Verfahren und Anlage zur Vermeidung von Kavitation in einer Sattwasser fördernden Pumpe

Abstract

 Ein Behälter (1) mit Sattwasser (2) ist über eine Saugleitung (4) mit einer Pumpe (5) verbunden. Die Ist-Werte von Druck und/oder Temperatur im Behälter (1) werden durch eine Messeinrichtung (7) erfasst und einem Steuergerät (8) zugeführt, in welchem die Ist-Werte mit festgelegten Werten verglichen werden. In einem Wasserreservoir (9) ist Zumischwasser vorhanden, dessen Temperatur tiefer als die Ist-Temperatur im Behälter (1) ist. Dieses Wasserreservoir (9) steht über eine Zulaufleitung (11) mit der Saugleitung (4) in Verbindung. In der Zulaufleitung (11) ist ein Stellglied (12) angeordnet, das vom Steuergerät (8) angesteuert wird. Wenn die Ist-Werte im Behälter (1) die festgelegten Werte erreichen, so dass die Pumpe (5) kavitieren könnte, wird das Stellglied (12) durch das Steuergerät (8) geöffnet, um Zumischwasser in die Saugleitung (4) einzubringen.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Vermeidung von Kavitation in einer Sattwasser fördernden Pumpe, welche Pumpe über eine Saugleitung mit einer Sattwasserquelle in Verbindung steht. Sie betrifft weiter ein thermisches Kraftwerk mit einer solchen Anlage.

Stand der Technik

[0002] Als Kavitation wird eine Dampfblasenbildung und ein Dampfblasenzerfall in einer strömenden Flüssigkeit bei einer Druck- und/oder Geschwindigkeitsänderung bezeichnet. Sinkt infolge Reibung, durch Beschleunigung einer strömenden Flüssigkeit usw. der Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit ab, so bilden sich in der Flüssigkeit Dampfblasen. Bei einem nachfolgenden Druckanstieg, z.B. infolge einer Verzögerung der Flüssigkeit, kommt es zur Kondensation der Dampfblasen. Dieser Vorgang ist infolge der plötzlichen Volumenänderung mit sehr starken Druckstössen verbunden, die erhebliche Schäden z.B. in einer diese Flüssigkeit fördernden Pumpe verursachen können.

[0003] In thermischen Kraftwerken wird an verschiedenen Stellen Wasser im Sättigungszustand unter Druckerhöhung gefördert und damit besteht die Gefahr von Kavitation.

[0004] Als Beispiele können die Speisung von regenerativen Vorwärmern aus einem Speisewasserbehälter/Entgaser bzw. Kondensator oder die Speisung eines Verdampfersystems aus einer Verdampfertrommel genannt werden.

[0005] Druckschwankungen im Zulaufsystem der Pumpen der obigen Anlagenteile können nun zu solchen Ausdampfungen und damit Kavitation führen. Solche Druckschwankungen können beispielsweise durch schnelle Laständerungen beim An- und Abfahren eines thermischen Kraftwerkes oder durch plötzliche Abgabe grosser Dampfmengen aus der Verdampfertrommel eines Dampferzeugers durch Entnahme oder Abblasen hervorgerufen werden.

[0006] Bisher sind Pumpenschäden infolge Kavitation durch die Regelung des Druckes im Zulaufsystem, insbesondere eine Begrenzung des Druckabfalls auf der Saugseite der Pumpen und durch die Überwachung des Förderverhaltens der Pumpe einschliesslich der Auslösung einer Schutzabschaltung im Falle von unzulässigen Förderbedingungen verhindert worden.

[0007] Bekannte Einrichtungen zur Regelung des Druckes im Zulaufsystem können insbesondere bei kurzzeitigen Störungen die erforderlichen Bedingungen für den einwandfreien Betrieb der Pumpe nicht immer sicherstellen, was zu einer Schutzabschaltung führen kann. Eine Schutzabschaltung von Pumpen in einer Anlage ist jedoch unerwünscht.

Darstellung der Erfindung

[0008] Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und eine Anlage zur Vermeidung von Kavitation in einer Sattwasser fördernden Pumpe zu schaffen, die bei unzulässigen Druckänderungen im Zulaufsystem der Pumpe, z.B. durch ein verzögertes, fehlerhaftes oder unzureichendes Ansprechen der Regelung des Druckes im Zulaufsystem, einen weitergehenden Betrieb derselben sicherstellt. Ein weiteres Ziel ist es, ein thermisches Kraftwerk mit einer solchen Anlage zu schaffen.

