Części kotła wodnorurowego wyjaśnione

Części kotła wodnorurowego wyjaśnione

Kocioł wodnorurowy przekształca wodę w parę poprzez ogrzewanie jej energią uwalnianą podczas spalania paliw; wyjątkiem jest generator pary z odzyskiem ciepła (HRSG), który przekształca wodę w parę, wykorzystując ciepło odzyskane z gazów spalinowych. Kotły wodnorurowe są używane w wielu zastosowaniach przemysłowych, ale ten artykuł koncentruje się na kotłach wodnorurowych używanych w elektrowniach.

Warto wiedzieć – aby ułatwić zrozumienie i zaznajomienie się, w tym artykule używane są różne formy wodnorurowy, wodnorurowy i wodnorurowy; wszystkie wyrażenia oznaczają to samo.

Warto wiedzieć – prosimy o zapoznanie się z naszym głównym artykułem Wyjaśnienie kotłów wodnorurowych, jeśli potrzebujesz ogólnego przeglądu dotyczącego działania kotłów wodnorurowych, ich konstrukcji i eksploatacji.

Kocioł wodnorurowy w elektrowni

 

Konstrukcja kotła wodnorurowego

Duży kocioł elektrowni wykorzystuje tysiące komponentów, aby produkować parę efektywnie i niezawodnie. Główne części kotła wodnorurowego są opisane w tym artykule, ale jest ich znacznie więcej! Użyj poniższego diagramu jako odniesienia podczas pracy z tym artykułem. 

Części i lokalizacje kotła wodnorurowego

 

Komponenty i lokalizacje kotła wodnorurowego

Bęben parowy

Bęben parowy to cylindryczne naczynie, które przechowuje wodę i rozprowadza parę; znajduje się na szczycie kotła. Bęben parowy zbiera parę generowaną przez rury wznoszące, które otaczają palenisko. Bębny parowe zawierają wewnętrzne komponenty, takie jak separatory cyklonowe i płuczki, aby zapewnić, że wydalana para jest sucha i wolna od kropli wody, co zapobiega przenoszeniu wilgoci do przegrzewaczy i turbin parowych. Chemikalia są dozowane do bębna parowego, ponieważ środowisko wewnątrz bębna jest burzliwe, co ułatwia mieszanie chemikaliów w systemie.

Bęben parowy kotła wodnorurowego

Bęben mułowy

Bębny mułowe są umieszczone na dole kotła wodnorurowego; zbierają osady i zanieczyszczenia z systemu wody kotłowej. W niektórych projektach kotłów, zwłaszcza nowocześniejszych lub bardziej kompaktowych, dedykowany bęben mułowy może nie być obecny. Zamiast tego, kolektory wodne zainstalowane na dole kotła mogą pełnić tę samą funkcję (te kolektory służą jako punkty zbierania zanieczyszczeń, skutecznie działając jako bębny mułowe).

Lokalizacje bębna parowego i mułowego kotła wodnorurowego

Rury wodne

Rury wodne zawierają wodę kotłową zanim zmieni stan/fazę na parę. Nazwa rury wodnej zmienia się w zależności od jej lokalizacji w kotle, na przykład:

• Rury opadowe – przenoszą chłodną wodę z bębna parowego w kierunku dolnej części kotła.
• Rury wznoszące – przenoszą podgrzaną wodę i parę z dolnej części kotła do bębna parowego.

Kolektory

Kolektory to duże cylindry z wieloma połączeniami. Kolektory zbierają czynnik roboczy dla grupy rur i są zazwyczaj oznaczane jako górne kolektory lub dolne kolektory. Jeśli kolektor jest zainstalowany w wysokiej pozycji w kotle, zbiera mieszaninę wody/pary z powiązanych rur wznoszących, a następnie kieruje ją do bębna parowego przez wiele rur; jest znany jako kolektor parowy lub górny kolektor. Jeśli kolektor jest zainstalowany w niskiej pozycji w kotle, rozprowadza wodę do powiązanych rur; jest znany jako kolektor wodny lub dolny kolektor.

• Kolektor parowy – zbiera parę z rur wznoszących i odprowadza ją do bębna parowego.
• Kolektor wodny – rozprowadza wodę do podstawy rur wznoszących.

Palnik

Główne wejścia do kotła to:

• Paliwo – służy jako źródło energii cieplnej.
• Powietrze – dostarcza niezbędny tlen do spalania.
• Woda – potrzebna do generowania pary. 

