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Dokumentenidentifikation DE19548806C2 26.03.1998
Titel Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Dampf mit überkritischen Dampfparameter in einem Durchlaufdampferzeuger
Anmelder EVT Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, 70329 Stuttgart, DE
Erfinder Kessel, Werner, 78262 Gailingen, DE;
Krogmann, Uwe, 74385 Pleidelsheim, DE;
Weissinger, Gerhard, 73257 Köngen, DE
DE-Anmeldedatum 27.12.1995
DE-Aktenzeichen 19548806
Offenlegungstag 22.08.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.03.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.03.1998
IPC-Hauptklasse F22B 29/06

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung von Dampf mit überkritischen Dampfparameter in einem Durchlaufdampferzeuger mit mindestens einem Gaszug, der aus gasdichten Umfassungsrohrwänden und aus einer Brennkammer mit Brennern für fossilen Brennstoff und mindestens einer der Brennkammer rauchgasseitig nachgeschaltete Konvektionskammer mit Konvektionsheizflächen und mindestens einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche ausgebildet ist, wobei ein Arbeitsmedium die Umfassungsrohrwände durchströmt und am Übergang vom Verdampfer- zum Überhitzerteil der Umfassungsrohrwände durch eine Dampf-Trenneinrichtung geleitet wird.

Ein derartiger Durchlaufdampferzeuger ist aus der Druckschrift "Die Dampferzeuger der 800-MW- Blöcke im GKW Schwarze Pumpe" - BWK-Bd. 46 (1994) Nr. 1/2 bekanntgeworden.

Ein weiterer Durchlaufdampferzeuger mit einer Dampftrenneinrichtung ist aus der Druckschrift DE 42 27 457 A1 bekanntgeworden.

Der zunehmende Wunsch, Durchlaufdampferzeuger der gattungsgemäßen Art mit verbessertem Prozeßwirkungsgrad zu betreiben, um einerseits CO&sub2;-Emissionen zu vermindern und andererseits durch große Einheitsleistungen niedrige spezifische Investitionskosten zu erzielen, führen unter anderem zu einer Steigerung der Dampfparameter. Dabei werden die Dampftemperatur und der Dampfdruck im Dampfprozeß vor der Turbine erhöht.

Bei der praktischen Durchführung der Erhöhung des Prozeßwirkungsgrades zeigt sich jedoch nachteilig, daß die erhöhte Dampftemperatur zuzüglich eines ggf. erforderlichen Temperaturzuschlages am Austritt des Arbeitsmediums aus den Umfassungsrohrwänden des Durchlaufdampferzeugers oberhalb der zulässigen Materialtemperatur der zur Zeit einsetzbaren Rohrwerkstoffe der Umfassungsrohrwand zu liegen kommt.

Es sind bereits Überlegungen angestellt worden, neue Werkstoffe mit höheren zulässigen Materialtemperaturen für die Umfassungsrohrwände zu entwickeln. Dies setzt jedoch ein zeitaufwendiges Entwicklungsstadium mit anschließenden Prüfungs- und Genehmigungsverfahren zum Einbau solcher neuen Rohrwerkstoffe in Durchlaufdampferzeugern voraus, die somit bei sofortigem bzw. mittelfristigem Bedarf noch nicht zur Verfügung stehen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung von Dampf mit überkritischen Dampfparameter in einem Durchlaufdampferzeuger anzugeben, das bzw. die die vorgenannten Nachteile vermeidet und eine Steigerung des Prozeßwirkungsgrades durch Anheben der Dampfparameter erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ergeben sich die folgenden Vorteile:

  • 1. Weitere Erhöhung des Dampferzeuger-Prozeßwirkungsgrades durch Erhöhung der Dampfparameter, unter
  • 2. Einhaltung der anlagenspezifischen Brennkammerendtemperatur und der zulässigen Materialtemperatur der zur Zeit einsetzbaren Umfassungsrohrwand-Werkstoffe.


Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen und der Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 Schematische Darstellung eines Durchlaufdampferzeugers im Längsschnitt entsprechend eines Standes der Technik,

Fig. 2 Schematische Darstellung eines Durchlaufdampferzeugers im Längsschnitt entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung,

Fig. 3 wie Fig. 2, jedoch mit alternativem Wärmetauscher,

Fig. 4 wie Fig. 2, jedoch alternative Ausführung.

