Zu den Einflussfaktoren zählen neben unzureichender Wasserqualität zwei Hauptfaktoren: Einflüsse durch Auslegung und Einstellung sowie Einflüsse von Verbraucherseite. Unzureichende Wasserqualität mit der Folge von Korrosionen beziehungsweise Belagbildungen steht an erster Stelle in den Schadensstatistiken. Die bei dieser Schadensart ablaufenden Mechanismen gelten als allgemein bekannt. Gründe für eine „schlechte“ Wasserqualität sind
- unzureichende Überwachung beziehungsweise Prüfung der erforderlichen Wasserparameter;
- mangelnde Fachkenntnis;
- Fehlinterpretation von Messwerten beziehungsweise keine Reaktion bei Abweichungen.
Um Schäden durch unzureichende Wasserqualität zu vermeiden,ist in erster Linie das Einhalten der vom Kesselhersteller vorgegebenen Wasserwerte (entsprechend EN 12953 Teil 10) erforderlich. Hierzu muss neben dem Einsatz geeigneter Wasseraufbereitungskomponenten auch auf ausreichende Kompetenz im Bereich Wasseranalyse gesorgt werden. Empfohlen werden vollautomatische Analysegeräte, die alle Wasserparameter erfassen und überwachen.
Verhältnis Kesselleistung zur tatsächlich benötigten Dampfmenge
Diese Problematik ist oft in Altanlagen zu finden, deren Dampfverbrauch durch den Wegfall von Verbrauchern oder der nachträglichen Nutzung vorhandener Wärmerückgewinnungspotentiale drastisch reduziert wurde. Aber auch Neuanlagen können betroffen sein, wenn während der Planung die Gleichzeitigkeitsfaktoren der Verbraucher falsch bewertet wurden oder mit allzu üppigen Leistungsreserven kalkuliert wurde. Die Folge einer in Bezug auf die Kesselleistung zu geringen Dampfabnahme ist eine hohe Anzahl von Brennerein- und -ausschaltungen. So werden Temperaturwechsel verursacht, die insbesondere bei Kesselanlagen mit Gasfeuerung und langen Vorlüftzeiten extrem sein können. Brenner erzeugen im Feuerraum Temperaturen zwischen 1400 und 1700°C. Während der Phase der Feuerraumvorlüftung, die vor jedem Zündvorgang des Brenners vorgeschrieben ist, wird Frischluft aus dem Kesselhaus angesaugt. Durch die niedrigen Lufttemperaturen von 20 bis 30°C findet eine Kühlung der vorher heißen Heizflächen statt. Anschließend zündet der Brenner und bekommt meist sehr schnell das Signal, in die höchste Laststufe zu fahren. In extremen Schwachlastphasen wird er oft bereits während des Hochlaufens wieder abgeschaltet, um dann – oft kurz danach – wieder vorzulüften und zu zünden.
Durch diese dauernde Temperaturwechselbeanspruchung zwischen Aufheizen und Durchlüften kommt es zu Dehnungsunterschieden zwischen Feuerraum und Kesselmantel, welche im Laufe der Zeit zu Materialermüdung führen können. Neben steigender Schadensanfälligkeit hat diese Betriebsweise auch einen negativen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit, da jeder Vorlüftvorgang einen nicht unerheblichen Wärmeverlust darstellt. Daher sind höchstens vier Brennereinschaltzyklen je Stunde anzustreben. Um dies zu erreichen, empfiehlt sich
- der Einbau von Schwachlaststeuerungen, die das sofortige Hochregeln nach Brennerstart zeitlich verzögern;
- der Einsatz von Leistungsreglern, die ermöglichen, den Brenner zeitlich unbegrenzt in der Kleinlaststufe festzuhalten;
- der Einsatz von Brennern mit hohem Regelbereich;
- die Anpassung der Brennerleistung an die tatsächlichen Anforderungen (also Brennermodifikationen oder auch Anbau eines Brenners mit kleinerem Leistungsbereich).
