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EP3252375B1 - Kesselanlage, verfahren zum betreiben einer kesselanlage und verwendung einer kesselanlage - Google Patents

Kesselanlage, verfahren zum betreiben einer kesselanlage und verwendung einer kesselanlage Download PDF

Info

Publication number
EP3252375B1
EP3252375B1 EP17172310.9A EP17172310A EP3252375B1 EP 3252375 B1 EP3252375 B1 EP 3252375B1 EP 17172310 A EP17172310 A EP 17172310A EP 3252375 B1 EP3252375 B1 EP 3252375B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drums
boiler
water
boiler plant
steam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP17172310.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3252375A1 (de
Inventor
Luca Viscuso
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Erk Eckrohrkessel GmbH
Original Assignee
Erk Eckrohrkessel GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Erk Eckrohrkessel GmbH filed Critical Erk Eckrohrkessel GmbH
Priority to RS20221082A priority Critical patent/RS63858B1/sr
Publication of EP3252375A1 publication Critical patent/EP3252375A1/de
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Publication of EP3252375B1 publication Critical patent/EP3252375B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/22—Drums; Headers; Accessories therefor
    • F22B37/225—Arrangements on drums or collectors for fixing tubes or for connecting collectors to each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B21/00—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically
    • F22B21/34—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically built-up from water tubes grouped in panel form surrounding the combustion chamber, i.e. radiation boilers
    • F22B21/36—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically built-up from water tubes grouped in panel form surrounding the combustion chamber, i.e. radiation boilers involving an upper drum or headers mounted at the top of the combustion chamber

Definitions

  • the invention relates to a boiler system with at least two upper drums, which is also referred to as a quick-start boiler.
  • Thick-walled components such as drums and collectors are significant limitations for regular, rapid start-up of boiler systems and the rapid load change capability. Wall thicknesses are dictated by operating pressure and high pressures are required to optimize efficiencies. Thick-walled components have to be heated up slowly due to the thermal stresses that occur, and this is in direct contradiction to rapid start-up and load changes. Due to their design, once-through boilers do not have a drum, but instead have thick-walled collectors. However, such systems are used almost exclusively in large power plants with supercritical steam parameters. For subcritical applications, e.g. B. Industrial technology, decentralized power generation plants, gas turbine power plants with waste heat boilers and power plants up to approx. 350 MW, the use of natural circulation and forced circulation boilers is dominant and these have thick-walled drum and collector components at high pressures.
  • the DE 971 951 B describes a boiler with two upper drums. This includes two separate systems, so the two drums are used in two separate water circuits.
  • the documents FR 621 429 A , U.S.A. 4,262,637 , DE 975 718 C also disclose a boiler system with two top drums.
  • Claim 1 describes a boiler plant according to the invention.
  • the invention relates to a boiler system for heating a medium, in particular natural circulation or forced circulation boilers or waste heat boilers, particularly preferably corner tube boilers, comprising downpipes, collectors, distributors and risers, which form at least part of a circuit of a medium to be heated, with at least two drums connected to the circuit are connected for separating the water-steam mixture into steam and water.
  • the invention relates in particular to natural and forced circulation boilers firing solids and/or liquid and/or gaseous fuels and to waste heat boiler systems with one or more pressure levels.
  • this invention proposes distributing the drum volume over at least 2 upper drums.
  • It is preferably a two-drum system, which is used in particular to heat water for the purpose of generating hot water and/or steam.
  • the boiler pressure hull is formed by a stable, rectangularly arranged framework of downcomers, collectors and distributors.
  • the latter two are welded to smoke gas-tight pipe walls, creating a self-contained pipe body. This supports itself and all welded or separately mounted heating surfaces.
  • the load is transferred to foundations via four downpipes at the corners and, if necessary, also via additional downpipes on the sides.
  • the water-steam mixture is already separated in pre-separators outside the drum. From there, the steam reaches the drum through overflow pipes and the water-steam mixture flows through pre-separators directly to the drum. The remaining water bypasses the drum and goes down to the distributor via the return pipes.
  • a defined volume is required in a boiler to separate steam.
  • this volume is divided between the at least two arranged drums, which are fluidically connected.
  • More than two drums can be arranged, up to any number of drums.
