DE19800882C2 - Wärmeübertragungssystem und Verfahren zum Betrieb desselben - Google Patents

Abstract

Bei einem Wärmeübertragungssystem wird eine anlagenschonende Betriebsweise, insbesondere bei Lastwechseln dadurch erreicht, daß der Druck in der Anlage überwacht wird und daß bei Auftreten von Druckschwankungen, die ein zulässiges Maß überschreiten, der Dampfzustrom gedrosselt und/oder eine Erhöhung des Dampfzustroms bzw. eine Wiedererhöhung desselben für eine gewisse Zeit gesperrt oder blockiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmetransport- oder -übertragungssystem, mit Dampf als Wärmeträgermedium sowie ein Verfahren zum Betrieb des Wärmeübertragungssystems.

Wärmeübertragungssysteme sind Anlagen, in denen Wärme von einem Wärmeträger, bspw. Dampf transportiert und/oder auf Anlagenteile oder andere Wärmeträger übertragen wird. Dampf ist ein Wärmeträger mit hoher Temperatur, mit sehr hohem Wärmeinhalt und somit mit hoher Energiedichte. Trotz normalerweise vorhandener Wärmeisolation fällt in dem Sys­ tem bspw. in Rohrleitungen Kondensat in kleineren oder größeren Mengen an. Obwohl dies abgeführt werden muß und in der Regel auch wird, können sich Lachen oder Pfützen insbesondere in Regelarmaturen (Ventilen) aber auch an anderen Stellen ansammeln. Diese können wegen ihrer bau­ chigen Form häufig nicht vollständig entwässert werden. Kondensat kann sich insbesondere nach Abstellen der Dampf­ zufuhr im System an dafür nicht vorgesehenen Stelen an­ sammeln.

Wird in einer solchen Situation Dampf in das System gelassen, wirbelt dieser die Kondensatansammlungen auf, die dann unregelmäßig in kleineren und größeren Explosio­ nen verdampfen. Die Explosionen führen zu starken Druck­ stößen in dem System. Selbst nach nur kurzzeitigem Still­ stand tritt dieser Effekt auf. Entsteht bspw. nach dem Abschalten der Dampfzufuhr in dem System Kondensat, fließt dies in Richtung der Entwässerung. Wird nun der Dampf wie­ der freigegeben, drückt dieser das viel träger fließende Kondensat in Gegenrichtung und wirbelt es auf. Es ver­ dampft explosionsartig.

Zu Wärmeübertragungssystemen gehören in der Regel eine größere Anzahl Rohre, Armaturen, Apparate und sons­ tige Anlageteile, die untereinander verbunden sind. Dazu dienen meist Schweißverbindungen oder Verbindungen mit Vorschweißflanschen. Diese umfassen an jedem Rohrende ein angeschweißtes Anschlussstück mit einem scheibenförmigen Flansch, der Schraubenlöcher aufweist. Zwischen den beiden scheibenförmigen Flanschen ist eine flache ringförmige Dichtungsscheibe angeordnet. Mittels Spannschrauben, die durch die Schraubenlöcher der Flansche gehen, sind die beiden Flansche gegeneinander gespannt. Dadurch werden plane Dichtungsflächen der Flansche aufeinander zu ge­ spannt und an die Dichtungsscheibe angepresst. Diese wird dadurch letztlich reibschlüssig gehalten. Mit einem auf das Setzverhalten und die Elastizität der Dichtung abge­ stimmten Anzugsdrehmoment der Schrauben wird eine dichte Flanschverbindung erhalten. Um die Anpresskraft bei norma­ lem Betrieb immer aufrechtzuerhalten, weisen die Spann­ schrauben eine gewisse Eigenelastizität auf.

Als Dichtung wurden Asbestdichtungen verwendet. Nun­ mehr werden jedoch keiner Asbestdichtungen, sondern Gra­ phitdichtungen verbaut. Diese erfordern aufgrund einer geringeren Eigenelastizität die genaue Einhaltung vorgege­ bener Montage- und Betriebsparameter. Treten wiederholt starke Druckstöße in dem System auf, kann die Flanschdichtung Schaden nehmen und undicht werden.

Außer den Flanschdichtungen zwischen Rohren oder Roh­ ren und Armaturen und/oder Apparaten, enthalten in dem System vorhandene Komponenten oder Apparate Verbindungs­ stellen, die durch Druckstöße übermäßig verschleißen. Sol­ che sind Einwalz-, Löt-, Schweiß- oder Einschrumpfverbin­ dungen. Beispielsweise sind in Wärmetauschern Rohre end­ seitig in den Öffnungen eines Zwischenbodens gefasst. Die­ se Verbindungen müssen dauerhaft dicht sein. Sie sind je­ doch durch Druckstöße gefährdet. Treten wiederholt starke Druckstöße oder -spitzen auf, können die Verbindungen schleichend beschädigt werden, wodurch die Anlage relativ schnell verschleißt. Dies gilt auch für Einwalzungen von Rohren in Rohrplatten.

