DE69809156T2

DE69809156T2 - Vorrichtung zum Wärmeaustausch für einen Kessel mit zirkulierendem Wirbelbett

Info

Publication number: DE69809156T2
Application number: DE69809156T
Authority: DE
Inventors: Christian Enault; Pierre Gauville; Jean-Claude Semedard
Original assignee: Alstom Power Boiler SA
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1997-08-18
Filing date: 1998-08-14
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2018-08-15
Also published as: JPH11182801A; EP0898116A1; KR19990023667A; ES2183302T3; US6206088B1; FR2767380B1; PL328052A1; EP0898116B1; DK0898116T3; ZA987424B; FR2767380A1; DE69809156D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch für einen Kessel mit zirkulierender Wirbelschicht.
Ein derartiger Kessel umfasst unter anderem die folgenden, in Fig. 1 dargestellten Baugruppen:
- einen Feuerraum C, der die Verbrennung des Brennstoffs in einer Partikel zirkulierenden Wirbelschicht gewährleistet, wobei die Wände des Feuerraums vertikale Rohre umfassen, in denen eine Wasser-Emulsion (flüssige Phase und Dampfphase) zirkuliert, die durch Verdampfen von Wasser erzeugt wird, das am Fuß dieser Rohre eingeleitet wird;
- in Trennungsorgan S, im Allgemeinen ein Zyklon, das die Gase und die im Kessel nach oben geschleuderten Partikel auffängt, um sie zwei verschiedenen Rohrleitungen zuzuführen;
- einen ersten Wärmetauscher ET1, der oftmals mit der Gasleitung S1 des Trennungsorgans S verbunden ist, wobei es sich beispielsweise um einen Vorwärmer, einen Verdampfer, einen Überhitzer oder einen Zwischenüberhitzer handelt;
- ein dichtes Wirbelbett ET2, das von den Partikeln aus dem Trennungsorgan S gespeist wird, d. h. das einerseits an die Partikel-Leitung S2 dieses Organs und andererseits an den unteren Teil des Feuerraums C angeschlossen ist (wobei außerdem ein dichtes Wirbelbett ET2B, das von den Partikeln gespeist wird, die im Feuerraum C aufgefangen werden. d. h. das einerseits mit dem Abzugsrohr dieses Feuerraums und andererseits mit seinem unteren Teil verbunden ist, vorgesehen sein könnte), wobei dieses dichte Wirbelbett einen zweiten Wärmetauscher umfasst, dessen Eingang an den Ausgang des ersten Tauschers ET1 angeschlossen ist.
Dieser zweite Wärmetauscher ist im Allgemeinen aus mehreren Rohrbündeln gebildet, die jeweils mehrere Rohrschlangen umfassen, die in parallelen Ebenen im Allgemeinen senkrecht angeordnet sind. In diesen Bündeln zirkuliert das Wärmeübertragungsfluid, üblicherweise Wasserdampf, wobei das Ganze in einem rechtwinkligen Behälter eingeschlossen ist.
Das Dokument EP-A-0 254 985 beschreibt einen Kessel, der eine Wirbelschicht- Kühleinrichtung umfasst.
Meist sind diese Rohrbündel folgendermaßen angeordnet: Ausgehend von einer Wand des Behälters wird ein erstes Bündel angetroffen, das von dieser Wand durch einen Zwischenraum ohne Rohrschlange getrennt ist oder nicht, danach ein zweites Bündel, das durch einen Zwischenraum ohne Rohrschlange von dem ersten Bündel getrennt ist oder nicht, wobei der Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Bündel eine physische Trennung aufweisen kann, etwa einen Raumteiler oder eine Trennwand, und wobei mögliche zusätzliche Bündel auf die gleiche Weise angeordnet sind, so dass das letzte Bündel durch einen Zwischenraum ohne Rohrschlange von der Wand des Behälters, die derjenigen gegenüberliegt, die auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Bündels ist, getrennt ist oder nicht.
