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 Wasser- rohrkessel eingesetzt, bei denen sich das Strömungsmedium - üblicherweise Wasser - in Dampferzeugerrohren befindet. Auch bei der FeststoffVerbrennung kommen Wasserrohrkessel zu 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. Strömungsme- diumsseitig bilden diese Dampferzeugerrohre zunächst einen Verdampfer, in den unverdampftes Medium eingeleitet und verdampft wird. Der Verdampfer ist dabei üblicherweise im hei ^¬ ßesten Bereich der Brennkammer angeordnet. Ihm ist strömungs- mediumsseitig gegebenenfalls eine Einrichtung zum Abscheiden von Wasser und Dampf und ein Überhitzer nachgeschaltet, in dem der Dampf über seine Verdampfungstemperatur hinaus weiter erhitzt wird, um in einer folgenden Wärmekraftmaschine wie z. B. einer Dampfturbine einen hohen Wirkungsgrad zu erzie ^¬ len. Dem Verdampfer kann strömungsmediumsseitig eine Vorwärmeinrichtung (sog. Economiser) vorgeschaltet sein, die das Speisewasser unter Ausnutzung von Ab- oder Restwärme vorwärmt und so ebenfalls den Wirkungsgrad der Gesamtanlage erhöht.

Je nach Bauart und Geometrie des Dampferzeugers können inner ^¬ halb der Brennkammer weitere Dampferzeugerrohre angeordnet sein. Diese können beispielsweise zu einer Innenwand zusam- mengefasst oder verschweißt sein. Abhängig von der gewünschten Anordnung von Dampferzeugerrohren bzw. Innenwänden innerhalb der Brennkammer kann es dabei erforderlich sein, Innenwände strömungsmediumsseitig hintereinander zu verschalten und deren Dampferzeugerrohre über einen Zwischensammler zu verbinden. In dem Zwischensammler vereint sich der Mediumsstrom aus der vorgeschalteten Innenwand und er dient als Eintrittssammler für die nachgeschaltete Innenwand.

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 Überhitzen dieser Rohre sehr wahrscheinlich wird. Eine solche Überhitzung kann bei längerem Betrieb zu Rohrschäden führen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Dampferzeuger und ein Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers der oben genannten Art anzugeben, die eine besonders hohe Lebensdauer und eine besonders geringe Reparaturanfälligkeit des Dampf ^¬ erzeugers ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem das Strö ^¬ mungsmedium an einem Eintritt der dem Zwischensammler vor- geschalteten Innenwand eine geringere Temperatur aufweist als das Strömungsmedium an einem Eintritt der Umfassungswand.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders hohe Lebensdauer und eine besonders geringe Repara ^¬ turanfälligkeit eines Dampferzeugers dadurch erreichbar wä ^¬ ren, dass eine Überhitzung der Dampferzeugerrohre durch übermäßig hohe Dampfgehalte oder Enthalpien vermieden wird. Dabei treten diese hohen Dampfgehalte insbesondere dadurch auf, dass bei zwischengeschalteten Sammlern bereits teilverdampftes Strömungsmedium ungleichmäßig auf die nachgeschalteten Dampferzeugerrohre verteilt wird. Diese Ungleichverteilung 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 unter ^¬ kühlt und ohne weitere Vorwärmung in den Zwischensammler eintritt. Diese Lösung bringt jedoch konstruktive Nachteile mit sich. Daher sollte vielmehr die Temperatur des Strömungsmediums am Eintritt in den Dampferzeuger reduziert 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 das Strömungsmedium an einem Eintritt der dem Zwischensammler vorgeschalteten Innenwand eine geringere Temperatur aufweist als das Strömungsmedium an einem Eintritt der Umfassungswand.

Die Brennkammer des Dampferzeugers weist vorteilhafterweise eine Wirbelschichtfeuereinrichtung auf. Die Feuerung findet dabei in einer Wirbelschicht aus zerkleinertem, festen Brennstoff und heißer Verbrennungsluft statt. Der Brennstoff wird über dem Düsenbett in der Schwebe gehalten und fluidiert. Die zerkleinerten Brennstoffpartikel haben eine große Oberfläche, so dass ein guter Ausbrand erfolgen kann. Die starke turbu ^¬ lente Strömung hat einen sehr guten Impuls- und Wärmeaus- tausch zur Folge, so dass eine gleichmäßige Temperatur in der Wirbelschicht herrscht. Bei der Wirbelschichtfeuerung können sehr geringe Stickoxidemissionen eingehalten werden.

