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Verfahren zur Regelung des Wasserstandes @in Dampferzeugern mit Vorverdampifer
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung des Wasserstandes in Dampferzeugern,
die mit Obertrommel und Vorverdampferanlage ausgerüstet sind. Sie besteht darin,
daß ein größerer Teil der einzuspeisenden Wassermenge durch den Vorverdampfer geleitet
und ein kleinerer Teil unter seiner Umgehung dem Dampferzeuger zugeführt wird.
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Es ist zweckmäßig, die durch die Vorverdampferanlage strömende Speisewassermenge
in Funktion der abströmenden Dampfmenge oder der Feuerintensität zu regeln. Die
unter Umgehung des Vorverdampfers dem Dampferzeuger zugeführte Speisewassermenge
kann in Abhängigkeit des Wasserstandes in der Obertrommel und gegebenenfalls noch
zusätzlich in Abhängigkeit von der abströmenden Dampfmenge oder von der Feuerintensität
geregelt werden.
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Bekanntlich ist bei den mit natürlichem Umlauf betriebenen Strahlungskesseln
die Wärmeübertragung durch die am natürlichen Umlauf angeschlossenen Heizflächen
gegenüber den entsprechenden Heizflächen von Mehrtrommelkesseln verhältnismäßig
kleiner, so daß die nachgeschalteten, nicht mehr am natürlichen Umlaufsystem angeschlossenen
Berührungsheizflächen einen entsprechend größeren Wärmeanteil aufnehmen und übertragen
müssen. Von dieser verstärkten Wärmeübertragung
werden insbesondere
die zwangläufig durchströmten Speisewasservorwärmer betroffen, wodurch in denselben
öfter Dampfbildung eintritt.
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Solche Dampfbildung beeinflussen die an solchen Kesseln vorhandene
selbsttätige Wasserstandsregelung in sehr starkem Ausmaß. Jede Belastungsänderung
des Kessels und ebenfalls jede Änderung der den Speise-,vasservorwärmer durchströmenden
Wassermenge bewirkt nämlich eine entsprechende Veränderung des Wasserinhalts in
der Vorverdampferanlage.
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DieseVeränderung ist um so stärker, je tiefer der Betriebsdruck des
Dampferzeugers und je stärker die relative Dampfbildung in dem Vorverdampfer ist.
Diese Verhältnisse bewirken, daß jede Veränderung der Speisewassermenge erst mit
einer gewissen Verzögerung den Wasserstand in der Obertrommel beeinflußt.
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Es sind auch Heißdampfkühler bekannt, bei denen der zu kühlende Heißdampf
als Heizmittel zur Erzeugung und Überhitzung von Zweitdampf dient und der erzeugte
Dampf in die Heißdampfleitung eingeführt wird, wobei das Kühlmittel im Zwanglauf
umströmt. Dieses Verfahren kann bei Dampferzeugern mit oder ohne Ausdampftrommel
angewendet werden. An eine Regelung des Wasserstandes in der Obertrommel ist hierbei
nicht gedacht. Weiterhin ist es auch bekannt, die Regelung der durch die Vorverdampferanlage
geleiteten Speisewassermenge in Abhängigkeit von der abströmenden Dampfmenge erfolgen
zu lassen und die Regelung der dem Dampferzeuger zugeführten Speisewassermenge in
Abhängigkeit vom Wasserstand in der Obertrommel durchzuführen. Diesen bekannten
Verfahren ist jedoch kein Hinweis auf das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren
und die hiermit erreichbaren neuartigen Wirkungen zu entnehmen.
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Bei bekannten Verfahren zur Regelung des Wasserstandes in der Obertrommel
von Naturumlaufkesseln mit Speisewasservorwärmung wird das von einer Speisepumpe
geförderte Wasser über, ein Speiseregelventil der Vorverdampferanlage und der Obertrommel
zugeführt. Der Wasserstand in der Obertrommel wird mittels eines Höhenfühlers gemessen
und der von diesem gegebene Regelimpuls auf das Speisewasserregelventil i geleitet.
