1. Klasifikacija

1

1.

KLASIFIKACIJA GENERATORA PARE

Klasifikacija se generatora pare može izvesti po različitim kriterijima. Ovdje će biti prikazan jedan od mogućih načina klasificiranja. I.

Čelični generatori pare A. Vatrocijevni (dimocijevni) generatori pare B. Vodocijevni generatori pare 1. Horizontalni s ravnim cijevima 2. Vertikalni sa savinutim cijevima a) Generatori pare s prirodnom cirkulacijom b) Generatori pare s prisilnom cirkulacijom 1) Generatori pare s bubnjem 2) Protočni generatori pare C. Cilindrični generatori pare II. Lijevani generatori pare III. Generatori pare posebne namjene IV. Nuklearni reaktori Čelični vatrocijevni generatori pare

Sl. 3.1 Generator pare s kratkim ložištem Plamen se i dimni plinovi kod ovih generatora pare nalaze u cijevima koje su obuhvaćene bubnjem u kojemu je voda. Namijenjeni su za kapacitete proizvodnje pare do cca 25 t/h i tlakove do maksimalno 25-30 bar. Nisu pogodni za ugradnju pregrijača pare. Osnovna prednost im leži u niskim proizvodnim troškovima. Koriste se za izgaranje sve tri vrste goriva. Starije izvedbe ovih generatora pare prikazane su na slikama 3.1 i 3.2.

2

Sl. 3.2 Kompaktna izvedba s plamenicom Vjerojatno najpoznatiji generator pare ove izvedbe je lokomotivski kotao prikazan na sl. 3.3 u zakovičnoj izvedbi.

Sl. 3.3 Lokomotivski kotao Moderna izvedba ovih generatora pare poznata je kao blok kotao i prikazana je na sl. 3.4.

3

Sl. 3.4 Blok kotao Vertikalna izvedba vatrocijevnih generatora pare prikazana je shematski na sl. 3.5.

Sl. 3.5 Vertikalna izvedba vatrocijevnog generatora pare Čelični vodocijevni generatori pare Kod vodocijevnih se generatora pare, kao što im naziv sugerira, s unutarnje strane cijevi nalazi voda, odnosno vodena para. Time se u cijevima mogu ostvariti znatno veći tlakovi nego što to mogu izdržati bubnjevi velikih promjera kod vatrocijevnih generatora pare. Horizontalni generatori pare s ravnim cijevima (Sekcijski kotlovi)

4

U razvoju generatora pare pojavili su se poslije vatrocijevnih u težnji da se podignu parametri pare (tlak i temperatura), čime se osigurava bolji stupanj iskoristivosti postrojenja. Relativno su jednostavne konstrukcije. Kod njih još nije primijenjena tehnologija zavarivanja, tako da su sekcije cijevi umetnute u zajednički kolektor. Proizvodni troškovi su viši nego kod vatrocijevnih generatora pare. Na sl. 3.6 dan je shematski prikaz cirkulacije vode (prirodna cirkulacija) u isparivaču ovih generatora pare. Isparivačke su cijevi nagnute pod kutom 5-15 ° u odnosu na horizontalnu ravninu zbog lakšeg protoka mjehura pare. Bubanj može biti postavljen uzdužno, kao na sl. 3.6 ili poprečno kao na sl.3.7. Ima dvije osnovne funkcije: spremnik je vode iz kojega se napajaju isparivačke cijevi i separator je vlage.

Sl. 3.6 Cirkulacija vode u horizontalnim generatorima pare Horizontalni se generatori pare prvenstveno koriste za proizvodnju pare za procesne potrebe, katkada za potrebe grijanja, a rijetko za proizvodnju električne energije. Za postizanje viših temperatura pare ugrađuje se pregrijač pare, kao što je to prikazano na sl. 3.7. Zbog slabijeg hlađenja cijevi od strane pregrijane pare, pregrijač je smješten iza četiri reda isparivačkih cijevi koji ga štite od direktnog zračenja plamena iz ložišta. Zbog toga su prirasti temperatura pregrijane pare ograničeni na svega 50 °C.

