Wasserrohrkessel erklärt

Was sind Wasserrohrkessel?

Ein Wasserrohrkessel, auch bekannt als Wasserrohrkessel oder Wasserrohr-Kessel, ist eine Art von Kessel, der wassergefüllte Rohre verwendet, um Dampf zu erzeugen. Dies im Gegensatz zu einem Feuerrohrkessel, der feuer-/abgasgefüllte Rohre verwendet, um Dampf zu erzeugen. Der vom Kessel erzeugte Dampf kann für verschiedene Zwecke verwendet werden, einschließlich Stromerzeugung über Dampfturbinen, industrielle Prozesse und Gebäudeheizung (Fernwärme).

Hinweis - zur Unterstützung des Verständnisses und der Vertrautheit verwendet dieser Artikel die verschiedenen Formen von Wasserrohr, Wasserrohr und Wasserrohr durchgehend.

Wärmeübertragung zu Wasserrohr- und Feuerrohrkesselrohren

Wasserrohrkessel sind typischerweise effizienter als andere Kesseltypen und können auch höhere Dampfmengen bei höheren Betriebs Druck und Temperaturen erzeugen; dies macht sie ideal für den Einsatz in Kraftwerken und anderen industriellen Umgebungen, in denen eine höhere Kapazität gefordert wird. 

In diesem Artikel werden wir die Funktionsweise von Wasserrohrkesseln untersuchen, die in kohlebefeuerten Kraftwerken eingesetzt werden. Wir werden die Hauptsysteme dieser großen Kessel, ihre Hauptteile und die Nutzung von Dampf zur Stromerzeugung besprechen. Sie können jedoch mehr über verschiedene Kesseltypen und Kraftwerksmaschinen in unserem Power Engineering Fundamentals Video Course erfahren.

Wasserrohrkessel

Gut zu wissen – ‘Wasserrohr’ wird auch als ‘Wasser-Rohr’ oder ‘Wasserrohr’ geschrieben, aber die verschiedenen Varianten bedeuten alle dasselbe.

 

Was sind die Hauptteile eines Wasserrohrkessels?

Die Hauptteile eines Wasserrohrkessels sind:

• Dampftrommel
• Schlammtrommel
• Abwärtsleiter
• Aufsteiger
• Sammler
• Überhitzer (Primär, Sekundär usw.)
• Zwischenüberhitzer (Primär, Sekundär usw.)
• Economiser
• Feuerraum (Verbrennungsraum)
• Sicherheitsventil
• Primärluftventilator
• Sekundärluftventilator
• Abluftventilator
• Attemperator

Wasserrohrkessel Rohrleitungen und Fließwege

 

Wie funktionieren Wasserrohrkessel?

Das untenstehende Diagramm zeigt die typische Anordnung von Geräten und Systemen, die mit einem kohlebefeuerten Kraftwerk verbunden sind; verwenden Sie das Diagramm als Referenz, während Sie diesen Artikel durchgehen. Es ist notwendig, alle Systeme eines Kraftwerks zu verstehen, um zu verstehen, wie ein Wasserrohrkessel funktioniert.

Kohlebefeuertes Kraftwerkssystem und Ausrüstungsdiagramm

 

Wasserrohrkessel Brennstoffsystem

Bevor Kohle dem Kessel zugeführt wird, wird sie in einem Kohlelager gelagert und dann zu Tagesilos transportiert. Die Tagesilos haben typischerweise genug Kapazität für maximal 4-12 Stunden Kesselbetrieb, was sicherstellt, dass der Kessel in Betrieb bleiben kann, selbst wenn es ein Problem mit dem Förderband im Kohlelager gibt. Die Tagesilos speisen Kohle in die Kohle Pulverisierer (amerikanisches Englisch ‘pulverizers’).