Die Durchlaufdampferzeuger 1 nach Fig. 1 bis 4 haben beispielhaft einen vertikalen Gaszug 2.

Sie können jedoch auch mit zwei vertikalen Gaszügen, die miteinander mit einem horizontalen Gaszug verbunden sind, ausgebildet sein.

Der vertikale Gaszug 2 weist unten einen trichterförmigen Boden 22 auf, wie er für kohlebefeuerte Dampferzeuger üblich ist. Der Boden 22 kann jedoch auch eben ausgeführt sein, wie er für gas- oder ölbefeuerte Dampferzeuger üblich ist. Die Rauchgasaustrittsöffnung 21 befindet sich beim Durchlaufdampferzeuger 1 mit einem vertikalen Gaszug 2 nach Fig. 1 bis 4 oben. Der vertikale Gaszug 2, der im wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wird aus gasdichten

Umfassungsrohrwänden 3 und aus einer Brenn- bzw. Strahlungskammer 4 mit Brennern für fossilen Brennstoff und eine der Brennkammer 4 rauchgasseitig nachgeschaltete Konvektionskammer 5 mit Konvektions-Heizflächen 7 und mindestens einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche 8 ausgebildet. Bei Durchlaufdampferzeugern 1 mit zwei vertikalen Gaszügen können die vorgenannten Heizflächen 7 und 8 teilweise oder ganz im zweiten vertikalen Gaszug sowie im verbindenden horizontalen Gaszug liegen.

Ein Arbeitsmedium, das durch die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in der Brennkammer 4 frei werdende Wärme erhitzt wird, durchströmt die Rohre der Umfassungsrohrwände 3 vom Eintritt 9 zum Austritt 10 hin. Das Arbeitsmedium durchströmt dabei entsprechend der Fig. 1, die einen bekannten Stand der Technik aufzeigt, zuerst den Verdampferteil der Umfassungsrohrwande 3, bevor es am Übergang 11 der Umfassungsrohrwände 3 vom Verdampfer - zum Überhitzerteil durch eine Dampf-Trenneinrichtung 14 und der darin abgetrennte, überhitzte Dampf in den Überhitzerteil der Umfassungsrohrwände 3 geleitet wird. Der Verdampferteil der Umfassungsrohrwände 3 weist eine Schrägberohrung auf, er kann jedoch auch wie der Überhitzerteil eine Vertikalberohrung aufweisen. Ferner kann auch der Überhitzerteil der Umfassungsrohrwand 3 nach der Trennstelle 11 eine gewickelte Berohrung aufweisen. Das Arbeitsmedium gelangt vom Austritt 10 durch nicht dargestellte Leitungen in ein oder mehrere Konvektions-Heizflächen 7 und nachfolgend in eine Dampfturbine 19. Das auf einen niedrigeren Druck entspannte Arbeitsmedium wird in einer oder mehreren Zwischenüberhitzer-Heizflächen 8 auf höhere Temperatur gebracht und einer nicht dargestellten Dampfturbine zugeführt. Eine ECO-Heizfläche 23 kann dem Verdampferteil der Umfassungsrohrwände 3 arbeitsmediumströmungsseitig vorgeschaltet sein.

Als Werkstoffe für die Rohrprofile der Umfassungsrohrwände 3 werden hochwarmfeste Materialien, wie z. B. 13 CrMo 44, das je nach Rohrdurchmesser und Berechnungsdruck eine zulässige Materialtemperatur bis ca. 530°C besitzt, eingesetzt.

Bei Erhöhung der Dampfparameter des Durchlaufdampferzeugers 1 entsprechend Fig. 1 zur Erzielung eines höheren Prozeßwirkungsgrades übersteigt die Dampftemperatur des überhitzten Dampfes zuzüglich eines ggf. erforderlichen Temperaturzuschlages am Austritt 10 der Umfassungsrohrwände 3 die maximal zulässige Materialtemperatur der Umfassungsrohrwände 3 bei gleichzeitiger Einhaltung der zulässigen, anlagenspezifischen Rauchgastemperatur am Brennkammerende.

