Kessel-Dampftrommel erklärt

Was ist eine Kessel-Dampftrommel?

Wasserrohrkessel verwenden Dampftrommeln, um sicherzustellen, dass der an Verbraucher gelieferte Dampf 'rein' ist (frei von Verunreinigungen und Feuchtigkeit). Die Dampftrommeln von Wasserrohrkesseln befinden sich oben auf dem Kessel, über allen anderen Kesselkomponenten. Die Dampftrommel zeichnet sich durch ihre lange, zylindrische Form aus und besteht in der Regel aus dicken Stahlplatten, um den hohen Drücken und Temperaturen standzuhalten, bei denen sie arbeitet. Eine Dampftrommel kann bis zu zwei Meter im Durchmesser und 30 Meter in der Länge sein.

Gut zu wissen - es gibt mehrere Schreibweisen für 'Wasserrohr', 'Wasser-Rohr' oder 'Wasser Rohr', aber die Bedeutung ist dieselbe. Gleiches gilt für 'Feuerrohr', 'Feuer-Rohr' und 'Feuer Rohr', z.B. Feuerrohrkessel. Wasserrohre enthalten Wasser, während Feuerrohre Abgase enthalten (daher werden sie auch 'Rauchrohrkessel' genannt).

Gut zu wissen - Feuerrohrkessel sind Niederdruckkessel. Wasserrohrkessel werden in Kraftwerken eingesetzt, da sie eine große Menge Dampf bei hoher Temperatur und hohem Druck liefern können. Feuerrohrkessel sind aufgrund ihres Kesselmanteldesigns in der Größe begrenzt (siehe unseren Feuerrohrkessel-Artikel für weitere Details).

Position der Dampftrommel im Wasserrohrkessel

Was sind die Hauptfunktionen einer Dampftrommel?

Eine Dampftrommel hat drei Hauptfunktionen:

• Ihr Hauptzweck ist es, sauberen, trockenen Dampf an nachgeschaltete Verbraucher wie Überhitzer und Dampfturbinen zu liefern. Die Dampftrommel stellt sicher, dass keine Feuchtigkeit (Wassertropfen) oder nasser Dampf diese nachgeschalteten Komponenten erreicht, wodurch Schäden durch Probleme wie Mitreißen, Wasserschlag und übermäßige Korrosion vermieden werden.
• Dampftrommeln fungieren auch als Reservoir, das eine kleine Menge gesättigten Wassers speichert, um Schwankungen in der Dampfnachfrage innerhalb des Kesselsystems auszugleichen.
• Wasseraufbereitung erfolgt innerhalb der Dampftrommel. Zum Beispiel erfolgt das Mischen von Chemikalien für die interne Kesselbehandlung innerhalb der Dampftrommel, ebenso wie das Abschlämmen (ein Verfahren zur Kontrolle der Wasserqualität, wie z.B. Gesamtschwebstoffe (TSS) und Gesamtlösungen (TDS)).

Schematische Darstellung eines Wasserrohrkessels

Was sind die Hauptbestandteile einer Wasserrohrkessel-Dampftrommel?

Eine detaillierte Beschreibung der Hauptbestandteile einer Dampftrommel wird unten gegeben. Es ist wichtig, die folgenden Definitionen zu beachten:

• Speisewasser - Wasser, das behandelt wurde, aber noch nicht in den Kessel eingetreten ist.
• Kesselwasser - Wasser, das sich im Kessel befindet (einschließlich der Dampftrommel).
• Kondensat - Dampf, der wieder zu Wasser kondensiert ist. Kondensat wird nach der Behandlung wieder zu Speisewasser.

Um mehr über die Wasser- und Dampfströmungspfade in einem Wasserrohrkessel zu erfahren, lesen Sie unseren Wasserrohrkessel-Artikel. Sie können auch mehr über verschiedene Kesseltypen und all ihre Teile (Dampfverteiler, Kesselwand usw.) in unserem Grundlagen der Kraftwerkstechnik Videokurs erfahren.

Teile der Kessel-Dampftrommel

• Speisewassereinlass: Das Speisewasserrohr, das sich über die gesamte Länge der Dampftrommel erstreckt, verteilt das Speisewasser gleichmäßig innerhalb der Trommel. Das Speisewasser wird durch gleichmäßig verteilte Löcher im Rohr in die Trommel eingeführt, um eine gleichmäßige Verteilung über die gesamte Länge der Trommel zu gewährleisten.

Gut zu wissen - 'Speisewasser' wird auch als 'Speise Wasser' oder 'Speise-Wasser' geschrieben, aber die Bedeutung ist dieselbe.

• Absenker und Steigrohre: Absenker verteilen Kesselwasser von der Dampftrommel zu den Schlammtrommeln am Boden der Kesselwände. Wenn das Wasser erhitzt wird, steigt es aufgrund seiner Dichteänderung (heißere Flüssigkeiten sind weniger dicht) innerhalb der Kesselwände auf und verwandelt sich dabei in ein Wasser-Dampf-Gemisch. Das Wasser-Dampf-Gemisch kehrt dann über die Dampfverteiler in die Dampftrommel zurück.

