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Verfahren und Einrichtung für den Anfahr- und Teillastbetrieb von
Zwangdurchlaufkesseln Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung
für den Anfahr- und Teillastbetrieb von Zwangdurchlaufkesseln mit wanderndem Restverdampfungspunkt.
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Zum An- und Abfahren von Zwangdurchlaufkesseln ist es bekannt, das
Kesselsystem durch einen Absperrschieber in zwei hintereinandergeschaltete Heizflächengruppen
aufzuteilen, wobei hinter jeder Heizflächengruppe eine An- bzw. Abfahrleitung angeordnet
ist.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb
von Zwangdurchlaufkesseln sowie die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche
Einrichtung zu schaffen, um einen Zwangdurchlaufkessel im unterkritischen, kritischen
und überkritischen Druckbereich bei konstanter Heißdampftemperatur sowohl anfahren
als auch mit einer Teillast betreiben zu können, die unterhalb von 30 °/o der Nennlast
liegt.
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Zu diesem Zweck wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dem Zwangdurchlauf
aller oder einiger Heizflächen der ersten Gruppe beim Anfahren und im Teillastbetrieb
einen Zwangumlauf durch ein wasserstandfreies Umwälzsystem zu überlagern, wobei
das umgewälzte Arbeitsmittel vor der Umwälzpumpe durch Speisewasser gekühlt wird.
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Mit diesem Vorschlag der Erfindung wird es möglich, Zwangdurchlaufkessel
auch während des Anfahrvorganges und im Teillastbetrieb unterhalb der bisherigen
Mindestlast von etwa 30'% der Nennlast in allen Druckbereichen, d. h. im unterkritischen,
kritischen und überkritischen Druckbereich, mit wanderndem Restverdampfungspunkt
zu betreiben, so daß die gewünschte Heißdampftemperatur stets konstant bleibt.
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Es ist zwar bekannt, bei im unterkritischen Druckbereich betriebenen
Zwangdurchlaufkesseln das Kesselsystem durch einen Abscheider bzw. einen Absperrschieber
in zwei Heizflächengruppen aufzuteilen und im Teillastbetrieb dem Zwangdurchlauf
einiger oder aller Heizflächen der ersten Heizflächengruppe einen Zwangumlauf zu
überlagern, jedoch wird hierbei im Umwälzsystem stets eine Trommel angeordnet, in
der eine Trennung zwischen Wasser und Dampf erfolgt. Außer der Gefahr, daß diese
Trommeln bei höheren Betriebsdrücken infolge ihrer großen Wanddicken bei unterschiedlicher
Beaufschlagung zu Rißbildungen neigen, gestatten sie infolge des zu haltenden Wasserstandes
keinen Betrieb des Dampferzeugers im kritischen oder überkritischen Druckbereich,
da in diesen Bereichen eine Trennung von Wasser und Dampf infolge des gleichen spezifischen
Volumens nicht möglich ist. Darüber hinaus bewirken sie eine lastabhängige überhitzercharakteristik
für die Heißdampftemperatur des Dampferzeugers, da die Abscheidetrommel nur Sattdampf
verlassen kann. Durch das Festhalten des Restverdampfungspunktes im Abscheider wird
somit die erwünschte Konstanthaltung der Heißdampftemperatur bei Teillast unmöglich
gemacht.
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Außer der Möglichkeit, einen Zwangdurchlaufkessel im kritischen und
überkritischen Druckbereich unter Konstanthaltung der Heißdampftemperatur anfahren
und mit geringster Teillast betreiben zu können, vereinfacht und verbessert die
Erfindung somit auch den an sich bekannten Betrieb eines Zwangdurchlaufkessels im
unterkritischen Bereich, indem auch hier der Anfahr- und Teillastbetrieb mit wanderndem
Restverdampfungspunkt durchgeführt werden kann. Ferner bietet die Erfindung, insbesondere
beim Anfahren aus dem warmen Zustand, große Vorteile, weil der Endüberhitzer nicht
mit Wasser gefüllt werden muß und das Anfahrwasser dem Kessel wieder zugeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird vorgeschlagen, die
einzuspritzende Speisewassermenge in Abhängigkeit von der Temperatur des umgewälzten
Arbeitsmittels und dem Druck im Umwälzsystem so zu regeln, daß die Temperatur des
von der Umwälzpumpe geförderten Umlaufwassers unter dem jeweiligen Umwandlungspunkt
bleibt, und zwar vorzugsweise etwa 20° C.
