Beschreibung

Verfahren zum Anfahren eines Durchlaufdampferzeugers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren eines

Durchlaufdampferzeugers mit einer eine Anzahl von Brennern aufweisenden Brennkammer, dessen Verdampferrohren strömungs- mediumsseitig eine Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung nachgeschaltet ist.

Bei einer Kraftwerksanlage mit einem Dampferzeuger wird der Energiegehalt eines Brennstoffs zur Verdampfung von einem Strömungsmedium im Dampferzeuger genutzt. Der Dampferzeuger weist zur Verdampfung des Strömungsmediums Verdampferrohre auf, deren Beheizung zu einer Verdampfung des darin geführten Strömungsmediums führt. Der durch den Dampferzeuger bereitgestellte Dampf wiederum kann beispielsweise für einen angeschlossenen externen Prozess oder aber für den Antrieb einer Dampfturbine vorgesehen sein. Treibt der Dampf eine Dampftur- bine an, so wird über die Turbinenwelle der Dampfturbine üblicherweise ein Generator oder eine Arbeitsmaschine betrieben. Im Falle eines Generators kann der durch den Generator erzeugte Strom zur Einspeisung in ein Verbund- und/oder Inselnetz vorgesehen sein.

Der Dampferzeuger kann dabei als Durchlaufdampferzeuger ausgebildet sein. Ein Durchlaufdampferzeuger ist aus dem Aufsatz „Verdampferkonzepte für BENSON-Dampferzeuger" von J. Franke, W. Köhler und E. Wittchow, veröffentlicht in VGB-Kraftwerks- technik 73 (1993), Heft 4, S. 352 bis 360 bekannt. Bei einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von als Verdampferrohren vorgesehenen Dampferzeugerrohren zu einer Verdampfung des Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem einmaligen Durchlauf.

Um einen besonders hohen Wirkungsgrad des Durchlaufdampf- erzeugers zu erreichen, sind den Verdampferrohren strömungs- mediumsseitig überhitzerrohre nachgeschaltet, die die Enthai-

pie des austretenden Dampfes weiter erhöhen. Die überhitzerrohre sind für den Durchlauf von Dampf ausgelegt und können beim Eintritt von Wasser beschädigt werden. Daher ist ihnen üblicherweise strömungsmediumsseitig eine Wasser-Dampf-Ab- scheideeinrichtung vorgeschaltet, die beispielsweise Wasser- Dampf-Abscheider und eine Wasserflasche, das so genannte Was- sersammelgefäß, oder Kombinationen aus Abscheidern und Wasserflasche umfassen kann. Die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung trennt nicht vollständig verdampftes Wasser weit gehend vom Dampf, sammelt es zunächst und gibt es über ein Auslassventil ab. Das abgeschiedene Wasser kann entweder verworfen oder zur erneuten Verdampfung wieder in den Kreislauf eingespeist werden.

In die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung fließt im Dauerbetriebszustand des Durchlaufdampferzeugers vergleichsweise wenig oder überhaupt kein Wasser ein, da das eingepumpte Wasser in den Verdampferrohren praktisch vollständig verdampft. Eine wesentlich größere Wassermenge fließt hingegen beim Anfahr- Vorgang in die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung ein. Beim Anfahren eines Durchlaufdampferzeugers werden nämlich üblicherweise zunächst die Verdampferrohre aus Gründen einer ausreichenden Rohrkühlung mit einem Verdampfermindestmassenstrom durchströmt und die Brenner mit einer Teillast gezündet. Vor dem Einsetzen der Verdampfung wird dabei der gesamte Wasserstrom der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung zugeführt. Bei Einsetzen der Verdampfung wird durch die dadurch bedingte plötzliche Volumenzunahme ein Teil des Wasserinhalts zwischen dem Ort des Beginns der Verdampfung und der Wasser-Dampf-Ab- scheideeinrichtung ausgestoßen. Um trotz dieses Wasserausstoßes eine unerwünschte Weiterleitung von unverdampftem Strömungsmedium in die nachgeschalteten überhitzerrohre weit gehend zu vermeiden, ist üblicherweise eine entsprechend große Dimensionierung aller Bauteile der Wasser-Dampf-Abscheideein- richtung und der nachgelagerten Wasser-Abführeinrichtung (wie z.B. Entspanner, Kondensator, Ablaufleitung etc.) erforderlich, die mit hohem Material- und Kostenaufwand verbunden ist .