[0009] Erfindungsgemäss wird dies erreicht, indem die Ist-Werte von Druck und/oder Temperatur des Sattwassers in mindestens der Sattwasserquelle erfasst und mit festgelegten Werten von Druck und/oder Temperatur, die eine Kavitation begünstigen, verglichen werden, und in dem Falle, dass die Ist-Werte die festgelegten Werte erreichen, der Pumpe saugseitig Zumischwasser zugeführt wird, dessen Temperatur tiefer als der festgelegte Temperaturwert ist.

[0010] Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich durch eine Zumischwasserquelle aus, die über eine Zulaufleitung mit einem Stellglied mit der Saugleitung in Verbindung steht. Als Stellglied können ein Ventil, eine Klappe, ein Schieber und dergleichen als konkrete Bauform zum Einsatz kommen.

[0011] Ein thermisches Kraftwerk mit einer solchen Anlage zeichnet sich dadurch aus, dass die Zumischwasserquelle ein Wasserreservoir ist, das ein in Durchlaufrichtung des Wasser- bzw. Dampfkreislaufes der Sattwasserquelle vorgelagerter oder ein innerhalb der Hilfsanlagen des Kraftwerkes angeordneter Wasser enthaltender Behälter oder ein Wasser enthaltendes System ist.

[0012] Die Zufuhr des Zumischwassers kann beispielsweise durch ein Pumpen erfolgen, durch ein Ansaugen des Zumischwassers aufgrund einer zwischen der Zumischwasserquelle und der Zumischstelle vor der Pumpe vorhandenen Druckdifferenz, aufgrund einer Höhendifferenz zwischen der in einer Anlage angeordneten Zumischwasserquelle und der Zumischstelle vor der Pumpe, oder durch eine Kombination dieser Möglichkeiten.

[0013] Bei einem thermischen Kraftwerk mit einer solchen Anlage kann die Zumischwasserquelle in Durchlaufrichtung des Wasser-/Dampfkreislaufes vor der Sattwasserquelle liegen oder ein innerhalb der Hilfsanlagen des Kraftwerkes angeordnetes Wasserreservoir niedriger Temperatur sein, beispielsweise ein Wasser enthaltender Tank, ein Wassersystem, ein Wasserbehälter, eine Wasserleitung, usw..

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0014] Figur 1 zeigt rein schematisch eine Ausführung der erfindungsgemässen Anlage; und Figur 2 zeigt rein schematisch ein thermisches Kraftwerk mit einer Anlage nach Figur 1, wobei nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Einheiten gezeichnet sind.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0015] In einem als Sattwasserquelle 1 ausgebildeten Behälter befindet sich Sattwasser 2 und über dem Sattwasser 2 unter Druck stehender Dampf 3. Das Sattwasser 2 wird über eine Saugleitung 4 und durch eine als Sattwasserpumpe ausgebildete Pumpe 5 aus dem Behälter 1 gefördert und irgendwelchem Verbraucher zugeführt.

[0016] Im Behälter 1 ist nun eine Druck und/oder Temperatur erfassende Messeinrichtung 7 angeordnet, deren Ausgang einem Steuergerät 8 zugeführt ist. In diesem Steuergerät 8 sind die zulässigen Werte für Druck und/oder Temperatur im Behälter 1 gespeichert, bzw. werden anhand der aktuellen Anlagedaten berechnet. Im Betrieb werden nun diese gespeicherten bzw. berechneten Werte, also festgelegte Werte, mit den Ist-Werten von Druck und/oder Temperatur im Behälter 1 verglichen.

[0017] Die Bezugsziffer 9 bezeichnet ein als Zumischwasserquelle dienendes Wasserreservoir, wobei die Temperatur des Zumischwassers niedriger als die Temperatur des Sattwassers 2 im Behälter 1 ist.

