EP1794495B1

EP1794495B1 - Fossil beheizter durchlaufdampferzeuger

Info

Publication number: EP1794495B1
Application number: EP05776226.2A
Authority: EP
Inventors: Martin Effert; Joachim Franke; Rudolf Kral
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2025-07-22
Also published as: EP1794495A1; TWI312048B; TW200619559A; US20080257282A1; US7878157B2; WO2006032556A1

Description

Die Erfindung betrifft einen fossil beheizten Durchlaufdampferzeuger, bei dem zumindest eine Brennkammerwand der Brennkammer in Strömungsrichtung des Heizgases gesehen in wenigstens zwei durch Verdampferheizflächen gebildete Durchströmungssegmente unterteilt ist, wobei die Verdampferheizflächen jeweils gasdicht miteinander verschweißte, jeweils parallel mit einem Strömungsmedium beaufschlagbare Dampferzeugerrohre umfassen.
Durchlauferzeuger dieser Gattung sind z. B. in Dokumenten US3608525A und Juzi H. et al: "Zwangsdurchlaufkessel für Gleitdruckbetrieb mit vertikaler Brennkammerberohrung", VGB Kraftwerktechnik GmbH, Essen, DE, Nr. 4, April 1984 (1984-04), Seiten 292-302. Bei einer Kraftwerksanlage mit einem Dampferzeuger wird das bei der Verbrennung eines fossilen Brennstoffs erzeugte Heizgas zur Verdampfung eines Strömungsmediums im Dampferzeuger genutzt. Der Dampferzeuger weist zur Verdampfung des Strömungsmediums Dampferzeugerrohre auf, deren Beheizung mit Heizgas zu einer Verdampfung des darin geführten Strömungsmediums, üblicherweise Wasser, führt. Der durch den Dampferzeuger bereitgestellte Dampf kann beispielsweise für einen angeschlossenen externen Prozess oder aber für den Antrieb einer Dampfturbine vorgesehen sein. Treibt der Dampf eine Dampfturbine an, so wird über die Turbinenwelle der Dampfturbine üblicherweise ein Generator oder eine Arbeitsmaschine betrieben.
Ein Dampferzeuger kann nach verschiedenen Auslegungsprinzipien konzipiert sein. In einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung einer Anzahl von Dampferzeugerrohren, die zusammen die gasdichte Umfassungswand der Brennkammer bilden, zu einer vollständigen Verdampfung eines Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem Durchgang. Nach seiner Verdampfung wird das Strömungsmedium üblicherweise den Dampferzeugerrohren nachgeschalteten Überhitzerrohren zugeführt und dort überhitzt.
Ein Durchlaufdampferzeuger unterliegt im Gegensatz zu einem Naturumlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so dass er für Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser (p kritisch = 221 bar) ausgelegt werden kann. Ein hoher Frischdampfdruck und eine hohe Frischdampftemperatur begünstigen einen hohen thermischen Wirkungsgrad und somit niedrigere CO₂-Emissionen eines fossil beheizten Durchlaufdampferzeugers.
Üblicherweise sind bei einem Durchlaufdampferzeuger die Seitenwände der Brennkammer in Strömungsrichtung des Heizgases gesehen in eine Anzahl von durch Verdampferheizflächen gebildeten Durchströmungssegmenten unterteilt. In jedem der Durchströmungssegmente sind die jeweils gasdicht miteinander verschweißten, von unten nach oben durchströmbaren Dampferzeugerrohre derart zusammengefasst, dass eine jeweils parallele Beaufschlagung mit dem Strömungsmedium erfolgen kann. Dazu kann jedem Durchströmungssegment insbesondere ein als Verteiler wirkender Eintrittssammler vorgeschaltet und ein Austrittssammler nachgeschaltet sein. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht einen zuverlässigen Druckausgleich zwischen den parallel geschalteten Dampferzeugerrohren eines Durchströmungssegments und somit eine besonders günstige Verteilung des Strömungsmediums bei der Durchströmung der Dampferzeugerrohre.
