Kesselgebläse unterstützen eine stabile Verbrennungsluftversorgung in Industrieanlagen

In einem Industriekessel hängt die Verbrennungsstabilität nicht nur vom Brenner selbst ab. Auch bei wechselnder Kessellast muss die Verbrennungsanlage mit der richtigen Luftmenge und dem erforderlichen Druck versorgt werden. Kesselgebläse mit Zwangszug liefern diese Verbrennungsluft, indem sie Umgebungsluft oder vorgewärmte Luft in Richtung Brenner, Windkasten, Rost oder Ofen drücken. In Systemen mit ausgeglichenem Luftzug arbeitet das Zwangszuggebläse zusammen mit dem Saugzuggebläse, um den Luftstrom durch den Kessel zu steuern.

Warum die Verbrennungsluftversorgung wichtig ist

Wenn der verfügbare Sauerstoff nicht ausreicht, kann Kraftstoff nicht effizient verbrennen. Gleichzeitig ist es keine Lösung, einfach mehr Luft zuzuführen. Überschüssige Luft absorbiert Wärme und leitet zusätzliche Wärme durch den Kamin ab, was die Effizienz des Kessels verringern kann. Aus diesem Grund müssen Kesselgebläse mit Zwangszug über den gesamten Betriebsbereich für einen ausreichenden Luftstrom sorgen und nicht nur die maximal mögliche Luftmenge erzeugen.

Stellen Sie sich zum Beispiel einen Biomassekessel vor, der zwischen 60 % und 100 % Last betrieben wird. Wenn der Ventilator unabhängig von der Kessellast nahezu mit voller Drehzahl läuft, kann es sein, dass das System bei niedriger Last zu viel Verbrennungsluft erhält. Der bessere Ansatz besteht darin, den Luftstrom entsprechend dem tatsächlichen Kraftstoffbedarf zu steuern, indem je nach Systemdesign eine Einlassklappe, eine Einlassleitschaufel oder ein VFD verwendet wird. Untersuchungen zur variablen Drehzahlregelung von Kesselhäusern haben auch den Zusammenhang zwischen Ventilatorbetrieb, Luftüberschuss und Kesseleffizienz gezeigt. 

Wählen Sie den Ventilator nicht allein über die Motorleistung aus

Einer der häufigsten Fehler beim Austausch eines Kesselventilators besteht darin, nach einem 30-kW-, 45-kW- oder 75-kW-Motor zu fragen und zu erwarten, dass der Ventilatorhersteller alles anhand dieser Zahl ermittelt. Die Motorleistung ist ein Ergebnis des Lüfterauswahlprozesses und nicht der primäre Auswahlparameter.

Für Ventilatoren mit Zwangszugkessel sollten die grundlegenden Informationen Folgendes umfassen:

Erforderlicher Luftstrom, z. B. m³/h oder CFM

Erforderlicher statischer Druck oder Gesamtdruck

Lufteintrittstemperatur

Kraftstofftyp

Kesselkapazität

Betriebshöhe

Erwarteter Lastbereich

Druckverluste in Kanälen und Geräten

Brenner- oder Rostwiderstand

Druckabfall des Luftvorwärmers, falls installiert

Kontrollmethode

Motorspannung und -frequenz

Anordnung der Ventilatorinstallation

Drehrichtung und Auslassposition

Der Druckbedarf sollte aus dem gesamten Luftweg berechnet werden. Kanäle, Bögen, Klappen, Filter, Luftvorwärmer, Windkästen, Brennerregister und andere Komponenten tragen alle zum Widerstand bei. 

Ein praktisches Beispiel für die Ventilatorauswahl

Angenommen, ein Industriekessel benötigt unter den Auslegungsbetriebsbedingungen 18.000 m³/h Verbrennungsluft bei 2.200 Pa statischem Druck. Der Ventilator sollte nicht einfach als „18.000 m³/h-Ventilator“ ausgewählt werden.

