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Verfahren zum Betreiben eines Zwangdurchlaufkessels Beim Zwangdurchlaufkessel
treten Schwierigkeiten, insbesondere beim Anfahren, dadurch auf, daß Dampfblasen
an einer oder mehreren Stellen im zuvor voll mit Wasser gefüllten Rohrsystem entstehen.
Diese Dampfblasen expandieren bei der weiteren Wärmezufuhr und drücken dadurch die
vor ihnen liegenden Wasserpfropfen mit einer sehr hohen Geschwindigkeit aus dem
Kesselaustritt heraus. Gelingt es nicht, diese Wasserpfropfen in der erforderlichen
kurzen Zeit zu entfernen oder die Wärmezufuhr entsprechend zu dämmen, dann besteht
die Gefahr, daß Rohrreißer entstehen. Diese Gefahr wird um so größer sein, je größer
der Unterschied zwischen dem spezifischen Volumen von Wasser und Dampf beim gleichen
Zustand (Druck, Temperatur) ist. Der Grund für diese Schwierigkeiten liegt sonach
in der Inhomogenität des Mediums in den jeweils unterschiedlichen Aggregatzuständen.
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Im normalen Betrieb wirkt sich diese Inhomogenität insbesondere bei
abwärts geführter Strömung durch das unterschiedliche spezifische Gewicht strömungshemmend
aus; es können dadurch Gegenströmungen oder auch Nebenströmungen entstehen, die
zu Betriebsstörungen Anlaß geben. Wenn der Zwangdurchlaufkessel, wie üblich, mit
einem konstanten Druck am Kesselaustritt (bzw. Turbineneintritt) gefahren wird,
dann ergeben sich insbesondere bei Teillastbetrieb erhöhte Schwierigkeiten, weil
mit absinkender Durchsatzmenge der Widerstand im Kesselrohrsystem fällt und dadurch
das Druckniveau herabgesetzt wird. Diesem niedrigen Druck bei Teillast entspricht
eine größere Inhomogenität zwischen Flüssigkeits- und Dampfanteilen des Kreislaufmediums,
d. h., das spezifische Gewicht von Dampf und Wasser weicht stärker voneinander ab
als vorher.
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Diese Schwierigkeiten sind an sich bekannt und wurden üblicherweise
bislang dadurch bekämpft, daß man zur Aufrechterhaltung einer geordneten Strömung
konstruktive Maßnahmen traf, die bewußt einen Druckverlust im Kesselrohrsystem herbeiführten.
Diese bisherige Lösung fußte auf der Erkenntnis, daß der Druckverlust mit der Geschwindigkeit
quadratisch zunimmt. Dadurch wird sich bei hoher Geschwindigkeit in parallel liegenden,
durch Sammler verbundenen Rohrleitungen schon ein geringer Geschwindigkeitsunterschied
in einem verhältnismäßig hohen Druckunterschied auswirken, der seinerseits wieder
zu einem Ausgleich der Strömungsgeschwindigkeit in diesen miteinander verbundenen
parallelen Rohren führt. Hierdurch werden gefährliche Nebenströmungen und Gegenströmungen
zwar unterbunden, der Nachteil einer solchen Lösung des Problems liegt aber in dem
erhöhten Leistungsbedarf der Kesselspeisepumpe bei Vollast. Das Arbeiten mit erhöhtem
Druckverlust setzt sonach die Wirtschaftlichkeit der Kesselanlage herab. Aber selbst
wenn derartige auf Druckverlust abgestellte Kesselsystem im Vollastpunkt teilweise
oder ganz im überkritischen Druckgebiet arbeiten, dann werden die vorgeschilderten
Schwierigkeiten bei Teillastbetrieb trotzdem nicht zu vermeiden sein. Ein je kleinerer
Teillastbetrieb also bei Zwangdurchlaufkesseln verlangt wird, ein desto größerer
Druckverlust muß nach den vorbeschriebenen bekannten Maßnahmen in Kauf genommen
werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren
anzugeben, durch das die vorgenannten Schwierigkeiten sowohl beim Anfahren als auch
im Teillastbetrieb vermieden werden. Der Erfindung liegen dabei folgende Überlegungen
zugrunde: Es ist bekannt, daß es für alle Flüssigkeiten einen sogenannten kritischen
Zustand gibt, hei dem ein homogener Übergang von Flüssigkeit auf Dampf stattfindet.
