Dampferzeugung

Die industrielle Energielieferung mit Hilfe einer Wärmekraftmaschine beginnt im 18. Jahrhundert. Mehr als hundert Jahre später erreicht den Verbraucher der elektrische Strom und als weitere Energieform auch die Wärme, die sowohl für industrielle Prozesse als auch in Form von Fernwärme zu Heizzwecken (mit Dampf oder Heißwasser als Wärmeträger) genutzt wird.

Die Entwicklung des modernen Großkraftwerkes beginnt mit- der Einführung der Kondensation, welche im Dampfprozeß die größte Ersparnis am Wärmeverbrauch mit sich bringt (Bild 2.1) /11/. In seiner einfachen Form (Bild 2.2) besteht das Kondensationskraftwerk aus nachfolgenden Untersystemen: 1.Dampferzeuger mit seiner Wärmequelle2.Dampfturbine3.Kondensator4.Speisewasserbehälter und -pumpe5.Rohrleitungen mit Armaturen Das pv-Diagramm (Bild 2.3) zeigt seinen idealisierten Kreislauf. Bei dem umlaufenden Arbeitsstoff Wasser mit dem kleinen spezifischen Volumen v findet im Abschnitt 1–2 in der Speisepumpe eine Druckerhöhung statt, die bei dem wenig kompressiblen Wasser quasiisochor erfolgt. Im Dampferzeuger wird das Wasser bei hohem Druck unter Volumenzunahme isobar verdampft und überhitzt (Abschnitt 2–3). Das spezifische Volumen des Dampfes am Kesselaustritt (Punkt 3) ist wegen des hohen Druckes klein, so daß selbst bei größten Leistungen der Hochdruckteil der Turbine einflutig ausgeführt werden kann.

Bei der Blockschaltung, die bei heute gebauten Kondensationskraftwerken fast ausschließlich vorkommt, wird das Kraftwerk in mehrere selbstständige Stromerzeugungseinheiten aufgeteilt. Diese bestehen aus einem Kessel (nur selten sind es bei Leistungen über 1000 MW zwei Kessel), einer Turbine und den notwendigen Hilfseinrichtungen. Die Anzahl der selbständigen Arbeitsstoffkreisläufe ist identisch mit der Anzahl der Blöcke. Die jeweilige Leistung einzelner Untersysteme eines Blockes ist der Blockleistung proportional. Das Schema des Blockes ist mit der Darstellung in Bild 2.4 identisch.

Bei der Verbrennung findet eine Oxidation von Brennstoff bei hoher Temperatur statt, wobei Wärme frei wird. Voraussetzung ist eine gründliche Mischung von Brennstoff mit dem Sauerstoffträger (Luft) und die Vorwärmung des Gemisches auf Zündtemperatur. Die bei der Verbrennung entstehende hohe Temperatur stellt den schnellen Ablauf von chemischen Reaktionen sicher. Die entbundene Wärme wird z.T. an die Verbrennungsprodukte (Verbrennungsgase, Asche, Schlacke), z.T. an die Begrenzungswände des Feuerraumes bzw. an das zu erwärmende Gut (Industrieöfen) übertragen.

Bei technischen Strömungsanlagen ist, von seltenen Ausnahmen abgesehen, die Strömung turbulent /24/. In einem stationären, reibungsbehafteten turbulenten Strom ist der Hauptbewegung mit einer von der Zeit unabhängigen Geschwindigkeit $$\bar{w}$$ noch eine regellose Schwankungsbewegung überlagert, deren Geschwindigkeitsanteil w’ sich sowohl in der Größe als auch in der Richtung mit der Zeit stochastisch ändert. Der Vektor der resultierenden Geschwindigkeit eines Teilchens ist hier (Bild 5.1) Dies bewirkt, daß im turbulenten Strom auch andere vom Massentransport abhängige Größen wie Konzentration, Druck, Temperatur, Dichte usw. regellos schwanken.