Bei dem beispielsweise aus der WO 01/01040 A1 bekannten Durchlaufdampferzeuger sind die in den Seitenwänden der Brennkammer angeordneten Durchströmungssegmente strömungsmediumsseitig derart in Reihe geschaltet, dass sie in der Reihenfolge ihrer Anordnung entlang des für das Heizgas im Innern der Brennkammer vorgesehenen Strömungsweges nacheinander vom Strömungsmedium durchströmt werden. Mit anderen Worten: Das für den Betrieb des Durchlaufdampferzeugers bereitgestellte, noch keinen Dampfanteil aufweisende und vergleichsweise kalte Strömungsmedium wird zuerst dem in Strömungsrichtung des Heizgases gesehen ersten Durchströmungssegment der Seitenwand zugeführt. Der diesem Segment zugeordnete erste Eintrittssammler verteilt das Strömungsmedium auf die parallel beaufschlagbaren Dampferzeugerrohre, in denen eine erste Verdampfung des Strömungsmediums erfolgt. Das derartig erzeugte Wasser-Dampf-Gemisch wird in einem dem ersten Durchströmungssegment nachgeschalteten Austrittssammler gesammelt und über eine Leitung oder ein Leitungssystem dem Eintrittssammler des in Strömungsrichtung des Heizgases gesehen zweiten Durchströmungssegments zugeführt, wo eine weitere Wärmezufuhr und Verdampfung des Strömungsmediums erfolgt. Man spricht daher auch von einer ersten und einer zweiten Verdampferstufe, der ggf. noch weitere Verdampferstufen nachgeschaltet sein können. Der Austrittssammler der ersten Verdampferstufe kann alternativ auch so ausgestaltet sein, dass er zugleich als Eintrittssammler in die zweite Verdampferstufe wirkt.
Üblicherweise ist der ersten Verdampferstufe strömungsmediumsseitig ein Vorwärmer (Economizer) vorgeschaltet, der die Restwärme des die Brennkammer über einen heizgasseitig nachgeschalteten Gaszug verlassenden Heizgases zur Vorwärmung des zu verdampfenden Strömungsmediums ausnutzt. Dadurch wird der Gesamtwirkungsgrad des Durchlaufdampferzeugers erhöht. Der Vorwärmer stellt jedoch selbst keine Verdampferstufe dar, da das ihn verlassende Strömungsmedium noch keinen Dampfanteil besitzt.
Bei hohen Auslegungsdampfzuständen, insbesondere bei Frischdampftemperaturen von bis zu etwa 600 °C, die für einen hohen thermischen Wirkungsgrad angestrebt und auch erreicht werden, tritt jedoch das Problem der Materialermüdung in den Vordergrund. Aufgrund der hohen Wärmebelastung müssen vergleichsweise große Bereiche der die Brennkammer umgebenden Seitenwände besonders gut gekühlt werden. Hierzu können neben spiralförmig angeordneten Glattrohren beispielsweise auch mit einer Innenberippung versehene, vertikal ausgerichtete Dampferzeugerrohre vorgesehen sein, bei denen durch eine Benetzung der Rohrinnenwand mit einem sich niederschlagenden Flüssigkeitsfilm eine besonders gute und gleichmäßige Wärmeübertragung auf das in ihnen geführte Strömungsmedium erfolgen kann. Dadurch werden vergleichsweise niedrige Wandtemperaturen erreicht.
Werden noch höhere Frischdampftemperaturen von bis zu etwa 700 °C angestrebt, so reichen derartige Rohrkühlungskonzepte für einen sicheren Dauerbetrieb bei den bekannten Dampferzeugern alleine nicht mehr aus. Vielmehr sind bei der Fertigung der Dampferzeugerrohre in diesem Fall besonders hochwertige und teure Werkstoffe erforderlich, die nach dem Verschweißen am Aufstellungsort des Dampferzeugers einer Wärmenachbehandlung unterzogen werden müssen. Der damit verbundene Montageaufwand ist derart hoch, dass für derart hohe Dampfzustände ausgelegte Durchlaufdampferzeuger bislang nicht realisiert wurden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger der oben genannten Art anzugeben, der bei besonders einfach gehaltener Bauweise für eine Auslegung mit vergleichsweise hohen Dampfparametern, insbesondere für Frischdampftemperaturen bis zu etwa 700 °C, besonders geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein in Strömungsrichtung des Heizgases gesehen dem ersten Durchströmungssegment nachgeordnetes Durchströmungssegment die erste Verdampferstufe für das Strömungsmedium bildet.