Kohlepulverisierer

Der Zweck eines Pulverisierers ist es, die Kohle zu mahlen, zu trocknen und zu klassifizieren, um sicherzustellen, dass sie einen geringen Feuchtigkeitsgehalt hat und die richtige Größe erreicht, wenn sie den Kessel erreicht. Pulverisierte Kohle wird aus den Pulverisierern entladen und pneumatisch durch Rohrleitungen zu den Kesselbrennern transportiert.

Pulverisierte Kohle wird durch Brennstoffdüsen in den Feuerraum gesprüht, wo sie entzündet wird und verbrennt. Luft wird in den Feuerraum geblasen, um eine effiziente Verbrennung sicherzustellen. Hinter den seitlichen Kesselrohren (seitliche Wasserwände) befinden sich Windkästen; Luft sammelt sich in jedem Windkasten, bevor sie in den Kessel eintritt. Ein Windkasten bietet eine kleine Luftreserve und reduziert die Wahrscheinlichkeit von Luftpulsationen oder ungleichmäßiger Luftzufuhr zum Kessel. Es gibt zwei Hauptluftsysteme, die mit Wasserrohrkesseln verbunden sind, diese sind die Primärluft und Sekundärluft Systeme.

Wasserrohrkessel Windkasten

 

Wasserrohrkessel Primär- und Sekundärluftsysteme

Primär- und Sekundärluftsysteme haben zwei separate Funktionen.

• Primärluft – steuert die Menge des verbrannten Brennstoffs.
• Sekundärluft – steuert die Effizienz des Verbrennungsprozesses.

Die in beiden Systemen verwendeten Primär- und Sekundärluftventilatoren sind typischerweise vom Zentrifugalventilator Design, obwohl die Anzahl und Art der Ventilatoren vom Kesseldesign abhängt. Das Primärluftsystem versorgt die Kohlepulverisierer mit Primärluft, während das Sekundärluftsystem Luft zu den Windkästen liefert.

Primärluftsystem

Das Primärluftsystem steuert die Menge des verbrannten Brennstoffs. Durch die Anpassung der Menge der zugeführten Primärluft kann die Menge der dem Feuerraum zugeführten Kohle reguliert werden. Kalte Primärluft tritt in den Kohlepulverisierer ein und vermischt sich mit heißer Primärluft, um ein optimales Luft-Brennstoff-Gemisch und Temperatur zu erzeugen. Das Luft-Brennstoff-Gemisch wird dann pneumatisch durch Rohre zu den Brennern und in den Feuerraum transportiert.

Sekundärluftsystem

Das Sekundärluftsystem steuert die Effizienz des Verbrennungsprozesses; es liefert Luft zu den Windkästen, die die Sekundärluft gleichmäßig im Feuerraum verteilen. Das Sekundärluftsystem hilft, optimale Verbrennungsbedingungen aufrechtzuerhalten, indem es die Menge der zugeführten Luft basierend auf den Kohlendioxid- und Sauerstoffwerten in den Abgasen anpasst. Durch die Überwachung der Abgaszusammensetzung kann das Sekundärluftsystem sicherstellen, dass die Verbrennung so effizient wie möglich ist; dieser Prozess wird als Verbrennungseffizienzsteuerung bezeichnet.

Luftvorwärmer

Luftvorwärmer verwenden die Abgase aus der Verbrennung, um die Primär- und Sekundärluft zu erwärmen, bevor sie in den Kessel eintritt; dieser Prozess verbessert die Kesseleffizienz, indem er eine kontinuierliche Abkühlung des Kessels durch die Einführung von kalter Luft verhindert.

Wasserrohrkessel Luftvorwärmer

 

Wasserrohrkessel: Funktionsprinzip

Dieser Abschnitt behandelt die verschiedenen Komponenten und Systeme, die zur Umwandlung von Wasser in Dampf innerhalb eines Wasserrohrkessels verwendet werden. Häufige Wasserrohrkesselkomponenten wie die Dampftrommel, Abwärtsleiter, Aufsteiger, Schlammtrommeln, Feuerraumwände, Sammler und Überhitzer werden besprochen.

