Parni kotlovi

Parni kotlovi •

Tendencija prilagođavanja inžinjerskih rješenja parnih kotlova i kotlovskih postrojenja uslovima koje u posljednje vrijeme diktiraju vrsta i kvalitet raspoloživih goriva za sagorijevanje u kotlovima,predstavlja danas izazov za svaki tim inžinjera koji se ovom problematikom bavi u sredinama koje do sada nemaju razvijenu kotlogradnju,a poseban stimulans za buduće mlade inzinjere da se u toku studija posvete izučavanju procesa koji se odigravaju u kotlovima,načinu komponovanja kotlovskog postrojenja,i vještinama njihove racionalne eksplatacije

•

Zadatak pri izboru i nabavci kotlovskog postrojenja nije ništa manje odgovoran od konstrukcije i projektovanja parnog kotla.U prilog tome neka ide saznanje o čestim rekonstrukcijama kotlova sa svrhom njihove što racionalnije eksploatacije,kao i prilagođavanje novih konstrukcija sa iskustvima stečenim pri radu sa jedinicama istog proizvođača na jednom lokalitetu,praksa kod nas.

•

Konačno poznavanje kotlovskih procesa i konstrukcija kotlovskih elemenata predstavnja neophodan osnov za racionalnu eksploataciju kotlovskih postrojenja,a time i što dugotrajnije korištenje naših raspoloživih rezervi fosilnog goriva.

•

Parni kotao je uređaj koji prilikom sagorijevanja goriva vodu pretvara u vodenu paru.Da bi služio namjeni pritisak pare u kotlu mora biti veći od atmosferskog.

•

Tako dobijena para predstavlja potencijalnu energiju,čija je veličina određena pritiskom i temperaturom,te sluzi za pokretanje parnih strojeva,za zagrijavanje i sl.

•

Konstrukcija parnog kotla dosta je jednostavna.

•

U osnovi,parni kotao se sastoji od ložišta,u kojem se vrši sagorijevanje i parnog kotla (zatvorene posude) u kojem se vrši isparavanje.

•

U svim kotlovskim elementima se dešavaju složeni procesi prenosa toplote i mase, tako da su naučne oblasti čijim se rezultatima koristi u proučavanju kotlova prvenstveno:termodinamika sa prenosom topline,mehanika fluida sa gasodinamikom, zatim nauka o čvrstoći.

•

U kotlovima su zastupljena sva tri vida prenosa topline: provođenje (kondukcija) toplote, prelaz (konvekcija) toplote i zračenje.

1

•

Osnovni parametri prema kojima se mogu klasificirati kotlovi su:

•

-namjena

•

-kapacitet

•

-radni pritisak

•

-vrsta goriva

•

-sistem sagorijevanja

•

-historijski razvoj

•

-proizvod kotla itd.

•

Razvoj kotlogradnje počinje sasvim malim jedinicama sa snagom od nekoliko KW,a danas se grade jedinice snage do 4000 W.

•

Ilustracije radi pokažimo da je produkcija pare ovakvog kotla 1000 kg/s pare, a potrošnja uglja donje toplotne moći,tj voda u produktima se nalazi u parnom stanju, iznosi 500kg/s.

•

Prvo gorivo koje se upotrebljavalo u kotlovima bilo je drvo, da bi se neposredno nakon industrijske revolucije prešlo na ugalj.

•

Krajem 50 godina se kao gorivo počinju koristiti i nafta te njene prerađevine,pa sve do nuklearne energije.

•

Početkom 70 godina, spoznajom kako je nafta mnogo korisnija u druge svrhe, ponovno do izražaja dolazi ugalj kao jedan od osnovnih goriva.Ova činjenica ima poseban značaj za našu zemlju. Vrste parnih kotlova

Prema veličini pritiska vodene pare razlikujemo: •

parne kotlove niskog pritiska do 16 bar

•

parne kotlove srednjeg pritiska do 60 bar

•

parne kotlove visokog pritiska do 225 bar Prema vrsti vodene pare koju proizvode,kotlovi se dijele na:

•

kotlove sa zasićenom parom

•

kotlove sa pregrijanom parom

2

•

Prema konstrukciji parni kotlovi se mogu podijeliti na:

•

kotlove sa velikim sadržajem vode,u kojima se po jednom kvadratnom metru površine kotla na jedan sat proizvodi 15-20 kg vodene pare (vertikalni kotlovi,kotlovi sa plamenikom i vodogrejnim cijevima,kombinovani kotlovi,lokomotivski i brodski kotlovi).