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass für eine besonders einfache Bauweise und insbesondere auch für einen vertretbar gering gehaltenen Montageaufwand selbst bei einer Auslegung des Durchlaufdampferzeugers für hohe Dampfzustände der genannten Art die Erstellung des Dampferzeugers weitgehend unter Rückgriff auf die bisher eingesetzten, vergleichsweise einfach handhabbaren Materialien erfolgen sollte. Im Hinblick auf die auftretenden Materialbelastungen sollte dabei die Auslegung unter Berücksichtigung der Beheizung derart vorgenommen werden, dass lokal auftretende Maximaltemperaturen in den Rohrwänden begrenzt gehalten werden können. Dabei wird berücksichtigt, dass die Form des Temperaturprofils an der Außenseite der Brennkammerwand in Strömungsrichtung des Heizgases gesehen von der Bilanz der an jeder Stelle zufließenden und abfließenden Wärmeströme abhängt, wobei der Wärmeeintrag an der Innenwand der Brennkammer durch die Strahlung der Brennerflamme und der Abtransport vor allem durch die Wärmeübertragung auf das in den jeweiligen Dampferzeugerrohren geführte Strömungsmedium erfolgt. Es wurde insbesondere erkannt, dass der Wärmeeintrag in der durch die Strömungsrichtung des Heizgases definierten Ausdehnungsrichtung der Brennkammer nicht konstant ist, sondern lokal variiert. Die an der Innenseite der Brennkammerwand sich während des Betriebs des Durchlaufdampferzeugers einstellende Wärmestromdichte weist ungefähr in einem mittleren Bereich der Brennkammer, in dem bei bekannten Dampferzeugern gewöhnlich ein als zweite Verdampferstufe vorgesehenes Durchströmungssegment angeordnet ist, ein deutliches Maximum auf, so dass gerade in diesem Bereich auch mit besonders hohen lokalen Maximaltemperaturen in den Rohrwänden zu rechnen ist. Um gerade an dieser Stelle die sich an den Rohrwänden einstellenden Temperaturen begrenzt zu halten, sollten die Rohre dort von noch vergleichsweise kaltem Strömungsmedium durchströmt werden. Dies ist durch eine geeignete Verschaltung der Durchströmungssegmente des Dampferzeugers erreichbar.
Das sich in diesem Raumbereich befindliche, als erste Verdampferstufe verschaltete Durchströmungssegment wird dabei insbesondere mit noch unverdampftem Strömungsmedium beaufschlagt. Dazu ist diesem Durchströmungssegment vorzugsweise über einen Eintrittssammler ein Vorwärmer derart unmittelbar vorgeschaltet, dass zwischen diese insbesondere keine weiteren aktiven Komponenten wie beispielsweise Verdampferheizflächen geschaltet sind.
Vorteilhafterweise umfasst das als erste Verdampferstufe vorgesehene Durchströmungssegment denjenigen Bereich der Brennkammerwand, in dem die Beheizung während des stationären Betriebs des Durchlaufdampferzeugers maximal ist. In diesem Bereich weist insbesondere der auf die Strahlung der Brennerflamme zurückgehende Wärmeeintrag pro Flächen- und Zeiteinheit einen in Bezug auf die gesamte Brennkammerwand maximalen Wert auf. Dieser Bereich kann beispielsweise bei neu konzipierten Anlagen durch Simulationsrechnungen oder bei umzurüstenden Altanlagen durch Messungen ermittelt werden. Dadurch lässt sich eine besonders gut an die Form des in Ausdehnungsrichtung des Dampferzeugers vorliegenden Temperaturprofils angepasste Unterteilung der Brennkammerwand in Durchströmungssegmente vornehmen.
Vorteilhafterweise ist das als erste Verdampferstufe vorgesehene Durchströmungssegment ausgangsseitig mit einer zumindest ein weiteres Durchströmungssegment der Brennkammerwand umfassenden zweiten Verdampferstufe verbunden. Der in diesem Bereich der Brennkammerwand erfolgende Wärmeeintrag wird somit in besonders günstiger Weise für eine weitere Erhitzung und Verdampfung des Strömungsmediums ausgenutzt.