Zunächst sollte der Ingenieur bestätigen, ob 18.000 m³/h der tatsächlich erforderliche Betriebsluftstrom sind oder ob darin bereits der erforderliche Auslegungsspielraum enthalten ist. Als nächstes müssen die Druckverluste zwischen dem Ventilatoreinlass und dem Ofen berechnet werden.

Zum Beispiel:

Luftkanalverlust: 300 Pa

Dämpferverlust: 180 Pa

Luftvorwärmerverlust: 450 Pa

Windbox- und Brennerverlust: 700 Pa

Sonstige Systemverluste: 350 Pa

Erforderlicher Spielraum: separat je nach Projektdesign bewertet

Die Lüfterauswahl sollte dann anhand des resultierenden Betriebspunkts und nicht nur anhand des Luftstroms überprüft werden. Dies ist besonders wichtig, wenn Kesselgebläse als Ersatz für ein bestehendes Gerät verwendet werden, da Änderungen an den Rohrleitungen oder am Brenner den tatsächlichen Betriebspunkt verschieben können.

Ventilatordruck und Luftstrom müssen zum Kessel passen

Ein Ventilator kann bei niedrigem Druck einen großen Luftstrom erzeugen und trotzdem nicht die erforderliche Luft an den Ofen liefern. Umgekehrt kann die Wahl eines zu hohen Drucks zu unnötiger Drosselung und höherer Betriebsleistung führen.

Deshalb ist die Lüfterleistungskurve wichtig. Der Auslegungspunkt sollte in einem geeigneten Bereich der Ventilatorkurve liegen, mit genügend Regelbereich für den normalen Kesselbetrieb.

Bei Kessel-Zwangszuggebläsen würde ich normalerweise mindestens drei Betriebspunkte überprüfen:

Minimale stabile Kessellast

Normale Betriebslast

Maximale Dauerbelastung

Wenn der Kessel normalerweise bei 70–90 % Last läuft, sollte der Ventilator nicht nur für einen theoretischen 100 %-Punkt optimiert werden. Der tatsächliche Betriebsbereich ist wichtig, da sich der Verbrennungsluftbedarf mit der Brennstoffzufuhr ändert.

Die VFD-Steuerung kann nützlich sein, ist aber nicht automatisch die beste Lösung

Für Kesselgebläse werden häufig Antriebe mit variabler Frequenz in Betracht gezogen, da die Gebläsegeschwindigkeit an die Kessellast angepasst werden kann. Bei Radialventilatoren stellen die Ventilatorgesetze eine nützliche Grundlage für das Verständnis der Auswirkungen von Geschwindigkeitsänderungen dar: Der Luftstrom ändert sich ungefähr mit der Geschwindigkeit, der Druck ändert sich ungefähr mit dem Quadrat der Geschwindigkeit und die Leistung ändert sich ungefähr mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit.

Dies bedeutet, dass eine relativ kleine Reduzierung der Drehzahl zu einer deutlichen Reduzierung der Lüfterleistung führen kann.

Bei der Auswahl des Frequenzumrichters sollten jedoch auch der Motor, die Mindestbetriebsgeschwindigkeit, die Reaktion der Steuerung, die Startanforderungen, harmonische Überlegungen und die erforderliche Strategie zur Luftstromsteuerung berücksichtigt werden. Ein VFD sollte nicht einfach hinzugefügt werden, weil es effizienter klingt. Das gesamte Kesselsteuerungssystem muss berücksichtigt werden. Was passiert, wenn der Ventilator zu klein ist? Ein zu kleiner Kessel-Zwangszugventilator mag bei Niedriglastbetrieb akzeptabel erscheinen, wird jedoch zu einem Engpass, wenn der Kessel sich der Volllast nähert.

Typische Symptome sind:

Der Lüfter läuft nahe der Höchstgeschwindigkeit

Unfähigkeit, den erforderlichen Luftstrom zu erreichen

Niedriger Sauerstoffgehalt im Ofen

Instabile Verbrennung

Zunehmendes CO

Reduzierte Dampfproduktion

Höherer Kraftstoffverbrauch

Übermäßiger Druckabfall im Luftsystem

Klappe bleibt vollständig geöffnet

Vor dem Austausch des Lüfters sollten Techniker jedoch sicherstellen, dass das Problem tatsächlich an der Lüfterkapazität liegt. Ein verschmutzter Filter, ein verstopfter Kanal, eine falsch positionierte Klappe, ein verschmutzter Luftvorwärmer oder ein modifizierter Brenner können den Systemwiderstand erhöhen und Symptome hervorrufen, die wie ein zu kleiner Ventilator aussehen.

