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Title:
VERTICAL HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/014941
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a vertical heat recovery steam generator, the low-pressure stages of which are designed as a once-through system, comprising a condensate preheater with at least one condensate preheater heating surface (20, 21, 22), through which a flow medium (S) flows and which is disposed in a hot gas channel (1) through which hot gas (H) flows, a low-pressure preheater with at least one low-pressure preheater heating surface (30, 31, 32) through which the flow medium (S) flows and which is disposed in the hot gas channel (1), and a low-pressure evaporator with at least one low-pressure evaporator heating surface (40) through which the flow medium (S) flows and which is disposed in the hot gas channel (1). The flow medium (S) flows successively through the at least one low-pressure preheater heating surface (30, 31, 32) and the at least one low-pressure evaporator heating surface (40) in one pass and without additional pressure compensation.

Inventors:
BRÜCKNER, Jan (Habernhofer Weg 30, Uttenreuth, 91080, DE)
THOMAS, Frank (Meisenweg 9b, Erlangen, 91056, DE)
Application Number:
EP2016/067169
Publication Date:
January 25, 2018
Filing Date:
July 19, 2016
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
F22D11/00; F22B21/00; F22D1/00
Domestic Patent References:
WO2015039831A22015-03-26
WO1996036792A11996-11-21
Foreign References:
EP0777036A11997-06-04
EP0582898A11994-02-16
JPH06241005A1994-08-30
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Claims:
Patentansprüche

1. Vertikaler Abhitzedampferzeuger dessen Niederdruckstufen als ZwangsdurchlaufSystem ausgebildet sind, umfassend

- einen Kondensatvorwärmer mit zumindest einer in einem von Heißgas (H) durchströmten Heißgaskanal (1) angeordneten und von einem Strömungsmedium (S) durchströmten

Kondensatvorwärmerheizfläche (20,21,22) ,

- einen Niederdruckvorwärmer mit zumindest einer im Heißgas- kanal (1) angeordneten und vom Strömungsmedium (S) durchströmten Niederdruckvorwärmerheizfläche (30,31,32),

- einen Niederdruckverdampfer mit zumindest einer im Heißgas- kanal (1) angeordneten und vom Strömungsmedium (S) durchströmten Niederdruckverdampferheizfläche (40) ,

- wobei die zumindest eine Niederdruckvorwärmerheizfläche (30,31,32) und die zumindest eine

Niederdruckverdampferheizfläche (40) in einem Durchgang nacheinander und ohne zusätzlichen Druckausgleich vom Strömungsmedium (S) durchströmt werden.

2. Vertikaler Abhitzedampferzeuger 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

eine erste (30,31) der zumindest einen Niederdruckvorwärmerheizflächen (30,31,32) im Heißgaskanal (1) in Heißgas- richtung nach einer ersten (20,21) der zumindest einen

Kondensatvorwärmerheizflächen (20 , 21 , 22 ) angeordnet ist.

3. Vertikaler Abhitzedampferzeuger 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 Kondensatvorwärmer zwei im Heißgaskanal (1) räumlich getrennt angeordnete und vom Strömungsmedium (S) nacheinander durchströmte Kondensatvorwärmerheizflächen (21,22) umfasst und der Niederdruckvorwärmer zwei im Heißgaskanal (1) räumlich getrennt angeordnete und vom Strömungsmedium (S) nachei- nander durchströmte Niederdruckvorwärmerheizflächen (31,32) umfasst, wobei die erste von Strömungsmedium (S) durchströmte Niederdruckvorwärmerheizfläche (31) im Heißgaskanal (1) in Heißgasrichtung nach der ersten Kondensatvorwärmerheizfläche (21) und die zweite vom Strömungsmedium (S) anschließend durchströmte Niederdruckvorwärmeheizfläche (32) in Heißgasrichtung zwischen der ersten und der zweiten Kondensatvorwärmerheizfläche (21,22) angeordnet ist.

4. Vertikaler Abhitzedampferzeuger nach Anspruch 1, 2 oder 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

in einer ersten Zuleitung (24) des Strömungsmediums (S) hin zum Kondensatvorwärmer eine Abzweigung (50) zur Bespeisung des Niederdruckvorwämers mit einem Teil des Strömungsmediums (S) vorgesehen ist.

