Marek PRONOBIS

SPOSOBY ZWIĘKSZANIA SPRAWNOŚCI

ELEKTROWNI KONWENCJONALNYCH

Gliwice 2010

2

SPIS TREŚCI

1. SPRAWNOŚĆ I EFEKTYWNOŚĆ EKONOMICZNA .................................................... 3

2. POPRAWA SPRAWNOŚCI KOTŁA ................................................................................ 5

3. MODERNIZACJA DLA OBNIŻENIA STRATY WYLOTOWEJ ................................... 8

3.1. Obniżenie temperatury spalin wylotowych ................................................................. 8

3.1.1. Modernizacja konwekcyjnych powierzchni ciśnieniowych ................................ 9

3.1.2. Modernizacja podgrzewacza powietrza ............................................................ 12

3.1.3. Zastosowanie systemu oczyszczania powierzchni ogrzewalnych

z zanieczyszczeń popiołowych ......................................................................... 14

3.1.4. Zabudowa dodatkowego (niewłączonego w obieg czynnika w kotle)

wymiennika ciepła ............................................................................................ 14

3.1.5. Obniżenie temperatury wody zasilającej w podgrzewaczu powietrza .............. 14

3.1.6. Dobór minimalnej temperatury spalin wylotowych .......................................... 15

3.1.7. Rozkłady temperatur spalin na odcinku od kotła do wylotu komina ................ 15

3.2. Obniżenie stosunku nadmiaru powietrza w kotle ..................................................... 21

3.2.1. Ograniczenie przyssań powietrza do komory paleniskowej i ciągu

konwekcyjnego ................................................................................................. 21

3.2.2. Ograniczenie przyssań powietrza w podgrzewaczach powietrza ..................... 22

4. OGRANICZENIE NIERÓWNOMIERNOŚCI TEMPERATUR METALU

W PRZEGRZEWACZACH PARY .................................................................................. 22

LITERATURA.......................................................................................................................... 24

3

1. SPRAWNOŚĆ I EFEKTYWNOŚĆ EKONOMICZNA

Sprawność termiczna obiegu definiowana jest jako

mritkobbr , (1)

gdzie: ob - teoretyczna sprawność termiczna obiegu,

k - sprawność kotła,

it - sprawność wewnętrzna turbiny,

r- sprawność termiczna rurociągów,

m - sprawność mechaniczna.

01

03

02 04

0607

08 0910

1112

1314

60

65

90

2322212070

33

32

72

85

73

83

82

79

78

77

76

75

16

18

74

17

84

71

30

31

69 68 67 66

86 88 89

87

40

SP + NPWP

SCH

WP3

WP2

WP1

NP4 NP3 NP2 NP1

TP

G~

Rys. 1.1 Schemat obiegu siłowni parowej

Sposoby podnoszenia sprawności siłowni cieplnej i ich ograniczenia:

podwyższenie temperatury pary przed turbiną - ograniczone możliwościami inżynierii

materiałowej i kosztami,

podwyższenie ciśnienia pary przed turbiną - ograniczone możliwościami inżynierii

materiałowej i kosztami,

obniżenie parametrów pary na wylocie z turbiny - ograniczone temperaturą czynnika

chłodzącego,

przegrzew wtórny czynnika (pojedynczy, podwójny) - ograniczone kosztami,

regeneracyjny podgrzew wody zasilającej parą z upustów turbiny - ograniczone malejącą

skutecznością powiększania liczby podgrzewaczy i kosztami,

Kocioł

Przegrzewacz Przegrz. m/s

Turbina

Skraplacz

Odgazowywacz

Regeneracja NP

Regeneracja

WP

4

kogeneracja - jednoczesne wytwarzanie elektryczności i ciepła - ograniczone potrzebami

w zakresie odbioru ciepła,

układy parowo-gazowe - ograniczone kosztami inwestycji i paliwa gazowego oraz

możliwościami inżynierii materiałowej.

O ile dawniej istniała dobra współzależność między sprawnością termodynamiczną

a efektywnością ekonomiczną, to obecnie jest ona wyraźnie słabsza. Jest to spowodowane

silnym wpływem regulacji systemowych wynikających z wymagań ochrony środowiska,

szczególnie zaś z decyzji politycznych narzucających konieczność ograniczenia emisji CO2.

Skutkuje to wprowadzeniem systemu dotacji w postaci dopłat za „kolorową” energię, w

wyniku czego działania poprawiające sprawność (a więc ograniczające zużycie paliw) mogą

być mniej opłacalne od przedsięwzięć, których główną, jeśli nie jedyną, zaletą jest

zmniejszenie emisji CO2. Problem ten najsilniej się objawia w krajach UE, natomiast

w innych obszarach świata - w stopniu znacznie mniejszym, co jest konsekwencją polityki

ekologicznej różnej w różnych państwach.

Efektem takiego stanu rzeczy jest wprowadzenie w UE handlu emisją CO2,

powodującego, że wg rachunku ekonomicznego opłaca się spalać z niską sprawnością

biomasę, ponieważ jest ona traktowana jako 0-emisyjne źródło energii. Należy zauważyć, że

nawet jeżeli w teorii tak jest (co powoduje zaliczenie biomasy w 100% jako energii

odnawialnej), to w rzeczywistości procesy rolnicze i inne, konieczne dla doprowadzenia

biomasy dom kotła, powodują dodatkowe zużycie paliw kopalnych. Jest ono czasem tak duże,

że stawia pod znakiem zapytania sens takiego postępowania.

Zaletą systemu, w którym emitowany CO2 ma wysoką cenę, porównywalną, lub nawet

większą od ceny węgla, jest ogromna poprawa opłacalności przedsięwzięć ograniczających

zużycie paliw kopalnych, a więc także takich działań, które poprawiają sprawność

energetyczną siłowni. Działania takie mają tę dodatkową wartość, że rzeczywiście ograniczają

emisją CO2.

O ile zwiększanie sprawności obiegu jest w większości przypadków możliwe jedynie

na etapie projektu, którego warianty podlegają optymalizacji ekonomicznej i negocjacji

miedzy wykonawcą i inwestorem, o tyle podnoszenie sprawności kotła daje się realizować

także na obiektach istniejących, w ramach modernizacji o charakterze technicznym lub

eksploatacyjnym.

Jednocześnie pewne przedsięwzięcia dokonywane w kotle mogą prowadzić do

podwyższenia sprawności obiegu. Jako przykład można podać modernizacje kotła

prowadzące do zmniejszenia strumienia wody wtryskiwanej dla regulacji temperatury pary

wtórnej, lub modernizacje przegrzewaczy a także wprowadzenie efektywnego systemu

oczyszczania rur z osadów popiołowych, pozwalające utrzymać nominalną temperaturę pary

także przy znacznym zmniejszeniu obciążenia kotła.

Z powyższych względów w dalszej części zajęto się problematyką poprawy

sprawności kotłów energetycznych.

5

2. POPRAWA SPRAWNOŚCI KOTŁA

Sprawność energetyczną (brutto) dowolnego kotła definiuje się jako stosunek jego

mocy użytecznej do całkowitej mocy doprowadzonej

dopr

użk

Q

Q

(2.1)

Oznaczając moc strat cieplnych kotła (sumę wszystkich strat cieplnych) przez

stratQ i korzystając z oczywistej zależności

stratużdopr QQQ (2.2)

po podstawieniu do równania (2.1) uzyskuje się wzór:

dopr

stratk

Q

Q

1 (2.3)

Sprawność kotłów można wyznaczyć metodą bezpośrednią i metodą pośrednią.

Metoda bezpośrednia wykorzystuje równanie (2.1), co wymaga zmierzenia ilości spalanego

paliwa. Wymaganą dokładność takiego pomiaru można jednak uzyskać jedynie w przypadku

paliw ciekłych i gazowych, podczas gdy w przypadku kotłów opalanych węglem pomiar

strumienia paliwa jest obarczony nadmiernym błędem. Metoda pośrednia opiera się na

określeniu strat i wykorzystaniu równania (2.3). Jest ona powszechnie stosowana do

wyznaczania sprawności w przypadku kotłów spalających paliwa stałe.

