Czym są kotły wodnorurowe?
Kocioł wodnorurowy, znany również jako kocioł wodno-rurowy, to rodzaj kotła, który wykorzystuje rury wypełnione wodą do generowania pary. W przeciwieństwie do kotła płomienicowego, który wykorzystuje rury wypełnione spalinami do generowania pary. Para generowana przez kocioł może być używana do różnych celów, w tym do produkcji energii za pomocą turbin parowych, procesów przemysłowych oraz ogrzewania budynków (ogrzewanie miejskie).
Uwaga - w tym artykule używane są różne formy wodno-rurowy, wodnorurowy i wodno rurowy dla ułatwienia zrozumienia.
Przenoszenie ciepła do rur kotłów wodnorurowych i płomienicowych
Kotły wodnorurowe są zazwyczaj bardziej wydajne niż inne typy kotłów i są zdolne do generowania większych ilości pary przy wyższych ciśnieniach i temperaturach, co czyni je idealnymi do użycia w elektrowniach i innych ustawieniach przemysłowych, gdzie wymagana jest większa wydajność.
W tym artykule zbadamy działanie kotłów wodnorurowych stosowanych w elektrowniach opalanych węglem. Omówimy główne systemy związane z tymi dużymi kotłami, ich główne części oraz jak możemy używać pary do generowania energii elektrycznej. Możesz jednak dowiedzieć się więcej o różnych typach kotłów i maszynach elektrowni w naszym kursie wideo Podstawy Inżynierii Energetycznej.
Kocioł wodnorurowy
Warto wiedzieć – ‘wodnorurowy’ jest również pisane jako ‘wodno-rurowy’ lub ‘wodno rurowy’, ale różne warianty oznaczają to samo.
Jakie są główne części kotła wodnorurowego?
Główne części kotła wodnorurowego to:
- Bęben parowy
- Bęben osadowy
- Rury opadowe
- Rury wznoszące
- Kolektory
- Przegrzewacz (pierwotny, wtórny itp.)
- Podgrzewacz wtórny (pierwotny, wtórny itp.)
- Ekonomizer
- Piec (przestrzeń spalania)
- Zawór bezpieczeństwa
- Wentylator powietrza pierwotnego
- Wentylator powietrza wtórnego
- Wentylator wyciągowy
- Temperator
Rurociągi i ścieżki przepływu kotła wodnorurowego
Jak działają kotły wodnorurowe?
Poniższy diagram pokazuje typowe rozmieszczenie urządzeń i systemów związanych z elektrownią opalaną węglem; użyj diagramu jako odniesienia podczas przeglądania tego artykułu. Konieczne jest zrozumienie wszystkich systemów elektrowni, aby zrozumieć jak działa kocioł wodnorurowy.
Diagram systemów i urządzeń elektrowni opalanej węglem
System paliwowy kotła wodnorurowego
Zanim węgiel zostanie podany do kotła, jest przechowywany na placu węglowym, a następnie transportowany do silników dziennych. Silniki dzienne zazwyczaj mają wystarczającą pojemność na 4-12 godzin maksymalnej pracy kotła, co zapewnia, że kocioł może pozostać w eksploatacji nawet w przypadku problemów z przenośnikiem na placu węglowym. Silniki dzienne podają węgiel do młynów węglowych (amerykański angielski ‘pulverizers’).
Młyn węglowy
Celem młyna jest mielenie, suszenie i klasyfikacja węgla, zapewniając, że zawiera on niską ilość wilgoci i jest odpowiedniej wielkości, gdy dociera do kotła. Węgiel zmielony jest wyładowywany z młynów i transportowany pneumatycznie przez rurociągi do palników kotła.
Węgiel zmielony jest rozpylany do pieca przez dysze palników, gdzie jest zapalany i poddawany spalaniu. Powietrze jest dmuchane do pieca, aby zapewnić efektywne spalanie. Za bocznymi rurami pieca (boczne ściany wodne) znajdują się skrzynki wiatrowe; powietrze gromadzi się w każdej skrzynce wiatrowej przed wejściem do kotła. Skrzynka wiatrowa zapewnia mały zapas powietrza i zmniejsza prawdopodobieństwo pulsacji powietrza lub niestabilnego dostarczania powietrza do kotła. Istnieją dwa główne systemy powietrzne związane z kotłami wodnorurowymi, są to system powietrza pierwotnego i system powietrza wtórnego.
