Marek PRONOBIS SPOSOBY ZWIĘKSZANIA SPRAWNOŚCI ELEKTROWNI KONWENCJONALNYCH Gliwice 2010
Marek PRONOBIS
SPOSOBY ZWIĘKSZANIA SPRAWNOŚCI
ELEKTROWNI KONWENCJONALNYCH
Gliwice 2010
2
SPIS TREŚCI
1. SPRAWNOŚĆ I EFEKTYWNOŚĆ EKONOMICZNA .................................................... 3
2. POPRAWA SPRAWNOŚCI KOTŁA ................................................................................ 5
3. MODERNIZACJA DLA OBNIŻENIA STRATY WYLOTOWEJ ................................... 8
3.1. Obniżenie temperatury spalin wylotowych ................................................................. 8
3.1.1. Modernizacja konwekcyjnych powierzchni ciśnieniowych ................................ 9
3.1.2. Modernizacja podgrzewacza powietrza ............................................................ 12
3.1.3. Zastosowanie systemu oczyszczania powierzchni ogrzewalnych
z zanieczyszczeń popiołowych ......................................................................... 14
3.1.4. Zabudowa dodatkowego (niewłączonego w obieg czynnika w kotle)
wymiennika ciepła ............................................................................................ 14
3.1.5. Obniżenie temperatury wody zasilającej w podgrzewaczu powietrza .............. 14
3.1.6. Dobór minimalnej temperatury spalin wylotowych .......................................... 15
3.1.7. Rozkłady temperatur spalin na odcinku od kotła do wylotu komina ................ 15
3.2. Obniżenie stosunku nadmiaru powietrza w kotle ..................................................... 21
3.2.1. Ograniczenie przyssań powietrza do komory paleniskowej i ciągu
konwekcyjnego ................................................................................................. 21
3.2.2. Ograniczenie przyssań powietrza w podgrzewaczach powietrza ..................... 22
4. OGRANICZENIE NIERÓWNOMIERNOŚCI TEMPERATUR METALU
W PRZEGRZEWACZACH PARY .................................................................................. 22
LITERATURA.......................................................................................................................... 24
3
1. SPRAWNOŚĆ I EFEKTYWNOŚĆ EKONOMICZNA
Sprawność termiczna obiegu definiowana jest jako
mritkobbr , (1)
gdzie: ob - teoretyczna sprawność termiczna obiegu,
k - sprawność kotła,
it - sprawność wewnętrzna turbiny,
r- sprawność termiczna rurociągów,
m - sprawność mechaniczna.
01
03
02 04
0607
08 0910
1112
1314
60
65
90
2322212070
33
32
72
85
73
83
82
79
78
77
76
75
16
18
74
17
84
71
30
31
69 68 67 66
86 88 89
87
40
SP + NPWP
SCH
WP3
WP2
WP1
NP4 NP3 NP2 NP1
TP
G~
Rys. 1.1 Schemat obiegu siłowni parowej
Sposoby podnoszenia sprawności siłowni cieplnej i ich ograniczenia:
podwyższenie temperatury pary przed turbiną - ograniczone możliwościami inżynierii
materiałowej i kosztami,
podwyższenie ciśnienia pary przed turbiną - ograniczone możliwościami inżynierii
materiałowej i kosztami,
obniżenie parametrów pary na wylocie z turbiny - ograniczone temperaturą czynnika
chłodzącego,
przegrzew wtórny czynnika (pojedynczy, podwójny) - ograniczone kosztami,
regeneracyjny podgrzew wody zasilającej parą z upustów turbiny - ograniczone malejącą
skutecznością powiększania liczby podgrzewaczy i kosztami,
Kocioł
Przegrzewacz Przegrz. m/s
Turbina
Skraplacz
Odgazowywacz
Regeneracja NP
Regeneracja
WP
4
kogeneracja - jednoczesne wytwarzanie elektryczności i ciepła - ograniczone potrzebami
w zakresie odbioru ciepła,
układy parowo-gazowe - ograniczone kosztami inwestycji i paliwa gazowego oraz
możliwościami inżynierii materiałowej.
O ile dawniej istniała dobra współzależność między sprawnością termodynamiczną
a efektywnością ekonomiczną, to obecnie jest ona wyraźnie słabsza. Jest to spowodowane
silnym wpływem regulacji systemowych wynikających z wymagań ochrony środowiska,
szczególnie zaś z decyzji politycznych narzucających konieczność ograniczenia emisji CO2.
Skutkuje to wprowadzeniem systemu dotacji w postaci dopłat za „kolorową” energię, w
wyniku czego działania poprawiające sprawność (a więc ograniczające zużycie paliw) mogą
być mniej opłacalne od przedsięwzięć, których główną, jeśli nie jedyną, zaletą jest
zmniejszenie emisji CO2. Problem ten najsilniej się objawia w krajach UE, natomiast
w innych obszarach świata - w stopniu znacznie mniejszym, co jest konsekwencją polityki
ekologicznej różnej w różnych państwach.
Efektem takiego stanu rzeczy jest wprowadzenie w UE handlu emisją CO2,
powodującego, że wg rachunku ekonomicznego opłaca się spalać z niską sprawnością
biomasę, ponieważ jest ona traktowana jako 0-emisyjne źródło energii. Należy zauważyć, że
nawet jeżeli w teorii tak jest (co powoduje zaliczenie biomasy w 100% jako energii
odnawialnej), to w rzeczywistości procesy rolnicze i inne, konieczne dla doprowadzenia
biomasy dom kotła, powodują dodatkowe zużycie paliw kopalnych. Jest ono czasem tak duże,
że stawia pod znakiem zapytania sens takiego postępowania.
Zaletą systemu, w którym emitowany CO2 ma wysoką cenę, porównywalną, lub nawet
większą od ceny węgla, jest ogromna poprawa opłacalności przedsięwzięć ograniczających
zużycie paliw kopalnych, a więc także takich działań, które poprawiają sprawność
energetyczną siłowni. Działania takie mają tę dodatkową wartość, że rzeczywiście ograniczają
emisją CO2.
O ile zwiększanie sprawności obiegu jest w większości przypadków możliwe jedynie
na etapie projektu, którego warianty podlegają optymalizacji ekonomicznej i negocjacji
miedzy wykonawcą i inwestorem, o tyle podnoszenie sprawności kotła daje się realizować
także na obiektach istniejących, w ramach modernizacji o charakterze technicznym lub
eksploatacyjnym.
Jednocześnie pewne przedsięwzięcia dokonywane w kotle mogą prowadzić do
podwyższenia sprawności obiegu. Jako przykład można podać modernizacje kotła
prowadzące do zmniejszenia strumienia wody wtryskiwanej dla regulacji temperatury pary
wtórnej, lub modernizacje przegrzewaczy a także wprowadzenie efektywnego systemu
oczyszczania rur z osadów popiołowych, pozwalające utrzymać nominalną temperaturę pary
także przy znacznym zmniejszeniu obciążenia kotła.
Z powyższych względów w dalszej części zajęto się problematyką poprawy
sprawności kotłów energetycznych.
5
2. POPRAWA SPRAWNOŚCI KOTŁA
Sprawność energetyczną (brutto) dowolnego kotła definiuje się jako stosunek jego
mocy użytecznej do całkowitej mocy doprowadzonej
dopr
użk
Q
Q
(2.1)
Oznaczając moc strat cieplnych kotła (sumę wszystkich strat cieplnych) przez
stratQ i korzystając z oczywistej zależności
stratużdopr QQQ (2.2)
po podstawieniu do równania (2.1) uzyskuje się wzór:
dopr
stratk
Q
Q
1 (2.3)
Sprawność kotłów można wyznaczyć metodą bezpośrednią i metodą pośrednią.
Metoda bezpośrednia wykorzystuje równanie (2.1), co wymaga zmierzenia ilości spalanego
paliwa. Wymaganą dokładność takiego pomiaru można jednak uzyskać jedynie w przypadku
paliw ciekłych i gazowych, podczas gdy w przypadku kotłów opalanych węglem pomiar
strumienia paliwa jest obarczony nadmiernym błędem. Metoda pośrednia opiera się na
określeniu strat i wykorzystaniu równania (2.3). Jest ona powszechnie stosowana do
wyznaczania sprawności w przypadku kotłów spalających paliwa stałe.
