Param etry projektow e i eksploatacyjne kotła odzyskowego

Do najważniejszych parametrów projektowych i eksploatacyjnych kotła odzyskowego należą:

• wartość przewężenia temperaturowego ATmin (inaczej punkt krytyczny kotła;

ang. boiler pinch point - BPP),

• niedogrzanie wody na wlocie do walczaka (ang. approach temperaturę - AT).

• przeciwciśnienie turbiny gazowej (ang. gas turbinę backpressure),

• temperatura wylotowa spalin z kotła tf°m.

Wartość minimalnej różnicy temperatur ATmin między tem peraturą spalin za parowaczem a temperaturą nasycenia w walczaku (rys. 4.2) ma największy wpływ na sprawność kotła i wielkość powierzchni ogrzewalnych. Im mniejsze ATmin (oraz im mniejsze ciśnienie w parowaczu), tym większa wydajność i sprawność kotła, ale i tym większa powierzchnia parowacza i większe nakłady inwestycyjne na kocioł. Konsekwencją nadmiernego zmniejszania wartości ATmin może być również niestabilna praca kotła z uwagi na jego większą wówczas wrażliwość na zmiany temperatury spalin wylotowych z turbiny gazowej. Obecnie przyjmuje się, że wartości przewężenia temperaturowego, uzasadnione eksploatacyjnie i ekonomicznie, dla kotłów bez dopalania (ang.

unifiring) wynoszą ATmin = 6 -0 0 K (wszystkie dane projektowe i eksploatacyjne w tym podrozdziale podano za [57]), a dla kotłów z dopalaniem (ang. supplementary firing) ATmin = 10+20 K. Zwiększona wartość ATmm w kotłach z dopalaniem ma przeciwdziałać niestabilnej pracy kotła związanej ze zmianą temperatury spalin w wyniku zmiany wielkości dopalania (i tym samym zmiany wydajności kotła). Na skutek zmiany dopalania temperatura spalin może zmieniać się od 0 (przy zerowym dopaleniu) do ok. 400 K powyżej temperatury spalin wylotowych z turbiny gazowej. Dopalanie jest konieczne (podrozdział 3.1.), gdy np. wymagana jest praca kotła ze zmienną wydajnością

(ze względów termodynamicznych dopalanie jest jednak niekorzystne, jest źródłem znacznych strat egzergii w kotle). Turbina gazowa pracuje efektywnie energetycznie i ekonomicznie tylko przy znamionowym obciążeniu, dlatego regulacja obciążenia kotła poprzez zmianę obciążenia turbiny jest nieopłacalna [8], Skutecznym rozwiązaniem jest wówczas zastosowanie palników dopalających. Dopalanie pozwala zwiększyć wydajność kotła trzy-, a nawet czterokrotnie. Ponieważ spaliny z turbiny gazowej zawierają tlen w granicach 14+16%, więc nie ma potrzeby doprowadzania dodatkowego powietrza do palników dopalających. Gdy kocioł ma natomiast pracować również samodzielnie, przy wyłączonej turbinie (ang. fresh air operatioń), w takim wypadku wymagany jest wentylator powietrza do spalania o wydajności zbliżonej do wartości strumienia spalin wylotowych z turbiny gazowej (paliwo doprowadzone do palników dopalających w małym stopniu wpływa na zmianę masowego strumienia spalin płynących z turbiny do kotła). Kotły z instalacją dopalającą nie różnią się w zasadzie od kotłów bez dopalania, należy tylko z uwagi na wyższe temperatury spalin użyć na powierzchnie przegrzewacza wyższych gatunkowo stali oraz zwiększyć grubość izolacji kanałów spalin i obudowy kotła. Kanał dolotowy spalin łączący turbinę z kotłem, w którym umieszczone są palniki dopalające, musi być ponadto wystarczająco długi (długość samej komory paleniskowej wynosi bowiem 4+7,5 m), aby zapewnić całkowite spalenie paliwa i uniknięcie stykania się płomienia z powierzchnią przegrzewacza, lub w przypadku dużego dopalania z powierzchnią parowacza ekranującego komorę paleniskową z uwagi na wysoką wówczas temperaturę spalin i możliwość przepalenia ścian kanału. Zmiany obciążeń kotła powodują niekorzystne efekty w wymiennikach ciepła umieszczonych w kotle w jego końcowej strefie w zakresie niskich temperatur spalin (podgrzewaczu wody, skroplin, wody sieciowej). Przy zmniejszaniu dopalania następuje bowiem

