Onderdelen van Waterpijpketels Uitgelegd
Een waterpijpketel zet water om in stoom door het te verwarmen met de energie die vrijkomt bij het verbranden van brandstoffen; de uitzondering hierop is een warmte-terugwinningsstoomgenerator (HRSG) die water omzet in stoom door warmte terug te winnen uit uitlaatgassen. Waterpijpketels worden gebruikt voor veel industriële toepassingen, maar dit artikel richt zich op waterpijpketels die worden gebruikt in energiecentrales.
Goed om te weten – om begrip en vertrouwdheid te bevorderen, gebruikt dit artikel de verschillende vormen van waterpijp, waterpijp, en water pijp, door elkaar; alle uitdrukkingen betekenen hetzelfde.
Goed om te weten – zie ons hoofdartikel Waterpijpketels Uitgelegd als u een algemeen overzicht nodig heeft over hoe waterpijpketels werken, hun ontwerpen en werking.
Energiecentrale Waterpijpketel
Ontwerp van Waterpijpketels
Een grote energiecentrale ketel gebruikt duizenden onderdelen om stoom efficiënt en betrouwbaar te produceren. De belangrijkste onderdelen van een waterpijpketel worden in dit artikel gegeven, maar er zijn nog veel meer! Gebruik het onderstaande diagram als referentie terwijl u dit artikel doorneemt.
Onderdelen en Locaties van Waterpijpketels
Onderdelen en Locaties van Waterpijpketels
Stoomtrommel
Een stoomtrommel is een cilindrisch vat dat water vasthoudt en stoom verdeelt; het bevindt zich aan de bovenkant van de ketel. De stoomtrommel verzamelt de stoom die wordt gegenereerd door de stijgbuizen, die de oven omringen. Stoomtrommels bevatten interne componenten zoals cycloonafscheiders en wassers om ervoor te zorgen dat de afgevoerde stoom droog is en vrij van waterdruppels, waardoor vochttransport naar de oververhitters en stoomturbine(s) wordt vermeden. Chemicaliën worden in de stoomtrommel gedoseerd omdat de omgeving binnen de trommel turbulent is, wat bijdraagt aan het mengen van de chemicaliën in het systeem.
Waterpijpketel Stoomtrommel
Modder Trommel
Modder trommels bevinden zich aan de onderkant van een waterpijpketel; ze verzamelen sediment en onzuiverheden uit het ketelwatersysteem. In sommige ketelontwerpen, vooral modernere of compactere ontwerpen, is er mogelijk geen speciale modder trommel aanwezig. In plaats daarvan kunnen waterverdelers die aan de onderkant van de ketel zijn geïnstalleerd dezelfde functie vervullen (deze verdelers dienen als verzamelpunten voor onzuiverheden, waardoor ze effectief als modder trommels fungeren).
Locaties van Waterpijpketel Stoom- en Modder Trommels
Waterbuizen
Waterbuizen bevatten ketelwater voordat het van toestand/fase verandert naar stoom. De naam van een waterbuis verandert afhankelijk van de locatie binnen de ketel, bijvoorbeeld:
- Neergaande buizen – vervoeren koel water van de stoomtrommel naar het onderste deel van de ketel.
- Stijgbuizen – vervoeren verwarmd water en stoom van het onderste deel van de ketel naar de stoomtrommel.
Verzamelleidingen
Verzamelleidingen zijn grote cilinders met meerdere aansluitingen. Verzamelleidingen verzamelen het werkmedium voor een groep buizen en worden meestal aangeduid als bovenste verzamelleidingen of onderste verzamelleidingen. Als een verzamelleiding op een hoge positie binnen de ketel is geïnstalleerd, verzamelt het het water/stoommengsel van de bijbehorende stijgbuizen en leidt het naar de stoomtrommel via meerdere leidingen; het wordt een stoomverzamelbuis of bovenste verzamelleiding genoemd. Als een verzamelleiding op een lage positie in de ketel is geïnstalleerd, verdeelt het water naar de aangesloten leidingen; het wordt een waterverzamelbuis of onderste verzamelleiding genoemd.
