Componenti della Caldaia a Tubo d'Acqua Dettagliati
Una caldaia a tubo d'acqua trasforma l'acqua in vapore riscaldandola con l'energia generata dalla combustione di combustibili; l'eccezione è un generatore di vapore a recupero di calore (HRSG) che utilizza il calore recuperato dai gas di scarico per convertire l'acqua in vapore. Le caldaie a tubo d'acqua sono impiegate in molte applicazioni industriali, ma questo articolo si concentra sulle caldaie a tubo d'acqua utilizzate nelle centrali elettriche.
Nota – per facilitare la comprensione e la familiarizzazione, questo articolo utilizza le varie forme di tubo d'acqua, tubo d'acqua, e tubo d'acqua, in tutto; tutte le espressioni significano la stessa cosa.
Nota – si prega di consultare il nostro articolo principale Caldaie a Tubo d'Acqua Dettagliate per una panoramica generale sul funzionamento, design e operatività delle caldaie a tubo d'acqua.
Caldaia a Tubo d'Acqua della Centrale Elettrica
Progettazione della Caldaia a Tubo d'Acqua
Una grande caldaia di centrale elettrica è composta da migliaia di componenti per generare vapore in modo efficiente e affidabile. Le principali componenti di una caldaia a tubo d'acqua sono descritte in questo articolo, ma ce ne sono molte altre! Utilizzare il diagramma sottostante come riferimento durante la lettura di questo articolo.
Componenti e Posizioni della Caldaia a Tubo d'Acqua
Componenti e Posizioni della Caldaia a Tubo d'Acqua
Tamburo del Vapore
Un tamburo del vapore è un recipiente cilindrico che contiene acqua e distribuisce vapore; si trova nella parte superiore della caldaia. Il tamburo del vapore raccoglie il vapore generato dai tubi riser, che circondano il forno. I tamburi del vapore contengono componenti interni come separatori a ciclone e scrubber per garantire che il vapore scaricato sia asciutto e privo di gocce d'acqua, evitando così il trasporto di umidità ai surriscaldatori e alle turbine a vapore. Prodotti chimici vengono dosati nel tamburo del vapore perché l'ambiente all'interno del tamburo è turbolento, facilitando così la miscelazione dei prodotti chimici nel sistema.
Tamburo del Vapore della Caldaia a Tubo d'Acqua
Tamburo del Fango
I tamburi del fango sono posizionati nella parte inferiore di una caldaia a tubo d'acqua; raccolgono sedimenti e impurità dal sistema dell'acqua della caldaia. In alcuni design di caldaie, specialmente nei design più moderni o compatti, potrebbe non essere presente un tamburo del fango dedicato. Invece, collettori d'acqua installati nella parte inferiore della caldaia possono svolgere la stessa funzione (questi collettori servono come punti di raccolta per le impurità, agendo efficacemente come tamburi del fango).
Posizioni del Tamburo del Vapore e del Tamburo del Fango della Caldaia a Tubo d'Acqua
Tubi d'Acqua
I tubi d'acqua contengono acqua della caldaia prima che cambi stato/fase in vapore. Il nome di un tubo d'acqua cambia a seconda della sua posizione all'interno della caldaia, per esempio:
- Tubi discendenti – trasportano acqua fredda dal tamburo del vapore verso la parte inferiore della caldaia.
- Tubi riser – trasportano acqua riscaldata e vapore dalla parte inferiore della caldaia al tamburo del vapore.
Collettori
I collettori sono grandi cilindri con molteplici connessioni. I collettori raccolgono il fluido di lavoro per un gruppo di tubi e sono tipicamente etichettati come collettori superiori o collettori inferiori. Se un collettore è installato in una posizione alta all'interno della caldaia, raccoglie la miscela acqua/vapore dai suoi tubi riser associati, quindi la canalizza al tamburo del vapore attraverso più tubi; è conosciuto come collettore di vapore o collettore superiore. Se un collettore è installato in una posizione bassa nella caldaia, distribuisce acqua ai suoi tubi di collegamento; è conosciuto come collettore d'acqua o collettore inferiore.