Druckspitzen oder -Stöße sind auch für Armaturen von Nachteil. Steht bspw. ein Ventil in einer Drosselstellung, in der der Ventilkegel gerade eben an dem Ventilsitz an­ liegt oder mit diesem einen sehr engen Spalt definiert, kann ein Druckstoß, den Ventilkegel vibrieren lassen. Der Ventilkegel hämmert dabei in den Sitz, was dazu führen kann, dass der Ventilkegel un der Ventilsitz beschädigt werden.

Die genannten Effekte haben zur Folge, dass Wärme­ übertragungssysteme zumindest bei häufigem Auftreten von Druckspitzen und -Stößen relativ schnell verschleißen kön­ nen. Außerdem können Undichtigkeiten nicht nur das Still­ setzen der Anlage erfordern und somit erhebliche wirt­ schaftliche Schäden hervorrufen, sondern darüber hinaus ernsthafte Gefährdungen für das Bedienungspersonal ver­ ursachen. Bei undicht werdenden Verbindungen kann der in den Leitungen vorhandene unter hohem Druck stehende heiße Dampf austreten, was in jedem Fall gefährlich ist. Jeden­ falls aber wird die Lebendauer zumeist drastisch redu­ ziert.

Aus der DD 218 442 A1 ist eine Anordnung zur Vermei­ dung von Verdampfungserscheinungen beim Wärmeübertragern bekannt. Diese Anordnung sieht an einem Wärmeübertrager einen Meßwertumwandler vor, der bei Unterschreitung eines Grenzwerts des Differenzdrucks am Sekundärvorlauf eines Rohrbündelwärmeübertragers ein im Primärrücklauf angeord­ netes Absperrventil schließt.

Druckstöße im Wärmetauscher können damit nicht voll­ ständig vermieden werden.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Wärmeübertragungssystem mit Dampf als Wärmeträgermedium zu schaffen, das eine erhöhte Lebensdauer aufweist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmeübertragungssystems zu schaffen, das die Le­ bensdauer erhöht.

Diese Aufgaben werden mit dem Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, sowie mit dem Verfahren nach Anspruch 13 gelöst.

Bei einem Wärmeübertragungssystem wird eine anlagen­ schonende Betriebsweise, insbesondere bei Lastwechseln dadurch erreicht, dass der Druck in der Anlage überwacht wird und dass bei Auftreten von Druckschwankungen, die ein zulässiges Maß überschreiten, der Dampfzustrom gedrosselt und/oder eine Erhöhung des Dampfzustroms bzw. eine Wieder­ erhöhung desselben für eine gewisse Zeit gesperrt oder blockiert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertra­ gungssystem ist dazu eine Überwachungseinrichtung vorhan­ den, die das Auftreten von schnellen Druckänderungen regi­ striert und den Dampfzustrom drosselt, wenn die schnellen Druckänderungen eine gewisse Grenze übersteigen oder wenn die Druckänderungsgeschwindigkeit größer als zulässig ist.

Dampf weist einen hohen Wärmegehalt von fast 3000 kJ/kg auf. Trifft dieser Dampf in einem Wärmeübertragungs­ system auf ausgekühltes Wasser, entstehen auf engstem Raum lokal begrenzte Bereiche mit hoher Enthalpie, zwischen denen andere Bereiche mit niedriger Enthalpie vorhanden sind. Die Übergänge sind sprunghaft, so dass äußerst große Gradienten vorhanden sind. Diese können wie eingangs er­ läutert zu explosionsartigen Ausgleichsvorgängen führen, die von der Erfindung jedoch vermieden werden. Dies ist insbesondere bei dem Anfahren von Wärmeübertragungssyste­ men von Bedeutung, wenn diese bspw. ein bis zwei Stunden abgestellt waren. Ist ein Wärmeübertragungssystem, bspw. nach Stillstand wenigstens etwas abgekühlt und tritt plötzlicher Wärmebedarf auf, muss ein Dampfeinlass geöff­ net werden, um die gewünschte Wärmeenergie und zusätzlich Energie zum Aufheizen des Wärmeübertragungssystem zu lie­ fern. Ist das Wärmeübertragungssystem bspw. auf eine Wär­ meleistung von 100 bis 200 kW ausgelegt, strömt bei voll geöffnetem Einlass mindestens Dampf, der dieser Wärmelei­ stung entspricht, sowie zusätzlich Dampf ein, der der Überwindung der Wärmeträgheit des Wärmeübertragungssystems dient. Es kann somit zu Leistungszuflüssen zwischen 400 und 500 kW kommen, die in dem System auf Kondensatansamm­ lungen treffen.

Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungssystem und das erfindungsgemäße Verfahren gestatten dies nur, wenn und so lange dieser Prozeß ruhig abläuft. Sobald es zu kleineren plötzlichen Verdampfungen kommt, werden die auftretenden Druckschwankungen erfasst und von der Überwachungseinrich­ tung als Vorboten größerer Druckstöße interpretiert. Um zu vermeiden, dass diese dann tatsächlich auftreten, wird der Dampfzustrom gedrosselt bevor größere Druckschwankungen entstehen und bevor ein Schaden eintreten kann. Das Wärmeübertragungssystem, das begonnen hatte, sich in einen unsicheren Arbeitsbereich zu bewegen, wird dadurch zu ei­ nem sicheren Arbeitspunkt zurückgeführt, bei dem nur so viel Leistung in das Wärmeübertragungssystem und zu der Stelle, bei der der Dampf seine Wärme abgibt, wie bspw. ein Wärmetauscher, geführt wird, wie ohne Ex- und Im­ plosionserscheinungen aufgenommen werden kann. Dadurch werden stoßartige Druckbelastungen vermieden, die sich ansonsten über weite Anlageteile fortsetzen und Anlagen­ teile und Verbindungsstellen gefährden können.

Dadurch wird eine schonende Betriebsweise erzwungen und es wird möglich, anstelle von relativ elastischen As­ bestdichtungen steifere oder weniger federnde Graphitdich­ tungen zu verwenden, ohne dass die Gefahr besteht, dass diese undicht werden. Insgesamt kann die Betriebszuverläs­ sigkeit des Wärmeübertragungssystems unabhängig von der Art der verwendeten Dichtung deutlich erhöht und der Ver­ schleiß vermindert werden. Alle Lastwechsel, insbesondere Lastwechsel von einer sehr geringeren Last auf eine größe­ re Last, die mit einer Zunahme der Dampfzufuhr verbunden sind werden von der Überwachungseinrichtung so durchge­ führt, dass explosionsartige Druckänderungen vermieden werden. Es ist dabei sowohl möglich, dass bei erstem Auf­ treten von kleineren Druckstößen entsprechende als Dros­ selorgan dienende Regelventile ganz geschlossen als auch dass diese lediglich etwas stärker gedrosselt werden. Da­ bei kann das Drosselventil sowohl um einen festen Betrag in Schließrichtung betätigt oder adaptiv soweit geschlos­ sen werden, dass die vorhandenen Druckschwankungen abklin­ gen. Ausgehend davon kann das Drosselventil nach einer vorgegebenen oder einen einstellbaren Zeitverzögerung wie­ der geöffnet werden.

Demnach wird, obwohl ein Lastwechsel von einer schwa­ chen Last zu einer stärkeren Last ein schnelles Öffnen des Regelventils erfordert, dieses Regelventil entgegen diesem Erfordernis dann nicht weiter geöffnet oder sogar wieder ganz oder teilweise geschlossen, wenn Druckschwankungen auftreten, d. h. der Betrag der Zeitableitung des Drucks, der an wenigstens einer Stelle des Wärmeübertragungssys­ tems gemessen wird, zu groß wird.

Die Druckschwankungen können mit einem Drucksensor, einem Piezosensor, einem Schwingungssensor oder einem Schallsensor bspw. einem Körperschallsensor erfasst wer­ den. Dabei ist es sowohl möglich, lediglich mit einem ein­ zigen Sensor auszukommen, als auch mehrere Sensoren, bspw. an der Primär- und der Sekundärseite eines Wärmetauschers vorzusehen. Jedenfalls sind die Sensoren insbesondere an Stellen oder in der Nähe von Stellen anzuordnen, an denen besonders große Enthalpiegegensätze auftreten können.

Sind mehrere Sensoren vorhanden, ist es zweckmäßig, aus deren Ausgangssignalen Signale abzuleiten, die eine eindeutige Aussage enthalten, ob an dem betreffenden Sen­ sor ein bestimmtes zulässiges Maß von schnellen Druckän­ derungen überschritten ist. Die Überwachungsschaltung sollte den Dampfzustrom schon dann drosseln, wenn solche Bedingungen auch nur an einem der Sensoren vorhanden sind.

Zur Aufbereitung der von den Sensoren abgegebenen Signale kann den Sensoren eine Filtereinrichtung nachge­ schaltet werden. Werden als Sensoren bspw. Druckaufnehmer verwendet, kann mit einer geeigneten Hochpasscharakteris­ tik ein Zeitableitungssignal aus dem Drucksignal gebildet werden, das die Druckänderungsgeschwindigkeit kennzeich­ net. Mit einer Bandpasscharakteristik können außerdem Störsignale ferngehalten werden. Die Auswertung von Druckänderungen erfolgt dann in einem vorgegebenen Fre­ quenzband.