W kotle parowym ciepło użyteczne użQ zostaje przekazane parze pierwotnej - pQ ,

parze wtórnej przegrzewu międzystopniowego - mQ i strumieniowi odmulin (odsolin) - odQ ,

czyli

odmpuż QQQQ (2.4)

W nowoczesnych układach woda zasilająca posiada śladową twardość, tak, że nie

wymaga się prowadzenia ciągłego odsalania i stąd strumień odsolin na ogół odm przyjmuje

się równy zero.

W kotle wodnym ciepło użyteczne użQ zostaje przekazane wodzie podgrzewając ją od

temperatury twz do tw2. Uwzględniając strumień wody - wm , ciśnienie robocze wody - pw oraz

entalpię iw2 = i(pw2, tw2) i iwz = i(pwz, twz) można określić ciepło użyteczne kotła wodnego

z zależności:

wzwwuż iimQ 2 (2.5)

W przypadku bilansowania w stosunku do temperatury odniesienia to [1] przeliczone

na 1 kg spalonego paliwa (kgB) ciepło doprowadzone do kotła, zwane czasem obliczeniową

wartością opałową, dla paliw stałych i ciekłych opisuje zależność

kpow

B

doprB

pBB

r

i

r

obl,i QIm

mIiQQ

(2.6)

gdzie: Qir - wartość opałowa roboczej masy paliwa stałego lub ciekłego w temperaturze

odniesienia to, kJ/kgB, Bi - różnica entalpii fizycznej paliwa dla temperatury na granicy

6

bilansowania i temperatury odniesienia, kJ/kg, pB - różnica entalpii pary do rozpylania paliw

ciekłych j.w, kJ/kgB, Bdoprm - strumień masowy paliwa doprowadzonego, kg/s, Bm - strumień

paliwa spalonego, kg/s, powI - różnica entalpii jednostkowej ilości powietrza

doprowadzonego dla temperatury na granicy bilansowania i temperatury odniesienia, kJ/kgB,

Qk - ubytek wartości opałowej zużywany na rozkład węglanów, kJ/kg.

Całkowitą moc doprowadzoną do kotła obliczamy jako

zewn

r

obl,iBdopr QQmQ (2.7)

gdzie zewnQ dodatkowy strumień energii uwzględniający np. przyrost entalpii powietrza do

spalania uzyskany we wstępnym podgrzewaczu powietrza.

Jednym z ważnych celów modernizacji kotłów jest minimalizacja sumy strat energii,

zwiększająca bezpośrednio opłacalność eksploatacji. Poniżej zestawiono wzory do obliczania

poszczególnych strat.

Strata wylotowa

Bezwzględną stratę wylotową kotła określa się z zależności

osw

śr

s,pswo,sswswsw ttcmiimQ (2.8)

Strata niezupełnego spalania

Jest to strata wywołana obecnością niespalonych gazów, np. tlenku węgla w spalinach.

Określa się ją w funkcji stężenia i wartości opałowej CO oraz ilości spalin suchych/kg paliwa

za pomocą równania:

COiCOssBCO QrVmQ (2.9)

Strata niecałkowitego spalania

Strata ta, nazywana również paleniskową, jest wywołana obecnością palnych części

w pozostałościach po spaleniu. Oblicza się ją z następującej zależności

n,iplpln,iżżpl,palż,palpal QcmQcmQQQ (2.10)

gdzie: cż, cpl - udziały części palnych w pozostałościach po spaleniu (żużel i popiół lotny),

żm , plm - strumień żużla, strumień popiołu lotnego, kg/s, Q,i,n - wartość opałowa niespalonych

składników pozostałości, kJ/kg.

Strata fizyczna ciepła zawartego w pozostałościach po spaleniu

Omawiana strata jest spowodowana temperaturą pozostałości wyższą niż temperatura

odniesienia. Określa się ją ze wzoru

osw

śr

plploż

śr

żżfplfżpl,fż ttcmttcmQQQ (2.11)

gdzie: śr

żc ,, śr

plc - średnie ciepło właściwe żużla i popiołu lotnego, kJ/(kgK).

Strata ciepła do otoczenia

Ponieważ na ogół trudno jest zmierzyć stratę ciepła do otoczenia (przez

promieniowanie i konwekcję) powszechnie wykorzystuje się empiryczne zależności. W [1]

występuje podana niżej formuła (dla ciepła użytecznego wyrażanego w MW)

7

70,

użot QCQ (2.12)

Wartości stałej C, są następujące:

C = 0,0113 dla kotłów spalających olej opałowy i gaz ziemny,

C = 0,0220 dla kotłów spalających węgiel kamienny,

C = 0,0315 dla kotłów spalających węgiel brunatny,

C = 0,0314 dla kotłów fluidalnych.

Względne straty ciepła

Względną stratę ciepła określa się dzieląc dowolną stratę ciepła przez moc cieplną

doprowadzoną do kotła. Dla przykładu względną stratę wylotową kotła określa się

z zależności

100dopr

swsw

Q

QS

(2.13)

W podobny sposób, wykorzystując to samo wyrażenie w mianowniku, określa się

względne straty: niezupełnego spalania, niecałkowitego spalania, stratę fizyczną ciepła

w pozostałościach po spaleniu i względną stratę ciepła do otoczenia.

Sprawność termiczna kotła k zależy od strat cieplnych zgodnie ze wzorem (2.3), który

można przekształcić do postaci

k iS 1 (2.14)

Sprawność kotła nie zależy od jego wydajności, ani też od parametrów czynników

wymieniających ciepło i jest jedynie funkcją jego strat. Wprawdzie czasem kotły małe mają

niższą sprawność niż wielkie kotły energetyczne, jednak wiąże się to z dopuszczeniem

wyższej temperatury spalin wylotowych (a więc większej straty wylotowej Ssw) w małych

jednostkach. Jest to spowodowane krótszym, w przypadku małych kotłów, rocznym czasem

pracy, co powoduje, że nie opłaca się silnie rozbudowywać końcowych powierzchni

ogrzewalnych w takich kotłach (wysokie koszty inwestycyjne przy długim czasie zwrotu

nakładów).

W konkretnym przypadku modernizacji kotła punktem wyjścia jest pomiar przed-

modernizacyjny, który pozwala m.in. na określenie wielkości strat umożliwiając wybór tych

spośród nich, których obniżenie da najlepszy efekt ekonomiczny. W większości przypadków

najkorzystniejsze jest obniżenie straty wylotowej. Jest ona zwykle największa spośród strat,

chociaż niekiedy (np. przy przejściu z paleniska rusztowego na gazowe lub olejowe) większy

przyrost sprawności kotła daje obniżenie straty paleniskowej. W niektórych przypadkach

opłacalne może być zwiększenie stosunku nadmiaru powietrza w palenisku, które powoduje,

co prawda, wzrost straty wylotowej, ale przy jednoczesnym obniżeniu strat niecałkowitego

i niezupełnego spalania (a więc również emisji CO). Obniżenie tych ostatnich wiąże się ściśle

z problematyką palenisk kotłowych. Pozostałe straty kotła są zwykle niewielkie, a ich

zmniejszenie, nawet jeśli jest możliwe technicznie, nie pozwala na istotne podwyższenie

sprawności.

Zasadniczy wpływ na efekty ekonomiczne modernizacji ma koszt uprawnień do emisji

CO2. Przy cenie 20€/t koszt ten jest zbliżony do kosztu paliwa, a przewidywany wzrost tej

ceny może spowodować, że emisja CO2 będzie od kosztu węgla droższa.

Przykładowe rozwiązania modernizacji kotłów podano w [2 i 3].

8

3. MODERNIZACJA DLA OBNIŻENIA STRATY WYLOTOWEJ

Strumień ciepła tracony przez kocioł w postaci straty wylotowej określa zależność

(2.8). Występujący w tym wzorze strumień masowy spalin wylotowych obliczyć można ze

wzoru

t

powsw

t

sBsw mmmm 1 (3.1)

w którym: sw - stosunek nadmiaru powietrza w spalinach za kotłem, t

sm - teoretyczna ( =1)

ilość spalin, kg/kgB, t

powm - teoretyczna ilość powietrza potrzebnego do spalenia 1 kg paliwa,

kg/kgB.

