【Jeden Tag eine Frage】Grundlagen der Chemieingenieurwesen 414: Gleichstromkessel (25. August)

1. Ein Gleichstromkessel ist ein Kessel, bei dem das Zuleitwasser durch den Druck der Zuleitungspumpe nacheinander durch den Schwachfeuerungskessel, die Verdampfungsheizflächen (Wasserkühlmauern) sowie den Überhitzer geleitet wird, wobei es vollständig in überhitzten Dampf umgewandelt wird. 2. Dampfkessel mit Gleichstromantrieb sind Kessel, bei denen das Zufuhrwasser durch den Druck der Zufuhrpumpe nacheinander durch den Wärmespeicher, die Verdampfungsheizflächen (Wasserkühlmembranen) sowie den Überhitzer geleitet wird, wobei es dabei vollständig in überhitzten Dampf umgewandelt wird. Da die Erwärmung des Wassers, seine Verdampfung sowie die Überhitzung des Dampfes nach dem Eintreten des Wassers in den Kessel kontinuierlich in den Heizeflächen stattfinden, ist es nicht notwendig, während des Heizvorgangs einen Trennvorgang zwischen Wasser und Dampf durchzuführen. Daher verfügt es nicht über einen Dampfkessel wie bei Kesseln mit natürlicher Zirkulation. Es gibt keinen festen Trennpunkt zwischen den Heizflächen des Dampferzeugers, der Verdampfungsheizflächen und den Überhitzungsheizflächen – dieser Trennpunkt ändert sich mit der Last des Kessels. Es gibt keinen Dampfkessel; durch den Druck der Zufuhrpumpe wird das Zulaufwasser vorgeheizt, verdampft und anschließend überhitzt. Das Wasser fließt dabei durch alle Heizflächen, wodurch Dampf mit den erforderlichen Parametern und Leistungsmerkmalen entsteht. Der Zyklenfaktor im Verdampfungsbereich beträgt 1. 3. Bei Dampfkesseln mit Gleichstrombetrieb gibt es aufgrund des Fehlens einer klaren Trennung zwischen den Verdampfungs- und Überhitzungsflächen manchmal Probleme wie instabile Strömungen und Pulsationen. Um dies zu beheben, müssen an der Eingangsstelle des Rohrsets Drosselklappen eingebaut werden, sowie zwischen den Eingangs- und Ausgangsbehältern Abluftbehälter angebracht werden. Außerdem tritt an den Verdampfungsheizflächen eine Membranverdampfung auf – das heißt, die auf den Heizflächen entstehenden Blasen verbinden sich, da sie nicht rechtzeitig entweichen können, zu einer Dampfmembran. Dies behindert die Wärmeübertragung und führt dazu, dass die Wandtemperaturen der Rohre zu hoch werden, was wiederum die Sicherheit des Dampfkessels beeinträchtigt. Dazu können in den wassergekühlten Wänden in Bereichen mit hohem Wärmestrom Stör-elemente eingebaut werden oder innen gewundene Rohre verwendet werden, um das Auftreten des Membrankochens hinauszuzögern. Auch Maßnahmen wie der Rauchgasrecycling oder die Anpassung der Anordnung der Brenner können eingesetzt werden, um die höchste Wärmelast im Ofen zu verringern. Im Gleichstromkessel gibt es keine Selbstausgleichung beim Fluss der Arbeitsflüssigkeit. Das bedeutet, dass in den Rohren, in denen mehr Wärme aufgenommen wird, aufgrund des zunehmenden spezifischen Volumens der Arbeitsflüssigkeit der Widerstand steigt. Dadurch verringert sich der Durchfluss, was wiederum zu einer Wärmestörung führt. Daher verwenden UP-Typ-Direktkessel meist einen Zwischenmischer, um das Fluid in den Wassertemperierrohren mittendrin aus dem Ofen heraus in den Mischer zu leiten. Dadurch wird die Wärmekapazität, Temperatur und Druck des Fluids in allen Rohren gleichmäßig gemischt, bevor es wieder in die Wassertemperierrohre zurückfließt – damit Unterschiede in der Temperatur zwischen den einzelnen Rohren beseitigt werden können. Die Anzahl der Mischvorgänge, der Ort sowie die Methode hängen von der Kapazität und den Eigenschaften des Kessels ab. Da die Betriebsbedingungen immer höhere Anforderungen an die Leistungsanpassungsfähigkeit der Kessel stellen, wird der Anpassungsfähigkeit von Gleichstromkesseln an Laständerungen größere Bedeutung beigemessen. Dagegen weisen Dampfkessel mit spiralförmig angeordneten Rohrspiralen die geringste Empfindlichkeit gegenüber Temperaturunterschieden im Inneren des Kessels auf. Es gibt kein Problem bezüglich der Verteilung des zweiphasigen Fluids zwischen den Rohren, und es ist auch nicht notwendig, an den Rohrende Öffnungen zu installieren. Dadurch weisen sie gute Leistungsmerkmale bei niedriger Last auf. Doch es werden hohe Anforderungen an die Qualität des Zuleitwassers sowie an die automatische Regulierung gestellt. Der Widerstand im Dampf- und Wassersystem ist hoch, wodurch die Stromverbrauch der Zuleitungspumpen groß ist.