[0018] Dieses Wasserreservoir 9 ist über eine Zulaufleitung 11 mit der Saugleitung 4 an einer Stelle vor der Sattwasserpumpe 5 verbunden. Als Förderorgan des Zumischwassers vom Wasserreservoir 9 in die Saugleitung 4 ist eine Pumpe 10 eingezeichnet. Diese Pumpe 10 ist jedoch lediglich als Beispiel zu betrachten. Die Förderung des Zumischwassers kann auch durch eine Saugwirkung, eine zwischen dem Wasserreservoir 9 und der Saugleitung 4 vorhandene Druckdifferenz, auch aufgrund einer anlagebedingten Höhendifferenz zwischen dem Wasserreservoir 9 und der Saugleitung 4 und dergleichen erfolgen.

[0019] In der Zulaufleitung 11 ist ein Stellglied 12 angeordnet. Dieses Stellglied 12 wird gemäss einer bevorzugten Ausführung vom Steuergerät 8 folgendermassen gesteuert:

⇒ In einer Vergleichseinheit 23 des Steuergerätes 8 werden die erfassten Ist-Werte von Druck und/oder Temperatur im Behälter 1 mit den festgelegten Werten verglichen.

⇒ Wenn die genannten Ist-Werte im Sattwasserbehälter 1 die festgelegten Werte erreichen, kann die Zumischung des Zumischwassers zunächst durch eine einfache Auf-/Zu-Steuerung des Stellgliedes 12 erfolgen.

⇒ Des weiteren kann im Steuergerät 8 die zur Erlangung der Soll-Werte notwendige Menge des Zumischwassers (dessen Temperatur ebenfalls im Steuergerät 8 gespeichert ist oder gemessen wird) berechnet und durch ein gesteuertes Öffnen des Stellgliedes 12 (Anfahren einer konkreten Position des Stellgliedes) die notwendige Zumischwassermenge dem durch die Saugleitung 4 strömenden Sattwasser 2 zudosiert werden.

⇒ Damit wird die Temperatur des durch die Sattwasserpumpe 5 geförderten Sattwassers 2 auf Werten gehalten, die Kavitation mit Sicherheit vermeiden.

⇒ Haben sich im Behälter 1 wieder Bedingungen eingestellt, welche mit Sicherheit nicht zum Kavitieren der Sattwasserpumpe 5 führen, so wird das Stellglied 12 über das Steuergerät 8 wieder geschlossen.

[0020] Die Figur 1 zeigt weiter eine Überwachungsvorrichtung 6. Diese Überwachungsvorrichtung 6 ermittelt und überwacht die Betriebszustände vor und/oder nach der Sattwasserpumpe 5, indem Druck und/oder Temperatur stromauf und/oder stromab der Sattwasserpumpe 5 mittels entsprechender Messeinrichtungen 24, 25 ermittelt werden.

[0021] Diese ermittelten Werte werden zusätzlich dem Steuergerät 8 zugeführt und in der Vergleichseinheit 23 mit entsprechenden Soll-Werten verglichen. Das Stellglied 12 wird in diesem Fall als Regelorgan ausgeführt, indem durch eine Prüfung und ein Vergleichen der Bedingungen an der Sattwasserpumpe 5 mit den Soll-Werten eine Korrektur an der Position des Stellgliedes 12 erfolgt, d.h. der Mengenfluss vom Wasserreservoir 9 zur Saugleitung 4 wird geregelt, d.h. abhängig von den durch die Messeinrichtung 24 und/oder die Messeinrichtung 25 ermittelten Werten geändert.

[0022] Falls die maximal mögliche Menge des Zumischwassers zur Verhinderung einer Kavitation nicht ausreicht, wird die Sattwasserpumpe 5 durch die Überwachungsvorrichtung 6 abgeschaltet.

[0023] Die Figur 2 zeigt schematisch und stark vereinfacht ein thermisches Kraftwerk, das (mindestens) eine wie oben beschriebene Anlage aufweist. Dabei werden so weit wie möglich dieselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet.

[0024] Das thermische Kraftwerk weist einen durch Heizgas 26 (z.B. Rauchgas oder Abgas einer Gasturbine) beheizten Dampferzeuger 13 auf, wobei der Dampf über eine Frischdampfleitung 14 einer Dampfturbine 15 zuströmt, die mit einem Generator 16 verbunden ist. Der Abdampf der Dampfturbine 15 strömt in einen Kondensator 22, der einen Hotwell 9 aufweist, welcher der Zumischwasserquelle (Wasserreservoir) der Figur 1 entspricht. Der Hotwell 9 ist von einer Speisewasserpumpe 10 gefolgt, wieder entsprechend der in der Figur 1 gezeigten Ausführung. Von der Speisewasserpumpe 10 führt eine Speisewasserleitung 17 zum Dampferzeuger 13 zurück, z.B. zu dessen Economiser 27.

