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Einrichtung zur Erhöhung der Speicherfähigkeit von
Zwangsdurchlaufkesseln
Die Speicherung der Energie in Zwangsdurchlaufkesseln kann wie in jedem Dampf-Energiespeicher, der zur Abgabe seiner Energie mit einem Gefälle arbeitet, auch nur durch Minderung des Druckes im Inneren der Überhitzer-und Verdampferheizflächen ausgelöst und durch die Steigerung des Druckes wieder hineingeladen werden. Allen Naturumlaufkesseln mit Abscheidetrommel (Sulzerkesseln) und Zwangsdurch- laufkesseln mit vergrösserter Abscheidetrommel, die überhitzten Dampf erzeugen, ist gemein, dass bei der Druckänderung zunächst der Überhitzer seinen Anteil an der gespeicherten Energie liefert bzw. aufnimmt, so dass dieser für eine vergleichsweise Betrachtung ausfällt.
In Naturumlaufkesseln nimmt beim Absenken des Dampfdruckes der Inhalt des gesamten wasser- und dampfführenden Umlaufteiles sowie der Trommelinhalt teil. Es besteht somit für die Fallrohre (auch bei unbeheizten) die Möglichkeit, dass in. diesen, durch die Dampfblasenbildung infolge der Druckabsenkung, soviel Auftrieb erzeugt wird, dass der abwärts gerichtete Umlauf zum Stillstand kommt und die Wasserzufuhr zu den beheizten Steigrohren gefährdet wird. Die Bildung dieser Dampfblasen in den Fallrohren darf also nur eingeschränkt erfolgen. Aus diesem Grund darf die Druckabsenkungsgeschwindigkeit ein gewisses Mass (etwa 4 at/min) nicht überschreiten. Die Speicherung der Wärmeenergie liegt beim Naturumlaufkessel auch zum Teil in vom Wasser berührten Stahl der Heizflächen und der Trommel, soweit sie Wasser von oder nahezu Sattdampftemperatur enthalten.
Der Anteil des Stahles von etwa 20 bis 30%ist jedoch gering im Verhältnis zum Wasserinhalt, sofern der Naturumlaufkessel als Speicherkessel gebaut wurde.
Die Zwangsdurchlaufkessel (Bensonkessel) unterscheiden sich von den Naturumlaufkesseln der Hauptsache nach dadurch, dass das eingespeiste Wasser in einem Durchfluss durch die Heizsysteme der Kessel vorgewärmt, verdampft und überhitzt wird. Die auch hier eingebauten Rückschlagventile bei Eintritt des Speisewasser in den Kessel verhindern selbst bei Ausfall der Speisepumpen einen Rückfluss im gesamten Rohrsystem, solange der Druck am Austritt des Dampfes aus dem Kessel sinkende Tendenz hat. Aus diesem Grunde ist eine Einschränkung der Druckabsenkungsgeschwindigkeit bei Zwangsdurchlaufkesseln nicht gegeben. Bei praktischenversuchen konnten Druckabsenkungsgeschwindigkeiten bis 1 at/sec benutzt werden, ohne dass es zu Störungen im Durchfluss und der Überhitzung des Dampfes kam.
Es wurden hiebei Druckabsenkungen bis zu 30 at in den Grenzen von 150--120-"ISO--120 at vorgenommen. Durch theoretische Untersuchungen einiger Zwangsdurchlaufkessel konnte festgestellt werden, dass ihr Rauminhalt an Wasser von jeweiliger Verdampfungstemperatur mit etwa gleichem Anteil an der zusätzlichen Dampfbildung teilnimmt wie der Rauminhalt des diesen Wasserteil umgebenden Stahles der Rohre. Ganz überschläglich kann man beim normalen Zwangsdurchlaufkessel mit 1, 2-2, 3 kg Speicherdampfabgabe je t/h maximal erzeugbarer Dampfmenge rechnen, wenn obige genannte Druckabsenkung zugrunde gelegt wird.
(Nach Wittwer bei Phönix-Rheinrohr 7, 5 kg/t u. h. bei vornehmlich mit Gichtgas beheiztem Kessel.)
Beim Sulzerkessel wird in das Zwangsdurchflusssystem der Heizflächen, bei einem Restwassergehalt des Wasserdampfgemisches von 5 bis Sr1jo eine Abscheideflasche für diese Feuchtigkeit eingeschaltet, wobei ein Wasserstandsregler einen gewissen Wasserstand in der Flasche aufrecht erhält. Bei jeder Druckabsenkung in einem Zwangsdurchlaufkessel erfolgt eine Verschiebung der Restverdampfung infolge der grösser werdenden Verdampfungswärme des Wassers und der grösser werdenden Dampfblasen in Richtung des Durchflusses.
