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Wasserrohrkessel mit Teilstromüberhitzer
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wasserrohrkessel mit Teilstrom-Überhitzer, welcher besonders als Schiffskessel geeignet ist.
Die bisher gebauten Wasserrohr-Schiffskessel, die fast ausschliesslich mit Öl gefeuert werden und eine niedrige Bauhöhe besitzen, können die Überhitzungstemperatur des Dampfes (z. B. 500 C bei 42 atü Betriebsdruck) nur bis zirka Zweidrittellast halten. Sinkt die Last der Kessel unter dieses Mass, so fällt auch die Dampftemperatur immer stärker ab.
Bei Schiffen ist es nun relativ oft der Fall, dass durch längere Zeit hindurch die Kessel mit sehr niedriger Last betrieben werden, z. B. beim Manövrieren in küstennahen Gewässern, bei der Einfahrt in Häfen, beim Kreuzen in nebeligen Gewässern, beim Passieren von Meeresstrassen usw. Durch das starke Absinken der Dampfüberhitzung während dieser Schwachlastperioden-die Dampftemperatur kann 350 C und weniger betragen-tritt in den Niederdruckgehäusen der Turbinen eine grosse Dampfnässe auf, welche zu Erosionen an den Endschaufell, eventuell auch zur Zerstörung derselben führen kann. Auch tritt während der Lasteinsenkungen ein starkes Ansteigen der spezifischen Dampfverbräuche der Turbinen auf.
Auch bei ortsfesten Kesselanlagen sind Betriebsfälle bekannt, bei denen periodisch sehr niedrige Teillasten auftreten (z. B. beim Inselbetrieb von kalorischen Kraftanlagen, bei kalorischen Spitzenkraftwerken, bei Industriekraftanlagen u. a. ). Auch an den Turbinen solcher Anlagen treten durch zu grosse Dampfnässe Schäden an den Endschaufeln auf.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird erfindungsgemäss ein Wasserrohrkessel mit einem aus mehreren Teilen bestehenden Überhitzer vorgeschlagen, wobei ein Überhitzerteil als Teilstromüberhitzer ausgebildet ist. Der erfindungsgemässe Wasserrohrkessel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstromüberhitzer in einer Sekundärbrennkammer angeordnet ist und von einer von der Kesseldampfleistung regelbaren Dampfmenge durchströmt ist, die auch bei Vollast nur einen Teil (etwa 15-25%) der gesamten zum Verbraucher (z. B. Turbine) strömenden Dampfmenge ausmacht.
Bei Vollast oder grösseren Teillasten wird jene Restdampfmenge, welche nicht durch den Teilstrom- Überhitzer strömt, über ein zu diesem parallel geschaltetes Regelventil (Bypass-Ventil) geleitet, welches eine Veränderung der Beaufschlagung des Teilstrom-Überhitzers erlaubt. Bei kleiner werdender Teillast des Kessels wird ein immer grösserer Anteil des erzeugten Dampfes über den Teilstrom-Überhitzer ge-
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strömt. Durch die optimale Beheizung des Teilstrom-Überhitzers in der Sekundärbrennkammergehalten werden.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Sekundärkammer zur Hauptbrennkammer rauchgasseitig in Serie oder parallel geschaltet sein.
Die Sekundärbrennkammer ist peripher an der Hauptbrennkammer so angeordnet, dass die aus der Sekundärbrennkammer austretenden Rauchgase auf kurzem Wege die Hauptbrennkammer durchströmen und mit noch relativ hoher Temperatur in die anderen Überhitzer des Kessels eintreten. Dadurch wird die Konstanthaltung der Überhitzungstemperatur bei niedriger Teillast noch weiter verbessert.
Um dampfseitig noch eine einigermassen ausreichende Kühlung des gefährdeten, ausserhalb der Sekundärbrennkammer liegenden Überhitzerteiles zu erreichen, wird das vom Rauchgasstrom zuerst beheizte Überhitzungspaket (meist der Endüberhitzer) in zwei Teile geteilt, welche durch zwei Ventile so geschaltet werden können, dass sie bei Vollast oder hoher Teillast parallel durchströmt werden, bei niedriger Teillast aber hintereinander geschaltet sind. Das Umsteuern der Ventile hat gleichzeitig und rasch, und bei möglichst niedriger Kessellast zu erfolgen. Zur Aufrechterhaltung der Wasserzirkulation in dem Verdampferrohrsystem des Kessels kann bei niedriger Teillast eine Umwälzpumpe verwendet werden.
Bei Inbetriebnahme des Kessels ist der Teilstromüberhitzer nicht gefährdet, da die Befeuerung der Sekundärbrennkammer erst erfolgt, wenn Dampf zur Kühlung des Teilstromüberhitzers zur Verfügung steht.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgegenstandes als Schiffskessel dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Aufriss (Schnitt) nach der Linie A-B in Fig. 2, Fig. 2 einen Grundriss nach
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der Linie C-D in Fig. 1. In Fig. 3 ist ein Schaltschema gezeichnet, welches die Trommel mit der Überhitzerschaltung zeigt. In Fig. 4 ist die Überhitzer-Charakteristik eines konventionellen Schiffskessels gezeichnet und Fig. 5 zeigt die Temperatur-Charakteristik eines Kessels mit Teilstromüberhitzer.