Das Wasser für den Gleichstromkessel fließt unter dem Druck der Nachfüllpumpe nacheinander durch die Wärmeübertragungsflächen wie den Dampferhitzer, die wassergekühlten Wände und den Überhitzer. Beim einmaligen Durchfluss wird das Wasser erhitzt, verdampft und überhitzt – anschließend wird es als überhitzter Dampf aus dem Kessel abgegeben. In einem Gleichstromofen gibt es keinen Dampfkessel, und das Wasser muss auch nicht mehrfach zirkuliert werden, damit der Verdampfungsprozess abgeschlossen werden kann. Im Gegensatz zu Dampfkesseln kann man in Druckwasserkesseln die Verunreinigungen im Kesselwasser nicht über den Kessel abführen. Ebenso ist es nicht möglich, das Wasser im Kessel durch Behandlungen vor Ablagerungen zu schützen und diese anschließend abzuführen. Wenn das Zuleitwasser Verunreinigungen enthält, können diese entweder in den Kesselrohren zu Ablagerungen führen oder vom Dampf in die Turbine transportiert werden, wo sie Korrosion verursachen oder weitere Ablagerungen bilden. Dies beeinträchtigt direkt die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Betriebs der Anlage. Daher sind die Anforderungen an die Reinheit des Wassers für Dampfkessel mit Gleichstrombetrieb sehr hoch.

Kurze Beschreibung der Arbeitsmerkmale des Wasserdampfsystems in Dampfkesseln mit gerader Durchflussrichtung: Das Wasser für Dampfkessel mit gerader Durchflussrichtung fließt unter dem Druck der Zufuhrpumpe nacheinander durch die Wärmeübertragungsflächen wie den Sparverdampfer, die wassergekühlten Wandungen sowie den Überhitzer. Dabei wird das Wasser bei nur einem Durchgang erhitzt, verdampft und überhitzt – anschließend wird es als überhitzter Dampf aus dem Kessel abgegeben. In einem Gleichstromofen gibt es keinen Dampfkessel, und das Wasser muss auch nicht mehrfach zirkuliert werden, damit der Verdampfungsprozess abgeschlossen werden kann. Im Gegensatz zu Dampfkesseln kann man in Druckwasserkesseln die Verunreinigungen im Kesselwasser nicht über den Kessel abführen. Zudem ist es nicht möglich, das Wasser im Kessel durch Behandlungen vor Ablagerungen zu schützen und diese anschließend abzuführen. Wenn mit dem Zulaufwasser Verunreinigungen in den Druckwasserkessel gelangen, bilden sich diese entweder als Ablagerungen in den Rohren oder werden vom Dampf in die Turbine transportiert, wo sie Korrosion verursachen oder weitere Ablagerungen bilden. Dies beeinträchtigt direkt die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Betriebs der Anlage. Daher sind die Anforderungen an die Reinheit des Wassers für Dampfkessel mit Gleichstrombetrieb sehr hoch.