„przesunięcie” wymiany ciepła w kierunku wylotu kotła, gdyż spiętrzenia temperaturowe (różnice pomiędzy temperaturą spalin a temperaturą czynnika ogrzewanego) w przedniej strefie kotła w zakresie wysokich temperatur znacząco wówczas maleją w przeciwieństwie do strefy końcowej kotła, gdzie mogą nawet nieznacznie wzrastać (rys.3.3). W przypadku pracy kotła przy częściowych obciążeniach lub całkowicie wyłączonych palnikach dopalających może wystąpić parowanie wody w podgrzewaczu wody, z uwagi że jego powierzchnia dobrana na obciążenie nominalne (maksymalne) jest w takiej sytuacji za duża. Jednym ze sposobów uniknięcia tego problemu jest zastosowanie podziału podgrzewacza na sekcje i wyłączania ostatnich sekcji w czasie pracy kotła przy częściowych obciążeniach. Ponadto można stosować: - częściowo przymknięte zawory na rurociągu łączącym podgrzewacz wody z walczakiem, podwyższające tym samym w podgrzewaczu ciśnienie: - otwarte zawory odpowietrzające zainstalowane na podgrzewaczu, aby podczas pracy kotła odprowadzać pęcherzyki pary do walczaka: - pompy cyrkulacyjne łączące walczak z podgrzewaczem wody zwiększające w nim przepływ: - zabudowę w

Metodologia doboru kotła odzyskowego do bloku gazowo-parowego.. 75 przeciwprądowym podgrzewaczu wody ostatnich rzędów rur współprądowo.

Dodatkowo zwiększa się w podgrzewaczu wody wartość niedogrzania wody A T (rys. 4.2) na wlocie do walczaka. Wartość różnicy A T pomiędzy tem peraturą nasycenia w walczaku a temperaturą wody na wylocie z podgrzewacza wody (ekonomizera) przyjmuje się dla kotłów bez dopalania na poziomie A T = 5+10 K, a dla kotłów z dopalaniem pracujących ze zmiennym obciążeniem A T = 20+80 K. Im mniejsza wartość niedogrzania (tym większa powierzchnia podgrzewacza i mniejsza powierzchnia parowacza), tym większa produkcja pary i tym samym większa sprawność kotła. Należy jednak pamiętać, że zbyt małe AT, jak ju ż zaznaczono, może być przyczyną parowania wody w podgrzewaczu i blokowania przepływu w poszczególnych rurach (ze względu na małą temperaturę spalin nie ma jednak niebezpieczeństwa przegrzania rur), oraz wahania poziomu wody w walczaku (problem wahań poziomu można rozwiązać stosując np. większy walczak). Większe niedogrzanie wody A T " zabezpiecza również przed kawitacją pompę wysokiego ciśnienia zasilaną wodą z walczaka niskociśnieniowego (rys. 4.1; wodę wysokociśnieniową zamiast z walczaka niskociśnieniowego można bezpośrednio pobierać z wylotu ekonomizera niskociśnieniowego). Jeżeli nowo projektowany kocioł - z dopalaniem lub bez dopalania - ma pracować tylko z obciążeniem nominalnym, to wartości ATmin i A T należy przyjmować jak najmniejsze. W praktyce wówczas najczęściej ATmm = 6 K i A T = 5 K.

Przeciwciśnienie turbiny gazowej jest maksymalnym dopuszczalnym ciśnieniem spalin za turbiną, a tym samym jest głównym czynnikiem wpływającym na geometrię kotła. Zwiększenie oporów przepływu spalin przez kocioł tak, że wartość przeciwciśnienia rośnie, powoduje spadek mocy turbiny.

Kocioł należy więc tak zaprojektować, aby tej wartości nie przekraczać. W praktyce opory przepływu przez kocioł wynoszą od 25 do 35 mbarów (dolne wartości dotyczą kotłów odzyskowych o konstrukcji pionowej - o pionowym kierunku przepływu spalin). Zwiększanie przekroju poprzecznego kotła (przyjmuje się najczęściej, że dla kotłów poziomych - o poziomym kierunku przepływu spalin - stosunek wysokości do szerokości kotła waha się dla kotłów mniejszych od 2,5:1, i dla jednostek większych 2:1) oznacza zmniejszanie prędkości spalin i ilości rzędów rur, a tym samym zmniejszanie oporów przepływu, ale kosztem zwiększania nakładów inwestycyjnych na kocioł z uwagi na konieczność zwiększania powierzchni ogrzewalnych na skutek pogorszonych konwekcyjnych współczynników wnikania ciepła. W praktyce przekroje kanałów spalin dobiera się przyjmując następujące średnie prędkości spalin (w m/s): - wylot z turbiny gazowej 60+80; - kanał łączący turbinę z kotłem 30+35; - klapa przerzutowa umożliwiająca pracę turbiny gazowej częściowo na gorący komin lub przy całkowicie wyłączonym kotle 30+35 (przy aktualnym poziomie cen energii elektrycznej i gazu ziemnego, samodzielna praca turbiny gazowej jest nieopłacalna); gorący (obejściowy) komin 30;

-palniki dopalające 20+22; - powierzchnie ogrzewalne 15+20(25); - komin główny 20. Całkowita wysokość komina najczęściej wynosi 25 m lub 10 m ponad górną krawędź kotła. Komin, kanał dolotowy oraz komin obejściowy z klapą przerzutową leżą w zakresie dostawy producenta kotła.