W kotle parowym ciepło użyteczne użQ zostaje przekazane parze pierwotnej - pQ ,
parze wtórnej przegrzewu międzystopniowego - mQ i strumieniowi odmulin (odsolin) - odQ ,
czyli
odmpuż QQQQ (2.4)
W nowoczesnych układach woda zasilająca posiada śladową twardość, tak, że nie
wymaga się prowadzenia ciągłego odsalania i stąd strumień odsolin na ogół odm przyjmuje
się równy zero.
W kotle wodnym ciepło użyteczne użQ zostaje przekazane wodzie podgrzewając ją od
temperatury twz do tw2. Uwzględniając strumień wody - wm , ciśnienie robocze wody - pw oraz
entalpię iw2 = i(pw2, tw2) i iwz = i(pwz, twz) można określić ciepło użyteczne kotła wodnego
z zależności:
wzwwuż iimQ 2 (2.5)
W przypadku bilansowania w stosunku do temperatury odniesienia to [1] przeliczone
na 1 kg spalonego paliwa (kgB) ciepło doprowadzone do kotła, zwane czasem obliczeniową
wartością opałową, dla paliw stałych i ciekłych opisuje zależność
kpow
B
doprB
pBB
r
i
r
obl,i QIm
mIiQQ
(2.6)
gdzie: Qir - wartość opałowa roboczej masy paliwa stałego lub ciekłego w temperaturze
odniesienia to, kJ/kgB, Bi - różnica entalpii fizycznej paliwa dla temperatury na granicy
6
bilansowania i temperatury odniesienia, kJ/kg, pB - różnica entalpii pary do rozpylania paliw
ciekłych j.w, kJ/kgB, Bdoprm - strumień masowy paliwa doprowadzonego, kg/s, Bm - strumień
paliwa spalonego, kg/s, powI - różnica entalpii jednostkowej ilości powietrza
doprowadzonego dla temperatury na granicy bilansowania i temperatury odniesienia, kJ/kgB,
Qk - ubytek wartości opałowej zużywany na rozkład węglanów, kJ/kg.
Całkowitą moc doprowadzoną do kotła obliczamy jako
zewn
r
obl,iBdopr QQmQ (2.7)
gdzie zewnQ dodatkowy strumień energii uwzględniający np. przyrost entalpii powietrza do
spalania uzyskany we wstępnym podgrzewaczu powietrza.
Jednym z ważnych celów modernizacji kotłów jest minimalizacja sumy strat energii,
zwiększająca bezpośrednio opłacalność eksploatacji. Poniżej zestawiono wzory do obliczania
poszczególnych strat.
Strata wylotowa
Bezwzględną stratę wylotową kotła określa się z zależności
osw
śr
s,pswo,sswswsw ttcmiimQ (2.8)
Strata niezupełnego spalania
Jest to strata wywołana obecnością niespalonych gazów, np. tlenku węgla w spalinach.
Określa się ją w funkcji stężenia i wartości opałowej CO oraz ilości spalin suchych/kg paliwa
za pomocą równania:
COiCOssBCO QrVmQ (2.9)
Strata niecałkowitego spalania
Strata ta, nazywana również paleniskową, jest wywołana obecnością palnych części
w pozostałościach po spaleniu. Oblicza się ją z następującej zależności
n,iplpln,iżżpl,palż,palpal QcmQcmQQQ (2.10)
gdzie: cż, cpl - udziały części palnych w pozostałościach po spaleniu (żużel i popiół lotny),
żm , plm - strumień żużla, strumień popiołu lotnego, kg/s, Q,i,n - wartość opałowa niespalonych
składników pozostałości, kJ/kg.
Strata fizyczna ciepła zawartego w pozostałościach po spaleniu
Omawiana strata jest spowodowana temperaturą pozostałości wyższą niż temperatura
odniesienia. Określa się ją ze wzoru
osw
śr
plploż
śr
żżfplfżpl,fż ttcmttcmQQQ (2.11)
gdzie: śr
żc ,, śr
plc - średnie ciepło właściwe żużla i popiołu lotnego, kJ/(kgK).
Strata ciepła do otoczenia
Ponieważ na ogół trudno jest zmierzyć stratę ciepła do otoczenia (przez
promieniowanie i konwekcję) powszechnie wykorzystuje się empiryczne zależności. W [1]
występuje podana niżej formuła (dla ciepła użytecznego wyrażanego w MW)
7
70,
użot QCQ (2.12)
Wartości stałej C, są następujące:
C = 0,0113 dla kotłów spalających olej opałowy i gaz ziemny,
C = 0,0220 dla kotłów spalających węgiel kamienny,
C = 0,0315 dla kotłów spalających węgiel brunatny,
C = 0,0314 dla kotłów fluidalnych.
Względne straty ciepła
Względną stratę ciepła określa się dzieląc dowolną stratę ciepła przez moc cieplną
doprowadzoną do kotła. Dla przykładu względną stratę wylotową kotła określa się
z zależności
100dopr
swsw
Q
QS
(2.13)
W podobny sposób, wykorzystując to samo wyrażenie w mianowniku, określa się
względne straty: niezupełnego spalania, niecałkowitego spalania, stratę fizyczną ciepła
w pozostałościach po spaleniu i względną stratę ciepła do otoczenia.
Sprawność termiczna kotła k zależy od strat cieplnych zgodnie ze wzorem (2.3), który
można przekształcić do postaci
k iS 1 (2.14)
Sprawność kotła nie zależy od jego wydajności, ani też od parametrów czynników
wymieniających ciepło i jest jedynie funkcją jego strat. Wprawdzie czasem kotły małe mają
niższą sprawność niż wielkie kotły energetyczne, jednak wiąże się to z dopuszczeniem
wyższej temperatury spalin wylotowych (a więc większej straty wylotowej Ssw) w małych
jednostkach. Jest to spowodowane krótszym, w przypadku małych kotłów, rocznym czasem
pracy, co powoduje, że nie opłaca się silnie rozbudowywać końcowych powierzchni
ogrzewalnych w takich kotłach (wysokie koszty inwestycyjne przy długim czasie zwrotu
nakładów).
W konkretnym przypadku modernizacji kotła punktem wyjścia jest pomiar przed-
modernizacyjny, który pozwala m.in. na określenie wielkości strat umożliwiając wybór tych
spośród nich, których obniżenie da najlepszy efekt ekonomiczny. W większości przypadków
najkorzystniejsze jest obniżenie straty wylotowej. Jest ona zwykle największa spośród strat,
chociaż niekiedy (np. przy przejściu z paleniska rusztowego na gazowe lub olejowe) większy
przyrost sprawności kotła daje obniżenie straty paleniskowej. W niektórych przypadkach
opłacalne może być zwiększenie stosunku nadmiaru powietrza w palenisku, które powoduje,
co prawda, wzrost straty wylotowej, ale przy jednoczesnym obniżeniu strat niecałkowitego
i niezupełnego spalania (a więc również emisji CO). Obniżenie tych ostatnich wiąże się ściśle
z problematyką palenisk kotłowych. Pozostałe straty kotła są zwykle niewielkie, a ich
zmniejszenie, nawet jeśli jest możliwe technicznie, nie pozwala na istotne podwyższenie
sprawności.
Zasadniczy wpływ na efekty ekonomiczne modernizacji ma koszt uprawnień do emisji
CO2. Przy cenie 20€/t koszt ten jest zbliżony do kosztu paliwa, a przewidywany wzrost tej
ceny może spowodować, że emisja CO2 będzie od kosztu węgla droższa.
Przykładowe rozwiązania modernizacji kotłów podano w [2 i 3].
8
3. MODERNIZACJA DLA OBNIŻENIA STRATY WYLOTOWEJ
Strumień ciepła tracony przez kocioł w postaci straty wylotowej określa zależność
(2.8). Występujący w tym wzorze strumień masowy spalin wylotowych obliczyć można ze
wzoru
t
powsw
t
sBsw mmmm 1 (3.1)
w którym: sw - stosunek nadmiaru powietrza w spalinach za kotłem, t
sm - teoretyczna ( =1)
ilość spalin, kg/kgB, t
powm - teoretyczna ilość powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg paliwa,
kg/kgB.