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Für die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, zwischen einem Speisewasserregelventil und dem zwischen den beiden
Heizflächengruppen angeordneten Absperrschieber eine Umlaufleitung anzuordnen, in
die vor einer Umwälzpumpe eine Einspritzleitung mit
einem Regelventil
einmündet, die vor dem Speisewasserregelventil von der Speisewasserleitung abzweigt.
Gemäß einem weiteren Merkmal wird ein Temperaturregler für das Regelventil in der
Einspritzleitung angeordnet, der mit einem vor der Umwälzpumpe in der Umlaufleitung
angeordneten Temperaturfühler und einer Druckmeßstelle verbunden ist. Dieser Grundaufbau
des erfindungsgemäßen Umwälzsystems ermöglicht den Betrieb eines Zwangdurchlaufkessels
in allen Druckbereichen bei Konstanthaltung der Heißdampftemperatur auch beim Anfahr-
und Teillastbetrieb, da der Restverdampfungspunkt bei allen Betriebszuständen auch
in die Heizflächen der ersten Gruppe wandern kann.
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Um eine gute Vermischung des in der Umlaufleitung zurückgeführten
ArbeitWittels mit dem zu seiner Kühlung vor der Umwälzpumpe zugeführten Speisewasser
zu erzielen, wird weiterhin vorgeschlagen, an der Verbindungsstelle der Einspritzleitung
und der Umlaufleitung einen Mischsammler anzuordnen, an den über ein Abfahrventil
eine Abfahrleitung angeschlossen ist. Diese Abfahrleitung kann insbesondere dann
benutzt werden, wenn die Umwälzpumpe einmal ausgefallen sein sollte, so daß der
Zwangdurchlaufkessel nicht über das Teillast- und Anfahrsystem abgefahren werden
kann.
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Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung können der Absperrschieber
und dessen mit einem Regelventil versehene Umgehungsleitung entweder zwischen dem
Verdampfer und dem Vorüberhitzer oder zwischen dem Vorüberhitzer und dem Nachüberhitzer
angeordnet sein. Hinter dem Absperrschieber wird zweckmäßigerweise eine Abscheidevorrichtung
angeordnet, an die eine Entwässerungsleitung mit Absperrventil angeschlossen ist,
durch die beim Anfahrvorgang eventuell in die zweite Heizflächengruppe eintretendes
Wasser bzw. sich abscheidende Wasserreste abgeführt werden können.
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In an sich bekannter Weise wird hinter dem Nachüberhitzer eine Anfahrleitung
mit Anfahrventil angeordnet. Dem Regelventil in der Umgehungsleitung zum Absperrschieber
wird schließlich ein Druckregler zugeordnet.
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In der Zeichnung ist in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt, an dem im folgenden der Aufbau und die Wirkungsweise
der Erfindung erläutert werden soll.
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Die Heizflächen des Zwangdurchlaufkessels, denen das Speisewasser
mittels der Speisewasserpumpe 1 durch die Speisewasserleitung 2 zugeführt wird,
sind mittels eines Absperrschiebers 9 in zwei Gruppen geteilt, von denen die eine
Gruppe den Speisewasservorwärmer 6 und den Verdampfer 7 und die andere Gruppe den
Vorüberhitzer 13 und Nachüberhitzer 14 umfaßt. Hinter dem Nachüberhitzer 14 ist
der Heißdampfschieber 15 angeordnet, vor dem eine Anfahrleitung 16 mit einem
Anfahrventil 17 abzweigt.
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Parallel zum Absperrschieber 9 ist ein Regelventil 10 in einer
Umgehungsleitung 37 angeordnet, das über einen Motor von einem Druckregler
11 verstellt wird, der mit einer Druckmeßstelle 41 verbunden ist, die zusammen mit
einer Blende 33 in der Umgehungsleitung 37 angeordnet ist. Hinter dem Absperrschieber
9 und der Einmündung der Umgehungsleitung 37 ist eine Abscheidevorrichtung 12 angeordnet,
von der eine Leitung 18 mit einem Ventil 19 abzweigt.
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Vor dem Absperrschieber 9 und der Einmündung der Umgehungsleitung
37 ist ein Sammler 8 angeordnet, von dem eine Umlaufleitung 20 abzweigt, die in
der Speisewasserleitung 2 vor dem Speisewasservorwärmer 6 mündet. In dieser Umlaufleitung
20 befindet sich eine Umwälzpumpe 23, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel
mit konstanter Drehzahl laufen soll. Um eine Regelung dieser Umwälzpumpe 23 zu ermöglichen,
ist eine Rücklaufleitung 38 mit einem von einem Regler 29 betätigten Regelventil
24 und einer Blende 36 angeordnet. Hinter der Umwälzpumpe 23 befinden
sich in der Umlaufleitung 20 weiterhin ein von einem Regler 32 betätigtes
Regelventil 25 und eine Blende 34.