Fluss durch einen Wasserrohrkessel

Economiser

Kesselspeisewasser tritt zuerst über den Economiser (amerikanisches Englisch ‘economizer’) in den Kessel ein, der ein Schlangenrohr-Wärmetauscher ist. Das Kesselwasser fließt durch die Economiser-Rohre hin und her, bis es die Oberseite des Wärmetauschers erreicht, wo es zur Dampftrommel entladen wird.

Gut zu wissen – ‘Speisewasser’ wird auch als ‘Speise-Wasser’ oder ‘Speisewasser’ geschrieben, aber die verschiedenen Varianten bedeuten alle dasselbe.

Gut zu wissen – Wasser, das behandelt wurde, aber noch nicht in den Kessel eingetreten ist, wird als ‘Speisewasser’ klassifiziert. Wasser, das sich im Kessel befindet, wird als ‘Kesselwasser’ klassifiziert. Dampf, der wieder zu Wasser kondensiert ist, wird als ‘Kondensat’ klassifiziert. Kondensat wird nach der Behandlung zu Speisewasser.

Wasserrohrkessel Economiser und Dampftrommel

Dampftrommel, Abwärtsleiter und Schlammtrommeln

Die Dampftrommel erhält Kesselwasser vom Economiser. Die Dampftrommel ist lang, zylindrisch geformt und aus flachen Metallplatten gefertigt. Aufgrund des hohen Drucks des Dampfsystems (normalerweise ca. 190 bar/2.755 psi) ist die Siedetemperatur des Wassers entsprechend hoch (die Siedetemperatur von Wasser ist druckabhängig). Die Dampftrommel ist verantwortlich für die Trennung von Wasser und Dampf. Dampf wird von der Dampftrommel zu den Dampfturbinen abgegeben, während Wasser im Kessel zirkuliert, bis es zu Dampf wird.

Wasserrohrkessel Dampftrommel 3D-Modell

Relativ kaltes Wasser aus der Dampftrommel - mit einer höheren Dichte aufgrund seiner niedrigeren Temperatur - fließt durch große Rohre, die Abwärtsleiter genannt werden, bis es die Schlammtrommeln erreicht. Schlammtrommeln sind Wasserverteilungsverteiler am Boden des Kessels. Wenn der Kessel ein natürlicher Zirkulationskessel ist, verbinden die Abwärtsleiter die Dampftrommel oben im Kessel mit den Schlammtrommeln unten, ohne die Verwendung einer Pumpe. Wenn der Kessel ein erzwungener Zirkulationskessel ist, wird eine mehrstufige Zentrifugalpumpe zwischen der Dampftrommel und der Schlammtrommel installiert. Abwärtsleiter erhalten ihren Namen, weil das Wasser von der Dampftrommel ‘herunterkommt’.

Natürliche und erzwungene Zirkulation Wasserrohrkessel

Gut zu wissen – ‘Verteiler’ und ‘Sammler’ sind zwei Wörter, die oft austauschbar verwendet werden. Beide Wörter bedeuten ‘ein zentraler Verteilungspunkt, der kleinere Systeme versorgt’.

Es gibt typischerweise sechs Abwärtsleiter in einem Wasserrohrkessel, dies gewährleistet einen ausreichenden Wasserfluss zu den Schlammtrommeln. Schlammtrommeln sind am Boden der Feuerraumwände installiert und dienen als Sammelpunkt für Sedimente und andere Verunreinigungen, die im System zirkulieren. Die Schlammtrommeln müssen in regelmäßigen Abständen geöffnet und gereinigt werden, um angesammelte Ablagerungen zu entfernen.

Gut zu wissen – der Name ‘Schlammtrommel’ leitet sich von dem ‘schmutzigen’ Material ab, das sich in den Trommeln ansammelt.

