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Vorrichtung zum Regeln einer Hochdruck-Röhren-Dampfkesselanlage mit
Zwangsdurchlauf des Wassers Die vorliegende Erfindung bezieht sich. auf eine Hochdruck-Röhren-Dampfkesselanlage
zur Erzeugung von besonders reinem, wasser-, staub- und gasfreiem Hochdruckdampf.
Der dabei verwendete Dampferzeuger besteht aus einem Rohrsystem, in welches das
Wasser an einem. Ende eingespeist und worin es ohne Kreislauf und ohne Überhitzung
und nachfolgende Entspannung in Dampf verwandelt wird. Um bei solchen Dampferzeugern
ein Ausscheiden der im Speisewasser enthaltenen Härtebildner und Salze zu verhüten,
ist vorgeschlagen worden, über die zu verdampfende Speisewassermenge hinaus einen
Wasserüberschuß,. z. B. ro % mehr Wässer als das zu verdampfende, mittels
der Speisepumpe einzuführen und das Kesselwasser bis auf diesen Wasserüberschuß
beim Durchströmen des Rohrsystems zu verdampfen. Beim Austritt aus dem Verdampfungsrohrsystem
wird das überschüssige Wasser- dann vom Dämpf in einem Abscheider, "dessen wasserbenetzte
Flächen gleichzeitig den Staub des Dampfes zurückhalten, getrennt, der gereinigte
trockene Dampf wird durch den Überhitzer hindurch seiner Verwendungsstelle zugeführt,
während der mit den gelösten Stoffen des Wassers und dein Staubgehalt des Dampfes
beladene Wasserüberschuß, nachdem er gegebenenfalls in einem Wärmeaustauscher den
größten Teil seiner Wärme an das Speisewasser abgegeben hat, aus der Dainpferzeugungsanlage
heraus, z. B. auf Schiffen nach See, abgeleitet wird. Die Größe des unverdampft
bleibenden Wasserüberschusses, der aus dem Abscheider abgeleitet wird, wird dabei
so gewählt, daß die Löslichkeitsgrenze der im Speisewasser gelösten Bestandteile
während des Verdampfungsvorganges nicht überschritten wird. Auf diese Weise soll
erreicht werden, daß an keiner Stelle der Dampferzeugungsanlage hochkonzentrierte
Lösungen entstehen können,. die zur Bildung von Kesselsteinansätzen oder zu Schädigungen
des Baustoffes der Rohre Anlaß geben.
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Das Verhältnis des Wasserüberschusses zur Menge des erzeugten Dampfes
wird dabei mit abnehmender Belastung des Dampferzeugers . vergrößert. Hierdurch
wird auch bei geringen Belastungen des Dampferzeugers eine genügend gute Benetzung
und Durchspülung der Rohrschlangen erreicht.
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Die Erfindung bezweckt die weitere Durchbildung- der für ein einwandfreies
Arbeiten einer solchen Kesselanlage notwendigen Regelungsvorrichtungen. Sie besteht
im wesentlichen darin, daß Einrichtungen vorgesehen sind, durch die sowohl das Speisewasser
in Abhängigkeit von der- Menge des erzeugten Dampfes und in Abhängigkeit von der
Menge
des abgeschiedenen Überschußwassers als auch die Menge des
ablaufenden Überschußwassers in Abhängigkeit von der Speisewassermenge geregelt
werden.
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In der Zeichnung sind die durch die Erfindung vorgeschlagenen Regelungsvorrichtungen
in einem Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung durch die gesamte Dampferzeugungsanlage
veranschaulicht.
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Der Feuerraum i des Dampfltessels wird durch Ölbrenner 2 beheizt und
setzt sich nach oben in einen Rauchgaszug 3, 5 mit Luftvorwärmer 4 fort. Ein Gebläse
6 drückt die Verbrennungsluft durch den Luftvorwärmer 4 und die beiderseitigen Heißluftleitungen
7 zu den Ölbrennern 2. Durch die Leitung 8 gelangt das von der nicht dargestellten
Kraftmaschinenanlage zurückgewonnene Kondensat in einen Sammelbehälter g. Soweit
das Kondensat zur Speisung des Dampferzeugers nicht ausreicht, wird ihm durch Leitung
io Rohwasser aus einem Behälter i i mit Zuführungsleitung 12 zugesetzt. Dem Rohwasser
kann aus einem Behälter 13 zur Erhöhung der Löslichkeit seiner Härtebildner in üblicher
Weise Säure in regelbarer Menge zugesetzt werden. Eine Pumpe 14 fördert das Speisewasser
aus dem Behälter 9 durch eine Leitung 15 in einen Entgaser und Mischvorwärmer 16,
dem durch eine Leitung 17 mit Regelventil 18 Abdampf zugeführt wird. Durch ein in
die Leitung 15 eingeschaltetes Regelventil ig, das, wie durch den Schwiminer 2o
und Einflußiinie 2i versinnbildlicht ist, vom Wasserstand im Entgaser 16 gesteuert
wird, wird die Fördermenge der Pumpe 14 geregelt. In die Leitung i5 ist ein Wärmeaustauscher
22 eingeschaltet, worin das aus dem Kessel abfließende Überschußwasser, bevor es
durch Leitung 23 abläuft, den letzten Teil seiner Wärme an das Speisewasser abgibt.