Die Oxidation eines Brennstoffes geschieht bei niedrigen Temperaturen mit so geringer Geschwindigkeit, daß die dabei entwickelte Wärme ständig an die Umgebung abgegeben wird, ohne daß eine nennenswerte Temperaturerhöhung eintritt. Erwärmt man dagegen das brennbare Gemisch von außen, so steigert sich die Reaktionsgeschwindigkeit derart, daß oberhalb einer gewissen Temperaturschwelle, der Zündtemperatur, die entbundene Wärmemenge die abgegebene Wärmemenge übersteigt. Die Reaktion wird somit beschleunigt, so daß eine stabile Verbrennung eingeleitet und aufrechterhalten wird /20/.

Ist die Mischung und Zündung eines Gas-Luft-Gemisches vollzogen, setzt die eigentliche Verbrennung ein. Bei dieser kommt es dank hoher Temperatur zu Zusammenstößen der Molekel mit ausreichender Energie, so daß Oxidationsreaktionen stattfinden. Hierbei handelt es sich um homogene Verbrennungsreaktionen, da die Reaktionspartner in derselben Phase vorliegen. Heterogene Reaktionen treten z.B. bei der Verbrennung fester und flüssiger Brennstoffe mit Luft auf. Im folgenden werden zunächst die homogenen Verbrennungsreaktionen behandelt, da bei diesen die Verhältnisse am einfachsten und am übersichtlichsten sind.

Der Wasserdampf in Abgasen aus Feuerungen tritt nie in solchen Konzentrationen auf, daß er als lästig oder schädlich empfunden wird. Langfristige oder lokale Klimaveränderungen durch Abschwächung der Sonneneinstrahlung und der Erdabstrahlung sind bisher nicht nachzuweisen /31/.

Der größte Teil des gasförmigen Brennstoffes verbrennt im Feuerraum in unmittelbarer Brennernähe. Die durch den Brenner erzeugte Flamme füllt den Brennraum aus, zu dessen Aufgaben die Fortsetzung der Mischung und die Unterstützung einer sicheren Zündung des Brennstoffes gehören. Im Feuerraum soll die Verbrennung mit minimalem Luftüberschuß abgeschlossen werden, wobei eine vernünftig hohe Verbrennungstemperatur erwünscht ist.

Bei der Dimensionierung des Feuerraumes sind bestimmte geometrische Voraussetzungen zu erfüllen, die sich aus der Anordnung und Dimensionierung der Brenner ergeben. Hierzu gehören Brennergröße, Brennerabstand und Flammenlänge. Für die Festlegung der Brennkammerhöhe kommt außerdem der Brennweg und die maximal zulässige Feuerraumaustrittstemperatur hinzu.

Die Kohle ist der wichtigste, feste Brennstoff pflanzlichen Ursprungs. Da ihre chemische Zusammensetzung sehr verwickelt ist, begnügt man sich vorerst damit deren Bestandteile durch Kurzanalyse physikalisch zu ermitteln (Bild 11.1). Diese werden durch einfache Analysenschritte (Trocknen, Erhitzen unter Luftabschluß, Veraschen) bestimmt.

Die Zerkleinerung der Kohle in Mahlanlagen bezweckt: 1.Vergrößerung der Kohlenoberfläche sowie der Wärme- und Stoffübertragungskoeffizienten und somit Verkürzung der Brennzeit.2.Intensive Trocknung von Kohlenstaub in der Mühle.3.Trennung von Asche und Brennbarem.

Die Erkenntnisse über die homogene Gasverbrennung lassen sich nur zum Teil auf die Kohlenstaubflamme übertragen. Die Kohlenstaubteilchen aus jeweils Millionen von Molekülen bilden im Gaskontinuum diskrete Massenpunkte, bei welchen eine molekulare Mischung mit Luft im Sinne von Abschnitt 4.1 nicht existieren kann. Das Dichteverhältnis der Erstgemischkomponenten beträgt hier ca. 103, was zu einer wiederholten Entmischung des bereits vermischten Kohlenstaub-Luft-Stromes führt.

