Parni kotlovi

Tendencija prilagoavanja ininjerskih rjeenja parnih kotlova i kotlovskih postrojenja uslovima koje u posljednje vrijeme diktiraju vrsta i kvalitet raspoloivih goriva za sagorijevanje u kotlovima,predstavlja danas izazov za svaki tim ininjera koji se ovom problematikom bavi u sredinama koje do sada nemaju razvijenu kotlogradnju,a poseban stimulans za budue mlade inzinjere da se u toku studija posvete izuavanju procesa koji se odigravaju u kotlovima,nainu komponovanja kotlovskog postrojenja,i vjetinama njihove racionalne eksplatacije

Zadatak pri izboru i nabavci kotlovskog postrojenja nije nita manje odgovoran od konstrukcije i projektovanja parnog kotla.U prilog tome neka ide saznanje o estim rekonstrukcijama kotlova sa svrhom njihove to racionalnije eksploatacije,kao i prilagoavanje novih konstrukcija sa iskustvima steenim pri radu sa jedinicama istog proizvoaa na jednom lokalitetu,praksa kod nas.Konano poznavanje kotlovskih procesa i konstrukcija kotlovskih elemenata predstavnja neophodan osnov za racionalnu eksploataciju kotlovskih postrojenja,a time i to dugotrajnije koritenje naih raspoloivih rezervi fosilnog goriva.

Parni kotao je ureaj koji prilikom sagorijevanja goriva vodu pretvara u vodenu paru.Da bi sluio namjeni pritisak pare u kotlu mora biti vei od atmosferskog.Tako dobijena para predstavlja potencijalnu energiju,ija je veliina odreena pritiskom i temperaturom,te sluzi za pokretanje parnih strojeva,za zagrijavanje i sl.

Konstrukcija parnog kotla dosta je jednostavna.U osnovi,parni kotao se sastoji od loita,u kojem se vri sagorijevanje i parnog kotla (zatvorene posude) u kojem se vri isparavanje.

U svim kotlovskim elementima se deavaju sloeni procesi prenosa toplote i mase, tako da su naune oblasti ijim se rezultatima koristi u prouavanju kotlova prvenstveno:termodinamika sa prenosom topline,mehanika fluida sa gasodinamikom, zatim nauka o vrstoi. U kotlovima su zastupljena sva tri vida prenosa topline: provoenje (kondukcija) toplote, prelaz (konvekcija) toplote i zraenje.

Osnovni parametri prema kojima se mogu klasificirati kotlovi su:-namjena-kapacitet-radni pritisak-vrsta goriva-sistem sagorijevanja-historijski razvoj-proizvod kotla itd.

Razvoj kotlogradnje poinje sasvim malim jedinicama sa snagom od nekoliko KW,a danas se grade jedinice snage do 4000 W.Ilustracije radi pokaimo da je produkcija pare ovakvog kotla 1000 kg/s pare, a potronja uglja donje toplotne moi,tj voda u produktima se nalazi u parnom stanju, iznosi 500kg/s.

Prvo gorivo koje se upotrebljavalo u kotlovima bilo je drvo, da bi se neposredno nakon industrijske revolucije prelo na ugalj.Krajem 50 godina se kao gorivo poinju koristiti i nafta te njene preraevine,pa sve do nuklearne energije.Poetkom 70 godina, spoznajom kako je nafta mnogo korisnija u druge svrhe, ponovno do izraaja dolazi ugalj kao jedan od osnovnih goriva.Ova injenica ima poseban znaaj za nau zemlju.