Skrzynka wiatrowa kotła wodnorurowego
Systemy powietrza pierwotnego i wtórnego kotła wodnorurowego
Systemy powietrza pierwotnego i wtórnego mają dwie oddzielne funkcje.
- Powietrze pierwotne – kontroluje ilość spalanego paliwa.
- Powietrze wtórne – kontroluje wydajność procesu spalania.
Wentylatory powietrza pierwotnego i wtórnego używane w obu systemach są zazwyczaj projektowane jako wentylatory odśrodkowe, chociaż liczba i typ wentylatorów zależy od projektu kotła. System powietrza pierwotnego dostarcza powietrze pierwotne do młynów węglowych, podczas gdy system powietrza wtórnego dostarcza powietrze do skrzynek wiatrowych.
System powietrza pierwotnego
System powietrza pierwotnego kontroluje ilość spalanego paliwa. Poprzez regulację ilości dostarczanego powietrza pierwotnego można regulować ilość węgla podawanego do pieca. Zimne powietrze pierwotne wchodzi do młyna węglowego i miesza się z gorącym powietrzem pierwotnym, tworząc optymalną mieszankę powietrzno-paliwową i temperaturę. Mieszanka powietrzno-paliwowa jest następnie transportowana pneumatycznie przez rury do palników i do pieca.
System powietrza wtórnego
System powietrza wtórnego kontroluje wydajność procesu spalania; dostarcza powietrze do skrzynek wiatrowych, które równomiernie rozprowadzają powietrze wtórne w piecu. System powietrza wtórnego pomaga utrzymać optymalne warunki spalania, regulując ilość dostarczanego powietrza na podstawie poziomów dwutlenku węgla i tlenu w gazach spalinowych. Monitorując skład gazów spalinowych, system powietrza wtórnego może zapewnić, że spalanie jest jak najbardziej efektywne; ten proces jest znany jako kontrola wydajności spalania.
Podgrzewacz powietrza
Podgrzewacze powietrza wykorzystują gazy spalinowe ze spalania do podgrzewania powietrza pierwotnego i wtórnego przed jego wejściem do kotła; ten proces poprawia wydajność kotła, zapobiegając ciągłemu chłodzeniu kotła przez wprowadzenie zimnego powietrza.
Podgrzewacz powietrza kotła wodnorurowego
Kocioł wodnorurowy: zasada działania
Ta sekcja omawia różne komponenty i systemy używane do konwersji wody na parę w kotle wodnorurowym. Omówione zostaną typowe komponenty kotła wodnorurowego, takie jak bęben parowy, rury opadowe, rury wznoszące, bębny osadowe, ściany pieca, kolektory i przegrzewacze.
Przepływ przez kocioł wodnorurowy
Ekonomizer
Woda zasilająca kocioł najpierw wchodzi do kotła przez ekonomizer (amerykański angielski ‘economizer’), który jest wężownicowym wymiennikiem ciepła. Woda kotłowa przepływa tam i z powrotem przez rury ekonomizera, aż dotrze do szczytu wymiennika ciepła, gdzie jest wyładowywana do bębna parowego.
Warto wiedzieć – ‘woda zasilająca’ jest również pisane jako ‘woda-zasilająca’ lub ‘wodazasilająca’, ale różne warianty oznaczają to samo.
Warto wiedzieć – woda, która została poddana obróbce, ale jeszcze nie weszła do kotła, jest klasyfikowana jako ‘woda zasilająca’. Woda, która znajduje się w kotle, jest klasyfikowana jako ‘woda kotłowa’. Para, która skondensowała się z powrotem do wody, jest klasyfikowana jako ‘kondensat’. Kondensat staje się wodą zasilającą po poddaniu obróbce.
Ekonomizer i bęben parowy kotła wodnorurowego
Bęben parowy, rury opadowe i bębny osadowe
Bęben parowy otrzymuje wodę kotłową z ekonomizera. Bęben parowy jest długi, cylindryczny w kształcie i wykonany z płaskich płyt metalowych. Ze względu na wysokie ciśnienie systemu parowego (zwykle ok. 190 bar/2,755 psi), temperatura wrzenia wody jest odpowiednio wysoka (temperatura wrzenia wody zależy od ciśnienia). Bęben parowy jest odpowiedzialny za oddzielanie wody i pary. Para jest wyładowywana z bębna parowego do turbin parowych, podczas gdy woda jest recyrkulowana w kotle, aż stanie się parą.