Am wichtigsten ist, dass ein Gleichstromofen keinen Dampfkessel hat; das Wasser wird vollständig in Dampf umgewandelt, es gibt somit keine Wasserkreislaufschleife. Auch die Anforderungen an die Wasserqualität sind höher. Genauer gesagt: 1. Die Anforderungen an die Qualität des Zulaufwassers sind hoch. Da Dampfkessel keinen Dampfbehälter haben, ist es nicht möglich, wie bei Dampfbehälterkesseln, Schmutz abzuleiten oder das Wasser im Kessel zu behandeln. Die Salze im Zulaufwasser haben somit keinen Abflussweg – sie sammeln sich entweder auf den Heizflächen des Kessels oder gelangen zusammen mit dem überhitzten Dampf in die Turbine. Um zu verhindern, dass durch den langfristigen Betrieb des Kraftwerks Salze an den verschiedenen Heizflächen ablagern und dadurch die Wärmeübertragung beeinträchtigt wird – was in schweren Fällen sogar zum Platzen der Rohre führen kann – müssen höhere Anforderungen an die Qualität des Zuleitungswassers gestellt werden. 2 Die Anforderungen an die automatische Regelung sind hoch. Bei Gleichstromkesseln gibt es keinen Dampfkessel, wodurch das Wasser, der Dampf sowie die Wärme nicht gespeichert werden können. Daher schwanken die Dampfdrücke stark, wenn sich die äußeren Lasten ändern. Außerdem gibt es an den verschiedenen Hebeflächen keine festen Trennlinien für die Prozesse der Erwärmung, Verdampfung und Überhitzung des Zuleitungswassers. Wenn das Zuleitungswasser oder der Brennstoff gestört wird, führt dies zu Schwankungen der Dampftemperatur. Daher benötigen Gleichstromkessel, um gute statische und dynamische Regelleigenschaften zu haben, ein überlegenes Automatisierungssystem. 1.3 Das Widerstandssystem des Kohlendioxid-Systems ist hoch, wodurch der Pumpenverbrauch für das Zuführen von Wasser groß ist. In Dampfkesseln wird die Druckkraft der Zufuhrpumpe genutzt, um den Widerstand des Fluids in den Verdampfungsoberflächen zu überwinden und so einen stabilen Fluss des Fluids in den wassergekühlten Wandungen zu gewährleisten. Um die Sicherheit der wassergekühlten Wandungen zu gewährleisten, muss die Massenstromgeschwindigkeit des Fluids in diesen Wandungen hoch sein. Dadurch entsteht ein hoher Widerstand im Wasser, was wiederum dazu führt, dass die Pumpe mehr Energie verbraucht. 1.4 Schnelle Start- und Stoppszeiten: Bei Dampfkesseln mit Gleichstromantrieb gibt es keinen Dampfbehälter. Dadurch werden sie durch schnelle Start- und Stopps nicht wie Dampfbehälter durch dicke Wände eingeschränkt – was zu Verformungen sowie zu übermäßigen Wärmestressen führen könnte. Daher kann es schneller gestartet und gestoppt werden. Ihre Start- und Stopptime wird nur durch die Ausdehnung des Zylinders sowie Vibrationen begrenzt. Das wichtigste Mittel zur Steuerung der Überhitzungstemperatur in Dampfkesseln mit Gleichstromantrieb besteht darin, das Verhältnis zwischen dem Wassermenge und der Brennstoffmenge – also das Kohle-Wasser-Verhältnis – konstant zu halten. Denn in Dampfkesseln mit Gleichstromfeuerung gibt es keinen Dampfbehälter. Die Prozesse der Erwärmung, Verdampfung und Überhitzung des Zulaufwassers finden zwischen den verschiedenen Heizflächen des Speicherkessels, der wassergekühlten Wände sowie des Überhitzers statt – ohne dass es feste Trennlinien gibt. Diese Trennlinien ändern sich je nach Betriebsbedingungen. Wenn die Wärmelast des Kessels sowie die anderen Bedingungen unverändert bleiben und die Menge des zugeführten Wassers verringert wird, dann steigt aufgrund der früheren Verdampfungspunkte sowie Überhitzungspunkte des Arbeitsstoffs in den Heizeflächen die Dampftemperatur am Ausgang des Überhitzers ； Umgekehrt wird die Temperatur des überhitzten Dampfs sinken, wenn die Menge des zugeführten Wassers erhöht wird. Die mehrstufige Kühlung durch Wasserspritzung dient lediglich dazu, die Dampftemperatur feiner abzustimmen. 1.6 Membranartiges Sieden an den Verdampfungsflächen in Gleichstromkesseln Bei den Verdampfungsflächen in Gleichstromkesseln nimmt der Dampfgehalt des Arbeitsstoffs von 0 auf 1 zu. Wenn der Dampfgehalt der Dampf-Wasser-Mischung im Rohr einen bestimmten Wert erreicht, wird die Wasserschicht, die an der Innenwand des Rohres haftet, entweder durch den Dampfstrom zerstört oder verdunstet. Wenn die Wasserschicht dann durch eine Dampfschicht ersetzt wird, steigt die Temperatur der Rohrwand aufgrund des viel geringeren Wärmeabgabekoeffizienten des Dampfes stark an. In schweren Fällen kann dies dazu führen, dass das Rohr beschädigt wird. Dieses Arten des Siedens in den Verdampfungsflächen von Gleichstromkesseln wird als membranartiges Sieden bezeichnet. Offensichtlich müssen Maßnahmen ergriffen werden, um zu verhindern, dass dieses Phänomen auftritt, und somit die sichere Funktionsfähigkeit der Verdampfungsoberflächen des Kessels gewährleistet zu bleiben. 1.7 Eigenständiges Startumgehungssystem Da es zwischen den verschiedenen Hebeflächen eines Gleichstromkessels keine festen Trennlinien gibt, entsteht zu Beginn des Betriebs nur Warmwasser. Erst mit zunehmender Verbrennungsmenge im Kessel entstehen allmählich Feuchtdampf, Sättigungsdampf und Überhitztdampf. Damit die in der Anfangsphase entstehende Mischung aus heißem Wasser und Dampf sowie der gesättigte Dampf und der überhitzte Dampf mit geringerer Überhitzung einen Abflussweg haben ； Rückgewinnung von Arbeitsstoff und Wärme während des Startvorgangs ； Um den Anforderungen gerecht zu werden, dass der Hauptdampf bei dem Start des Dampfturbsins eine bestimmte Überhitzung aufweisen muss (in der Regel über 50 °C), muss die Startzeit so weit wie möglich verkürzt werden. In Gleichstromkesseln muss außerdem ein Startumgehungssystem vorhanden sein.