[0025] Der Dampferzeuger 13 weist als Beispiel eines Sattwasser 2 enthaltenden Behälters eine Dampftrommel 1 auf. Vom Economiser 27 führt eine Zuströmleitung 19 zur Dampftrommel 1. Von der Dampftrommel 1 führt eine Ausströmleitung 20 zum Niederdruckverdampfer 28 und vom ND-Verdampfer 28 führt in bekannter Weise eine Zuströmleitung 18 zur Dampftrommel 1 zurück. Weiter verläuft eine Niederdruckdampfleitung 29 von der Dampftrommel 1 zu einem Überhitzer 30 und vom Überhitzer 30 verläuft eine Niederdruckdampfleitung 21 zur Dampfturbine 15.

[0026] Von der Sattwasserpumpe 5 führt eine Speisewasserleitung 31 in das lediglich gestrichelt angedeutete Hochdrucksystem des Dampferzeugers 13 und schliesslich bezeichnet die Bezugsziffer 14 die vom Hochdrucksystem kommende HD-Frischdampfleitung.

[0027] Der Dampftrommel 1 ist das Steuergerät 8 zugeordnet, welches das Stellglied 12 steuert, das in der Zulaufleitung 11 (siehe auch Fig. 1) angeordnet ist, welche bei dieser gezeigten Ausführung von der Speisewasserleitung 17 kommend in die Saugleitung 4 mündet, um im Bedarfsfall der Saugleitung 4 zur Verhinderung eines Kavitierens der Sattwasserpumpe 5 kälteres Zumischwasser zuzuführen.

[0028] Zu bemerken ist, dass der beschriebene Dampferzeuger irgendwelcher bekannter Bauart sein kann, also nicht auf das beschriebene Heizflächenkonzept beschränkt ist.

Bezugsziffernliste

[0029] 

1

Sattwasserquelle, Behälter (Dampftrommel)

2

Sattwasser

3

Dampf

4

Saugleitung

5

Pumpe, Sattwasserpumpe

6

Überwachungsvorrichtung

7

Messeinrichtung

8

Steuergerät

9

Zumischwasserquelle, Wasserreservoir (Hotwell)

10

Pumpe, Speisewasserpumpe

11

Zulaufleitung

12

Stellglied

13

Dampferzeuger

14

HD-Frischdampfleitung

15

Dampfturbine

16

Generator

17

Speisewasserleitung (zum Niederdruckeconomiser)

18

Zuströmleitung (vom Niederdruckverdampfer)

19

Zuströmleitung (vom Niederdruckeconomiser)

20

Ausströmleitung (zum Niederdruckverdampfer)

21

ND-Dampfleitung zur ND-Dampfturbine

22

Kondensator

23

Vergleichseinheit

24

Messeinrichtung

25

Messeinrichtung

26

Heizgas

27

Economiser

28

ND-Verdampfer

29

ND-Dampfleitung

30

Überhitzer

31

Speisewasserleitung (zum nicht gezeichneten Hochdrucksystem)

