Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schutzelemente von Wirbelschichtkesseln. Die einmalige Durchgangszirkulation von Wirbelschichtkesseln erfordert ein erfinderisches System, um im Falle des Verlustes des normalen Kühlmittelstroms ein Kühlmittel bzw. einen Kühlmittelstrom aufrechtzuerhalten. Eine Bereitschaftspumpe und ein Vorratstank für das Zuführen von Kühlmittel zu dem Abgasvorwärmer eines Kessels ist in der Vergangenheit bereits vorgeschlagen worden. Jedoch stellen der schnelle Druckabfall und der thermische Schock beim Verwenden von Kühlmitteln mit niedriger Temperatur ein Problem insofern dar, als wahrscheinlich daraus wahrscheinlich die Beschädigung der Wärmetauscherrohre und der anhängenden Kornponenten resultiert.

Eine technische Veröffentlichung von Babcock & Wilcox mit dem Titel (in Übersetzung) Das schnelle Wirbelschichtbett - ein echter Mehrfachbrennstoffkessel" von L. Stromberg et al, welche bei der Achten Internationalen Konferenz für Wirbelschichtverbrennung in Houston, Texas, USA, vom 18. bis 21. März 1985 vorgestellt worden war, offenbart den Aufbau und Betrieb eines schnellen Wirbelschichtkessels unter Verwendung einer Umhüllungswand, eines Bettes, eines Überhitzers und eines Abgasvorwärmers bzw. Wärmeaustauschern hierfür.

Das US-Patent Nr. US-A-4,563,267 (J.J. Graham et al) offenbart die Probleme des thermischen Schocks für Dampfgeneratorspulen bzw. Windungen eines Wirbelschichtreaktors, wenn der Reaktor Lastwechseln ausgesetzt wird.

Die technische Publikation von Babcock & Wilcox mit dem Titel "Das atmosphärische Wirbelschichtbett-Verbrennungs-Entwicklungsprogramm von Babcock & Wilcox" (The Babcock & Wilcox Atmospheric Fluidized Bed Combustion Development Program"), von J.W. Smith, welches bei der jährlichen Konferenz 1982 "Southeastern Electric Exhange" in Kissimmee, Florida, USA, vom 21. bis 23. April 1982 vorgestellt wurde, offenbart den Aufbau und Betrieb von atmosphärischen Wirbelschichtverbrennungsanlagen. Gemäß dieser Veröffentlichung befindet sich das Wirbelschichtbett in derartigen Verbrennungsanlagen in einem Temperaturbereich von 816 bis 871ºC (1500 bis 1600ºF).

Wirbelschichtverbrennungsanlagen, die rohrförmige Wärmetauscher an verschiedenen Stellen über den gesamten Strömungsweg des Verbrennungsgases hinweg, ebenso wie an den Hüllwänden bzw. Gehäusewänden der Verbrennungsanlage haben, sind in den US-Patenten Nr. US-A4,542,716 (J. Dreuilhe et al) und US-A-4,614,167 (J. Bergkvist) offenbart.

Die Druckschrift VGB Kraftwerkstechnik, Band 67, Juni 1987, Seiten 556 bis 559, K. Maintok, P. Winklhoter, betrifft ein Notkühlsystem für einen Wirbelschichtkessel. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein System für den Schutz von Elementen bzw. Bauteilen eines Wirbelschichtkessels gegen thermische Fehlanpassung während Übergangsbetriebszuständen vorgesehen, wobei die Komponenten zumindest einen Wärmetauscher aufweisen, der an einem Ende mit einer Kühlmittelzufuhr bzw. einer Kühlmittelzufuhrleitung für die Zufuhr von Kühlmittel, welches erhitzt und unter Druck verdampft werden soll, verbunden ist und an dem entgegengesetzten Ende mit einem Separator bzw. Abscheider verbunden ist, für das Abtrennen flüssigen Kühlmittels von verdampftem Kühlmittel, wobei das System einen Kühlmitteleinspritztank aufweist, der mit der Kühlmittelzufuhrleitung für die Zufuhr von Kühlmüttel zu dem Wärmetauscher verbunden ist,