Z zależności (2.8) i (3.1) wynika, że poprzez modernizację można zmniejszyć dwie
wielkości wpływające na stratę wylotową: temperaturę spalin wylotowych tsw i stosunek
nadmiaru powietrza. Zależność między temperaturą spalin wylotowych a względną stratą
wylotową jest w głównej mierze funkcją stosunku nadmiaru powietrza i rodzaju paliwa.
Wielkość tsw 1%, która zapewnia zmianę straty wylotowej o 1 punkt%, rośnie w miarę
zmniejszania sw - dla typowego węgla kamiennego przy sw = 1,2 wartość tsw 1% 22 K,
natomiast przy sw = 2,0 tsw 1% 14 K. Dla paliw niższej jakości, jak np. drewno lub torf,
względnie gaz wielkopiecowy, wielkość tsw 1% maleje nawet do ok. 10 K. Inaczej jest w
przypadku paliw szlachetnych jak np. olej opałowy, które w dodatku spalane są zwykle przy
małym stosunku nadmiaru powietrza. Wartość tsw 1% może wówczas przekraczać 25 K.
3.1. Obniżenie temperatury spalin wylotowych
Wiele, szczególnie mniejszych i starszych jednostek charakteryzuje się temperaturami
spalin wylotowych sięgającymi ponad 200 oC. Również w dużych kotłach temperatury
w granicach 170180 oC nie należą do rzadkości. Obniżenie temperatury spalin wylotowych
można uzyskać za pomocą następujących przedsięwzięć modernizacyjnych:
rozbudowa (lub przebudowa) konwekcyjnych powierzchni ciśnieniowych,
rozbudowa (lub przebudowa) podgrzewacza powietrza
zastosowanie (lub modyfikacja istniejącego) systemu oczyszczania powierzchni
ogrzewalnych z zanieczyszczeń popiołowych,
zabudowa dodatkowego (niewłączonego w obieg czynnika w kotle) wymiennika ciepła
podgrzewającego np. wodę do celów grzewczych.
Największy efekt daje rozbudowa końcowych powierzchni ogrzewalnych kotła, które
stanowią najczęściej podgrzewacz powietrza i początkowy stopień podgrzewacza wody.
W tym obszarze kotła temperatury spalin są już na tyle niskie, że udział radiacyjnej składowej
współczynnika wnikania ciepła jest pomijalnie mały, a więc modernizacja powinna się
koncentrować na działaniach poprawiających intensywność konwekcyjnej wymiany ciepła.
Strumień ciepła przejętego przez wymiennik określa równanie Pecleta:
Q k H t log (3.2)
Poprzez modernizację można zmieniać wielkości powierzchni ogrzewalnej H oraz
współczynnika przenikania ciepła k, który w ogólnym przypadku (dla powierzchni z rur
gładkich i ożebrowanych) określa formuła:
9
2w
c
mg
c
ożż
c
H
H
d
Dln
H
DH
HH
Hk
21
(3.3)
w której występują stosunki następujących powierzchni jednostkowych [m2/mdługości]:
Ho - powierzchnia rury wolna od żeber, Hc - całkowita powierzchnia zewnętrzna rury, Hg -
powierzchnia zewnętrzna rury gładkiej, Hw - powierzchnia wewnętrzna, Hz - powierzchnia
żeber dla 1m rury.
3.1.1. Modernizacja konwekcyjnych powierzchni ciśnieniowych
Wybór optymalnego rozwiązania wymaga analizy techniczno-ekonomicznej i w
znacznym stopniu uwarunkowany jest stanem modernizowanego kotła i ograniczeniami
lokalizacyjnymi. Niekiedy wystarczający przyrost intensywności wymiany ciepła dają
stosunkowo proste działania, jak np. zastąpienie układu współprądowego przeciwprądowym
lub odgięcie rur w pęczku korytarzowym dla uzyskania układu przestawnego. Najczęściej
jednak konieczne jest rozbudowanie końcowych powierzchni podgrzewacza wody, bądź
dobudowanie podgrzewacza wody w kotłach, które go nie posiadają.
Na ogół konstruktor przy modernizacji ma do dyspozycji stosunkowo mało wolnej
przestrzeni w kanałach spalin, co zmusza do wymiany istniejących powierzchni na nowe, o
większej intensywności wymiany ciepła.
Postać geometryczna kotłowego pęczka konwekcyjnego jest silnie związana z
rodzajem paliwa i warunkami pracy powierzchni. W związku z tym w kotłach mogą znaleźć
zastosowanie jedynie niektóre spośród spotykanych w technice rodzajów wymienników
ciepła. Poniżej omówiono typy wymienników, które bądź już zostały zastosowane w kotłach,
bądź też mogą znaleźć zastosowanie w przyszłości.
Korytarzowe i przestawne pęczki rur gładkich
Układy tego rodzaju - rys. 3.1, znalazły najszersze zastosowanie z uwagi na dobrą
wymianę ciepła i najtańszą technologię wykonania. W niektórych sytuacjach ustępują jednak
wyraźnie pęczkom ożebrowanym zarówno pod względem kosztu przekazywania ciepła jak
i objętości przestrzeni zajętej przez wymiennik.
a) b)
Rys. 3.1 Schemat pęczka rur gładkich
a) układ przestawny b) układ korytarzowy
Korytarzowe i przestawne pęczki rur z ożebrowaniem wzdłużnym
Ożebrowanie wzdłużne może przybierać formę płetw lub membran - rys. 3.2. Pęczki
opłetwowane mogą posiadać żebra albo skierowane zgodnie z kierunkiem przepływu spalin
s2 s2
ws ws
s1 s1
10
albo też pod kątem do tego kierunku (pęczki diagonalne). W tym drugim przypadku możliwe
są 4 warianty montażu pęczka, z których najkorzystniejszy jest układ przedstawiony na
rys. 3.3. Układy diagonalne charakteryzują się intensywniejszą niż w przypadku rur gładkich
wymianą ciepła, jednak zwiększenie współczynnika wnikania ciepła okupione jest znacznym
podwyższeniem oporów przepływu. Zastąpienie pęczka rur gładkich układem diagonalnym
może być szczególnie korzystne w przypadku małych prędkości spalin.
a) b)
Rys. 3.2 Przestawne pęczki rur z ożebrowaniem wzdłużnym
a - układ membranowy b - układ opłetwowany
Rys. 3.3 Schemat pęczka diagonalnego Rys. 3.4 Przekrój rury trójżebrowej
Niedawno pojawiły się rury opłetwowane nowego typu - są to tzw. rury trójżebrowe
[4] - rys. 3.4. Można z nich wykonywać typowe pęczki, bądź też stosować pojedyncze rzędy
rur tego rodzaju jako turbulizatory zwiększające współczynnik wnikania ciepła w położonych
za nimi układach rur gładkich [2, 5].
Odpowiednio zaprojektowane pęczki z rurami diagonalnymi lub trójżebrowymi mają
zdolność do samooczyszczania z osadów popiołu. Ich stosowanie jest jednak ograniczone do
przypadków, kiedy nie występuje erozja popiołowa.
Korytarzowe i przestawne pęczki rur ożebrowanych poprzecznie
Mogą one być wykonywane z następujących rodzajów rur:
stalowych z przyspawanym ożebrowaniem spiralnym lub tarczowym, przy czym,
w zależności od technologii, tarcze te mogą być różnego kształtu - rys.3.5,
s2
s1
h D
h
b
D
s1
s2
b h
s1
s2
b h
D D
11
bimetalicznych, tzn. z ożebrowaniem spiralnym walcowanym z aluminium na wewnętrznej
rurze stalowej - rys. 3.6.
Rys. 3.5 Schematy pęczków z ożebrowaniem poprzecznym
Rys. 3.6 Rura bimetaliczna z żebrami
aluminiowymi
Zaletą pęczków z ożebrowaniem poprzecznym jest nieosiągalny dla układów
z żebrami wzdłużnymi stopień rozwinięcia powierzchni. W przypadku omywania czynnikiem
niezapylonym ten typ powierzchni może być bardzo efektywny. Przy omywaniu spalinami
zawierającymi popiół lotny o dużej skłonności do tworzenia osadów, przydatność układów
tego rodzaju może znacznie zmaleć, ze względu na zatykanie popiołem przestrzeni
międzyżebrowych. Powierzchnie ożebrowane poprzecznie są najbardziej efektywne w
temperaturach nieprzekraczających 500 oC, co wiąże się z silnym pogorszeniem radiacyjnej
wymiany ciepła w porównaniu do układów rur gładkich.
