Parní kotle - Jana Marie Navrátilová

1)
Parní kotel a jeho začlenění v oběhu parní elektrárny, hlavní znaky,
T-s diagram, mezipřehřívák, tok pracovního média, účinnost elektrárny
Parní elektrárna se skládá z celé řady provozních zařízení z jichž jedno je parní kotel. V parním kotli se realizuje
přeměna energie vázané v palivu na energii tepelnou a její následný přenos do pracovní látky.
Hlavní znaky:
– vysoké parametry páry. U moderních nadkritické parametry (26MPa a 560-600°C)
– dosažitelné výkony až 1850t/h tzn. 950 MWe při NOx 200mg/Nm3 u hnědého a 300-400mg/Nm3 u černého
uhlí (primární opatření)
– aspoň jedno přihřívání páry
– velký jednotkový výkon kotle (100-1560t/h=100-500
MWe)
– vysoká teplota napájecí vody – regenerativní ohříváky
– realizace všech dostupných opatření při zvyšování účinnosti
– menší regulační rozsah se stálou teplotou páry
– blokové uspořádání (kotel – turbína – napájecí čerpadlo)
– co největší roční využití při trvalém provozu
V kotli se realizuje jen část T-s diagramu a to mezi body 3-4. Napájecí vody o
teplotě 3 se ohřeje na 3’ v přihříváku a ve výparníku na bod 4 (výstupní parametry
páry). Následně expanduje na turbíně – bod 5. Pro zvýšení účinnosti je
realizováno přihřívání páry po částečné expanzi na VT turbíně. Po přihřátí se
přivede do NT turbíny.
Palivo - z vnější skládky pásovým dopravníkem → zásobník uhlí, vynašečem → do mlýna (drcení + sušení) →
ohniště nebo zásobník + ohniště
Spalovací vzduch – vzduchový ventilátor (bere vzduch nad kotlem a z venku) → regenerativní ohřívák vzduchu
(pomocí spalin) → do kotle (mlýna) jako primární a sekundární vzduch
Spaliny – vznik v ohništi → svisle nahoru konvekčním tahem přes přehřívák páry – ohřívák vody – ohřívák
vzduchu → odlučovače, zařízení pro snížení emisí → kouřový ventilátor → komín
Tuhé zbytky po spalování – z ohniště - struska a popel → vyneseny z ohniště vynašečem do kontejnéru.
Z odlučovače výsypkou do kontejnéru
Pracovní látka – voda a pára – napájecí vodu dopravuje čerpadlo do ohříváku vody → potrubím do bubnu →
teplosměnné stěny kotle - výparník → buben → odloučí se pára → přehříváky + výstupní přehřívák.
Účinnost:
Zvýšení účinnosti: paroplynový cyklus (zplyňování uhlí, spalování uhlí v tlakovém ohništi)→ expanze na
paroplynové turbíně → ohřev vody expandovanými spalinami → parní turbína; sušení paliva (ve fluidní vrstvě,
v mlýnech, mechanicko-tepelné odvodnění); nové moderní bloky na hnědé uhlí; využití odpadního tepla;
nadkritické parametry páry; snížení regulačního vstřiku do páry
2)
Parní kotel a jeho začlenění v kogeneračním oběhu, hlavní znaky a
vlastnosti
V parní elektrárně se značná část tepla pracovní páry odvádí v kondenzátoru páry do okolí. Pára vystupující
z turbíny má teplotu přibližně 32°C je z technického hlediska obtížné zbývající teplo využít. Ukončí-li se expanze
páry na turbíně při vyšší teplotě a tlaku je možné využít vystupující páru pro vytápění nebo technologické účely.
Hlavní znaky:
- většinou nižší teplota napájecí vody (105°C – parametr pro odplynění)
- nižší parametry páry na výstupu z kotle
- nižší jednotkový výkon – většinou více kotlů o nižším výkonu – lepší reflexe na odběr tepla
- více kotlů na společný parovod
- není přihřívák páry
- navrženy pro časté odstavování
- napájecí vodu tvoří z převážné části vratný kondenzát
- minimalizovaný dopad výroby energie na okolí (umístění je ve městech)
- ekonomicky výhodnější
- vyšší využití energie v palivu
Princip:
Pára z kotle se vede do protitlakové turbíny
a odtud po expanzi k vnějšímu spotřebiteli
tepla. Kondenzát od spotřebitele dopravuje
napájecí čerpadlo zpět do kotle.