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Aus dem Entgaser und Mischvorwärmer 16 wird das gasfreie Speisewasser
von der Speisepumpe 24 mit einem Druck von z. B. i2o atü durch die Leitungen 25
und 26 in den Speisewasservorwärmer 27 gedrückt, der sich im obersten Teil des Rauchgaszuges
3 befindet. In die Speiseleitung 25 ist in an sich bekannter Weise ein Speiserückschlagventi128,
ein Speiseregelventi129 sowie ein Regelventil. 3o eingeschaltet, das einen gleichbleibenden
Unterschied der Speisewasserdrücke vor und-hinter dem Speiseregelventil 29 herbeiführt.
Das Speiseregelventil 29 wird von dein Wasserstand in einem Gefäß 31 auf irgendeine
bekannte Weise gesteuert, was durch den Schwimmer 32 und die Einflußlinie 33 versinnbildlicht
wird. Die SpeiseleituMg 25 mündet in einen Wärmeaustauscher 34, worin das aus dem
Dampferzeuger abfließende überschußwasser den größten Teil seiner Wärme an das Speisewasser
abgibt. Aus dem Speisewasservorwärmer 27 gelangt das auf z. B. 2oo° vorgewärmte
Speisewasser in die aus Rohrbündeln 40 gebildete Strahlungsheizfläche des Dampferzeugers
und von hier in die aus Rohren 49, 51, 55 und 57 bestehenden Gruppen der Berührungsheizfläche.
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In den beiden Rohrbündeln 55 und 57 der Berührungsheizfläche wird
das Dampfwassergemisch bis auf den Wasserüberschuß verdampft. Dampf und Wasserüberschuß
gelangen durch eine Rohrleitung 64 in einen Fliehkraftabscheider 65, in dem das
überschußwasser vorn Dampf getrennt wird. Der unterste Teil des Abscheiders 65 ist
in bekannter Weise als Sammelraum 70 für das Überschußwasser ausgebildet.
Über diesem Sammelraum 7o befindet sich der Dampfraum 71 des Abscheiders 65. Der
Abscheider 65 ist finit einem Wasserstandsanzeiger 74 ausgerüstet.
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Der trockene, staubfreie Sattdampf wird über dem Wasserspiegel des
Wassersammelraumes 70 nach oben umgelenkt und durch ein in der Mitte aufwärts
führendes Rohr 126
über die Leitung 75 dem Überhitzer 77 zugeführt, von wo
er durch die Heißdampfleitung 79 der nicht dargestellten Kraftmaschinenanlage zuströmt.
Das Überschußwasser wird aus dem Wassersammelraum 76 des Abscheiders 65 durch
das Rohrsystem 87 des Wärmeaustauschers 34, durch die Leitungen 88 und 89 und durch
das Rohrsystem go des Wärmeaustauschers 22 bei 23 ins Freie geleitet. Auf diese
Weise wird die weitestgehende Rückgewinnung der im Überschußwasser enthaltenen Wärme
erzielt.
