1) Parní kotel a jeho začlenění v oběhu parní elektrárny, hlavní znaky, T-s diagram, mezipřehřívák, tok pracovního média, účinnost elektrárny

Transkript

1 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 C) dosažitelné výkony až 1850t/h tzn. 950 MW e při NO x 200mg/Nm 3 u hnědého a mg/Nm 3 u černého uhlí (primární opatření) aspoň jedno přihřívání páry velký jednotkový výkon kotle ( t/h= MW e ) 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 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 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 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 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 - pro hnědá uhlí a odpady 2. s pásovým roštěm - pro černá uhlí ii. fluidní ohniště (atmosferické) - pro všechny typy tuhých paliv 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 všechny typy tuhých paliv

6 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 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 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. 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. Tlukadla

9 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 typy: trubkový; deskový; žebrový nebo jehlový litinový Použití: tam kde teplota spalin před komínem není příliš nízká a pro menší teplosměnné plochy. Regenerační výměníky + jsou menší než rekuperační - míšení medii (spalin a vzduchu) Typy: Ljungström Použití: náhrada za velké teplosměnné plochy a při nízkých teplotách spalin. Trubkový ohřívák + je těsný + provozně spolehlivý - 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 mm. 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 w v =0,5w s. 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 H 2 SO 4 ) + 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.