Das Kesselhaus

Großwasserraumkessel werden für Leistungen bis zu ungefähr 27 000 kg/h Dampf hergestellt. Wenn darüber hinausgehende Leistungen erforderlich sind, werden zwei oder mehr Kessel parallel geschaltet, wobei eine Anordnung von vier oder mehr Kesseln nichts Ungewöhnliches ist. Die Gestaltung des verbindenden Dampfverteilers ist hierbei sehr wichtig. 

Abbildung 3.8.1 stellt eine verbreitete Verbindungsmethode von vier Kesseln dar: eine Methode, die oft die Ursache für Probleme darstellt. 

Wenn alle Kessel aus Abbildung 3.8.1 bei dem gleichen Druck arbeiten, so muss der Druck an der Stelle A geringer als an der Stelle B sein, damit Dampf von der Stelle B zur Anlage strömen kann. Demzufolge muss ein größerer Druckverlust zwischen Kessel Nummer 4 und der Stelle A als zwischen Kessel Nummer 3 und der Stelle B vorhanden sein, während die Differenz dieser beiden Druckverluste zwischen A und B auftritt. 

Der Massenstrom hängt vom Druckverlust ab und daraus folgt, dass Kessel Nummer 4 mehr Dampf an den gemeinsamen Verteiler abgibt als Kessel Nummer 3. Ebenso wird Kessel Nummer 3 mehr einleiten als Nummer 2 und so weiter. Wenn, Kessel Nummer 1 voll ausgelastet ist hat das zur Folge, dass die anderen Kessel zunehmend überlastet sind und dieser Effekt wird immer schlimmer, je näher man sich an der letzten Entnahmestelle befindet. 

Es zeigt sich normalerweise, dass bei voller Auslastung von Kessel Nummer 1, Nummer 2 zu etwa 1 %, Nummer 3 zu etwa, 6 % und Nummer 4 zu etwa 15 % überlastet sind. Obwohl Großwasserraumkessel in der Lage sind mit einer zeitweisen Überlastung von 5 % zurecht zu kommen, ist eine Überlastung von 15 % nicht erwünscht. Die erhöhte Dampfaustrittsgeschwindigkeit aus dem Kessel erzeugt eine extrem unberechenbare Wasseroberfläche und die Niveauregelung könnte ihren Dienst verweigern.

In diesem Beispiel würde bei diesen hohen Lasten Kessel Nummer 4 abschalten und ein bereits instabiles System auf die drei verbleibenden Kessel übertragen, welche dann auch bald abschalten würden. 

Die wichtigste Erkenntnis hieraus ist, dass diese Gestaltung des Verteilers nicht zulässt, dass die Kessel die Last gleichmäßig aufteilen können. 

Ziel sollte es sein, dass die Druckverluste zwischen jedem Kesselabgang und dem Verteilerabgang in die Anlage innerhalb von 0,1 bar liegen. Das reduziert das Schäumen und trägt dazu bei, eine Überlastung und ein Abschalten der Kessel zu verhindern. 

Die in Abbildung 3.8.2 dargestellte Anordnung zeigt eine verbesserte Gestaltung eines neuen Verteilers.

Der Verteiler ist so angeordnet, dass er von der Mitte aus fördert und nicht vom Ende. Auf diese Weise wird keiner der Kessel durch den Verteiler um mehr als 1 % überlastet, vorausgesetzt die Verteilerleitung ist richtig ausgelegt. 

Für eine Installation mit vier oder mehr Kesseln ist in Abbildung 3.8.3 eine noch bessere Anordnung dargestellt, bei der die Last, ähnlich wie bei einem Familienstammbaum, auf jeden Kessel gleichermaßen verteilt wird. Diese Gestaltung wird für stark ausgelastete Kessel empfohlen, welche über eine Folgeregelung verfügen, bei welcher ein oder mehrere Kessel immer wieder außer Betrieb sind. 

Es sollte betont werden, dass eine richtige Gestaltung des Verteilers später viel Ärger und Kosten vermeidet. 

Die richtige Auslegung des Kesselverteilers bei Mehrkesselanwendungen hat immer eine ausgeglichene Betriebsweise zu Folge.