Wejścia do kotła opalanego węglem

Palnik odpowiada za mieszanie paliwa i powietrza, a następnie zapalenie mieszanki w celu stworzenia płomienia, który ogrzewa rury wodne; palnik zapewnia efektywne spalanie i stabilny płomień. W jednym kotle może być wiele palników, które mogą być rozmieszczone w różnych konfiguracjach:

• Ściana przednia – palniki są rozmieszczone na przedniej ścianie kotła.
• Przeciwległe ściany – palniki są umieszczone na przeciwległych ścianach, naprzeciw siebie.
• Rogi – palniki są umieszczone w rogach paleniska.

Palniki tangencjalne i palniki ścienne to dwa najczęściej stosowane typy palników w kotłach wodnorurowych.

Palenisko

Rdzeniem kotła wodnorurowego jest jego palenisko, gdzie zachodzi spalanie paliwa, generując ciepło. Otaczające palenisko rury pełne wody tworzą ‘ściany wodne’ kotła. Rury kotłowe absorbują ciepło generowane przez spalanie, przekształcając wodę wewnątrz rur w parę; ta para może być następnie używana do napędzania turbin parowych lub dostarczania ciepła do różnych procesów przemysłowych.

Wnętrze kotła wodnorurowego

Paleniska są wyłożone materiałem ogniotrwałym, aby zatrzymać generowane ciepło i chronić strukturę kotła. 

Warto wiedzieć – termin ‘ogniotrwały’ jest często mylony z ‘izolacją’, co nie jest całkowicie poprawne. Materiał ogniotrwały jest używany w aplikacjach wysokotemperaturowych, może być bezpośrednio narażony na płomień i jest zazwyczaj wytwarzany z ceramiki lub materiału przypominającego cegłę. Izolacja jest używana w aplikacjach niskotemperaturowych, nie jest bezpośrednio narażona na płomień i jest zazwyczaj wytwarzana z włókna szklanego lub wełny mineralnej.

Warto wiedzieć – ściany wodne są formowane przez zespół rur wznoszących, które są ustawione w celu utworzenia ‘ścian’.

Struktura ściany wodnej kotła

Ekonomizer

Ekonomizer podgrzewa wstępnie wodę zasilającą kocioł przed jej wejściem do bębna parowego. Ze względu na swoje położenie w kotle, ekonomizer odzyskuje resztkowe ciepło z gazów spalinowych, co poprawia efektywność kotła. 

Przegrzewacz

Przegrzewacze są zaprojektowane do podnoszenia temperatury pary powyżej jej temperatury nasycenia. Przegrzewacze podgrzewają parę wydalaną z bębna parowego, zwiększając tym samym jej temperaturę i w konsekwencji ilość energii cieplnej, którą para zawiera. W jednym kotle wodnorurowym zazwyczaj znajduje się kilka przegrzewaczy:

• Przegrzewacz pierwotny – pierwszy etap przegrzewania, który podnosi temperaturę pary i zmniejsza zawartość wody w parze.
• Przegrzewacz wtórny – dodatkowo podgrzewa parę, aby osiągnąć pożądaną temperaturę.

Przenoszenie ciepła w kotle odbywa się za pomocą trzech głównych metod:

• Promieniowanie – przenoszenie ciepła za pomocą fal elektromagnetycznych; jest to znaczący sposób przenoszenia ciepła w palenisku, ponieważ energia promieniowania ze spalania ogrzewa rury wodne. Przegrzewacze, które absorbują ciepło poprzez promieniowanie, są znane jako przegrzewacze promieniowe.
• Konwekcja – zachodzi w systemie poprzez ruch masowy cząsteczek cieczy lub gazu. W kotłach, naturalna cyrkulacja wody przez kocioł jest przykładem konwekcji. Rury parownika (gdzie woda paruje do pary) są znane jako wiązki rur konwekcyjnych. Przegrzewacze, które absorbują ciepło poprzez konwekcję, są znane jako przegrzewacze konwekcyjne.
• Przewodzenie – przenoszenie ciepła przez materiał lub materiały. Przenoszenie ciepła do metalowych rur kotła, a następnie do wody wewnątrz rur, jest przykładem przewodzenia.

Przenoszenie ciepła w kotle wodnorurowym

Przegrzewacze mogą być klasyfikowane na podstawie sposobu, w jaki ciepło jest do nich przenoszone, tj. poprzez promieniowanie, konwekcję lub przewodzenie. Rodzaj przenoszenia ciepła zależy od lokalizacji przegrzewacza w kotle. Ciepło promieniowane może być przenoszone tylko w linii wzroku, od źródła ciepła do absorbera ciepła, dlatego przegrzewacze promieniowe muszą mieć linię wzroku do płomienia kotła, w przeciwnym razie nie mogą być przegrzewaczami promieniowymi. Przegrzewacze mogą być klasyfikowane jako:

• Przegrzewacze promieniowe – bezpośrednio narażone na płomień paleniska w linii wzroku; absorbują większość swojego ciepła poprzez promieniowanie.
• Przegrzewacze konwekcyjne – zlokalizowane z dala od płomienia paleniska bez linii wzroku; absorbują ciepło poprzez gorące gazy spalinowe, które przepływają wokół nich.