Vorteilhafterweise ist der zweiten Verdampferstufe strömungsmediumsseitig wenigstens eine weitere Verdampferstufe, die zumindest eine in einer Umfassungswand der Brennkammer angeordnete Verdampferheizfläche umfasst, nachgeschaltet. Dabei kann es sich um eine weitere Verdampferheizfläche in einer Seitenwand der Brennkammer handeln oder aber bei horizontaler Bauweise der Brennkammer auch um eine in der Decken- oder Stirnwand angeordnete Verdampferheizfläche.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das als erste Verdampferstufe vorgesehene Durchströmungssegment das in Strömungsrichtung des Heizgases gesehen an zweiter Position angeordnete Durchströmungssegment. Dies ermöglicht einen besonders einfachen konstruktiven Aufbau des Dampferzeugers bei einer gering gehaltenen Zahl von Durchströmungssegmenten und sie verbindenden Leitungen.
Vorteilhafterweise ist das als erste Verdampferstufe vorgesehene Durchströmungssegment mit einer zweiten Verdampferstufe verbunden, die das in Strömungsrichtung des Heizgases gesehen an erster Position angeordnete Durchströmungssegment der Brennkammerwand umfasst. Dadurch ist eine besonders einfache Verschaltung der ersten und der zweiten Verdampferstufe mit vergleichsweise kurzen Leitungen ermöglicht.
In einer für einen einfachen Aufbau des Dampferzeugers besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Brennkammer für eine vertikale Hauptströmungsrichtung des Heizgases ausgelegt. Sie kann in diesem Fall insbesondere durch eine Umfassungswand umschlossen sein, die sich in ihrem Bodenbereich in der Art eines Trichters verjüngt. Diese Form erlaubt die unkomplizierte Entfernung von während des Verbrennungsprozesses entstehender Asche aus der bodenseitigen Trichteröffnung.
Da die Brenner üblicherweise oberhalb des Trichterabschnitts angeordnet sind und das durch sie erhitzte Heizgas nach oben strömt, erreicht der Wärmeeintrag in die Brennkammerwand oberhalb des Trichterabschnitts in Bezug auf die vertikale Ausdehnung der Brennkammer einen maximalen Wert. Daher ist vorteilhafterweise das als erste Verdampferstufe vorgesehene Durchströmungssegment oberhalb einer den Trichter im Bodenbereich der Brennkammer begrenzenden Trichterwand angeordnet.
Vorzugsweise ist ein derartiger Dampferzeuger mit einer für eine vertikale Durchströmung mit Heizgas ausgerichteten Brennkammer für eine Verdampfung in drei Verdampferstufen ausgelegt, wobei dem als erster Verdampferstufe vorgesehenen Durchströmungssegment ein die Trichterseitenwand umfassendes Durchströmungssegment als zweite Verdampferstufe und ein oberhalb des als erster Verdampferstufe vorgesehenen Durchströmungssegments angeordnetes Durchströmungssegment als dritte Verdampferstufe strömungsmediumsseitig nachgeschaltet sind. Damit wird die durch das Heizgas an die gesamte Brennkammerwand abgegebene Wärme konsequent und unter der Nebenbedingung einer besonders effektiven Kühlung der Dampferzeugerrohre im Bereich der ersten beiden Verdampferstufen ausgenutzt.
Die Rohrkühlung kann noch dadurch unterstützt werden, dass die Dampferzeugerrohre des als erste Verdampferstufe vorgesehenen Durchströmungssegments vorzugsweise in einer sich spiralförmig von unten nach oben um die Brennkammer windenden Weise angeordnet sind.
In alternativer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Brennkammer des Durchlaufdampferzeugers für eine horizontale Hauptströmungsrichtung des Heizgases ausgelegt, wobei eine Umfassungswand der Brennkammer die Stirnwand, eine Umfassungswand die Deckenwand und zwei Umfassungswände der Brennkammer Seitenwände sind. Dabei sind die mit fossilem Brennstoff betriebenen Brenner an der Stirnseite der Brennkammer angeordnet. Ihre Flammen sind horizontal ausgerichtet. Diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise des Dampferzeugers, insbesondere eine besonders niedrige Bauhöhe.
Vorteilhafterweise ist in diesem Fall dem als erste Verdampferstufe vorgesehenen Durchströmungssegment eine zweite Verdampferstufe nachgeschaltet, die wenigstens ein weiteres Durchströmungssegment der Seitenwand und eine in der Stirnwand angeordnete Verdampferheizfläche umfasst. Eine in der Deckenwand der Brennkammer angeordnete Verdampferheizfläche ist dabei vorzugsweise als dritte Verdampferstufe vorgesehen. Insbesondere sind die Verdampferheizflächen der Decken- und der Stirnwand in Bezug auf die Dampferzeugung der in stärkerem Maße beheizten ersten Verdampferstufe in der Seitenwand nachgeschaltet, so dass vergleichsweise niedrig temperiertes, flüssiges Strömungsmedium im Bereich der ersten Verdampferstufe für eine besonders gute Kühlung der dort angeordneten Dampferzeugerrohre zur Verfügung steht.