Fallbeispiel: Biomassekessel mit unzureichendem Luftstrom

Stellen Sie sich einen Biomassekessel vor, der ursprünglich für etwa 15.000 m³/h Verbrennungsluft ausgelegt war. Nach mehreren Betriebsjahren wurde die Anlage auf einen feuchteren Biomassebrennstoff umgestellt.

Der Betreiber stellte fest, dass der Kessel bei hoher Belastung den vorherigen Verbrennungszustand nicht mehr aufrechterhalten konnte. Die anfängliche Vermutung war, dass der FD-Lüfter zu klein geworden war.

Bei einer Inspektion vor Ort wurden drei wichtige Bedingungen festgestellt:

Der Lüfter erreichte immer noch ungefähr seine ursprüngliche Auslegungsgeschwindigkeit.

Die Einlassklappe war fast vollständig geöffnet

Der neue Kraftstoff enthielt deutlich mehr Feuchtigkeit.

Daher überprüfte das Ingenieurteam den Verbrennungsluftbedarf und den Systemdruck, bevor es sich für einen Ersatzventilator entschied. Dies ist wichtig, da ein Wechsel des Brennstoffs die erforderlichen Verbrennungsbedingungen verändern kann; Eine bloße Vergrößerung der Lüftergröße löst das zugrunde liegende Prozessproblem möglicherweise nicht.

Die endgültige Lüfterauswahl basierte auf den geänderten Luftstrom- und Druckanforderungen und nicht auf der alten Motorleistung.

FD-Lüfter und ID-Lüfter müssen gemeinsam betrachtet werden

In einem Kessel mit ausgeglichenem Zug liefert der FD-Ventilator Verbrennungsluft, während der ID-Ventilator Rauchgas entfernt und dabei hilft, den erforderlichen Ofendruck aufrechtzuerhalten. Diese beiden Ventilatoren erfüllen unterschiedliche Aufgaben, wirken sich jedoch direkt auf denselben Verbrennungsprozess aus.

Wenn die FD-Seite wesentlich mehr Luft zuführt, als das System entfernen kann, kann der Ofendruck ansteigen. Wenn die Innenseite zu stark gegenüber der einströmenden Verbrennungsluft zieht, kann ein übermäßiger Unterdruck entstehen.

Daher ist es beim Austausch von Kessel-Zwangszuggebläsen sinnvoll, auch die Funktion des vorhandenen Saugzuggebläses zu überprüfen. Der neue FD-Lüfter sollte in den Betriebsbereich des gesamten Zugkontrollsystems passen und nicht als isoliertes Gerät bewertet werden.

Die Lufttemperatur beeinflusst auch die Ventilatorauswahl

Die Temperatur der Verbrennungsluft sollte vor der Auswahl von Kesselgebläsen angegeben werden.

Wenn der Ventilator Umgebungsluft fördert, unterscheidet sich die Dichte von einem System, in dem die Luft durch einen Luftvorwärmer geleitet wird. Mit zunehmender Lufttemperatur nimmt ihre Dichte ab, was sich auf das Verhältnis zwischen Volumenstrom, Massenstrom, Druck und Ventilatorleistung auswirkt.

Beispielsweise können zwei Systeme auf dem Papier beide 20.000 m³/h anzeigen, während sie bei deutlich unterschiedlichen Lufttemperaturen betrieben werden. Die technische Berechnung muss daher die tatsächliche Betriebstemperatur und den tatsächlichen Betriebsdruck ermitteln, anstatt die Volumenzahl als unabhängig von den Betriebsbedingungen zu betrachten.

Dies ist besonders wichtig bei Kesseln, die Luftvorwärmer oder andere Wärmerückgewinnungsgeräte verwenden.

