Download doc - Generatoare de abur

1.1. Generalităţi ____________________________________________________________________________________________

Cap. 1. NOŢIUNI INTRODUCTIVE

1.1. Generalităţi

Generatorul de vapori reprezintă un ansamblu de instalaţii complexe care au ca scop obţinerea de vapori (saturaţi sau supraîncălziţi) sau de apă fierbinte, la presiuni mai mari decât presiunea atmosferică, pe seama transformării energiei chimice a combustibililor, prin utilizarea altor forme de energie cum sunt cea electrică şi cea nucleară, prin folosirea căldurii recuperate din gazele de ardere rezultate din diverse procese tehnologice (siderurgice, metalurgice, chimice, etc.), prin folosirea unor resurse energetice secundare ale unor procese prelucrătoare din diferite industrii cum sunt: deşeurile lemnoase, rumeguş, etc. în industria prelucrătoare a lemnului, puzderii de cânepă şi in în industria textilă, diferite leşii în industria hârtiei şi celulozei, etc. Se pot utiliza de asemenea pentru vaporizare şi alte forme de energii cum sunt energia nucleară, energia solară, energia electrică, energia geotermală.

Dacă fluidul folosit este apa, generatoarele de vapori se numesc generatoare de abur (cazane de abur).

Din punct de vedere energetic, generatorul de abur este un transformator de energie deoarece energia latentă legată chimic a combustibililor se transformă prin procesul de ardere în energie termică.

Din punct de vedere funcţional, generatorul de abur este un schimbător de căldură întrucât căldura conţinută de gazele de ardere se transmite apei care vaporizează (sau se încălzeşte în cazul apei fierbinţi) precum şi aerului necesar arderii care se preîncălzeşte.

Se consideră că generatorul este de apă fierbinte dacă apa la ieşire are temperatura mai mare decât temperatura de fierbere a acesteia la presiunea atmosferică.

11

1. Noţiuni introductive_________________________________________________________________________

1.2. Clasificarea generatoarelor de abur

Generatoarele de abur se pot clasifica după un număr mare de criterii. În acest sens se pot pune în evidenţă următoarele categorii de generatoare de abur:

a) după scopul pentru care este produs aburul: - în termoficarea urbană, generatoare de abur pentru încălzire

şi pentru producere de apă caldă menajeră; - în termoficarea industrială, generatoare de abur tehnologic

şi pentru încălzire pentru diferite sectoare industriale, - generatoare de abur energetice, care contribuie împreună cu

turbinele abur la producerea energiei electrice în CTE (centrale termoelectrice) sau energie electrică şi energie termică, simultan, în CET (centralele electrice de termoficare);

b) după locul de amplasare: generatoare de abur terestre, generatoare de abur marine;

c) după gradul de mobilitate: generatoare de abur stabile (fixe), mobile (deplasabile) montate pe mijloace de transport;

d) după natura fluidului utilizat: generatoare de abur ce utilizează apă, mercur, difenil oxid, etc.;

e) după sursa de căldură folosită: generatoare de abur ce folosesc combustibili naturali, combustibili nucleari, arderea deşeurilor, energia electrică, energia solară, energia geotermală, generatoare de abur recuperatoare, etc.;

f) după modul predominant de transmitere a căldurii: generatoare de abur de convecţie, de radiaţie, combinate;

g) după modul cum se realizează vaporizarea: generatoare de abur cu vaporizare directă, cu vaporizare indirectă;

h) după modul cum are loc circulaţia apei: generatoare de abur cu circulaţie naturală, cu circulaţie forţată multiplă, cu circulaţie forţată unică;

i) după valoarea presiunii de funcţionare: generatoare de abur dejoasă presiune (0,7 6 bar), de medie presiune (6 50 bar), de înaltă presiune ( 64 225 bar), de presiune supracritică ( 225 bar);

j) după valoarea presiunii din focar: generatoare de abur cu depresiune în focar (- 20 Pa - 50 Pa, sau, – 2 mmH2O - 5 mmH2O), cu

12

1.1. Generalităţi ____________________________________________________________________________________________

suprapresiune mică în focar (1 5 kPa, sau, 100 500 mmH2O), cu suprapresiune mare în focar ( 0,5 1,5 MPa, sau, 0,5 15 bar);

k) după starea aburului produs: generatoare de abur saturat, de abur supraîncălzit;

l) după starea de agregare a combustibilului folosit: generatoare de abur cu combustibil solid, lichid sau gazos, cu amestecuri de combustibili (doi sau mai mulţi combustibili);

m) după configuraţia canalelor de circulaţie a gazelor de ardere: generatoare de abur în formă de , în formă de U simplu sau dublu, în formă de T, cu trei drumuri, turn, cu drumuri orizontale, etc.(fig.1.1)

Fig.1.1. Tipuri de generatoare de abur după configuraţia canalelor de gaze de ardere:

a – generator de abur în formă de П; b – generator de abur în formă de U simplu; c – generator de abur în formă de U dublu; d – generator de abur cu trei canale; e – generator de abur în formă de T; f – generator de abur tip turn.

intrare amestec combustibil – aer; gaze de ardere.

