DE69611195T2

DE69611195T2 - Dampferzeugungssystem

Info

Publication number: DE69611195T2
Application number: DE69611195T
Authority: DE
Inventors: Robert J. Watts
Original assignee: Eaton Williams Group Ltd
Current assignee: Eaton Williams Group Ltd
Priority date: 1995-02-16
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2016-02-16
Also published as: DE69611195D1; GB9503076D0; US5850809A; EP0727609A1; ATE198101T1; EP0727609B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Dampferzeugungssystem mit einem Kessel, der (a) eine Leitung für Wasser und/ oder Dampf, (b) einen Einlaß für die Leitung, durch den über bestimmte Zeiträume während des Betriebs des Kessels kontinuierlich Wasser eingeleitet wird, (c) einen Erhitzer zum Erhitzen der Leitung und (d) einen Auslaß der Leitung aufweist, aus dem während des Einlassens von Wasser durch den Einlaß kontinuierlich Dampf austritt, sowie mit einer Pumpe, die über eine mit Strömungskontrollorganen versehene Strömungskanalanordnung mit dem Einlaß verbunden ist, um über diese Strömungskanalanordnung Wasser zu ihm zu pumpen, wobei die Strömungskontrollorgane mehrere, Teile der Strömungskanalanordnung bildende Leitungen umfassen, welche parallel zueinander zwischen der Pumpe und dem Kessel angeordnet sind und welche sich unabhängig voneinander öffnen lassen, um die dem Kessel zugeführte Wassermenge verändern zu können.
Ein Dampferzeugungssystem der vorstehenden Art ist aus der US-A-1558997 bekannt. Die Strömung durch die Leitung wird unter normalen Druckbedingungen allein in Abhängigkeit vom Wasserstand im Kessel gesteuert und die Strömungssteuerung ist so ausgebildet, daß die Strömung bei abnormalen Bedingungen lediglich durch den Druck im Kessel beeinflußt wird.
Die WO 88/04390 beschreibt ein Dampferzeugungssystem der eingangs genannten Art mit einem Verteilerblock, von dem mehrere Leitungen abgehen, von denen sich jeweils eine Rückleitung zu einem Speisetank für den Kessel erstreckt, der stromaufwärts zur Pumpe angeordnet ist. Bei der bekannten Konstruktion kann in Abhängigkeit von der Wassermenge, die vom Verteilerblock und der Rückleitung in den Speisetank fließt, eine variable Wassermenge in den Kessel eingespeist werden. Der Nachteil einer solchen Konstruktion besteht in einem Energieverlust beim Umschalten des Wasserstromes zum Speisetank.
Ziel der Erfindung ist es, den Energieverlust zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dampferzeugungssystem der eingangs beschriebenen Bauart, in dem die Strömungskontrollorgane eine Vielzahl von Leitungen umfassen, die einen Teil der Strömungsbahn bilden und parallel zueinander zwischen der Pumpe und dem Kessel angeordnet sind und die unabhängig voneinander geöffnet werden können, um eine Veränderung der dem Kessel zugeführten Wassermenge zu ermöglichen, wobei die Strömungskontrollorgarie ein Schließventil und einen Strömungsregler umfassen, der im wesentlichen unabhängig von den vor seinem Einlaß und hinter seinem Auslaß herrschenden Drücken eine konstante Strömung aufrecht erhält.
Der Strömungsregler kann mit einem Kolbenventil ausgestattet sein, dessen Einlaßkanal eine von der Position seines Kolbens abhängige, veränderliche Öffnung besitzt. Die Strömung durch den Regler kann eine eingestellte Öffnung passieren, an der durch das Kolbenventil eine: bestimmte Druckdifferenz aufrecht erhalten wird. Dies läßt sich durch auf den Kolben einwirkende federnde Organe erreichen, deren Kraft die Druckdifferenz an der Öffnung bestimmt.
Eine erste Leitung und der Kessel können so ausgelegt sein, daß die Strömung durch diese Leitung bei geschlossenen übrigen Leitungen zur Erzeugung von überhitztem Dampf mit einer Temperatur oberhalb der normalen Siedetemperatur des Wassers beim Dampfauslaßdruck des Systems führt.