Wartungsprüfungen, die nicht übersprungen werden sollten

Selbst ein richtig ausgewählter Lüfter kann aufgrund von Wartungsproblemen an Leistung verlieren. Bei Kesselgebläsen mit Zwangszug sollte die Routineinspektion das Laufrad, die Lager, die Welle, die Kupplung, den Motorstrom, die Vibration, den Einlasszustand, die Klappenposition und die Rohrleitungen umfassen.

Wenn der Luftstrom allmählich abnimmt, während die Lüftergeschwindigkeit unverändert bleibt, erhöhen Sie die Geschwindigkeit nicht sofort. Erster Check:

Verstopfung des Einlassfilters

Dämpferöffnung

Kanalverstopfung

Verschmutzung des Laufrads

Lagerzustand

Zustand des Riemens oder der Kupplung

Lüfterrotation

Systemdruck

Brenner- oder Windboxwiderstand

Ein durch Staub oder Ablagerungen verunreinigtes Laufrad kann den aerodynamischen Zustand verändern und die Unwucht verstärken. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit zum Ausgleich kann die mechanische Belastung erhöhen, ohne das ursprüngliche Problem zu lösen. Welche Informationen sollten an einen Ventilatorhersteller gesendet werden? Bei einer Ausschreibung für Kesselgebläse mit Zwangszug sollte eine nützliche technische Anfrage weit mehr als nur die Kesselkapazität umfassen.

Eine praktische Ausschreibung kann Folgendes umfassen:

Kesselkapazität: 20 TPH

Brennstoff: Biomasse / Kohle / Erdgas / Öl

Erforderlicher Luftstrom: 18.000 m³/h

Erforderlicher Druck: 2.200 Pa

Lufttemperatur: 40°C

Höhe: 35 m

Betriebsfrequenz: 50 Hz

Motorspannung: 415 V

Steuerung: VFD

Installation: Innen

Rotation: Wird noch bestätigt

Austrittsrichtung: Noch zu bestätigen

Wenn der vorhandene Ventilator ausgetauscht wird, sind auch Fotos, Typenschildinformationen, Ventilatorkurve, Motordaten, Kanalabmessungen und tatsächliche Betriebsmessungen äußerst nützlich.

Je vollständiger die Betriebsdaten sind, desto einfacher ist es, Kesselgebläse auszuwählen, die der tatsächlichen Kesselleistung entsprechen, anstatt ein Modell aus einem Katalog auszuwählen, das nur auf dem Nennluftstrom basiert.

Abschließende Überlegungen

Der Hauptzweck von Kessel-Zwangszuggebläsen ist einfach: Sie versorgen das Verbrennungssystem mit stabiler, kontrollierbarer Luft mit dem vom Kessel benötigten Druck. Die technische Herausforderung besteht darin, diesen Luftstrom über den gesamten Betriebsbereich verfügbar zu machen und gleichzeitig die Lüfterleistung, den Ofendruck, die Verbrennungsbedingungen und die mechanische Zuverlässigkeit unter Kontrolle zu halten.

Bei einem neuen Kesselprojekt sollte der Ventilator aus der kompletten luftseitigen Widerstandsberechnung ausgewählt werden. Bei einem Austauschprojekt sollten die tatsächlichen Betriebsdaten mit der ursprünglichen Lüfterkurve verglichen werden, bevor entschieden wird, ob das Problem an einer unzureichenden Lüfterleistung, einem erhöhten Systemwiderstand oder einer Änderung der Verbrennungsbedingungen liegt.

Ein gut ausgewählter Kessel-Zwangszugventilator ist daher nicht einfach nur ein Ventilator mit hohem Luftdurchsatz. Dabei handelt es sich um eine Komponente, die auf den Brennstoff des Kessels, das Verbrennungssystem, die Druckverluste, die Betriebstemperatur, die Regelungsmethode und den erwarteten Lastbereich abgestimmt ist. Dadurch kann der Kessel eine stabile Verbrennung aufrechterhalten, ohne dass die Lüfterleistung unnötig verschwendet wird.