Model 3D bębna parowego kotła wodnorurowego
Stosunkowo zimna woda z bębna parowego - o wyższej gęstości ze względu na niższą temperaturę - przepływa przez duże rury zwane rurami opadowymi, aż dotrze do bębnów osadowych. Bębny osadowe są kolektorami wody u podstawy kotła. Jeśli kocioł jest kotłem o naturalnym obiegu, rury opadowe łączą bęben parowy na szczycie kotła z bębnami osadowymi na dole, bez użycia pompy. Jeśli kocioł jest kotłem o wymuszonym obiegu, wielostopniowa pompa odśrodkowa zostanie zainstalowana między bębnem parowym a bębnem osadowym. Rury opadowe zawdzięczają swoją nazwę temu, że woda ‘spływa’ z bębna parowego.
Kotły wodnorurowe o naturalnym i wymuszonym obiegu
Warto wiedzieć – ‘kolektory’ i ‘nagłówki’ to dwa słowa, które często są używane zamiennie. Oba słowa oznaczają ‘centralny punkt dystrybucji dostarczający mniejsze systemy’.
Zazwyczaj w kotle wodnorurowym znajduje się sześć rur opadowych, co zapewnia odpowiedni przepływ wody do bębnów osadowych. Bębny osadowe są zainstalowane u podstawy ścian pieca i służą jako punkt zbiorczy dla osadów i innych zanieczyszczeń krążących w systemie. Bębny osadowe muszą być otwierane i czyszczone w zaplanowanych odstępach czasu, aby usunąć nagromadzone osady.
Warto wiedzieć – nazwa ‘bęben osadowy’ pochodzi od ‘brudnego’ materiału, który gromadzi się w bębnach.
Bębny osadowe kotła wodnorurowego
Ściany pieca i rury wznoszące
Z bębnów osadowych woda przepływa w górę przez rury sąsiadujące z piecem; te rury nazywane są ‘rurami wznoszącymi’, ponieważ woda ‘wznosi się’ do bębna parowego. Piec jest otoczony rurami wznoszącymi z wszystkich czterech stron (przód, tył i obie ściany boczne), tworząc prostokątną skrzynkę. Ze względu na prostokątny kształt pieca i fakt, że rury wznoszące są pełne wody, każda strona kotła jest często nazywana ‘ścianą wodną’.
Konstrukcja ściany pieca kotła wodnorurowego
Rury wznoszące mają znacznie mniejszą średnicę niż rury opadowe, ponieważ ich głównym celem jest pochłanianie ciepła, dlatego wymagają dużej powierzchni kontaktu z piecem. Rury wznoszące tworzą część parownika kotła, ponieważ parowanie zachodzi w rurach.
Parowanie wody w rurze kotła wodnorurowego
Kiedy w piecu zachodzi spalanie, ciepło jest przenoszone do rur wznoszących poprzez promieniowanie i konwekcję. Promieniowe przenoszenie ciepła wymaga linii widzenia między źródłem ciepła a odbiorcą, dlatego takie elementy jak ekonomizer nie są ogrzewane przez promieniowe ciepło (ponieważ nie ma bezpośredniej linii widzenia między spalanym paliwem a ekonomizerem).
Przewodzenie, konwekcja i promieniowanie
Kolektory i formowanie pary
W miarę jak woda przemieszcza się w górę przez ściany pieca, pochłania ciepło i zaczyna parować w parę. Na szczycie pieca para mokra (para zawierająca zawieszone cząsteczki wody) jest wyładowywana do kolektorów, a następnie do bębna parowego. Zazwyczaj istnieją cztery kolektory, po jednym na każdą stronę ściany pieca. Nie cała woda paruje do pary, dlatego woda jest również zwracana do bębna parowego.
Para mokra i woda wchodzą do bębna parowego, gdzie przegrody, skrubery i cyklony oddzielają zawieszone cząsteczki wody od pary. Para sucha nasycona jest wyładowywana z bębna parowego, tj. para nie zawiera zawieszonych cząsteczek wody.