- Collettore di vapore – raccoglie vapore dai tubi riser e lo scarica al tamburo del vapore.
- Collettore d'acqua – distribuisce acqua alla base dei tubi riser.
Bruciatore
Gli input principali di una caldaia sono:
- Combustibile – serve come fonte di energia termica.
- Aria – fornisce l'ossigeno necessario per la combustione.
- Acqua – necessaria per generare vapore.
Input della Caldaia a Carbone
Il bruciatore è responsabile della miscelazione del combustibile e dell'aria quindi accendere la miscela per creare la fiamma che riscalda i tubi d'acqua; un bruciatore assicura combustione efficiente e una fiamma stabile. Ci possono essere più bruciatori in una singola caldaia e questi possono essere disposti in varie configurazioni:
- Parete Frontale – i bruciatori sono disposti sulla parete frontale della caldaia.
- Pareti Opposte – i bruciatori sono posizionati su pareti opposte, rivolti l'uno verso l'altro.
- Angoli – i bruciatori sono posizionati negli angoli del forno.
Bruciatori tangenziali e bruciatori a parete sono i due tipi più comuni di bruciatori utilizzati nelle caldaie a tubo d'acqua.
Forno
Il cuore di una caldaia a tubo d'acqua è il suo forno, dove avviene la combustione del combustibile, generando calore. Intorno al forno ci sono tubi pieni d'acqua, che formano le ‘pareti d'acqua’ della caldaia. I tubi della caldaia assorbono il calore generato dalla combustione, convertendo l'acqua all'interno dei tubi in vapore; questo vapore può quindi essere utilizzato per azionare turbine a vapore o fornire calore per vari processi industriali.
Interni della Caldaia a Tubo d'Acqua
I forni sono rivestiti con materiale refrattario per trattenere il calore generato e proteggere la struttura della caldaia.
Nota – il termine ‘refrattario’ è spesso confuso con ‘isolamento’, il che non è strettamente corretto. Il refrattario è utilizzato per applicazioni ad alta temperatura, può essere direttamente esposto a una fiamma ed è solitamente prodotto da ceramiche o un materiale simile a un mattone. L'isolamento è utilizzato per applicazioni a bassa temperatura, non è direttamente esposto a una fiamma ed è solitamente prodotto da fibra di vetro o lana minerale.
Nota – le pareti d'acqua sono formate da un assemblaggio di tubi riser che sono allineati per formare ‘pareti’.
Struttura della Parete d'Acqua della Caldaia
Economizzatore
L'economizzatore preriscalda l'acqua di alimentazione della caldaia prima che entri nel tamburo del vapore. A causa della sua posizione all'interno della caldaia, un economizzatore recupera il calore residuo dai gas di scarico, migliorando così l'efficienza della caldaia.
Surriscaldatore
I surriscaldatori sono progettati per aumentare la temperatura del vapore al di sopra della sua temperatura di saturazione. I surriscaldatori riscaldano il vapore scaricato dal tamburo del vapore, aumentando così la sua temperatura e di conseguenza la quantità di energia termica che il vapore contiene. Di solito ci sono diversi surriscaldatori all'interno di una singola caldaia a tubo d'acqua:
- Surriscaldatore primario – il primo stadio di surriscaldamento, che aumenta la temperatura del vapore e riduce il contenuto di acqua liquida del vapore.
- Surriscaldatore secondario – riscalda ulteriormente il vapore per raggiungere la temperatura desiderata.
Il trasferimento di calore all'interno della caldaia avviene attraverso tre metodi principali:
- Radiazione – trasferimento di calore tramite onde elettromagnetiche; questo è un modo significativo di trasferimento di calore all'interno del forno perché l'energia radiante dalla combustione riscalda i tubi d'acqua. I surriscaldatori che assorbono calore tramite radiazione sono conosciuti come surriscaldatori radianti.
- Convezione – avviene all'interno di un sistema tramite movimento di massa di molecole liquide o gassose. Nelle caldaie, la circolazione naturale dell'acqua attraverso una caldaia è un esempio di convezione. I tubi evaporatori (dove l'acqua evapora in vapore) sono conosciuti come fasci di tubi convettivi. I surriscaldatori che assorbono calore tramite convezione sono conosciuti come surriscaldatori convettivi.
