Wykład III czII. modernizacja kotłów ciepłowniczych wodnych rusztowych

Zakres modernizacji ciepłowniczych kotłów WR

Kompleksową modernizację jednostek kotłowych typu WR należy podzielić na siedem grup zagadnień:

1. Modernizacja skrzyni powietrznej i rozdział powietrza podmuchowego(pierwotnego)

2. Modernizacja układu podawania paliwa

3. Modernizacja układu powietrza wtórnego

4. Modernizacja układu wyciągowego

5. Modernizacja instalacji odpylania spalin

6. Montaż dodatkowych wymienników w ciągu spalinowym ( kotły WR-10)

7. Zastosowanie układów automatycznej regulacji

Zagadnienie 1

.Zadanie obejmuje swoim zakresem działań remont ścian bocznych skrzyń wraz z ich uszczelnienie.. Niestety rozwiązanie to nie zawsze poprawiła możliwości regulacyjnych ilości powietrza podmuchowego. Zatem proponuje się jeden z poniższych wariantów modernizacji układu doprowadzenia świeżego powietrza:

I - zmianę konstrukcyjną klap regulacyjnych montowanych wewnątrz skrzyń, przy zachowaniu dotychczasowego systemu napędu czyli układu cięgien i dzwigni; bądź

II - zastosowanie bezpośredniego doprowadzenia powietrza do poszczególnych stref podmuchowych i przeniesienie rozdziału powietrza na zewnątrz kotła.

W pierwszym wariancie istotne jest zastosowanie klap regulacyjnych charakteryzujących następującymi parametrami:

• Zwartą budową umożliwiającą montaż w tym samym miejscu co dotychczasowe klapy,

• Wytrzymałością zarówno pod względem mechanicznym jak i promieniowaniem termicznym,

• Proporcjonalną krzywą regulacji - zaprezentowaną na rys.

Rysunek 8. Bezwymiarowe charakterystyki przepływowe klap regulacyjnych :

1- rozwiązanie tradycyjne, 2 -rozwiązanie projektowane

Zaletą tego rozwiązania jest pełna kontrola nad rozdziałem powietrza podmuchowego do poszczególnych stref przy zachowanym dotychczasowym układzie sterowania; natomiast wadą jest pozostawienie klap regulacyjnych pod pokładem rusztowym.

W wariancie drugim, podstawowym założeniem jest wyeliminowanie skomplikowanego układu sterowanie położeniem klap umieszczonych pod rusztem. Proponuje się zatem montaż poziomego kolektora powietrza pierwotnego wraz z pionowymi przewodami doprowadzającymi do poszczególnych stref na zewnątrz kotła. Przewody rozdzielcze wyposażone są w przepustnice regulacyjne - klapy o liniowej charakterystyce przepływu Zaletami tego rozwiązania jest zwiększenie szczelności skrzyni powietrznej rusztu i łatwość zastosowania relatywnie tanich siłowników regulujących stopień otwarcia klap. Rozwiązanie to wymaga wolnej przestrzeni na bocznej ścianie kotła oraz na poziomie palacza do posadowienia pomostów z układem przewodów.

W układzie powietrza podmuchowego najważniejszą rolę odgrywa wentylator.

Należy zatem zwrócić uwagę na dwa aspekty: wydajność wentylatora podmuchowego oraz możliwości regulacji wydajności w funkcji obciążenia kotła. Wydajność wentylatora w warunkach nominalnych obciążeń, jeżeli nie jest prawidłowa należy skorygować poprzez montaż odpowiedniej wielkości wirnika. Natomiast dotychczasowy sposób regulacji wydajności - dławieniowy - realizowany przy pomocą układu żaluzji, docelowo powinien a zostać zastąpiony regulacja płynną zmiany obrotów silnika poprzez montaż falownika.

Zagadnienie 2. Modernizacja układu podawania paliwa sprowadza się do usprawnienia działania płynnej regulacji posuwu rusztu oraz wprowadzenia mechanicznego napędu sterowaniem położenia warstwownicy.Dwa te proste zabiegi umożliwią szybką regulację ilości paliwa ułożonego na pokładzie rusztowym jak i jego równomierny rozkład. Pozwoli to na stosunkowo szybkie zmiany obciążeń cieplnych kotła przy jednoczesnej minimalizacji strat przesypu i niecałkowitego spalania.

Zagadnienie 3

Układ doprowadzania powietrza podmuchowego wtórnego w wielu jednostkach kotłowych istnieje choć nie był i nie jest eksploatowany od momentu uruchomienia kotłów. Sytuacja ta także ma miejsce w kotłowni należącej do KSM, a szczególnie dotyczy to jednostek WR-5 .