Vrste parnih kotlovaPrema veliini pritiska vodene pare razlikujemo:parne kotlove niskog pritiska do 16 barparne kotlove srednjeg pritiska do 60 barparne kotlove visokog pritiska do 225 barPrema vrsti vodene pare koju proizvode,kotlovi se dijele na:kotlove sa zasienom paromkotlove sa pregrijanom parom

Prema konstrukciji parni kotlovi se mogu podijeliti na:kotlove sa velikim sadrajem vode,u kojima se po jednom kvadratnom metru povrine kotla na jedan sat proizvodi 15-20 kg vodene pare (vertikalni kotlovi,kotlovi sa plamenikom i vodogrejnim cijevima,kombinovani kotlovi,lokomotivski i brodski kotlovi).Kotlovi sa malim sadrajem vode-sekcioni kotlovi, u kojima se po jednom metru kvadratnom povrine kotla za 1 sat proizvodi 15-100 kg vodene pare (kotlovi sa nagnutim vodogrejnim cijevima,kotlovi sa strmim vodogrejnim cijevima i kotlovi specijalne konstrukcije u kojima proizvodnja vodene pare dostie ak i do 250kg po kvadratnom metru povrine kotla.

1-napojna pumpa 7-pregrijai pare2-zagrija vode 8-loini prostor3-kotlovski bubanj 9-gorionici4-spusne (hladne) cijevi 10-zagrija zraka za loite5-donji sabirnici radne vode 11-elektro-filter6-podizne (ekranske) cijevi 12-ventilator

Osnovne karakteristike parnog kotla Parni kotao karakteriu tri veliine i to:-toplotno optereenje grejne povrine (kolicina vodene pare koja se dobije sa 1 kvadratnog metra grejne povrsine.)-opterecenje resetke gorivom (kolicina cvrstog goriva u kg koja na 1 metar povrsine resetke sagori potpuno za 1 sat.)-toplotno opterecenje lozisnog prostora (broj kilogram kalorija koji se dobija po 1 metru kubnom lozisnog prostora u vremenu od 1 sata prilikom sagorijevanja nekog goriva.

TOPLOTNA MO GORIVAToplotna mo goriva je ona koliina toplote koja se oslobaa pri potpunom sagorijevanju 1kg za vrsta ili tena goriva ili jedinca zapremine Nm kubni za gasovita goriva pri emu se nastali produkti sagorijevanja moraju ohladiti na poetnu temperaturu prije sagorijevanja,odnosno da se voda u produktima sagorijevanja nalazi u parnom stanju

Gornja toplotna mo-Hg je ona koliina toplote koja se oslobaa pri potpunom sagorijevanju 1 kg goriva,pri emu se produkti sagorijevanja moraju ohladiti na sobnu temperaturu.Donja toplotna mo-Hd je ona koliina toplote koja se oslobaa pri potpunom sagorijevanju 1 kg goriva pod uslovom da se voda u produktima sagorijevanja nalazi u parnom stanju.Donja toplotna mo je manja od gornje za koliinu toplote potrebnu da se vlaga i voda nastale pri sagorijevanju pretvore u parno stanje.

LOITA PARNIH KOTLOVALoite mora da zadovolji dva osnovna uslova: da se njemu ostvari to potpunija transformacija hemijske energije goriva u toplotnu energiju produkata sagorijevanja i da se produkti sagorijevanja ohlade do temperature sa kojom oni mogu da se uvedu u konvektivne grejne povrine.

Pored toga loite mora da bude koncipirano tako da se u moguoj mjeri sprijei prljanje grejnih povrina, tj., da se onemogui stvaranje vrstih naslaga ljake, da se u njemu ostvaruje to ravnomjernije toplotno optereenje ekranskih povrina, da se postigne to ravnomjernije temperatursko polje na izlazu (ispred cijevne reetke), da se omogui odvijanje procesa sagorijevanja sa to manjim vikom vazduha itd.Za sva loita su, bez obzira na njihovu veliinu, vrstu goriva i ureaje za sagorijevanje, karakteristini ekranski zidovi.

