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Verfahren zum wirtschaftlichen Betrieb von Kessel o. dgl. Anlagen
mit Rauchgasvorwärmer Es ist bekannt, daß die Wärme von Abgasen oder Abdämpfen häufig
in der Weise ausgenutzt wird, daß mit derselben eine Flüssigkeit oder ein Gas erwärmt
wird. Solche Verfahren ergeben sich beispielsweise bei der Speisewasservorwärmung
durch Rauchgasvorwärmer von Dampfkesseln usw. Bei den bisherigen Verfahren zum Betrieb
solcher Vorwärmer ist man zwar stets bestrebt, die dein Normalbedarf des Verbrauchers
entsprechende Menge durch den Vorwärmer geschickten Fluidums in ein solches Verhältnis
zur 1Tenge und Temperatur der in den Abgasen zur Verfügung stehenden Abwärme zu
bringen, daß sich beim Austritt aus dem Vorwärmer bzw. beim Eintritt in den Verbraucher
eine gewünschte Endtemperatur des Fluidums ergibt, die unter diesen normalen Verhältnissen
weitgehende Ausnutzung der Abwärme bedeutet; hierbei hat man jedoch an die mitunter
stark schwankenden Betriebsverhältnisse bisher wenig oder gar nicht gedacht und
ist über die vorerwähnten einfachsten Regeln der Ausnutzung nicht hinausgekommen.
Wohl ergibt sich in einzelnen Fällen, z. B. bei Rauchgasvorwärmern von Kesseln,
in einer Hinsicht von selbst eine gewisse Anpassung des Vorwärmers an die Betriebsverhältnisse
und eine verhältnismäßig befriedigende Ausnutzung der Abwärme schon dadurch, daß
bei größerem Dampfbedarf eine größere - der durch -den Vorwärmer gehenden größeren
Speisewassermenge entsprechende - Heizgasmenge aufgebracht werden muß, wenn Wasserstand
und Druck im Kessel gleichbleiben sollen, doch erfolgt dabei die Ausnutzung der
Abgase nicht immer erschöpfend, vor allem aber nicht immer in für die Wirtschaftlichkeit
der Gesamtanlage vorteilhafter Weise. Für die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage
können vielmehr häufig Gesichtspunkte in Frage kommen, die bei der starren Verbindung
zwischen Rauchgasvorwärmer und Kessel hinsichtlich der Speise-Wassermengen gar nicht
berücksichtigt werden können.
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ES sind bereits Rauchgasvorwärmer bekannt geworden, in denen zum Schutz
gegen Dampfbildung und der damit verbundenen nachteiligen Folgen ein Wasserumlauf
durch die Vorwärrizerrohre in der Weise vorgeno@mmen wird, daß der Rauchgasvorwärmer
von vornherein verhältnismäßig warmes Wasser erhält. Hierdurch wird zwar der angestrebte
Zweck erreicht, daß nämlich die Speisewassertemperatur nicht unzulässig hoch -getrieben
wird, es wird aber andererseits nur ein geringer Teil der in den Abgasen enthaltenen
`Värme ausgenutzt. Man hat daher auch schon für den Zeitpunkt geringen Speisewasserbedarfs
der Kessel und daher drohender Dampfbildung, also ganz geringen Speisewasserdurchflusses
durch den Rauchgasvorwärmer, vorgeschlagen, nebenher Wasser zu Verbrauchszwecken
zu entnehmen, wodurch ein gewisser Rückgewinn an Wärme gewährt ist. Diese Entnahme
ist jedoch nur als eine Art Notauslaß zu werten und ergibt niemals
eine
Steigerung der Durchflußmenge durch den Vorwärmen über die normale Speisebedarfsmenge
hinaus.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus wirtschaftlichen Überlegungen
heraus das starre Verhältnis von r : r zwischen der durch den Rauchgasvorwärmer
geleiteten .und zur Kesselspeisung dienenden Speisewassermenge grundsätzlich verlassen.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß ohne Rücksicht auf den jeweiligen Speisewasserbedarf
der Kesselanlage durch die Rauchgasvorwärmer entweder nur ein Teil der normalen
Kesselbedarfsmenge geleitet und die am Bedarf der Kesselanlage fehlende Menge durch
Zuspeisung von Heißwasser aus einem Speicher ausgeglichen wird, oder daß durch die
Rauchgasvorwärmer eine größere als vom Kessel normalerweise benötigte Menge geleitet
und der überschuß an vorgewärmtem Wasser aufgespeichert wird. Leitet man nur einen
Teil der normalen Bedarfsmenge durch den Rauchgasvorwärmer, so ergibt sich zwar
zunächst eine Verminderung des Vorwärmerwirkungsgrades insofern, als die in den
Abgasen enthaltene Wärme nicht im gleichen Umfange ausgenutzt wird wie bei normaler
Speisewassermenge. Diese Verminderung des Wirkungsgrades kann aber in vielen Fällen
mit Vorteil in Kauf genommen werden, da ihr eine Verbesserung des Wirkungsgrades
oder der Rentabilität der Anlage auf der anderen Seite gegenübersteht, die die in
Kauf genommene Verminderung weit übersteigt. In vielen Fällen ergibt sich sogar'
durch die verringerte Wärmeausnutzung aus den Abgasen eine Verbesserung der Zugverhältnisse,
die je nach der Außentemperatur nicht nur erwünscht, sondern geradezu notwendig
werden kann. Auch wird bei starker Anstrengung der Feuerungen, z. B. infolge zeitweisen
starken Beschäftig ngsgrades der Fabrik, die Verstärkung des Zuges durch verringerte
Speisewasserv orwärmung mittels' Rauchgasen trotz der verringerten Wärmeausnutzung
von Vorteil sein.
