Verbrennung und Dampferzeugung

Transkript

1 Institut für Energietechnik, Verbrennung und Dampferzeugung - universitäres Fernstudium Dampferzeuger

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3 Prozesstufen bis zum Frischdampf 3 wesentliche Verfahrensschritte: überhitzter Dampf 1. Speisewasservorwärmung 2. Verdampfung 3. Überhitzung (meist mehrstufig) Überhitzer Sattdampf Speisewasservorwärmer Speisewasser Wärmeübertragung vom Rauchgas an Wasser/Dampf in den Heizflächen durch Strahlung und/oder Konvektion. Heizflächenarten: Verdampfersystem (Naturumlauf) 1. Speisewasservorwärmer (Economiser/Eco) 2. Verdampfer (Wand- oder Bündelverdampfer) 3. Überhitzer (Strahlungs-, Konvektions-, Schottüberhitzer) [Beckmann] Folie 3 von 60

4 - Wärmübertragung im Dampferzeuger - Folie 4 von 60

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8 - Dampferzeugerbauarten - Folie 8 von 60

9 5.1 Wasserseitige Einteilung der Dampferzeuger Verbrennung und Dampferzeugung (Fernstudium) Wasserrohrkessel (water tube boiler) (H2O in den Rohren; für hohe Drücke geeignet Umlaufkessel (mit Kesseltrommel) Naturumlauf Zwangsumlauf (natural (forced circulation) Großwasserraumkessel (shell boiler) (H2O um die Rohre) Flammrohr-Rauchrohrkessel (p < 30 bar) Lokomotivkessel (p < 20 bar) Durchlaufkessel (once through) für sehr hohe Drücke und Leistungen mit Abscheideflasche (für Restwasser) ohne Druck unterkritisch (Verdampfungsendpunkt wandernd mit Last etc.) überkritisch (p > 221 bar) Folie 9 von 60

10 Großwasserraumkessel Dampfdrücke: bis 32 bar, Leistung bis ca. 20 MW Dampfleistung: bis 28 t/h (ein Flammrohr), 55 t/h (zwei) Folie 10 von 60

11 - Wasserrohrkessel - Folie 11 von 60

12 Prinzip [ Folie 12 von 60

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15 Bauformen Folie 15 von 60

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21 Vor- und Nachteile von Naturumlaufkesseln Vorteile: - selbsttätiges weitgehend selbstregelndes System - eigensicher, d. h. keine Noteinrichtungen erforderlich - keine Umlaufpumpe - einfacher Aufbau - einfache Bedienung - geringe Anforderungen an die Speisewasserqualität - Verschmutzungen sammeln sich in der Trommel und können abgeschlämmt werden - weiter Regelbereich - einfaches Anfahrregime, keine Zusatzeinrichtungen Folie 21 von 60

22 Nachteile: - begrenzt durch Wegfall des Dichteunterschiedes zwischen Wasser und Dampf - Trommel als großes dickwandiges Bauteil nicht für >200 bar baubar - Betriebsdruck bis 190 bar - keine überkritischen Dampfparameter - größere Rohrdimensionen - Verdampfungsanteil pro Umlauf < 30% - konstruktive Einschränkungen (prinzipbedingte Lage der Rohre) - hydraulischer Ausgleich erforderlich (Drosseln) Folie 22 von 60

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25 Gleitender Übergang zwischen Verdampfer und Überhitzer Folie 25 von 60

26 Bensonkessel 1-Feuerung 2-Verdampferrohre 3-Vorwärmer 4-Überhitzer 5-Speisepumpe 6-Dampfaustritt 7-Abgas Folie 26 von 60

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28 Sulzerkessel 1-Feuerung 2-Verdampferrohre 3-Wasserabscheider 4-Nachverdampfer 5-Überhitzer 6-Dampfaustritt 7-Vorwärmung 8-Speisepumpe 9-Abgas Folie 28 von 60

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31 Vor- und Nachteile der Zwangsdurchlaufkessel Vorteile: - hohe Dampfparameter - überkritischer Betrieb möglich - kleine Rohrdurchmesser - freizügige Rohrverlegung - keine Trommel und keine Fallrohre - Verdampfungsanteil bis 100 % Folie 31 von 60

32 Nachteile: - kein selbsttätiges System - nur für sehr hochwertiges Speisewasser - große Speisewasserpumpe erforderlich - eingeschränkt in Teillastfähigkeit - spezielle Einrichtung für das Anfahren erforderlich - komplex in Aufbau und Bedienung - nicht eigensicher (spezielle Notfalleinrichtung erforderlich) Folie 32 von 60

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34 Übliche Positionen der Heizflächen Quelle: EnBW Folie 34 von 60

