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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein geschlossenes System zur Kondensatrückspeisung
sowie ein geschlossenes Verfahren zur Kondensatrückspeisung für Anlagen,
die mit dem Wärmeträger Dampf
betrieben werden. Mit dem System bzw. mit dem Verfahren kann das
Kondensat wirtschaftlich in den Dampferzeuger oder ein Hochdruck-Gefäß zurückgeführt werden.
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Solche
Dampf- und Kondensatsysteme dienen insbesondere bei Anlagen, bei
denen mehrere Verbraucher bei gleichen oder unterschiedlichen Drücken betrieben
werden, dazu, einerseits den Wärmebedarf
der Verbraucher abzudecken und andererseits einen wirtschaftlichen
Betrieb zu ermöglichen,
indem das Kondensat ohne verfahrensbedingten Mengen- und Energieverlust
der Dampferzeugungsanlage zur Wiederverwendung zugeführt wird. Die
Wiederverwertung betrifft dabei einerseits das Wasser bzw. Arbeitsfluid
an sich und andererseits die von den Verbrauchern nicht abgenommene
Wärmeenergie,
die nicht erneut erzeugt werden muss. Insbesondere bei Anlagen mit
verhältnismäßig vielen kleinen
Verbrauchern, wie z. B. bei der Wellpappeerzeugung, ist es nicht
wirtschaftlich, für
jeden Verbraucher ein getrenntes, einzelnes Kondensatrückführungssystem
mit Sammelbehälter,
Pumpe etc. vorzusehen, weshalb üblicherweise
trotz bekannter Nachteile auf ein gemeinsames System zurückgegriffen wird,
das sich am Verbraucher mit dem niedrigsten Dampfdruck orientieren
muß.
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Bei
kleineren Anlagen gibt es dazu sogenannte offene Kondensatsysteme.
Dabei wird Hochdruckdampf an beispielsweise der Wellpappenanlage
in den Verbrauchern kondensiert und das relativ heiße Kondensat
einem überdrucklosen
Sammelbehälter
zur Entspannung ins Freie zugeführt.
Diese Entspannung verursacht einen Verlust von ca. 18 % der eingesetzten
Energie.
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Um
diesen Wärmeverlust
zumindest teilweise zu kompensieren, wurden so genannte geschlossene
Kondensatsysteme entwickelt. Dabei wird meist eine stufenweise Druckentspannung
des Kondensats mit einer Entspannungsdampfverwertung vorgenommen.
Falls es die Produktionstechnologie erlaubt, werden die Druckstufen
so gewählt,
dass die Kondensate druckgeregelter Verbraucher in ein Dampfnetz
von entsprechend niedrigerem Druck entspannen können. Je nach Betriebsdampfdruck
wird das Kondensat in einen dem entsprechenden Dampfdruck zugeordneten
Druckentspanner geleitet. Die Entspanner für höhere Dampfdrücke weisen
ferner eine Verbindung zu Entspannern niedrigerer Dampfdrücke auf,
so dass das Hochdruckkondensat stufenweise entspannt wird. Alternativ,
statt der direkten Zuleitung des Hochdruckkondensats an mehrere Entspanner,
können
damit nach der Entspannung auf einen bestimmten Druck weitere Niederdruckverbraucher
versorgt werden. Reicht die Menge des aus dem Hochdruckkondensat
gewonnen Entspannungsdampfs nicht aus, so wird der Druck im Niederdruckentspannungsdampfnetz
gegebenenfalls durch Frischdampfzuspeisung konstant gehalten. Das
in der Niederdruckstufe verbleibende Kondensat wird über den
Entgaser in den Speisewasserbehälter
zurückgepumpt.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren kann nur eine Kompromisslösung sein,
da z. B. bei modernen Wellpappeproduktionsanlagen einzelne Verbraucher,
je nach Fertigprodukt, verarbeitetem Material und Produktionsgeschwindigkeit
mit kurzfristig verschiedenen Dampfdrücken arbeiten müssen, sodass
eine feste Zuordnung zu nachgeschalteten Entspannungsdamfverwertern
fehlt.
