DE1006863B

DE1006863B - Method for operating a once-through boiler

Info

Publication number: DE1006863B
Application number: DEM28209A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hans Seidel
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1955-09-13
Filing date: 1955-09-13
Publication date: 1957-04-25

Description

Verfahren zum Betreiben eines Zwangdurchlaufkessels Beim Zwangdurchlaufkessel treten Schwierigkeiten, insbesondere beim Anfahren, dadurch auf, daß Dampfblasen an einer oder mehreren Stellen im zuvor voll mit Wasser gefüllten Rohrsystem entstehen. Diese Dampfblasen expandieren bei der weiteren Wärmezufuhr und drücken dadurch die vor ihnen liegenden Wasserpfropfen mit einer sehr hohen Geschwindigkeit aus dem Kesselaustritt heraus. Gelingt es nicht, diese Wasserpfropfen in der erforderlichen kurzen Zeit zu entfernen oder die Wärmezufuhr entsprechend zu dämmen, dann besteht die Gefahr, daß Rohrreißer entstehen. Diese Gefahr wird um so größer sein, je größer der Unterschied zwischen dem spezifischen Volumen von Wasser und Dampf beim gleichen Zustand (Druck, Temperatur) ist. Der Grund für diese Schwierigkeiten liegt sonach in der Inhomogenität des Mediums in den jeweils unterschiedlichen Aggregatzuständen.Method for operating a once-through boiler With a once-through boiler difficulties arise, especially when starting up, due to the fact that vapor bubbles arise at one or more points in the pipe system that was previously filled with water. These vapor bubbles expand with the further supply of heat and thereby press the plugs of water lying in front of them at a very high speed from the Boiler outlet. It does not succeed in this water plug in the required To remove it for a short time or to insulate the heat supply accordingly, then there is the risk of pipe ruptures occurring. The greater the risk, the greater the risk the difference between the specific volume of water and steam at the same State (pressure, temperature). The reason for these difficulties therefore lies in the inhomogeneity of the medium in the different states of aggregation.

Im normalen Betrieb wirkt sich diese Inhomogenität insbesondere bei abwärts geführter Strömung durch das unterschiedliche spezifische Gewicht strömungshemmend aus; es können dadurch Gegenströmungen oder auch Nebenströmungen entstehen, die zu Betriebsstörungen Anlaß geben. Wenn der Zwangdurchlaufkessel, wie üblich, mit einem konstanten Druck am Kesselaustritt (bzw. Turbineneintritt) gefahren wird, dann ergeben sich insbesondere bei Teillastbetrieb erhöhte Schwierigkeiten, weil mit absinkender Durchsatzmenge der Widerstand im Kesselrohrsystem fällt und dadurch das Druckniveau herabgesetzt wird. Diesem niedrigen Druck bei Teillast entspricht eine größere Inhomogenität zwischen Flüssigkeits- und Dampfanteilen des Kreislaufmediums, d. h., das spezifische Gewicht von Dampf und Wasser weicht stärker voneinander ab als vorher.In normal operation, this inhomogeneity has a particular effect downward flow due to the different specific gravity flow-inhibiting the end; this can result in countercurrents or side currents, which give rise to operational disruptions. If the forced flow boiler, as usual, with a constant pressure at the boiler outlet (or turbine inlet) is operated, then there are increased difficulties, especially with partial load operation, because with decreasing throughput, the resistance in the boiler tube system falls and thereby the pressure level is reduced. Corresponds to this low pressure at part load greater inhomogeneity between the liquid and vapor components of the circulating medium, d. That is, the specific gravity of steam and water deviate more from one another as previously.