  • ready-made pipes can take over the function of the drum, resulting in a "poly drum".
  • the steam is separated from the water, such as the sidewall of headers.
  • the pressure is the same in both or all of the drums, and all of the drums are connected to the same water circuit. Due to the connection on the water and steam side, both or all drums have the same pressure and are connected to the same pressure stage.
  • the ratio of the diameter D to the wall thickness s of the drum is: D/s ⁇ 15.
  • D/s ⁇ 18 is preferred.
  • D/s is 20 to 22.
  • At least one of the drums has a collector function.
  • At least one mixture collector is designed as a drum.
  • the mixture collector can be designed with a front and a rear outlet.
  • the vapor extraction from the mixture collector can take place in a vapor collector.
  • a plurality of collectors are preferably arranged, the wall thickness of which is reduced in comparison to the conventional drum. If several mixture collectors are designed as drums, it may be possible to dispense with the arrangement of a conventional drum. In this case, the result is a drumless corner tube boiler in which the volume for steam-water separation is made available in the several mixture collectors designed as drums.
  • the drums are arranged in the high-pressure part of the boiler plant, i. H. in a part of the plant designed for operation above 40 bar.
  • drums designed according to the invention are also arranged in the low-pressure area.
  • the arrangement in different pressure levels is also possible.
  • the invention also relates to a method for operating a boiler system according to the invention, in which heat is generated in the boiler system and is transferred to a medium, in particular water, in the circuit and the water-steam mixture is separated into steam and water in both drums .
  • the invention also relates to the use of a boiler system according to the invention for generating heat and for transferring the heat to a medium, in particular water.
  • the main advantage of the volume division according to the invention lies in the reduction of the drum diameter and consequently the drum wall thickness.
  • Another advantage of the system is the reduced boiler weight, since two upper drums are lighter than one large drum due to the thinner walls in each case.
  • the two upper drums improve the descent times, i. H. same sinking time (time between maximum and minimum water level in the drum) with a smaller drum diameter and drum wall thickness.
  • a low absolute wall thickness is possible, which enables rapid up and down movement in short times of up to 1 minute, since the resulting thermal stresses in the tubes are significantly lower than in thick-walled drums due to the smaller wall thicknesses.
  • the wall thickness depends on the outer diameter.
  • Rapid ramping up and down is particularly important in gas and steam processes and when using solar thermal energy, since rapid load changes occur.
  • FIGS 1 and 2 show conventional designs of corner tube boilers as the state of the art. It can be seen that different drum sizes are possible.
  • the corner tube boilers each comprise a drum 1 and several downcomers 2. On the upper side they comprise an overflow pipe 3 and mixture collector 4 and on the lower side distributor 5.
  • FIG 3 shows a corner tube boiler according to the invention with two overhead drums 1. These are fluidically connected to one another and arranged in the same water-steam circuit. It can be seen that the two drums 1 provide the same volume as the large drum 1 2 , but manage with smaller wall thicknesses. Furthermore, the weight of the drums 1 is reduced here and is only 148.2 t compared to the version in 2 with 161.7 t.
  • FIG. 4 shows a corner tube boiler according to the invention in a perspective view. Two drums 1 are visible at the top left, in the high-pressure part, while only one drum 1 is arranged at the top right, in the low-pressure part.
  • the corner tube boilers shown comprise several downpipes 2. On the upper side they comprise an overflow tube 3 and mixture collector 4 and on the lower side distributor 5. In contrast to conventional corner tube boilers, however, they have two drums 1 on the upper side.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Control Of Steam Boilers And Waste-Gas Boilers (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kesselanlage mit wenigstens zwei Obertrommeln, die auch als Schnellstartkessel bezeichnet wird.
