BRODESSER, Joachim (Tassilostr. 15, Nürnberg, 90429, DE)
EFFERT, Martin (Nötherstr. 16A, Erlangen, 91058, DE)
BRÜCKNER, Jan (Habernhofer Weg 30, Uttenreuth, 91080, DE)
BRODESSER, Joachim (Tassilostr. 15, Nürnberg, 90429, DE)
EFFERT, Martin (Nötherstr. 16A, Erlangen, 91058, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers (1) mit ei¬ ner Brennkammer mit einer Mehrzahl von strömungsmediumsseitig parallel geschalteten Verdampferheizflachen (2, 4, 8), wobei einem Eintritt (12) einer ersten Verdampferheizflache (4) Strömungsmedium mit einer geringeren Temperatur zugeführt wird als einem Eintritt (10) einer zweiten Verdampferheizfla¬ che (2 ) . 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem den Eintritten (10, 12) strömungsmediumsseitig ein Vorwärmer (16) vorgeschaltet ist, und wobei ein erster Teil des Strömungsmediums am Vor¬ wärmer (16) vorbeigeleitet wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der erste Teil des Strömungsmediums mit einem zweiten, strömungsmediumsseitig nach dem Vorwärmer (16) abgezweigten Teil vermischt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Massendurchfluß des zweiten Teilstroms nach oben begrenzt wird. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Massendurchfluß des ersten Teilstroms anhand thermodynami- scher Kenngrößen an einem dem Eintritt (12) der ersten Verdampferheizfläche (4) nachgeschalteten Messpunkt geregelt wird . 6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Messpunkt in einem der ersten Verdampferheizfläche nachgeschalteten Zwischensammler (6) angeordnet wird. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem Druck (p) und Temperatur (T) als thermodynamische Kenngrößen verwendet wer- den, wobei aus dem gemessenen Druck (p) die Sattdampftempera- tur ermittelt wird und anhand der gemessenen Temperatur (T) der Istwert der Unterkühlung ermittelt wird. 8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem ein Sollwert für die Unterkühlung vorgegeben wird und wobei der Massendurchfluß des ersten Teilstroms anhand der Abweichung von Ist- und Sollwert der Unterkühlung geregelt wird. 9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem bei einem niedrigeren Ist- als Sollwert der Unterkühlung der Massendurchfluß des ersten Teilstroms erhöht wird. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Massendurchfluß des zweiten Teilstroms anhand des Massendurchflusses des der ersten Verdampferheizflache (4) zugeführten Strömungsmediums geregelt wird. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Strom des der ersten Verdampferheizflache (4) zuge¬ führten Mediums anhand der Austrittsenthalpie der letzten, der ersten Verdampferheizflache (4) strömungsmediumsseitig nachgeschalteten Verdampferheizflache (8) geregelt wird. 12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Austrittsenthalpie der Verdampferheizflache (8) anhand der Temperatur am Austritt (36) des Strömungsmediums an der letzten, der ersten Verdampferheizflache (4) strömungsmediumsseitig nachgeschal- teten Verdampferheizflache (8) und dem Druck in einem den Verdampferheizflachen (2, 4, 8) strömungsmediumsseitig nachgeschalteten Wasser-Dampf-Abscheider (40) ermittelt wird. 13. Dampferzeuger (1) mit Mitteln zum Ausführen des Verfah- rens nach einem der Ansprüche 1 bis 12. |
Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
Dampferzeugers mit einer Brennkammer mit einer Mehrzahl von strömungsmediumsseitig parallel geschalteten Verdampferheiz- flächen. Sie betrifft weiter einen derartigen Dampferzeuger. Ein Dampferzeuger ist ein geschlossenes, beheiztes Gefäß oder ein Druckrohrsystem, das dem Zweck dient, Dampf von hohem Druck und hoher Temperatur für Heiz- und Betriebszwecke
(z. B. zum Betrieb einer Dampfturbine) zu erzeugen. Bei be ¬ sonders hohen Dampfleistungen und -drücken wie beispielsweise bei der Energieerzeugung in Kraftwerken werden dabei Wasserrohrkessel eingesetzt, bei denen sich das Strömungsmedium - üblicherweise Wasser - in Dampferzeugerrohren befindet. Auch bei der FeststoffVerbrennung kommen Wasserrohrkessel zum Einsatz, da die Brennkammer, in der die Wärmeerzeugung durch Verbrennung des jeweiligen Rohstoffes erfolgt, beliebig durch die Anordnung von Rohrwänden gestaltet werden kann.
