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Verfahren zum Regeln der Speisewasserzufuhr für Dampfkessel mittels
des hydraulischen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln -der Speisewasserzufuhr
für Dampfkessel sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung, die einfach, zuverlässig
und wirtschaftlich ist und es in vorzüglicher Weise ermöglicht, diese Regelung so
vorzunehmen, daß der Wasserstand im Kessel mit der Kesselleistung steigt und fällt.
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Bei dem neuen Verfahren wird insbesondere von .der .bekannten Tatsache
ausgegangen, daß der Wasserstand in der Kesseltrommel nicht nur von der Menge des
Wassers im Kessel, sondern auch von der in den Kesselrohren erzeugten Dampfmenge
abhängt, also bei Änderungen der Kesselleistung stark schwankt, weil bei plötzlich
abnehmender Kesselleistung der Dampf in den Rohren zusammengedrückt, bei plötzlicher
Zunahme der Leistung jedoch Dampf gebildet wird.
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Die üblichen Wasserstandsregler, die beispielsweise aus einem Schwimmer
bestehen, der bei Sinken des Wasserstandes ein Ventil in der Speisewasserleitung
öffnet und bei steigendem Wasserstande schließt, berücksichtigen diese Tatsache
nicht, sondern bewirken eine Regelung, bei welcher der Wasserstand im umgekehrten
Verhältnis zu dem 1laß der Dampfentwicklung steht. Diese Anordnung ist aber unstetig
und recht unsicher. Das Zusammendrücken des Dampfes in den Rohren bei noch zunächst
hoher Belastung und plötzlich abnehmender Leistung führt eine entsprechende Senkung
des Wasserstandes herbei. Hierdurch wird infolge der Wirkung des Reglers das Speisewasserventil
weiter geöffnet und es strömt zusätzliches Kaltwasser ein, welches wiederum eine
noch weitere Zusammendrückung des Dampfes bewirkt und so den Wasserstand noch weiter
senkt. Hierdurch ergibt sich in hohem Maße die Gefahr eines Ausbrennens der Kesselrohre
infolge zu niedrigen Wasserstandes. Umgekehrt verursacht die.bei an sich geringer
Belastung und hohem Wasserstand bei plötzlicher Zunahme der Belastung eintretende
Dampfbildung in den Rohren eine Erhöhung des Wasserstandes, die sich unter .der
Einwirkung des Reglers im Sinne einer Verringerung der Speisewasserzufuhr auswirkt
und damit wieder eine weitere Dampferzeugung innerhalb der Rohre und eine für die
Dampfverbraucher gefährliche Erhöhung des Wasserstandes zur Folge hat.
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Besonders gefährlich sind diese Erscheinungen bzw. die Auswirkung
der bekannten Regelvorrichtungen bei Kesseln von geringem
Fassungsvermögen,
wie sie für moderne Schrielldampferzeuger in Frage kommen.
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Man kennt weiterhin Wasserstandsanzeiger, bei welchen auf das Regelglied
der hydraulische Druckunterschied zweier unter Kesseldruck stehender Wassersäulen
wirkt. Dew; Speisewasserzufuhr kann dabei derart erfolgen, daß der hydraulische
Druckunterschied zwischen einer Wassersäule von gleichbleibender Höhe und einer
mit der Kesselbelastung veränderlichen Wassersäule inz wesentlichen gleichbleibend
gehalten wird. Die mit der Wasserseite :des Kessels verbundene des Wasserstandsrohres
ist also hier nicht unmittelbar in den Fallstrom des Wasserumlaufes .des Kessels
einbezogen. Änderungen des Dampfblasengehaltes wirken sich infolgedessen auf die
veränderliche Wassersäule
in dem Maße aus, wie es die Erfindung bezweckt.
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Die Erfindung besteht demgegenüber darin, daß die Höhe der veränderlichen
Wassersäule durch den Dampfblasengehalt des kesselwassers bestimmt wird, indem diese
Wassersäule mit in den Fallstrom des Kesselwasserumlaufes einbezogen wird.
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Auf diese Weise wird der durch die Belastungsschwankungen beeinflußte
Gehalt des Kesselwassers an Dampfblasen, d. h. das spezifische Gewicht des mehr
oder weniger von Dampfblasen durchsetzten Kesselwassers und der sich dadurch ergebende
Druckunterschied im oberen und unteren Teil des Kessels für die Speisewasserregelung
ausgenutzt. Der Wasserumlauf im Kessel bewirkt also bei zunehmender Dampfbildung
einen zunehmenden Umlauf in der ,den Regler beeinflussenden Steuerleitung. Da die
gesteigerte Kesselbelastung eine erhöhte Dampfblasenbildung im Kessel herbeiführt,
vermindert sich der Druck in der unteren Trommel, und die Speisewasserzufuhr wird
mittels :des Reglers sofort geöffnet.
