Wat zijn watertube ketels?
Een watertube ketel, ook bekend als een water tube ketel of water-tube ketel, is een type ketel dat gebruikmaakt van met water gevulde buizen om stoom te genereren. Dit in tegenstelling tot een vuurbuisketel die met vuur/uitlaatgassen gevulde buizen gebruikt om stoom te genereren. De door de ketel gegenereerde stoom kan voor verschillende doeleinden worden gebruikt, waaronder energieopwekking via stoomturbines, industriële processen en gebouwverwarming (stadsverwarming).
Opmerking - om begrip en vertrouwdheid te bevorderen, gebruikt dit artikel de verschillende vormen van water-tube, watertube en water tube door elkaar.
Warmteoverdracht naar Watertube en Firetube Ketelbuizen
Watertube ketels zijn doorgaans efficiënter dan andere typen ketels en kunnen ook hogere hoeveelheden stoom genereren bij hogere werkings drukken en temperaturen; dit maakt ze ideaal voor gebruik in energiecentrales en andere industriële omgevingen waar een hogere capaciteit vereist is.
In dit artikel zullen we de werking van watertube ketels onderzoeken die worden gebruikt in kolengestookte energiecentrales. We zullen de belangrijkste systemen bespreken die verband houden met deze grote ketels, hun belangrijkste onderdelen, en hoe we stoom kunnen gebruiken om elektrische energie op te wekken. Je kunt echter meer leren over verschillende keteltypen en energiecentrale-machinerie in onze Power Engineering Fundamentals Video Cursus.
Watertube Ketel
Goed om te weten – ‘watertube’ wordt ook gespeld als ‘water-tube’, of ‘water tube’, maar de verschillende variaties betekenen allemaal hetzelfde.
Wat zijn de belangrijkste onderdelen van een water-tube ketel?
De belangrijkste onderdelen van een water-tube ketel zijn:
- Stoomtrommel
- Modder trommel
- Neerwaartse leidingen
- Stijgbuizen
- Verdeelstukken
- Oververhitter (Primair, Secundair etc.)
- Naverhitter (Primair, Secundair etc.)
- Economiser
- Fornuis (verbrandingsruimte)
- Veiligheidsklep
- Primaire luchtventilator
- Secundaire luchtventilator
- Uitlaatventilator
- Temperatuurregelaar
Watertube Ketel Pijpleidingen en Stroompaden
Hoe werken watertube ketels?
Het onderstaande diagram toont de typische opstelling van apparatuur en systemen die verband houden met een kolengestookte energiecentrale; gebruik het diagram als referentie terwijl je verder leest in dit artikel. Het is noodzakelijk om alle systemen van een energiecentrale te begrijpen om te begrijpen hoe een watertube ketel werkt.
Kolengestookte Energiecentrale Systemen en Apparatuur Diagram
Water Tube Ketel Brandstofsysteem
Voordat kolen naar de ketel worden gevoerd, worden ze opgeslagen in een kolenopslag, en vervolgens getransporteerd naar dagsilo's. De dagsilo's hebben doorgaans voldoende capaciteit voor maximaal 4-12 uur ketelwerking, wat ervoor zorgt dat de ketel in bedrijf kan blijven, zelfs als er een probleem is met de transportband(en) in de kolenopslag. De dagsilo's voeren kolen naar de kolen verpulvers (Amerikaans Engels ‘pulverizers’).
Kolen Verpulveraar
Het doel van een verpulveraar is om de kolen te vermalen, drogen en classificeren, zodat ze een laag vochtgehalte hebben en de juiste grootte hebben wanneer ze de ketel bereiken. Verpulverde kolen worden uit de verpulvers afgevoerd en pneumatisch via leidingen naar de ketelbranders getransporteerd.
Verpulverde kolen worden via brandermondstukken in de oven gespoten, waar ze worden ontstoken en een verbranding ondergaan. Lucht wordt in de oven geblazen om een efficiënte verbranding te garanderen. Achter de zijbuizen van de oven (zij waterwanden) bevinden zich luchtkasten; lucht verzamelt zich in elke luchtkast voordat het de ketel binnenkomt. Een luchtkast biedt een kleine luchtreserve en vermindert de kans op luchtpulsatie of inconsistente luchttoevoer naar de ketel. Er zijn twee hoofd-luchtsystemen die verband houden met watertube ketels, namelijk de primaire lucht en secundaire lucht systemen.
