WO2010029033A2 - Abhitzedampferzeuger - Google Patents

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WO2010029033A2
WO2010029033A2 PCT/EP2009/061521 EP2009061521W WO2010029033A2 WO 2010029033 A2 WO2010029033 A2 WO 2010029033A2 EP 2009061521 W EP2009061521 W EP 2009061521W WO 2010029033 A2 WO2010029033 A2 WO 2010029033A2
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WO
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tubes
steam generator
heat recovery
recovery steam
flow
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/061521
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English (en)
French (fr)
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WO2010029033A3 (de
Inventor
Jan BRÜCKNER
Joachim Franke
Holger Schmidt
Frank Thomas
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to ES09782665.5T priority patent/ES2614155T3/es
Priority to EP09782665.5A priority patent/EP2324285B1/de
Priority to US13/062,727 priority patent/US8701602B2/en
Publication of WO2010029033A2 publication Critical patent/WO2010029033A2/de
Publication of WO2010029033A3 publication Critical patent/WO2010029033A3/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B15/00—Water-tube boilers of horizontal type, i.e. the water-tube sets being arranged horizontally
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B21/00—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically
    • 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
    • F22B37/26—Steam-separating arrangements

Definitions

  • the invention relates to a heat recovery steam generator with a number of evaporator tubes connected in parallel on the flow medium side, through which a number of superheater tubes are connected via a water separation system, wherein the water separation system comprises a number of water separation elements, each of which downstream of a number of evaporator tubes and / or a number of superheater tubes upstream, wherein each of the Wasserabscheideieri comprises a connected to the respective upstream evaporator tubes Einströmrohr mosaic, seen in its longitudinal direction merges into a Wasserableitrohr voting, wherein in the transition region a number of Abströmrohr structurien branches, which are connected to an inlet header of the respective downstream superheater tubes.
  • a heat recovery steam generator is a heat exchanger that recovers heat from a hot gas stream.
  • Heat recovery steam generators are used, for example, in gas and steam turbine power plants, in which the hot exhaust gases of one or more gas turbines are conducted into a heat recovery steam generator. The steam generated therein is then used to drive a steam turbine. This combination produces electrical energy much more efficiently than gas or steam turbine alone.
  • Heat recovery steam generators can be categorized by a variety of criteria: based on the flow direction of the gas flow, heat recovery steam generators can be classified, for example, into vertical and horizontal types. Furthermore, there are steam generator with a plurality of pressure stages with different thermal states of the water-steam mixture contained in each case. Steam generators can generally be designed as natural circulation, forced circulation or continuous steam generators. In a continuous steam generator, the heating of evaporator tubes leads to a complete evaporation of the flow medium in the evaporator tubes in one pass. The flow medium - usually water - is supplied to the evaporator tubes downstream superheater tubes after its evaporation and overheated there.
  • the position of the evaporation end point ie the point of transition from a flow with residual moisture to pure steam flow, is variable and mode-dependent.
  • the evaporation end point is located, for example, in an end region of the evaporator tubes, so that the overheating of the vaporized flow medium already begins in the evaporator tubes.
  • such a continuous steam generator is normally operated with a minimum flow of flow medium in the evaporator tubes during low-load operation or during start-up.
  • the operationally provided minimum flow of flow medium in the evaporator tubes is thus when starting or in the
  • the superheater tubes connected downstream of the evaporator tubes of the continuous-flow steam generator are usually not suitable for a relatively large flow of unvaporized flow. are designed medium, continuous steam generators are usually designed so that even when starting and during low load operation excessive water ingress into the superheater tubes is safely avoided.
  • the evaporator tubes are usually connected to the superheater tubes connected downstream via a water separation system.
  • the water separator causes a separation of the emerging during the start or in low load operation of the evaporator tubes water-steam mixture in water and in steam.
  • the steam is downstream of the Wasserabscheidesystem
  • Superheater tubes supplied whereas the separated water can be supplied to the evaporator tubes again, for example via a circulation pump or discharged via a decompressor.
  • the Wasserabscheidesystem may include a plurality of Wasserabscheidemaschinen that are integrated directly into the tubes.
  • each of the evaporator tubes connected in parallel can be assigned a water separation element.
  • the Wasserabscheideetic can continue to be designed as a so-called T-piece Wasserabscheideimplantation.
  • each T-piece water separation element in each case comprises an inflow pipe piece connected to the upstream evaporator pipe, which, viewed in its longitudinal direction, merges into a water drainage pipe piece, wherein an outflow pipe piece connected to the downstream superheater pipe branches off in the transition region.
  • the T-piece Wasserabscheideelement for inertial separation of the flowing from the upstream evaporator tube in the Einströmrohr choir water-steam mixture is designed. Because of its comparatively higher inertia, namely, the water content of the flow medium flowing in the inflow pipe section at the transition point preferably continues in the axial extension of the inflow pipe section and thus enters the water diverter pipe section and from there usually further into a connected collecting tank. The vapor content of the inflow pipe section flowing water-steam mixture, however, can better follow a forced deflection due to its relatively lower inertia and thus flows through the Abströmrohr conducted to the downstream superheater pipe section.
  • a waste heat steam generator of this design designed for continuous operation is known, for example, from EP 1 701 090.
  • the transfer of flow medium to the superheater tubes is not only limited to steam, but now a water-steam mixture can be continued to the superheater tubes by the water separation elements are over-fed. As a result, the evaporation end point can be pushed into the superheater tubes as needed.
  • a particularly high operational flexibility can be achieved even in start-up or low load operation of the continuous steam generator.
  • the live steam temperature can be controlled in comparatively large limits by influencing the feedwater quantity.
  • the invention is therefore based on the object to provide a heat recovery steam generator of the type mentioned above, while maintaining a particularly high operational flexibility a comparatively low design and repair costs brings with it.
  • This object is achieved according to the invention by arranging a distributor element on the steam side between the respective water separation element and the inlet header of the subsequent heating surface.
