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Title:
METHOD FOR OPERATING A WASTE HEAT STEAM GENERATOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/024340
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for operating a waste heat steam generator, in particular one designed according to the forced flow principle, comprising an evaporator (16), through which a flow medium flows; an economizer having a number of economizer heating surfaces (10, 14), and having a bypass line (4), which on the flow medium side is connected in parallel to a number of economizer heating surfaces (10, 14). In the method, a variable (30) that is characteristic of the heat energy supplied to the waste heat steam generator (1) for controlling or regulating the flow rate of the bypass line (4) is used, wherein the regulating or controlling of the flow rate of the flow medium through the bypass line (4) takes place at the inlet of the evaporator (16) subject to a supercooling target value (26). The regulating or controlling of the flow rate of the flow medium through the bypass line (4) also takes place at the outlet of the evaporator (16) subject to an overheating target value (110).

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Inventors:
BRÜCKNER, Jan (Habernhofer Weg 30, Uttenreuth, 91080, DE)
THOMAS, Frank (Meisenweg 9b, Erlangen, 91056, DE)
Application Number:
EP2016/068732
Publication Date:
February 08, 2018
Filing Date:
August 05, 2016
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
F22D1/12; F22D5/00
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines insbesondere nach dem Zwangdurchlaufprinzip ausgebildeten Abhitzedampferzeugers mit ei- nem von einem Strömungsmedium durchströmten Verdampfer (16), einem Economizer mit einer Anzahl von Economizerheizflachen (10, 14) und mit einer zu einer Anzahl von Economizerheizflachen (10,14) strömungsmediumsseitig parallel geschalteten By- passleitung (4) , bei dem eine für die dem

Abhitzedampferzeuger (1) zugeführten Wärmeenergie charakteristische Kenngröße (30) zur Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge der Bypassleitung (4) verwendet wird und wobei die Regelung bzw. Steuerung der Durchflussmenge des Strömungsmediums durch die Bypassleitung (4) in Abhängigkeit von einem Unterkühlungssollwert (26) am Eintritt des Verdampfers (16) erfolgt,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s

die Regelung bzw. Steuerung der Durchflussmenge des Strömungsmediums durch die Bypassleitung (4) zudem in Abhängig- keit von einem Überhitzungssollwert (110) am Austritt des Verdampfers (16) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s

die Durchflussmenge des Strömungsmediums durch die Bypassleitung (4) erhöht wird, wenn der Überhitzungsollwert (110) unterschritten wird und die Durchflussmenge des Strömungsmediums durch die Bypassleitung (4) erniedrigt wird, wenn der Überhitzungssollwert (110) überschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 ,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s

der Überhitzungssollwert (110) als Sollwert für eine Austrittstemperatur des Strömungsmediums am Verdampfer (16) vor- gegeben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Unterkühlungssollwert (26) als Sollwert für eine Eintrittstemperatur des Strömungsmediums am Verdampfer (16) vorgegeben wird.

Description:
Beschreibung

Verfahren zum Betreiben eines Abhitzedampferzeugers Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abhitzedampferzeugers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zur lastabhängigen Regelung eines nach dem