5. Vertikaler Abhitzedampferzeuger nach Anspruch 4,

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

nach der Abzweigung (50) in einer zweiten Zuleitung (34) hin zum Niederdruckvorwärmer ein Regelventil (35) vorgesehen ist, dass die Menge des abgezweigten Strömungsmediums (S) zum Niederdruckvorwärmer regelt. 6. Vertikaler Abhitzedampferzeuger nach Anspruch 4 oder 5, 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

für den Kondensatvorwärmer zudem eine Umwälzpumpe (23) vorgesehen ist, die über Leitungen (25,27) und eine erste

Einbindestelle (26) das in den Kondensatvorwärmerheizflächen erwärmte Stömungsmedium in die erste Zuleitung (24) zurückführt, wobei die erste Einbindestelle (26) in der ersten Zuleitung (24) vor der Abzweigung (50) angeordnet ist.

7. Vertikaler Abhitzedampferzeuger nach Anspruch 1, 2 oder 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

für den Niederdruckvorwärmer und den Niederdruckverdampfer eine Niederdruckumwälzpumpe (52) vorgesehen ist, die über einen Wasser-Dampfabscheider (60) , eine Rückführleitung (51) und eine zweite Einbindestelle (53) das die Niederdruckvor- wärmer- und die Niederdruckverdampferheizflächen

(30,31,32,40) durchströmende und nicht verdampfte Strömungs- medium (S) in eine zweite Zuleitung (34) hin zum Niederdruckvorwärmer zurückführt .

Description:
Beschreibung

Vertikaler Abhitzedampferzeuger Die Erfindung betrifft einen vertikalen Abhitzedampferzeuger gemäß Anspruch 1.

Abhitzedampferzeuger kommen heute in vielen Kraftwerksanlagen zur Anwendung, um den Wirkungsgrad der Anlage zu steigern. Derzeitige Weiterentwicklungen zielen darauf ab, neben dem gängigen horizontalen Kesseldesign einen effizienten vertikalen Kessel zu entwickeln. Eine Überlegung besteht darin, alle drei Druckstufen als ZwangsdurchlaufSystem auszuführen, um so im Vergleich zum gegenwärtigen horizontalen Kesseldesign auch im Mittel- und Niederdruckbereich auf die großvolumigen und massigen Trommeln verzichten zu können. Dadurch ließe sich zudem auch der gesamte Stahlbau des Kessels schlanker und kostengünstiger ausführen. Thermohydraulische Untersuchungen, insbesondere des zwangs- durchströmten Niederdruckverdampfers haben gezeigt, dass eine stabile Durchströmung der Verdampfer im gesamten Lastbereich mit der heute üblicherweise eingesetzten Heizflächenkonfiguration für Kondensat- und Speisewasservorwärmung, bei denen die Speisewasservorwärmung des Niederdrucksystems ausschließlich im Kondensatvorwärmer stattfindet, nicht zu erreichen ist .

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten vertikalen Abhitzedampferzeuger bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mit dem vertikalen Abhitzedampferzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Es hat sich gezeigt, dass eine stabile Durchströmung der Verdampferheizflächen auch bei den im Niederdruck bestehenden niedrigen Drücken erzielt werden kann, wenn der Vorwärmer und der Verdampfer in einem Durchgang ohne zusätzlichen Druckausgleich berohrt werden und im Bereich des Vorwärmers ein ausreichend hoher Druckverlust erzeugt wird. Üblicherweise kann dies dadurch erreicht werden, dass die Rohre dieser Heizflä- che im Eintrittsbereich, in dem ausschließlich unterkühltes Medium im gesamten Lastbereich strömt, mit geringen Innendurchmessern ausgeführt werden. Erste Abschätzungen ergaben auch, dass dieser erforderliche Drossel-Druckverlust, der für eine stabile Durchströmung des Niederdruck-Verdampfers erfor- derlich ist, durch eine derartige KombiSchaltung erzielt werden könnte. Dazu ist aber, im Gegensatz zu den heute bekannten Lösungen, eine zusätzliche Niederdruckvorwärmerheizfläche erforderlich. Wird nun aber die Speisung des Niederdruckverdampfers nicht mehr durch das Strömungsmedium aus dem

Kondensatvorwärmer vorgenommen, sondern durch einen eigenen Vorwärmkreislauf realisiert, ist analog zum Kondensatvorwärmer zu gewährleisten, dass an keiner Stelle innerhalb der Rohre des Niederdruckvorwärmers die Temperatur des Strömungsmediums unter eine systemrelevante Auslegungstemperatur fällt. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Rohre während des Betriebs keiner Korrosion unterliegen.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen dass der vertikale