Die Filtereinrichtung und ggfs. die gesamte Überwa­ chungseinrichtung kann programmtechnisch mittels eines Mikrorechners oder durch geeignete Logikschaltungen, ggfs. auch durch Analogschaltungen realisiert werden. Die pro­ grammtechnische Realisierung kann bspw. als Bestandteil der Programmierung eines Mikrorechners vorgenommen werden, der zur Prozesssteuerung in der Regel ohnehin vorhanden ist.

Die Drosselung der Energiezufuhr erfolgt vorzugsweise an der zuführenden Dampfleitung. Im Einzelfall kann es auch möglich sein, die Drosselung an der Kondensatleitung vorzunehmen, mit der kondensierter Dampf aus dem Wärme­ übertragungssystem ausgeleitet wird.

Vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind Gegen­ stand von Unteransprüchen und ergeben sich aus der Zeich­ nung oder der zugehörigen Beschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Wärmeübertragungssystem, in aufs äußerste schematisierter Darstellung,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Wärmeübertragungs­ system nach Fig. 1, in Prinzipdarstellung,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer Überwachungsein­ richtung, die Bestandteile des Reglers des Wärmeübertra­ gungssystems nach den Fig. 1 und 2 ist, in einer Block­ darstellung,

Fig. 4 den Druckverlauf in einem Wärmeübertragungs­ system bei plötzlichem Öffnen des Eingangsventils zum An­ fahren des Systems,

Fig. 5 den Druckverlauf beim Anfahren des Wärmeüber­ tragungssystems nach Fig. 1 bis 3,

Fig. 6 den zeitlichen Verlauf des dem Wärmeübertra­ gungssystem zugeführten Enthalpiestroms,

Fig. 7 den sich bei dem zeitlichen Verlauf der Ent­ halpie nach Fig. 6 ergebenden Druckverlauf, und

Fig. 8 den zeitlichen Verlauf der Zeitableitung des Drucks, in dem erfindungsgemäßen Wärmeübertragungssystem.

In Fig. 1 ist ein Wärmeübertragungssystem 1 veran­ schaulicht, das an eine Dampfleitung 01 und an eine Kon­ densatleitung 02 angeschlossen ist. An der Dampfleitung 01 steht Dampf mit mehreren Bar Druck und einer Temperatur von bspw. 150° an. Das Wärmeübertragungssystem 1 enthält Wärmeverbraucher 2, die letztendlich durch die von dem Dampf in das Wärmeübertragungssystem 1 hereingeführte Ent­ halpie zu erwärmen oder beheizen sind. Die Wärmeverbrau­ cher können dabei Heizkörper, Brauchwasserbereiter oder anderweitige prozesstechnische Anlagen sein. In einigen Fällen kann der Dampf bis zu dem jeweiligen Wärmeverbrau­ cher geleitet werden und seine Wärme, bspw. durch Konden­ sation, direkt an den Verbraucher abgeben. In anderen Fäl­ len ist ein Sekundärkreis zwischengeschaltet. Der Dampf gibt dann seine Wärmeenergie zunächst über einen schema­ tisch in Fig. 2 veranschaulichten Wärmetauscher 3 an Wasser ab, das den Wärmetauscher 3 an einer Vorlaufleitung 04 erhitzt verlässt und von dem eigentlichen Wärmeverbrau­ cher ausgekühlt über eine Rücklaufleitung 03 zu dem Wärme­ tauscher 3 zurückfließt. Aus Sicht des Primärkreises hat der Wärmetauscher 3 hier die Funktion eines Wärmeverbrau­ chers, in dem der Dampf abkühlt und kondensiert.

Das Wärmeübertragungssystem 1 enthält wenigstens ein als Drosselorgan nutzbares Ventil 5, über das der Zustrom von Dampf zu dem Wärmeübertragungssystem 1 regulierbar ist. Dieses Ventil 5 kann, wie Fig. 2 schematisiert zeigt, mit einem Stellantrieb 6 in Verbindung stehen, der bspw. als Membranantrieb ausgebildet ist. Über Steuerleitungen 7, 8, sowie ggfs. weitere Leitungen ist der Stellantrieb 6 so an das übrige System angeschlossen, dass das Ventil 5 bei normalem Betrieb einen konstanten Druck an dem Eingang des Wärmetauschers 3 ermöglicht. Über eine zusätzliche Leitung 9 ist der Stellantrieb 6 mit einem Regler 11 ver­ bunden. Dieser kann das Ventil 5 dadurch in Schließrich­ tung betätigen.

Zur weiteren Regulierung des Energieumsatzes in dem Wärmetauscher 3 ist in der Rücklaufleitung 02 ein Steuer­ ventil 12 angeordnet, das von dem Regler 1 über eine Lei­ tung 14 und einen Stellmotor 15 steuerbar ist.

