Kocioł jest zespołem urządzeń, z których najważniejszą rolę odgrywa przeponowy wymiennik ciepła i palenisko. W palenisku następuje zamiana energii chemicznej zawartej w paliwie na energię cieplną przekazywaną do wody w celu jej podgrzania lub wytworzenia pary wodnej. Spalanie paliwa może odbywać się w różnego typu paleniskach, natomiast energia cieplna przekazywane jest poprzez przeponę do wody.

Największym w Polsce producentem kotłów parowych, a ostatnio także instalacji odsiarczania spalin jest firma Rafako.

Firma Rafako na licencji Sulzer'a zbudowała między innymi kotły stosowane w Elektrowni Opole: BP-1150 oraz w Elektrowni Bełchatów: BB-1150. Oba kotły są kotłami przepływowymi a podstawową cechą, która różni je od siebie jest rodzaj spalanego paliwa.

    
Źródło: Katalog firmy Rafako

Oba kotły są kotłami przepływowymi z paleniskiem tangencjalnym o maksymalnej wydajności 320 kg/s. Temperatura pary świeżej (czyli tej sprzed części wysokoprężnej turbiny) wynosi 540°C, a ciśnienie pary świeżej 18,3 MPa. Temperatura pary wtórnej na wlocie do kotła (po opuszczeniu części wysokoprężnej turbiny) wynosi 335°C, a na wylocie z kotła (przed częścią średnioprężną i niskoprężną turbiny) - 540°C. Ciśnienie tej pary na wlocie do SP (średnioprężnej części) turbiny wynosi 4,2 MPa. Temperatura wody zasilającej po opuszczeniu regeneracji wysokoprężnej wynosi 255°C.

Kocioł BP-1150 opalany jest węglem kamiennym (wyprodukowano 4 takie kotły i zainstalowano w Elektrowni Opole SA) o wartości opałowej 24 MJ/kg a kocioł BB-1150 (wyprodukowano i zainstalowano 12 takich kotłów w Elektrowni Bełchatów SA) opalany jest węglem brunatnym o wartości opałowej 8 MJ/kg. Podczas, gdy sprawność pierwszego wynosi około 91,7%, ten drugi ma sprawność równą 88%.

Reasumując: zasadniczą różnicą między tymi kotłami jest rodzaj spalanego paliwa oraz nieznaczna różnica w konstrukcji kotła wraz z przyległymi kanałami powietrza i spalin.

Paleniska

Zadaniem paleniska jest możliwie zupełne i całkowite spalenie paliwa przy udziale doprowadzonego powietrza. Konstrukcja paleniska zależy od rodzaju paliwa i sposobu jego spalania oraz od parametrów, wydajności i typu kotła. W związku z tym istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych palenisk.

Paleniska kotłowe można podzielić na trzy podstawowe grupy:

• Paleniska warstwowe (rusztowe) do spalania paliw stałych, w których to warstwa paliwa spala się na ruszcie. Powietrze potrzebne do spalania napływa od dołu przez szczeliny w ruszcie i przepływa przez warstwę płonącego paliwa. Paleniska warstwowe składają się z rusztu i komory paleniskowe. Do palenisk warstwowych należą: paleniska ręczne z rusztem poziomym, i schodkowym (wymagające całkowicie ręcznej obsługi); paleniska części zmechanizowane z mechanicznym narzucaniem lub podsuwaniem paliwa (pozostałe czynności obsługi wykonywane są ręcznie), paleniska mechaniczne (o całkowicie zmechanizowanej obsłudze) - z ruchomym rusztem taśmowym posuwowym, lub posuwowo-zwrotnym, zależnie od rodzaju wykonywanego ruchu.

• Paleniska komorowe do spalania gazów, olejów i pyłów. W palenisku komorowym lekkie i drobne cząstki paliwa zostają rozpylone w strumieniu powietrza. Bardzo duża powierzchnia ogólna cząstek paliwa zapewnia właściwy dostęp powietrza i szybki przebieg procesu spalania.