Bei vergleichsweise groß ausgelegten Dampferzeugern mit Wir- belschichtfeuerung sollte die strömungseintrittsseitige unte ^¬ re Verbrennungszone zweigeteilt sein. Durch ein derartiges „pant-leg"-Design werden eine bessere Vermischung des Brennstoffgemisches und damit geringere mögliche Verteilungsprob ^¬ leme erzielt.

Daher sind dem Zwischensammler in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung zwei in der Brennkammer symmetrisch angeordnete, zumindest teilweise aus weiteren Dampferzeugerrohren gebilde ^¬ te Innenwände strömungsmediumsseitig vorgeschaltet. Bei der- artigen Dampferzeugern im pant-leg-Design ist am Übergang zur oberen Verbrennungszone ein Zwischensammler erforderlich, so dass insbesondere hier die beschriebenen Probleme der un ^¬ gleichmäßigen Weiterverteilung besonders stark auftreten. Niedrigere Temperaturen an den Eintritten der dem Zwischen- sammler vorgeschalteten Innenwände sind daher hier von besonderem Vorteil.

Insbesondere Wirbelschichtkessel mit pant leg-Design wurden bisher häufig als Trommelkessel ausgeführt, d. h. das erhitz- te Medium wird am Austritt des Verdampfers in einer Wasser- Dampf-Trommel in Wasser- und Dampfanteil getrennt. In derar ^¬ tigen Dampferzeugern tritt das eingangs genannte Problem auf Grund des höheren Mediumsflusses in den Hintergrund. Die oben beschriebene Ausgestaltung ermöglicht jedoch auch eine Aus- führung als Zwangdurchlaufkessel , was gleich mehrere Vorteile bringt: Zwangdurchlaufdampferzeuger können sowohl für unterkritischen als auch für überkritischen Druck ohne Änderung der Verfahrenstechnik eingesetzt werden. Lediglich die Wand- dicken der Rohre und Sammler müssen dem vorgesehenen Druck entsprechend dimensioniert werden. Damit kommt das Durchlauf- prinzip dem weltweit erkennbaren Trend zur Steigerung der Wirkungsgrade durch Erhöhung der Dampfzustände entgegen. Wei ^¬ terhin ist ein Betrieb der Gesamtanlage im Gleitdruck mög ^¬ lich. Bei Gleitdruckbetrieb bleiben die Temperaturen im Hochdruckteil 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 Laständerungs ^¬ geschwindigkeiten, Anzahl der Lastwechsel und der Starts. Vorteilhafterweise ist der Dampferzeuger daher als Zwangdurchlaufkessel ausgelegt.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades bzw. zur Optimierung der Heizflächenanordnung ist den Eintritten der Umfassungswände und der Innenwände eines Dampferzeugers vorteilhafterweise eine Vorwärmeinrichtung vorgeschaltet, ein so genannter Eco- nomiser. Diese verwendet Abwärme zur Vorwärmung des Strö ^¬ mungsmediums. Durch die durch die Abwärmenutzung erzeugte niedrigere Abgastemperatur wird so ein höherer Gesamtwirkungsgrad des Dampferzeugers erzielt. Eine besonders einfache Konstruktion eines Dampferzeugers ist daher möglich, indem die unterschiedliche Temperatur an Innenwand und Umfassungs ^¬ wand des Dampferzeugers durch bauliche Maßnahmen an der Vor ^¬ wärmeinrichtung erreicht wird, d. h. durch eine Bereitstel ^¬ lung von Medien mit unterschiedlichem Vorwärmgrad. Dazu ist die Vorwärmeinrichtung vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass für den Eintritt der dem Zwischensammler vorgeschalteten Innenwand bestimmte Strömungsmedium einen geringeren Wärmeeintrag erfährt als das für den Eintritt der Umfassungswand bestimmte Strömungsmedium. Dazu kann die Vorwärmeinrichtung mehrere Vorwärmer umfassen, die entsprechend verschaltet sind .