Water-tube Ketel Luchtkast
Watertube Ketel Primaire en Secundaire Luchtsystemen
Primaire en secundaire luchtsystemen hebben twee afzonderlijke functies.
- Primaire lucht – regelt de hoeveelheid brandstof die wordt verbrand.
- Secundaire lucht – regelt de efficiëntie van het verbrandingsproces.
De primaire en secundaire luchtventilatoren die in beide systemen worden gebruikt, zijn doorgaans van het centrifugaalventilator ontwerp, hoewel het aantal en type ventilatoren afhangt van het ketelontwerp. Het primaire luchtsysteem voert primaire lucht naar de kolenverpulvers, terwijl het secundaire luchtsysteem lucht naar de luchtkasten levert.
Primaire Luchtsysteem
Het primaire luchtsysteem regelt de hoeveelheid brandstof die wordt verbrand. Door de hoeveelheid primaire lucht die wordt geleverd aan te passen, kan de hoeveelheid kolen die naar de oven wordt gevoerd, worden gereguleerd. Koude primaire lucht komt de kolenverpulver binnen en mengt zich met hete primaire lucht om een optimale lucht-brandstofmengsel en temperatuur te creëren. Het lucht-brandstofmengsel wordt vervolgens pneumatisch via leidingen naar de branders en in de oven getransporteerd.
Secundaire Luchtsysteem
Het secundaire luchtsysteem regelt de efficiëntie van het verbrandingsproces; het levert lucht aan de luchtkasten, die secundaire lucht gelijkmatig binnen de oven verdelen. Het secundaire luchtsysteem helpt optimale verbrandingsomstandigheden te handhaven door de hoeveelheid geleverde lucht aan te passen op basis van de kooldioxide- en zuurstofniveaus in de uitlaatgassen. Door de samenstelling van de uitlaatgassen te monitoren, kan het secundaire luchtsysteem ervoor zorgen dat de verbranding zo efficiënt mogelijk is; dit proces staat bekend als verbrandingsefficiëntiecontrole.
Luchtvoorverwarmer
Luchtvoorverwarmers gebruiken de uitlaatgassen van de verbranding om de primaire en secundaire lucht te verwarmen voordat deze de ketel binnenkomt; dit proces verbetert de ketel efficiëntie door te voorkomen dat de ketel continu wordt afgekoeld door de introductie van koude lucht.
Water-tube Ketel Luchtvoorverwarmer
Watertube Ketel: Werkingsprincipe
Dit gedeelte bespreekt de verschillende componenten en systemen die worden gebruikt om water om te zetten in stoom binnen een watertube ketel. Veelvoorkomende watertube ketelcomponenten zoals de stoomtrommel, neerwaartse leidingen, stijgbuizen, modder trommels, ovenwanden, verdeelstukken en oververhitters, zullen worden besproken.
Stroom Door een Water-tube Ketel
Economiser
Ketelvoedingswater komt eerst de ketel binnen via de economiser (Amerikaans Engels ‘economizer’), wat een serpentine-type warmtewisselaar is. Het ketelwater stroomt heen en weer door de economiserbuizen totdat het de bovenkant van de warmtewisselaar bereikt, waar het wordt afgevoerd naar de stoomtrommel.
Goed om te weten – ‘voedingswater’ wordt ook gespeld als ‘voedings-water’ of ‘voedingswater’, maar de verschillende variaties betekenen allemaal hetzelfde.
Goed om te weten – water dat is behandeld maar nog niet de ketel is binnengekomen, wordt geclassificeerd als ‘voedingswater’. Water dat zich binnen de ketel bevindt, wordt geclassificeerd als ‘ketelwater’. Stoom die weer in water is gecondenseerd, wordt geclassificeerd als ‘condensaat’. Condensaat wordt voedingswater nadat het is behandeld.
Watertube Ketel Economiser en Stoomtrommel
Stoomtrommel, Neerwaartse Leidingen en Modder Trommels
De stoomtrommel ontvangt ketelwater van de economiser. De stoomtrommel is lang, cilindrisch van vorm en vervaardigd uit platte metalen platen. Vanwege de hoge druk van het stoomsysteem (meestal ongeveer 190 bar/2.755 psi), is de kooktemperatuur van water dienovereenkomstig hoog (de kooktemperatuur van water is drukafhankelijk). De stoomtrommel is verantwoordelijk voor het scheiden van water en stoom. Stoom wordt afgevoerd van de stoomtrommel naar de stoomturbines, terwijl water in de ketel wordt gerecirculeerd totdat het stoom wordt.
