Durchlaufdampferzeuger

Die Erfindung betrifft einen Durchlaufdampferzeuger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betrei ^¬ ben eines solchen Durchlaufdampferzeugers gemäß Anspruch 5.

Die Erfindung bezieht sich konkret auf Durchlauf- bzw.

Zwangdurchlaufdampferzeuger für Kraftwerksanlagen, mit einer im Querschnitt rechteckigen Brennkammer, deren jede Brennkammerwand im Wesentlichen vertikal angeordnete und über Rohr ^¬ stege miteinander gasdicht verbundene Verdampferrohre um- fasst, die von einem Strömungsmedium von unten nach oben durchströmbar sind. Die Beheizung dieser, die Brennkammerwände bildenden Verdampferrohre, führt hier zu einer vollständi ^¬ gen Verdampfung des Strömungsmediums in einem Durchgang.

Prinzipiell können die Verdampferrohre des Durchlaufdampfer ^¬ zeugers dabei teilweise oder über die ganze Länge vertikal bzw. senkrecht und/oder schrauben- bzw. spiralförmig angeordnet sein. Durchlaufdampferzeuger können dabei als Zwangdurchlaufdampferzeuger ausgelegt sein, wobei der Durchlauf des Strömungsmediums hier von einer Speisepumpe erzwungen wird .

Wesentliche Vorteile eines reinen vertikalen Verdampferrohrkonzeptes sind eine einfache Konstruktion der Brennkammerauf ^¬ hängung, ein geringer Fertigungs- und Montageaufwand sowie eine größere Wartungsfreundlichkeit. Im Vergleich zu einer spiralförmig berohrten Brennkammerwand lassen sich auf diesem Weg die Investitionskosten erheblich reduzieren. Designbedingt sind aber die Temperaturschieflagen solcher senkrecht berohrten Verdampferrohrkonzepte im Vergleich zu spiralförmig berohrten Brennkammern wesentlich größer. Während die

Verdampferrohre in einer Spiralwicklung nahezu sämtliche Be ^¬ heizungszonen der Brennkammer durchlaufen und sich somit ein guter Beheizungsausgleich erzielen lässt, verbleiben die einzelnen Brennkammerrohre der Senkrechtberohrung vom vor- geschalteten Verdampfer-Eintrittssammler bis zum nachgeschalteten Verdampfer-Austrittssammler in der jeweiligen Beheizungszone. Somit erfahren Rohre in stark beheizten Brennkammerbereichen, z. B. in der Nähe der Brenner oder auch im Mit- tenwandbereich von Brennkammern mit rechteckigem Querschnitt, über der gesamten Rohrlänge eine kontinuierliche Mehrbehei ^¬ zung. Rohre in schwach beheizten Brennkammerbereichen, insbesondere die Eckwandrohre der Brennkammer mit rechteckigem Querschnitt, erfahren dagegen über der gesamten Rohrlänge ei- ne Minderbeheizung. Bei Konzepten mit spiralförmigen Verdampferrohren liegen die Mehr- und Minderbeizungen einzelner Rohre bzw. Rohrgruppen im niedrigen einstelligen Prozentbereich. Bei senkrecht berohrten Konzepten, sind hingegen bezogen auf die mittlere Wärmeaufnahme eines einzelnen Ver- dampferrohres , deutlich größere Mehr- und Minderbeheizungen bekannt. Die wesentliche Herausforderung bei senkrecht berohrten Brennkammerwänden liegt demnach in der Beherrsch- barkeit dieser großen Beheizungsschieflagen zwischen einzelnen Verdampferrohren.

Ein sehr wirksamer und bereits in der DE 4 431 185 AI offenbarter Weg, das zuvor beschriebene Problem zu lösen, ist eine Auslegung der Senkrechtberohrung nach dem sogenannten "Low- Mass-Flux" Design. Bei diesem Lösungsansatz werden in der Senkrechtberohrung geringstmögliche Massenstromdichten angestrebt, die in einer positiven Durchsatz-Charakteristik der einzelnen Verdampferrohre münden. Konkret bedeutet dies, dass Rohre mit einer Mehrbeheizung einen höheren und Rohre mit einer Minderbeheizung einen geringeren Durchsatz aufweisen. So- mit kann alleine durch eine zielgerichtete Anwendung physika ^¬ lischer Gesetzmäßigkeiten dem Auftreten unzulässig hoher Temperaturschieflagen wirksam entgegengetreten werden. Da aber in den letzten Jahren die Anforderungen hinsichtlich des Anlagenwirkungsgrades stetig gestiegen sind und sich somit Frischdampftemperatur und -druck ebenfalls kontinuierlich gesteigert haben und zudem auch immer größere Lastbereiche durch die Kraftwerksanlage abgedeckt werden müssen, besteht eine Notwendigkeit dieses "Low-Mass-Flux" Design weiterzuent- wickeln. Der Einsatz neuentwickelter Werkstoffe und deren Be- herrschbarkeit in der Verarbeitung und während des Betriebs der Kraftwerksanlage machen es zudem erforderlich, mögliche Temperaturschieflagen noch weiter zu reduzieren.