Sl. 3.7 Horizontalni generator pare s ravnim cijevima ostale vrste goriva.

Na sl. 3.8 prikazan je horizontalni generator pare s izgaranjem ugljena na rešetki. Za izgaranje se mogu koristiti i

5

Sl. 3.8 Horizontalni generator pare s izgaranjem na rešetci Vertikalni generatori pare sa savinutim cijevima U ovu grupu spadaju srednji i veliki generatori pare. Za izgaranje mogu koristiti sve tri vrste goriva i tada im je konstrukcija prilagođena odgovarajućoj vrsti goriva i načinu izgaranja: 1) izgaranje krutog goriva u sloju • na ravnoj rešetci • na kosoj (stepenastoj) rešetci 2) izgaranje krutog goriva u fluidiziranom sloju 3) izgaranje u prostoru • ugljena prašina • tekuće gorivo • plinsko gorivo Generatori pare s prirodnom cirkulacijom Cirkulacija vode u isparivaču nastaje zbog razlike u gustoćama vode u silaznim cijevima koje spajaju bubanj s donjim kolektorima i gustoće vodeno-parne smjese u isparivačkim cijevima koje opet vode od donjih kolektora kroz ložište do bubnja. Silazne cijevi u pravilu nisu grijane. Starije su izvedbe generatora pare imale više bubnjeva (sl. 3.9), dok se modernije izvedbe prepoznaju po jednom (sl. 3.10), najviše dva bubnja. Visoki tlakovi koji karakteriziraju današnje generatore pare bitno poskupljuju izvedbu bubnjeva, što reducira broj bubnjeva i smanjuje promjer.

6

Sl. 3.9 Generator pare s tri bubnja i kosom rešetkom

Sl. 3.10 Generator pare s jednim bubnjem i izgaranjem u prostoru

7

Generatori pare s prisilnom cirkulacijom Za prirodnu je cirkulaciju vodeno-parne smjese u isparivaču potrebna minimalna visina ložišta i dovoljna razlika gustoća vode i pare. Kod nižih ložišta ili kada se zbog povišenja tlaka razlika gustoća vode i pare smanjuje, može se koristiti pumpa za osiguranje potrebne cirkulacije. Takvi se generatori pare zovu La Mont kotlovi. Shematski prikaz La Montovog generatora pare prikazan je na sl. 3.11.

Sl. 3.11 Shema generatora pare s prisilnim strujanjem Posebnu grupu generatora pare u kojima se uspostavlja prisilno strujanje vode i pare čine protočni generatori pare. To su danas najveće jedinice koje se grade s kapacitetima pare do 2500 t/h i nadkritičnim tlakovima te temperaturama pare do 600 °C. Možemo ih zamisliti kao jednu cijev (sl.3.12) u kojoj se voda zagrijava, potpuno isparava i proizvedena para pregrijava.

Sl. 3.12 Ideja protočnog generatora pare Najpoznatiji iz ove grupe je Bensonov protočni generator pare koji koristi ideju sa sl. 3.12 u njenom izvornom obliku. Nedostatak čistog protočnog generatora pare je u tome što takva konstrukcija nije pogodna za niža opterećenja kod kojih dolazi do povećanja udjela ložišta u ukupnoj izmjeni topline generatora pare. To znači da se kod nižih opterećenja povećava opasnost od pregaranja cijevi u ložištu. Zbog tog razloga je kod nižih opterećenja povećan protok vode kroz isparivač Sulzerovog protočnog generatora pare. Za isparavanje tog povećanog protoka nema dovoljno goriva pa je na kraju isparivača postavljen odvajač vode koja se odvodi u spremnik napojne vode. Time je osigurana zaštita isparivačkih cijevi.