Wasserrohrkessel Schlammtrommeln

Feuerraumwände und Aufsteiger

Von den Schlammtrommeln fließt Wasser durch Rohre, die den Feuerraum umgeben, nach oben; diese Rohre werden ‘Aufsteiger’ genannt, weil das Wasser zur Dampftrommel ‘aufsteigt’. Der Feuerraum ist auf allen vier Seiten (Vorder-, Rück- und beide Seitenwände) von Aufsteigern umgeben und bildet eine rechteckige Box. Aufgrund der rechteckigen Form des Feuerraums und weil die Aufsteiger mit Wasser gefüllt sind, wird jede Seite des Kessels oft als ‘Wasserwand’ bezeichnet.

Wasserrohrkessel Feuerraumwandkonstruktion

Aufsteiger haben einen viel kleineren Durchmesser als Abwärtsleiter, da ihr Hauptzweck darin besteht, Wärme zu absorbieren, weshalb sie eine große Kontaktfläche mit dem Feuerraum benötigen. Aufsteigerrohre bilden den Verdampfer-Teil des Kessels, da Verdampfung innerhalb der Rohre stattfindet.

Wasser verdampft innerhalb eines Wasserrohrkesselrohrs

Wenn die Verbrennung im Feuerraum stattfindet, wird Wärme durch Strahlung und Konvektion auf die Aufsteiger übertragen. Strahlungswärmeübertragung erfordert Sichtverbindung zwischen der Wärmequelle und dem Empfänger, daher werden Elemente wie der Economiser nicht durch Strahlungswärme erhitzt (weil keine direkte Sichtverbindung zwischen dem brennenden Brennstoff und dem Economiser besteht).

Leitung, Konvektion und Strahlung

Sammler und Dampfbildung

Während das Wasser durch die Feuerraumwände nach oben fließt, absorbiert es Wärme und beginnt zu verdampfen und zu Dampf zu werden. Am oberen Ende des Feuerraums wird nasser Dampf (Dampf, der suspendierte Wassermoleküle enthält) zu Sammlern und dann zur Dampftrommel entladen. Es gibt normalerweise vier Sammler, eine pro Seite der Feuerraumwand. Nicht alles Wasser verdampft zu Dampf, daher wird auch Wasser zur Dampftrommel zurückgeführt.

Nasser Dampf und Wasser treten in die Dampftrommel ein, wo Prallbleche, Abscheider und Zyklone die suspendierten Wassermoleküle vom Dampf trennen. Trockener gesättigter Dampf wird von der Dampftrommel abgegeben, d.h. der Dampf enthält keine suspendierten Wassermoleküle.

Wasserrohrkessel Dampftrommelkomponenten

Gut zu wissen – Dampf ist ein unsichtbares, geruchloses Gas. Der Dampf, den die meisten Menschen visualisieren, wenn sie an Dampf denken, ist tatsächlich ‘nasser Dampf’. Wenn Dampf suspendierte Wassermoleküle enthält, wird er als ‘nasser Dampf’ bezeichnet; es sind diese suspendierten Wassermoleküle, die sichtbar sind. Wenn der Dampf keine suspendierten Wassermoleküle enthält, wird er als ‘trockener Dampf’ bezeichnet. Die Trockenheit des Dampfes wird durch seinen Trockenheitsgrad (auch bekannt als ‘Dampfqualität’) gemessen, wobei ein Wert von 0 vollständig flüssig und 1 vollständig trocken ist.

Überhitzer

Die Menge an Energie, die eine Dampfturbine aus Dampf extrahieren kann, wird durch die Temperatur und den Druck des Dampfes bestimmt. Um die Temperatur des Dampfes weiter zu erhöhen - und damit die Menge an Energie, die der Dampfturbine zur Verfügung steht -, wird er durch eine Reihe von Überhitzern geleitet. Dampf, der über seine Sättigungstemperatur erhitzt wird, wird als ‘überhitzter Dampf’ bezeichnet, dies geschieht in Überhitzern, und so erhielten sie ihren Namen.