Abhitzedampferzeuger, dessen Niederdruckstufen als Zwangs- durchlaufSystem ausgebildet sind, einen Kondensatvorwärmer mit zumindest einer in einem von Heißgas durchströmten Heißgaskanal angeordneten und von einem Strömungsmedium durchströmten Kondensatvorwärmerheizfläche, einen Niederdruckvorwärmer mit zumindest einer im Heißgaskanal angeordneten und vom Strömungsmedium durchströmten Niederdruckvorwärmerheizfläche, sowie einen Niederdruckverdampfer mit zumindest einer im Heißgaskanal angeordneten und vom Strömungsmedium durchströmten Niederdruckverdampferheizfläche, umfasst, wobei die zumindest eine Niederdruckvorwärmerheizfläche und die zu- mindest eine Niederdruckverdampferheizfläche in einem Durchgang nacheinander und ohne zusätzlichen Druckausgleich vom Strömungsmedium durchströmt werden. Vorzugsweise ist dabei eine erste der zumindest einen Niederdruckvorwärmerheizflächen im Heißgaskanal in Heißgasrichtung nach einer ersten der zumindest einen Kondensatvorwärmerheizflächen angeordnet. Alternativ könnten die Niederdruck- und die Kondensatvorwärmerheizflächen im

Heißgaßkanal aber auch weitgehend im gleichen Bereich (z.B. ineinander verschränkt) angeordnet sein.

Gegenüber bekannten Lösungen, bei denen die Vorwärmung des Speisewassers - bezeichnet als das die Heizflächen des Nie- derdrucksystems durchströmenden Strömungsmedium - ausschließlich im Kondensatvorwärmer stattfindet, ist bei der vorliegenden Erfindung ein separater Niederdruckvorwärmer (ND- Economizer) mit entsprechenden Niederdruckvorwärmerheizflächen vorgesehen. Dazu wird vorzugsweise eine zweiteilige Anordnung dieser Heizflächen, zum einen hinter dem Kondensatvorwärmer am Rauchgaskanalaustritt und zum Anderen an einer aus thermodynamisch geeigneter Sicht zwischen den Heizflächen eines zweigeteilten Kondesatvorwärmers gewählt. Durch die Anordnung des Niederdruckvorwärmers im kältesten Ab- schnitt des Rauchgaskanals wird sichergestellt, dass eine

Verdampfung des Strömungsmediums in den dort mit geringen Innendurchmessern versehenen Rohren nicht stattfindet, so dass eine statische und dynamische Strömungsstabilität erzielt werden kann. Die Anordnung der zweiten Niederdruckvorwärmer- heizfläche an geeigneter Stelle zwischen den beiden

Kondensatvorwärmerheizflächen sorgt für die Sicherstellung der erforderlichen Vorwärmung des Speisewassers für das Niederdrucksystem . Bei einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird eine Anordnung bereitgestellt, die die Anforderungen, nämlich eine Mindesttemperatur des Strömungsmediums am Eintritt des Niederdruckvorwärmers zu gewährleisten, erfüllt, ohne dass dabei zusätzliche ökonomische bzw. betriebliche Nachteile auftreten. Dazu wird zur Bespeisung des Niederdrucksystems das Strömungsmedium am Eintritt des Kondensatvorwärmers also vor der ersten Kondensatvorwärmerheizfläche entnommen. In vorteilhafter Weise erfolgt diese Entnahme über eine Abzweigung und ein entsprechendes Regelventil hinter bzw.

stromabwärts der Einbindung des Kondensatvorwärmer- Umwälzmassenstroms, der die Eintrittstemperatur des Strö- mungsmediums in den Kondensatvorwärmer regelt. Damit wird sichergestellt, dass die Temperatur des Strömungsmediums am Eintritt der ersten Niederdruckvorwärmeheizfläche die gleiche Temperatur aufweist wie am Eintritt der ersten Kondensatvorwärmerheizfläche. Beide Systeme, also der Kondensator- vorwärmer als auch die Niederdruckstufe, werden somit mit der gleichen Eintrittstemperatur beaufschlagt. Somit ist gewährleistet, dass auch im Niederdruck-System eine aus korrosionstechnischer Sicht erforderliche Mindesttemperatur des Strömungsmediums nicht unterschritten wird.

