Das Kesselhaus

Wasserrohrkessel

Wasserrohrkessel unterscheiden sich von Großwasserraumkesseln dahingehend, dass das Wasser in den Rohren zirkuliert und diese von einer Heizquelle umgeben sind. Im Hinblick auf die Gleichung für die Ringspannung (Gleichung 3.2.1) ist leicht zu erkennen, dass für die gleiche Spannung viel höhere Drücke zugelassen werden können, da die Rohrdurchmesser wesentlich kleiner sind.

Wasserrohrkessel werden für Kraftwerksanwendungen eingesetzt, welche folgende Anforderungen haben:

• Eine hohe Dampfleistung (bis zu 500 kg/s).
• Einen hohen Dampfdruck (bis zu 160 bar).
• Überhitzten Dampf (bis zu 550 °C).

Es werden aber auch Wasserrohrkessel hergestellt, welche in Konkurrenz zu Großwasserraumkesseln stehen.

Kleine Wasserrohrkessel können ähnlich wie Anlagen mit Großwasserraumkessel auch in Form einer kompletten Einheit gefertigt und zusammengebaut werden, wohingegen große Apparate normalerweise in Teilstücken für einen Zusammenbau am Aufstellungsort hergestellt werden.

Viele Wasserrohrkessel arbeiten nach dem Prinzip des Naturumlaufs von Wasser (auch als „Thermosiphonsystem“ bekannt). Es lohnt sich, dieses Thema zu vertiefen, bevor man die unterschiedliche Arten von Wasserrohrkesseln betrachtet. Abbildung 3.3.2 hilft dabei, das Prinzip zu erklären:

• Kaltes Speisewasser wird hinter einem Prallblech in die Dampftrommel eingeleitet, und da die Dichte von kaltem Wasser größer ist, sinkt es im Fallrohr nach unten in die Untertrommel und verdrängt das warme Wasser in die vorderen Rohre.
• Eine kontinuierliche Beheizung erzeugt Dampfblasen in den vorderen Rohren, welche sich in der Dampftrommel naturgemäß vom heißen Wasser trennen und dann abgeleitet werden.

Wenn der Druck im Wasserrohrkessel jedoch erhöht wird, dann nimmt der Unterschied zwischen der Dichte des Wassers und des Sattdampfs ab, und damit kommt es zu einer geringeren Zirkulation. Um die gleiche Dampfleistung bei einem höheren Auslegungsdruck zu erzielen, muss der Abstand zwischen der Untertrommel und der Dampftrommel vergrößert oder eine Form des Zwangsumlaufs eingesetzt werden.

Sektionen eines Wasserrohrkessel

Die Energie der Heizquelle kann entweder über Wärmestrahlung oder Wärmekonvektion und -leitung übertragen werden.

Der Brennkammer- oder Strahlungsabschnitt

Dies ist ein Raum, welcher die Flamme(n) des/der Brenner(s) aufnimmt. Wenn man zulassen würde, dass die Flammen in direkten Kontakt mit den Kesselrohren kommen, käme es zu erheblicher Korrosion und letztendlich zum Ausfall der Rohre.

Die Wände des Brennkammerabschnitts sind mit Rippenrohren ausgekleidet, welche so gestaltet sind, dass sie die Wärmestrahlung der Flamme aufnehmen können.

Konvektionsabschnitt

Dieser Bereich ist so gestaltet, dass er die Wärme der heißen Gase über Konvektion und Wärmeleitung aufnimmt. 

Größere Kessel können auch mehrere Rohrregister in Reihe aufweisen, um aus den heißen Gasen die maximale Energiemenge zu gewinnen.

Bezeichnungen von Wasserrohrkesseln

Wasserrohrkessel werden normalerweise auf Grund bestimmter Eigenschaften klassifiziert (siehe Tabelle 3.3.1).

Alternative Ausführungen von Wasserrohrkesseln

Die folgenden Ausführungen arbeiten nach demselben Prinzip wie die anderen Wasserrohrkessel und es gibt sie mit Leistungen von 5 000 kg/h bis 180 000 kg/h.

Längstrommelkessel

Der Längstrommelkessel war der ursprüngliche Typ von Wasserrohrkessel, der nach dem Thermosiphon-Prinzip arbeitete (siehe Abbildung 3.3.5).

Das Speisewasser wird in eine Trommel geleitet, welche sich in Längsrichtung über der Heizquelle befindet. Das kalte Wasser strömt über den hinteren Umlaufsammler nach unten in mehrere schräge, beheizte Rohre. Da die Wassertemperatur beim Durchströmen der schrägen Rohre ansteigt, beginnt das Wasser zu sieden und seine Dichte nimmt ab. Daher strömen Heißwasser und Dampf in den schrägen Rohren nach oben in den vorderen Umlaufsammler, der zurück in die Trommel führt. In der Trommel trennen sich die Dampfblasen vom Wasser und der Dampf kann abgezogen werden.

Typische Leistungsbereiche für Längstrommelkessel reichen von 2 250 kg/h bis 36 000 kg/h.

Quertrommelkessel

Der Quertrommelkessel ist dahingehend eine Variante des Längstrommelkessels, dass die Trommel quer zur Heizquelle angeordnet ist, wie in Abbildung 3.3.6 dargestellt. Die Quertrommel arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die Längstrommel, außer dass eine gleichmäßige Temperatur über die Trommel erreicht wird. Es besteht jedoch das Risiko, dass es zu einer falsch gerichteten Zirkulation bei hohen Dampfleistungen kommen kann; wenn die oberen Rohre dabei trocken laufen, können sie überhitzen und eventuell ausfallen.