13


n) după modul de circulaţie a fluidelor prin ţevi: acvatubulare, când apa circulă prin ţevile generatorului de abur, şi ignitubulare, când gazele de ardere circulă prin interiorul ţevilor;

o) după pericolul pe care îl prezintă efectele dinamice pe care le-ar putea produce în caz de explozie, generatoarele de abur se clasifică în patru categorii care sunt prezentate în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1. Clasificarea generatoarelor de abur după efectele care le-ar produce în caz de explozie

Categoria generatorului de abur

Relaţia de calcul : V(ts – 100)unde:V este volumul de apă din generatorul de abur umplut cu 100 mm peste nivelul minim, sau, volumul total de apă din generatorul de abur cu străbatere forţată, în m3 ;ts - temperatura de saturaţie a aburului, în ºC.

IIIIIIIV

peste 150 peste 75 până la 150 inclusiv peste 25 până la 75 inclusiv până la 25 inclusiv

Una dintre clasificările prezentate anterior ce prezintă o importanţă deosebită este cea în funcţie de volumul de apă conţinut de generatorul de abur. Valoarea raportului dintre volumul de apă conţinut de generatorul de abur Va şi suprafaţa de încălzire Si, împarte generatoarele de abur în două mari grupe: generatoare cu volum mare de apă şi generatoare cu volum mic

de apă. Astfel, dacă 0,026, , se consideră că generatorul este cu

volum mare de apă. Dacă valoarea raportului este mai mică decât 0,026, cifră arbitrar aleasă dar consacrată, generatorul este cu volum mic de apă.

14

1.1. Generalităţi ____________________________________________________________________________________________

1.3. Parametrii funcţionali ai generatoarelor de abur

Parametrii funcţionali ai unui generator de abur sunt precizaţi de presiunea, temperatura şi debitul apei de alimentare şi ai aburului în anumite condiţii de funcţionare. Aceştia sunt consideraţi pentru cazul când generatorul de abur foloseşte combustibilul pentru care a fost proiectat.

Principalii parametri funcţionali ai generatoarelor de abur sunt:- presiunea nominală – este presiunea maximă a aburului la ieşirea

din robinetul principal de abur al generatorului de abur(la ieşirea din supraîncălzitorul de bază), în funcţionare continuă, la temperatura nominală şi debitul nominal, pn. În funcţie de valoarea sa, presiunea nominală împarte generatoarele de abur în două grupe: generatoare de abur cu presiune subcritică (pn pcr) şi generatoare de abur cu presiune supracritică (pn pcr).

- presiunea maximă din generatorul de abur – este presiunea maximă de lucru (de funcţionare) din elementele generatorului de ardere. În cazul generatoarelor de abur cu tambur această presiune este dată de presiunea din tambur iar la generatoarele de abur fără tambur, este presiunea apei la intrarea în generatorul de abur;

- presiunea de regim – este presiunea aburului înainte de supraîncălzitorul de bază în timpul funcţionării continue a generatorului de abur; aceasta se consideră că are o valoare inferioară cu 5 % faţă de presiunea nominală;

- presiunea de utilizare – este presiunea aburului determinată la ieşirea din supraîncălzitorul de bază;

- temperatura nominală a aburului – este temperatura maximă a aburului la ieşirea din robinetul principal la presiunea şi debitul nominal, în funcţionare continuă, şi corespunde temperaturii aburului supraîncălzit la ieşire din supraîncălzitorul de bază. La generatoarele de abur fără supraîncălzitor, temperatura nominală este temperatura aburului saturat la presiunea din tambur. În cazul generatoarelor de abur cu regulator de temperatură a aburului supraîncălzit, temperatura nominală trebuie menţinută pentru sarcini cuprinse între 70% şi 100% din debitul nominal. Abaterile limită faţă de valoarea nominală a temperaturii sunt prezentate în tabelul 1.2.

15


Tabelul 1.2. Abaterile limită ale temperaturii nominale ale aburului supraîncălzit

Temperaturanominală

K 523 573 623 673 723 763 813C 250 300 350 400 450 490 540

Abateri limită K sauC

35 30 20 15 +1015

+ 510

+ 510

- temperatura apei de alimentare – este temperatura apei de alimentare la intrare în generatorul de abur (în funcţie de tipul generatorului de abur putând fi intrarea în tamburul sau în economizorul acestuia, sau în schimbătorul de căldură pentru condensat propriu), taa ; această temperatură nu este standardizată;

- debitul nominal de abur – este debitul maxim de abur corespunzător presiunii şi temperaturii nominale în funcţionare continuă a generatorului de abur. El este debitul de abur ce se realizează la randamentul termic maxim garantat dacă nu au fost stabilite alte precizări de către constructorul generatorului de abur.