Pokud chceme zajistit nezávislost výroby
tepla a elektřiny musíme teplárnu vybavit
protitlaku + kondenzační turbínou nebo kondenzační regulovatelnou turbínou.
Na T-s diagramu je zaznačena teplota Tp na kterou nám pára expanduje na
protitlaké turbíně. Vyšrafovaná plocha je využita jako dodávané teplo.
Naproti tomu u kondenzační turbíny pára expanduje až k teplotě Tk a plocha
pod touto teplotou jiže není dále využitá a energii ztrácíme.
Úspornost této kombinované výroby tepla v palivu je dána poměrem
dodávky tepla a elektřiny
3)
Dělení kotlů podle pracovního média obecně, podrobněji kotle
horkovodní, provoz nad rosným bodem, regulace, teploty vody
Dělení kotlů dle pracovního média:
- Horkovodní
o Skříňový
o Plamencový
o Bubnový
o Průtočný (s nuceným oběhem)
-
Parní
o Velkoprostorový
Válcový
Plamencový
Žárotrubný
o Vodotrubný
Podle konstrukce
• Článkový
• Strmotrubný
Podle průtoku ve výparníku
• S oběhem ve výparníku
o S přirozenou cirkulací
Jednobubnový
Dvoububnový
• Průtočný
o Pohyblivým koncem
odpařování
o S pevným koncem
odpařování
o Typ Ramzin
o Se superponovanou cirkulací
Kotel skříňový
Používá se pro menší výkony a tlaky. Ohniště je uspořádáno přímo v tělese kotle a spaliny proudí přes žárové
trubky do komína.
Plamencový kotel
Plamenec je bezešvá zvlněná trubka uvnitř
válcového pláště kotle, v níž je uspořádané roštové
ohniště nebo plynový hořák. Prstencové vlny na
plamenci jej vystužují proti namáhání vnějším
přetlakem a k pokrytí dilatací mezi plamencem a
pláštěm kotle. Máli kotel jen jeden plamenec je
umístěn mimo osu, kvůli cirkulaci vody. Běžně se
pro vyšší výkony staví s žárovými trubkami.
Bubnový
V provedení jako dvoububnový. Kotel je smontovaný jako samonosný a na staveniště se přepravuje ve
smontovaném stavu z výrobního závodu.
S nuceným průtokem (průtočný)
Na spalování plynu nebo oleje v provedení věžovém nebo dvoutahovém. Pro velké výkony.
Věžový kotel – nad ohništěm jsou konvekční svazky vytvořené z trubkových hadů zapojených do trubek, které
vytvářejí stěny kotle. Proudění v hadech je usměrněno přepážkami ve stěnové trubce.
Dvoutahový kotel – v prvním tahu je ohniště a v druhém konvekční svazek. Tento je tvořen z trubkových hadů
tvořících panely a je uspořádán tak, že dovoluje oplach vodou.
4)
Dělení kotlů podle pracovního média obecně, podrobněji kotle s
přirozenou cirkulací, princip
Dělení kotlů dle pracovního média:
- Horkovodní
o Skříňový
o Plamencový
o Bubnový
o Průtočný (s nuceným oběhem)
-
Parní
o Velkoprostorový
Válcový
Plamencový
Žárotrubný
o Vodotrubný
Podle konstrukce
• Článkový
• Strmotrubný
Podle průtoku ve výparníku
• S oběhem ve výparníku
o S přirozenou cirkulací
Jednobubnový
Dvoububnový
• Průtočný
o Pohyblivým koncem
odpařování
o S pevným koncem
odpařování
o Typ Ramzin
o Se superponovanou cirkulací
Kotel s přirozenou cirkulací
Potřebný přítok vody je zajištěn rozdílnou hustotou vody a parovodní směsy v systému výparníku. Při jednom
oběhu vody výparníkem se odpaří jen část vody, takže do várnic vstupuje mokrá pára. Oběh vody výparníkem je
charakterizován oběhovým číslem „O“ , který lze definovat jako převracenou hodnotu suchosti nebo jako poměr
hmotových toku vody vstupující do várnice a syté páry vyrobené výparníkem. Tyto kotle mají pevný konec
vypařování (realizovaný bubnem) tzn. kotel má konstantní velikost teplosměnné plochy. Ve vodní části bubnu
dochází k zahušťování vody solemi a je nutné provádět odpouštění této zahuštěné vody (odluhu) a to těsně pod
hladinou vody. Kotel s přirozenou cirkulací dokáže udržet kvalitu páry i při zhoršené kvalitě napájecí vody.
