Grundlagen Dampfspeicher

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Weitere Dokumentationen von Spirax Sarco:
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Leitfaden für die Praxis von Dampf- und Kondensatanlagen
Arbeitsblätter (Auslegungsdiagramme) für die Dampf- und Kondensattechnologie
Grundlagen der Dampf- und Kondensattechnologie
Grundlagen des Einsatzes von Wärmetauschern in Dampfanlagen
Grundlagen für Wartung und Betrieb von Dampfanlagen
Grundlagen der Dampfkühlung
Lebensmittel und Getränke – Best-Practice-Leitfaden für das Dampfqualitätsmanagement
© „Grundlagen Dampfspeicher“ der SPIRAX SARCO GmbH Konstanz.
Nachdruck, auch auszugsweise, Kopie, Vervielfältigung und Verbreitung gleich welcher Art nur nach ausdrücklicher
Genehmigung von SPIRAX SARCO.
1. Auflage (Juli 2016), Übersetzung und Überarbeitung: Rainer Fiebelmann
2 | Spirax Sarco Grundlagen Dampfspeicher
Inhaltsverzeichnis
1.Dampfkessel-Auslegung��������������������������������� 4
14.Berechnung der erforderlichen Aufladezeit
des Speichers ����������������������������������������������� 23
2.Lastspitzen������������������������������������������������������� 5
3. Lastausgleichs-Methoden ����������������������������� 7
4.
Technische Methoden������������������������������������� 7
5. Management Methoden����������������������������������� 9
6. Der Dampfspeicher����������������������������������������� 9
7. Aufladen��������������������������������������������������������� 10
8. Entladen��������������������������������������������������������� 11
15.
Armaturen für den Dampfspeicher ������������� 23
Manometer ����������������������������������������������������� 23
Sicherheitsventil ��������������������������������������������� 23
Dampfentlüfter und Vakuumbrecher��������������� 23
Entleerungsventil��������������������������������������������� 24
Überlauf����������������������������������������������������������� 24
Wasserstandsanzeiger ����������������������������������� 24
Druckreduzierstation��������������������������������������� 24
Rohrleitungen ������������������������������������������������� 24
16.
9.
Lade- und Entladezyklen ����������������������������� 11
10.
Auslegung eines Dampfspeichers��������������� 12
10.1Ermittlung des Mittelwertes der maximalen
und minimalen Dampfabnahme ��������������������� 13
11.Dampfspeicher-Regelung und
Armaturen ����������������������������������������������������� 17
12.Dampfspeicher – Einbau der
Dampfinjektoren ������������������������������������������� 18
13.Dimensionierung und Auswahl der
Injektoren������������������������������������������������������� 21
Typische Schemata für Dampfspeicher ����� 25
17.Praktische Überlegungen zu
Dampfspeichern ������������������������������������������� 27
Absperrarmaturen, Umgehungsleitung
und Vordruckreglung��������������������������������������� 27
Auswirkungen der Brennerregelung ��������������� 27
Dampfqualität ������������������������������������������������� 28
Wasser������������������������������������������������������������� 28
Dampfspeicher-Ausführungen������������������������� 28
Der Speicherbehälter��������������������������������������� 28
Kosten für einen Dampfspeicher��������������������� 29
18.Zusammenfassung��������������������������������������� 29
19.Fragen������������������������������������������������������������� 30
Spirax Sarco Grundlagen Dampfspeicher | 3
1 – Dampfkessel-Auslegung
Einleitung Dampfspeicher
Dampfspeicher werden eingesetzt um die Dampferzeugung optimal an die nachfolgenden Prozesse anzupassen, also
um eine Dampfanlage effizienter fahren zu können. Dampfspeicher können, wie der Name sagt, Dampf zu speichern
und zu einem späteren Zeitpunkt kontrolliert wieder abgeben. Der Einsatz von Dampfspeichern kann zum Beispiel bei
Prozessen mit stark zyklischen Abnahmen sinnvoll sein. Der Vorteil besteht darin, dass ein Dampfkessel mit einer relativ konstanten Last gefahren werden kann und der Dampfspeicher hohe und schnelle Dampfabnahme-Schwankungen
ausgleichen kann, ohne dass beim Dampfkessel das Risiko besteht, dass er wegen zu hoher Dampfabnahme oder
wegen Niedrigwasser abschaltet wird.
Ein Dampfspeicher wirkt ausgleichend – dies wird zum Beispiel ausgenutzt, wenn Prozesse eine Dampfabnahme haben, die höher als die Nennleistung des Dampfkessels liegt. In der Produktionsphase liefert der Dampfspeicher den
zusätzlichen erforderlichen Dampf und in den Produktionspausen wird er wieder aufgeladen.
Die folgenden Kapitel geben eine vollständige Übersicht über wichtige Punkte, wie Auslegung, Berechnung und Betrieb
des Dampfspeichers.
Dampfspeicher werden oft als Relikte der „Dampfzeit“ betrachtet und nicht in Verbindung mit modernen Produktionsanlagen gebracht. Die folgenden Kapitel werden zeigen:
•wie der Dampfspeicher den Betrieb einer modernen Anlage verbessern kann
•die Faktoren, die Dampfspeicher jetzt noch mehr erforderlich machen als in der Vergangenheit
•Leitlinien für die Dimensionierung und Auswahl aller Komponenten
1. Dampfkessel-Auslegung
Heutige Dampfkessel sind deutlich kleiner als ihre Pendants vor etwa 30 Jahren. Diese Verringerung der Dampfkesselgröße wurde von den Anwendern gefordert weil sie:
• effizienter sind (Brennstoffverbrauch / Dampfleistung)
• besser auf die Nachfrage (nach Dampf) reagieren
• weniger Raum benötigen
• die Anschaffungs- und Installationskosten geringer sind
Diese Ziele wurden teilweise durch die heutigen anspruchsvolleren Steuerungen und Brenner erfüllt, die schneller und
genauer auf Lastwechsel reagieren als in früheren Jahren. Allerdings ist eine Veränderung des Dampfbedarfs auch
abhängig von den Naturgesetzen, z. B., wie viel Wasser aufgeheizt werden muss, wie groß die Heizfläche ist, die der
Wärmeübertragung zur Verfügung steht. Durch Verkleinerungen der Außenabmessungen des Dampfkessels und Erhöhung der Rohranzahl zur Vergrößerung der Heizfläche wurden die Ansprechzeiten für alle Leistungsbereiche verbessert. Das bedeutet aber auch, dass die heutigen Dampfkessel weniger Wasserinhalt haben und die Wärmeübertragung je kg Wasserinhalt größer ist.
Betrachten Sie die Situation von heute:
• W
ird der Dampfbedarf der Anlage erhöht, sinkt der Druck im Dampfkessel schnell auf den Brenner-Einschaltpunkt
• Die Brennerregelung zündet den Brenner (Luft Vor- und Nachspülung)
• Durch die große Wärmeübertragungsfläche und den geringen Wasserinhalt ergibt sich eine schnelle Verdampfung des Wassers im Dampfkessel. Dies bedeutet, dass der Wasserstand im Kessel schnell fällt und kann folglich bei großen Abnahmeschwankungen zu einem unerwünschten Abschalten des Kessels führen.
Die gespeicherte Wärmeenergie ist im Dampfkesselwasser enthalten, das bei Siedetemperatur gehalten wird. Je größer die Menge des Wassers, umso größer ist auch die enthaltene Energie, die bei Bedarf zur Verfügung steht. Die verfügbare Siedewassermenge entspricht also der gespeicherten Wärmeenergie.
Tabelle 3.22.1 zeigt den Vergleich von einem alten Großraumwasserkessel der 1950er Jahre mit einem modernen,
kompakten Dampfkessel. Man beachte, dass der Wasserinhalt des modernen Kompaktkessels nur 20% des alten
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2 – Lastspitzen
Dampfkessels beträgt. Daraus folgt, dass ein moderner Kompaktkessel auch nur 20% Energiereserve gegenüber einem alten Dampfkessel hat. Das bedeutet aber auch, dass ein neuer Kompaktkessel nicht so gut mit plötzlichen und
wiederkehrenden sehr hohen Lastspitzen umgehen kann.
Aus der Tabelle ist auch ersichtlich, dass die Verdampfungsrate aus der Wasseroberfläche um den Faktor 2,7 zugenommen hat. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass der Dampf beim modernen Dampfkessel lediglich 1 / 2,7 (37%)
der Zeit zur Verdampfung zur Verfügung hat. Bei starker Nachfrage fällt damit der Dampfdruck schnell ab, außerdem
reißt er einen höheren Wasseranteil im Dampfstrom mit als ein Dampfkessel der alten Bauart.
Wasser, dass mit dem Dampf mitgerissen wird, enthält üblicherweise Salze (Kesselwasserdicht 2500…3000 µS/cm)
und verursacht so ­einen unerwünschten Salzübertrag – er kontaminiert Regelventile und Wärmetauscherflächen. Die
mitgerissenen Salze führen zu verschiedensten Problemen – zum Beispiel zur Verstopfung kleiner Ventile und Kondensatableitern, zum Ausfall von Druckreglern, Korrosion von Rohrleitungen usw.
Länge x
Durchmesser (m)
Dampfkesseltyp
Leistung (kg/h)
Wasserinhalt (kg)
Wasserober­f läche
im Dampfkessel (m 2)
Dampfentnahmerate aus der
Oberfläche (kg/m2h)
Großraumwasserkessel „alte“ Bauart
9,1 m x 2,7 m
4.540 kg/h
45.400 kg/h
18,6 m²
244 kg/m² h
(30‘ x 9‘)
(10.000 lb/h)
(10.000 gal.)
(200 ft²)
(50 lb/ft² h)
Moderner
Kompaktkessel
3,9 m x 2,5 m
4.540 kg/h
9.100 kg
7 m²
649 kg/m² h
(13‘ x 8‘)
(10.000 lb/h)
(2.000 gal.)
(75 ft²)
(133 lb/ft² h)
Tabelle 3.22.1 Vergleich Großraumwasserkessel „alte“ Bauart und moderner Kompaktkessel
2. Lastspitzen
Der Dampfbedarf in Prozessanlagen ist selten stabil. Die Größe und Art der Schwankung ist abhängig von der Anwendung und der Industrie. Lastspitzen können einmal in der Woche, jeden Tag während des Anfahrens oder bei vielen
Produktionsprozessen auch sehr oft auftreten.
Die größten Probleme, die durch Lastspitzen verursacht werden, findet man in Betrieben mit Chargenbetrieb, wie:
• Brauereien
• Textilindustrie
• Chemische Reinigung
• Konservenindustrie
• Bereiche der Stahlindustrie
• Gummiindustrie
• Sterilisation in Krankenhaus und Industrie (Pharma, Lebensmittel)
• Strumpfherstellung
• Dampfschälen
Bei den zuvor aufgeführten Prozessen können die Lastspitzen hoch sein und sich ständig wiederholen.
In den folgenden Anwendungen können Lastwechsel von sehr kurzer Dauer sein und gleichzeitig eine hohe Dampfabnahme auftreten, wie bei:
• Spanplattenherstellung
• Kunststoff- und Polystyrolverarbeitung
• Kalksandsteinwerke
• Gummiverarbeitung
• Betriebe mit Autoklaven
Die kurzzeitige Dampfabnahme kann in den vorgenannten Beispielen durchaus höher sein, als die maximale Kesselleistung.