Ein derartiger Dampferzeuger in der Bauart eines Wasserrohrkessels umfasst somit eine Brennkammer, deren Umfassungswand zumindest teilweise aus Rohrwänden, d. h. gasdicht ver ¬ schweißten Dampferzeugerrohren gebildet ist. Strömungsmediumsseitig bilden diese Dampferzeugerrohre als Verdampferheiz- flächen zunächst einen Verdampfer, in den unverdampftes Medium eingeleitet und verdampft wird. Der Verdampfer ist dabei üblicherweise im heißesten Bereich der Brennkammer angeordnet. Ihm ist strömungsmediumsseitig gegebenenfalls eine Ein ¬ richtung zum Abscheiden von Wasser und Dampf und ein Überhitzer nachgeschaltet, in dem der Dampf über seine Verdampfungs ¬ temperatur hinaus weiter erhitzt wird, um in einer folgenden Wärmekraftmaschine wie z. B. bei der Enspannung in einer
Dampfturbine einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Dem Ver ¬ dampfer kann strömungsmediumsseitig ein Vorwärmer (so genannter Economiser) vorgeschaltet sein, der das Speisewasser un- ter Ausnutzung von Ab- oder Restwärme vorwärmt und so eben ¬ falls den Wirkungsgrad der Gesamtanlage erhöht.
Je nach Bauart und Geometrie des Dampferzeugers können inner- halb der Brennkammer weitere Dampferzeugerrohre angeordnet sein, die strömungsmediumsseitig parallel zu den die Umfas ¬ sungswände bildenden Dampferzeugerrohren geschaltet sind. Diese können beispielsweise zu einer Innenwand zusammenge- fasst oder verschweißt sein. Abhängig von der gewünschten An- Ordnung von Verdampferheizflächen bzw. Innenwänden innerhalb der Brennkammer kann es dabei erforderlich sein, Innenwände strömungsmediumsseitig hintereinander zu verschalten und de ¬ ren Dampferzeugerrohre über einen Zwischensammler zu verbinden .
Dies ist beispielsweise der Fall beim so genannten „pant- leg"-Design für Dampferzeuger mit Wirbelschichtfeuerung.
Hierbei sind zwei in der Brennkammer symmetrisch angeordnete, zumindest teilweise aus weiteren Dampferzeugerrohren gebilde- te Innenwände einem Zwischensammler strömungsmediumsseitig vorgeschaltet. In dem Zwischensammler vereint sich der Mediumsstrom aus der vorgeschalteten Innenwand und er dient als Eintrittssammler für eine nachgeschaltete Innenwand. Beim pant-leg Design wird eine bessere Vermischung des Brennstoff- gemisches und damit geringere mögliche feuerungsseitige Ver ¬ teilungsprobleme erzielt.
In bestimmten Betriebszuständen kann es jedoch im Zwischensammler bereits zu einem Dampfgehalt größer Null kommen. Mit einem derartigen Dampfgehalt ist eine gleichmäßige Verteilung des Mediums auf die nachgeschaltete Innenwand mit einem ein ¬ fachen Sammler nicht möglich, so dass Wasser-Dampf-Entmischungen auftreten können. Einzelne Rohre der nachgeschalte ¬ ten Innenwand können somit an ihrem Eintritt schon derart ho- he Dampfgehalte oder Enthalpien aufweisen, dass ein Überhit ¬ zen dieser Rohre sehr wahrscheinlich wird. Eine solche Überhitzung kann bei längerem Betrieb zu Rohrschäden führen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers der oben genannten Art sowie einen Dampferzeuger anzugeben, die eine besonders hohe Lebensdauer und eine besonders geringe Reparaturanfälligkeit des Dampf ¬ erzeugers ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem einem Ein ¬ tritt einer ersten Verdampferheizfläche Strömungsmedium mit einer geringeren Temperatur zugeführt wird als einem Eintritt einer zweiten Verdampferheizfläche .