Ein Verfahren zum Anfahren eines Durchlaufdampferzeugers, mit dem der Wasserausstoß vermieden oder gering gehalten werden kann, ist aus der DE 19528438 bekannt. Bei diesem Verfahren wird das Verhältnis von Feuerungsleistung und Speisewasser- ström derart eingestellt, dass das in die Verdampferrohre eingepumpte Wasser auch im Teillastbereich vollständig verdampft und somit kein oder nahezu kein Wassereintritt in die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung oder die überhitzerrohre erfolgt. Der Wasserausstoß wird dabei somit durch eine ent- sprechend gering gehaltene Speisewasserzufuhr minimiert.

Allerdings ist bei Durchlaufdampferzeugern, wie in der DE 195 28 438 beschrieben, zur sicheren Kühlung der Verdampferrohre auch bei minimaler eingebrachter Feuerleistung eine Mindestmassenstromdichte und damit ein Mindestspeisewasser- massenstrom notwendig. Eine Reduzierung des Speisewassermas- senstroms zur Vermeidung eines Wasserausstoßes ist demnach nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum Anfahren eines Durchlaufdampferzeugers anzugeben, bei dem die beim Anfahrvorgang in die Wasser- Dampf-Abscheideeinrichtung und der Wasser-Abführeinrichtung einfließende Wassermenge gering gehalten wird, so dass eine kleinere Dimensionierung der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung und/oder Wasser-Abführeinrichtung möglich ist, wobei gleichzeitig eine ausreichende Kühlung der Verdampferrohre gewährleistet sein soll. Dies soll bei einem zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Durchlaufdampferzeuger mit einfa- chen Mitteln erreicht werden.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Feuerungsleistung von zumindest einem der Brenner in Abhängigkeit von einem Füllstandskennwert für die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung eingestellt wird.

Die Erfindung geht dabei von der überlegung aus, dass eine ausreichende Kühlung der Verdampferrohre dann gewährleistet

bleibt, wenn die zugeführte Speisewassermenge ausreichend groß ist. Eine Vermeidung des Wasserausstoßes durch einfache Reduzierung der Speisewassermenge ist daher nicht zweckdienlich. Dennoch soll eine vergleichsweise geringere Dimensio- nierung der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung und der Wasser- Abführeinrichtung erzielt werden, da dies die Einsparung erheblicher Material- und Fertigungskosten bei der Auslegung der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung und der Wasser-Abführeinrichtung bedeuten würde. Daher sollte der beim Anfahrpro- zess auftretende Wasserausstoß auf anderem Wege reduziert werden als durch Beeinflussung der Speisewassermenge. Dies kann durch eine Verteilung des Wasserausstoßes auf einen größeren Zeitraum erreicht werden. Dazu sollte die beginnende Verdampfung des Wassers während des Anfahrprozesses verlang- samt werden, da der Wasserausstoß durch das plötzliche Einsetzen der Verdampfung in den Verdampferrohren und die daraus resultierende Volumenzunahme verursacht wird. Dies kann durch eine entsprechende Beeinflussung der Wärmezufuhr in die Verdampferrohre erreicht werden. Diese wird ihrerseits durch die Feuerungsleistung bestimmt und sollte somit unter Berücksichtigung der einsetzenden Verdampfung gesteuert werden. Um den Zeitpunkt der eintretenden Verdampfung zu bestimmen, kann der durch die Verdampfung verursachte Wasserausstoß als Indikator herangezogen werden. Da der Wasserausstoß insbesondere durch eine Erhöhung des Wassereinflusses in die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung angezeigt wird, kann dies durch Messung eines Füllstandskennwerts der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung geschehen.

Zur Bestimmung des beginnenden Wasserausstoßes ist die Auswertung verschiedener, für den Füllstand in der Wasser-Dampf- Abscheideeinrichtung charakteristischer Kennwerte denkbar. Beispielsweise könnte eine DurchlaufStrommessung am Einlass der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung erfolgen, aus der mit- telbar auf den Füllstand geschlossen werden kann. Eine besonders zuverlässige Umsetzung ist erreichbar, indem in besonders vorteilhafter Ausgestaltung eine direkte Messung des Füllstands der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung vorgesehen

ist. Ein Anstieg des Füllstandes in der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung zeigt einen beginnenden Wasserausstoß besonders zuverlässig an und kann mit einfachen Mitteln gemessen werden .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann zusätzlich die änderungsgeschwindigkeit des gemessenen Füllstandskennwerts berücksichtigt werden, da ein besonders schneller Anstieg einen weiteren Indikator für einen begin- nenden Wasserausstoß und die Höhe des Wasserausstoßes liefert.