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Umgekehrt ist es in anderen Fällen, z. B. infolge kleiner Heizflächen
des Vorwärmers und bei niedriger Außentemperatur möglich, die Abgase wesentlich
weitgehender auszunutzen, als es durch die dem Kesselbedarf entsprechende normale
Speise`vassermenge geschieht. In diesen Fällen wird man gemäß der Erfindung eine
größere als vom Kessel normalerweise benötigte Speise-,vassermenge durch den Vorwärmen
leiten und den Überschuß für späteren Bedarf aufspeichern.
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Es ist also im Sinne der Erfindung von Fall zu Fall oder auch von
Zeit zu Zeit zu entscheiden, ob man nur einen Teil des Speisewasserbedarfs der Kessel
durch die Vorwärmen schicken und den am Bedarf fehlenden Teil als Heißwasser einem
Speicher entnehmen will, oder ob man mehr Wasser als dem Kessel entspricht durch
den Vorwärmen senden und den Überschuß aufspeichern will, um ihn später oder an
anderer Stelle zu verwenden, gegebenenfalls nach weiterer Erwärmung, z. B. durch
Überschußdampf, insbesondere überschüssigen Abdampf. Außerdem kann- man auch noch
zwar eine dem Normalbedarf des Kessels ungefähr entsprechende Menge durch die Vorwärmen
hindurchschikken, aber läßt nur einen Teil hiervon unter Aufspeicherung des Restes
in den Kessel gelangen; der am Kesselbedarf fehlende Teil wird dann als Heißwasser
aus einem zweiten Speicher zugeführt.
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Alle die vorgenannten Fälle werden von der Erfindung berücksichtigt,
wie aus nachstehendem hervorgeht.
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Wenn z. B. der Dampfverbrauch einer Kesselanlage unter den mittleren
normalen Verbrauch sinkt, so geht man erfindungsgemäß in der Weise vor, daß man
nicht etwa die Menge des durch den Rauchgasvorwärmer geschickten Speisewassers nach
dem Bedarf des Kessels richtet, sondern man schickt so viel Wasser durch den Vorwärmen,
daß unter möglichst weitgehender Ausnutzung der Abgase die Endtemperatur des den
Vorwärmen verlassenden Wassers der vom Kessel geforderten Temperatur entspricht,
wobei dem Kessel nur derjenige Teil dieses Wassers zugeführt wird, den er gerade
benötigt, -während der Rest aufgespeichert wird. Man erzielt damit die bestmögliche
Ausnutzung des Vorwärmers nicht nur für die Zeit geringer Belastung, sondern auch
im voraus für die Zeit von Spitzenbelastung, für welche das bisher überschüssige
Wasser gegebenenfalls nach Weitererhitzung durch in der ruhigen Zeit überschüssigen
Frischdampf oder durch zur Verfügung stehenden Abdampf aufbewahrt worden ist.