Układy bimetaliczne z żebrami aluminiowymi - rys. 3.6 nie dopuszczają ponadto
temperatur czynnika grzewczego wyższych od ok. 280 oC, co związane jest z dopuszczalną
temperaturą pracy materiału i koniecznością zapewnienia właściwego połączenia obu rur.
Ważną zaletą układów bimetalicznych jest odporność na korozję, stąd znajdują one
zastosowanie na podgrzewacze wody w kotłach instalowanych w liniach technologicznych
produkcji kwasu siarkowego.
Przeprowadzona w pracy [6] ocena przydatności różnych rodzajów powierzchni
rozwiniętych dowodzi, że w obszarze temperatur spalin niższych od 500 oC, powierzchnie
tego typu pozwalają istotnie zmniejszyć koszty przekazywania ciepła oraz umożliwiają
umieszczenie w będącej do dyspozycji objętości kanału znacznie większej powierzchni
ogrzewalnej niż w przypadku zastosowania wymienników z rur gładkich.
Powierzchnie flagowe parownika
Rozbudowa podgrzewacza wody jest ograniczona przez dopuszczalny stopień
odparowania wody w rurach. Szczególnie przy niższych ciśnieniach jest to poważne
ograniczenie, uniemożliwiające nieraz osiągnięcie wymaganej temperatury spalin
s1
s2
s1
s2 D D
Dż
12
wylotowych. Rozwiązaniem jest wówczas przejęcie większej ilości ciepła w parowniku,
obniżające temperaturę spalin przed częścią konwekcyjną kotła.
W kotłach z obiegiem naturalnym konieczne jest takie ukształtowania parownika, aby
nie nastąpiły zakłócenia przepływu w rurach wznoszących. Sprawdzonym rozwiązaniem są w
tym wypadku tzw. rury flagowe - rys. 3.7, z których można tworzyć na wylocie z komory
paleniskowej zwarte pęczki przejmujące znaczną ilość ciepła na drodze konwekcji. Możliwe
jest przy tym stosowanie rur tego rodzaju zarówno w konturach cyrkulacyjnych ze ścian
membranowych, jak i z pojedynczych rur ekranowych. Dla wymuszenia przepływu przez
„flagę” w rurze wznoszącej, między wlotem a wylotem środkowej rurki umieszcza się
częściową przesłonę. Możliwe są także inne rozwiązania [2].
Rys. 3.7 Typowe ukształtowanie rur flagowych [7]
3.1.2. Modernizacja podgrzewacza powietrza
Najłatwiejszym sposobem obniżenia temperatury spalin wylotowych jest zwiększenie
ilości ciepła odebranego w podgrzewaczu powietrza. Spalinowe podgrzewacze powietrza
w kotłach budowane są jako:
regeneracyjne obrotowe podgrzewacze powietrza (ROPP),
podgrzewacze rurowe,
podgrzewacze płytowe.
Konsekwencją modernizacji polegającej na rozbudowaniu podgrzewacza powietrza
jest jednak podniesienie temperatury gorącego powietrza, co może być korzystne w sytuacji,
gdy przed modernizacją występowały trudności z wysuszeniem paliwa w młynach. Na ogół
jednak wzrost temperatury gorącego powietrza podnosząc temperaturę kalorymetryczną
spalania przyczynia się do zwiększenia emisji NOx, co może zastosowanie takiej metody
poprawy sprawności kotła uczynić nieopłacalnym.
W starszych kotłach rozbudowany i mało efektywny podgrzewacz powietrza typu
rekuperacyjnego zajmując dużo miejsca uniemożliwia lub ogranicza rozbudowę
podgrzewacza wody. Wówczas zastosowanie innego podgrzewacza powietrza, o większej
intensywności przekazywania ciepła, może być bardzo korzystne. Rozwiązaniem najbardziej
radykalnym jest usunięcie istniejącego podgrzewacza i zastąpienie go przez ROPP. Jednak w
otoczeniu starszych kotłów na ogół brak jest miejsca na zbudowaniu podgrzewacza
regeneracyjnego, co powoduje, że jedyną możliwość stanowi efektywniejsze wykorzystanie
przestrzeni w kotle, którą zajmuje istniejący podgrzewacz. Szczególnie interesującą
alternatywę stanowią tu rurowe podgrzewacze powietrza o zintensyfikowanej wymianie ciepła
wewnątrz rur.
Zwiększenie intensywności wnikania ciepła na wewnętrznej ściance rur ma sens
w przypadku małych współczynników wnikania (przepływ wewnątrz rur powietrza lub spalin
w podgrzewaczach powietrza lub spalin w płomieniówkach). Pozwala to na zmniejszenie
13
zużycia materiałów konstrukcyjnych, ale pociąga za sobą wzrost liczby oporu, a to powiększa
koszty przetłaczania czynnika przez rury.
Sposoby intensyfikacji wnikania ciepła wewnątrz rur
Szczegółowa ocena efektywności różnych sposobów intensyfikacji wnikania ciepła
w rurach dokonana została w pracy [8]. Wykazano, że efektem rozmaitych zabiegów może
być zmniejszenie gabarytów pęczka w stosunku do pęczka z rur gładkich o nawet 50 %.
Ponadto stwierdzono, że najkorzystniejsze jest zastosowanie lokalnych zwężeń przekroju
przepływowego w postaci naprzemianległych zgniotów lub zwężeń pierścieniowych. Dobre
wyniki otrzymuje się także przy zastosowaniu wkładek zawirowujących, charakteryzujących
się jednak większym wpływem na opory przepływu czynnika.
W praktyce najczęściej stosowane są następujące rozwiązania:
naprzemianległe zgnioty - rys. 3.8a
zwężenia pierścieniowe - rys. 3.8b,
wkładki wewnątrzrurowe - rys. 3.8c.
Rys. 3.8 Rozmaite sposoby intensyfikacji
wymiany ciepła w rurach
Wzrost ilości ciepła przekazywanego w ROPP
Regeneracyjne obrotowe podgrzewacze powietrza są stosowane powszechnie
w kotłach energetycznych i ciepłowniczych dużej mocy. Ostatnio obserwuje się przyspieszony
rozwój konstrukcji tego typu wymienników, szczególnie w zakresie podniesienia szczelności,
związany z potrzebami kotłów z cyrkulacyjną warstwą fluidalną. Modernizacje, których celem
jest obniżenie tsw, polegają na:
zwiększeniu powierzchni ogrzewalnej poprzez podniesienie wysokości podgrzewacza,
wymianie wypełnień na bardziej efektywne.
Pierwszy z podanych sposobów pozwala wyraźnie zwiększyć powierzchnię wymiany
ciepła, jednak wymaga nie tylko zabudowania dodatkowych pakietów wypełnień, lecz także
wymiany wielu elementów części statycznej ROPP, co podnosi koszty.
Stałe poszukiwanie wypełnień o zwiększonej intensywności wnikania ciepła
doprowadziło do powstania powierzchni bardziej efektywnych, którymi można zastępować
istniejące pakiety zarówno na gorącym jak i zimnym końcu podczas remontu podgrzewacza.
Dla doboru najkorzystniejszego rodzaju elementów grzewczych ROPP należy wziąć
pod uwagę nie tylko możliwe do uzyskania współczynniki wnikania ciepła, lecz także opory
przepływu, ciężar, skłonność do ulegania zanieczyszczaniu osadami popiołu lotnego oraz to,
b)
c)
a)
14
w jakim stopniu osady te można usunąć za pomocą będących do dyspozycji technik
czyszczenia.
3.1.3. Zastosowanie systemu oczyszczania powierzchni ogrzewalnych z zanieczyszczeń
popiołowych
W kotłach, których spaliny zawierają popiół lotny, następuje zanieczyszczenie
powierzchni konwekcyjnych prowadzące do pogorszenia ekonomiczności pracy urządzenia.
