Das Kesselhaus

Inhalt

Automatische Füllstandsregelsysteme

Ausführliche Erläuterung der automatischen Niveauregulierung (ein/aus, modulierend, zwei- und dreistufig) mit einer Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile.

Ein-/Aus-Regelung

Alle bisher beschriebenen Verfahren der Füllstandserfassung können dazu verwendet werden, ein Ein-/Aus-Schaltsignal für die Füllstandsregelung zu erzeugen. Die gebräuchlichste Methode der Füllstandsregelung besteht darin, die Förderpumpe einfach bei einem niedrigen Füllstand zu starten und sie laufen zu lassen, bis ein höherer Wasserstand im Kessel erreicht ist.

Bei einer Schwimmfüllstandsregelung wird ein Magnetschalter mit eingebauter Hysterese oder Totband verwendet.
Bei Leitfähigkeitselektroden sind zwei Sonden erforderlich (Pumpe ein und Pumpe aus), die feste Schaltpegel ergeben.
Eine kapazitive Elektrode kann genutzt werden, um einstellbare Ein- und Ausschaltpegel zu erzeugen.

In Großbritannien ist die Ein-/Aus-Regelung bei Kesseln unter etwa 5 000 kg/h Dampferzeugungsrate nahezu immer vorhanden, da sie die kostengünstigste Option ist. (In Australien und Neuseeland sehen die Normen vor, dass für Kessel mit einer Leistung von mehr als 3 MW (typischerweise 5 000 kg/h) eine modulierende Regelung vorgesehen sein muss.)

Man könnte jedoch argumentieren, dass diese Art der Ein-/Aus-Schaltung nicht ideal für die Kesselregelung ist, da der relativ hohe Durchfluss von „kaltem“ Speisewasser bei eingeschalteter Pumpe den Kesseldruck reduziert.

Dadurch ändert sich die Brennerfeuerungsrate ständig, wenn die Pumpe ein- und ausschaltet.

Die Berechnung für einen typischen Anwendungsfall zeigt, dass selbst bei Speisewasser mit 80 °C die Brennerfeuerungsrate bei eingeschalteter Speisewasserpumpe 40 % höher sein muss als bei ausgeschalteter Speisewasserpumpe.

Diese ständige Änderung verursacht:

Verschleiß an den Brennersteuerungen.
Temperaturwechsel des Kessels.
Reduzierte Effizienz.
Ein Dampfdurchsatz in „Sägezahn“-Form, wie er durch den Linienschreiber in Abbildung 3.17.2 dargestellt ist.

Bei hohen Dampflasten führt der schwankende Dampfdurchsatz dazu, Wassermitriss durch den Dampf zu verstärken und den Wasserstand zunehmend instabil zu machen, was die Gefahr einer Abschaltung wegen Niedrigwasserstand mit sich bringt, insbesondere bei Mehrkesselanlagen.

Tatsache ist jedoch, dass die Ein-/Aus Regelung bei Kesseln mit kleiner bis mittlerer Leistung, wie vorstehend definiert, sehr verbreitet ist, und dass viele Probleme im Zusammenhang mit Dampfkesseln, die mit großen Lastschwankungen betrieben werden, zum Teil auf Ein-/Aus-Füllstandsregelsysteme zurückzuführen sind.

Zusammenfassung Ein-/Aus-Füllstandsregelung

Vorteile:

Einfach.
Kostengünstig.
Gut für Kessel im „Stand-by“-Betrieb.

Nachteile:

Jeder Kessel benötigt eine eigene Speisewasserpumpe.
Mehr Verschleiß an Speisewasserpumpe und Regeleinrichtung.
Schwankender Dampfdruck und Durchsatz.
Mehr Kesselwassermitriss.
Höhere Wahrscheinlichkeit von täglichen Betriebsproblemen bei großen Lastschwankungen.

Modulierende Regelung

Bei diesem Systemtyp läuft die Speisewasserpumpe kontinuierlich, und ein automatisches Ventil (zwischen der Speisewasserpumpe und dem Kessel) steuert den Speisewasserdurchfluss entsprechend dem Dampfbedarf.

Bei korrektem Betrieb kann die modulierende Regelung das Dampfdurchflussdiagramm erheblich glätten und eine größere Wasserstandsstabilität im Kessel gewährleisten.

Zur modulierenden Füllstandsregelung können die folgenden Verfahren zur Erfassung des Wasserstands eingesetzt werden:

Schwimmer mit kontinuierlichem Signalausgang.
Kapazitive Elektroden.
Differenzdruckzellen.