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Darstellung
der Erfindung
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Davon
ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, für eine Anlage, bei der mehrere
Verbraucher parallel örtlich
und zeitgleich mit unterschiedlichen Dampfdrücken arbeiten, ein geschlossenes System
zur Kondensatrückführung sowie
ein entsprechendes Verfahren vorzusehen, bei dem eine Kondensatrückführung in
den Dampferzeuger ohne Verwendung von je einem Sammelgefäß mit Pumpe/Verbraucher
und ohne stufenweise Entspannung des Kondensats möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird mit einem System mit den Merkmalen des Anspruchs 1
bzw. einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Kondensat aus den jeweiligen
Verbrauchern in einem zugehörigen
Sammelbehälter
zu sammeln, der einen Zufluss aus einem Treibwasserbehälter aufweist.
Durch gesteuertes Zuführen
und Ablassen von Treibwasser (das ist z. B. Wasser aus dem Speisewassergefäß der Kesselanlage)
in einen solchen Sammelbehälter
bzw. aus dem Sammelbehälter
ist ein Ausschub des Kondensats aus dem Sammelbehälter in
den Dampfkessel bzw. ein Rückführen des überschüssigen Treibwassers
in das Treibwassergefäß möglich. Durch
das Vorsehen von entsprechend gesteuerten Ventilen, welche die Zufuhr
von Treibwasser an die Sammelbehälter
sowie den Ausschub von Kondensat an den Dampfkessel aus den Sammelbehältern regeln,
kann eine verhältnismäßig einfache
Anlagensteuerung erreicht werden. Außerdem wird vorzugsweise ein
mit der Zufuhr von Treibwasser bzw. dem Rückführen von Treibwasser zum Treibwasserbehälter sowie
dem Abführen
von Kondensat aus den Sammelbehältern
gekoppeltes Ventil oder eine entsprechende Einrichtung am Kondensatzulauf
zwischen Verbrauchern und Sammelbehälter vorgesehen, so dass während des
Kondensatausschubs aus dem Sammelbehälter kein Kondensatabfluss
in den Sammelbehälter
erfolgt.
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Durch
die Anordnung ist ein dreistufiger Betrieb möglich, der für jeden
Verbraucher individuell steuerbar ist und jedem Verbraucher individuell
zugeordnet ist. In einem ersten Schritt findet ein Kondensatzulauf
aus dem Verbraucher in den zugehörigen Sammelbehälter statt.
Wenn eine bestimmte Menge Kondensat im Sammelbehälter erreicht ist, wird der Abfluss
von Kondensat aus dem Verbraucher in den Sammelbehälter unterbunden.
Gleichzeitig wird durch eine Treibwasserzufuhr in den Sammelbehälter das
Kondensat aus dem Sammelbehälter
in den Dampfkessel, d. h. den Dampferzeuger, ausgeschoben. Wenn
wiederum ein bestimmtes Maß an
Kondensat ausgeschoben ist, wird die Treibwasserzufuhr in den Sammelbehälter gestoppt
und der Kondensatablauf in den Sammelbehälter wieder ermöglicht,
so dass das Treibwasser in einer dem zufließenden Kondensat entsprechenden
Menge zurück
in den Treibwasserbehälter
gedrückt
wird. Sobald das im Sammelbehälter
vorhandene Treibwasser auf ein vorgegebenes Niveau zurückgegangen
ist, wird der Ausschub von Treibwasser durch Schließen der
entsprechenden Leitung unterbunden und der Zyklus beginnt erneut
mit dem Zufluss von Kondensat in den Sammelbehälter.
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Kurze Beschreibung
der Figur
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beigefügten Figur
beschrieben, die exemplarisch eine Anlage mit drei Verbrauchern
zeigt, welche jeweils in unterschiedlichen Stufen des Verfahrens
arbeiten.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Die
beigefügte
Figur zeigt eine Anlage 10, die drei Verbraucher 12, 14, 16,
aufweist, die mit unterschiedlichen Drücken arbeiten. Die Anzahl der Verbraucher
ist nicht auf drei beschränkt.
Es kann eine beliebige Anzahl von Verbrauchern vorgesehen werden,
die auf wechselnd unterschiedlichen und/oder vorübergehend gleichen Drücken arbeiten. Jeder
Verbraucher 12, 14, 16 wird über eine
Frischdampfleitung 18 mit Dampf als Arbeitsmedium aus einen
Dampfkessel 20 versorgt. Zur Steuerung der Zufuhr von Dampf
an die Verbraucher 12, 14, 16 ist zwischen
der allgemeinen Frischdampfleitung 18 und jedem Verbraucher 12, 14, 16 ein
zugeordnetes Ventilelement 13, 15, 17 vorgesehen.