Powstanie osadów powoduje:
obniżenie sprawności kotła na skutek wzrostu temperatury spalin wylotowych,
obniżenie sprawności bloku energetycznego na skutek spadku temperatur pary poniżej
wartości nominalnych,
obniżenie sprawności odpylania w elektrofiltrze w wyniku wzrostu temperatury
i strumienia objętościowego spalin na dolocie,
wzrost zużycia energii na przetłaczanie spalin przez kocioł,
wzrost emisji CO2 w przeliczeniu na jednostkę ciepła użytecznego.
W niektórych przypadkach osady popiołowe osiągają taką wielkość, że konieczne staje
się odstawienie kotła w celu oczyszczenia powierzchni ogrzewalnych i kanałów spalin.
Wszystkie te zjawiska powodują wzrost kosztów eksploatacji kotła. Zastosowanie urządzeń
oczyszczających (zdmuchiwaczy) pozwala na ograniczenie rozmiarów osadów prowadzące do
zmniejszenia kosztów eksploatacji kotła, jednak modernizacja tego rodzaju wymaga
poniesienia nakładów na zabudowę i eksploatację zdmuchiwaczy oraz na zwiększone zużycie
oczyszczanej powierzchni na skutek erozji i dodatkowych naprężeń.
Dla poprawy sprawności kotła istotne znaczenie ma usunięcie osadów popiołowych
zalegających na powierzchniach konwekcyjnych. Osady te często mają duże rozmiary, a ich
wpływ na sprawność kotła, na skutek niskiego współczynnika przewodzenia ciepła jest
znaczący. Jeżeli osady mają charakter sypki to ich usunięcie, zarówno poprzez zdmuchiwanie
parą jak i metodami akustycznymi jest w znacznym stopniu możliwe.
Zabudowa systemu oczyszczania i jego późniejsza eksploatacja pociąga za sobą nieraz
znaczne koszty. Stąd zarówno konstrukcja jak i eksploatacja powinny być optymalizowane
w oparciu o kryteria ekonomiczne.
3.1.4. Zabudowa dodatkowego (niewłączonego w obieg czynnika w kotle) wymiennika
ciepła
Jeżeli w zakładzie istnieje stałe zapotrzebowanie na czynnik o temperaturze wyższej
od temperatury otoczenia, to w celu podgrzania go można wykorzystać ciepło spalin
wylotowych z kotła. Może to być np. woda do celów grzewczych lub technologicznych.
Zastosowanie układów tego rodzaju może jednak być dość trudne. Temperatura wody
dodatkowej musi być stosunkowo niska, aby rozmiary wymiennika pozwalały na jego
zabudowanie w pobliżu kotła. W takiej sytuacji temperatury ścianki takiego wymiennika
również są niskie, co grozi przekroczeniem punktu rosy, a więc korozją i silnym
zanieczyszczeniem powierzchni ogrzewalnej. Narzuca to konieczność stosowania materiałów
odpornych na korozję (nawet tworzyw sztucznych), a to podnosi koszty.
3.1.5. Obniżenie temperatury wody zasilającej w podgrzewaczu powietrza
W kotłach rusztowych stosuje się niekiedy ciekawe rozwiązanie, w którym woda zza
odgazowywacza oddaje ciepłu powietrzu podmuchowemu, dzięki czemu podgrzewacz wody
15
umieszczony jako ostatnia powierzchnia (na drodze spalin) lepiej schładza spaliny, dając
mniejszą stratę wylotową.
Nietypowy podgrzewacz powietrza ma stosukowo małe wymiary i praktycznie nie
ulega zanieczyszczeniu i korozji.
3.1.6. Dobór minimalnej temperatury spalin wylotowych
Zasadniczym ograniczeniem tsw w kotle jest niedopuszczenie do wystąpienia rosienia
spalin. Stąd konieczność pomiarowego wyznaczenia punktu rosy tr dla warunków
modernizowanego kotła, co jest dokonywane za pomocą tzw. czujników przewodnościowych
[2]. Wartość tsw musi być tak dobrana, aby w krytycznych punktach układu spalinowego nie
doszło do obniżenia temperatur spalin i temperatur ścianek elementów instalacji poniżej
wartości dopuszczalnych dla tych miejsc. Najważniejszy wpływ na dobór temperatury spalin
wylotowych ma budowa końcowych powierzchni ogrzewalnych kotła oraz struktura
umieszczonego za kotłem ciągu spalinowego.
Obliczenia prowadzą do wniosku, że układ i wielkość powierzchni ogrzewalnych
kotła, odpowiadające wariantowi o optymalnej z ekonomicznego punktu widzenia tsw, istotnie
zależy od występujących w analizowanym przypadku stosunków cen paliwa i materiałów
konstrukcyjnych oraz w mniejszym stopniu cen energii. Ważne jest także, czy rozpatruje się
modernizację istniejącego kotła, czy też projekt kotła nowo budowanego. Jeżeli koszty paliwa
są relatywnie wysokie, zakres opłacalnych zmian prowadzących do obniżenia tsw znacznie się
rozszerza. Analogiczny wpływ ma tu podwyższanie kosztu uprawnień do emisji CO2.
Należy zwrócić uwagę, że starsze dane na temat kwasowego punktu rosy mogą być już
nieaktualne ze względu na powszechne stosowanie w kotłach niskoemisyjnych sposobów
spalania, które wymagają obniżenia stosunku nadmiaru powietrza w palenisku. Znaczny
nieraz niedobór O2 w obszarze spalania oraz późniejsze doprowadzenie stosunkowo małych
ilości powietrza dla dopalenia paliwa (np. poprzez dysze OFA) powinny prowadzić do
zmniejszenia stosunku SO3 do SO2 w spalinach. W przypadku kotłów węglowych następuje
ponadto samoodsiarczenie spalin na alkalicznych składnikach popiołu (Ca, Mg, Na, K), zaś
udział usuniętego w ten sposób SO3 jest znacznie większy niż względny ubytek SO2.
Znaczący wpływ na korozję niskotemperaturową oraz zanieczyszczanie powierzchni
ogrzewalnych popiołem ma współspalanie biomasy. Rodzaj współspalanej biomasy może
zarówno zmniejszać zagrożenie korozją (w przypadku większości biomas roślinnych o niskiej
zawartości siarki), lub zwiększać (np. przy spalaniu wilgotnego drewna). Badania wykazały,
że dodatek wilgotnej biomasy wyraźnie podwyższa poziom wodnego punktu rosy twr
w stosunku do wartości obserwowanych przy spalaniu samego węgla.
3.1.7. Rozkłady temperatur spalin na odcinku od kotła do wylotu komina
Budowa końcowych powierzchni ogrzewalnych kotła oraz struktura umieszczonego za
kotłem ciągu spalinowego ma zasadniczy wpływ na dobór temperatury spalin wylotowych,
rozumianej jako temperatura za ostatnią powierzchnią ogrzewalną. Temperatura ta musi być
tak dobrana, aby w krytycznych punktach układu spalinowego nie doszło do obniżenia
temperatur spalin i temperatur ścianek elementów instalacji poniżej wartości dopuszczalnych
dla tych miejsc.
Typowy schemat niskotemperaturowej części ciągu spalinowego za kotłem
przedstawiono na rys. 3.9. Układ zawiera instalację odsiarczania spalin (IOS), z która często
związane są wymienniki ciepła ochładzające spaliny przed instalacją i podgrzewające je za
nią. Czasem do podgrzewania spalin za mokrą IOS wykorzystuje się gorące powietrze
podgrzewane w podgrzewaczach kotłowych.
16
Rys. 3.9 Schemat niskotemperaturowej części ciągu spalinowego za kotłem energetycznym
ROPP - regeneracyjny obrotowy podgrzewacz powietrza
RC - podgrzewacz powietrza z rur cieplnych
EF - elektrofiltr
* - brak w przypadku wyprowadzenia spalin przez chłodnię kominową
Rozkłady temperatury w odpylaczach kotłowych
Elektrofiltr
Pomiary przeprowadzone w kilku elektrowniach wykazały, że spadek temperatury
spalin w elektrofiltrze wynosi około 3 do 15 K. Jeżeli stan izolacji termicznej elektrofiltra jest
dobry, to zagrożenie korozją siarkową jest niewielkie, ponieważ poziom temperatur spalin na
jego dopływie narzucony przez wymagania podgrzewaczy powietrza jest wystarczająco
wysoki. Stąd jedyne źródło korozji mogą w elektrofiltrze stanowić nieszczelności, przez które
dopływa z zewnątrz zimne powietrze, schładzające lokalnie spaliny poniżej punktu rosy.