Bild 3.22.1 zeigt eine stark schwankende Dampfabnahme. Die Lastspitzen liegen weit über der durchschnittlichen
Dampfabnahmemenge und sogar über der maximalen Dampfkesselleistung. Die Folge eines schnellen, hohen Bedarfs ist ein Druckabfall im Dampfkessel, da der Dampfkessel meist nicht in der Lage ist, diesem schnellen Wechsel
der Anforderungen zu folgen.
Spirax Sarco | 5
2 – Lastspitzen
maximale Dampfkesselleistung
Dampfabnahme
durchschnittliche Dampfabnahme
mo
me
nta
ne
Da
mp
fab
nah
me
Zeit
Bild 3.22.1 Typisches Dampf-Durchfluss-Diagramm für wechselnde Last über der Zeit
Lastspitzen mit anschließendem Druckabfall können schwerwiegende Folgen (Kosten) für die Produktion haben. Am
schlimmsten ist ein Runterfahren des Dampfkessels, das letztlich durch die Fehlermeldung „Wassermangel“ ausgelöst
wird. Wie es zu dem Auslösen der Wassermangelsicherung kommt, kann anschaulich in unserem Dampfkesselvideo
betrachtet werden. Bestenfalls ist der Dampf sehr nass, dies, zusammen mit einem Druckabfall führt zu:
• Längeren Prozesszeiten
• Übertrag von unerwünschten Salzen & Wasser in das Rohrleitungssystem
• Reduzierung der Produktqualität und damit Ausschuss
• Wasserschläge in der Anlage mit allen seinen negativen Folgen für Material und Personen.
In der Dampfkesselanlage sind Lastspitzen verantwortlich für:
• Ein höheres Maß an erforderlicher Wartung
• Reduzierte Lebensdauer des Dampfkessels und anderer Komponenten
• Schlechte Brennstoffausnutzung
• Unwirtschaftliche Kesselfahrweise
Die Brenneranlage wird unaufhörlich zwischen maximaler und minimaler Leistung geregelt. Bei längerem Minimalverbrauch schaltet der Brenner oft ganz ab. Der Neustart des Brenners führt wegen der Vor- und Nachspülung (mit Luft
wegen Verpuffungsgefahr) des Brennraumes zur Auskühlung.
Mehrere oder überdimensionierte Dampfkessel, zur Bewältigung der Lastspitzen, führen unweigerlich zu geringerem
Wirkungsgrad der Anlage.
Um dies zu verdeutlichen, kann man sagen:
• Für einen üblichen Dampfkessel betragen Wärmeverluste durch Abstrahlung vom Dampfkesselgehäuse weniger als 1% bezogen auf die Nennleistung des Dampfkessels.
• Wenn der Dampfkessel bei 50% der Nennleistung betrieben wird, sind die relativen Verluste durch Abstrahlung
etwa 2% der momentanen Dampfleistung.
• Läuft der Dampfkessel bei 25% der Nennleistung, beträgt der relative Verlust 4% des Durchsatzes usw. Wird
der Dampfkessel nur auf Betriebsdruck gehalten, ohne Dampf in die Anlage zu liefern, so sind 1% der Nennleistung 100% Verlust in Bezug auf die momentane Dampferzeugungsleistung. Es werden lediglich Abstrahlungsverluste ausgeglichen.
• Wenn eine Dampfkesselanlage für eine Spitzenlast dimensioniert wird, so ergeben sich Probleme durch
Überdimensionierung bei einem wesentlich geringeren Durchschnittsdampfbedarf. In der Praxis schaltet der
Dampfkessel bei geringer Nachfrage ab. Wird dann plötzlich viel Dampf abgenommen und der Dampfkessel
nicht schnell genug hochgefahren, so geht die Anlage auf Störung.
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3 – Lastausgleichs-Methoden | 4 – Technische Methoden
Kurz gesagt, Spitzenlasten können verantwortlich sein für:
• Produktionsausfall
• geringe Produktqualität
• längere Produktionszeiten
• schlechte Dampfqualität
• schlechte Brennstoffausnutzung
• hohe Wartungskosten
• geringere Lebensdauer des Dampfkessels
• höhere Anschaffungskosten der Anlage
3. Lastausgleichs-Methoden
Moderne Dampfkessel arbeiten sehr effektiv, wenn sie richtig ausgelegt sind. Sie reagieren schnell auf Lasterhöhung,
vorausgesetzt der Brenner läuft schnell an. Allerdings sind herkömmliche Großraumwasserkessel nicht in der Lage,
große Lastspitzen in befriedigender Weise zu erfüllen. Sie sollten vor großen wechselnden, insbesondere schnellen
Belastungswechseln geschützt werden.
Es werden verschiedene Verfahren angewendet, um einen möglichst stabilen Lastverlauf zu erreichen, der den Dampfkessel vor zu stark schwankenden Lastanforderungen schützt.
4. Technische Methoden
Druckhalteventile oder Überströmventile werden verwendet, um eine Lastbegrenzung und Absperrung oder Drosselung von nachrangigen Anlagenteilen zu bewirken. Gleichzeitig werden die vorrangigen Anlagenbereiche weiterhin voll
mit Dampf beliefert. Ein typisches Anlagenbeispiel zeigt Bild 3.22.2. Der Erfolg dieser Methode beruht auf der Annahme, dass die angeforderte Spitzenlast prinzipiell vom Dampfkessel geliefert werden kann und der Brenner während der
Anforderungsphase läuft. Der Dampf wird nach Prozesspriorität sinnvoll verteilt.
Überströmventil
Überströmventil
nachrangige
Dampfversorgung 2
nachrangige
Dampfversorgung 1
Dampf vom
Dampfkessel
vorrangige
Dampfversorgung
Dampfverteiler
Kondensat
Bild 3.22.2 Überströmventile – um vorrangige Dampfabnahmen zu definieren
Überströmventile (oder Druckhalteventile) können direkt an den Dampfkessel oder in die Dampfhauptleitung zu den
Dampfverbrauchern eingebaut werden, wie in Bild 3.22.3 gezeigt wird.
Der Ansprechdruck des Überströmventils sollte zur Vermeidung der gegenseitigen Beeinflussung von Überström- und
Brennerreglung so gewählt werden, dass er kleiner ist als der größte bei der Brennerregelung auftretende Druck – jedoch groß genug, um den Druck im Dampfkessel auf dem geforderten Niveau zu halten.
Zur Dimensionierung des Überströmventils wird meist ein minimaler Druckabfall zugrunde gelegt.
Allgemeiner Hinweis: Häufig wählt man ein Überströmventil in der Nennweite der Dampfleitung (basierend auf 25 m/s).
Spirax Sarco | 7
4 – Technische Methoden
Regler
Haupt-Absperrventil
Druckmessumformer
Druckhalteventil
Dampf
KESSEL
Dampftrockner
mit Kondensatableitung
Kondensat
Bild 3.22.3 Druckhalteventil in der Haupt-Dampfleitung
2-Komponenten- oder 3-Komponentenregelungen können für eine präzisere Kontrolle des Wasserstands eingesetzt
werden. Man nutzt hierbei aus, dass man Hilfs-Messwerte in die Regelung einbezieht, die denselben Trend wie die Niveauregelung (Hauptregelparamenter) aufweisen, jedoch eine geringere Totzeit haben – sprich: die schneller ansprechen. Dies ist bei Dampfkesseln vor allem die erzeugte Dampfmenge und/oder die Speisewassermenge.
Man kann mit 2- oder 3-Komponenten-Regelungen gute Ergebnisse erzielen, solange die Lastspitzen nicht zu heftig
sind und der Brenner läuft wenn sie auftreten. Der Dampfkessel muss auch ausreichende Kapazität haben.
Eine 2-Komponenten Reglung verwendet zur Auswertung normalerweise Messwerte der Niveauregelung und der abgenommenen Dampfmenge um die richtige Speisewassermenge zu berechnen, und folglich um den Öffnungsgrad des
Speisewasserventils festzulegen.
Eine 3-Komponenten Reglung verwendet zusätzlich zu den beiden o. g. Signalen noch die Speisewasser-Durchflussmenge, um die einströmende Speisewassermenge zu regeln (Dieses dritte Element ist nur bei Dampfkesseln mit modulierender Wasserstandsregelung und Dampfkesselhäusern mit Speisewasserringleitung einsetzbar).
Beispiel 3.22.1
DampfkesselleistungmD=
Die Druck-Ein- und Ausschaltpunkte sind bei pe =
Beziehungsweise in Absolutdruck
p =
Überströmventildruck pe =
5.000 kg/h
11,3 bar ü und pe = 12,0 bar ü
12,3 bar abs und p = 13,0 bar abs
11,0 bar ü (p = 12 bar abs)
Bei einer Dampf-Geschwindigkeit von ca. 25 m/s wird eine DN 100 Dampfleitung ermittelt.
Der kvs-Wert eines Standard-Überströmventils DN 100 beträgt kvs = 160 m3/h
Verwendet man die folgende Massenstrom-Gleichung für Sattdampf, so kann der Abströmdruck nach dem Überströmventil wie folgt berechnet werden:
Gleichung 3.21.2
wobei
· = Dampfdurchfluss [kg/h]
m
s
kv=Kv-Wert für Ventil [m3/h]
P1 = Druck vor Regelventil [bar abs]
P2 = Druck nach Regelventil [bar abs]
8 | Spirax Sarco Grundlagen Dampfspeicher
5 – Management Methoden | 6 – Der Dampfspeicher
(
P - P2
=Druckabfall-Verhältnis 1
P1
ᵪ
)
In diesem Beispiel ist der Druck am Auschaltpunkt mit pe = 12,0 bar ü (p = 13 bar abs) gegeben. Daraus ergibt sich nach dem
Einsetzen in Gleichung 3.21.2 bei voll geöffnetem Überströmventil ein Abströmdruck P2 = 11,89 bar ü (P2 = 12,89 bar abs).
Folglich beträgt der Druckabfall am Überströmventil nur 0,11 bar. Das ist im normalen Betrieb nicht so bedeutsam.
Wenn der Druck p1 jedoch aufgrund von erhöhter Dampfabnahme auf 11,0 bar fallen sollte, wird das Überströmventil
zu schließen beginnen, um den Vordruck aufrecht zu erhalten.
Das Proportionalband (P-Band) des Reglers sollte so klein wie möglich gehalten werden, ohne dass das Ventil anfängt
zu schwingen.
Beide Methoden Überströmregler einzusetzen dienen dazu, ein unzulässiges und unerwünschtes Absinken des
Dampfdruckes im Dampfkessel zu verhindern und gleichzeitig eine sinnvolle Dampfverteilung (z.B. nach Priorität) zu
bewirken. Aber sie werden nicht das grundlegende Problem beheben können, nämlich mehr Dampf für den Prozess
zur Verfügung zu stellen.