Druckdifferenz zwischen Brennerein- und -ausschaltung
Die Leistungsregelung des Dampfkessels erfolgt bekanntermaßen über den im Kessel gemessenen Dampfdruck. Wird der einstellbare Dampfdruck PBrenner.ein unterschritten, erfolgt eine Brenneranforderung – bei Überschreitung PBrenner.aus eine Abschaltung des Brenners. Eine zu gering eingestellte Spreizung zwischen PBrenner.ein und PBrenner.aus hat Konsequenzen:
- Häufiges Ein- und Ausschalten durch Überschwingen des Druckes führt zu Temperaturwechselbeanspruchungen und deren negativen Folgen;
- zwangsweise „scharf“ eingestellte Regelparameter im Leistungsregler, um den Sollwert im engen Regelband zu halten. Das Ergebnis ist neben einem hohen Verschleiß an den Stellgliedern im Brenner eine vorzeitige Materialermüdung der beheizten Wandungen.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass mit einer eingestellten Spreizung von 10 bis 15% zwischen PBrenner.ein und PBrenner.aus (abhängig von der Brennerregelung und dem Kesselbetriebsdruck) bezogen auf den Kesselabsicherungsdruck, diese Probleme sicher vermieden werden.
Einstellung Leistungsregler
Moderne Feuerungsmanager haben die Möglichkeit, die Brennerstellzeit, also die Laufzeit zwischen Brennerkleinlast- und -großlaststellung, variabel einzugeben. Gleichzeitig kann über die Regelparameter im Leistungsregler die Reaktionsgeschwindigkeit des Brenners auf Sollwertabweichungen beeinflusst werden. 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 schnell steigendem Wärmeeintrag im Flammrohr. Für den Abtransport dieses Wärmeeintrags sind auf der Wasserseite vor allem die sich bildenden und in den Dampfraum hochsteigenden Dampfblasen zuständig. Diese Dampfblasenbildung erfolgt aber zeitlich leicht versetzt. Die Folgen sind kurzzeitige, örtliche Überhitzungen und zusätzliche Temperaturwechselbeanspruchungen, die langfristig eine Materialermüdung im Bereich der beheizten Kesselwandung beschleunigt.
Steuerungskonzept fürMehrkesselanlagen
Eine Inbetriebnahme mit Einstellung von Feuerungen und Regelverhalten durch Fachpersonal ist zu empfehlen.
Werden Mehrkesselanlagen nicht mit einer automatischen Folgesteuerung ausgerüstet, kommt der Bedienungsmannschaft große Bedeutung zu. Sie muss Kessel abschalten, wenn die Leistungsabnahme den Betrieb mehrerer Kessel nicht mehr rechtfertigt. Geschieht dies nicht, schaltet ein eigentlich nicht benötigter Kessel völlig überflüssig immer wieder dazu mit den bereits oben besprochenen Temperaturwechselbeanspruchungen.
Weiterhin lässt sich eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Kessel feststellen. Während Kessel 1 seine Leistung reduziert, erhöht Kessel 2 die Dampfproduktion und umgekehrt, das heißt die Kessel arbeiten „gegeneinander“ und drücken sich wechselweise ab. Der ungehinderte Wärmeabtransport von den Heizflächen kann nicht mehr gewährleistet werden. Ein Folgesteuerungskonzept ist daher bereits für Kesselanlagen mit zwei Dampferzeugern anzuraten und zwingend erforderlich bei drei oder mehr Kesseln in einem Kesselhaus.
Welche Art der Folgesteuerung (mengen- oder druckabhängige Zu- und Abschaltung der Kessel) zum Einsatz kommt, ist zum einen von der Kesselanzahl und zum anderen davon abhängig, welche Druckschwankungen auf Verbraucherseite akzeptiert werden können. Mit dampfmengenabhängigen Folgesteuerungen kann die realisierbare Druckschwankungsbandbreite deutlich niedriger gehalten werden. Zu beachten ist auch:
- Dampferzeuger in Mehrkesselanlagen müssen hydraulisch voneinander entkoppelt werden, um gegenseitige Beeinflussung zu unterbinden (zum Beispiel durch Rückschlagarmaturen).