Die eingeschaltete Flasche würde im Falle einer genügend langsamen Druckabsenkung einen grö-
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sseren Prozentsatz an Wasseranteil abführen, wodurch die Temperatur des Dampfes bei Austritt aus dem Kessel mit Sicherheit gehalten wurde. Die abgebbare Speicherdampfmenge wird hiedurch aber eingeschränkt. Bei schneller Druckabsenkung dagegen wird gleichzeitig der Wasserinhalt dieser Flasche heftig aufbrausen, wodurch der Inhalt der Flasche überkochen und hiebei auch die zufliessende Feuchtigkeit mitreissen wird. Dieser Vorgang kann bei ausreichender. nicht genau kontrollierbarer Menge an Wasserinhalt
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beim Sulzerkessel die Geschwindigkeit der Druckabsenkung wieder eingeschränkt.
Wieweit diese Einschränkung geht, hängt von der spezifischen Eisenmenge in den nachgeschalteten Heizflächen zur Dampftrocknung und des Vorüberhitzers ab (etwa 10 - 20 at/min). Diese Angaben dürften für den Sulzerkessel nach den niedrigenZahlen hin zu werten sein, so dass bei Einschaltung einer Flasche mit nur 12 at/min zu rechnen wäre.
Die Einschaltung einer Speichertrommel in einen Zwangsdurchlaufkessel erscheint nach vorstehendem wenig erfolgversprechend. Zumindest wird durch eine solche Trommel die Absenkgeschwindigkeit des Druckes sehr vermindert werden. Es steigt zwar die absolute speicherbar Menge, während die relative Speicherung abnimmt.
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sei hiebei mit 1. 8 kg (t u. h. max. Leistung angenommen.
Die Speichertrommel von 1, 400 , 6, 000 Länge habe eine halbe Wasserfüllung von 4 m3 und einen Stahlrauminhalt von 3, 00 m3.
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--1201 kg Rohrstahl etwa nur 1/3 soviel kostet wie 1 kg Trommelstahl, muss eine derartige Massnahme in Erwägung gezogen werden.
Bringt man z. B. den Querschnitt der Verdampfungsrohre eines Zwangsdurchlaufkessels von 38 x 4 auf den von 57 x 5, so erhöht sich der speicherfähige Inhalt des Wassers auf das 2, 46-fache und der des spei-
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Nimmt man. 70 x 8,0 Rohre für diesen Heizflächenteil, so wird die Speicherung aus dem Wasserteil die 4, 26-fache und die des Stahles die 2, 04-fache. Es kann. also die 3, 1-fache Menge, d. s. 180 X 3, 1 = 568 kg gespeichert werden, wodurch die Speicherung mit Trommel erreicht wird und die relative Spei-
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teil, der auch als Vorüberhitzer bezeichnet wird, erfolgen, da hiedurch die Dampftemperatur am Kesselaustritt angenähert ausgeglichen werden kann. Diese Speicherung liegt aber fast ausschliesslich im Stahl der Rohre.
Es dürfte daher vorteilhaft sein, an dieser Stelle Rohre möglichst dicker Wandung vorzusehen.
Der Speichervorgang an dieser Stelle beruht darauf, dass bei Druckabsenkung von z. B. 150 -' ; 120 at
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Rohrstahl aber nach der Druckabsenkung auch um zirka 15 - 100 höher in der Temperatur, so dass der zusätzlich aus der Speicherung erzeugte Sattdampf sich hiedurch mit überhitzt, da hier ein höheres Temperaturgefälle von der Rohrwand zum Dampf vorhanden ist.
Es dürfte noch von Interesse sein, die allgemein übliche Anordnung der Verdampfungsheizflächen in Schmelzkammerkesseln mit Zwangsdurchlauf als Kühlflächen der Schmelzkammer zu betrachten. Die Speicherfähigkeit dieser Rohre wird durch deren Bestiftung mit Stahl und den gefrorenen und fliessenden Aschenbelag erhöht. Sollen die Speichermöglichkeiten eines solchen Kessels voll ausgeschöpft werden, so gilt das im vorstehenden Abschnitt Gesagte hier im besonderen. Diese Verdampfungsrohre sollten daher einen ausreichenden Inhalt an Wasserdampfgemisch besitzen. Es würde hiedurch die grössere Trägheit dieser Feuerungsart durch die erhöhte Speicherung leicht zu überbrücken sein.