Komponenty bębna parowego kotła wodnorurowego
Warto wiedzieć – para jest niewidzialnym, bezwonnym gazem. Para, którą większość ludzi wyobraża sobie, myśląc o parze, to właściwie ‘para mokra’. Jeśli para zawiera zawieszone cząsteczki wody, jest nazywana ‘parą mokrą’; to te zawieszone cząsteczki wody są widoczne. Jeśli para nie zawiera zawieszonych cząsteczek wody, jest nazywana ‘parą suchą’. Suchość pary jest mierzona przez jej współczynnik suchości (znany również jako ‘jakość pary’), gdzie wartość 0 oznacza całkowicie ciecz, a 1 całkowicie suchą.
Przegrzewacze
Ilość energii, jaką turbina parowa może wydobyć z pary, jest określona przez temperaturę i ciśnienie pary. Aby dodatkowo zwiększyć temperaturę pary - a tym samym zwiększyć ilość energii dostępnej dla turbiny parowej - jest ona przesyłana przez szereg przegrzewaczy. Para, która jest podgrzewana powyżej swojej temperatury nasycenia, jest nazywana ‘parą przegrzaną’, co ma miejsce w przegrzewaczach, i stąd pochodzi ich nazwa.
Przegrzewacze są wymiennikami ciepła wykonanymi z rur podobnych w konstrukcji do rur wznoszących; są klasyfikowane jako pierwotne lub wtórne w zależności od ich położenia w kotle. Przegrzewacze zwiększają temperaturę pary, tj. dodają ciepło jawne. Przegrzewacze nie dodają ciepła utajonego, ponieważ para jest już w fazie gazowej, tj. nie ma zmiany fazy, gdy para jest podgrzewana.
Przegrzewacz pierwotny dodaje ciepło do pary, gdy przepływa ona przez stosunkowo chłodny obszar kotła, co zapobiega ochłodzeniu i kondensacji pary przed dotarciem do przegrzewaczy wtórnych. Para sucha nasycona wpływa do przegrzewacza pierwotnego, a para sucha przegrzana wypływa!
Przegrzewacze pierwotne i wtórne kotła wodnorurowego
Po przegrzewaczu pierwotnym, sucha para przegrzana przechodzi do dwóch przegrzewaczy wtórnych: przegrzewacza płytowego i przegrzewacza wtórnego końcowego. Przegrzewacze wtórne znajdują się w cieplejszych obszarach kotła, co zapewnia, że para osiąga swoją najwyższą temperaturę przed wyładowaniem z kotła do turbin parowych wysokiego ciśnienia.
Na tym etapie nie ma dalszego przepływu przez kocioł, chyba że kocioł jest kotłem z ponownym podgrzewaniem.
Warto wiedzieć – turbiny parowe są klasyfikowane na podstawie ciśnień, przy których działają:
- Turbina parowa wysokiego ciśnienia – pierwsza turbina, którą para napotyka po opuszczeniu przegrzewacza wtórnego końcowego; ta turbina jest nazywana ‘turbina HP’.
- Turbina parowa średniego ciśnienia – turbina, którą para napotyka po opuszczeniu przegrzewacza wtórnego (jeśli kocioł z ponownym podgrzewaniem), lub po opuszczeniu turbiny HP. Ta turbina jest nazywana ‘turbina IP’.
- Turbina parowa niskiego ciśnienia – para jest dostarczana z turbiny IP do turbiny niskiego ciśnienia za pomocą połączenia krzyżowego. Ta turbina jest nazywana ‘turbina LP’.
Kotły z ponownym podgrzewaniem
Po przejściu suchej pary przegrzanej wysokiego ciśnienia przez turbinę parową wysokiego ciśnienia, jest ona wyładowywana i przesyłana z powrotem do kotła w celu ponownego podgrzania. Ponowne podgrzewanie pary odbywa się w wymiennikach ciepła zwanych ‘podgrzewaczami’, które są podobne w konstrukcji do przegrzewaczy. Podobnie jak przegrzewacze, podgrzewacze są również klasyfikowane jako pierwotne lub wtórne w zależności od ich położenia w kotle. Po ponownym podgrzaniu, para jest wyładowywana do turbiny parowej średniego ciśnienia, a na końcu do turbiny parowej niskiego ciśnienia (która jest połączona za pomocą rury krzyżowej).