- Conduzione – trasferimento di calore attraverso un materiale o materiali. Il calore che passa ai tubi metallici di una caldaia, quindi all'acqua all'interno dei tubi, è un esempio di conduzione.
Trasferimento di Calore all'interno di una Caldaia a Tubo d'Acqua
I surriscaldatori possono essere classificati in base a come il calore viene trasferito in essi, cioè tramite radiazione, convezione o conduzione. Il tipo di trasferimento di calore dipende dalla posizione del surriscaldatore all'interno della caldaia. Il calore radiato può essere trasferito solo per linea di vista, dalla fonte di calore all'assorbitore di calore, quindi i surriscaldatori radianti devono avere linea di vista alla fiamma della caldaia, altrimenti non possono essere surriscaldatori radianti. I surriscaldatori possono essere classificati come:
- Surriscaldatori Radianti – direttamente esposti alla fiamma del forno per linea di vista; assorbono la maggior parte del loro calore tramite radiazione.
- Surriscaldatori Convettivi – posizionati lontano dalla fiamma del forno senza linea di vista; assorbono calore tramite i gas di combustione caldi che fluiscono intorno a loro.
Riscaldatori
I riscaldatori sono utilizzati nei sistemi di turbine a più stadi per riscaldare nuovamente il vapore dopo che è passato attraverso una turbina ad alta pressione. I riscaldatori sono simili nel design e nell'aspetto ai surriscaldatori. Dove ci sono più riscaldatori, sono installati in serie. Il vapore che entra nel sistema di riscaldamento è chiamato vapore di riscaldamento freddo e il vapore che esce dal riscaldatore è chiamato vapore di riscaldamento caldo.
- Riscaldatore primario – riscalda nuovamente il vapore per le fasi della turbina a pressione intermedia.
- Riscaldatore secondario – fornisce ulteriore riscaldamento per le fasi della turbina a pressione intermedia.
Riscaldatori della Caldaia a Tubo d'Acqua
Preriscaldatore d'Aria
Un preriscaldatore d'aria è uno scambiatore di calore che preriscalda l'aria primaria e secondaria utilizzando i gas di scarico della caldaia; questo migliora l'efficienza della combustione e riduce il consumo di combustibile.
Pompa dell'Acqua di Alimentazione
Le pompe dell'acqua di alimentazione forniscono acqua di alimentazione dal deaeratore alla caldaia. Le pompe dell'acqua di alimentazione mantengono il livello dell'acqua nel tamburo del vapore e garantiscono un approvvigionamento continuo di acqua per la generazione di vapore. Ci saranno sempre più di una pompa dell'acqua di alimentazione a causa della loro criticità (il guasto delle pompe dell'acqua di alimentazione può portare a gravi danni alla caldaia e all'area circostante), e saranno installate a un'elevazione inferiore rispetto al deaeratore per ridurre il rischio di cavitazione. Le pompe dell'acqua di alimentazione della caldaia sono solitamente azionate elettricamente tramite un motore a induzione, o, utilizzando il vapore tramite una turbina a vapore. La circolazione dell'acqua all'interno di una caldaia serve a due scopi principali:
- Fornitura d'Acqua – garantire un approvvigionamento costante di acqua che può essere trasformata in vapore.
- Distribuzione del Calore – prevenire il surriscaldamento dei tubi della caldaia distribuendo il calore in modo uniforme.
Le pompe dell'acqua di alimentazione sono solitamente classificate come 50% o 100%, a seconda di quanto del carico completo della caldaia possono soddisfare. Ad esempio, una pompa dell'acqua di alimentazione al 100% può soddisfare l'intera domanda di acqua della caldaia quando è in funzione a carico massimo. L'acqua per attemperatori (desurriscaldatori) è alimentata dalle pompe dell'acqua di alimentazione. Le tenute delle ghiere di una turbina a vapore sono anche raffreddate utilizzando l'acqua di alimentazione della caldaia.
