Kocioł parowy w układzie siłowni cieplnej

Praca i ciepło przemiany fazowej – sposób akumulowania energii czynnika roboczego.

Z punktu widzenia sprawności silnika cieplnego ważnym jest, aby maksymalnie wykorzystywać możliwości czynnika roboczego odwracalnej energii sprężystej z jednego miejsca w inne.

Okazuje się, że bardzo dużą ilość energii można magazynować w odwracalnych przemianach fazowych, zarówno tych indukowanych jak i tych wywoływanych termicznie.

Podstawowymi, dla silników cieplnych, przemianami fazowymi są:

- wrzenie – przemiana zachodząca podczas izobarycznego ogrzania czynnika roboczego – ma miejsce w kotłach parowych i wymiennikach ciepła.

- kondensacja – przemiana zachodząca podczas izobarycznego chłodzenia czynnika roboczego – ma miejsce w kondensatorach i skraplaczach.

Zjawiska związane ze zmianami stanu czynnika można rozpatrywać na charakterystycznych wykresach: pary p – V i ciepła T – s.

Na obydwu wykresach istnieją charakterystyczne stany wody, pary suche i pary mokrej, oddzielone.

Kondensacyjna siłownia parowa

Typowym obiegiem konwencjonalnej siłowni kondensacyjnej, stosowanym w energetyce zawodowej jest obieg Rankine’a składający się z dwóch przemian izobarycznych (grzanie w kotle i chłodzenie w skraplaczy).

Przemiany:

1. Izobaryczne doprowadzanie ciepła.

2. Izentropowe rozprężenie pary w turbinie.

3. Izobaryczno – izotermiczne skroplenie pary w skraplaczu.

4. Izentropowy spręż kondensatu w pompie wody zasilającej.

Sprawność obiegu Rankine’a określa stosunek:

$$\eta = \frac{l_{\text{ob}}}{q_{d}} = \frac{i_{1} - i_{2s}}{i_{1 - i_{3}}}$$

Metody zwiększania sprawności:

• Rozsunięcie skrajnych temperatur poprzez podwyższenie temperatury pary przegrzanej.

• Zwiększenie pracy obiegu poprzez podniesienie ciśnienia pary przegrzanej.

• Zbliżenie przemian izobarycznych do izotermicznych poprzez regeneracyjny przegrzew wody zasilającej.

Wybrane zagadnienia z budowy i eksploatacji kotłów parowych

Definicja kotła parowego:

Kocioł parowy jest to urządzenie ciśnieniowe, do którego doprowadzamy wodę, a odprowadzamy parę wodną nasyconą lub przegrzaną. Ciepło potrzebne do wytworzenia i przegrzania pary powstaje w wyniku spalenia paliwa w palenisku kotłowym lub zostaje doprowadzone w gazowych spalinach wytworzonych w urządzeniu zewnętrznym (kocioł odzysknicowy).

Główne zespoły kotła parowego:

• Palenisko kotłowe wraz z układem przygotowania i podawania paliwa oraz powietrza.

• Podgrzewacz wody, parownik i przegrzewacz pary w obiegu wodno – parowym.

• Podgrzewacz powietrza w ciągu powietrzno – spalinowym.

Zespoły pomocnicze:

• Urządzenia do wytwarzania ciągu i odprowadzania spalin.

• Armatura i osprzęt oraz armatura kontrolno – pomiarowa i regulacyjna.

Do wytworzenia 100 MW potrzeba ok. 50 t/h węgla.

OP – 650 – kocioł parowy wydajność pary 650 t/h.

Rodzaj obiegu wodno – parowego:

• O – obieg naturalny.

• A – obieg wspomagany.

• B – przepływowy.

• W – wodny.

Rodzaj paliwa i paleniska:

• P – pyłowy na węgiel kamienny

• B – pyłowy na węgiel brunatny

• O – olej

• G – gaz

• Fz – fluidalny ze złożem

• R – palenisko rusztowe

• U – bezpaleniskowy.