- debitul normal de abur – este debitul de abur corespunzător funcţionării generatorului de abur la valoarea optimă a randamentului termic, ceea ce corespunde la circa 80% din debitul nominal de abur;

- debitul de vârf – este debitul de abur corespunzător funcţionării la vârf a generatorului de abur şi care este cu circa 10% mai mare decât debitul nominal de abur. Funcţionarea generatorului de abur cu debitul de vârf este permisă numai pentru o durată redusă de timp – circa 30 minute – şi numai în cazuri speciale. Pentru a putea fi posibilă realizarea acestui debit de abur trebuie ca instalaţiile auxiliare care asigură funcţionarea generatorului de abur, cum sunt instalaţiile de alimentare cu combustibil, apă şi aer, instalaţiile de preîncălzire precum şi instalaţiile de evacuare a gazelor de ardere să fie dimensionate corespunzător.

- debitul minim reglat – este debitul minim de abur pe care generatorul de abur poate să îl asigure la presiunea şi temperatura nominală în condiţii de funcţionare continuă;

- debitul minim de abur – este debitul de abur cel mai redus cu care poate funcţiona continuu generatorul de abur fără să apară avarii;

- debitul specific de abur – este o cifră folosită pentru compararea diverselor tipuri de generatoare de abur fiind dată de raportul dintre debitul nominal şi suprafaţa de încălzire a generatorului de abur .

16

1.1. Generalităţi ____________________________________________________________________________________________

Parametrii nominali ai generatoarelor de abur produse în ţara noastră sunt reglementaţi prin STAS 2764-73. Valorile standardizate ale acestor parametrii sunt precizaţi în tabelul1.3.

Tabelul 1.3. Parametrii standardizaţi ai generatoarelor de abur după STAS 2764-73

Presiunea nominală

Temperaturi nominale Debite nominale

bar K (˚C) t/h (kg/s)0,69 abur saturat 0,2 (0,056); 0,4 (0,111)3,92 abur saturat 0,4 (0,111); 0,7 (0,194)

7,85 abur saturat0,4 (0,111);1,0 (0,278);3,0 (0,833);

6,5 (1,81);

0,7 (0,194); 2,0 (0,556);

4,0 (1,11); 10,0 (2,78)

12,7 abur saturat şi523 K (250˚C)

1,0 (0,278);3,0 (0,833);

6,5 (1,81);

2,0 (0,556); 4,0 (1,11); 10,0 (2,78)

14,7

abur saturat şi523 K (250˚C);573 K (300˚C);623 K (350˚C)

2,0 (0,556); 4,0 (1,11); 10,0 (2,78); 20,0 (5,56); 50,0 (13,9)

3,0 (0,833); 6,5 (1,81); 15,4 (4,17); 30,0 (8,34);

17,7abur saturat şi

523 K (250˚C); 573 K (300˚C) şi 623 K (350 ˚C)

20,0 (0,556); 50,0 (13,9);

30,0 (8,34); 100,0 (27,8)

22,6abur saturat şi

623 K (350˚C);673 K (400˚C)

4,0 (1,11); 10,0 (2,78); 20,0 (5,56)

6,5 (1,81); 15,0 (4,17);

35,3 723 K (450˚C) 10,0 (2,78); 20,0 (5,56); 50,0 (13,9)

15,0 (4,17); 30,0 (8,34);

68,6 763 K (490˚C) 20,0 (5,56); 50,0 (13,9); 90,0 (25,0)

30,0 (8,34); 75,0 (20,8); 120,0 (33,3)

98,1 813 K (540˚C) 50,0 (25,0); 120,0 (33,3)

90,0 (25,0);

Observaţie: - presiunile indicate în tabel sunt considerate suprapresiuni;- pentru generatoarele de abur cu reglare a temperaturii, temperatura nominală

trebuie să fie asigurată cel puţin pentru domeniul de sarcini cuprins între 70 % şi 100 % din

17

1. Noţiuni introductive_________________________________________________________________________debitul nominal;

- valorile parametrilor nominali corespund pentru combustibilul pentru care a fost proiectat şi omologat generatorul de abur.

Debitul nominal al generatoarelor de abur variază în limite largi, de la câteva kg/h până la câteva mii de kg/h. În ţara noastră, cel mai mare generator de abur are parametri nominali: debitul nominal de 1035 t/h , presiunea nominală de 196 bar iar temperatura nominală de 538C având două supraîncălziri intermediare la 538C. Generatorul de abur furnizează aburul necesar turbinei de 330 MW.

Gama de generatoare de abur şi apă fierbinte fabricate în ţară cuprinde o serie de generatoare de abur industrial, generatoare recuperatoare şi generatoare de abur energetic (tabelul 1.4.)