• Paleniska fluidalne do spalania szczególnie zanieczyszczonych paliw stałych.

Parownik i walczak

Parownikiem nazywa się zespół kotła, w którym następuje dogrzanie wody do temperatury wrzenia i jej odparowanie. W kotłach starszych typów często sam kocioł jest parownikiem.

W nowoczesnych kotłach wodnorurkowych parownik składa się z walczaka, komór i rur. Walczak i komory są tu poza strefą spalin. Powierzchnie ogrzewalną stanowią tylko rury (opłomki), ułożone na ścianach komory paleniskowej jako ekrany. Walczak jest podłużnym zbiornikiem, który służy do rozdziału mieszaniny parowo-wodnej, wytworzonej w ekranach. Walczaki wykonuje się ze stalowych blach albo płyt zwiniętych lub wytłoczonych i pospawanych. Opłomki są w walczaku rozwalcowane lub przyspawane do króćców. Długość walczaka ograniczają gabaryty kotła; średnica wynosi zwykle od 0,8 - 2 m. Konstrukcja walczaka i urządzenia wewnątrzwalczakowe powinny ułatwiać uzyskanie prawidłowego obiegu wody, pozbawiać parę wilgoci i zmniejszyć zawartość soli (np. stosując płukanie pary wodą zasilającą). W małych kotłach są to urządzenia proste, jak koryta zasilające, rury osuszające, sita; w wielkich służą do tego celu cyklony, żaluzje W nowoczesnych rozwiązaniach stosuje się ekrany membranowe (szczelne) najczęściej przez spawanie rur.

Przegrzewacze pary

Zadaniem przegrzewacza pary jest wytworzenie pary przegrzanej z pary nasyconej dopływającej z parownika. Przegrzewacze składają się z komór, wężownic zestawionych z rur, osprzętu i armatury. Przegrzewacze dużych i wielkich kotłów dzieli się na dwa lub więcej stopni, aby móc między nimi wymieszać parę (dla wyrównania nierównomierności temperatury) i zainstalować regulatory jej temperatury. Przegrzewacze opromieniowane, przejmujące ciepło głównie drogą promieniowania, są instalowane na ścianach lub suficie komory paleniskowej (jako przegrzewacze naścienne) lub w górnej części przestrzeni palnika (jako przegrzewacze grodziowe). Przegrzewacze konwekcyjne, przejmujące ciepło od spalin głównie przez konwekcję, są umieszczone poza komorą paleniskową. Zwykle stosuje się przegrzewacze kombinowane, złożone z części konwekcyjnej i opromieniowanej. Przegrzewacze międzystopniowe wykonuje się wyłącznie jako konwekcyjne i umieszcza na drodze spalin za przegrzewaczem pary świeżej.

Podgrzewacz wody

Zadaniem podgrzewacza wody jest podgrzanie wody zasilającej kocioł ciepłem spalin wypływających z przegrzewaczy pary i przez to zwiększenie sprawności kotła. Podgrzewacze wykonuje się jako żeliwne, zestawione z pakietów żeliwnych, użebrowanych rur (rozwiązanie starsze dla niskich ciśnień do około 4 MPa), oraz stalowe, wykonane w postaci wężownic z rur stalowych. Podgrzewacze stalowe należy zabezpieczyć przed korozją wewnętrzną (przez staranne odgazowanie wody zasilającej) oraz zewnętrzną (przez utrzymywanie dostatecznie wysokiej temperatury ścianki zewnętrznej, tak aby nie występowało wytrącanie się ze spalin wilgoci).

