DE19740501A1

DE19740501A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der thermischen Belastung von Flammrohren

Info

Publication number: DE19740501A1
Application number: DE19740501A
Authority: DE
Inventors: Astrid Rodday; Michael Siebert; Werner Dr Tornier
Original assignee: Standardkessel Lentjes Fasel GmbH
Current assignee: Standardkessel Lentjes Fasel GmbH
Priority date: 1997-09-15
Filing date: 1997-09-15
Publication date: 1999-03-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der thermischen Belastung von Flammrohren, insbesondere in Großwasserraum-Kesseln, bei denen aufgrund einer Feuerung im Flammrohr freigesetzte Wärmeenergie an einen das Flammrohr zumindest teilweise umgebenden Wasserstrom übertragen wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das Flammrohr ist als Brennraum das thermisch am höchsten belastete Bauteil einer Brennkammer, dessen Versagen zudem eines der höchsten Risiken im Apparatebau darstellt. Für die wärme- und strömungstechnische Auslegung des Flammrohres bedarf es daher umfangreicher Berechnungen, die beispielsweise im Bereich von Dampferzeugern als empirisch erprobte Rechnungsverfahren in nationalen technischen Regelwerken vorzufinden sind. Die Berechnungsverfahren verwenden Erfahrungskennzahlen, die sich in der Regel auf den eingebrachten Wärmestrom beziehen. Häufig anzutreffende Kennzahlen sind beispielsweise die Querschnittsbelastung, die als Quotient aus Wärmestrom und Brennkammerquerschnittsfläche gebildet wird, die Volumenbelastung als Quotient aus Wärmestrom und dem Volumen der Brennkammer oder die Oberflächenbelastung als Quotient aus Wärmestrom und der gesamten Brennkammeroberfläche. Diese Kennzahlen können jedoch nur eine grobe Orientierungshilfe für eine näherungsweise Auslegung des Flammrohres darstellen, die es erfordern, daß im Einzelfall empirische Anhaltswerte herangezogen werden müssen. Insbesondere für Rauchrohr- Kessel mangelt es an systematischen Untersuchungen, die zu einer Verbesserung der theoretischen Modelle und damit zu einer der tatsächlichen thermischen Belastung eines Flammrohres genügenden wärme- und strömungstechnischen Auslegung führen würden.

Als Nachteil ergibt sich daher, daß zur Auslegung und Dimensionierung eines Flammrohres auf die bestehenden technischen Regelwerke zurückgegriffen wird, deren empirisch ermittelte Berechnungsverfahren heutigen Feuerungssystemen und Betriebsweisen jedoch nicht mehr gerecht werden. Ursächlich hierfür sind vor allem die Forderung nach weitgehender Minderung der NO_x-Emissionen und einer konstruktiven Gestaltung des Flammrohres, die nicht nur den wärme- und festigkeitsmäßigen Beanspruchungen, sondern auch den gesteigerten Umweltanforderungen hinsichtlich optimaler Verbrennung und Abstrahlungsverhalten Rechnung zu tragen hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches auf einfache und kostengünstige Weise die thermische Belastung eines Flammrohres ermittelt, um damit gesicherte Kenngrößen zur wärme- und strömungstechnischen sowie festigkeitsmäßigen Auslegung zu erzielen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Feuerung kurzzeitig unterbrochen wird,
b) während des Unterbrechungszeitraumes die Oberflächentemperatur an der Flammrohrinnenwand gemessen wird,
c) aus den gemessenen Temperaturen ein lokales zeitliches Temperaturprofil der Oberfläche der Flammrohrinnenwand erstellt wird,
d) das Temperaturprofil mit einem Datensystem verglichen wird, welches wenigstens den Druck und/oder die Temperatur des Wasserstroms im Bereich der Flammrohraußenwand, die Material- und Konstruktionsdaten des Flammrohres sowie aus experimentellen Versuchen ermittelte Kalibrierwerte umfaßt, und
e) daß aus diesem Vergleich Kenngrößen der thermischen Belastung des Flammrohres gewonnen werden.