Das Wasser für den Gleichstromkessel fließt unter dem Druck der Nachfüllpumpe nacheinander durch die Wärmeübertragungsflächen wie den Dampferhitzer, die wassergekühlten Wände und den Überhitzer. Beim einmaligen Durchfluss wird das Wasser erhitzt, verdampft und überhitzt – anschließend wird es als überhitzter Dampf aus dem Kessel abgegeben. In einem Gleichstromofen gibt es keinen Dampfkessel, und das Wasser muss auch nicht mehrfach zirkuliert werden, damit der Verdampfungsprozess abgeschlossen werden kann. Im Gegensatz zu Dampfkesseln kann man in Druckwasserkesseln die Verunreinigungen im Kesselwasser nicht über den Kessel abführen. Zudem ist es nicht möglich, das Wasser im Kessel durch Behandlungen vor Ablagerungen zu schützen und diese anschließend abzuführen. Wenn mit dem Zulaufwasser Verunreinigungen in den Druckwasserkessel gelangen, bilden sich diese entweder als Ablagerungen in den Rohren oder werden vom Dampf in die Turbine transportiert, wo sie Korrosion verursachen oder weitere Ablagerungen bilden. Dies beeinträchtigt direkt die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Betriebs der Anlage. Daher sind die Anforderungen an die Reinheit des Wassers für Dampfkessel mit Gleichstrombetrieb sehr hoch.

Dampfkessel mit Gleichstrombetrieb werden meist unter Drücken von über 19,2 MPa eingesetzt. Bei solch hohen Drücken ist der Dichtefehler zwischen Dampf und Wasser nahezu null – dadurch entfällt auch die Auftriebskraft, die durch diesen Dichtefehler entsteht. Deshalb ist es notwendig, in den Ablassrohren Pumpen einzusetzen, um das Medium direkt in den Überhitzer zu leiten. So kann die Vorkühlung, Verdampfung sowie Überhitzung auf einmal erfolgen. Deshalb werden solche Kessel auch als Kraftzirkulationskessel bezeichnet

Das Wasser für den Gleichstromkessel fließt unter dem Druck der Nachfüllpumpe nacheinander durch die Wärmeübertragungsflächen wie den Dampferhitzer, die wassergekühlten Wände und den Überhitzer. Beim einmaligen Durchfluss wird das Wasser erhitzt, verdampft und überhitzt – anschließend wird es als überhitzter Dampf aus dem Kessel abgegeben. In einem Gleichstromofen gibt es keinen Dampfkessel, und das Wasser muss auch nicht mehrfach zirkuliert werden, damit der Verdampfungsprozess abgeschlossen werden kann. Im Gegensatz zu Dampfkesseln kann man in Druckwasserkesseln die Verunreinigungen im Kesselwasser nicht über den Kessel abführen. Zudem ist es nicht möglich, das Wasser im Kessel durch Behandlungen vor Ablagerungen zu schützen und diese anschließend abzuführen. Wenn mit dem Zulaufwasser Verunreinigungen in den Druckwasserkessel gelangen, bilden sich diese entweder als Ablagerungen in den Rohren oder werden vom Dampf in die Turbine transportiert, wo sie Korrosion verursachen oder weitere Ablagerungen bilden. Dies beeinträchtigt direkt die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Betriebs der Anlage. Daher sind die Anforderungen an die Reinheit des Wassers für Dampfkessel mit Gleichstrombetrieb sehr hoch.