Stromabwärts vom Kessel kann ein Temperaturüberwachungsorgan vorgesehen werden, das die Temperatur des aus dem Kessel austretenden Dampfes mißt. Das Temperaturüberwachungsorgan kann mit einer Steuereinheit des Systems verbunden sein, die bei einer ersten Temperatur des erhitzten Dampfes das Öffnen einer der Leitungen bewirkt.
Die Steuereinheit kann ferner so mit dem Temperaturüberwachungsorgan verbunden sein, daß sie eine weitere Leitung öffnet, sobald die vom Temperaturüberwachungsorgan angezeigte Temperatur eine zweite des überhitzten Dampfes übersteigt, die höher ist als die erste Temperatur des überhitzten Dampfes. Die Steuereinheit kann so eine vorgegebene Strömungsrate und eine vorgegebene Dampfaustrittsmenge aufrechterhalten.
Die Steuereinheit kann so ausgebildet sein, daß sie eine der genannten Leitungen bei einer Temperatur schließt, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Leitung geöffnet wird, um einen Hysteresebereich zwischen den Schließ- und Öffnungstemperaturen zu erzeugen.
Die vorgenannte erste Temperatur des überhitzten Dampfes sollte etwa 5ºCelsius oberhalb des Siedepunktes des Wassers bei dem im System herrschenden Dampfdruck liegen, während die zweite vorerwähnte Temperatur des überhitzten Dampfes annähernd 10º Celsius oberhalb dieses Dampfdruckes liegen sollte. Der Hysteresebereich kann etwa 1ºCelsius betragen.
Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Dampferzeugung mittels eines erfindungsgemäßen Systems.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dampferzeugungssystems wird nunmehr anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 ein Blockschaubild des Systems zeigt und
Fig. 2 einen Axialschnitt durch den Strömungsregler des Systems gemäß Fig. 1.
Das in Fig. 1 dargestellte System weist einen Speisetank 10 mit einem Auslaß 12 auf, der über eine Leitung 16 mit dem Einlaß einer Pumpe 14 verbunden ist. Der Auslaß 18 der Pumpe 14 ist über eine Leitung 20 mit einer Leitung 22 verbunden.
Außerdem steht der Auslaß 18 der Pumpe 14 mit einem Druckmesser 24 für den Pumpenauslaßdruck und einem von Hand einstellbaren Ventil 26 in Verbindung, das dazu dient, den Pumpenauslaßdruck annähernd konstant zu halten, der normalerweise 28 Bar beträgt. Das Ventil 26 hält diesen Druck dadurch aufrecht, daß es im Bedarfsfall Wasser durch einen Rückflußkanal 30 in den Speisetank 10 strömen läßt.
Drei Leitungen 32, 34 und 36 verbinden die Leitung 22 mit einer Leitung 38, um Wasser aus dem Speisetank 10 über den Kanal 16, die Leitung 20 und die Leitung 22 zum Wassereinlaß 40 des Kessels 42 zu befördern. Ein Dampfauslaß 44 des Kessels 42 ist über eine Leitung 48 mit einem Sammelrohr 46 verbunden. Das Sammelrohr 46 ist hohl und im wesentlichen T-förmig ausgebildet, wobei das T liegend angeordnet ist, so daß der normalerweise senkrechte Balken des T eine horizontale Lage einnimmt. Die Leitung 48 führt vom Auslaß 44 zum Fuß des Sammelrohres 46. Zwei Druckschalter 50 und 52 sind so mit dem Sammelrohr 46 verbunden, daß sie mit dem im Sammelrohr 46 wirksamen Druck beaufschlagt werden. Das Sammelrohr 46 weist außerdem oberhalb seines Hauptdampfauslasses 56 ein Sicherheitsventil 54 und ein Auslaßventil 58 auf. Zur Messung der Temperatur des Dampfes aus dem Kessel 42 ist die Leitung 48 mit einem Temperaturüberwachungsorgan 60 ausgestattet.
In jeder Leitung 32, 34 bzw. 36 ist jeweils ein Schließventil 64, 66 bzw. 68 mit jeweils einer Magnetspule 70, 72 bzw. 74 angeordnet. Mit den Schließventilen 64, 66 und 68 sind Strömungsregler 76, 78 und 80 in Reihe geschaltet. Sämtlichen Strömungsreglern 76, 78 und 80 ist ein Strömungsmesser 82 nachgeschaltet, an dessen Auslaß sich die Leitung 38 anschließt. Ein zusätzlicher Sicherheits-Druckentlastungsschalter 62 ist mit der Leitung 22 verbunden und ist mit dem in ihr herrschenden Druck beaufschlagt.
Die Ausgänge der Druckschalter 50, 52 und 62 sind zusammen mit dem Ausgang des Temperaturüberwachungsorgans 60 elektrisch mit Eingängen einer Steuereinheit 84 verbunden, deren Ausgänge mit den Magnetventilen 70, 72 und 74 in Verbindung stehen.