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Das gleiche Verfahren wird gemäß der Erfindung angewendet, wenn der
Zustand des Kessels trotz Spitzenleistung noch höhere Dampfentnahme erlaubt, als
gerade erforderlich ist. Auch in diesem Falle wird man nicht etwa die Rauchzüge
drosseln, sondern erfindungsgemäß durch den Vorwärmen mehr Wasser hindurchschicken,
als der Kessel selbst bei starker Dampferzeugung braucht. Diesem aber wird man wiederum
nur so viel Wasser zukommen lassen, -als nötig ist, wobei man die Gesamtmenge des
Wassers so bemaßt, daß die Endtemperatur des in den Kessel gelangenden Wassers und
-die Endtemperatur der Abgase gerade bis zur zulässigen Grenze sinken, die geforderte
Dampfent-,,vicklung und die geforderte Zugstärke also innegehalten
werden.
Die überschüssige Wassermenge wird wiederum an anderer Stelle aufbewahrt oder sofort
an anderer Stelle verwendet, nachdem sie gegebenenfalls noch höher erhitzt worden
ist.
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In den vorgenannten beiden Fällen wird demnach die Leistungsfähigkeit
des Vorwäriners selbst nach 'Möglichkeit ausgenutzt, doch gibt es andererseits auch
Fälle, wo auf guten Wirkungsgrad des Vorwärmers selbst kein Gewicht gelegt wird.
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Angenommen z. B., es handle sich um eine elektrische Zentrale, in
deren Kessel ein Rauchgasv orw ärmer das gesamte durch ihn hindurch getriebene Speisewasser
von etwa 40° auf i2o' erwärmt. Bei Spitzenbelastung ist diese Speisewassertemperatur
natürlich nicht ausreichend, die geforderte Leistung aus dem Kessel herauszuholen.
Man könnte rinn den Kessel einfach während der Zeit der Spitzenbellstung aus einem
Speicher mit Wasser seiner Siedetemperatur (16o°) versorgen und das aus dein Rauchgasvorwärmer
anfallende Wasser von i2o' in einem anderen Speicher aufspeichern. Man wird damit
zwar zum Ziele kommen, doch hat dieses Verfahren den Nachteil, daß für das anfallende,
nicht sofort zur Verwendung kommende Wasser des Rauchgasvorwärmers ein zweiter entsprechend
großer Speicher erforderlich ist, daß ferner der erste Speicher zur Lieferung des
ganzen Wasserbedarfes von i6o° verhältnismäßig groß sein muß, und daß endlich die
Möglichkeit vorhanden ist, daß die Abgase der Feuerurig bei der Spitzenbelastung,
bei der häufig ein verstärkter Zug erwünscht ist, vorn Vorwäriner zu weitgehend
abgekühlt werden können. Gemäß der Erfindung wird daher in anderer Weise verfahren,
indem man nur einen Teil der vom Kessel benötigten Wassermenge, beispielsweise etwa
die Hälfte, durch den Vorwärmer schickt. Infolgedessen wird die Endtemperatur des
Speisewassers beim Austritt aus dem Vorwärmer so hoch steigen, daß mit Hilfe eines
Speichers, dem die fehlende Hälfte finit der erforderlichen Temperatur von 16o°
entnommen wird, die Spitzenleistung erreicht werden kann. Der Vorteil besteht dann
darin, daß das durch den Raucbgasvorwärmer gehende Wasser jetzt restlos verbraucht
wird, also nicht aufbewahrt zu werden braucht. Auch der vorhandene Speicher, der
jetzt nur noch den halben Bedarf des Kessels an Wasser von 16o° zu dekken braucht,
kann entsprechend kleiner gehalten werden, und endlich wird die Temperatur der Abgase
erheblich höher sein, der Zug also während der Zeit der Spitzenleistung verstärkt
werden können.
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Der Wirkungsgrad des Rauchga-svorwäriners an sich betrachtet, wird
dabei, wie ge-.agt, allerdings geringer. War nämlich vorher bei Normalbetrieb die
Anfangstemperatur des Wassers vor Eintritt in den Vörwärmer 4o°, die Endtemperatur
i2o' und die mittlere Temperatur 8o°, so ergibt sich ein mittlerer Wärmegewinn von
8o WE pro KilogrammWasser. Wird bei Verringerung der Wassermenge auf die Hälfte
die Vorwärmung bei einer Anfangstemperatur von 4o° auf 16o° gebracht, so ist die
mittlere Wassertemperatur jetzt ioo°, und dementsprechend vermindert sich der Wirkungsgrad
des Vorwärmers infolge Abnahme der mittleren wirksamen Temperaturdifferenz zwischen
Abgasen und Wasser. Der Temperaturgewinn beträgt bei Vorwärmung der halben Wassermenge
auf 16o° jetzt i2o°. Es ergibt sich aber pro Kilogramm Wasser nur ein Wärmegewinn
von 6o WE. Dies bedeutet gegenüber dem Normalbetrieb des Vorwärrners eine Verminderung
um ao WE, doch ermöglicht sie die Deckung der Spitzenbelastung mit einem kleineren
Speicher, und das Verfahren ist daher dem normalen mit zwei Speichern vorzuziehen.