Naheliegend wäre es die Massenstromverteilung auf einzelne Brennkammerwandbereiche und damit verschiedene Gruppen von Verdampferrohren aufzuteilen und diese dann gezielt zu manipulieren. Konkret bedeutet dies, dass in bevorzugter Art und Weise Wandbereiche mit einer hohen Beheizung vergleichsweise große Durchflussraten und Wandbereiche mit niedriger Behei ^¬ zung entsprechend niedrigere Durchflussraten aufweisen sollten. Zu diesem Zweck muss die Brennkammer zur Berücksichtigung unterschiedlicher Beheizungszonen in repräsentative Wandbereiche unterteilt werden. Dies geschieht durch eine

Segmentierung der Ein- und Austrittssammler. Jedes Sammlersegment ist dabei einem Wandbereich mit repräsentativer Beheizung zugeordnet. Im Eintrittsbereich wird jedes Sammlersegment mit einer eigenen Speisewasserzuführungsleitung ver- sehen. Durch die Wahl einer geeigneten geometrischen Ausgestaltung dieser Zuführungsleitungen, bzw. durch die Installation zusätzlicher Drosselblenden im Bereich dieser Zuführungsleitungen, kann abhängig von der jeweiligen Beheizungssituation die Aufteilung des Gesamtspeisewassermassenstroms auf die einzelnen Sammlersegmente zielgerichtet vorgenommen werden .

Geometrisch aufeinander abgestimmte Zuführungsleitungen bzw. Drosselblenden haben aber den entscheidenden Nachteil, dass sich ihre Drosselleistung mit der Last verändert. Somit kann die Massenstromverteilung im Verdampfer und die damit verknüpften Temperaturschieflagen am Verdampferaustritt systembedingt nur für einen bestimmten Lastbereich optimiert werden. Darüber hinaus können sowohl die Zuführungsleitungen als auch die Drosselblenden nur bei genauer Kenntnis der Wärmeverteilung über dem Brennkammerumfang zielgerichtet ausgelegt und aufeinander abgestimmt werden. Weicht dann im Betrieb der Kraftwerksanlage die auftretende Wärmeverteilung von der in den Auslegungsberechnungen der Zuführungsleitungen bzw. Drosselblenden verwendeten Verteilung ab, so können im ungünstigsten Fall die Temperaturschieflagen sogar noch ansteigen. Die Idee das Design über die geometrische Anpassung der Zu ^¬ führungsleitungen mit oder ohne Drosselblenden weiter abzusichern kehrt sich so unter Umständen sogar in das Gegenteil um.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Durchlaufdampferzeuger sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines solchen Durchlaufdampferzeugers bereitzustel ^¬ len .

Diese Aufgabe wird mit dem Durchlaufdampferzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie dem Verfahren mit den Merkma ^¬ len des Anspruchs 5 gelöst.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass dadurch, dass Verdampferrohre der Brennkammerwände entspre ^¬ chend ihrem Beheizungsgrad durch stromaufwärts angeordnete Eintrittssammler jeweils zu mehrbeizten Rohrgruppen und minderbeheizten Rohrgruppen zusammengefasst sind und im Bereich der entsprechenden Speisewasserzuführung zumindest ein Regelventil zum geregelten Drosseln des Massenstroms des Speise ^¬ wassers und damit des die Verdampferrohre durchströmenden Strömungsmediums vorgesehen ist, und zum Bestimmen einer Regelgröße für das zumindest eine Regelventil im Bereich von stromabwärts angeordneten Austrittssammlern Temperaturmessmittel zum Messen von Austrittstemperaturen des Strömungsmediums aus den Verdampferrohren vorgesehen sind, können so auch bei nahezu unverändertem Design des DurchlaufVerdampfers, Temperaturschieflagen einer senkrecht berohrten Brennkammer im gesamten Lastbereich der Kraftwerksanlage, mit geringem Aufwand effektiv minimiert werden. Im günstigsten Fall ist hierfür nur ein zusätzliches Regelventil als Regelarmatur und ein entsprechendes Regelkonzept vorzusehen. Das erfin ^¬ dungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines solchen Durchlaufdampferzeugers sieht dabei vor, dass die Speisewasserzufüh- rung der minderbeheizten Rohrgruppen durch Androsselung des zumindest einen Regelventils soweit reduziert wird, dass sich die Austrittstemperaturen der mehrbeizten Rohrgruppen denen der minderbeheizten Rohrgruppen angleichen bzw. sich auf ähnlichem Niveau befinden.

