DE19758301C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung des Fegedampfverlustes bei der thermischen Entgasung von Kesselspeisewasser - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Reduzierung der Fegedampfverluste bei der thermischen Entgasung von Kesselspeisewasser durch bedarfsgerechte Anpassung des Fegedampfvolumenstromes.

Dampferzeugungsanlagen werden überwiegend aus Stahl gefertigt. Die Anlage um­ faßt den Dampfkessel sowie die Peripherie, bestehend aus Druckentgasung, Speiseein­ richtungen, wasser-, kondensat- und dampfführende Rohrleitungen sowie im entfern­ ten Sinne auch die Heizflächen der Verbraucher. Um eine lange Lebensdauer der Komponenten zu gewährleisten und einen sicheren Betrieb zu ermöglichen, müssen die Stahloberflächen gegen Korrosion geschützt werden. Die Korrosivität von Wasser und Dampf ist eine Folge von gelösten Salzen, von suspendierten Feststoffen und von gelösten Gasen. Beim Aufheizen von salzhaltigem Wasser entstehen übersättigte Lö­ sungen, die zur Auskristallisation neigen. Ablagerungen können auch aus suspendier­ ten Feststoffen entstehen. Unter Ablagerungen können sich Elektrolyte anreichern und Lochfraß verursachen.

Zur Vermeidung dieser korrosiven Angriffe muß Kesselwasser und Kesselspeisewas­ ser in Abhängigkeit von der Wasserqualität und den Betriebsbedingungen des Dampf­ erzeugers bestimmten Anforderungen genügen. Für Dampferzeuger der Gruppe IV (Durchlauf, Umlaufdampferzeuger und Großwasserraumkessel) sind die Anforderun­ gen in der TRD 611 festgelegt.

Im Speisewasser gelöste Gase, insbesondere Sauerstoff und Kohlendioxid, verursa­ chen im salzhaltigen Wasser erhebliche Korrosionserscheinungen. Die Löslichkeit von Gasen in Wasser ist abhängig von Temperatur und Druck. In reinem Wasser geht die Löslichkeit mit steigender Temperatur zurück und bei Siedetemperatur gegen Null. Auch in salzhaltigem Wasser können gelöste Gase durch Aufkochen weitgehend ent­ fernt werden.

Während frisches Speisewasser (Zusatzspeisewasser) einen natürlichen Gehalt an ge­ lösten Gasen aufweist, stammen die im Kondensat gelösten Gase in der Regel aus dem Dampf-/Kondensatnetz. Hier wird beim Abkühlen von Wärmetauschern über soge­ nannte Vakuumbrecher ein Lufteinzug ermöglicht, um eine Schädigung der Heizflä­ chen durch Vakuumbildung zu vermeiden. Normalerweise ist aber die Konzentration an gelösten Gasen im Kondensat erheblich niedriger als im Zusatzspeisewasser. Bei einer geschlossenen Kondensatrückführung steht das Kondensatnetz immer unter Druck, weshalb auf Vakuumbrecher verzichtet werden kann. Hier beschränkt sich der Eintrag an gelösten Gasen auf das Zusatzspeisewasser. Durch ein geschlossenes Kon­ densatsystem werden die Kondensatmengenverluste, die durch Nachverdampfung be­ dingt sind, erheblich reduziert, weshalb nur noch geringe Verlustmengen durch Zu­ satzspeisewasser ergänzt werden müssen.

Aufgrund der chemisch/physikalischen Zusammenhänge zwischen Temperatur und Gaslösung ist die thermische Entgasung das Verfahren der Wahl. Man spricht hierbei von einer äußeren Wasseraufbereitung, da diese nicht im Kesselkörper sondern in ei­ ner eigenen Apparatur erfolgt. Diese Apparatur wird als thermischer Druckentgaser bezeichnet.

Er besteht meist aus einem sogenannten Rieselentgaser, in dessen Kopfraum die Mi­ schung aus Kondensat und Zusatzspeisewasser eingeführt wird. Durch untereinander angeordnete Rieselbleche wird eine große Oberfläche geschaffen, wodurch der Auf­ kochvorgang sehr schnell abläuft. Während das entgaste Speisewasser in den darunter angeordneten Speisewasserbehälter abläuft, werden die ausgekochten Gase mittels ei­ nem Dampfüberschuß (Fegedampf) über Dach in die Atmosphäre abgeleitet. Die thermische Druckentgasung erfolgt meist bei Drücken zwischen 1,1 bis 1,4 bar, ent­ sprechend Temperaturen von 103 bis 108°C. Bei einem geschlossenen Kondensatsy­ stem kann die Entgasung bei entsprechend höheren Drücken/Temperaturen erfolgen. Zur Abführung der bei der Entgasung freigesetzten Gase muß ein entsprechender Fe­ gedampfvolumenstrom in Kauf genommen werden.