8

Sl. 3.13 Shema Sulzerovog generatora pare

Sl. 3.14 Sulzerov protočni generator pare Čelični cilindrični generatori pare Ovi se generatori pare sastoje od cilindrične posude u kojoj je voda i izvor topline. Izvor topline može biti plamen, para, voda ili neki drugi medij te električna energija. Najzanimljiviju grupu čine nuklearni generatori pare. Na sl. 3.15 prikazan je U-cijevni nuklearni generator pare kakav se koristi u nuklearnim elektranama PWR (Pressurized Water Reactor) tipa. Kao izvor topline koristi se voda pod visokim tlakom kako ne bi isparavala. Zagrijana voda iz reaktora ulazi u U-cijevni snop koji u pravilu ima nekoliko tisuća tankih cijevi (φ20 mm). Svoju toplinu predaje napojnoj vodi koja ispunjava prostor između cijevi i vanjskog plašta. Napojna voda se zagrijava, isparava do stanja suhog zasićenja i vodi u turbinu. Tlak i temperatura pare su relativno niski u usporedbi s generatorima pare na fosilna goriva.

9

Sl. 3.15 Nuklearni generator pare Lijevani generatori pare Lijevano željezo i čelični lijev nisu dovoljno žilavi da bi izdržali visoke tlakove. Zbog toga se ovi uređaji ne koriste za proizvodnju električne energije, kod čega se traže visoki parametri da bi se dobio visoki stupanj iskoristivosti, već se koriste za proizvodnju pare ili tople vode u domaćinstvima ili poslovnim zgradama. Izrada im je relativno skupa, ali se to nadoknađuje velikom pouzdanošću u radu i dugovječnošću. Otporni su na vanjsku (na strani dimnih plinova) i unutarnju (na strani vode) koroziju.

Sl. 3.16 Lijevani vrelovodni kotao

Sl. 3.17 Lijevani generator pare za centralno grijanje

Generatori pare posebne namjene U ovoj ćemo grupi generatora pare prikazati brodske kotlove i generatore pare na otpadnu toplinu.

10

Brodski generatori pare Karakterizira ih smještaj na brodovima zbog čega im je konstrukcija kompaktna kako bi se što bolje iskoristio raspoloživi prostor. Zbog promjenljivog režima pogona broda moraju imati veliku elastičnost u radu (0 - 120 % snage). Na ratnim se brodovima konstrukcijom osigurava da se najbolji stupanj iskoristivosti generatora pare postiže kod 25 % snage. Na trgovačkim se brodovima, za razliku od toga, najbolji stupanj iskoristivosti postiže na punoj snazi. Podgrupe su sličnih karakteristika kao kod stacionarnih generatora pare: • horizontalni s ravnim cijevima • vertikalni sa savinutim cijevima • s prisilnom cirkulacijom • nuklearni generatori pare.

3.18 Horizontalni kotao s ravnim cijevima

3.19 Vertikalni kotao s dva bubnja

Generatori pare na otpadnu toplinu Kod ovih se generatora pare koriste dimni plinovi visokih temperatura koji su proizvod nekog drugog procesa. Umjesto da ih se izbaci u atmosferu njihova se toplina koristi za proizvodnju pare. Ovaj je slučaj čest kod integriranog korištenja plinskoturbinskog i parnoturbinskog procesa. Zbog visokih temperatura (500-600 °C) dimnih plinova na izlazu iz plinske turbine oni se vode u generator pare na otpadnu toplinu (utilizator), gdje se može, ali i ne mora ubrizgavati dodatno gorivo.

11

Sl. 3.20 Generator pare na otpadnu toplinu Nuklearni reaktori U nuklearnim se elektranama BWR tipa (Boiling Water Reactor) isparavanje vode odvija u reaktoru. Time reaktor postaje generator pare, sl. 3.21.

Sl. 3.21 BWR tip reaktora Umjesto se goriva koristi toplina nastala nuklearnom reakcijom fisije (raspadom teških atoma urana ili plutonija) u jezgri reaktora. Voda se prolaskom kroz jezgru zagrijava i djelomično isparava, a para se nakon separacije vode odvodi u turbinu.