasturbine abgasseitig nachgeschaltet . Der Durchlaufdampferzeuger 1 weist eine Umfassungswand 2 auf, die einen in einer annähernd vertikalen, durch die Pfeile 4 angedeuteten Heizgasrichtung y durchströmbaren Gaszug 6 für das Abgas aus der Gasturbine bildet. Im Gaszug 6 ist eine Anzahl von nach dem Durchlauf- prinzip ausgelegten Heizflächen, insbesondere eine Verdamp- ferdurchlaufheizflache 8, angeordnet. Im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 ist lediglich die Verdampferdurchlaufheizflache 8 gezeigt, es kann aber auch eine größere Anzahl von Durchlauf- heizflachen vorgesehen sein.
Das aus der Verdampferdurchlaufheizfläche 8 gebildete Ver- dampfersystem ist mit Strδmungsmedium W beaufschlagbar, das bei einmaligem Durchlauf durch die Verdampferdurchlaufheiz- fläche 8 verdampft und nach dem Austritt aus der Verdampferdurchlaufheizfläche 8 als Dampf D abgeführt und üblicherweise zur weiteren Überhitzung Überhitzerheizflächen zugeführt wird. Das aus der Verdampferdurchlaufheizflache 8 gebildete
Verdampfersystem ist in den nicht näher dargestellten Wasser- Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine geschaltet. Zusätzlich zu dem Verdampfersystem sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine eine Anzahl weiterer, in FIG 1 nicht dargestell- ter Heizflächen geschaltet. Bei den Heizflächen kann es sich beispielsweise um Überhitzer, Mitteldruckverdampfer, Niederdruckverdampfer und/oder um Vorwärmer handeln.
Die Verdampferdurchlaufheizfläche 8 des Durchlaufdampferzeu- gers 1 nach FIG 1 umfasst in der Art eines Rohrbündels eine
Mehrzahl von zur Durchstrδmung des Strömungsmediums W parallel geschalteten Dampferzeugerrohren 12. Dabei ist jeweils eine Mehrzahl von Dampferzeugerrohren 12 in Heizgasrichtung y gesehen nebeneinander angeordnet. Dabei ist jeweils lediglich eines der so nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohre 12 sichtbar. Die Dampferzeugerrohre 12 umfassen jeweils eine Anzahl von waagerecht durchströmten Rohrstücken, von denen jeweils zwei durch ein senkrecht durchströmtes Rohrstück verbunden sind. Mit anderen Worten: Die Dampferzeugerrohre sind jeweils mäanderartig innerhalb des Gaszuges 6 verlegt. Den so nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohren 12 ist dabei strömungsmediumseitig an ihrem Eintritt 13 in die Verdampferdurchlaufheizfläche 8 jeweils ein gemeinsamer Eintrittssammler 14 vor- und an ihrem Austritt 16 aus der Verdampferdurch- laufheizflache 8 ein gemeinsamer Austrittssammler 18 nachgeschaltet . Der Durchlaufdampferzeuger 1 ist für eine besonders hohe betriebliche Sicherheit und zur konsequenten Unterdrückung von auch als Temperaturschiefläge bezeichneten signifikanten Temperaturunterschieden am Austritt 16 zwischen benachbarten Dampferzeugerrohren 12 selbst bei einer Bespeisung mit vergleichsweise hohen Massenstromdichten ausgelegt. Dazu umfasst die Verdampferdurchlaufheizfläche 8 in ihrem strömungsmediumseitig gesehen hinteren Bereich ein Heizflächensegment 20, das im Gegenstrom zur Heizgasrichtung y geschaltet ist. Wei- terhin umfasst die Verdampferdurchlaufheizfläche 8 zusätzlich zum Heizflächensegment 20 ein diesem strömungsmediumseitig vorgeschaltetes weiteres Heizflächensegment 22. Durch diese Schaltung ist die Positionierung des Austritts 16 in Heizgasrichtung y gesehen wählbar. Diese Positionierung ist beim Durchlaufdampferzeuger 1 derart gewählt, dass die sich im Betriebsfall druckabhängig in der Verdampferdurchlaufheizflache 8 einstellende Sattdampftemperatur des Strδmungsmediums W um weniger als eine vorgegebene Maximalabweichung von etwa 50 °C von der im Betriebsfall an der Position oder auf der Höhe des Austritts 16 des Heizflächensegments 20 herrschenden Heizgastemperatur abweicht . Da die Temperatur des Strömungsmediums W am Austritt 16 immer mindestens gleich der Sattdampftemperatur sein muss, andererseits aber nicht höher als die an dieser Stelle herrschende Heizgastemperatur sein kann, sind die möglichen Temperaturdifferenzen zwischen unterschiedlich beheizten Rohren auch ohne weitere Gegenmaßnahmen auf die vorgegebene Maximalabweichung von etwa 50 °C begrenzt.