Nie wszystkie kotły wodnorurowe mają cykl ponownego podgrzewania. Głównym celem ponownego podgrzewania pary jest zwiększenie jej temperatury, a co za tym idzie, zwiększenie mocy dostępnej dla turbiny parowej; ponowne podgrzewanie również zwiększa ogólną wydajność termiczną zakładu. Ponowne podgrzewanie pary zmniejsza prawdopodobieństwo obecności zawieszonych cząsteczek wody w parze, co zmniejsza ryzyko erozji i korozji łopatek turbiny.
Podgrzewacz pierwotny
Podgrzewacz pierwotny jest podobny do przegrzewacza pierwotnego (oba używają konstrukcji wymiennika ciepła wężownicowego), ale znajduje się w sąsiedniej części kotła. Para z turbiny wysokiego ciśnienia jest wyładowywana do podgrzewacza pierwotnego. W miarę jak para przepływa przez podgrzewacz pierwotny, jest ponownie podgrzewana, a następnie wyładowywana do podgrzewacza wtórnego. Ścieżka pary jest dość skomplikowana, co zapewnia optymalny transfer ciepła.
Podgrzewacze kotła wodnorurowego
Podgrzewacz wtórny
Po przejściu przez podgrzewacz pierwotny, para wchodzi do podgrzewacza wtórnego, gdzie jest poddawana dalszemu podgrzewaniu przed wyładowaniem z kotła do turbiny średniego ciśnienia.
System oczyszczania gazów spalinowych
System oczyszczania gazów spalinowych przetwarza gazy spalinowe generowane podczas pracy kotła.
Warto wiedzieć – ‘gazy spalinowe’, są również znane jako ‘gazy spalinowe’, lub ‘gazy spalania’.
Gazy spalinowe przemieszczają się przez kocioł, przechodząc nad wymiennikami ciepła (przegrzewacze itp.) i innymi komponentami (podgrzewacz powietrza itp.) w miarę ich przemieszczania się. Gdy gazy spalinowe przekazują większość swojej energii cieplnej do kotła, są wyładowywane do systemu oczyszczania gazów spalinowych.
System oczyszczania gazów spalinowych zazwyczaj obejmuje odsiarczacze gazów spalinowych oraz elektrofiltry lub filtry workowe. Urządzenia do oczyszczania gazów spalinowych są zaprojektowane do usuwania zanieczyszczeń i cząstek stałych z gazów spalinowych przed ich wyładowaniem do atmosfery.
Podsumowanie – Jak to wszystko działa razem
- Węgiel wchodzi do silników dziennych z placu węglowego.
- Węgiel jest dostarczany do młynów, gdzie jest mielony, suszony i klasyfikowany.
- Węgiel zmielony jest transportowany pneumatycznie do palników kotła.
- Węgiel jest rozpylany do pieca, gdzie jest zapalany i poddawany spalaniu.
- Powietrze wtórne jest dmuchane do pieca, aby zapewnić efektywne spalanie.
- Stosunkowo zimna woda kotłowa przepływa w dół z bębna parowego do bębnów osadowych przez rury opadowe.
- Woda przepływa z bębnów osadowych w górę przez rury wznoszące sąsiadujące z piecem. W miarę jak woda przepływa w górę, pochłania ciepło, a część wody paruje w parę.
- Para mokra wychodzi przez kolektory na szczycie pieca.
- Para mokra wchodzi do bębna parowego, gdzie zawieszone cząsteczki wody są oddzielane. Para sucha nasycona jest wyładowywana z bębna parowego.
- Para sucha przechodzi przez przegrzewacze pierwotne i wtórne, aby osiągnąć swoją ostateczną temperaturę (staje się przegrzana na tym etapie).
- Para sucha przegrzana jest wyładowywana z kotła i może być teraz używana przez turbiny parowe do generacji energii.
- Jeśli zainstalowany jest system ponownego podgrzewania, para z turbiny wysokiego ciśnienia jest zwracana do kotła w celu ponownego podgrzania. Jeśli system ponownego podgrzewania nie jest zainstalowany, para jest wyładowywana z turbiny wysokiego ciśnienia do kolejnych etapów, tj. turbin IP lub LP.
Dodatkowe zasoby
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