•

Kotlovi sa malim sadržajem vode-sekcioni kotlovi, u kojima se po jednom metru kvadratnom površine kotla za 1 sat proizvodi 15-100 kg vodene pare (kotlovi sa nagnutim vodogrejnim cijevima,kotlovi sa strmim vodogrejnim cijevima i kotlovi specijalne konstrukcije u kojima proizvodnja vodene pare dostiže čak i do 250kg po kvadratnom metru površine kotla.

1-napojna pumpa

7-pregrijači pare

2-zagrijač vode

8-ložišni prostor

3-kotlovski bubanj

9-gorionici

4-spusne (hladne) cijevi

10-zagrijač zraka za ložište

5-donji sabirnici radne vode

11-elektro-filter

6-podizne (ekranske) cijevi

12-ventilator

3

Osnovne karakteristike parnog kotla Parni kotao karakterišu tri veličine i to: -toplotno opterećenje grejne površine (kolicina vodene pare koja se dobije sa 1 kvadratnog metra grejne povrsine.) -opterecenje resetke gorivom (kolicina cvrstog goriva u kg koja na 1 metar povrsine resetke sagori potpuno za 1 sat.) -toplotno opterecenje lozisnog prostora (broj kilogram kalorija koji se dobija po 1 metru kubnom lozisnog prostora u vremenu od 1 sata prilikom sagorijevanja nekog goriva. TOPLOTNA MOĆ GORIVA •

Toplotna moć goriva je ona količina toplote koja se oslobađa pri potpunom sagorijevanju 1kg za čvrsta ili tečna goriva ili jedinca zapremine Nm kubni za gasovita goriva pri čemu se nastali produkti sagorijevanja moraju ohladiti na početnu temperaturu prije sagorijevanja,odnosno da se voda u produktima sagorijevanja nalazi u parnom stanju

•

Gornja toplotna moć-Hg je ona količina toplote koja se oslobađa pri potpunom sagorijevanju 1 kg goriva,pri čemu se produkti sagorijevanja moraju ohladiti na sobnu temperaturu.

•

Donja toplotna moć-Hd je ona količina toplote koja se oslobađa pri potpunom sagorijevanju 1 kg goriva pod uslovom da se voda u produktima sagorijevanja nalazi u parnom stanju.

•

Donja toplotna moć je manja od gornje za količinu toplote potrebnu da se vlaga i voda nastale pri sagorijevanju pretvore u parno stanje.

LOŽIŠTA PARNIH KOTLOVA •

Ložište mora da zadovolji dva osnovna uslova: da se njemu ostvari što potpunija transformacija hemijske energije goriva u toplotnu energiju produkata sagorijevanja i da se produkti sagorijevanja ohlade do temperature sa kojom oni mogu da se uvedu u konvektivne grejne površine.

•

Pored toga ložište mora da bude koncipirano tako da se u mogućoj mjeri spriječi prljanje grejnih površina, tj., da se onemogući stvaranje čvrstih naslaga šljake, da se u njemu ostvaruje što ravnomjernije toplotno opterećenje ekranskih površina, da se postigne što ravnomjernije temperatursko polje na izlazu (ispred cijevne rešetke), da se omogući odvijanje procesa sagorijevanja sa što manjim viškom vazduha itd.

Za sva ložišta su, bez obzira na njihovu veličinu, vrstu goriva i uređaje za sagorijevanje, karakteristični ekranski zidovi.

4

•

Sagorijevanje uglja u sloju predstavlja najstariji način sagorijevanja gorivakoji se organizuje na uređajima za sagorijevanje, tzv. rešetkama, raznovrsnih koncepcija.