  • the invention is based on the consideration that the decentralized separation of water, which takes place separately in each of the parallel-connected evaporator tubes in the construction described above, a comparatively large number of T-piece Wasserabscheideijnn can lead to design problems in large-scale application. Due to the space problems that may be associated with the need to accommodate such a large number of water separation elements, such a construction may also entail significant additional costs and restrictions on the heat recovery steam generator's geometric parameters due to the high design effort involved.
  • a reduction in the design cost of the heat recovery steam generator could be achieved by simplifying the design of the water separation system. For this purpose, the number of Wasserabscheideieri used can be reduced. However, in order to obtain the advantages of decentralized water separation, such as the possibility of feeding with water-steam mixture, the basic design in the form of T-piece water separation elements should be maintained. The combination of the two aforementioned concepts can be achieved by a collection of the flow medium from a plurality of evaporator tubes in each case a Wasserabscheideelement.
  • the geometric parameters of a number of outlet pipes are chosen such that a homogeneous flow distribution is ensured on the inlet header of the respectively downstream superheater pipes.
  • a homogeneous entry is already achieved in the inlet header, which continues accordingly in the downstream superheater tubes.
  • the outlet tubes can, for example, have the same diameter and be guided at equal intervals parallel to one another in the inlet header.
  • the distributor element is designed as a star distributor, d. H. it comprises a baffle plate, an inlet tube arranged perpendicular to the baffle plate, and a number of outlet tubes arranged in a star shape around the baffle plate in the plane thereof.
  • the inflowing water impinges on the baffle plate and is distributed in a symmetrical manner perpendicular to the inflow direction and directed into the outlet tubes.
  • the baffle plate in a particularly advantageous embodiment is circular and the exit tubes arranged concentrically to the center of the baffle plate at equal intervals to the respective adjacent outlet tubes. In this way, a particularly homogeneous distribution is ensured on the different outlet pipes.
  • the water separation system as a T-piece separator there is the possibility of overfeeding, d. H. Forwarding of water-steam mixture in the superheater pipes. Any irregular flow created in the evaporation process will thus continue in the T-piece water separator elements and the downstream superheater tubes.
  • Such turbulent flows can occur in particular in the form of so-called slugs, which are caused by the different flow velocities of vaporized and unevaporated flow medium in the tubes.
  • the result is a wave-like movement that causes a pulsating mass flow, which can lead to mechanical and thermal loads on the Wasserabscheideimplantation and also the downstream superheater tubes.
  • measures should be taken against the further propagation of the turbulence from the evaporator tubes into the T-piece water separator elements and the downstream superheater tubes. This should be done before the water-steam mixture in the T-piece Wasserabscheideetic.
  • a flow turbulence damper is provided in the inflow pipe sections of a number of water separation elements in an advantageous embodiment.
  • the turbulences in the pipe system are caused, among other things, by two different phases of the flow medium flowing parallel to one another through the pipe system. At the interface of the two phases, vortices occur at widely differing flow velocities, resulting in a rapid local displacement of the interface between the two phases in the form of a wave-like motion.
  • the flow turbulence dampers in an advantageous embodiment each comprise a number of bulkheads, each of which closes a part of the pipe cross section. The slugs break at the bulkheads, some of the water is held back and distributed to the area following the slug, mainly dominated by steam.
  • the waves are smoothed and pulsation-free operation is achieved by smoothing the wave movements.
  • the direction of oscillation of the wave movements entering the flow turbulence absorbers should be known and predictable.
  • possible swirling movements of the inflowing water-vapor mixture should be suppressed, as these could hinder the operation of the flow turbulence damper.
  • the flow turbulence dampers on the tube inner wall advantageously comprise a number of guide profiles aligned in the main flow direction of the flow medium. Through the guide profiles a possible swirling motion of the water vapor mixture is stopped and the water vapor mixture is introduced in such a geometric position in the flow turbulence damper that they can fulfill their task appropriately.
  • the flow turbulence dampers can be introduced directly during the production of the pipes.
  • the flow turbulence dampers are advantageously made of a material having the same material as the tube or similar composition. This also prevents too high a mechanical stress on the pipes, which would arise in the case of different materials for pipes and flow turbulence dampers and / or the guide profiles as a result of the different thermal expansion properties.
  • FIG. 3 shows the evaporator of a heat recovery steam generator from FIGS. 1 and 2 in the direction of the flue gas path
  • FIG. 1 shows the schematic representation of a heat recovery steam generator 1 with horizontal flue gas path.
  • the flow medium M is fed into the pipe system by an upstream feed pump not shown in detail. Initially, it flows into a number of evaporator inlet collectors 2, which provide for the distribution of the flow medium M to four evaporator heating surfaces with evaporator tubes 4, in which then an evaporation of the flow medium takes place.
  • further evaporator heating surfaces can also be connected upstream or the heating surfaces can be arranged in different geometrical configurations in the heating gas duct.
  • a number of evaporator tubes 4 opens into a via a first evaporator outlet header 6 and a second outlet header 8 in a common transition pipe section 10, which is the T-piece Wasserabscheideelement 12 downstream.
  • the T-piece Wasserabscheideelement comprises a Einströmrohr laminate 14, which is seen in its longitudinal direction merges into a Wasserableitrohr laminate 16, wherein in the transition region, a Abströmrohr lenders 18 branches off.
  • the Wasserableitrohr lenders 16 opens into a Abschlämmtechnisch 20, which is arranged downstream of a collecting tank 22 arranged outside the flue gas duct.
  • An outlet valve 24 is connected to the collection container 22, via which the separated water can either be discarded or re-supplied to the evaporation circulation.
  • flow medium M enters through the inflow pipe piece 14. Due to its inertia, the proportionate water W flows into the water drainage pipe piece 16 which follows in the longitudinal direction.
  • the steam D follows the diversion into the outflow pipe piece 18 due to its lower mass.
  • the overflow pipe piece 18 is superposed in two superheater heating surfaces downstream of a superheater inlet collector 28.
  • the superheater tubes 26 eventually open in a superheater outlet header 30.