Um dem Wasserausstoß ausreichend entgegenzuwirken, sollte die Wärmezufuhr zu den Verdampferrohren beeinflusst und insbeson- dere gedrosselt werden. Während einer im Anfahrprozess typischen Phase der Erhöhung der Feuerungsleistung kann dies durch Aussetzen der Erhöhung der Feuerungsleistung zum Zeitpunkt der einsetzenden Verdampfung erreicht werden. Dadurch wird der Verdampfungsprozess verlangsamt und eine überspei- sung der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung mit Wasser verhindert. Da der beginnende Wasserausstoß insbesondere durch einen verhältnismäßig starken Anstieg des Füllstandes in der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung angezeigt wird, kann diese Reduzierung vorteilhafterweise bei Erreichen eines Grenzwerts des gemessenen Füllstandskennwerts der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung erfolgen. Dies ermöglicht eine technisch besonders einfach zu realisierende Schaltung.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann bei Errei- chen eines Grenzwerts des gemessenen Füllstandskennwerts die Feuerungsleistung der Brenner nicht nur konstant gehalten, sondern sogar reduziert werden. Dies bewirkt eine noch stärkere Reduzierung des Wärmeeintrags in die Verdampferrohe und damit eine noch stärkere Verlangsamung des Verdampfungspro- zesses. Dies ermöglicht eine noch wirksamere Verminderung des Wasserausstoßes und Begrenzung des Wassereintrags in die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird dabei allerdings berücksichtigt, dass eine minimale stationäre Anfahrfeue- rungsleistung, die je nach Auslegung des Durchlaufdampferzeu- gers im Hinblick auf die Stabilität der Verbrennung bei- spielsweise zwischen 2 % und 5 % der maximalen Feuerungsleistung (entspricht einer Feuerungsleistung bei 100 % Last) betragen kann, möglichst nicht unterschritten werden sollte. Dazu beträgt die Reduzierung der Feuerungsleistung bei Erreichen des Grenzwertes vorteilhafterweise 1 % bis 5 % der maxi- malen Feuerungsleistung.

Ein besonders effektiver Anlagenbetrieb ist erreichbar, indem der Durchlaufdampferzeuger möglichst schnell und unmittelbar nachdem das nach Einsetzen der Verdampfung ausgestoßene Was- ser entfernt ist, in seinen gewünschten Betriebszustand gebracht wird. Dazu wird die Feuerungsleistung zweckmäßigerweise nach einer Wartezeit wieder gesteigert. Um einen vollständigen Abfluss des ausgestoßenen Wassers aus den Verdampferrohren zu gewährleisten, sollte dabei vorteilhafterweise eine Wartezeit von 1 bis 3 Minuten eingehalten werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann, um eine zeitlich noch besser mit dem Ende des Wasserausstoßes abgestimmte Steigerung der Feuerungsleistung zu ge- währleisten, diese bei Erreichen eines unteren Grenzwerts des Füllstandskennwerts für die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung wieder gesteigert werden. Dies ermöglicht einen vergleichsweise noch effektiveren und zeitsparenden Anfahrvorgang.

Der Anfangszustand eines Durchlaufdampferzeugers ist für

Warm- und Kaltstart sehr unterschiedlich: Die Temperatur der verschiedenen Bauteile hat einen unmittelbaren Einfluss auf die Parameter des Anfahrvorgangs. Vorteilhafterweise sind daher für Warm- und Kaltstart des Durchlaufdampferzeugers un- terschiedliche Grenzwerte vorgegeben. Umfasst die Wasser- Dampf-Abscheideeinrichtung unterschiedliche Auslassventile für Warm- und Kaltstart, so kann beim Warmstart, bei dem der Druck in der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung in der Regel

oberhalb des Verriegelungsdrucks für das Kaltstart-Ablaufventil liegt, der obere Grenzwert beispielsweise der oberste Wert des Regelbereichs für das Warmstartventil sein. Beim Kaltstart hingegen, bei dem der Druck in der Wasser-Dampf- Abscheideeinrichtung unterhalb des Verriegelungsdrucks für das Kaltstart-Ablaufventil liegt, kann der obere Grenzwert beispielsweise der oberste Wert des Füllstandsregelbereichs des Kaltstart-Ablaufventils sein. Somit wird eine entsprechende Optimierung des Anfahrvorgangs ermöglicht.

