WO1993004318A1 - Gasbeheizter abhitzedampferzeuger - Google Patents
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- F22B1/1807—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines
- F22B1/1815—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines using the exhaust gases of gas-turbines
Definitions
- the invention relates to gas-heated heat recovery steam generators with one or more evaporators of different pressure stages, at least one evaporator being designed as a continuous evaporator and flowing through on the water side in direct current to the heating gas stream.
- gas-heated Abhitze ⁇ steam generator is known from PCT / DE 89/00081.
- the invention is therefore based on the object of creating a gas-heated heat recovery steam generator whose water pipes connected in parallel in parallel in a predominantly convectively heated evaporator are flowed through by approximately equal amounts of water, so that approximately equally large heat flows are transmitted in the individual pipes.
- a once-through evaporator consists of two each on the water / steam side consists of parts flowing through in direct current with the gas flow and that the heat flows transferred in these parts are in a ratio of 7: 3 to 10: 1 and that the part first flowed through on the water side in the gas flow is downstream from the second part on the gas side.
- the outlet temperature of the water vapor generated when leaving the second part of the once-through evaporator is clearly above the boiling temperature and the heat flow distribution to the two parts of the once-through evaporator remains between 7: 3 and 10: 1 even with stationary loads deviating from the nominal load.
- Advantageous refinements of the invention consist in that between the two parts of the continuous evaporator there is no collector through which the entire water / steam flow flows, but rather coupling lines connect the tubes of the first and second parts directly to one another.
- Gas-heated heat recovery steam generators constructed according to the invention are very advantageous because there are practically no increased pressure losses, for example as a result of the use of throttles, to ensure a uniform flow distribution on the individual tubes and there is no risk of pipe tears, for example due to clogging of throttles given is.
- FIG. 1 shows a part of an exhaust gas duct designed as a heat recovery steam generator
- FIG. 2 shows a section of a parallel tube of a once-through evaporator on a larger scale. Corresponding components are provided with the same reference symbols in both figures.
- Exhaust gas duct 1 In an exhaust gas duct 1 according to FIG. 1, heat exchangers, which mostly consist of heating surfaces formed by pipes, of a heat recovery steam generator are installed. Exhaust gas duct 1 has hot exhaust gas 2 flowing through it from bottom to top.
- the exhaust gas 2 used is, for example, a still hot working gas which is expanded in a gas turbine and flows to a chimney, or is heated in a closed circuit in a high-temperature reactor.
- the temperature of the exhaust gas 2 is, for example, above 550 ° C. at the lower end of the heat recovery steam generator and below 100 ° C. at the upper end, for example.
- the high-pressure economizer HD ECO 2 and the medium-pressure superheater MDÜ are located side by side in the exhaust gas duct 1 in the same gas-side temperature range.
- the medium-pressure evaporator MD VD and the medium-pressure superheater MDÜ can also be omitted, the other heat exchangers are then correspondingly larger.
- the heat exchangers are flowed through in the direction of small arrows 3 drawn in them by water or steam from a water-steam cycle. Accordingly, the direction of flow of the water-steam circuit in the condensate preheater is KVW, in the high pressure economizer HD ECO 1 and 2, in the low pressure superheater NDÜ, in the medium pressure superheater MDÜ, in the intermediate pressure superheater ZU and in the high pressure superheater HDÜ the flow direction of the exhaust gas 2.
- the individual heat exchangers are connected to one another in terms of flow by means of connecting lines arranged partially outside the exhaust gas duct 1.