  • the vapor D is collected there and fed through the steam outlet 32 for its further use;
  • a device not shown in detail in FIG. 1, for example a steam turbine, is provided.
  • the outlet valve 24 can be closed and thus an overfeed of the T-piece Wasserabscheideieri 12 be brought about.
  • unevaporated water W enters the superheater tubes 26 so that they can still be used for further evaporation, ie. h.,
  • the evaporation end point can be moved into the superheater tubes, which allows a relatively higher flexibility in the operation of the heat recovery steam generator 1.
  • T-piece water separation elements 12 In order to allow a particularly simple construction of the heat recovery steam generator 1, a comparatively smaller number of T-piece water separation elements 12 should be used. In order to compensate for the resulting inhomogeneities with regard to the distribution to the superheater tubes and thus to enable such an embodiment in the first place, distribution elements 34 are interposed in the manner of star distributors to the T-piece water separation elements. These provide for a pre-distribution of the flow medium M in the event of over-feeding of the T-piece Wasserabscheideieri 12 to the superheater inlet collector ⁇ O QO.
  • the mode of operation of the distributor elements 34 in the form of star distributors can be seen in the plan view of the heat recovery steam generator 1 according to FIG. Also recognizable are the first and second evaporator outlet collectors 6, 8, furthermore the T-piece water separation elements 12, the drainage line 20 and the collecting container 22.
  • the flow medium M impinges on a circular baffle plate and bounces from there into star-shaped, concentrically-symmetrically arranged outlet tubes 36 Arrangement of the output shown in the embodiment eight output tubes 36 is assigned to each output tube 36 about the same amount of flow medium M. These open at equal intervals in the superheater inlet header 28, so that there is already a pre-distribution of the flow medium M to the entire width of the superheater inlet header 28.
  • FIG. 3 shows the heat recovery steam generator 1 from the direction of the flue gas inlet. Visible are the second evaporator outlet header 8, further the T-piece Wasserabscheide institute 12, the Abschlämmtechnisch 20, the sump 22 with the outlet valve 24, further the distributor elements 34 with the discharge pipes 36, which open into the superheater inlet header 28.
  • FIG. 3 clearly shows the advantages of the pre-distribution:
  • the flow medium M is already distributed homogeneously over the entire width of each superheater inlet collector 28 via the respective eight outlet tubes.
  • the flow medium M in the superheater inlet collectors 28 could not be evenly distributed, as these due to the width of the superheater heating not for such a homogeneous distribution of, for example, a single supply are suitable.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment, namely a heat recovery steam generator 1 with a vertical flue gas direction in a side view.
  • the components and their function are essentially identical to the steam generator shown in FIGS. 1 to 3, only the evaporator tubes 4 and the superheater tubes 26 are arranged horizontally.
  • the evaporator tubes 4 are repeatedly guided in turns through the Schugaskanal. Due to the smaller number of T-piece Wasserabscheideijnn 12 each of these elements is relatively larger dimensions.
  • flow turbulence dampers 38 are provided in an area upstream of the T-piece water separation elements 12. These can be mounted, for example, in an outlet region of the evaporator tube 4, in the exemplary embodiment shown they are introduced into the inflow pipe section 14 of the tee water separation element 12, which is shown separately in FIG.
  • the flow turbulence dampers 38 may include a number of bulkheads or guide profiles that may be fabricated from the same material as the inflow tubing 14. With regard to their geometric parameters, they can furthermore be adapted to the local flow conditions provided during operation.

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Abstract

Ein Abhitzedampferzeuger (1) mit einer Anzahl von strömungsmediumsseitig parallel geschalteten Verdampferrohren (4), denen über ein Wasserabscheidesystem eine Anzahl von Überhitzerrohren (26) nachgeschaltet ist, wobei das Wasserabscheidesystem eine Anzahl von Wasserabscheideelementen (12) umfasst, von denen jedes jeweils einer Anzahl von Verdampferrohren (4) nachgeschaltet und/oder einer Anzahl von Überhitzerrohren (26) vorgeschaltet ist, wobei jedes der Wasserabscheideelemente (12) ein mit den jeweils vorgeschalteten Verdampferrohren (4) verbundenes Einströmrohrstück (14) umfasst, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück (16) übergeht, wobei im Übergangsbereich eine Anzahl von Abströmrohrstücken (18) abzweigt, die mit einem Eintrittssammler (28) der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre (26) verbunden sind, soll bei besonders hoher betrieblicher Flexibilität einen vergleichsweise geringeren Konstruktions- und Reparaturaufwand mit sich bringen. Dazu ist dampfseitig zwischen dem jeweiligen Wasserabscheideelement (12) und dem Eintrittssammler (28) ein Verteilerelement (34) angeordnet.

Description

Beschreibung
Abhitzedampferzeuger
Die Erfindung betrifft einen Abhitzedampferzeuger mit einer Anzahl von strömungsmediumsseitig parallel geschalteten Verdampferrohren, denen über ein Wasserabscheidesystem eine Anzahl von Überhitzerrohren nachgeschaltet ist, wobei das Wasserabscheidesystem eine Anzahl von Wasserabscheideelementen umfasst, von denen jedes jeweils einer Anzahl von Verdampferrohren nachgeschaltet und/oder einer Anzahl von Überhitzerrohren vorgeschaltet ist, wobei jedes der Wasserabscheideelemente ein mit den jeweils vorgeschalteten Verdampferrohren verbundenes Einströmrohrstück umfasst, das in seiner Längs- richtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück übergeht, wobei im Übergangsbereich eine Anzahl von Abströmrohrstücken abzweigt, die mit einem Eintrittssammler der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre verbunden sind.
Ein Abhitzedampferzeuger ist ein Wärmetauscher, der Wärme aus einem heißen Gasstrom zurückgewinnt. Abhitzedampferzeuger werden beispielsweise in Gas- und Dampfturbinenkraftwerken eingesetzt, in denen die heißen Abgase einer oder mehrerer Gasturbinen in einen Abhitzedampferzeuger geleitet werden. Der darin erzeugte Dampf wird anschließend zum Antrieb einer Dampfturbine genutzt. Diese Kombination produziert elektrische Energie wesentlich effizienter als Gas- bzw. Dampfturbine allein.