Watertube Ketel Stoomtrommel 3D Model
Relatief koud water uit de stoomtrommel -met een hogere dichtheid vanwege de lagere temperatuur- stroomt door grote leidingen genaamd neerwaartse leidingen totdat het de modder trommels bereikt. Modder trommels zijn waterdistributiemanifolds aan de basis van de ketel. Als de ketel een natuurlijke circulatie ketel is, verbinden de neerwaartse leidingen de stoomtrommel aan de bovenkant van de ketel met de modder trommels aan de onderkant, zonder het gebruik van een pomp. Als de ketel een gedwongen circulatie ketel is, zal er een meertraps centrifugaalpomp worden geïnstalleerd tussen de stoomtrommel en modder trommel. Neerwaartse leidingen krijgen hun naam omdat het water ‘naar beneden komt’ van de stoomtrommel.
Natuurlijke en Gedwongen Circulatie Watertube Ketels
Goed om te weten – ‘manifolds’ en ‘verdeelstukken’ zijn twee woorden die vaak door elkaar worden gebruikt. Beide woorden betekenen ‘een centraal distributiepunt dat kleinere systemen van stroom voorziet’.
Er zijn doorgaans zes neerwaartse leidingen in een watertube ketel, dit zorgt voor voldoende waterstroom naar de modder trommels. Modder trommels zijn geïnstalleerd aan de basis van de ovenwanden en dienen als verzamelpunt voor sediment en andere onzuiverheden die in het systeem circuleren. De modder trommels moeten op geplande intervallen worden geopend en gereinigd om opgehoopte afzettingen te verwijderen.
Goed om te weten – de naam ‘modder trommel’ is afgeleid van het ‘vuile’ materiaal dat zich binnen de trommels ophoopt.
Watertube Ketel Modder Trommels
Ovenwanden en Stijgbuizen
Vanuit de modder trommels stroomt water omhoog door buizen die naast de oven liggen; deze buizen worden ‘stijgbuizen’ genoemd omdat het water ‘omhoog stijgt’ naar de stoomtrommel. De oven is omgeven door stijgbuizen aan alle vier zijden (voor-, achter- en beide zijwanden), waardoor een rechthoekige doos ontstaat. Vanwege de rechthoekige vorm van de oven en omdat de stijgbuizen vol water zitten, wordt elke zijde van de ketel vaak aangeduid als een ‘waterwand’.
Watertube Ketel Ovenwand Constructie
Stijgbuizen hebben een veel kleinere diameter dan neerwaartse leidingen omdat hun primaire doel is om warmte te absorberen, dus ze vereisen een groot contactoppervlak met de oven. Stijgbuisbuizen vormen het verdamper gedeelte van de ketel omdat verdamping plaatsvindt binnen de buizen.
Water Verdamping Binnen een Watertube Ketel Buis
Wanneer verbranding plaatsvindt binnen de oven, wordt warmte overgedragen aan de stijgbuizen via straling en convectie. Stralingswarmteoverdracht vereist zichtlijn tussen de warmtebron en de ontvanger, dus items zoals de economiser worden niet verwarmd via stralingswarmte (omdat er geen directe zichtlijn is tussen de brandstofverbranding en de economiser).
Geleiding, Convectie en Straling
Verdeelstukken en Stoomvorming
Naarmate water omhoog stroomt door de ovenwanden, absorbeert het warmte en begint het te verdampen tot stoom. Aan de bovenkant van de oven wordt natte stoom (stoom met daarin gesuspendeerde watermoleculen) afgevoerd naar verdeelstukken, en vervolgens naar de stoomtrommel. Er zijn meestal vier verdeelstukken, één per zijde van de ovenwand. Niet al het water verdampt tot stoom, dus water wordt ook teruggevoerd naar de stoomtrommel.
Natte stoom en water komen de stoomtrommel binnen, waar schotten, scrubbers en cyclonen de gesuspendeerde watermoleculen van de stoom scheiden. Droge verzadigde stoom wordt afgevoerd van de stoomtrommel, d.w.z. de stoom bevat geen gesuspendeerde watermoleculen.