Die Steuereinheit 84 verfügt außerdem über einen Auslaß, der mit dem Strömungsmesser 82 und einem Ausschalter 83 für einen Brenner 88 verbunden ist. Falls die vom Strömungsmesser 82 gemessene Strömung des Wassers einen bestimmten Grenzwert von z. B 1 Liter pro Minute unterschreitet, schaltet die Steuereinheit den Brenner 88 ab.
Der Kessel 42 weist eine mehrfach schraubenförmige Leitung 86 auf, die mäanderartig im Innern des Kessels 42 verläuft. Die Flamme des Brenners 88 ist auf die Windungen der Leitung 86 gerichtet, um das in ihr befindliche Wasser und/oder den Wasserkampf zu erhitzen. Der Kessel 42 ist außerdem mit einem Abgaskanal 90 (in der Zeichnung 80) für die Verbrennungsgase des Brenners 88 versehen.
Fig. 2 zeigt eine von vielen möglichen Konstruktionen der Strömungsregler 76, 78 und 80. Sie umfaßt einen Ventilblock 100 mit einem Zylinder 102, in dem ein hohler Kolben 104 axial verschiebbar geführt ist. Ein Einlaß 106 erstreckt sich axial in das Innere des Reglers zu einer Öffnung 108, die den Einlaß 106 mit einer Bohrung 110 verbindet, die in den Zylinder 102 mündet. Der Kolben 104 ist mit Schlitzen 112 ausgestattet, die das Kolbeninnere mit der Bohrung 110 verbinden. Weitere stromabwärts von den Schlitzen 112 gelegene Schlitze 114 verbinden das Kolbeninnere über eine weitere Querbohrung 116 mit einem sich axial erstreckenden Auslaß 118. Die Schlitze befinden sich in der Nähe einer Kante 120 des Ventilblockes 100. Eine stromabwärts gerichtete Bewegung des Kolbens 104 führt zu einer wachsenden Abdeckung der Schlitze 114 durch die Kante 120 und zur Reduzierung des Querschnitts, durch den Flüssigkeit vom Kolbeninnern zur Bohrung 116 gelangen kann. Der entsprechenden Bewegung des Kolbens 104 wirkt eine Feder 122 im Innern des Ventilblocks 100 entgegen.
Über eine Querbohrung 124 steht der Einlaß 106 direkt mit der geschlossenen Stirnseite 126 des Kolbens 104 an dessen der Feder 122 abgewandtem Ende in Verbindung. Die wirksame Größe der Öffnung 108 ist mit Hilfe einer Schraube 128 einstellbar, die im Bereich der Bohrung 110 in ein Gewinde des Ventilblockes 100 eingeschraubt ist. Die von der Feder 122 auf den Kolben 104 ausgeübte Kraft läßt sich mittels einer Schraube 130 einstellen, die in das äußere Ende des Zylinders 102 eingeschraubt ist.
Beim Betrieb des Systems fördert die Pumpe 14 Wasser über die Leitungen 16 und 20, die Leitungen 22 sowie die Leitungen 32 und/oder 34 und/oder 36 und die Leitung 38 zum Kessel 42. Nach dem Einschalten des Brenners 88 wird das durch die schraubenförmigen Windungen 86 strömende Wasser erhitzt, so daß sich überhitzter Wasserdampf bildet, der durch den Auslaß 44 aus dem Kessel 42 austritt. Der überhitzte Dampf steht dann am Auslaß 56 des Sammelrohres zur Verfügung, zu dem er über die Leitung 48 vom Kessel 42 gelangt.
Zunächst öffnet die Steuereinheit 84 nur das Schließventil 64, so daß eine konstante Wassermenge durch den Strömungsregler 76 zum Kanal 38 und von dort zum Einlaß 40 des Kessels 42 strömt. Der Strömungsregler 76 hält eine konstante Strömung aufrecht, die bei einer vorgegebenen Betriebsgröße des Brenners 88 überhitzten Dampf am Auslaß 44 und folglich in der Leitung 48 und im Sammelrohr 46 erzeugt.
Sobald die vom Temperaturüberwachungsorgan 60 angezeigte Temperatur den Siedepunkt des Wassers bei dem vom Druckschalter 50 vorgegebenen Druck um mehr als 5ºCelsius überschreitet, öffnet die Steuereinheit 84 das Schließventil 66, um über den Strömungsmesser 82 und die Leitung 38 eine durch den Strömungsregler 78 bestimmte zusätzliche Wassermenge in den Kessel 42 zu fördern. Für den verhältnismäßig unwahrscheinlichen Fall, daß die Temperatur des Dampfes den Siedepunkt des Wassers bei dem vom Druckschalter 50 vorgegebenen Druck um mehr als 10ºCelsius überschreitet, öffnet die Steuereinheit 84 das Schließventil 68, um über den Strömungsmesser 82 eine durch den Strömungsregler 80 bestimmte zusätzliche Wassermenge in die Leitung 38 strömen zu lassen.