Gut zu wissen - Absenker haben einen größeren Durchmesser als Steigrohre und sind weniger zahlreich. Ein Steigrohr hat einen kleineren Durchmesser, da dies seine Wärmeübertragungsrate erhöht, während dies für ein Absenkerrohr nicht erforderlich ist. Sowohl Steigrohre als auch Absenker werden in der Regel aus nahtlosen Kohlenstoffstahlrohren hergestellt.

Gut zu wissen - Steigrohre werden manchmal als 'Steigrohrleitungen' oder 'Steigrohrrohre' bezeichnet. Ebenso werden Absenker manchmal als 'Absenkerrohre' oder 'Absenkerleitungen' bezeichnet.

• Gesättigter Dampfauslass: Sobald der Dampf ausreichend gereinigt und getrocknet ist, wird er durch Dampfauslassrohre, die sich oben in der Dampftrommel befinden, abgeführt. Der abgeführte Dampf wird durch Überhitzer erhitzt, um seine Temperatur zu erhöhen, bevor er an seinen Endverbraucher, wie eine Dampfturbine, geleitet wird. Es ist wichtig zu beachten, dass gesättigter Dampf aus der Dampftrommel abgeführt wird, aber in überhitzten Dampf umgewandelt wird, sobald er die Überhitzer passiert hat; dies verringert die Wahrscheinlichkeit, dass sich Wassertropfen im Dampf bilden. Der Dampfausstoß eines Wasserrohrkessels kann beträchtlich sein, manchmal über 350 kg/s (771 lb/s), wobei das Kesselsystem möglicherweise bei über 190 bar (2.755 psi) und über 500°C (932°F) arbeitet.

Gut zu wissen - Überhitzer fügen dem Dampf fühlbare Wärme hinzu. Fühlbare Wärme erhöht die Temperatur des Dampfes, ändert jedoch nicht seinen Zustand/Phase, d.h. es erfolgt kein Wechsel von Wasser zu Dampf oder umgekehrt. Latente Wärme ist die Energie, die während eines Zustandswechsels hinzugefügt oder entfernt wird, d.h. während des Kondensations- oder Verdampfungsprozesses, aber diese Energieänderung verursacht keine Temperaturänderung.

Innereien der Dampftrommel

• Chemikalien-Dosierleitung: Die Chemikalien-Dosierleitung führt Chemikalien in den Kessel ein. Diese Chemikalien, die gleichmäßig über die Länge der Dampftrommel verteilt werden, verringern die Wahrscheinlichkeit von Korrosion, Kesselsteinbildung und anderen potenziellen Problemen im Kesselsystem. Die turbulente Umgebung innerhalb der Dampftrommel unterstützt das Mischen dieser Chemikalien.
• Kontinuierliche Abschlämmleitung (CBL): Um die Konzentration von Chemikalien im Kessel zu regulieren, entfernt die kontinuierliche Abschlämmleitung ständig einen Teil des Kesselwassers. Dieser Prozess ist wichtig, da Wasserverdampfung zu einer Anhäufung von nicht-verdampfbaren Chemikalien führen kann, wodurch die Anzahl der gelösten Feststoffe (TDS) erhöht wird.
• Wasserstandüberwachung: Die blaue Linie, die in der Dampftrommel angezeigt wird, stellt die normale Betriebswasserlinie (NOWL oder NWL) dar, die manchmal auch als 'normale Wasserlinie' bezeichnet wird. Instrumentenlöcher in der Dampftrommel nehmen Wasserstandsanzeiger wie Pegelsonden und Schaugläser sowie Drucksensoren und Temperatursensoren auf. Diese Instrumente helfen sicherzustellen, dass der Wasserstand der Trommel innerhalb definierter Grenzen bleibt. Weitere Informationen zur Aufrechterhaltung des Wasserstands in einem Wasserrohrkessel finden Sie in unserem Artikel zur Trommelstandregelung.

Dampfabscheider - Wasser und Dampf werden innerhalb der Dampftrommel mit den folgenden Methoden getrennt:

• Zentrifugaltrennung: Das Wasser-Dampf-Gemisch passiert beim Eintritt in die Trommel einen Zentrifugalabscheider. Dieses Gerät nutzt das Prinzip der Zentrifugalkraft, um einen Teil des Wassers vom Dampf zu trennen.
• Schwerkraft- und Dichtetrennung: Die dichteren Wassermoleküle setzen sich aufgrund der Schwerkraftkräfte natürlich am Boden der Dampftrommel ab.

Gut zu wissen - ein Dichteunterschied innerhalb einer Flüssigkeit entsteht immer, wenn es einen Temperaturunterschied gibt, dies ist die Grundlage für natürliche Konvektion.