Watertube Ketel Stoomtrommel Componenten
Goed om te weten – stoom is een onzichtbaar, geurloos gas. De stoom die de meeste mensen visualiseren bij het denken aan stoom is eigenlijk ‘natte stoom’. Als stoom gesuspendeerde watermoleculen bevat, wordt het ‘natte stoom’ genoemd; het zijn deze gesuspendeerde watermoleculen die zichtbaar zijn. Als de stoom geen gesuspendeerde watermoleculen bevat, wordt het ‘droge stoom’ genoemd. De droogheid van stoom wordt gemeten door zijn droogheidsfractie (ook bekend als ‘dampkwaliteit’), met een waarde van 0 die volledig vloeibaar is en 1 die volledig droog is.
Oververhitters
De hoeveelheid energie die een stoomturbine uit stoom kan halen, wordt bepaald door de temperatuur en druk van de stoom. Om de temperatuur van de stoom verder te verhogen -en zo de hoeveelheid beschikbare energie voor de stoomturbine te vergroten-, wordt deze door een reeks oververhitters geleid. Stoom die wordt verwarmd boven zijn verzadigingstemperatuur wordt ‘oververhitte stoom’ genoemd, dit is wat gebeurt in oververhitters, en zo hebben ze hun naam gekregen.
Oververhitters zijn warmtewisselaars vervaardigd uit leidingen die qua ontwerp vergelijkbaar zijn met stijgbuizen; ze worden geclassificeerd als primair of secundair, afhankelijk van hun positie binnen de ketel. Oververhitters verhogen de temperatuur van de stoom, d.w.z. ze voegen gevoelige warmte toe. Oververhitters voegen geen latente warmte toe omdat de stoom al in een gasvormige fase is, d.w.z. er is geen faseverandering terwijl de stoom wordt verwarmd.
De primaire oververhitter voegt warmte toe aan de stoom terwijl deze door een relatief koel gebied van de ketel stroomt, dit voorkomt dat de stoom afkoelt en condenseert voordat deze de secundaire oververhitters bereikt. Droge verzadigde stoom stroomt de primaire oververhitter in en droge oververhitte stoom stroomt eruit!
Watertube Ketel Primaire en Secundaire Oververhitters
Na de primaire oververhitter passeert droge oververhitte stoom naar twee secundaire oververhitters: de platenoververhitter en finale secundaire oververhitter. De secundaire oververhitters bevinden zich in hetere gebieden van de ketel, waardoor wordt gegarandeerd dat de stoom zijn hoogste temperatuur bereikt voordat deze van de ketel naar de hogedrukstoomturbine(s) wordt afgevoerd.
Op dit punt is er geen verdere stroom door de ketel, tenzij de ketel een naverhittingsketel is.
Goed om te weten – stoomturbines worden geclassificeerd op basis van de drukken waarop ze werken:
- Hogedrukstoomturbine – de eerste turbine die stoom tegenkomt na het verlaten van de finale secundaire oververhitter; deze turbine wordt de ‘HP Turbine’ genoemd.
- Intermediaire drukstoomturbine – de turbine die stoom tegenkomt na het verlaten van de secundaire naverhitter oververhitter (als een naverhittingsketel), of, na het verlaten van de HP turbine. Deze turbine wordt de ‘IP Turbine’ genoemd.
- Lagedrukstoomturbine – stoom wordt geleverd van de IP turbine naar de lagedruk turbine via een crossover verbinding. Deze turbine wordt de ‘LP Turbine’ genoemd.
Naverhittingsketels
Nadat de droge hogedruk oververhitte stoom door de hogedrukstoomturbine is gepasseerd, wordt deze afgevoerd en teruggestuurd naar de ketel voor naverhitting. Naverhitting van de stoom vindt plaats in warmtewisselaars die ‘naverhitters’ worden genoemd, die qua ontwerp vergelijkbaar zijn met oververhitters. Net als bij oververhitters worden naverhitters ook geclassificeerd als primair of secundair, afhankelijk van hun positie binnen de ketel. Na naverhitting wordt de stoom afgevoerd naar de intermediaire drukstoomturbine en uiteindelijk naar de lagedrukstoomturbine (die is verbonden via een crossover pijp).
Niet alle watertube ketels hebben een naverhittingscyclus. Het belangrijkste doel van het naverhitten van de stoom is om de temperatuur te verhogen en daarmee de beschikbare energie voor de stoomturbine te vergroten; naverhitting verhoogt ook de algehele thermische efficiëntie van de installatie. Naverhitting van de stoom vermindert de kans op aanwezigheid van gesuspendeerde watermoleculen in de stoom, waardoor de risico's van turbineblad erosie en corrosie worden verminderd.