Mit der bevorzugten Ausführung kann ohne zusätzliches Equip- ment sichergestellt werden, dass am Eingang des Niederdruckvorwärmers das zugeführte Strömungsmedium nahezu die gleiche Temperatur aufweist wie am Eintritt des Kondensatvorwärmers. Eine eigene Temperaturregelung für das Strömungsmedium am

Eintritt des Niederdruckvorwärmers entfällt. Die Regelung der Fluidtemperatur am Eintritt des Kondensatvorwärmers, die üblicherweise durch den zusätzlichen Umwälzkreislauf des

Kondensatvorwärmers sichergestellt wird, sorgt somit gleich- zeitig auch für die aus korrosionstechnischer Sicht erforderliche Eintrittstemperatur des Strömungsmediums am Niederdruckvorwärmer. Insbesondere im Ölbetrieb der Gasturbinen wird somit auch im Eintrittsbereich des Niederdruckvorwärmers eine erhöhte Temperatur des Strömungsmediums sichergestellt.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird ein eigenständiger Umwälzkreislauf in das Niederdrucksystem, bestehend aus Niederdruckvorwärmer und Niederdruckverdampfer integriert und zudem der Niederdruckverdampfer überspeist. Das noch nicht verdampfte und in einem Wasser-Dampf-

Abscheider vom Dampf getrennte Wasser, dass sich auf Siedetemperaturniveau befindet, wird dann über eine Niederdruckumwälzpumpe zum Eintritt des Niederdruckvorwärmer zurückgeführt _.

und dem kalten Speisewasser zugemischt. Durch geeignete Wahl des Überspeisungsgrades des Niederdruckverdampfers und die damit verbundene Rezirkulationsmenge kann die erforderliche Mindesttemperatur des Strömungsmediums am Eintritt der ersten Niederdruckvorwärmerheizfläche passend eingestellt werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante besteht darin, dass aufgrund der Überspeisung ein vergleichsweise hoher

Verdampferdurchsatz existiert, der wiederum die Stabilitätseigenschaften der Strömung im Niederdruckverdampfer günstig beeinflusst. Allerdings hat diese Ausführung gegenüber der besonders bevorzugen Ausführungsvariante den Nachteil, dass hier zusätzliches Equipment (wie Umwälzpumpe, Regelventile etc.) für den Umwälzkreislauf erforderlich ist. Zudem kann bei dieser Ausführungsform im gesamten Betriebsbereich am Austritt des Niederdruckverdampfers zu keinem Zeitpunkt eine Überhitzung des Strömungsmediums erzielt werden, da der Niederdruckverdampfer grundsätzlich im Nassbetrieb mit einem zur Einstellung der Mindesttemperatur des Strömungsmediums am Eintritt des Niederdruckvorwärmers erforderlichen Überspei - sungsgrad betrieben werden muss.

Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:

FIG 1 schematisch ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Niederdruckstufen eines vertikalen Abhitzedampferzeugers,

FIG 2 schematisch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines vertikalen Abhitzedampferzeugers mit aufgeteilten Heizflächen,

FIG 3-4 schematisch zwei weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele .

FIG 1 zeigt schematisch die zur Gewährleistung der Strömungs- Stabilität bevorzugte Ausführungsvariante eines zwangsdurch- strömten Niederdrucksystems eines vertikalen Abhitzedampferzeugers. Dieser umfasst einen Kondensatvorwärmer mit einer in einem von Heißgas H durchströmten Heißgaskanal 1 an- r

geordneten und von einem Strömungsmedium (S) durchströmten Kondensatvorwärmerheizfläche 20, einen Niederdruckvorwärmer mit einer im Heißgaskanal 1 angeordneten und vom Strömungsmedium S durchströmten Niederdruckvorwärmerheizfläche 30, sowie einen Niederdruckverdampfer mit einer im Heißgaskanal 1 angeordneten und vom Strömungsmedium S durchströmten

Niederdruckverdampferheizfläche 40. Die Niederdruckvorwärmerheizfläche 30 und die Niederdruckverdampferheizfläche 40 sind hier so ausgebildet, dass sie in einem Durchgang nachei- nander und ohne zusätzlichen Druckausgleich vom Strömungsmedium S durchströmt werden. Zudem ist die Niederdruckvorwärmerheizflächen 30 im Heißgaskanal 1 in Heißgasrichtung nach der Kondensatvorwärmerheizflächen 20 angeordnet.