Z zależności (2.8) i (3.1) wynika, że poprzez modernizację można zmniejszyć dwie

wielkości wpływające na stratę wylotową: temperaturę spalin wylotowych tsw i stosunek

nadmiaru powietrza. Zależność między temperaturą spalin wylotowych a względną stratą

wylotową jest w głównej mierze funkcją stosunku nadmiaru powietrza i rodzaju paliwa.

Wielkość tsw 1%, która zapewnia zmianę straty wylotowej o 1 punkt%, rośnie w miarę

zmniejszania sw - dla typowego węgla kamiennego przy sw = 1,2 wartość tsw 1% 22 K,

natomiast przy sw = 2,0 tsw 1% 14 K. Dla paliw niższej jakości, jak np. drewno lub torf,

względnie gaz wielkopiecowy, wielkość tsw 1% maleje nawet do ok. 10 K. Inaczej jest w

przypadku paliw szlachetnych jak np. olej opałowy, które w dodatku spalane są zwykle przy

małym stosunku nadmiaru powietrza. Wartość tsw 1% może wówczas przekraczać 25 K.

3.1. Obniżenie temperatury spalin wylotowych

Wiele, szczególnie mniejszych i starszych jednostek charakteryzuje się temperaturami

spalin wylotowych sięgającymi ponad 200 oC. Również w dużych kotłach temperatury

w granicach 170180 oC nie należą do rzadkości. Obniżenie temperatury spalin wylotowych

można uzyskać za pomocą następujących przedsięwzięć modernizacyjnych:

rozbudowa (lub przebudowa) konwekcyjnych powierzchni ciśnieniowych,

rozbudowa (lub przebudowa) podgrzewacza powietrza

zastosowanie (lub modyfikacja istniejącego) systemu oczyszczania powierzchni

ogrzewalnych z zanieczyszczeń popiołowych,

zabudowa dodatkowego (niewłączonego w obieg czynnika w kotle) wymiennika ciepła

podgrzewającego np. wodę do celów grzewczych.

Największy efekt daje rozbudowa końcowych powierzchni ogrzewalnych kotła, które

stanowią najczęściej podgrzewacz powietrza i początkowy stopień podgrzewacza wody.

W tym obszarze kotła temperatury spalin są już na tyle niskie, że udział radiacyjnej składowej

współczynnika wnikania ciepła jest pomijalnie mały, a więc modernizacja powinna się

koncentrować na działaniach poprawiających intensywność konwekcyjnej wymiany ciepła.

Strumień ciepła przejętego przez wymiennik określa równanie Pecleta:

Q k H t log (3.2)

Poprzez modernizację można zmieniać wielkości powierzchni ogrzewalnej H oraz

współczynnika przenikania ciepła k, który w ogólnym przypadku (dla powierzchni z rur

gładkich i ożebrowanych) określa formuła:

9

2w

c

mg

c

ożż

c

H

H

d

Dln

H

DH

HH

Hk

21

(3.3)

w której występują stosunki następujących powierzchni jednostkowych [m2/mdługości]:

Ho - powierzchnia rury wolna od żeber, Hc - całkowita powierzchnia zewnętrzna rury, Hg -

powierzchnia zewnętrzna rury gładkiej, Hw - powierzchnia wewnętrzna, Hz - powierzchnia

żeber dla 1m rury.

3.1.1. Modernizacja konwekcyjnych powierzchni ciśnieniowych

Wybór optymalnego rozwiązania wymaga analizy techniczno-ekonomicznej i w

znacznym stopniu uwarunkowany jest stanem modernizowanego kotła i ograniczeniami

lokalizacyjnymi. Niekiedy wystarczający przyrost intensywności wymiany ciepła dają

stosunkowo proste działania, jak np. zastąpienie układu współprądowego przeciwprądowym

lub odgięcie rur w pęczku korytarzowym dla uzyskania układu przestawnego. Najczęściej

jednak konieczne jest rozbudowanie końcowych powierzchni podgrzewacza wody, bądź

dobudowanie podgrzewacza wody w kotłach, które go nie posiadają.

Na ogół konstruktor przy modernizacji ma do dyspozycji stosunkowo mało wolnej

przestrzeni w kanałach spalin, co zmusza do wymiany istniejących powierzchni na nowe, o

większej intensywności wymiany ciepła.

Postać geometryczna kotłowego pęczka konwekcyjnego jest silnie związana z

rodzajem paliwa i warunkami pracy powierzchni. W związku z tym w kotłach mogą znaleźć

zastosowanie jedynie niektóre spośród spotykanych w technice rodzajów wymienników

ciepła. Poniżej omówiono typy wymienników, które bądź już zostały zastosowane w kotłach,

bądź też mogą znaleźć zastosowanie w przyszłości.

Korytarzowe i przestawne pęczki rur gładkich

Układy tego rodzaju - rys. 3.1, znalazły najszersze zastosowanie z uwagi na dobrą

wymianę ciepła i najtańszą technologię wykonania. W niektórych sytuacjach ustępują jednak

wyraźnie pęczkom ożebrowanym zarówno pod względem kosztu przekazywania ciepła jak

i objętości przestrzeni zajętej przez wymiennik.

a) b)

Rys. 3.1 Schemat pęczka rur gładkich

a) układ przestawny b) układ korytarzowy

Korytarzowe i przestawne pęczki rur z ożebrowaniem wzdłużnym

Ożebrowanie wzdłużne może przybierać formę płetw lub membran - rys. 3.2. Pęczki

opłetwowane mogą posiadać żebra albo skierowane zgodnie z kierunkiem przepływu spalin

s2 s2

ws ws

s1 s1

10

albo też pod kątem do tego kierunku (pęczki diagonalne). W tym drugim przypadku możliwe

są 4 warianty montażu pęczka, z których najkorzystniejszy jest układ przedstawiony na

rys. 3.3. Układy diagonalne charakteryzują się intensywniejszą niż w przypadku rur gładkich

wymianą ciepła, jednak zwiększenie współczynnika wnikania ciepła okupione jest znacznym

podwyższeniem oporów przepływu. Zastąpienie pęczka rur gładkich układem diagonalnym

może być szczególnie korzystne w przypadku małych prędkości spalin.

a) b)

Rys. 3.2 Przestawne pęczki rur z ożebrowaniem wzdłużnym

a - układ membranowy b - układ opłetwowany

Rys. 3.3 Schemat pęczka diagonalnego Rys. 3.4 Przekrój rury trójżebrowej

Niedawno pojawiły się rury opłetwowane nowego typu - są to tzw. rury trójżebrowe

[4] - rys. 3.4. Można z nich wykonywać typowe pęczki, bądź też stosować pojedyncze rzędy

rur tego rodzaju jako turbulizatory zwiększające współczynnik wnikania ciepła w położonych

za nimi układach rur gładkich [2, 5].

Odpowiednio zaprojektowane pęczki z rurami diagonalnymi lub trójżebrowymi mają

zdolność do samooczyszczania z osadów popiołu. Ich stosowanie jest jednak ograniczone do

przypadków, kiedy nie występuje erozja popiołowa.

Korytarzowe i przestawne pęczki rur ożebrowanych poprzecznie

Mogą one być wykonywane z następujących rodzajów rur:

stalowych z przyspawanym ożebrowaniem spiralnym lub tarczowym, przy czym,

w zależności od technologii, tarcze te mogą być różnego kształtu - rys.3.5,

s2

s1

h D

h

b

D

s1

s2

b h

s1

s2

b h

D D

11

bimetalicznych, tzn. z ożebrowaniem spiralnym walcowanym z aluminium na wewnętrznej

rurze stalowej - rys. 3.6.

Rys. 3.5 Schematy pęczków z ożebrowaniem poprzecznym

Rys. 3.6 Rura bimetaliczna z żebrami

aluminiowymi

Zaletą pęczków z ożebrowaniem poprzecznym jest nieosiągalny dla układów

z żebrami wzdłużnymi stopień rozwinięcia powierzchni. W przypadku omywania czynnikiem

niezapylonym ten typ powierzchni może być bardzo efektywny. Przy omywaniu spalinami

zawierającymi popiół lotny o dużej skłonności do tworzenia osadów, przydatność układów

tego rodzaju może znacznie zmaleć, ze względu na zatykanie popiołem przestrzeni

międzyżebrowych. Powierzchnie ożebrowane poprzecznie są najbardziej efektywne w

temperaturach nieprzekraczających 500 oC, co wiąże się z silnym pogorszeniem radiacyjnej

wymiany ciepła w porównaniu do układów rur gładkich.