Abhitzedampferzeuger sind anhand einer Vielzahl von Kriterien kategorisierbar : Basierend auf der Strömungsrichtung des Gasstroms können Abhitzedampferzeuger beispielsweise in vertikale und horizontale Bauarten eingeteilt werden. Weiterhin existieren Dampferzeuger mit einer Mehrzahl von Druckstufen mit unterschiedlichen thermischen Zuständen des jeweils enthaltenen Wasser-Dampf-Gemisches . Dampferzeuger können generell als Naturumlauf-, Zwangumlaufoder Durchlaufdampferzeuger ausgelegt sein. In einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von Verdampferrohren zu einer vollständigen Verdampfung des Strömungsmediums in den Verdampferrohren in einem Durchgang. Das Strömungsmedium - üblicherweise Wasser - wird nach seiner Verdampfung den Verdampferrohren nachgeschalteten Überhitzerrohren zugeführt und dort überhitzt. Die Position des Verdampfungsendpunkts, d. h. die Stelle des Überganges von einer Strömung mit Restnässe zu reiner DampfStrömung, ist dabei variabel und betriebsartabhängig. Beim Volllastbetrieb eines derartigen Durchlaufdampf- erzeugers liegt der Verdampfungsendpunkt beispielsweise in einem Endbereich der Verdampferrohre, so dass die Überhitzung des verdampften Strömungsmediums bereits in den Verdampfer- röhren beginnt.
Ein Durchlaufdampferzeuger unterliegt im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so dass er für Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser (pkrit « 221 bar) - bei dem bei keiner Temperatur Wasser und Dampf gleichzeitig vorkommen können und damit auch keine Phasentrennung möglich ist - ausgelegt werden kann .
Um eine sichere Kühlung der Verdampferrohre zu gewährleisten, wird ein derartiger Durchlaufdampferzeuger im Schwachlastbetrieb oder beim Anfahren üblicherweise mit einem Mindeststrom an Strömungsmedium in den Verdampferrohren betrieben. Der betriebsgemäß vorgesehene Mindeststrom an Strömungsmedium in den Verdampferrohren wird somit beim Anfahren oder im
Schwachlastbetrieb in den Verdampferrohren nicht vollständig verdampft, so dass bei einer derartigen Betriebsart am Ende der Verdampferrohre noch Anteile unverdampften Strömungsmediums, d. h. ein Wasser-Dampf-Gemisch, vorhanden sind.
Da die den Verdampferrohren des Durchlaufdampferzeugers nachgeschalteten Überhitzerrohre üblicherweise nicht für eine verhältnismäßig große Durchströmung unverdampftem Strömungs- mediums ausgelegt sind, sind Durchlaufdampferzeuger üblicherweise derart ausgelegt, dass auch beim Anfahren und im Schwachlastbetrieb ein übermäßiger Wassereintritt in die Überhitzerrohre sicher vermieden wird. Dazu sind die Verdamp- ferrohre üblicherweise mit den ihnen nachgeschalteten Überhitzerrohren über ein Wasserabscheidesystem verbunden. Der Wasserabscheider bewirkt dabei eine Trennung des beim Anfahren oder im Schwachlastbetrieb aus den Verdampferrohren austretenden Wasser-Dampf-Gemisches in Wasser und in Dampf. Der Dampf wird den dem Wasserabscheidesystem nachgeschalteten
Überhitzerrohren zugeführt, wohingegen das abgeschiedene Wasser beispielsweise über eine Umwälzpumpe wieder den Verdampferrohren zugeführt oder über einen Entspanner abgeführt werden kann.
Das Wasserabscheidesystem kann dabei eine Vielzahl von Wasserabscheideelementen umfassen, die direkt in die Rohre integriert sind. Dabei kann insbesondere jedem der parallel geschalteten Verdampferrohre ein Wasserabscheideelement zuge- ordnet sein. Die Wasserabscheideelemente können weiterhin als so genannte T-Stück-Wasserabscheideelemente ausgebildet sein. Jedes T-Stück-Wasserabscheideelement umfasst dabei jeweils ein mit dem vorgeschalteten Verdampferrohr verbundenes Einströmrohrstück, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück übergeht, wobei im Übergangsbereich ein mit dem nachgeschalteten Überhitzerrohr verbundenes Abströmrohrstück abzweigt.
Durch diese Bauweise ist das T-Stück-Wasserabscheideelement für eine Trägheitsseparation des aus dem vorgeschalteten Verdampferrohr in das Einströmrohrstück einströmenden Wasser- Dampf-Gemisches ausgelegt. Aufgrund seiner vergleichsweise höheren Trägheit strömt nämlich der Wasseranteil des im Einströmrohrstück strömenden Strömungsmediums an der Übergangs- stelle bevorzugt in axialer Verlängerung des Einströmrohrstücks weiter und gelangt somit in das Wasserableitrohrstück und von dort aus üblicherweise weiter in einen angeschlossenen Sammelbehälter. Der Dampfanteil des im Einströmrohrstück strömenden Wasser-Dampf-Gemisches kann hingegen aufgrund seiner vergleichsweise geringeren Trägheit besser einer aufgezwungenen Umlenkung folgen und strömt somit über das Abströmrohrstück zum nachgeschalteten Überhitzerrohrstück. Ein für den Durchlaufbetrieb ausgelegter Abhitzedampferzeuger dieser Bauart ist beispielsweise aus der EP 1 701 090 bekannt.
Bei einem Durchlaufdampferzeuger mit einem derart ausgelegten Wasserabscheidesystem kann durch die dezentrale Integration der Wasserabscheidung in die einzelnen Rohre des Rohrsystems des Durchlaufdampferzeugers die Wasserabscheidung ohne vorherige Sammlung des aus den Verdampferrohren abströmenden Strömungsmediums erfolgen. Damit ist auch eine direkte Weitergabe des Strömungsmediums in einen Eintrittssammler der nachge- schalteten Überhitzerrohre möglich.