Podgrzewacz powietrza

Umieszczone zwykle za podgrzewaczami wody (w stosunku do kierunku przepływu spalin) służą one do podgrzewania powietrza kosztem pozostałej jeszcze w spalinach ilości ciepła. Dzięki temu uzyskuje się zmniejszenie straty kominowej, wzrost sprawności kotła (przez wykorzystanie ciepła spalin odlotowych), poprawienie warunków zapłonu i spalania paliw przez podwyższenie temperatury w palenisku oraz związane z tym ułatwienie spalania małowartościowych paliw. Podgrzewacze są budowane jako rurowe, zestawiane z bloków rur omywanych powietrzem, wewnątrz których płyną spaliny; płytowe, złożone z odpowiednio ukształtowanych powierzchni blaszanych, oraz regeneracyjne obrotowe typu Ljungstroma. Te ostatnie znajdują najszersze zastosowanie w dużych kotłach energetycznych dzięki zwartości budowy, małemu zużyciu materiałów i małej wrażliwości na korozję.

Podgrzewacz obrotowy stanowi segmentowy wirnik wypełniony cienkimi, odpowiednio pofalowanymi, blachami. Pomiędzy nimi na przemian przepływają spaliny ogrzewając blachy, a następnie, gdy ten segment wirnika - wskutek jego obrotu - znajdzie się w strumieniu powietrza, blachy oddają ciepło powietrzu, podgrzewając je. Prędkość obrotowa wirnika wynosi tu 3-4 obr/min.

Więcej na ich temat w dziale "do pobrania" gdzie można zapoznać się z katalogami oraz obejrzeć film z prac wewnątrz obrotowych podgrzewaczy powietrza.

Podział urządzeń kotłowych

Ze względu na zastosowany materiał:

• żeliwne,

• stalowe,

• ze stali stopowych.

Ze względu na powierzchnie wymiany ciepła:

• płomienicowe,

• płomieniówkowe,

• opłomkowe.

Ze względu na ciśnienie robocze:

• niskociśnieniowe - gdzie ciśnienie pary nie przekracza granicy 70 kPa nadciśnienia,

• wysokociśnieniowe - gdzie ciśnienie pary wynosi ponad 70 kPa.

Ze względu na wydajność:

• małej wydajności,

• średniej wydajności,

• dużej wydajności.

Ze względu na rodzaj konstrukcji i typ konstrukcji:

• kotły na paliwo stałe, olejowe, gazowe i elektryczne,

• kotły o przestawnym spalaniu, w których wymagana jest przebudowa paleniska w przypadku zmiany rodzaju paliwa na inne,

• o przemiennym spalaniu z jedną lub dwiema komorami spalania (bez przebudowy paleniska),

• kotły niskotemperaturowe i kotły kondensacyjne,

• kombinacje kotłowe (kotły podwójne) - czyli zespoły kotłowe na olej lub gaz i paliwo stałe.

Ze względu na nośnik ciepła:

• kotły wodne niskotemperaturowe o temperaturze wody nie przekraczającej 100^oC,

• kotły wodne średniotemperaturowe o temperaturze wody wyższej niż 100^oC, a nie przekraczającej 115^oC,

• kotły parowe niskociśnieniowe i wysokociśnieniowe,

• kotły termoolejowe.

Ze względu na sposób odprowadzania spalin:

• w paleniskach na paliwo stałe z dolnym lub górnym spalaniem,

• w paleniskach na olej i gaz: dwuciągowe, trójciągowe, niesymetryczny, nawrotny oraz ich kombinacje.

Ze względu na temperatury spalin:

• bez lub ze skraplaniem pary wodnej w spalinach,

Ze względu na sposób doprowadzania paliwa i powietrza:

• przy opalaniu gazem: z dmuchawą lub bez,

• przy opalaniu olejem: z palnikami z rozpyleniem lub odprowadzeniem oleju,

Ze względu na ciśnienia w komorze spalania:

• z naturalnym ciągiem,

• kotły z nadciśnieniem,

• z zamkniętą komorą spalania, wyposażone w przewód powietrzno-spalinowy.

Ze względu na sposób podgrzewania ciepłej wody użytkowej:

• kotły grzejne z pojemnościowym podgrzewaczem wody użytkowej,

• z przepływowym podgrzewaczem wody użytkowej.

Ze względu na rodzaj odbiornika:

• do ogrzewania pomieszczeń, zaopatrzenia w ciepłą wodę użytkową, kombinacją z wykorzystaniem ciepła dla potrzeb technologicznych.