Dampfentnahme

Nachdem gerade die generelle Anordnung des Dampfverteilers betrachtet wurde, muss nun sichergestellt werden:

• Dass trockener Dampf in die Anlage geleitet wird.
• Dass die Aufheizung angemessen geregelt wird.
• Dass der Dampf richtig in der Anlage verteilt wird.
• Dass ein Kessel einen anderen nicht unbeabsichtigt druckbeaufschlagt.

Wassereintrag

Wenn ein gut ausgelegter Kessel unter gleichmäßigen Lastbedingungen Dampf erzeugt, wird der Trockenheitsgrad des Dampfs hoch sein – ungefähr 96 bis 99 %. Lastwechsel, die schneller auftreten, als der Kessel darauf reagieren kann, werden sich unweigerlich auf den Trockenheitsgrad auswirken. Unzureichende Regelung des Salzgehalts im Kesselwasser oder Verunreinigung des Kesselspeisewassers führen dazu, dass nasser Dampf aus dem Kessel abgeführt wird.

Damit sind eine Reihe von Problemen verbunden: 

• Wassertröpfchen in Dampfleitungen können dazu führen, dass die Innenseiten der Leitung und die aller anderen Formstücke und Ventile erodieren, insbesondere wenn die Strömungsgeschwindigkeiten hoch sind.
• Wasser in Dampfsystemen kann gefährliche Wasserschläge verursachen.
• Wasser im Dampf beinhaltet nicht die Verdampfungsenthalpie, auf deren Nutzung die Anlage ausgelegt wurde, und damit ist ein Eintrag in die Anlage ineffizient.
• Mit dem Dampf aus dem Kessel mitgerissenes Wasser wird zwangsläufig gelöste und suspendierte Feststoffe beinhalten, welche Regelungen, Wärmeübertragungsflächen, Kondensatableiter und das Produkt verunreinigen können.

Aus diesen Gründen ist ein Dampftrockner nahe am Kessel zu empfehlen. Dampftrockner funktionieren dadurch, dass sie den Dampf dazu zwingen, seine Strömungsrichtung schlagartig zu ändern. Das führt dazu, dass die viel dichteren Wasserpartikel auf Grund ihrer Massenträgheit vom Dampf abgeschieden und an den Boden des Dampftrocknergehäuses strömen, wo sie sich sammeln und über einen Kondensatableiter abgeschieden werden.

Aufheizung

Wenn ein Kessel zugeschaltet wird, ist es außerordentlich wichtig, dass dies in einer langsamen, sicheren und kontrollierten Art und Weise geschieht, um Folgendes zu verhindern: 

• Wasserschläge - Dort wo sich große Kondensatmengen innerhalb der Leitung befinden, werden diese mit Dampfgeschwindigkeit durch die Rohrleitung geschoben. Das kann dort zu Schäden führen, wo das Wasser auf einen Widerstand in der Leitung trifft, zum Beispiel in einem Regelventil.
• Temperaturschock - Dort wo die Leitungen so schnell aufgeheizt werden, dass es zu einer unkontrollierten Ausdehnung kommt, führt das zu Spannungen in den Leitungen und verursacht große Verschiebungen in den Rohrhalterungen.
• Schäumen - Dort wo es auf Grund einer plötzlich auftretenden großen Last zu einer schnellen Reduzierung des Dampfdrucks kommt, kann Kesselwasser in die Rohrleitung gezogen werden. Das ist nicht nur nachteilig für den Anlagenbetrieb, sondern der Kessel kann auch immer wieder abschalten, und es dauert dann eine Weile, bis der Kessel wieder in seinen Betriebszustand zurückkehrt. Das mitgerissene Wasser kann zudem zu Wasserschlägen in den Leitungen führen.