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders hohe Lebensdauer und eine besonders geringe Repara ¬ turanfälligkeit eines Verdampfers in einem Dampferzeuger da ¬ durch erreichbar wären, dass eine Überhitzung der Dampferzeugerrohre durch übermäßig hohe Dampfgehalte oder Enthalpien vermieden wird. Dabei treten diese hohen Dampfgehalte insbe ¬ sondere dadurch auf, dass bei zwischengeschalteten Sammlern bereits teilverdampftes Strömungsmedium ungleichmäßig auf die nachgeschalteten Dampferzeugerrohre verteilt wird. Diese Un ¬ gleichverteilung sollte daher durch eine Vermeidung von Zweiphasengemisch aus Wasser und Dampf im Zwischensammler verhindert werden. Dies wäre erreichbar, indem die dem Zwischensammler vorgeschalteten Innenwände unberohrt bleiben, so dass das Medium unterkühlt und ohne weitere Vorwärmung in den Zwi ¬ schensammler eintritt. Diese Lösung bringt jedoch konstrukti ¬ ve Nachteile mit sich. Daher sollte vielmehr die Temperatur des Strömungsmediums am Eintritt in den Dampferzeuger redu ¬ ziert werden.
Allerdings führt eine Reduktion der Eintrittstemperatur des Strömungsmediums zu einem geringeren Wirkungsgrad des Dampf ¬ prozesses. Dies ist nicht erwünscht, zudem ist eine derartige Reduktion in weniger beheizten Dampferzeugerrohren oder in Rohrwänden ohne Zwischensammler - insbesondere in den Umfassungswänden des Dampferzeugers - nicht notwendig. Daher soll ¬ te in diesen Dampferzeugerrohren zur Verbesserung des Wirkungsgrades keine Reduktion der Eintrittstemperatur erfolgen. Dies ist erreichbar, indem Verdampferheizflachen mit nachgeschaltetem Zwischensammler - z. B. den Innenwänden beim pant- leg Design - Strömungsmedium mit einer geringeren Temperatur zugeführt wird als anderen Verdampferheizflachen .
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades bzw. zur Optimierung der Heizflächenanordnung ist den Eintritten der Umfassungswände und der Innenwände eines Dampferzeugers vorteilhafterweise ein Vorwärmer vorgeschaltet. Dieser verwendet Abwärme zur Vorwärmung des Strömungsmediums. Durch die durch die Abwär ¬ menutzung erzeugte niedrigere Abgastemperatur wird so ein hö ¬ herer Gesamtwirkungsgrad des Dampferzeugers erzielt. Eine be ¬ sonders einfache Konstruktion eines Dampferzeugers ist daher möglich, indem die unterschiedliche Temperatur an Innenwand und Umfassungswand des Dampferzeugers durch bauliche Maßnah ¬ men an der Vorwärmeinrichtung erreicht wird, d. h. durch eine Bereitstellung von Medien mit unterschiedlichem Vorwärmgrad. Dazu wird vorteilhafterweise ein erster Teil des Strömungsme ¬ diums am Vorwärmer vorbeigeleitet. Dies kann mittels einer Überbrückungsleitung geschehen. Somit wird in baulich einfacher Weise eine Umgehung des Vorwärmers der Vorwärmeinrichtung erreicht und ein geringerer Wärmeeintrag in den überbrückten Teil des Strömungsmediums erzielt. Dieser kann dann dem Eintritt der ersten Verdampferheizfläche mit einer gerin ¬ geren Temperatur zugeführt werden.
Um dabei eine nicht übermäßig reduzierte Temperatur in den mit kühlerem Strömungsmedium beaufschlagten Verdampferheiz- flächen zu erzielen, sollte der erste Teil des Strömungsmedi ¬ ums vorteilhafterweise mit einem zweiten, strömungsmediums- seitig nach dem Vorwärmer abgezweigten Teil vermischt werden. Somit wird eine besonders angepasste Reduktion der Temperatur des den ersten Verdampferheizflächen zugeführten Strömungsmediums erreicht.