- Stoomverzamelbuis – verzamelt stoom van de stijgbuizen en voert het af naar de stoomtrommel.
- Waterverzamelbuis – verdeelt water naar de basis van de stijgbuizen.
Brander
De belangrijkste inputs van een ketel zijn:
- Brandstof – dient als de bron van warmte-energie.
- Lucht – levert de zuurstof die nodig is voor verbranding.
- Water – vereist om stoom te genereren.
Inputs van een Kolenketel
De brander is verantwoordelijk voor het mengen van brandstof en lucht en vervolgens het ontsteken van het mengsel om de vlam te creëren die de waterbuizen verwarmt; een brander zorgt voor efficiënte verbranding en een stabiele vlam. Er kunnen meerdere branders in een enkele ketel zijn en deze kunnen in verschillende configuraties worden geplaatst:
- Voorwand – branders zijn gerangschikt op de voorwand van de ketel.
- Tegenoverliggende wanden – branders zijn geplaatst op tegenoverliggende wanden, tegenover elkaar.
- Hoeken – branders zijn gepositioneerd in de hoeken van de oven.
Tangentiële branders en wandgestookte branders zijn de twee meest voorkomende typen branders die worden gebruikt in waterpijpketels.
Oven
De kern van een waterpijpketel is zijn oven, waar brandstofverbranding plaatsvindt en warmte wordt gegenereerd. Rondom de oven bevinden zich buizen vol water, die de ‘waterwanden’ van de ketel vormen. Ketelbuizen absorberen de warmte die wordt gegenereerd door verbranding, waardoor het water in de buizen wordt omgezet in stoom; deze stoom kan vervolgens worden gebruikt om stoomturbines aan te drijven of warmte te leveren voor verschillende industriële processen.
Interne Onderdelen van een Waterpijpketel
Ovens zijn bekleed met vuurvast materiaal om de gegenereerde warmte vast te houden en de ketelstructuur te beschermen.
Goed om te weten – de term ‘vuurvast’ wordt vaak verward met ‘isolatie’, wat niet strikt correct is. Vuurvast wordt gebruikt voor toepassingen bij hoge temperaturen, kan direct aan een vlam worden blootgesteld en is meestal vervaardigd van keramiek of een baksteenachtig materiaal. Isolatie wordt gebruikt voor toepassingen bij lagere temperaturen, wordt niet direct aan een vlam blootgesteld en is meestal vervaardigd van glasvezel of minerale wol.
Goed om te weten – waterwanden worden gevormd door een assemblage van stijgbuizen die zijn uitgelijnd om ‘wanden’ te vormen.
Structuur van Ketelwaterwand
Economizer
De economizer verwarmt ketelvoedingswater voor voordat het de stoomtrommel binnenkomt. Vanwege zijn locatie binnen de ketel, recupereert een economizer restwarmte uit de uitlaatgassen, waardoor de ketel efficiëntie wordt verbeterd.
Oververhitter
Oververhitters zijn ontworpen om de stoomtemperatuur boven zijn verzadigingstemperatuur te verhogen. Oververhitters verwarmen de stoom die uit de stoomtrommel wordt afgevoerd, waardoor de temperatuur stijgt en bijgevolg de hoeveelheid warmte-energie die de stoom bevat. Er zijn meestal meerdere oververhitters binnen een enkele waterpijpketel:
- Primaire oververhitter – de eerste fase van oververhitting, die de temperatuur van de stoom verhoogt en het vloeibare watergehalte van de stoom vermindert.
- Secundaire oververhitter – verwarmt de stoom verder om de gewenste temperatuur te bereiken.
Warmteoverdracht binnen de ketel vindt plaats via drie primaire methoden:
- Straling – overdracht van warmte via elektromagnetische golven; dit is een significante manier van warmteoverdracht binnen de oven omdat stralingsenergie van verbranding de waterbuizen verwarmt. Oververhitters die warmte absorberen via straling worden stralingsoververhitters genoemd.