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In der Endwirkung wird .mithin bei dem neuen Verfahren das Speisewasser
jederzeit in solcher Menge zugeführt, daß der Wasserstand im Kessel in gleichem
Verhältnis mit der verdampften Wassermenge steigt und fällt.
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In Abb. r ist ein Ausführungsbeispiel der zur Durchführung des neuen
Verfahrens dienernden Regelvorrichtung dargestellt, in Abb. z in Diagrammform der
Verlauf der Änderungen .des Wasserstandes im Vergleich zur Kesselleistung bei Anwendung
des neuen Regelverfahrens.
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Der in Abb. r dargestellte Wasserrohrkessel z arbeitet in einem geschlossenen
Kreislauf. Er besitzt eine . @rt@-c , el a und eine Scblammtromine .'e Das 3pewasser
wird der Trommel 2 urch d, zuge-
führt, in welchem das durch den Regier zu steuernde Speiseventil s liegt. Der Dampf
wird in dem in der Abbildung links gelegenen geneigten Teil des Kessels durch Zufuhr
von Wärme erzeugt. Die entstehenden Dampfbewegen 3` v aeund verringern auf diese
Weise das spei frsche Gewicht der Dampfwassersäule auf der linken Seite des Kessels,
wogegen das spezifische Gewicht der von Dampfblasen nicht durchsetzten Wassersäule
auf der rechten Seite des Kessels unverändert bleibt. Je mehr Dampf erzeugt wird,
um so geringer ist das Gewicht des Gemisches von Wasser- und Dampfblasen auf der
linken Seite und um so mehr erhöht sich demzufolge die Geschwindigkeit, mit welcher
das von Dampfblasen freie Wasser auf der rechten Kesselseite nach unten strömt.
Hierdurch ergibt sich eine Verringerung des Druckes am Boden des Kessels und damit
des Druckes in der Schlammtrommel 3. Mit steigender Dampferzeugung in dem beheizten
Teil des Kessels vergrößert sich hier die Hubwirkung wegen der Verringerung des
Gesamtgewichtes von Dampf und Wasser auf dieser Seite, bzw. es werden Auftriebsströme
erzeugt, welche das Wasser mit den Dampfblasen heben. Unter :der gemeinsamen Wirkung
dieser beiden Erscheinungen, also sowohl der Auftriebsströme aus Dampfblasen und
Wasser als auch des verringerten spezifischen Gewichtes indem Teil des geschlossenen
Kreislaufs, in welchem sich das Dampf-Wasser-Gemisch nach oben bewegt, ergibt sich
eine Steigerung des Wasserumlaufes und gleichzeitig auch der erzeugten Dampfmenge.
Außerdem erfolgt infolge des Vorhandenseins der Dampfblasen im Wasser eine erhebliche
Ausdehnung des Wassers und damit eine Erhöhung des Wasserstandes in der oberen Kesseltrommel.
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Diese Erscheinungen werden erfindungsgemäß ausgenutzt, um unter dem
Einfluß des Absinkens des Druckes am Boden des Kessels den erhöhten Wasserstand
in der Kesseltromniel auszugleichen und damit die Gewichtsmenge an Wasser im Kessel
gleichbleibend zu halten.
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Die Regelvorrichtung, welche das S.peisecvasserventil 5 steuert, besteht
aus einem Gehäuse 6 mit zwei Kammern 7 und S, welche teilweise mit Quecksilber gefüllt
sind und unterhalb des Quecksilberspiegels miteinander in Verbindung stehen. Die
Räume oberhalb des Quecksilbers stehen in der nachstehend beschriebenen Weise mit
dem Kessel in Verbindung und sind während des Betriebes finit Wasser aus dem Kessel
gefüllt. Von der einen dieser Kammern S führt ein biegsames Rohr 9
zu einer
kleinen Kammer zo, in welcher infolge -des Niederschlages des Dampfes ein
gleichbleibender
Wasserspiegel aufrechterhalten wird. Der Dampf tritt in diese Kammer aus dem oberen
Ende des Wasserstandes i i durch ein Rohr 12 ein. Der Druck in der Kammer 8 ändert
sich somit in unmittelbarem Verhältnis zu den Kesseldruckänderungen. Die Kammer
7 steht durch das biegsame Rohr i3 mit zwei Leitungen 14. und 15 in Verbindung,
von denen die erstere nach dem oberen Ende des Wasserstandes i i und die letztere
nach der Schlammtrommel 3 führt. Die Wasserströmung von :der Trommel 2 nach der
Schlammtrommel 3 wird geregelt durch von Hand einstellbare Ventile 16 und 17 in
den Rohren 14 und 15. Da sich die Wasserströmung durch die Rohre 14 und 15 im Nebenschluß
zu einem Teil des Wasserumlaufes im Kessel befindet, nimmt sie zu und ab, je nachdem
ob die Kesselleistung zu- oder abnimmt, und ihre Änderungsweise bei jeder Kesselleistung
hängt ab von der Einstellung der Ventile 16 und 17. Der Druck in der Kammer 7 hängt
ab von der Wasserströmung in den Rohren 14. und 15, vom Wasserstand in der Trommel
2 und vom Dampfdruck. Der Druckunterschied zwischen den Kammern 7 und 8 hängt daher
von den Unterschieden der Wasserstände in der Kammer io und in der Trommele und
auch von der Wasserströmung in den Rohren 14. und 15 ab.