Rezirkulation

Um die Speisewasserpumpe beim Fördern gegen ein geschlossenes Regelventil vor Überhitzung zu schützen, ist eine Rezirkulations- oder Rücklaufleitung vorgesehen, um einen Mindestdurchfluss durch die Pumpe zu gewährleisten.

Diese Rezirkulation kann durch ein Ventil oder über eine Blende geregelt werden. Die umzuwälzende Wassermenge ist nicht sehr groß, und Richtwerte sind in der Regel vom Pumpenhersteller erhältlich. Die Blendengröße beträgt als Anhaltspunkt bei einem typischen Kessel in der Regel zwischen 5 mm und 7 mm.

Modulierende Füllstandsregelung durch Variation der Drehzahl der Kesselspeisewasserpumpe

Bei dieser Art von System wird ein modulierendes Signal, das den Kesselwasserstand wiedergibt (z. B. von einer kapazitiven Elektrode) an einen elektrischen Frequenzregler weitergeleitet. Diese Regelung wiederum variiert die Frequenz der Wechselspannung zum Motor der Kesselspeisewasserpumpe und damit deren Drehzahl.

Wird viel Wasser benötigt, läuft die Pumpe mit hoher Geschwindigkeit.
Wird weniger Wasser benötigt, wird die Pumpendrehzahl reduziert.

Auf diese Weise wird die Drehzahl der Pumpe moduliert, um einen Speisewasserdurchsatz zu erhalten, der dem Kesselbedarf an Speisewasser entspricht.

Es gibt zwei Möglichkeiten, wie die Frequenzumrichtertechnologie im Allgemeinen eingesetzt wird:

Mit Rezirkulation - Wenn der Bedarf gedeckt ist und die Motordrehzahl auf ein Minimum reduziert wird, ist noch eine gewisse Rückführung an Speisewasser in den Speisetank erforderlich, um eine Überhitzung der Pumpe zu vermeiden (siehe Abbildung 3.17.5).

Ohne Rezirkulation - In diesem Fall stoppt die Motorsteuerung die Speisewasserpumpe bei sehr niedrigen Kessellasten, so dass eine Rückführung nicht erforderlich ist.

Zwei wichtige Faktoren im Zusammenhang mit dem Aus-und Einschalten der Pumpe sind:

Die Pumpe innerhalb eines bestimmten Zeitraums nicht häufiger, als vom Hersteller empfohlen, ein- und auszuschalten.
Beim Einschalten sollte der Frequenzregler aus einer niedrigen Drehzahl hochgefahren werden, um den Verschleiß der Pumpe zu minimieren.

Der Hauptvorteil von Frequenzumrichtern besteht darin, dass mit geänderter Drehzahl der Pumpe auch der Stromverbrauch variiert, und natürlich bedeutet reduzierter Stromverbrauch auch geringere Betriebskosten.

Die Kosteneinsparungen durch den Einsatz von Drehzahlregelungen müssen jedoch mit den höheren Kosten der Regelausrüstung ins Verhältnis gesetzt werden. Dies ist in den meisten Fällen nur für große Kessel mit großen Lastschwankungen oder mit Führ-/Folge-Betrieb rentabel.

Einzelelement Wasserstandsregelung

Ein normales, einteiliges Kesselwasserstandsregelsystem mit proportionaler Regelung ermöglicht eine hervorragende Regelung der meisten Kesselanlagen.

Bei einer Einzelelement-Proportionalregelung muss der Wasserstand jedoch sinken, damit sich das Speisewasserregelventil öffnet. Das bedeutet, dass der Wasserstand bei niedriger Dampfleistung höher und bei hoher Dampfleistung niedriger sein muss: eine fallende Niveauregelcharakteristik.

Bei sehr plötzlichen Laständerungen stößt die Einzelelementsteuerung bei einigen Wasserrohrkesseltypen jedoch an ihre Grenzen.

Stellen Sie sich die Situation vor, dass ein Kessel innerhalb seiner Nennleistung betrieben wird:

Das Kessel-„Wasser“ besteht in Wirklichkeit aus einer Mischung von Wasser und Dampfblasen, die weniger Dichte haben als Wasser allein.
Steigt der Dampfbedarf, sinkt zunächst der Druck im Kessel und die Regelung erhöht die Brennerleistung. Die Verdampfungsleistung wird steigen, um den gestiegenen Bedarf zu decken.
Durch die erhöhte Verdampfungsleistung enthält das Kesselwasser mehr Dampfblasen und hat damit eine noch geringere Dichte.