Diese Schwierigkeiten sind an sich bekannt und wurden üblicherweise bislang dadurch bekämpft, daß man zur Aufrechterhaltung einer geordneten Strömung konstruktive Maßnahmen traf, die bewußt einen Druckverlust im Kesselrohrsystem herbeiführten. Diese bisherige Lösung fußte auf der Erkenntnis, daß der Druckverlust mit der Geschwindigkeit quadratisch zunimmt. Dadurch wird sich bei hoher Geschwindigkeit in parallel liegenden, durch Sammler verbundenen Rohrleitungen schon ein geringer Geschwindigkeitsunterschied in einem verhältnismäßig hohen Druckunterschied auswirken, der seinerseits wieder zu einem Ausgleich der Strömungsgeschwindigkeit in diesen miteinander verbundenen parallelen Rohren führt. Hierdurch werden gefährliche Nebenströmungen und Gegenströmungen zwar unterbunden, der Nachteil einer solchen Lösung des Problems liegt aber in dem erhöhten Leistungsbedarf der Kesselspeisepumpe bei Vollast. Das Arbeiten mit erhöhtem Druckverlust setzt sonach die Wirtschaftlichkeit der Kesselanlage herab. Aber selbst wenn derartige auf Druckverlust abgestellte Kesselsystem im Vollastpunkt teilweise oder ganz im überkritischen Druckgebiet arbeiten, dann werden die vorgeschilderten Schwierigkeiten bei Teillastbetrieb trotzdem nicht zu vermeiden sein. Ein je kleinerer Teillastbetrieb also bei Zwangdurchlaufkesseln verlangt wird, ein desto größerer Druckverlust muß nach den vorbeschriebenen bekannten Maßnahmen in Kauf genommen werden.These difficulties are known per se and have become common so far fought by the fact that one to maintain an orderly flow took constructive measures that deliberately caused a pressure loss in the boiler tube system. This previous solution was based on the knowledge that the pressure loss with the speed increases quadratically. As a result, at high speed in parallel lying, Pipelines connected by collectors already have a slight difference in speed affect in a relatively high pressure difference, which in turn to compensate for the flow velocity in these interconnected parallel pipes. This creates dangerous side currents and counter currents although prevented, the disadvantage of such a solution to the problem lies in that increased power requirement of the boiler feed pump at full load. Working with heightened Pressure loss therefore reduces the efficiency of the boiler system. But even if such boiler system, which is switched off to pressure loss, is partially at full load or work entirely in the supercritical pressure area, then the described Difficulties in partial load operation can nevertheless not be avoided. The smaller one Partial load operation is required with forced flow boilers, the greater Pressure loss must be accepted according to the known measures described above will.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren anzugeben, durch das die vorgenannten Schwierigkeiten sowohl beim Anfahren als auch im Teillastbetrieb vermieden werden. Der Erfindung liegen dabei folgende Überlegungen zugrunde: Es ist bekannt, daß es für alle Flüssigkeiten einen sogenannten kritischen Zustand gibt, hei dem ein homogener Übergang von Flüssigkeit auf Dampf stattfindet. Oberhalb dieses kritischen Zustandes ändern sich alle Zustandsgrößen stetig, unter diesem kritischen Zustand (Verdampfung oder Kondensation) sind endliche Volumenänderungen bei gleichbleibender Temperatur und gleichbleibendem Druck vorhanden (Inhomogenität des Flüssigkeits-Dampf-Gemisches). Erfolgt die Wärmezufuhr bei einem Druck oberhalb des kritischen Zustandes, dann wird der Übergang von Flüssigkeit in Dampf homogen verlaufen. Eine Unterscheidung von Flüssigkeit und Dampf ist dann infolge des gleich großen spezifischen Gewichtes nicht mehr möglich.The invention is therefore based on the object of a new method indicate by which the aforementioned difficulties both when starting as well can be avoided in partial load operation. The invention is based on the following considerations based on: It is known that there is a so-called critical for all liquids State in which a homogeneous transition from liquid to vapor takes place. Above this critical state, all state variables change continuously, below This critical state (evaporation or condensation) are finite changes in volume present at constant temperature and constant pressure (inhomogeneity of the liquid-vapor mixture). The heat is supplied at a pressure above of the critical state, then the transition from liquid to vapor becomes homogeneous get lost. A distinction between liquid and vapor is then the same as a result of this large specific gravity is no longer possible.