Zur Überwachung des Betriebs des Wärmeübertragungs­ systems 1 sind an dem Wärmetauscher 3 vorzugsweise in der Vorlaufleitung 01 und in der Vorlaufleitung 04 Druckfühler 16, 17 angeordnet. Die Druckfühler 16, 17 werden vorzugs­ weise an Stellen oder in der Nähe von Stellen angeordnet, am denen sich nach Abschalten der Dampfzufuhr Kondensat­ ansammlungen bilden können, die von später wieder zuströ­ mendem Dampf aufgewirbelt werden können. Außerdem können sie an Stellen angeordnet werden, an denen zuströmendem Dampf besonders viel Wärme entzogen wird und Implosionen auftreten können.

Die Druckfühler 16, 17 sind über Leitungen 18, 19 mit dem Regler 11 verbunden, der die ankommenden Drucksignale auswertet. Abweichend von der in Fig. 2 veranschaulichten Version, kann auch ein einzelner Druckfühler ein einzelner Fühler für Druckänderungen, ein Mikrofon oder dergl. genü­ gen, wie es schematisch in Fig. 1 angedeutet ist. Bedarfsweise können auch mehrere Druckfühler 16, 17, 21 vorgesehen werden, wie Fig. 3 veranschaulicht.

Der in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte Regler 11 ist vorzugsweise ein Mikroprozessorregler. Der Reger 11 enthält eine Überwachungseinrichtung 23, die in Fig. 3 anhand ihrer Funktionsblöcke schematisch veranschaulicht ist. Sowohl die Funktionsblöcke der Überwachungsschaltung 23 als auch die gesamte Schaltung kann hardwaremäßig, d. h. als digitale oder analoge Schaltung realisiert sein. Vor­ zugsweise sind die nachfolgend erläuterten Funktionsblöcke mit dem Regler 11 als Programm eines Mikroprozessors rea­ lisiert.

Die Überwachungsschaltung 23 weist wenigstens einen, vorzugsweisen mehrere Überwachungskanäle 24, 25, 26 auf. Die Überwachungskanäle 24, 25, 26 dienen jeweils der Auf­ bereitung und Auswertung der von den Sensoren (Druckfüh­ lern) 16, 17, 21 gelieferten Signale. Die Kanäle 24, 25, 26 sind untereinander vorzugsweise gleich ausgebildet. Bei Verwendung unterschiedlicher Sensoren, wie bspw. Drucksen­ soren, Beschleunigungsaufnehmern und Mikrofonen können die Überwachungskanäle 24, 25, 26 auch voneinander abweichend dem jeweiligen Sensor entsprechend ausgebildet sein.

Der Überwachungskanal 24 weist im Anschluss an den Sensor 1 eine Filtereinrichtung 27 auf. Ist der Sensor 16 ein Drucksensor, hat die Filtereinrichtung wenigstens in einem beschränkten Frequenzbereich Hochpasscharakteristik. In diesem Frequenzbereich wird das von dem Sensor 16 ange­ gebene Drucksignal differenziert und das entstehende, am Ausgang der Filtereinrichtung 27 abgegebenen Signal kenn­ zeichnet die Druckänderungen oder Druckschwankungen. Au­ ßerdem kann die Filtereinrichtung 27 einen Verstärker ent­ halten, um den Signalpegel anzuheben sowie ggfs. eine Wi­ derstandsanpassung an hochohmige Sensoren vorzunehmen.

Das Ausgangssignal der Filtereinrichtung wird einer Vergleichereinrichtung 28 zugeleitet. Diese stellt fest, ob das von der Filtereinrichtung gelieferte Signal einer Amplitude oder einen Pegel aufweist, die bzw. der eine festgelegte Grenze übersteigt. Dazu bildet die Verglei­ chereinrichtung 28 zunächst den Betrag des Signals. Bei einer schaltungstechnischen Realisierung ist dies eine Gleichrichtung. Das gleichgerichtete Signal wird dann, bspw. in einer Komparatorschaltung, mit einem Grenzwert verglichen. Ist dieser überschritten gibt die Vergleicher­ einrichtung 28 an ihrem Ausgang ein Signal ab. Dieses Sig­ nal wird an einen Eingang einer Verknüpfungseinrichtung 29 weitergegeben. Durch geeignete Auslegung der Sensoren und der Überwachungskanäle 24, 25, 26 kann das System auf Überschreitung unterschiedlicher Grenzwerte bspw. für die Druckänderungsgeschwindigkeit, positive und negative Dru­ ckänderungen (Explosionen/Implosionen), Geräusche usw. überwacht werden.