Für den Fall, daß die Temperatur des überhitzten Dampfes am Temperaturüberwachungsorgan 60 um mehr als 1ºCelsius unter die Öffnungstemperaturschwelle des Schließventils 66 oder 68 fällt, werden die Schließventile von der Steuereinheit 84 geschlossen. Die beschriebene Steuerung erlaubt es, überhitzten Dampf bei einer vorgegebenen Temperatur mit im wesentlichen konstantem Druck im Kessel zu erzeugen.
Falls der Druck einen durch den Druckschalter 50 vorbestimmten Druck um einen vorbestimmten Betrag überschreitet, schaltet die Steuereinheit 84 den Brenner 88 am Schalter 83 ab. Sie schaltet außerdem die Pumpe 14 ab und schließt die Schließventile 64, 66 sowie 68. Sobald der am Druckschalter 50 wirksame Druck wieder unter den festgesetzten Wert fällt, wird das System wieder angeschaltet, indem die Pumpe 14 erneut ihren Betrieb aufnimmt, das Ventil 64 geöffnet und der Brenner 88 am Schalter 83 wieder eingeschaltet wird. Ein Hysteresebereich zwischen dem Druck beim Abschalten und dem Druck beim Wiedereinschalten kann nicht ausgeschlossen werden.
Sollte einer der Druckschalter 52 oder 62 einen überhöhten Druck anzeigen, schaltet die Steuereinheit 84 das System ebenfalls sicherheitshalber ab, indem es die Pumpe 14 und den Brenner 88 abschaltet und die Ventile 64, 66 sowie 68 schließt. Ebenso schaltet die Steuereinheit 84 das System ab, wenn das Temperaturüberwachungsorgan 60 eine überhöhte Temperatur anzeigt.
Aus der Fig. 2 und der obigen Beschreibung des Strömungsreglers ergibt sich, daß Wasser in den Einlaß 106 gelangt und von dort durch die Bohrung 110 und die Schlitze in das Kolbeninnere fließt, um von dort durch die Schlitze 114 über die Bohrung 116 zum Auslaß 118 zu gelangen. Der Flüssigkeitsdruck in der Bohrung 124 drückt den Kolben 104 gegen die Feder 122, während der Flüssigkeitsdruck im Kolbeninnern und die Kraft der Feder 122 den Kolben in die Gegenrichtung zu drücken suchen. Der auf den Kolben einwirkende Differentialdruck entspricht mithin im wesentlichen der Federkraft der Feder 122, die mit Hilfe der Schraube 130 eingestellt werden kann.
Ein im wesentlichen konstanter Druckabfall an der Öffnung 108 bewirkt einen im wesentlichen konstanten Flüssigkeitsstrom durch den Regler und folglich durch dessen Einlaß 106 und dessen Auslaß 118 und zwar unabhängig vom jeweiligen Flüssigkeitsdruck an diesen Stellen. Steigt der Druck am Einlaß 106, wird der Kolben 104 aufgrund des momentan erhöhten Druckes in der Bohrung 124 gegen die Feder 122 gedrückt. Dadurch wird der wirksame Querschnitt der Schlitze 114 reduziert, der dem Flüssigkeitsstrom in die Bohrung 116 zur Verfügung steht. Es stellt sich folglich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem die Druckdifferenz zwischen dem Einlaß 106 und dem Auslaß 118 wiederum dem Wert der auf den Kolben 104 einwirkenden Kraft der Feder 122 entspricht. Da diese im wesentlichen konstant ist, bleibt der Wert der Druckdifferenz zwischen dem Einlaß 106 und dem Auslaß 118 ebenso wie die Strömung durch die Öffnung 108 im wesentlichen konstant.
Zahlreiche Varianten und Modifikationen des dargestellten und beschriebenen Systems liegen für den Durchschnittsfachmann im Rahmen der Erfindung.
Die Strömungsregler 76, 78 und 80 können einen Kates® -Mini- FloTM- oder einen Kates~-Fixa-FloTM-Regler aufweisen, wie er von der W. A. Kates Company in 1450 Jarvis Avenue, Ferndale, Michigan 48220 USA, hergestellt und im Vereinigten Königreich von der Firma Fluid Controls Limited in Minerva House, Calleva Park, Aldermaston, Berkshire, RG7 4QW, England, vertrieben wird.
Von der Leitung 22 können zwei weitere in Fig. 1 abgesperrte Dreifachleitungssätze zu zwei weiteren Kesseln führen.
Das Temperaturüberwachungsorgan 60 kann zwei Temperatursensoren aufweisen, von denen einer zur Regelung und einer als Abschaltsicherung nutzbar ist.