  • Im sich derzeit wandelnden Energiemarkt wird die flexible Bereitstellung von Energieerzeugungskapazitäten immer relevanter und Kesselanlagen müssen an diese Bedingungen angepasst werden. Wesentliche Beschränkungen für regelmäßiges schnelles Anfahren von Kesselanlagen bzw. die schnelle Lastwechselfähigkeit sind dickwandige Bauteile wie Trommel und Sammler. Die Wandstärken werden vom Betriebsdruck bestimmt und hohe Drücke sind erforderlich, um Wirkungsgrade zu optimieren. Dickwandige Bauteile müssen aufgrund auftretender Thermospannungen langsam aufgeheizt werden und dies steht im direkten Widerspruch zum schnellen Anfahren und Lastwechsel. Zwangsdurchlaufkessel besitzen aufgrund ihres Aufbaus keine Trommel, dafür aber dickwandige Sammler, allerdings kommen derartige Anlagen fast ausschließlich in Großkraftwerken mit überkritischen Dampfparametern zum Einsatz. Bei unterkritischen Anwendungen, z. B. Industrietechnik, dezentrale Energieerzeugungsanlagen, Gasturbinenkraftwerke mit Abhitzekesseln und Kraftwerke bis ca. 350 MW, ist der Einsatz von Naturumlauf und Zwangsumlaufkesseln dominant und diese verfügen bei hohen Drücken über dickwandige Trommel- und Sammlerbauteile.
  • Die DE 971 951 B beschreibt einen Kessel mit zwei Obertrommeln. Dieser umfasst zwei getrennte Systeme, die beiden Trommeln sind also in zwei getrennten Wasserkreisläufen eingesetzt. Die Dokumente FR 621 429 A , US 4 262 637 A , DE 975 718 C offenbaren auch eine Kesselanlage mit zwei Obertrommeln.
    • Beschreibung der Erfindung:
  • Anspruch 1 beschreibt eine Kesselanlage gemäß der Erfindung. Die Erfindung betrifft eine Kesselanlage zur Erhitzung eines Mediums, insbesondere Naturumlauf- oder Zwangsumlaufkessel oder Abhitzekessel, besonders bevorzugt Eckrohrkessel, umfassend Fallrohre, Sammler, Verteiler und Steigrohre, die zumindest einen Teil eines Kreislaufs eines zu erwärmenden Mediums ausbilden, wobei an den Kreislauf wenigstens zwei Trommeln für eine Trennung des Wasser-Dampf-Gemisches in Dampf und Wasser angeschlossen sind.
  • Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Natur- und Zwangsumlaufkessel mit Feuerung von Feststoffen und/oder flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen sowie auf Abhitzekesselanlagen mit einer oder mehreren Druckstufen.
  • Um Wandstärken zu minimieren schlägt diese Erfindung die Verteilung des Trommelvolumens auf wenigstens 2 Obertrommeln vor.
  • Bevorzugt handelt es sich um ein Zweitrommelsystem, das insbesondere zur Erhitzung von Wasser zwecks Erzeugung von Heißwasser und/ oder Wasserdampf dient.
  • In einem Eckrohrkessel wird der Kesseldruckkörper von einem stabilen, rechteckig angeordneten Rahmenwerk aus Fallrohren, Sammlern und Verteilern gebildet. Die beiden letzteren sind mit rauchgasdichten Rohrwänden verschweißt, wodurch ein in sich geschlossener Rohrkörper gebildet wird. Dieser trägt sich selbst und sämtliche eingeschweißte oder gesondert aufgelagerte Heizflächen. Die Last wird über vier Fallrohre an den Ecken ggf. auch über zusätzliche Fallrohre an den Seiten auf Fundamente abgetragen. Die Trennung des Wasser-Dampf-Gemischs erfolgt bereits in Vorabscheidern, außerhalb der Trommel. Von dort gelangt der Dampf durch Überströmrohre zur Trommel und das Wasser-Dampf-Gemisch strömt durch Vorabscheider direkt zur Trommel. Restliches Wasser gelangt unter Umgehung der Trommel über die Rücklaufrohre nach unten zum Verteiler.
  • Es wird in einem Kessel ein definiertes Volumen benötigt, um Dampf abzuscheiden. In einem Eckrohrkessel ist es möglich, dieses Volumen auf mehrere kleine Volumina zu verteilen und nicht als ein großes Volumen auszuführen. Dieses Volumen wird auf die wenigstens zwei angeordneten Trommeln aufgeteilt, die in strömungstechnischer Verbindung stehen.
  • Es können mehr als zwei Trommeln angeordnet sein, bis hin zu beliebig vielen Trommeln. In diesem Fall können konfektionierte Rohre die Funktion der Trommel übernehmen, so dass eine "Polytrommel" entsteht. Es sind viele Stellen vorhanden, an denen der Dampf vom Wasser getrennt wird, wie beispielsweise die Seitenwand von Sammlern.
