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Umwälzdampferzeuger mit besonderen Überhitzern für Umlaufdampf und
Nutzdampf Die Erfindung bezieht sich auf einen sogenannten Umwälzkessel, d. h. einen
Dampferzeuger mit unbefeuertem Verdampfer, in welchem die Dampferzeugung dadurch
erfolgt, daß ihm mittels einer Umwälzpumpe Sattdampf entnommen wird und dieser über
einen Überhitzer in den Flüssigkeitsraum des Verdampfers eingeblasen wird. Bei dieser
- Art der Dampferzeugung, welche nur für hohe Drücke in Betracht kommt, ist bei
gegebenem Druck die Menge des umzuwälzenden Dampfes und damit die Leistung der Umwälzpumpe
um so geringer, j e höher die Überhitzung ist. Da die Umwälzarbeit einen nicht unbeträchtlichen
Verlust darstellt, ist es geboten, die Überhitzung möglichst hochzutreiben. Die
zwangsläufige Beherrschung der Dampfgeschwindigkeit im Überhitzer mittels der Umlaufpumpe
gestattet auch beisolchen Dampferzeugern ohne Gefährdung des Überhitzers mit der
Dampftemperatur bis zu jener Grenze zu gehen, welche mit Rücksicht auf die Wandtemperatur
der Überhitzerrohre noch zugelassen werden kann, denn durch Regeln der Umwälzpumpe
kann die Überhitzung unabhängig von allen Schwankungen des Betriebes stets gleichbleibend
gehalten werden. Soll auch der Nutzdampf dieselbe hohe Überhitzung erhalten, was
für den Wirkungsgrad der Kraftmaschinen von Vorteil ist, so ergibt sich dieNotwendigkeit,
auch bei diesem ein gelegentliches Überschreiten der zulässigen Temperatur - z.
B. bei plötzlichem Sinken der Kesselbelastung - mit Sicherheit zu verhüten.
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Aus diesem Grunde wurden derartige Dampferzeuger bisher stets so ausgeführt,
daß sowohl der zur Dampferzeugung nötige Umlaufdampf als auch der Nutzdampf- von
der Umwälzpumpe durch den Überhitzer gefördert wird und die Nutzdampfleitung von
der Umlaufleitung hinter dem Überhitzer abgezweigt wird. Hierdurch wird erreicht,
daß auch für den Nutzdampf die gleiche hohe Überhitzung wie für den Umlaufdampf
mit Sicherheit beherrscht werden kann. Die Schwankungen der Belastung wirken sich
dann als Druckschwankungen aus, welche durch die Feuerführung ausgeglichen werden.
Diese Arbeitsweise hat aber den Nachteil, daß die Umwälzpumpe bedeutend mehr Arbeit
leisten muß, als für die Dampferzeugung allein erforderlich ist. Es sind z. B. für
die Erzeugung von z kg Wasserdampf bei 13o at 1,5 kg Umlaufdampf bei rund
500° C Dampftemperatur erforderlich, wenn das Speisewasser bis zur Sättigungstemperatur
vorgewärmt ist. Da die Umwälzpumpe aber nicht nur diese 1,5 kg, sondern auch noch
das erzeugte Kilogramm Nutzdampf durch den Überhitzer fördern muß, wird ihr Kraftbedarf
um rund 65°/o größer als für die Dampferzeugung nötig wäre.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung dieses Verlustes
bzw. Arbeitsaufwandes für die Förderung des Nutzdampfes bei gleichzeitiger Wahrung
der Sicherheit gegen ein Überschreiten der zulässigen Überhitzung des Nutzdampfes
durch zwangläufige Beherrschung der Dampfströmung. Es wird dies dadurch erreicht,
daß in der bereits bekannten Anprdnung
mit gesonderten Überhitzern
für den Umlauf-. dampf und den Nutzdampf hinter dem Nutzdampfüberhitzer noch eine
mit einem Rückschlagventil versehene Zweigleitung nach dem Flüssigkeitsraum des
Verdampfers geführt wird und der gesamte erzeugte Dampf auch durch den Nutzdampfüberhitzer
gepumpt werden kann. Eine solche Anlage gemäß der.Erfindung kann dann so betrieben
werden, daß der Nutzdampf normalerweise, wenn die Überhitzung unter der zulässigen
Grenze liegt, frei; d. h. ohne Aufwand von Umwälzarbeit, durdh den Überhitzer strömt
und eine zwangsweise Förderung durch den Nutzdampfüberhitzer -nur dann einsetzt,
wenn infolge plötzlicher Entlastung die Nutzdampfüberhitzung an die zulässige obere
Grenze kommt. Die dann zum Niederhalten der Dampftemperatur durch den Nutzdampfüberhitzer
gepumpte, den augenblicklichen Bedarf übersteigende Dampfmenge strömt durch die
erwähnte Zweigleitung und das Rückschlagventil zum Verdampfer zurück. Sobald der
Gleichgewichtszustand zwischen Dampferzeugung und Dampfbedarf wieder hergestellt
ist, kann die zwangsweise Förderung durch den Nutzdampfüberhitzer wieder fortfallen.