•

Svi načini sagorijevanja u sloju se, prema smjerovima dovođenja goriva i vazduha na rešetku, svode na pet šema i to suprotna šema, kod koje se gorivo dovodi odozgo, a vazduh odozdo;

horizontalna unakrsna šema, sa dovođenjem goriva sa strane a vazduha odozdo; •

vertikalna unakrsna šema, kod koje se gorivo dovodi odozgo a vazduh sa strane;

•

paralelna šema sa dovođenjem odozdo i goriva i vazduha;

•

obrnuta paralelna šema sa dovođenjem goriva i vazduha odozgo;

•

Sagorijevanje uglja u lebdećem sloju na izvjestan način predstavlja prelazni proces između sagorijevanja u sloju i sagorijevanja u letu

LOŽIŠTA ZA TEČNA I GASOVITA GORIVA •

Sagorijevanje tečnih i gasovitih goriva je heterogen proces koji se odvija u više faza. U procesau sagorijevanja, kapljica raspršenog tečnog goriva prolazi kroz sljedeće faze: miješanje sa vazduhom, zagrijavanje i isparavanje, termičko razlaganje, obrazovanje gasne faze, paljenje i sagorijevanje.

•

Da bi se proces sagorijevanja odvijao uz što manje gubitke, neophodno je da se omogući brzo i efikasno miješanje kapljica goriva sa vazduhom, što finije raspršivanje radi povećanja aktivne površine i dovođenje zagrijanog vazduha sa čto većim impulsom u korijen plamena.

•

Raspršivanje tečnog goriva bitno utiče na brzinu i kvalitet procesa sagorijevanja. Zbog toga treba težiti da kapljice goriva budu što sitnije i što jednorodnije.

Uređaji za pripremu goriva •

Priprema uglja se vrši izvan kotla u posebnim postrojenjima. Čitav sklop procesa i uređaja za pripremu uglja naziva se sistemom za pripremu ugljenog praha.

•

U postrojenjima za pripremu ugljenog praha odvijaju se sljedeći procesi:

•

mljevenje uglja

•

sušenje uglja

habanje radnih elemenata postrojenja

5

•

Mljevenje uglja se vrši u mlinovima. Ugljeni prah predstavlja fini polidisperzni materijal sa najsitnijim dimenzijama čestica.

•

Kvalitet ugljenog praha je zasnovan na sljedećim veličinama:

•

finoća mljevenja ili granulometrijska struktura

•

Površina

•

Vlažnost

•

opasnost od eksplozije

•

transportna svojstva

•

gustoća

Postrojenja za pripremu ugljenog praha •

Sistemi za pripremu ugljenog praha p dijele se na centralne i individualne..

•

Kod centralnih sistema se priprema ugljenog praha vrši izvan kotlovskog postrojenja, u posebnom pogonu, u kome se vrši mljevenje i sušenje uglja, pa se ugljeni prah transportuje u kotao.

•

tema, priprema ugljenog praha se vrši u okviru kotlovskog postrojenja u Kod individualnog sistema, posebnim uređajima (mlinovima).

•

Ukoliko se usitnjeni prah uduvava neposredno u ložište, onda se radi o individualnom sistemu sa direktnim uduvavanjem, a ako se ugljeni prah deponuje u posebnom bunkeru iz kog se dovodi u ložište, onda se radi o individualnom međubunkerskom sistemu.

Šema postrojenja za sušenje ugljenog praha

6

1. Bunker za ugalj, 2. Sušara, 3. Mlin, 4. Seperator, 5. Mlinski ventilator 6. Ciklon, 7. Pužni transporter, 8. Bunker za ugljeni prah, 9. Ventilator, 10. Prečistač, 11. Rukavski filter, 12. Kalorifer, 13. Pumpa •

Brzohodni mlinovi.. Za brzohodne mlinove je karakteristično da se proces mljevenja odvija uglavnom sudarom. Predstavnici ovih mlinova su mlinovi mlinovi čekićari i ventilatorski mlinovi.

•

Mlinovi čekićari.. Zahvaljujući svojoj jednostavnosti konstrukcije, sigurnosti i ekonomičnosti zauzimaju vodeće mjesto među mlinovima za mljevenje mrkih ugljeva.

•

Ventilatorski mlinovi.. Oni su pogodni za mljevenje vlažnih ugljeva, kakvi su ligniti, pa se zbog toga isključivo oni koriste udomaćim postrojenjima. Slični su radijalnim ventilatorima, s tim što su im elementi koji učestvuju u procesu mljevenja ojačani. Konstrukcija ovih mlinova je prikazana na sljedećoj slici.