Die Vorlaufleitung für die Partikel des dichten Wirbelbetts ET2 schließt folglich an eine Wand des Behälters oder an einen freien Raum zwischen dem ersten Bündel und dieser Wand an, wobei die Rückkehr der Partikel in den Feuerraum C über die gegenüberliegende Wand oder über einen Auslass erfolgt, der an den freien Raum zwischen dem letzten Bündel und dieser gegenüberliegenden Wand anschließt.
Die starke Vermischung der Partikel versucht die Temperatur in dem Behälter zu homogenisieren; da die Partikel den Behälter jedoch kälter verlassen, als sie eingetreten sind, ist diese Temperatur nicht an allen Stellen gleich. Die Rohre, die sich in der Nähe des Partikel-Einlasses befinden, nehmen eine größere Wärmemenge als diejenigen auf, die sich nahe des Auslasses befinden.
Außerdem, wenn die Leistung des Kessels höher wird, gilt das Gleiche für die Leistung und folglich für die Größe der Wärmetauscher. Nun ist aber die Temperaturverteilung direkt von der Größe des rechteckigen Behälters abhängig. Somit ist die Temperatur des Dampfes, der von dem ersten Bündel erzeugt wird, das am Einlass der Partikel angeordnet ist, höher als diejenige des letzten Bündels, das am Auslass angeordnet ist, was nicht erstrebenswert ist.
Überdies wird vermieden, Bündel herzustellen, die alle der Maximaltemperatur des Behälters standhalten, denn es handelt sich dabei um eine teure Lösung. Folglich werden genau so viele Bündeltypen vorgesehen, wie in einem Wärmetauscher vorhanden sind, wobei jeder Typ für eine Betriebstemperatur ausgelegt ist, die seinem Platz in dem Behälter entspricht. Bei einem solchen Vorgehen wird auf zahlreiche Vorteile verzichtet, die sich aus einer einzigen Fertigungslinie ergeben.
Die vorliegende Erfindung hat daher eine Vorrichtung zum Wärmetausch zum Gegenstand, die ermöglichen soll, am Ausgang der Bündel des zweiten Wärmetauschers eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur zu erzielen.
Gemäß der Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Wärmetausch einen ersten Wärmetauscher, gefolgt von einem in einem dichten Wirbelbett angeordneten zweiten Wärmetauscher, wobei dieser zweite Wärmetauscher von einer Mehrzahl von Rohrbündeln gebildet ist, die entlang der Bahn der suspendierten Partikel in dem dichten Wirbelbett angeordnet sind. Außerdem weist der zweite Wärmetauscher wenigstens zwei Speisungen auf, die sich beiderseits seiner Mitte befinden, wobei diese Speisungen jeweils eine verschiedene Mischung des Eingangsfluids und des Ausgangsfluids des ersten Wärmetauschers aufnehmen, derart dass die Temperatur des Fluids, welches in jedes der Bündel eintritt, eine ansteigende Funktion seines Abstands vom Eingang der Partikel in dieses dichte Wirbelbett ist.
Die Temperaturunterschiede der Partikel in dem dichten Wirbelbett werden folglich durch die Temperaturunterschiede der Fluids, welche die verschiedenen Bündel speisen, ausgeglichen.
Wenn der zweite Wärmetauscher mehr als zwei Bündel umfasst, besteht eine effiziente wärmetechnische Lösung darin, für jedes dieser Bündel jeweils eine eigene Speisung vorzusehen.
Im Gegensatz dazu sieht jedoch eine preiswerte Lösung vor, die Speisungen der Bündel an einen einzelnen Sammler anzuschließen.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung sind die Bündel aus Rohrschlangen gebildet, die in vertikalen und parallelen Ebenen angeordnet sind.
Außerdem ist die Bahn der Partikel senkrecht zu den Ebenen, in denen die Schlangen geformt sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin. Rohrbündel aufzunehmen, die völlig gleich sind.
Vorteilhaft wird wenigstens eine der Mischungen der Eingangs- und Ausgangsfluide des ersten Tauschers durch Regulierventile hergestellt, die mit dem Eingang und mit dem Ausgang dieses ersten Tauschers verbunden sind.