Konstruktionsbedingt ist darüber hinaus die Übergabe von Strömungsmedium an die Überhitzerrohre nicht nur auf Dampf beschränkt, vielmehr kann nunmehr auch ein Wasser-Dampf-Ge- misch an die Überhitzerrohre weitergeführt werden, indem die Wasserabscheideelemente überspeist werden. Dadurch kann der Verdampfungsendpunkt bedarfsweise in die Überhitzerrohre hineinverschoben werden. Damit ist eine besonders hohe betriebliche Flexibilität auch im Anfahr- oder Schwachlastbetrieb des Durchlaufdampferzeugers erreichbar. Insbesondere kann die Frischdampftemperatur in vergleichsweise großen Grenzen durch Beeinflussung der Speisewassermenge geregelt werden.
Allerdings ist bei derartigen Systemen zu berücksichtigen, dass aufgrund der Integration der Wasserabscheidefunktion in die einzelnen Rohre hinein gerade im Bereich des Abscheidesystems eine vergleichsweise hohe Anzahl einzelner Rohrstücke oder -elemente erforderlich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Abhitzedampferzeuger der oben genannten Art anzugeben, der unter Beibehaltung einer besonders hohen betrieblichen Flexibilität einen vergleichsweise geringeren Konstruktions- und Reparaturaufwand mit sich bringt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem dampfseitig zwischen dem jeweiligen Wasserabscheideelement und dem Eintrittssammler der nachfolgenden Heizfläche ein Verteilerelement angeordnet ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch die dezentrale Wasserabscheidung, die bei der oben beschriebenen Bauweise separat in jedem der parallel geschalteten Verdampferrohre erfolgt, eine vergleichsweise große Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen zu Konstruktionsproblemen bei der großtechnischen Anwendung führen kann. Durch die Platzprobleme, die die Notwendigkeit der Unterbringung einer derart großen Anzahl von Wasserabscheideelementen mit sich bringen kann, kann eine solche Bauweise infolge des mit ihr verbundenen hohen Konstruktionsaufwands auch erhebliche Mehrkosten und Einschränkungen der geometrischen Parameter des Abhitzedampferzeugers mit sich bringen.
Eine Reduzierung des Konstruktionsaufwands des Abhitzedampferzeugers könnte durch eine einfachere Auslegung des Wasserabscheidesystems erzielt werden. Dazu kann die Anzahl der verwendeten Wasserabscheideelemente reduziert werden. Um jedoch die Vorteile einer dezentralen Wasserabscheidung, wie beispielsweise die Möglichkeit der Durchspeisung mit Wasser- Dampf-Gemisch zu erhalten, sollte die grundsätzliche Bauweise in Form von T-Stück-Wasserabscheideelementen beibehalten wer- den. Die Kombination beider vorgenannten Konzepte kann durch eine Sammlung des Strömungsmediums von jeweils einer Mehrzahl von Verdampferrohren in jeweils ein Wasserabscheideelement erreicht werden.
Durch eine reduzierte Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen kann eine direkte dampfseitige Weiterleitung an die Eintrittssammler der nachgeschalteten Überhitzerrohre jedoch zu Inhomogenitäten bei der Verteilung auf die verschiedenen Überhitzerrohre führen. Um daher nach dem Austritt des Dampfes oder des Wasser-Dampf-Gemisches aus dem T-Stück-Wasserabscheideelement eine gleichmäßige Verteilung auf die nachgeschalteten Überhitzerrohre zu erreichen, ist dampfseitig zwi- sehen dem jeweiligen Wasserabscheideelement und dem Eintrittssammler ein Verteilerelement angeordnet.
Vorteilhafterweise sind die geometrischen Parameter einer Anzahl von Ausgangsrohren derart gewählt, dass eine homogene Strömungsverteilung auf den Eintrittssammler der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre gewährleistet ist. Dadurch wird bereits ein homogener Eintrag in den Eintrittssammler erreicht, welcher sich dementsprechend in die nachgeschalteten Überhitzerrohre fortsetzt. Die Ausgangsrohre können dabei beispielsweise gleiche Durchmesser aufweisen und in gleichmäßigen Abständen parallel zueinander in den Eintrittssammler geführt sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Verteilerelement als Sternverteiler ausgelegt, d. h. es umfasst eine Prallplatte, ein senkrecht zur Prallplatte angeordnetes Eingangsrohr und eine Anzahl von sternförmig um die Prallplatte in deren Ebene angeordneten Ausgangsrohren. Das einströmende Wasser trifft auf die Prallplatte und wird in symmetrischer Weise senkrecht zur Einströmrichtung verteilt und in die Ausgangsrohre geleitet. Dabei ist die Prallplatte in besonders vorteilhafter Ausgestaltung kreisförmig und die Ausgangsrohre konzentrisch zur Mitte der Prallplatte in gleichen Abständen zu den jeweiligen benachbarten Ausgangsrohren angeordnet. Auf diese Weise ist eine besonders homogene Verteilung auf die verschiedenen Ausgangsrohre gewährleistet.
Dabei sind vorteilhafterweise zwischen 5 und 20 Ausgangsrohre pro Verteilerelement vorgesehen. Bei einer geringeren Anzahl könnte eine ausreichende Homogenisierung des Eintrags von
Dampf oder Wasser-Dampf-Gemisch in den Eintrittssammler nicht mehr gewährleistet werden, während eine höhere Anzahl problematisch in der geometrischen Ausgestaltung des Verteilerele- ments sein kann, insbesondere wenn dieses als Sternverteiler ausgelegt ist.
Bei einer Ausführung des Wasserabscheidesystems als T-Stück- Abscheider besteht die Möglichkeit der Überspeisung, d. h. Weiterleitung von Wasser-Dampf-Gemisch in die Überhitzerrohre. Eventuell im Verdampfungsprozess entstehende unregelmäßige Strömungen setzen sich somit in den T-Stück-Wasserabscheideelementen und den nachgelagerten Überhitzerrohren fort.