Die Überhitzer sind im Feuerraum bzw. den Rauchgaszügen des Kessels so angeordnet,
daß sich bei dem vorgesehenen normalen Verhältnis zwischen Umlauf- und Nutzdampfmenge
in beiden dieselbe Dampftemperatur (oder gegebenenfalls ein gewünschter Temperaturunterschied)
ergibt.
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Die Erfindung kann z. B. mit zwei Umwälzpumpen (je einer vor dem Nutzdampf-
bzw. Umlaufdampfüberhitzer) ausgeführt werden. Die Umwälzpumpe für den Umlaufdampf
wird dann in üblicher Weise nach Maßgabe seiner gleich zu haltenden Überhitzung
geregelt, während die Umwälzpumpe für den Nutzdampf so geregelt wird, daß sie normalerweise
leer oder nahezu leer läuft, also keine nennenswerte Arbeit für eine Förderung des
Nutzdampfes zu leisten hat. Steigt aber infolge einer plötzlichen Lastsenkung die
Temperatur des Nutzdampfes bis zur zulässigen Grenze, so wird die Drehzahl bzw.
Fördermenge der Nutzdampfumwälzpumpe so weit gesteigert, daß die nötige Dampfmenge
durch den Überhitzer geht; der Überschuß strömt dann durch die erwähnte Zweigleitung
und das Rückschlagventil in den Flüssigkeitsraum des Verdampfers. Dieser Zustand
dauert nur so lange, bis die Feuerung der geringen Belastung angepaßt ist. E's sinkt
dann die Temperatur des Nutzdampfes, und die Nutzdampfumwälzpumpe wird so weit heruntergeregelt,
daß sie nur noch leer läuft. Das Rückschlagventil in der Zweigleitung zum Verdampfer
verhindert ein Überströmen von Dampf oder Wasser in die Nutzdampfleitung, wenn beim
Leerlaufen der Umwälzpumpe der Druck in- der Nutzdampfleitung geringer als im Verdampfer
ist.
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Abb. i zeigt sinnbildlich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der
unbefeuerte Verdampfer i wird von der Speisepumpe 2 gespeist. Der Sattdampf wird
dem Verdampfer durch die Leitung 3 entnommen, an welche die Umwälzpumpen .4 und
5 für den Umlaufdampf bzw. den Nutzdampf angeschlossen sind. Erstere fördert den
Umlaufdampf durch den Überhitzer 6 und die Leiturig 7 in den Flüssigkeitsraum des"
Verdampfers. Der Nutzdampf geht durch den Übeihitzer 8 und die Frischdampfleitung
g zu den Verbrauchern. Von der Leitung g -führt noch eine Zweigleitung =o, in welche
ein @Rückschlagventil =i eingebaut ist, nach der Leitung 7 und somit zum Flüssigkeitsraum
des Verdampfers.
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Die Umwälzpumpen werden in der oben beschriebenen Weise geregelt.
Der Leerlauf der Pumpe 5 kann durch eine verhältnismäßig geringe Drehzahlsenkung
erreicht werden, wenn eine Kolbenpumpe mit selbsttätigen Ventilen oder eine Kreiselpumpe
verwendet wird. Im ersteren Falle genügt es, die Drehzahl nur so weit zu vermindern,
daß die Fördermenge etwas geringer als die verbrauchte Nutzdampfmenge wird. Es fällt
dann der Druck hinter der Umwälzpumpe, die Saug- und Druckventile bleiben offen
und der Dampf strömt frei durch dieselben, während der Kolben im Zylinder leer läuft.
Im zweiten Falle ist auch nur eine verhältnismäßig geringe Drehzahlsenkung nötig,
um die Arbeit der Pumpe auf ein ganz geringes Maß zu beschränken, da die Leistung
einer Kreiselpumpe ungefähr mit der dritten Potenz der Drehzahl sinkt. Die Umwälzpumpe
5 ist infolgedessen stets in voller Bereitschaft, um im Falle einer Temperatursteigerung
des Nutzdampfes sofort einzugreifen.
