Das Kesselhaus

Füllstände in Dampfkesseln

Die Aufgabe eines jeden Dampfkessels ist es, die richtige Menge an hochwertigem Dampf bereitzustellen: sicher, effizient und mit dem richtigen Druck.

Dampf wird durch Wärme aus der Verbrennung von Brennstoff in einer Brennkammer oder durch Abwärme aus einem Prozess erzeugt. Die Wärme wird auf das Wasser im Kesselmantel übertragen, das dann verdampft und Dampf unter Druck erzeugt.

In einem Kessel wird eine bestimmte Wasseroberfläche benötigt, um den Dampf freizusetzen. Es sollte auch eine bestimmte Höhe über dem normalen Arbeitsfüllstand vorhanden sein, damit der Wasserstand mit zunehmender Last ansteigen kann, aber dennoch genügend Oberfläche vorhanden ist, um den Dampf freizusetzen, ohne dass es zu einem Mitriss von Wasser kommt.

Bei horizontalen Großwasserraumkesseln steigt der Wasserstand mit zunehmender Last (weil mehr Dampf unter dem Wasserstand im Kessel vorhanden ist). Dabei nimmt die Wasseroberfläche (Dampfaustrittsfläche) ab, da der Wasserstand oberhalb der Mittellinie des Kessels liegt und die Seiten des umhüllenden Mantels zusammenlaufen.

Der Kesselhersteller hat den Kessel so ausgelegt, dass die Fläche des Normalwasserstandes (NWL) so bemessen ist, dass Dampf bei einer zulässigen Geschwindigkeit abgegeben wird. Die Konstruktion ermöglicht auch eine bestimmte Mindesthöhe der Dampfentnahme über dem Normalwasserstand (Normal Water Level, NWL).

Bei der Dampferzeugung verdampft Wasser im Kessel, und der Kessel muss mit Wasser versorgt werden, um den Füllstand zu halten. Aufgrund der oben beschriebenen Faktoren muss das Wasser auf dem richtigen Niveau gehalten werden.

Dabei ist auch die Sicherheit von größter Bedeutung. Wenn der Kessel mit zu wenig Wasser betrieben wird, können schwere Schäden entstehen, und letztendlich besteht Explosionsgefahr.

Aus diesem Grund sind Regelungen erforderlich, die es ermöglichen:

• den Wasserstand zu überwachen und zu regeln.
• zu erkennen, ob ein niedriger Wasserstand erreicht ist, und geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten.
  Diese Maßnahmen können Folgendes beinhalten: Alarmauslösung, Abschaltung der Speisewasserversorgung und Abschaltung des/der Brenner.

Es ist auch wichtig, für eine externe Anzeige des Wasserstandes zu sorgen.

Die folgenden Abschnitte in diesem Modul liefern grundlegende Informationen über die automatischen Niveauregelungen und Alarme für Großwasserraumkessel. Diese Informationen gelten auch allgemein für die Dampftrommel von Wasserrohrkesseln.

Aus Gründen der Kontinuität basieren viele der in diesem Modul enthaltenen Informationen auf der britischen Gesetzgebung. Gegebenenfalls sind andere nationale Vorschriften heranzuziehen.

Wasserstandsanzeige und Kesselwasserstände

Eine Wasserstandsanzeige kommt für Dampfkessel in Frage, bei denen der Wasserstand erfasst werden kann. Sie erfasst die meisten Dampfkessel, mit Ausnahme von Spiralrohrkesseln oder Durchlaufkesseln, bei denen es keine Dampftrommel gibt. In diesen Fällen werden Dampfaustrittstemperaturen, die einen voreingestellten Wert überschreiten, als Hinweis auf eine unzureichende Wasserversorgung verwendet.

In den meisten Fällen wird ein einfaches Schauglas an der Dampf- / Wasser-Trommel oder am Kesselmantel als Anzeige verwendet. Viele Normen schreiben die Ausrüstung mit zwei Schaugläsern vor. In der Regel sind Vorkehrungen erforderlich, um zu verhindern, dass ein Bruch des Glases eine Gefahr für den Bediener darstellt. Die gebräuchlichste Form des Schutzes ist eine Hartglasscheibe an der Vorder- und Rückseite des Wasserstandsanzeigers.

Für Hochdruckkessel kann ein Wasserstandsanzeiger aus Flach- oder Prismenglas erforderlich sein.

Der langjährig bewährte Schauglasanzeiger wird bei den meisten Kesseln eingesetzt und ist in der Regel so angeordnet, dass er einen sichtbaren Bereich des Wasserspiegels über und unter dem Normalwasserstand erfasst.

Es ist wichtig zu verstehen, was in einem Kesselwasserstandsanzeiger zu sehen ist. Im folgenden Abschnitt werden einige der Faktoren erläutert, die den im Schauglas angezeigten Wasserstand beeinflussen.

Es ist nicht möglich den genauen Wasserstand in einem Dampfkessel zu bestimmen, da die Wasseroberfläche aus einem Gebilde von Blasen mit einer starken horizontalen Zirkulation besteht. Daher gibt es sowohl über den Kesselmantel als auch entlang des Kesselmantels Niveauunterschiede. Dahingegen befindet sich im Schauglas Wasser, welches:

• Keiner Strömung oder Bewegung ausgesetzt ist
• Keine Dampfblasen beinhaltet
• Kälter als das Wasser im Kessel ist.

Das bedeutet, dass das Wasser im Schauglas (und anderen Außenarmaturen) dichter als das Wasser im Kesselmantel ist. Dies wiederum bedeutet, dass der Wasserstandsanzeiger ein niedrigeres Niveau als der durchschnittliche Wasserspiegel im Kesselmantel anzeigt.

Die Differenz zwischen dem Füllstand im Schauglas und dem Füllstand im Kesselmantel bei hoher Verdampfungsleistung ist abhängig von Faktoren wie:

• Der Dampferzeugungsleistung des Kessels.
• Die Lage des wasserseitigen Kesselanschlusses des Anzeigers.
• Dem TDS-Wert und der chemischen Analyse des Kesselwassers. 
• Der Größe des Kesselmantels. 

Füllstandsänderungen auf Grund der Kesselzirkulation

Bei einem Kessel mit hoher Last führt die starke Zirkulation des Kesselwassers dazu, dass der Wasserstand über die Länge des Kessels variiert. Diese Zirkulationsströme finden normalerweise aufwärts entlang der Vorder- und Rückseite des Kessels und aufwärts entlang der Mittellinie über der Brennkammer statt.

Die Abwärtsströmung muss daher an den Seiten, im mittleren Teil des Kessels, erfolgen. Es könnte auch ein „Zugeffekt“ an der Dampfentnahmestelle entstehen, der dazu führt, dass der Wasserstand lokal ansteigt.

Bei plötzlichen Laständerungen besteht auch die Möglichkeit der Wellenbildung im Kessel, die oft im Wasserstandsanzeiger zu sehen ist, aber idealerweise von den Wasserstandsregelungen ignoriert werden sollte.

Eine Zusammenfassung der zu erwartenden Füllstandsänderungen unter verschiedenen Kessellastbedingungen ist in Abbildung 3.15.4 dargestellt.