Die bisherige Ansicht der Betriebsfachleute für Dampfkraftanlagen geht dahin, dass der reine Zwangsdurchlaufkessel für den Ausgleich von Belastungsspitzen ungeeignet ist, da in ihm kein ausreichendes Speichervermögen vorhanden wäre. Diese Ansicht gilt es zu überprüfen, da für den Betrieb mit hochwertigen wirtschaftlichen Dampfturbinen die grösste Sicherheit für den Betrieb nur durch den reinen Zwangsdurchlaufkessel erzielt werden kann. Da im reinen Zwangsdurchlaufkessel entgegen allen übrigen Dampferzeugern keine ausgesprochenen Wasseransammlungen von Siedetemperaturen vorhanden sind, ist dieser einerseits unempfindlich gegen die Druckänderungsgeschwindigkeit und anderseits auch gegen die Höhe der.
Druckänderung selbst. Voraussetzung für seine Anwendung ist, dass die Dampfturbine auch beim niedrigsten Druck im Dampfneiz die volle Leistung erzeugen kann und entsprechend schnell regelt und dass die Feuerung und die Regelung des Kessels entsprechend der Speicherung und der tragbaren Laständerung ausreichend schnell anspricht.
Um demgemäss einen Zwangsdurchlaufkessel zu schaffen, der den vorgenannten Anforderungen an die Speicherung genügt, wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass im Heizflächenteil des Kessels, d. h. im Verdampfer und im Übergangsteil, gegenüber dem Vorwärmer und dem Überhitzer dickwandigere im Durchmesser grössere Kesselrohre vorgesehen sind. Der Vorteil der Erfindung ist, dass durch das Verdicken der Rohre im Wasserdampfgemischteil eine Mehrabgabe in kg Dampf erreicht wird und dass ferner die mit der Druckabsenkung eintretende Temperaturschwankung im Wasserdampfgemischteil dazu beiträgt, dass der Rohrwand zusätzlich Wärme entzogen und somit mehr Wasser verdampft wird.
Es ist möglich, die Druckänderungsgeschwindigkeit auf 1 at/sec, zu steigern und hiebei Druckgefälle bis zu 30 at und mehr vorzunehmen, ohne dass eine Überschreitung der zulässigen Temperaturänderung in einer nachgeschalteten hochwertigen Dampfturbine eintritt.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass es bereits für einen andern Zweck, nämlich zum Ausgleich von Temperaturschwankungen des Heizdampfes bei Zwa ! 1gsdurchlaufkesseln, bekanntgeworden ist. die Speicherfähigkeit des Überhitzers durch den Einbau eines über die 1blichen Berechnullgsgrundlagen hillaus- gehenden Eisengewichts zu vergrössern. Im Sinne der Erfindungsaufgabe würde durch Verdicken der Über-
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das übliche Massnen, vielmehr wurde durch diese Massnahme-vorausgesetzt gleichbleibende beheizte Fläche, wodurch sich die lichte Rohrweite ändern müsste-die Kesselspeicherfähigkeit in kg Dampf herabgesetzt werden.
Nach der Erfindung kann aus dem grösseren Wasserdampfgemischinhalt und der grösseren Stahlmenge, z. B. bei gleicher Druckabsenkung, auch direkt proportional mehr Wasser verdampfen und somit als zusätzlicher Speicherdampf abgegeben werden.
Für diese Mehrverdampfung muss aber auch eine entsprechende Speicherung für die Überhitzung bereitstehen. Diese Speicherung wird vorteilhafterweise im direkt nachgeschalteten Übergangsteil, den man auch mit Vorüberhitzer bezeichnen kann, der Zwangsdurchlaufkessel untergebracht. So wird z. B. bei einer Entladung, d. h. bei Druckabsenkung, in diesem Heizflächenteil in der Nähe der Sattdampftemperatur naturgemäss ein erhöhtes Temperaturgefälle zwischen Rohrinnenwand und dem Dampf nunmehr niedrigeren Druckes entstehen. Hiedurch nimmt der Dampf Wärme auf, die ihn überhitzt. Man hat es nun in der Hand durch Verdicken der Rohrwände dieser Heizflächenteile eine ausreichende Speicherfähigkeit in diese einzubauen.
Es ist mit diesem Mittel möglich, auch die Dampftemperatur am Austritt aus dem Kessel, ohne Inanspruchnahme zusätzlicher Temperaturregler hiefür, aufrechtzuerhalten. Diese Heizflächenteile sollten vorzugsweise bei niedrigeren Rauchgastemperaturen angeordnet werden, da auch hiedurch das Stahlgewicht je übertragene Wärmemenge anwächst und diese Speicherung nur von der Stahlmenge abhängt.