Durch ein Ventil in der Fegedampfleitung läßt sich der Volumenstrom des Fege­ dampfes einstellen. Bisher handelt es sich hier um ein empirisch eingestelltes Ven­ til, über dessen Öffnung kontinuierlich ein bestimmter Massenstrom an Fegedampf ab­ geleitet wird. Durch die eingestellte Ventilöffnung muß gewährleistet sein, daß auch unter ungünstigen Bedingungen (hoher Anteil Zusatzspeisewasser, Anfahren aus dem kalten Zustand) die vollständige Ableitung der ausgetriebenen Gase möglich ist. Mit dieser Öffnung wird während der gesamten Betriebszeit der Dampfkesselanlage Fege­ dampf abgelassen. Der kontinuierlich abblasende Fegedampf stellt einen Verlust dar, da er in der Regel ungenutzt in die Atmosphäre abgeleitet wird. Die Höhe des Fege­ dampfverlustes ist sehr stark von den Betriebsbedingungen der Dampfkesselanlage abhängig und von der vorgegebenen Öffnung des Fegedampfventils. Die dadurch ent­ stehenden Verluste können übers Jahr durchaus 1% der gesamten Dampferzeugung betragen.

Die Dampfzufuhr erfolgt über ein Dampfrohr in den Dampfraum des Speisewasserbe­ hälters. Zusätzlich ist häufig für das Aufheizen beim Anfahren eine Dampfeindüsung in den Wasserraum des Speisewasserbehälters vorhanden und bei manchen Bauarten auch eine Dampfeindüsung im Bereich des Entgasers selbst.

Die Dampfzufuhr wird druckabhängig gesteuert, wobei Dampfregler und Dampflei­ tung auf die maximale Entgaserleistung ausgelegt sein müssen.

Der Dampfbedarf für die thermische Entgasung ergibt sich aus folgenden Anteilen:

• - Aufheizen des Kondensates/Zusatzspeisewassers auf Entgaserdruck (abhängig vom Anteil an kaltem Zusatzspeisewasser und Wärmeverlusten im Kondensatnetz)
• - Einstellung des Fegedampfvolumenstromes

Im ersten Fall handelt es sich um keinen Verlust, da die Kondensationswärme des Dampfes auf das Speisewasser übergeht.

Zur Reduzierung der Fegedampfverluste ist die Nachschaltung eines bei Atmosphä­ rendruck arbeitenden Wärmeübertragers bekannt, bei dem die Mischung aus Konden­ sat und Zusatzspeisewasser bzw. nur das Zusatzspeisewasser vorgewärmt wird durch Kondensation des Fegedampfes. Das anfallende Fegedampfkondensat wird in den Entgaser zurückgeleitet. In vielen Fällen, insbesondere bei geschlossenen Kondensat­ systemen, ist dies allerdings nicht möglich.

Aus der DE 40 22 544 A1 und DE 31 05 355 A1 sind Verfahren zur thermischen Entga­ sung von Kesselspeisewasser bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, abhängig von schwankenden Betriebsbe­ dingungen, wie sie im Normalbetrieb der Dampfkesselanlage vorliegen, den Fege­ dampfverlust wirksam auf das für die Ableitung von Gasen notwendige Maß zu be­ grenzen. Unter gleichzeitiger Sicherstellung einer zuverlässigen Entgasung soll der Fegedampfverlust und der damit einhergehende Kondensatmengenverlust auf ein Mi­ nimum reduziert werden.

Die Lösung des technischen Problems erfolgt durch ein Verfahren bzw. eine Vor­ richtung zur Reduzierung der Fegedampfverluste bei der thermischen Entgasung von Kesselspeisewasser durch bedarfsgerechte Anpassung des Fegedampfvolumenstromes gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6 bzw. der Patentansprüche 10 und 11.

Weitere spezielle Ausführungsformen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung sind in den untergeordneten Ansprüchen aufgeführt.

