FRANKE, Joachim (An der Fleischbrücke 1, Nürnberg, 90403, DE)
SCHLUND, Gerhard (Pretzfelder Str. 28, Nürnberg, 90425, DE)
BRÜCKNER, Jan (Habernhofer Weg 30, Uttenreuth, 91080, DE)
FRANKE, Joachim (An der Fleischbrücke 1, Nürnberg, 90403, DE)
SCHLUND, Gerhard (Pretzfelder Str. 28, Nürnberg, 90425, DE)
| Patentansprüche 1. Durchlaufverdampfer (1) für einen Abhitzedampferzeuger (2) in liegender Bauweise mit einer ersten Verdampferheizflache (8), die eine Anzahl von im Wesentlichen vertikal angeordneten, von unten nach oben durchströmten ersten Dampferzeugerrohren (13) umfasst, und einer weiteren, der ersten Verdampferheizflache (8) strömungsmediumsseitig nachgeschalteten zweiten Verdampferheizflache (10), die eine Anzahl von weiteren, im Wesentlichen vertikal angeordneten, von unten nach oben durchströmten zweiten Dampferzeugerrohren (14) umfasst, wobei die zweiten Dampferzeugerrohre (14) derart ausgelegt sind, dass die sich im Volllastbetrieb einstellende mittlere Massenstromdichte in den zweiten Dampferzeugerrohren (14) eine vorgegebene Mindestmassenstromdichte nicht unterschreitet. 2. Durchlaufverdampfer (1) nach Anspruch 1, bei dem die vorgegebene Mindestmassenstromdichte 180 kg/m2s beträgt. 3. Durchlaufverdampfer (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Innendurchmesser der zweiten Dampferzeugerrohre (14) derart gewählt ist, dass die sich im Volllastbetrieb einstellende mittlere Massenstromdichte in den zweiten Dampferzeuger- röhren (14) die vorgegebene Mindestmassenstromdichte nicht unterschreitet . 4. Durchlaufverdampfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Innendurchmesser der zweiten Dampferzeugerrohre (14) einen anhand vorgegebener Betriebsparameter ermittelten Mindestdurchmesser nicht unterschreitet . 5. Durchlaufverdampfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Innendurchmesser der zweiten Dampferzeugerrohre (14) zwischen 20 und 40 mm beträgt. 6. Durchlaufverdampfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine Anzahl von zweiten Dampferzeugerrohren (14) einander heizgasseitig als Rohrreihen (11) hintereinander geschaltet sind. 7. Durchlaufverdampfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die erste Verdampferheizflache (8) der zweiten Verdampferheizflache (10) heizgasseitig nachgeschaltet ist. 8. Abhitzedampferzeuger (2) mit einem Durchlaufverdampfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7. 9. Abhitzedampferzeuger (2) nach Anspruch 8, dem heizgasseitig eine Gasturbine vorgeschaltet ist. |
Durchlaufverdampfer
Die Erfindung betrifft einen Durchlaufverdampfer für einen Abhitzedampferzeuger in liegender Bauweise mit einer ersten Verdampferheizflache, die eine Anzahl von im Wesentlichen vertikal angeordneten, von unten nach oben durchströmten ersten Dampferzeugerrohren umfasst, und einer weiteren, der ers- ten Verdampferheizflache strömungsmediumsseitig nachgeschalteten zweiten Verdampferheizflache, die eine Anzahl von weiteren, im Wesentlichen vertikal angeordneten, von unten nach oben durchströmten zweiten 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 Dampferzeugung und zur Dampfüberhitzung angeordnet ist. Die Heizflächen sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine geschaltet. Der Wasser-Dampf-Kreislauf umfasst üblicherweise mehrere, z. B. drei, Druckstufen, wobei jede Druckstufe eine Ver- dampferheizflache 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 beim Durchlauf durch die Verdampferrohre nur teilweise verdampft. Das dabei nicht verdampfte Wasser wird nach einer Abtrennung des erzeugten Dampfes für eine weitere Verdampfung denselben Verdampferrohren erneut zugeführt.
Ein Durchlaufdampferzeuger unterliegt im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung. Ein hoher Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermischen Wirkungsgrad und somit niedrige C02-Emissionen eines fossilbeheizten Kraftwerks. Zudem weist ein Durchlaufdampferzeuger im Vergleich zu einem Umlaufdampferzeuger eine einfache Bau- weise 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 als Abhitzedampferzeuger ausgelegter Durchlaufdampferzeuger kann grundsätzlich in einer von zwei alternativen Bauformen ausgeführt sein, nämlich in stehender Bauweise oder in liegender Bauweise. Ein Durchlaufdampferzeuger in liegender
Bauweise ist dabei für eine Durchströmung des beheizenden Mediums oder Heizgases, beispielsweise des Abgases aus der Gasturbine, in annähernd horizontaler Richtung ausgelegt, wohingegen ein Durchlaufdampferzeuger in stehender Bauweise für eine Durchströmung des beheizenden Mediums in einer annähernd vertikalen Richtung ausgelegt ist.