Pe plan mondial, cele mai mari debite unitare ale generatoarelor de abur sunt realizate în prezent: de 1000 t/h în Germania şi Rusia, de 1800 t/h în Anglia, Italia şi Franţa şi de 3600 şi 4225 t/h în S.U.A.

Tabelul 1.4. Generatoare de abur fabricate în ţara noastră

Debit nominalDn

Presiune nominalăpn

Temperatură nominală tn

Observaţii

t/h (kg/s) MPa ˚C -a) Generatoare de abur industrial

1 (0,28) 1,27 abur saturat

-

2,5 (0,69) 1,27 abur saturat 3 (0,83) 1,27 abur saturat

4,5 (1,25) 0,5 abur saturat 6,5 (1,8) 1,47 abur saturat 10 (2,78) 1,47 350 20 (5,55) 3,53 450 50 (13,89) 3,43 450b) Generatoare de abur recuperatoare Sursa de căldură: 2,6 (0,72) 3,82 450

Industria chimică4,3 (1,94) 0,5 1505,6 (1,56) 1,27 250

9 (2,50) 0,5 150Cuptoare

metalurgice 3 (0,83) 1,57 250 9 (2,50) 3,92 450 13,2 (3,67) 1,57 240 25,2 (7) 4,31 450 Cuptoare Martin

18

1.1. Generalităţi ____________________________________________________________________________________________

Tabelul 1.4. Generatoare de abur fabricate în ţara noastră (continuare)

c) Generatoare de abur energetice Combustibili 120 ( 33,32) 9,8 540 gaze – păcură 420 (116,63) 13,7 570 gaze – păcură 525 (145,79) 19,2 535/535 păcură şi şisturi

bituminoase 1035 (287,42) 19,2 535/535 lignit

1.4 . Indicii caracteristici generali ai generatoarelor de abur

Funcţionarea generatoarelor de abur este caracterizată de următorii indici caracteristici funcţionali generali:

a) Randamentul termic al generatoarelor de abur. Definit potrivit metodei directe de determinare, ca raportul dintre cantitatea de căldură produsă şi utilizată de generatorul de abur şi cantitatea de căldură introdusă în acesta, sau, potrivit metodei indirecte de determinare, ca diferenţa dintre 100 şi suma pierderilor de căldură exprimate procentual, randamentul termic arată gradul de folosire a căldurii introduse în generatorul de abur. Se exprimă de obicei în procente şi are valori uzuale cuprinse între 75 şi 95%. Valoarea randamentului termic este influenţată în principal de natura combustibilului folosit, de construcţia focarului precum şi de construcţia şi mărimea suprafeţelor auxiliare de schimb de căldură.

a) Consumul specific de energie pentru servicii proprii (interne). Pentru funcţionarea lor, generatoarele de abur consumă o cantitate

de energie, în cea mai mare parte mecanică dar şi termică şi electrică, în diverse scopuri. Astfel, ventilatoarele care asigură circulaţia aerului şi a gazelor de ardere utilizează energie electrică necesară motoarelor electrice de antrenare.

Circulaţia fluidului de lucru apă-abur se realizează cu ajutorul pompelor de alimentare iar în unele cazuri şi cu ajutorul unor pompe de circulaţie, care consumă energie electrică necesară motoarelor electrice de antrenare sau abur în cazul antrenării prin intermediul turbinelor cu abur. Se consideră în această categorie numai partea din presiunea realizată de aceste

19

1. Noţiuni introductive_________________________________________________________________________pompe pentru învingerea rezistenţelor hidraulice în diferitele suprafeţe de schimb de căldură ale generatoarelor de abur.

O altă categorie importantă de consumatori de energie o reprezintă instalaţiile de alimentare cu combustibil a focarelor, antrenarea grătarelor, măcinarea combustibilului, preîncălzirea şi injecţia combustibilului lichid. În majoritatea cazurilor antrenarea acestor instalaţii presupune un consum de energie electrică pentru motoarele electrice de antrenare sau de energie termică sub formă de abur în cazul antrenării morilor de cărbune cu turbine cu abur şi a preîncălzirii şi injecţiei combustibilului lichid.

În cazul utilizării unor combustibili solizi este necesar un consum de energie electrică instalaţiilor de desprăfuire a gazelor de ardere şi de evacuare a zgurii şi cenuşii de sub focar.