Außerdem
kann nach Bedarf eine Einrichtung zum Justieren des Dampfdrucks
oder ähnliches
in der jeweiligen Zuleitung zu einem der Verbraucher oder mehreren
der Verbraucher 12, 14, 16 angebracht
sein.
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Auf
der Kondensatseite jedes Verbrauchers 12, 14, 16 ist
ein Kondensatableiter 22, 24, 26 vorgesehen,
der jeweils in einen Sammler 23, 25, 27 mündet. Der
Sammler 23, 25, 27 bewirkt einen Abfluss des
Kondensats durch vorzugsweise die geodätische Höhendifferenz, d. h. er ist
derart angeordnet, dass das Kondensat auf Grund der Schwerkraft
in Richtung eines Sammelbehälters 32, 34, 36 fließt.
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Jedem
Verbraucher 12, 14, 16 ist ein Sammelbehälter 32, 34, 36 zugeordnet,
welcher mit dem jeweiligen Sammler 23, 25, 27 strömungstechnisch über ein
Ventilelement 33, 35, 37 verbunden ist,
das nur eine Durchströmung
in Richtung auf den Sammelbehälter 32, 34, 36 hin
erlaubt.
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Im
oberen Bereich jedes Sammelbehälters zweigt
eine Sammelbehälter-Dampferzeuger-Leitung 42, 44, 46 ab,
wobei diese Einzelleitungen 42, 44, 46 in
eine gemeinsame Sammelleitung 48 zum Dampfkessel 20 münden. Die
Leitungen 42, 44, 46, die im oberen Bereich
jedes Sammelbehälters 32, 34, 36 abzweigen,
weisen ebenfalls ein Ventil auf, das die Strömungsrichtung durch das Ventil
aus dem Sammelbehälter 32, 34, 36 in
Richtung zum Dampfkessel 20 festlegt.
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Die
Anlage 10 enthält
weiter einen Treibwasserbehälter 50.
Vom Treibwasserbehälter 50 führt eine
Zuleitung 58, die eine redundant ausgeführte Pumpeneinrichtung 59 enthält, zu den
Sammelbehältern 32, 34, 36,
wobei sich die gemeinsame Zuleitung 58 in Zweigleitungen 52, 54, 56,
die den jeweiligen Sammelbehältern 32, 34, 36 zugeordnet
sind, verzweigt. Jede der Zweigleitungen 52, 54, 56 ist
mit einem Absperrventil 53, 55, 57 versehen,
so dass die Zufuhr von Treibwasser aus dem Treibwasserbehälter 50 an
einen bestimmten Sammelbehälter 32, 34 oder 36 gestattet
oder unterbunden werden kann. Die Zweigleitungen 52, 54, 56 münden in
den Bodenbereich der Sammelbehälter 32, 34, 36 ein,
so dass durch Leistung der Pumpeneinrichtung 59 Treibwasser
aus dem Treibwasserbehälter 50 in
den Bodenbereich der jeweiligen Sammelbehälter 32, 34, 36 gepumpt
werden kann.
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Entsprechende
Inneneinbauten des Sammelbehälters 32, 34, 36 bewirken,
dass eine Vermischung von zugeführtem
Treibwasser mit dem zu verdrängenden
Behälterinhalt
weitestgehend vermieden wird. Aus jedem Sammelbehälter 32, 34, 36 führen zugeordnete
Treibwasserrückleitungen 62, 64, 66,
die in eine gemeinsame Rückleitung 68 münden, zurück zum Treibwasserbehälter 50.
Auch diese Rückleitungen 62, 64, 66 zweigen
aus dem Bodenbereich des jeweiligen Sammelbehälters 32, 34, 36 ab und
sind mit einem jeweiligen Absperrventil 63, 65, 67 versehen
mit Hilfe dessen eine einem Sammelbehälter 32, 34, 36 zugeordnete
Treibwasserrückleitung 62, 64, 66 gesteuert
geöffnet
bzw. geschlossen werden kann.