Zur Verbesserung der Kühlwirkung weisen die Dampferzeugerrohre des als erste Verdampferstufe vorgesehenen Durchströmungssegments vorteilhafterweise eine Innenberippung auf, die durch den Drall der Strömung die Benetzung der Rohrinnenwände mit flüssigem Strömungsmedium begünstigt. Dies verbessert den Wärmeübergang von der Rohrinnenwand auf das Strömungsmedium. Die Dampferzeugerrohre der dritten Verdampferstufe in der Deckenwand der Brennkammer können mit vertretbarem Aufwand als Glattrohre aus besonders hitzebeständigem, höherwertigem Material ausgeführt sein.
Zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Durchlaufdampferzeugers ist vorzugsweise ein der ersten Verdampferstufe strömungsmediumsseitig vorgeschalteter Vorwärmer in einem der Brennkammer heizgasseitig nachgeschalteten Gaszug angeordnet. Auf diese Weise kann die Restwärme des aus dem Gaszug in die Umgebung abströmenden Heizgases effektiv verwertet werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die vorgesehene Wahl der Durchströmungsreihenfolge der Durchströmungssegmente einem in Strömungsrichtung des Heizgases gesehen dem ersten Durchströmungssegment nachgeordneten Durchströmungssegment, welches besonders stark beheizt ist, vergleichsweise niedrig temperiertes Strömungsmedium zugeführt wird, das eine hohe Kühlwirkung auf die dortigen Dampferzeugerrohre entfalten kann. Daher kann in diesem Bereich der Brennkammerwand auch bei hohen Auslegungsdampfzuständen auf den Einsatz besonders hochwertiger Materialien verzichtet werden. Dies gilt in der Regel auch für den oder die Bereiche der Brennkammerwand, die ggf. eine zweite, der ersten Verdampferstufe nachgeschaltete Verdampferstufe umfassen, da der Wärmeeintrag dort geringer ausfällt als im Bereich der ersten Verdampferstufe. Erst im Bereich noch höherer Verdampferstufen könnte somit die Verwendung von besonders hochwertigen, wärmenachbehandelten Werkstoffen notwendig werden.
Somit können auch bei den angestrebten hohen Dampfparametern insbesondere in denjenigen Raumbereichen, in denen besonders wirksame Kühlungsmechanismen wie beispielsweise eine Spiralwicklung der Rohre oder eine Innenberippung der Rohre erforderlich sind, für die der Einsatz der neuartigen, wärmenachbehandelten Materialien aus Aufwandsgründen oder auch aus prinzipiellen Gründen möglicherweise nicht in Betracht kommt, zuverlässig die altbewährten Materialien zum Einsatz kommen.
Bereits existierende Durchlaufdampferzeuger herkömmlicher Bauart können durch eine vergleichsweise einfach zu bewerkstelligende Änderung der Durchströmungsreihenfolge in der beschriebenen Art für höhere Frischdampftemperaturen ertüchtigt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1: schematisch einen fossil beheizten Durchlaufdampferzeuger mit vertikal ausgerichteter Brennkammer in Seitenansicht, und
FIG 2: schematisch einen Durchlaufdampferzeuger mit horizontal ausgerichteter Brennkammer in Seitenansicht.

Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Der fossil beheizte Dampferzeuger 2 gemäß dem linken Teil der FIG 1 ist als Durchlaufdampferzeuger in stehender Bauweise konzipiert. Er umfasst eine in vertikaler Bauweise ausgeführte Brennkammer 4 mit einer Anzahl von die Umfassungswand der Brennkammer 4 bildenden Brennkammerwänden 6. Oberhalb eines einen Trichter 8 bildenden Verjüngungsabschnittes im Bodenbereich der Brennkammer 4 ist eine Anzahl von Brennern 10 angeordnet, denen über eine Brennstoffleitung fossiler Brennstoff zugeführt wird. Das durch die Flammen der Brenner 10 erhitzte Heizgas H strömt in annähernd vertikaler, durch den Pfeil 14 gekennzeichneter Strömungsrichtung zur am oberen Ende der Brennkammer 4 angeordneten Auslassöffnung. Nach dem Durchströmen des sich daran anschließenden Gaszugs 18, der insbesondere eine Anzahl von Überhitzerheizflächen 37 umfasst, entweicht das zwischenzeitlich weitestgehend abgekühlte Heizgas H durch einen nicht gezeigten Schornstein in die Umgebung. Ascheförmige Verbrennungsrückstände sinken in der Brennkammer 4 nach unten und sammeln sich im Bodenbereich des Trichters 8, wo sie bei Bedarf entfernt werden.