Vorteilhafterweise wird dabei der Massendurchfluß des zweiten Teilstroms nach oben begrenzt. Diese Begrenzung kann dabei über ein manuelles Regel- oder Stellventil zur Einstellung einer Mengenbegrenzung des zweiten Stellstroms erfolgen. Weiterhin sollte eine richtungsgebundene Begrenzung durch eine Rückschlagarmatur vorgesehen werden, um den Hauptstrom des Vorwärmeraustrittsstroms, von dem der zweite Teilstrom abge ¬ zweigt wird, nicht ungewollt zu kühlen.
Um eine besonders einfache Anpassung der Temperatur des der ersten Verdampferheizflache zugeführten Strömungsmediums zu erreichen, sollte der Massendurchfluß des ersten Teilstroms vorteilhafterweise anhand thermodynamischer Kenngrößen an einem dem Eintritt der ersten Verdampferheizflache nachgeschal ¬ teten Messpunkt geregelt werden. Dazu kann in der Überbrü ¬ ckungsleitung des Vorwärmers ein Regelventil angeordnet wer ¬ den. Wird die Anlage bei überkritischen Drücken betrieben, wo bei keiner Temperatur Wasser und Dampf gleichzeitig vorkommen können und damit auch keine Phasentrennung möglich ist, so besteht die Gefahr der oben beschriebenen Entmischung nicht und der am Vorwärmer vorbeigeleitete Teil des Strömungsmedi ¬ ums kann auf Null reduziert werden. Wird der Dampferzeuger mit unterkritischen Drücken im Verdampfer betrieben, so z. B. bei Teillastfahrweise eines modernen Gleitdruckkessels, so muss zur Vermeidung einer Entmischung der beiden Medien eine bestimmte Unterkühlung eingehalten werden, die mittels thermodynamischer Kenngrößen an einem Messpunkt hinter der ersten Verdampferheizfläche ermittelt wird.
Um dabei bei den zuvor erläuterten Dampferzeugern im pant-leg Design eine besonders gezielte Berücksichtigung der thermody ¬ namischen Zustände im Zwischensammler der Innenwand zu erreichen, wo das Problem der Entmischung von Dampf und Wasseranteil zu ungleichmäßiger Verteilung auf die nachfolgenden Rohre führt, sollte hier der Messpunkt vorteilhafterweise in ei ¬ nem der ersten Verdampferheizfläche nachgeschalteten Zwischensammler angeordnet werden.
Die Berücksichtigung der thermodynamischen Kenngrößen erfolgt in vorteilhafter Ausgestaltung derart, dass Druck und Temperatur als thermodynamische Kenngrößen verwendet werden, wobei aus dem gemessenen Druck die Sattdampftemperatur ermittelt wird und anhand der gemessenen Temperatur der Istwert der Unterkühlung ermittelt wird. Somit ist direkt die Unterkühlung als entscheidende Größe für die erläuterten Probleme ermit ¬ telbar .
Zur besonders einfachen Regelung wird dabei vorteilhafterwei ¬ se ein Sollwert für die Unterkühlung vorgegeben und der Massendurchfluß des ersten Teilstroms anhand der Abweichung von Ist- und Sollwert der Unterkühlung geregelt. Vorteilhafterweise wird dabei bei einem niedrigeren Ist- als Sollwert der Unterkühlung der Massendurchfluß des ersten Teilstroms er ¬ höht. Somit wird bei zu geringer Unterkühlung das Regelventil im vor dem Vorwärmer entnommenen Teilstrom weiter geöffnet, so dass die Temperatur des den Eintritten zugeführten Strömungsmediums reduziert und damit die Unterkühlung erhöht wird. Bei zu großer Unterkühlung wird das Regelventil hinge ¬ gen geschlossen.