Le pompe dell'acqua di alimentazione della caldaia di solito hanno un azionamento a frequenza variabile (VFD) che consente di regolare la loro frequenza elettrica e, di conseguenza, la loro velocità e volume di scarico. Un flusso minimo da una pompa dell'acqua di alimentazione della caldaia è garantito utilizzando una valvola di ricircolo automatico (ARV).
Pompa dell'Acqua di Alimentazione della Caldaia (Pompa Centrifuga Multistadio)
Valvole di Sicurezza (SRVs)
Le valvole di sicurezza (SRVs) prevengono il sovrapressione in una caldaia. Le valvole di sicurezza sono progettate per rilasciare automaticamente il vapore quando la pressione del vapore di una caldaia supera un limite prestabilito, garantendo così che la caldaia non sia sovrapressurizzata. Le valvole di sicurezza di una caldaia sono classificate come ‘non assistite’ o ‘assistite’. Una valvola non assistita si aprirà una volta che una certa pressione del sistema è raggiunta; è strettamente una valvola operata meccanicamente che di solito si basa su una o più molle. Una valvola assistita si aprirà solo se una certa pressione del sistema è raggiunta e una forza esterna aggiuntiva è applicata per ‘assistere’ l'apertura della valvola. Ad esempio:
- Non assistita – la pressione del sistema che agisce contro il disco della valvola di sicurezza causa la compressione della molla della valvola e l'apertura della valvola.
- Assistita – la pressione del sistema che agisce contro il disco della valvola di sicurezza causa la compressione della molla della valvola, ma questo non causa l'apertura della valvola fino a quando non viene applicata una forza esterna. La forza esterna applicata è solitamente tramite un sistema idraulico o pneumatico, spesso utilizzando un cilindro, cilindro, o diaframma.
Le SRVs sono tipicamente installate sul tamburo del vapore e sui collettori del surriscaldatore. Ci sono spesso due SRVs installate in ciascuna posizione, garantendo così una ridondanza al 100% nel caso in cui una valvola non funzioni come previsto.
Nota – l'eccessiva vibrazione della valvola è causata quando una valvola si apre e si chiude rapidamente; questo fenomeno è noto come chattering. Le valvole di tipo assistito evitano questo problema spostando la valvola direttamente dalla posizione completamente chiusa a quella completamente aperta.
Valvola di Sicurezza a Molla (non assistita)
Indicatori di Livello dell'Acqua
Un indicatore di livello dell'acqua mostra il livello dell'acqua all'interno di un tamburo del vapore della caldaia. Gli indicatori di livello dell'acqua possono essere installati localmente e visualizzati localmente, come con un vetro di livello della caldaia, oppure possono essere installati localmente e visualizzati a distanza, come con trasmettitori di livello di pressione che misurano il livello dell'acqua localmente e lo trasmettono sotto forma di segnale elettrico 4-20 mA a una posizione remota, ad esempio una sala di controllo. Il livello dell'acqua all'interno di una caldaia può essere misurato direttamente o indirettamente, a seconda degli strumenti utilizzati. A volte una luce verrà installata dietro il vetro di livello della caldaia e una telecamera di sorveglianza puntata sul vetro di livello; questa soluzione consente agli operatori di monitorare a distanza il livello del vetro, rendendolo un'alternativa economica agli strumenti elettronici.
IMPORTANTE: Mantenere il corretto livello dell'acqua all'interno di una caldaia è il compito più critico quando si opera qualsiasi caldaia!
Vetro di Livello Montato della Caldaia (Vetro di Vista)
Valvola di Spurgo
Lo spurgo regolare aiuta a mantenere la qualità dell'acqua e prevenire l'accumulo di incrostazioni. Una valvola di spurgo inferiore viene utilizzata per rimuovere sedimenti e impurità dal tamburo del fango; questo tipo di spurgo è intermittente (non costante).
Valvola di Spurgo Inferiore della Caldaia a Tubo di Fuoco
Una valvola di spurgo superficiale è utilizzata per rimuovere le impurità dalla superficie dell'acqua all'interno del tamburo del vapore; questo tipo di spurgo è continuo.