Es sind Kohlenstaubbrenner mit Leistungen bis zu 60 MW_th in Betrieb, wobei eine Leistungssteigerung bis auf 100 MW_th möglich ist. Die Zündung beim Anfahren sichern die Anfahrbrenner, welche Ö1 oder Gas verfeuern.

Ohne Asche gäbe es wenig Unterschied zwischen Kohle- und Gas- bzw. Ölfeuerungen. Bei aschenhaltigen Brennstoffen sind dagegen die Ascheneigenschaften oft der entscheidene Faktor bei der Feuerungsplanung.

Es gibt zwei Wege zur Verfeuerung stückiger Brennstoffe: Rost- und Wirbelschichtfeuerung (Bild 16.1). Beide erleben mit dem Comeback der Kohle als Brennstoff auch für Kleinanlagen einen neuen Aufschwung.

Die Wirkungsweise der in der Verfahrenstechnik üblichen Wirbelschichttechnik ist in Bild 17.1 dargestellt. Wird ein körniges Schüttgut in einem Behälter mit Siebboden vertikal von unten nach oben von einem Gas durchströmt, so nimmt der Druckverlust in der Schüttung mit steigender Gasgeschwindigkeit zu. Dieser Vorgang setzt sich so lange fort, bis die an der Schüttung angreifenden Druckkräfte dem Gewicht des Schüttgutes entsprechen. Dann gerät die Schicht in einen Schwebezustand, d.h. es wird der Lockerungspunkt überschritten, und bei weiter zunehmender Gasgeschwindigkeit geht diese in eine wirbelnde Bewegung über. Bei diesem Luftdurchsatz und der der vorgegebenen Luftzahl entsprechende Brennstoffzufuhr liegt die Mindestlast der Feuerung, da sich die Asche bei festem Siebboden über Ablaufrohre nur von der gelockerten Wirbelschicht abziehen läßt.

Die Rostbahn, auf welcher die Verbrennung stattfindet, besteht aus einer großen Zahl von nebeneinander und in Reihen hintereinander angeordneten Roststäben, durch welche von unten Luft zur Kohlenschicht zuströmt. Die keilförmige Gestalt mit einer großen Roststabkennzahl 2h/b (Bild 18.1) gewährt die ausreichende Luftkühlung des Roststabes. Die Verbrennung der Kohle findet an der Rostbahn in einer dünnen Schicht statt und ist deshalb zweidimensional.

Von den flüssigen Brennstoffen sind diejenigen Heizöle am wichtigsten, die entweder aus Rohöl oder aus Kohle gewonnen werden (Tab. 19.1).

Bild 20.1 zeigt einen Druckzerstäuber bei dem das elektrisch mit Dampf oder mit Heißwasser zur Viskositätsminderung vorgewärmte Heizöl unter Druck durch tangential angestellte Schlitze in die zylindrische Wirbelkammer einströmt. Durch die Rotation entsteht im Wirbelkern ein Unterdruck, der zur Folge hat, daß sich in der Wirbelachse ein Lufthohlraum ausbildet. Das Heizöl dreht sich als dünne Haut mit der Schichtdicke (D₂ - d₂)/2 um die Düsenbohrung. Die Haut erscheint am Bohrungsaustritt als rotierender Hohlkegel und zieht sich dünner werdend so lange aus, bis die Fliehkraft der Flüssigkeit die Oberflächenspannung überwindet. Der Druck des Heizöls wird also bei der Zerstäubung zuerst in kinetische Energie umgewandelt, welche anschließend zur Erzeugung neuer Oberflächen verbraucht wird. Eine sekundäre Zerstäubung findet u.U. noch in der Verbrennungsluft statt, wo die Tropfen beschleunigt werden.