- Convectie – vindt plaats binnen een systeem via bulkbeweging van vloeistof- of gasmoleculen. In ketels is natuurlijke circulatie van water door een ketel een voorbeeld van convectie. Verdampingsbuizen (waar water verdampt tot stoom) worden convectieve buizenbundels genoemd. Oververhitters die warmte absorberen via convectie worden convectieoververhitters genoemd.
- Geleiding – warmteoverdracht door een materiaal of materialen. Warmte die naar de metalen buizen van een ketel gaat en vervolgens naar het water binnen de buizen, is een voorbeeld van geleiding.
Warmteoverdracht Binnen een Waterpijpketel
Oververhitters kunnen worden geclassificeerd op basis van hoe warmte erin wordt overgedragen, d.w.z. via straling, convectie of geleiding. Het type warmteoverdracht hangt af van de locatie van de oververhitter binnen de ketel. Gestralingswarmte kan alleen worden overgedragen door lijnzicht, van de warmtebron naar de warmteabsorbeerder, dus stralingsoververhitters moeten lijnzicht hebben naar de ketelvlam, anders kunnen ze geen stralingsoververhitters zijn. Oververhitters kunnen worden geclassificeerd als:
- Stralingsoververhitters – direct blootgesteld aan de ovenvlam door lijnzicht; ze absorberen het grootste deel van hun warmte door straling.
- Convectieoververhitters – gelegen weg van de ovenvlam zonder lijnzicht; ze absorberen warmte via de hete verbrandingsgassen die eromheen stromen.
Herverhitters
Herverhitters worden gebruikt in meertraps turbinesystemen om stoom opnieuw te verhitten nadat het door een hogedruk turbine is gegaan. Herverhitters lijken qua ontwerp en uiterlijk op oververhitters. Waar er meerdere herverhitters zijn, worden ze in serie geïnstalleerd. Stoom die het herverhittersysteem binnenkomt, wordt koude herverhitte stoom genoemd en stoom die de herverhitter verlaat, wordt hete herverhitte stoom genoemd.
- Primaire herverhitter – herverhit stoom voor tussendruk turbinefasen.
- Secundaire herverhitter – biedt extra herverhitting voor tussendruk turbinefasen.
Herverhitters van Waterpijpketels
Luchtvoorverwarmer
Een luchtvoorverwarmer is een warmtewisselaar die primaire en secundaire lucht voorverwarmt met behulp van de uitlaatgassen van de ketel; dit verbetert de verbrandings efficiëntie en vermindert het brandstofverbruik.
Voedingswaterpomp
Voedingswaterpompen leveren voedingswater van de ontgasser naar de ketel. Voedingswaterpompen handhaven het waterniveau in de stoomtrommel en zorgen voor een continue watertoevoer voor stoomproductie. Er zullen altijd meer dan één voedingswaterpomp zijn vanwege hun kritieke aard (uitval van de voedingswaterpompen kan ernstige schade aan de ketel en de omgeving veroorzaken), en ze zullen op een lagere hoogte dan de ontgasser worden geïnstalleerd om het risico op cavitatie te verminderen. Ketelvoedingswaterpompen worden meestal elektrisch aangedreven via een inductiemotor, of, met stoom via een stoomturbine. Watercirculatie binnen een ketel dient twee primaire doeleinden:
- Waterlevering – zorgen voor een constante watertoevoer die kan worden omgezet in stoom.
- Warmteverdeling – voorkomen van oververhitting van de ketelbuizen door de warmte gelijkmatig te verdelen.
Voedingswaterpompen worden meestal beoordeeld als 50% of 100%, afhankelijk van hoeveel van de volledige ketellast ze kunnen verzorgen. Bijvoorbeeld, een 100% voedingswaterpomp kan voldoen aan de volledige waterbehoefte van de ketel wanneer deze op maximale belasting werkt. Water voor temperatuurregelaars (ontoververhitters) wordt gevoed vanuit de voedingswaterpompen. De afdichtingen van een stoomturbine worden ook gekoeld met ketelvoedingswater.
Ketelvoedingswaterpompen hebben meestal een frequentieregelaar (VFD) waarmee hun elektrische frequentie kan worden geregeld, en bijgevolg hun snelheid en afvoervolume. Een minimale stroom van een ketelvoedingswaterpomp wordt verzorgd door het gebruik van een automatische recirculatieklep (ARV).