5. Management Methoden
Dazu gehören z.B. ein zeitlich gestaffeltes Starten der verschiedenen Dampfprozesse, um Spitzenlasten so niedrig wie
möglich zu halten. Diese Methode der Glättung der Spitzenlast kann vorteilhaft für den Betrieb der Dampfkesselanlage sein. Sie ist aber meist nachteilig und restriktiv für Produktion. Die Ursache ist hier dieselbe wie beim Einsatz von
Überströmventilen. Die verfügbare Dampfmenge wird zwar gut verplant, aber mit Abnahmespitzen, die über die Dampfkesselleistung hinausgehen, kann so nicht effizient umgegangen werden. Es ist unmöglich nur mit der ManagementMethode Abnahmespitzen ab einer gewissen Höhe zu glätten.
In einer Anlage mit vielen unterschiedlichen Prozessen ist es zeitlich möglich, dass die Spitzen einen ausgleichenden
Effekt haben, aber genauso ist es möglich, dass sie gleichzeitig auftreten – mit katastrophalen Folgen.
Wenn die obigen Methoden nicht zu der gewünschten Stabilität in der Versorgung führen, ist es sinnvoll den Einsatz
von Dampfspeichern in Erwägung zu ziehen.
6. Der Dampfspeicher
Eine geeignete Methode zur Bereitstellung von Dampf bei Spitzenlast ist, einen Dampfspeicher zu verwenden. Wichtig
ist, dass der Dampf dann freigegeben wird, wenn er benötigt wird. Prinzipiell könnte der Dampf auf 2 Weisen gespeichert
werden: Zum einen als „Dampf“ (also in der Gasphase) und zum anderen „flüssig“ (also im Siedewasser). In der Regel
wird der Dampf bzw. die Dampfenergie im Siedewasser gespeichert.
Die Speicherung von Dampf in der Gasphase – also als Dampf – ist, wegen des enormen benötigten Speichervolumens,
das sich bei bei den normalerweise gebräuchlichen Dampfdrücken in den industriellen Prozessen ergeben würde, in der
Praxis nicht praktikabel.
Das kann am besten an einem Beispiel erklärt werden:
Wir nehmen ein Behältervolumen von 52,4 m3 (dieses Beispiel wird auch später nochmals verwendet).
• Die Druckaufladung erfolgt bei pe = 10 bar ü (spez. Volumen v′ = 0,177 m3/kg)
• Die Dampfentnahme erfolgt bei pe = 5 bar ü (spez. Volumen v′ = 0,315 m3/kg)
52,4 m3 52,4 m3 • mD =
= 130 kg Dampf
0,177 m3/kg 0,315 m3/kg
Basierend auf diesen Parametern ergibt sich eine gespeicherte und zur Verfügung stehende Dampfmenge von 130 kg.
Dieser Betrag entspricht nur 5,2% der Energie, die in einem mit Wasser gefüllter Speicher gespeichert werden könnte.
In der Praxis gibt es zwei Möglichkeiten, den Dampf zu erzeugen:
• Indem man siedendem Wasser weiter indirekt Wärme zuführt, wie etwa durch einen Öl-oder Gasbrenner – wie
in einem konventionellen Dampfkessel.
• Indem man bei einem höherem Druck p1 Wasser am zugehörigen Siedepunkt konstant hält und bei Bedarf den
Druck auf einen tieferen Druck p2 absenkt. Eine Druckabsenkung bei siedendem Wasser bewirkt eine Nachverdampfung. Das bedeutet, das ein Enthalpieüberschuss entsteht, nämlich h′1 bei p1 ist größer als h′2 bei p2
Spirax Sarco | 9
7 – Aufladen
(siehe Wasserdampftafel). Diese sich ergebende positive Enthalpiedifferenz ∆h′ wirkt als Verdampfungswärme
∆hv bei p2 und führt zu einer spontanen Verdampfung aus dem vorhandenen Siedewasser. Dieser so entstandene Dampf wird als Nachdampf bezeichnet. Von den physikalischen Eigenschaften ist der Nachdampf natürlich gleich mit traditionell erzeugtem Dampf.
Berechnung Nachdampf
h′1 (bei p1) - h′2 (bei p2)
ND [%] = x 100
h′′2 (bei p2)
z.B.p1 = p2 = h′1 = h′2 = h′′2 = N [%] = D
12 bar ü
6 bar ü
815 kJ/kg
697 kJ/kg
2.065 kJ/kg
Wärmeinhalt Wasser bei 12 bar ü
Wärmeinhalt Wasser bei 6 bar ü
Verdampfungswärme bei 6 bar ü
815 kJ/kg - 697 kJ/kg
x 100 = 5,7 %
2065 kJ/kg
Das heißt, bei einer Druckabsenkung von P1 auf P2 entsteht eine Nachdampfmenge von ND = 5,7 % auf den jeweiligen
Siedewasserinhalt bezogen.
Wird das Wasservolumen entsprechend den Erfordernissen groß genug gewählt, so hat man einen sogenannten
„Druckabfall-Dampfspeicher“ – oder kurz „Dampfspeicher“.
Wir werden uns in dieser Abhandlung ausschließlich damit beschäftigen.
Ein Dampfspeicher ist im Wesentlichen eine Vergrößerung der Energiespeicherkapazität (= des Wasserinhaltes) des
Dampfkessels. Wenn der Dampfbedarf der Anlage niedrig ist, d. h. die momentan geforderte Dampfkesselleistung
geringer als seine mögliche Nennleistung ist, wird der produzierte Dampfüberschuss dazu verwendet, den Dampfspeicherbehälter auf Dampfkesseldruck- und Temperatur mittels Dampfinjektion aufzuladen.
Die Dampfkesselleistung wird überschritten, wenn:
• die Dampfentnahme über einen längeren Zeitraum im Mittel größer ist als die Dampfkesselleistung.
• mehr Dampf entnommen wird, als momentan erzeugt wird. Das passiert z. B. wenn der Brenner ausfällt. Der
Brenner kann erst nach einer gewissen Zeit wieder gezündet werden, da verbleibende Rauchgase ausgeblasen werden müssen (Verpuffungsgefahr). Dies kann bis zu 5 Minuten dauern. Anstatt zu heizen, wird der
Dampfkessel gekühlt. Hinzu kommt noch die Tatsache, dass während dieser Zeit eine Druckabsenkung stattfindet. Es wird nämlich Dampf über Nachdampfentwicklung aus dem Wasservolumen entnommen. Dadurch
sinkt der Wasserspiegel des Dampfkessels weiter und die Dampfkesselspeisepumpen liefern Speisewasser
mit z. B. nur 103° C. Das führt zu einer weiteren Absenkung von Druck und Temperatur im Dampfkessel.
In beiden Fällen ist das Ergebnis ein Druckabfall im Dampfkessel (der auch als Dampfspeicher arbeitet) und in Folge
daraus wird die Nachdampfentwicklung aus dem eigenen Wasservolumen abgedeckt. Die Dampfentnahmerate ist eine
Funktion des Speicherdruckes und des Druckabfalls. Die Berechnung der entstehenden Nachdampfmenge erfolgt mit
obiger Gleichung. Die maximale Dampfmenge, die entnommen werden kann, ist durch das vorhandene Wasservolumen begrenzt.
Die genaue Kenntnis des zeitlichen Ablaufes der Einzelverbräuche (Dampfmengenmessung) ist unbedingt erforderlich,
wenn man einen Dampfspeicher auslegen möchte.
7. Aufladen
Der Druckabfall-Dampfspeicher besteht aus einem meist zylindrischen Druckbehälter, der zwischen 90% und 50% mit
Wasser gefüllt ist. Der Speicher wird mit Dampf aus dem Dampfkessel (meist mit Dampfkesseldruck) mit dem höchsten
10 | Spirax Sarco Grundlagen Dampfspeicher
8 – Entladen | 9 – Die Lade- und Entladezyklen
verfügbaren Dampfdruck durch Dampfinjektion so lange aufgeheizt, bis Druck und Temperatur auf dem geforderten
Niveau sind.
Es ist normal, dass der Wasserstand beim Laden und Entladen zwischen den o. g. Werten steigt und fällt.
Wird ein Dampfspeicher mit Sattdampf aufgeladen, ergibt sich meist ein geringer Wasserüberschuss. Dieser wird durch
Wärmeverluste des Dampfspeichers verursacht – es wird immer eine minimal größere Dampfmenge zum Laden benötigt, als bei der Entnahme abgegeben werden kann. Ein Kugelschwimmer-Kondensatableiter begrenzt den maximalen Füllstand des Behälters. Er dient als Überlauf und führt überschüssiges Speicherwasser ins Kondensatsystem ab.
Wenn der Dampfspeicher jedoch mit überhitztem Dampf aufgeladen wird, oder die Abstrahlverluste sehr sehr klein
sind, wird sich ein Wasserverlust durch Verdampfen ergeben. Dieser Verlust muss über eine angepasste Wasserstandsregelung, mit entsprechender Niveauregelung, Speisewasserventil und Pumpe ausgeglichen werden.
8. Entladen
Eine Druckabsenkung in einem mit Wasser, unter entsprechendem Druck und zugehöriger Siedetemperatur gefülltem
Behälter bewirkt eine spontane Nachdampfentwicklung.
Der Nachdampf wird in jeder erforderlichen Menge, die auch erhelblich über der Dampfkesselleistung liegen kann, geliefert. Damit können Überlastbedingungen konsequent bedient werden.
Wenn nach der Überlast die Dampfabnahmemenge der Anlage wieder unter die maximale Dampfkesselleistung fällt,
wird der Dampfspeicher mit dem nun vorliegenden Dampfüberschuss des Dampfkessels (bis zur Dampfkessel-Nennleistung) gespeist.
Diese Lade- und Entladezyklen erklären den Namen Dampfspeicher. Der Dampfkessel kann bei dieser Anwendung oft
mit seiner Nennleistung betrieben werden und damit in seinem günstigsten Wirkungsgradbereich arbeiten.
9. Lade- und Entladezyklen
Der Dampfspeicher muss vor Beginn eines neuen Entladevorgangs vollständig aufgeladen sein, um seine volle Leistung abrufen zu können. Um dies zu erreichen, müssen zwei wichtige Dinge erfüllt sein:
• Es muss genügend Zeit zur Verfügung stehen, um vom Ende der letzten Überlastperiode (= Entladeperiode)
bis zum Beginn der Nächsten, die gespeicherte Energie wieder aufzuladen.
• Der durchschnittliche Gesamt-Dampfbedarf muss im zeitlichen Mittel kleiner sein als die Nennleistung
des Dampfkessels (maximale Dauerleistung), so dass genügend Überschussleistung zur Aufladung des Speichers vorhanden ist.
Weitere wichtige Auslegungskriterien für Dampfspeicher müssen durch konstruktive Maßnahmen gelöst werden:
• Das Speichervolumen ist so zu berechnen, dass während des Entnahmevorgangs genügend Nachdampf zur
Verfügung steht.
• Bei großer Dampfentnahme kann mit Dampf viel Wasser mitgerissen werden. Es muss daher die Dampfentnahmemenge aus der freien verfügbaren Wasseroberfläche unter einem vorher zu bestimmenden Wert bleiben. Diese Forderung bestimmt oft indirekt die Speichergröße bzw. die minimale erforderliche Dampfaustrittsfläche und damit die Größe der notwendigen Wasseroberfläche im Behälter (siehe Bild 3.22.5,Seite 17).