Bezüglich des Durchlaufdampferzeugers mit einer eine Anzahl von Brennern aufweisenden Brennkammer, dessen Verdampferrohren strömungsmediumsseitig eine Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung nachgeschaltet ist, wird die Aufgabe gelöst, indem eine zur Einstellung der Feuerungsleistung vorgesehene Steuereinheit dateneingangsseitig mit einem Sensor zur Messung eines Füllstandskennwertes der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung verbunden ist.

Vorteilhafterweise misst der Sensor direkt den Füllstand der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung. Der Füllstand der Wasser- Dampf-Abscheideeinrichtung bietet eine besonders einfach zu verarbeitende Größe für die Steuerung der Feuerungsleistung.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Messung oder Beobachtung der Wassermenge in der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung eine Früherkennung des beginnenden Wasserausstoßes während der Anfahrphase, d. h. in den ersten 20 Minuten nach dem Zünden der Brenner und unterhalb von 15 % der maximalen Feuerungsleistung, möglich wird und durch eine bedarfsgerechte Steuerung der Feuerungsleistung, insbesondere eine Reduzierung der Feuerungsleistung, abgeschwächt werden kann. Somit reduziert sich die in die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung eingebrach- te Wassermenge und die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung und Wasser-Abführeinrichtung kann insgesamt kleiner dimensioniert werden, so dass erhebliche Material- und Fertigungskosten eingespart werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 schematisch einen Durchlaufdampferzeuger mit einer Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung, hier beispielhaft mit Umwälzpumpe, und einer Steuereinrichtung für die Feuerungsleistung, und FIG 2 eine grafische Darstellung des Anfahrvorgangs eines

Durchlaufdampferzeugers .

Der Durchlaufdampferzeuger 1 gemäß FIG 1 ist in vertikaler Bauform ausgeführt. Die Menge des durch den Brennstoffeinlass 2 eingebrachten Brennstoffes B wird durch ein Steuerventil 4 beeinflusst, das durch eine Steuereinrichtung 6 eingestellt wird. Damit steuert die Steuereinrichtung 6 unmittelbar die Feuerungsleistung der Brenner 7. Das durch den Verbrennungs- prozess erzeugte heiße Gas durchströmt die Brennkammer 8 und tritt in einen Gaszug 9 ein. Dem Gaszug 9 können noch weitere nicht gezeigte Bauteile wie z. B. ein Economizer nachgeschal- tet sein.

Strömungsmediumsseitig tritt Wasser W durch einen Wasserein- lass 10 zunächst in die Verdampferrohre 12 ein, die auslass- seitig in die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung 14 münden. Nicht verdampftes Wasser wird in der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung 14 gesammelt und wird, da es unter Druck steht, entweder komplett durch ein Ablaufventil 15 aus dem System entfernt, oder es findet bei einem Verdampfersystem mit Umwälzkreislauf entsprechend anteilig eine Aufteilung des ge- samten Ablaufmassenstromes aus der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung auf eine Umwälzpumpe 20 (mit nachgelagertem Umwälzregelventil 21) und ein Ablaufventil 15 statt. Somit kann das ausgeschleuste Wasser entweder verworfen oder erneut über den Wassereinlass 10 ins System eingespeist werden. Anstelle des hier gezeigten einzelnen Ablaufventils 15 können auch unterschiedliche Ablaufventile für Warm- und Kaltstart vorgesehen sein, die in ihrer Auslegung an die unterschiedlichen Aus-

gangszustände des Durchlaufdampferzeugers 1 bei Warm- und Kaltstart angepasst sind.

Der erzeugte Dampf D tritt aus der Wasser-Dampf-Abscheideein- richtung 14 in die überhitzerrohre 16, wo er weiter überhitzt wird, und wird anschließend durch den Dampfauslass 18 seiner weiteren Verwendung zugeführt. Typischerweise wird der Dampf zur Stromerzeugung einer hier nicht gezeigten Dampfturbine zugeführt .