Instalacja ta powinna składać się z następujących elementów:

• Wentylatora powietrza wtórnego - na ogół posadowionego na poziomie odżużlania,

• Zespołu przewodów doprowadzających,

• Układu dysz znajdujących się w przednim sklepieniu kotła.

Proponuje się wykonanie remontu istniejących instalacji bądź montaż nowych układów. Zaleca się stosowanie wtórnego podmuchu powietrza szczególnie przy obciążeniach kotłów bliskich wartościom nominalnym.

Zagadnienie 4

Modernizacja układu odprowadzenia spalin polega na zastosowaniu automatycznej regulacji wydajności wentylatorów wyciągowych. Jest to szczególnie istotny aspekt gdy sprawnie działa regulacja ilościowa powietrza podmuchowego. Regulacja wentylatora wyciągowego umożliwia utrzymanie na odpowiednim poziomie podciśnienie w komorze paleniskowej kontrolując tym samym ilość powietrza zasysanego z zewnątrz tzw. fałszywego poprzez nieszczelności w obmurzu i w pozostałej części przewodów odprowadzających spaliny.

W jedenastkach typu WR-25 i większych regulacja wentylatorów wyciągowych odbywa się przy pomocy falowników. Jednak w kotłach mniejszych, WR-5 i WR-10 wystarczająca jest regulacja dławieniowa przy pomocy klap regulacyjnych zamontowanych przed króćcami ssawnymi wentylatorów.

Zagadnienie 5

Na podstawie przeprowadzonych oględzin i opinii obsługi kotłowni stwierdza się czy, instalacja odpylania spalin w chwili obecnej nie budzi zastrzeżeń zarówno pod względem szczelności jak i sprawności. Proponuje się w perspektywie większego remontu wymianę wyeksploatowanych cyklonów do baterie multicyklonów z wykładziną bazaltową o sprawności odpylania na poziomie 90%.

Zagadnienie 6

Dla kotłów typu WR-10 proponuje się rozwinięcie powierzchni grzewczych kotła poprzez montaż dodatkowego wymiennika. W wyniku wymiany ciepła nastąpi obniżenie temperatury spalin odlotowych do temperatury nie przekraczającej temperatury punktu rosy w kanale i w kominie, czyli do poziomu 130-150 °C. Tym samym zmniejszy się wartość straty kominowej kotła, a w całkowitym bilansie wymiennik ten podwyższa sprawność energetyczną źródła, stąd popularna nazwa tego urządzenia : ekonomizer.

Na rysunku przedstawiono zależność straty kominowej od temperatury spalin dla kotła przykładowego kotła typu WR-10 przy dwóch obciążeniach 5 MW i 7,4 MW.

Zależność straty kominowej od temperatury spalin

Obecnie praktykowane są dwa rozwiązania:

• Montaż wymiennika powietrze-spaliny w ciągu spalinowym, za wentylatorem wyciągowym. Temperatura spalin stabilizuje się podgrzewając pierwotne powietrze podmuchowe zasysane z zewnątrz. Rozwiązanie to jest analogiczne dla kotłów typu WR o większej mocy, gdzie wymienniki wstępnego podgrzewu powietrza są montowane fabrycznie.

• Montaż wymiennika woda-spaliny w ciągu spalinowym przed wentylatorem wyciągowym. Temperatura spalin stabilizowana jest przez podgrzewający się strumień wody powracającej z sieci ciepłowniczej.

Na rysunku 10a i 10b przedstawiono warianty włączenia wymiennika woda-spaliny wraz z punktami pomiarowymi, w obieg hydrauliczny Kotłowni. Wariant pierwszy z punktu widzenia autorów jest korzystniejszy, jednak poprawna praca kotła w tym układzie wymaga dodatkowej stabilizacji przepływu wody. Wariant drugi nie wpływa na przepływ czynnika przez kocioł natomiast wymaga zainstalowania dodatkowej pompy pokrywającej straty ciśnienia wody przy przepływie przez wymiennik.

Schemat podłączenia i punktów pomiarowych wymiennika

dla kotła typu WR-10 wariant I

Schemat podłączenia i punktów pomiarowych wymiennika

dla kotła typu WR-10 wariant II

Specyfikację oraz zakres pomiarowy wyżej wymienionych elementów przedstawiono

w tabeli 3.

Specyfikacja punktów pomiarowych wymiennika woda-spaliny.

Lp.	Oznaczenie	Nazwa	Zakres
1	Ts	Pomiar temperatury spalin	0-300 °C
2	T1,T2	Pomiar temperatury wody przed i za wymiennikiem	1-150 °C
3	p1,p2	Pomiar ciśnienia wody przed i za wymiennikiem	0-2,5 MPa
4	W	Pomiar przepływu wody	0-15 t/h
5	ZR	Zawór regulacyjny	DN40, Kvs =20m^3/h

Zagadnienie 7

Wprowadzenie systemu automatycznej regulacji pracy kotłów jest ostatnim etapem modernizacji źródła. Wymaga on wykonania pozostałych działań modernizacyjnych jako niezbędnych do prawidłowego prowadzenia procesu spalania przy zarówno stałych jak i zmiennych obciążeniach kotła.