gekennzeichnet durch eine Ventileinrichtung zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen dem Einspritz- bzw. Injektionstank und der Kühlmittelzufuhrleitung,

einer Heizeinrichtung in dem Einspritztank zum Aufheizen des darin befindlichen Kühlmittels etwa auf die Temperatur der Kühlmittelzufuhr bzw. -einspeisung in den Wärmetauscher, wobei die Ventileinrichtung beim Auftreten eines thermischen Fehlanpassungszustandes in dem Wärmetauscher in Betrieb gesetzt werden kann, und

Druckaufbringeinrichtungen zum unter Druck Setzen des Einspritztankes, um zu bewirken, daß das darin enthaltene Kühlmittel während des thermischen Fehlanpassungszustandes durch den Wärmetauscher fließt.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Schützen von Elementen bzw. Komponenten eines Wirbelschichtkessels gegen thermische Fehlanpassung während Übergangsbetriebszuständen vorgesehen, wobei die Komponenten zumindest einen Wärmetauscher einschließen, der an einem Ende mit einer Kühlmittelzufuhrleitung verbunden ist, welche Kühlmittel zuführt, daß erhitzt und unter Druck verdampft werden soll, und an dem entgegengesetzten Ende mit einem Separator verbunden ist, um flüssiges Kühlmittel von verdampftem Kühlmittel zu trennen, wobei das Verfahren aufweist:

Verbinden eines Einspritztankes mit dem Separator, um den Einspritztank während des Anlaufens bzw. Startens des Wirbelschichtkessels mit erwärmtem, flüssigen Kühlmittel zu füllen, und

Verbinden des Einspritztankes mit der Kühlmittelzufuhrleitung vor dem Wärmetauscher, gekennzeichnet durch Erhitzen des Kühlmittels in dem Einspritztank, um die Temperatur des Kühlmittels in dem Einspritztank etwa auf der Temperatur der Kühlmittelzufuhr bzw. des eingespeisten Kühlmittels in dem Wärmetauscher zu halten, und

unter Druck Setzen des Einsoritztankes, so daß während des Auftretens eines thermischen Fehlanpassungszustandes bewirkt wird, daß das Kühlmittel in dem Einspritztank von dem Einspritztanks zu dem Wärmetauscher strömt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, welche im einzelnen im folgenden beschrieben wird, sieht eine Vorrichtung (ein System) und ein Verfahren für die Zufuhr von Kühlflüssigkeit in das Innere der Wärmeaustauscherrohre eines Wirbelschichtkessels unter Noffallbedingungen vor, um einen schnellen Druckabfall und einen thermischen Schock zu vermeiden. Das bevorzugte System schützt Wärmetauscherrohre eines Wirbelschichtkessels gegen thermische Fehlanpassung während Übergangsbetriebszuständen, wie z.B. beim Anfahren und Herunterfahren. Der Wirbelschichtkessel hat zumindest einen rohrförmigen Wärmetauscher, dem an einem Ende ein Kühlmittel, wie z.B. Speisewasser zugeführt werden soll, das unter Druck erhitzt werden soll. Das entgegengesetzte Ende des rohrförmigen Wärmetauschers ist mit einem Abscheider bzw. Separator verbunden, vorzugsweise in vertikaler Ausrichtung, um die Dampf- Wasser-Mischung, die von dem rohrförmigen Wärmetauscher abgegeben wird, zu trennen. Ein Einspritztank, der eine Zufuhrmenge von Wasser speichert, ist mit dem rohrförmigen Wärmetauscher über Leitungen verbunden, die mit Ventilen ausgerüstet sind, welche die Verbindung zwischen dem Einspritztank und dem rohrförmigen Wärmetauscher öffnen und schließen können. Der Einspritztank kann gefüllt, erwärmt und unter Druck gesetzt werden, während der Wirbelschichtkessel in Betrieb gesetzt wird, wobei Speisewasser aus dem Dampf-Wasser-Separator verwendet wird. Bei höherer Belastung hält ein Heizer, der in dem Einspritztank oder um diesen herum vorgesehen ist, die Temperatur des Speisewassers in dem Tank etwa auf der Temperatur des Speisewassers in dem rohrförmigen Wärmetauscher. Eine Quelle aus unter Druck stehendem Gas hält den notwendigen Druck aufrecht, um zu bewirken, daß das Wasser in dem Einspritztank unter Notfallbedingungen durch den rohrförmigen Wärmetauscher fließt. Wenn eine Notsituation eintritt, die einen Schutz der Wärmeaustauscherrohre durch die normale Speisewasserzufuhr verhindert, wird das bevorzugte Notfallbettkühlungssystem nach einer wählbaren Zeitverzögerung aktiviert, um einen Strom von unter Druck stehendem und vorgeheiztem Speisewasser aus dem Injektionstank in die Wärmetauscherrohre bereitzustellen. Ein thermischer Schock bzw. ein Abschrecken wird vermieden durch Aufrechterhalten der Temperatur des Speisewassers in dem Injektions- bzw. Einspritztank auf etwa der Temperatur des Speisewassers in dem rohrförmigen Wärmetauscher.