Mit sinkender oder ansteigender Last des Dampferzeugers wird über den Haupt-Speisewasserregelkreis dem Verdampfer mehr oder weniger Strömungsmedium zugeführt. Die Anteile des Strö- mungsmediums-Massenstroms , die den verschiedenen parallelen Verdampferheizflächen zugeführt werden, bleiben über die Last nahezu konstant. Somit kann über Auslegunsrechnungen ein Sollwert für den Massenstrom für die erste Verdampferheizflache errechnet werden. Um dabei eine besonders genaue Massen- stromregelung für die mit kälterem Strömungsmedium zu beaufschlagenden Verdampferheizflächen zu erreichen, wird der Massendurchfluß des zweiten Teilstroms vorteilhafterweise anhand des Massendurchflusses des der ersten Verdampferheizfläche zugeführten Strömungsmediums geregelt.
Eine weitere Regelung des Massendurchflusses des der ersten Verdampferheizfläche zugeführten Strömungsmediums kann unter Berücksichtigung einer den Verdampferheizflächen nachgeschalteten Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung erfolgen. In vorteilhafter Ausgestaltung wird dabei der Strom des der ersten Ver- dampferheizflache zugeführten Mediums anhand der Austritts ¬ enthalpie des Verdampfers geregelt.
Vorteilhafterweise wird dabei die Austrittsenthalpie anhand der Temperatur des Strömungsmediums an der letzten, der ersten Verdampferheizflache strömungsmediumsseitig nachgeschal ¬ teten Verdampferheizflache und dem Druck in der Wasser-Dampf- Abscheideeinrichtung ermittelt. Günstig ist hierbei eine Re ¬ gelung der Austrittsenthalpie auf die mittlere Fluidenthalpie im Abscheider. Der Sollwert der Verdampferaustrittsenthalpie sollte dabei lastabhängig im Hauptregelkreis hinterlegt wer ¬ den. In jedem Fall sollte die Austrittstemperatur des Fluids se begrenzt werden, dass die maximal zulässige Materialtempe ¬ ratur nicht überschritten wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Verwendung zweier Medien mit unterschiedlich starker Unterkühlung zur Speisung der verschiedenen Verdampferteile (Umfassungswände und Innenwände) das Problem der Wasser-Dampf-Entmischungen im Zwischensammler sicher vermieden wird. Im Gegensatz zu einer Lösung mit verminderter Eintrittsenthalpie für alle Verdampferteile muss der Verdampfer nicht oder nur geringfügig vergrößert werden, um eine ausreichend hohe Austrittsenthalpie am Verdampfer zu ge- währleisten.
Eine Ausführung des Dampferzeugers als Zwangdurchlaufkessel bringt mehrere Vorteile: Zwangdurchlaufdampferzeuger können sowohl für unterkritischen als auch für überkritischen Druck ohne Änderung der Verfahrenstechnik eingesetzt werden. Lediglich die Wanddicken der Rohre und Sammler müssen dem vorgesehenen Druck entsprechend dimensioniert werden. Damit kommt das Durchlaufprinzip dem weltweit erkennbaren Trend zur Steigerung der Wirkungsgrade durch Erhöhung der Dampfzustände entgegen.
Weiterhin ist ein Betrieb der Gesamtanlage im Gleitdruck möglich. Bei Gleitdruckbetrieb bleiben die Temperaturen im Hoch- druckteil der Turbine im gesamten Lastbereich konstant. Wegen der großen Abmessungen im Hinblick auf Durchmesser und Wandstärken der Komponente wird die Turbine wesentlich stärker belastet als die Kesselbauteile. Dadurch ergeben sich bei Gleitdruckbetrieb Vorteile im Hinblick auf Laständerungsge ¬ schwindigkeiten, Anzahl der Lastwechsel und der Starts.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 schematisch den unteren Teil der Brennkammer eines
Zwangdurchlaufdampferzeugers mit Wirbelschichtfeue ¬ rung mit teilweise überbrückter Vorwärmeinrichtung, FIG 2 den Durchlaufdampferzeuger aus FIG 1 mit Regelung des Durchflusses zu den Innenwänden,
FIG 3 den Durchlaufdampferzeuger aus FIG 1 mit Regelung der Austrittsenthalpie der Innenwände, und
FIG 4 einen Graphen, der spezifische Enthalpie und Druck des Strömungsmediums in verschiedenen Bereichen des Durchlaufdampferzeugers bei verschiedenen Lastfäl ¬ len zeigt.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei ¬ chen versehen.
