8. April 2021

Belastungen an Großwasserraum-Dampfkesselanlagen können zu Schäden führen. Sie lassen sich vermeiden, wenn einige Grundsätze beachtet werden

Dampfkesselanlagen unterliegen einer Reihe von Belastungen, die zu einer mehr oder minder starken Beanspruchung des Kesselkörpers führen. Hierbei sind neben unzureichender Wasserqualität zwei Hauptfaktoren maßgeblich: Einflüsse durch Auslegung und Einstellung sowie Einflüsse von Verbraucherseite. Der folgende Beitrag beschreibt die vermeidbaren Belastungen für Kesselanlagen und ermöglicht dem Leser einen Einblick in die ordnungsgemäße Planung, Ausführung und Einstellung bis hin zum Betrieb der Anlagen.

Sattdampf findet als Wärmeträgermedium in einer Vielzahl von gewerblichen und industriellen Unternehmen aller Branchen Verwendung: in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, in der Textilbranche, in Wäschereien und Textilreinigungen, in Krankenhäusern und Großküchen, in Klimaanlagen und vielen anderen Branchen. Der größte Anteil der Anwendungen benötigt Sattdampf oder leicht überhitzten Dampf mit Leistungen bis zu 200 t/h, Drücken bis 30 bar und Dampftemperaturen bis 300 °C. Zur Dampferzeugung sind üblicherweise ein oder mehrere Großwasserraumkessel eingesetzt. Ihr Betrieb ist heutzutage als unproblematisch zu betrachten. Dennoch unterliegen die Kessel oft einer Reihe von eigentlich vermeidbaren Belastungen, die einen entscheidenden Einfluss auf Sicherheit und Lebensdauer der Energieerzeuger haben. Neben einer unzureichenden Wasserqualität sind die weiteren Hauptfaktoren Einflüsse durch Auslegung und Einstellung sowie Einflüsse von der Verbraucherseite.

Unzureichende Wasserqualität
Unzureichende Wasserqualität mit der Folge von Korrosionen bzw. Belagbildungen steht an erster Stelle in den Schadensstatistiken. Häufige Ursachen für eine „schlechte“ Wasserqualität sind:

• unzureichende Überwachung bzw. Prüfung der erforderlichen Wasserparameter (Bild 1),
• mangelnde Fachkenntnis,
• Fehlinterpretation von Messwerten bzw. keine Reaktion bei Abweichungen.

Schäden aufgrund unzureichender Wasserqualität lassen sich in erster Linie zuverlässig vermeiden, indem die vorgegebenen Wasserwerte (entsprechend DIN EN 12953 Teil 10¹)) des Kesselherstellers eingehalten werden. Neben dem Einsatz geeigneter Wasseraufbereitungskomponenten ist hierzu eine ausreichende Kompetenz im Bereich Wasseranalyse entscheidend. Empfehlenswert ist die Ausrüstung mit vollautomatischen Analysegeräten, die alle Wasserparameter wie Härte, Leitfähigkeit, pH-Wert und Kondensatreinheit erfassen und überwachen können (Bild 2). Einen weiteren Fortschritt bieten heutzutage digitale Kesselbücher. Diese analysieren die eingetragenen Messwerte, erkennen kritische Abweichungen unmittelbar und unterstützen den Bediener mit Hinweisen und Lösungsvorschlägen.

Einflüsse durch Auslegung und Einstellung
Bereits bei der Planung und bei der sich anschließenden Parametrierung der Kesselanlage können Fehler entstehen.

Große Kesselleistung bei geringer Dampfmenge
Diese Problematik ist oft in Bestandsanlagen zu finden, deren Dampfabnahme durch den Wegfall von Verbrauchern oder die nachträgliche Nutzung vorhandener Wärmerückgewinnungspotenziale drastisch reduziert wurde. Aber auch Neuanlagen können betroffen sein, wenn zum Beispiel während der Planung die Gleichzeitigkeitsfaktoren der Verbraucher falsch bewertet wurden oder mit allzu üppigen Leistungsreserven kalkuliert wurde. Die Folge ist eine zu geringe Dampfabnahme in Bezug auf die Kesselleistung und somit eine hohe Anzahl von Ein- und Ausschaltungen des Brenners mit den damit verbundenen Temperaturwechsel-Beanspruchungen.