  • Im erfindungsgemäßen System liegt insbesondere in den beiden bzw. allen Trommeln der gleichen Druck an und alle sind Trommeln an den gleichen Wasserkreislauf angeschlossen. Aufgrund der wasser- und dampfseitigen Verbindung haben beide bzw. alle Trommeln den gleichen Druck und sind an die gleiche Druckstufe angeschlossen.
  • Erfindungsgemäß ist das Verhältnis von Durchmesser D zu Wandstärke s der Trommel: D/s ≥ 15. Bevorzugt ist D/s ≥ 18. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist D/s 20 bis 22.
  • Vorzugweise hat wenigstens eine der Trommeln eine Sammler-Funktion.
  • Das heißt, dass wenigstens ein Gemischsammler als Trommel ausgebildet ist. Dabei kann der Gemischsammler mit einem vorderem und einem hinterem Ablauf ausgeführt sein. Die Dampfentnahme aus dem Gemischsammler kann in einem Dampfsammler erfolgen. Es sind vorzugsweise mehrere Sammler angeordnet, deren Wanddicke im Vergleich zur herkömmlichen Trommel reduziert ist. Wenn mehrere Gemischsammler als Trommel ausgeführt sind, kann gegebenenfalls auf die Anordnung einer konventionellen Trommel verzichtet werden. In diesem Fall ergibt sich ein trommelloser Eckrohrkessel, in dem in den mehreren als Trommeln ausgestalteten Gemischsammlern das Volumen zur Dampf-WasserTrennung zur Verfügung gestellt wird.
  • Erfindungsgemäß sind die Trommeln im Hochdruckteil der Kesselanlage angeordnet, d. h. in einem Teil der Anlage, der für einen Betrieb über 40 bar ausgestaltet ist.
  • Es ist allerdings nicht ausgeschlossen, dass die erfindungsgemäß ausgestalteten Trommeln auch im Niederdruckbereich angeordnet sind. Die Anordnung in unterschiedlichen Druckstufen ist ebenfalls möglich.
  • Erfindungsgemäß beträgt der Durchmesser D der Trommeln in Bezug zur Länge L der Trommeln: D/L = 0,03 bis 0,5, insbesondere 0,05 bis 0,3.
  • Vorzugsweise beträgt der Durchmesser D der Trommeln in Bezug zur Länge L der Trommeln: D/L = 0,1 bis 0,2.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Kesselanlage, bei der Wärme in der Kesselanlage erzeugt wird und auf ein Medium, insbesondere Wasser, im Kreislauf übertragen wird und eine Trennung des Wasser-Dampf-Gemisches in Dampf und Wasser in beiden Trommeln durchgeführt wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kesselanlage zur Erzeugung von Wärme und zur Übertragung der Wärme auf ein Medium, insbesondere auf Wasser.
  • Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Volumenaufteilung liegt in der Reduzierung des Trommeldurchmessers und demzufolge der Trommelwandstärke. Ein weiterer Vorteil des Systems ist das reduzierte Kesselgewicht, da zwei Obertrommeln aufgrund der jeweils geringeren Wandstärke leichter sind als eine große Trommel. Zusätzlich verbessern die zwei Obertrommeln die Absinkzeiten, d. h. gleiche Absinkzeit (Zeit zwischen maximalem und minimalem Wasserstand in der Trommel) bei kleinerem Trommeldurchmesser und Trommelwandstärke.
  • Es können unter Umständen leichter konventionelle, konfektionierte Rohre verwendet werden, die wesentlich einfacher und günstiger herzustellen und einzubauen sind. Es kann gegebenenfalls auf geschweißte Trommeln verzichtet werden, was Kosten und Aufwand reduziert. Geschweißte Trommeln sind durch ihre Größe und die notwendige Stabilität schwer und aufwändig in der Herstellung, außerdem müssen hohe Anforderungen bezüglich Statik und Druckstabilität erfüllt werden.
  • Es ist eine geringe absolute Wanddicke möglich, was ein rasches hoch- und runterfahren in kurzen Zeiten bis hin zu 1 Minute ermöglicht, da die entstehenden Thermospannungen in den Rohren durch die geringeren Wanddicken wesentlich geringer sind als in dickwandigen Trommeln. Die Wanddicke hängt dabei vom äußeren Durchmesser ab.