Unter Zugrundelegung dieser Erkenntnisse besteht die erfindungsgemäße Lösung demgemäß darin, daß im Zwangdurchlaufkessel beim Anfahren zunächst nach Inbetriebsetzen der Speisepumpe der erforderliche Druck dadurch hergestellt wird, daß das Wasser über ein an sich bekanntes, am Kesselaustritt angeordnetes Anfahrventil gedrosselt wird und nach Erreichen des kritischen Druckbereiches die Zündung der Feuerung erfolgt, wobei das Wasser bzw. der Dampf durch das Anfahrventil auf konstantem Druck gehalten wird, und daß, nachdem der Kessel seinen normalen Betriebszustand erreicht hat, der Druck vor der Turbine (Vordruck) bei Vollast und bei Teillast durch entsprechende Beeinflussung der Turbinenregelventile auf einem im kritischen Druckbereich liegenden Wert gehalten wird.Based on these findings, there is the inventive The solution accordingly is that in the once-through boiler when starting up, initially after commissioning the feed pump the required Pressure is produced by that the water via a known, arranged at the boiler outlet start-up valve is throttled and after reaching the critical pressure range the ignition of the Firing takes place, with the water or steam through the start-up valve at a constant level Pressure is maintained and that after the boiler is in its normal operating condition has reached the pressure in front of the turbine (pre-pressure) at full load and at part load by correspondingly influencing the turbine control valves on one of the critical Pressure range is maintained.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß alle Kesselrohre sowohl beim Anfahren als auch bei allen Teillasten mit einem homogenen Gemisch ausgefüllt sind. Es kann daher darauf verzichtet werden, den Kessel so auszulegen, daß sich bereits bei Teillast ein erheblicher Druckverlust einstellt. Man kann statt dessen mit einem mäßigen Druckverlust auskommen und dementsprechend insbesondere bei hoher Last Speiseenergie einsparen. Gleichzeitig werden die Gefahren, die sich aus der Inhomogenität eines die Rohre durchströmenden Dampf-Wasser-Gemisches ergeben würden, bei allen Betriebszuständen des Kessels vermieden. Die Drosselung am Kesselaustritt kann vorteilhafterweise durch vollautomatische Regelung so gesteuert werden, daß der Druck vor dem Drosselventil während des Anfahrverlaufes stets im Bereich des kritischen Druckes konstant gehalten wird. Um auch nach dem Anfahren bei Versorgung der angeschlossenen Turbine - insbesondere bei Teillast und plötzlichen Lastschwankungen - den kritischen Druck mit Sicherheit auch nicht vorübergehend wesentlich zu unterschreiten, ist auch die Turbinenregelung so zu steuern, daß der Vordruck an der Turbine seinerseits im Bereich des kritischen Druckes liegt.This has the advantage that all boiler tubes at both Start-up and are filled with a homogeneous mixture for all partial loads. It can therefore be dispensed with to design the boiler in such a way that it is already a considerable pressure loss occurs at part load. Instead, you can go with a get by with moderate pressure loss and accordingly feed energy, especially at high loads save on. At the same time, the dangers arising from the inhomogeneity of a the pipes flowing through the steam-water mixture would result in all operating states of the boiler avoided. The throttling at the boiler outlet can be advantageous can be controlled by fully automatic regulation so that the pressure upstream of the throttle valve always kept constant in the critical pressure range during the start-up process will. In order to be able to supply the connected turbine even after start-up - in particular with partial load and sudden load fluctuations - the critical pressure with certainty The turbine control is also not to be significantly undercut temporarily, either to be controlled in such a way that the inlet pressure at the turbine in turn is in the range of the critical Pressure lies.

Um Speiseenergie zu sparen und um jeweils mit dem tiefstmöglichen Druck im Kesselsystem fahren zu können, läßt sich erfindungsgemäß der Druck an der Turbine auch so steuern, daß bei kleinen Durchsatzmengen (Teillast) ein hoher Druck und bei großen Durchsatzmengen (Vollast) ein niedrigerer Druck eingeregelt wird. Dies kann durch geeignete Verstellung des Sollwertes der Vordruckregelung in Abhängigkeit von der Frischdampfmenge erfolgen. Dabei muß die Sollwertverstellung derart vorgesehen sein, daß der kritische Druck von der Turbine oder mindestens an den gefährdeten Stellen des Kesselrohrsystems nicht unterschritten wird.In order to save food energy and in each case with the lowest possible To be able to drive pressure in the boiler system, the pressure on the can according to the invention Control the turbine in such a way that a high pressure is achieved with small throughput quantities (partial load) and a lower pressure is set for large throughput quantities (full load). This can be done by appropriately adjusting the setpoint of the admission pressure regulation from the amount of live steam. The setpoint adjustment must be provided in this way be that the critical pressure from the turbine or at least to the endangered Position of the boiler pipe system is not undershot.