Ansprüche

1. Verfahren zur Vermeidung von Kavitation in einer Pumpe, die saugseitig mit einer Sattwasserquelle in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass Ist-Werte von Druck und/oder Temperatur des Sattwassers in mindestens der Sattwasserquelle erfasst und mit festgelegten Werten von Druck und/oder Temperatur, die eine Kavitation in der Pumpe begünstigen, verglichen werden, und dass in dem Falle, dass die Ist-Werte die festgelegten Werte erreichen, der Pumpe saugseitig Zumischwasser zugeführt wird, dessen Temperatur tiefer als der festgelegte Temperaturwert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer als unzulässig ermittelten Veränderung der Ist-Werte ein festgelegter, unveränderlicher Mengenstrom des Zumischwassers so lange zuführt wird, bis die Ist-Werte wieder in einem keine Kavitation begünstigenden Bereich liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer als unzulässig ermittelten Veränderung der Ist-Werte ein vom Grad der Abweichung abhängiger Mengenstrom des Zumischwassers so lange zugeführt wird, bis die Ist-Werte wieder in einem keine Kavitation begünstigenden Bereich liegen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer als unzulässig ermittelten Veränderung der Ist-Werte ein mengenmässig geregelter Mengenstrom des Zumischwassers so lange zugeführt wird, bis die Ist-Werte wieder in einem keine Kavitation begünstigenden Bereich liegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Ist-Werte von Druck und/oder Temperatur vor und/oder nach der Pumpe erfasst und mit weiteren festgelegten Werten von Druck und/oder Temperatur vor und/oder nach der Pumpe, die eine Kavitation in der Pumpe begünstigen verglichen werden, und dass in dem Falle, dass die weiteren Ist-Werte die weiteren festgelegten Werte erreichen, ein Zuführen des Zumischwassers mit einer tieferen Temperatur erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Ist-Werte von Druck und/oder Temperatur vor und/oder nach der Pumpe erfasst und mit weiteren festgelegten Werten für Druck und/oder Temperatur vor und/oder nach der Pumpe, die eine Kavitation begünstigen verglichen werden, und dass bei einem Überschreiten der weiteren festgelegten Werte trotz maximal möglich zuführbarem Mengenstrom an Zumischwasser die Pumpe abgestellt wird.

7. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Pumpe (5), die über eine Saugleitung (4) mit der Sattwasserquelle (1) in Verbindung steht, gekennzeichnet durch eine Zumischwasserquelle (9), die über eine Zulaufleitung (11) mit einem Stellglied (12) mit der Saugleitung (4) in Verbindung steht.

8. Anlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (8), das Messeinrichtungen (7) zum Erfassen der Ist-Werte des Druckes und/oder der Temperatur des Wassers in der Sattwasserquelle (1) und eine Vergleichseinheit (23) zum Vergleichen von festgelegten Druck- und/oder Temperaturwerten mit den Ist-Werten aufweist, um in dem Fall, dass die Ist-Werte die festgelegten Werte erreichen, das Stellglied (12) von seiner Schliessposition in eine Offenposition zu steuern, um ein Strömen des Zumischwassers mit der tieferen Temperatur in einem unveränderlichen Mengenstrom in die Saugleitung (4) zu ermöglichen, und um das Stellglied (12) nach einer erfolgten Änderung der Werte von Druck und/oder Temperatur des Wassers in der Sattwasserquelle (1) zu keine Kavitation begünstigenden Werten wieder zu schliessen.

9. Anlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (8), das Messeinrichtungen (7) zum Erfassen der Ist-Werte des Druckes und/oder der Temperatur des Wassers in der Sattwasserquelle (1) und eine Vergleichseinheit (23) zum Vergleichen von festgelegten Druck und/oder Temperaturwerten mit den Ist-Werten aufweist, um in dem Falle, dass die Ist-Werte die festgelegten Werte erreichen, das Stellglied (12) in seiner Position so zu verändern, gemäss welcher ein im Steuergerät (8) in Abhängigkeit der Ist-Werte ermittelter Mengenstrom des Zumischwassers mit der tieferen Temperatur der Saugleitung (4) zugeführt wird.

10. Anlage nach einem der Ansprüche 7 - 9, gekennzeichnet durch eine Überwachungsvorrichtung (6), die Messeinrichtungen (24, 25) zum Erfassen von weiteren Ist-Werten von Druck und/oder Temperatur vor und/oder nach der Pumpe (5) aufweist, welche Überwachungseinrichtung (6) mit dem Steuergerät (8) in Verbindung steht, um abhängig von den erfassten weiteren Ist-Werten das Stellglied (12) von seiner Schliessstellung in eine Offenstellung zu steuern oder eine Regelung der Stellung des Stellgliedes (12) zum Durchlassen eines von den erfassten weiteren Ist-Werten abhängigen Mengenstromes an Zumischwasser zu bewirken, und welche Überwachungseinrichtung (6) weiter dazu dient, bei einer ungenügenden Menge zugeführten Zumischwassers die Pumpe (5) abzuschalten.

11. Thermisches Kraftwerk mit einer Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumischwasserquelle (9) ein Wasserreservoir ist, das ein in Durchlaufrichtung des Wasser-/Dampfkreislaufes der Sattwasserquelle (1) vorgelagerter oder ein innerhalb der Hilfsanlagen des Kraftwerkes angeordneter, Wasser enthaltenden Behälter oder ein Wasser enthaltendes System ist.

Zeichnung