Kocioł parowy jako urządzenie ciśnieniowe podlega Dozorowi Technicznemu:

• Na etapie projektowania; w zakresie obliczeń wytrzymałościowych (parametry obliczeniowe: p0, t0).

• W fazie produkcji i montażu; w zakresie jakości materiałów i wytwarzania.

• W fazie eksploatacji; w zakresie zabezpieczeń, blokad i sygnalizacji przekroczenia dopuszczalnych parametrów eksploatacyjnych.

Kotły ze względu na przeznaczenie dzielimy na trzy grupy:

• Kotły grzewcze – których moc cieplna nie przekracza 1 MW, przy czym w kotłach wodnych temperatura wody na wylocie nie powinna przekraczać 115°C, a w kotłach parowych ciśnienie pary nie przekracza 70 kPa.

• Kotły przemysłowe.

• Kotły energetyczne.

Podział kotłów ze względu na ciśnie nie pary:

• p < 4 MPa – kotły niskociśnieniowe

• 4 < p < 10 MPa – kotły średniociśnieniowe.

• p > 10 MPa – kotły wysokociśnieniowe.

• p > 24 MPa – kotły na parametry nadkrytyczne.

Palenisko i ciąg spalinowy kotła

Konstrukcja paleniska kotła zależy od rodzaju stosowanego paliwa, dla paliw stały proces spalania realizujemy w zależności od wielkości od wielkości cząstek paliwa i sposobu podawania powietrza do spalania.

• Filtracja paliwa powietrza poprzez warstwę cząstek paliwa na ruszcie, spalanie warstwowe lub w warstwie nieruchomej – spalanie rusztowe

• Fluidyzacja cząstek paliwa powietrzem, spalanie w warstwie fluidalnej stacjonarnej lub cyrkulacyjnej – paleniska fluidalne.

Podstawowe pierwiastki i związki palne w paliwach kotłowych to: węgiel, wodór, siarka, tlenek węgla i węglowodory. Stechiometryczna ilość tlenu, potrzebna do całkowitego i zupełnego ich spalenia, wyznacza teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalenia 1 kg paliwa stałego lub ciekłego i 1 m³ paliwa gazowego. W warunkach rzeczywistych takie jakie panują w palenisku kotłowym, musimy dostarczyć więcej powietrza niż wynika to ze stechiometrycznego zapotrzebowania, aby ograniczyć do minimum powstawanie strat niecałkowitego i niezupełnego spalania. Stosunek rzeczywistej ilości powietrza doprowadzonego do kotła, odniesiony do 1 kg lub 1m³ paliwa, do teoretycznego zapotrzebowania powietrza nazywa się współczynnikiem nadmiaru powietrza. Wielkość ta zależy od rodzaju spalonego paliwa, konstrukcji paleniska oraz systemu sterowania i regulacji.

Spalanie niskoemisyjne

Tworzenie się tlenków azotu w płomieniu jest skomplikowanym procesem, na który składa się wiele oddziałujących na siebie reakcji elementarnych. Źródłem powstawania NO_x jest azot zawarty w powietrzu potrzebnym do spalania oraz azot zawarty w paliwie stanowiący składnik organicznej substancji palnej. Dominującym składnikiem powstającym w trakcie spalania azotu z tlenem jest tlenek azotu NO, którego udział określany jest na 90 – 95%, reszta to NO₂.

Technologie ograniczenia emisji tlenków azotu:

1. Metody pierwotne – modyfikacja procesów spalania:

   1. Stopniowanie powietrza

   2. Stopniowanie paliwa

   3. Recyrkulacja spalin

2. Metody wtórne – oczyszczanie spalin:

   1. Niekatalityczna redukcja NO_x (SNCR)

   2. Katalityczna redukcja NO_x (SCR)

Woda jako surowiec energetyczny w obiegu kotła parowego

Rodzaje obiegów:

• Obieg naturalny.

• Obieg wspomagany.

• Kotły przepływowe.