•

Kroz ulazno grlo (1) se u mlin dovodi ugalj zajedno sa produktima sagorijevanja recirkulisanim iz ložišta. Prilikom prolaza kroz udarno kolo (2) ugalj se melje sudarom sa masivnim udarnim lopaticama (3) postavljenim slično kao kod radijalnih ventilatora. ventil

7

Gorionici za ugljeni prah •

Gorionici u konstruktivnom smislu predstavljaju jednostavne elemente mlinskog postrojenja, ali je njihov značaj presudan za ostvarivanje stabilnog i što potpunijeg sagorijevanja. Gorionik treba da omogući brzo paljenje ugljenog praha u što širem području, da obezbijedi stabilnost plamena, da ostvari dovod toplote u korijen plamena i da izvrši intenzivno miješanje aerosmješe sa sekundarnim vazduhom.

•

Za sagorijevanje orijevanje ugljenog praha koriste se dva tipa gorionika: vrtložni (industrijski kotlovi) i mlazni (energetski kotlovi) gorionici.

Osnovna oprema termoelektrane •

To su glavni pogonski strojevi za proizvodnju električne energije, a, prije svega, tu su: parne turbine, plinske turbine i parni kotlovi.

•

U manjim elektranama ponegdje se primjenjuju motori SUS (dizel), naročito kao lokalni rezervni agregati koji se stavljaju automatski u pogon kod nestašice struje u javnoj mreži.

•

Danas u javnim termoelektranama kao pogonski agregat dominira isključivo parna turbina.

•

Njene su prednosti: velika jedinična snaga, uz visoke parametre svježe pare (170 bar i 565°C), te visoka sigurnost pogona, pa može biti u neprekidnom radu s maksimalnom snagom sna u trajanju od nekoliko hiljada sati.

8

•

Veliki broj obrtaja turbine omogućava njen direktan spoj sa električnim generatorom odgovarajuće snage, a čitav agregat radi sa visokom ravnomjernošću hoda, čime se osigurava besprekoran paralelni pogon ovog turboagregata sa drugim sličnim agregatima na zajedničku mrežu dotičnog energetskog područja.

•

Za pogon termoelektrane sa parnim turbinama mogu se koristiti čvrsta goriva i nižih toplotnih moći, ili koje drugo raspoloživo energetsko gorivo za sagorijevanje u parnim kotlovima.

•

U nedostatke termoelektrane sa parnom turbinom spada relativno dugo trajanje stavljanja turbine u pogon (nakon stajanja zbog remonta ili sl.), te velike količine vode potrebne za hlađenje kondenzatora.

•

Savremene termoelektrane sa visokim parametrima svježe pare zahtijevaju besprijekornu vodu za napajanje kotlova, tako da problem pripreme vode, naročito u toplanama sa znatnim gubitkom kondenzata predatog industrijskim potrošačima, zahtijeva naročitu pažnju, jer od toga ovisi sigurnost pogona dotične elektrane, odnosno toplane.

•

U termoelektranama se kao pogonski stroj susreće i plinska turbina. Takve su naročito pogodne za pogon vršnih i rezervnih elektrana, jer mogu biti stavljene u pogon za 15 ÷ 20 min. Maksimalna jedinična snaga GT kod ulazne temperature gasova od 650°C iznosi 27 [MW], a kod ulazne temperature gasova od 750°C oko 15 [MW].

•

Pri povećanju temperature spoljnog vazduha i rashladne vode, smanjuje se i stepen iskorištenja i snaga turbine, a smanjenje opterećenja turbine smanjuje i stepen iskorištenja i povećava potrošnju toplote. Iz tih razloga se da zaključiti da je plinske turbine preporučljivo upotrebljavati samo kao dopunske i vršne agregate i to s konstantnim, pretežno maksimalnim opterećenjem.

•

U prvom slučaju iskorištenje otpadne toplote gasnih turbina vrši se odvodom izlaznih vrelih gasova plinske turbine u kotao utilizator. Para proizvedena u ovom kotlu, eventualno uz njeno dopunsko pregrijavanje, može služiti za pogon parne turbine, koja se u tom slučaju postavlja uz plinsku turbinu.