Der Quertrommelkessel hat auch den zusätzlichen Vorteil, dass er durch die versetze Anordnung eine größere Anzahl an ansteigenden Rohren aufnehmen kann.

Typische Leistungsbereiche für einen Quertrommelkessel reichen von 700 kg/h bis 240 000 kg/h.

Eckrohr- oder Stirlingkessel

Eine weitere Entwicklung der Wasserrohrkessel ist der Eckrohr- oder Stirlingkessel, welcher in Abbildung 3.3.7 dargestellt ist. Auch dieser arbeitet nach dem Naturgesetz von Temperatur und Dichte des Wassers, aber nutzt vier Trommeln in folgender Anordnung.

Kaltes Speisewasser tritt in die rechte, obere Trommel ein, von wo es auf Grund der größeren Dichte nach unten in die Unter- oder Wassertrommel strömt. Das Wasser in der Wassertrommel und die Verbindungsleitungen zu den beiden oberen Trommeln werden beheizt, und die erzeugten Dampfblasen steigen zu den oberen Trommeln auf, aus denen der Dampf dann abgezogen wird.

Der Eckrohr- oder Stirlingkessel ermöglicht eine größere Wärmeübertragungsfläche und begünstigt auch den Naturumlauf des Wassers.

Vorteile von Wasserrohrkesseln:

• Sie besitzen einen geringen Wasserinhalt und reagieren daher schnell auf Lastwechsel und Wärmezufuhr. 
• Die Rohre mit kleinem Durchmesser und die kleinere Dampftrommel ermöglichen, dass viel höhere Dampfdrücke zugelassen werden können, und in Kraftwerken können bis zu 160 bar genutzt werden.
• Die Konstruktion kann mehrere Brenner an unterschiedlichen Wänden beinhalten, was die Möglichkeit einer horizontalen oder vertikalen Befeuerung und die Temperaturregelung in verschiedenen Teilen des Kessels zulässt.
  Das ist insbesondere dann wichtig, wenn der Kessel einen integrierten Überhitzer hat und die Temperatur des überhitzten Dampfes geregelt werden muss.

Nachteile von Wasserrohrkesseln:

• Sie sind nicht so einfach als Baugruppe herzustellen wie Großwasserraumkessel, was zu größerem Arbeitsaufwand am Aufstellungsort führt.
• Die Möglichkeit, mehrere Brenner zu verwenden, sorgt zwar für Flexibilität, aber die 30 oder mehr in Kraftwerksanlagen eingesetzten Brenner führen dazu, dass ein komplexes Regelsystem erforderlich ist.

Blockheizkraftwerk (BHKW)

Die oben beschriebenen Wasserrohrkessel sind normalerweise für große Leistungen gedacht. Kleinere, spezielle Abhitzekessel in Verbindung mit landgestützen Gasturbinenanlagen werden jedoch immer gefragter.

Dabei werden verschiedene Dampfzustände verwendet, um landgestützte Gasturbinenanlagen anzutreiben:

• Kraft-Wärme-Kopplung - Diese Systeme leiten die heißen Abgase einer Gasturbine (mit ungefähr 500 °C) durch einen Kessel, in dem Sattdampf erzeugt und zur Versorgung einer Anlage genutzt wird.
  Diese Systeme werden in Betrieben und Anlagen eingesetzt, in denen die Bedarfe für Strom und Dampf so im Einklang und Verhältnis miteinander stehen, dass sie von einem BHKW abgedeckt werden können. Die Wirkungsgrade können bis zu 90 % erreichen..

• Gas- und Dampf-Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk) - Dies ist eine Erweiterung eines BHKWs, wobei der Sattdampf durch einen Überhitzer geleitet wird, um überhitzten Dampf zu erzeugen. Der Überhitzer wird dabei auf Grund der verhältnismäßig niedrigen Temperaturen der Turbinenabgase separat befeuert. Der erzeugte Heißdampf wird durch Dampfturbinen geleitet, welche zusätzliche Generatoren antreiben und Strom erzeugen.
  Das Leistungsreduzierverhältnis dieser Anlagen ist aber gering, da die Turbine mit einer Geschwindigkeit drehen muss, die synchron zu elektrischen Frequenz ist. Das führt dazu, dass es nur sinnvoll ist, diese Anlagen bei Volllast zu betreiben und dabei die Dampfgrundlast der Anlage zu erzeugen.
  Auf Grund der im Vergleich zu Brennerflamme eines konventionellen Kessels relativ geringen Temperatur der Turbinenabgase ist für eine vorgegebene Wärmeleistung eine viel größere Wärmeübertragungsfläche erforderlich. Dafür ist aber kein Platz für die Aufnahme eines Brenners erforderlich. Aus diesen Gründen sind Wasserrohrkessel in der Regel die bessere und kompaktere Lösung. Da bei Entscheidungen für oder gegen BHKWs der Wirkungsgrad ein Hauptfaktor ist, kann die Konstruktion dieser Kessel durchaus auch einen Economiser (Speisewasservorwärmer) beinhalten.
  Wenn es sich um eine Kombianlage handelt, kann der Aufbau auch einen Überhitzer beinhalten. Die relativ geringen Temperaturen führen allerdings dazu, dass zusätzliche Brenner erforderlich sind, um den Dampf auf die Betriebsparameter der Turbine zu bringen.