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Die nunmehr zu beschreibende Einrichtung bewirkt die Steuerung des
Speiseventils 5 im Einklang mit .den Änderungen dieses Druckunterschiedes, um ihn
gleichbleibend zu halten. Die Einrichtung, durch die diese Steuerung bewirkt wird,
ist unwesentlich, denn sie könnte auch .durch eine andere ersetzt werden.
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Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Gehäuse 6 auf einer
Schneide 18 gelagert, und sein linkes Ende .ist durch einen Stab i9 und eine Feder
2o mit einem beweglichen Hebelarm 21 verbunden. Der Hebel 21 ist bei 2-2 angelenkt
und trägt ein verstellbares Gewicht 23, ,das der Kraft, mit der das Gehäuse 6 auf
den Hebel wirkt, entgegenwirkt. Die Bewegung des Hebels 21 dient zur Steuerung des
Ventils 5 in dem Zuführungsrohr für das Speisewasser. Um die Bewegung des Ventils
5 zu erzeugen, ist ein Drosselventil 24 mit dem Hebel 21 verbunden. Die Lage desselben
regelt den Druck eines Druckmittels in einer Kammer 25 unterhalb eines Kraftkolbens
26. Der Kolben 26 trägt eine Stange 27, an deren oberem Ende eine Flüssigkeitsbremse
28 vorgesehen ist. Der Kolben 29 dieser Bremse ist mit dem Hebel 21 verbunden. Ein
Druckmittel wird durch ein Rohr 3o und eine verengte Öffnung 3i der Kammer 25 zugeführt
und entweicht aus dieser über das Drosselventil 24 in das Rohr 32. An der Kolbenstange
27 ist ein Hebel 33 angelenkt, der um einen festen Drehpunkt 34. schwenkbar ist.
Das andere Ende des Hebels 33 wirkt mittels geeigneter Lenker 35 und 36 auf das
Ventil 5 während der senkrechten Bewegung des Kolbens 26. Die Anordnung der Flüssigkeitsbremse
und des Kolbens ist derart, daß sie der Bewegung des Hebels 21 einen zeitweiligen
Widerstand entgegensetzen und somit die Änderung vorwegnehmen, die durch die Bewegung
des Ventils 5 herbeiführt wird.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende Bei fehlender Belastung
ist keine Strömung in den Rohren 14 und 15 vorhanden, und demgemäß hängt der Druckunterschied
zwischen den Kammern 7 und 8 im wesentlichen völlig von dem Wasserstand in der Kesseltrommel
2 ab und ändert sich umgekehrt zu diesem. Wenn das Maß .der Dampfentwicklung zunimmt,
tritt eine verstärkte Wasserströmung in den Rohren 1,4 und 15 ein und veranlaßt
ein Sinken des Druckes in der Kammer 7 infolge des Druckabfalles des über das Ventil
16 strömenden Wassers. Da der Regler einen gleichbleibenden Druckunterschied zwischen
den Kammern 7 und 8 aufrechterhält, folgt, daß, wenn sich dieser Druckunterschied
umgekehrt zum Wasserstand in der Kesseltrommel und in unmittelbarem Verhältnis zur
Wasserströmung in den Rohren 14 und 15 ändert, der Wasserstand im Kessel 2 steigen
muß, um die Wirkung der bei zunehmender Kesselleistung zunehmenden Wasserströmung
in den Rohren 14 und 15 auszugleichen. Bei hoher Kesselleistung herrscht daher derselbe
Druckunterschied zwischen den Kammern 7 und 8 wie bei geringer Kesselleistung, aber
der Druckunterschied bei hoher Kesselleistung ist eine Folge eines hohen Wasserstandes
und eines großen Druckabfalles infolge .der Strömung, und bei geringer Kesselleistung
ist dieser Druckunterschied eine Folge eines niedrigen Wasserstandes und eines kleinen
Druckabfalles bei der Strömung. Bei hohen Belastungen und einem hohen Wasserstande
veranlaßt eine plötzliche Abnahme in der Kesselleistung das Zusammendrücken eines
Teiles des Dampfes in den Kesselrohren und demgemäß ein Sinken des Wasserstandes
im Kessel, also in gleicher Weise eine Abnahme der Wasserströmung in den Rohren
14 und 15. Wenn der Druckabfall in der Kammer 7 infolge der Senkung des Wasserstandes
