Allgemeines

Ein Dampfkessel ist ein geschlossenes beheiztes Gefäß oder ein Druckrohrsystem, das dem Zweck dient, Wasserdampf von höherem als atmosphärischem Druck (p > 1,013 bar absolut) oder Heißwasser mit Temperaturen oberhalb von 100°C für Heiz- und Betriebszwecken zu erzeugen.

Wird der Dampfkessel zur Erzeugung von Dampf genutzt, dann spricht man von einem Dampferzeuger. In Abhängigkeit von der Dampfnutzung wird in einem Dampfkessel Sattdampf oder Heißdampf erzeugt.

Die Wärmezufuhr kann durch Befeuerung mit gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen, durch Abkühlung von Rauchgasen (Abhitze, z.B. bei GuD-Kraftwerken) sowie durch Konzentrierende-Solarstrahlung, nukleare oder auch durch elektrische Beheizung erfolgen. In anderen Fällen kann der Dampfkessel durch die Wärme beheizt werden, die bei der chemischen Reaktion zur Herstellung von Grundprodukten der chemischen Industrie in Reaktoren entsteht. Weitere Quellen von Abwärme sind die Verbrennungsgase aus Metallschmelzgefäßen.

Bei den befeuerten Anlagen dienen als Brennstoffe Kohle, Erdöl, Erdgas und zunehmend auch Biomasse sowie Abfälle. Bei festen Brennstoffen unterscheidet man Staubfeuerung, Rostfeuerung und Wirbelschichtfeuerung. Die Größe von Dampfkesseln ist variabel, in Dampfkraftwerken kann ihre Höhe bis über 130 m bei ähnlichen Dimensionen in Breite und Tiefe und einer Dampfleistung bis zu 3600 to Dampf pro Stunde betragen. Die Größen betragen beispielsweise bei dem fortschrittlichen, mit Braunkohle betriebenen Block K des Kraftwerkes Niederaußem:

• 168 m Kesselhaushöhe,
• 2620 Tonnen Dampf pro Stunde,
• eine thermische Leistung von 2306 MW,
• ein Brennstoffverbrauch von 847 t pro Stunde,

bei Auslegungsparametern 274 bar und 580°C (Frischdampf) bzw. 600°C (nach Zwischenüberhitzer).

Das Tragwerk eines Dampfkessels besteht im wesentlichen aus Stahlprofilen mit Fundamenten aus Beton. Alternativ kann auch Stahlbeton für das Tragwerk verwendet werden. Die Außenwände des Tragwerkes sind mit Blechen für den Wetter- und Lärmschutz verkleidet.

Dampfkesseltypen

Die verschiedenen Kesseltypen kann man entweder nach der Bauform oder der Feuerungs- oder Brennstoffart unterscheiden.

Bei der Bauform unterscheidet man zwischen Schnelldampferzeugern, Großwasserraumkesseln und Wasserrohrkesseln.

Großwasserraumkessel

Zu den Großwasserraumkesseln gehören:

• Flammrohrkessel
• Rauchrohrkessel
• Flammrohr-Rauchrohrkessel.

Diese Kesselbauart besitzt einen zylindrischen Mantel. In dem Flammrohr findet die Verbrennung statt. Das Rauchgas wird in den Rohren geleitet und das Wasser befindet sich um die rohre. Bei einfachen Kessel war bis zur Mitte des 20. Jahrhundert lediglich ein oder zwei Flammrohre eingebaut, die eine Rostfeuerung für feste Brennstoffe aufnahmen.

Beim Übergang auf Öl- oder Gasfeuerungen wurde in das Flammrohr stinseitig geschlossen und ein Gebläsebrenner eingebaut. Zur besseren Ausnutzung des Brennstoffes wurde der Flammrohrkessel modifiziert und zusätzliche Rauchrohre in den den Kessel eingezogen. Das Flammrohr erhielt eine Wendekammer, so dass der Rauchgasstrom in die nachgeschalteten Rauchgasrohre geleitet wird. Die heute vorwiegend verwendete Bauart ist der Flammrohr-Rauchrohr-Dreizug-Kessel. Er besitzt ein Flammrohr und 2 Rauchgaszüge und somit eine vordere und hintere Wendekammer. Der Zug bezeichnet eine durchgehende Heizfläche zwischen zwei Umleitungen des Strömungsweges.

Der Rauchrohrkessel ist ein Abhitzkessel. Dem Kessel ist eine Feuerung, z.b. eine Feuerbüchse, ein Feuerraum oder eine Gasturbine vorgeschaltet.

Der Großwasserraumkessel wird für kleinere bis mittlere Dampfleistungen und Dampfdrücke eingesetzt. Die Drücke sind begrenzt, da der Mantel mit Durchmessern bis 4 m für den Druck ausgelegt sein muss. Leistungsgrenzen sind:

Dampfdrücke: bis 32 bar

Dampfleistung: bis 28 t/h (Ein Flammrohr), 55 t/h (Zwei Flammrohre).

Die gesammten Schweißarbeiten am Kesselkörper werden beim Hersteller ausgeführt. Bei kleineren und mittleren Kessel kann auch die Isolierung und die Installation der Ausrüstung beim Hersteller erfolgen, so dass am Aufstellungsort lediglich der Anschluss zu den Komponenten der Dampfkesselanlage und an den Dampfverbraucherkreis erfolgen muss.