35 Übliche Positionierung der Heizflächen Heizfläche Bemerkungen Economiser Letzte und am kältesten liegende Kesselheizfläche, daher Speisewasservorwärmer Verdampfer Immer als Brennkammerwand, denn Verdampfungsprozess besitzt höchsten Wärmebedarf und die Brennkammeraustrittstemperatur der Rauchgase soll niedrig liegen Überhitzer 1 Als Wandheizfläche oberhalb des Verdampfers Überhitzer 2 Tragrohre für alle anderen Heizflächen, münden später in die Schottheizfläche. Schott: bestgekühlter Überhitzer, daher direkt nach dem Brennkammerende angeordnet. Überhitzer 3 Vergleichsweise weit hinten im Rauchgasweg angeordnet Überhitzer 4 Endüberhitzer, durch Schottheizfläche geschützt Zwischenüberhitzer 1 Anordnung vor Economiser, nur geringe Grädigkeit zum RG Zwischenüberhitzer 2 Anordnung nach Überhitzer 4, wegen Materialtemperaturen [Beckmann] Folie 35 von 60

36 - Dampferzeuger Bauteile- Folie 36 von 60

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43 Wandverdampfer a c b Durchlaufverdampferausführungen: a) Steigrohr-Fallrohr-Verdampfer mit Unterteilung der unteren Sammler [Beckmann] b) Mäanderband-Verdampfer in vertikaler und horizontaler Anordnung c) Schraubenband-Verdampfer, durchgehend und gestuft, Ausführung der Umfassungswände Folie 43 von 60

44 Ausführungsarten der Wandberohrung gängigster Fall Schamottenausmauerung Mit Mineralwollesteinen und Mineralwolle-Isolierung Gasdicht verschweißte Blechwand mit MineralWolle-Isolierung [Beckmann] Flossen- oder MembranWand mit MineralwolleIsolierung Folie 44 von 60

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46 Überhitzer Unterteilung in: Strahlungsüberhitzer Konvektionsüberhitzer / Berührungsüberhitzer (Unterscheidung nach dominierender Art der Wärmeübertragung) Strahlungsüberhitzer im Bereich nach der Brennkammer oft als sgn. Schottheizflächen ausgeführt breite Rauchgasgassen zwischen wandartigen Rohranordnungen Konvektionsüberhitzer Rohrbündelkonstruktionen mit relativ geringen Teilungen je nach RG-Strömungsgeschwindigkeit. [Beckmann] Versetzte oder fluchtende Rohranordnung Folie 46 von 60

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48 Berührungs- Folie 48 von 60

49 Speisewasservorwärmer (Eco) Rohrbündelheizfläche mit geringster Querteilung, da im niedrigen RG-Temperaturbereich. Oftmals mit Rippen zur Verbesserung des Wärmeübergangs [Beckmann] Folie 49 von 60

50 Heizflächenbündelkonstruktion Erläuterung der Skizze Rohre nebeneinander: =5 Rohre übereinander: =4 Anzahl paralleler Rohre: 2 x 5 = 10 Anzahl Rohre im Bündel: 4 x 5 = 20 Richtwerte Bündelhöhe Bündelabstand <2m 1,5 m RG-Geschwindigkeit (Kohlefeuerung) < 9 m/s Heizflächenbündel sind üblicherweise an senkrecht verlaufenden Tragrohren aufgehangen, welche [Beckmann] dampfgekühlt sind und in die Schottheizfläche münden. Folie 50 von 60

51 Rohrdurchmesser und Durchströmungskennwerte Heizfläche da Durchströmung Economiser 31,8 mm 1,5 2 m/s Zwischenüberhitzer, kälter liegend 31,8 48,3 mm m/s Überhitzer, kälter liegend 38,0 42,4 mm 8 10 m/s Zwischenüberhitzer, heißer liegend 48,3 51,0 mm m/s Überhitzer, heißer liegend 38,0 mm m/s Tragrohrschott 31,8 38,0 mm m/s Verdampfer 33,7 38,0 mm kg/m²s Übliche Außendurchmesser: 26,9 / 31,8 / 33,7 / 38,0 / 42,4 / 48,3 / 51,0 mm [Beckmann] Folie 51 von 60

52 Übliche Aufwärmspannen in Heizflächen Heizfläche Richtwerte für Aufwärmspanne Economiser K Zwischenüberhitzer 1. Stufe K Vorüberhitzer K Zwischenüberhitzer 2. Stufe K Endüberhitzer K Tragrohrschott K [Beckmann] Folie 52 von 60

53 Abschätzungen für k-werte und t Heizfläche k-wert Temperaturdifferenz Economiser W/m²K K Zwischenüberhitzer, kälter liegend W/m²K K Überhitzer, kälter liegend W/m²K K Zwischenüberhitzer, heißer liegend W/m²K K Überhitzer, heißer liegend W/m²K K Tragrohrschott W/m²K K [Beckmann] Folie 53 von 60

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57 Vorschau: Übung Naturumlaufkessel Folie 57 von 60

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