Brenner erzeugen im Feuerraum Temperaturen zwischen 1400 und 1700 °C. Bei jedem Zündvorgang ist eine Feuerraumvorlüftung vorgeschrieben, dabei wird Frischluft aus dem Kesselhaus angesaugt. Aufgrund der niedrigen Lufttemperaturen von 20 bis 40 °C findet eine Kühlung der heißen Heizflächen statt. Anschließend zündet der Brenner und bekommt meist in kürzester Zeit das Signal in die höchste Laststufe zu fahren. In extremen Schwachlastphasen schaltet sich der Brenner sehr häufig bereits während des Hochlaufens wieder ab, um dann – oft kurz danach – erneut vorzulüften und zu zünden.

Diese permanente Temperaturwechsel-Beanspruchung zwischen Aufheizen und Durchlüften kann im Laufe der Zeit zu Materialermüdungen führen. Neben steigender Schadensanfälligkeit hat eine solche Betriebsweise auch negativen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit, da jeder Vorlüftvorgang einen erheblichen Wärmeverlust darstellt. Daher sind Brennereinschaltzyklen von ≤ 4 je Stunde anzustreben. Diese Maßnahmen helfen dabei:

• Einbau von Schwachlaststeuerungen, die das sofortige Hochregeln nach Brennerstart zeitlich verzögern,
• Einsatz von Leistungsreglern, die ermöglichen, den Brenner zeitlich unbegrenzt in der Kleinlaststufe festzuhalten,
• Einsatz von Brennern mit hohem Regelbereich,
• Anpassung der Brennerleistung an die tatsächlichen Anforderungen, d. h. Brennermodifikationen oder auch Anbau eines Brenners mit kleinerem Leistungsbereich.

Geringe Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausschaltung des Brenners
Die Leistungsregelung des Dampfkessels erfolgt über den im Kessel gemessenen Dampfdruck. Bei Unterschreitung des einstellbaren Dampfdruckes P_Brenner.ein schaltet sich der Brenner ein – bei Überschreitung P_Brenner.aus schaltet sich der Brenner aus. Eine zu gering eingestellte Spreizung zwischen den beiden Drücken hat folgende Konsequenzen:

• häufiges Ein- und Ausschalten durch Überschwingen des Druckes und die damit einhergehenden Temperaturwechsel-Beanspruchungen mit deren negativen Folgen,
• zwangsweise „scharf“ eingestellte Regelparameter im Leistungsregler, um den Sollwert im engen Regelband zu halten. Das führt neben einem hohen Verschleiß an den Stellgliedern im Brenner zu einer vorzeitigen Materialermüdung der beheizten Wandungen.

Mit einer Spreizung von 10 bis 15 % zwischen P_Brenner.ein und P_Brenner.aus (abhängig von der Brennerregelung und dem Kesselbetriebsdruck) bezogen auf den Kesselabsicherungsdruck, lassen sich diese Probleme zuverlässig vermeiden.

Zu „schnell“ eingestellte Leistungsregler
Moderne Feuerungsmanager haben die Möglichkeit, die Brennerstellzeit (die Laufzeit zwischen Brennerklein- und Brennergroßlaststellung) variabel einzugeben. Gleichzeitig lässt sich über die Regelparameter im Leistungsregler die Reaktionsgeschwindigkeit des Brenners auf Sollwertabweichungen beeinflussen.

Großwasserraumkessel mit ihrem hohen Materialanteil und großen Wasserinhalt sind ein vergleichsweise träge reagierendes System. Zu „schnell“ eingestellte Leistungsregler, eventuell im Verbund mit sehr kurz eingestellten Brennerstellzeiten, führen zu einem rasch steigenden Wärmeeintrag im Flammrohr. Für den Abtransport dieser Energie sind auf der Wasserseite vor allem die sich bildenden und in den Dampfraum hochsteigenden Dampfb lasen zuständig (Bild 3). Diese Dampfb lasenbildung erfolgt jedoch zeitlich leicht versetzt. Das führt zu kurzzeitigen örtlichen Überhitzungen und zusätzlichen Temperaturwechsel-Beanspruchungen, die langfristig eine Materialermüdung der Kesselwandung beschleunigen.

Eine Inbetriebnahme durch Fachpersonal, das die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen Einstellungen am Feuerungsmanagern und Kesselleistungsregler beherrscht, ist ausdrücklich zu empfehlen. Dabei ist sichergestellt, dass die notwendige Balance zwischen Konstanz im Betriebsdruck und einer kesselschonenden Betriebsweise erreicht wird.