Derartige turbulente Strömungen können insbesondere in Form so genannter Slugs auftreten, die durch die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten von verdampftem und unverdampftem Strömungsmedium in den Rohren verursacht werden. Es entsteht eine wellenartige Bewegung, die einen pulsierenden Massenstrom hervorruft, der zu mechanischen und thermischen Belastungen der Wasserabscheideelemente und auch der nachgeschalteten Überhitzerrohre führen kann. Um dies zu vermeiden, sollten Maßnahmen gegen die weitere Fortpflanzung der Turbulenzen aus den Verdampferrohren in die T-Stück-Wasserabscheideelemente und die nachgelagerten Überhitzerrohre getroffen werden. Dabei sollte dies noch vor Eintritt des Wasser-Dampf- Gemisches in die T-Stück-Wasserabscheideelemente geschehen. Dazu ist in vorteilhafter Ausgestaltung in den Einströmrohrstücken einer Anzahl von Wasserabscheideelementen jeweils ein Strömungsturbulenzdämpfer vorgesehen .
Die Turbulenzen im Rohrsystem entstehen unter anderem da- durch, dass zwei unterschiedliche Phasen des Strömungsmediums parallel zueinander durch das Rohrsystem strömen. An der Grenzfläche der beiden Phasen treten bei stark unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten Wirbel auf, die zu einer schnellen lokalen Verschiebung der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen in Form einer wellenartigen Bewegung führen.
Bei besonders starker turbulenter Strömung können diese Wellen so groß werden, dass sie den gesamten Rohrquerschnitt verschließen, und es entstehen so genannte Slugs, d. h. Bereiche mit unverdampftem Strömungsmedium und großer Masse, in Abwechslung mit hauptsächlich von Dampf ausgefüllten Bereichen, mit einer wesentlich geringeren Masse. Diese Slugs er- zeugen eine pulsartige mechanische Belastung des gesamten Rohrsystems. Um diese Slugs gezielt zu zerstören und eine gleichförmige Strömung wieder herzustellen, umfassen die Strömungsturbulenzdämpfer in vorteilhafter Ausgestaltung jeweils eine Anzahl von Schotten, die jeweils einen Teil des Rohrquerschnitts verschließen. Die Slugs brechen sich an den Schotten, ein Teil des Wassers wird zurückgehalten und auf den dem Slug nachfolgenden, hauptsächlich von Dampf dominierten Bereich verteilt. Somit erfolgt eine Glättung der Wellen, und ein pulsationsfreier Betrieb wird durch Glättung der WeI- lenbewegungen hergestellt.
Um die für die Brechung der Slugs notwendigen Bauteile funktionsgerecht in den den Wasserabscheideelementen vorgeschalteten Rohren anzuordnen, sollte die Schwingungsrichtung der in den Strömungsturbulenzdämpfern einlaufenden Wellenbewegungen bekannt und vorhersagbar sein. Insbesondere sollten mögliche Drallbewegungen des einströmenden Wasser-Dampf-Gemisches unterdrückt werden, da diese die Wirkungsweise der Strömungsturbulenzdämpfer behindern könnten. Dazu umfassen die Strömungsturbulenzdämpfer an der Rohrinnenwand vorteilhafterweise eine Anzahl von in Hauptströmungsrichtung des Strömungsmediums ausgerichteten Führungsprofilen. Durch die Führungsprofile wird eine evtl. Drallbewegung des Wasserdampfgemisches gestoppt und das Wasserdampfgemisch wird in einer derartigen geometrischen Lage in die Strömungsturbulenzdämpfer eingebracht, dass diese ihre Aufgabe zweckgemäß erfüllen können.
Um eine besonders einfache Konstruktion der Strömungsturbu- lenzdämpfer zu ermöglichen, können die Strömungsturbulenzdämpfer direkt bei der Herstellung der Rohre eingebracht werden. Dazu sind die Strömungsturbulenzdämpfer vorteilhafterweise aus einem Werkstoff mit einer dem Rohrmaterial gleichen oder ähnlichen Zusammensetzung hergestellt. Dies verhindert zudem eine zu hohe mechanische Beanspruchung der Rohre, die bei unterschiedlichen Materialien für Rohre und Strömungsturbulenzdämpfer und/oder die Führungsprofile durch die unter- schiedlichen thermischen Ausdehnungseigenschaften entstehen würden .
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die dampfseitige Anordnung eines zusätz- liehen Verteilerelements zwischen dem jeweiligen Wasserabscheideelement und dem Eintrittssammler der nachgeschalteten Überhitzerheizflächen eine Gleichverteilung des Strömungsmediums auf die Überhitzerrohre auch bei einer wesentlich geringeren Anzahl von Wasserabscheideelementen erzielt wird. Durch diese Maßnahmen wird die Reduzierung der Anzahl von
Wasserabscheideelementen überhaupt erst ermöglicht. Dies bedeutet einen wesentlich geringeren Fertigungsaufwand und eine vergleichsweise geringere Komplexität des Rohrsystems des Abhitzedampferzeugers und es ist eine besonders hohe betriebli- che Flexibilität auch im Anfahr- oder Schwachlastbetrieb erreichbar .
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 den Verdampfer eines Abhitzedampferzeugers mit horizontalem Rauchgaspfad in seitlicher Ansicht,
FIG 2 den Verdampfer eines Abhitzedampferzeugers aus
FIG 1 in der Aufsicht, FIG 3 den Verdampfer eines Abhitzedampferzeugers aus den FIG 1 und 2 in Richtung des Rauchgaspfades gesehen,
FIG 4 den Verdampfer eines Abhitzedampferzeugers mit vertikalem Rauchgaspfad in seitlicher Ansicht, und
FIG 5 ein T-Stück-Wasserabscheideelement.
