Politechnika Lubelska

Wydział Elektrotechniki i Informatyki

Sprawozdanie z laboratorium wytwarzania energii elektrycznej

Temat:

Wyznaczanie charakterystyki energetycznej kotła

Sprawozdanie wykonali:

Paweł Czech

Krystian Denka

Semestr: VII

Grupa: ED 7.2

Rok akademicki 2011/2012

1. Krótka charakterystyka elektrociepłowni.

Elektrociepłownia Megatem EC-Lublin była pierwszą w Polsce elektrociepłownią, która została sprywatyzowana i gruntownie zmodernizowana, aby spełnić wszystkie wymogi Unii Europejskiej. Niezawodnie od lat przedsiębiorstwo Megatem dostarcza energie cieplną dla kilku dzielnic Lublina.

Dysponuje mocą zainstalowaną rzędu 502MW, na co składa się:

1. 481 MW produkcji ciepła w postaci gorącej wody i pary technologicznej,

2. 21 MW energii elektrycznej.

W ruchu ciągłym pracuje:

1. 5 kotłów parowych (EKM – 50) o mocy 40MW każdy,

2. 3 kotły wodne (2x WP-70 i 1x WP-120) o mocy odpowiednio 81MW i 140MW każdy,

3. 2 turbogeneratory o mocy 10,5MW każdy.

1. Charakterystyka badanego kotła.

Celem naszego ćwiczenia było zbadanie kotła EKM – 50. Kocioł służy do zamiany energii paliwa stałego, wykorzystując jego spalanie, na energie gazów spalinowych, a następnie na energie wody i pary przegrzanej. Spośród wszystkich urządzeń znajdujących się w budynku elektrociepłowni kocioł jest największym urządzeniem gabarytowym.

Rys.1. Schemat budowy kotła EKM 50

1- ruszt taśmowy; 2-ekran; 3-schładzacz; 4-rury opadowe; 5-obmurze; 6-walczak; 7-przegrzewacz pary, I stopień; 8- przegrzewacz III stopień; 9- przegrzewacz II stopień; 10-podgrzewacz wody, III stopień; 11-podgrzewac wody II stopień; 12-podgrzewacz wody, I stopień; 13- podgrzewacz powietrza; 14-dopływ wody zasilającej; 15- wylot pary przegrzanej; 16- wylot spalin; 17-odprowadzanie popiołu; 18- odprowadzanie żużla

Kocioł EKM 50 jest kotłem walczakowym parowym, dwuciągowym z paleniskiem warstwowym. Wewnątrz kotła znajdują się dwa ruszty o szerokości 3,1m, które są osadzone na wałach z kołami zębatymi. Podział rusztu na dwie części wynika z tego, że przy dużej szerokości rusztu, a co za tym idzie dużej długości wału napędowego, skręcenia wału mogłyby doprowadzić do zerwania rusztu. Wał napędowy rusztu napędzany jest silnikiem asynchronicznym, który zasilany jest z przemiennika częstotliwości, co umożliwia zmianę prędkości przesuwu rusztu. Jest to regulacja w dół dlatego konieczne jest zastosowanie dodatkowego chłodzenia w postaci silniczka o mocy 25W. Do napędu rusztów taśmowych stosuje się też silniki prądu stałego pracujące w układzie Leonarda.

Paliwo stałe w postaci węgla dostarczane jest z zasobnika trzykotłowego za pomocą zsypu bezpośrednio na ruszt. Za pomocą zmiany prędkości przesuwu rusztu reguluje się strumień masy paliwa dostarczanego do kotła. Strumień ten jest regulowany również poprzez zmianę grubości warstwy paliwa przy użyciu warstwownicy, która pozwala na ruch w płaszczyźnie pionowej.

