Kesselspeisepumpen

Die Aufgabe der Speisepumpe besteht darin, die aus dem Dampfkessel abgegebene Dampfmenge und die Wasserverluste durch die Absalzung und Abschlammung mit einer entsprechenden Speise­wasser­menge wieder auszugleichen. Dazu wird das Wasserniveau im Dampfkessel mit einem Schwankungs­bereich von etwa 100 mm konstant gehalten. An die Auslegung der Kesselspeisepumpen sind bereits durch die Vorschriften für den Betrieb von Dampfkesseln besondere Anforderungen gestellt, da Wassermangel im Kessel ein sehr kritischer Betriebszustand ist, den es unbedingt zu vermeiden gilt.

In der EN 12953-6 werden keine besonderen Anforderungen an Förderleistung und Förderdruck gestellt, wenn zwei zuverlässige Wasserstandsbegrenzer besonderer Bauart vorhanden sind, die bei unter­schreiten des Niedrig­wasserstands (NW) im Kessel die Beheizung abschalten. Zusätzlich muss ein mini­maler Abstand zwischen den höchstgelegenen Feuerzügen und der NW-Markierung von mindestens 50 mm eingehalten werden, damit ein Nachverdampfen durch die in den Feuerzügen gespeicherte Wärme­energie nicht zum Austauchen der Heizflächen führen kann.

In allen Bosch Großwasserraumdampfkesseln werden diese Auflagen erfüllt, so dass keine besonderen Anforderungen an die Speisepumpen gestellt werden.

Neben den Anforderungen aus den Vorschriften müssen Speisepumpen auch den Anforderungen an einen wirtschaftlichen Betrieb entsprechen. Dazu gehört insbesondere den Wasserspiegel im Kessel möglichst konstant zu halten und vorhandene Economiser gleichmäßig mit Speisewasser zu durch­strömen, damit die Abgaswärme auch kontinuierlich an das Speisewasser abgegeben werden kann.

Ebenso gilt es die aufzuwendende elektrische Leistung für den Antrieb der Pumpe möglichst gering zu halten und die Drosselverluste durch Regelventile zu minimieren.

Um diese Anforderungen zu erfüllen stehen verschiedene Ausführungen des Pumpenmoduls zur Verfügung. Die eingesetzten Pumpen sind vertikale, mehrstufige Hoch­druckkreiselpumpen mit einem vollständig gekapselten, lüftergekühlten Motor. Bis zu einer Antriebs­leistung von 22 kW können die Pumpen mit einem integrierten Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung ausgerüstet werden. Sie sind speziell für den Einsatz bei Großwasserraumkesseln ausgelegt.

Pumpenkennfeld und Anlagenkennlinien

Energieeinsparung

Da der erforderliche Volumenstrom bei der drehzahlgeregelten Pumpe und einer Ein/Aus-Pumpe mit Regelventil gleich sind, erfolgt die Energieeinsparung nur über den geringeren Förderdruck und nicht über die geringere Fördermenge, wie dies bei Heißwasseranlagen der Fall ist.

Somit schwankt die Energieeinsparung je nach Auslastung der Anlage und dem tatsächlich gefahrenen Betriebsüberdruck:

• Um wenige Prozentpunkte bei hoher Auslastung und Betrieb beim projektierten Druck
• Um bis zu 60 % bei häufigem Betrieb mit abgesenktem Betriebsüberdruck und geringer Auslastung

Drehzahlregelung

Die Drehzahlregelung muss wegen der Dominanz des statischen Gegendrucks die maximale und minimale Pumpendrehzahl in Abhängigkeit vom Kesseldruck begrenzen und somit den aktuellen Betriebs­punkt im Bereich des Pumpenkennfelds halten (grau hinterlegter Bereich in der oben stehenden Abbildung "Beispiel eines Kennfelds einer drehzahlgeregelten Kesselspeisepumpe").

Wie schwierig das sein kann zeigt der Vergleich der Punkte 1 und 4. Während bei 90 % Pumpendrehzahl bei p_DB = 15 bar gerade noch die Mindestmenge gefördert wird (Punkt 1), wird bei der gleichen Drehzahl bei p_(B,ein) = 12 bar schon die volle Nennspeise­wassermenge (Punkt 4) gefördert.

Noch stärker zeigt sich dies bei der Anlagenkennlinie für den abgesenkten Betriebsüberdruck p_m/2.