Consumul specific de energie pentru servicii proprii se exprimă în kWh/kg abur şi se obţine prin raportarea la cantitatea de abur produs a sumei tuturor consumurilor de energie proprii ale unui generator de abur. Dacă, din energia utilă produsă de generatorul de abur este scăzut consumul de energie consumat de serviciile proprii, se obţine randamentul termic net al generatorului de abur.

c) Consumul specific de apă al sistemului vaporizator. Acest indice reprezintă raportul dintre cantitatea de apă conţinută de sistemul vaporizator (fierbător) şi debitul nominal de abur al generatorului de abur. Exprimat în kgh/kg, consumul specific de apă al vaporizatorului împarte generatoarele de abur în două categorii: generatoare de abur cu volum mare de apă când acesta are valori de 3,510 kgh/kg şi generatoare de abur cu volum mic de abur când acesta are valori de 0,12 kgh/kg.

d) Debitul specific de apă al sistemului vaporizator (fierbător), denumit şi încărcarea suprafeţei de încălzire a sistemului vaporizator sau cifra de vaporizare, reprezintă raportul dintre debitul nominal de abur al generatorului de abur şi aria suprafeţei de schimb termic a sistemului vaporizator. Acest indice se exprimă în kg/m2h, are valori foarte diferite în funcţie de tipul constructiv de generator de abur şi depinde de următorii factori: presiunea nominală, raportul dintre cantitatea de căldură transmisă prin radiaţie şi cantitatea totală transmisă prin radiaţie şi convecţie de gazele de ardere în focar, viteza şi temperatura gazelor la intrare şi ieşire din sistemul vaporizator precum şi de calitatea combustibilului utilizat. Debitul specific de apă al sistemului vaporizator are valori de 14180 kg/m2h şi poate ajunge până la 500 kg/m2h pentru generatoare de abur de construcţie specială. Domeniul larg de variaţie al acestuia determină o întrebuinţare redusă în compararea generatoarelor de abur.

20

1.1. Generalităţi ____________________________________________________________________________________________

e) Masa metalică specifică a generatoarelor de abur reprezintă raportul dintre masa metalică totală a generatorului de abur şi debitul său nominal de abur. Acest indice se exprimă în kgh/kg, are valoarea cuprinsă între 1,512 kgh/kg şi depinde de caracteristicile generale, parametrii de bază şi indicii caracteristici ai generatorului de abur.

1.5. Descrierea sumară a unui generator de abur

Funcţionarea oricărui generator de abur presupune desfăşurarea simultană a următoarelor procese:

a) transformarea energiei chimice a combustibilului în căldură conţinută în gazele de ardere, transformare ce se realizează prin ardere în focar, arderea fiind o reacţie chimică de oxidare a elementelor combustibile din combustibil cu ajutorul oxigenul provenit din aerul atmosferic;

b) schimbul de căldură între gazele de ardere şi apă respectiv abur în suprafeţele de schimb de căldură, unde predominante sunt procesele de transmitere a căldurii prin radiaţie şi convecţie;

c) circulaţia apei şi a aburului prin suprafeţele de schimb de căldură,care se efectuează datorită acţiunii pompelor de alimentare iar la unele tipuri de generatoare de abur şi a unor pompe de circulaţie;

d) circulaţia gazelor de ardere şi a aerului prin generatorul de abur, care este rezultatul acţiunii ventilatoarelor de aer şi de gaze sau a tirajului natural realizat de coşul de fum .

Pentru a pune în evidenţă părţile componente ale unui generator de abur şi a elementelor celor patru procese funcţionale, în figura 1.2 s-a reprezentat schematic o instalaţie modernă de generator de abur ce utilizează ca şi combustibil cărbunele.

Pentru o bună desfăşurare a procesului de ardere în focarul 1 cărbunele trebuie supus unor operaţii de reducere a umidităţii sale şi de transformarea lui în particule foarte fine pentru a putea fi apoi pulverizat. Aceste operaţii au loc într-o instalaţie anexă a generatorului de abur numită instalaţia de preparare a prafului de cărbune. Astfel, cărbune concasat este adus de la gospodăria de combustibil şi stocat în buncărul 2 , de unde cu ajutorul alimentatorului 3 ( bandă transportoare, şnec, etc.) este trimis în turnul de uscare 4 unde are loc uscarea acestuia prin schimb de căldură fie cu gaze de ardere prelevate de la sfârşitul focarului prin racordul 5, fie cu

21


Fig. 1.2. Schema generală a unui generator de abur:

1 – focar; 2 – buncăr de cărbune; 3 – alimentator de cărbune; 4 – instalaţie de uscare a cărbunelui cu gaze de ardere recirculate prin aspiraţie din focar; 5 – racord de aspiraţie a gazelor de ardere recirculate din focar pentru uscarea cărbunelui; 6 – preîncălzitor de aer; 7 – moară de cărbune; 8 – ventilator de aer; 9 – canal pentru aerul necesar arderii; 10 – arzător de cărbune pulverizat; 11 – gaze de ardere rezultate din arderea cărbunelui; 12 – cenuşa antrenată separată în instalaţia de desprăfuire a gazelor de ardere şi în canalul de gaze; 13 – zgura evacuată din focar; 14 – sistemul vaporizator (fierbător); 15 – supraîncălzitor de bază (primar); 16 – supraîncălzitor intermediar (secundar); 17 – economizor; 18 – gaze de ardere recirculate; 19 – apa de alimentare vehiculată de pompa de alimentare, la intrarea în economizor; 20 – ţevi coborâtoare; 21 – ţevi urcătoare din sistemul vaporizator; 22 – colector; 23 – tambur; 24 – ventilator de gaze de ardere; 25 – instalaţie de desprăfuire a gazelor de ardere; 26 – conductă de abur supraîncălzit; 27 – conductă de abur supraîncălzit intermediar; 28 – conductă de abur saturat; 29 – canal pentru dirijarea gazelor de ardere spre coş.