Handelt es sich um Dampferzeuger mit verhältnismäßig kleinem Wasserinhalt, die überdies
raschen Belastungsänderungen unterworfen sind, so ist bereits vorgeschlagen worden,
einen zusätzlichen Regelimpuls von der durch. den Überhitzer abströmenden Dampfmenge
auf das Speisewasserregelventil wirken zu lassen und dasselbe im Sinne einer Voreinstellung
zu beeinflussen. Um die im Beharrungszustand verbleibenden Höhenunterschiede in
der Obertrommel einer Kesselanlage möglichst in kleinen Grenzen zu halten, kann
nach bekannten Vorschlägen das Speisewasserregelventil mit einer nachgiebigen Rückführung
ausgestattet sein. Bei größeren Kesselanlagen mit mehreren Speisepumpen ist die
Zweckmäßigkeit erwiesen, die am Speisewasserregelventil wirksame Druckdifferenz
durch einen Druckdifferenzregier konstant zu halten.
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Bei diesem bekannten Regelschaltungen verursacht die verzögernde Wirkung
in der Trommelspeisung eine große Erschwerung der Regelbedingungen, falls in der
Vorverdampferanlage Dampfbildung auftritt. Zur Erzielung eines beständigen Regelverlaufs
ist es in solchen Fällen notwendig, den Regelvorgang entsprechend träge verlaufen
zu lassen, was zu großen vorübergehenden Wasserstandsschwankungen führt, die betriebstechnisch
unerwünscht sind.
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Mit der Erfindung läßt sich dieser Nachteil vermeiden, indem die im
Zusammenhang mit der Speisewasserregelung auftretenden Schwankungen der Speisewassermenge
von der Vorverdampferanlage ferngehalten werden, wodurch sich optimale Beaufschlagungsverhältnisse
desselben erzielen lassen. Im weiteren können durch Anwendung dieses Regelverfahrens
günstigere Bedingungen für die Wasserstandsregelung in der Obertrommel erreicht
werden, so daß ein rascher Regelablauf mit kleinen vorübergehenden Ausschlägen erzielbar
ist.
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Das Verfahren ist an Hand der in den Fig. i und 2 der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert.
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Das in die Kesselanlage gemäß F ig. i einzuspeisende Speisewasser
gelangt über die Speisepumpe i in den Vorwärmer 2, in welchem es nahe an seinen
Verdampfungspunkt aufgewärmt wird. An den Vorwärmer 2 sind die beiden Leitungsstränge
3 und i i angeschlossen. Der Leitungsstrang 3 führt über ein Regelventilgehäuse
5 und die Verbindungsleitung 6 direkt in die einen freien Wasserspiegel 8 aufweisende
Obertrommel ? eines Dampferzeugers. Die Stellung des im Ventilgehäuse 5 angeordneten,
Ventilkörpers 4 wird mittels des Übertragungsgestänges 9 vom Schwimmer io in Abhängigkeit
der Wasserspiegelhöhe 8 in der Obertrommel 7 geregelt.
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Der Leitungsstrang i i führt über ein Regelventilgehäuse 12 und eine
Verbindungsleitung 22 zur Vorverdampferanlage 14 und von dieser über die Leitung
15 in die Obertrommel 7. Von der ObertrOmmel 7 führt eine Leitung 16 zum überhitzer
17 und weiter über die Leitung 39 zur Verbrauchsstelle.
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Der im Regelventilgehäuse 12 angeordnete Ventilkörper 13 ist mit dem
Servomotorkolben i9 verbunden, dessen Zylinder 2o an die Steuerölleitung 21 angeschlossen
ist. Auf der einen Seite ist der Kolben i9 mittels der Druckfeder 18 gegen den Zylinder
2o abgestützt. Die Steuerölleitung 2 i ist an den Steuerschieber 23 angeschlossen,
der mit einer Zufuhrleitung 24 und einer Ablaufleitung 25 für Drucköl verbunden
ist. Der Kolbenschieber 26 des Steuerschiebers 23 steht mit den Membranen
27 und 28 von den Druckdifferenzfühlern 29 bzw. 30 in Verbindung.