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Die Regelung der aus dem Abscheider 65 durch die Wärmeaustauscher
34 und 22 ablaufenden Überschußwassermenge wird durch ein in die Leitung 88 eingeschaltetes
selbsttätiges Regelventil gi bewirkt, das die ablaufende Wassermenge im Verhältnis
zu der durch die Leitung 25 strömenden Speisewassermenge regelt. Das Regelventil
gi ist in bekannter Weise als entlastetes Ventil ausgebildet. Mit den Ventilkegeln
92 ist durch die Ventilspindel 93 ein Steuerkolben 94 verbunden, auf dessen beide
Kolbenseiten die Drücke vor und hinter einem in die Leitung 88 eingebauten Staurand
95 o. dgl. wirken. Der Staurand 95 ist in der Strömungsrichtung vor dem Regelventil
9i angeordnet, so daß seine Wirkungsweise nicht durch Dampfbildung des Überschußwassers
beeinträchtigt werden kann. Das Ventil gi ist so ausgebildet, daß der Zulauf druck,
der gleichzeitig der Druck hinter dem Staurand 95 ist, auf die Oberseite des Kolbens
94 wirkt. Durch eine Verbindungsleitung 96 wirkt der Druck vor
dem
Staurand 95 auf die Unterseite des Kolbens 94. Der Kolben 94 ist mit einer tiefen
Ausdrehung 97 versehen, in die eine Trennwand 98 des Ventilgehäuses bis dicht an
den Mittelteil des Kolbens 94 hineinragt. Die Räume beiderseits der Trennwand sind
mittels zweier Leitungen 99 und ioo mit der Leitung 25 vor und hinter einem darin
eingebauten Meßstaurand ioi verbunden. Das Regelventil gi stellt stets eine solche
Abflußmenge des Überschußwassers ein, daß der Differenzdruck des Staurandes 95 der
Summe aus dem Differenzdruck des Staurandes ioi und dem Gewicht des Kolbens 94 nebst
Ventilspindel 93 und Ventilkegeln 92 das Gleichgewicht hält. Durch passende Wahl
der Größe der Stauränder 95 und ioi und der Eindrehungstiefe des Kolbens 94 sowie-
des Kolbengewichtes läßt sich erreichen, daß die abfließende Überschußwassermenge
selbsttätig auf einen bestimmten, mit abnehmender Belastung zunehmenden Prozentsatz
der Speisewassermenge eingeregelt wird.
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Gleichlaufend mit dem selbsttätigen Regelventil 9i ist ein von Hand
einstellbares Ventil io2 geschaltet. Je nach der Öffnung dieses Ventils. io2 nimmt
die prozentuale Größe des Wasserüberschusses mit abnehmender Belastung des Kessels
mehr oder weniger zu. Es strömt also selbst bei Aufhören der Dampfentnahme eine
einstellbare Mindestwassernienge durch den Dampferzeuger. Durch diese Regelung der
Überschußwassermenge wird erreicht, daß die Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren
der Strahlungsheizfläche, deren Beheizung sich langsamer als die Belastung vermindert,
ebenfalls langsamer als die Belastung abnimmt. Durch die Einhaltung einer Mindestströmung
in den Rohren wird außerdem die Ablagerung von Schlamm in den Rohren verhütet. Gleichlaufend
mit den Ventilen 9i und io2 ist ein Abschlammventil103 geschaltet, mit dessen Hilfe
die abfließende Überschußwassermenge und die Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren
kurzzeitig so vergrößert werden kann, daß die Rohre des Dampferzeugers wirksam ausgespült
werden.
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Mit dem Wassersammelraum 7o des Abscheiders 65 ist ein Sicherheitsablaßventil
104 verbunden, das, wie durch den Schwimmer 105 und die Einflußlinie io6 versinnbildlicht
ist, in Abhängigkeit vom Wasserstand betätigt wird und bei Überschreitung einer
oberen Wasserstandsgrenze selbsttätig öffnet. Das durch dieses Ventil 104 abfließende
Wasser wird durch einen Entspannungstopf 107, einen Strömungswiderstand io8 und
ein Rückschlagventil iog in die Leitung 89 eingeführt. Der im Entspannungstopf ro7
entwickelte Dampf entweicht durch eine Dampfpfeife iio und macht auf diese Weise
das Bedienungspersonal auf die eingetretene Unregelmäßigkeit aufmerksam.
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Mit dem Wassersammelraum 7o des Abscbeiders 65 ist ferner der Wasserraum
i i i des bereits erwähnten Gefäßes 31 verbunden. Der Dampfraum 112 dieses Gefäßes
steht durch eine Leitung i 13 mit Regelventil 114 mit dem Dampfraum 7 1 des Abscheiders
65 und durch eine Leitung 115 mit Regelventil 116 mit der Dampfzuleitung 64 bzw.
den Raum vor den Abscheideelementen, den schraubenförmigen Kanälen 66, in Verbindung.
Wesentlich ist, daß sich zwischen den Anschlußstellen der Leitungen 113 und 115
an den Dampfweg in diesem ein Strömungswiderstand /befindet, im dargestellten Beispiel
die schraubenförmigen Kanäle 66.