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Das Regeln der Umwälzpumpe 5 kann auch selbsttätig (in bekannter Weise)
- nach Maßgabe der Temperatur des Nutzdampfes oder der Wandungstemperatur des Überhitzers
8 erfolgen, was in Abb. i noch durch die gestrichelte Verbindung 12, angedeutet
ist.
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Die Erfindung bietet bei dieser Ausführung noch den weiteren Vorteil,
daß es durch einfache Maßnahmen möglich ist, im Falle des Versagens -einer Umwälzpumpe
auch ohne Ersatzpumpen den Kessel mit voller Sicherheit bei einer Teilleistung weiter
in Betrieb zu halten. Abb. 2 zeigt eine solche Ausführung des Erfindungsgegenstandes.
Die Bezeichnungen sind die gleichen wie in Abb. i, doch ist hinter den Umwälzpumpen
4 und 5 noch eine Verbindungsleitung 13 mit Absperrventil 14 sowie vor den Umwälzpumpen
noch je ein Absperrventil 15 und 16 angeordnet. Normalerweise ist Ventil 15 und
16 offen, Ventil 14 geschlossen, derBetrieb vollzieht sich dann genauso,
wie
oben einer Störung die eine Umwälzpumpe aus, so wird das zugehörige Ventil 15 oder
16 geschlossen und Ventil 1q. geöffnet. Die andere Pumpe fördert dann allein - den
Dampf durch beide Überhitzer, welche bei dem normalen Verhältnis der Umlauf- und
Nutzdampfmenge etwa gleichen Widerstand ergeben. Wird aus der Leitung 9 infolge
einer Belastungsschwankung weniger Dampf entnommen als der eingestellten Leistung
der Umwälzpumpe (und Feuerung) entspricht, so kann die Überhitzung des Nutzdampfes
nicht zu hoch steigen, weil dann ein Teil des vom Überhitzer 8 kommenden Dampfes
durch Leitung io in den Verdampfer geht, da wegen des Rückschlagventils ii der Druck
hinter dem Überhitzer 8 nicht höher als hinter dem Überhitzer 6 werden kann.
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Durch Anordnung je eines weiteren Ventils unmittelbar hinter den Um«,älzpumpen
q. und 5 kann im Falle eines Versagens die betreffende Pumpe ganz gegen den Dampf
abgesperrt und ohne Störung des Betriebes nachgesehen werden. Sind die beiden Umwälzpumpen
nur für die ihnen bei Vollast zukommenden Dampfmengen bemessen, so kann z. B. bei
den eingangs erwähnten Verhältnissen (Wasserdampf von 13o at Druck und
500' C Temperatur) der Kessel bei Ausfall der Pumpe 5 mit 6o °/o, bei Ausfall
der Pumpe q. mit 4o l)/, der Volleistung weiterbetrieben werden. Wird Pumpe 5 gleich
der Pumpe q. ausgeführt, so ist der Leistungsrückhalt in jedem Fall 6o"/,.
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Um das gesonderte Regeln der beiden Umwälzpumpen zu vermeiden, sieht
die Erfindung auch eine Anordnung mit gemeinsamem Antrieb der beiden U nwälzpumpen
vor, deren Drehzahl und Förderleistung in diesem Fall in ein bestimmtes Verhältnis
gebracht und lediglich in üblicher «'eise nach der Temperatur des Umlaufdampfes
geregelt werden. Um die Umwälzpumpe für den Nutzdampf bei der normalen Überhitzung
zu entlasten, ist diese durch eine Umgehungsleitung überbrückt; ein in diese eingebautes
Ventil oder ein an der Abzweigungsstelle angeordnetes Drei`,vegventil sperrt aber
den Durchgang .durch die Umgehungsleitung, sobald die Überhitzung des Nutzdampfes
die zulässige obere Grenze erreicht. Die Nutzdampfumwälzpumpe fördert dann die nach
Maßgabe des Umlaufdampfes nötige Nutzdampfmenge durch den Überhitzer, -und der Dampfüberschuß
geht durch das Rückschlagventil der Zweigleitung zum Verdampfer.
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Abb. 3 zeigt eine solche Anordnung. Die Umwälzpumpen q. und 5 haben
einen gemeinsamen Antrieb, was durch die dünne Verbindungslinie angedeutet ist;
dieser wird nach der Temperatur des Umlaufdampfes geregelt. Die Pumpe 5 ist durch
die Umgehungsleitung 17 überbrückt, welche beim- Überschreiten der zulässigen Nutzdampftemperatur
beispielsweise durch ein Ventil 18 abgesperrt wird. Die Regelmöglichkeit dieses
Ventils nach Maßgabe der Überhitzung ist durch die gestrichelte Linie i9 angedeutet.