Valvola di Spurgo Superficiale della Caldaia a Tubo di Fuoco
Sistemi di Controllo
Le moderne caldaie a tubo d'acqua sono dotate di sistemi di controllo avanzati che regolano simultaneamente l'approvvigionamento di combustibile, il flusso d'aria, il livello dell'acqua e la pressione del vapore. Le grandi caldaie a tubo d'acqua utilizzano il controllo a tre elementi per il controllo del livello del tamburo, ma le caldaie più piccole non richiedono sistemi così avanzati (ad esempio, il controllo a due elementi o simili è adeguato). Un sistema di controllo della caldaia svolge i seguenti compiti:
- Monitora e controlla tutti i parametri critici, inclusi il livello del tamburo, le temperature del vapore, il rapporto aria/combustibile, basandosi sui valori di processo ricevuti dagli strumenti montati sul campo.
- Suona allarmi per deviazioni di processo.
- Inizia un arresto in caso di una deviazione critica del processo, come livello dell'acqua del tamburo basso/alto, alta temperatura del vapore o alta pressione del vapore.
- Monitora gli ausiliari della caldaia per problemi e esegue cambi automatici, quando necessario. Ad esempio, portare online una pompa di riserva in caso di arresto della pompa principale dell'acqua di alimentazione.
Controllo a Tre Elementi del Tamburo della Caldaia
Nota – il controllo a tre elementi include un quarto elemento, ma spesso non viene mostrato o considerato quando si fa riferimento al controllo a tre elementi. Il quarto elemento è la misurazione della pressione del tamburo del vapore. È essenziale conoscere la pressione del tamburo del vapore perché è responsabile di fenomeni come il gonfiore e il restringimento, che causano fluttuazioni considerevoli nel livello registrato nel tamburo del vapore; questo rende il livello registrato inaffidabile a meno che la pressione del tamburo del vapore non sia presa in considerazione.
Valvole di Controllo
Le valvole di controllo regolano il flusso dell'acqua di alimentazione della caldaia al tamburo del vapore. Per le grandi caldaie a tubo d'acqua, ci saranno spesso valvole di alimentazione ridondanti. Durante il funzionamento di routine, le valvole di controllo dell'acqua di alimentazione si attivano automaticamente per mantenere il livello dell'acqua del tamburo del vapore vicino al setpoint desiderato.
Strumentazione
Manometri, indicatori, trasmettitori e sensori sono strumenti utilizzati per il monitoraggio delle diverse variabili di processo di una caldaia (pressione, temperatura, flusso, ecc.). Le caldaie a tubo d'acqua delle centrali elettriche utilizzano molti tipi diversi di strumenti per scopi di visualizzazione locale e remota. Ad esempio:
- Un manometro è utilizzato per l'indicazione della pressione locale.
- Un termometro è utilizzato per l'indicazione della temperatura locale.
- Un trasmettitore di flusso può essere utilizzato per l'indicazione del flusso locale e remoto.
- Un vetro di livello è utilizzato per l'indicazione del livello locale.
- Un trasmettitore di livello trasmette un livello misurato in tempo reale al sistema di controllo per il monitoraggio remoto.
Trasmettitore di Livello a Pressione Differenziale (DP) del Tamburo del Vapore
Nota – se un sensore è considerato critico per il funzionamento sicuro di una caldaia, sarà installato più volte anche se misura la stessa variabile! Ad esempio, il livello dell'acqua all'interno del tamburo del vapore di una caldaia è molto importante e deve essere costantemente monitorato, quindi è pratica comune installare tre trasmettitori di livello indipendenti su ciascun tamburo del vapore, e questi misurano tutti lo stesso livello dell'acqua. Se un sensore fallisce, si presume che gli altri due siano ancora affidabili e la caldaia può rimanere in servizio mentre il sensore guasto viene riparato; questa configurazione è chiamata logica di voto due su tre (2oo3) ed è impiegata in tutto il mondo dell'ingegneria per sistemi critici per la sicurezza. Ad esempio, per avviare un arresto della caldaia in caso di condizione di alto livello dell'acqua del tamburo, due su tre trasmettitori di livello devono essere al di sopra del setpoint di arresto per un periodo di tempo prestabilito (di solito alcuni secondi).