Ein Durchlaufdampferzeuger in liegender Bauweise ist im Gegensatz zu einem Durchlaufdampferzeuger in stehender Bauweise mit besonders einfachen Mitteln und mit besonders geringem
Fertigungs- und Montageaufwand herstellbar. Dabei kann insbesondere in den strömungsmediumsseitig nachgelagerten Dampferzeugerrohren der zweiten Verdampferheizflache innerhalb jeder einzelnen Rohrreihe eine ungleichmäßige Verteilung des Strömungsmediums auf die Dampferzeugerrohre auftreten, die zu Temperaturschieflagen und durch unterschiedliche thermische Ausdehnung zu mechanischen Spannungen führt. Um Beschädigungen des Abhitzedampferzeugers zu vermeiden, wurden daher bis- her beispielsweise Dehnbögen zur Kompensation dieser Spannungen angebracht. Diese Maßnahme kann jedoch bei einem Abhitzedampferzeuger in liegender Bauweise technisch vergleichsweise aufwändig sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Durchlaufverdampfer für einen Abhitzedampferzeuger der oben genannten Art anzugeben, welcher bei einer besonders hohen Lebensdauer eine besonders einfache Bauweise erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die zweiten Dampferzeugerrohre derart ausgelegt sind, dass die sich im Volllastbetrieb einstellende mittlere Massenstromdichte durch die zweiten Dampferzeugerrohre eine vorgegebene Mindestmas- senstromdichte nicht unterschreitet.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders einfache Konstruktion des Abhitzedampferzeugers bzw. der Durchlaufverdampfers durch einen Entfall der bisher üblichen Dehnbögen erreicht werden könnte. Dabei müssen jedoch die durch Temperaturschieflagen in den parallel geschalteten Dampferzeugerrohren jeder einzelnen Rohrreihe verursachten mechanischen Spannungen auf andere Weise reduziert werden. Diese treten insbesondere in der zweiten Verdampfer- heizfläche auf, die mit Wasser-Dampf-Gemisch beaufschlagt wird. Die Temperaturschieflagen werden dabei durch unterschiedliche Anteile von Wasser und Dampf am strömungsseitigen Eintritt der Einzelrohre einer Rohrreihe und einer daraus resultierenden unterschiedlichen Durchströmung dieser Rohre verursacht. Eine statische Stabilisierung der Strömung und gleichzeitig eine besonders einfache Konstruktion des Abhitzedampferzeugers kann erreicht werden, indem direkt die Parameter der Dampferzeugerrohre der zweiten Verdampferheizflache modifiziert werden. Dabei ist die Reduzierung der Temperatur- schieflagen erreichbar, indem die zweiten Dampferzeugerrohre derart ausgelegt sind, dass die sich im Volllastbetrieb einstellende mittlere Massenstromdichte durch die zweiten Dampf- erzeugerrohre eine vorgegebene Mindestmassenstromdichte nicht unterschreitet .
Vorteilhafterweise beträgt die vorgegebene Mindestmassen- stromdichte dabei 180 kg/m 2 s. Eine Auslegung der Dampferzeugerrohre zur Erreichung einer derart gewählten Massenstrom- dichte führt nämlich zu einer besonders guten statischen Stabilisierung der Strömung in jeder einzelnen Rohrreihe der zweiten Verdampferheizflache und somit zu einem besonders gu- ten Ausgleich der Temperatur in parallel geschalteten Dampferzeugerrohren jeder einzelnen Rohrreihe der zweiten Verdampferheizfläche .
Es wurde erkannt, dass diese unterschiedliche Massenstrom- dichte in den Rohren durch einen im Vergleich zum geodätischen Druckverlust geringen Reibungsdruckverlust in den Dampferzeugerrohren verursacht wird. Eine Strömung mit hohem Dampfanteil des Strömungsmediums strömt nämlich bei geringem Reibungsdruckverlust vergleichsweise schnell durch einzelne Dampferzeugerrohre, während eine Strömung mit hohem Wasseranteil aufgrund ihres höheren, durch die Masse verursachten geodätischen Druckverlustes benachteiligt ist und zur Stagnation neigen kann. Um die Durchströmungen zu vergleichmäßigen, sollte daher der Reibungsdruckverlust erhöht werden. Dies ist erreichbar, indem der Innendurchmesser der zweiten Dampferzeugerrohre vorteilhafterweise derart gewählt ist, dass die sich im Volllastbetrieb einstellende mittlere Massenstrom- dichte die vorgegebene Mindestmassenstromdichte nicht unterschreitet .