Um eine Erhöhung der Dampfparameter bei gleichzeitiger Einhaltung der zulässigen anlagenspezifischen Rauchgastemperatur am Brennkammerende sowie gleichzeitiger Verwendung der zur Zeit eingesetzten Umfassungsrohrwand-Werkstoffe zu erzielen, wird bei einem erfindungsgemäßen Durchlaufdampferzeuger 1 gemäß Fig. 2-4 eine Wärmeverschiebung aus den Umfassungsrohrwänden 3 zur Zwischenüberhitzer-Heizfläche 8 hin bewerkstelligt. Damit ist es ermöglicht, überhitzten Dampf über den Austritt 10 der Umfassungsrohrwände 3 zu führen, dessen Temperatur unterhalb der zulässigen Materialtemperatur liegt.

Aus dem erfindungsgemäßen Durchlaufdampferzeuger 1 gemäß Fig. 2-4 wird dabei Arbeitsmedium an einer beliebigen Trennstelle 15 aus den Umfassungsrohrwänden 3 eines Gaszuges 2 herausgeleitet, ein Teil seiner Wärmeenergie durch mittelbaren Wärmetausch an das von einer nicht dargestellten Dampfturbine 19 kommende und in einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche 8 zu erhitzende Arbeitsmedium abgegeben und nach dem Wärmetausch an der Trennstelle 15 in die Umfassungsrohrwände 3 zurückgeleitet.

An der Trennstelle 15, die im wesentlichen auf einer horizontalen Ebene über mindestens einen Teilbereich einer Wand, vorzugsweise über sämtliche Wände der Umfassungsrohrwand 3 verläuft, wird das von unten nach oben strömende Arbeitsmedium in einem oder mehreren Mitteln 24, die z. B. Sammler sein können, vereint und gesammelt und durch mindestens eine Trennstellen-Austrittsleitung 16 mindestens einem Wärmetauscher, der ein externer Zweistrom-Wärmetauscher 18 gemäß Fig. 2 sein kann, zugeführt. Nach erfolgtem Wärmetausch wird das Arbeitsmedium durch mindestens eine Trennstellen-Eintrittsleitung 17 und durch ein oder mehrere Mittel 25, die z. B. Verteiler sein können, gleichmäßig verteilt in die Umfassungsrohrwand 3 eingeleitet, um nachfolgend weiter erhitzt zu werden.

Das an der Trennstelle 15 herausgeleitete Arbeitsmedium kann jedoch einen Teil seiner Wärmeenergie auch in mindestens einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche 8, die als Triflux-Wärmetauscher 20 gemäß Fig. 3 ausgebildet ist, abgeben.

Die Trennstelle 15 der Umfassungsrohrwände 3, die bevorzugt arbeitsmediumströmungsseitig stromabwärts vom Übergang 11 der Umfassungsrohrwand 3 von Verdampfer- zu Überhitzerteil im Bereich der Brennkammer 4 ausgebildet ist, kann jedoch auch stromaufwärts des Überganges 11 ausgebildet sein, sowie auch identisch mit dem Übergang 11 sein, wie Fig. 4 zeigt. Dabei wird das Arbeitsmedium durch mindestens eine Austrittsleitung 12 in eine Dampf-Trenneinrichtung 14 und der darin abgetrennte, überhitzte Dampf durch mindestens eine Eintrittsleitung 13 und durch mindestens einen externen Zweistrom-Wärmetauscher 18, in dem ein Teil der Wärmeenergie des überhitzten Dampfes durch mittelbaren Wärmetausch an das von der nicht dargestellten Dampfturbine 19 kommende und in einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche 8 zu erhitzende Arbeitsmedium abgegeben wird, in die Umfassungsrohrwände 3 zurückgeleitet. Anstelle im externen Zweistrom-Wärmetauscher 18 kann der Wärmetausch auch in mindestens einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche 8, die als Triflux-Wärmetauscher 20 ausgebildet ist, erfolgen.