Fehlendes Folgesteuerungskonzept bei Mehrkesselanlagen
Bei Mehrkesselanlagen ohne automatische Folgesteuerung kommt dem Bediener große Bedeutung zu. Kesselabschaltungen müssen manuell erfolgen, wenn die Leistungsabnahme den Betrieb mehrerer Kessel nicht mehr rechtfertigt. Geschieht dies nicht, sind die Folgen beispielhaft im Bild 4 dargestellt. Die Aufzeichnung zeigt, dass der Kessel 1 (rot, Leistung 10 t/h) über den gesamten Zeitraum den erforderlichen Dampfb edarf (blau) alleine abdecken kann. Die häufigen Zuschaltungen von Kessel 2 (gelb) mit den angesprochenen Temperaturwechsel-Beanspruchungen sind somit völlig überflüssig.

Zudem lässt sich die gegenseitige Beeinflussung der beiden Kessel erkennen. Während Kessel 1 (rot) seine Leistung reduziert, erhöht Kessel 2 (gelb) die Dampfproduktion und umgekehrt. Das heißt, die Kessel arbeiten „gegeneinander“ und drücken sich wechselweise ab. Der ungehinderte Wärmeabtransport von den Heizflächen kann nicht mehr garantiert werden.

Ein Folgesteuerungskonzept ist daher bereits für Kesselanlagen mit zwei Dampferzeugern empfehlenswert und zwingend erforderlich bei drei oder mehr Kesseln in einem Kesselhaus. Welche Art der Folgesteuerung (mengen- oder druckabhängig) zum Einsatz kommt, ist zum einen von der Kesselanzahl und zum anderen davon abhängig, welche Druckschwankungen auf Verbraucherseite akzeptiert werden können. Mit dampfmengenabhängigen Folgesteuerungen lässt sich die realisierbare Druckschwankungsbandbreite deutlich niedriger halten.

Auch ist zu beachten, die Dampferzeuger in Mehrkesselanlagen hydraulisch voneinander zu entkoppeln, um eine gegenseitige Beeinflussung zu unterbinden, z. B. durch Rückschlagarmaturen. Zudem ist die Ausrüstung des Folgekessels mit einer Bodenheizschlange obligatorisch, um Temperaturschichtungen des Kesselwassers während der Warmhaltephase zu vermeiden.

Einflüsse von Verbraucherseite
Auch über die Dampfabnehmerseite können Fahrweisen des Dampfk essels entstehen, die ihm schaden.

Häufiges Anfahren aus kaltem Zustand
Das Anfahren aus dem kalten Zustand stellt die größte mechanische Belastung für den Kesselkörper dar. Grund dafür ist der größere Temperaturunterschied zwischen Flammrohr und Kesselmantel beim Kaltstart – im Vergleich zum Regelbetrieb bei Betriebstemperatur. Der Flammrohrschub (Differenz zwischen Längenänderung Kesselmantel und Flammrohr) ist während des Anfahrprozesses höher und führt damit zu erheblichen zusätzlichen Spannungen, die der Kesselkörper bewältigen muss. Diese Belastung verstärkt sich, wenn während der Anfahrprozedur keine oder n ur eine sehr geringe Dampfb lasenbildung stattfinden kann, was zum Beispiel bei geschlossener Dampfentnahmearmatur der Fall ist. Der im Dampfkessel normal vorhandene Naturumlauf springt nicht an (Bild 5). Temperaturschichtungen im Kessel (unten kalt, oben heiß) mit zusätzlichen Wärmespannungen sind die Folge. Bei sehr häufigen Kaltstarts können diese extremen Wechselbelastungen zu Materialanrissen bzw. im schlimmsten Falle zu einem Komplettversagen führen.

Zur Reduzierung der Anfahrbelastung ist zu beachten:

• aus dem kalten Zustand bis auf Betriebs – temperatur sollte mit möglichst kleiner Brennerlast angefahren werden,
• während des Anfahrvorgangs sollte ständig eine geringe Menge Dampf abströmen können, um den Naturumlauf durch Dampfb lasenauftrieb zu starten,
• ideal wäre eine Ausrüstung mit automatischer Anfahrschaltung, die in Abhängigkeit von Wassertemperatur und Druck den Brennerbetrieb und die Lastabnahme so regelt, dass die Belastungen auf ein niedriges Niveau reduziert werden.