Vorzugsweise sind jeder der mehrbeizten Rohrgruppen und minderbeheizten Rohrgruppen jeweils einer der Eintrittssammler und ein Austrittssammler zugeordnet, und jeder der Austritts ^¬ sammler weist eines der Temperaturmessmittel auf. Bevorzugt sind die Temperaturmessmittel dabei in den von den Austritts ^¬ sammlern abgehenden Leitungen installiert, da hier eine

Mischtemperatur gemessen wird.

Gerade bei im Wesentlichen rechteckigen Brennkammern, die ausgeprägte minderbeheizte Rohrgruppen in den Eckwandberei ^¬ chen aufweisen, kann es vorteilhaft sein, wenn jeder der vier Eckwandbereiche eine eigene Speisewasserzuführungsleitung mit jeweils einem eigenen Regelventil aufweist. Durch diese Er ^¬ weiterung, die im Bedarfsfall auch modular erfolgen kann, kann eine weitere Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung am Austritt der senkrechtberohrten Verdampferwand eines

Durchlaufdampferzeugers erreicht werden. Unter diesen Umstän ^¬ den ist es sogar denkbar den Durchlaufdampferzeuger vom Eintritt bis zum Ausritt in einem kompletten Durchlauf zu berohren, so dass bislang noch vorgesehene Umkehrsammler entfallen können. Der für die dynamische Stabilität gegebenenfalls erforderliche Druckausgleich könnte hier mit einem weitaus kostengünstigeren Druckausgleichsammler realisiert werden .

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Durchlaufdampferzeugers bzw. des zwangdurchströmten Durchlaufdampferzeugers sind den weiteren Unteransprüchen zu ent ^¬ nehmen . Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:

FIG 1 schematisch im Querschnitt eine erfindungsgemäße

Ausbildung eines Durchlaufdampferzeugers mit recht ^¬ eckiger Brennkammer,

FIG 2 schematisch eine zweite erfindungsgemäße Ausbil ^¬ dung . Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee in einer Brenn ^¬ kammer 1 die Massenstromverteilung des die Verdampferrohre durchströmenden Strömungsmediums in mehrbeheizte Rohrgruppen 10 und minderbeheizte Rohrgruppen 11 zu segmentieren und de ^¬ ren Durchflussraten dann gezielt zu manipulieren. Konkret be- deutet dies, dass Wandbereiche mit hoher Beheizung ver ^¬ gleichsweise große Durchflussraten und Wandbereiche mit nied ^¬ riger Beheizung entsprechend niedrigere Durchflussraten aufweisen sollten. Zu diesem Zweck wird - wie in FIG 1 und FIG 2 beispielhaft dargestellt - die komplette Brennkammer 1 in re- präsentative Wandbereiche El bis E4 und Ml bis M4 mit unter ^¬ schiedlichen Beheizungszonen unterteilt. Dies erfolgt hier zumindest durch eine Segmentierung der Verdampferrohre in Rohrgruppen 10 und 11 mittels nicht näher dargestellter Eintrittssammler am unteren Ende des ( Zwang- ) Durchlaufdampf- erzeugers .