Układy bimetaliczne z żebrami aluminiowymi - rys. 3.6 nie dopuszczają ponadto

temperatur czynnika grzewczego wyższych od ok. 280 oC, co związane jest z dopuszczalną

temperaturą pracy materiału i koniecznością zapewnienia właściwego połączenia obu rur.

Ważną zaletą układów bimetalicznych jest odporność na korozję, stąd znajdują one

zastosowanie na podgrzewacze wody w kotłach instalowanych w liniach technologicznych

produkcji kwasu siarkowego.

Przeprowadzona w pracy [6] ocena przydatności różnych rodzajów powierzchni

rozwiniętych dowodzi, że w obszarze temperatur spalin niższych od 500 oC, powierzchnie

tego typu pozwalają istotnie zmniejszyć koszty przekazywania ciepła oraz umożliwiają

umieszczenie w będącej do dyspozycji objętości kanału znacznie większej powierzchni

ogrzewalnej niż w przypadku zastosowania wymienników z rur gładkich.

Powierzchnie flagowe parownika

Rozbudowa podgrzewacza wody jest ograniczona przez dopuszczalny stopień

odparowania wody w rurach. Szczególnie przy niższych ciśnieniach jest to poważne

ograniczenie, uniemożliwiające nieraz osiągnięcie wymaganej temperatury spalin

s1

s2

s1

s2 D D

Dż

12

wylotowych. Rozwiązaniem jest wówczas przejęcie większej ilości ciepła w parowniku,

obniżające temperaturę spalin przed częścią konwekcyjną kotła.

W kotłach z obiegiem naturalnym konieczne jest takie ukształtowania parownika, aby

nie nastąpiły zakłócenia przepływu w rurach wznoszących. Sprawdzonym rozwiązaniem są w

tym wypadku tzw. rury flagowe - rys. 3.7, z których można tworzyć na wylocie z komory

paleniskowej zwarte pęczki przejmujące znaczną ilość ciepła na drodze konwekcji. Możliwe

jest przy tym stosowanie rur tego rodzaju zarówno w konturach cyrkulacyjnych ze ścian

membranowych, jak i z pojedynczych rur ekranowych. Dla wymuszenia przepływu przez

„flagę” w rurze wznoszącej, między wlotem a wylotem środkowej rurki umieszcza się

częściową przesłonę. Możliwe są także inne rozwiązania [2].

Rys. 3.7 Typowe ukształtowanie rur flagowych [7]

3.1.2. Modernizacja podgrzewacza powietrza

Najłatwiejszym sposobem obniżenia temperatury spalin wylotowych jest zwiększenie

ilości ciepła odebranego w podgrzewaczu powietrza. Spalinowe podgrzewacze powietrza

w kotłach budowane są jako:

regeneracyjne obrotowe podgrzewacze powietrza (ROPP),

podgrzewacze rurowe,

podgrzewacze płytowe.

Konsekwencją modernizacji polegającej na rozbudowaniu podgrzewacza powietrza

jest jednak podniesienie temperatury gorącego powietrza, co może być korzystne w sytuacji,

gdy przed modernizacją występowały trudności z wysuszeniem paliwa w młynach. Na ogół

jednak wzrost temperatury gorącego powietrza podnosząc temperaturę kalorymetryczną

spalania przyczynia się do zwiększenia emisji NOx, co może zastosowanie takiej metody

poprawy sprawności kotła uczynić nieopłacalnym.

W starszych kotłach rozbudowany i mało efektywny podgrzewacz powietrza typu

rekuperacyjnego zajmując dużo miejsca uniemożliwia lub ogranicza rozbudowę

podgrzewacza wody. Wówczas zastosowanie innego podgrzewacza powietrza, o większej

intensywności przekazywania ciepła, może być bardzo korzystne. Rozwiązaniem najbardziej

radykalnym jest usunięcie istniejącego podgrzewacza i zastąpienie go przez ROPP. Jednak w

otoczeniu starszych kotłów na ogół brak jest miejsca na zbudowaniu podgrzewacza

regeneracyjnego, co powoduje, że jedyną możliwość stanowi efektywniejsze wykorzystanie

przestrzeni w kotle, którą zajmuje istniejący podgrzewacz. Szczególnie interesującą

alternatywę stanowią tu rurowe podgrzewacze powietrza o zintensyfikowanej wymianie ciepła

wewnątrz rur.

Zwiększenie intensywności wnikania ciepła na wewnętrznej ściance rur ma sens

w przypadku małych współczynników wnikania (przepływ wewnątrz rur powietrza lub spalin

w podgrzewaczach powietrza lub spalin w płomieniówkach). Pozwala to na zmniejszenie

13

zużycia materiałów konstrukcyjnych, ale pociąga za sobą wzrost liczby oporu, a to powiększa

koszty przetłaczania czynnika przez rury.

Sposoby intensyfikacji wnikania ciepła wewnątrz rur

Szczegółowa ocena efektywności różnych sposobów intensyfikacji wnikania ciepła

w rurach dokonana została w pracy [8]. Wykazano, że efektem rozmaitych zabiegów może

być zmniejszenie gabarytów pęczka w stosunku do pęczka z rur gładkich o nawet 50 %.

Ponadto stwierdzono, że najkorzystniejsze jest zastosowanie lokalnych zwężeń przekroju

przepływowego w postaci naprzemianległych zgniotów lub zwężeń pierścieniowych. Dobre

wyniki otrzymuje się także przy zastosowaniu wkładek zawirowujących, charakteryzujących

się jednak większym wpływem na opory przepływu czynnika.

W praktyce najczęściej stosowane są następujące rozwiązania:

naprzemianległe zgnioty - rys. 3.8a

zwężenia pierścieniowe - rys. 3.8b,

wkładki wewnątrzrurowe - rys. 3.8c.

Rys. 3.8 Rozmaite sposoby intensyfikacji

wymiany ciepła w rurach

Wzrost ilości ciepła przekazywanego w ROPP

Regeneracyjne obrotowe podgrzewacze powietrza są stosowane powszechnie

w kotłach energetycznych i ciepłowniczych dużej mocy. Ostatnio obserwuje się przyspieszony

rozwój konstrukcji tego typu wymienników, szczególnie w zakresie podniesienia szczelności,

związany z potrzebami kotłów z cyrkulacyjną warstwą fluidalną. Modernizacje, których celem

jest obniżenie tsw, polegają na:

zwiększeniu powierzchni ogrzewalnej poprzez podniesienie wysokości podgrzewacza,

wymianie wypełnień na bardziej efektywne.

Pierwszy z podanych sposobów pozwala wyraźnie zwiększyć powierzchnię wymiany

ciepła, jednak wymaga nie tylko zabudowania dodatkowych pakietów wypełnień, lecz także

wymiany wielu elementów części statycznej ROPP, co podnosi koszty.

Stałe poszukiwanie wypełnień o zwiększonej intensywności wnikania ciepła

doprowadziło do powstania powierzchni bardziej efektywnych, którymi można zastępować

istniejące pakiety zarówno na gorącym jak i zimnym końcu podczas remontu podgrzewacza.

Dla doboru najkorzystniejszego rodzaju elementów grzewczych ROPP należy wziąć

pod uwagę nie tylko możliwe do uzyskania współczynniki wnikania ciepła, lecz także opory

przepływu, ciężar, skłonność do ulegania zanieczyszczaniu osadami popiołu lotnego oraz to,

b)

c)

a)

14

w jakim stopniu osady te można usunąć za pomocą będących do dyspozycji technik

czyszczenia.

3.1.3. Zastosowanie systemu oczyszczania powierzchni ogrzewalnych z zanieczyszczeń

popiołowych

W kotłach, których spaliny zawierają popiół lotny, następuje zanieczyszczenie

powierzchni konwekcyjnych prowadzące do pogorszenia ekonomiczności pracy urządzenia.