Durch ein solches Verfahren ist auf einfache und kostengünstige Weise realisierbar, die tatsächliche thermische Belastung eines Flammrohres zu bestimmen, so daß es möglich ist, aus den gewonnen Kenngrößen ein zuverlässiges Modell aufzustellen, das bei bestehenden Anlagen sicherheitsbezogene Rückschlüsse zuläßt und bei der konstruktiven Auslegung neuer Kessel Beurteilungskriterien hinsichtlich Kessellast, Feuerraum- Geometrie, Feuerungssystem oder Brennstoffe liefert.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn als Kenngrößen die lokalen Wärmestromdichten und Flammrohrwandtemperaturen, der Wärmeübergangs koeffizient sowie die Information über eine Belagbildung an der Flammrohraußenwand gewonnen werden. Damit läßt sich beispielsweise feststellen, ob sich die Flammrohrabmessungen, das heißt der Durchmesser und die Wanddicke des Flammrohres, verringern lassen, um dadurch das Bauvolumen und die Baukosten zu reduzieren. Von Vorteil ist es ferner, wenn aus den gewonnenen Kenngrößen Informationen über den maximal zulässigen Druck im Flammrohr und über die maximal zulässige Feuerungsleistung generiert werden, so daß die Einhaltung oder Überschreitung des vorhandenen Sicherheitsbeiwertes feststellbar ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Oberflächentemperatur an der Flammrohrinnenwand berührungslos gemessen, um eine mobile und flexible Anwendung bei bestehenden Kesselanlagen zu ermöglichen, ohne daß zeitaufwendige und teuere Umrüstarbeiten oder eine längere Unterbrechung des Kesselbetriebes notwendig sind. Zweckmäßigerweise wird zur Temperaturmessung ein Strahlungspyrometer eingesetzt, das eine einfache Handhabung und genaue Temperaturerfassung auch bei hohen Temperaturen gewährleistet. Zweckmäßig ist ferner, wenn die Flammrohrinnenwand von außen durch ein Sichtfenster mit dem Strahlungspyrometer anvisiert wird, so daß Umbauarbeiten an bestehenden Kesselanlagen entfallen können, da diese meist mit einem Sichtfenster ausgerüstet sind.

Um zuverlässige und aussagekräftige Kenngrößen zu erhalten, wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Oberflächentemperatur an mehreren Meßstellen auf der Umfangsfläche der Flammrohrinnenwand erfaßt. Dies bietet zudem den Vorteil, daß die gesamte Oberflächenbelastung eines Flammrohres ermittelbar ist.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist vorzugsweise einen Strahlungspyrometer zum Erfassen der Oberflächentemperatur einer Flammrohrinnenwand und ein mit diesem verbundenes, rechnergestütztes Datensystem zur Ermittlung von die thermische Belastung des Flammrohres charakterisierenden Kenngrößen auf. Eine solchermaßen ausgestaltete Vorrichtung ermöglicht eine schnelle und unkomplizierte, das heißt besonders praxisgerechte, Bestimmung der thermischen Belastung von Flammrohren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Vorteilhafterweise ist hierzu der Strahlungspyrometer außerhalb des Flammrohres vor einem Sichtfenster desselben positionierbar, um aufwendige und langdauernde Meßvorbereitungen zu vermeiden. Zweckmäßigerweise ist der Strahlungspyrometer in wenigstens zwei Dimensionen verschwenkbar, so daß eine Anvisierung der Flammrohrinnenwand sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung sichergestellt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Datensystem wenigstens den Druck oder die Temperatur eines die Flammrohraußenwand umgebenden Wasserstroms, die Material- und Konstruktionsdaten des Flammrohres sowie aus experimentellen Versuchen ermittelte Kalibrierwerte, wobei die einzelnen Daten zu einem experimentell abgesicherten Modell verknüpfbar sind. Dies bietet die Möglichkeit einer zuverlässigen Vorhersage der tatsächlichen thermischen Belastung eines Flammrohres, die bei der wärme- und strömungstechnischen sowie festigkeitsmäßigen Auslegung berücksichtigt werden kann.

Schließlich wird vorgeschlagen, daß das rechnergestützte Datensystem als wissensbasiertes Expertensystem ausgebildet ist, welches damit eine einfache Diagnose gestattet und zu einer merklichen Verkürzung von Entwicklungszeiten beiträgt.

Weitere Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungs beispieles mit dem das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden kann. In der zugehörigen Zeichnung zeigt die einzige Figur:

Die Bestimmung der thermischen Belastung eines Flammrohres eines Flammrohr-Rauchrohrkessels mit Hilfe eines mit einem rechner gestützten Datensystem verbundenden Strahlungspyrometers in einer schematischen Darstellung.

Ein in der Zeichnung dargestellter Flammrohr-Rauchrohrkessel 1 weist ein Flammrohr 2 auf, welches an einer Stirnseite mit einem Sichtfenster 3 versehen ist. Das Flammrohr 2 ist mit einem nicht-dargestellten Rauchrohrbündel verbunden, durch die das erzeugte Rauchgas zu einer Rauch- oder Abgaskammer strömt. Die durch eine Feuerung im Flammrohr 2 freigesetzte Wärmeenergie wird an einen das Flammrohr 2 umgebenden Wasserstrom 4 übertragen, so daß ein Dampfmassenstrom erzeugt wird. Vor dem Sichtfenster 3 ist ein Strahlungspyrometer 5 angeordnet, der mittels einer Verstelleinrichtung 6 in vertikaler und horizontaler Richtung verschwenkbar ist. Der Strahlungspyrometer 5 ist mit einem rechnergestützten Datensystem verbunden, das als Meßwert-Rechner 7 ausgebildet ist.