Ketelvoedingswaterpomp (Meertraps Centrifugaalpomp)
Veiligheidskleppen (SRV's)
Veiligheidskleppen (SRV's) voorkomen overdruk in een ketel. Veiligheidskleppen zijn ontworpen om automatisch stoom af te voeren wanneer de stoomdruk van een ketel een vooraf ingestelde limiet overschrijdt, waardoor wordt gegarandeerd dat de ketel niet overbelast raakt. De veiligheidskleppen van een ketel worden geclassificeerd als ‘niet-ondersteund’ of ‘ondersteund’. Een niet-ondersteunde klep opent zodra een bepaalde systeemdruk is bereikt; het is strikt een mechanisch bediende klep die meestal afhankelijk is van een of meerdere veren. Een ondersteunde klep opent alleen als een bepaalde systeemdruk is bereikt en er een extra externe kracht wordt toegepast om de klep te ‘ondersteunen’ bij het openen. Bijvoorbeeld:
- Niet-ondersteund – systeemdruk die tegen de veiligheidsklepschijf werkt, zorgt ervoor dat de veer van de klep wordt samengedrukt en de klep opent.
- Ondersteund – systeemdruk die tegen de veiligheidsklepschijf werkt, zorgt ervoor dat de veer van de klep wordt samengedrukt, maar dit zorgt er niet voor dat de klep opent totdat er een externe kracht wordt toegepast. De externe kracht wordt meestal toegepast via een hydraulisch of pneumatisch systeem, vaak met behulp van een ram, cilinder of membraan.
SRV's worden meestal geïnstalleerd op de stoomtrommel en oververhitterverzamelleidingen. Er zijn vaak twee SRV's geïnstalleerd op elke positie, waardoor 100% redundantie wordt geboden als een klep niet naar behoren functioneert.
Goed om te weten – overmatige kleptrilling wordt veroorzaakt wanneer een klep snel opent en sluit; dit fenomeen staat bekend als ratelen. Ondersteunde kleppen vermijden dit probleem door de klep direct van de volledig gesloten naar de volledig open positie te bewegen.
Veerbelaste Veiligheidsklep (niet-ondersteund)
Waterniveau-indicatoren
Een waterniveau-indicator toont het waterniveau in een ketelstoomtrommel. Waterniveau-indicatoren kunnen lokaal worden geïnstalleerd en lokaal worden bekeken, zoals bij een ketelpeilglas, of ze kunnen lokaal worden geïnstalleerd en op afstand worden bekeken, zoals bij drukniveauzenders die het waterniveau lokaal meten en het in de vorm van een 4-20 mA elektrisch signaal naar een externe locatie sturen, bijvoorbeeld een controlekamer. Het waterniveau binnen een ketel kan direct of indirect worden gemeten, afhankelijk van welke instrumentatie wordt gebruikt. Soms wordt er een lamp achter het ketelzichtglas geïnstalleerd en een bewakingscamera gericht op het zichtglas; deze oplossing stelt operators in staat om het peil op afstand te bewaken, waardoor het een kosteneffectief alternatief is voor elektronische instrumentatie.
BELANGRIJK: Het handhaven van het juiste waterniveau binnen een ketel is de meest kritieke taak bij het bedienen van een ketel!
Gemonteerd Ketelniveau Peilglas (Zichtglas)
Aftapklep
Regelmatige aftap helpt de waterkwaliteit te handhaven en kalkaanslag te voorkomen. Een bodem aftapklep wordt gebruikt om sediment en onzuiverheden uit de modder trommel te verwijderen; dit type aftap is intermitterend (niet constant).
Vuurpijpketel Bodem Aftapklep
Een oppervlakte aftapklep wordt gebruikt om onzuiverheden van het wateroppervlak binnen de stoomtrommel te verwijderen; dit type aftap is continu.