Układy w procesie technologicznym elektrowni parowej kondensacyjnej

Układ paliwo - powietrze - spaliny w którym do paleniska kotła parowego doprowadzone jest paliwo i powietrze potrzebne do procesu spalania. Wydzielające się odpadowe produkty spalania w postaci żużla i lotnego popiołu są usuwane na zewnątrz kotła, a gorące spaliny omywają powierzchnie ogrzewalne kotła.

Układ cieplno - parowo - wodny. Wewnątrz rur, tworzących powierzchnie ogrzewalne, umieszczone w kotle, przepływa czynnik roboczy, który w poszczególnych ich częściach występuje w postaci wody, mieszaniny parowo-wodnej, pary nasyconej suchej i wreszcie pary przegrzanej. Wytworzona w kotle para przegrzana przepływa rurociągiem do turbiny, w której rozpręża się. Następuje przemiana energii cieplnej w energię mechaniczną ruchu obrotowego turbiny. Po wykonaniu pracy para rozprężona do możliwie niskiego ciśnienia (co jest konieczne do najpełniejszego wykorzystania energii cieplnej zawartej w parze) jest skraplana w skraplaczu (kondensatorze) przy użyciu dużych ilości wody chłodzącej. Otrzymana ze skroplenia pary woda, nazywana skroplinami lub kondensatem, jest przetłaczana pompą skroplin (kondensatu) do zbiornika wody zasilającej, skąd pompa wody zasilającej podaje ją do kotła, zamykając główny obieg czynnika roboczego. We współczesnych elektrowniach woda zasilająca jest podgrzewana w podgrzewaczach za pomocą pary pobieranej z upustów turbiny. Straty wody w tym obiegu są uzupełniane odpowiednio przygotowaną wodą dodatkową (zdemineralizowaną).

Układ chłodzenia, który jest sprzężony bezpośrednio z układem cieplnym parowo - wodnym. Zadaniem jego jest odprowadzanie z obiegu ciepła zawartego w parze, która wykonała już pracę w turbinie. Obejmuje on skraplacz i w omawianym układzie, chłodnię kominową. W takim układzie chłodzenia, nazywanym układem zamkniętym, przepływ wody jest wymuszony za pomocą pompy wody chłodzącej, przy czym woda ochłodzona w chłodni wraca do skraplacza. Jest także inna możliwość, a mianowicie otwarty układ chłodzenia. Chłodnię kominową zastępuje obfite źródło wody (jezioro, rzeka lub morze), skąd czerpana jednorazowo woda jest za pomocą pompy wody chłodzącej przetłaczana przez rurki skraplacza i wraca do źródła.

Ostatnim układem jest układ wyprowadzenia mocy, który obejmuje sprzężoną z turbiną prądnice (generator), transformator blokowy, podwyższający napięcie prądnicy (generatorowe) do poziomu napięcia rozdzielnicy głównej i sieci przesyłowej, transformator potrzeb własnych (zasilający odbiorniki energii w elektrowni) oraz rozdzielnicę główną i potrzeb własnych elektrowni.

I - układ paliwo-powieirze-spaliny;
II - układ cieplny (parowo-wodny);
III - układ chłodzenia;
IV - układ wyprowadzenia mocy;


1 - palenisko; 2 - doprowadzenie paliwa; 3 - doprowadzenie powietrza do spalania; 4 - odprowadzenie żużla i popiołu; 5 - podgrzewacz wody; 6 - parownik; 7 - przegrzewacz pary; 8 - odprowadzenie spalin; 9 - turbina; 10 - skraplacz; 11 - pompa skroplin; 12 - zbiornik wody zasilającej; 13 - pompa wody zasilającej; 14 - woda uzupełniająca; 15 - podgrzewacz wody zasilającej; 16 - chłodnia kominowa; 17 - pompa wody chłodzącej; 18 - obfite źródło wody (dla otwartego obiegu chłodzenia); 19 - prądnica; 20 - transformator blokowy; 21 - transformator potrzeb własnych;

---