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In der Speisewasserleitung 2 sind ebenfalls eine Blende
5 und ein von einem Regler 4 betätigbares Speisewasserregelventil
3 angeordnet. Vor diesem Speisewasserregelventil 3 ist von der Speisewasserleitung
2 eine Einspritzleitung 26 abgezweigt, die in einem Mischsammler 22 in der
Umlaufleitung endet, dem ein Rückschlagventil 21 zugeordnet ist. Auch in dieser
Einspritzleitung 26 befindet sich eine Blende 35 und ein Regelventil
27, das von einem Regler 28
betätigt wird, der mit einer Druckmeßstelle
40 in der Umlaufleitung 20 und mit einem Temperaturfühler 39 vor der
Umwälzpumpe 23 verbunden ist. Vom Mischsammler 22 zweigt eine Abfahrleitung 30 ab,
die mit einem Abfahrventil 31 versehen ist.
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Während des normalen Betriebes des Zwangdurchlaufkessels sind der
Absperrschieber 9 und der Heißdampfschieber 15 geöffnet und das Speisewasserregelventil
3 wird der gewünschten Heißdampftemperatur und Dampfmenge entsprechend eingestellt.
Die Ventile 10,19,17, 25, 27 und 31 sind dagegen geschlossen und die Umwälzpumpe
23 abgestellt, so daß das Umwälzsystem ausgeschaltet ist. In diesem Zustand kann
der Zwangdurchlaufkessel bis herab zu einer Teillast von etwa 30 % der Nennlast
betrieben werden.
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Bei einem Teillastbetrieb unterhalb von 30 % Nennlast werden die Kesselheizflächen
6, 7,13 und 14 durch Schließen des Absperrschiebers 9 in die beiden Heizflächengruppen
6,7 und 13,14 aufgeteilt und die Umwälzpumpe 23 eingeschaltet. Aus der ersten
Heizflächengruppe 6, 7 strömt der Dampf durch die Umgehungsleitung 37 über das Regelventil
10 in die zweite Heizflächengruppe 13,14 und durch den geöffneten Heißdampfschieber
15 zu den Dampfverbrauchern. Die Menge des durch das Regelventil 10 strömenden Dampfes
wird von dem Regler 11 so eingeregelt, daß der mit der Druckmeßstelle
41 gemessene Vordruck, also der Druck in der ersten Heizflächengruppe 6,
7, konstant bleibt. Damit diese Druckhaltung nicht aus ihrem Regelbereich kommt,
muß der Druck in der ersten Heizflächengruppe 6, 7
höher sein als in der zweiten
Heizflächengruppe 13,14.
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Der nicht in die zweite Heizflächengruppe 13,14
abströmende
Dampf strömt über die Umlaufleitung 20 durch das Rückschlagventil
21 in den Mischsammler 22. In diesen fließt auch aus der Speisewasserleitung
2 durch die Einspritzleitung 26 mit dem Regelventil 27 so viel Einspritzwasser,
daß das aus der Umlaufleitung 20 in den Mischsammler 22
eintretende
Arbeitsmittel unter den Umwandlungspunkt gekühlt wird und der Umwälzpumpe 23 nur
Wasser zufließt. Die Umwälzpumpe 23 drückt das Wasser durch das Regelventil 25 und
die Blende 34 hinter der Blende 5 in die Speisewasserleitung 2, so daß es zur Aufrechterhaltung
der Stabilität in der
ersten Heizflächengruppe der der niedrigen
Teillast entsprechenden Speisewassermenge überlagert wird. Die dem Zwangdurchlaufkessel
durch die mit dem Speisewasserregelventil 3 und der Blende 5 versehene Speisewasserleitung
2 und durch die Einspritzleitung 26 zugeführte Speisewassermenge entspricht der
über das Regelventil 10 abströmenden Dampfmenge, da die Summe der eingespeisten
Wassermengen der aus dem Dampferzeuger abströmenden Dampfmenge entsprechen muß.
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Da andererseits die kleinste Last, die mit einem Zwangdurchlaufkessel
gefahren werden kann, bekanntlich durch die Strömungs- und Wärme-übertragungsverhältnisse
im Verdampfer 7 bestimmt ist und in allen Druckbereichen etwa 3011/o der Nennlast
nicht unterschritten werden dürfen, wird das überlagerte Zwangumlaufsystem so eingeregelt,
daß die Summe aus dem eingespeisten und dem umgewälzten Kühlmittel einen konstanten
Kleinstwert nicht unterschreitet. Dieser Wert kann aber allein durch das Zwangumlaufsystem
eingehalten werden, so daß der Zwangdurchlaufkessel auch über das Zwangumlaufsystem
angefahren werden kann.