Zapalenie paliwa na ruszcie powstaje w skutek działania tzw. sklepienia zapłonowego, które jest umieszczone nad rusztem w dolnej części przedniej ściany kotła. Sklepienie to jest wykonane z materiału ceramicznego o dużej wytrzymałości termicznej i nachylone jest w kierunku rusztu pod pewnym optymalnym kątem, co powoduje odbicie części promieniowania cieplnego pochodzącego od palącego się węgla w palenisku i skierowanie go na świeżo dostarczony na ruszt węgiel. W skutek tego węgiel nagrzewa się, odgazowuje, a następnie zapala się. Po spaleniu się węgla w palenisku powstały w skutek spalania popiół i żużel wpada do jednego z 3 lei żużlowych umieszczonych pod rusztem. W pierwszym ciągu kotła znajduje się komora paleniskowa temperaturze dochodzącej do 1200°C , jest ona ekranowana pionowymi rurkami o średnicy i grubości ścianek 3,8mm wykonanymi ze specjalnej stali kotłowej K18 odpornej na wysoką temperaturę. Górne końce ekranów dołączone są do komór zbiorczych które połączona są z walczakiem, dolne końce ekranów poprzez kolektory i rury opadowe również są połączone z walczakiem . Woda wpływająca z kolektorów do ekranów umieszczonych na ścianach komory paleniskowej ogrzewa się w wyniku czego powstają w niej pęcherzyki pary . W rurach ekranu mieszanina wodno parowa ma mniejszą gęstość niż woda w rurach opadowych połączonych do kolektorów, w wyniku tego woda w rurach ekranów płynie w górę do walczaka ( gdzie para jest oddzielana od wody), natomiast woda w rurach opadowych płynie w dół do kolektorów.

Takie samoczynne krążenie wody w kotle nazywa się naturalnym obiegiem wody (grawitacyjnym). Rury wznoszące , opadające, komory zbiorcze (kolektory) i walczak tworzą parownik czyli zespół kotła służący do wytwarzania pary nasyconej suchej.

Walczak służy do oddzielania pary od wody i ma postać cylindra o średnicy i długości 8m ( szerokość kotła ) spawanego ze stali o grubości . Jest on urządzeniem podlegającym kontroli Urzędu Dozoru Technicznego, szczelność walczaka bada się przeprowadzając próby ciśnieniowe polegające na napełnieniu go wodą o ciśnieniu równym 1,2 wartości ciśnienia roboczego i odstawieniu walczaka na okres 1 doby. Duże wymiary walczaka mają na celu zwiększenie lustra wody w nim zawartej , przez co zmniejsza się prędkość pary wilgotnej nad lustrem wody , co zapobiega porywaniu kropelek wody przez parę. W walczaku odbywa się również odsalanie kotła , polegające na bieżącym usuwaniu soli które nie rozpuściły się w parze i powodowałyby zwiększenie zasolenia wody w walczaku. Usuwanie soli z walczaka odbywa się bezpośrednio z pod lustra wody. Ubytki wody w wyniku parowania i odsalania są uzupełniane odpowiednio uzdatnioną i podgrzaną wodą zasilającą. Poziom wody w walczaku powinien być stały, jest on obserwowany przez obsługę kotła za pomocą kamer przemysłowych , dopuszczalne wahania wynosiły + 10cm .

Podgrzewanie wody uzupełniającej ubytki w walczaku odbywa się w podgrzewaczach wody umieszczonych w drugim ciągu kotła. Kocioł typu EKM 50 posiada trzy podgrzewacze wody zasilającej, pierwszy jest wykonany z ożebrowanych rur żeliwnych , dwa następne wykonane są z rur stalowych ( stal K 18) i umieszczone nad pierwszym. Takie umieszczenie podgrzewaczy jest podyktowane tym że gdyby podgrzewacze stalowe były zastosowane w strefie niskich temperatur spalin, narażone byłyby na korozję zewnętrzną rur na wlocie wody oraz na korozję tlenową wewnętrzną. Podgrzewacze żeliwne są stosowane jako podgrzewacze wstępne gdyż ich ożebrowane rury , dzięki rozwiniętej powierzchni zapewniają dobrą wymianę ciepła przy niższych temperaturach. Podgrzewacze wody w kotłach dwuciągowych są narażone na erozję wskutek popiołu zawartego w spalinach, ponieważ na cząstkę popiołu działają tu w zgodnym kierunku siły ciężkości i siły wynikające z prędkości spalin. Zastosowanie podgrzewaczy wody zasilającej poprawia sprawność kotła dzięki zmniejszeniu strat wylotowych i obniżeniu ilości ciepła dostarczanego wodzie w parowniku aby doprowadzić ją do wrzenia. Wytworzona w walczaku para , zanim trafi do turbiny, przechodzi przez trzy szeregowo połączone przegrzewacze pary gdzie zostaje osuszona i przegrzana do odpowiedniej temperatury. Przegrzewacze pary są wykonane w postaci wężownic z rur stalowych bez szwu.