• Die Verdampfungsleistung muss ausreichend sein. Dies ist abhängig vom maximalen Druck bei geladenem
Speicher (meist dem Dampfkessel- oder Versorgungsdruck) und dem Druck am Ende des Entladevorgangs
(auch Entladedruck genannt). Je größer die Druckdifferenz dieser beiden Drücke ist, umso mehr Nachdampf
kann bei gleichem Speichervolumen entnommen werden.
• Der Auslegungsdruck des Dampfspeichers ist entsprechend zu wählen. In der Regel wird er durch Druck und
Temperatur des Dampfkessels oder der Dampfversorgung definiert.
Die nachfolgende Dampfanlage benötigt einen relativ konstanten Soll-Dampfdruck, deshalb wird zwischen den Dampfspeicher und die nachfolgende Dampfanlage meist eine Druckreduzierung eingebaut. Je näher der Entladedruck des
Dampfspeichers an den Soll-Dampfdruck der Dampfanlage kommt, desto kleiner wird der Speicher. Allerdings ergibt
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10 – Auslegung eines Dampfspeichers
sich daraus auch ein kleinerer Differenzdruck am Druckreduzierventil. Dies wiederum erfordert ein größeres Druckreduzierventil, um am Ende des Entladevorgangs noch die erforderliche Dampfmenge liefern zu können. Lässt man einen größeren Differenzdruck zu, kann man ein kleineres Ventil für die Druckreduzierung auswählen, aber der Behälter
wird größer. Ein größerer Differenzdruck verbessert meist auch die Regelbarkeit des Dampfdruckes. Bei der Wahl des
zulässigen Druckabfalls am Druckreduzierventil muss immer ein Kompromiss eingegangen werden. Oft erzielt man
recht gute Ergebnisse, wenn man für die Auslegung des Druckreduzierventils nach dem Dampfspeicher einen Druckabfall von 0,5 bis 1,5 bar zulässt.
10. Auslegung eines Dampfspeichers
Ein Dampfspeicher in einem Dampfsystem wirkt ausgleichend, weil er eine erhöhte Speicherkapazität bietet und damit Sicherheit gegen Probleme, die im Zusammenhang mit Lastüberschreitung des Dampfkessels auftreten können,
wie z.B dem Abschalten des Dampfkessels wegen Überlast oder Niedrigwasser. Die richtige Auslegung des Speichers
stellt sicher, dass immer die erforderliche Dampfmenge zur Verfügung steht.
Theoretisch ist jede Dampfspeichergröße denkbar.
In der Praxis wird das erforderliche Speichervolumen durch folgende Parameter bestimmt:
• • • • Abdeckung der erforderlichen Dampf-Spitzenlast (Menge und Dauer)
maximal zulässiger Druckabfall (Dampfladedruck – zulässiger Entladungsdruck)
Entstehung von Dampf mit einer für den nachfolgenden Prozess geeigneten Qualität
maximal zulässiger Dampfentnahmerate (kg/h pro m2) aus der Wasseroberfläche
Im folgenden Beispiel zeigen wir, wie man einen liegenden Dampfspeicher auslegt.
Beispiel 3.22.2
Dampfkessel
Dampfmenge Nennleistung
mD = 5.000 kg/h
Dampfdruckpe = 10 bar ü (hf = 781 kJ/kg aus Dampftafel)
Brennerschaltdifferenz ∆p = 1 bar (+/- 0,5 von 10 bar ü)
Anforderung Dampfanlage
Spitzenbedarf Dampf maximal
mD = 12.000 kg/h
Soll-Betriebs-Dampfdruck Anlage pe = 5 bar ü
Um zu vermeiden, dass ein Dampfspeicher überdimensioniert wird, verwendet man, obwohl der maximale Dampfbedarf bei 12.000 kg/h liegt, den Mittelwert der Überlast als Berechnungsgrundlage.
12 | Spirax Sarco Grundlagen Dampfspeicher
10 – Auslegung eines Dampfspeichers
10.1: Ermittlung des Mittelwertes der maximalen und minimalen Dampfabnahme
Es gibt 3 mögliche Methoden, um die mittlere Belastung einer bestehenden Dampfkesselanlage zu kalkulieren:
1. Schätzung basierend auf Erfahrungswerten und bekannten Dampfverbrauchern
2. Abrufen der vorhandenen Dampferzeugungsdaten der Dampfkessel, um die Mittelwerte zu bestimmen und
die Zeitspannen während denen sie auftraten
3. Einsatz von Dampfmengenmesssystemen zur Feststellung der Dampfabnahmeprofils im zeitlichen Verlauf
Methode 1 ist wenig hilfreich (und zu teuer), wenn aus der Schätzung ein zu kleiner Dampfspeicher resultiert. Wenn
sich die Anlage jedoch noch in der Planungsphase befindet, ist das manchmal die einzige Möglichkeit unter Abwägung
aller Unzulänglichkeiten eine Entscheidung zu treffen.
Methode 2 ist leichter zu bewerkstelligen und sollte ein einigermaßen genaues Ergebnis liefern.
Methode 3 liefert das genaueste Ergebnis, denn die Kosten für Dampfmengenmesssysteme sind relativ gering gegenüber den Gesamtkosten eines Dampfspeichers. Dieses Verfahren ist, wenn irgendwie möglich zu bevorzugen.
Das folgende Verfahren zeigt, wie man die mittlere Dampfentnahme aus dem vorhandenen, aufgezeichneten Lastverlaufsdiagramm bestimmt. Man ermittelt aus dem Dampfentnahmeverlauf abschnittweise die verschiedenen Lastzustände.
Hinweis: Je exakter man sich über den zeitlichen Verlauf der Dampfabnahme Klarheit verschaffen kann, umso genauer
kann man den Dampfspeicher an den Prozess anpassen.
min.
5 15 10
12 000
min.
5 11 9
Maximale Überlast 12 000 kg/h
Maximale Überlast
11 000 kg/h
Mittlere Überlast
9 000 kg/h
Mittlere Überlast 10 000 kg/h
Mittlere Überlast 8 500 kg/h
Mittlere Überlast 8 800 kg/h
maximale Kesselleistung
5 000
Dampfabnahme kg / h
Mittlere Last
0
Mittlere Dampfabnahme
= 1800 kg/h
Mittlere Dampfabnahme
= 2400 kg/h
Mittlere DampfMittlere Dampfabnahme abnahme = 2400 kg/h
= 1800 kg/h
mittlere
verfügbare
Kesselleistung
5 000 - 1 800
=3 200 kg/h
mittlere
verfügbare
Kesselleistung
mittlere
verfügbare
Kesselleistung
mittlere
verfügbare
Kesselleistung
5 000 - 2 400
=2 600 kg/h
5 000 - 1 800
=3 200 kg/h
5 000 - 2 400
=2 600 kg/h
1. Überlast
1. Schwachlast
0
50 min.
0
20
45 min.
40
Überlast
60
80
30 min.
2. Überlast
2. Schwachlast
65 min.
35 min.
100
120 140
Zeit (Minuten)
160
verfügbarer Dampfüberschuss
180
200
25 min.
220
240
Last innerhalb der Dampfkesselleistung
Bild 3.22.4 Diagramm: Zeitlicher Verlauf der Dampfabnahme
Es ist ersichtlich, dass die Schwachlastzustände in verschiedene mittlere Lastzustände mit den dazugehörigen Zeiten unterteilt wurden. Mit diesen Daten kann die vorhandene Überschussleistung während der Schwachlast bestimmt werden.
Schwachlast = maximale Kesselleistung – mittlere Dampfabnahme
Der mittlere verfügbare Dampfüberschuss wird wie folgt berechnet:
∑ (mittl. verfügbarer Dampfüberschuss x Zeitdauer)
Gesamtzeit
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10 – Auslegung eines Dampfspeichers
Schwachlastzeitraum 1:
Mittlere Schwachlast in kg/h
3 200
2 600
Zeitintervall in Minuten
50
45
Gesamtzeit in Minuten
95
95
(3.200 x 50) + (2.600 x 45)
Mittlerer verfügbarer Überschuss 1 =
=
95
2.916 kg/h
Schwachlastzeitraum 2:
Mittlere Schwachlast in kg/h
3 200
2 600
Zeitintervall in Minuten
35
65
Gesamtzeit in Minuten
100
100
(3.200 x 35) + (2.600 x 65)
Mittlerer verfügbarer Überschuss 2 =
=
100
2.810 kg/h
Die gleiche Berechnung wird für die Überlast angewendet
Überlastzeitraum 1:
Mittlere Überlast in kg/h
8 800
12 000
8 500
Zeitintervall in Minuten
5
15
10
Gesamtzeit in Minuten
30
30
30
(8.800 x 5) + (12.000 x 15) + (8.500 x 10)
Mittlere Überlast 1 =
= 10.300 kg/h
30
Überlastzeitraum 2:
Mittlere Überlast in kg/h
10 000
12 000
Zeitintervall in Minuten
5
11
9
Gesamtzeit in Minuten
25
25
25
9 000
(10.000 x 5) + (12.000 x 11) + (9.000 x 9)
Mittl. Überlast 2 =
= 10.080 kg/h
25
Aus den berechneten Daten lässt sich folgendes ableiten:
• Nennlast des Dampfkessels
= 5.000 kg/h
• Maximale Überlast
= 12.000 kg/h
• Größter verfügbarer Dampfüberschuss = 2.916 kg/h
• Größte mittlere Überlast = 10.300 kg/h
• Kleinste Zeit zwischen Überlast-Spitzen = 95 Minuten
• Soll-Betriebsdruck der Anlage = pe = 5 bar
Zunächst wird der Entladedruck des Dampfspeichers festgelegt. Man wählt üblicherweise einen Druck, der 1 bar über
dem Soll-Betriebsdruck der Anlage liegt. Daraus ergibt sich ein guter Kompromiss aus vernünftiger Nachdampfentstehung und einer ausreichend großer Differenzdruck für die Dimensionierung des nachfolgenden Druckreduzierventils.
In diesem Beispiel haben wir pe = 5 bar ü als Soll-Betriebsdruck der Anlage gewählt, sodass der Entladedruck des
Dampfspeichers auf pe = 6 bar ü festgelegt wird (Beachte: Für die Auslegung wird die Dichte des Wassers beim Ladedruck verwendet).
Mit diesen Daten kann nun der Speicher dimensioniert werden.
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10 – Auslegung eines Dampfspeichers
Dampfspeicher:
Entladedruck pe
=
Verdampfungswärmehv p2 b =
Enthalpie h′
=
Länge
l
=
Durchmesser
d
=
6 bar ü
2.065 kJ/kg
698 kJ/kg
7.000 mm
4.000 mm 1)
Volumen
Wasserfüllung ca. 90% Dichte des Wassers bei pe = 10 bar
Masse Wasser bei 90% Füllung
87.976 dm3
78.909 dm3
0,882 kg/dm3
78.909 x 0,882 = 69.598 kg
V
VW
ρ
mW
=
=
=
=
Die Dampfkapazität des Dampfspeichers wird nach der Gleichung 3.22.1 ermittelt:
mND =
(h′p1 - h′p2) x mW
hv bei p2
Gleichung 3.22.1
(781 kJ/kg - 698 kJ/kg) x 69.598 kg
= 2.797 kg
2.065 kJ/kg
mND = diese Dampfmenge kann freigegeben werden
Beachten Sie, dass diese 2.800 kg Nachdampf in dem Zeitraum freigegeben werden, indem der Druck vom Ausgangsdruck (hier 10 bar ü) zum Entladedruck (hier 6 bar ü) abfällt. Geschieht das in einer Stunde, so ist die Dampfdurchfluss 2.800 kg/h, geschieht das jedoch in einer halben Stunde so ist der Dampfdurchfluss 5.600 kg/h – jedoch
maximal für die Dauer einer halben Stunde.