Der Dampferzeuger 1 in schematischer Darstellung gemäß der FIG 1 ist als Zwangdurchlaufdampferzeuger ausgeführt. Er um- fasst mehrere, aus Dampferzeugerrohren gebildete und von un ¬ ten nach oben durchströmte Rohrwände, nämliche eine Umfas ¬ sungswand 2 sowie symmetrisch angeordnete, geneigt ausgerich tete Innenwände 4, denen über einen Zwischensammler 6 strö- mungsmediumsseitig eine weitere Innenwand 8 nachgeschaltet ist. Der Durchlaufdampferzeuger 1 ist somit im so genannten „pant-leg"-Design ausgeführt. Durch jeweils der Umfassungswand 2 bzw. den Innenwänden 4 zugeordnete Eintritte 10, 12 tritt Strömungsmedium in die Rohr ¬ wände ein. Im Innenraum 14 wird in der Art einer Wirbelschichtfeuerung ein fester Brennstoff verbrannt und somit ein Wärmeeintrag in die Rohrwände erreicht, der eine Erwärmung und Verdampfung des Strömungsmediums bewirkt. Tritt das Medi ¬ um nunmehr in alle Rohrwände mit der gleichen Enthalpie ein, kann bereits im Zwischensammler 6 ein so hoher Dampfgehalt entstehen, dass eine ungleichmäßige Verteilung auf die Rohre der Innenwand 8 erfolgt und hier die Rohre mit hohem Dampfge ¬ halt überhitzen.
Zur Vermeidung der daraus folgenden Nachteile wie beispiels ¬ weise einer geringeren Lebensdauer oder einer höheren Reparaturanfälligkeit wird den dem Zwischensammler 6 vorgeschalte ¬ ten Innenwänden 4 Strömungsmedium mit einer geringeren Temperatur zugeführt als der Umfassungswand 2. Im Dampferzeuger 1 sind dabei zunächst Modifikationen des Vorwärmers 16 vorgese ¬ hen, die unterschiedliche Wärmeeinträge in die verschiedenen Mediumsströme gewährleisten.
Dem Vorwärmer 16 nach der FIG 1 ist dazu strömungsmediumssei- tig eine Abzweigstelle 18 vorgeschaltet. Ein Teil des Strö ¬ mungsmediums wird somit um den Vorwärmer 16 in einer Überbrü ¬ ckungsleitung 20 herumgeführt. In strömungsmediumsseitiger Richtung ist dem Vorwärmer 16 zunächst eine weitere Abzweig ¬ stelle 22 nachgeschaltet, von der eine Leitung zu den Ein ¬ tritten 10 der Umfassungswand 2 geführt ist. Ein Teil des vorgewärmten Strömungsmediums wird somit der Umfassungswand 2 zugeführt. Ein anderer Teil des vorgewärmten Strömungsmediums ist in einer Leitung 24 geführt, die in einer Mischstelle 26 mit der Überbrückungsleitung 20 zusammentrifft. Hier wird durch die Vermischung der Mediumsströme ein Medium geringerer Temperatur erzielt, welches dann den Eintritten 12 der Innenwände 4 zugeführt wird.
In der Leitung 24 ist eine Rückschlagarmatur 30 angeordnet, die eine ungewollte Kühlung durch Rückfluß in die Abzweig- stelle 22 verhindert. Weiterhin ist ein manuelles Durchfluss ¬ regelventil 32 vorgesehen, welches den abgezweigten Massenstrom vorgewärmten Mediums nach oben begrenzt. Durch ein automatisches Durchflussregelventil 28 in der Überbrückungslei- tung 20 kann dann die Menge des überbrückten Strömungsmediums und damit die Temperatur des den Innenwänden 4 zugeführten Strömungsmediums leicht geregelt werden.