Zwangdurchlaufprinzip ausgebildeten Abhitzedampferzeugers. Aus der EP 2 224 164 AI ist ein Verfahren zum Betreiben eines Abhitzedampferzeugers mit einem Verdampfer, einem Economizer mit einer Anzahl von Economizerheizflächen, und einer zu einer Anzahl von Economizerheizflächen strömungsmediumsseitig parallel geschalteten Bypassleitung bekannt. Zur Erhöhung der betrieblichen Sicherheit und Zuverlässigkeit des Abhitzedampferzeugers wird hier ein Verfahren offenbart mit dem in allen Lastzuständen eine Bildung eines Wasser-Dampf-Gemischs am Eintritt des Verdampfers zuverlässig vermieden werden soll. Dazu wurde vorgesehen, dass eine für diese dem Abhitze- dampferzeuger zugeführte Wärmeenergie charakteristische Kenngröße zur Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge der Bypassleitung herangezogen wird, um damit bei einer Erhöhung der Kenngröße die Durchflussmenge der Bypassleitung zu vermindern. Dadurch kann bereits bei einer Erhöhung der dem Abhitzedampferzeuger zugeführten Wärmeenergie und damit noch vor der Messung einer tatsächlichen Änderung der Temperatur bzw. Unterkühlung am Eintritt des Verdampfers die Durchflussmenge der Bypassleitung entsprechend angepasst werden. Erhöht sich nämlich bei heutiger Betriebsweise des Abhitzedampfer- zeugers die dem Abhitzedampferzeuger zugeführte Wärmemenge, so ist dies mit einer Vergrößerung weiterer thermodynamischer Zustandsgrößen des Strömungsmediums (wie beispielsweise Spei- sewassermassenstrom, Druck, Mediumstemperaturen) verknüpft, was aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten unmittelbar mit einer Erhöhung der Eintrittsunterkühlung einhergeht. Daher soll in einem solchen Fall die Durchflussmenge der Bypassleitung verringert werden, so dass die Temperatur am Austritt des Economizers erhöht und so die Unterkühlung am Verdampfer- eintritt verringert wird. Entsprechend umgekehrt wird bei einer Verringerung der Kenngröße vorteilhafterweise die Durchflussmenge der Bypassleitung erhöht, um so die Austrittstemperatur des Economizers zielgerichtet anzupassen. Die Rege- lung der Durchflussmenge kann dabei auch in Abhängigkeit eines vorgegebenen Unterkühlungssollwertes erfolgen.

Bei der Regelung bzw. Steuerung der Speisewassermenge eines nach dem Zwangdurchlaufprinzip ausgebildeten Abhitzedampfer- zeugers hat sich herausgestellt, dass sich lastabhängige instationäre Temperaturschwankungen des aus dem Verdampfer austretenden Strömungsmediums ausschließlich mit dem aus der beispielsweise WO 2009/150055 A2 bekannten Verfahren nicht immer optimal vermeiden lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein optimiertes Verfahren zum Betreiben eines Abhitzedampferzeugers bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können, ohne größeren zusätzlichen Aufwand, auch während eines instationären Betriebs des Abhitzedampferzeugers auftretende Schwankungen der Ver- dampferaustrittstemperatur effektiv minimiert werden. Konkret bedeutet dies, dass die Bauteilbelastung des Abhitzedampferzeugers bei gegebenen transienten Anforderungen weiter reduziert werden kann oder bei vergleichsweise gleicher Bauteilbelastung die Anlagenflexibilität weiter gesteigert werden kann. Dazu sind bei der aus der EP 2 224 164 AI bekannten Vorrichtung somit im Wesentlichen Anpassungen des zugrunde liegenden Verfahrens zur Steuerung bzw. Regelung der Durchflussmenge des Strömungsmediums durch die Bypassleitung erforderlich .

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen: FIG 1 schematisch eine erste Ausbildung zur optimierten

Regelung,

FIG 2 schematisch eine Detaillierung des in FIG 1 gezeigten Ausführungsbeispiels,

FIG 3 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel.

FIG 1 zeigt zunächst schematisch eine erste Ausbildung mit einer Regelung für einen Abhitzedampferzeuger. Ein Strömungsmedium S strömt, getrieben durch eine nicht näher dargestellte Pumpe, zunächst in eine erste Vorwärmerheizfläche bzw. Economizerheizfläche 10. Zuvor zweigt aber bereits eine By- passleitung 4 ab. Zur Regelung des Durchflusses der Bypass- leitung 4 ist ein Durchflussregelventil 6 vorgesehen, welches durch einen steuerbaren Motor 8 regelbar ist. Es kann auch ein einfaches Steuerventil vorgesehen sein, jedoch ist durch ein schnell reagierendes Regelventil eine bessere Einstellung der Unterkühlung am Verdampfereintritt möglich. Ein Teil des Strömungsmediums S strömt somit abhängig von der Stellung des Durchflussregelventils 6 in die Bypassleitung 4, ein anderer Teil durchströmt eine erste Economizerheizfläche 10 und an- schließend eine weitere Economizerheizfläche 14. In der vorliegenden Ausführung wird am Austritt der Economizerheiz - fläche 14 an einer Mischstelle 12 das Strömungsmedium aus der Bypassleitung 4 und der Economizerheizfläche 14 vermischt, bevor es in den nachgeschalteten Verdampfer 16 eintritt.