Die Aufheizzeit ist für jede Anlage unterschiedlich und hängt von vielen Faktoren ab. Ein kleiner Niederdruckkessel in einer kompakten Anlage wie zum Beispiel einer Wäscherei könnte in weniger als 15 Minuten auf Betriebsdruck gebracht werden. Eine große industrielle Anlage kann dafür viele Stunden benötigen. Wenn ein kleiner Kessel betriebssicher an das Netz geht, ist das Hauptabsperrventil der Ausgangspunkt, und es sollte langsam geöffnet werden. ei größeren Anlagen ist es jedoch schwierig, die Aufwärmleistung über das Hauptabsperrventil zu regeln. Das liegt daran, dass das Hauptabsperrventil so konstruiert ist, dass es für eine guten Absperrung sorgt; es verfügt über einen flachen Ventilsitz, was bedeutet, dass die gesamte Kraft, die durch das Drehen des Handrades aufgebracht wird, direkt auf den Sitz wirkt und so eine gute Abdichtung bei Druckbeaufschlagung sicherstellt. Das bedeutet aber auch, dass das Ventil keine Kennliniencharakteristik aufweist und innerhalb der ersten 10 % seines Hubes etwa 80 % seiner Kapazität durchlässt. 

Aus diesem Grunde ist es ein bewährtes Verfahren, ein Regelventil hinter dem Hauptabsperrventil zu installieren. Ein Regelventil hat einen Profilkegel, was dazu führt, dass das Verhältnis zwischen Strömungsanstieg und Hub des Kegel nicht so direkt ist. Demzufolge lässt sich der Massenstrom und damit die Aufheizleistung besser regeln. 

Ein Beispiel für ein hinter dem Kesselhauptabsperrventil installiertes Regelventil zeigt Abbildung 3.8.4. 

Eine typische Vorgehensweise beim Aufheizen kann darin bestehen, dass das Regelventil geschlossen bleibt, bis der Kessel erforderlich ist. Zu diesem Zeitpunkt öffnet ein Impulsschaltuhr das Regelventil langsam über einen vorgegebenen Zeitraum. Dieses Verfahren hat zudem den Vorteil, dass während der Aufheizperiode des Kessels, welche in den Abendstunden stattfinden kann, kein Betriebspersonal erforderlich ist – es sei denn, der Kessel wird aus dem kalten Zustand angefahren. 

Wie Kessel ans Netz zu bringen sind, wird in Großbritannien durch die Leitlinien des Arbeitsschutzgesetzes geregelt. 

Bei großen Verteilsystemen ist ein Regelventil in Leitungsgröße oft noch zu ungenau, um für die erforderliche langsame Erwärmung zu sorgen. Unter diesen Umständen kann ein kleines Regelventil in einem Bypass um das Absperrventil eingesetzt werden. Das hat auch den Vorteil, dass dort, wo Parallelplattenschieber für die Absperrung eingesetzt werden, der Druck auf beiden Seiten des Ventils vor dem Öffnen ausgeglichen werden kann. Dadurch lassen sie sich leichter öffnen und der Verschleiß wird geringer.

Wie man verhindert, dass ein Kessel einen anderen mit Druck beaufschlagt

Aus dem BS 2790, Abschnitt 8.8.3: 

Dort wo zwei oder mehr Kessel über einen gemeinsamen Verteiler miteinander verbunden sind, sollte zusätzlich zum Hauptabsperrventil des Kessels ein zweites Ventil am Dampfanschluss angebracht werden, und dieses Ventil sollte in Geschlossenstellung verriegelbar sein. Dies ermöglicht einen besseren Schutz eines außer Betrieb genommenen Kessels, der vom Verteiler abgesperrt worden ist. 

Wenn kein separates Rückschlagventil im Dampfanschluss installiert ist, muss eines der beiden Absperrventile eine Rückschlageinrichtung beinhalten. 

Das Ziel dieses Abschnittes in der britischen Norm ist es, für sichere Arbeitsbedingungen zu sorgen, wenn der Kessel für eine Reparatur oder Inspektion abgeschaltet ist. 

Einfache Rückschlagklappen sind für diese Aufgabe nicht geeignet, da kleine Änderungen im Kesseldruck sie zum Schwingen bringen können und somit wechselweise der eine oder andere Kessel mit überschüssiger Last beaufschlagen wird. Das kann unter schwierigen Bedingungen dazu führen, dass diese Kessel wiederkehrend überlastet werden. 

Auf diese Weise wird in vielen Fällen eine Instabilität bei Installationen mit zwei Kesseln verursacht. Hauptabsperrventile mit integrierten Rückschlagventilen tendieren dazu, weniger unter diesem Phänomen zu leiden. Andernfalls können federbelastete Plattenrückschlagventile für eine dämpfende Funktion sorgen, welche die Probleme, die durch die Schwingungen verursacht werden, vermindern kann (Abbildung 3.8.5). 