Überhitzer sind Wärmetauscher, die aus Rohren bestehen, die ähnlich wie Aufsteiger konstruiert sind; sie werden als primär oder sekundär klassifiziert, abhängig von ihrer Position im Kessel. Überhitzer erhöhen die Temperatur des Dampfes, d.h. sie fügen fühlbare Wärme hinzu. Überhitzer fügen keine latente Wärme hinzu, da der Dampf bereits in einem gasförmigen Zustand ist, d.h. es gibt keinen Phasenwechsel, wenn der Dampf erhitzt wird.

Der primäre Überhitzer fügt dem Dampf Wärme hinzu, während er durch einen relativ kühlen Bereich des Kessels fließt, dies verhindert, dass der Dampf abkühlt und kondensiert, bevor er die sekundären Überhitzer erreicht. Trockener gesättigter Dampf fließt in den primären Überhitzer und trockener überhitzter Dampf fließt heraus!

Wasserrohrkessel Primär- und Sekundärüberhitzer

Nach dem primären Überhitzer wird trockener überhitzter Dampf zu zwei sekundären Überhitzern geleitet: dem Plattenüberhitzer und dem finalen sekundären Überhitzer. Die sekundären Überhitzer befinden sich in heißeren Bereichen des Kessels, um sicherzustellen, dass der Dampf seine höchste Temperatur erreicht, bevor er vom Kessel zu den Hochdruck-Dampfturbinen abgegeben wird.

An dieser Stelle gibt es keinen weiteren Fluss durch den Kessel, es sei denn, der Kessel ist ein Zwischenüberhitzungskessel.

Gut zu wissen – Dampfturbinen werden basierend auf den Drücken, bei denen sie arbeiten, klassifiziert:

 

• Hochdruck-Dampfturbine – die erste Turbine, die der Dampf nach dem Verlassen des finalen sekundären Überhitzers trifft; diese Turbine wird als ‘HP Turbine’ bezeichnet.
• Mitteldruck-Dampfturbine – die Turbine, die der Dampf nach dem Verlassen des sekundären Zwischenüberhitzers (wenn ein Zwischenüberhitzungskessel) oder nach dem Verlassen der HP Turbine trifft. Diese Turbine wird als ‘IP Turbine’ bezeichnet.
• Niederdruck-Dampfturbine – Dampf wird von der IP Turbine über eine Überleitungsverbindung zur Niederdruckturbine geliefert. Diese Turbine wird als ‘LP Turbine’ bezeichnet.

 

Zwischenüberhitzungskessel

Nachdem der trockene Hochdruck-überhitzte Dampf die Hochdruck-Dampfturbine passiert hat, wird er entladen und zur Zwischenüberhitzung zurück zum Kessel geleitet. Die Zwischenüberhitzung des Dampfes erfolgt in Wärmetauschern, die als ‘Zwischenüberhitzer’ bezeichnet werden und ähnlich wie Überhitzer konstruiert sind. Wie bei Überhitzern werden Zwischenüberhitzer auch als primär oder sekundär klassifiziert, abhängig von ihrer Position im Kessel. Nach der Zwischenüberhitzung wird der Dampf zur Mitteldruck-Dampfturbine und schließlich zur Niederdruck-Dampfturbine (die über ein Überleitungsrohr verbunden ist) entladen.

Nicht alle Wasserrohrkessel haben einen Zwischenüberhitzungszyklus. Der Hauptzweck der Zwischenüberhitzung des Dampfes besteht darin, seine Temperatur zu erhöhen und folglich die dem Dampfturbine zur Verfügung stehende Leistung zu erhöhen; die Zwischenüberhitzung erhöht auch die gesamte thermische Effizienz der Anlage. Die Zwischenüberhitzung des Dampfes reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass suspendierte Wassermoleküle im Dampf vorhanden sind, und verringert somit das Risiko von Turbinenschaufelerosion und -korrosion.