Woda surowa – z rzek, naturalnych lub sztucznych zbiorników wodnych, zawiera zanieczyszczenia mechaniczne i biologiczne tj. muły, smary, mikroflorę i mikrofaunę i zanieczyszczenia chemiczne w postaci rozpuszczonych w wodzie kwasów, soli, zasad i gazów. Woda surowa może być stosowana jedynie do chłodzenia kondensatorów

Woda zasilająca – powstaje po odpowiednim oczyszczeniu i uzdatnieniu wody surowej oraz zmieszaniu ze skroplinami.

Woda kotłowa – woda znajdująca się w czynnym kotle, wykazuje wyższą twardość niż woda zasilająca, na skutek mniejszej rozpuszczalności soli w parze niż w wodzie.

Podstawowym zagadnieniem w eksploatacji kotła parowego jest zabezpieczenie obiegu wodno – parowego przed kamieniem kotłowym oraz korozja tlenową i kwarcową. Zadanie to sprowadza się do odpowiedniego przygotowania wody zasilającej oraz utrzymania odpowiedniej jakości wody kotłowej. Uzdatnianie wody zasilającej osiąga się poprzez pozbawienie wody surowej zanieczyszczeń mechanicznych, biologicznych i chemicznych.

Wielkość cząstek Mechanicznych: roztwór < 10^-7 < roztwór koloidalny < 10^-4 < zawiesina

Zanieczyszczeń mechanicznych i biologicznych pozbywamy się wykorzystując proces mechanicznej filtracji i bioregulacji.

Zanieczyszczenia chemiczne, głównie rozpuszczone sole, kwasy i gazy wymagaja bardziej subtelnych i wyrafinowanych metod zastosowaniem odpowiednich odczynników chemicznych. Najbardziej uciążliwe z punktu widzenia powstawania kamienia kotłowego, są rozpuszczone w wodzie związki wapna i magnezu oraz krzemionka, powodują one tak zwaną twardość wody.

Rodzaj twardości	Węglanowa	Stała
Wapniowa	Ca(OH)2; CaCO3; Ca(HCO3)2	CaCl2; CaSO4
Magnezowa	Mg(OH)2; MgCO3; Mg(HCO3)2	MgCl2; MgSO4
Σ	Węglanowa całkowita	Stała całkowita

Stopień twardości wody:

Woda miękka < 10^on, woda średniotwarda = 10 – 15^on, woda twarda > 15^on

1^on odpowiada zawartości 10 mg CaO/dm³

Skuteczną metodą pozbycia się twardości jest jonitowe przegazowywanie wody, które w najprostszym ujęciu polega na wymianie jonów wapna i magnezu na jony sodowe lub wodorowe, wymienniki jonitowe wodorowe i sodowe stosuje się w różnych konfiguracjach oraz regeneruje po pewnym okresie czasu pracy, poprzez płukanie odpowiednio roztworem KCl lub HCl.

Woda zasilająca powinna mieć odczyn lekko zasadowy (pH = 9) aby nie dopuścić do powstania korozji kwasowej. Korozji tlenowej unikamy pozbywając się tlenu i dwutlenku węgla poprzez odgazowanie wody. Jako podstawowe stosujemy odgazowywanie termiczne, czyli podgrzewanie wody parą do temperatury nasycenia w urządzeniu zwanym odgazowywaczem termicznym usytuowanym nad zbiornikiem wody zasilającej. Jako uzupełnienie stosujemy odgazowywanie chemiczne przy użyciu hydrazyny N₂H₄, która wiąże resztki tlenu zawarte w wodzie.

Odsalanie i odmulanie kotła

Odpowiednia jakość wody kotłowej otrzymujemy stosując odsalanie, którego proces odbywa się w miejscu największego zasolenia czyli spod lustra wody w walczaku kotła, oraz okresowo stosując odmulanie z najniżej położonych punktów w obiegu wodno – parowym.

