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Die Qualität des Kesselwassers und Kesselspeisewassers von Dampferzeugern muss einschlägigen, von der Bauart und Betriebsweise des Damfperzeugers abhängigen, →Anforderungen genügen, um einen sicheren, gesetzeskonformen und wirtschaftlichen Betrieb des Dampferzeugers zu gewährleisten. Innerhalb der Europäischen Union werden diese Anforderungen u.a. in einschlägigen harmonisierten europäischen Normen (z.B. EN 12952-12, EN 12953-10) und darüber hinausgehend in von verschiedenen Verbänden (z.B. VGB, VdTÜV) herausgegebenen Regelwerken definiert. Natürliches Wasser und Wasser aus der kommunalen Wasserversorgung genügt diesen Anforderungen ohne Ausnahme nicht, vielmehr ist eine Aufbereitung durch verschiedene Wasseraufbereitungsverfahren erforderlich.
Vereinfachtes Fließschema Wasser-Dampf-Kreislauf:
1 = Zusatzwasseraufbereitung, 2 = Speisewasserbehälter mit Entgaser, 3 = Dampferzeuger, 4 = Prozess (z.B. Dampfturbine), 5 = Kondensatreinigung, 6 = Dosierung
a = Rohwasser, b = Zusatzwasser, c = Kesselspeisewasser, d = Frischdampf, e = Kondensat, f = chemisches Konditionierungsmittel
Das Kesselspeisewasser (c), i.W. zusammengesetzt aus Zusatzwasser (b) und rücklaufendem Kondensat (e), wird aus dem Speisewasserbehälter (2) in den Dampferzeuger (3) gefördert, und dort verdampft. Der Frischdampf (d) strömt in den Prozess (4) und kondensiert. Aus dem Prozess (4) rücklaufendes Kondensat (e) wird in den Speisewasserbehälter (2) gefördert, ggf. nach vorhergehender Aufbereitung in der Kondensatreinigungsanlage (5). Wasserverluste im Wasser-Dampf-Kreislauf, z.B. durch Kesselabsalzung, werden durch Zusatzwasser (b) ausgeglichen, welches in der Zusatzwasseraufbereitungsanlage (1) aus Rohwasser (a), z.B. aus der kommunalen Wasserversorgung stammend, erzeugt wird.
Eine Aufgabe im Rahmen der Kesselspeisewasseraufbereitung ist es, Fremdstoffeinbrüche in den Wasser-Dampf-Kreislauf auf ein zulässiges Maß zu reduzieren. Bei Fremdstoffen kann es sich um Schwebstoffe, ionogen gelöste Stoffe oder gelöste Gase handeln. Fremdstoffe gelangen i.d.R. über das Zusatzwasser (b) in das Kesselspeisewasser (c) und damit in den Wasser-Dampf-Kreislauf; jedoch sind auch kondensatseitige (e) Fremdstoffeinbrüche möglich, z.B. durch Korrosionsvorgänge, Leckagen, chemische Konditionierung (f) oder prozessbedingte Kontamination. Durch die ↓Zusatzwasseraufbereitung (1) und ↓Kondensatreinigung (5) werden i.W. Schwebstoffe und ionogen gelöste Stoffe aus dem Zusatzwasser (b) und Kondensat (e) entfernt, durch die ↓Entgasung (2) i.W. gelöste Gase aus dem Kesselspeisewasser (c).
Eine weitere Aufgabe ist die ↓chemische Konditionierung des Kesselwassers und Kesselspeisewassers, um Korrosionsvorgänge im Wasser-Dampf-Kreislauf zu steuern. Dazu werden mit einer Dosieranlage (6) an geeigneten Stellen chemische Konditionierungsmittel (f) in das Kesselspeisewasser dosiert.
In den inzwischen veralteten TRD 611 wurde abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des Kesselspeisewassers zwischen „salzhaltiger“,„salzarmer“ und „salzfreier“ →wasserchemischer Fahrweise von Dampferzeugern unterschieden. In den aktuellen harmonisierten europäischen Normen wird diese Einteilung sinngemäß weiter verwendet, jedoch ohne entsprechende Begriffe zu definieren. Prozeßdampferzeuger werden i.d.R. „salzhaltig“ oder „salzarm“ betrieben, Dampferzeuger für den Turbinenbetrieb i.d.R. „salzfrei“. Bei „salzfreier“ Fahrweise wird zusätzlich noch abhängig von der Art der chemischen Konditionierung von Kesselwasser und Kesselspeisewasser weiter unterschieden, z.B. AVT (All Volatile Treatment) bei ausschließlicher Verwendung flüchtiger Alkalisierungsmittel zur pH-Einstellung des Kesselspeisewassers. Für jede der verschiedenen Fahrweisen ergeben sich bei gegebener Bauart und gegebenem Betriebsdruck des Dampferzeugers unterschiedliche Anforderungen an die Qualität von →Kesselspeisewasser und →Kesselwasser, mit entsprechenden Auswirkungen auf die einzusetzenden Wasseraufbereitungsverfahren.