Wenn dieser Dampfspeicher mit einem 5.000 kg/h – Dampfkessel verbunden ist, und die Entnahme aus dem Dampfkessel innerhalb dieser Leistung liegt, so kann gemeinsam eine Spitzenlast von 20.000 kg/h für 10 Minuten gewährleistet werden.
Es ist nun möglich, zu prüfen ob die Größe des Dampfspeichers für eine bestimmte Anwendung ausreichend dimensioniert ist.
Es werden wieder die Daten aus Beispiel 3.22.2 zugrunde gelegt:
Dampfkessel
DampfmengemD = 5.000 kg/h
Dampfdruckpe = 10 bar ü
Anlage
größte Überlast
mD = 10.300 kg/h für 30 Minuten alle 95 Minuten
Arbeitsdruckpe = 5 bar ü
Erforderliche Speichergröße
10.300 kg/h – 5.000 kg/h Dampfkesselleistung = 5.300 kg/h
Da diese Dampfmenge jedoch nur 30 Minuten in jeder Stunde benötigt wird, so ergibt sich die gespeicherte Menge:
5.300 kg/h x 30 min
= 2.650 kg/Zyklusdiese Dampfmenge wird benötigt
60 min
mND = Die erforderliche Wassermenge, um 2.650 kg Nachdampf freizugeben, ist eine Funktion des Nachdampfanteils in Abhängigkeit des Druckabfalls.
Das vorgehende Beispiel zeigt, dass der Speicher 2.797 kg Dampf freigeben kann, benötigt werden in diesem Fall nur
2.650 kg. Das heißt wir haben genügend Wasser zur Verfügung um die erforderliche Nachdampfmenge zu erzeugen.
1)
D > 2500 mm – Abmessungen für Transport zur Baustellen beachten!
Spirax Sarco | 15
10 – Auslegung eines Dampfspeichers
Wenn der Dampfspeicher mit pe = 10 bar ü durch den Dampfkessel geladen wird und die Entnahme bei pe = 6 bar ü zur
Anlage erfolgt, wird der Anteil des Dampfes wie folgt berechnet:
Anteil Nachdampf mND = (h′p1 - h′p2)
hv bei p2
Gleichung 2.2.5
(781 - 698) kJ/kg
= 0,0402 kg / kg Wasser
2065 kJ/kg
Anteil mND = Um 2.650 kg Nachdampf zu erzeugen benötigt man demnach:
2.659 kg
= 65.920 kg Siedewasser
mND=
0,0402 kg / kg Wasser
Bei einem typischen Füllgrad von 90% ergibt sich ein erforderliche Wassermenge von:
65.920 kg
= 73.245 kg
m =
W
0,9 %
und daraus bei ρ = 0,882 kg/ m3 (Wasserdichte bei 10 bar ü) das Mindestvolumen zu:
73.245 kg
= 83 m3 Mindestvolumen Dampfspeicher
VW=
882 kg/m3
Der eingangs ausgewählte Speicher mit 87,9 m3 ist damit ausreichend dimensioniert.
Mit den gegebenen Abmessungen, von d = 4.000 mm und l = 7.000 mm, ergibt sich bei einem Füllungsgrad von 90%
eine freie Wasseroberfläche von ca. 20,5 m2.
Bei einer Dampfmenge von max. 5.300 kg/h ergibt sich daraus eine
5.300 kg/h
Entnahmerate von
= 258 kg/h m2
20,5 m2
Hinweis: Die Entnahmerate wird auch als Dampfaustrittsrate bezeichnet.
Empirische Testergebnisse zeigen, dass die Entnahmerate für trockenen Dampf aus der Wasseroberfläche, eine Funktion des Drucks ist. Ein praxisbezogener Erfahrungswert schlägt folgendes vor:
Maximale Entnahmerate für trockenen Dampf beträgt [kg/h m2] = 220 x p [abs.] [Erfahrungsformel]
Der Dampfspeicher in Beispiel 3.22.2 arbeitet mit pe = 6 bar ü (p = 7 bar abs).
Die maximale Entnahmerate ist demnach: 220 x 7 = 1540 kg/h m2
Die Funktion ist grafisch dargestellt in Bild 3.22.5.
In unserem Beispiel beträgt die berechnete Entnahmerate bei 258 kg/h m2. Dieser Wert liegt weit unter dem maximal
zulässigen Wert von 1.540 kg/h m2.
Würde die ermittelte Entnahmerate über der maximal zulässigen Entnahmerate liegen (siehe empirische Regel), so
müssen die Abmessungen des Speichers so verändert werden, damit der Wert eingehalten werden kann. Das bedeutet, dass in den meisten Fällen die Dampfaustrittsfläche vergrößert werden muss.
Wir möchten betonen, dass die angegebenen Werte nur Empfehlungen sind. Im Einzelfall sollte auch immer der Hersteller des Speichers befragt werden.
16 | Spirax Sarco Grundlagen Dampfspeicher
11 – Dampfspeicher-Regelung und Armaturen
Dampf-Entnahmerate [kg/h m²]
Druck [bar a]
Bild 3.22.5 Dampf-Entnahmerate ohne Wasser mitzureißen
11. Dampfspeicher-Regelung und Armaturen
Es folgt eine Überprüfung der erforderlichen Ausrüstung eines Dampfspeichers, zusammen mit einigen Leitlinien zur
Auslegung und Auswahl der geeigneten erforderlichen Armaturen.
Zur Veranschaulichung verwenden wir die Werte aus Beispiel 3.22.2:
Dampfkessel
Dampfspeicher
Nennleistung mD=5.000 kg/h
Betriebsdruck pe=10 bar ü
Wassermasse mW=65.920 kg
zur Dampfspeicherung aufgeladen und 90% des Volumens
Speicherdruck pe1=10 bar ü (wie Dampfkessel)
Entladedruck pe2 = 6 bar ü (Speicher entladen)
Anlage
Druck pA=5 bar ü
Überlast mDÜ = 10.300 kg/h für die Dauer von 30 Minuten, Wiederholung
alle 95 Minuten, 5.000 kg/h werden vom Dampfkessel
geliefert
Aus diesen Werten kann man entnehmen, dass 65.920 kg Wasser von Sättigungstemperatur bei pe2 = 6 bar ü (tS = 165°C)
auf die Sättigungstemperatur bei pe = 10 bar (tS = 184°C) innerhalb von 95 Minuten erwärmt werden müssen.
Rohrleitungsnetz
Die Rohrleitungen vom Dampfkessel über den Dampfspeicher zu den Dampfverbrauchern können sehr unterschiedlich
geführt werden. Details hierzu finden Sie in Kapitel 16.
Bei der hier aufgeführten Variante wird der Dampf vom Kessel komplett durch den Dampfspeicher zu den Verbrauchern
geführt. Man muss sich vor Auslegung der Rohrleitungen und Armaturen im Klaren sein, welche Variante man wählt.
Spirax Sarco | 17
12 – Dampfspeicher – Einbau der Dampfinjektoren
Rohrleitung Dampfkessel zu Dampfspeicher
Die Nennweite der Rohrleitung zwischen Dampfkessel und Dampfspeicher sollte, wie üblich, auf einer Strömungsgeschwindigkeit von maximal 25 m/s basieren und für die maximale Dampfkesselleistung (Nennleistung 5.000 kg/h bei
10 bar ü) ausgelegt werden.
In unserem Beispiel ergibt sich eine Rohrnennweite von DN 100.
Rohrleitung vom Dampfspeicher zum Druckreduzierventil
Die Rohrleitung vom Dampfspeicher stromabwärts zum Druckreduzierventil wird auf die maximale auftretende Überlast, also 12.000 kg/h bei 6 bar ü ausgelegt. Wir basieren die Auslegung der Rohrleitung an dieser Stelle auf einer
Strömungsgeschwindigkeit von maximal 20 m/s um den Anteil an mitgerissenem Wasser und Wassertröpfchen auf ein
Minimum zu reduzieren. In unserem Beispiel ergibt sich eine Nennweite von DN 250.
Rohrleitung vom Druckreduzierventil zu den Dampfverbrauchen
Die Rohrleitung vom Druckreduzierventil zum Hauptverteiler der Verbraucher wird auf die maximale Überlast, also
12.000 kg/h bei 5 bar ü ausgelegt. Wir basieren die Auslegung der Rohrleitung an dieser Stelle auf einer Strömungsgeschwindigkeit von maximal 25 m/s.
In unserem Beispiel ergibt sich eine Nennweite von DN 250.
Druckreduzierventil
Zur Auslegung des Druckreduzierventils benötigt man folgende Informationen:
Vordruck, Minderdruck und Dampfmenge.
In unserem Beispiel entspricht der Vordruck dem Entladedruck 6 bar ü
Der Minderduck entspricht dem Anlagen-Solldruck
5 bar ü
Die Dampfmenge ist hier die maximale Überlast
12.000 kg/h
Für die Auslegung des Reduzierventils müssen beachtet werden: Geplante Fahrweise der Anlage (minimale & maximale Menge), Anforderungen an Redundanz, Technologie, usw…
Absperrventil
Ein Absperrventil in Rohrleitungsnennweite ist zusätzlich zum Dampfkesselabsperrventil erforderlich. Werkstoff entsprechend der Nenndruckstufe, Temperaturen und sonstigen Anforderungen.
Rückschlagventil
Ein Rückschlagventil in Rohrleitungsnennweite wird zwischen den Dampfkessel und den Dampfspeicher direkt hinter
dem Absperrventil installiert, um den Rückfluss des Dampfes/Wassers, beim Abschalten des Dampfkessels zu verhindern. Wir empfehlen ein Rückschlagventil in Zwischenflansch-Ausführung, Werkstoff Edelstahl.
Überströmventil
Ein Überströmventil ist notwendig um sicher zu stellen, dass die Dampfmenge, die vom Dampfkessel zum Speicher
fließt, auch innerhalb der Leistungsfähigkeit des Dampfkessels bleibt. Ein Überfahren des Kessels muss verhindert
werden (siehe auch Bild 3.22.1).
Pilotgesteuerte Überströmventile werden in kleineren Anlagen oft eingesetzt, sofern das schmale, nicht einstellbare
Proportionalband akzeptabel ist. Für größere Anlagen ist ein pneumatisch betätigtes Stellventil wegen des verstellbaren Proportionalbandes besser geeignet.
Für unsere Beispielanwendung wurde ein pneumatisches Regelventil DN 100 mit dem notwendigen Zubehör gewählt.
12. Dampfspeicher – Einbau der Dampfinjektoren
Ein sorgfältig ausgelegtes Dampfeinlassrohr versorgt den im unteren Bereich des Speichers liegenden Dampfverteiler,
wie in Bild 3.22.6 gezeigt. Der Dampf wird direkt ins Wasser injiziert.
Es ist zu beachten, dass die Injektorleistung bei abnehmendem Druck im Speicher kleiner wird, da der Differenzdruck
(Einblasdruck – Speicherdruck) ebenfalls kleiner wird.