In dem in FIG 1 schematisch dargestellten Querschnitt durch den Durchlaufdampferzeuger der Brennkammer 1 sind zwölf segmentierte Rohrgruppen 10 und 11 zu sehen. Jeder Brennkammer- wand sind dabei zwei Eintrittssammlersegmente an den Ecken und ein dazwischen liegendes Eintrittssammlersegment zugeord ^¬ net. Jedes der Eintrittssammlersegmente ist dabei einem Wand ^¬ bereich mit repräsentativer Beheizung, hier den minderbeheizten Eckwandbereichen E1-E4 und den mehrbeheizten Mittenwand- bereichen M1-M4 zugeordnet, wobei den Eckwandbereichen E1-E4 jeweils zwei Eintrittssammlersegmente an der Ecke zweier be ^¬ nachbarter Brennkammerwände zugeordnet ist. Jedem Eckwandbe ^¬ reich El bis E4 ist dabei eine Speisewasserzuführungsleitung Sl bis S4 zum Zuführen von Speisewasser zu den entsprechenden Eintrittssammlern zugeordnet. Diese können dabei, wie in FIG 1 dargestellt, von einer SpeisewasserhauptZuführungsleitung 20 aus entsprechend verzweigen und in jedem Eckwandbereich jeweils zwei Rohrgruppen benachbarter Brennkammerwände über die entsprechenden Eintrittssammlersegmente mit Speisewasser versorgen (in FIG 1 durch Pfeile angedeutet) . Die Speisewas ^¬ serhauptZuführungsleitung 20 und die Speisewasserzuführungs- leitungen Sl bis S4 bilden dabei die Speisewasserzuführung zu den Rohrgruppen 11 der Eckwandbereiche. Ist nun in der SpeisewasserhauptZuführungsleitung 20 ein Regelventil R vorgesehen, so kann auf unterschiedliche Lasten und auch auf Ausle ^¬ gungsunsicherheiten bei der angenommenen Wärmeverteilung, auf die einzelnen Eckwandbereiche El bis E4, adäquat reagiert werden, indem durch geregeltes Öffnen oder Schließen des Regelventils R, der den Verdampferrohren der Rohrgruppen 11 der Eckwandbereiche El bis E4 zugeführte Speisewassermassenstrom, den aktuellen Betriebsanforderungen angepasst wird. Nicht dargestellt ist in der FIG 1 die Versorgung der Rohrgruppen 10 der Mittenwandbereiche Ml bis M4 mit Speisewasser aus der SpeisewasserhauptZuführungsleitung 20.

Mittels im Bereich von stromabwärts angeordneten Austritts ^¬ sammlern vorgesehenen Temperaturmessmitteln zum Messen der Austrittstemperaturen des Strömungsmediums kann die Speise ^¬ wasserzuführung 20 der minderbeheizten Rohrgruppen 11 durch Androsselung des Regelventils R soweit reduziert wird, dass sich die Austrittstemperaturen der minderbeheizten Rohrgruppen 11 denen der mehrbeizten Rohrgruppen 10 angleichen und somit sich das gesamte Temperaturprofil am Austritt des

Durchlaufdampferzeugers vergleichmäßigt. Unzulässig hohe Tem ^¬ peraturschieflagen können so effektiv und ohne großen Aufwand verhindert werden, da in Abhängigkeit der gemessenen Tempera ^¬ turen, Wandbereiche mit geringer Wärmeaufnahme nun geringere Durchströmungen und Wandbereiche mit großer Wärmeaufnahme ei ^¬ ne hohe Durchströmung aufweisen. Vorzugsweise können dabei am Verdampferaustritt die Tempera ^¬ turmessmittel der mehrbeheizten Rohrgruppen 10 aus den Mit- tenwandbereichen als "hoch beheiztes" und die Temperaturmess ^¬ mittel der minderbeheizten Rohrgruppen 11 aus den Eckwandbe- reichen als "niedrig beheiztes" System zusammengefasst wer ^¬ den. Ist die gemessene Temperatur des als "hoch beheizten" zusammengefassten Systems zu groß, so kann durch zusätzliche Androsselung des Regelventils der Durchfluss durch die Eck ^¬ wandbereiche reduziert und im Umkehrschluss in den Mitten- wandbereichen angehoben werden, so dass sich die mittlere

Temperatur der Mittenwandbereiche auf das gewünschte Niveau absenken lässt.

Um die zusätzlichen Kosten sowie den regelungstechnischen Aufwand überschaubar zu halten bzw. zu begrenzen, sollte die maximale Anzahl der einzelnen Sammlersegmente samt zugehöri ^¬ ger Regelventile möglichst limitiert werden. Das einfachste System besteht dabei, wie in FIG 1 dargestellt, aus nur einem zusätzlichen Regelventil R in der Speisewasserhauptzuführlei- tung 20. Dabei wird davon ausgegangen, dass die vier Eckwand ^¬ bereiche El bis E4 der Brennkammer untereinander nahezu die gleiche Beheizung erfahren und so über die Speisewasserzu- führleitungen Sl bis S4 und die Speisewasserhauptzuführlei- tung 20 als eine gemeinsame Rohrgruppe mit einer gemeinsamen Speisewasserzuführung zusammengefasst werden können. Analog dazu sind die verbleibenden Wandmittenbereiche Ml bis M4 durch eine entsprechende, aber nicht näher dargestellte, Speisewasserzuführung auch zu einer gemeinsamen Rohrgruppe zusammengefasst .