- the connecting line 4 lies between the low-pressure evaporator ND VD and the low-pressure superheater NDÜ, between the high-pressure economizer HD ECO 1 and the high-pressure economizer HD ECO 2 the connecting line 5, between the high-pressure economizer HD ECO 1 and the medium pressure evaporator MD VD the connecting line 6, between the medium pressure evaporator MD VD and the medium pressure superheater MDÜ the connecting line 7, between the medium pressure superheater MDÜ and the intermediate pressure superheater ZDÜ the connecting line 8, between the high pressure -Econo ⁇ mizer HD ECO 2 and the high-pressure evaporator HD VD 1 the connecting line 9, between the high-pressure evaporator HD VD 1 and the high-pressure evaporator HD VD 2 the coupling lines 10 and between the high-pressure evaporator HD VD 2 and the high pressure
- a two-part continuous evaporator has the advantage that the outlet on the water vapor side is in an area with a relatively high exhaust gas temperature, so that the steam generated can already be overheated before the outlet.
- the evaporation end point is not fixed, but can move within a heating surface section.
- FIG. 2 shows an inlet header 14 at the inlet of the high-pressure evaporator HD VD 1 and an outlet header 15 at the outlet of the high-pressure evaporator HD VD 2.
- Possible collectors to be provided at the entrances and exits of the individual heat exchangers are shown in FIG 1 not shown.
- the division of the high-pressure evaporator into the parts HDVD 1 and HDVD 2 according to the invention is not limited to use in waste heat steam generators, but can also be used in any other steam generators with appropriate pressure, temperature and quantity ratios.
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Abstract
Derartige Abhitzedampferzeuger enthalten einen Verdampfer oder mehrere Verdampfer verschiedener Druckstufen, wobei mindestens ein Durchlaufverdampfer, vorzugsweise in einer Hochdruckstufe (HD VD, HDÜ), vorgesehen ist. In dem Durchlaufverdampfer (HD VD) ist die Strömung wasserseitig im Gleichstrom zum heizenden Gasstrom (2) geführt. Erfindungsgemäß besteht der Durchlaufverdampfer aus zwei je für sich im Gleichstrom mit dem Gasstrom geführten Teilen (HD VD 1 und HD VD 2), wobei die in diesen Teilen (HD VD 1 und HD VD 2) übertragenen Wärmeströme zueinander im Verhältnis 7:3 bis 10:1 stehen und wobei der wasserseitig zuerst durchströmte Teil (HD VD 1) im Gasstrom (2) gegenüber dem zweiten Teil (HD VD 2) stromab liegt. Derartig aufgebaute Abhitzedampferzeuger weisen eine sehr gleichmäßige Strömungsverteilung in den Parallelrohren des Durchlaufverdampfers auf und sind vor allem zum Einsatz im Abgasstrom (2) von Gasturbinen oder im Kühlmittelstrom von Hochtemperatur-Kernreaktoren geeignet.
Description
Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger
Die Erfindung betrifft gasbeheizte Abhitzedampferzeuger mit einem oder mehreren Verdampfern unterschiedlicher Druckstu- fen, wobei mindestens ein Verdampfer als Durchlaufverdampfer ausgeführt ist und wasserseitig im Gleichstrom zum heizenden Gasstrom durchströmt ist. Ein derartiger gasbeheizter Abhitze¬ dampferzeuger ist durch die PCT/DE 89/00081 bekannt geworden.