Powstanie osadów powoduje:

obniżenie sprawności kotła na skutek wzrostu temperatury spalin wylotowych,

obniżenie sprawności bloku energetycznego na skutek spadku temperatur pary poniżej

wartości nominalnych,

obniżenie sprawności odpylania w elektrofiltrze w wyniku wzrostu temperatury

i strumienia objętościowego spalin na dolocie,

wzrost zużycia energii na przetłaczanie spalin przez kocioł,

wzrost emisji CO2 w przeliczeniu na jednostkę ciepła użytecznego.

W niektórych przypadkach osady popiołowe osiągają taką wielkość, że konieczne staje

się odstawienie kotła w celu oczyszczenia powierzchni ogrzewalnych i kanałów spalin.

Wszystkie te zjawiska powodują wzrost kosztów eksploatacji kotła. Zastosowanie urządzeń

oczyszczających (zdmuchiwaczy) pozwala na ograniczenie rozmiarów osadów prowadzące do

zmniejszenia kosztów eksploatacji kotła, jednak modernizacja tego rodzaju wymaga

poniesienia nakładów na zabudowę i eksploatację zdmuchiwaczy oraz na zwiększone zużycie

oczyszczanej powierzchni na skutek erozji i dodatkowych naprężeń.

Dla poprawy sprawności kotła istotne znaczenie ma usunięcie osadów popiołowych

zalegających na powierzchniach konwekcyjnych. Osady te często mają duże rozmiary, a ich

wpływ na sprawność kotła, na skutek niskiego współczynnika przewodzenia ciepła jest

znaczący. Jeżeli osady mają charakter sypki to ich usunięcie, zarówno poprzez zdmuchiwanie

parą jak i metodami akustycznymi jest w znacznym stopniu możliwe.

Zabudowa systemu oczyszczania i jego późniejsza eksploatacja pociąga za sobą nieraz

znaczne koszty. Stąd zarówno konstrukcja jak i eksploatacja powinny być optymalizowane

w oparciu o kryteria ekonomiczne.

3.1.4. Zabudowa dodatkowego (niewłączonego w obieg czynnika w kotle) wymiennika

ciepła

Jeżeli w zakładzie istnieje stałe zapotrzebowanie na czynnik o temperaturze wyższej

od temperatury otoczenia, to w celu podgrzania go można wykorzystać ciepło spalin

wylotowych z kotła. Może to być np. woda do celów grzewczych lub technologicznych.

Zastosowanie układów tego rodzaju może jednak być dość trudne. Temperatura wody

dodatkowej musi być stosunkowo niska, aby rozmiary wymiennika pozwalały na jego

zabudowanie w pobliżu kotła. W takiej sytuacji temperatury ścianki takiego wymiennika

również są niskie, co grozi przekroczeniem punktu rosy, a więc korozją i silnym

zanieczyszczeniem powierzchni ogrzewalnej. Narzuca to konieczność stosowania materiałów

odpornych na korozję (nawet tworzyw sztucznych), a to podnosi koszty.

3.1.5. Obniżenie temperatury wody zasilającej w podgrzewaczu powietrza

W kotłach rusztowych stosuje się niekiedy ciekawe rozwiązanie, w którym woda zza

odgazowywacza oddaje ciepłu powietrzu podmuchowemu, dzięki czemu podgrzewacz wody

15

umieszczony jako ostatnia powierzchnia (na drodze spalin) lepiej schładza spaliny, dając

mniejszą stratę wylotową.

Nietypowy podgrzewacz powietrza ma stosukowo małe wymiary i praktycznie nie

ulega zanieczyszczeniu i korozji.

3.1.6. Dobór minimalnej temperatury spalin wylotowych

Zasadniczym ograniczeniem tsw w kotle jest niedopuszczenie do wystąpienia rosienia

spalin. Stąd konieczność pomiarowego wyznaczenia punktu rosy tr dla warunków

modernizowanego kotła, co jest dokonywane za pomocą tzw. czujników przewodnościowych

[2]. Wartość tsw musi być tak dobrana, aby w krytycznych punktach układu spalinowego nie

doszło do obniżenia temperatur spalin i temperatur ścianek elementów instalacji poniżej

wartości dopuszczalnych dla tych miejsc. Najważniejszy wpływ na dobór temperatury spalin

wylotowych ma budowa końcowych powierzchni ogrzewalnych kotła oraz struktura

umieszczonego za kotłem ciągu spalinowego.

Obliczenia prowadzą do wniosku, że układ i wielkość powierzchni ogrzewalnych

kotła, odpowiadające wariantowi o optymalnej z ekonomicznego punktu widzenia tsw, istotnie

zależy od występujących w analizowanym przypadku stosunków cen paliwa i materiałów

konstrukcyjnych oraz w mniejszym stopniu cen energii. Ważne jest także, czy rozpatruje się

modernizację istniejącego kotła, czy też projekt kotła nowo budowanego. Jeżeli koszty paliwa

są relatywnie wysokie, zakres opłacalnych zmian prowadzących do obniżenia tsw znacznie się

rozszerza. Analogiczny wpływ ma tu podwyższanie kosztu uprawnień do emisji CO2.

Należy zwrócić uwagę, że starsze dane na temat kwasowego punktu rosy mogą być już

nieaktualne ze względu na powszechne stosowanie w kotłach niskoemisyjnych sposobów

spalania, które wymagają obniżenia stosunku nadmiaru powietrza w palenisku. Znaczny

nieraz niedobór O2 w obszarze spalania oraz późniejsze doprowadzenie stosunkowo małych

ilości powietrza dla dopalenia paliwa (np. poprzez dysze OFA) powinny prowadzić do

zmniejszenia stosunku SO3 do SO2 w spalinach. W przypadku kotłów węglowych następuje

ponadto samoodsiarczenie spalin na alkalicznych składnikach popiołu (Ca, Mg, Na, K), zaś

udział usuniętego w ten sposób SO3 jest znacznie większy niż względny ubytek SO2.

Znaczący wpływ na korozję niskotemperaturową oraz zanieczyszczanie powierzchni

ogrzewalnych popiołem ma współspalanie biomasy. Rodzaj współspalanej biomasy może

zarówno zmniejszać zagrożenie korozją (w przypadku większości biomas roślinnych o niskiej

zawartości siarki), lub zwiększać (np. przy spalaniu wilgotnego drewna). Badania wykazały,

że dodatek wilgotnej biomasy wyraźnie podwyższa poziom wodnego punktu rosy twr

w stosunku do wartości obserwowanych przy spalaniu samego węgla.

3.1.7. Rozkłady temperatur spalin na odcinku od kotła do wylotu komina

Budowa końcowych powierzchni ogrzewalnych kotła oraz struktura umieszczonego za

kotłem ciągu spalinowego ma zasadniczy wpływ na dobór temperatury spalin wylotowych,

rozumianej jako temperatura za ostatnią powierzchnią ogrzewalną. Temperatura ta musi być

tak dobrana, aby w krytycznych punktach układu spalinowego nie doszło do obniżenia

temperatur spalin i temperatur ścianek elementów instalacji poniżej wartości dopuszczalnych

dla tych miejsc.

Typowy schemat niskotemperaturowej części ciągu spalinowego za kotłem

przedstawiono na rys. 3.9. Układ zawiera instalację odsiarczania spalin (IOS), z która często

związane są wymienniki ciepła ochładzające spaliny przed instalacją i podgrzewające je za

nią. Czasem do podgrzewania spalin za mokrą IOS wykorzystuje się gorące powietrze

podgrzewane w podgrzewaczach kotłowych.

16

Rys. 3.9 Schemat niskotemperaturowej części ciągu spalinowego za kotłem energetycznym

ROPP - regeneracyjny obrotowy podgrzewacz powietrza

RC - podgrzewacz powietrza z rur cieplnych

EF - elektrofiltr

* - brak w przypadku wyprowadzenia spalin przez chłodnię kominową

Rozkłady temperatury w odpylaczach kotłowych

Elektrofiltr

Pomiary przeprowadzone w kilku elektrowniach wykazały, że spadek temperatury

spalin w elektrofiltrze wynosi około 3 do 15 K. Jeżeli stan izolacji termicznej elektrofiltra jest

dobry, to zagrożenie korozją siarkową jest niewielkie, ponieważ poziom temperatur spalin na

jego dopływie narzucony przez wymagania podgrzewaczy powietrza jest wystarczająco

wysoki. Stąd jedyne źródło korozji mogą w elektrofiltrze stanowić nieszczelności, przez które

dopływa z zewnątrz zimne powietrze, schładzające lokalnie spaliny poniżej punktu rosy.