Gleiche Teile sind allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen . Die FIG 1 zeigt die schematische Darstellung eines Abhitzedampferzeugers 1 mit horizontalem Rauchgaspfad. Das Strömungsmediums M wird in das Rohrsystem von einer nicht näher gezeigten vorgeschalteten Förderpumpe eingespeist. Zunächst strömt es dabei in eine Anzahl von Verdampfereintrittssammlern 2, die für die Verteilung des Strömungsmediums M auf vier Verdampferheizflachen mit Verdampferrohren 4 sorgen, in denen dann eine Verdampfung des Strömungsmediums erfolgt. Gegebenenfalls können auch weitere Verdampferheizflachen vorge- schaltet sein oder die Heizflächen können in verschiedenen geometrischen Ausgestaltungen im Heizgaskanal angeordnet sein .
Jeweils eine Anzahl von Verdampferrohren 4 mündet in einen über einen ersten Verdampferaustrittssammler 6 und einen zweiten Austrittssammler 8 in ein gemeinsames Übergangsrohrstück 10, dem das T-Stück-Wasserabscheideelement 12 nachgeschaltet ist. Das T-Stück-Wasserabscheideelement umfasst ein Einströmrohrstück 14, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück 16 übergeht, wobei im Übergangsbereich ein Abströmrohrstück 18 abzweigt. Das Wasserableitrohrstück 16 mündet in eine Abschlämmleitung 20, der ein außerhalb des Rauchgaskanals angeordneter Sammelbehälter 22 nachgeschaltet ist. An den Sammelbehälter 22 ist ein Auslassven- til 24 angeschlossen, über das das abgeschiedene Wasser entweder verworfen oder erneut dem Verdampfungskreislauf zugeführt werden kann.
Im T-Stück-Wasserabscheideelement 12 tritt Strömungsmedium M durch das Einströmrohrstück 14 ein. Das anteilige Wasser W fließt bedingt durch seine Massenträgheit in das in Längsrichtung folgende Wasserableitrohrstück 16. Der Dampf D hingegen folgt aufgrund seiner geringeren Masse der durch die Druckverhältnisse aufgezwungenen Umlenkung in das Abström- rohrstück 18. Dem Abströmrohrstück 18 sind die Überhitzerrohre 26 in zwei Überhitzerheizflächen über einen Überhitzereintrittssammler 28 nachgeschaltet. Die Überhitzerrohre 26 münden schließlich in einem Überhitzeraustrittssammler 30. Der Dampf D wird dort gesammelt und durch den Dampfauslass 32 seiner weiteren Verwendung zugeführt; üblicherweise ist eine in der FIG 1 nicht näher gezeigte Vorrichtung wie beispielsweise eine Dampfturbine vorgesehen.
Bedarfsweise kann das Auslassventil 24 geschlossen werden und so eine Überspeisung der T-Stück-Wasserabscheideelemente 12 herbeigeführt werden. Dabei tritt noch unverdampftes Wasser W in die Überhitzerrohre 26 ein, so dass diese noch zur weite- ren Verdampfung genutzt werden können, d. h., der Verdampfungsendpunkt kann in die Überhitzerrohre hineinverlagert werden, was eine vergleichsweise höhere Flexibilität im Betrieb des Abhitzedampferzeugers 1 ermöglicht.
Um eine besonders einfache Konstruktion des Abhitzedampferzeugers 1 zu ermöglichen, sollte eine vergleichsweise geringere Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen 12 verwendet werden. Um die dadurch entstehenden Inhomogenitäten hinsichtlich der Verteilung auf die Überhitzerrohre auszu- gleichen und somit eine derartige Ausgestaltung überhaupt erst zu ermöglichen, sind den T-Stück-Wasserabscheideelementen Verteilerelemente 34 in der Art von Sternverteilern zwischengeschaltet. Diese sorgen für eine Vorverteilung des Strömungsmediums M im Falle einer Überspeisung der T-Stück- Wasserabscheideelemente 12 auf die Überhitzereintrittssammler Δ O QO .
Die Funktionsweise der Verteilerelemente 34 in Form von Sternverteilern wird in der Aufsicht des Abhitzedampferzeu- gers 1 gemäß FIG 2 ersichtlich. Weiterhin erkennbar sind die ersten und zweiten Verdampferaustrittssammler 6, 8, weiterhin die T-Stück-Wasserabscheideelemente 12, die Abschlämmleitung 20 und der Sammelbehälter 22.
In den als Sternverteiler ausgebildeten Verteilerelementen 34 trifft das Strömungsmedium M auf eine kreisförmige Prallplatte und prallt von dort in sternförmig, konzentrisch-symmetrisch angeordnete Ausgangsrohre 36. Durch die symmetrische Anordnung der im gezeigten Ausführungsbeispiel acht Ausgangsrohre 36 wird dabei jedem Ausgangsrohr 36 etwa die gleiche Menge an Strömungsmedium M zugeteilt. Diese münden in gleichen Abständen in die Überhitzereintrittssammler 28, so dass bereits eine Vorverteilung des Strömungsmediums M auf die gesamte Breite der Überhitzereintrittssammler 28 erfolgt.
Die weitere Einleitung aus dem Überhitzereintrittssammler 28 in die Überhitzerrohre 26 wird anhand von FIG 3 deutlich, die den Abhitzedampferzeugers 1 aus Richtung des Rauchgaseinlasses zeigt. Erkennbar sind der zweite Verdampferaustrittssammler 8, weiterhin die T-Stück-Wasserabscheideelemente 12, die Abschlämmleitung 20, der Sammelbehälter 22 mit dem Auslassventil 24, weiterhin die Verteilerelemente 34 mit den Ab- Strömrohren 36, welche in die Überhitzereintrittssammler 28 münden .