In vorteilhafter Ausgestaltung zweigt vor dem strömungsme- diumsseitigen Eintritt eines Vorwärmers eine Überbrückungs- leitung ab, die in den Eintritt einer dem Zwischensammler vorgeschalteten Innenwand oder den dem Zwischensammler vorgeschalteten Innenwänden mündet. Dadurch wird in baulich einfacher Weise eine Umgehung des Vorwärmers der Vorwärmeinrichtung erreicht und somit ein geringerer Wärmeeintrag in den überbrückten Teil des Strömungsmediums erzielt. Der über ^¬ brückte Teil des Strömungsmediums kann dann mit einem Teil des nicht überbrückten Teils in gewünschter Menge vermischt werden und es wird so eine besonders einfache Reduktion der Temperatur des den Innenwänden zugeführten Strömungsmediums erreicht .

Vorteilhafterweise umfasst die Überbrückungsleitung dabei ein Durchflussregelventil. Auf diese Weise ist die Menge des ab ^¬ gezweigten Strömungsmediums auch während des Betriebs beson ^¬ ders einfach einstellbar und es wird eine einfache Tempera ^¬ turregelung ermöglicht.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist dem Eintritt der Innenwand oder den Innenwänden strömungsmediumsseitig ein erster Vorwärmer vorgeschaltet und dem Eintritt der Umfas ^¬ sungswand strömungsmediumsseitig ein zweiter Vorwärmer vorge ^¬ schaltet, wobei der erste Vorwärmer einen geringeren Wärmeeintrag aufweist als der zweite Vorwärmer. Diese Ausgestal ^¬ tung mit zwei parallel geschalteten Vorwärmern ermöglicht es, die Temperatur des Strömungsmediums für die Innenwände bzw. der Umfassungswand separat durch entsprechende Ausgestaltung der beiden Vorwärmer zu steuern.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist den Eintritten der Innenwand oder der Innenwände und dem Eintritt der Umfas ^¬ sungswand strömungsmediumsseitig ein erster Vorwärmer vorge ^¬ schaltet und dem Eintritt der Umfassungswand strömungsmedi ^¬ umsseitig seriell zum ersten Vorwärmer ein zweiter Vorwärmer vorgeschaltet ist. Auf diese Weise durchströmt das gesamte Strömungsmedium zunächst einen ersten Vorwärmer, bevor eine Teilung des Strömungsmediums zur Erzeugung der unterschiedli ^¬ chen Temperaturen erfolgt. Während dabei ein Teil des Strö- mungsmediums dem Eintritt der Innenwände zugeführt wird, wird ein anderer Teil einem weiteren Vorwärmer und anschließend der Umfassungswand zugeführt. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein

Verfahren zum Betreiben eines Dampferzeugers mit einer Brennkammer mit einer zumindest teilweise aus gasdicht verschweiß ^¬ ten Dampferzeugerrohren gebildeten Umfassungswand, wobei innerhalb der Brennkammer mindestens zwei zumindest teilweise aus weiteren Dampferzeugerrohren gebildete Innenwände ange ^¬ ordnet sind, die über einen Zwischensammler strömungsmediums- seitig hintereinandergeschaltet sind, und wobei einem Ein ^¬ tritt der dem Zwischensammler vorgeschalteten Innenwand Strömungsmedium mit einer geringeren Temperatur zugeführt wird als einem Eintritt der Umfassungswand.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Verwendung zweier Medien mit unterschiedlich starker Unterkühlung zur Speisung der verschiede- nen 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. Dabei zeigt die spezielle Gestaltung der Vorwärmeinrichtung baulich besonders einfache Möglichkeiten auf, Speisewasser mit unterschiedlich starker Unterkühlung zur Verfügung zu stellen. Insgesamt wird eine besonders hohe Le- bensdauer des Dampferzeugers bei gleichzeitig hohem Wirkungs ^¬ grad erzielt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer

Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 schematisch den unteren Teil der Brennkammer eines

Zwangdurchlaufdampferzeugers mit Wirbelschichtfeuerung mit teilweise überbrückter Vorwärmeinrichtung, FIG 2 den Durchlaufdampferzeuger aus FIG 1 mit parallelen

Vorwärmern, und

FIG 3 den Durchlaufdampferzeuger aus FIG 1 mit seriellen

Vorwärmern .