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An dem Ausführungsbeispiel wird ferner die Ausbildung einer Regelung
gezeigt, die einen vollautomatischen Betrieb des Zwangdurchlaufkessels bei Teillast
und beim Anfahren ermöglicht. Die Regelung besteht aus mehreren getrennten Regelkreisen,
denen folgende Aufgaben zufallen: Das von dem Druckregler 11 gesteuerte Regelventil
10 hält den Druck in der ersten Heizflächengruppe 6,7 und im Zwangumlaufsystem
auf dem am Druckregler 11 eingestellten Sollwert. Der Druckregler 11 wird durch
Druckimpulse beeinflußt, die der Umgehungsleitung 37 vor dem Regelventil 10 mittels
der Druckmeßstelle 41 entnommen werden.
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Das Regelventil 27 in der Einspritzleitung 26 wird von dem Regler
28 so gesteuert, daß dem Mischsammler 22 durch die Einspritzleitung 26 so viel Wasser
zuströmt, daß das aus dem Mischsammler 22 austretende und der Umwälzpumpe 23 zufließende
Wasser stets etwa 20° C unter dem Umwandlungspunkt bleibt. Zu diesem Zweck ist dem
Regler 28 ein Temperaturimpuls aufgeschaltet, der von einem in die Umlaufleitung
20 vor der Umwälzpumpe 23 eingebauten Temperaturfühler 39 abgegeben wird. Da der
Druck durch Verstellung des Sollwertes am Druckregler 11 verändert werden kann,
ist der Regler 28 zusätzlich noch von Druckimpulsen abhängig, die der Umlaufleitung
20 hinter dem Rückschlagventil 21 an der Druckmeßstelle 40 entnommen werden und
den Sollwert des Reglers 28 verstellen.
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Die in die Heizflächengruppe 6,7 zurückströmende Umlaufwassermenge
wird durch das Regelventil 25
so geregelt, daß diese zusammen mit der über
das Speisewasserregelventil 3 einströmenden Speisewassermenge die erforderliche
Kühlmittelmenge für die Heizflächengruppe 6,7 ergibt. Die Steuerung des Regelventils
25 erfolgt durch den Regler 32, der seine Impulse von den den Ventilen 3
und 25 nachgeschalteten Meßblenden 5 und 34 erhält.
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Der Regler 29 hat die Aufgabe, das Regelventil 24
in
der Rücklaufleitung 38 der Umwälzpumpe 23 so zu steuern, daß die von der ungeregelten
Pumpe 23 umgewälzte Wassermenge stets konstant bleibt. Zu diesem Zweck wird der
Regler 29 von Impulsen beaufschlagt, die von den Wassermengen gegeben werden, die
die Meßblenden 34 und 36 durchströmen. Im folgenden soll die Wirkungsweise an Hand
eines Zahlenbeispieles erläutert werden: Soll der beispielsweise für eine Last von
360 t pro Stunde ausgelegte Zwangdurchlaufkessel auf Teillast, beispielsweise auf
120 t pro Stunde umgestellt, Heißdampftemperatur und -druck jedoch konstant gehalten
werden, so werden die Einrichtungen des Umwälzsystems in Betrieb genommen und die
Last auf 120 t pro Stunde abgesenkt. Danach wird der Absperrschieber 9 geschlossen.
Der in der Heizflächengruppe 6, 7 entstehende Dampf strömt nun über die Umgehungsleitung
37 durch das Regelventil 10, das durch den Regler 11 in Abhängigkeit
vom Dampfdruck gesteuert wird, in die Heizflächengruppe 13,14 und über den Heißdampfschieber
15 zum Verbraucher.
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Die mit der Blende 33 gemessene Dampfmenge wird zusammen mit der durch
die Blende 35 gemessenen Einspritzwassermenge auf den Regler 4 für das Speisewasser
übertragen. Da die Einspritzwassermenge Null ist, wird die Speisewassermenge auf
120 t pro Stunde, der Dampfmenge entsprechend, eingestellt.
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Die Kühlmittelmenge von 120 t pro Stunde soll als Mindestmenge für
die Heizflächengruppe 6,7 während des Teillastbetriebes konstant gehalten
werden. Dieser Wert ist dem Regler 32 als Summe aus Speisewasser (gemessen mit der
Blende 5) und Umwälzwasser (gemessen mit der Blende 34) aufgeschaltet. Da die Speisewassermenge
120 t pro Stunde beträgt, ist die Umwälzwassermenge Null und das Ventil 25 geschlossen.