Wybór kotła pionowego podyktowany jest ograniczoną powierzchnią zabudowy lub chęcią wykorzystania miejsca w istniejącej kotłowni po usunięciu „starego” kotła (pyłowego, rusztowego itp.). Kotły pionowe buduje się w zasadzie z wymuszoną cyrkulacją w parowaczu za pom ocą pomp cyrkulacyjnych (krotność cyrkulacji wynosi od 2,5 do 10). Rury parowacza montuje się bowiem w poziomie i odległość walczak-dolna komora wlotowa jest mała, a tym samym utrudniona jest naturalna cyrkulacja mieszanki paro wodnej. Spotyka się jednak rozwiązania kotłów pionowych z naturalną cyrkulacją (rury parowacza nachylone są wówczas do poziomu pod kątem 7- 15°). W sytuacji gdy wymagane są bowiem częste szybkie zmiany obciążenia kotła i parametrów termodynamicznych produkowanej w nim pary, pompy cyrkulacyjne mogłyby ulec szybkiemu kawitacyjnemu zniszczeniu na skutek obecności na ich ssaniu pary. W zależności od obciążenia kotła, od zmian parametrów termodynamicznych produkowanej pary oraz parametrów przepływających przez parowacz spalin ulega bowiem zmianom krotność cyrkulacji w parowaczu. Kotły z naturalną cyrkulacją (krotność cyrkulacji wynosi od 7 do 25, przy czym wartości większe odpowiadają oczywiście niższym ciśnieniom w parowaczu) zachowują się w takich sytuacjach bardzo elastycznie. Z naturalną cyrkulacją buduje się kotły odzyskowe poziome.

Pionowe wówczas ułożenie rur w parowaczu i duża odległość walczaka od dolnych jego komór ułatwiają bowiem tę cyrkulację. Nakłady inwestycyjne na kocioł pionowy i poziomy, o takich samych wydajnościach i parametrach pary, są w zasadzie prawie takie same.

Temperatura wylotowa spalin tf°m w głównej mierze uzależniona jest od ciśnienia w parowaczu(-ach) kotła odzyskowego. Im mniejsze ciśnienie w parowaczu(-ach), tym większe wykorzystanie entalpii spalin wylotowych z

KO •

turbiny, i tym mniejsza temperatura tkom i większa sprawność kotła. Obniżenie temperatury można uzyskać dodatkowo, obok stosowania w kotle drugiego, niskociśnieniowego obiegu parowego, poprzez wprowadzenie do kotła w jego końcowej strefie w zakresie niskich temperatur spalin podgrzewacza skroplin (temperatura podgrzanych skroplin na wlocie do odgazowywacza powinna być przynajmniej o 15 K - min 10 K - niższa od temperatury nasycenia w odgazowywaczu z uwagi na stabilność pracy układu) lub parowacza deaeracyjnego (rys. 4.2c), i instalowanie podgrzewacza wody sieciowej o relatywnie dużych powierzchniach wymiany ciepła. Spiętrzenia temperaturowe (o kilka rzędów wielkości mniejsze niż w kotłach konwencjonalnych) pomiędzy spalinami i czynnikiem ogrzewanym, jak już zaznaczono, są bowiem w tej strefie kotła w porównaniu z jego strefą początkową wielokrotnie niższe, szczególnie w

Metodologia doboru kotła odzyskowego do bloku gazowo-parowego. 77 kotłach z dopalaniem (rys. 3.3). Oznacza to mniejsze średnie różnice temperatur, a więc konieczność zabudowy większych powierzchni ogrzewalnych. W parowaczu deaeracyjnym w odróżnieniu od tradycyjnego odgazowywacza para do odgazowania wody zasilającej nie jest pobierana z zewnętrznego źródła, np. z upustu turbiny parowej, co podnosi sprawność egzergetyczną układu. Para ta jest wytwarzana w części ogrzewalnej parowacza. Parowacz deaeracyjny składa się z pęczka rur zabudowanych w kanale spalin tworzących parowacz, walczaka niskoprężnego (zabudowanego na stropie kotła), będącego równocześnie zbiornikiem wody zasilającej, odgazowywacza (do którego doprowadzane są skropliny) zabudowanego na walczaku, oraz rur opadowych i łączących.

Parowacz deaeracyjny stanowi więc równocześnie zwartą konstrukcję kotła i węzła zasilającego. W przypadku pracy kotła ze zmiennym obciążeniem, jak już wspomniano, zmienia się ilość ciepła przejmowanego przez parowacz, co wiąże się ze zmianą ciśnienia (praca na ciśnieniu poślizgowym). Wraz z obniżaniem wydajności kotła ciśnienie (i temperatura) w parowaczu wzrasta. Najniższe obciążenie wyznacza maksymalne ciśnienie parowacza. Ciśnienie pracy parowacza deaeracyjnego wynosi najczęściej 1,2h-6 bar (105-M60 °C). Wyższe parametry nie są wskazane, gdyż praca odgazowywacza staje się bardziej zawodna, i ponadto parowacz jest droższy. W przypadku przekroczenia 6 barów odprowadza się nadmiar pary z odgazowywacza.

4.3. Analiza term odynam iczna i ekonom iczna doboru rozm ieszczenia