Wasserrohrkessel

Beim Wasserrohrkessel befindet sich im Gegensatz zum Großwasserraumkessel das Wasser in den Rohren. Diese Kesselbauart wird bei höheren Dampfleistungen und -drücke eingesetzt. Der Wasserrohrkessel wird auch bei der Feststoffverbrennung eingesetzt, da der Brennrauch im Gegensatz zu Flammrohr beliebig durch die Anordnung von Rohrwänden gestaltet werden kann. In den Rauchgasweg können Russbläser eingefahren werden, um bei starker Staubanfall die Heizflächen zu säuern.

Folgende Varianten gehören zu den Wasserrohrkessel:

• Naturumlaufkessel
• Zwangsumlaufkessel und
• Zwangsdurchlaufkessel.

Die Heizflächen werden von dem heißen Abgas berührt und nehmen die Wärme auf. Im Bereich der Verbrennung (hohe Wäremstromdichte) und in wärmetechnisch oder durch Abrasion/Korrosion gefährdeten Bereichen werden vor den Rohrwänden Feuerstesteinbauten eingebracht oder die Flächen werden bestiftet und mit Stampfmasse ausgekleidet. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges werden in die Züge Schlangenverdampfer eingehangen. Da der von Wasserrohrkesseln erzeugte Dampf oft für Dampfturbinen genutz wird, muss der Dampf überhitzt werden. Dazu werden in dem Rauchgasweg im Bereich mittlerer Rauchgastemperaturen Überhitzer eingehängt. In dem letzten Zug wird meistens der Vorwärmer eingesetzt. Die Restwärme kann noch in dem Luftvorwärmer (LuVo) zur Erwärmung der Verbrennungsluft genutzt werden. Das Abgas wird dann der Abgasreinigung zugeführt.

Die statische Stabilität dieser Konstruktion wird durch Verschweißen der Rohre mit Flacheisen erreicht, die dadurch gleichzeitig dicht gegenüber den Rauchgasen wird.

Schnelldampferzeuger

Der Schnelldampferzeuger ist ein Wasserrohrkessel für kleinere Leistungen zur Erzeugung von Nass- bzw. Sattdampf. Die Heizflächen bestehen lediglich aus einer spiralförmig gewundenen Rohranordnung. Der Brenner ist auf der Achse der Heizspirale angeordnet. Brennstoffmenge und die Liefermenge der Pumpe sind so abgestimmt, dass Nassdampf mit geringem Restwasseranteil erzeugt wird. In der Dampfleitung wird oft noch ein Wasserabscheider angeordnet, um nahezu Sattdampfverhältnisse zu erreichen. Da der Schnelldampferzeuger kein Speichervolumen hat, sollten nur solche Dampfverbraucher angeschlossen werden, die eine gleichmäßige Dampfmenge benötigen. Der Vorteil des Schnelldampferzeugers beruht auf dem günstigeren Preis gegenüber dem Flammrohr-Rauchrohr-Kessel und die kurze Anfahrzeit vom kalten zum Betriebszustand. Die Leistungsgrenzen sind:

Dampfdrücke: bis 32 bar

Dampfleistung: bis 2 t/h.

Reaktordruckgefäss

In Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktor wird der Dampf in Wärmetauschern erzeugt, in denen mittels Zwangsdurchlaufs des im Reaktordruckbehälter erhitzten Primärwassers das Speisewasser im Sekundärkreislauf verdampft wird. In Kernkraftwerken von (Siemens AG/KWU) kommen Dampferzeuger mit stehenden U-Rohren vor, im Kernkraftwerk Mülheim-Kärlich (BBC/BBR- Babcock-Brown Boveri Reaktor GmbH) waren liegende Geradrohr-Dampferzeuger im Einsatz.

Sicherheit von Dampfkesseln

Beschaffenheitsvorschriften

Dampfkessel sind überhitzungsgefährdete Druckgeräte im Sinne der Druckgeräterichtlinie 97/23/EG und dürfen nur in Verkehr gebracht werden, wenn der Hersteller durch ein Konformitätsbewertungsverfahren unter Beteiligung einer benannten Stelle nachgewiesen hat, dass die grundlegenden Sicherheitsanforderungen der Richtlinie eingehalten wurden. Der Hersteller bringt das CE-Zeichen an und stellt eine Konformitätserklärung aus.

Harmonisierte Produktnormen für Dampfkessel sind:

• EN 12952-1 bis 17: Wasserrohrkessel
• EN 12953-1 bis 14: Großwasserraumkessel
• EN 1422: Edelstahl-Großwasserraumkessel

Bei Anwendung dieser Normen kann der Hersteller davon ausgehen, dass er die grundlegenden Sicherheitsanforderungen der Richtlinie erfüllt (Vermutungswirkung).

Es können aber auch andere Normen und Regelwerke angewandt werden, z.B. die Technischen Regeln Dampfkessel Dampfkessel (TRD) in Verbindung mit VdTÜV-Veröffentlichungen.

Betriebsvorschriften

Dampfkessel bzw. Dampfkesselanlagen haben aufgrund ihrer hohen gespeicherten Energie und ihren hohen inneren Druckes ein hohes Gefährdungspotential. Sie gehören deshalb zu den überwachungsbedürften Anlagen nach der Technischen Regeln für Dampfkessel TRD und der Betriebssicherheitsverordnung. Aufgrund dieser Bestimmungen sind

• die Dampfkessel vor der Inbetriebnahme durch eine zugelassene Überwachungsstelle zu prüfen
• bei der zuständigen Behörde ein Erlaubnis zum Betreiben dieser Anlage einzuholen
• in bestimmten Fristen wiederkehrende Prüfungen (innere und äußere Prüfungen, Festigkeitsprüfungen) durch eine zugelassene Überwachungsstelle durchzuführen.

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