Sagorijevanje uglja u sloju predstavlja najstariji nain sagorijevanja gorivakoji se organizuje na ureajima za sagorijevanje, tzv. reetkama, raznovrsnih koncepcija. Svi naini sagorijevanja u sloju se, prema smjerovima dovoenja goriva i vazduha na reetku, svode na pet ema i to suprotna ema, kod koje se gorivo dovodi odozgo, a vazduh odozdo;horizontalna unakrsna ema, sa dovoenjem goriva sa strane a vazduha odozdo;

vertikalna unakrsna ema, kod koje se gorivo dovodi odozgo a vazduh sa strane;paralelna ema sa dovoenjem odozdo i goriva i vazduha;obrnuta paralelna ema sa dovoenjem goriva i vazduha odozgo;Sagorijevanje uglja u lebdeem sloju na izvjestan nain predstavlja prelazni proces izmeu sagorijevanja u sloju i sagorijevanja u letu

LOITA ZA TENA I GASOVITA GORIVA

Sagorijevanje tenih i gasovitih goriva je heterogen proces koji se odvija u vie faza. U procesau sagorijevanja, kapljica rasprenog tenog goriva prolazi kroz sljedee faze: mijeanje sa vazduhom, zagrijavanje i isparavanje, termiko razlaganje, obrazovanje gasne faze, paljenje i sagorijevanje.

Da bi se proces sagorijevanja odvijao uz to manje gubitke, neophodno je da se omogui brzo i efikasno mijeanje kapljica goriva sa vazduhom, to finije rasprivanje radi poveanja aktivne povrine i dovoenje zagrijanog vazduha sa to veim impulsom u korijen plamena.Rasprivanje tenog goriva bitno utie na brzinu i kvalitet procesa sagorijevanja. Zbog toga treba teiti da kapljice goriva budu to sitnije i to jednorodnije.

Ureaji za pripremu goriva

Priprema uglja se vri izvan kotla u posebnim postrojenjima. itav sklop procesa i ureaja za pripremu uglja naziva se sistemom za pripremu ugljenog praha.U postrojenjima za pripremu ugljenog praha odvijaju se sljedei procesi:mljevenje ugljasuenje ugljahabanje radnih elemenata postrojenja

Mljevenje uglja se vri u mlinovima. Ugljeni prah predstavlja fini polidisperzni materijal sa najsitnijim dimenzijama estica. Kvalitet ugljenog praha je zasnovan na sljedeim veliinama:finoa mljevenja ili granulometrijska strukturaPovrinaVlanostopasnost od eksplozijetransportna svojstvagustoa

Postrojenja za pripremu ugljenog praha

Sistemi za pripremu ugljenog praha dijele se na centralne i individualne. Kod centralnih sistema se priprema ugljenog praha vri izvan kotlovskog postrojenja, u posebnom pogonu, u kome se vri mljevenje i suenje uglja, pa se ugljeni prah transportuje u kotao. Kod individualnog sistema, priprema ugljenog praha se vri u okviru kotlovskog postrojenja u posebnim ureajima (mlinovima).

Ukoliko se usitnjeni prah uduvava neposredno u loite, onda se radi o individualnom sistemu sa direktnim uduvavanjem, a ako se ugljeni prah deponuje u posebnom bunkeru iz kog se dovodi u loite, onda se radi o individualnom meubunkerskom sistemu.

ema postrojenja za suenje ugljenog praha

1. Bunker za ugalj, 2. Suara, 3. Mlin, 4. Seperator, 5. Mlinski ventilator6. Ciklon, 7. Puni transporter, 8. Bunker za ugljeni prah, 9. Ventilator, 10. Preista, 11. Rukavski filter, 12. Kalorifer, 13. Pumpa

Brzohodni mlinovi. Za brzohodne mlinove je karakteristino da se proces mljevenja odvija uglavnom sudarom. Predstavnici ovih mlinova su mlinovi ekiari i ventilatorski mlinovi.Mlinovi ekiari. Zahvaljujui svojoj jednostavnosti konstrukcije, sigurnosti i ekonominosti zauzimaju vodee mjesto meu mlinovima za mljevenje mrkih ugljeva.

Ventilatorski mlinovi. Oni su pogodni za mljevenje vlanih ugljeva, kakvi su ligniti, pa se zbog toga iskljuivo oni koriste udomaim postrojenjima. Slini su radijalnim ventilatorima, s tim to su im elementi koji uestvuju u procesu mljevenja ojaani. Konstrukcija ovih mlinova je prikazana na sljedeoj slici.Kroz ulazno grlo (1) se u mlin dovodi ugalj zajedno sa produktima sagorijevanja recirkulisanim iz loita. Prilikom prolaza kroz udarno kolo (2) ugalj se melje sudarom sa masivnim udarnim lopaticama (3) postavljenim slino kao kod radijalnih ventilatora.