Oberhalb dieses kritischen Zustandes ändern sich alle Zustandsgrößen stetig, unter
diesem kritischen Zustand (Verdampfung oder Kondensation) sind endliche Volumenänderungen
bei gleichbleibender Temperatur und gleichbleibendem Druck vorhanden (Inhomogenität
des Flüssigkeits-Dampf-Gemisches). Erfolgt die Wärmezufuhr bei einem Druck oberhalb
des kritischen Zustandes, dann wird der Übergang von Flüssigkeit in Dampf homogen
verlaufen. Eine Unterscheidung von Flüssigkeit und Dampf ist dann infolge des gleich
großen spezifischen Gewichtes nicht mehr möglich.
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Unter Zugrundelegung dieser Erkenntnisse besteht die erfindungsgemäße
Lösung demgemäß darin, daß im Zwangdurchlaufkessel beim Anfahren zunächst nach Inbetriebsetzen
der Speisepumpe der erforderliche
Druck dadurch hergestellt wird,
daß das Wasser über ein an sich bekanntes, am Kesselaustritt angeordnetes Anfahrventil
gedrosselt wird und nach Erreichen des kritischen Druckbereiches die Zündung der
Feuerung erfolgt, wobei das Wasser bzw. der Dampf durch das Anfahrventil auf konstantem
Druck gehalten wird, und daß, nachdem der Kessel seinen normalen Betriebszustand
erreicht hat, der Druck vor der Turbine (Vordruck) bei Vollast und bei Teillast
durch entsprechende Beeinflussung der Turbinenregelventile auf einem im kritischen
Druckbereich liegenden Wert gehalten wird.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß alle Kesselrohre sowohl beim
Anfahren als auch bei allen Teillasten mit einem homogenen Gemisch ausgefüllt sind.
Es kann daher darauf verzichtet werden, den Kessel so auszulegen, daß sich bereits
bei Teillast ein erheblicher Druckverlust einstellt. Man kann statt dessen mit einem
mäßigen Druckverlust auskommen und dementsprechend insbesondere bei hoher Last Speiseenergie
einsparen. Gleichzeitig werden die Gefahren, die sich aus der Inhomogenität eines
die Rohre durchströmenden Dampf-Wasser-Gemisches ergeben würden, bei allen Betriebszuständen
des Kessels vermieden. Die Drosselung am Kesselaustritt kann vorteilhafterweise
durch vollautomatische Regelung so gesteuert werden, daß der Druck vor dem Drosselventil
während des Anfahrverlaufes stets im Bereich des kritischen Druckes konstant gehalten
wird. Um auch nach dem Anfahren bei Versorgung der angeschlossenen Turbine - insbesondere
bei Teillast und plötzlichen Lastschwankungen - den kritischen Druck mit Sicherheit
auch nicht vorübergehend wesentlich zu unterschreiten, ist auch die Turbinenregelung
so zu steuern, daß der Vordruck an der Turbine seinerseits im Bereich des kritischen
Druckes liegt.
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Um Speiseenergie zu sparen und um jeweils mit dem tiefstmöglichen
Druck im Kesselsystem fahren zu können, läßt sich erfindungsgemäß der Druck an der
Turbine auch so steuern, daß bei kleinen Durchsatzmengen (Teillast) ein hoher Druck
und bei großen Durchsatzmengen (Vollast) ein niedrigerer Druck eingeregelt wird.
Dies kann durch geeignete Verstellung des Sollwertes der Vordruckregelung in Abhängigkeit
von der Frischdampfmenge erfolgen. Dabei muß die Sollwertverstellung derart vorgesehen
sein, daß der kritische Druck von der Turbine oder mindestens an den gefährdeten
Stellen des Kesselrohrsystems nicht unterschritten wird.
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Es ist jedoch auch möglich, das Unterschreiten des kritischen Druckes
an der oder den gefährdeten Stellen des Kesselrohrsystems dadurch zu vermeiden,
daß die Turbinensteuerung von dem Druck an diesen Stellen unmittelbar beeinflußt
wird.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch veranschaulicht.