Der BS 2790 besagt, dass ein Rückschlagventil zusammen mit dem Hauptabsperrventil in der Leitung eingebaut sein muss; andernfalls muss ein integriertes Rückschlagventil im Hauptabsperrventil eingebaut sein.

Kesselnormen (Großbritannien)

Es gelten die Rechtsverordnung 1989 No. 2169 (Vorschriften für Drucksysteme und ortsbewegliche Gasflaschen) zusammen mit den zugehörigen Leitlinien und zugelassenen Ausführungsvorschriften.

Gewährleistung einer korrekten Dampfverteilung

Der Ausgangspunkt des Verteilsystems ist das Kesselhaus, wo es meistens sinnvoll ist, die Dampfleitungen der Kessel in einer Dampfsammelleitung zusammenzuführen, welche normalerweise als Hauptdampfverteiler bezeichnet wird. Die Größe des Verteilers hängt dabei von der Anzahl und Größe der Kessel und der Gestaltung des Verteilsystems ab. In einer großen Anlage ist es am zweckmäßigsten, den Dampf bei hohem Druck über den Betrieb zu verteilen.

Eine Hochdruckverteilung wird normalerweise deshalb bevorzugt, da sie die Leitungsgröße abhängig von den Durchsatzleistungen und Geschwindigkeiten reduziert. Die Wärmeverluste können auf Grund der insgesamt kleineren Leitungsdurchmesser ebenfalls verringert werden. Dies ermöglicht es, die Dampfversorgung für Hochdruckverbraucher direkt vom Verteiler zu entnehmen oder zu Druckreduzierstationen zu führen, welche dann den Dampf für örtliche Verbraucher mit reduziertem Druck liefern. Ein Dampfverteiler im Kesselhaus bietet hierzu einen sinnvollen zentralen Ausgangspunkt.

Er sorgt für eine zusätzliche Abscheidefunktion, wenn der Trockner des Kessels überlastet sein sollte, und ermöglicht es, die Leistung des Verteilsystems auf die angeschlossenen Kessel zu verteilen.

Betriebsdruck

Der Verteiler sollte für den Betriebsdruck des Kessels ausgelegt sein und die entsprechenden Vorschriften für Drucksysteme erfüllen. Dabei ist es wichtig daran zu denken, dass Flanschnormen auf Temperatur und Druck beruhen und dass der zulässige Druck mit steigender Betriebstemperatur abnimmt.

Zum Beispiel geht die Druckstufe PN 16 bis 16 bar bei 120 °C, ist aber bei Sattdampf (198 °C) nur bis 13,8 bar geeignet.

Durchmesser

Der Verteilerdurchmesser sollte auf Basis einer maximalen Dampfgeschwindigkeit von 15 m/s bei Volllastbedingungen ausgelegt sein. Die geringere Geschwindigkeit ist daher von Bedeutung, da sie die Abscheidung von mitgerissenem Wasser unterstützt.

Entnahmestellen

Diese sollten sich immer auf der Oberseite des Verteilers befinden.

Die Schwerkraft und die geringe Geschwindigkeit stellen sicher, dass jegliches Kondensat nach unten strömt und vom Boden des Verteilers abgeleitet wird. Dies sorgt dafür, dass nur trockener Dampf weitergeleitet wird.

Kondensatableitung

Es ist wichtig, dass Kondensat sofort nach seiner Entstehung aus den Verteiler entfernt wird. Aus diesem Grund ist ein mechanischer Ableiter, zum Beispiel ein Kugelschwimmerableiter, die beste Wahl. Wenn der Verteiler der erste Entwässerungspunkt nach der Kesselentnahmestelle ist, kann das Kondensat mitgerissene Partikel beinhalten, und es ist daher sinnvoll, diesen Kondensatableiter in den Abschlammbehälter des Kessels anstatt in den Speisewasserbehälter zu führen. 

Weiterführende Angaben:

1. Der Dampf- und Kondensatkreislauf, Block 11, „Kondensatableitung“

2. Der Dampf- und Kondensatkreislauf, Block 10, „Dampfverteilung“