Bei sehr kleiner Durchflussmenge werden nur noch die Injektoren nahe am Dampfeinlassrohr arbeiten.
18 | Spirax Sarco Grundlagen Dampfspeicher
12 – Dampfspeicher – Einbau der Dampfinjektoren
Das Design des Einlassrohres mit dem Verteilsystem und der Anordnung der Injektoren ist so zu wählen, dass über die
gesamte Länge des Speichers, auch bei kleinem Dampfdurchsatz, die Dampfversorgung gewährleistet ist.
Dampfeinlass
Dampfauslass
Max. Abstand
Injektoren gleichmäßig über die Länge verteilt
Injektoren Im Winkel
nach oben angeordnet
Bild 3.22.6 Installation der Injektoren in einem Dampfspeicher
Der Austritt aus den Injektoren ist ein Gemisch aus heißem Wasser, Dampf und kondensierenden Dampfblasen. Bei
sehr hoher Geschwindigkeit werden Turbulenzen erzeugt, die für eine gute Vermischung sorgen. Die Düsen sollten
nicht gegen das Behältergehäuse blasen. Sie sollten, wie im Bild gezeigt, auf der Behälterlänge verteilt werden und im
Winkel nach oben ausblasen. Eine gute Durchmischung ist dann gewährleistet.
Bei langen Speicherbehältern (sie können bis 20 m lang sein) sind mehrere Dampfeinlässe vorteilhaft, die gleichmäßig
aus der Hauptversorgungsleitung abgezweigt werden.
Eine besonders gute Durchmischung erhält man, wenn alle Injektoren so niedrig wie möglich über dem Behälterboden
angeordnet werden. Meist jedoch arbeitet die Dampfinjektion geräuschärmer, wenn die Injektoren ca. 10…20 cm unter
der Wasseroberfläche angeordnet werden. Man wird auch hier einen Kompromiss zwischen optimaler Durchmischung
und geräuscharmer Injektion eingehen müssen. Einbauvorschriften aus dem Datenblatt sind zu beachten.
Bild 3.22.7 Dampfinjektor Serie IN
Zurück zum Beispiel 3.22.2:
Dampfkesseldruck pe1=10 bar ü
Anlagendruck pe2=6 bar ü
Differenzdruck ∆p = 10 - 6 = 4 bar
Durchfluss mD = 5.000 kg/h Dampfkessel Nennleistung
Spirax Sarco gibt für Injektoren Typ IN folgende kvs-Werte an (Tabelle 3.22.2)
Größe Injektor
Kvs [m3/h]
IN15
IN25M
IN40M
1.4
5.8
15.3
Tabelle 3.22.2
Spirax Sarco | 19
12 – Dampfspeicher – Einbau der Dampfinjektoren
Mit den kvs-Werten aus Tabelle 3.22.2 und dem Injektor aus Bild 3.22.7 sowie mit dem Diagramm 3.22.8:
Dampfdurchfluss [kg/h]
Vordruck [bar abs]
1. Z
iehen Sie eine horizontale Linie bei p = 11 bar abs (pe1 = 10 bar ü) bis zum Schnittpunkt „kritischer Druckabfall“, Punkt „A“.
2. Ziehen Sie vom Punkt „A“ eine senkrechte Linie bis zum Schnittpunkt der kvs-Linien, hier zum Beispiel für IN
DN 25, kvs = 5,8, und erhalten Punkt „B“
3. Von Punkt „B“ ziehen Sie eine horizontale Linie bis zur Y-Achse (Durchsatzleistung) und erhalten Punkt „C“
mit ca. 760 kg/h Dampfdurchsatz für dieses Beispiel.
Bild 3.22.8 Auszug aus dem k vs-Diagramm für Dampf
Die Durchflussleistung kann auch mit der Gleichung 3.21.2 ermittelt werden:
Gleichung 3.21.2
wobei
· = Dampfdurchfluss [kg/h]
m
s
kv=Kv-Wert für Ventil [m3/h]
P1 = Druck vor Regelventil [bar abs]
P2 = Druck nach Regelventil [bar abs]
(
P - P2
=Druckabfall-Verhältnis 1
P1
ᵪ
20 | Spirax Sarco Grundlagen Dampfspeicher
)
13 – Dimensionierung und Auswahl der Injektoren
13. Dimensionierung und Auswahl der Injektoren
Das obige Beispiel ergibt einen Injektor mit der Leistung von ca. 760 kg/h. Das bezieht sich aber nur auf den Beginn
der Ladezeit, wenn der Behälterdruck am niedrigsten, respektive der Differenzdruck ∆p und damit der Durchfluss am
höchsten ist.
Es muss daran erinnert werden, je mehr Dampf in den Speicher injiziert wird, desto grösser höher wird der Druck im
Innern und damit sinkt der verfügbare Differenzdruck ∆p und damit der Dampfdurchsatz der Injektoren, bis er bei Differenzdruck = 0 ganz zu erliegen kommt.
Aus diesem Grund ist es nicht ratsam den höchsten Differenzdruck bzw. Durchsatz für die Auslegung der Injektoren zu
wählen. Stattdessen ist es erforderlich, die mittlere Einblasrate über die Ladeperiode zu finden.
Diese kann mit Gleichung 3.21.2 unter Verwendung von variablen Speicherdrücken ermittelt werden.
In diesem Beispiel variiert der Druck zwischen pe = 6 bar ü und pe = 10 bar ü. Je größer die Anzahl der Zwischenschritte,
desto größer wird die Genauigkeit der Berechnung. Wir nehmen Schritte von 10% des Differenzdruckes, also 0,4 bar
pro Schritt. Tabelle 3.22.3 zeigt die Berechnung für einen IN25 Injektor mit kvs = 5,8 m3/h.
Dampfdruck Kessel [bar ü]
Entladedruck Dampfspeicher [bar ü]
Kvs-Wert Injektor [m3/h]
Injektor Durchsatz …[kg/h]
10
6.0
5.8
759
10
6.4
5.8
747
10
6.8
5.8
729
10
7.2
5.8
704
10
7.6
5.8
671
10
8.0
5.8
631
10
8.4
5.8
579
10
8.8
5.8
515
10
9.2
5.8
431
10
9.6
5.8
311
10
10.0
5.8
0
TOTAL = 6.076 kg/h
Tabelle 3.22.3 Dampfdurchsatz eines Injektors Typ IN25 bei verschiedenen Differenzdrücken
Der Gesamtdurchfluss von 6.076 kg/h wird geteilt durch die Anzahl Schritte. Bitte nicht den Schritt für ∆p = 0 vergessen. Es ergeben sich 11 Schritte!
Die mittlere Injektor Durchflussrate ergibt sich zu =
6.076 kg/h
= 553 kg/h
11 Schritte
Es ist ersichtlich, dass die mittlere Durchflussrate (553 kg/h) etwa 25% unter der max. Durchflussrate (760 kg/h) liegt.
Man nimmt also die mittlere Durchflussrate zur Ermittlung der Anzahl der Injektoren, indem man die erforderliche
Durchflussrate durch die mittlere Durchflussrate des Injektors dividiert.
Spirax Sarco | 21
∆p
kr
it.
(b
ar
) (k
rit
isc
he
rD
ru
ck
ab
Bild 3.22.9 kvs-Diagramm für Dampf
22 | Spirax Sarco Grundlagen Dampfspeicher
fa
ll)
Dampfdurchfluss (in kg/s)
Dampfdurchfluss (in kg/h)
Vordruck (in bar absolut)
13 – Dimensionierung und Auswahl der Injektoren
14 – Berechnung der erforderlichen Aufladezeit des Speichers
14. Berechnung der erforderlichen Aufladezeit des Speichers
Aus dem in Bild 3.22.4 gezeigtem Lastverlauf ist ersichtlich, dass die minimale Zeit zwischen den Ladezyklen bei 95
Minuten liegt. Es ist nun notwendig zu überprüfen, dass der Speicher innerhalb dieser Zeit auch wieder aufgeladen
werden kann. Es wurde gezeigt, dass die entnommene Dampfmenge während der Entladezeit 2.650 kg beträgt.
Der mittlere verfügbare Dampfüberschuss während der Ladezeit im Schwachlast Zeitraum 1 zur Verfügung steht, wurde mit 2.916 kg/h (Bild 3.22.4) berechnet.
Die erforderliche Zeit zum Aufladen ergibt sich also aus dem Verhältnis von „Dampfmenge während der Entladezeit“
zum „mittlerem Dampfüberschuss“:
2.650 kg
Erforderliche Ladezeit=
x 60 min/h = 55 Minuten
2.916 kg/h
Da die erforderliche Ladezeit, um den Dampfspeicher wieder voll aufzuladen, kleiner ist als die kürzeste Zeit die zwischen zwei Entladungen – hier 95 Minuten – kann man bestätigen, dass der Dampfspeicher für diese Fahrweise geeignet ist.
Die angenommene Speichergröße von 7 m Länge und 4 m Durchmesser bieten genügend Kapazität für dieses Beispiel.
15. Armaturen für den Dampfspeicher
Der Dampfspeicher sollte mit folgenden Armaturen ausgerüstet sein, wobei die Auslegung der Einzelarmaturen nach
den gängigen Regeln der Technik zu erfolgen hat:
Manometer
Geeignete Manometer, jeweils mit Absperrventil und Wassersackrohr, sind immer dann erforderlich, wenn in Anlagenbereichen Druckänderungen auftreten. Sinnvoll sind Manometergarnituren und entsprechende Markierungen für:
• Druck Dampfkessel oder der Lade-Dampfversorgung
• Druck Dampfspeicher (mit minimaler & maximaler Markierung)
• Druck vor- und nach der Hauptdruckminderung
Sicherheitsventil
Der Dampfspeicher ist ein Druckbehälter und muss entsprechend abgesichert werden. Für eine korrekte Auswahl spielen folgende Faktoren eine Rolle:
• Maximaler (abgesicherter) Druck der Lade-Dampfversorgung
• Auslegungsdaten des Dampfspeichers
• Auslegungsdaten der nachfolgenden Dampfanlage
Die Abblaseleistung ist so zu bemessen, dass bei voll geöffnetem Sicherheitsventil(en) der gesamte Dampfdurchsatz
abgeblasen werden kann. Siehe Auslegungsblätter Sicherheitsventil und Dimensionierung der Ausblaseleitung.
Dampfentlüfter und Vakuumbrecher
Wenn der Dampfspeicher aus dem kalten Zustand gestartet wird, so ist er komplett mit Luft gefüllt. Luft behindert den
Wärmeübergang und führt zu erhöhter Korrosion im Behälter und der nachfolgenden Dampfanlage. Sie muss daher
entfernt werden. Automatische Dampfentlüfter der Nennweite DN 50 (mit 3 oder 6 Funktionselementen) sind hier einsetzbar. Der Luftdurchsatz des oder der Entlüfter sollten überprüft werden.
Wenn der Dampfspeicher abgeschaltet wird, so tritt bei einer Temperatur unter 100° C, d. h. pe < 0 bar ü Vakuum auf.