Bei Dampferzeugern wird die Verbrennungsluft vorgewärmt. Die Höhe der Luftvorwärmung ist der nachfolgenden Tab. 21.1 zu entnehmen.

Durch die Wasseraufbereitung versucht man im Kesselbetrieb folgende Forderungen zu erfüllen: 1.Ausbildung und Erhaltung einer festen und zusammenhängenden Schutzschicht.2.Erzeugung eines salz- und gasfreien Dampfes.3.Abwenden von Korrosion und Ablagerungen.

Das Schema eines Großwasserraumkessels ist in Bild 24.1 zu sehen. Dieser wird durch ein zylindrisches Druckgefäß gebildet. Unter dem Wasserspiegel ist als Feuerraum ein gewelltes Flammrohr eingebaut, an welches sich die Rauchgasrohre anschließen. Der auf die Kesselleistung bezogene Wasservorrat im Kessel ist groß und ermöglicht die notwendige Speicherung der Wärme und der mit dem Speisewasser zugeführten Salze.

Welche Strömungsformen im Siederohr in Abhängigkeit von dem örtlichen Dampfgehalt vorkommen können, zeigt das Bild 25.1. Beim Naturumlauf soll das Gemisch im Bereich der Blasenströmung bleiben. Nur bei den Durchlaufkesseln können alle in Bild 25.1 dargestellten Strömungsformen auftreten /48/.

Für die Heizflächenform eines Kessels sind nicht nur die Art der Wärmeübertragung, sondern auch deren Verschmutzungsneigung auf der Feuerseite von Einfluß. Somit zwingt die Asche im Brennstoff dem Kesselaufbau zusätzliche Randbedingungen auf. So beginnt der Rauchgasweg bei konventionellen Kesseln mit der mehr oder weniger stark leuchtenden Hochtemperaturflamme, die u.U. neben Brennstoffteilchen auch aus Brennstoffasche entstandene Schlackentröpfchen enthält. Die großen Flammenabmessungen begünstigen die Wärmeübertragung durch Strahlung im geräumigen Feuerraum, der von gekühlten, ganz metallischen Feuerraumwänden umgeben wird. Diese bieten den eventuellen Schlackenansätzen wenig Halt und bilden den Strahlungsverdampfer (Bild 26.1).

Der Überhitzer ist ein Wärmetauscher, der aus einer großen Anzahl von dampfseitig parallel geschalteten Rohren besteht, in denen durch Rauchgase das einphasige Medium — der Dampf — auf die verlangte Temperatur überhitzt wird. Bei ungleicher Beheizung einzelner Überhitzer-Schlangen ist bei diesen eine unterschiedliche Enthalpiezunahme die Folge. Da die spezifische Wärmekapazität des Dampfes kleiner ist als die des Wassers, ist eine merkbare Streuung der Dampftemperatur am Überhitzeraustritt zu erwarten /63/.

Die Bauformen des Zwischenüberhitzers sind ebenfalls in Bild 27.6 dargestellt und unterscheiden sich von denjenigen des Uberhitzers wenig. Die ZÜ-Rohre haben allerdings einen größeren Durchmesser als die Überhitzerrohre, da das spezifische Volumen des Zwischendampfes größer ist als das des Frischdampfes. Zusätzlich ist zu beachten, daß: 1.beim Festdruckbetrieb eine Abnahme der Zwischendampftemperatur am ZÜ-Eintritt bei Teillast und somit eine Zunahme der notwendigen Enthalpieerhöhung im Zwischenüberhitzer auftritt2.der Gewinn an thermischem Wirkungsgrad infolge Zwischenüberhitzung durch den Druckabfall im ZÜ sowie durch die Wassereinspritzung in den Zwischendampf zwecks Temperaturregelung beeinträchtigt wird (jedes Prozent Druckverlust verkleinert den Wirkungsgradgewinn um ca. 1%).