Pierwszy stopień przegrzewania pary jest umieszczony w przewale kotła gdzie następuje oddawanie ciepła od spalin poprzez konwekcje. Następnie para trafi na drugi stopień przegrzewania pary , umieszczony nad ekranami komory paleniskowej w pierwszym ciągu kotła. Powierzchnie ogrzewalne tego przegrzewacza przejmują ciepło na drodze promieniowania. Trzeci stopień przegrzewania pary umieszczony jest za pierwszym stopniem. W celu regulowania temperatury pary wytworzonej w kotle miedzy drugim i trzecim stopniem przegrzewania pary zainstalowany jest schładzacz. Doprowadzona do schładzacza woda schładzająca jest rozbryzgiwana za pomocą specjalnych dysz i w wyniku odparowania obniżą temperaturę pary.

Ostatnim elementem kotła umieszczonym pod podgrzewaczem wody jest rekuperacyjny podgrzewacz powietrza w wykonaniu żeliwnym. Podgrzewa on powietrze używane w procesie spalania paliwa w kotle na zasadzie wymiany ciepła między spalinami a tłoczonym powietrzem poprzez powierzchnie ogrzewalne

Elementy kotła mocowane są na stalowej konstrukcji , całość jest izolowana obmurzem z materiałów ceramicznych odpornych na wysoką temperaturę.

Rys.2. Rozkład temperatur w kotle EKM 50.

1. Wyniki pomiarów i dane wejściowe programu.

Czas	Temp. Pary	Ciśnienie pary	Temp. wody zasil.	Przepływ pary	Przepływ wody	Zawartość tlenu w %	Licznik Energii Cieplnej	Temp. spalin
								L
	°C	MPa	°C	T/godz	T/godz	L	P	GJ
18:00	450,2	3,9	102,7	33,3	33,4	6,8	6,6	171 361
18:05	449,2	3,9	102,8	33	33,6	6,8	6,6	171 367
18:10	449	3,9	102,8	34,2	33,4	6,5	6,5	171 373
18:15	447,9	3,9	102,8	34,8	34,6	6,3	6,7	171 383
18:20	448,2	3,9	102,8	33,9	34,4	7,4	7,1	171 392
18:25	448,1	3,9	102,8	33,1	33,7	7,8	7,3	171 400
18:30	451	3,9	102,8	32,4	31,3	7,4	8	171 408
18:35	448,7	3,9	102,8	32,6	32,7	7,5	7,3	171 416
18:40	448,1	3,8	102,7	34,3	34,3	7,3	7,1	171 425
18:45	451	3,7	102,6	33,7	34,3	7,4	6,8	171 433
18:50	451,6	3,7	102,7	35	35,4	7	6,5	171 440
18:55	451	3,8	102,7	34,5	35,2	6,8	6,4	171 449
19:00	450,6	3,8	102,7	36,4	35,2	6,3	5,9	171 456
Średnia	449,58	3,85	102,75	33,94	33,96	6,93	Przyrost:	126,20
							95

Charakterystyka badanego kotła:

Wydajność znamionowa kotła Qdzn=40 000 kW

Strata do otoczenia przy wydajności znam. S_on=2,5 %

Charakterystyka spalanego paliwa:

Wartość opałowa paliwa $Q_{\text{jr}} = \frac{19\ 528 + 19\ 792}{2} = 19\ 660\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$

Zawartość wilgoci w paliwie W_r=11,75 %

Zawartość popiołu w paliwie A_r=$\frac{23,06 + 21,972}{2} = 22,516\%$

Zawartość części lotnych w paliwie V_r=$\frac{26,684 + 24,515}{2} = 25,995\%$

Zawartość wodoru w paliwie H_r=4 %

Woda zasilająca i para pierwotna:

Temperatura wody dopływającej do kotła t₁=102,75 °C

Temperatura pary za przegrzewaczem t₂=449,58 °C

Natężenie przepływu pary przez kocioł $Dk = 33,94 \bullet \frac{1000}{3600} = 9,43\frac{\text{kg}}{s}$

Nadciśnienie pary przegrzanej P₂=38 at

Paliwo i pozostałości po spaleniu:

Zawartość części palnych w żużlu C_ż=$\frac{34,53 + 25,61}{2} = 30,07\%$

Zawartość części palnych w popiele C_l=$\frac{34,53 + 25,61}{2} = 30,07\%$

Temperatura żużla opuszczającego palenisko t_ż=600 °C

Spaliny i powietrze:

Temperatura spalin za przegrzewaczem t_s=126,2 °C

Zawartość CO2 w spalinach: 12,8%

Zawartość O2 w spalinach O₂=6,93 %

Zawartość CO w spalinach

1. przypadek CO=0%

2. przypadek CO=0,5%

Temperatura powietrza w otoczeniu t=3°C

1. Wyniki otrzymane z programu.

1. Przypadek dla CO=0%

1. Przypadek dla CO=0,5%

1. Otrzymana charakterystyka kotła.

1. Przypadek dla CO=0%

1. Przypadek dla CO=0,5%

1. Wnioski.

Obliczenia w programie wykonaliśmy dla dwóch przypadków: kiedy zawartość CO w spalinach wynosiła 0% i 0,5%. Znalazło to odzwierciedlenie w sprawności kotła, która dla zawartości CO=0,5% spadła o 2%. W przypadku spalania zupełnego strata wylotowa była nieznacznie wyższa niż przy spalaniu niezupełnym CO=0,5%. Wynika to z tego, że największą sprawność uzyskujemy przy spalaniu zupełnym czyli dla CO=0%. Badany kocioł nie pracował w warunkach znamionowych. Wydajność cieplna kotła w naszym ćwiczeniu wyniosła ok. 26MW, natomiast wydajność znamionowa wynosi 40MW. Wynika to z tego, że nie ma potrzeby produkować więcej energii niż na bieżące zapotrzebowanie oraz tyle ile elektrociepłownia jest w stanie sprzedać. Jak przedstawia charakterystyka sprawność kotła rośnie wraz z produkowaną mocą cieplną. Sprawność brutto naszego kotła wyniosła ok. 70% przy obciążeniu 65% energii znamionowej. Jest to wysoka sprawność jak na taki stopień obciążenia, i niższa jedynie o około 1.5% od sprawności znamionowej maksymalnej. Strata niecałkowitego spalania wyniosła ponad 17 procent. Spalanie niecałkowite ma miejsce, gdy niecała masa spalanej substancji ulegnie utlenieniu. Występuje ono wtedy, gdy część substancji spalanej nie utleni się, lecz pozostanie w postaci sadzy, dymu, czy popiołu. Zdarza się to przy niedostatecznym dostępie tlenu do spalanej substancji. Alkiny w powietrzu spalają się zawsze niecałkowicie np. etyn:

2C₂H₂ + O₂ → 4C + 2H₂O

Stąd wniosek, że ilość dostarczanego tlenu podczas spalania była niewystarczająca.

Strata do otoczenia wyniosła niespełna 4%. Aby temu przeciwdziałać możemy zastosować lepsze izolacje cieplne kotła i rur odprowadzających gorącą parę. Strata wylotowa - jest stratą ciepła unoszonego przez spaliny do otoczenia. Strata ta, nazywana kominową powstaje, gdyż spaliny opuszczające kocioł mają temperaturę wyższą od temperatury powietrza otoczenia pobranego do spalania. Strata wylotowa jest największą ze wszystkich strat i jej wartość decyduje o sprawności kotła. Do jej zmniejszenia dąży się przez maksymalnie dopuszczalne obniżenie temperatury spalin opuszczających kocioł w podgrzewaczach powietrza oraz stosowanie małego nadmiaru powietrza.