An weitere Eingänge der Verknüpfungsschaltung 29 sind die übrigen Auswertekanäle 25, 26 angeschlossen. Die Ver­ knüpfungsschaltung 29 gibt an ihrem Ausgang ein entspre­ chendes Signal ab, wenn an wenigstens einem ihrer Eingänge ein Signal anliegt, das eine Aussage enthält, dass an dem betreffenden Sensor 16, 17 und/oder 21 Druckschwankungen vorliegen, die einen Grenzwert überschreiten. Dieses an dem Ausgang der Verknüpfungseinrichtung anliegende Signal wird zu einer Zeitgebereinrichtung 31 geführt, die dadurch gestartet wird. Erhält die Zeitgebereinrichtung 31 an ih­ rem Eingang ein Startsignal, gibt sie an ihrem Ausgang sofort ein Signal ab, das zunächst solange vorhanden bleibt, wie an ihrem Eingang ein Signal anliegt und das darüber hinaus von dem Wegfall des Eingangssignals an noch für eine ggfs. wählbare Zeit vorhanden bleibt. Ihr Aus­ gangssignal führt zu einer Vorrangschaltung oder -Einrich­ tung 32. Diese weist zwei Eingänge, einen Vorrangeingang V und einen Signaleingang S auf. An den Vorrangeingang V ist die Zeitgebereinrichtung 31 angeschlossen. Der Signalein­ gang S erhält ein Führungssignal mit dem das in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte Ventil 5 gesteuert werden soll. Die Vorrangschaltung 32 weist außerdem einen Ausgang auf, über den das Ventil 5 gesteuert ist.

Die Vorrangschaltung 32 gibt, wenn an ihrem Eingang V kein Signal anliegt, das an dem Eingang S anliegende Sig­ nal unverändert an den Ausgang A weiter. Liegt an dem Ein­ gang V jedoch ein Signal an, wird das an dem Eingang S anliegende Signal nicht mehr zu dem Ausgang A übertragen. Statt dessen nimmt dieser einen Wert oder einen Signalver­ lauf an, der das Ventil 5 veranlasst etwas weiter zu schließen, d. h. den Dampfstrom zu drosseln und dann in dieser Position zu verharren. Dieser Zustand wird solange beibehalten wie das Signal an dem Eingang V vorhanden ist. Das Ventil kann auch ganz schließen. Bedarfsweise kann der Betrag, um den das Ventil 5 geschlossen, d. h. sein Durch­ satz vermindert wird, von dem Maß abhängig gemacht werden, um das die überwachten Druckschwankungen infolge der Re­ aktionsträgheit der Überwachungseinrichtung 23 den Grenz­ wert überschritten hat.

Das insoweit beschriebene Wärmeübertragungssystem 1 arbeitet wie folgt:

Es wird zunächst davon ausgegangen, dass das Ventil 5 seit längerer Zeit, bspw. ein bis zwei Stunden, geschlos­ sen ist und dass das Wärmeübertragungssystem 1, insbeson­ dere die Wärmeverbraucher 2 und/oder der Wärmetauscher 3 (Fig. 1 und 2) Kondensat enthalten. Es wird nun weiter angenommen, dass infolge einer manuell vorgenommenen Einstellung, wie bspw. das Einschalten des Wärmeüber­ tragungssystems 1, oder durch einen sonst wie plötzlich auftretenden Wärmebedarf deutlich Dampf und somit Energie in das Wärmeübertragungssystem 1 geleitet werden muss. Dies stellt der Regler 11 fest und öffnet das Ventil 5. Das entsprechende Stellsignal passiert dabei die Vorrang­ schaltung 32 nach Fig. 3 ungehindert und das Ventil 5 öffnet zügig. Dies ist in Fig. 4 anhand des Druckverlaufs hinter dem Ventil 5 veranschaulicht.

Mit dem in das System einströmenden Dampf nimmt der Druck in dem System stetig zu. Der Druckanstieg erfolgt relativ schnell in wenigen Sekunden. Ist jedoch dadurch so viel heißer Dampf in das kalte System eingeströmt, dass es zu plötzlichen Verdampfungen kleinerer aufgewirbelter Was­ sermengen und zu plötzlichen Kondensationen von kleineren in kaltes Wasser geratenen Dampfmengen kommt, entstehen bei herkömmlichen Systemen sehr starke stochastische Druckschwankungen, die in Fig. 4 wiedergegeben sind.

Bevor diese Druckschwankungen bei dem erfindungsgemä­ ßen Wärmeübertragungssystem 1 auftreten können, wird die Gefahr derselben erkannt und der Dampfzustrom gedrosselt. Dies führt letztlich zu einem etwas allmählicherem, jedoch stoßfreien Druckanstieg wie er in Fig. 5 veranschaulicht ist. Der Übergang vom Stillstand zum Betrieb erfolgt glatt und ohne übermäßige Beanspruchung der Anlage durch Drucks­ töße.