Des Weiteren ist in einer ersten Zuleitung 24 des Strömungsmediums S hin zum Kondensatvorwärmer eine Abzweigung 50 zur Bespeisung des Niederdruckvorwämers mit einem Teil des Strömungsmediums S vorgesehen. Ferner ist nach der Abzweigung 50 in einer zweiten Zuleitung 34 hin zum Niederdruckvorwärmer ein Regelventil 35 vorgesehen, dass die Menge des abgezweigten Strömungsmediums S zum Niederdruckvorwärmer regelt. Zudem ist hier für den Kondensatvorwärmer eine Umwälzpumpe 23 vorgesehen, die über Leitungen 25 und 27 und eine erste

Einbindestelle 26 das in den Kondensatvorwärmerheizflächen erwärmte Stömungsmedium in die erste Zuleitung 24 zurückführt, wobei die erste Einbindestelle 26 in der ersten Zuleitung 24 vor der Abzweigung 50 angeordnet ist.

FIG 2 zeigt eine Weiterbildung der zuvor beschriebenen Aus- führungsform eines vertikalen Abhitzedampferzeuger, allerdings mit einem Kondensatvorwärmer der zwei im Heißgaskanal 1 räumlich getrennt angeordnete und vom Strömungsmedium S nacheinander durchströmten Kondensatvorwärmerheizflächen 21 und 22 umfasst. Zudem weist hier der Abhitzedampferzeuger einen Niederdruckvorwämer, mit zwei im Heißgaskanal 1 räumlich getrennt angeordneten und vom Strömungsmedium S nacheinander durchströmten Niederdruckvorwärmerheizflächen 31 und 32, sowie einen Niederdruckverdampfer mit zumindest einer im Heiß- gaskanal 1 angeordneten und vom Strömungsmedium S im An- schluss an die Niederdruckvorwärmerheizflächen durchströmten Niederdruckverdampferheizfläche 40 auf. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die erste von Strömungsmedium S durch- strömte Niederdruckvorwärmerheizfläche 31 im Heißgaskanal 1 in Heißgasrichtung hinter der ersten Kondensatvorwärmer- heizfläche 21 und die zweite vom Strömungsmedium S anschließend durchströmte Niederdruckvorwärmeheizfläche 32 in Heißgasrichtung zwischen der ersten und der zweiten Konden- satvorwärmerheizfläche 21 und 22 angeordnet ist. Weiterhin ist in einer Zuleitung 24 des Strömungsmediums S zu dem

Kondensatvorwärmer eine Abzweigung 50 zur Bespeisung des Niederdruckvorwämers mit einem Teil des Strömungsmediums S vorgesehen, wobei die Menge des abgezweigten Strömungsmediums S durch ein Regelventil 35 geregelt wird. Dadurch, dass für den Kondensatvorwärmer zudem eine Umwälzpumpe 23 vorgesehen ist, um über eine Leitung 27 und eine Einbindestelle 26 das in den Kondensatvorwärmerheizflächen erwärmte Stomungsmedium zu der Zuleitung 24 zurückzuführen, und die Abzweigung 50 stromabwärts der Einbindung 26 angeordnet ist, steht nun beiden Systemen ein Strömungsmedium mit nahezu gleichem Temperaturniveau zu Verfügung.

FIG 3 und FIG 4 zeigen eine alternative Ausgestaltung eines vertikalen Abhitzedampferzeugers. Im Gegensatz zu der in FIG 1 bzw. FIG 2 dargestellten Ausführung ist hier auch für den Niederdruckvorwärmer- und Niederdruckverdampferkreis eine Niederdruckumwälzpumpe 52 vorgesehen um über einen Wasser- Dampfabscheider 60, eine Rückführleitung 51 und eine

Einbindestelle 53 das die Niederdruckvorwärmer- und -verdampferheizflächen durchströmende und nicht verdampfte Strömungsmedium S zu der zweiten Zuleitung 34 zurückzuführen. Mit Hilfe einer geeigneten Verdampferüberspeisung kann der über die Niederdruckumwälzpumpe 52 und die Rückführleitung 51 ge- führte Umwälzmassenstrom gerade so eingestellt werden, dass die gewünschte Temperatur des Strömungsmediums S am Eintritt in die erste Niederdruckvorwärmheizfläche erzielt wird.