Durch einen Aufsatz "Zwangdurchlauf-Dampferzeuger im Abgas¬ system einer Gasturbine", veröffentlicht in der Zeitschrift EVT-Register 45/86 auf den Seiten 59 bis 63, ist auch schon die Auslegung und der Betrieb von Abhitzedampferzeugern mit überwiegend konvektiv beheizten Durchlaufverdampfern hinter Gasturbinen bekannt. In bei dieser Anordnung eingesetzten Pa¬ rallelrohrsystemen droht bei ungünstigen Verhältnissen eine ungleichmäßige Verteilung des Massenstromes der Wasser-Dampf- Seite auf die Einzelrohre. Diese ungleichmäßige Verteilung, im folgenden Instabilität genannt, ist bei der bekannten An- Ordnung durch wasserseitig eingebaute Drosseln unterdrückt. Diese Drosseln erhöhen jedoch in unerwünschter Weise eine für die Wassereinspeisung erforderliche Pumpenleistung. Außerdem neigen diese Drosseln aufgrund ihres kleinen Strömungsquer¬ schnitts zum Verstopfen der zugehörigen Einzelrohre, so daß die übertragene Wärmeleistung sinkt und die Wahrscheinlich¬ keit des Auftretens von Rohrreißern erhöht ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gas¬ beheizten Abhitzedampferzeuger zu schaffen, dessen wasser- seitig parallel geschaltete Einzelrohre in einem überwiegend konvektiv beheizten Verdampfer von annähernd gleich großen Wassermengen durchströmt werden, so daß in den Einzelrohren auch annähernd gleich große Wärmeströme übertragen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein DurchlaufVerdampfer aus zwei je für sich wasser/dampfseitig
im Gleichstrom mit dem Gasstrom durchströmten Teilen besteht und daß die in diesen Teilen übertragenen Wärmeströme zuein¬ ander im Verhältnis 7 : 3 bis 10 : 1 stehen und daß der was¬ serseitig zuerst durchströmte Teil im Gasstrom gegenüber dem zweiten Teil gasseitig stromab liegt.
Gemäß zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung liegt die Austrittstemperatur des erzeugten Wasserdampfes bei Verlassen des zweiten Teils des DurchlaufVerdampfers deutlich oberhalb der Siedetemperatur und bleibt die Wärmestromaufteilung auf die beiden Teile des DurchlaufVerdampfers auch bei von der Nennlast abweichenden stationären Lasten zwischen 7:3 und 10:1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß zwischen den beiden Teilen des DurchlaufVerdampfers kein vom gesamten Wasser/Dampfstrom durchströmter Sammler vorhanden ist, sondern Kupplungsleitungen die Rohre des er¬ sten und des zweiten Teils direkt miteinander verbinden.
Erfindungsgemäß aufgebaute gasbeheizte Abhitzedampferzeuger sind sehr vorteilhaft, weil praktisch keine zur Sicherstel¬ lung einer gleichmäßigen Strömungsverteilung auf die Einzel¬ rohre erhöhten Druckverluste, beispielsweise infolge eines Einsatzes von Drosseln, auftreten und eine Gefahr von Rohr¬ reißern, zum Beispiel durch Verstopfen von Drosseln, nicht gegeben ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen als Abhitzedampferzeuger gestalteten Teil eines Abgaskanals und
Figur 2 zeigt in einem Ausschnitt hieraus ein Parallelrohr eines Durchlaufverdampfers in größerem Maßstab.
Einander entsprechende Bauteile sind in beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In einen Abgaskanal 1 gemäß Figur 1 sind Wärmetauscher, die meist aus von Rohren gebildeten Heizflächen bestehen, eines Abhitzedampferzeugers eingebaut. Der Abgaskanal 1 wird von unten nach oben von heißem Abgas 2 durchströmt. Als Abgas 2 dient beispielsweise ein in einer Gasturbine entspanntes, zu einem Kamin strömendes, noch heißes Arbeitsgas oder in einem geschlossenen Kreislauf jeweils in einem Hochtempera¬ turreaktor aufgeheiztes Gas. Die Temperatur des Abgases 2 liegt am unteren Ende des Abhitzedampferzeugers beispielswei¬ se über 550 "C und am oberen Ende beispielsweise unter 100 "C.
In den Abgaskanal 1 sind als Wärmetauscher von oben nach unten aufeinander folgend eingebaut ein Kondensatvorwärmer KVW, ein Niederdruck-Verdampfer NDVD, ein erster Hochdruck-- Economizer HD ECO 1, ein Niederdruck-Überhitzer NDÜ, ein Mitteldruck-Verdampfer MDVD, ein zweiter Hochdruck-Economizer HD ECO 2, ein Mitteldruck-Überhitzer MDÜ, ein erster Teil HDVD 1 eines Hochdruck-Verdampfers, ein zweiter Teil HDVD 2 des Hochdruck-Verdampfers, ein Zwischendruck-Überhitzer ZDÜ sowie ein Hochdruck-Überhitzer HDÜ. Dabei liegen der Hoch¬ druck-Economizer HD ECO 2 und der Mitteldruck-Überhitzer MDÜ im Abgaskanal 1 nebeneinander in dem gleichen gasseitigen Temperaturgebiet. Entsprechendes gilt für den Zwischendruck- Überhitzer ZU und den Hochdruck-Überhitzer HDÜ in einem ande¬ ren gasseitigen Temperaturgebiet. Der Mitteldruck-Verdampfer MD VD und der Mitteldruck-Überhitzer MDÜ können auch entfal- len, die übrigen Wärmetauscher werden dann entsprechend größer.