Typickým znakem je, že do várnic vstupuje voda z bubnu na bodě varu x=0 a ohřívák vody je přímo napojen na
buben kotle.
Jednobubnový kotel
Dvoububnový kotel – má uspořádané dva bubny nad sebou – horní je parní buben a spodní je vodní menšího
průměru. Výparník je tvořen obvodovými stěnami kotle a také mezistěnami. Hořáky jsou většinou umístěné na
přední stěně. Tyto kotle jsou samonosné.
5)
Dělení kotlů podle paliva obecně, kotle s cirkulující fluidní vrstvou
Dělení kotlů podle spalovaného paliva
– tuhá paliva a odpady
i. roštová ohniště
1. s přesuvným roštem
2. s pásovým roštěm
ii. fluidní ohniště (atmosferické)
iii. práškové ohniště (ve vznosu)
– kapalná
– plynná paliva
– kombinovaná
– odpadní teplo
Kotel s cirkulující fluidní vrstvou
Pro kotel s tímto ohništěm je charakteristické, že
fluidní vrstva netvoří hladinu, ale zaplňuje ohniště
po celé výšce. Horní hranici je odlučovací
zařízení (např. cyklónový odlučovač) v němž
jsou od sebe odloučeny spaliny a materiál fluidní
vrstvy. Materiál fluidní vrstvy (nedohořená
hořlavina, popel, aditivum při odsiřování) se vrací
zpět do fluidní vrstvy nad dno ohniště. Odloučené
spaliny pak dále pokračují přes teplosměnné
plochy do odlučovače a dále do komína.
- pro hnědá uhlí a odpady
- pro černá uhlí
- pro všechny typy tuhých paliv
- pro všechny typy tuhých paliv
6)
Účinnost kotle, jak ovlivnit hlavní ztráty
Účinnost je ukazatelem míry dokonalosti transformace energie v zařízení. Jedná se o technicko-ekonomický
parametr. Vyjadřuje poměr mezi energií využitou a energií přivedenou do zařízení, tedy mezi výkonem a
příkonem.
Přímá metoda
– přímá a porovnávací účinnost se určuje u energetických strojů, ve kterých dochází ke kompresi či expanzi plynů.
Tato metoda ze založena na znalosti přesného množství paliva dodávaného do kotle a jeho kvalitě, respektive
výhřevnosti, účinnost se pak určí prostým poměřením příkonu a výkonu. Výkon lze měřit snadno.
Tento způsob lze s dostatečnou přesností použít pouze u plynových či olejových kotlů a při laboratorním měření
malých spalovacích zařízení uložených na měřicí váze, kde lze určit množství spáleného paliva.
Příkon se určí tedy z množství paliva a jeho výhřevnosti, pokud se zanedbává citelné teplo paliva a spalovacího
vzduchu, které představuje cca 1% vstupní energie.
Výkon kotle je poměrně snadné určit z množství pracovního média a jeho teploty (u vody) či entalpie (u páry).
Výkon se prakticky nedá určit u lokálních topenišť. Tato metoda jak bylo řečeno není použitelná u všech
spalovacích zařízení a navíc nedává vědět jaký podíl mají jednotlivé ztráty. Z těchto důvodů se užívá nepřímá
metoda vycházející z následujícího předpokladu.
Nepřímá metoda
Místo příkonu se užívá výhřevnost 1 kg paliva a ztráty se taktéž určují v poměru na 1 kg paliva. Účinnost
spalovacího zařízení se tedy vypočte jako 100 mínus suma všech poměrných ztrát. Naprosto dominantní ztrátou
všech spalovacích zařízení je ztráta citelným teplem spalin (komínová).
Jednotlivé poměrné ztráty kotle:
ztráta komínová (ztráta citelným teplem spalin) – spaliny mají za poslední teplosměnnou plochou teplotu vyšší
než je teplota okolí.
ztráta chemickým nedopalem – ztráta vzniklá nevyužitím hořlavých složek ve spalinách – vesměs prchavá
hořlavina. Pokud se ve spalinách objevují i jiné hořlavé složky, jako jsou uhlovodíky nebo vodík, je třeba je do
výpočtu zahrnout. Podíl těchto látek je však minimální a jejich zanedbání ve výpočtu výsledek ovlivní jen
minimálně.