Beide Druckräume des Druckdifferenzfühlers 29 sind vor bzw. nach einer in der Leitung
39 vorgesehenen :Meßblende 33 über Leitungen 31 bzw. 32 verbunden. Die durch
die Membran 28 getrennten Druckräume
des Druckdifferenzfühlers
3o sind über Leitungen 34 bzw. 35 nach bzw. vor der in die Verbindungsleitung 22
eingebauten Meßblende 36 angeschlossen. Der Sollwert der an der Blende 36 jeweils
erforderlichen Druckdifferenz wird in Abhängigkeit von der Druckdifferenz an der
Blende 33 eingestellt, welche ein Maß für die durch die Leitung 39 abströmende Dampfmenge
ergibt. Nimmt beispielsweise die durch die Leitung 39 abströmende Verbrauchsdampfmenge
zu, so vergrößert sich die Druckdifferenz zwischen den vor und hinter der Meßblende
33 herrschenden Drücken, so daß sich die Membran 27 und der Kolbenschieber 26 nach
abwärts verschieben. Dadurch wird eine Verbindung zwischen der Steuerölleitung 2i
und der Ablaufleitung 25 hergestellt, wodurch der Kolben i9 unter der Spannungswirkung
der Druckfeder 18 nach rechts verschoben und der Ventilkörper 13 in Öffnungsrichtung
bewegt wird. Entsprechend der größeren, durch die Leitung 39 abströmenden Verbrauchsdampfmenge
wird daher eine größere Wassermenge über die Leitung 22 der Vorverdampferanlage
14 und aus dieser über die Leitung 15 der Trommel 7 zugeführt, die eine Vergrößerung
der Druckdifferenz in den Leitungen 34, 35 hervorruft, welche eine Rückführung der
Membran 28 und das Schließen des Kolbenschiebers 26 zur Folge hat, sobald zwischen
den Membranen 27, 28 der neue Gleichgewichtszustand zwischen über die Leitung 22
einströmendem Speisewasser und über die Leitung 39 ausströmendem Verbrauchsdampf
eingetreten ist.
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Die verhältnismäßige Einstellung der beiden Regelventile 5 und 12
zueinander erfolgt derart, daß ein größerer Teil der einzuspeisenden Wassermenge
durch die Vorverdampferanlage 14 und ein kleinerer Teil unmittlbat über die Leitung
6 dem Dampferzeuger zugeleitet wird.
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Bei der Dampferzeugeranlage nach Fig.2 gelangt das von der Speisewasserpumpe
i eingespeiste Wasser über die Verteilleitungen 3, 11 zu den Ventilen 5 bzw. 12
und von diesen über die Leitung 6 bzw. über die Leitung 22, die Vorverdampferanlage
14 und die :Leitung 15 in die Kesseltrommel 7. Aus dieser strömt der Sattdampf über
die Leitung 16 in den Überhitzer 17 und von diesem über die Leitung 39 zur Verbrauchsstelle.
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Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. i ist auch im Beispiel
nach Fig. 2 in die Leitung 39 eine Meßblende 33 von gleichbleibendem Durchflußquerschnitt
eingebaut. Vor und nach derselben sind die zum Druckdifferenzfühler 29 führenden
Meßleitungen 31 bzw. 32 angeschlossen. Die im Druckdifferenzfühler 29 angeordnete
Membran 27 ist mit dem Kolbenschieber 26 verbunden, während das andere Ende dieses
im Zylindergehäuse 23 angeordneten Kolbenschiebers 26 an der Membran 28 des mit
den @Meßle'itungen 34 und 35 verbundenen Dtuckdiffe-renzfühlers 3o befestigt ist.
Die M(eßleitungen 34, 35 sind nach bzw: vor der Meßblende 36 an die Leitung a2 angeschlossen.
Das Schielbergehäuse 2"3 ist mit Leitungen 24 für die Zufuhr und 25 für den Ablauf
von Drucköl verbunden. Vom mittleren Ringraum des Schiebers 23 führt die Steuerölleitung
21 zum S ervomotorzylinder ,2o, dessen mit einer Druckfeder 18 belasteter Kolben
i9 den Ventilkörper 13 betätigt.