Es ist jedoch auch möglich, das Unterschreiten des kritischen Druckes an der oder den gefährdeten Stellen des Kesselrohrsystems dadurch zu vermeiden, daß die Turbinensteuerung von dem Druck an diesen Stellen unmittelbar beeinflußt wird.However, it is also possible to fall below the critical pressure to avoid at the endangered point (s) of the boiler tube system, that the turbine control is directly influenced by the pressure at these points will.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch veranschaulicht. Hierbei zeigt Fig. 1 ein Temperatur-Entropie-Diagramm unter Gegenüberstellung der bisher üblichen Betriebsweise und der erfindungsgemäßen Betriebsweise, Fig. 2 ein Schaltschema zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The subject matter of the invention is illustrated schematically in the drawing. Here, FIG. 1 shows a temperature-entropy diagram with a comparison of the hitherto customary mode of operation and the mode of operation according to the invention, FIG Circuit diagram for carrying out the method according to the invention.

Im Diagramm nach Fig. 1 stellt die Linie a die sogenannte Wasserlinie dar, die bis zum kritischen Punkt E verläuft. Der Dampfgehalt bei dem Zustand nach dieser Linie ist Null. Die Linie b stellt die sogenannte Dampflinie dar, bei dem Zustand nach dieser Linie ist der Wassergehalt Null. Der schraffierte Bereich unterhalb der Kurven a, b stellt die inhomogene Zone dar, in der bei gleichem Druck und gleicher Temperatur Wasser und Dampf von verschiedenem spezifischem Gewicht gleichzeitig vorhanden sind. Die ausgezogenen Linien c sind Linien konstanten Druckes, die durch die inhomogene Zone verlaufen. Die gestrichelte Linie d entspricht einer bisher üblichen Betriebs- oder Anfahrweise, wobei der Druckabfall im Kesselsystem berücksichtigt ist. Bei Punkt A beginnt die Wärmezufuhr, während bei Punkt B die Verdampfung beginnt, die bei Punkt C endet. Punkt D ist der Endpunkt der Wärmezufuhr im Überhitzungsgebiet (Kesselaustritt).In the diagram of Fig. 1, the line a represents the so-called water line which runs up to the critical point E. The steam content in the state after this line is zero. The line b represents the so-called steam line in which The water content after this line is zero. The hatched area below of curves a, b represents the inhomogeneous zone in which at the same pressure and the same Temperature of water and steam of different specific gravity at the same time available. The solid lines c are lines of constant pressure passing through run the inhomogeneous zone. The dashed line d corresponds to a previous one normal operation or start-up, taking into account the pressure drop in the boiler system is. At point A the supply of heat begins, while at point B the evaporation begins, which ends at point C. Point D is the end point of the heat supply in the overheating area (Boiler outlet).

Die erfindungsgemäße Anfahr- und Betriebsweise ist durch die strichpunktierten Linien f angedeutet, die möglichst über der kritischen Drucklinie e oder nur wenig darunter, f, verlaufen. Im Punkt A beginnt wieder die Wärmezufuhr, die im Punkt D (Kesselaustritt) endet. Die Betriebskurve f unterscheidet sonach die kritische Drucklinie e entweder überhaupt nicht oder nur wenig.The start-up and operating mode according to the invention is indicated by the dash-dotted lines f, which run as far as possible above the critical pressure line e or only a little below it, f . The supply of heat begins again at point A and ends at point D (boiler outlet). The operating curve f therefore distinguishes the critical pressure line e either not at all or only slightly.

In Fig. 2, welche ein Schaltschema für die Durchführung des Verfahrens darstellt, ist 1 der Zwangdurchlaufkessel mit Rohrsystem 2 und Speise- oder Anfahrpumpe 3. Im Betriebszustand gelangt der aus dem Kessel austretende Frischdampf über Leitung 4 zum Kesselaustrittsschieber 5, von da über Leitung 6 und Turbinenregelventile 7 in die Turbine 8, von der beispielsweise ein Generator 9 angetrieben wird.In Fig. 2, which shows a circuit diagram for carrying out the method represents, 1 is the once-through boiler with pipe system 2 and feed or start-up pump 3. In the operating state, the live steam escaping from the boiler passes through a pipe 4 to the boiler outlet valve 5, from there via line 6 and turbine control valves 7 into the turbine 8, which drives a generator 9, for example.

Zwischen Kesselaustritt und Austrittsschieber 5 ist von der Leitung 4 die Anfahrleitung 10 mit Anfahrventi111 abgezweigt.Between the boiler outlet and the outlet slide 5 is from the line 4 the start-up line 10 branches off with the start-up valve 111.