Rauchgasseitig sind verschiedene Anordnungen der Economizerheizflächen 10, 14 und des Verdampfers 16 möglich. Üblicherweise sind jedoch die Economizerheizflächen 10, 14 dem Verdampfer 16 rauchgasseitig nachgeschaltet, da die Economizer das vergleichsweise kälteste Strömungsmedium führen und die Restwärme im nicht näher dargestellten Rauchgaskanal nutzen sollen. Um einen reibungslosen Betrieb des Abhitzedampferzeugers zu gewährleisten, sollte am Verdampfereintritt eine ausreichende Unterkühlung, das heißt eine ausreichende Differenz von aktueller Temperatur zur Sättigungstemperatur im Verdampfer vorliegen, so dass ein ausschließlich flüssiges Strömungsmedium vorliegt. Nur so kann sichergestellt werden, dass eine zuverlässige Verteilung des Strömungsmediums auf die einzelnen Verdampferrohre im Verdampfer 16 erfolgt. Zur Regelung der Unterkühlung am Verdampfereintritt sind an dieser Stelle eine Druckmesseinrichtung 20 sowie eine Temperaturmesseinrichtung 22 vorgesehen. Regelungsseitig wird zunächst ein Unterkühlungssollwert 26 am Verdampfereintritt vorgege- ben. Dieser kann beispielsweise 3 K betragen, d. h., die Temperatur am Verdampfereintritt soll 3 K unterhalb der Sättigungstemperatur im Verdampfer 16 liegen. Aus dem an der

Druckmesseinrichtung 20 ermittelten Druck wird eine Sättigungstemperatur 28 des Verdampfers 16 ermittelt, da diese ei- ne direkte Funktion des im Verdampfer 16 herrschenden Drucks ist. Die aus der EP 2 224 164 AI bekannte Regel- und Steuereinrichtung 100 zieht diese Werte heran und bewertet sie in Abhängigkeit von einer zugeführten Wärmeenergie charakteristischen Kenngröße 30 sowie von dem voreingestellten bzw. im Voraus definierten Unterkühlungssollwerts 26, der am Eintritt des Verdampfers 4 vorliegen sollte. Daraus ergibt sich dann ein geeigneter Regelwert für eine Steuerung des Durchflussregelventils 6 der Bypassleitung 4. Erfindungsgemäß ist nun eine, gegenüber der aus der EP 2 224 164 AI bekannten Regel- und Steuereinrichtung 100, erweiterte Regel- und Steuereinrichtung 100' vorgesehen. Hier erfolgt nun die Steuerung bzw. Regelung der Durchflussmenge der Bypassleitung 4 in Abhängigkeit von einer dem Abhitzedampf- erzeuger zugeführten Wärmeenergie charakteristischen Kenngröße 30 und in Abhängigkeit von einem Unterkühlungssollwert 26 am Eintritt des Verdampfers 16 und zudem in Abhängigkeit von einem Überhitzungssollwert 110 am Austritt des Verdampfers 16. Der Überhitzungssollwert 110 gibt dabei einen Sollwert für eine Austrittstemperatur des Strömungsmediums am Verdampfer 16 vor. Zur Regelung der Überhitzung am Verdampferaustritt sind an dieser Stelle eine Druckmesseinrichtung 121 sowie eine Temperaturmesseinrichtung 131 vorgesehen, die in der erweiterten Regel- und Steuereinrichtung 100' entsprechend verarbeitet werden.