Primaire Naverhitter
Een primaire naverhitter is vergelijkbaar met een primaire oververhitter (beide gebruiken een serpentine warmtewisselaar ontwerp), maar bevindt zich in een aangrenzend deel van de ketel. Stoom van de hogedruk turbine wordt afgevoerd naar de primaire naverhitter. Terwijl stoom door de primaire naverhitter stroomt, wordt deze naverhit en vervolgens afgevoerd naar de secundaire naverhitter. Het pad van de stoom is vrij ingewikkeld, wat zorgt voor optimale warmteoverdracht.
Watertube Ketel Naverhitters
Secundaire Naverhitter
Na het passeren van de primaire naverhitter oververhitter, komt de stoom de secundaire naverhitter oververhitter binnen, waar deze verder wordt verwarmd voordat deze van de ketel naar de intermediaire druk turbine wordt afgevoerd.
Uitlaatgas Reinigingssysteem
Het uitlaatgas reinigingssysteem behandelt de verbrandingsgassen die worden gegenereerd tijdens de werking van de ketel.
Goed om te weten – ‘verbrandingsgassen’, zijn ook bekend als ‘rookgassen’, of ‘verbrandingsgassen’.
Uitlaatgassen reizen door de ketel en passeren warmtewisselaars (oververhitters etc.) en andere componenten (luchtvoorverwarmer etc.) terwijl ze dat doen. Zodra de uitlaatgassen het grootste deel van hun warmte-energie aan de ketel hebben overgedragen, worden ze afgevoerd naar het uitlaatgas reinigingssysteem.
Het uitlaatgas reinigingssysteem omvat doorgaans rookgas ontzwavelingsinstallaties, en elektrostatische precipitatoren of stoffilters. Rookgasreinigingsapparatuur is ontworpen om verontreinigende stoffen en deeltjes uit de rookgassen te verwijderen voordat ze in de atmosfeer worden afgevoerd.
Samenvatting – Hoe Alles Samenwerkt
- Kolen komen de dagsilo's binnen vanuit de kolenopslag.
- Kolen worden geleverd aan de verpulvers, waar ze worden vermalen, gedroogd en geclassificeerd.
- Verpulverde kolen worden pneumatisch naar de ketelbranders getransporteerd.
- Kolen worden in de oven gespoten, waar ze worden ontstoken en een verbranding ondergaan.
- Secundaire lucht wordt in de oven geblazen om een efficiënte verbranding te garanderen.
- Relatief koud ketelwater stroomt naar beneden van de stoomtrommel naar de modder trommels via neerwaartse leidingen.
- Water stroomt van de modder trommels omhoog door stijgbuisbuizen naast de oven. Terwijl het water omhoog stroomt, absorbeert het warmte en verdampt een deel van het water tot stoom.
- Natte stoom verlaat de oven via verdeelstukken aan de bovenkant.
- Natte stoom komt de stoomtrommel binnen, waar de gesuspendeerde watermoleculen worden gescheiden. Droge verzadigde stoom wordt afgevoerd van de stoomtrommel.
- Droge stoom passeert primaire en secundaire oververhitters om zijn uiteindelijke temperatuur te bereiken (het wordt oververhit tijdens deze fase).
- Droge oververhitte stoom wordt afgevoerd van de ketel en kan nu worden gebruikt door de stoomturbine(s) voor energieopwekking.
- Als er een naverhittingssysteem is geïnstalleerd, wordt stoom van de hogedruk turbine teruggestuurd naar de ketel voor naverhitting. Als er geen naverhittingssysteem is geïnstalleerd, wordt stoom afgevoerd van de hogedruk turbine naar de volgende stadia, d.w.z. IP of LP turbines.
Gerelateerde Online Technische Cursussen
Inleiding tot Stoom, Ketels en Thermodynamica
Sub-Kritische, Superkritische en Ultra-Superkritische Ketels
Warmte Terugwinning Stoomgeneratoren Uitgelegd
Hoe Kolengestookte Energiecentrales Werken
Hoe Rookgas Ontzwaveling Werkt
Elektrostatische Precipitatoren (ESP)
Aanvullende Bronnen
https://en.wikipedia.org/wiki/Water-tube_boiler
https://www.rasmech.com/blog/watertube-boiler-a-complete-overview/
https://testbook.com/mechanical-engineering/water-tube-boilers-definition-diagram-and-applications