ztráta mechanickým nedopalem – ztráta vzniklá nevyužitím hořlavých složek v tuhých zbytcích
ztráta v úletu (u všech kotlů – odchází komínem);
ztráta ve strusce nebo škváře (z ohniště);
ztráta v popílku (popílek z odlučovačů);
ztráta v propadu (u roštových kotlů);
ztráta v brýdách (u pr. kotlů s otevřeným mlecím okruhem)
ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků – tuhé zbytky opouštějí spalovací zařízení s teplotou vyšší než je teplota
okolí. Tuhými zbytky může být škvára, struska, popílek, úlet či propad
ztráta sdílením tepla do okolí – spalovací zařízení předává svým povrchem část tepla do okolí U spalovacích
zařízení malých a středních výkonů se určí z povrchových teplot zařízení, velikosti povrchu zařízení a součinitele
přestupu tepla. U větších zařízení se hodnota odečítá z nomogramu nebo se určuje dle empirického vzorce.
Zvyšování účinnosti
množství spalin: Snížím množství spalin (snížením přebytku vzduchu) → roste xMN → omezený prostor pro
zásah;
tepelná kapacita spalin: Je dána složením spalin, které je dáno palivem. Tepelnou kapacitu ovlivňuje vodní pára
→ pokud možno suché palivo;
teplota výstupních spalin: Spaliny můžou být vychlazeny na takovou teplotu, aby v žádném případě nedocházelo
ke kondenzaci vodní páry, a to nikde ve spalinovém traktu za kotlem. Rosný bod je ovlivněn složením spalin a
přebytkem vzduchu.
7)
Membránové stěny kotle, jejich význam
Na počátku byl v kotli výparník řešen jako svazkový z přímých trubek
s větším počtem bubnů. Bylo to způsobeno nutností dobrého přístupu
k výparným plochám pro čištění kotelního kamene. Pokrok v úpravě vody
znamenal postupné snižování tvorby kotelního kamene až do stavu, kdy
bylo možné provozovat trvale kotel bez jeho významnější tvorby.
V důsledku tohoto bylo možno trubky volně ohýbat a více využít prostor.
Pokrokem v technologii svařování trubek a technologii kontroly svaru
rentgenováním bylo možno začít svařovat kotlové trubky na potřebné délky
a tvaru. Takto vznikl výparník ve formě trubkových/membránových stěn.
Které omezují ohniště a dovolují uspořádat geometricky jeho prostor tak,
aby plně vyhovoval potřebám spalovacího procesu.
8)
Typy uhelných mlýnic
-
úprava paliva je nutná u všech ohnišť kromě roštových (u roštovým se provádí max. sušení)
Trubnatý mlýn________________________________________________________________________________
+ provozní spolehlivost
- velká obestavěná plocha
+ necitlivost na cizí předměty
- hlučnost
+ doplňování mlecích element za chodu
Nejstarší typ. K mletí využívá dynamického účinku rázu (nejčastěji ocelových koulí),
které jsou vynášeny v otáčejícím se bubnu k horní površe odkud padají. Surové uhlí
vstupuje do mlýna spolu se sušícím médiem jedním dutým čepem a umletá zrna jsou
vynášena nosným médiem druhým dutým čepem do třídiče. Nedostatečně umletá zrna
se pak vracejí z třídiče zpět do mlýna.
Použití: Mlecí práce s poměrným výkonem prudce stoupá – proto se hodí jen pro okruhy s práškovým zásobníkem.
Mlýn je provozně spolehlivý, necitlivý na cití předměty. Vhodná pro paliva s menším obsahem vody a prchavé
hořlaviny.
Tlukadlový mlýn______________________________________________________________________________
K mletí využívá dynamického účinku při srážce uhelných zrn s tlukadly rotoru mlýna.
Ve vypancéřované mlecí komoře je vodorovná hřídel – rotor – ke které jsou
v několika řadách připevněná výkyvná ramena s tlukadly. Tlukadla jsou tlusté
obdélníkové desky nebo hranoly spojená s rameny pevně nebo výkyvně. Po
opotřebení se vyměňují nebo navařují. Mlýn je docela citlivý na cizí předměty.
Obestavěná plocha je asi 75% oproti trubnatému mlýnu.
Použití: Mlýn se používá pro mletí všech druhů paliv do vlhkosti 35%. Použití
v okruzích s přímým foukáním, tak i v okruzích s práškovým zásobníkem.