Niekiedy producenci elektrofiltrów podają najniższe dopuszczalne temperatury spalin na

dopływie do urządzenia, co stanowi jedno z ograniczeń dla doboru temperatury spalin

opuszczających kocioł.

Filtr tkaninowy

Odpylacz tkaninowy może bezpiecznie pracować tylko w przedziale temperatur

określonym przez producenta. Od góry dolotowa temperatura spalin jest ograniczona przez

dopuszczalną temperaturę pracy materiału worków, od dołu zaś przez punkt rosy spalin na

wylocie z instalacji odpylania, narzucający minimalną temperaturę dolotową. W efekcie

przedział temperatur spalin dopływających do filtra jest stosunkowo wąski. Np. dla filtra

pracującego w instalacji półsuchego odsiarczania spalin typu NID w El. Łaziska wynosi on od

118 do 128 oC z ograniczonymi czasowo możliwościami przekroczenia do 112 i 135

oC.

Dla węgla o zawartości siarki rzędu 1 % temperatury spalin za odpylaczem tego

rodzaju są w granicach 85 90 oC, a nawet niższe. Układ taki wymaga jednak komina

zabezpieczonego antykorozyjnie.

Wentylatory ciągu

Wentylatory spalin są jedynymi (poza specjalnie zabudowywanymi podgrzewaczami

spalin) urządzeniami, w których następuje przyrost temperatury spalin. Wielkość tego

przyrostu jest zależna od spiętrzenia ciśnienia i strat wentylatora i wynosi ok. 2 - 10 K.

17

Wpływ układu odsiarczania spalin na rozkład temperatur – systemy odzysku ciepła

W mokrej IOS, na skutek nasycenia spalin wodą w płuczce, następuje schłodzenie

spalin do ok. 50 70 oC. W trakcie tego procesu odparowuje więcej wody niż sam proces

odsiarczania zużywa w postaci wody dodatkowej służącej do zraszania elementów czynnych

instalacji. Stąd dla zmniejszenia zużycia wody dodatkowej korzystne jest schłodzenie spalin

przed IOS do ok. 85 oC dla kotłów na węgiel kamienny i ok. 120

oC dla opalanych węglem

brunatnym. Na ogół przyjmuje się optymalną wilgotność względną spalin na poziomie 15 %.

Podane temperatury są niższe od temperatur spalin wylotowych za podgrzewaczem powietrza,

w związku z czym do dyspozycji pozostaje nadająca się do wykorzystania różnica entalpii

spalin. Można ją zużyć na ponowne podgrzanie spalin przed kominem lub też (jeżeli spaliny z

IOS odprowadzane są do chłodni kominowej) do podgrzania jakiegoś medium, dla

zwiększenia sprawności bloku. Istnieją dwa podstawowe sposoby wykorzystania energii

spalin wylotowych- rys. 3.10 i 3.11. Pierwszy, bezpośredni, w którym strumień energii

odebrany od spalin przekazany jest do podgrzania kondensatu, sieciowej wody centralnego

ogrzewania lub podgrzewania regeneracyjnego wody zasilającej niskiego ciśnienia. Sposób

pośredni jest bardziej złożony i polega na podgrzaniu wstępnym powietrza (za pomocą

podgrzewacza wodnego) odciążającym kotłowy podgrzewacz powietrza, co powoduje wzrost

temperatury spalin wylotowych, wykorzystywany do podgrzania kondensatu, lub podgrzania

niskociśnieniowego wody zasilającej.

W przypadku systemu bezpośredniego (rys. 3.10) wykorzystuje się spaliny wylotowe

do podgrzewania kondensatu, który na ogół przepływa przez kilka podgrzewaczy

regeneracyjnych niskiego ciśnienia. Schładzacz spalin połączony jest po stronie wodnej z

wymiennikiem ciepła (podgrzewaczem wody) włączonym w rurociągu obejściowym systemu

podgrzewania kondensatu. W przykładowych obliczeniach dla warunków podanych w [9]

podgrzewacz ten jest w stanie ogrzewać kondensat od temperatur t1 = 86/54 C (węgiel

brunatny/kamienny) do temperatur t2 = 125/90 C).

ts1 ts2

IOS

do chłodni

kominow ej

t1t2

Układ regeneracji ciepła

Odgazow yw acz

Rys. 3.10 Bezpośrednie wykorzystanie energii odpadowej spalin w kotle z instalacją

odsiarczania mokrego do podgrzewania kondensatu głównego

(odprowadzenie spalin przez chłodnię kominową)

18

Podgrzewanie kondensatu ciepłem odebranym od spalin oznacza wyłączenie z pracy

bocznikowanego podgrzewacza regeneracyjnego poprzez zamknięcie dopływu pary grzejnej z

upustu turbiny. Przy niezmiennej mocy elektrycznej turbozespołu oznacza to możliwość

zmniejszenia ilości pary wytwarzanej w kotle. Regulacja wymaganej najniższej temperatury

spalin przed IOS następuje przez otwarcie wodnego przewodu obejściowego łączącego

przewody między schładzaczem i podgrzewaczem. Przy długich odcinkach przewodów

łączących oba wymienniki występuje duża inercja cieplna, co wymaga zastosowania bardzo

sprawnych układów regulacji.

System pośredni wykorzystania ciepła od spalin pokazany jest na rys. 3.11. Może być

realizowany wielowariantowo i umożliwia wykorzystanie ciepła spalin o wyższym poziomie

temperaturowym. Wspólnym we wszystkich wariantach jest podgrzewanie powietrza we

wstępnym podgrzewaczu powietrza (przed wlotem do podgrzewacza kotłowego). Dzięki temu

zmniejsza się udział ciepła przejmowanego w kotłowym podgrzewaczu powietrza. System

zakłada istnienie kanału obejściowego o dużym przekroju po stronie spalinowej zasadniczego

podgrzewacza powietrza dla utrzymywania optymalnej ich temperatury. W kanale

umieszczone są powierzchnie wymiany ciepła podgrzewacza wody i kondensatu. System

pośredni charakteryzuje się tym, że za wentylatorem spalin, a przed absorberem IOS znajduje

się schładzacz spalin schładzający spaliny od temperatury ts3 = 180/130 C (węgiel

brunatny/kamienny) do ts4 = 120/85 oC (węgiel brunatny/kamienny).

ROPP

IOSSchładzacz spalin

Wenty lator spalinElektrofiltr

Podgrzewacz wody

Podgrzewacz kondensatu

Pompa obiegowa

Wenty lator powietrza

Przepustnica

t

t

t tt

t

t

p1

p2

p3

s1

s2 s3 s4

Do chłodni kominowej

Rys. 3.53 Pośrednie wykorzystanie energii odpadowej spalin w kotle z instalacją odsiarczania

mokrego do podgrzewania wstępnego powietrza oraz podgrzewania wody zasilającej

i kondensatu (odprowadzenie spalin przez chłodnię kominową)

Schładzacz jest połączony po stronie wodnej z podgrzewaczem wstępnym powietrza

podgrzewającym powietrze od temperatury tp1 = 40 C do tp2 = 140/95 C (węgiel

kamienny/brunatny). Podgrzane powietrze o tej temperaturze płynie do podgrzewacza

kotłowego, gdzie podgrzewa się do temperatury tp3 = 290/340 C (węgiel brunatny/kamienny).

Dla utrzymania optymalnej temperatury spalin za kotłowym podgrzewaczem

powietrza istnieje konieczność zastosowania odpowiednio dużego kanału obejściowego, w

którym umieszcza się podgrzewacz wody zasilającej i podgrzewacz kondensatu, jako

odbiorniki ciepła. Spaliny przed kotłowym podgrzewaczem powietrza mają temperaturę

19

ts1 = 330/380 C i w pewnych warunkach eksploatacyjnych, po otwarciu klapy, przez układ

regulacji stabilizujący temperaturę spalin za podgrzewaczem powietrza, mogą wpłynąć do

kanału obejściowego, gdzie oddają ciepło wodzie zasilającej i/lub podgrzewaczowi

kondensatu. Po wyjściu z niego mieszają się ze spalinami płynącymi przez podgrzewacz

powietrza, o temperaturze ts2 = 170/120 C. Powyższy układ zapewnia dobrą stabilność

temperatury spalin.