  • Ein rasches hoch- und runterfahren ist insbesondere in Gas- und Dampfprozessen sowie bei der Nutzung von Solarthermie entscheidend, da rasche Lastwechsel auftreten.
  • Es findet eine bessere und schnellere Dampfabtrennung statt, da die absolute Höhe des Wasserstandes der Wasserphase niedriger ist, aus der der Dampf abzuscheiden ist.
  • Pumpeneinsatz kann demzufolge gemindert werden.
    • Figurenbeschreibung:
  • Die Figuren 1 und 2 zeigen konventionelle Ausführungen von Eckrohrkesseln als Stand der Technik. Es ist ersichtlich, dass unterschiedliche Trommelgrößen möglich sind.
  • Die Eckrohrkessel umfassen jeweils eine Trommel 1 sowie mehrere Fallrohre 2. An der oberen Seite umfassen sie ein Überströmrohr 3 und Gemischsammler 4 und an der unteren Seite Verteiler 5.
  • Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Eckrohrkessel mit zwei obenliegenden Trommeln 1. Diese sind strömungstechnisch miteinander verbunden und im gleichen Wasser-Dampf-Kreislauf angeordnet. Es wird ersichtlich, dass die beiden Trommeln 1 dasselbe Volumen zur Verfügung stellen wie die große Trommel 1 aus Fig. 2, dabei aber mit geringeren Wandstärken auskommen. Weiterhin ist das Gewicht der Trommeln 1 hier reduziert und beträgt nur 148,2 t im Vergleich zur Ausführung in Fig. 2 mit 161,7 t.
  • Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Eckrohrkessel in perspektivischer Ansicht. Oben links, im Hochdruckteil, sind zwei Trommeln 1 sichtbar, während oben rechts, im Niederdruckteil, nur eine 1 Trommel angeordnet ist.
  • Auch die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Eckrohrkessel umfassen mehrere Fallrohre 2. An der oberen Seite umfassen sie ein Überströmrohr 3 und Gemischsammler 4 und an der unteren Seite Verteiler 5. im Unterschied zu herkömmlichen Eckrohrkesseln weisen Sie jedoch an der Oberseite zwei Trommeln 1 auf.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Trommel
    2
    Fallrohr
    3
    Überströmrohr
    4
    Gemischsammler
    5
    Verteiler

Claims (4)

  1. Kesselanlage zur Erhitzung eines Mediums, insbesondere Naturumlauf- oder Zwangsumlaufkessel oder Abhitzekessel, besonders bevorzugt Eckrohrkessel, umfassend Fallrohre, Sammler, Verteiler und Steigrohre, die zumindest einen Teil eines Kreislaufs eines zu erwärmenden Mediums ausbilden, wobei an den Kreislauf wenigstens zwei Trommeln (1) für eine Trennung des Wasser-Dampf-Gemisches in Dampf und Wasser angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Durchmesser D zu Wandstärke s der Trommel ist: D/s ≥15, wobei die Trommeln (1) im Hochdruckteil der Kesselanlage angeordnet sind, d. h. in einem Teil der Anlage, der für einen Betrieb über 40 bar ausgestaltet ist, und dass der Durchmesser D der Trommeln in Bezug zur Länge L der Trommeln beträgt: D/L = 0,03 bis 0,5, insbesondere 0,05 bis 0,3.
  2. Kesselanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der Trommeln (1) eine Sammler-Funktion hat.
  3. Verfahren zum Betreiben einer Kesselanlage nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der Wärme in der Kesselanlage erzeugt wird und auf ein Medium, insbesondere Wasser, im Kreislauf übertragen wird und eine Trennung des Wasser-Dampf-Gemisches in Dampf und Wasser in beiden Trommeln (1) durchgeführt wird.
  4. Verwendung einer Kesselanlage nach einem der Ansprüche 1 und 2 zur Erzeugung von Wärme und Übertragung auf ein Medium, insbesondere auf Wasser.
EP17172310.9A 2016-05-25 2017-05-22 Kesselanlage, verfahren zum betreiben einer kesselanlage und verwendung einer kesselanlage Active EP3252375B1 (de)

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