Tlukadla
Ventilátorový mlýn____________________________________________________________________________
Ventilátorový mlýn se podobá robustnímu radiálnímu ventilátoru s opancéřova-ným
oběžným kolem. Lopatky (8-16ks) ventilátorového mlýna jsou tvořeny mlecími
deskami a jsou radiální. Obvodová rychlost se volí dle mlecího účinku stejně jako u
tlukadlového mlýna. Sušící médium vstupuje do kola osově spolu s palivem. Měrná
mlecí práce nižší jak u tlukadlového mlýna. Pro zvýšení výkonu se kombinuje
s tlukadlovým mlýnem.
Použití: mlecí okruhy s přímým foukáním. Pro mletí velmi mokrého paliva
(w>35%), které se musí sušit médiem o teplotě 600°C a více (většinou spaliny
přímo z ohniště).
Kroužkový a kladkový mlýn_____________________________________________________________________
+ nejlepší pověr výkon/měrná mlecí práce
+ obestavěný prostor zhruba1/2 oproti TL.M. (1/3 oproti TR.M.)
+ tichý
U kroužkovým mlýnů se mlecí element – kovové koule – valí v drážce
mezi prstenci. U kladkových mlýnů je mlecím tělesem kladka odvalující
se po otáčejícím se talíři. Palivo se drtí klidným tlakem tíhy koulí a
horního prstence, popř. silou přítlačných pružin, když se zrna dostanou
mezi koule a spodní mlecí prstenec/talíř.
Použití: pro mletí paliv s malým obsahem vody.
9)
Ohříváky vzduchu
Dle způsobu přenosu tepla:
Rekuperační – teplo prochází stěnou, která trvale odděluje obě prostředí
Regenerační – teplo se přenáší pomocí zvláštního členu, který se střídavě
ohřívá a zchlazuje, působí jako akumulátor tepla
Rekuperační výměníky
+ jsou těsné
- mají velkou hmotnost
- vyžadují větší prostor
- citlivé na zanášení
Regenerační výměníky
+ jsou menší než rekuperační
- míšení medii (spalin a vzduchu)
typy: trubkový; deskový; žebrový nebo jehlový litinový
Použití: tam kde teplota spalin před komínem není příliš
nízká a pro menší teplosměnné plochy.
Trubkový ohřívák
+ je těsný
+ provozně spolehlivý
Typy: Ljungström
Použití: náhrada za velké teplosměnné plochy a
při nízkých teplotách spalin.
- zaujímá velký prostor
- nejdražší výhřevná plocha na jednotku
předaného tepla (pozor na plochu je
nejlevnější =>malý součinitel přestupu tepla)
Je tvořen svařovanými ocelovými trubkami, taženými za studena. Průměr trubek 25-50mm, tl. 1,5-2mm. Trubky
jsou zaválcované či zavařené do trubkovnic tl. 15-25mm. Spaliny většinou proudí uvnitř trubek – jednodušeji se
odstraňuje popílek ofukováním. Výjimečně např. u olejových kotlů proudí vně, čistí se pak kuličkovým deštěm.
Vzduch proudí křížově v protiproudu k proudění spalin. Vzduch má rychlost wv=0,5ws. Rychlost spalin je funkcí
tlakových ztrát a součinitele přestupu tepla. Větší rychlost → větší součinitel přestupu tepla→ menší náklady na
ohřívák → vyšší náklady na ventilátor. Maximální rychlost je závislá na abrazi popílku.
Deskový ohřívák
Starší typ rekuperačního ohříváku, dnes už se většinou nepoužívá. Výjimečně u malých roštových kotlů.
Litinový ohřívák
+ použití za nejnižších
teplot (vzdorují H2SO4)
+ použití za nejvyšších
teplot (vzdorují opalu)
- větší jak trubkové výměníky (2-3x)
- velká hmotnost (3-4x)
- vysoká cena
- zanášení
- špatně se utěsňují (vliv dilatace na šňůry)
Jsou tvořeny z litinových trub s oválnám průřezem, jejichž vnitřní i vnější strana je zvětšena žebry nebo jehlami.
Tloušťka stěny je 6-8mm dle technologie lití. Odlévají se v délkách 1,5-3,5m a k sobě se spojují čtvercovými
přírubami utěsněnými azbestovými šňůrami.
Ljungströmův ohřívák
+ malá hmotnost
+ menší obestavěná plocha (4-6x)
+ malá citlivot na zanášení
+ malé investiční náklady
- horší teplotní spád
- utěsnění mezi kanály
Na hřídeli je navařen zvlněný plech, který při otáčení ve spalinovém
kanálu akumuluje teplo a posléze jej předává vzduchu ve vzduchovém kanálu. Tloušťka plechu je 0,5-1mm,
mezera je 3-5mm.