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Auf dem Wasserspiegel 8 in der Obertrommel 7 ist ein Schwimmer io
vorgesehen, welcher am einarmigen Schwenkhebel 4o befestigt ist. Am Hebel 4o ist
das Übertragungsgestänge 41 aasgelenkt und mit einem Ende des Ventilsteuerhebels
42 verbunden. Das andere Ende des Steuerhebels 42 ist über eine Kolbenstange 43
mit dem durch die Feder 46 belasteten Servomotorkolben 44 verbunden, welcher im
Druckzylinder 45 angeordnet ist. An den Druckzylinder 45 ist die Steuerölleitung
47 angeschlossen, welche mit dem Regelschiebergehäuse 48 verbunden ist, das mit
der Leitung 24 für die Zufuhr und mit der Leitung 25 für die Ableitung von Drucköl
in Verbindung steht. Der mit Durchlässen 49 versehene Regelschieber 5o ist an die
Membran 5 i des Druckdifferenzfühlers 52 angeschlossen, dessen beide Druckräume
über Leitungen 53 bzw. 38 mit den Leitungen 31 bzw. 32 kommunizieren. Zwischen dem
Gestänge 41 und der Kolbenstange 43 ist am Steuerhebel 42 die mit dem Ventilkörper
4 verbundene Ventilspindel 37 angelenkt. Mittels dieser Anordnung können die vom
Schwimmer io bzw. vom Kolben 44 erzeugten Regelbewegungen ohne gegenseitige Beeinflussung
auf den Ventilkörper 4 übertragen werden.
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Die verhältnismäßlgeGrundeinstellung der beiden Ventilkörper 4, 13
ist derart getroffen, daß ein größerer Teil der einzuspeisenden Wassermenge durch
die Leitung 22 und die Vorverdampferanlage 14 und ein kleinerer Teil unmittelbar
durch die Leitung 6 in den Dampferzeuger eingeführt wird.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise der Regelvorrichtung gemäß Fig.2 wird
von einem betrieblichen Gleichgewichtszustand ausgegangen, in welchem die durch
die Leitung 39 abströmende Verbrauchsdampfmenge durch eine entsprechende, über die
Leitung 6 und den Vorwärmer 14 eingespeiste Wassermenge laufend ersetzt wird. Findet
nun eine Erhöhung der Verbrauchsdampfmenge statt, so nimmt die Geschwindigkeit des
durch die Meßblende 33 strömenden Dampfes zu. Diese Geschwindigkeitszunahme bewirkt
eine Vergrößerung- der Druckdifferenz in den Meßleitungen 31 und 32. Dadurch wird
einesteils die Membran 27 mit dem Kolbenschieber 26 und anderenteils die Membran
5 i mit dem Regelschieber 5o nach abwärts gedrückt. Die Verschiebung des Kolbenschiebers
26 stellt eine Verbindung der Steuerölleitung 21 mit der Ablaufleitung 25 her. Die
Druckfeder 18 kann dadurch den Kolben i9 und mit ihm den Ventilkörper 13 nach rechts
(Fig.2) verschieben, so daß sich die durch das Ventil 12 strömende Wassermenge vergrößert.
Die erhöhte Wassergeschwindigkeit an der Meßblende 36 bewirkt eine größere Druckdifferenz
in den Meßleitungen 34 und 35 und damit in den beiden Druckräumen des Druckdifferenzfühlers
30, wodurch die Membran 28 den Kolben 26 nach aufwärts führt und die Verbindung
zwischen der Steuerölleitung 21 und den Leitungen 24, 25 unterbricht.
sobald
der neue Gleichgewichtszustand zwischen der über die Leitung z2 fließenden Wassermenge
und dem durch die Leitung 39 strömenden Verbrauchsdampf hergestellt ist.