aer de ardere preîncălzit în preîncălzitorul de aer 6 al generatorului de abur, fie combinat, cu gaze de ardere şi aer cald. Cărbunele este adus la

22

1.1. Generalităţi ____________________________________________________________________________________________

granulaţia necesară pulverizării de către moara de cărbune 7. Circulaţia prafului de cărbune spre focarul generatorului de abur este asigurată de presiunea agentului de uscare folosit şi a suprapresiunii create de moară.

Traseul prafului de cărbune cuprinde şi alte dispozitive sau utilaje ca buncăre intermediare de praf pentru depozitarea prafului măcinat, cicloane şi separatoare de praf ce separară particulele de dimensiuni reduse de cele de dimensiuni mari (care se revin la aspiraţia morii) precum şi concentratoare de praf care concentrează diferitele fracţiuni de praf în funcţie de dimensiunile acestuia pentru un arzător sau altul.

Aerul necesar arderii este asigurat de către ventilatorul centrifugal 8, este preîncălzit într-o suprafaţă de schimb de căldură numită preîncălzitor de aer 6 pe seama reducerii temperaturii gazelor de ardere la ieşirea din generatorul de abur şi este apoi condus spre focar prin canalele 9.

Înainte de intrarea în focar, în arzătoarele 10, se realizează amestecul intim între particulele de praf de cărbune şi aerul preîncălzit. În funcţie de procedeul de uscare a combustibilului utilizat, aerul de ardere poate fi divizat în mai multe fracţiuni: aerul primar folosit ca agent de uscare şi care intră în arzător odată cu praful de cărbune, şi aerul secundar care intră direct în arzător şi care reprezintă diferenţa până la cantitatea totală de aer necesară arderii.

Procesul de ardere a combustibilului are loc în focar. În urma acestui proces rezultă gazele de ardere 11 care conţin energia termică rezultată din transformarea energiei chimice a combustibilului. Ele se găsesc la ieşire din arzător la cea mai ridicată temperatură. Pe măsură ce se deplasează de-a lungul canalele de gaze, acestea cedează căldură suprafeţelor de schimb de căldură cu care vin în contact micşorându-şi continuu valoarea temperaturii.

Ca urmare a procesului de ardere se obţin, în afara gazelor de ardere, şi produse solide pe baza transformărilor suferite de masa minerală necombustibilă din combustibil. Rezultatul acestor transformări îl reprezintă cenuşa 12. Într-o proporţie mare, cenuşa este antrenată de gazele de ardere prin canalele de gaze formând aşa numita cenuşă antrenată. Dacă temperatura din focar este mai mare decât temperatura de topire a cenuşii, aceasta se topeşte transformându-se în zgura 13 care este evacuată sub formă solidă sau lichidă la baza focarului.

Gazele de ardere, în drumul lor prin canalele de gaze, cedează căldură fluidului de lucru, apa, care se transformă în abur, precum şi aerului de ardere, parcurgând în ordine următoarele suprafeţe de căldură: vaporizatorul (sistemul fierbător) 14, supraîncălzitorul de bază (primar) 15, supraîncălzitorul intermediar (secundar) 16, economizorul 17 şi

23

1. Noţiuni introductive_________________________________________________________________________preîncălzitorul de aer 6. De la sfârşitul focarului, iar în unele cazuri şi din alte zone ale canalelor de gaze, se prelevează un debit de gaze de ardere 18 pentru uscarea combustibilului.

În cursul schimbului de căldură din diferitele suprafeţe de schimb de căldură apa poate să-şi schimbe sau nu starea de agregare. În procesul de transformare a apei în abur supraîncălzit se evidenţiază următoarele etape:

a) preîncălzirea apei în economizorul 17 al generatorului de abur încursul căreia temperatura creşte de la valoarea corespunzătoare temperaturii apei de alimentare taa, la temperatura de ieşire din economizor tee egală sau mai mică decât temperatura de saturaţie ts , conform relaţiei:

(ts 40) tee ≤ ts , (1.1)

b) vaporizarea apei în vaporizatorul (sistemul fierbător) 14 când are loc creşterea temperaturii apei până la temperatura de saturaţie (în cazul în care temperatura de ieşire din economizor este mai mică decât cea de saturaţie a apei) şi schimbarea stării de agregare a apei din lichid în abur saturat umed cu titlul x cuprins în intervalul:

0,95 x 0,99 , (1.2)

c) supraîncălzirea aburului în supraîncălzitorul de bază (primar) 15 unde temperatura apei creşte până la temperatura nominală tn.