- Bereits in der Planung sollte berücksichtigt werden, dass Folgekessel mit einer Bodenheizschlange ausgerüstet werden, um Temperaturschichtungen des Kesselwassers während der Warmhaltephase zu vermeiden.
Häufiges Anfahren aus dem kalten Zustand
Das Anfahren aus dem kalten Zustand stellt die größte mechanische Belastung für den Kesselkörper dar. Grund 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. Verstärkt wird diese Belastung noch, wenn während der Anfahrprozedur keine oder nur eine sehr geringe Dampfblasenbildung stattfinden kann, was zum Beispiel bei geschlossener Dampfentnahmearmatur der Fall ist. Der im Dampfkessel immer vorhandene Naturumlauf springt nicht an. 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:
- anfahren aus dem kalten Zustand bis auf Betriebstemperatur mit möglichst kleiner Brennerlast;
- während des Anfahrvorgangs sollte ständig eine geringe Menge Dampf abströmen können, um den Naturumlauf durch Dampfblasenauftrieb 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 des Warmhalte- oder Stand-by-Betriebs (zum Beispiel im Mehrkesselbetrieb, wenn der Folgekessel nicht benötigt wird) ist bei diesem Kessel jegliche Dampfabgabe unterbunden. Je nach Steuerungskonzept wird hierzu entweder die Dampfentnahmearmatur geschlossen oder der Folgekessel auf einen 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, also mehr als drei Tage, aufrechterhalten, beginnt sich im Kessel eine Temperaturschichtung einzustellen. Werden derart warmgehaltene Kessel wieder in den Normalbetrieb geschaltet, täuscht der hohe Betriebsdruck (heißer oberer Bereich) einen sofort verfügbaren Kessel vor. Die Kesselsteuerung wird diesen dann bei entsprechendem Bedarf in sehr kurzer Zeit mit hoher Brennerlast beaufschlagen. Bedingt durch die Temperaturschichtungen im Kessel treten dann extreme Wärmespannungsbelastungen auf.
Abhilfe kann durch Einbau von Warmhalteheizschlangen im Kesselboden geschaffen werden. Die Dampfbeheizung dieser Heizschlange erfolgt von unten, wodurch schädigende Temperaturschichtungen im Kessel sicher vermieden werden. Damit diese Lösungsvariante eingesetzt werden kann, ist jedoch eine Mehrkesselanlage bzw. eine sichere Fremddampfversorgung notwendig.
Bei starken Laständerungen, das heißt hohen Laständerungsgeschwindigkeiten und damit einhergehend starken Druckschwankungen können im Kessel ungünstige Strömungszustände eintreten. Die für Abfuhr der Wärme von den Heizflächen erforderliche Dampfblasenbildung kann stagnieren bzw. zur Verbindung vieler kleiner Blasen zu größeren Dampfblasen führen, die sich nicht sofort von den Heizflächen ablösen und damit örtliche Überhitzungen begünstigen. Aus diesem Grund sollten bei Kesselanlagen, die Verbraucher mit extrem schwankender Lastabnahme versorgen, besondere Vorkehrungen getroffen werden, um im Kessel die Druckschwankungen unabhängig von der Verbraucherseite zu begrenzen. Erreicht werden kann dies zum Beispiel durch: druckseitig höhere Kesselabsicherung und Einbinden einer Reduzierstation zwischen Kessel und Verbraucher, Einbinden eines Dampfspeichers für Lastspitzen oder eine dem Kessel nachgeschaltete Druckhaltung mit geregeltem Dampfentnahmeventil, um den Kessel vor zu starkem Druckabfall zu schützen.