Die Erfindung kann durch folgende Merkmalskombinationen ausgeführt werden:

• - Als Fegedampfventil wird ein Regelventil oder ein Magnetventil eingesetzt. Ent­ sprechend kann die Abfuhr der ausgekochten Gase kontinuierlich oder diskontinu­ ierlich erfolgen.
• - Zur Steuerung des Fegedampfventils kann der dem Entgaser zugeführte Volumen­ strom an Kondensat und Zusatzspeisewasser gemessen oder als bekannte Größe vorgegeben werden und die Konzentration der gelösten Gase im zugeführten Vo­ lumenstrom an Kondensat und Zusatzspeisewasser mittels einer oder mehrerer ge­ eigneter Elektroden gemessen werden.
• - Alternativ kann zur Steuerung des Fegedampfventils der dem Entgaser zugeführte Volumenstrom an Kondensat und Zusatzspeisewasser gemessen oder als bekannte Größe vorgegeben werden und die Temperatur des zugeführten Konden­ sats/Zusatzspeisewassers gemessen werden. Aus der Temperatur des Konden­ sats/Zusatzspeisewassers kann näherungsweise auf die Konzentration der im Spei­ sewasser gelösten Gase geschlossen werden.
• - Alternativ kann die Konzentration der ausgekochten Gase im Kopfraum des Entga­ sers mithilfe geeigneter Elektroden gemessen werden. Damit kann die Konzentrati­ on direkt als Steuersignal für die Öffnung des Fegedampfventils (Regelventil) oder für die Öffnungszeit und/oder den Öffnungszyklus des Fegedampfventils (Magnetventil) herangezogen werden.
• - Die o. a. Meßdaten werden in einer Steuereinheit verrechnet und zur Steuerung der Ventilöffnung (Regelventil) oder der Ventilöffnungszeit und/oder des Öffnungszy­ klus am Fegedampfventil (Magnetventil) herangezogen.
• - Sofern der Volumenstrom an zugeführtem Kondensat/Zusatzspeisewasser konstant ist, kann auf eine Messung des Volumenstromes verzichtet werden. In diesem Fall wird die entsprechende Pumpenleistung zugrundegelegt. Die Messung der Kon­ zentration eines Gases stellt eine Referenzmethode dar. Die übrigen Gase werden rechnerisch berücksichtigt. Eine Messung der Temperatur des zugeführten Kon­ densates bzw. Zusatzspeisewassers ermöglicht unter Kenntnis der Aufbereitungs­ qualität eine rechnerische Bestimmung der abzuführenden Gasvolumina.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. I dargestellt.

Die Versorgung des Entgasers (1) mit Kondensat (2) und/oder Zusatzspeisewasser (3) erfolgt über eine Niveauregelung (4) am Speisewasserbehälter (5). Die maximale Entnahme an Speisewasser entspricht der Förderleistung der Speiseeinrichtung am Kessel. Die Förderleistung der Kondensatpumpe (6) muß deshalb mindestens genauso hoch sein, um eine Entleerung des Speisewasserbehälters (5) zu vermeiden. Aufgrund von Kondensatmengenverlusten im System kann es zu einem Kondensatmangel im vorgeschalteten Kondensatsammler (nicht dargestellt) kommen, wodurch die Konden­ satpumpe (6) abschaltet. Dadurch sinkt das Niveau im Speisewasserbehälter (5) und die Zusatzspeisewasserpumpe (7) wird zugeschaltet oder ein entsprechendes Magnet­ ventil in der Speisewasserzuleitung von der Wasseraufbereitung (nicht dargestellt) ge­ öffnet.

Das zugeführte Kondensat (2)/Zusatzspeisewasser (3) wird im Kopfraum des Entga­ sers (1) aufgegeben und rieselt über die eingebauten Rieselbleche (8) nach unten in den Speisewasserbehälter (5). An der großen Oberfläche wird solange Dampf aus der Umgebung kondensiert bis ein Gleichgewicht zwischen Wassertemperatur und Druck im Entgaser (1) erreicht ist. Der Dampfraum des Speisewasserbehälters (5) steht mit dem Fußraum des Entgasers (1) über eine Dampfleitung (9) in Verbindung. Die Dampfzufuhr durch das perforierte Dampfrohr (10) in das System erfolgt druckab­ hängig über ein Regelventil (11). Der geringfügige Überdruck im System ist notwen­ dig, um einen Abtransport der ausgekochten Gase mithilfe des Fegedampfes (12) zu ermöglichen. Durch das Druckgefälle zur Atmosphäre entweicht der Fegedampf (12) über das Fegedampfventil (16) und die Fegedampfleitung (13) und nimmt die ausge­ kochten Gase mit.