Vuurpijpketel Oppervlakte Aftapklep
Regelsystemen
Moderne waterpijpketels zijn uitgerust met geavanceerde regelsystemen die tegelijkertijd de brandstoftoevoer, luchtstroom, waterniveau en stoomdruk regelen. Grote waterpijpketels maken gebruik van drie-elementenregeling voor trommel niveau regeling, maar kleinere ketels hebben dergelijke geavanceerde systemen niet nodig (bijvoorbeeld twee-elementenregeling of vergelijkbaar is voldoende). Een ketelregelsysteem voert de volgende taken uit:
- Monitort en regelt alle kritieke parameters, inclusief trommel niveau, stoomtemperaturen, lucht/brandstofverhouding, op basis van proceswaarden ontvangen van veldgemonteerde instrumenten.
- Geeft alarmen voor procesafwijkingen.
- Initieert een uitschakeling in geval van een kritieke procesafwijking, zoals laag/hoog trommelwaterniveau, hoge stoomtemperatuur of hoge stoomdruk.
- Monitort ketelhulpstukken op problemen en voert automatische overgangen uit, indien nodig. Bijvoorbeeld, het online brengen van een standby-pomp in geval van een hoofdvoedingswaterpomp uitschakeling.
Drie-elementenregeling van Keteltrommel
Goed om te weten – drie-elementenregeling omvat een vierde element, maar het wordt vaak niet getoond of beschouwd bij het verwijzen naar drie-elementenregeling. Het vierde element is de drukmeting van de stoomtrommel. Het is essentieel om de stoomtrommeldruk te kennen omdat deze verantwoordelijk is voor verschijnselen zoals zwelling en krimp, die ervoor zorgen dat het geregistreerde niveau in de stoomtrommel aanzienlijk fluctueert; dit maakt het geregistreerde niveau onbetrouwbaar tenzij de stoomtrommeldruk in aanmerking wordt genomen.
Regelkleppen
Regelkleppen regelen de stroom van ketelvoedingswater naar de stoomtrommel. Voor grote waterpijpketels zullen er vaak redundante voedingswaterkleppen zijn. Tijdens routinematige werking activeren voedingswaterregelkleppen automatisch om het waterniveau van de stoomtrommel dicht bij het gewenste setpoint te houden.
Instrumentatie
Manometers, indicatoren, zenders en sensoren zijn instrumenten die worden gebruikt voor het bewaken van verschillende procesvariabelen van een ketel (druk, temperatuur, stroom, enz.). Waterpijpketels in energiecentrales gebruiken veel verschillende soorten instrumenten voor lokale en externe weergavedoeleinden. Bijvoorbeeld:
- Een manometer wordt gebruikt voor lokale drukindicatie.
- Een temperatuurmeter wordt gebruikt voor lokale temperatuurindicatie.
- Een stroomzender kan worden gebruikt voor lokale en externe stroomindicatie.
- Een glazen peilglas wordt gebruikt voor lokale niveau-indicatie.
- Een niveauzender geeft een gemeten niveau in realtime door aan het regelsysteem voor externe monitoring.
Stoomtrommel Differentiaaldruk (DP) Niveauzender
Goed om te weten – als een sensor als kritisch wordt beschouwd voor de veilige werking van een ketel, wordt deze meerdere keren geïnstalleerd, zelfs als deze dezelfde variabele meet! Bijvoorbeeld, het waterniveau binnen de stoomtrommel van een ketel is erg belangrijk en moet constant worden bewaakt, daarom is het gebruikelijk om drie onafhankelijke niveauzenders op elke stoomtrommel te installeren, en deze meten allemaal hetzelfde waterniveau. Als een sensor uitvalt, wordt aangenomen dat de andere twee nog steeds betrouwbaar zijn, en de ketel kan in bedrijf blijven terwijl de defecte sensor wordt gerepareerd; deze opstelling wordt een twee-uit-drie (2oo3) stemlogica genoemd en wordt in de hele ingenieurswereld gebruikt voor veiligheidskritieke systemen. Bijvoorbeeld, om een keteluitschakeling te initiëren bij een hoog trommelwaterniveau, moeten twee van de drie niveauzenders op of boven het uitschakelpunt zijn gedurende een vooraf bepaalde tijd (meestal een paar seconden).