Es kann jedoch auch wenigstens eine der Mischungen der Eingangs- und Ausgangsfluide des ersten Tauschers durch ein Regulierventil hergestellt werden, das entweder mit dem Eingang oder mit dem Ausgang dieses Tauschers verbunden ist.
Die Erfindung wird nun im Rahmen der Beschreibung, die Ausführungsbeispielen folgt, die zur Veranschaulichung mit Bezug auf die beigefügten Figur gegeben sind, in ihren Einzelheiten deutlich werden, wobei
- Fig. 1 eine symbolhafte Darstellung eines Kessels zeigt, auf den die vorliegende Erfindung Anwendung findet;
- Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt und
- Fig. 3 eine Variante der Erfindung zeigt.
Den Elementen, die in verschiedenen Figuren vorhanden sind, ist jeweils nur ein Bezugszeichen zugeordnet.
Im Folgenden werden nur die Komponenten eines Kessels im Text erwähnt und in den Figuren dargestellt, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind.
In Fig. 2 ist zunächst der erste Wärmetauscher ET1 zu erkennen, der durch eine Schlange in einem Kasten symbolisch dargestellt ist.
Das dichte Wirbelbett ET2 nimmt hier die Form eines rechtwinkligen Behälters an. Entgegen dem üblichen Sprachgebrauch wird der gesamte Behälter als der zweite Wärmetauscher angesehen.
In diesem Behälter sind drei schlangenförmige Rohrbündel F1, F2, F3 mit jeweils drei Schlangen pro Bündel in vertikalen Ebenen, die senkrecht zur Ebene der Figur sind, geformt.
Der Behälter ET2 ist an eine Partikel-Einlassleitung 2E an einer seiner Wände parallel zu den Ebenen der Schlangen und an eine Partikel-Auslassleitung 2S an der gegenüberliegenden Wand angeschlossen. In dieser Konfiguration ist der Partikelstrom folglich im Mittel senkrecht zu den Ebenen der Schlangen.
Das erste Bündel F1 ist auf der Seite des Einlasses der Partikel 2E angeordnet und das dritte Bündel F3 ist auf der Seite des Auslasses 2S angeordnet.
Jedes Bündel F1, F2, F3 besitzt seine eigene Speisung A1, A2, A3 (ein Eintrittssammler), während nur ein einziger Austrittssammler BS für alle Bündel vorgesehen ist.
Selbstverständlich könnte auch eine andere Anordnung der Bündel eingeführt werden, beispielsweise indem die Ebenen der Schlangen so angeordnet werden, dass sie parallel zu den Partikelströmen sind. Außerdem könnte vorgesehen werden, dass jedes Bündel seinen eigenen Austrittssammler hat.
Die Speisung A1, A2, A3 jedes der Bündel ist über zwei Regulierventile mit dem Eingang und mit dem Ausgang des ersten Wärmetauschers ET1 verbunden. Diese Ventile werden folglich so reguliert, dass die Temperaturen beim Verlassen der Bündel F1, F2, F3 im Wesentlichen gleich sind.
Es handelt sich dabei um die leistungsfähigste Lösung, wobei auch sehr gut vorgesehen werden könnte, die Speisung A1 des ersten Bündels nur an den Eingang des ersten Wärmetauschers ET1 anzuschließen und die Speisung A3 des dritten Bündels nur an den Ausgang dieses Tauschers ET1 anzuschließen.
Ebenso könnte das eine oder das andere der Ventile durch eine einfache Blende ersetzt werden. Eine weitere Ausführung würde darin bestehen, die beiden einer Speisung zugeordneten Ventile durch ein Dreiwegeventil zu ersetzen.
Für den Fachmann wird selbstverständlich sein, dass es zahlreiche Lösungen gibt, die zur Verfügung stehen, um die Bündel mit verschiedenen Temperaturen zu speisen, sobald ein Zugang pro Bündel zur Verfügung steht.
Gemäß einer Variante der Erfindung, die in Fig. 2 dargestellt ist, ist nun ein einziger Eintrittssammler BE für die drei Bündel vorgesehen.