NPSH-Wert (Net positive suction head)

Der NPSH-Wert gibt den minimalen statischen Druck am Pumpensaugstutzen an bei dem noch keine Kavitation auftritt. Dieser durch die Konstruktion der Pumpe vorgegebene Wert ist von der Fördermenge abhängig und steigt bei großen Fördermengen sehr steil an. Deshalb kann der Bereich rechts der maximalen Fördermenge von 4,9 m³/h nicht genutzt werden ohne Schäden an der Pumpe durch Kavitation zu riskieren.

Pumpenmodul PM

Beim Pumpenmodul wird die Kesselspeisepumpe auf einer Konsole mit Druckanzeiger, Absperr-, Filter- und Rückschlagarmaturen fertig montiert ab Werk geliefert. Um bei Störungen an der Speisepumpe die Betriebsverfügbarkeit der Dampfkesselanlage sicherzustellen werden häufig zwei Pumpenmodule mit Störumschaltung eingebaut.

Pumpenmodul mit Drehzahlregelung

Die Speisepumpen sind zusätzlich mit einem Frequenzumrichter ausgestattet. Durch die auf den Kessel­betrieb abgestimmte Frequenzregelung kann die Motordrehzahl der Pumpe stufenlos geregelt werden. Dadurch verändert sich die Pumpenkennlinie und so kann der Volumenstrom der Pumpe den aktuellen Betriebsbedingungen im Kessel hinsichtlich Betriebsüberdruck und Wasserniveau angepasst werden. Dabei wird vor allem bei abgesenktem Druck im Kessel und in Teillast elektrische Antriebsenergie eingespart.

Schema eines Pumpenmoduls mit allen Armaturen

Vorteile:

• Besonders geringe Investitions­kosten
• Besonders geringe Betriebskosten
• Anpassung der Pumpenkennlinie an unterschiedliche Betriebsdrücke
• Sanftanlauf und damit keine Druckstöße beim Ein- und Ausschalten der Pumpe
• Geringere Kavitationsgefahr im Betrieb durch geringere Volumenströme

Zu beachten:

• Das Regelverhältnis zwischen V_min und V_max sollte mindestens 1:4 betragen
• Bei Einsatz von Economisern sollte nach Möglichkeit der Teillastregelbereich des Brenners auch durch den kleinsten Frequenzregelbereich der Speisepumpe abgedeckt werden. Gegebenenfalls kann auch eine drehzahlgeregelte Speisepumpe mit einem Speise­wasserregel­ventil kombiniert werden.

Beispiel und Erklärungen zum Kennfeld einer drehzahlgeregelten Kesselspeisepumpe

Als Beispiel wird eine drehzahlgeregelte Kesselspeisepumpe eines Kessels mit Economiser mit ṁ_D = 4 000 kg/h Nenndampf­leistung und p_m = 13,3 bar mittlerem Betriebsüberdruck herangezogen.

Pumpenmodul mit/ohne Drehzahlregelung und Zulaufregelung

Ist keine drehzahlgesteuerte Speisepumpe vorhanden, oder kann die drehzahlgeregelte Pumpe den not­wendigen Regelbereich nicht abdecken, empfiehlt sich für alle Kessel, die mit modulierenden Brennern und Abgas­wärmetauschern ausgerüstet sind, eine Stetig­regelung mit dem Speise­wasserregelmodul RM. Das Modul sorgt für längere Durchströmungszeiten des Abgaswärme­tauschers und somit für eine optimale Wärmerückgewinnung aus den Kesselabgasen. Gleichzeitig wird die Mindestmenge, die für die Speisepumpenkühlung erforderlich ist, über das Speise­wasserregelmodul abgesichert. Das vorgefertigte Modul wird an geeigneter Stelle in die Speise­wasser­druck­leitung eingesetzt.

Das Speise­wasserregelmodul zur stufenlosen Kesselspeisung besteht aus einem Speise­wasserregel­ventil, einer Ablauf­einrichtung, einer Schmutzfang­einrichtung und einer Umgehung mit den zugehörigen Absperr­ventilen.

Schema eines Pumpenmoduls und eines Speise­wasserregelmoduls mit allen Armaturen

Speise­wasserregelmodul

Vorteile:

• Sichere Mindestdurchflussmenge zur Kühlung der Speisepumpe
• Effizienzsteigerung der Abgaswärmetauscher
• Reduzierung der Pumpenschaltungen
• Konstantes Kessel­wasserniveau