Für die Zusatzwasseraufbereitung werden verschiedene Filtrations-, Ionenaustausch- und Membranverfahren eingesetzt, abhängig von der Herkunft und Qualität des Rohwassers sowie der Ausführung und →wasserchemischen Fahrweise der Dampferzeugeranlage.
Bei „salzhaltiger“ Fahrweise wird i.d.R. eine →Enthärtungsanlage zur Entfernung der Erdalkali-Ionen Calcium und Magnesiumionen aus dem Zusatzwasser eingesetzt, bei „salzarmer“ Fahrweise i.d.R. eine →Umkehrosmoseanlage zur Entsalzung des Zusatzwassers.
Bei „salzfreier“ Fahrweise ist eine Vollentsalzung des Zusatzwassers erforderlich, entweder durch →Ionenaustausch- oder →Membranverfahren. Eine typische auf Ionenaustausch basierende Anlagenschaltung ist z.B. eine →Vollentsalzungsanlage bestehend aus Kationentauscher, Rieseler, Anionentauscher und Mischbettaustauscher.
Abhängig von der Herkunft und Qualität des Rohwassers können weitere vorgeschaltete Aufbereitungsschritte erforderlich sein, z.B. bei Brunnenwasser oft eine →Kiesfilteranlage zur Enteisenung und Entmanganung, oder bei Oberflächenwasser eine →Mehrschichtfilteranlage oder →Ultrafiltrationsanlage mit vorgeschalteter →Flockungsmittel-Dosierung.
Membrananlage zur Vollentsalzung von Zusatzwasser, zweistraßig, Schaltung: Kerzenfilter → Umkehrosmose → Membranentgasung → EDI → Mischbettaustauscher.
Kondensatenthärtungsanlage für einen Industriebetrieb.
In der Kondensatreinigung werden i.d.R. Ionenaustauschverfahren zur Enthärtung oder Entsalzung eingesetzt, da diese im Vergleich zu Membranverfahren für deutlich höhere Prozesstemperaturen ausgeführt werden können. Abhängig von der erwarteten Rohkondensatqualität und den durch die →wasserchemischen Fahrweise der Dampferzeugeranlage definierten Anforderungen ergeben sich die Auswahl und Auslegung der Aufbereitungsverfahren.
Für kleinere bis mittelgroße Damperferzeugeranlagen im industriellen Bereich wird eine Kondensatreinigungsanlage oft nur aus gegebenem Anlaß vorgesehen, z.B. bei kontaminiertem Prozesskondensat.
Bei „salzhaltiger“ und „salzarmer“ Fahrweise ist in vielen Fällen ein →Kerzenfilter zur Entfernung von Schwebstoffen wie z.B. Rostpartikeln ausreichend. Bei Kontamination des Kondensats mit Fremdwasser wird zusätzlich eine heißwasserbeständige →Enthärtungsanlage zur Entfernung von Calcium- und Magnesiumionen vorgesehen. Derartige Anlagen können für einen Dauerbetrieb mit einer Kondensattemperatur von 100 °C und mehr ausgelegt werden.
Bei „salzfreier“ Fahrweise ist abhänig von der Art der ↓chemischen Konditionierung eine Vollentsalzung des Kondensats erforderlich, ebenso bei kontaminiertem Prozeßkondensat (z.B. in der Papier- und Zellstoffindustrie) oder möglichem Fremdstoffeinbruch durch Kondensatorleckagen. I.d.R. wird ein →Mischbettaustauscher eingesetzt, ggf. mit vorgeschaltetem Kationentauscher oder →Kationen- und Anionentauscher. Die zulässige Betriebstemperatur wird hier durch die Temperaturbeständigkeit der Anionentauscherharze begrenzt; i.d.R. werden derartige Anlagen mit einer Kondensattemperatur zwischen 50 °C und 60 °C betrieben. Dazu wird ein Wärmeverschiebesystem zur Kühlung und anschließenden Rückerwärmung des Kondensats vor- und nachgeschaltet. Zur Entfernung von Schwebstoffen wie z.B. Rostpartikeln wird i.d.R. ein →Kerzenfilter vorgeschaltet.
Für Sonderanwendungen kommen weitere Aufbereitungsverfahren zum Einsatz, z.B. →Aktivkohlefilter zur Entölung oder Ionenaustauscher mit Sonderregeneration zur Entfernung von Kupfer oder anderen Schwermetallen.
Zur Entgasung von Kesselspeisewasser wird i.d.R. ein thermischer Entgaser eingesetzt, in Europa bei kleinen bis mittelgroßen Anlagen (Dampfmassenstrom ≤ 250 t/h ≈ 70 kg/s) i.d.R. als →Rieselentgaser ausgeführt, bei größeren Anlagen (Dampfmassenstrom > 300 t/h ≈ 80 kg/s) i.d.R. als Sprühentgaser. Alternative Verfahren spielen hier nur in Ausnahmefällen eine Rolle, z.B. →Membranentgasung oder eine ausschließlich ↓chemische Entgasung bei Kleinstanlagen.