Aburul supraîncălzit produs de generatorul de abur este folosit de foarte multe ori în scopuri energetice, caz în care, la puteri mari, destinderea aburului în turbină este fracţionată în două sau trei trepte. Între două trepte de destindere ale turbinei, aburul este adus la generatorul de abur, unde, în supraîncălzitorul intermediar (secundar) 16 i se ridică temperatura din nou pe seama schimbului de căldură cu gazele de ardere.

Schematic, circulaţia fluidului de lucru printr-un generator de abur cu circulaţie naturală cu şi fără supraîncălzire intermediară este prezentată în figura 1.3.

Circulaţia fluidului de lucru (apă, abur) se realizează cu ajutorul unei pompe de alimentare 19.

Una dintre cele mai importante suprafeţe de schimb de căldură, care ocupă aproape jumătate din volumul canalelor de gaze de ardere a unui generator de abur, o reprezintă vaporizatorul (sistemul fierbător). Acesta este format din ţevile coborâtoare 20, ţevile urcătoare (ecrane) 21, colectoarele inferioare şi superioare 22, precum şi dintr-un rezervor de apă

24

1.1. Generalităţi ____________________________________________________________________________________________

numit tambur 23 plasat la partea superioară şi la care sunt racordate cele două tipuri de ţevi. Circulaţia fluidului de lucru în acest sistem, (pentru

a)

b)

Fig.1.3. Scheme de circulaţie a fluidului de lucru într-un generatorde abur cu circulaţie naturală:

a) – fără supraîncălzire intermediară; b) – cu supraîncălzire intermediară; 1 – pompă de alimentare; 2 – economizor; 3 – sistem vaporizator; 4 – supraîncălzitor de bază (primar);5 – supraîncălzitor intermediar (secundar); 6 – corpul de înaltă presiune al turbinei cu abur; 7 – corpul de joasă presiune al turbinei cu abur.

25

1. Noţiuni introductive_________________________________________________________________________presiuni sub circa 18 MPa) se efectuează pe baza principiului termosifonului, adică a diferenţei de densitate, generatorul de abur numindu-se “cu circulaţie naturală”. Densitatea emulsiei apă-abur din ţevile urcătoare (ecrane) e, se poate determina cu relaţia:

e xab (1x)apă , (1.3)

unde: ab , apă reprezintă densitatea aburului respectiv a apei iar x este titlul vaporilor de apă.

În cazul generatoarelor de abur cu circulaţie naturală ab << apă

ceea ce face ca inegalitatea e apă să poată asigura diferenţa de densitate necesară efectului de termosifon.

Dacă presiunea fluidului de lucru creşte, se reduce efectul de termosifon întrucât diferenţa dintre e şi apă scade. În acest caz, pentru a se realiza circulaţia fluidului de lucru, se introduce în circuit o pompă de circulaţie generatorul de abur numindu-se “cu circulaţie forţată multiplă”.

La presiunea critică a apei, pcr 225 bar (circa 22 MPa), se realizează egalitatea e apă ab şi astfel se anulează efectul de termosifon fapt ce conduce la înlăturarea tamburului din sistemul vaporizator. La presiuni apropiate de cea critică şi la presiuni supracritice, circulaţia fluidului de lucru este asigurată de pompele de alimentare, generatorul numindu-se “cu circulaţie forţată unică (străbatere forţată)”.

În figura 1.4 sunt reprezentate schemele de bază ale circulaţiei fluidului de lucru în cazul celor trei categorii de generatoare de abur menţionate anterior.

Ventilatoarele de gaze de ardere 24, numite şi exhaustoare, asigură circulaţia gazelor de ardere prin generatorul de abur prin crearea depresiunii în canalele de gaze de ardere, a suprapresiunii necesare vehiculării prin instalaţiile de desprăfuire 25 (în cazul folosirii de combustibili solizi ce produc cenuşă antrenată) precum şi evacuarea acestora în atmosferă prin coşul de gaze 26.

Suprafeţele de schimb de căldură, tamburul şi colectoarele aferente suprafeţelor de schimb de căldură sunt susţinute de un schelet metalic format de stâlpi, grinzi şi alte dispozitive. De asemenea, generatoarele de abur conţin şi o zidărie refractară care delimitează canalele de gaze de ardere. Totodată, pentru conducerea proceselor care au loc, generatoarele de abur sunt dotate cu diferite tipuri de armături şi aparate de măsură şi control.