Als Eingangsgrößen für die automatische Regelung im Durch- flussregelventil 28 dienen dabei Druck p und Temperatur T im Zwischensammler 6. Aus dem ermittelten Druck wird zunächst die Sattdampftemperatur bestimmt, deren Differenz zur ermittelten Temperatur T die Ist-Unterkühlung ergibt. Um eine Entmischung von Wasser und Dampf im Zwischensammler 6 zu verhin- dern, ist eine Soll-Unterkühlung im Zwischensammler 6 vorgegeben. Überschreitet die Ist-Unterkühlung die Soll-Unterkühlung, wird das automatische Durchflussregelventil 28 weiter geschlossen, so dass sich die Temperatur an den Eintritten 12 erhöht. Im umgekehrten Fall wird das Durchflussregelventil 28 weiter geöffnet. Falls Druck und Temperatur oberhalb des kri ¬ tischen Punktes des Strömungsmediums liegen, wird das Durch ¬ flussregelventil 28 vollständig geschlossen, da bei überkri ¬ tischen Drücken bei keiner Temperatur Wasser und Dampf gleichzeitig vorkommen können und damit auch keine Entmi- schung im Zwischensammler 6 mehr auftreten kann.
Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung zeigt FIG 2. Der Dampferzeuger 1 ist hier bis auf das Durchflussregelventil 32 zur FIG 1 identisch. Das Durchflussregelventil 32 ist hier wie das Regelventil 28 automatisiert. Dadurch ist es möglich, auch die Menge des den Innenwänden 4 zugeführten Mediums zu regeln. Als Eingangsgröße für die Regelung dient hierbei der Gesamtfluss F zu den Eintritten 12, der an einer Messstelle 34 ermittelt wird. Dabei wird der Gesamtfluss F anhand eines durch Auslegungsrechnungen ermittelten Sollwerts geführt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in FIG 3 dargestellt. Hier ist der Dampferzeuger 1 zur FIG 2 identisch, es sind jedoch weitere Bauteile dargestellt, nämlich der Aus ¬ tritt 36 der Innenwand 8 sowie die Austritte 38 der Umfas ¬ sungswand 2. Die Mediumsströme aus den Austritten 36, 38 wer ¬ den zusammengeführt und in einen Wasser-Dampf-Abscheider 40 geführt. Hier ist auch der Hauptregelkreis dargestellt, der die gesamte zugeführte Strömungsmediumsmenge in den Dampf ¬ erzeuger 1 mittels eines Durchflussregelventils 42 regelt. Als Eingangsgrößen für die Regelung des Gesamtmediumsstroms dienen hierbei Druck p und Temperatur T am dampfseifigen Aus- tritt des Wasser-Dampf-Abscheiders 40.
In FIG 3 wird die den Innenwänden 4 über die Eintritte 12 zu ¬ geführte Strömungsmediumsmenge in Abhängigkeit von der Aus ¬ trittsenthalpie der Innenwand 8 geregelt. Diese wird ermit- telt anhand der Temperatur T am Austritt 36 der Innenwand 8 und dem Druck p im Wasser-Dampf-Abscheider 40. Dabei ist als Sollwert für die Austrittsenthalpie der Innenwand 8 die mitt ¬ lere Fluidenthalpie im Wasser-Dampf-Abscheider 40 vorgesehen. Zusätzlich wird die Austrittstemperatur am Austritt 40 über die maximal zulässige Materialtemperatur begrenzt.
FIG 4 zeigt schließlich ein Zustandsdiagramm für Wasser/ Dampf, in dem die Zustände des Strömungsmediums in verschie ¬ denen Bereichen des Dampferzeugers eingezeichnet sind. Das Diagramm trägt die spezifische Enthalpie h in kJ/kg gegen den Druck p in bar auf. Dabei sind zunächst Linien gleicher Temperatur T, also Isothermen 44 gezeigt, deren jeweilige Tempe ¬ raturwerte auf der rechten Achse des Graphen in Grad Celsius angegeben sind. Die beulenförmige Struktur 46 auf der linken Graphseite gibt Aufschluss über den Dampfgehalt des Wasser- /Dampf-Gemischs . Ausserhalb der Struktur 46 ist das Medium einphasig, d. h., es liegt nur Medium in einem Aggregatzu ¬ stand vor. Die Spitze der Struktur 46 bei etwa 2100 kJ/kg und 221 bar markiert hierbei den kritischen Punkt 48. Steigt der Druck über 221 bar, so kommen bei keiner Temperaur Wasser und Dampf gleichzeitig vor. Innerhalb der Struktur 46 liegt ein Wasser-Dampf-Gemisch vor. Der Anteil von Wasser und Dampf ist dabei mit Kennlinien 50 in 10-Prozent-Abständen gezeigt, von 0 % Dampfanteil bei Kennlinie 52 % bis 100 % Dampfanteil bei Kennlinie 54. Die Kennlinien 50, 52, 54 konvergieren dabei im kritischen Punkt 48. Innerhalb der Struktur 46 verlaufen die Isothermen 44 senkrecht zur Druckachse, sind also auch Isobaren. Ein Ener ¬ gieeintrag in das Medium bei konstantem Druck bewirkt also keine höhere Temperatur, sondern vielmehr eine Verschiebung des Wasser-Dampf-Anteils zu mehr Dampf hin.