•

Uz parnu turbinu važnu ulogu igra parni kotao koji sa turbinom predstavlja jedan zajednički blok.

•

Parni kotao sastoji se od sljedećih osnovnih elemenata:

•

isparivača ili kotla u užem smislu, u kojem prijemnik toplote (voda) isparava,

•

pregrijača pare u kojem se para isparena u isparivaču pregrijava,

•

zagrijača vode u kojem se prijemnik toplote zagrijava do temperature bliske temperaturi zasićenja i

•

zagrijača zraka u kojem se zrak zagrijava prije ulaska u ložište.

9

•

Gledajući sa strane predajnika toplote, dimnih plinova, svi se osnovni elementi nalaze u dva osnovna prostora:

•

ložištu i

•

dimnim kanalima.

•

U ložištu, u kojem je dominantan prenos topline zračenjem, smješteni su obično isparivač i ozračeni pregrijač, a u dimnim kanalima smješteni su konvektivni pregrijači pare, zagrijač vode i zagrijač zraka.

•

Pojedine vrste kotlova nemaju sve osnovne elemente. Takvi su na primjer, toplovodni kotlovi i vrelovodni kotlovi koji uopće nemaju isparivača, kotlovi na tečno ili gasovito gorivo koji obično nemaju zagrijač zraka, ili kotlovi utilizatori koji uopće nemaju ložište.

•

U pregrijačima pare isparena voda iz isparivača pregrijava se do temperature pregrijanja pri konstantanom pritisku – uz gubitke strujanja koji nisu veliki. Pri porastu temperature gustoća pare opada zbog čega brzina pare u pregrijaču raste od ulaza ka izlazu pare.

•

Prema dominantnom vidu izmjene topline pregrijače pare možemo podijeliti na:

•

konvektivne,

•

poluozračene i

•

ozračene.

•

Zavisno od njihovog karaktera imaju različitu konstrukciju. Kod konvektivnih pregrijača cijevi su malog prečnika, gusto raspoređene u dimnom kanalu, dok se ozračeni pregrijači sastoje od cijevi većeg prečnika i većim međuprostorom između njih. Temperature pregrijanja su za feritne cijevi do 540 [°C], dok su za austenitne cijevi do 650 [°C].

•

Cijevi pregrijača obično su skupljene u sabirnike u koje preko prestrujnih cijevi iz isparivača dolazi para, ili iz kojih se para evakuiše iz kotla. Sabirnici su obično izolovani ili se nalaze izvan kotla, tako da se mogu raditi i od manje legiranih čelika.

•

Sa aspekta prolaza topline suprotnosmjerna izvedba pregrijača pare povoljnija je zbog stalnog povećanja brzine pare, a time i koeficijenta prolaza topline po putu pare.

•

Međutim, istosmjerna izvedba omogućuje sigurniji rad pregrijača, jer je kod takvog pregrijača para najviše temperature u zoni hladnijih produkata sagorijevanja. Tako se izlazni stepeni pregrijača ili visoko opterećeni ozračeni pregrijači mahom izvode istosmjerno.

•

U konvektivnim pregrijačima se toplina u većem dijelu, ili potpuno, prenosi konvekcijom. Konvektivni pregrijači izrađeni su od zmijasto raspoređenih cijevi, kao viseća ili ležeća izvedba. U ozračenom pregrijaču toplina se sa produkata sagorijevanja uglavnom prenosi zračenjem, te je i njihova konstrukcija podređena tome. Izvedba im može biti zavjesna, pregradna ili ekranska.

10

•

Zagrijač vode (ekonomajzer) je naknadna konvektivna kotlovska ogrevna površina sa zadatkom da povisi temperaturu vode na ulazu u isparivač nešto ispod, ili sve do temperature isparavnja na pritisku kotla, pa i da se kod nekih izvedbi u njemu jedan dio vode i ispari.

•

Drugi zadatak zagrijača vode je da je što više moguće snizi temperaturu produkata sagorijevanja na izlazu iz kotla, ako je zagrijač vode posljednja ogrevna površina u kotlu.