Niekiedy producenci elektrofiltrów podają najniższe dopuszczalne temperatury spalin na
dopływie do urządzenia, co stanowi jedno z ograniczeń dla doboru temperatury spalin
opuszczających kocioł.
Filtr tkaninowy
Odpylacz tkaninowy może bezpiecznie pracować tylko w przedziale temperatur
określonym przez producenta. Od góry dolotowa temperatura spalin jest ograniczona przez
dopuszczalną temperaturę pracy materiału worków, od dołu zaś przez punkt rosy spalin na
wylocie z instalacji odpylania, narzucający minimalną temperaturę dolotową. W efekcie
przedział temperatur spalin dopływających do filtra jest stosunkowo wąski. Np. dla filtra
pracującego w instalacji półsuchego odsiarczania spalin typu NID w El. Łaziska wynosi on od
118 do 128 oC z ograniczonymi czasowo możliwościami przekroczenia do 112 i 135
oC.
Dla węgla o zawartości siarki rzędu 1 % temperatury spalin za odpylaczem tego
rodzaju są w granicach 85 90 oC, a nawet niższe. Układ taki wymaga jednak komina
zabezpieczonego antykorozyjnie.
Wentylatory ciągu
Wentylatory spalin są jedynymi (poza specjalnie zabudowywanymi podgrzewaczami
spalin) urządzeniami, w których następuje przyrost temperatury spalin. Wielkość tego
przyrostu jest zależna od spiętrzenia ciśnienia i strat wentylatora i wynosi ok. 2 - 10 K.
17
Wpływ układu odsiarczania spalin na rozkład temperatur – systemy odzysku ciepła
W mokrej IOS, na skutek nasycenia spalin wodą w płuczce, następuje schłodzenie
spalin do ok. 50 70 oC. W trakcie tego procesu odparowuje więcej wody niż sam proces
odsiarczania zużywa w postaci wody dodatkowej służącej do zraszania elementów czynnych
instalacji. Stąd dla zmniejszenia zużycia wody dodatkowej korzystne jest schłodzenie spalin
przed IOS do ok. 85 oC dla kotłów na węgiel kamienny i ok. 120
oC dla opalanych węglem
brunatnym. Na ogół przyjmuje się optymalną wilgotność względną spalin na poziomie 15 %.
Podane temperatury są niższe od temperatur spalin wylotowych za podgrzewaczem powietrza,
w związku z czym do dyspozycji pozostaje nadająca się do wykorzystania różnica entalpii
spalin. Można ją zużyć na ponowne podgrzanie spalin przed kominem lub też (jeżeli spaliny z
IOS odprowadzane są do chłodni kominowej) do podgrzania jakiegoś medium, dla
zwiększenia sprawności bloku. Istnieją dwa podstawowe sposoby wykorzystania energii
spalin wylotowych- rys. 3.10 i 3.11. Pierwszy, bezpośredni, w którym strumień energii
odebrany od spalin przekazany jest do podgrzania kondensatu, sieciowej wody centralnego
ogrzewania lub podgrzewania regeneracyjnego wody zasilającej niskiego ciśnienia. Sposób
pośredni jest bardziej złożony i polega na podgrzaniu wstępnym powietrza (za pomocą
podgrzewacza wodnego) odciążającym kotłowy podgrzewacz powietrza, co powoduje wzrost
temperatury spalin wylotowych, wykorzystywany do podgrzania kondensatu, lub podgrzania
niskociśnieniowego wody zasilającej.
W przypadku systemu bezpośredniego (rys. 3.10) wykorzystuje się spaliny wylotowe
do podgrzewania kondensatu, który na ogół przepływa przez kilka podgrzewaczy
regeneracyjnych niskiego ciśnienia. Schładzacz spalin połączony jest po stronie wodnej z
wymiennikiem ciepła (podgrzewaczem wody) włączonym w rurociągu obejściowym systemu
podgrzewania kondensatu. W przykładowych obliczeniach dla warunków podanych w [9]
podgrzewacz ten jest w stanie ogrzewać kondensat od temperatur t1 = 86/54 C (węgiel
brunatny/kamienny) do temperatur t2 = 125/90 C).
ts1 ts2
IOS
do chłodni
kominow ej
t1t2
Układ regeneracji ciepła
Odgazow yw acz
Rys. 3.10 Bezpośrednie wykorzystanie energii odpadowej spalin w kotle z instalacją
odsiarczania mokrego do podgrzewania kondensatu głównego
(odprowadzenie spalin przez chłodnię kominową)
18
Podgrzewanie kondensatu ciepłem odebranym od spalin oznacza wyłączenie z pracy
bocznikowanego podgrzewacza regeneracyjnego poprzez zamknięcie dopływu pary grzejnej z
upustu turbiny. Przy niezmiennej mocy elektrycznej turbozespołu oznacza to możliwość
zmniejszenia ilości pary wytwarzanej w kotle. Regulacja wymaganej najniższej temperatury
spalin przed IOS następuje przez otwarcie wodnego przewodu obejściowego łączącego
przewody między schładzaczem i podgrzewaczem. Przy długich odcinkach przewodów
łączących oba wymienniki występuje duża inercja cieplna, co wymaga zastosowania bardzo
sprawnych układów regulacji.
System pośredni wykorzystania ciepła od spalin pokazany jest na rys. 3.11. Może być
realizowany wielowariantowo i umożliwia wykorzystanie ciepła spalin o wyższym poziomie
temperaturowym. Wspólnym we wszystkich wariantach jest podgrzewanie powietrza we
wstępnym podgrzewaczu powietrza (przed wlotem do podgrzewacza kotłowego). Dzięki temu
zmniejsza się udział ciepła przejmowanego w kotłowym podgrzewaczu powietrza. System
zakłada istnienie kanału obejściowego o dużym przekroju po stronie spalinowej zasadniczego
podgrzewacza powietrza dla utrzymywania optymalnej ich temperatury. W kanale
umieszczone są powierzchnie wymiany ciepła podgrzewacza wody i kondensatu. System
pośredni charakteryzuje się tym, że za wentylatorem spalin, a przed absorberem IOS znajduje
się schładzacz spalin schładzający spaliny od temperatury ts3 = 180/130 C (węgiel
brunatny/kamienny) do ts4 = 120/85 oC (węgiel brunatny/kamienny).
ROPP
IOSSchładzacz spalin
Wenty lator spalinElektrofiltr
Podgrzewacz wody
Podgrzewacz kondensatu
Pompa obiegowa
Wenty lator powietrza
Przepustnica
t
t
t tt
t
t
p1
p2
p3
s1
s2 s3 s4
Do chłodni kominowej
Rys. 3.53 Pośrednie wykorzystanie energii odpadowej spalin w kotle z instalacją odsiarczania
mokrego do podgrzewania wstępnego powietrza oraz podgrzewania wody zasilającej
i kondensatu (odprowadzenie spalin przez chłodnię kominową)
Schładzacz jest połączony po stronie wodnej z podgrzewaczem wstępnym powietrza
podgrzewającym powietrze od temperatury tp1 = 40 C do tp2 = 140/95 C (węgiel
kamienny/brunatny). Podgrzane powietrze o tej temperaturze płynie do podgrzewacza
kotłowego, gdzie podgrzewa się do temperatury tp3 = 290/340 C (węgiel brunatny/kamienny).
Dla utrzymania optymalnej temperatury spalin za kotłowym podgrzewaczem
powietrza istnieje konieczność zastosowania odpowiednio dużego kanału obejściowego, w
którym umieszcza się podgrzewacz wody zasilającej i podgrzewacz kondensatu, jako
odbiorniki ciepła. Spaliny przed kotłowym podgrzewaczem powietrza mają temperaturę
19
ts1 = 330/380 C i w pewnych warunkach eksploatacyjnych, po otwarciu klapy, przez układ
regulacji stabilizujący temperaturę spalin za podgrzewaczem powietrza, mogą wpłynąć do
kanału obejściowego, gdzie oddają ciepło wodzie zasilającej i/lub podgrzewaczowi
kondensatu. Po wyjściu z niego mieszają się ze spalinami płynącymi przez podgrzewacz
powietrza, o temperaturze ts2 = 170/120 C. Powyższy układ zapewnia dobrą stabilność
temperatury spalin.