Lange Zeiträume im Stand-by-Betrieb
Während eines Warmhalte- oder Standby-Betriebes ist jegliche Dampfabgabe unterbunden. Je nach Steuerungskonzept wird hierzu entweder die Dampfentnahmearmatur geschlossen oder der Folgekessel auf einem geringeren Druck als der herrschende Netzdruck gefahren. Die Feuerungen schalten in dieser Betriebsart nur noch sporadisch zu, um Verluste durch Wärmeleitung und -strahlung auszugleichen. Wird dieser Zustand über einen längeren Zeitraum (> 3 Tage) aufrechterhalten, beginnt sich im Kessel eine Temperaturschichtung einzustellen. Gehen auf dieser Weise warmgehaltene Kessel wieder in den Normalbetrieb, täuscht der hohe Betriebsdruck (heißer oberer Bereich) einen sofort verfügbaren Kessel vor. Die Kesselregelung beaufschlagt diesen bei entsprechendem Bedarf innerhalb kürzester Zeit mit hoher Brennerlast. Bedingt durch die Temperaturschichtungen im Kessel treten als Folge extreme Wärmespannungsbelastungen auf.

Der Einsatz von Warmhalteheizschlangen im Kesselboden kann Abhilfe schaffen (Bild 6). Die Dampfb eheizung dieser Heizschlange erfolgt von unten, um schädigende Temperaturschichtungen im Kessel zu vermeiden. Für diese Lösungsvariante ist jedoch eine Mehrkesselanlage bzw. eine sichere Fremddampfversorgung notwendig.

Druckschwankungen durch starke Abnahmeschwankungen
Bei starken Laständerungen, d. h. hohen Laständerungsgeschwindigkeiten und damit einhergehenden starken Druckschwankungen, können im Kessel ungünstige Strömungszustände eintreten. Die Dampfb lasenbildung, welche für die Abfuhr der Wärme von den Heizflächen erforderlich ist, kann stagnieren bzw. zur Verbindung vieler kleiner Blasen zu größeren Dampfb lasen führen. Diese lösen sich nicht sofort von den Heizflächen ab und begünstigen örtliche Überhitzungen. Folglich sind bei Kesselanlagen, die Verbraucher mit extrem schwankender Lastabnahme versorgen, besondere Vorkehrungen zu treffen. Das Ziel ist, die Druckschwankungen im Kessel unabhängig von der Verbraucherseite zu begrenzen. Nachfolgende Maßnahmen können dies erreichen:

• eine höhere, druckseitige Kesselabsicherung und Einbindung einer Reduzierstation zwischen Kessel und Verbraucher,
• Einbindung eines Dampfspeichers für Lastspitzen,
• eine dem Kessel nachgeschaltete Druckhaltung mit geregeltem Dampfentnahmeventil, um den Kessel vor zu starkem Druckabfall zu schützen

Zusammenfassung
Die genannten, vermeidbaren Ursachen für Kesselbelastungen zeigen auf, dass es sich hier um einen komplexen Th emenkreis handelt. Er erstreckt sich von der Planung über die Ausführung und Einstellung bis hin zum Betrieb der Anlagen. Folgende Punkte sollten unbedingt Berücksichtigung finden:

• die Planung von Dampfk esselanlagen sollten nur versierte und erfahrene Fachfirmen durchführen,
• eine hohe Qualität der Kessel, Brenner und Anlagenkomponenten verspricht einen reibungslosen und störungsfreien Betrieb der Anlage,
• die korrekte Installation der Anlage erfordert einen kompetenten Anlagenbauer mit Kenntnis über das Zusammenspiel der verschiedenen Kesselhauskomponenten,
• die Betriebsweise und Betreuung durch das Bedienungspersonal haben große Bedeutung und wirken sich entscheidend auf die Lebensdauer der Dampfkesselanlage aus. Digitale Assistenzsysteme mit vollautomatischer Datenbewertung können hier verstärkt unterstützen (Bild 7),
• Prävention durch Wartungs- und Remoteverträge mit dem Kesselhersteller.

Autor: Dipl-Ing. Paul Köberlein, Entwicklung bei Bosch Industriekessel GmbH

Bilder: Bosch Industriekessel

www.bosch-industrial.com