• Verwirrter Strömungspfad: Der halbsaubere Dampf passiert dann einen Scrubber, der sich oben in der Dampftrommel befindet; dies bietet einen verwirrten Strömungspfad. Dieser Pfad verursacht, dass Wassermoleküle mit den Oberflächen des Scrubbers kollidieren, wo sie zu größeren Tropfen zusammenfließen und zurück in die Trommel fallen. Der Scrubber, der normalerweise aus Metallgittergeweben besteht, die zusammengepresst sind, wird manchmal als Chevron-Trockner oder Nebelabscheider bezeichnet und stellt sicher, dass über 99,5% des Wassers vom Dampf getrennt wird.

Schwellen und Schrumpfen in Dampftrommeln

Plötzliche Druckschwankungen spielen eine Rolle im Verhalten von Wasser und Dampf innerhalb einer Dampftrommel. Es gibt zwei Hauptprobleme, die Druckschwankungen verursachen: Schwellen und Schrumpfen.

• Schwellen - es gibt eine plötzliche hohe Dampfnachfrage, die einen Druckabfall in der Dampftrommel verursacht, und dies führt dazu, dass der Wasserstand steigt. Der Anstieg des Wasserstands tritt auf, weil Dampfdruckblasen, die im Wasser suspendiert sind, sich ausdehnen (Volumenzunahme), wenn der Trommeldruck abnimmt, was dazu führt, dass der Wasserstand steigt. In einem einfachen Einkreisregelungskessel schließt das automatische Speisewassereinlassventil als Reaktion auf den erhöhten Wasserstand, was effektiv bedeutet, dass das in den Kessel eingespeiste Wasser abnimmt, obwohl der Dampfverbrauch gestiegen ist (eine gefährliche Situation, wenn sie nicht korrigiert wird).
• Schrumpfen - umgekehrt, wenn es eine plötzliche Reduzierung der Dampfnachfrage gibt, steigt der Druck in der Dampftrommel, was dazu führt, dass die suspendierten Dampfdruckblasen im Volumen abnehmen und der Wasserstand sinkt. Das automatische Speisewassereinlassventil öffnet sich als Reaktion auf den gesunkenen Wasserstand, was zu einem noch größeren Wasserstandsabfall führt. Dies geschieht, weil das relativ kalte Wasser, das in die Dampftrommel eintritt, das Wasser und die Dampfdruckblasen abkühlt, was dazu führt, dass die Dampfdruckblasen kollabieren.

Schwankungen im Druck und die daraus resultierende Ausdehnung oder Kontraktion können den Wasserstand einer Dampftrommel erheblich beeinflussen. Wenn sie nicht ordnungsgemäß verwaltet werden, können diese Änderungen zu Wassermitreißen in die Überhitzer und Dampfturbinen führen, was Schäden und Ineffizienzen riskiert. Wenn der Wasserstand aufgrund von thermischer Kontraktion abnimmt, erhalten die Kesselwärmeübertragungsflächen (Kesselrohre usw.) möglicherweise nicht genügend Wasser und könnten überhitzen, was ein Risiko für die Integrität des Kessels darstellt.

Dampftrommel Drei-Elemente-Regelung

Es gibt viele Faktoren, die den Wasserstand in einer Dampftrommel beeinflussen können. Der Wasserstand muss jederzeit innerhalb definierter Grenzen gehalten werden, um den sicheren Betrieb des Kessels, den effizienten Betrieb und den Schutz der nachgeschalteten Komponenten zu gewährleisten. Um genaue Trommelstandmessungen sicherzustellen, verwendet das Kesselsystem eine Methode, die als Drei-Elemente-Regelung bekannt ist. Die Drei-Elemente-Regelung misst:

• Dampfflussausgabe.
• Speisewassereinlass.
• Dampftrommeldruck.
• Tatsächlicher Wasserstand in der Dampftrommel.

Drei-Elemente-Regelung

Diese Faktoren helfen, die Massenbilanz des Kessels zu bestimmen (was in den Kessel eingebracht wurde im Vergleich zu dem, was herausgekommen ist). Durch die Berücksichtigung all dieser Faktoren kann das System den Wasserstand genau bestimmen und mögliche Abweichungen durch Druckänderungen berücksichtigen. Sie können mehr über Einkreisregelung, Zweikreisregelung und Drei-Elemente-Regelung in unserem Grundlagen der Kraftwerkstechnik Videokurs erfahren.

Was ist der Unterschied zwischen einer Dampftrommel und einer Schlammtrommel?

Dampftrommeln befinden sich oben auf dem Kessel, während sich Schlammtrommeln (oder Schlammtrommel) am tiefsten Punkt des Kessels befinden. Der Name 'Schlammtrommel' leitet sich von dem schmutzigen Material ('Schlamm') ab, das sich in den Trommeln ansammelt.

Zusätzliche Ressourcen

https://boilersinfo.com/boiler-steam-drum-internals-function/

https://www.rasmech.com/blog/steam-drum-101-boiler-basics/

https://www.academia.edu/36073749/A_simple_dynamic_model_and_stability_analysis_of_a_steam_boiler_drum

https://www.processindustryinformer.com/optimising-boiler-and-steam-drum-level-control/

https://www.vega.com/en/company/blog/2020/steam-boiler-drum-level-measurement-technology-comparison