-Auch bei Anwendung von zwei Speichern lassen sich erfindungsgemäß wirtschaftliche
Vorteile erzielen. Angenommen z. B., in einer elektrischen Zentrale möge das Speisewasser
von 15° durch den Abdampf einer Turbospeisepumpe auf 4o° gebracht und vom Rauchgasvorwärmer
auf 8o° weitererhitzt werden. Man geht dann erfindungsgemäß in der Weise vor, daß
in Zeiten von Spitzenbelastungen der Kessel unter Abstellung der Turbopumpe aus
einem Speicher gespeist und das Wasser im Rauchgasvorwärmer unter Ausnutzung des
spezifischen Gewichts und gegebenenfalls des Druckes des kalten Speisewassers in
Umlauf gehalten wird und ein Teil (etwa"/,) des vorgewärmten Wassers in einem zweiten
Speicher aufbewahrt, der Rest aber in bekannter Weise in die Zuführungsleitung des
Vorwärmers zurückgeführt wird, um durch Vermischung mit dem kalten Wasser dessen
Temperatur zu erhöhen und ein Schwitzen des Vorw"armers zu verhüten. Es wird dadurch
erreicht, daß zunächst die Leistung des Vorwärmers an sich vollständig beibehalten
werden kann, denn die Menge des Wassers kann dieselbe bleiben, und durch richtige
Mischung kann auch die Anfangs-und Endtemperatur auf 4o bzw. 8o° gehalten werden.
Ferner aber erspart man durch Abstellen der Pumpe den Betriebsdampf für diese, der
früher dem Kessel entnommen werden mußte, und erzielt damit eine Ersparnis von etwa
3 °/o. Da die durch den Vorwärmer gehende Speisewassermenge während der Speisung
aus dem Speicher für den Kessel ohnedies nicht in Frage kommt, kann man sie außerdem
nach Belieben erhöhen oder verringern,
z. B. wenn man höhere oder
geringere Wassertemperatur oder größere bzw. geringere Gastemperatur und entsprechende
Zugregelung herbeiführen will. Auch kann man während dieser Zeit gänzlich oder eine
Zeitlang ohne Aufspeicherung von Vorratswasser verfahren und einen vollkommenen
oder teilweisen Wasserkreislauf im Vorwärmer herstellen, um das Wasser erst nach
dem Erreichen einer gewünschten hohen Temperatur zu verwenden oder aufzuspeichern.
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Ein weiterer Fall, in welchem durch die Erfindung große wirtschaftliche
Vorteile erzielt werden können, ist gegeben, wenn während des Betriebes Abdampf
zur Verfügung steht. Es ist bereits vorstehend erwähnt worden, daß die Erzeugung
hoher Wassertemperatur bei gleichbleibender Heizfläche des Vorwärmers eine Leistungsverringerung
des letzteren zur Folge hat, gleichgültig ob man die höheren Temperaturen durch
Verringerung der Wassermenge oder durch Erhitzung des Speisewassers vor dem Eintritt
in den Rauchgasvorwärmer erzielen will. Dieser bei Vorerhitzung des Wassers vor
dem Eintritt in den Vorwärmer sich ergebende Leistungsverlust des letzteren kann
nun auf anderer Seite, insbesondere bei Anlagen mit Vorwärmern kleinerHeizfläche
durch dieAnwendung von Abdampf zur Vorerhitzung in der Vorstufe, völlig ausgeglichen
werden und gegebenenfalls noch ein Gewinn herausgeholt werden, wenn diese Vorerhitzung
in Zeiten geringer Belastung erfolgt und das Wasser aufgespeichert wird, um in Zeiten
von Spitzenbelastung verwendet zu werden. Erfindungsgemäß wird man dabei in folgender
Weise vorgehen: Angenommen, das Speisewasser habe bei der Normalspeisung wiederum
eine Anfangsteinperatur von q.0° und eine Endtemperatur von zao°, müsse aber bei
Spitzenbelastung wiederum auf 16o° gebracht werden. Falls dann in Zeiten geringer
Belastung Überschuß an Dampf oder Abdampf vorhanden ist, wird man nicht darauf warten,
in Zeiten von Spitzenbelastung die durch den Vorwärmer zu schickende Wassermenge
zu vermindern und durch den Speicher nachzuhelfen, wie dies vorstehend beschrieben
ist, sondern .man benutzt jetzt den Abdampf dazu, einen Teil des zur Verfügung stehenden
Speisewassers von .4o auf 12o° vorzuerhitzen und dieses heiße Wasser dann aufzuspeichern.