Die Steuereinrichtung 6 für die Feuerungsleistung ist derart ausgelegt, dass ein übermäßiger Wasserausstoß durch die plötzlich einsetzende Verdampfung beim Anfahrvorgang durch rechtzeitige Beeinflussung, insbesondere vorübergehende Re- duktion der Feuerungsleistung verhindert wird. Dazu ist die

Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung 14 mit verschiedenen Sensoren zur Messung von Füllstandskennwerten ausgestattet: Dazu zählen ein oder mehrere Füllstandssensoren 30, die über eine Datenleitung 36 mit der Steuereinrichtung 6 verbunden sind. Die Füllstandskennwerte der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung werden somit von der Steuereinrichtung 6 ausgelesen und ermöglichen damit, eine plötzliche Erhöhung des Füllstandes in der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung 14 zu erkennen. Diese Füllstandsveränderung ist eine Folge des Wasserausstoßes aus den Verdampferrohren 12, der seinerseits von der einsetzenden Verdampfung ausgelöst wird. über die Füllstandssensoren 30 empfängt die Steuereinrichtung 6 somit zuverlässige Daten über die beginnende Verdampfung in den Verdampferrohren 12 und ist für einen rechtzeitigen Eingriff in die Brennersteue- rung ausgelegt, um eine weitere Verdampfung und damit den

Eintritt von Wasser in die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung zu begrenzen.

Der zeitliche Ablauf eines Anfahrvorgangs des Durchlaufdampf- erzeugers ist anhand der relevanten Parameter oder Daten im

Diagramm nach FIG 2 dargestellt. Dabei sind die mit einem Simulationsprogramm ermittelten Prozessdaten eines typischen Anfahrvorganges in FIG 2 gegen die Zeit aufgetragen. Dabei

zeigt Linie Ll die Feuerungsleistung der Brenner 7 in Prozent der maximalen Feuerungsleistung, gesteuert durch die Steuereinrichtung 6. Die Linie L2 zeigt den Eintrittsmassenstrom in die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung 14, die Linie L3 zeigt den Austrittsmassenstrom der Wassermenge durch das Ablaufventil 15. Die Linie L4 zeigt die Daten des Füllstandssensors 30 und damit den Füllstand der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung 14.

Im Bereich I werden die Brenner 7 zunächst auf eine Feuerungsleistung von 5 % der maximalen Feuerungsleistung hochgefahren. Nach etwa 75 Sekunden beginnt die Verdampfung in den Verdampferrohren 12, die einen Wasserausstoß initiiert, erkennbar durch den plötzlichen Anstieg des Eintrittsmassen- Stroms in die Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung. Nach etwa 90 Sekunden erreicht der Austrittsmassenstrom die maximalen Durchsatzkapazität des Ablaufventils 15 und der Wasserstand der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung 14 steigt an.

Bei Erreichen des Grenzwerts von 1,2 m für den Füllstand in der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung 14 wird in Bereich II eine Reduzierung der Feuerungsleistung um 2,5 % der maximalen Feuerungsleistung ausgelöst. Es könnte hier auch eine andere Messgröße als Indikator benutzt werden, beispielsweise die erste Ableitung, d. h. die änderungsgeschwindigkeit des Füllstands könnte als Indikator dienen.

Durch die Reduzierung der Feuerungsleistung wird der Wärmeeintrag in die Verdampferrohre gedrosselt und damit der Ver- dampfungsprozess verlangsamt. Durch die Verlangsamung der durch den Verdampfungsprozess bedingten Volumenzunahme wird der Wasserausstoß reduziert und der weitere Anstieg des Füllstandes in der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung 14 kann auf ca. 2,9 m begrenzt werden. Dies ermöglicht eine entsprechend kostengünstige kleinere Dimensionierung aller Bauteile der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung und der Wasser-Abführeinrichtung.

Nach einer Wartezeit von etwa 60 Sekunden wird die Feuerungsleistung in Bereich III um die vorher reduzierten 2,5 % der maximalen Feuerungsleistung angehoben. Im Weiteren wird die Feuerungsleistung weiter erhöht und so der Dauerbetriebs- zustand des Durchlaufdampferzeugers hergestellt.

Das Verfahren begrenzt somit wirksam den maximalen Füllstand der Wasser-Dampf-Abscheideeinrichtung 14 durch rechtzeitigen Eingriff in die Feuerungsleistung der Brenner 7 und verhin- dert somit sicher einen Wassereintritt in die überhitzerrohre 16.