Eine Reduzierung des Innendurchmessers zur Sicherung eines Mindestmassenstroms sollte jedoch nicht beliebig weit erfolgen. Es kann anhand verschiedener Betriebsparametern ein Mindestdurchmesser erwünscht sein. So muss beispielsweise die Oberfläche der Dampferzeugerrohre einen ausreichenden Wärmeeintrag erlauben. In diesem Zusammenhang sind die Dampferzeugerrohre häufig auch außenberippt, was wiederum einen gewissen Mindestdurchmesser erfordert. Auch aus Gründen der Fes- tigkeit und Stabilität ist eine Mindestdicke erforderlich. Nicht zuletzt kann bei zu geringem Innendurchmesser der geodätische Druckverlust des Wasseranteils des Strömungsmediums so gering werden, dass eine Umkehrung des gewünschten Effek- tes eintritt und eine Strömung mit hohem Wasseranteil zu hohe Geschwindigkeiten in den parallelen Dampferzeugerrohre erreicht. Daher sollte vorteilhafterweise der Innendurchmesser der zweiten Dampferzeugerrohre einen anhand vorgegebener Betriebsparameter ermittelten Mindestdurchmesser nicht unter- schreiten.
Vorteilhafterweise beträgt der Innendurchmesser der zweiten Dampferzeugerrohre dabei zwischen 20 mm und 40 mm. Eine Wahl des Innendurchmessers in diesem Bereich bestimmt die Massen- stromdichte in den zweiten Dampferzeugerrohren nämlich derart, dass der Reibungsdruckverlust in den Dampferzeugerrohren in einem Bereich liegt, bei dem eine Durchströmung mit höherem Wasseranteil und eine Durchströmung mit höherem Dampfanteil zu Austrittstemperaturen mit vergleichsweise geringen Temperaturunterschieden führen. Somit werden die Temperaturunterschiede innerhalb jeder Rohrreihe der zweiten Verdampferheizfläche minimiert, wobei gleichzeitig die übrigen Betriebserfordernisse erfüllt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Anzahl von zweiten Dampferzeugerrohren einander heizgasseitig als Rohrreihen hintereinander geschaltet. Dies ermöglicht es, eine größere Anzahl von parallel geschalteten Dampferzeugerrohren für eine Verdampferheizflache zu verwenden, was durch die vergrößerte Oberfläche einen besseren Wärmeeintrag bedeutet. Allerdings sind die in Heizgasströmungsrichtung hintereinander angeordneten Dampferzeugerrohre dabei unterschiedlich beheizt. Insbesondere in den heizgaseintrittsseitigen Dampferzeugerrohren wird das Strömungsmedium vergleichsweise stark beheizt. Durch die beschriebene Auslegung der Dampferzeugerrohre derart, dass eine Mindestmassenstromdichte für Volllast nicht unterschritten wird, kann jedoch auch in diesen Dampferzeugerrohren eine der Beheizung angepasste Durchströmung erreicht wer- den. Dadurch wird bei einfacher Konstruktion eine besonders lange Lebensdauer des Abhitzedampferzeugers erreicht.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die erste Verdampferheiz- fläche der zweiten Verdampferheizflache heizgasseitig nachgeschaltet. Dies bietet den Vorteil, dass die zweite, strö- mungsmediumsseitig nachgeschaltete und somit zur weiteren Erhitzung bereits verdampften Strömungsmediums ausgelegte Verdampferheizfläche auch in einem vergleichsweise stärker be- heizten Bereich des Heizgaskanals liegt.
Zweckmäßigerweise kommt ein derartiger Durchlaufverdampfer in einem Abhitzedampferzeuger zum Einsatz und es wird der Abhitzedampferzeuger in einer Gas- und Dampfturbinenanlage verwen- det. Dabei ist der Dampferzeuger vorteilhafterweise heizgasseitig einer Gasturbine nachgeschaltet. Bei dieser Schaltung kann zweckmäßigerweise hinter der Gasturbine eine Zusatzfeuerung zur Erhöhung der Heizgastemperatur angeordnet sein.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Auslegung der zweiten Dampferzeuger- rohre derart, dass die sich im Volllastbetrieb einstellende mittlere Massenstromdichte durch die zweiten Dampferzeuger- rohre eine vorgegebene Mindestmassenstromdichte nicht unter- schreitet, eine statische Stabilisierung der Strömung und somit eine Reduzierung der Temperaturdifferenzen zwischen parallel geschalteten Dampferzeugerrohren und der daraus resultierenden mechanischen Spannungen erreicht wird. Dadurch ist die Lebensdauer des Abhitzedampferzeugers besonders hoch. Durch die entsprechende Auslegung der Dampferzeugerrohre können weitere, aufwändige technische Maßnahmen wie Dehnbögen entfallen und es wird so gleichzeitig eine besonders einfache, kostensparende Konstruktion des Abhitzedampferzeugers bzw. eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerks ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur in verein- fachter Darstellung im Längsschnitt einen Dampferzeuger in liegender Bauweise.