Wenn nun eine plötzliche Last am Kessel ansteht, dann geschieht folgendes:

Der Druck im Inneren des Kessels wird weiter reduziert und ein Teil des Kesselwassers wird in Dampf umgewandelt. Das Verdampfen des Kesselwassers und die erhöhte Wärmeeinbringung durch die maximale Brennerleistung bedeutet, dass das Kesselwasser noch mehr Dampfblasen enthält und seine Dichte weiter reduziert wird.
Mit sinkendem Druck steigt das spezifische Volumen des Dampfes und die daraus resultierende höhere Geschwindigkeit, mit der der Dampf aus dem Kessel abgezogen wird, kann zu einem „Anschwellen“ des Dampfblasen-Wasser-Gemisches führen, was wiederum zu einem scheinbaren Anstieg des Wasserspiegels führt.
Die Niveauregler erkennt diesen scheinbaren Anstieg des Wasserspiegels und beginnt, das Speisewasser-Regelventil zu schließen, obwohl tatsächlich mehr Wasser benötigt wird. Es kommt zu einem Zustand, bei dem es einen hohen Dampfbedarf gibt und in den Kessel kein Wasser nachgespeist wird, um den Wasserstand aufrechtzuerhalten.
Es wird ein Punkt erreicht, an dem das “Anschwellen“ des Wasser zusammenbricht, möglicherweise bis zu einem Niveau unterhalb der Niedrigwasseralarme, und der Kessel kann plötzlich „abschalten“, wodurch die Anlage außer Betrieb geht.

Wasserstandsregelung mit zwei Elementen

Eine Zwei-Elemente-Regelung kehrt die fallende Niveauregelcharakteristik um, um sicherzustellen, dass der Wasserstand bei hohen Dampfleistungen ansteigt.

Damit soll sichergestellt werden, dass die Wassermenge im Kessel bei allen Lasten konstant bleibt und bei erhöhtem, plötzlichem Dampfbedarf das Speisewasserregelventil öffnet.

Das System arbeitet unter Verwendung des Signals eines Dampfmengenmessers, der in der Dampfautrittsleitung installiert ist, um den Sollwert des Niveaureglers bei hohen Dampflasten zu erhöhen.

Die beiden Bestandteile des Signals sind:

Erstes Element - Füllstandsignal vom Wasser im Kessel.
Zweites Element - Durchflusssignal vom Dampfmengenmesser in der Dampfentnahme des Kessels.

Zusammenfassung Wasserstandsregelung mit zwei Elementen

Jede Kesselanlage, die häufige, plötzliche Lastwechsel erfährt, funktioniert möglicherweise besser mit einer Zwei-Element-Speisewasserregelung.

Bei starken Prozesslaständerungen (bei Brauereien kommt dies häufig vor) sollte eine Zwei-ElementRegelung in Betracht gezogen werden und die dann erforderlich ist, wenn plötzliche Laständerungen von mehr als 25 % an einem Kessel auftreten.

Wasserstandsregelung mit drei Elementen

Eine Drei-Element-Regelung, wie in Abbildung 3.17.8 dargestellt, beinhaltet die beiden zuvor genannten Signale, sowie ein drittes Element, welches der tatsächlich gemessene Speisewasserdurchsatz in den Kessel ist. In Kesselhäusern, in denen mehrere Kessel mit Speisewasser aus einer gemeinsamen, druckbeaufschlagten Ringleitung versorgt werden, ist die Drei-Element-Regelung häufig anzutreffen.

Bei dieser Installation kann der Druck in der Speisewasserringleitung variieren, je nachdem, wie viel Wasser von jedem der Kessel entnommen wird.

Da der Druck in der Ringleitung schwankt, variiert auch die Wassermenge, die durch das Speisewasserregelventil bei der jeweiligen Ventilöffnung strömen kann. Der Eingang des dritten Elements ändert das Signal zum Speisewasserregelventil, um diese Druckschwankung zu berücksichtigen.

Zusammenfassung modulierende Füllstandsregelung

Vorteile:

Stabiler Dampfdruck und Durchsatz innerhalb der Heizleistung des Kessels.
Effizienterer Brennerbetrieb.
Geringere thermische Belastung des Kesselmantels.
Weniger Mitriss von Kesselwasser.
Es kann eine zentrale Speisepumpstation verwendet werden.
Weniger Verschleiß an Speisewasserpumpe und Brenner.