genau ausgeglichen wird durch .die Druckabnahme infolge der verringerten Wasserströmung,
bleibt der Regler unbeeinfiußt und das Ventil 5 in seiner früheren Stellung. Wenn
die Belastung auf ihrem neuen Wert erhalten
wird, hat das geringere
Maß der Dampfentwicklungdas Bestreben, den Wasserstand allmählich zu erhöhen; aber
diese Erhöhung wird sofort als ein Druckunterschied am Regler fühlbar, veranlaßt
ein Überströmen von Quecksilber aus der Kammer 7 nach der Kammer 8 und somit ein
Kippen des Gehäuses im -Sinne des Uhrzeigers und eine nach aufwärts gerichtete Krafteinwirkung
auf das linke Ende des Hebels 2i, womit eine Verringerung des Druckes in der Kammer
25 infolge der teilweisen Öffnung des Druckmittelauslasses durch das Drosselventil
verbunden ist. Eine Druckabnahme in :der Kammer 25 senkt den Kolben 26 und bewirkt
dadurch ein teilweises Schließen des Ventils 5 und somit eine Verringerung der Speisewasserzufuhr
im Verhältnis zur verringerten Dampfentwicklung.
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Obwohl die Kammern 7 und 8 in unmittelbarer Verbindung mit den Rohren
13 und 9 beschrieben sind, werden doch vorzugsweise Rückschlagventile,wie dargestellt,
verwendet, um jede Möglichkeit zu verhindern, daß Quecksilber unter übermäßigem
Druck in die Rohre 13 und 9 eintritt. Diese Rohre werden nämlich vorzugsweise aus
Stahl hergestellt und würden vom Quecksilber angegriffen werden.
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Die Kurven nach Abb. 2 zeigen die Änderung des Wasserstandes im Verhältnis
zur Kesselleistung. Sie sind konvex nach aufwärts gerichtet, wie es für eine stabile
Regelung wünschenswert ist. Die Steilheit dieser Kurven kann beliebig mittels .der
Ventile 16 und 17 nach Abb. i geregelt werden, wobei ein Öffnen des Ventils 16 und
ein Schließen des Ventils 17 zu einer Verringerung der Kurvensteilheit führt. Die
bevorzugte Einstellung dieser Ventile hängt von dem Fassungsvermögen :der Wassertrommel
des betreffenden zu regelnden Kessels ab, wobei ein größeres Fassungsvermögen eine
weite Änderung im Wasserstande und demgemäß eine steilere Kurve gestattet, während
umgekehrt ein kleines Fassungsvermögen eine kleine Änderung im Wasserstande oder
eine flachere Kurve erfordert. Das Gewicht 23 nach Abb. i beeinflußt die Steilheit
der Kurve nach Abb.2 nicht, sondern ändert die Beziehung zwischen dem Wasserstand
und der Kesselleistung, d. h. wenn die Kurve A der Einstellung des Gewichtes 23
in der dargestellten Zage entspricht, dann ergibt eine Verstellung des Gewichtes
23 näher an den Gelenkpunkt 22 heran die Kurve B nach Abb.2, während eine Verstellung
des Gewichtes 23 vom Gelenkpunkt 22 weg eine Kurve C ergeben würde.
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Die dargestellte Ausführungsform des Reglers ist nur als ein Beispiel
aufzufassen, und zwar ein bevorzugtes insofern, als der Druckunterschied zwischen
der Wassertrommel und der Schlammtrommel dazu verwendet wird, um die Wirkungsweise
eines den Wasserstand gleichhaltenden Reglers sicherzustellen. Dieser Unterschied
ergibt, wenn er, wie oben beschrieben, richtig eingestellt wird, eine geeignet geformte
Kurve für die Zunahme des Wasserstandes im Einklang mit der Kesselleistung und kann
derselben Art von Kurve folgen, wie es der natürliche Wasserstand tut, der aus der
Änderung in der Dampfbildung innerhalb der Kesselrohre folgt.
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Wenn der oben beschriebene Regler so eingestellt wird, daß er den
Wasserstand in einer Weise ändert, daß er den genauen Weiten der oben beschriebenen
natürlichen Schwankungen folgt, wird ein gleichbleibendes Wassergewicht im Kessel
bei allen Belastungen erreicht.