•

Za kotlove viših pritisaka, zagrijač vode je neophodan element za snižavanje temperature produkata sagorijevanja na izlazu iz kotla, jer je temperatura zasićenja za takve kotlove nerijetko do 270 [°C], što bi uz neophodnu temperaturnu razlikzu, dovelo do temperature produkata sagorijevanja na izlazu iz kotla sve do 350 [°C].

•

Za kotlove nižeg pritiska, kod kojih je temperatura isparavanja niža od 180 [°C], zagrijač vode nije neophodan.

•

Kod kotlova termoenergetskih blokova, s obzirom na njihov termički koeficijent iskorištenja, napojna voda na ulazu u kotao je regenerativnim zagrijavanjem dovedena na relativno visoku temperaturu, tako da zagrijač vode kao posljednja ogrevna površina nije u mogućnosti da snizi temperaturu produkata sagorijevanja na željenu mjeru, pa kod takvih kotlova zagrijač vode ne može biti posljednja ogrevna površina. Tu ulogu tada vrši zagrijač zraka.

•

Po konstruktivnoj izvedbi, zagrijači vode su sa glatkim cijevima za kotlove višeg pritiska, ili sa vanjske strane orebrenim, obično livenim cijevima. U kotlu su obično postavljeni horizontalno sa poprečnim nastrujavanjem produkata sagorijevanja. Cijevi su postavljene u koridornom poretku, ili kod kotlova koji rade sa gorivima koja nisu sklona zaprljanju ogrevnih površina, u šahovskom rasporedu.

•

Strujanje vode u zagrijačima vode gotovo obavezno je prostrujavanjem na račun napora napojne pumpe. Strujanje vode može biti odozgo dole ili, što je češće odozdo gore.

•

Zagrijač zraka je konvektivna kotlovska ogrevna površina, redovno na kraju puta produkata sagorijevanja u kojima se na račun produkata sagorijevanja zagrijava zrak potreban za sagorijevanje.

•

Povišena temperatura zraka u ložištu ostvaruje prednosti prilikom sagorijevanja koje se očituju u bržem sušenju goriva, burnijem sagorijevanju i intezivnijem prenosu toplote zračenjem u kotlovskom ložištu.

•

Prema načinu izmjene topline, zagrijači zraka mogu se podijeliti na:

•

rekuperatorske, kod kojih ogrevna površina dijeli prijemnik i predajnik toplote i igra ulogu posrednika, kao kod cijevnih i pločastih zagrijača zraka i regeneratorske, kod kojih se ogrevna površina naizmjenično opstrujava produktima sagorijevanja – kada se grije i zrakom – kada se hladi, kao kod rotacionih zagrijača zraka.

11

•

Osim navedenih osnovnih kotlovskih elemenata, kotlovsko postrojenje čini i niz dodatnih elemenata bez kojih kotao nebi mogao raditi sigurno, efikasno i ekonomično, i takvi dodatni elementi se jednim imenom nazivaju opremom kotla. To su:

•

uređaji za napajanje i evakuaciju kotla,

•

uređaji za ventilaciju kotla,

•

uređaji za upravljanje procesima u kotlu,

•

uređaji za snabdijevanje gorivom.

•

Jedinični učinak savremenih parnih kotlova kreće se oko 1000 [t/h] kod parametara svježe pare do 300 [bar] i 650 [°C].

•

Dosta visok stepen iskorištenja savremenih parnih kotlova (87 ÷ 90%, odnosno 91 ÷ 93%) omogućava postizanje relativno povoljnijeg ukupnog termičkog stepena iskorištenja termoelektrane, što u kondenzacionom pogonu dostiže 35 ÷ 41%.

•

U toplanama sa čisto protutlačnim pogonom 75 ÷ 85%, a u kombinovanom protutlačnokondenzacionom pogonu 40 ÷ 60%. Ekvivalentna potrošnja topline, računajući na kotlu kod takvih stepeni iskorištenja za l [kWh] proizveden na pragu elektrane, iznosi:

• u kondenzacionom pogonu 8800 ÷ 10300 [kJ/kWh], • u čisto protutlačnom pogonu 4230 ÷ 4800 [kJ/kWh], • u kombinovanom pogonu javnih toplana 6000 ÷ 9000 [kJ/kWh], što se smatra niskom potrošnjom topline za jedinicu proizvedene energije.

12