Der Behälter kann dadurch unbemerkt überflutet werden oder auch Schaden nehmen. Es ist daher wichtig einen oder
mehrere Vakuumbrecher zu installieren, die bei Auftreten von Unterdruck Luft ins System lassen. Üblicherweise wird
dazu als Vakuumbrecher ein Zwischenflansch-Rückschlagventil, das mit Atmosphärendruck öffnet, eingesetzt. Die
Nennweite richtet sich nach der Behältergröße (ab DN 50 bis > DN 100!). Es empfiehlt sich Rückschlagventile aus
Edelstahl einzusetzen.
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15 – Armaturen für den Dampfspeicher
Entleerungsventil
Ein Entleerungsventil ist aus Wartungsgründen grundsätzlich an jedem Behälter zu installieren. Die Nennweite richtet
sich auch hier nach der Behältergröße =/> DN 50.
Überlauf
Ein Kugelschwimmer-Kondensatableiter mit automatischem Entlüfter wird in Höhe des maximalen Wasserstandes als
Überlaufventil eingesetzt (siehe Bild 3.22.10). Wenn er wie gezeigt installiert wird, kann der Wasserstand nicht höher
ansteigen, denn er wirkt als Überlaufventil. Wird aus dem Dampfspeicher Dampf entnommen und der Wasserspiegel
sinkt, schließt das Schwimmerventil und der Kondensatableiter wirkt als Dampfsperre und verhindert das Dampf entweicht. Die Auslaufleitung des Überlaufs wird zum Kondensatsammelgefäß geführt, denn das aufbereitete Wasser
kann wieder verwendet werden. Ein Kugelschwimmer-Kondensatableiter in Nennweite DN 50 ist – auch für das hier
genannte Beispiel – meist ausreichend.
Wasserstandsanzeiger
Die Wasserstandsänderungen innerhalb des Dampfspeichers sind nicht sehr groß. Es werden etwa 5% der Wassermasse
in Nachdampf umgewandelt. Trotzdem sollte ein Wasserstandsanzeiger zur visuellen Kontrolle eingebaut werden. Hierbei
ist unbedingt die Druckstufe des Dampfkessels bzw. der abgesicherte Versorgungsdampfdruck zu beachten (Glasbruch!).
Druckreduzierstation
Eine Druckreduzierung oder eine komplette Druckreduzierstation wird auf der Entnahmeseite des Dampfspeichers installiert. Wenn das Druckreduzierventil öffnet um den Minderdruck zu halten, bewirkt das einen Druckabfall, der wiederrum zur Nachdampfbildung aus dem siedenden Dampfspeicherwasser führt. Das Druckreduzierventil sollte wie folgt
dimensioniert werden (Beispiel):
Pe1 = 6 bar ü Speicherdruck
Pe1 = 5 bar ü Solldruck Anlage
∆p = 6 - 5 = 1 bar
mD = 12.000 kg/h
Ein geeignetes Ventil kann damit aus einem kv-Diagramm für Dampf (Bild 3.22.9) bestimmt werden. Es werden pneumatisch betätigte Ventile für diese Anwendung empfohlen.
Rohrleitungen
An dieser Stelle sollten alle Rohrleitungen zwischen Dampfkessel und Dampfspeicher sowie Speicher und Anlage dimensioniert werden. Die Rohre sind wie bei Dampfleitungen üblich auf eine Geschwindigkeit von 25 m/s auszulegen.
Es ist sinnvoll, dass die vom Dampfspeicher wegführende Rohrleitung auf der Basis von maximal 20 m/s dimensioniert
wird, um ein Mitreißen von Wasser auf ein Minimum zu begrenzen. Siehe hierzu auch Seite 18
Absperrventil
Entlüfter Vakuumbrecher
Sicherheitsventil
Dampf zur Anlage
Dampfkessel
Rückschlagventil
Überströmventil
Druckreduzierventil
Dampfspeicher
Wasserstandsanzeiger
Kondensatableiter
Dampfinjektoren
Bild 3.22.10 Dampfspeicher mit Armaturen
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16 – Typische Schemata für Dampfspeicher
16. Typische Schemata für Dampfspeicher
Bild 3.22.11 zeigt ein Schema, bei dem der gesamte erzeugte Dampf des Dampfkessels durch den Dampfspeicher geleitet wird. Diese Anordnung wird in modernen Anlagen bevorzugt eingesetzt.
Überströmventil
Druckreduzierventil
Dampf zur Anlage
Dampfkessel
Dampfspeicher
Bild 3.22.11 Dampfspeicher direkt neben dem Dampfkessel mit Überströmregler und Druckregler
Die in Bild 3.22.12 gezeigte Anordnung wurde früher öfters angewendet. Heute wird diese Anordnung gelegentlich
dann verwendet, wenn der Dampfspeicher weiter entfernt vom Dampfkessel aufgestellt ist. Allerdings sollten die korrekte Funktion der Rückschlagventile regelmäßig überprüft werden, denn sonst lädt der Speicher nicht ordentlich auf
(Dampf bleibt im Dampfraum – Wasser wird nicht aufgeheizt).
Überströmventil
Druckreduzierventil
Dampf zur Anlage
Dampfkessel
Rückschlagventil
Rückschlagventil
Dampfspeicher
Bild 3.22.12 Dampfspeicher entfernt vom Dampfkessel
Bild 3.22.13 zeigt ein Schema bei dem sowohl Dampf mit vollem Dampfkesseldruck, als auch Niederdruckdampf aus
dem Dampfspeicher benötigt wird.
Einige Prozessanwendungen benötigen für prioritäre Anwendungen Dampf mit Dampfkesseldruck (typisch für Trocknungsprozesse). Niederdruckdampf wird auch benötigt, jedoch mit geringerer Priorität. Wenn nun Spitzenlast durch
die Hochdruckverbraucher erforderlich ist, wird das Überströmventil die Dampfleitung zum Dampfspeicher zufahren.
Dadurch werden die Hochdruckverbraucher bevorzugt versorgt und die Niederdruckverbraucher erhalten in dieser Zeit
Dampf vom Dampfspeicher.
Durch den Einsatz des Überströmventils wird sichergestellt, dass der Hauptprozess mit Dampf hohen Druckes mit der
maximalen Kesselleistung versorgt wird und dass ein fluktuierender Niederdruckbedarf dennoch über den Dampfspeicher optimal abgedeckt werden kann.
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16 – Typische Schemata für Dampfspeicher
Hochdruckverbraucher
Überströmventil
Druckreduzierventil
Niederdruckverbraucher
Dampfkessel
Dampfspeicher
Bild 3.22.13 Dampfversorgung mit Dampfkesseldruck und Niederdruckdampf
Druckreduzierventil 1
Druckreduzierventil 2
Überströmventil 3
Dampf zur Anlage
Dampfkessel
Dampfspeicher
Bild 3.22.14 Alternatives Standard Schema
In Schema 3.22.14 liefert der Dampfkessel Dampf mit Druck, z. B. mit pe = 10 bar ü. Der Dampf wird zu unterschiedlichen Verbrauchern geleitet, die nicht mehr als z. B. pe = 5 bar ü benötigen. Druckregler „1“ reduziert den Druck vom
Dampfkesseldruck auf den Druck der Hauptleitung zur Anlage – hier im Beispiel auf pe = 5 bar ü.
Wenn der Dampfbedarf der Anlage die Nennleistung des Dampfkessels überschreitet und der Druck in der Hauptversorgungsleitung z. B. auf pe = 4,8 bar ü fällt, öffnet das Ventil „2“ und ergänzt die Hauptversorgungsleitung mit Dampf
aus dem Dampfspeicher. Je nach Höhe und Dauer der Dampfentnahme wird auch der Druck im Dampfspeicher irgendwann fallen. Das Ventil „2“ reagiert auf den Minderdruck in der Hauptleitung und arbeitet somit als Druckreduzierventil.
Seine Durchflussrate sollte mit der Entladerate des Dampfspeichers übereinstimmen. Es wird meist kleiner sein als das
Ventil „1“, das als Hauptdruckminderung arbeitet.
Das gezeigte Überströmventil „3“ reagiert auf den Dampfkesseldruck. Wenn der Dampfkesseldruck aufgrund des geringeren Bedarfs steigt, öffnet das Überströmventil und Dampfkesseldampf wird in den Dampfspeicher geleitet, solange bis der Speicher bis zu seinem maximalen Druck (etwas unter Dampfkesseldruck) aufgeladen worden ist. Das
Druckreduzierventil „2“ wird zu dieser Zeit geschlossen sein, weil der Anlage genügend Dampf über das (teilweise)
geöffnete Druckreduzierventil „1“ zugeführt wird.
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17 – Praktische Überlegungen zu Dampfspeichern
17. Praktische Überlegungen zu Dampfspeichern
Absperrarmaturen, Umgehungsleitung und Vordruckreglung
In jeder Anlage muss man bestrebt sein, ein Minimum an Versorgung bereitzustellen, falls der Dampfspeicher bzw. seine zugehörigen Armaturen ausfallen oder gewartet werden müssen.
Dazu gehört der Einbau ausreichend geeigneter, sicherer Absperrventile – z.B. zwischen Dampfkessel, Dampfspeicher
und der Anlage. Sinnvoll ist auch eine Umgehungsleitung über den Dampfspeicher einzurichten.
Zum Schutz des Dampfkessels gegen Überlast bzw. gegen ein unzulässiges Fallen des Vordruckes (hier des Kesseldrucks) wird empfohlen ein Überströmventil einzusetzen.
Standby
Überströmregler
Absperrventile
für Umgehung
Druckreduzierventil
Dampf zur Anlage
Dampfkessel
Dampfspeicher
Bild 3.22.15 Dampfspeicher mit Umgehungsventilen (Regler nicht dargestellt)
Auswirkungen auf die Brennerregelung
Der Dampfspeicher und das Überströmventil schützen gemeinsam den Dampfkessel vor Überbelastung und erleichtern den gezielten Betrieb des Dampfkessels innerhalb seiner Auslegungsdaten. Dies ist wichtig, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen und gleichzeitig sauberen, trockenen gesättigten Dampf für die Anlage bereit stellen zu können.
Bilder 3.22.16 und 3.22.17 zeigen jeweils die Brennerlast bei 100 %, 50 % und 0 % bei Betrieb mit und ohne Dampfspeicher.
Brennerleistung 50%
9.5 bar g
Brennerleistung
Brennerleistung 100%
9 bar g
Brennerleistung 0%
10 bar g
Zeit
Bild 3.22.16 Dampfkesselbetrieb ohne Dampfspeicher (Beispiel)
Brennerleistung 50%
9.5 bar g
Brennerleistung
Brennerleistung 100%
9 bar g
Brennerleistung 0%
10 bar g
Zeit
Bild 3.22.17 Dampfkesselbetrieb mit Dampfspeicher und Überströmregler (Beispiel)
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17 – Praktische Überlegungen zu Dampfspeichern
Dampfqualität
Bei einem korrekt ausgelegten und betriebenen Dampfspeicher wird der entnommene Dampf immer sauber sein und
einen Dampfgehalt von ca. 98% oder mehr haben. Der Dampfspeicher wird auf eine große Wasseroberfläche und einen genügend großen Raum ausgelegt, um bei Lastspitzen sofort genügend hochwertigen Dampf liefern zu können.
Bei stehenden Dampfspeichern wird versucht die Dampfaustrittsfläche zu vergrößern, um die kleinere Oberfläche zu
kompensieren.