Die Steuerung (17) ist über die Volumenstrommessung (14) ständig über den zuge­ führten Volumenstrom an Kondensat (2) und Zusatzspeisewasser (3) informiert. Al­ ternativ kann über eine ständige Abfrage der Kondensat- (6) und Zusatzspeisewasser­ pumpen (7) bei bekannter Förderleistung ebenfalls der zugeführte Volumenstrom be­ stimmt werden.

Die Konzentration des gelösten Gases, die mit einer geeigneten Elektrode bestimmt wird, multipliziert mit dem durchgesetzten Volumenstrom, ergibt den zugeführten Gasvolumenstrom. Hinzu kommen die übrigen gelösten Gase, die zum gemessenen Gas in einem bekannten Verhältnis stehen und durch einen Faktor rechnerisch berück­ sichtigt werden. In Abhängigkeit des ermittelten Gasvolumenstromes wird die Öff­ nung des Regelventils verändert.

Claims (13)

1. Verfahren zur Reduzierung der Fegedampfverluste bei der thermischen Entga­ sung von Kesselspeisewasser, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit der Konzentration der gelösten Gase im Kondensat (2) und/oder Zusatzspeisewas­ ser (3) das Fegedampfventil (16) gesteuert wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Fegedampfventils gleichzeitig der dem Entgaser (1) zugeführte Volumen­ strom an Kondensat (2)/Zusatzspeisewasser (3) gemessen wird und die Kon­ zentration der im Kondensat (2)/Zusatzspeisewasser (3) gelösten Gase mittels einer oder mehrerer geeigneter Elektroden (15) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Fegedampfventils gleichzeitig der dem Entgaser (1) zugeführte Volumen­ strom an Kondensat (2)/Zusatzspeisewasser (3) gemessen wird und die Tempe­ ratur des dem Entgasser (1) zugeführten Volumenstromes an Kondensat (2)/Zusatzspeisewasser (3) bestimmt wird.

4. Verfahren nach Patenanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrati­ on der gelösten Gase mithilfe einer Sauerstoffelektrode (15) als Referenzmes­ sung durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentra­ tion der gelösten Gase mithilfe einer Stickstoff oder Kohlendioxid-Elektrode als Referenzmessung oder einer Kombination aus unterschiedlichen Elektroden (15) bestimmt wird.

6. Verfahren zum Reduzieren der Fegedampfverluste bei der thermischen Entga­ sung von Kesselspeisewasser, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit der Konzentration der ausgekochten Gase im Kopfraum des Entgasers (1) das Fe­ gedampfventil (16) gesteuert wird.

7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fegedampfventil (16) als Regelventil ausgebildet ist, welches seine Öff­ nungsstellung ändert.

8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fegedampfventil (16) als Magnetventil ausgebildet ist, dessen Öff­ nungszeit und/oder Öffnungszyklus gesteuert wird.

9. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdaten in einer Steuereinheit (17) verrechnet werden.

10. Vorrichtung zur Reduzierung der Fegedampfverluste bei der thermischen Ent­ gasung von Kesselspeisewasser mit einer

• 1. Meßwerterfassung der Konzentration an gelösten Gasen im Kondensat (2)/Zusatzspeisewasser (3) durch geeignete Elektrode(n) (15), einer
• 2. Meßwerterfassung des Volumenstromes an Kondensat (2)/Zusatzspeisewasser (3) durch geeignete Zählervorrichtung(en) (14) oder einer
• 3. Meßwerterfassung der Temperatur des zugeführten Volumenstromes an Kondensat (2)/Zusatzspeisewasser (3) durch eine geeignete Temperaturer­ fassungsvorrichtung, einer
• 4. Meßwertverarbeitung in einer Steuereinheit (17) zu einem Ausgangssignal, vorzugsweise in einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) und einer
• 5. Ansteuerung des Fegedampfventil-Antriebes über das Ausgangssignal der Steuereinheit.

11. Vorrichtung zur Reduzierung der Fegedampfverluste bei der thermischen Ent­ gasung von Kesselspeisewasser mit einer

• 1. Meßwerterfassung der Konzentration an ausgekochten Gasen im Kopfraum des Entgasers (1) durch geeignete Elektrode(n) (15), einer
• 2. Meßwertverarbeitung in einer Steuereinheit (17) zu einem Ausgangssignal, vorzugsweise in einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) und einer
• 3. Ansteuerung des Fegedampfventil-Antriebes über das Ausgangssignal der Steuereinheit

12. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeich­ net, daß das Fegedampfventil (16) ein Regelventil ist.

13. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeich­ net, daß das Fegedampfventil (16) ein Magnetventil ist.