W mokrych IOS spotyka się rekuperacyjne lub regeneracyjne wymienniki ciepła do

schładzania i podgrzewania spalin. Wymienniki rekuperacyjne można stosować zarówno w

układach z wyprowadzeniem spalin do komina (do schłodzenia spalin przed instalacją

odsiarczania, jak również do ich ponownego podgrzania za nią) jak i przy zastąpieniu komina

chłodnią kominową (nie jest wówczas potrzebny podgrzewacz spalin). Regeneracyjne

wymienniki obrotowe (REGAVO) stosuje się najczęściej w układach z kominem, ponieważ

stosunkowo łatwo można w nich zrealizować przekazywanie ciepła od gorących do zimnych

spalin.

Wymienniki ciepła w układach odsiarczania muszą być wykonywane jako odporne na

korozję, często z tworzyw sztucznych. W przypadku, gdy niskotemperaturowa część ciągu

spalinowego za kotłem zawiera schładzacz spalin, który pozwala na obniżenie ich temperatury

do poziomu niedostępnego dla konwencjonalnych podgrzewaczy powietrza, problem

zapewnienia możliwie najniższej wartości tsw traci na znaczeniu. Można wówczas, bez szkody

dla sprawności bloku, przyjmować na tyle wysoką temperaturę spalin za kotłowym

podgrzewaczem powietrza, aby nie występowały zagrożenia związane z przekroczeniem

punktu rosy w jego elementach odpowiednio duża wartość nadwyżki temperatury ścianek

ponad temperaturę punktu rosy tb) nawet przy braku wstępnych podgrzewaczy parowych czy

też konieczności stosowania innych sposobów ochrony przed ww. zagrożeniem (np.

recyrkulacja powietrza).

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

pośrednie wykorzystanie energii spalin

węgiel kamienny

węgiel brunatny

pośrednie wykorzystanie energii spalin

bezpośrednie wykorzystanie energii spalin

bezpośrednie wykorzystanie energii spalin

16,7 MPa

538/538 oC25,0 MPa

540/560 oC

27,0 MPa

585/600 oC

35,0 MPa

700/720 oC

wzro

st

sp

raw

no

ści n

ett

o w

pu

nkta

ch

pro

ce

nto

wych

, %

parametry bloku

Rys. 3.12 Przyrost sprawności w funkcji parametrów bloków

oraz sposobu wykorzystania energii cieplnej spalin

20

Zgodnie z obliczeniami podanymi w [9] - rys. 3.12, w elektrowni opalanej węglem

kamiennym w wariancie z bezpośrednim wykorzystaniem energii spalin wylotowych uzyskuje

się 0,25 punktów % i 0,6 0,7 p. % w wariancie pośrednim. W przypadku elektrowni na

węgiel brunatny osiąga się oczywiście większy przyrost sprawności, tzn. 0,7 p.% w przypadku

systemu bezpośredniego i 1,45 1,6% p.% dla systemu pośredniego. W przypadku „wysokich

parametrów” bloku widać wpływ wysokiej temperatury wody zasilającej osiąganej też

kosztem ciepła spalin i zmniejszenia strumienia pary. Należy zauważyć, że na obniżenie

zysków netto mają wpływ wyższe spiętrzenia ciśnienia wentylatorów ciągu i podmuchu, w

związku z koniecznością przetłaczania spalin i powietrza przez dodatkowe wymienniki.

W półsuchych IOS (np. NID) minimalne temperatury spalin na dopływie do instalacji

kształtują się na poziomie 110 120 oC, a więc są wyższe niż w instalacjach mokrego

odsiarczania. W efekcie spada opłacalność ewentualnego dodatkowego wymiennika ciepła

schładzającego spaliny przed dopływem do IOS.

System odzysku ciepła nie musi być związany tylko z IOS. Wszędzie, gdzie ciąg

spalinowy kończy się mokrym kominem lub chłodnią kominową możliwe jest zastosowanie

odzysku ciepła spalin. Przykładem może tu być pokazać układ POWERISE zastosowany w

fluidyzacyjnym kotle nadkrytycznym PKE El. Łagisza [10] (rys. 3.13). Układy tego rodzaju

pozwalają uzyskać sprawność kotła (który w tym momencie bilansowo kończy się za

schładzaczem spalin) wyższą od 95 % i odpowiednio niską emisję CO2. Odzyskane ciepło

służy do wstępnego podgrzewania powietrza i kondensatu.

Rys. 3.13 Schemat i podstawowe parametry układu odzysku ciepła spalin

w kotle nadkrytycznym PKE El. Łagisza - dane wg [10]

Komin

Temperatury spalin na dopływie do komina tkom 1 i wypływie z niego tkom 2 są istotnymi

warunkami wyjściowymi dla projektowania instalacji spalinowej kotła. Są one silnie

uzależnione od konstrukcji komina i na ogół podawane przez jego dostawcę. W niemieckich

przepisach (Großfeuerungsanlagenverordnung) podano wymaganie, że minimalna temperatura

spalin opuszczających komin musi być wyższa od 72 oC. Z danych pomiarowych wynika, że

spadki temperatur wzdłuż długości betonowych lub ceglanych kominów występujących w

energetyce zawodowej wynoszą około 0,7 - 3 K/100 m. W związku z tym dla komina o

wysokości 200 m temperatura dolotowa nie powinna spadać (również przy niskim obciążeniu)

21

poniżej ok. 74 - 78 oC. W kraju na ogół temperatury te są podawane na znacznie wyższym

poziomie, w granicach tkom 1 = 120 - 130 oC. Tylko dla kominów zabezpieczonych

antykorozyjnie na całej długości dopuszcza się niższe temperatury, na poziomie

tkom 1=8090 oC.

Projektując modernizację, której efektem jest znaczne obniżenie temperatury tkom 1,

trzeba pamiętać o związanym z tym zmniejszeniu wyporu naturalnego w kominie.

3.2. Obniżenie stosunku nadmiaru powietrza w kotle

Zmniejszenie zbyt wysokiego stosunku nadmiaru powietrza w spalinach kotłowych

prowadzi w pierwszym rzędzie do obniżenia straty wylotowej, ale jest też korzystne z wielu

innych względów. Cel ten można uzyskać dwiema drogami: poprzez zmniejszenie przyssań

fałszywego powietrza i przez taką modyfikację układu paleniskowego, aby możliwe było

prowadzenie procesu spalania przy niższym stosunku nadmiaru powietrza w palenisku.

3.2.1. Ograniczenie przyssań powietrza do komory paleniskowej i ciągu konwekcyjnego

Nieszczelności powodujące przyssanie zimnego powietrza z otoczenia mogą być

powodem bardzo znacznego pogorszenia sprawności kotła, ponieważ prowadzą zarówno do

zwiększenia strumienia spalin jak i do podniesienia temperatury spalin wylotowych.

Szczególnie niekorzystne są przyssania do komory paleniskowej. Ponieważ na ogół kocioł

prowadzony jest przy zachowaniu wymaganego stosunku nadmiaru powietrza na wylocie z

paleniska, to z bilansu powietrza w komorze wynika konieczność zmniejszenia ilości

podgrzewanego powietrza przy wzroście strumienia przyssań. W efekcie maleje ilość

czynnika schładzającego spaliny w kotłowych podgrzewaczach powietrza, a temperatura

spalin wylotowych rośnie. Sytuacja ulega dalszemu pogorszeniu na skutek schłodzenia

dosysanym powietrzem spalin w ciągu konwekcyjnym, co prowadzi do znacznego nieraz

zmniejszenia logarytmicznej różnicy temperatur w kotłowych wymiennikach ciepła.

Dodatkowy negatywny efekt przyssań stanowi wzrost kosztów przetłaczania czynników przez

wentylatory spalin i powietrza.