Je nach Lastzustand des Dampferzeugers 1 verläuft der Dampf- prozess innerhalb des Dampferzeugers 1 auf unterschiedlichen Lastkennlinien 56, 58, 60, die keine Isobaren sind, da die Druckverluste der Heizflächen dargestellt werden. Die Last bestimmt im Wesentlichen den Druck innerhalb des Gesamtsys ¬ tems. Lastkennlinie 56 stellt den Dampfprozess bei 100 % Last dar, Lastkennlinie 58 den bei 70 % Last und Lastkennlinie 60 den bei 40 % Last. Die Punkte A, B, C, D stellen dabei je- weils den Zustand des Strömungsmediums an verschiedenen Punk ¬ ten des Dampferzeugers 1 dar, und zwar zunächst noch ohne die erfindungsgemäße separate Regelung der Temperatur an den Eintritten 12 der Innenwände 4: Punkt A den Zustand am Eintritt des Vorwärmers 16, Punkt B den Zustand am Eintritt 12 der In- nenwände 4, Punkt C den Zustand im Zwischensammler 6 und Punkt D den Zustand am Austritt des Verdampfers.
Wie FIG 4 zeigt, wird der Dampferzeuger bei 100 % Last voll ¬ ständig im überkritischen Bereich betrieben. An keinem Punkt A, B, C, D auf der Lastkennlinie 56 ist eine Unterscheidung von Wasser und Dampf möglich, so dass keine Entmischung auftreten kann. Bei 70 % Last ist bereits der unterkritische Bereich erreicht, jedoch liegt nur ein kleiner Teil der Lastkennlinie 58 innerhalb der Struktur 46. Die Punkte A, B, C der Lastkennlinie 58 liegen noch unterhalb der Struktur 46, hier liegt einphasiges Wasser vor. Auch hier kann es nicht zu Entmischungen im Zwischensammler 6 kommen. Bei 40 % Last jedoch liegt ein erheblicher Teil der Last ¬ kennlinie 60 innerhalb der Struktur 46. Die Punkte A und B auf der Lastkennlinie 60 liegen noch unterhalb der Struktur 46, so dass hier noch einphasiges Wasser vorliegt. Der Punkt C der Lastkennlinie 60 liegt jedoch innerhalb der Struktur 46 bei einem Dampfanteil von 10 %. Hier kann es somit zu den be ¬ schriebenen Entmischungen im Zwischensammler 6 kommen. Wird jedoch ein Teil des Strömungsmediums am Vorwärmer 16 vorbei ¬ geführt, was in Druckbereichen unterhalb der Lastkennlinie 62 durch Öffnung des Durchflussregelventils 28 erreicht wird, wird die Temperatur und damit der Energiegehalt des Strö ¬ mungsmediums gezielt reduziert. Auf der Lastkennlinie 60 zeigt Punkt E in diesem Fall den Zustand des Strömungsmediums am Eintritt 12 der Innenwände 4 mit reduzierter Temperatur. Dadurch ist auch der Energiegehalt im Zwischensammler 6 reduziert, dargestellt durch Punkt F auf der Lastkennlinie 60. Dieser Punkt F liegt nun außerhalb der Struktur 46, so dass hier einphasiges Wasser vorliegt und Entmischungen sicher verhindert werden.
Next Patent: REFRIGERATOR AND EVAPORATOR FOR SAME