Die Wärmeaufnahme des Arbeitsmediums in den Umfassungsrohrwänden 3 einschließlich der erfindungsgemäßen Wärmeverschiebung an der Trennstelle 15 in die Zwischenüberhitzer-Heizflächen 8 kann vorzugsweise dermaßen ausgelegt werden, daß am Austritt 16 der Trennstelle 15 und am Austritt 10 der Umfassungsrohrwände 3 die Temperatur des Arbeitsmediums zuzüglich eines ggf. erforderlichen Temperaturzuschlages 0-50 K unterhalb der zulässigen Materialtemperatur der Umfassungsrohrwände 3 bleibt. Bei den zur Zeit einsetzbaren Rohrwerkstoffen, z. B. 13 CrMo 44, soll die Temperatur des Arbeitsmediums an den Austritten 16 und 10 vorzugsweise bei 445-495°C liegen. Liegt jedoch Austritt 16 nicht im überwiegend konvektiven Wärmeübergangsbereich, sondern im Bereich, in dem überwiegend Wärmeaustausch durch Strahlung erfolgt, so soll die Temperatur des Arbeitsmediums bei Verwendung des vorgenannten beispielhaften Werkstoffs vorzugsweise bei 430-480°C liegen. Bei den vorgenannten Beispielen wurden die nach TRD vorgeschriebenen Temperaturzuschläge berücksichtigt, die nachfolgend beschrieben sind.

Bei der Berechnung von Dampferzeugerrohrwänden werden neben den ermittelten Arbeitsmediumtemperaturen ggf. Temperaturzuschläge berücksichtigt. Diese richten sich im allgemeinen nach nationalen Vorschriften, wie z. B. TRD, ANSI oder ASME. Für die Auslegung dampfdurchströmter Heizflächen sind z. B. nach TRD im konvektiven Bereich ein Temperaturzuschlag von im wesentlichen 35 K und im Strahlungsbereich ein Temperaturzuschlag von im wesentlichen 50 K vorgesehen. Legende 1 Durchlaufdampferzeuger