Um die thermische Belastung des Flammrohres 2 zu bestimmen, wird die laufende Feuerung des Rauchrohrkessels 1 kurzzeitig unterbrochen. Der Unterbrechungszeitraum beträgt dabei ca. 2 Minuten. Während dieser Zeit wird die Oberflächentemperatur an der Innenwand 8 des Flammrohres 2 mit dem Strahlungspyrometer 5 gemessen. Der Strahlungspyrometer 5 verfügt zu diesem Zweck über einen extrem schmalen Öffnungswinkel, so daß auch bei flachen Strahlungswinkeln a eine Meßfläche 9 anvisiert wird, die eine hohe Auflösung ergibt. Die von der Meßfläche 9 emittierte Strahlung fällt durch das Sichtfenster 3 in das Strahlungspyrometer 5, wo sie mittels einer Fotozelle oder ähnlichem in ein die Temperatur anzeigendes Signal umgewandelt wird, welches an den Meßwert-Rechner 7 weitergegeben wird. Das Sichtfenster 3 weist eine sich in Richtung des Strahlungspyrometers 5 verjüngende konische Durchgangsöffnung auf, die es gestattet, durch Verschwenken das Pyrometers 5 mittels der Verstelleinrichtung 6 die Innenwand 8 des Flammrohres 2 sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung abzufahren, um auf diese Weise mehrere lokale Oberflächentemperaturen zu ermitteln. Aus den gemessenen Temperaturen erstellt der Meßwert-Rechner 7 ein lokales zeitliches Temperaturprofil 10 der Oberfläche der Innenwand 8 des Flammrohres 2. Der Meßwert-Rechner 7 dient darüber hinaus zur Steuerung der Verstelleinrichtung 6, so daß gezielt und reproduzierbar einzelne Stellen an der Innenwand 8 des Flammrohres 2 anvisiert werden können.

Der Meßwert-Rechner 7 verwaltet weiterhin ein Datensystem, das den Druck und die Temperatur des Wasserstroms 4 an der Außenwand 11 des Flammrohres 2, die Material- und Konstruktionsdaten des Flammrohres 2 sowie aus experimentellen Versuchen ermittelte Kalibrierwerte umfaßt, wobei die einzelnen Daten des Datensystems zu einem experimentell abgesicherten Modell verknüpft sind. Die Kalibrierwerte stammen dabei aus Kalibrierversuchen, systematischen Versuchen zum Emissionsverhalten, Versuchen zum Abkühlverhalten, Versuchen zum Einfluß der heißen Ausmauerung des Flammrohres 2 auf die Wandtemperatur etc., welche durch Vergleichsmessungen im Labor und an praxiserprobten Kesseln abgesicherte Ergebnisse lieferten. Aus dem Vergleich des ermittelten Temperaturprofils 10 mit dem zu einem Modell verknüpften Datensystem lassen sich Kenngrößen der thermischen Belastung des Flammrohres 2 ableiten. Derartige Kenngrößen sind die maximale lokale Wärmestromdichte Q, die maximale lokale Flammrohrtemperatur T, der Wärmeübergangskoeffizient sowie die Information über eine etwaige Belagbildung an der Außenwand 8 des Flammrohres 2. Durch Verfahren des Pyrometers 5 in axialer Richtung läßt sich ein Wärmestromdichteverlauf 12 ermitteln, der den Ort der maximalen Wärmestromdichte Q angibt, aus welcher weitere Kenngrößen, wie beispielsweise die Querschnittsbelastung, die Volumenbelastung oder die Oberflächenbelastung, ermittelt werden können. Weiterhin ist es möglich Kenngrößen zu generieren, die Informationen über den maximal zulässigen Druck im Flammrohr 2 und über die maximal zulässige Feuerungsleistung beinhalten. Mittels diesen Kenngrößen ist es dann möglich, Beurteilungskriterien für Kessellast, Feuerraumgeometrie oder verschiedene Feuerungssysteme und Brennstoffe in Abhängigkeit der thermischen Belastung des Flammrohres 2 aufzustellen. Durch eine geeignete Programmierung eines Auswerteprogramms können unmittelbar aus dem Meßwert-Rechner 7 Auslegungsdaten für beispielsweise Leistung, Dampfzustand oder Brennstoff des Flammrohr-Rauchrohrkessels 1 gewonnen werden.