Claims

1. Dampferzeugungssystem mit einem Kessel (42), der (a) eine Leitung (86) für Wasser und/oder Dampf, (b) einen Einlaß (40) für die Leitung (86), durch den über bestimmte Zeiträume während des Betriebs des Kessels (42) kontinuierlich Wasser eingeleitet wird, (c) einen Erhitzer (88) zum Erhitzen der Leitung (86) und (d) einen Auslaß (44) der Leitung (86) aufweist, aus dem während des Einlassens von Wasser durch den Einlaß (40) kontinuierlich Dampf austritt, sowie mit einer Pumpe (14), die über eine mit Strömungskontrollorganen (32, 34, 36, 64, 66, 68, 76, 78, 80) versehene Strömungskanalanordnung (18, 20, 22, 32, 34, 36, 38) mit dem Einlaß (40) verbunden ist, um über diese Strömungskanalanordnung (18, 20, 22, 32, 34, 36, 38) Wasser zu ihm zu pumpen, wobei die Strömungskontrollorgane (32, 34, 36, 64, 66, 68, 76, 78, 80) mehrere, Teile der Strömungskanalanordnung (18, 20, 22, 32, 34, 36, 38) bildende Leitungen (32, 34, 36) umfassen, welche parallel zueinander zwischen der Pumpe (14) und dem Kessel (42) angeordnet sind und welche sich unabhängig voneinander öffnen lassen, um die dem Kessel (42) zugeführte Wassermenge verändern zu können, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskontrollorgane ein Schließventil (64) und einen Stömungsregler (76) umfassen, der im wesentlichen unabhängig von den vor seinem Einlaß (106) und hinter seinem Auslaß (118) herrschenden Drücken eine konstante Strömung aufrechterhält.

2. Dampferzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließventil (64) als Magnetventil (64) ausgebildet ist.

3. Dampferzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsregler (76) ein Kolbenventil aufweist, dessen Einlaßkanal (110, 112) eine von der Position seines Kolbens (104) abhängige, veränderliche Öffnung besitzt.

4. Dampferzeugungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung durch den Strömungsregler (76) eine eingestellte Öffnung (108, 128) passiert, an der durch das Kolbenventil eine bestimmte Druckdifferenz aufrechterhalten wird.

5. Dampferzeugungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die festgelegte Druckdifferenz unter Zuhilfenahme eines auf den Kolben (104) einwirkenden Federorganes (122) aufrechterhalten wird, dessen Kraft die Druckdifferenz an der Öffnung (108, 128) bestimmt.

6. Dampferzeugungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Leitung (32) und der Kessel (42) so ausgelegt sind, daß die diese Leitung (32) in ihrem geöffneten Zustand, bei geschlossenen übrigen Leitungen (34, 36) passierende Strömung zur Erzeugung von überhitztem Dampf mit einer Temperatur oberhalb der normalen Siedetemperatur von Wasser beim Dampfauslaßdruck des Systems führt.

7. Dampferzeugungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts des Kessels (42) ein Temperaturüberwachungsorgan (60) vorgesehen ist, das die Temperatur des aus dem Kessel (42) austretenden Dampfes mißt.

8. Dampferzeugungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturüberwachungsorgan (60) mit einer Steuereinheit (84) des Systems verbunden ist, die bei einer ersten Temperatur des erhitzten Dampfes das Öffnen einer (32) der Leitungen (32, 34, 36) bewirkt.

9. Dampferzeugungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (84) das Öffnen einer weiteren Leitung (34) der Leitungen (32, 34, 36) bewirkt, sobald die vom Temperaturüberwachungsorgan (60) ermittelte Temperatur eine zweite Temperatur des überhitzten Dampfes übersteigt, die höher ist als die bereits genannte erste Temperatur des überhitzten Dampfes, wodurch die Steuereinheit (84) eine bestimmte Strömungsrate oder eine bestimmte Höchstmenge austretenden Dampfes aufrechterhält.

10. Dampferzeugungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Temperatur des überhitzten Dampfes im wesentlichen 5ºC höher ist als der Siedepunkt des Wassers bei dem im System herrschenden Dampfdruck.

11. Dampferzeugungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Temperatur des überhitzten Dampfes im wesentlichen 10ºC höher ist als der Siedepunkt des Wassers bei dem im System herrschenden Dampfdruck.

12. Dampferzeugungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (84) so ausgebildet ist, daß sie eine (34) der Leitungen (32, 34, 36) bei einer Temperatur schließt, die niedriger als die Temperatur ist, bei der sie diese Leitung (34) öffnet, um einen Hysteresebereich zwischen den Schließ- und Öffnungstemperaturen zu erzeugen.

13. Dampferzeugungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hysteresebereich etwa 1ºC beträgt.

14. Verfahren zur Dampferzeugung unter Verwendung eines der in den Ansprüchen 1 bis 13 beanspruchten Systeme.