Baulich ist dieser (Bild 29.1) dem liegenden Überhitzer ähnlich. Da der Eko nach Bild 27.6 am Ende des Rauchgasweges vor dem Luftvorwärmer aufgestellt ist, d.h. im Bereich niedriger Temperatur (t_RG < 500 °C), ist seine Heizfläche groß. Der ursprünglich der Abwärmenutzung dienende Eko ist eine Heizfläche mit Zwangsdurchlauf. Die Heizfläche bilden Schlangen aus engen Rohren aus unlegiertem Stahl, die u.U. berippt sind. Der Eko ist die billigste, druckführende Kesselheizfläche. Die Rohraufhängung kann u.U. aus ungekühlten Rohrhalterungen bestehen.

Um mit möglichst kleiner Kesselheizfläche auszukommen, sollte der Wärmeaustausch zwischen Rauchgas und Arbeitsstoff im Gegenstrom stattfinden. Außerdem sind die mit Wasser, Dampf bzw. Luft beaufschlagten Heizflächen im Rauchgasstrom so aufzustellen, daß das Temperaturgefälle zwischen diesen und den Rauchgasen möglichst groß wird.

Hier werden die Rauchgase an der Siederohr-Außenseite durch das heiße Druckwasser ersetzt. Im Dampferzeuger findet keine Überhitzung statt. Zu erwähnen ist hier auch das kleine Temperaturgefälle zwischen Primär- und Sekundärseite. Dennoch liegt beim U-Rohr-Kessel (Bild 31.1) die mittlere Wärmestromdichte in der gleichen Größenordnung wie im Feuerraum eines konventionellen Kessels (ca. 200 kW/m2), da der Wärmedurchgangskoeffizient dank intensiver Wärmeübertragung an beiden Seiten der Heizfläche um ein Vielfaches größer ist als der im Flammenbereich konventioneller Kessel.

Während der Inhalt der dickwandigen Trommel und die Verdampfungszone in den engen und stark beheizten Siederohren als ein auf Druckänderung unverzögert ansprechender Dampfspeicher funktionieren, sind die Vorwärmzone in den Siederohren und die unbeheizten Fallrohre Heißwasserspeicher (t <t’), die an der durch Druckabsenkung bewirkten Verdampfung nur bei großen Lastwechseln und dann verzögert teilnehmen.

Die obere Grenze für die Anwendung des Naturumlaufkessels kann durch die Steigerung des Druckes bzw. der Kesselgröße erreicht werden. Auch bei einer zu intensiven Beheizung der Siederohre reicht u.U. der Naturumlauf für eine wirksame Rohrwandkühlung nicht mehr aus. Alle drei Ursachen begünstigen die Siedekrisis.

Beim Anfahren soll der Dampferzeuger ausgehend vom Stillstand auf optimalem Weg in den gewünschten Betriebszustand überführt werden. Als Kriterien der Optimalität sind neben der Betriebssicherheit noch weitere Gesichtspunkte wie Wirtschaftlichkeit, Dauer des Anfahrens und Umweltfreundlichkeit üblich /9/.

Der Durchlaufkessel /3/ kommt vor allem für hohe Dampfdrücke d.h. für Großkessel in öffentlichen Kraftwerken sowie für große Industriekraftwerke in Frage. Auch ist der Betrieb eines Durchlaufkessels mit überkritischen Drücken möglich. Die Dampfparameter sind hier nur durch den Werkstoff der Kesselelemente sowie durch den Arbeitsbedarf der Speisepumpe eingeschränkt.

Als erste Vertreter des Durchlaufkessels sind Benson- und Sulzerkessel zu erwähnen /3,71/, deren ursprüngliche Ausführung als Großkessel die Bilder 36.1 und 36.3 zeigen. Der Grundgedanke beim Bensonkessel war der Betrieb mit überkritischem Druck. Durch Vermeiden des Naßdampfbereiches wollte der Erfinder vielleicht auch den Salzablagerungen im Kessel entgegenwirken, da er intuitiv fühlte, daß die überkritische Phase die meisten Salze zu lösen vermag.