System automatycznego sterownia pracą jednostki kotłowej powinien zapewniać:

• Regulację mocy cieplnej kotłów zgodnie z zadaną wartością z lokalnego systemu nadzoru i sterowania,

• Regulację warunków spalania w komorze paleniskowej, maksymalizację sprawności energetycznej kotła przy jednoczesnym spełnieniu ograniczeń emisji zanieczyszczeń,

• Optymalizacje pracy pomocniczych urządzeń kotłowych w zakresie zużycia energii elektrycznej,

• Automatyczne procesy wygaszania kotła po zasygnalizowaniu stanów awaryjnych,

• Półautomatyczne sterowanie praca kotła podczas rozruchu i wygaszania.

Dla kotłów typu WR-5 i WR 10 proponuje się przyjęcie dwóch systemów:

• Podsystemu sterowania częścią ogniowo-powietrzną, oraz

• Podsystem sterowania częścią wodna kotła współpracującą z układem sterowania obiegami wodnymi.

Schemat technologiczny sterowania częścią ogniową kotła wraz z częścią wodną przedstawiono na rysunku 11, a przykładowe obwody regulacji i specyfikację sygnałów w tabeli 4 i 5.

Rysunek 11. Schemat technologiczny systemu sterowania kotłem WR- części ogniowo-powietrznej i wodnej

Tabela 4. Przykładowe obwody regulacji kotła WR

Obwód	Opis
1	Sterowanie mocą użyteczną kotła
2	Sterowanie wydajnością wentylatora podmuchowego i przepustnicami podmuchów strefowych - środkowych
3	Sterowanie położeniem przepustnicy strefy podmuchowej
4	Sterowanie położeniem przepustnic powietrza strefy VI i VII
5	Sterowanie pracą wentylatorów wyciągowych
6	Sterowanie przepływem wody przez kocioł
7	Sterowanie temperaturą wody zasilającej kocioł

. Przykładowa specyfikacja punktów pomiarowych części ogniowej kotła WR

Harmonogram prac i szacunkowe koszty modernizacji

Proces modernizacji kotłowni przebiega w pięciu, kolejnych etapach.

1. Modernizacja kotłów w zakresie skrzyni powietrznej rusztu, układu powietrza wtórnego i układu podawania paliwa

2. Opomiarowanie kotłów oraz wprowadzenie automatycznego sterowania pracą wentylatorów podmuchowych i wyciągowych

3. Pełen zakres automatycznego sterowania praca kotłów

4. Automatyczna regulacja obiegów podmieszania i stabilizacji ciśnienia

5. Wprowadzenie nadrzędnego systemu sterowania pracą systemu ciepłowniczego

( węzły, sieć, źródło)

Bezpośrednim efektem modernizacji kotłów będzie obniżenie kosztów produkcji ciepła na skutek: zmniejszenia zużycia paliwa i energii elektrycznej, zmniejszenia emisji zanieczyszczeń a także ograniczenia strat eksploatacyjnych uzyskanych dzięki poprawie jakości obsługi.

Na rysunku zamieszczono względne nakłady inwestycyjne i efekty ekonomiczne w rozbiciu na wymienionej etapy modernizacji. Przyjęto następujące założenia:

• wzrost sprawności do około 84 %,

• zwiększenie mocy o około 20 %,

• zmniejszenie zużycia energii elektrycznej o około 30 % (bezstopniowe sterowanie prędkości rusztu, pomp, wentylatorów itp.)

Rysunek 12. Względne koszty inwestycyjne i eksploatacyjne w układzie narastającym

Z analizy porównawczej wynika , że najbardziej opłacalne są etapy I i II. Realizacja etapu IV i V jest relatywnie niskoopłacalna w porównaniu z początkowymi inwestycjami, co oznacza iż system automatycznego sterowania układem zmieszań wodnych oraz nadrzędny system sterowania powinny zostać wdrożone w momencie gdy zarówno wszystkie węzły ciepłownicze, sieć i jednostki kotłowe będą w pełni zautomatyzowane.

Do realizacji przede wszystkim rekomendowany jest etap I, wymaga ze względu na stan techniczny kotłów. Biorąc pod uwagę blisko np. 50% przewymiarowanie źródła, do remontu przeznaczyć należy kotły najbardziej wyeksploatowane. Po zakończeniu prac jednostki obecnie w najlepszej kondycji technicznej należy odstawić do zimnej rezerwy a produkcję energii cieplnej oprzeć wyłącznie na nowowyremontowanych kotłach..

1

2

---