Das Wasser für den Gleichstromkessel fließt unter dem Druck der Nachfüllpumpe nacheinander durch die Wärmeübertragungsflächen wie den Dampferhitzer, die wassergekühlten Wände und den Überhitzer. Beim einmaligen Durchfluss wird das Wasser erhitzt, verdampft und überhitzt – anschließend wird es als überhitzter Dampf aus dem Kessel abgegeben. In einem Gleichstromofen gibt es keinen Dampfkessel, und das Wasser muss auch nicht mehrfach zirkuliert werden, damit der Verdampfungsprozess abgeschlossen werden kann. Im Gegensatz zu Dampfkesseln kann man in Druckwasserkesseln die Verunreinigungen im Kesselwasser nicht über den Kessel abführen. Zudem ist es nicht möglich, das Wasser im Kessel durch Behandlungen vor Ablagerungen zu schützen und diese anschließend abzuführen. Wenn mit dem Zulaufwasser Verunreinigungen in den Druckwasserkessel gelangen, bilden sich diese entweder als Ablagerungen in den Rohren oder werden vom Dampf in die Turbine transportiert, wo sie Korrosion verursachen oder weitere Ablagerungen bilden. Dies beeinträchtigt direkt die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Betriebs der Anlage. Daher sind die Anforderungen an die Reinheit des Wassers für Dampfkessel mit Gleichstrombetrieb sehr hoch.

Antwort: Das Wasser für Dampfkessel mit Gleichstromfeuerung fließt unter dem Druck der Nachfüllpumpe in sequenzieller Reihenfolge durch die Wärmeübertragungsflächen wie den Schonrohr, die wassergekühlten Wände und den Überhitzer. Beim einmaligen Durchfluss des Wassers finden die Prozesse der Erwärmung, Verdampfung und Überhitzung statt; das Wasser verwandelt sich dabei vollständig in Überhitzdampf, der anschließend aus dem Kessel abgeleitet wird. Dampfkesselöfen verfügen nicht über einen Dampfbehälter. Das Wasser muss auch nicht mehrfach zirkuliert werden, damit es verdampft werden kann. Im Gegensatz zu Dampfkesselöfen ist es nicht möglich, Unreinheiten aus dem Wasser zu entfernen, und es lässt sich auch keine Entkalkung des Wassers im Ofen durchführen. An die Reinheit des Zulaufwassers werden sehr hohe Anforderungen gestellt.

Das Wasser für den Gleichstromkessel fließt unter dem Druck der Nachfüllpumpe nacheinander durch die Wärmeübertragungsflächen wie den Dampferhitzer, die wassergekühlten Wände und den Überhitzer. Beim einmaligen Durchfluss wird das Wasser erhitzt, verdampft und überhitzt – anschließend wird es als überhitzter Dampf aus dem Kessel abgegeben. In einem Gleichstromofen gibt es keinen Dampfkessel, und das Wasser muss auch nicht mehrfach zirkuliert werden, damit der Verdampfungsprozess abgeschlossen werden kann. Im Gegensatz zu Dampfkesseln kann man in Druckwasserkesseln die Verunreinigungen im Kesselwasser nicht über den Kessel abführen. Zudem ist es nicht möglich, das Wasser im Kessel durch Behandlungen vor Ablagerungen zu schützen und diese anschließend abzuführen. Wenn mit dem Zulaufwasser Verunreinigungen in den Druckwasserkessel gelangen, bilden sich diese entweder als Ablagerungen in den Rohren oder werden vom Dampf in die Turbine transportiert, wo sie Korrosion verursachen oder weitere Ablagerungen bilden. Dies beeinträchtigt direkt die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Betriebs der Anlage. Daher sind die Anforderungen an die Reinheit des Wassers für Dampfkessel mit Gleichstrombetrieb sehr hoch.