Sollen auch Schieflagen zwischen den einzelnen Eckwandbereichen El bis E4 (und ggf. zusätzlich auch zwischen den einzel ^¬ nen Mittenwandbereichen Ml bis M4) untereinander berücksichtigt und ausgeglichen werden, sind - so wie in FIG 2 darge- stellt - im Minimum vier Regelventile Rl bis R4 in jeder der Speisewasserzuführungsleitungen Sl bis S4 zu installieren. Das heißt jedem Eckwandbereich El bis E4 kann unabhängig von den anderen Eckwandbereichen Speisewasser individuell gere- gelt zugeführt werden. Vorteilhafterweise hat hier dabei je ^¬ des der vier Eckwandsysteme El bis E4 sein eigenes Tempera ^¬ turmessmittel. Je nach Temperaturverteilung des Strömungsme ^¬ diums am Austritt des jeweiligen Eckwandbereichs werden diese nun im Verbund derart individuell angedrosselt, dass sich ein relativ gleichmäßiges Austrittstemperaturprofil über dem ge ^¬ samten Wandumfang des Verdampfers des Durchlaufdampferzeugers einstellt. Hinsichtlich der Koordination der einzelnen Regelventile Rl bis R4 untereinander steigt hier aber auch erwar- tungsgemäß der regelungstechnische Aufwand.

Kombinationen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele sowie weitere Ergänzungen sind vor dem Hintergrund von zuneh ^¬ menden Anforderungen an die Flexibilität während des Betriebs einer Kraftwerkanlage denkbar und sind von der Erfindung mit umfasst. So können zusätzlich auch Schieflagen der einzelnen Mittenwandbereiche Ml bis M4 untereinander und in Bezug zu den Eckwandbereiche El bis E4 berücksichtigt und ausgeglichen werden, wenn entsprechende Speisewasserzuführungsleitungen und Regelventile zur Androsselung dieser hoch beheizten Mittenwandbereiche vorgesehen werden. Würde man gleichzeitig auf eigene Regelventile in den Zuführungsleitungen der Rohrgrup ^¬ pen der Eckwandbereiche El bis E4 verzichten, so wäre in die ^¬ sem speziellen Fall im Vorfeld der Durchfluss durch die Eck- wandbereiche beispielsweise mittels fest installierter Dros ^¬ seln soweit zu begrenzen, dass eine Regelung des Speisewas- sermassenstroms der Mittenwandbereiche überhaupt erst ermög ^¬ licht wird. Nur unter diesen Umständen wäre bei voll geöffne ^¬ ter Regelarmatur in den Zuführungsleitungen der hoch beheiz- ten Mittenwandsysteme deren Durchsatz so groß, dass trotz hö ^¬ herer Beheizung die Mittenwandsysteme im Vergleich zu den Eckrohrsystemen geringere Austrittstemperaturen hätten. Durch eine zusätzliche Androsselung der Regelventile der Mitten ^¬ wandsysteme, könnte der nun zu groß geratene Durchsatz durch die Mittenwandsysteme wieder reduziert werden, um die Aus ^¬ trittstemperaturen aller Systeme zu vergleichmäßigen. Neben der projektierten Auslegung des Durchlaufdampferzeugers zur Kompensation von Temperaturschieflagen können mit der erfindungsgemäßen Auslegung des Durchlaufdampferzeugers und dem erfindungsgemäßen Verfahren aber auch Fehlauslegungen des Verteilersystems der Speisewasserzuführung komfortabel abge ^¬ federt werden. Zudem sind Beheizungsschieflagen, die bei der Auslegung der Brennkammer nicht berücksichtigt wurden, durch die vorliegende Erfindung ohne negative Folgeerscheinungen sicher handhabbar. Zusätzlich können unter Umständen Brenn- stoffkombinationen gefahren werden, die vorher nicht möglich waren, weil flexibel auf Beheizungsschieflagen reagiert werden kann. Alles in allem erhöht die vorliegende Erfindung die Verfügbarkeit des Durchlaufdampferzeugers und damit der ge ^¬ samten Kraftwerksanlage.