Vorteile des bevorzugten Systems schließen die Tatsache ein, daß die Hauptkomponenten des Systems während des Anlaufbetriebs verwendet werden, um die Betriebseigenschaften zu verbessern. Ein thermischer Schock und ein schneller Druckabfall sind viel weniger problematisch für die Kesselkomponenten. Die Fähigkeit des sofortigen Einspritzens unter dem Erfordernis einer hohen Strömungsrate, ebenso wie bei niedrigen Strömungsraten, die später während des Betriebs des Kessels erforderlich sind, werden beide durch das System bereitgestellt. Der Einspritztank kann anfänglich aufgewärmt werden und an die Temperatur und den Druck des Speisewassers des Kessels mit weniger Energieverlust angepaßt werden. Bei hoher Belastung erfordert das Aufrechterhalten der thermischen Bedingungen bzw. Zustände für das Noffallspeisewasser viel geringere Energie und erfordert keine zusätzliche teure Ausrüstung.

Die Erfindung wird jetzt weiter beschrieben anhand eines veranschaulichenden und nicht beschränkenden Beispiels unter Bezug auf die zugehörige Zeichnung, wobei die einzige Figur ein schematisches Blockdiagramm des oben erwähnten bevorzugten Systems ist, welches eine Ausführungsform der Erfindung zum Schutz von Komponenten eines Wirbelschichtkessels darstellt.