Der wirtschaftliche Vorteil liegt klar auf der Hand, da die gleiche Werkstoffmenge im Rohr nur 1/3 von dem meist auch hochwertigeren Werkstoff der Speichertrommel kostet und der Zwangsdurchlaufkessel an seiner Sicherheit nichts einbüsst. Plötzliche Temperaturänderungen in Dampfrohrleitungen zu den Tur
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binen und in ihnen können mit Sicherheit verhindert werden, da diese meist die Veranlassung zu Materialschäden, z. B. im Austenit der Rohrleitungen und Turbinen sowie zu direkten Turbinenschäden, sind.
Vergleicht man diese Kesselsysteme in bezug auf die Anwendung ihrer Speichermöglichkeiten, so ergibt sich 3 ; us vorstehendem, dass bei grossen, aber nicht sehr schnell eintretenden Belastungsstössen und einer nur langsam änderbaren Wärmezufuhr zum Kessel durch die Feuerung dem Naturumlaufkessel der Vor- zug zu geben ist.
Bei plötzlichen Belastungsstössen dagegen ist der Zwangsdurchlaufkessel allen andern Kesselsystemen überlegen. Wird durch entsprechende Ausbildung der Verdampfungs- und Übergangsheizflächen im Zwangsdurchlaufkessel soviel zusätzliche Speichermöglichkeit eingeschaltet, dass die Verzögerungen der Feuereinwirkung überbrückt werden können, dann kann auch der Zwangsdurchlaufkessel zum vollen Ausgleich herangezogen werden. Für sehr plötzliche Energiestösse ist er wegen seiner Unempfindlichkeit gegen die hiebei bedingten plötzlichen Druckänderungen besonders geeignet.
An Hand der Fig. 1 und 2 wird ein Beispiel der Erfindung näher erläutert. In Fig. l sind auf der Abszisse aufgetragen die Heizflächen des Vorwärmers, des Verdampfers, des Übergangsteiles und des Überhitzers, wobei der Vorwärmer mit 1, der Verdampfer mit 2, der Übergangsteil mit 3 und der Überhitzer mit 4 bezeichnet sind. In der oberen Zeichnung der Fig. l ist ein Dampfkreislauf schematisch dargestellt. Der den Überhitzer verlassende überhitzte Dampf tritt mit einem Druck von 150 at in die Turbine 5 ein, die z. B. einen Generator 6 antreibt. Das Kondensat wird durch die Speisepumpe 8 aus dem Kondensator 7 in den Vorwärmer l des Kessels zurückgedrückt. Die untere Zeichnung der Fig. 1 zeigt in der oberen Kurve den Temperaturverlauf bei Normalbetrieb.
Im Vorwärmer steigt die Temperatur stetig an, im Verdampfer sinkt sie auf Grund des erhöhten Strömungswiderstandes und des damit verbundenen Druckabfalles leicht ab, um sodann am Übergangsteil und am Überhitzer anzusteigen. Bei plötzlicher Dampfentnahme, d. h. beim plötzlichen Belastungsanstieg, bei der die Speicherfähigkeit des Kessels ausgenutzt wird, und z. B. während des AbsinkensdesFrischdampfdruckes von 150 at auf 120 at ist der Temperaturverlauf innerhalb der Kesselheizflächen entsprechend der unteren Kurve der unteren Zeichnung der Fig. 1. Hieraus ist ersichtlich, dass die durch den im Verdampfer auftretenden Druckabfall abgesunkene Temperatur durch die in den Heizflächen des Übergangsteiles gespeicherte Wärme wieder bis nahezu an die Betriebstemperatur angehoben wird.
Der restliche Ausgleich erfolgt durch die Wärmespeicherung in den Überhitzerheizflächen.
Aus den Kurven ist ebenso ersichtlich, dass für die Wärmespeicherung hauptsächlich der Verdampfer und der Übergangsteil massgebend sind. Weitere und stärkere Kesselrohre finden also vorzugsweise nur für den Verdampfer 2 und den Übergangsteil 3 des Kessels Verwendung. Ein derartig erweitertes Rohr ist in der oberen Zeichnung der Fig. l schematisch dargestellt.
Die Fig. 2 erläutert das Verhältnis einer Heizfläche, die durch engere dünnwandige Rohre 9 einer
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bildet ist. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass sich der freie Querschnitt verdoppelt hat und dass der Wandungsquerschnitt des Rohres 10 ein Vielfaches der einzelnen Wandungsquerschnitte der Rohre 9 ist.