W mokrych IOS spotyka się rekuperacyjne lub regeneracyjne wymienniki ciepła do
schładzania i podgrzewania spalin. Wymienniki rekuperacyjne można stosować zarówno w
układach z wyprowadzeniem spalin do komina (do schłodzenia spalin przed instalacją
odsiarczania, jak również do ich ponownego podgrzania za nią) jak i przy zastąpieniu komina
chłodnią kominową (nie jest wówczas potrzebny podgrzewacz spalin). Regeneracyjne
wymienniki obrotowe (REGAVO) stosuje się najczęściej w układach z kominem, ponieważ
stosunkowo łatwo można w nich zrealizować przekazywanie ciepła od gorących do zimnych
spalin.
Wymienniki ciepła w układach odsiarczania muszą być wykonywane jako odporne na
korozję, często z tworzyw sztucznych. W przypadku, gdy niskotemperaturowa część ciągu
spalinowego za kotłem zawiera schładzacz spalin, który pozwala na obniżenie ich temperatury
do poziomu niedostępnego dla konwencjonalnych podgrzewaczy powietrza, problem
zapewnienia możliwie najniższej wartości tsw traci na znaczeniu. Można wówczas, bez szkody
dla sprawności bloku, przyjmować na tyle wysoką temperaturę spalin za kotłowym
podgrzewaczem powietrza, aby nie występowały zagrożenia związane z przekroczeniem
punktu rosy w jego elementach odpowiednio duża wartość nadwyżki temperatury ścianek
ponad temperaturę punktu rosy tb) nawet przy braku wstępnych podgrzewaczy parowych czy
też konieczności stosowania innych sposobów ochrony przed ww. zagrożeniem (np.
recyrkulacja powietrza).
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
pośrednie wykorzystanie energii spalin
węgiel kamienny
węgiel brunatny
pośrednie wykorzystanie energii spalin
bezpośrednie wykorzystanie energii spalin
bezpośrednie wykorzystanie energii spalin
16,7 MPa
538/538 oC25,0 MPa
540/560 oC
27,0 MPa
585/600 oC
35,0 MPa
700/720 oC
wzro
st
sp
raw
no
ści n
ett
o w
pu
nkta
ch
pro
ce
nto
wych
, %
parametry bloku
Rys. 3.12 Przyrost sprawności w funkcji parametrów bloków
oraz sposobu wykorzystania energii cieplnej spalin
20
Zgodnie z obliczeniami podanymi w [9] - rys. 3.12, w elektrowni opalanej węglem
kamiennym w wariancie z bezpośrednim wykorzystaniem energii spalin wylotowych uzyskuje
się 0,25 punktów % i 0,6 0,7 p. % w wariancie pośrednim. W przypadku elektrowni na
węgiel brunatny osiąga się oczywiście większy przyrost sprawności, tzn. 0,7 p.% w przypadku
systemu bezpośredniego i 1,45 1,6% p.% dla systemu pośredniego. W przypadku „wysokich
parametrów” bloku widać wpływ wysokiej temperatury wody zasilającej osiąganej też
kosztem ciepła spalin i zmniejszenia strumienia pary. Należy zauważyć, że na obniżenie
zysków netto mają wpływ wyższe spiętrzenia ciśnienia wentylatorów ciągu i podmuchu, w
związku z koniecznością przetłaczania spalin i powietrza przez dodatkowe wymienniki.
W półsuchych IOS (np. NID) minimalne temperatury spalin na dopływie do instalacji
kształtują się na poziomie 110 120 oC, a więc są wyższe niż w instalacjach mokrego
odsiarczania. W efekcie spada opłacalność ewentualnego dodatkowego wymiennika ciepła
schładzającego spaliny przed dopływem do IOS.
System odzysku ciepła nie musi być związany tylko z IOS. Wszędzie, gdzie ciąg
spalinowy kończy się mokrym kominem lub chłodnią kominową możliwe jest zastosowanie
odzysku ciepła spalin. Przykładem może tu być pokazać układ POWERISE zastosowany w
fluidyzacyjnym kotle nadkrytycznym PKE El. Łagisza [10] (rys. 3.13). Układy tego rodzaju
pozwalają uzyskać sprawność kotła (który w tym momencie bilansowo kończy się za
schładzaczem spalin) wyższą od 95 % i odpowiednio niską emisję CO2. Odzyskane ciepło
służy do wstępnego podgrzewania powietrza i kondensatu.
Rys. 3.13 Schemat i podstawowe parametry układu odzysku ciepła spalin
w kotle nadkrytycznym PKE El. Łagisza - dane wg [10]
Komin
Temperatury spalin na dopływie do komina tkom 1 i wypływie z niego tkom 2 są istotnymi
warunkami wyjściowymi dla projektowania instalacji spalinowej kotła. Są one silnie
uzależnione od konstrukcji komina i na ogół podawane przez jego dostawcę. W niemieckich
przepisach (Großfeuerungsanlagenverordnung) podano wymaganie, że minimalna temperatura
spalin opuszczających komin musi być wyższa od 72 oC. Z danych pomiarowych wynika, że
spadki temperatur wzdłuż długości betonowych lub ceglanych kominów występujących w
energetyce zawodowej wynoszą około 0,7 - 3 K/100 m. W związku z tym dla komina o
wysokości 200 m temperatura dolotowa nie powinna spadać (również przy niskim obciążeniu)
21
poniżej ok. 74 - 78 oC. W kraju na ogół temperatury te są podawane na znacznie wyższym
poziomie, w granicach tkom 1 = 120 - 130 oC. Tylko dla kominów zabezpieczonych
antykorozyjnie na całej długości dopuszcza się niższe temperatury, na poziomie
tkom 1=8090 oC.
Projektując modernizację, której efektem jest znaczne obniżenie temperatury tkom 1,
trzeba pamiętać o związanym z tym zmniejszeniu wyporu naturalnego w kominie.
3.2. Obniżenie stosunku nadmiaru powietrza w kotle
Zmniejszenie zbyt wysokiego stosunku nadmiaru powietrza w spalinach kotłowych
prowadzi w pierwszym rzędzie do obniżenia straty wylotowej, ale jest też korzystne z wielu
innych względów. Cel ten można uzyskać dwiema drogami: poprzez zmniejszenie przyssań
fałszywego powietrza i przez taką modyfikację układu paleniskowego, aby możliwe było
prowadzenie procesu spalania przy niższym stosunku nadmiaru powietrza w palenisku.
3.2.1. Ograniczenie przyssań powietrza do komory paleniskowej i ciągu konwekcyjnego
Nieszczelności powodujące przyssanie zimnego powietrza z otoczenia mogą być
powodem bardzo znacznego pogorszenia sprawności kotła, ponieważ prowadzą zarówno do
zwiększenia strumienia spalin jak i do podniesienia temperatury spalin wylotowych.
Szczególnie niekorzystne są przyssania do komory paleniskowej. Ponieważ na ogół kocioł
prowadzony jest przy zachowaniu wymaganego stosunku nadmiaru powietrza na wylocie z
paleniska, to z bilansu powietrza w komorze wynika konieczność zmniejszenia ilości
podgrzewanego powietrza przy wzroście strumienia przyssań. W efekcie maleje ilość
czynnika schładzającego spaliny w kotłowych podgrzewaczach powietrza, a temperatura
spalin wylotowych rośnie. Sytuacja ulega dalszemu pogorszeniu na skutek schłodzenia
dosysanym powietrzem spalin w ciągu konwekcyjnym, co prowadzi do znacznego nieraz
zmniejszenia logarytmicznej różnicy temperatur w kotłowych wymiennikach ciepła.
Dodatkowy negatywny efekt przyssań stanowi wzrost kosztów przetłaczania czynników przez
wentylatory spalin i powietrza.