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 ei ^¬ ne 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 höhere Reparaturanfälligkeit weist das den dem Zwischensammler 6 vorge ^¬ schalteten Innenwänden 4 zugeführte Strömungsmedium eine geringere Temperatur auf als das der Umfassungswand 2 zugeführ ^¬ te. Im Dampferzeuger 1 ist dabei eine Vorwärmeinrichtung 16 vorgesehen, die unterschiedliche Wärmeeinträge in die ver ^¬ schiedenen Mediumsströme gewährleistet.

Die Vorwärmeinrichtung 16 nach der FIG 1 umfasst dazu einen Vorwärmer 18, dem strömungsmediumsseitig eine Abzweigstelle 20 vorgeschaltet ist. Ein Teil des Strömungsmediums wird so ^¬ mit um den Vorwärmer 18 in einer Überbrückungsleitung 22 herumgeführt. In strömungsmediumsseitiger Richtung ist dem Vorwärmer 18 zunächst eine weitere Abzweigstelle 24 nachgeschal- tet, von der eine Leitung zu den Eintritten 10 der Umfassungswand 2 geführt ist. Ein Teil des vorgewärmten Strö ^¬ mungsmediums wird somit der Umfassungswand 2 zugeführt. Ein anderer Teil des vorgewärmten Strömungsmediums ist in einer Leitung geführt, die in einer Mischstelle 26 mit der Überbrü- ckungsleitung 22 zusammentrifft. Hier wird durch die Vermischung der Mediumsströme ein Medium leicht geringerer Temperatur erzielt, welches dann den Eintritten 12 der Innenwände 4 zugeführt wird. Durch ein Durchflussregelventil 28 in der Überbrückungsleitung 22 kann dabei die Menge des überbrückten Strömungsmediums und damit die Temperatur des den Innenwänden 4 zugeführten Strömungsmediums leicht geregelt werden.

Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung zeigt FIG 2. Der Dampferzeuger 1 ist hier bis auf die Vorwärmeinrichtung 16 zur FIG 1 identisch. Die Vorwärmeinrichtung 16 umfasst an ihrem strömungsmediumsseitigen Eintritt eine Abzweigstelle 30, von der aus zwei Leitungen in zwei Vorwärmer 18, 32 führen. Der Austritt des Vorwärmers 18 ist dabei mit den Eintritten 10 der Umfassungswand 2 verbunden, während der Vorwärmer 32 mit den Eintritten 12 der Innenwände 4 verbunden ist. Der

Vorwärmer 32 ist nun derart ausgestaltet, dass er einen ge ^¬ ringeren Wärmeeintrag in das Strömungsmedium aufweist als der Vorwärmer 18. Somit wird an den Eintritten 12 der Innenwände 4 eine geringere Temperatur erzielt als an den Eintritten 10 der Umfassungswand 2. Durch geeignete Auslegung der Vorwärmer 18, 32 ist die Temperatur an die gewünschten Randbedingungen anpassbar . Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in FIG 3 dargestellt. Auch hier ist der Dampferzeuger 1 bis auf die Vorwärmeinrichtung 16 zur FIG 1 identisch. Die Vorwärmeinrichtung 16 umfasst nach ihrem strömungsmediumsseitigen Eintritt zunächst einen Vorwärmer 18, in dem das gesamte Strömungsmedium erwärmt wird. Sodann zweigt eine Überbrückungsleitung 22 ab, die in die Eintritte 12 der Innenwände 4 mündet. Ein weiterer Teil des Strömungsmediums wird in einen weiteren, nachge- schalteteten Vorwärmer 32 geführt. Hier wird es weiter erwärmt und sodann der Umfassungswand 4 durchgeführt. Durch die zusätzliche Erwärmung im Vorwärmer 32 hat dieses Medium eine höhere Temperatur als das in die Innenwände 4 geführte.