Die Funktion der Überwachungseinrichtung ergibt sich dabei bspw. auch aus den Fig. 6 bis 8. In Fig. 6 ist veranschaulicht, wie zum Zeitpunkt t = 0 ein plötzlicher Wärmebedarf auftritt. Dies bedeutet, dass der gewünschte Enthalpiestrom E plötzlich von 0 auf einen Sollwert E_Soll springt. Durch das Öffnen des Ventils 5 versucht der Reg­ ler 11 nun diesen Sollwert zunächst relativ zügig zu er­ reichen, was in Fig. 6 durch einen ersten Kurvenabschnitt 41 veranschaulicht ist. Zugleich tritt ein relativ steiler Druckanstieg auf, wie der Kurvenabschnitt 42 in Fig. 7 veranschaulicht. Solange dieser Anstieg einen Grenzwert nicht übersteigt, wird das Ventil 5 weiter geöffnet oder bleibt in seiner geöffneten Stellung. Treten nun, wie in Fig. 7 in dem Bereich 43 schematisch angedeutet, erst kleinere Druckschwankungen infolge von Verdampfungen auf­ gewirbelter Wassertropfen oder dergleichen auf, ist an dem Ausgang der Filtereinrichtung 27 ein Druckänderungssignal (zeitdifferenzierter Signalanteil) vorhanden, der die Druckänderung dp/dt kennzeichnet. Sobald die Druckände­ rungsgeschwindigkeit einen Grenzwert überschreiten wird dies von der Vergleicheinrichtung 28 erkannt und über die Zeitgebereinrichtung 31 und die Vorrangschaltung 32 wird das Ventil 5 etwas geschlossen.

Fig. 6 zeigt, dass der Enthalpiestrom in diesem Be­ reich abnimmt, worauf sich das Druckverhalten beruhigt (Bereich 44 in Fig. 7). Anstelle der hier ansonsten auf­ tretenden gestrichelt dargestellten großen Druckstöße wird nun ein stoßfreier Druckverlauf, d. h. ein sich zeitlich nur relativ langsam ändernder Druckverlauf erreicht, wie er durch den Kurvenabschnitt 45 veranschaulicht ist. Der Vorgang kann sich mehrmals wiederholen bis der Sollwert des Enthalpiestroms erreicht ist.

Durch den somit erreichten schonenden Anfahrbetrieb werden insbesondere Anlagenkomponenten, Verbindungsstel­ len, Dichtungen und Armaturen geschont und die Lebensdauer und Betriebssicherheit der Anlage nehmen zu. Gegebenen­ falls auch auf Kosten der Reaktionszeit der Anlage wird deren Reaktionsträgheit kontrolliert und selektiv dann erhöht, wenn zu schnelle Reaktion zu schleichenden, sich kumulierenden Anlagenschäden (Verschleiß) oder auch Schä­ den mit potentiell katastrophalen Folgen führen kann (Dampfaustritt). Durch die selektive Verlangsamung der Reaktion nur dann, wenn sie erforderlich ist, bleibt die Reaktionszeit der Anlage angemessen kurz.

Bedarfsweise kann die Überwachung des zeitlichen Druckverlaufs auf solche Situationen beschränkt werden, in denen die Anlage angefahren wird, nachdem sie länger als eine vorgegebenen Zeitspanne ohne Dampfzufuhr war. Dies verhindert, dass normale Betriebsgeräusche oder von außen kommende Fremdgeräusche fälschlich zu einer Drosselung der Dampfzufuhr führen, obwohl die Anlage ruhig arbeitet.

Eine weitere und verfeinerte Variante ist die Über­ wachung des aufgenommenen Druckverlaufs (Schalls) hin­ sichtlich seiner spektralen Zusammensetzung, bspw. mittels Fouriertransformation in der Überwachungsschaltung. Die Dampfzufuhr wird dann zumindest für eine gegebene Zeit­ spanne gedrosselt, wenn bei normalem Betrieb nicht vorhan­ dene und als Vorboten größerer Druckstöße deutbare Spek­ tralanteile auftreten. Das als normal anzusehende Schall­ spektrum kann bspw. bei ruhigem Normalbetrieb aufgenommen und wenigstens grob, d. h. anhand einiger ausgewählter Kennwerte, abgespeichert werden. Überschreiten fest­ gestellte Abweichungen insbesondere beim Anfahren der An­ lage ein zulässiges Maß, wird der Dampfzustrom gedrosselt.