Für die Weiterentwicklung von Flammrohr-Rachrohrkesseln ist die Heranziehung technischer Regelwerke nicht mehr ausreichend. Heutige Anforderungen, wie beispielsweise schnellere und größere Lastwechsel, Maßnahmen zur Minimierung der Schadstoffbildung, umweltschonende Verbrennungsverfahren und eine permanente Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, kann nur Rechnung getragen werden, wenn die wärme- und strömungstechnische sowie festigkeitsmäßige Auslegung der tatsächlichen thermischen Belastung des Flammrohres 2 entspricht. Eine diesbezügliche Produktverbesserung, die einhergeht mit einer Erhöhung der Sicherheit, ist mit dem zuvor beschriebenen Verfahren gewährleistet. Die Kenntnis der tatsächlichen thermischen Belastung läßt da, wo die bisherigen empirisch vor Jahren ermittelten technischen Regelwerke eine Überdimensionierung vorsehen, eine Verringerung der Abmessungen des Flammrohres 2 und damit eine Reduzierung des Bauvolumens oder eine Erweiterung des Einsatzbereiches durch einen höheren zulässigeren Betriebsdruck, und da wo sich die Dimensionierung nach den technischen Regelwerken als unzureichend herausstellte, eine Begrenzung des Risikos durch eine der Flammrohrabmessung entsprechenden Feuerungsleistung zu. Nicht zuletzt wird durch die oben beschriebene Vorrichtung und die Anwendung des diesem zugrunde liegenden Verfahrens eine individuelle Auslegung von Flammrohren bzw. kompletter Kesseln erreicht, die im Gegensatz zu einer strikten Auslegung nach den Vorgaben der bisher geltenden technischen Regelwerke eine einfachere und dennoch sicherere Gestaltung gewährt.

Bezugszeichenliste

1

Flammrohr-Rauchrohrkessel

2

Flammrohr

3

Sichtfenster

4

Wasserstrom

5

Strahlungspyrometer

6

Verstelleinrichtung

7

Meßwert-Rechner

8

Innenwand

9

Meßfläche

10

Temperaturprofil

11

Außenwand

12

Wärmestromdichteverlauf
α Strahlungswinkel

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der thermischen Belastung von Flammrohren, insbesondere in Großwasserraum-Kesseln, bei denen aufgrund einer Feuerung im Flammrohr (2) freigesetzte Wärmeenergie an einen das Flammrohr (2) zumindest teilweise umgebenden Wasserstrom (4) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet,

a) die Feuerung kurzzeitig unterbrochen wird,
b) während des Unterbrechungszeitraumes die Oberflächentemperatur an der Flammrohrinnenwand (8) gemessen wird,
c) aus den gemessenen Temperaturen ein lokales zeitliches Temperaturprofil (10) der Oberfläche der Flammrohrinnenwand (8) erstellt wird,
d) das Temperaturprofil (10) mit einem Datensystem verglichen wird, welches wenigstens den Druck und/oder die Temperatur des Wasserstroms (4) im Bereich der Flammrohraußenwand (11), die Material- und Konstruktionsdaten des Flammrohres (2) sowie aus experimentellen Versuchen ermittelte Kalibrierwerte umfaßt, und
e) aus diesem Vergleich Kenngrößen der thermischen Belastung des Flammrohres (2) gewonnen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kenngrößen die lokalen Wärmestromdichten und Flammrohrwandtemperaturen, der Wärmeübergangskoeffizient sowie die Information über eine Belagbildung an der Flammrohraußenwand (11) gewonnen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den gewonnenen Kenngrößen Informationen über den maximal zulässigen Druck im Flammrohr (2) und über die maximal zulässige Feuerungsleistung generiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur an der Flammrohrinnenwand (8) berührungslos gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturmessung ein Strahlungspyrometer (5) eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammrohrinnenwand (8) von außen durch ein Sichtfenster (3) mit dem Strahlungspyrometer anvisiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur an mehreren Meßstellen (9) auf der Umfangsfläche der Flammrohrinnenwand (8) erfaßt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Strahlungspyrometer (5) zum Erfassen der Oberflächentemperatur einer Flammrohrinnenwand (8) und ein mit diesem verbundenen rechnergestützten Datensystem zur Ermittlung von die thermische Belastung des Flammrohres (2) charakterisierenden Kenngrößen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungspyrometer (5) außerhalb des Flammrohres (2) vor einem Sichtfenster (3) desselben positionierbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungspyrometer (5) in wenigstens zwei Dimensionen verschwenkbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Datensystem wenigstens den Druck oder die Temperatur eines die Flammrohraußenwand (11) umgebenden Wasserstroms (4), die Material- und Konstruktionsdaten des Flammrohres (2) sowie aus experimentellen Versuchen ermittelte Kalibrierwerte umfaßt, wobei die einzelnen Daten zu einem experimentell abgesicherten Modell verknüpfbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das rechnergestützte Datensystem als wissensbasiertes Expertensystem ausgebildet ist.