Das sich in Höhe des ersten Bündels befindende Ende dieses Sammlers ist über zwei Regulierventile an den Eingang und an den Ausgang des ersten Wärmetauschers ET1 angeschlossen, während sein anderes Ende, das sich in Höhe des dritten Bündels befindet, direkt an den Ausgang dieses Wärmetauschers ET1 angeschlossen ist.
Die Speisungen des Eintrittssammlers BE könnten verlagert sein, so dass sie sich nicht genau an den Enden des Eintrittssammlers befinden, wobei entscheidend ist, die beiden Speisungen, die beiderseits der Mitte dieses Sammlers zu positionieren sind, in einem ausreichenden Abstand zueinander anzuordnen.
Außerdem treffen die Anmerkungen, die weiter oben in Bezug auf die Vielfalt der zur Verfügung stehenden Lösungen für die Umsetzung der Erfindung gemacht worden sind, hier ebenfalls zu.
In der gleichen Absicht könnte auch vorgesehen werden, diesen Eintrittssammler BE mit einer zusätzlichen Speisung zu versehen, die im Wesentlichen in seiner Mitte angeordnet ist, wobei diese Speisung eine Mischung der Fluide entgegennimmt, die aus dem Eingang und dem Ausgang des ersten Wärmetauschers ET1 kommt.
Folglich ermöglicht die Erfindung mit Hilfe von statischen Stellorganen oder geregelten Organen, am Ausgang der verschiedenen Bündel Dämpfe mit ungefähr gleicher Temperatur zu erhalten.
Die Erfindung gilt selbstverständlich auch, wenn zwei Bündel vorhanden sind oder wenn mehr als drei Bündel vorhanden sind.
Außerdem gilt die Erfindung, wenn irgendein Bauelement zwischen dem dichten Wirbelbett ET2 und der Partikel-Leitung S2 des Trennungsorgans S (oder aber zwischen dem dichten Wirbelbett ET2B und dem Abzugsrohr des Feuerraums C, wenn dieses dichte Wirbelbett ET2B von den Partikeln gespeist wird, die aus diesem Feuerraum aufgefangen werden) eingefügt ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Wärmetausch mit einem ersten Wärmetauscher (ET1), gefolgt von einem in einem dichten Wirbelbett angeordneten zweiten Wärmetauscher (ET2), wobei dieser zweite Wärmetauscher von einer Mehrzahl von Röhrenbündeln (F1, F2, F3) gebildet ist, die entlang der Bahn der suspendierten Partikel in dem dichten Wirbelbett angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (ET2) wenigstens zwei Speisungen aufweist, die sich beiderseits seiner Mitte befinden, wobei diese Speisungen jeweils eine verschiedene Mischung des Eingangsfluids und des Ausgangsfluids des ersten Wärmetauschers (ET1) aufnehmen, derart dass die Temperatur des Fluids, welches in jedes der Bündel (F1, F2, F3) eintritt, eine ansteigende Funktion seines Abstands vom Eingang der Partikel in dieses dichte Wirbelbett ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (ET2) mehr als zwei Bündel umfasst, wobei jedes dieser Bündel (F1, F2, F3) mit einer eigenen Speisung (A1, A2, A3) versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisungen der Bündel mit einem einzelnen Sammler (BE) verbunden sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündel (F1, F2, F3) durch in vertikalen und parallelen Ebenen angeordnete Rohrschlangen gebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn der Partikel senkrecht zu den Ebenen ist, in denen die Schlangen geformt sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündel (F1, F2, F3) gleichartig sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Mischungen der Eingangs- und Ausgangsfluide des ersten Tauschers (ET1) durch Regulierventile hergestellt wird, die mit dem Eingang und dem Ausgangs dieses ersten Tauschers verbunden sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Mischungen der Eingangs- und Ausgangsfluide des ersten Tauschers (ET1) durch ein Regulierventil hergestellt wird, das entweder mit dem Eingang oder dem Ausgangs dieses ersten Tauschers verbunden ist.