Nota – la ridondanza è un metodo per garantire che tutti i sistemi critici per la sicurezza siano monitorati efficacemente, ma c'è anche il metodo della ‘varietà’. Il metodo della varietà si basa sulla varietà di sensori utilizzati per una determinata misurazione, piuttosto che sulla loro quantità. Ad esempio, il livello del tamburo del vapore di una caldaia può essere misurato utilizzando sensori di conducibilità, galleggianti o trasduttori di pressione differenziale; installare tutti e tre fornisce risultati da una varietà di sensori, che è considerato più affidabile rispetto a semplicemente tre misurazioni dallo stesso tipo di sensore.
Camino dei Gas di Scarico
Il camino dei gas di scarico espelle i gas di scarico della caldaia nell'atmosfera. Per alcune caldaie, i gas di scarico possono essere espulsi senza essere trattati, ma questo non è vero per le caldaie a combustibili fossili, come quelle che bruciano olio, carbone o biocombustibile; anche le caldaie a rifiuti richiedono la pulizia dei gas di scarico. L'attrezzatura standard per il controllo dell'inquinamento include precipitatori elettrostatici, desolforatori dei gas di combustione e/o filtri a sacco.
Precipitatori Elettrostatici
Soffiatore di Fuliggine
I soffiatori di fuliggine utilizzano aria compressa o vapore per pulire la fuliggine dai tubi della caldaia, dalle superfici del forno radiante, dagli economizzatori e dai riscaldatori d'aria. La pulizia degli interni della caldaia dalla fuliggine assicura che l'efficienza del trasferimento di calore sia mantenuta (la fuliggine sui tubi agisce come un isolante termico e impedisce il trasferimento di calore, portando così a una riduzione dell'efficienza della caldaia). Il trasferimento di calore efficace può essere inibito da diversi problemi, il più comune è:
- Formazione di Incrostazioni – accumulo di minerali solidificati sulle superfici interne della caldaia, che le isola e riduce l'efficienza del trasferimento di calore.
- Accumulo di Fuliggine – si verifica nelle caldaie a combustibili fossili, dove la combustione incompleta porta all'accumulo di fuliggine sulle superfici di trasferimento del calore della caldaia, portando così a una riduzione del trasferimento di calore.
Attemperatore
Gli attemperatori controllano la temperatura del vapore iniettando acqua di alimentazione della caldaia ad alta pressione nel flusso di vapore, prevenendo così il surriscaldamento che potrebbe danneggiare i componenti a valle. Gli attemperatori possono essere installati:
- Nella linea di scarico principale del vapore della caldaia (dopo il surriscaldatore finale).
- Tra i surriscaldatori, ad esempio, tra il secondo e il terzo surriscaldatore.
- In una configurazione primaria e secondaria, dove il primario è installato tra i surriscaldatori e il secondario è installato nella linea di scarico principale del vapore.
Di solito, gli attemperatori operano automaticamente per mantenere le temperature del vapore a o vicino a un setpoint dato. Gli attemperatori sono critici per il funzionamento sicuro di una caldaia e dei suoi consumatori di vapore. Un attemperatore malfunzionante può portare a linee di vapore allagate, portando a colpi d'ariete nelle tubazioni del vapore e danni a qualsiasi turbina a vapore a valle a causa del trasporto di umidità. Per prevenire tali problemi, la temperatura del vapore è attentamente monitorata direttamente dopo gli attemperatori.
Da sapere – gli attemperatori sono anche conosciuti come ‘desurriscaldatori’.
Tubazioni del Vapore
Le tubazioni del vapore trasportano il vapore dalla caldaia al punto di utilizzo, come turbine o apparecchiature di processo. Le tubazioni del vapore saranno isolate per ridurre le perdite di calore e possono essere supportate da sospensioni delle tubazioni o supporti delle tubazioni (supporti a piedi scorrevoli ecc.).
Sospensione Variabile delle Tubazioni