Der Vollständigkeit halber ist in FIG 1 noch eine Speisewas- sersteuereinrichtung SWS zur Steuerung des Speisewasserhauptventils 141 skizziert. Die Steuerung erfolgt hier mit einer entsprechenden Speisewassersteuereinrichtung SWS so wie sie beispielsweise bereits aus der WO 2009/150055 A2 bekannt ist. Die Drücke <PS> und <PD> sowie die Temperaturen <TS> und <TD> vor und nach dem Verdampfer werden abgegriffen, von der Speisewassersteuereinrichtung SWS entsprechend verarbeitet und dann als Steuersignal <S> an den Motor 142 des Speisewasserhauptventils weitergegen. Diese Speisewasserregelung ist zwar nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die Steuerungen des Durchflussregelventils 6 der Bypassleitung und des Speisewasserhauptventils 141 sind in ihrem jeweiligen Regelverhalten aber aufeinander abzustimmen, um einen sicheren Betrieb des Abhitzedampferezeugers in allen Lastbereichen zu gewährleisten .

Vor dem Hintergrund physikalischer Grundlagen resultieren bei einem nach dem Zwangdurchlaufprinzip ausgebildeten Abhitzedampferzeuger schwankende Eintrittstemperaturen in Schwankungen der Austrittstemperatur. Dabei münden fallende Eintritts- temperaturen aufgrund sinkender spezifischer Volumina und dem damit unmittelbar verknüpften Rückgang des

Verdampferdurchflusses in steigende Temperaturen beziehungsweise Überhitzungen am Verdampferaustritt. Umgekehrt gilt entsprechendes. Im Allgemeinen ist dies ein unerwünschter Ef- fekt während des instationären Betriebs, der durch geeignet implementierte Gegenmaßnahmen im Regelungskonzept für das Speisewasserhauptventil 141 möglichst kompensiert werden sollte. Aufgrund der heute üblich zur Anwendung kommenden hohen Lastgradienten ist dies allerdings nicht immer aus- schließlich durch die Speisewasserregelung möglich. Für eine Verbesserung dieser Situation wird die vorliegende Erfindung herangezogen, die nun aber genau den umgekehrten Weg geht und sich diesen zuvor beschriebenen unerwünschten physikalischen Effekt zu Nutze macht. Dabei wird durch gezielte Manipulation beziehungsweise Veränderung der Verdampfereintrittstemperatur in geeigneter Art und Weise auf Abweichungen der Verdampferaustrittstemperatur zum vorgegebenen Sollwert reagiert, um so Schwankungen der Austrittstemperatur möglichst gering zu halten. Sinkt im instationären Fall beispielsweise die Verdampferaustrittstemperatur unerwünscht stark ab, so kann durch eine Reduzierung der Verdampfereintrittstemperatur (Öffnen des Durchflussregelventils 6 der Bypassleitung 4) der Verdampferdurchfluss temporär reduziert werden und somit die Austrittstemperatur gestützt werden. Für den umgekehrten Fall ist die Verdampfereintrittstemperatur zu erhöhen (Schließen des Durchflussregelventils 6 der Bypassleitung 4) , um durch eine temporäre Erhöhung des Verdampferdurchflusses einem An- stieg der Verdampferaustrittstemperatur entgegen zu wirken. Hierbei gilt es jedoch zu beachten, dass vor dem Hintergrund thermohydraulischer Gesichtspunkte eine maximale Verdampfereintrittstemperatur nicht überschritten- bzw. eine minimal geforderte Eintrittsunterkühlung nicht unterschritten werden sollte. Darüber hinaus setzt das erfindungsgemäße Verfahren voraus, dass die erweiterte Regel- und Steuereinrichtung 100' auch tatsächlich in der Lage ist, die Verdampfereintrittstemperatur in die gewünschte Richtung zu beeinflussen. Konkret bedeutet dies, dass für eine weitere Reduzierung der Verdampfereintrittstemperatur das Durchflussregelventil 6 nicht schon bereits vollständig geöffnet sein darf, während es für eine Erhöhung nicht vollständig geschlossen sein sollte. Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft für das hier vorgestellte Verfahren, wenn der um die Economizerheizflächen herumgeführte Nebenstrom nicht bereits vor der letzten Econo- mizerstufe, sondern direkt am Verdampfereintritt dem Hauptstrom des Strömungsmediums wieder beigemischt wird, da nur auf diesem Weg die unter Umständen erforderliche schnelle Änderung der Verdampfereintrittstemperatur gewährleistet werden kann. Die Gefahr einer Einbindung des Bypass Stroms am Verdampfereintritt liegt allerdings in einer möglichen Dampfbildung in der letzten Economizerstufe , was es zu vermeiden gilt. Eine Verlagerung des Speisewasserregelventils vom Ein- tritt der ersten Economizerstufe (so wie in FIG 3 dargestellt) an den Eintritt des Verdampfers (so wie in FIG 1 und 2 dargestellt) kann hier für geeignete Abhilfe sorgen. Durch den damit verbundenen höheren Systemdruck in den Economizer- heizflächen findet eine unerwünschte Dampfbildung in der letzten Economizerheizflache physikalisch bedingt nicht statt .