Folgende Merkmale des Durchlaufverdampfers sind vom Standpunkt der Dynamik aus hervorzuheben: 1.der große Druckabfall in den langen und engen Siederohren infolge der hohen Massenstromdichten. Diese sind auch bei Mindestlast des Blockes ausreichend hoch zu halten. Die Flammenstrahlung geht nämlich, insbesondere bei Abschaltung einiger Brennerebenen, örtlich weniger zurück als die Kesselspeisung.2.der meistens in unmittelbarer Nähe des kritischen Punktes liegende Dampfdruck. Dessen Änderungen bewirken eine erhebliche Wanderung der Grenzen der Verdampfungszone, da die Druckabhängigkeit der Enthalpien an den Grenzkurven x = 0 bzw. x = 1 sehr stark ist (Bild 30.2). Manchmal liegt der Verdampfer im überkritischen Druckbereich.3.der bei diesen Anlagen immer häufiger vorkommende Gleitdruck, bei dem sich einer Druckabweichung, verursacht durch eine von der Turbine kommende Dampfbedarf-Störung, noch eine durch Laständerung bedingte Verlagerung des Druckpegels superponiert.

Aus dem Aufbau des konventionellen Durchlaufkessels ergaben sich als Gründe für die Entstehung des Durchlaufkessels mit überlagertem Umlauf: 1.hohe Kosten des schraubenförmig gewundenen, nicht selbsttragenden Verdampfers2.großer Druckverlust im Verdampfer (große Rohrlänge und hohes $${{\dot{m}}_{{SR}}}$$)3.beschränkte Mindestlast des Verdampfers, da $${{\dot{m}}_{{SR}}} \sim {{\dot{M}}_{D}}$$.

Die Abwärme tritt in verschiedenen Formen in Erscheinung, am häufigsten als Abgas von Wärmekraftmaschinen und Industrieöfen oder als Heißwasser bei der Kühlung von exponierten Ofenteilen in der Metallverarbeitung u.ä. /84, 85/. Die Abhitzekessel nutzen diese Abwärme aus, falls sie mit einer ausreichend hohen Temperatur anfällt. Weitere Gründe für das Aufstellen eines Abhitzekessels können sein: 1.Nachverbrennung der noch im Abwärmeträger enthaltenen brennbaren Anteile (z.B. von CO im Abgas der O₂-Stahlkonverter)2.Abkühlung der Prozeßabgase zwecks weiterer Behandlung (z.B. zwecks ihrer Entstaubung, zwecks Einbau eines Saugzuges bei Öfen u.ä.)3.Schalldämpfung (bei Verbrennungsmotoren und Gasturbinen).

Das Schema in Bild 24.1 zeigt vereinfacht den Aufbau eines Großwasserraumkessels. Bei derzeitigen Ausführungen werden allerdings die Rauchgasrohre in mehreren Zügen geführt und ein Ekonomiser sorgt für die tiefere Abgasabkühlung.

Kesselelemente werden bei erhöhter Temperatur mechanisch beansprucht. Ihr Belastungszustand ergibt sich zum einen aus Innen- und Außendruck, Eigengewicht, Füllungsgewicht sowie verhinderter Längsdehnung und zum zweiten aus schnellen Temperaturänderungen /75/. Die resultierende Be­anspruchung, der ein Kesselelement ausgesetzt ist, setzt sich also zu­sammen aus den durch mechanische Belastung hervorgerufenen Spannungen, deren Summe σ_p beträgt, sowie aus den durch Temperaturänderungen her­vorgerufenen Spannungen von der Gesamtgröße σ_t, die z.T. vorübergehender Natur sind. Während die ruhenden Beanspruchungen fast bei allen Anlagen­elementen auftreten, setzen die Wärmespannungen einen Temperaturgradien­ten, d.h. einen Wärmestrom in der Wand bzw. bei kraftschlüssig verbunde­nen Elementen ungleiche Temperatur voraus.