Die Figur zeigt ein System, welches die Erfindung zum Schutz eines Wirbelschichtkessels gegen thermische Fehlanpassung während Übergangsbetriebszuständen verwirklicht, wie z.B. beim Anfahren, Herunterfahren und unter Notfallbedingungen. Der Kessel hat zumindest einen rohrförmigen Wärmetauscher, der als eine den Kessel einhüllende Oberfläche 10 und als Verdampfungsfläche 11 dargestellt ist. Ein Steuerventil 12 reguliert die Menge von Speisewasser, die einem Abgasvorwärmer 13 zugeführt wird. Erhitztes Speisewasser, welches von dem Abgasvorwärmer 13 abgegeben wird, wird durch eine Speisewasserleitung 24 für ein weiteres Aufheizen hindurchgeleitet, während es durch die Kesselhüllfläche 10 und die Verdampfungsfläche 11 hindurchläuft. Eine Dampf-Wasser-Mischung, die von der Verdampfungsfläche 11 abgegeben wird, wird durch eine Dampf-Wasser-Leitung 25 zu einem Dampf-Wasser-Separator 6 geleitet. Der Dampf wird aus der Mischung abgetrennt und an einen oder mehrere Überhitzer 18 geleitet. Der überhitzte Dampf wird dann durch eine Dampfleitung 26 zu Zweigleitungen 26A und 26B geleitet, wobei die erstgenannte den Dampf an eine (nicht dargestellte) Dampfturbine leitet und die letztere an der Dampfturbine vorbeiführt und ein Steuerventil 21 aufweist, welches den Dampfstrom während des Anfahrens der Turbine oder des Herunterfahrens reguliert. Die Dampfleitung 26 ist an eine Entlüftungsleitung 27 angeschlossen, die ein Drucksteuerventil 17 aufweist, um den Druckabfall bzw. das Druckablassen und die Verdampfungskühlung des oder der Überhitzer(s) 18 zu regulieren. Ein Ventil 6A ist in der Dampfleitung 26 auf der Ausgabeseite des Dampf-Wasser- Abscheiders 6 angeordnet. Das Ventil 6A kann während des Anfahrens und Herunterfahrens des Wirbelschichtkessels gedrosselt werden, um den Dampfdruck in dem Separator 6 zu erhöhen. Für den Fall, daß das Ventil 17 unwirksam wird, kann das Ventil 6A verwendet werden, um das Druckablassen und das Verdampfungskühlen des bzw. der Überhitzer 18 zu regulieren. Eine Bypass-Leitung 25A verbindet die Dampf-Wasser-Leitung 25 mit der Dampfleitung 26 und weist ein Ventil 6B auf, das reguliert werden kann, um während eines Hochlastbetriebes Dampf um den Separator 6 herum bzw. an diesem vorbeizuleiten und damit den Druckverlust zu reduzieren.

Ein Kondensatleitung 30 verbindet das untere Ende des Separators 6 mit einem (nicht dargestellten) Kondensator und stellt eine Einrichtung für die Abgabe von Speisewasser von dem Separator 6 zu dem Kondensator bereit. Eine Speisewasserfülleitung 29 ist mit der Kondensatleitung 30 verbunden und weist ein Steuerventil 8 auf, das so arbeitet, daß es sicherstellt, daß der Separator 6 die minimale Speisewasserzufuhr erhält, die erforderlich ist, um im Ergebnis eine positive Saughöhe für eine Kesselkreislaufpumpe 9 aufrechtzuerhalten. Das Speisewasserniveau in dem Separator 6 wird über ein Kontrollgerät 42 durch einen Wandler 40 überwacht. Das Kontrollgerät 42 kann mit dem Steuerventil 8 verbunden sein, um erforderlichenfalls dem Separator 6 Speisewasser zuzuführen.

Die Kondensatorleitung 30 schließt Ventile 4 und 5 ein und ist mit einer Zulieferleitung 46 für Einspritzkühlwasser bzw. für Einspritzspeisewasser und einem Speisewassereinspritztank 1 über eine Querverbindungsleitung 32 und eine Tanküberlaufleitung 34 verbunden. Die Leitungen 32 und 34 schließen Ventile 2 bzw. 3 ein. Eine Bypass-Leitung 32A ist in Umgehung des Ventiles 2 vorgesehen und weist ein Rückschlagventil 2A auf, welches einen Kühlwasserstrom zu dem Einspritztank 1 von dem Separator 6 bei jeder Belastung zuläßt und dadurch den Einspritztankdruck bei oder in der Nähe des Druckes des vertikalen Separators hält. Die Ventile 2, 3, 4 und 5 stellen Mittel für das wahlweise Leiten des Stromes von Speisewasser und Kondensat zu und von dem Separator und dem Einspritztank 1 sowie des Stromes von Kondensat von dem Separator 6 zu dem Kondensator (nicht dargestellt) bereit.