Goed om te weten – redundantie is een methode om ervoor te zorgen dat alle veiligheidskritieke systemen effectief worden bewaakt, maar er is ook de ‘variëteit’ methode. De variëteit methode is afhankelijk van de variëteit aan sensoren die worden gebruikt voor een bepaalde meting, in plaats van hun hoeveelheid. Bijvoorbeeld, het niveau van de stoomtrommel van een ketel kan worden gemeten met behulp van geleidingssensoren, drijvers of differentiaaldruktransducers; het installeren van alle drie geeft resultaten van een verscheidenheid aan sensoren, wat als betrouwbaarder wordt beschouwd dan simpelweg drie metingen van hetzelfde sensortype.
Uitlaatgasstapel
De uitlaatgasstapel voert de uitlaatgassen van de ketel naar de atmosfeer. Voor sommige ketels kunnen uitlaatgassen worden afgevoerd zonder te worden behandeld, maar dit geldt niet voor fossielgestookte ketels, zoals die branden op olie, kolen of biobrandstof; afvalgestookte ketels vereisen ook uitlaatgasreiniging. Standaard apparatuur voor vervuilingscontrole omvat elektrostatische precipitatoren, rookgasontzwavelingsinstallaties en/of zakfilters.
Elektrostatische Precipitator
Roetblazer
Roetblazers gebruiken samengeperste lucht of stoom om roet van de ketelbuizen, stralingsovenoppervlakken, economizers en luchtverwarmers te reinigen. Het reinigen van de interne delen van de ketel van roet zorgt ervoor dat de warmteoverdrachtefficiëntie behouden blijft (roet op de buizen fungeert als een thermische isolator en voorkomt warmteoverdracht, wat leidt tot een vermindering van de ketel efficiëntie). Effectieve warmteoverdracht kan worden belemmerd door verschillende problemen, waarvan de meest voorkomende zijn:
- Schaalvorming – ophoping van gestolde mineralen op de binnenoppervlakken van de ketel, die ze isoleren en de warmteoverdrachtefficiëntie verminderen.
- Roetopbouw – komt voor in fossielgestookte ketels, waar onvolledige verbranding leidt tot roetophoping op de warmteoverdrachtsoppervlakken van de ketel, wat leidt tot een vermindering van de warmteoverdracht.
Temperatuurregelaar
Temperatuurregelaars regelen de stoomtemperatuur door hoogdruk ketelvoedingswater in de stoomstroom te injecteren, waardoor oververhitting wordt voorkomen die schade aan downstream-componenten kan veroorzaken. Temperatuurregelaars kunnen worden geïnstalleerd:
- Bij de hoofd stoomafvoerleiding van de ketel (na de laatste oververhitter).
- Tussen oververhitters, bijvoorbeeld tussen de tweede en derde oververhitter.
- In een primaire en secundaire configuratie, waarbij de primaire tussen oververhitters is geïnstalleerd en de secundaire bij de hoofd stoomafvoerleiding.
Meestal werken temperatuurregelaars automatisch om stoomtemperaturen op of nabij een gegeven setpoint te handhaven. Temperatuurregelaars zijn cruciaal voor de veilige werking van een ketel en zijn stoomverbruikers. Een slecht functionerende temperatuurregelaar kan resulteren in overstroomde stoomleidingen, wat leidt tot waterhamer in stoomleidingen en schade aan eventuele downstream stoomturbines door vochttransport. Om dergelijke problemen te voorkomen, wordt de temperatuur van de stoom zorgvuldig gecontroleerd direct na de temperatuurregelaars.
Goed om te weten – temperatuurregelaars worden ook wel ‘ontoververhitters’ genoemd.
Stoomleidingen
Stoomleidingen transporteren stoom van de ketel naar het gebruikspunt, zoals turbines of procesapparatuur. Stoomleidingen worden geïsoleerd om warmteverliezen te verminderen en kunnen worden ondersteund door leidinghangers of leidingsteunen (glijdende voetsteunen, enz.).
Variabele Leidinghanger