Claims (17)

1. Wärmeübertragungssystem (1) mit Dampf als Wärme­ trägermedium,
mit wenigstens einer Wärmeübergabestelle (2, 3), an der der Dampf einen großen Teil der enthaltenen Wärmeener­ gie an Anlagenteile oder andere Medien abgibt,
mit einem Weg (01), auf dem der Dampf zu der Wärme­ übergabestelle (2, 3) geleitet wird,
mit einem einstellbaren Drosselorgan (5), mittels dessen der Zustrom von Dampf zu der Wärmeübergabestelle (2, 3) steuerbar ist und das mit einer Stelleinrichtung (6) verbunden ist,
mit einer Überwachungseinrichtung (23), die mit der Stelleinrichtung (6) verbunden ist und mittels derer Druckschwankungen an wenigstens einer Überwachungsstelle (16, 17) in dem Wärmeübertragungssystem (1) erfassbar sind,
wobei die Überwachungseinrichtung (23) die Stellein­ richtung veranlasst (6), das Drosselorgan (5) zur stärke­ ren Drosselung des zuströmenden Dampfs zu verstellen, wenn die von ihr erfaßten Druckschwankungen ein vorgegebenes Maß überschreiten.

2. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübergabestelle (2, 3) ein Wärmetauscher ist, der zur Übertragung der nutzbaren Wär­ meenergie des Dampfs auf ein anderes Wärmeträgermedium, vorzugsweise Wasser dient.

3. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan in dem Weg (01) an­ geordnet ist, auf dem der Dampf zu der Wärmeübergabestelle (2, 3) geleitet wird.

4. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan in einem Rücklaufweg (02) angeordnet ist, über den verbrauchter Dampf das Wärmeübertragungssystem vorzugsweise als Kondensat ver­ lässt.

5. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (23) Teil einer Steuer- und Regeleinrichtung ist, über die das Dros­ selorgan (5) und falls erforderlich weitere Drosselorgane (12) zur Prozessführung steuerbar sind.

6. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinrichtung (11) das Drosselorgan (5) anhand eines von der Überwachungsein­ richtung (23) abgegebenen Signals im Vorrang steuert.

7. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (23) we­ nigstens einen Sensor (16) zur Erfassung der Druckschwan­ kungen in dem Wärmeübertragungssystem (1) aufweist.

8. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) ein Drucksensor oder ein Schallsensor, insbesondere ein Körperschallsensor ist.

9. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (23) eine Filtereinrichtung (27) für die von dem Sensor (16) abgege­ benen Signale oder für aus diesen abgeleitete Signale auf­ weist, wobei die Filtereinrichtung (27) vorzugsweise als Hochpass oder als Bandpass ausgebildet ist.

10. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (23) eine Komparatoreinrichtung (28) aufweist, die derart ausgebil­ det ist, dass sie an ihrem Ausgang ein Signal abgibt, wenn das an ihrem Eingang vorhandene Signal einen Grenzwert überschreitet, das in dem Wärmeübertragersystem vorhandene Druckschwankungen kennzeichnet.

11. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (23) eine Verknüpfungseinrichtung (31) enthält, die mehrere Eingänge aufweist, denen jeweils ein Signal zugeleitet ist, das kennzeichnet, ob an einer gewählten Stelle des Wärmeüber­ tragungssystems (1) einen Grenzwert überschreitende Druckschwankungen vorhanden sind, und die einen Ausgang aufweist, der ein Signal abgibt wenn wenigstens einer der Eingänge ein Signal erhält.

12. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (23) der­ art ausgebildet ist, dass sie, wenn sie unzulässige Druck­ schwankungen erfasst, die Stelleinrichtung (6) veranlasst, das Drosselorgan (5) um einen festgelegten oder zu bestim­ menden Betrag zu schließen und dass sie erst nach Ablauf einer festen oder wählbaren Zeit einen erneuten Öffnungs­ versuch des Drosselorgans zulässt.

13. Verfahren zum Betrieb von mit Dampf betriebenen Wärmeübertragungssystemen,
bei dem das Wärmeübertragungssystem wenigstens punktuell auf Druckschwankungen überwacht wird, und
bei dem die Dampfzufuhr zu dem Wärmeübertragungssys­ tem ungeachtet etwaiger Wärmeanforderungen gedrosselt wird, wenn Druckschwankungen auftreten, die ein festgeleg­ tes Maß überschreiten.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, dass die Dampfzufuhr erst dann gedrosselt wird, wenn die Druckschwankungen für eine Zeitspanne auftreten, die größer als eine festgelegte Maximalzeit ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, dass nach dem Drosseln der Dampfzufuhr wegen aufge­ tretener Druckschwankungen eine Wartezeit abgewartet wird, bevor die Dampfzufuhr wieder vergrößert ist.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, dass außer den Druckschwankungen der zuströmende Dampfstrom überwacht und bei Auftreten von Druckschwankun­ gen in Stufen reduziert wird, bis die Druckschwankungen unter ein Minimalmaß reduziert sind.

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, dass zur Erfassung der Druckschwankungen in dem Wärmeübertragungssystem zunächst der vorhandene Druck er­ fasst wird, der dann nach der Zeit differenziert wird, um ein Druckänderungssignal zu erhalten.