FIG 3 zeigt dabei deutlich die Vorteile der Vorverteilung: Durch die Verteilerelemente 34 wird das Strömungsmedium M über die jeweils acht Ausgangsrohre bereits homogen über die gesamte Breite jedes Überhitzereintrittssammlers 28 verteilt. Bei einer direkten Einleitung des Strömungsmediums M über eine einzige Leitung pro T-Stück-Wasserabscheideelement 12 würde das Strömungsmedium M in den Überhitzereintrittssammlern 28 nicht gleichmäßig verteilt werden können, da diese aufgrund der Breite der Überhitzerheizfläche nicht für eine derartige homogene Verteilung aus beispielsweise einer einzigen Zuleitung geeignet sind.
FIG 4 zeigt eine alternative Ausführungsform, nämlich einen Abhitzedampferzeuger 1 mit vertikaler Rauchgasrichtung in seitlicher Ansicht. Die Bauteile und deren Funktion sind im Wesentlichen identisch zu dem in den FIG 1 bis 3 gezeigten Dampferzeuger, lediglich die Verdampferrohre 4 und die Über- hitzerrohre 26 sind horizontal angeordnet. Die Verdampferrohre 4 sind in Windungen mehrfach durch den Heizgaskanal geführt. Durch die geringere Anzahl von T-Stück-Wasserabscheideelementen 12 ist jedes einzelne dieser Elemente vergleichsweise größer dimensioniert. Um eine vergleichsweise hohe mechanische Belastung dieser T-Stück-Wasserabscheideelemente und der ihnen nachgeschalteten Überhitzerrohre 4 bei einer derart höheren Beaufschlagung mit Strömungsmedium M zu vermeiden, sind in einem den T-Stück-Wasserabscheideelementen 12 vorgeschalteten Bereich Strömungsturbulenzdämpfer 38 vorgesehen. Diese können beispielsweise in einem Auslassbereich der Verdampfer- röhre 4 angebracht sein, im gezeigten Ausführungsbeispiel sind sie im Einströmrohrstück 14 des T-Stück-Wasserabscheideelements 12 eingebracht, das gesondert in FIG 5 gezeigt ist.
Die Strömungsturbulenzdämpfer 38 können beispielsweise eine Anzahl von Schotten oder Führungsprofilen umfassen, welche aus dem gleichen Material wie das Einströmrohrstück 14 gefertigt sein kann. Sie können weiterhin hinsichtlich ihrer geometrischen Parameter an die im Betrieb vorgesehenen lokalen Strömungsverhältnisse angepasst sein.
Durch den Strömungsturbulenzdämpfer 38 werden Slugs und andere turbulente Strömungen vermindert und die mechanische Belastung der nachgeschalteten Bauteile verringert. Insbesondere in den senkrecht abknickenden Bereichen des Abströmrohr- Stücks 18 und des Wasserableitrohrstücks 16 ist somit ein pulsationsfreier Betrieb auch bei einer vergleichsweise großen Dimensionierung der T-Stück-Wasserabscheideelemente 12 möglich .

Claims

Patentansprüche
1. Abhitzedampferzeuger (1) mit einer Anzahl von strömungs- mediumsseitig parallel geschalteten Verdampferrohren (4), de- nen über ein Wasserabscheidesystem eine Anzahl von Überhitzerrohren (26) nachgeschaltet ist, wobei das Wasserabscheidesystem eine Anzahl von Wasserabscheideelementen (12) umfasst, von denen jedes jeweils einer Anzahl von Verdampferrohren (4) nachgeschaltet und/oder einer Anzahl von Überhitzerrohren (26) vorgeschaltet ist, wobei jedes der Wasserabscheideelemente (12) ein mit den jeweils vorgeschalteten Verdampferrohren (4) verbundenes Einströmrohrstück (14) umfasst, das in seiner Längsrichtung gesehen in ein Wasserableitrohrstück (16) übergeht, wobei im Übergangsbereich eine Anzahl von Ab- strömrohrstücken (18) abzweigt, die mit einem Eintrittssammler (28) der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre (26) verbunden sind, und wobei dampfseitig zwischen dem jeweiligen Wasserabscheideelement (12) und dem Eintrittssammler (28) ein Verteilerelement (34) angeordnet ist.
2. Abhitzedampferzeuger (1) nach Anspruch 1, bei dem die geometrischen Parameter einer Anzahl von Ausgangsrohren (36) des jeweiligen Verteilerelements (34) derart gewählt sind, dass eine homogene Strömungsverteilung auf den Eintrittssamm- ler (28) der jeweils nachgeschalteten Überhitzerrohre (26) gewährleistet ist.
3. Abhitzedampferzeuger (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das jeweilige Verteilerelement (34) eine Prallplatte, ein senkrecht zur Prallplatte angeordnetes Eingangsrohr und eine Anzahl von sternförmig um die Prallplatte in deren Ebene angeordneten Ausgangsrohre (36) umfasst.
4. Abhitzedampferzeuger (1) nach Anspruch 3, bei dem die Prallplatte kreisförmig ist und die Ausgangsrohre (36) konzentrisch zur Mitte der Prallplatte in gleichen Abständen zu den jeweiligen benachbarten Ausgangsrohren (36) angeordnet sind.
5. Abhitzedampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
4, bei dem das jeweilige Verteilerelement (34) zwischen fünf und 20 Ausgangsrohre (36) umfasst.
6. Abhitzedampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
5, bei dem in den Einströmrohrstücken (14) einer Anzahl von Wasserabscheideelementen (12) jeweils ein Strömungsturbulenzdämpfer (38) vorgesehen ist.
7. Abhitzedampferzeuger (1) nach Anspruch 6, bei dem der
Strömungsturbulenzdämpfer (38) jeweils eine Anzahl von Schotten umfasst, die jeweils einen Teil des Rohrquerschnitts verschließen .
8. Abhitzedampferzeuger (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Strömungsturbulenzdämpfer (38) an der Rohrinnenwand eine Anzahl von in Hauptströmungsrichtung des Strömungsmediums ausgerichteten Führungsprofilen aufweist.
9. Abhitzedampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 6 bis
8, bei dem die Strömungsturbulenzdämpfer (38) aus einem Werkstoff mit einer dem Rohrmaterial gleichen oder ähnlichen Zusammensetzung hergestellt sind.
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