Wasser
Wasser im Dampfspeicher ist kondensierter Dampf und daher sauber und rein und hat einen typischen Salzgehalt von
ca. 10…100 µS/cm. Hierdurch wird eine saubere und vergleichsweise stabile Wasseroberfläche begünstigt. Im Gegensatz hierzu liegt der Salzgehalt in einem Großwasserraumwasserkessel selten bei weniger als 2000…3000 µS/cm.
Aus diesem Grund werden Dampfspeicher manchmal auch verwendet um dort sauberen Dampf bereitzustellen, wo er
direkt mit dem Produkt in Berührung kommt, wie z. B. im Krankenhaus und in industriellen Sterilisatoren, Textilveredelung und Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Dieser saubere Dampf darf nicht mit Reindampf
verwechselt werden.
• Ist der Dampfspeicher einmal mit Wasser gefüllt und läuft unter normalen Bedingungen, so ist der Bedarf an
Zusatzwasser bzw. der Wasserverlust über den Überlauf sehr gering.
• Wenn überhitzter Dampf als Heizmedium verwendet wird, steht die Wassermenge, die zugegeben werden
muss, in Zusammenhang mit dem Grad der Überhitzung. Da aber die spezifische Wärme des überhitzten
Dampfes kleiner ist als die des Wassers, entsteht nur ein kleiner Einfluss auf den Wasserstand.
• Wenn Sattdampf als Heizmedium verwendet wird, ist die Erhöhung des Wasserstands einfach eine Funktion des Wärmeverlustes aus dem Gefäß. Mit der richtigen Wärmedämmung ist der Wärmeverlust minimal, so
dass der Anstieg des Wasserspiegels und damit der Überlauf durch den Kondensatableiter (der als Wasserhöchststandüberlauf und als Dampfsperre wirkt) ebenfalls minimal ist.
Dampfspeicher-Ausführungen
Die Dampfspeicher, die in diesen Kapiteln beschrieben und behandelt wurden, waren groß und in liegender Ausführung. Dampfspeicher werden immer auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst. Behälter von nur 1 m Durchmesser
sind keine Seltenheit.
Es ist auch üblich kleinere Dampfspeicher in stehender Ausführung zu bauen, obwohl auch schon große, stehende
Dampfspeicher gebaut wurden. Jede Bauart ist möglich, wenn die erforderlichen Werte der Dampfspeicherung und
Entnahmerate eingehalten werden. Es ist in der Praxis manchmal einfacher aus räumlichen Gründen eine stehende
Bauart zu wählen.
Der Speicherbehälter
Der Dampfspeicherbehälter ist normalerweise das teuerste Teil eines Dampfspeichersystems. Er muss individuell für
jede Anwendung ausgelegt und einzeln gebaut werden. Hierbei müssen die Auslegungsdaten (maximale und minimale Einsatzgrenzen) und die geplanten Betriebsdaten sorgfältig geprüft werden. Dampfspeicher müssen Wasser und
Dampf bei den benötigten Drücken und Temperaturen standhalten. Für Industrieanlagen sind das typischerweise Drücke von ca. 5…30 bar, entsprechend Temperaturen von 150°C bis 240°C. In Kraftwerksblöcken kann der Druck bis 150
bar betragen. Hierbei ist auch auf die Zahl der Lade- und Entladezyklen, die geeigneten Werkstoffe, gegebenfalls auf
Vakuumfestigkeit und andere speziellen Anforderungen zu achten.
Üblicherweise liegt das Verhältnis von Länge zu Durchmesser bei ca. 1,4 bis 1,6, kann aber je nach örtlichen Verhältnissen variieren. Dampfspeicher werden meist in zylindrische Form, unter Verwendung von Standardteilen – sofern
möglich gefertigt. Dies ist für die Festigkeit die günstigste Form. Das Material ist in der Regel Dampfkesselblech. Die
Auslegung und Überwachung wird in Europa durch die Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU (früher 97/23/EG) geregelt.
Je größer die Druckdifferenz zwischen Dampfkessel und Anlage, desto größer ist auch der Anteil des Entspannungsdampfes und desto geringer der Frischdampfanteil.
Zusätzlich zur Speicherkapazität muss der Dampfspeicher folgendes haben:
• Ausreichend Wasser am Boden des Behälters, so dass unter Minimalbedingungen die Injektoren vom Wasser
bedeckt sind.
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18 – Zusammenfassung
• A
usreichend Fläche, um dem Dampf eine angemessenen Fläche zum Dampfaustritt unter Berücksichtigung
der maximalen Dampfaustrittsmenge pro m2 Fläche zu bieten.
• Ausreichend Freiraum über dem Wasserspiegel (Dampfraum) um bei voller Entnahme genügend Raum zur
Entstehung trockenen Dampfes zu geben.
Diese Punkte sind wichtig, weil letztendlich allein die maximal erzielbare Dampfaustrittsgeschwindigkeit zusammen
mit der Dampfqualität das endgültige Kriterium sind, dass eine Spitzenlast gut, wie geplant abgedeckt werden kann.
Kosten für einen Dampfspeicher
Es gibt mehrere Wege die Kosten für eine Dampfspeicher-Installation zu begründen, denn die Amortisationsdauer ist
in der Regel sehr kurz. Die folgenden Punkte sollten bei einer Analyse in Betracht gezogen werden:
• V
ergleich der Investitionskosten eines großen Dampfkessels, der den geforderten Spitzenlastbedarf abdecken
könnte mit einem kleineren Dampfkessel, der in Verbindung mit einem Dampfspeicher betrieben wird.
• Ermittlung der Verbrauchseinsparung für einen kleinen Dampfkessel, der nahe seiner maximalen Leistung, seinem besten Wirkungsgrad und bei relativ gleichmäßiger Fahrweise betrieben wird.
• In einer aktuellen Fallstudie einer Brauerei wurde eine Brennstoffeinsparung von 10 % ermittelt und damit eine
Amortisationsdauer von 18 Monaten berechnet.
• Als Folge der ausgeglicheneren Lastschwankungen – insbesondere durch die Vermeidung von Abnahmespitzen am Dampfkessel durch den Einsatz eines Dampfspeichers, prüfen Sie ob Sie Brennstoff einsparen. Bei
Dampfbezug von Dritten kann geprüft werden ob die garantierte Dampfbezugsleistung im Versorgungsverträgen verringert werden kann und somit Kosten gespart werden können.
• Ermitteln Sie die finanziellen Vorteile durch reduzierte Wartungsarbeiten an der Dampfkesselanlage, den
Dampfregelventilen und den Dampfverbrauchern. Diese Vorteile sind das Resultat einer gleichmäßigeren
Dampfkesselauslastung und besserer Dampfqualität.
18. Zusammenfassung
Dampfspeicher sind keine altmodischen Relikte aus der Vergangenheit. Sie sind weit davon entfernt. Dampfspeicher
werden überall in modernen Industrieanlagen installiert, wie z. B. in Biotechnologie, Span- und Styropor-Plattenherstellung, Krankenhäusern, industrieller Sterilisation, Produktprüfständen, Druckereien, Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, wie auch in traditionellen Branchen wie Brauereien und Färbereien.
Moderne Dampfkessel sind im Laufe der letzten Jahrzehnte baulich kleiner geworden. Es ist eine Zunahme von kleinen
Dampfkesseln und Schnelldampferzeugern zu erkennen. Alle arbeiten sehr effizient – sie sind thermisch optimiert worden. Aber gerade dieser Umstand macht sie anfälliger gegen Spitzenlastbedarf, denn Sie haben relativ wenig WasserSpeichervolumen. Dies kann optimal mit einem Dampfspeicher ergänzt und ausgeglichen werden.
Es gibt viele weitere Anwendungen für Dampfspeicher. Am effektivsten sind bekannte, zu erwartende Spitzenlasten,
die zyklisch auftreten und die der Dampfkessel schließlich liefern muss. Hierbei kann ein Dampfspeicher zur Speicherung von z. B. 5 bis 10 Minuten der Spitzenlast benutzt werden, sodass für den Dampfkessel genügend Zeit bleibt, die
Leistung hoch zu fahren. Dampfspeicher können ebenfalls bei elektrisch betriebenen Dampfkesseln eingesetzt werden. Ein weiteres Anwendungsfeld ist in Kombination mit Dampfkesseln, die mit festen Brennstoffen beheizt werden,
die nicht so schnell ihre Leistung ändern können, wie gasbeheizte Kessel.
Der Dampf wird während der Schwachlastperiode erzeugt und gespeichert und bei Spitzenlast verbraucht. Die Möglichkeiten sind endlos.
Zusammenfassend kann man sagen, dass Dampfspeicher ein effizientes Werkzeug sind, um die Anforderungen an
eine für den Dampfkessel günstige Fahrweise, an häufig auftretende diskontinuierliche Dampfabnahme-Prozesse optimal anzugleichen.
Durch diese Optimierung kann die Dampfkesselanlage effizienter gefahren werden und Dampf kostengünstig und flexibel in bestmöglicher Qualität zur Verfügung gestellt werden.
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19 – Fragen
19. Fragen
1. a) b) c) d) Wie wird nach dem anfänglichen Befüllen des Dampfspeichers dessen Wasserniveau gehalten?
mit einer Leitfähigkeitssonde oder kapazitiven Sonde
mit einem Überlauf
mit einem Kondensatableiter als Überlauf
mit einer Schwimmersteuerung
2. a) b) c) d) Wie wird Wasser, das durch Nachdampf entnommen wird, ersetzt?
durch kondensierenden Dampf
mit aufbereitetem Wasser durch die Dampfkesselspeisepumpe
durch eine Verbindung zum Dampfkessel mit einer Niveauregelung
der Wasserstand ändert sich nicht
3. a) b) c) d) Wie ist die Wirkung auf einen Dampfkessel bei einem Spitzenbedarf oberhalb seiner Nennleistung?
Druckabfall und ein Anstieg des Wasserstandes
Schaumbildung mit Spucken
ein Druckanstieg, da der Wasserstand steigt und Brennerabschaltung
ein Druckabfall mit Wasserübertrag ins Dampfleitungsnetz
4. a) b) c) d) Was bezweckt ein Überströmventil in der Dampfaustrittsleitung des Dampfkessels?
um jeglichen Wasserübertrag ins Dampfleitungsnetz zu vermeiden
weiter zu öffnen, um den Spitzenbedarf an Dampf zu decken
um den Dampfdruck zu reduzieren und im Dampfkessel Überlast zu verhindern
zur Druckhaltung im Dampfkessel
5. a) b) c) d) Ein Dampfspeicher liefert Dampf um Spitzenbedarf abzudecken…
aus dem verdampfenden Wasser
aus dem Dampf, der über die Injektoren ins Wasser geblasen wurde
aus Dampf, der im Behälter gespeichert wurde
aus Dampf, der vom Dampfkessel ein- und ausströmt
6. Ein Dampfspeicher speichert 30 t Wasser bei pe = 6 bar ü. Der Dampfkessel arbeitet bei pe = 12 bar ü.
Wie groß ist die Dampfentnahme über einen Zeitraum von 15 Minuten?
a) 1.707 kg
b) 6.823 kg
c) 5.928 kg
d) 7.830 kg
Antworten:
1:c, 2:a, 3:d, 4:d, 5:a, 6:b
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Notizen
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