Der Durchlaufverdampfer 1 für den Abhitzedampferzeuger 2 ge- maß der FIG ist einer nicht näher dargestellten Gasturbine abgasseitig nachgeschaltet. Der Abhitzedampferzeuger 2 weist eine Umfassungswand 3 auf, die einen in einer annähernd horizontalen, durch die Pfeile 4 angedeuteten Heizgasrichtung durchströmbaren Heizgaskanal 5 für das Abgas aus der Gastur- bine bildet. Im Heizgaskanal 5 ist eine Anzahl von nach dem Durchlaufprinzip ausgelegten Verdampferheizflachen 8, 10 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel gemäß der FIG sind jeweils zwei Verdampferheizflachen 8, 10 gezeigt, es kann aber auch eine größere Anzahl von Verdampferheizflachen vorgesehen sein.
Die Verdampferheizflachen 8, 10 gemäß der FIG umfassen jeweils in der Art eines Rohrbündels eine Anzahl von in Heizgasrichtung hintereinander angeordneten Rohrreihen 11 bzw. 12. Jede Rohrreihe 11, 12 wiederum umfasst jeweils eine Anzahl von in Heizgasrichtung nebeneinander angeordneten Dampferzeugerrohren 13 bzw. 14, von denen für jede Rohrreihe 11, 12 nur jeweils eines sichtbar ist. Die annähernd vertikal angeordneten, zur Durchströmung eines Strömungsmediums W paral- IeI geschalteten ersten Dampferzeugerrohre 13 der ersten Verdampferheizfläche 8 sind dabei ausgangsseitig an einen ihnen gemeinsamen Austrittssammler 15 angeschlossen. Die ebenfalls annähernd vertikal angeordneten, zur Durchströmung eines Strömungsmediums W parallel geschalteten zweiten Dampferzeu- gerrohre 14 der zweiten Verdampferheizflache 10 sind ebenso ausgangsseitig an einen ihnen gemeinsamen Austrittssammler 16 angeschlossen. Es kann dabei auch bei beiden Verdampferheiz- flächen 8, 10 ein vergleichsweise aufwändigeres Sammlersystem vorgesehen sein. Die Dampferzeugerrohre 14 der zweiten Ver- dampferheizflache 10 sind den Dampferzeugerrohren 13 der ersten Verdampferheizflache 8 strömungstechnisch über ein Fallrohrsystem 17 nachgeschaltet. Das aus den Verdampferheizflachen 8, 10 gebildete Verdampfersystem ist mit dem Strömungsmedium W beaufschlagbar, das bei einmaligem Durchlauf durch das Verdampfersystem verdampft und nach dem Austritt aus der zweiten Verdampferheizflache 10 als Dampf D abgeführt wird. Das aus den Verdampferheizflachen 8, 10 gebildete Verdampfersystem ist in den nicht näher dargestellten Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine geschaltet. Zusätzlich zu dem die Verdampferheizflachen 8, 10 umfassenden Verdampfersystem sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine eine Anzahl weitere, in der FIG schematisch angedeutete Heizflächen 20 geschaltet. Bei den Heizflächen 20 kann es sich beispielsweise um Überhitzer, um Mitteldruckverdampfer, um Niederdruckverdampfer und/oder um Vorwärmer handeln .
Die zweiten Dampferzeugerrohre 14 sind nun derart ausgelegt, dass eine bei Volllast vorgegebene Mindestmassenstromdichte von 180 kg/m 2 s nicht unterschritten wird. Dabei beträgt ihr Innendurchmesser zwischen 20 mm und 40 mm, so dass einerseits erforderliche Betriebsparameter wie Festigkeit, Wärmeeintrag etc. erfüllt werden, andererseits Temperaturschieflagen innerhalb einer Rohrreihe der zweiten Verdampferheizflache 10 minimiert werden. Dadurch wird die mechanische Spannungsbelastung des Abhitzedampferzeugers 2 reduziert und es ist eine besonders lange Lebensdauer bei gleichzeitig einfacher Bauweise durch Entfall der bisher üblichen Dehnbögen gewährleistet .
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