Przyssania fałszywego powietrza można zmniejszyć poprzez następujące działania
modernizacyjne:
doszczelnienie komory paleniskowej,
doszczelnienie ciągu konwekcyjnego w obszarze powierzchni ciśnieniowych i jeśli to
możliwe, zmniejszenie powierzchni ścian,
poprawienie szczelności podgrzewaczy powietrza usytuowanych w ciągu konwekcyjnym.
W starszych kotłach, które nie mają ścian membranowych, zastosowanie takich
ekranów radykalnie poprawia sytuację, prawie całkowicie eliminując większość źródeł
przyssań powietrza z otoczenia. Tego rodzaju modernizacja jest jednak kosztowna, chociaż
biorąc pod uwagę, że w jej wyniku znacznie ułatwia się wprowadzenie pierwotnych metod
redukcji NOx, może być opłacalna. Warunkiem jest, aby przewidywany okres pracy kotła po
modernizacji był odpowiednio długi. Jeżeli zastosowanie ścian szczelnych nie wchodzi w
rachubę, należy dokładnie doszczelnić ściany paleniska, zwracając największą uwagę na
włazy, otwory zdmuchiwaczy, skrzynię palnikową i lej żużlowy. Szczególnie ważne jest
szczelne zamknięcie leja żużlowego, który w wielu kotłach stanowi źródło największych
przyssań.
22
Modernizując stare kotły można czasem uzyskać duże zmniejszenie przyssań
(i dodatkowo straty rozproszenia) poprzez całkowitą przebudowę ciągu konwekcyjnego, który
bywał zaopatrywany w bardzo nieraz rozbudowane kanały obejściowe. Zastępując taki ciąg
konwekcyjny wykonany w tradycyjnej, ciężkiej wymurówce, nowoczesną konstrukcją z lekką
izolacją i blaszanym opancerzeniem, można uzyskać wyraźny wzrost sprawności kotła.
3.2.2. Ograniczenie przyssań powietrza w podgrzewaczach powietrza
Ważnym problemem jest ograniczenie przecieków powietrza do spalin
w podgrzewaczach powietrza. Znaczna różnica ciśnień obu czynników (spalin i powietrza)
powoduje, że strumień przecieku może być duży. W podgrzewaczach rurowych źródłem
przyssań są nieszczelności wynikające z uszkodzeń rur i ścian sitowych (erozja popiołowa,
rozszczelnienie spoin i zawalcowań). Powodem uszkodzeń może być złe zaprojektowanie
podgrzewacza, niepozwalające na prawidłową kompensację dylatacji rur.
W ROPP pewien przeciek powietrza do spalin jest nieunikniony, ale nowoczesne
uszczelnienia pozwalają na jego znaczne zmniejszenie w stosunku do starszych rozwiązań.
4. OGRANICZENIE NIERÓWNOMIERNOŚCI TEMPERATUR
METALU W PRZEGRZEWACZACH PARY
Warunkiem uzyskania wysokiej sprawności obiegu jest stosowanie jak najwyższych
ciśnień i temperatur pary. Dlatego osiągalne sprawności zależą w głównej mierze od
postępów inżynierii materiałowej, których efektem są stopy o coraz wyższych dopuszczalnych
parametrach pracy. Biorąc pod uwagę, że kotły energetyczne, a szczególnie kotły na
parametry nadkrytyczne, na ogół charakteryzują się dużymi wymiarami, szczególnego
znaczenia nabiera kwestia rozrzutów temperatur poszczególnych rur przegrzewaczy pary przy
utrzymywaniu wysokich wartości średnich temperatur pary za stopniami. W tej sytuacji
konieczne się staje opracowanie odpowiednich układów pomiaru temperatur metalu, tak aby
nie następowało przekraczanie wartości dopuszczalnych ze względu na pełzanie. Należy przy
tym wziąć pod uwagę, że im większe lokalne przekroczenia temperatur metalu w stosunku do
wartości średniej, tym mniejszy staje się efekt wprowadzenia niezwykle drogich nowych
materiałów. Jeżeli przy tym ciągła diagnostyka wężownic przegrzewacza nie jest właściwie
zaprojektowana, pojawia się ryzyko wystąpienia lokalnych przekroczeń temperatur
dopuszczalnych dla materiału, prowadzące do awarii. Z wymienionych względów dla
prawidłowego zaprojektowania przegrzewaczy pary w kotłach o wysokich parametrach
czynnika roboczego konieczne są:
wybór optymalnej pod względem cieplno przepływowym postaci geometrycznej kotła
(sylwetka wieżowa, lub inna),
staranna analiza rozwiązań konstrukcyjnych poszczególnych stopni przegrzewaczy, dla
zmniejszenia zróżnicowania obciążeń cieplnych poszczególnych wężownic oraz
temperatur pary na ich wylocie,
zaprojektowanie systemu odpowiednio zlokalizowanych punktów pomiaru temperatur
metalu elementów przegrzewacza, powiązanego z układem regulacji temperatury pary.
Pierwsze dwa z powyższych punktów umożliwiają zbliżenie średniej temperatury pary
za stopniami przegrzewaczy do dopuszczalnych temperatur pracy materiałów (a więc pozwala
w maksymalnym stopniu wykorzystać potencjał podwyższania sprawności bloku), trzeci
natomiast nie dopuszcza do wystąpienia niebezpiecznych przekroczeń temperatury w
zmiennych warunkach pracy kotła. Jednocześnie system diagnostyczny umożliwia ewentualną
korektę rozwiązań konstrukcyjnych przegrzewacza.
23
Mimo, że niektóre firmy wybierają nadal dwuciągowe sylwetki kotłów, korzystniejsze
dla wielkich jednostek są konstrukcje wieżowe, zapewniające najbardziej jednorodne pola
temperatur i stężeń składników spalin na dopływie do przegrzewaczy.
Rys. 3.14 Schemat kotła BP 1150 (układ wieżowy) i OP 230 (układ )
P1b
P3
M2
M1
ECO
P4
24
LITERATURA
[1] PN-EN 12952-15:2004 „Kotły wodnorurowe i urządzenia pomocnicze - część 15:
Badania odbiorcze”. PKN, Warszawa.
[2] Pronobis M.: Modernizacja kotłów energetycznych. WNT Warszawa 2002.
[3] Gramatyka F.: Źródła ciepła - możliwości i kierunki modernizacji. Seminarium nt.
Modernizacja systemów ciepłowniczych. Izba Gospodarcza Ciepłownictwo Polskie
w Warszawie, Lublin, 24 lutego 2004 r.
[4] Wejkowski R.: Badania wybranych układów rur ożebrowanych dla określenia ich
przydatności w technice kotłowej. Praca doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice
2004.
[5] Pronobis M.: Nowe rozwiązania konstrukcyjne powierzchni konwekcyjnych w
kotłach energetycznych. Konferencja „Nowoczesne technologie spalania węgla i paliw
odpadowych” Szczyrk, listopad 2008 r.
[6] Pronobis M.: Wymiana ciepła w zanieczyszczonych powierzchniach konwekcyjnych
kotłów. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria: Energetyka z.115, Gliwice
1992.
[7] Zobek Z.: Efekty zastosowań innowacyjnych powierzchni ogrzewalnych w kotłach
przemysłowych. I Sympozjum „Kotłownie przemysłowe przyjazne dla środowiska”.
Gostyń, 1997.
[8] Potoczna J., Kalisz S., Pronobis M.: Ocena sprawności oraz efektywności pracy kotła
płomienicowo-płomieniówkowego przy zastosowaniu intensyfikacji wnikania w
płomieniówkach. VIII Konferencja Kotłowa’98. Pol. Śląska, IMiUE. Prace Naukowe,
Monografie, Konferencje z.2, tom 3. Gliwice 1998.
[9] Bauer G., Lankes F.: Erhöhung des Blockwirkungsgrades durch verbesserte
Abgaswärmenutzung. VGB Kraftwerkstechnik 77 (1997), H. 5.
[10] Adamczyk F.: Integration of a POWERISE Flue Gas Heat Recovery System in the
Worldwide Largest Fluidised Bed Boiler Lagisza 460 MW Efficiency Increase and
CO2 Reduction. VGB PowerTech 12/2008.