Gorionici za ugljeni prah

Gorionici u konstruktivnom smislu predstavljaju jednostavne elemente mlinskog postrojenja, ali je njihov znaaj presudan za ostvarivanje stabilnog i to potpunijeg sagorijevanja. Gorionik treba da omogui brzo paljenje ugljenog praha u to irem podruju, da obezbijedi stabilnost plamena, da ostvari dovod toplote u korijen plamena i da izvri intenzivno mijeanje aerosmjee sa sekundarnim vazduhom.Za sagorijevanje ugljenog praha koriste se dva tipa gorionika: vrtloni (industrijski kotlovi) i mlazni (energetski kotlovi) gorionici.

Osnovna oprema termoelektrane

To su glavni pogonski strojevi za proizvodnju elektrine energije, a, prije svega, tu su: parne turbine, plinske turbine i parni kotlovi. U manjim elektranama ponegdje se primjenjuju motori SUS (dizel), naroito kao lokalni rezervni agregati koji se stavljaju automatski u pogon kod nestaice struje u javnoj mrei.

Danas u javnim termoelektranama kao pogonski agregat dominira iskljuivo parna turbina. Njene su prednosti: velika jedinina snaga, uz visoke parametre svjee pare (170 bar i 565C), te visoka sigurnost pogona, pa moe biti u neprekidnom radu s maksimalnom snagom u trajanju od nekoliko hiljada sati.

Veliki broj obrtaja turbine omoguava njen direktan spoj sa elektrinim generatorom odgovarajue snage, a itav agregat radi sa visokom ravnomjernou hoda, ime se osigurava besprekoran paralelni pogon ovog turboagregata sa drugim slinim agregatima na zajedniku mreu dotinog energetskog podruja. Za pogon termoelektrane sa parnim turbinama mogu se koristiti vrsta goriva i niih toplotnih moi, ili koje drugo raspoloivo energetsko gorivo za sagorijevanje u parnim kotlovima.

U nedostatke termoelektrane sa parnom turbinom spada relativno dugo trajanje stavljanja turbine u pogon (nakon stajanja zbog remonta ili sl.), te velike koliine vode potrebne za hlaenje kondenzatora.

Savremene termoelektrane sa visokim parametrima svjee pare zahtijevaju besprijekornu vodu za napajanje kotlova, tako da problem pripreme vode, naroito u toplanama sa znatnim gubitkom kondenzata predatog industrijskim potroaima, zahtijeva naroitu panju, jer od toga ovisi sigurnost pogona dotine elektrane, odnosno toplane.

U termoelektranama se kao pogonski stroj susree i plinska turbina. Takve su naroito pogodne za pogon vrnih i rezervnih elektrana, jer mogu biti stavljene u pogon za 15 20 min. Maksimalna jedinina snaga GT kod ulazne temperature gasova od 650C iznosi 27 [MW], a kod ulazne temperature gasova od 750C oko 15 [MW].

Pri poveanju temperature spoljnog vazduha i rashladne vode, smanjuje se i stepen iskoritenja i snaga turbine, a smanjenje optereenja turbine smanjuje i stepen iskoritenja i poveava potronju toplote. Iz tih razloga se da zakljuiti da je plinske turbine preporuljivo upotrebljavati samo kao dopunske i vrne agregate i to s konstantnim, preteno maksimalnim optereenjem.

U prvom sluaju iskoritenje otpadne toplote gasnih turbina vri se odvodom izlaznih vrelih gasova plinske turbine u kotao utilizator. Para proizvedena u ovom kotlu, eventualno uz njeno dopunsko pregrijavanje, moe sluiti za pogon parne turbine, koja se u tom sluaju postavlja uz plinsku turbinu.Uz parnu turbinu vanu ulogu igra parni kotao koji sa turbinom predstavlja jedan zajedniki blok.