Eine besonders hohe Strömungsstabilität bei gleichzeitig be- grenztem technischen Aufwand lässt sich zudem durch die Verwendung einer Kombination aus Gegenstromschaltung und Gleichstromschaltung der Dampferzeugerrohre erzielen. Das erste Heizflächensegment 20 ist dabei mit dem zweiten Heizflächensegment 22 durch ein Verbindungsstück 24 verbunden. Die Ver- dampferdurchlaufheizflache 8 umfasst das weitere Heizflächensegment 22, das diesem strömungsmediumseitig nachgeschaltete Verbindungsstück 24 sowie das dem Verbindungsstück 24 strö- mungsmediumseitig nachgeschaltete Heizflächensegment 20. Im Ausführungsbeispiel nach FIG 1 ist das weitere Heizflächensegment 22 ebenfalls im Gegenstrom zur Heizgasrichtung 4 geschaltet .
Wie sich herausgestellt hat, weist sowohl die in FIG 1 dargestellte als auch die in FIG 2 dargestellte alternative Schaltung der Verdampferdurchlaufheizflache 8 eine besonders große Strömungsstabilität auf. Insbesondere wird auch das Auftreten von Strömungsoszillationen sicher verhindert. Diese treten auf, wenn eine abweichende Beheizung einzelner Dampferzeugerrohre 12 das Verdampfungsgebiet innerhalb des betreffenden Dampferzeugerrohres 12 stark entlang der Strömungsrichtung des Strömungsmediums W verschiebt. Strömungsoszillationen können in einem solchen Fall vermieden werden, indem der beim Durchströmen der Verdampferdurchlaufheizfläche 8 auftretende Druckverlust im Strömungsmedium W durch Drosseln am Eintritt der Rohre künstlich erhöht wird. Bei den in FIG 1 und 2 dargestellten Schaltungen tritt das Problem der Strδmungsoszil- lationen jedoch nicht auf. Es hat sich gezeigt, dass sich das Verdampfungsgebiet bei einer abweichenden Beheizung nur vergleichsweise wenig innerhalb des jeweiligen Dampferzeugerrohres 12 verschiebt. Zur Stabilisierung der Strömung ist daher lediglich eine geringe künstliche Erhöhung des Druckverlustes erforderlich.

Claims

Patentansprüche
1. Durchlaufdampferzeuger (1), bei dem in einem in einer annähernd vertikalen Heizgasrichtung (y) durchströmbaren Gaszug (6) eine Verdampferdurchlaufheizflache (8) angeordnet ist, die eine Anzahl von zur Durchströmung eines Strömungsmediums (W) parallel geschalteten Dampferzeugerrohren (12) umfasst, und die ein vom Strömungsmedium (W) im Gegenstrom zum Gaszug (6) durchströmbares Heizflächensegment (20) umfasst, dessen strömungsmediumseitiger Austritt (16) in Heizgasrichtung (y) gesehen derart positioniert ist, dass die sich im Betriebsfall in der Verdampferdurchlaufheizflache (8) einstellende Sattdampftemperatur um weniger als eine vorgegebene Maximal- abweichung von der im Betriebsfall an der Position des Aus- tritts (16) des Heizflächensegments (20) herrschenden Heizgastemperatur abweicht .
2. Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 1, bei dem eine Maximalabweichung von höchstens 70°C vorgegeben ist.
3. Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 1 oder 2, dessen Verdampferdurchlaufheizflache (8) ein weiteres, dem Heizflächensegment (20) strömungsmediumseitig vorgeschaltetes Heiz- flächensegment (22) umfasst.
4. Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 3, bei dem das weitere Heizflächensegment (22) im Gegenstrom zur Heizgasrichtung (y) geschaltet ist.
5. Durchlaufdampferzeuger (1) nach Anspruch 3, bei dem das weitere Heizflächensegment (22) im Gleichstrom zur Heizgasrichtung (y) geschaltet ist.
6. Durchlaufdampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dem heizgasseitig eine Gasturbine vorgeschaltet ist.
7. Verfahren zum Betreiben eines Durchlaufdampferzeugers (1) mit einer in einem in einer annähernd vertikalen Heizgasrichtung (y) durchströmbaren Gaszug (6) mit einer Verdampferdurchlaufheizfläche (8) , die eine Anzahl von zur Durchströ- mung eines Strömungsmediums (W) parallel geschalteten Dampferzeugerrohren (12) umfasst, wobei das Strömungsmedium (W) in Heizgasrichtung (y) gesehen an einer Position aus der Verdampferdurchlaufheizfläche (8) abgeführt wird, an der die im Betriebsfall herrschende Heizgastemperatur um weniger als ei- ne vorgegebene Maximalabweichung von der sich im Betriebsfall infolge des Druckverlusts in der Verdampferdurchlaufheizfläche (8) einstellenden Sattdampftemperatur abweicht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Strömungsmedium (W) unmittelbar vor seinem Austritt aus der Verdampferdurchlaufheizfläche (8) im Gegenstrom zum Heizgas geführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 , bei dem eine Maximalabweichung von höchstens 70 °C vorgegeben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Strömungsmedium (W) unmittelbar nach seinem Eintritt in die Verdampferdurchlaufheizflache (8) im Gegenstrom zum Heizgas geführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Strömungsmedium (W) unmittelbar nach seinem Eintritt in die Verdampferdurchlaufheizflache (8) im Gleichstrom zum Heizgas geführt wird.
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