In der Zeit der Spitzenbelastung schickt man dieses vorerhitzte Wasser durch den
Vorwärmer, der es jetzt auf 16o° bringt. Die mittlere Temperatur im Vorwärmer ist
dann 140', und es ergibt sich ein Gewinn von ¢o WE pro Kilogramm Wasser. Dies bedeutet
mit Bezug auf den Vorwärmer gegenüber dem Verfahren mit halber Wassermenge einen
Verlust von ?o WE und gegenüber der Normalspeisung einen weiteren Verlust von 2o
WE, zusammen also 40 WE, zurückzuführen auf die geringe Temperaturdifferenz zwischen
Abgasen und Eintrittswärme des Vorwärmers. Diesem Verlust aber steht mit Bezug auf
die Gesamtanlage der Gewinn gegenüber, der sich aus der vorhergehenden vollen Ausnutzung
des Hochdruckdampfes bei vollkommener Abdampfverwertung im Vergleich mit der üblichen,
mit Kondensatorbetrieb verbundenen Verwertung ergibt. Wenn man bedenkt, daß die
beste neuzeitliche Anlage mit Kondensation nur etwa 16 °/o der dem Hochdruckdampf
zugeführten Wärme ausnutzt, daß man aber bei völliger Ausnutzung des Abdampfes mit
mindestens 8o°/, Wirkungsgrad rechnen kann, so ergibt sich auf Konto der Vorerhitzung
durch den Abdampf ein Gewinn von etwa 4/5 des nunmehrigen Wirkungsgrades. Dieser
Gewinn kann also weit erheblicher sein als der Verlust an Wirkungsgrad im Vorwärmer,
und in allen Fällen, wo der Vorwärmer kleine Heizfläche hat, tritt gegenüber dem
Normalverfahren oder dem Verfahren mit verringerten Wassermengen nicht nur kein
Verlust, sondern ein erheblicher Gewinn an Gesamtwirtschaftlichkeit ein.
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Die Einrichtungen zur Durchführung der Erfindung können natürlich-
verschieden ausgeführt sein und bieten, nachdem die Durchführung der einzelnen Verfahren
einmal fest umrissen erklärt ist, keine Schwierigkeiten mehr. Eine besondere Einrichtung
nach der Erfindung aber besteht darin, daß in Fällen, wo nicht die gesamte durch
den Vorwärmer gehende Wassermenge dem Kessel zugeführt werden soll, am Vorwärmer
mehrere Entnahmestellen vorgesehen sind, die es ermöb liehen, an den einzelnen Stellen
Wasser der jeweils gewünschten Temperatur in jeweils gewünschter Menge zu entnehmen,
so daß eine bestimmte, jeweils ` erforderliche Endmenge von bestimmter, jeweils
erforderlicher Endtemperatur zur Einführung in den Kessel übrigbleibt. Diese Entnahmestellen
sind mit regelbaren Widerständen (Regelventilen) und mit Rückschlagventilen zu versehen,
welche es ermöglichen, durch Öffnung jeweils eines Ventils die gewünschte Endtemperatur
und Menge einzustellen. Um beim Wechseln der Durchflußmengen im Vorwärmer unliebsame
Zwischenfälle zu vermeiden, können die Vorwärmer :erfindungsgemäß ferner mittels
sehr enger Rohre in ständiger Verbindung mit dem Kessel gehalten werden, so daß
sie ununterbrochen unter Kesseldruck stehen. Die Verbindungsleitungen haben keine
Absperrmöglichkeit, und ihre Querschnitte sind so eng zu halten, daß selbst bei
Bruch der Leitungen ein nennenswerter Wasserverlust im Kessel nicht
entstehen
kann. Ferner sind diese Druckleitungen mit Alarmapparaten verbunden, die in Tätigkeit
treten, wenn in ihnen merkbare Druckunterschiede auftreten, beispielsweise infolge
Verstopfung.