Parni kotao sastoji se od sljedeih osnovnih elemenata: isparivaa ili kotla u uem smislu, u kojem prijemnik toplote (voda) isparava,

pregrijaa pare u kojem se para isparena u isparivau pregrijava,zagrijaa vode u kojem se prijemnik toplote zagrijava do temperature bliske temperaturi zasienja i zagrijaa zraka u kojem se zrak zagrijava prije ulaska u loite.

Gledajui sa strane predajnika toplote, dimnih plinova, svi se osnovni elementi nalaze u dva osnovna prostora:loitu i dimnim kanalima.

U loitu, u kojem je dominantan prenos topline zraenjem, smjeteni su obino ispariva i ozraeni pregrija, a u dimnim kanalima smjeteni su konvektivni pregrijai pare, zagrija vode i zagrija zraka.

Pojedine vrste kotlova nemaju sve osnovne elemente. Takvi su na primjer, toplovodni kotlovi i vrelovodni kotlovi koji uope nemaju isparivaa, kotlovi na teno ili gasovito gorivo koji obino nemaju zagrija zraka, ili kotlovi utilizatori koji uope nemaju loite.

U pregrijaima pare isparena voda iz isparivaa pregrijava se do temperature pregrijanja pri konstantanom pritisku uz gubitke strujanja koji nisu veliki. Pri porastu temperature gustoa pare opada zbog ega brzina pare u pregrijau raste od ulaza ka izlazu pare.

Prema dominantnom vidu izmjene topline pregrijae pare moemo podijeliti na:konvektivne,poluozraene iozraene.

Zavisno od njihovog karaktera imaju razliitu konstrukciju. Kod konvektivnih pregrijaa cijevi su malog prenika, gusto rasporeene u dimnom kanalu, dok se ozraeni pregrijai sastoje od cijevi veeg prenika i veim meuprostorom izmeu njih. Temperature pregrijanja su za feritne cijevi do 540 [C], dok su za austenitne cijevi do 650 [C].

Cijevi pregrijaa obino su skupljene u sabirnike u koje preko prestrujnih cijevi iz isparivaa dolazi para, ili iz kojih se para evakuie iz kotla. Sabirnici su obino izolovani ili se nalaze izvan kotla, tako da se mogu raditi i od manje legiranih elika.

Sa aspekta prolaza topline suprotnosmjerna izvedba pregrijaa pare povoljnija je zbog stalnog poveanja brzine pare, a time i koeficijenta prolaza topline po putu pare.Meutim, istosmjerna izvedba omoguuje sigurniji rad pregrijaa, jer je kod takvog pregrijaa para najvie temperature u zoni hladnijih produkata sagorijevanja. Tako se izlazni stepeni pregrijaa ili visoko optereeni ozraeni pregrijai mahom izvode istosmjerno.

U konvektivnim pregrijaima se toplina u veem dijelu, ili potpuno, prenosi konvekcijom. Konvektivni pregrijai izraeni su od zmijasto rasporeenih cijevi, kao visea ili leea izvedba. U ozraenom pregrijau toplina se sa produkata sagorijevanja uglavnom prenosi zraenjem, te je i njihova konstrukcija podreena tome. Izvedba im moe biti zavjesna, pregradna ili ekranska.

U konvektivnim pregrijaima se toplina u veem dijelu, ili potpuno, prenosi konvekcijom. Konvektivni pregrijai izraeni su od zmijasto rasporeenih cijevi, kao visea ili leea izvedba. U ozraenom pregrijau toplina se sa produkata sagorijevanja uglavnom prenosi zraenjem, te je i njihova konstrukcija podreena tome. Izvedba im moe biti zavjesna, pregradna ili ekranska.

Zagrija vode (ekonomajzer) je naknadna konvektivna kotlovska ogrevna povrina sa zadatkom da povisi temperaturu vode na ulazu u ispariva neto ispod, ili sve do temperature isparavnja na pritisku kotla, pa i da se kod nekih izvedbi u njemu jedan dio vode i ispari.

Drugi zadatak zagrijaa vode je da je to vie mogue snizi temperaturu produkata sagorijevanja na izlazu iz kotla, ako je zagrija vode posljednja ogrevna povrina u kotlu.