Die über die Wärmestrahlung der Brennerflamme an die Brennkammerwand 6 der Brennkammer 4 abgegebene Wärme wird zur Verdampfung eines die Brennkammerwand 6 durchströmenden Strömungsmediums S genutzt. Zu diesem Zweck ist die Brennkammerwand 6 der Brennkammer 4 in der durch den Pfeil 14 angedeuteten Strömungsrichtung des Heizgases H in drei durch Verdampferheizflächen 20 gebildete Durchströmungssegmente 22 unterteilt. Ein erstes Durchströmungssegment 22 umfasst den Bereich des Trichters 8. In Strömungsrichtung des Heizgases H schließen sich zwei weitere Durchströmungssegmente 22 an. Jedes der drei Durchströmungssegmente 22 ist aus jeweils gasdicht miteinander verschweißten Dampferzeugerrohren 24 gebildet, die über einen jeweils als Verteiler wirkenden Eintrittssammler 26 parallel mit Strömungsmedium S beaufschlagbar sind. Über die Rohrinnenwände der Dampferzeugerrohre 24 wird die an die Brennkammerwand 6 der Brennkammer 4 abgegebene Wärme auf das Strömungsmedium S, vorzugsweise Wasser oder ein Wasser-Dampf-Gemisch, übertragen, was zu seiner Verdampfung führt. Das derartig erzeugte Wasser-Dampf-Gemisch bzw. der Dampf wird anschließend in einem dem jeweiligen Durchströmungssegment 22 nachgeschalteten Austrittssammler 28 gesammelt und von dort einer weiteren Aufbereitung oder Verwendung zugeführt.
Die drei Durchströmungssegmente 22 der Brennkammerwand 6 bilden strömungsmediumsseitig in Reihe geschaltete Verdampferstufen 30a bis 30c. Dadurch kann einerseits die gesamte Fläche der Brennkammerwand 6 zur Dampferzeugung ausgenutzt werden, andererseits kann die Länge der Dampferzeugerrohre 24 in den jeweiligen Durchströmungssegmenten 22 vergleichsweise kurz gehalten sein, was der Ausbildung einer stabilen und gleichmäßigen Strömung von Strömungsmedium S förderlich ist.
Der Dampferzeuger 2 ist gezielt für eine besonders gute Kühlung der Dampferzeugerrohre 24 ausgelegt, so dass die während des Betriebs auftretenden Wand-Außentemperaturen vergleichsweise niedrig gehalten werden können. Dazu ist die Durchströmungsreihenfolge der Durchströmungssegmente 22 derart gewählt, dass das in Strömungsrichtung des Heizgases H gesehen mittlere Durchströmungssegment 22 die erste Verdampferstufe 30a des Dampferzeugers 2 bildet.
Diese erste Verdampferstufe 30a ist nämlich in einem Bereich der Brennkammerwand 6 mit maximalem strahlungsbedingten Wärmeeintrag angeordnet, wie sich dem im rechten Teil der FIG 1 dargestellten Diagramm entnehmen lässt, das die nach außen gerichtete Wärmestromdichte an der Innenseite der Brennkammerwand 6 über der Höhe der Brennkammer 4 darstellt. Eingangsseitig wird die erste Verdampferstufe 30a direkt von einem im Gaszug 18 des Dampferzeugers 2 angeordneten, mit der Speisewasserpumpe 34 verbundenen Vorwärmer 32 mit noch vergleichsweise kaltem, keinerlei Dampfanteil aufweisendem Strömungsmedium S versorgt. Das bei seinem Eintritt in die erste Verdampferstufe 30a noch vergleichsweise kalte Strömungsmedium S kann daher gerade im thermisch besonders stark belasteten mittleren Bereich der Brennkammerwand 6 vergleichsweise niedrige Wandtemperaturen gewährleisten.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs weisen die in vertikaler Richtung verlaufenden Dampferzeugerrohre 24 der ersten Verdampferstufe 30a eine Innenberippung auf. In alternativer Ausgestaltung können die Dampferzeugerrohre 24 der ersten Verdampferstufe 30a zur Gewährleistung eines ausreichenden Wärmeübergangs auch in einer sich spiralförmig von unten nach oben um die Brennkammer windenden Weise angeordnet sein. Dann ist eine Ausführung mit Glattrohren ausreichend.