Der Einspritztank 1 wird durch Einleiten von unter Druck stehendem Gas, wie z.B. Stickstoff, über eine Gasleitung 45 aktiviert. Der Druck in dem Einspritztank 1 wird durch ein Gassteuerventil 15 reguliert, um zu bewirken, daß das Speisewasser von dem Einspritztank 1 durch die Kesselhüllfläche 10 und die Verdampfungsfläche 11 fließt, wenn ein Steuerventil 14 in der Zulieferleitung 36 für Einspritzspeisewasser aufgrund von Notfallbedingungen geöffnet wird. Ein Heizer 7 ist in dem Einspritztank 1 angeordnet, so daß bei höheren Kessellasten die Temperatur des Speisewassers in dem Einspritztank 1 auf derselben Temperatur oder in etwa auf der Temperatur wie das Speisewasser in der Kesselhüllfläche 10 und der Verdampfungsfläche 11 gehalten wird. Eine Speisewasserfüllpumpe 19 liefert Frischwasser aus einem oder mehreren Vorratstanks (nicht dargestellt) zu dem Einspritztank 1. Ein Ventil 20 ist auf der Abgabeseite der Pumpe 19 angeordnet, um das Frischwasser zu dem Einspritztank 1 zu lassen.

Der Boden des Abscheiders bzw. Separators 6 ist mit einer Kreislaufleitung 28 verbunden, die sich in eine natürliche Kreislaufleitung 28A und eine Einlaßleitung 28B für eine Kesselkreislaufpumpe verzweigt, wobei letztere (Leitung) an die Kesselkreislaufpumpe 9 (Kühlmittel) abgibt, welche durch das elektrische System oder durch einen Bereitschaftsdieselgenerator 16 mit Energie versorgt wird. Die Pumpe 9 ist mit Hilfe einer Abgabeleitung 44, der Zulieferleitung 36 für Einspritzspeisewasser und der Speisewasserleitung 24 mit der Kesselhüllfläche 10 und der Verdampfungsfläche 11 verbunden, um während des Abkühlens des Bettes das Wasser des vertikalen Separators dahindurch zu zirkulieren. Die Leitung 28A weist ein natürliches Zirkulationsventil 22 auf, welches, wenn es geöffnet ist, einen wärmeinduzierten (natürlichen) Kreislauf zwischen dem Separator 6 und der Kesselhüllfläche 10 und der Verdampfungsfläche 11 zuläßt, nachdem die Pumpe 9 ausgeschaltet ist. Eine Leitung 28C weist ein Ventil 9C auf und verbindet die Kondensatorleitung 30 und die Ausgabepumpleitung 44 für den Kesselkreislauf, um eine Anpassung an den minimalen Rezirkulierungsstrom bereitzustellen, der für den Schutz der Pumpe 9 erforderlich ist. Die Ausgabeleitung 44 enthält ein Steuerventil 9A und ein Rückschlagventil 9B, um den Ausstoß der Pumpe 9 zu regulieren. Eine Leitung 46 verbindet die Zulieferleitung 36 für Einspritzspeisewasser mit der Leitung 44 am Ausgabeende der Pumpe 9, um Speisewasser zu zirkulieren, um die Pumpe 9 aufzuwärmen, wenn letztere außer Betrieb ist. Die Leitung 46 enthält ein Steuerventil 9D und ein Rückschlagventil 9E.

Die Kesselhüllfläche 10 weist Wärmetauscherrohre auf, die Seite an Seite angeordnet sind, um eine Umhüllung zu bilden, die das Wirbelschichtbett enthält. Die Verdampfungsfläche 11 weist Bündel von Wärmetauscherrohren auf, die in das Wirbelschichtbett eintauchen. Die Kesselhüllfläche 10 und die Verdampfungsfläche 11 haben einen konventionellen Aufbau, der auf dem Gebiet der Wirbelschichtkessel wohlbekannt ist.