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In Abhängigkeit vom Wasserstand im Gefäß 31 wird das Speiseregelventil
29 selbsttätig auf irgendeine bekannte Weise geregelt. Die Wirkungsweise ist folgende:
Infolge des je nach der Dampfentnahme wechselnden Überdruckes an der Anschlußstelle
der Leitung 115 gegenüber dem Druck im Dampfraum des Abscheiders 65 wird je nach
der Öffnung der Regelventile 114 und 116 der Wasserspiegel im Gefäß 31 gegenüber
dem im Abscheider 65 im Maße der Dampfentnahme mehr oder weniger abgesenkt. Es wird
infolgedessen das Speiseregelventil im Maße der Dampfentnahme geöffnet und der Dampferzeuger
im Maße der Dampfentnahme gespeist. Da der Wasserspiegel im Gefäß 31 aber auch vom
Wasserspiegel im Abscheider 65 abhängig ist, wird die Speisung gleichzeitig selbsttätig
durch den Wasserstand im Abscheider 65 gewissermaßen zusätzlich überwacht. Der Dampferzeuger
wird also nie zu viel oder zu wenig gespeist. Andererseits folgt die Speisung sofort
allen Schwankungen der Dampfentnahme, noch bevor sie sich auf das Rohrsystem des
Dampferzeugers und auf den Dampfdruck ausgewirkt haben. Durch einmalige Einstellung
der Ventile 114 und 116 kann die Abhängigkeit der Wasserstandsänderungen im Gefäß
31 von der Dampfentnahme und somit auch die Abhängigkeit der Öffnung des Speiseregelventils
29 von der Dampfentnahme leicht abgestimmt werden. Um im Falle einer Störung an
der Speiseregeleinrichtung eine Schädigung des Kessels durch Ausglühen der Rohre
zu verhüten, besitzt das Speiseregelventil29 einen einstellbaren- Mindestdurchlaß.
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Die beschriebene Regelung der Speisung des Kessels im Maße der Dampfentnahme
würde durch die Schwankungen des Speisewasserüberdruckes vor dem Speiseregelventil
29 gegenüber dem Druck hinter diesem Ventil bzw. im Kessel beeinträchtigt werden.
Aus
diesem Grunde ist dem Speiseregelventil 29 in bekannter Weise das bereits erwähnte
Regelventil 30 vargeschaltet, das durch einen im Ventilgehäuse untergebrachten
Steuerkolben i i7 betätigt wird. Auf die Unterseite dieses Kolbens 117 wirkt der
Speisewasserdruck vor dem Speiseregelventil, auf die Oberseite wirkt vermittels
der Verbindungsleitung i 18 der Speisewasserdruck hinter dem Speiseregelventil.
Der Druckabfall im Speiseregelventil sucht also den Kolben 117 zu heben und das
Ventil 30 zu schließen, das Gewicht des besonders belasteten Kolbens i i7
sucht dagegen das Ventil zu öffnen. Das Ventil stellt sich infolgedessen selbsttätig
auf den gewünschten Druckunterschied ein, da es bei einem geringen Steigen oder
Fallen des Druckunterschiedes sofort weiterschließt oder weiteröffnet. Das Regelventil
3o wird zweckmäßig mit einer nicht dargestellten Alarmvorrichtung versehen, die
in Tätigkeit tritt, wenn das Ventil ganz geöffnet ist, also der von der Speisepumpe
erzeugte Speisewasserüberdruck aus irgendeinem Grunde unzulässig absinkt. Das Regelventil
30 kann ebenso wie das Regelventil 9 i mit einer geeigneten Dämpfung ausgerüstet
sein.
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In die Leitung 64 ist, wie üblich, ein selbsttätiges Überströmventil
iig eingeschaltet, das, wie durch Einflußlinie i2o versinnbildlicht, bei steigendem
Druck vor dem Ventil öffnet und bei sinkendem Druck schließt, um im Dampferzeuger
einen gleichbleibenden Druck zu erhalten.
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Die Ölbrenner 2 werden, wie durch die zu den Olventilen 1.21 führende
Einflußlinie 12,2, sinnbildlich dargestellt ist, durch einen Feuerungsregler 123
geregelt. Dieser Feuerungsregler erhält seinen Hauptimpuls (Einflußliniei24) von
dem in die Speisewasserleitung 25 eingeschalteten Staurand ioi her, wodurch die
Heizleitung in etwa proportionaler Abhängigkeit von der Speise%vassermenge geregelt
wird. Einen zusätzlichen zweiten Impuls erhält der Feuerungsregler i23 gemäß der
Einflußlinie i25 von einem durch die Belastung des Dampferzeugers bzw. den Dampfdruck
beeinflußten Impulsgeber i27 der Heißdampfleitung 79. Dieser Impuls wirkt nur abstimmend.
auf den Proportionalitätsfaktor der ersten Abhängigkeit, d. h. auf das Verhältnis
der Speisewassermenge zur Heizölmenge, um Schwankungen des Wirkungsgrades und der
Überschußwassermenge auszugleichen. Der Kessel kann infolgedessen niemals stärker
beheizt werden, als mit Rücksicht auf die Stärke der Speisung zulässig ist. Hierdurch
wird einem Ausglühen der Rohre bei einem Versagen der Speisung vorgebeugt. Darüber
hinaus kann jeder der beiden Regelimpulse unabhängig vom-anderen die Beheizungsstärke,
d. h. die Bemessung der den Brennern 2 zugeführten Ölmenge, auf den Kleinstwert
verringern.