Ausgangsseitig ist die erste Verdampferstufe 30a über eine Leitung 36 mit der zweiten Verdampferstufe 30b im Bereich des weniger stark beheizten Trichters 8 verbunden. Der zweiten Verdampferstufe 30b ist wiederum eine dritte Verdampferstufe 30c im oberen Bereich der Brennkammerwand 6 nachgeschaltet. Die Dampferzeugerrohre 22 der dritten Verdampferstufe 30c sind als wärmenachbehandelte Glattrohre aus vergleichsweise hochwertigem Material ausgeführt, um den dort vorliegenden hohen Dampftemperaturen besser standhalten zu können. Der die dritte Verdampferstufe 30c verlassende Dampf wird zur weiteren Überhitzung einer Anzahl von im Gaszug 18 angebrachten Überhitzerheizflächen zugeführt und schließlich einem externen Verbraucher 38, beispielsweise einer Dampfturbine, zur Verfügung gestellt.
FIG 2 zeigt schematisch eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Dampferzeugers 2 mit horizontal ausgerichteter Brennkammer 4. Die an der Stirnwand 40 angeordneten Brenner 10 erzeugen das heiße Heizgas H, das in horizontaler, durch den Pfeil 42 gekennzeichneter Hauptströmungsrichtung durch die Brennkammer 4 zum gegenüberliegenden Gaszug 18 abströmt.
Die beiden Seitenwände 43 der Brennkammer 4, die im unteren Bereich trichter- oder rinnenförmig zusammengeführt sind, sind in jeweils drei durch Verdampferheizflächen 20 gebildete Durchströmungssegmente 22 unterteilt, wobei die Verdampferheizflächen 20 jeweils parallel von unten nach oben mit einem Strömungsmedium S beaufschlagbare Dampferzeugerrohre 24 umfassen. Dabei bildet das in Strömungsrichtung des Heizgases H gesehen zweite Durchströmungssegment 22, das einen Bereich der Seitenwand 43 mit besonders hohem Wärmeeintrag überdeckt, eine erste Verdampferstufe 30a des Dampferzeugers 2. Der ausgangsseitig aus der ersten Verdampferstufe abströmende Dampf oder das Wasser-Dampf-Gemisch wird über die Verteiler 44 den beiden weiteren jeweils in einer Seitenwand 43 der Brennkammer 4 angeordneten Durchströmungssegmenten 22 sowie einer Verdampferheizfläche 20 in der Stirnwand 40 zugeführt, die auf diese Weise gemeinsam eine zweite Verdampferstufe 30b des Dampferzeugers 2 bilden. Die stirnseitige Verdampferheizfläche 20 und die unmittelbar benachbarte Verdampferheizfläche 20 des in Strömungsrichtung des Heizgases H gesehen ersten Durchströmungssegments 22 der Seitenwand 43 können auch mit einem gemeinsamen Eintrittssammler 26 und einem gemeinsamen Austrittssammler 28 versehen sein, sprich als eine einzige Verdampferheizfläche 20 angesehen werden.
Das die parallel geschalteten Verdampferheizflächen 20 der zweiten Verdampferstufe 30b über einzelne Leitungen 36 verlassende Strömungsmedium S wird schließlich zusammengeführt und einer dritten Verdampferstufe 30c in der Deckenwand 46 der Brennkammer 4 zugeleitet. Nach dem Verlassen der dritten Verdampferstufe 30c wird der so erzeugte Dampf in nicht näher dargestellten Überhitzerheizflächen im Gaszug 18 überhitzt und schließlich einem externen Verbraucher 38 zur Verfügung gestellt.