Hierbei zeigt Fig. 1 ein Temperatur-Entropie-Diagramm unter Gegenüberstellung der
bisher üblichen Betriebsweise und der erfindungsgemäßen Betriebsweise, Fig. 2 ein
Schaltschema zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Im Diagramm nach Fig. 1 stellt die Linie a die sogenannte Wasserlinie
dar, die bis zum kritischen Punkt E verläuft. Der Dampfgehalt bei dem Zustand nach
dieser Linie ist Null. Die Linie b stellt die sogenannte Dampflinie dar, bei dem
Zustand nach dieser Linie ist der Wassergehalt Null. Der schraffierte Bereich unterhalb
der Kurven a, b stellt die inhomogene Zone dar, in der bei gleichem Druck und gleicher
Temperatur Wasser und Dampf von verschiedenem spezifischem Gewicht gleichzeitig
vorhanden sind. Die ausgezogenen Linien c sind Linien konstanten Druckes, die durch
die inhomogene Zone verlaufen. Die gestrichelte Linie d entspricht einer bisher
üblichen Betriebs- oder Anfahrweise, wobei der Druckabfall im Kesselsystem berücksichtigt
ist. Bei Punkt A beginnt die Wärmezufuhr, während bei Punkt B die Verdampfung beginnt,
die bei Punkt C endet. Punkt D ist der Endpunkt der Wärmezufuhr im Überhitzungsgebiet
(Kesselaustritt).
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Die erfindungsgemäße Anfahr- und Betriebsweise ist durch die strichpunktierten
Linien f angedeutet, die möglichst über der kritischen Drucklinie e oder nur wenig
darunter, f, verlaufen. Im Punkt A beginnt wieder die Wärmezufuhr,
die im Punkt D (Kesselaustritt) endet. Die Betriebskurve f unterscheidet sonach
die kritische Drucklinie e entweder überhaupt nicht oder nur wenig.
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In Fig. 2, welche ein Schaltschema für die Durchführung des Verfahrens
darstellt, ist 1 der Zwangdurchlaufkessel mit Rohrsystem 2 und Speise- oder Anfahrpumpe
3. Im Betriebszustand gelangt der aus dem Kessel austretende Frischdampf über Leitung
4 zum Kesselaustrittsschieber 5, von da über Leitung 6 und Turbinenregelventile
7 in die Turbine 8, von der beispielsweise ein Generator 9 angetrieben wird.
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Zwischen Kesselaustritt und Austrittsschieber 5 ist von der Leitung
4 die Anfahrleitung 10 mit Anfahrventi111 abgezweigt.
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. Beim Anfahren ist der Austrittsschieber 5 geschlossen, so daß das
Wasser bzw. nach der Feuerzündung der Dampf über das Anfahrventi111 abgeführt wird.
Um erfindungsgemäß im kritischen Druckbereich anfahren zu können, ist erstens die
Speise- oder Anfahrpumpe 3 für einen entsprechend hohen Druck bemessen, andererseits
aber wird das Anfahrventi111 so gesteuert, daß am Kesselaustritt bzw. mindestens
an den gefährdeten Stellen 12 im Kesselrohrsystem der Bereich des kritischen Druckes
nicht oder nur wenig unterschritten wird. Die Steuerung des Anfahrventils 11 kann
durch eine Vordruckregelung 13 erfolgen, deren konstruktiven Elemente an sich bekannt
sind.
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Im Betrieb sorgt an Stelle von 13 die Vordruckregelung 14 dafür, daß
die Turbinenventile 7 stets so eingestellt werden, daß bei geöffnetem Schieber 5
und geschlossenem Anfahrventi111 in keinem Betriebspunkt der kritische Druck in
Leitung 6 überhaupt oder wesentlich unterschritten wird.
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Der Sollwert der Vordruckregelung 14 kann zusätzlich durch eine Mengenmeßeinrichtung
15, z. B. Blende od. dgl., so verstellt werden, daß bei kleinen Frischdampfmengen
ein höherer und bei großen Frischdampfmengen ein niedrigerer Druck in Leitung 6
aufrechterhalten wird.
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Statt der Vordruckregelung 14 kann aber auch eine Vordruckregelung
16 vorgesehen sein, die ihren Impuls unmittelbar von den gefährdeten Stellen 12
aus erhält, wobei durch die Vordruckregelung 16 die Turbinenventile 7 so verstellt
werden, daß an den gefährdeten Stellen 12 der kritische Druck nicht oder nur wenig
unterschritten wird.