26

1.1. Generalităţi ____________________________________________________________________________________________

a) b) c)

Fig. 1.4. Schemele de circulaţie ale fluidului de lucru în generatoarele de abur cu ţevi înclinate:

a – generator de abur cu circulaţie naturală; b – generator de abur cu circulaţie forţată multiplă; c – generator de abur cu circulaţie forţată unică (străbatere forţată);1 – tambur; 2 – supraîncălzitor; 3 – economizor; 4 – preîncălzitor de aer; 5 – ţevi de apă coborâtoare; 6 – ecrane (ţevi urcătoare) ale sistemului vaporizator de radiaţie; 7 – vaporizator de convecţie (feston); 8 – pompă de circulaţie; 9 – zonă de tranziţie; 10 – vaporizator de radiaţie în spirală.

1.6. Circulaţia relativă a fluidelor

Fluidele care parcurg suprafeţele de schimb de căldură ale unui generator de abur pot fi împărţite în două grupe:

- fluidul cald, reprezentat de gazele de ardere rezultate în urma procesului de ardere a combustibilului, care cedează energia termică celorlalte fluide în diferitele suprafeţe de schimb de căldură ale generatorului de abur;

- fluidele reci, reprezentate de fluidul de lucru apă-abur şi de aerulnecesar arderii combustibilului, care primesc căldura de la fluidul cald.

27


Amplasarea suprafeţelor în care are loc schimbul de căldură dintre cele două categorii de fluide se efectuează în funcţie de posibilităţile de răcire a metalelor acestor suprafeţe de către fluidele reci. Temperaturile medii ale pereţilor trebuie să asigure rezistenţa mecanică necesară învingerii eforturilor presiunilor ridicate la care sunt supuse. Circulaţia relativă a fluidelor într-un generator de abur precum şi variaţia temperaturii acestora este prezentată în figura 1.5. Se observă că, în general, suprafeţele de schimb de căldură sunt parcurse de către cele două tipuri de fluide în contracurent. În figură, suprafeţele de schimb de căldură s-au reprezentat schematic prin dreptunghiuri iar canalele de gaze arse sunt dispuse desfăşurat pe o singură direcţie cu toate că în realitate ele pot avea părţi ascendente şi părţi descendente de circulaţie a gazelor arse.

Prima suprafaţă de schimb de căldură întâlnită de gazele de ardere o reprezintă vaporizatorul unde transmiterea căldurii are loc prin radiaţie şiconvecţie termică. În cazul generatoarelor de abur de presiune medie sau scăzută, vaporizatorul poate fi compus din două tipuri de suprafeţe de schimb de căldură, una de radiaţie şi una de convecţie. Suprafeţele de radiaţie termică sunt amplasate numai în focar pe când suprafeţele de convecţie pot fi amplasate în focar iar parţial în următoarele secţiuni ale canalului de gaze de ardere. La generatoarele de abur de presiuni ridicate aportul convecţiei termice la schimbul de căldură este redus în comparaţie cu radiaţia gazelor triatomice, vaporizatorul realizându-se într-o proporţie foarte mare din suprafeţe de radiaţie.

În secţiunile canalelor de gaze ce urmează după focar, transferul de căldură are loc predominant prin convecţie termică suprafeţele de schimb de căldură denumindu-se suprafeţe convective.

Apa de alimentare, ca fluid de lucru, este introdusă în generatorul de abur în economizor unde are loc preîncălzirea sa, după care este vaporizată în sistemul vaporizator iar apoi aburul este supraîncălzit în supraîncălzitorul de bază. Deoarece în procesul de vaporizare temperatura de saturaţie este constantă, în figura 1.5 reprezentarea acesteia este prezentată sub forma unor segmente orizontale.

Conexiunea suprafeţelor de schimb de căldură conform figurii 1.5. nu este regăsită la toate generatoarele de abur ci numai la anumite categorii. În unele cazuri suprafeţele de radiaţie şi cele de convecţie din sistemul vaporizator pot fi legate în serie iar în alte cazuri unele suprafeţe de convecţie pot lipsi. De asemenea, preîncălzitorul de aer poate fi format dintr-o treaptă sau din două trepte intercalate cu economizorul.

28

1.1. Generalităţi ____________________________________________________________________________________________

a)

b)

Fig. 1.5. Modul de amplasare a suprafeţelor de schimb de căldură, circulaţia şi variaţia temperaturilor fluidelor într-un generator de abur:

a – amplasarea suprafeţelor de schimb de căldură şi circulaţia fluidelor; b – variaţia temperaturilor fluidelor; Sfr – sistemul vaporizator (fierbător) de radiaţie; Sfc1, Sfc2 - sistemul vaporizator (fierbător) de convecţie 1 respectiv 2, Sî – supraîncălzitor; Eco – economizor; PA – preîncălzitor de aer; B – combustibil; L – aer de ardere; D – debit de abur; S – suprafaţa de schimb de căldură; 0, F, 1,…,5 – limitele suprafeţelor de schimb de căldură.

29

1. Noţiuni introductive_________________________________________________________________________30