Die Wärmetauscher werden in Richtung von kleinen in sie ein¬ gezeichneten Pfeilen 3 von Wasser bzw. Wasserdampf eines Wasser-Dampf-Kreislaufs durchströmt. Demzufolge ist die Strö¬ mungsrichtung des Wasser-Dampf-Kreises im Kondensatvorwärmer
KVW, im Hochdruck-Economizer HD ECO 1 und 2, im Niederdruck- Überhitzer NDÜ, im Mitteldruck-Überhitzer MDÜ, im Zwischen¬ druck-Uberhitzer ZU sowie im Hochdruck-Überhitzer HDÜ der Strömungsrichtung des Abgases 2 entgegengerichtet. Dagegen sind die Strömungsrichtung des Abgases 2 und des Wassers bzw. des Dampfes im Niederdruck- Verdampfer ND VD, im Mitteldruck- Verdampfer MD VD sowie in den beiden Teilen des Hochdruck- Verdampfers HD VD 1 und 2 gleichgerichtet.
Durch teilweise außerhalb des Abgaskanals 1 angeordnete Ver¬ bindungsleitungen sind die einzelnen Wärmetauscher miteinan¬ der strömungsmäßig verbunden. Dabei liegt zwischen dem Nie¬ derdruck-Verdampfer ND VD und dem Niederdruck-Überhitzer NDÜ die Verbindungsleitung 4, zwischen dem Hochdruck-Economizer HD ECO 1 und dem Hochdruck-Economizer HD ECO 2 die Verbin¬ dungsleitung 5, zwischen dem Hochdruck-Economizer HD ECO 1 und dem Mitteldruck- Verdampfer MD VD die Verbindungsleitung 6, zwischen dem Mitteldruck-Verdampfer MD VD und dem Mittel¬ druck-Überhitzer MDÜ die Verbindungsleitung 7, zwischen dem Mitteldruck-Überhitzer MDÜ und dem Zwischendruck-Überhitzer ZDÜ die Verbindungsleitung 8, zwischen dem Hochdruck-Econo¬ mizer HD ECO 2 und dem Hochdruckverdampfer HD VD 1 die Ver¬ bindungsleitung 9, zwischen dem Hochdruck- Verdampfer HD VD 1 und dem Hochdruckverdampfer HD VD 2 die Kupplungsleitungen 10 sowie zwischen dem Hochdruck- Verdampfer HD VD 2 und dem Hoch¬ druck-Überhitzer HDÜ die Verbindungsleitung 11. In die Ver¬ bindungsleitung 6 ist ein Ventil 12 eingeschaltet. Das Ven¬ til 12 dient auch zur Reduktion des Drucks auf den für den Mitteldruckteil vorgesehenen Druckwert.
Ein zweiteilig ausgeführter DurchlaufVerdampfer hat den Vor¬ teil, daß der wasserdampfseitige Austritt in einem Gebiet mit verhältnismäßig hoher Abgastemperatur liegt, so daß vor dem Austritt der erzeugte Dampf bereits überhitzt sein kann. Der Verdampfungsendpunkt ist dabei nicht fixiert, sondern kann innerhalb eines Heizflächenabschnittes wandern.