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Ferner
ist ein Wasserstandsgeber 91 an den Sammelbehältern 32, 34, 36 angebracht,
wie in der Figur dargestellt ist. Außerdem ist die Speisewasserzuleitung 58 mit
einem Temperaturfühler 72 versehen,
welcher die Temperatur T3 des Treibwassers erfasst. Weitere Temperaturfühler 74, 76 oder
andere Elemente zur Temperaturerfassung sind am Sammelbehälter 32, 34, 36 vorgesehen,
um die Temperatur T1 des Kondensats im Sammelbehälter bzw. die Temperatur T2
des Wassers oder Dampfes im Sammelbehälter erfassen zu können. Die
Temperaturfühler 72, 74, 76 sind
mit einer Steuereinrichtung 80, 82, 84 gekoppelt,
welche jeweils die Temperaturdifferenz zwischen der Treibwassertemperatur
T3 und der Temperatur des Kondensats T1 bzw. der Temperatur T2 des
Wassers oder Dampfes, auswertet und gegebenenfalls beim Erreichen
einer Schwellenwert-Temperaturdifferenz
dafür sorgt,
dass ein neuer Verfahrenschritt eingeleitet wird.
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Da
der Wasserstand im Dampfkessel aus betriebstechnischen Gründen nur
in engen Grenzen schwanken darf, was durch die Wasserstandsregelung
des Kessels bewirkt wird, ist in der Anlage mit einem Ventil 78 eine
direkte Verbindung von der Sammelleitung 48 zum Treibdampfbehälter 50 vorhanden.
Beim Erreichen des höchsten
zulässigen
Betriebswasserstands im Kessel strömt Kondensat aus dem Sammelbehälter 32 oder/und 34 oder/und 36 in den
Treibwasserbehälter 50 ab.
Das Ventil 79 verhindert das Abströmen von Kesselwasser in den
Treibwasserbehälter 50.
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Im
Folgenden wird die Arbeitsweise der Anlage 10 beschrieben.
Dabei ist in der beigefügten
Figur jeder der drei Verbraucher 12, 14, 16 bzw.
jede der einem Verbraucher 12, 14, 16 zugeordneten
Kondensatrückführungen
in einer anderen Betriebsstufe dargestellt. Die Kondensatrückführungen
der einzelnen Verbraucher werden unabhängig voneinander betrieben,
so dass sich mehrere Verbraucher bzw. zugeordnete Kondensatrückführungen
zu einem bestimmten Zeitpunkt in derselben Betriebsstufe befinden
können
und die Kondensatrückführungen
für die einzelnen
Verbraucher innerhalb der Betriebsstufen unterschiedlich lange verweilen
können.
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In
der Figur ist der linke Verbraucher 12 in der ersten Betriebsstufe
dargestellt, in welcher Kondensat über den Kondensatableiter 22 in
den Sammler 23 und von dort weiter in den Sammelbehälter 32 fließt. Die
Verbindungen (Zufluss und Abfluss) zum Treibwasserbehälter 50 sind
geschlossen, d. h. die Ventile 63, 53 sind geschlossen,
so dass Treibwasser weder dem Sammelbehälter 32 zugeführt noch
aus diesem abgeführt
wird. Da keine Druckabsenkung vorgenommen wird, sammelt sich dampffreies
Kondensat in dem Sammelbehälter 32 an.
Während
dieser ersten Stufe erfasst der Wasserstandsgeber 91 den
vorgesehenen Höchststand
(Schaltpunkt) des in den Sammelbehälter 32 zugeführten Kondensats.
Alternativ kann zur Steuerung des Kondensatrückführzyklus statt des Niveaus
des Kondensats im Sammelbehälter
eine Schwellentemperatur, erfasst durch z.B. einen Temperaturfühler, eingesetzt
werden.
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Wenn
der Wasserstandsgeber 91 erfasst, dass ein bestimmtes Niveau
von Kondensat in dem Sammelbehälter 32 vorliegt,
endet die erste Stufe des Kondensatrückführungszyklus. Dieses Ende der ersten
Stufe ist gleichbedeutend mit dem Beginn der zweiten Stufe, bei
der Kondensat aus dem Sammelbehälter
in den Dampfkessel 20 ausgeschoben wird. Diese zweite Stufe
ist für
den mittleren Verbraucher 14 in der Figur dargestellt.