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Beim Anwenden von Kolbenpumpen mit selbsttätigen Ventilen kann auch
bei gemeinsamem Antrieb die Umgehungsleitung der Nutzdampfpumpe fortfallen. Die
Nutzdampfpumpe ist dann so bemessen, daß ihre Fördermenge im Verhältnis zu jener
der Umlaufdampfpumpe etwas kleiner ist als die Nutzdampfmenge im Verhältnis zur
Umlaufmenge bei der vorgesehenen Überhitzung. Diese Anordnung ist in Abb. q. sinnbildlich
dargestellt. Die Drehzahlen der beiden Kolbenpumpen q. und 5 sind - etwa durch eine
gemeinsame Antriebswelle -in ein Zwangsverhältnis gebracht, was in der Zeichnung
durch die dünne Verbindungslinie veranschaulicht ist. Die beiden Pumpen werden gemeinsam
nach der Umlaufdampfüberhitzung geregelt, was durch die gestrichelte Linie 2o angedeutet
wird. Da im Beharrungszustand bei dem einzuhaltenden Druck und der eingeregelten
Überhitzung die entnommene Nutzdampfmenge etwas größer als die Fördermenge der Umwälzpumpe
5 ist, bleiben deren selbsttätige Ventile dauernd geöffnet, der Nutzdampf strömt
frei durch die Pumpe, deren Kolben leer laufen. Infolgedessen ist auch der Druck
in Leitung 9 geringer als in Leitung 7, das Rückschlagventil ii bleibt also geschlossen.
Sinkt nun plötzlich die Dampfentnahme, so kann durch die Umwälzpumpe 5 aber nicht
weniger Dampf durchgehen als ihrem Fördervolumen entspricht. Es wird also die entsprechende
Dampfmenge auch weiter durch den Überhitzer 8 gefördert. Infolgedessen steigt der
Druck in Leitung 9 und io, bis sich das Rückschlagventil ii öffnet; der Überschuß
strömt dann durch Leitung 7 in den Verdampfer. Dieser Zastand dauert nur so lange,
bis die Feuerregelung nachgekommen und das Gleichgewicht zwischen Dampferzeugung
und Dampfentnahme wieder hergestellt ist. Die Umwälzpumpe 5 fällt dann wieder von
selbst in den Leerlauf zurück.
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Die Erfindung kann auch mit nur einer Umwälzpumpe ausgeführt werden,
was beispielsweise in Abb. 5 sinnbildlich dargestellt ist. In diesem Falle ist die
Umwälzpumpe q. in der Zuleitung des Umlaufüberhitzers 6 angeordnet, während in die
Zuleitung 26 des Nutzdampfüberhitzers 8 ein Rückschlagventil a2 eingebaut ist. Vor
den beiden Lberhitzern ist noch eine mittels eines Ventils 21 absperrbare Verbindungsleitung
25 angeordnet. Dieses Ventil ist normalerweise geschlossen, der Nutzdampf strömt
frei durch das Rückschlagventi122 und den Überhitzer 8 in die Frischdampfleitung
9, wo der Druck dann niedriger als in der Umlaufleitung 7 sein muß, so daß das Rückschlagventil
ii
geschlossen bleibt. Sinkt nun die Dampfentnahme aus Leitung 9 so schnell, daß die
Überhitzung des Nutzdampfes die zulässige obere Grenze erreicht, so wird das Venti12i
geöffnet. Infolge des Druckunterschiedes vor und hinter der Umwälzpumpe q. schließt
sich dann das Rückschlagventil22. Durch den Überhitzer 8 muß jetzt die dem vorgesehenen
Mengenverhältnis zwischen Umlauf- und Nutzdampfmenge entsprechende Dampfmenge durchgehen
und der Überschuß durch Leitung io und Rückschlagventil ii nach dem Verdampfer strömen,
da die Widerstände oder Druckverluste in den beiden nebeneinander geschalteten und
ähnlich angeordneten Überhitzern dann gleich werden können. Die durch den Überhitzer
8 strömende Dampfmenge kann nicht geringer als jenem Mengenverhältnis entsprechend
werden, da infolge des Rückschlagventils ii der Druck in Leitung 9 nicht höher als
in Leitung 7 sein kann.