FIG 2 zeigt nun eine weitere Detaillierung des in FIG 1 ge- zeigten prinzipiellen Regelungskonzepts. Hier wird zuerst eine Differenz zwischen der ermittelten Überhitzung am Verdampferaustritt und einem Überhitzungssollwert 110 gebildet und anschließend eine zeitliche Änderung dieser Differenz errechnet. Dies geschieht optimalerweise über die Nutzung eines zu- sätzlichen Differenzierglieds erster Ordnung 151, dessen Eingang mit der Differenz aus Soll- und Istüberhitzung beschaltet wird. Vorteilhafterweise wird der Ausgang dieses

Differenzierglieds 151 noch mit dem zeitlich verzögerten Wert 152 der einer zugeführten Wärmeenergie charakteristischen Kenngröße 30 multipliziert und zum Unterkühlungssollwert 26 addiert. Um eine geforderte Mindestunterkühlung am Verdampfereintritt nicht zu unterschreiten, ist diese Summe zusätzlich über ein Max-Auswahl -Element 155 mit der gewünschten Minimal - Unterkühlung 154 abzusichern.

FIG 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel bei dem das Speisewasserregelventil 141 vor der ersten Economizerheiz - fläche 10 angeordnet ist und die Einbindung 12' der Bypass- leitung 4 zwischen den zwei Economizerheizflächen 10 und 14 vorgesehen ist. Die erweiterte Regel- und Steuereinrichtung

100' berücksichtigt im Sinne einer klassischen Zweikreisregelung nun zusätzlich noch im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel in FIG 2 den zeitlich verzögerten Wert 157 der mit Hilfe einer weiteren Meßeinrichtung 156 ermittelte Temperatur am Eintritt des Economizers 14. Dadurch wird gewährleistet, dass trotz des durch den Economizer 14 bedingten zeitlich verzögerten Verhaltens der Temperatur des Strömungsmediums am Verdampfereintritt bei instationärem Anlagenverhalten die Eco- Bypass Regelungeinrichtung 100' möglichst schnell und dennoch gleichzeitig stabil agieren kann.

Kommt bei einem nach dem Zwangdurchlaufprinzip ausgebildeten Abhitzedampferzeuger das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung, lassen sich Schwankungen der Überhitzung am Verdampferaustritt wirkungsvoll reduzieren, wie Simulationen eines unterkritischen Verdampferssystems eines solchen zwangdurchströmten Abhitzedampferzeugers gezeigt haben. Die Schwankun- gen der Verdampferaustrittsüberhitzung belaufen sich dabei ohne Anwendung des hier aufgezeigten Verfahrens auf circa 90K während diese Schwankungen bei Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts auf circa 50K reduziert werden können.