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Zum
Ausschieben von Kondensat aus dem Sammelbehälter 34 in den Dampfkessel 20 wird
das Absperrventil 55, das den Speisewasserbehälter 50 mit
dem Boden des Sammelbehälters 34 verbindet, geöffnet, so
dass durch die Wirkung der Pumpe 59 Treibwasser in den
Sammelbehälter 34 gepumpt werden
kann. Das Ventil 35 zwischen dem Sammler 25 vom
Kondensatableiter 24 und dem Sammelbehälter 34 verhindert
ein Rückströmen des
Kondensats in den Sammler 25. Somit wird das Kondensat durch
die Kondensatrückleitung 44 in
die Leitung 48 und von dort in den Dampfkessel 20 ausgeschoben. Dieser
Ausschub setzt sich so lange fort, so lange das Ventil 55,
das die Zufuhr von Treibwasser in den Sammelbehälter 34 regelt, geöffnet bleibt.
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Die Öffnungsdauer
des Ventils 55 wird bestimmt durch die Temperaturdifferenz
zwischen dem Treibwasser, das eine Temperatur T3 aufweist, die in der
Treibwasserzuleitung 58 durch den Temperaturfühler 72 erfasst
wird, zur Temperatur T1 des Kondensats, das im Sammelbehälter 34 ist.
Wenn die Temperaturdifferenz einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet,
veranlasst die Regelung 82, dass das Ventil 55 geschlossen
wird. Gleichzeitig mit dem Schließen des Ventils 55 wird
das Ventil 65, das eine Treibwasserrückleitung 64 zum Treibwasserbehälter 50 ermöglicht,
geöffnet.
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Diese
Verfahrensstufe ist für
den rechten Verbraucher 16 in der Figur dargestellt.
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Bei
geöffnetem
Ventil 67 ist kein Gegendruck durch eingepumptes Treibwasser
im Sammelbehälter 36 vorhanden.
Daher kann Kondensat im Sammler 27, in dem sich in der
zweiten Stufe des Kondensatrückführzyklus
ein Rückstau
gebildet hat, wieder in den Sammelbehälter 36 fließen. Auf
Grund des in den Sammelbehälter 36 fließenden heißen Kondensats
bildet sich im Sammelbehälter 36 ein
Dampfdruck, der das Treibwasser aus dem Sammelbehälter 36 über die
Treibwasserrückleitung 66 sowie
die Rückleitung 68 in
den nahezu drucklosen Treibwasserbehälter 50 zurückdrückt.
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Dabei
wird neben der Temperatur T3 des Treibwassers am Temperaturfühler 72 die
Temperatur T2 des Treibwasser-Kondensat-Gemischs im Sammelbehälter 36 am
Temperaturfühler 76 erfasst. Steigt
diese über
einen bestimmten Wert an, d. h. wird T2 wieder deutlich größer als
T3, bedeutet dies, dass kein Treibwasser im Nutzbereich des Sammelbehälters verblieben
ist. Dann wird das Ventil 67 geschlossen, so dass keine
Rückführung von
Treibwasser über
die Rückleitung 66, 68 in
den Treibwasserbehälter 50 möglich ist.
Dies ist gleichbedeutend mit dem Ende der dritten Stufe der Kondensatrückführung. Nachfolgend
beginnt der Verfahrenszyklus wieder von Neuem.
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Durch
die dargestellte Anlage kann somit auf einfache Weise eine Kondensatrückführung bei
einer Anlage, die mehrere Verbraucher örtlich parallel und zeitgleich
mit unterschiedlichen und wechselnden Drücken betreibt, erhalten werden.
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- 10
- Anlage
- 12,
14, 15
- Verbraucher
- 13,
15, 17
- Ventilelement
- 18
- Frischdampfleitung
- 20
- Dampfkessel
- 22,
24, 26
- Kondensatableiter
- 23,
25, 27
- Sammler
- 32,
34, 36
- Sammelbehälter
- 33,
35, 37
- Ventilelement
- 42,
44, 46
- Kondensatrückleitung
- 48
- Leitung
- 50
- Treibwasserbehälter
- 52,
54, 56
- Zweigleitung
- 53,
55, 57
- Absperrventil
- 58
- Zuleitung
- 59
- Pumpeneinrichtung
- 62,
64, 66
- Speisewasserrückleitung
- 63,
65, 67
- Absperrventil
- 68
- Rückleitung
- 72,
74, 76
- Temperaturfühler
- 82,
84
- Steuerung
- 86
- Verbindungsleitung
- 91
- Wasserstandsgeber
- 78
- Absperrventil
- 79
- Rückschlagventil