Bei größeren Turbinenkraftwerken wird gelegentlich auf einen separaten Entgaser verzichtet, eine Teilentgasung des Kondensats erfolgt dann in der Vakuumstufe des Kondensators. Diese Betriebsweise setzt i.d.R. eine neutrale ↓chemische Konditionierung bzw. Oxygenated Treatment (OT) voraus.
Thermische Entgasungsanlage für einen Prozeßdampferzeuger: Rieselentgaser, Speisewasserbehälter, Armaturen und Meßtechnik, Probenahmekühler, Kompaktdosierstation, Kesselspeisepumpen.
Zur chemischen Konditionierung des Wasser-Dampf-Kreislaufs werden mit einer →Dosieranlage verschiedene Dosierchemikalien in das Kesselspeisewasser dosiert. Diese Dosierchemikalien können z.B. zur Einstellung von pH-Wert und Säurekapazität, zur chemischen Sauerstoffentfernung, als Inhibitor für Wasserhärte oder als Filmbildner wirken. Abhängig u.a. von der →wasserchemischen Fahrweise der Dampferzeugeranlage kommen verschiedene Dosierkonzepte zum Einsatz.
Dosierstation zur AVT/Phosphat-Konditionierung von Kesselspeisewasser und Kesselwasser.
Dosierchemikalien können in flüchtige und nichtflüchtige Mittel eingeteilt werden. Flüchtige Dosierchemikalien dienen hauptsächlich der Konditionierung von Kesselspeisewasser und Kondensat, nichtflüchtige der Konditionierung des Kesselwassers. Diese Trennung ist jedoch nicht bei allen Betriebsweisen und Dosierchemikalien zutreffend. Insbesondere bei mit nur geringer Eindickung des Kesselwassers betriebenen Dampferzeugern, z.B. bei „salzhaltiger“ Fahrweise, wird das Kesselspeisewasser auch wesentlich durch nichtflüchtige Mittel konditioniert; hier wird oft auf die Dosierung flüchtiger Mittel verzichtet. Bestimmte nicht- oder nur gering flüchtige Chemikalien zersetzten sich bei hohen Drücken und Temperaturen in flüchtige Komponenten, z.B. das weniger flüchtige Hydrazin (N2H4) in stärker flüchtiges Ammoniak (NH3) und Stickstoff (N2).
Bei „salzhaltiger“ und „salzarmer“ Fahrweise erfolgt die pH-Konditionierung des Kesselwassers z.B. durch Dosierung von Trinatriumphosphat (Na3PO4) in das Kesselspeisewasser, bei geringen bis mittleren Druckstufen wird i.d.R. zusätzlich ein Sauerstoffbindemittel dosiert, z.B. Natriumsulfit (Na2SO3). Bei hoher Eindickung des Kesselwassers oder Problemen mit kondensatseitiger Korrosion können zusätzlich flüchtige Mittel dosiert werden, z.B. Ammoniaklösung (NH3) zur pH-Korrektur. Bei Anlagen dieser Art ist vielfach der Einsatz von unter Fantasienamen vertriebenen Chemikalienmischungen üblich, die tatsächliche Eignung und Wirtschaftlichkeit dieser Chemikalienmischungen für einen gegebenen Anwendungsfall ist erfahrungsgemäß nicht immer gegebenen.
Bei „salzfreier“ Fahrweise werden kleine bis mittelgroße Anlagen i.d.R. alkalisch gefahren, d.h. Konditionierung des Kesselspeisewassers durch flüchtige Mittel, z.B. Ammoniaklösung (NH3), und Konditionierung des Kesselwassers durch nichtflüchtige Mittel, z.B. Trinatriumphosphat (Na3PO4) oder im Einzelfall Natronlauge (NaOH). Eine chemische Sauerstoffabbindung ist bei Anlagen dieser Art i.d.R. nicht erforderlich.
Bei größeren Turbinenkraftwerken kommt alternativ zu der oben beschriebenen alkalischen Konditionierung auch eine neutrale Fahrweise bzw. OT (Oxygenated Treatment) zum Einsatz, insbesondere für den Betrieb von Durchlaufkesseln. Dabei wird das Kesselspeisewasser ohne oder bei reduziertem Einsatz chemischer pH-Konditionierung zusätzlich mit Oxidationsmitteln wie z.B. Wasserstoffperoxid oder Sauerstoff konditioniert. Diese Fahrweise stellt strengere Anforderungen an die Reinheit von Kesselspeisewasser und Kondensat, bietet jedoch unter Berücksichtigung aller Komponenten des Wasser-Dampf-Kreislaufs bestimmte Vorteile.
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