. Beim Anfahren ist der Austrittsschieber 5 geschlossen, so daß das Wasser bzw. nach der Feuerzündung der Dampf über das Anfahrventi111 abgeführt wird. Um erfindungsgemäß im kritischen Druckbereich anfahren zu können, ist erstens die Speise- oder Anfahrpumpe 3 für einen entsprechend hohen Druck bemessen, andererseits aber wird das Anfahrventi111 so gesteuert, daß am Kesselaustritt bzw. mindestens an den gefährdeten Stellen 12 im Kesselrohrsystem der Bereich des kritischen Druckes nicht oder nur wenig unterschritten wird. Die Steuerung des Anfahrventils 11 kann durch eine Vordruckregelung 13 erfolgen, deren konstruktiven Elemente an sich bekannt sind.. When starting the outlet slide 5 is closed, so that the Water or, after the fire is ignited, the steam is discharged via the start-up valve. In order to be able to start up in the critical pressure range according to the invention, the first is the Feed or start-up pump 3 sized for a correspondingly high pressure, on the other hand but the start-up valve is controlled in such a way that at the boiler outlet or at least the critical pressure area at the endangered points 12 in the boiler tube system is not or only slightly undercut. The control of the start-up valve 11 can take place by a pre-pressure control 13, the structural elements of which are known per se are.

Im Betrieb sorgt an Stelle von 13 die Vordruckregelung 14 dafür, daß die Turbinenventile 7 stets so eingestellt werden, daß bei geöffnetem Schieber 5 und geschlossenem Anfahrventi111 in keinem Betriebspunkt der kritische Druck in Leitung 6 überhaupt oder wesentlich unterschritten wird.In operation, instead of 13, the pre-pressure control 14 ensures that the turbine valves 7 are always set so that when the slide 5 and with the start-up valve closed, the critical pressure in Line 6 is undercut at all or significantly.

Der Sollwert der Vordruckregelung 14 kann zusätzlich durch eine Mengenmeßeinrichtung 15, z. B. Blende od. dgl., so verstellt werden, daß bei kleinen Frischdampfmengen ein höherer und bei großen Frischdampfmengen ein niedrigerer Druck in Leitung 6 aufrechterhalten wird.The setpoint value of the admission pressure control 14 can also be determined by a quantity measuring device 15, e.g. B. Orifice. The like. Can be adjusted so that with small amounts of live steam a higher pressure and, in the case of large amounts of live steam, a lower pressure in line 6 is maintained.

Statt der Vordruckregelung 14 kann aber auch eine Vordruckregelung 16 vorgesehen sein, die ihren Impuls unmittelbar von den gefährdeten Stellen 12 aus erhält, wobei durch die Vordruckregelung 16 die Turbinenventile 7 so verstellt werden, daß an den gefährdeten Stellen 12 der kritische Druck nicht oder nur wenig unterschritten wird.Instead of the admission pressure control 14, however, admission pressure control can also be used 16 may be provided, which take their momentum directly from the endangered locations 12 receives from, the turbine valves 7 so adjusted by the admission pressure control 16 be that at the endangered points 12 the critical pressure is little or no is fallen below.

Claims

PATENT CLAIMS-1. Procedure for operating a forced flow boiler, in every phase of operation in the area of critical pressure, either little underneath or arbitrarily above, is held, characterized in that that when starting up, after starting up the feed pump, the required Pressure is produced by the fact that the water via a known per se, at the boiler outlet arranged start-up valve is throttled and after reaching the critical pressure range the furnace is ignited, with the water or steam passing through the start-up valve is kept at constant pressure, and that after the boiler is normal Has reached the operating state, the pressure in front of the turbine (pre-pressure) at full load and at part load by correspondingly influencing the turbine control valves on one is kept in the critical pressure range.

2. The method according to claim 1, characterized in that the setpoint of the admission pressure control as a function is adjusted or controlled by the amount of steam throughput so that with small amounts of steam a high setpoint and, with larger steam volumes, a lower setpoint for the inlet pressure is regulated.

3. The method according to claim 1, characterized in that the Setpoint adjustment for the admission pressure control takes place in such a way that at the endangered Set the boiler tube system to the critical pressure not or only slightly below will.

4. The method according to claim 3, characterized in that the adjustment of the turbine valves from the endangered points of the boiler tube system is directly influenced by the pressure present there so that the critical pressure is not or only slightly below the critical pressure at these points. Documents considered: German Patent No. 536 813; VDI-Zeitschrift, 1933, pp. 680 and 681; Münzinger, "Dampfkraft", 1949, pp. 301 to 305 and 374.