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Durch die Bewegung des Regelschiebers 5o nach abwärts wird zwischen
der Druckölleitung 24 über die Bohrung 49 mit dem Schiebergehäuse 48 eine Verbindung
hergestellt, wodurch so lange Drucköl in das Schiebergehäuse 48 und über die Steuerölleitung
47 in den Servomotorzylinder 45 nachströmt, bis die vergrößerte, auf die Membran
51 wirkende Druckdifferenz mit dem auf den Regelschieber 5o wirkenden vergrößerten
Oldruek im Gleichgmvicht ist. Der Kolben 44 wird dadurch entgegen dem Druck der
Feder 46 nach abwärts geschoben, wobei einer jeden Druckhöhe des Steueröles in der
Leitung 47 einte bestimmte, von der Charakteristik der Feder 46 abhängige Stellung
des Kolbens 44 entspricht. Infolge dieser Bewegung des Kolbens 44 führt der
Steuerhebel 42 am Gestänge 41 eine Schwenkung in Gegenuhrzeigerrichtung aus, wodurch
die Spindel 37 den Ventilkörper 4 in öffnungsrichtung bewegt. Die durch das Ventil
5 über die Leitung 6 in die Trommel 7 geleitete Speisewassermenge vergrößert sich..
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Die in Abhängigkeit der durch die Leitung 39 abströmenden Dampfmenge
erzielte Regelung des Ventils 5 besitzt den Charakter einer Voreinstellung. Die
über die Leitung 6 und die Vorverdampferanlage 14 in die Trommel eingespeiste Wassermenge
wird, falls über die Leitung 16 nicht eine entsprechende Menge Saudampf abströmt,
ein Steigen des Wasserspiegels 8 zur Folge haben, so daß der Schwimmer io sich hebt
und, über das Gestänge 41 eine Schließbewegung des Ventilkörpers 4 einleitet.
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Es wäre möglich, das Regelventil 5 mit einer nachgiebigen Rückführung
auszurüsten, und. es könnte, insbesondere bei Vorhandensein mehrerer Speisepumpen
i, eine Druckdifferenzregelung vorgesehen sein, mittels welcher die am Regelventil
5 wirkende Druckdifferenz. konstant gehalten wird. Die Ansdhlußstellen der Leitungen
6, 15 zur Einleitung des Speisewassers in den, Dampferzeuger könnten an anderen
geeigneten sStellen als den in den Ausführungsbeispielen gezeigten vorgesehen sein.
Auch der Einbau der Meßblende 33 ist nicht an die in den Ausführungsbeispielen gezeigte
Stelle gebunden, da hierfür beispielsweise ebenfalls die Leitung 16 oder der überhitzen
17 in Betracht kommen kann. Anstatt die Ventile 5, 12 auf mechar nischem oder hydraulischem
Wege zu regeln, könnte dies pneumatisch, elektrisch usw. geschehen:. Anstatt den
Kolbenschieber 26 und gegebenenfalls den :Regelschieber 5,o mittels eines Druckdifferenzfühlers
durch die abströmende Dampfmenge zu beeinflussen, wäre es möglich, einen anderen
Regelimpuls auf diese Schieber einwirken zu lassen, z. B. die Feuerintensität oder
damit im Zusammenhamg stehende Steuergrößen., wie Brennstoffmenge, Verbrennungsluftmenge,
Rauchgasmenge usw. Die Regelimpulse könnten gegebenenfalls zur Leistungsregelung
der an, die Speisepumpen i angeschlossenen Antriebsmaschinen zum Ersatz der Steuerung
von. Regelventilen 5, 12, welche dadurch in; Wegfall kommen können, herangezogen
werden. Falls für die Kesselspeisung mehrere Speisepumpen vorgesehen sind, könnte
eine Anzahl der Pumpen. auf das Ventil 5 und die übrigen. Pumpen unabhängig vom
ersteren, auf das Regelventil 1:2 arbeiten, durch. welche Maßnahme sich die Drosselverluste
auf ein Mindestmaß herabsetzen; lassen. Es wäre möglich, das Regelventil 12 durch
einen vom Wasserstand in der Trommel 7 ausgelösten Grenzimpiuls in der Weise zu
beeinflussen, da,ß bei Überschreitung einer bestimmten oberen: Grenzspiegelhöhe
das Ventil 12 geschlossen wird.