Primärer Zwischenüberhitzer

Ein primärer Zwischenüberhitzer ist ähnlich wie ein primärer Überhitzer (beide verwenden ein Schlangenrohr-Wärmetauscherdesign), aber er befindet sich in einem benachbarten Teil des Kessels. Dampf aus der Hochdruckturbine wird zum primären Zwischenüberhitzer entladen. Während der Dampf durch den primären Zwischenüberhitzer fließt, wird er erneut erhitzt und dann zum sekundären Zwischenüberhitzer entladen. Der Weg des Dampfes ist ziemlich komplex, was einen optimalen Wärmeaustausch gewährleistet.

Wasserrohrkessel Zwischenüberhitzer

Sekundärer Zwischenüberhitzer

Nachdem der Dampf den primären Zwischenüberhitzer passiert hat, tritt er in den sekundären Zwischenüberhitzer ein, wo er weiter erhitzt wird, bevor er vom Kessel zur Mitteldruckturbine entladen wird.

 

Abgasreinigungssystem

Das Abgasreinigungssystem behandelt die bei der Kesselbetrieb entstehenden Verbrennungsgase.

Gut zu wissen – ‘Verbrennungsgase’ sind auch bekannt als ‘Rauchgase’ oder ‘Verbrennungsgase’.

Abgase strömen durch den Kessel und passieren dabei Wärmetauscher (Überhitzer usw.) und andere Komponenten (Luftvorwärmer usw.). Sobald die Abgase den Großteil ihrer Wärmeenergie an den Kessel abgegeben haben, werden sie zum Abgasreinigungssystem entladen.

Das Abgasreinigungssystem umfasst typischerweise Rauchgasentschwefelungsanlagen und elektrostatische Abscheider oder Filterhäuser. Rauchgasreinigungsanlagen sind darauf ausgelegt, Schadstoffe und Partikel aus den Rauchgasen zu entfernen, bevor sie in die Atmosphäre abgegeben werden.

 

Zusammenfassung – Wie alles zusammenarbeitet

1. Kohle gelangt aus dem Kohlelager in die Tagesilos.
2. Kohle wird zu den Pulverisierern geliefert, wo sie gemahlen, getrocknet und klassifiziert wird.
3. Pulverisierte Kohle wird pneumatisch zu den Kesselbrennern transportiert.
4. Kohle wird in den Feuerraum gesprüht, wo sie entzündet wird und verbrennt.
5. Sekundärluft wird in den Feuerraum geblasen, um eine effiziente Verbrennung sicherzustellen.
6. Relativ kaltes Kesselwasser fließt von der Dampftrommel zu den Schlammtrommeln über Abwärtsleiter.
7. Wasser fließt von den Schlammtrommeln durch Aufsteigerrohre, die den Feuerraum umgeben, nach oben. Während das Wasser nach oben fließt, absorbiert es Wärme, und ein Teil des Wassers verdampft zu Dampf.
8. Nasser Dampf tritt durch Sammler am oberen Ende des Feuerraums aus.
9. Nasser Dampf tritt in die Dampftrommel ein, wo die suspendierten Wassermoleküle getrennt werden. Trockener gesättigter Dampf wird von der Dampftrommel abgegeben.
10. Trockener Dampf passiert primäre und sekundäre Überhitzer, um seine endgültige Temperatur zu erreichen (er wird in diesem Stadium überhitzt).
11. Trockener überhitzter Dampf wird vom Kessel abgegeben und kann nun von den Dampfturbinen zur Stromerzeugung genutzt werden.
12. Wenn ein Zwischenüberhitzungssystem installiert ist, wird Dampf aus der Hochdruckturbine zur Zwischenüberhitzung zurück zum Kessel geleitet. Wenn kein Zwischenüberhitzungssystem installiert ist, wird Dampf von der Hochdruckturbine zu den nächsten Stufen abgegeben, d.h. IP- oder LP-Turbinen. 

 

Zusätzliche Ressourcen

https://en.wikipedia.org/wiki/Water-tube_boiler

https://www.rasmech.com/blog/watertube-boiler-a-complete-overview/

https://testbook.com/mechanical-engineering/water-tube-boilers-definition-diagram-and-applications