Die Hauptbrennkammer 1 ist durch die Verdampferrohrwände 2 begrenzt. In ihren Seitenwänden sind die Hauptbrenner 3 angeordnet. Die Obertrommel 4 und die Untertrommel 5 sind ausser durch die Verdampferrohre 2 der Hauptbrennkammer 1 noch durch das Verdampferrohrbündel 6 verbunden. Über der Hauptbrennkammer 1 ist die Sekundärbrennkammer 7 mit dem Sskundärbrenner angeordnet.
Der Überhitzer des Kessels besteht aus drei Teilen : dem Vorüberhitzer 9, dem Teilstrom-Überhitzer 10, der in der S kundärbrennkammer 7 als Wandüberhitzer angeordnet ist, und dem Endüberhitzer 11. Der Dampfkühler 12, der zwischen Teilstrom-Überhitzer 10 und Endüberhitzer 11 geschaltet ist, ist als Ober- flächenkühler in der Obertrommel 4 untergebracht. Der Vorüberhitzer 9 und der Endüberhitzer 11 sind
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dampfungsrohren 2 in die Hauptbrennkammer 1 und von dieser durch ein weiteres Rohrdurchtrittsgitter 16 in den Endüberhitzer 11. Auch bei niedriger Teillast treten diese Rauchgase infolge ihres kurzen Weges durch die Hauptbrennkammer 1 noch mit relativ hoher Temperatur in den Endüberhitzer 11 ein.
Im Schaltschema Fig. 3 sind die Trommel 4 mit dem Oberflächenkühler 12, sowie der Vorüberhitzer 9, der Teilstromüberhitzer 10 mit Bypassventil 17, das Mischventil. M des Oberflächenkühlers 12 und der Endüberhitzer M, bestehend aus den beiden Teilen 11 a und 11 b mit den beiden Umschaltventilen 19 und 20 und dem Hauptdampfschieber 21 dargestellt.
Die Beaufschlagung des Teilstrom-Überhitzers 10 wird durch dessen Bypassventil 17 in allen Lastbereichen des Kessels so geregelt, dass sich seine maximale Durchflussmenge zur minimalen Durchflussmenge höchstens wie 2 zu 1 verhält. U. zw. wird der Teilstrom-Überhitzer 10 bei Vollast minimal und bei niedrigster Teillast maximal beaufschlagt und die Leistung des Sekundärbrenners 8 diesen Beaufschlagungen angepasst. Da sich die Dampfgeschwindigkeiten im Teilstromüberhitzer 10 im gesamten Lastbereich des Kessels ebenfalls höchstens im Verhältnis 2 : 1 ändern (von zirka 24 m/s auf 12 m/s), ist eine stets ausreichende Kühlung desselben gewährleistet.
Um auch für den Endüberhitzer 11 im niedrigen Teillastbereich dampfseitig bessere Kühlverhältnisse zu schaffen, können seine beiden Teile 11 a und 11 b durch das Dreistromventil19 und den Schieber 20 hintereinander geschaltet werden (Dampf strömt über Teil 11 a, Teil 11 bund Überströroleitung 22), während bei Vollast oder hoher Teillast die Überhitzerteile 11 a und 11 b parallel durchströmt werden.
Fig. 4 zeigt für einen konventionellen Schiffskessel die Abhängigkeit der Dampfaustrittstemperatur von der Kessellast. Das starke Absinken der Dampftemperatur im niederen Lastbereich führt nicht nur zu Erosionen der Turbinenendschaufeln, sondern es können grosse plötzliche Laständerungen bei grossen Schiffsturbinen zum Undichtwerden der Turbinengehäuse führen.
Fig. 5 zeigt in den Kurven A, B und C den Verlauf der Dampftemperaturen eines Kessels mit Teilstrom- Überhitzer in Abhängigkeit von der Last, u. zw. am Austritt des Vorüberhitzers 9 (Kurve A), am Eintritt des Endüberhitzers 11 (Kurve B) und am Austritt des Endüberhitzers 11.
Der Einfluss des Oberflächenkühlers 12 ist an den zirka bei Zweidrittellast liegenden Knicken der Kurven B und C zu erkennen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wasserrohrkessel mit einem aus mehreren Teilen bestehenden Überhitzer, wobei ein Überhitzerteil als Teilstromüberhitzer ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstromüberhitzer (10) in einer Sekundärbrennkammer (7) angeordnet und von einer mit der Kesseldampfleistung regelbaren Dampfmenge durchströmt ist, die auch bei Vollast nur ein Teil der gesamten zum Verbraucher (z. B. Turbine) strömenden Dampfmenge ausmacht.