Stopień odsalania w kotle: X_ods = D_ods/D_p *100% (odmulanie cykliczne, odsalanie ciagłe)

D_ods – strumień odsolin

D_p – strumień pary

Schemat procesu odsalania w kotle:

D_wz = D_p + D_ods

D_wz – strumień wozy zasilającej

D_p – strumień pary

D_ods – strumień odsolin

S_p, S_wz, S_wk [mg/kg] – zawartość soli w parze, wodzie zasilającej i wodzie kotłowej

Bilans soli w obiegu kotła:

D_wz * S_wz = D_p * S_p + D_ods * S_ods

(D_p + D_ods)S_wz = D_p * S_p + D_ods * S_wk

D_p * S_wz + D_ods * S_wz = D_p * Sp + D_ods * S_wk

D_p(S_wz – Sp) = D_ods (S_wk – S_wz)

D_ods/D_p = (S_wz – S_p)/(S_wk – S_wz)

X_ods = (S_wz – S_p)/(S_wk – S_wz) * 100%

Wyznaczenie stopnia odsalania X_ods:

1. Dla kotłów o ciśnieniu roboczym < 4 MPa (ciśnienie powyżej którego następuje wytrącenie się soli w parze (suchej))

S_p = 0,2 mg/kg S_wz = 200 mg/kg S_wk = 8000 mg/kg

X_ods = (S_wz – S_p)/(S_wk – S_wz) * 100%

X_ods = (200 – 0,2)/(8000 – 200) * 100%

X_ods = 2,56% (optymalna wielkość)

1. Dla kotła o ciśnieniu roboczym < 10 MPa

1. S_p = 0,2 mg/kg S_wz = 200 mg/kg S_wk = 800 mg/kg

X_ods = (S_wz – S_p)/(S_wk – S_wz) * 100%

X_ods = (200 – 0,2)/(800 – 200) * 100%

X_ods = 33,3% (zbyt duża strata odsalania)

1. S_p = 0,2 mg/kg S_wz = 20 mg/kg S_wk = 800 mg/kg

X_ods = (S_wz – S_p)/(S_wk – S_wz) * 100%

X_ods = (20 – 0,2)/(800 – 20) * 100%

X_ods = 2,54% (optymalna wielkość)

1. Dla kotła o ciśnieniu roboczym < 15 MPa

1. S_p = 0,2 mg/kg S_wz = 20 mg/kg S_wk = 50 mg/kg

X_ods = (S_wz – S_p)/(S_wk – S_wz) * 100%

X_ods = (20 – 0,2)/(50 – 20) * 100%

X_ods = 66,6% (zbyt duża strata odsalania)

1. S_p = 0,2 mg/kg S_wz = 1,5 mg/kg S_wk = 50 mg/kg

X_ods = (S_wz – S_p)/(S_wk – S_wz) * 100%

X_ods = (1,5 – 0,2)/(50 – 1,5) * 100%

X_ods = 2,68% (optymalna wielkość)

1. Dla kotłów przepływowych < 20 MPa

Dopuszczalna zawartość soli: S_p = S_wz = 0,2 mg/kg

Wymiana ciepła na powierzchniach ogrzewanych kotła

1. Komora paleniskowa -> parownik: t_{sp max} oraz strumień q_max: q_max = k * ΔT => t_ść

2. Przegrzewacz pary ostatni stopień => t_ść (temperatura ścianki)

Główne źródła zanieczyszczeń pary nasyconej

1. W całym zakresie ciśnień, sole rozpuszczone w wodzie kotłowej, dostają się do pary w unoszonych cząsteczkach wody, powodują wilgotność pary nasyconej.

2. Dla ciśnienia powyżej 4 MPa w parze pojawiają się sole w niej rozpuszczone, najgroźniejsza dla turbiny jest krzemionka (SiO₂, SiO₃) której rozpuszczalność w parze zależy od ciśnienia i

Dopuszczalne zasolenie i wilgotność pary

Całkowita zawartość soli w parze < 0,2 mg/kg

Sumaryczna zawartość SiO₂ + SiO₃ < 0,02 mg/kg

Wilgotność pary nasyconej < 0,02% (X > 99,98%)