Claims

Fossil beheizter Durchlaufdampferzeuger (2), bei dem zumindest eine Brennkammerwand (6) der Brennkammer (4) in Strömungsrichtung des Heizgases (H) gesehen in wenigstens zwei durch Verdampferheizflächen (20) gebildete Durchströmungssegmente (22) unterteilt ist, wobei die Verdampferheizflächen (20) jeweils gasdicht miteinander verschweißte, jeweils parallel mit einem Strömungsmedium (S) beaufschlagbare Dampferzeugerrohre (24) umfassen,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein in Strömungsrichtung des Heizgases (H) gesehen dem ersten Durchströmungssegment (22) nachgeordnetes Durchströmungssegment (22) die erste Verdampferstufe (30a) für das Strömungsmedium (S) bildet.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem die erste Verdampferstufe (30a) bildenden Durchströmungssegment (22) strömungsmediumsseitig über einen Eintrittssammler (26) ein Vorwärmer (32) vorgeschaltet ist.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das als erste Verdampferstufe (30a) vorgesehene Durchströmungssegment (22) denjenigen Bereich der Brennkammerwand (6) umfasst, in dem die Beheizung durch das Heizgas (H) während des stationären Betriebs maximal ist.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
das als erste Verdampferstufe (30a) vorgesehene Durchströmungssegment (22) ausgangsseitig mit einer zumindest ein weiteres Durchströmungssegment (22) der Brennkammerwand (6) umfassenden zweiten Verdampferstufe (30b) verbunden ist.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweiten Verdampferstufe (30b) strömungsmediumsseitig wenigstens eine weitere Verdampferstufe (30c), die zumindest eine in einer Umfassungswand der Brennkammer (4) angeordnete Verdampferheizfläche (20) umfasst, nachgeschaltet ist.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das als erste Verdampferstufe (30a) vorgesehene Durchströmungssegment (22) das in Strömungsrichtung des Heizgases (H) gesehen an zweiter Position angeordnete Durchströmungssegment (22) ist.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das als erste Verdampferstufe (30a) vorgesehene Durchströmungssegment (22) mit einer zweiten Verdampferstufe (30b) verbunden ist, die das in Strömungsrichtung des Heizgases (H) gesehen an erster Position angeordnete Durchströmungssegment (22) der Brennkammerwand (6) umfasst.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennkammer (4) für eine vertikale Hauptströmungsrichtung des Heizgases (H) ausgelegt ist.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das als erste Verdampferstufe (30a) vorgesehene Durchströmungssegment (22) oberhalb einer einen Trichter (8) im Bodenbereich der Brennkammer (4) begrenzenden Trichterwand angeordnet ist.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem als erste Verdampferstufe (30a) vorgesehenen Durchströmungssegment (22) ein die Trichterwand umfassendes Durchströmungssegment (22) als zweite Verdampferstufe (30b) und ein oberhalb des als erste Verdampferstufe (30a) vorgesehenen Durchströmungssegments (22) angeordnetes Durchströmungssegment (22) als dritte Verdampferstufe (30c) strömungsmediumsseitig nachgeschaltet sind.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dampferzeugerrohre (24) des als erste Verdampferstufe (30a) vorgesehenen Durchströmungssegments (22) in einer sich spiralförmig von unten nach oben um die Brennkammer (4) windenden Weise angeordnet sind.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennkammer (4) für eine horizontale Hauptströmungsrichtung des Heizgases (H) ausgelegt ist, wobei eine Umfassungswand der Brennkammer (4) die Stirnwand (40), eine Umfassungswand die Deckenwand (46) und zwei Umfassungswände der Brennkammer (4) Seitenwände (43) sind.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem als erste Verdampferstufe (30a) vorgesehenen Durchströmungssegment (22) eine zweite Verdampferstufe (30b), die wenigstens ein weiteres Durchströmungssegment (22) der Seitenwand (43) und eine in der Stirnwand (40) angeordnete Verdampferheizfläche (20) umfasst, und eine in der Deckenwand (46) der Brennkammer (4) angeordnete Verdampferheizfläche (22) als dritte Verdampferstufe (30c) strömungsmediumsseitig nachgeschaltet sind.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dampferzeugerrohre (24) des als erste Verdampferstufe (30a) vorgesehenen Durchströmungssegments (22) eine Innenberippung aufweisen.
Durchlaufdampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein der ersten Verdampferstufe (30a) strömungsmediumsseitig vorgeschalteter Vorwärmer (32) in einem der Brennkammer (4) heizgasseitig nachgeschalteten Gaszug (18) angeordnet ist.