2 Gaszug

3 Umfassungsrohrwand

4 Brenn- bzw. Strahlungskammer

5 Konvektionskammer

6 -

7 Konvektions-Heizfläche

8 Zwischenüberhitzer-Heizfläche

9 Umfassungsrohrwand-Eintritt

10 Umfassungsrohrwand-Austritt

11 Übergang der Umfassungsrohrwand von Verdampfer- zum Überhitzerteil

12 Übergang-Austrittsleitung

13 Übergang-Eintrittsleitung

14 Dampf-Trenneinrichtung

15 Trennstelle Umfassungsrohrwand

16 Trennstelle Umfassungsrohrwand-Austrittsleitung

17 Trennstelle Umfassungsrohrwand-Eintrittsleitung

18 Zweistrom-Wärmetauscher

19 Dampfturbine

20 Triflux-Wärmetauscher

21 Rauchgasaustrittsöffnung

22 Boden des Gaszuges

23 ECO-Heizfläche

24 Mittel zum Sammeln des Arbeitsmediums

25 Mittel zum Verteilen des Arbeitsmediums


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Erzeugung von Dampf mit überkritischen Dampfparameter in einem Durchlaufdampferzeuger mit mindestens einem Gaszug, der aus gasdichten Umfassungsrohrwänden und aus einer Brennkammer mit Brennern für fossilen Brennstoff und mindestens eine der Brennkammer rauchgasseitig nachgeschaltete Konvektionskammer mit Konvektions-Heizflächen und mindestens einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche ausgebildet ist, wobei ein Arbeitsmittel die Umfassungsrohrwände durchströmt und am Übergang vom Verdampfer- zum Überhitzerteil der Umfassungsrohrwände durch eine Dampf-Trenneinrichtung geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arbeitsmedium an einer Trennstelle (15) aus den Umfassungsrohrwänden (3) eines Gaszuges (2) herausgeleitet wird, einen Teil seiner Wärmeenergie durch mittelbaren Wärmetausch an das von einer Dampfturbine (19) kommende und in mindestens einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche (8) zu erhitzende Arbeitsmedium abgibt und nach dem Wärmetausch an der Trennstelle (15) in die Umfassungsrohrwände (3) zurückgeleitet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle (15) arbeitsmediumströmungsseitig stromabwärts des Überganges (11) vom Verdampfer- zum Überhitzerteil der Umfassungsrohrwände (3) liegt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle (15) arbeitsmediumströmungsseitig stromaufwärts des Überganges (11) vom Verdampfer- zum Überhitzerteil der Umfassungsrohrwände (3) liegt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium an einer Trennstelle (15), die identisch ist mit dem Übergang (11) vom Verdampfer- zum Überhitzerteil der Umfassungsrohrwände (3), aus den Umfassungsrohrwänden (3) des Gaszuges (2) herausgeleitet, durch eine Dampf-Trenneinrichtung (14) geführt und nachfolgend einen Teil seiner Wärmeenergie durch mittelbaren Wärmetausch an das von einer Dampfturbine (19) kommende und in einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche (8) zu erhitzende Arbeitsmedium abgibt und nach dem Wärmetausch an der Trennstelle (15) in die Umfassungsrohrwände (3) zurückgeleitet wird.
  5. 5. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Wärmetausch in mindestens einem externen Zweistrom-Wärmetauscher (18) stattfindet.
  6. 6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetausch in mindestens einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche (8) stattfindet, die als Triflux-Wärmetauscher (20) ausgebildet ist.
  7. 7. Durchlaufdampferzeuger mit mindestens einem Gaszug, der aus gasdichten Umfassungsrohrwänden und aus einer Brennkammer mit Brennern für fossilen Brennstoff und mindestens einer der Brennkammer rauchgasseitig nachgeschalteten Konvektionskammer mit Konvektions-Heizflächen und mindestens einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche ausgebildet ist, wobei ein Arbeitsmittel die Umfassungsrohrwände durchströmt und am Übergang vom Verdampfer- zum Überhitzerteil der Umfassungsrohrwände durch eine Dampf-Trenneinrichtung geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Trennstelle (15) an den Umfassungsrohrwänden (3) eines Gaszuges (2) das Arbeitsmedium durch mindestens eine Austrittsleitung (16) mindestens einem Mittel zum mittelbaren Wärmetausch zugeführt wird, darin einen Teil seiner Wärmeenergie an ein von einer Dampfturbine (19) kommendes und in mindestens einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche (8) zu erhitzendes Arbeitsmedium abgibt und durch mindestens eine Eintrittsleitung (17) an der Trennstelle (15) in die Umfassungsrohrwände (3) geleitet wird.
  8. 8. Durchlaufdampferzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle (15) arbeitsmediumströmungsseitig stromabwärts des Überganges (11) von Verdampfer- zum Überhitzerteil der Umfassungsrohrwände (3) liegt.
  9. 9. Durchlaufdampferzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle (15) arbeitsmediumströmungsseitig stromaufwärts des Überganges (11) von Verdampfer- zum Überhitzerteil der Umfassungsrohrwände (3) liegt.
  10. 10. Durchlaufdampferzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle (15) mit dem Übergang (11) vom Verdampfer- zum Überhitzerteil der Umfassungsrohrwände (3) identisch ist und das Arbeitsmedium durch mindestens eine Austrittsleitung (12) einer Dampf-Trenneinrichtung (14) zugeführt wird, wobei der hiervon weitergeführte Dampf mindestens einem Mittel zum mittelbaren Wärmetausch zugeführt wird, darin einen Teil seiner Wärmeenergie an ein von einer Dampfturbine (19) kommendes und in mindestens einer Zwischenüberhitzer-Heizfläche (8) zu erhitzendes Arbeitsmedium abgibt und durch mindestens eine Eintrittsleitung (13) an der Trennstelle (15) in die Umfassungsrohrwände (3) geleitet wird.
  11. 11. Durchlaufdampferzeuger nach mindestens einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Wärmetausch mindestens ein externer Zweistrom-Wärmetauscher (18) eingesetzt ist.
  12. 12. Durchlaufdampferzeuger nach mindestens einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Wärmetausch mindestens ein Triflux-Wärmetauscher (20) eingesetzt ist, der als Zwischenüberhitzer-Heizfläche (8) ausgebildet ist.
  13. 13. Durchlaufdampferzeuger nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen in einer horizontalen Ebene verlaufende Trennstelle (15) über mindestens einen Teilbereich einer Wand der Umfassungsrohrwände (3) verläuft.
  14. 14. Durchlaufdampferzeuger nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß arbeitsmediumsströmungsseitig der Austrittsleitung (12,16) mindestens ein Mittel (24) zum Sammeln des Arbeitsmediums vorgeschaltet und der Eintrittsleitung (13, 17) mindestens ein Mittel (25) zum Verteilen des Arbeitsmediums nachgeschaltet ist.






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