Beim Einsatz von Abhitzedampferzeugern im Abgasstrom von Gas¬ turbinen oder im Kühlmittelstrom von Hochtemperatur-Kernreak¬ toren treten in derartigen zweiteilig ausgeführten Hoch¬ druck-Durchlaufverdampfern mitunter sogenannte Instabilitäten in der Strömungsverteilung auf, die dadurch gekennzeichnet sind, daß durch die parallelgeschalteten Einzelrohre unter¬ schiedlich große Massenströme fließen, die zu unterschied¬ lichen Austrittstemperaturen führen. Überraschend hat sich nun gezeigt, daß bei einer Teilung des Hochdruckverdampfers HD VD in die beiden Teile HD VD 1 und HD VD 2 bezüglich der an die beiden Teile übertragenen Wärmeströme im Verhältnis 7:1 bis 10:1 oder umgekehrt die Strömungsverteilung gleich¬ mäßig bleibt, wenn der Hochdruckverdampfer HD VD 2 im Abgas¬ strom 2 in Richtung des Abgasstromes vor dem Hochdruckver- dampfer HD VD 1 liegt. Diese gleichmäßige Strömungsverteilung bleibt auch beim Teillastbetrieb und bei Uberlastbetrieb er¬ halten.
Figur 2 zeigt einen Eintrittssammler 14 am Eingang des Hoch- druckverdampfers HD VD 1 und einen Austrittssammlers 15 am Ausgang des Hochdruckverdampfers HD VD 2. Eventuell vorzu¬ sehende Sammler an den Eintritten und Austritten der einzel¬ nen Wärmetauscher sind der Übersichtlichkeit halber in Fi¬ gur 1 nicht dargestellt.
Die erfindungsgemäße Aufteilung des Hochdruckverdampfers in die Teile HDVD 1 und HDVD 2 ist nicht auf die Anwendung in Abhitzedampferzeugern beschränkt, sondern bei entsprechenden Druck-, Temperatur- und Mengenverhältnissen auch in beliebi- gen anderen Dampferzeugern anwendbar.
Claims
1. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger mit einem Verdampfer oder mit mehreren Verdampfern unterschiedlicher Druckstufen, wobei mindestens ein Verdampfer als Durchlauf Verdampfer aus¬ geführt ist und wasserseitig im Gleichstrom zum heizenden Gasstrom (2) durchströmt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- daß der Durchlauf Verdampfer aus zwei je für sich im Gleich- ström mit dem Gasstrom (2) durchströmten Teilen (HD VD 1 und HD VD 2) besteht,
- daß die in diesen Teilen (HD VD 1 und HD VD 2) übertrage¬ nen Wärmeströme zueinander im Verhältnis 7 : 3 bis 10 : 1 stehen und - daß der wasserseitig zuerst durchströmte Teil (HD VD 1) im Gasstrom (2) gegenüber dem zweiten Teil (HD VD 2) in Bezug auf den Gasstrom (2) stromab liegt.
2. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die
Austrittstemperatur des erzeugten Wasserdampfes beim Verlassen des zweiten Teils (HD VD 2) des Durchlauf- Verdampfers deut¬ lich oberhalb der Siedetemperatur bei dem betriebsmäßigen Dampfdruck liegt.
3. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wärmestromaufteilung auf die beiden Teile (HD VD 1 und HD VD 2) des Durchlauf- Verdampfers auch bei von der Nennlast abwei- chenden stationären Lasten zwischen 7 : 3 und 10 : 1 liegt.
4. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jedes Austrittseπde der parallel geschalteten Rohre des ersten Durchlauf verdampferteils (HD VD 1) ohne Zwischenschal- L tung eines Sammlers in das Eintrittsende einer Kupplungslei¬ tung (10) übergeht und daß das Austrittsende jeder Kupplungs¬ leitung (10) direkt in das Eintrittsende des jeweils zugehö¬ rigen der parallel geschalteten Rohre des zweiten Durchlauf-
> Verdampferteils (HD VD 2) übergeht.
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase | ||
| NENP | Non-entry into the national phase |
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