Przyssania fałszywego powietrza można zmniejszyć poprzez następujące działania

modernizacyjne:

doszczelnienie komory paleniskowej,

doszczelnienie ciągu konwekcyjnego w obszarze powierzchni ciśnieniowych i jeśli to

możliwe, zmniejszenie powierzchni ścian,

poprawienie szczelności podgrzewaczy powietrza usytuowanych w ciągu konwekcyjnym.

W starszych kotłach, które nie mają ścian membranowych, zastosowanie takich

ekranów radykalnie poprawia sytuację, prawie całkowicie eliminując większość źródeł

przyssań powietrza z otoczenia. Tego rodzaju modernizacja jest jednak kosztowna, chociaż

biorąc pod uwagę, że w jej wyniku znacznie ułatwia się wprowadzenie pierwotnych metod

redukcji NOx, może być opłacalna. Warunkiem jest, aby przewidywany okres pracy kotła po

modernizacji był odpowiednio długi. Jeżeli zastosowanie ścian szczelnych nie wchodzi w

rachubę, należy dokładnie doszczelnić ściany paleniska, zwracając największą uwagę na

włazy, otwory zdmuchiwaczy, skrzynię palnikową i lej żużlowy. Szczególnie ważne jest

szczelne zamknięcie leja żużlowego, który w wielu kotłach stanowi źródło największych

przyssań.

22

Modernizując stare kotły można czasem uzyskać duże zmniejszenie przyssań

(i dodatkowo straty rozproszenia) poprzez całkowitą przebudowę ciągu konwekcyjnego, który

bywał zaopatrywany w bardzo nieraz rozbudowane kanały obejściowe. Zastępując taki ciąg

konwekcyjny wykonany w tradycyjnej, ciężkiej wymurówce, nowoczesną konstrukcją z lekką

izolacją i blaszanym opancerzeniem, można uzyskać wyraźny wzrost sprawności kotła.

3.2.2. Ograniczenie przyssań powietrza w podgrzewaczach powietrza

Ważnym problemem jest ograniczenie przecieków powietrza do spalin

w podgrzewaczach powietrza. Znaczna różnica ciśnień obu czynników (spalin i powietrza)

powoduje, że strumień przecieku może być duży. W podgrzewaczach rurowych źródłem

przyssań są nieszczelności wynikające z uszkodzeń rur i ścian sitowych (erozja popiołowa,

rozszczelnienie spoin i zawalcowań). Powodem uszkodzeń może być złe zaprojektowanie

podgrzewacza, niepozwalające na prawidłową kompensację dylatacji rur.

W ROPP pewien przeciek powietrza do spalin jest nieunikniony, ale nowoczesne

uszczelnienia pozwalają na jego znaczne zmniejszenie w stosunku do starszych rozwiązań.

4. OGRANICZENIE NIERÓWNOMIERNOŚCI TEMPERATUR

METALU W PRZEGRZEWACZACH PARY

Warunkiem uzyskania wysokiej sprawności obiegu jest stosowanie jak najwyższych

ciśnień i temperatur pary. Dlatego osiągalne sprawności zależą w głównej mierze od

postępów inżynierii materiałowej, których efektem są stopy o coraz wyższych dopuszczalnych

parametrach pracy. Biorąc pod uwagę, że kotły energetyczne, a szczególnie kotły na

parametry nadkrytyczne, na ogół charakteryzują się dużymi wymiarami, szczególnego

znaczenia nabiera kwestia rozrzutów temperatur poszczególnych rur przegrzewaczy pary przy

utrzymywaniu wysokich wartości średnich temperatur pary za stopniami. W tej sytuacji

konieczne się staje opracowanie odpowiednich układów pomiaru temperatur metalu, tak aby

nie następowało przekraczanie wartości dopuszczalnych ze względu na pełzanie. Należy przy

tym wziąć pod uwagę, że im większe lokalne przekroczenia temperatur metalu w stosunku do

wartości średniej, tym mniejszy staje się efekt wprowadzenia niezwykle drogich nowych

materiałów. Jeżeli przy tym ciągła diagnostyka wężownic przegrzewacza nie jest właściwie

zaprojektowana, pojawia się ryzyko wystąpienia lokalnych przekroczeń temperatur

dopuszczalnych dla materiału, prowadzące do awarii. Z wymienionych względów dla

prawidłowego zaprojektowania przegrzewaczy pary w kotłach o wysokich parametrach

czynnika roboczego konieczne są:

wybór optymalnej pod względem cieplno przepływowym postaci geometrycznej kotła

(sylwetka wieżowa, lub inna),

staranna analiza rozwiązań konstrukcyjnych poszczególnych stopni przegrzewaczy, dla

zmniejszenia zróżnicowania obciążeń cieplnych poszczególnych wężownic oraz

temperatur pary na ich wylocie,

zaprojektowanie systemu odpowiednio zlokalizowanych punktów pomiaru temperatur

metalu elementów przegrzewacza, powiązanego z układem regulacji temperatury pary.

Pierwsze dwa z powyższych punktów umożliwiają zbliżenie średniej temperatury pary

za stopniami przegrzewaczy do dopuszczalnych temperatur pracy materiałów (a więc pozwala

w maksymalnym stopniu wykorzystać potencjał podwyższania sprawności bloku), trzeci

natomiast nie dopuszcza do wystąpienia niebezpiecznych przekroczeń temperatury w

zmiennych warunkach pracy kotła. Jednocześnie system diagnostyczny umożliwia ewentualną

korektę rozwiązań konstrukcyjnych przegrzewacza.

23

Mimo, że niektóre firmy wybierają nadal dwuciągowe sylwetki kotłów, korzystniejsze

dla wielkich jednostek są konstrukcje wieżowe, zapewniające najbardziej jednorodne pola

temperatur i stężeń składników spalin na dopływie do przegrzewaczy.

Rys. 3.14 Schemat kotła BP 1150 (układ wieżowy) i OP 230 (układ )

P1b

P3

M2

M1

ECO

P4

24

LITERATURA

[1] PN-EN 12952-15:2004 „Kotły wodnorurowe i urządzenia pomocnicze - część 15:

Badania odbiorcze”. PKN, Warszawa.

[2] Pronobis M.: Modernizacja kotłów energetycznych. WNT Warszawa 2002.

[3] Gramatyka F.: Źródła ciepła - możliwości i kierunki modernizacji. Seminarium nt.

Modernizacja systemów ciepłowniczych. Izba Gospodarcza Ciepłownictwo Polskie

w Warszawie, Lublin, 24 lutego 2004 r.

[4] Wejkowski R.: Badania wybranych układów rur ożebrowanych dla określenia ich

przydatności w technice kotłowej. Praca doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice

2004.

[5] Pronobis M.: Nowe rozwiązania konstrukcyjne powierzchni konwekcyjnych w

kotłach energetycznych. Konferencja „Nowoczesne technologie spalania węgla i paliw

odpadowych” Szczyrk, listopad 2008 r.

[6] Pronobis M.: Wymiana ciepła w zanieczyszczonych powierzchniach konwekcyjnych

kotłów. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria: Energetyka z.115, Gliwice

1992.

[7] Zobek Z.: Efekty zastosowań innowacyjnych powierzchni ogrzewalnych w kotłach

przemysłowych. I Sympozjum „Kotłownie przemysłowe przyjazne dla środowiska”.

Gostyń, 1997.

[8] Potoczna J., Kalisz S., Pronobis M.: Ocena sprawności oraz efektywności pracy kotła

płomienicowo-płomieniówkowego przy zastosowaniu intensyfikacji wnikania w

płomieniówkach. VIII Konferencja Kotłowa’98. Pol. Śląska, IMiUE. Prace Naukowe,

Monografie, Konferencje z.2, tom 3. Gliwice 1998.

[9] Bauer G., Lankes F.: Erhöhung des Blockwirkungsgrades durch verbesserte

Abgaswärmenutzung. VGB Kraftwerkstechnik 77 (1997), H. 5.

[10] Adamczyk F.: Integration of a POWERISE Flue Gas Heat Recovery System in the

Worldwide Largest Fluidised Bed Boiler Lagisza 460 MW Efficiency Increase and

CO2 Reduction. VGB PowerTech 12/2008.