Za kotlove viih pritisaka, zagrija vode je neophodan element za sniavanje temperature produkata sagorijevanja na izlazu iz kotla, jer je temperatura zasienja za takve kotlove nerijetko do 270 [C], to bi uz neophodnu temperaturnu razlikzu, dovelo do temperature produkata sagorijevanja na izlazu iz kotla sve do 350 [C].

Za kotlove nieg pritiska, kod kojih je temperatura isparavanja nia od 180 [C], zagrija vode nije neophodan.

Kod kotlova termoenergetskih blokova, s obzirom na njihov termiki koeficijent iskoritenja, napojna voda na ulazu u kotao je regenerativnim zagrijavanjem dovedena na relativno visoku temperaturu, tako da zagrija vode kao posljednja ogrevna povrina nije u mogunosti da snizi temperaturu produkata sagorijevanja na eljenu mjeru, pa kod takvih kotlova zagrija vode ne moe biti posljednja ogrevna povrina. Tu ulogu tada vri zagrija zraka.

Po konstruktivnoj izvedbi, zagrijai vode su sa glatkim cijevima za kotlove vieg pritiska, ili sa vanjske strane orebrenim, obino livenim cijevima. U kotlu su obino postavljeni horizontalno sa poprenim nastrujavanjem produkata sagorijevanja. Cijevi su postavljene u koridornom poretku, ili kod kotlova koji rade sa gorivima koja nisu sklona zaprljanju ogrevnih povrina, u ahovskom rasporedu.

Strujanje vode u zagrijaima vode gotovo obavezno je prostrujavanjem na raun napora napojne pumpe. Strujanje vode moe biti odozgo dole ili, to je ee odozdo gore.

Zagrija zraka je konvektivna kotlovska ogrevna povrina, redovno na kraju puta produkata sagorijevanja u kojima se na raun produkata sagorijevanja zagrijava zrak potreban za sagorijevanje. Poviena temperatura zraka u loitu ostvaruje prednosti prilikom sagorijevanja koje se oituju u brem suenju goriva, burnijem sagorijevanju i intezivnijem prenosu toplote zraenjem u kotlovskom loitu.

Prema nainu izmjene topline, zagrijai zraka mogu se podijeliti na:rekuperatorske, kod kojih ogrevna povrina dijeli prijemnik i predajnik toplote i igra ulogu posrednika, kao kod cijevnih i ploastih zagrijaa zraka iregeneratorske, kod kojih se ogrevna povrina naizmjenino opstrujava produktima sagorijevanja kada se grije i zrakom kada se hladi, kao kod rotacionih zagrijaa zraka.

Osim navedenih osnovnih kotlovskih elemenata, kotlovsko postrojenje ini i niz dodatnih elemenata bez kojih kotao nebi mogao raditi sigurno, efikasno i ekonomino, i takvi dodatni elementi se jednim imenom nazivaju opremom kotla. To su:ureaji za napajanje i evakuaciju kotla,ureaji za ventilaciju kotla,ureaji za upravljanje procesima u kotlu,ureaji za snabdijevanje gorivom.

Jedinini uinak savremenih parnih kotlova kree se oko 1000 [t/h] kod parametara svjee pare do 300 [bar] i 650 [C]. Dosta visok stepen iskoritenja savremenih parnih kotlova (87 90%, odnosno 91 93%) omoguava postizanje relativno povoljnijeg ukupnog termikog stepena iskoritenja termoelektrane, to u kondenzacionom pogonu dostie 35 41%.

U toplanama sa isto protutlanim pogonom 75 85%, a u kombinovanom protutlano-kondenzacionom pogonu 40 60%.Ekvivalentna potronja topline, raunajui na kotlu kod takvih stepeni iskoritenja za l [kWh] proizveden na pragu elektrane, iznosi:

u kondenzacionom pogonu 8800 10300 [kJ/kWh],u isto protutlanom pogonu 4230 4800 [kJ/kWh],u kombinovanom pogonu javnih toplana 6000 9000 [kJ/kWh], to se smatra niskom potronjom topline za jedinicu proizvedene energije.