Bei Gebrauch des Systems wird der Einspritztank 1 gefüllt, erwärmt und unter Druck gesetzt während der Wirbelschichtkessel angefahren wird. Die Ventile 2A, 3 und 5 werden geöffnet, um Speisewasser von dem Separator 6 zu dem Einspritztank 1 fließen zu lassen. Das Ventil 4 öffnet sich beim Kaltanfahren, um über das Ventil 5 einen Strom zu dem Kondensator zu ermöglichen, ohne den vertikalen Separator 6 zu fluten. Während des Betriebs der Wirbelschicht bzw. des Wirbelschichtbettes sind die Ventile 2 und 3 normalerweise geschlossen und bei höherer Belastung wird der Heizer 7 in Betrieb gesetzt, um die Speisewassertemperatur in dem Einspritztank 1 im wesentlichen auf der gleichen Temperatur zu halten, wie die Temperatur des Speisewasserstromes durch die Kesselhüllfläche 10 und die Verdampfungsfläche 11. Wenn sich der Speisewasserstrom bei niedriger Belastung oder während Übergangsbetriebszuständen dem minimalen Erfordernis nähert, läuft der Separator 6 trocken. Unter solchen Bedingungen öffnet sich das Steuerventil 8, um dem Separator 6 Speisewasser zuzuführen und damit den erforderlichen, positiven Nettosaughöhendruck für die Kreislaufpumpe 9 aufrechtzuerhalten. Das Steuerventil 8 kann auch bei höherer Belastung geöffnet werden, um das Speisewasser in dem Separator 6 auf dem Niveau zu halten, welches erforderlich ist, um die Kesselkreislaufpumpe 9 bei Bedarf starten zu können.

Das Notkühlsystem des Bettes bzw. der Wirbelschicht wird nach einer wählbaren Zeitverzögerung beim Auftreten von Zuständen aktiviert, welche den Schutz der Kesselhüllfläche 10 und der Verdampfungsfläche 11 durch die normalen Einrichtungen des Speisewasserstromes von dem Abgasvorwärmer 13, der durch das Steuerventil 12 reguliert wird, verhinder, bzw. nicht gewährleisten. Wenn das Notkühlsystem aktiviert wird, wird die Feuerung bzw. Brennstoffzufuhr für die Wirbelschicht gestoppt, das Steuerventil 14 für Einspritzspeisewasser wird geöffnet und das Gassteuerventil 15 reguliert den Gasdruck in dem Einspritztank 1, um bis zu 100 % eines maximalen, kontinuierlich gemessenen Speisewasserstromes für etwa eine Minute, oder bis der Bedarf an Speisewasserkühlung reduziert ist, aufrechtzuerhalten. Wenn die Kreislaufpumpe 9 nicht in Betrieb ist und der Separator 6 nicht das erforderliche Niveau von Speisewasser hat, wird das Ventil 2 geöffnet, um das Speisewasserniveau in dem Separator 6 bereitzustellen, welches ein Starten der Pumpe 9 zuläßt. Sobald die Pumpe 9 in der Lage ist, den gewählten Speisewasserstrom zu der Kesselumhüllung 10 und der Verdampfungsfläche 11 zu liefern, wird der Strom von Speisewasser aus dem Einspritztank 1 durch das Steuerventil 14 unterbrochen. Wenn die Kesselumhüllung 10 und die Verdampfungsfläche 11 auf sichere Temperaturnlveaus abgekühlt sind, kann die Pumpe 9 ausgeschaltet werden und das Ventil 22 für natürliche Zirkulation geöffnet werden.

Im Falle einer völligen Anlagenabschaltung werden die normalen Strömungspfade unterbrochen, was bewirkt, daß das gesamte Wirbelschichtbett isoliert wird. In diesem Zustand öffnet sich das Drucksteuerventil 17, um das Druckablassen und Verdampfungskühlen des (der) Überhitzer(s) 18 zu regulieren. Der Speisewasserverlust während des Verdampfungskühlens der (des) Überhitzer(s) 18 wird durch das Notkühlsystem durch Aktivierung der Kondensatfüllpumpe 19 ersetzt, um dem Einspritztank 1 frisches Speisewasser von einem oder mehreren (nicht dargestellten) Speichertanks zuzuführen. Der Strom von frischem Speisewasser zu dem Einspritztank 1 wird durch das Ventil 20 bereitgestellt.