Die Umwälzpumpe 23 fördert bei geschlossenem Ventil 25 die als Mindestmenge festgelegte
Umwälzwassermenge von 120 t pro Stunde im geschlossenen Kreislauf über die Pumpenrücklaufleitung
38.
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Wird dem Zwangdurchlaufkessel, dessen Zwangumlaufsystem in der beschriebenen
Weise nach der Umschaltung auf Teillast im Gleichgewicht war, durch eine Verstellung
des Sollwertes am Regler 4 zusammen mit einer entsprechenden Verstellung der Beheizung
eine kleinere Last, beispielsweise 110 t pro Stunde vorgegeben, so strömt über das
Regelventil 10
eine Dampfmenge von 110 t pro Stunde in die Heizflächengruppe
13,14 und über die Umlaufleitung 20 eine Arbeitsmittelmenge von 10 t pro Stunde
in den Mischsammler 22. Infolge des Temperaturanstieges in der Umlaufleitung 20
wird entsprechend den Impulsen des Temperaturfühlers 39 durch den Regler 28 das
Regelventil 27 geöffnet, so daß dem Mischsammler 22 über die Einspritzleitung 26
etwa 10 t pro Stunde Einspritzwasser zufließen, die den aus der Umlaufleitung
20 in den Mischsammler 22 eintretenden Dampf in Wasser verwandeln,
dessen Temperatur etwa 20° C unter dem Umwandlungspunkt, d. h. bei unterkritischem
Betrieb unter Sattdampftemperatur, liegt.
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In Abhängigkeit von der in der Meßblende 33 gemessenen Dampfmenge
und der in der Meßblende 35 gemessenen Einspritzwassermenge stellt der Regler 4
das Speisewasserregelventil3 auf eine Speisewassermenge von 100 t pro Stunde ein.
Das von dem Regler 32 in Abhängigkeit von den Meßblenden 5 und 34 gesteuerte Regelventil
25 läßt 20 t pro Stunde des Umlaufwassers in die Heizflächengruppe
6,7 einströmen, so daß diese insgesamt von 120 t Kühlmittel pro Stunde durchströmt
wird. Das über den Regler 29 in Abhängigkeit von den Meßblenden 34 und 36 gesteuerte
Ventil
24 drosselt die der Umwälzpumpe 23
wieder zuzuführende Rücklaufwassermenge
von 120 t pro Stunde auf 100 t pro Stunde.
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In dieser Weise kann die Teillast weiter abgesenkt werden, wobei stets
eine Kühlmittelmenge von 120 t pro Stunde die erste Heizflächengruppe
6,7 durchströmt. Die unterste Grenze der Teillast ist erreicht, wenn die
direkt eingespeiste Speisewassermenge Null wird und alles eingespeiste Wasser zum
Kühlen des umlaufenden Dampfes gebraucht wird.
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Soll die Temperatur am Ende der ersten Heizflächengruppe in irgendeinem
Betriebszustand erhöht werden, so braucht nur die zugeführte Wärmemenge wie beim
normalen Zwangdurchlaufkessel vergrößert zu werden. Der Restverdampfungspunkt wandert
dann entsprechend weiter in die vorgeschalteten Verdampferheizflächen zurück.
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Beim Anfahren kann es vorkommen, daß aus dem Sammler 8 noch
Wasser in die zweite Heizflächengruppe 13,14 eintritt. Dieses verdampft zwar
infolge der Druckabsenkung im allgemeinen sofort. Sicherheitshalber ist aber der
zweiten Heizflächengruppe 13,14 ein Wasserabscheider 12 vorgeschaltet,
von dem etwa sich abscheidende Wasserreste über eine Leitung 18 mit dem Ventil
19 abgeführt werden. Diese Leitung 18 mit dem Ventil 19 kann
als zweite Anfahrleitung benutzt werden. Die Leitung 16 mit dem Ventil 17 ist die
übliche Anfahrleitung.
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Wenn der Zwangdurchlaufkessel auch normalerweise über das Teillast-
und Anfahrsystem abgefahren wird, um Speisewasser zu sparen, so bietet die Abfahrleitung
30 mit dem Abfahrventil 31 noch eine weitere Abfahrmöglichkeit, die besonders dann
von Vorteil ist, wenn die Umwälzpumpe 23 einmal ausfallen sollte.
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Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise
kann auch der Absperrschieber 9 zwischen dem Vorüberhitzer 13 und
dem Nachüberhitzer 14 angeordnet sein.