Podgrzewacze

Podgrzewacze są używane w systemach turbin wielostopniowych do podgrzewania pary po jej przejściu przez turbinę wysokociśnieniową. Podgrzewacze są podobne w konstrukcji i wyglądzie do przegrzewaczy. Gdy jest wiele podgrzewaczy, są one instalowane szeregowo. Para wchodząca do systemu podgrzewania nazywana jest zimną parą podgrzewaną, a para wychodząca z podgrzewacza nazywana jest gorącą parą podgrzewaną.

• Podgrzewacz pierwotny – podgrzewa parę dla etapów turbin średniociśnieniowych.
• Podgrzewacz wtórny – zapewnia dodatkowe podgrzewanie dla etapów turbin średniociśnieniowych.

Podgrzewacze kotła wodnorurowego

Podgrzewacz powietrza

Podgrzewacz powietrza to wymiennik ciepła, który podgrzewa wstępnie powietrze pierwotne i wtórne za pomocą gazów spalinowych kotła; to zwiększa efektywność spalania i zmniejsza zużycie paliwa.

Pompa wody zasilającej

Pompy wody zasilającej dostarczają wodę zasilającą z odgazowywacza do kotła. Pompy wody zasilającej utrzymują poziom wody w bębnie parowym i zapewniają ciągłe dostarczanie wody do generowania pary. Zawsze będzie więcej niż jedna pompa wody zasilającej ze względu na ich krytyczność (awaria pomp wody zasilającej może prowadzić do poważnych uszkodzeń kotła i otoczenia), a będą one zainstalowane na niższym poziomie niż odgazowywacz, aby zmniejszyć ryzyko kawitacji. Pompy wody zasilającej są zazwyczaj napędzane elektrycznie za pomocą silnika indukcyjnego lub za pomocą pary przez turbinę parową. Cyrkulacja wody w kotle ma dwa główne cele:

1. Dostarczanie wody – zapewnienie stałego dostarczania wody, która może być przekształcona w parę.
2. Rozprowadzanie ciepła – zapobieganie przegrzewaniu się rur kotłowych poprzez równomierne rozprowadzanie ciepła.

Pompy wody zasilającej są zazwyczaj oceniane jako 50% lub 100%, w zależności od tego, jak dużo pełnego obciążenia kotła mogą obsłużyć. Na przykład, pompa wody zasilającej o mocy 100% może obsłużyć całe zapotrzebowanie na wodę kotła, gdy działa on z maksymalnym obciążeniem. Woda dla attemperatorów (odprężaczy) jest dostarczana z pomp wody zasilającej. Uszczelki wału turbiny parowej są również chłodzone za pomocą wody zasilającej kotła.

Pompy wody zasilającej kotła zazwyczaj mają napęd o zmiennej częstotliwości (VFD), który pozwala na regulację ich częstotliwości elektrycznej, a co za tym idzie, ich prędkości i objętości wyładowania. Minimalny przepływ z pompy wody zasilającej kotła jest zapewniany przez użycie automatycznego zaworu recyrkulacyjnego (ARV).

Pompa wody zasilającej kotła (pompa odśrodkowa wielostopniowa)

Zawory bezpieczeństwa (SRV)

Zawory bezpieczeństwa (SRV) zapobiegają przeciążeniu w kotle. Zawory bezpieczeństwa są zaprojektowane do automatycznego uwalniania pary, gdy ciśnienie pary w kotle przekracza ustalony limit, zapewniając tym samym, że kocioł nie jest przeciążony. Zawory bezpieczeństwa kotła są klasyfikowane jako ‘nie wspomagane’ lub ‘wspomagane’. Zawór nie wspomagany otworzy się, gdy osiągnięte zostanie określone ciśnienie w systemie; jest to wyłącznie mechanicznie działający zawór, zazwyczaj opierający się na jednej lub wielu sprężynach. Zawór wspomagany otworzy się tylko wtedy, gdy osiągnięte zostanie określone ciśnienie w systemie i zostanie zastosowana dodatkowa siła zewnętrzna, aby ‘wspomóc’ otwarcie zaworu. Na przykład:

• Nie wspomagane – ciśnienie systemowe działające na dysk zaworu bezpieczeństwa powoduje, że sprężyna zaworu jest ściskana i zawór się otwiera.
• Wspomagane – ciśnienie systemowe działające na dysk zaworu bezpieczeństwa powoduje, że sprężyna zaworu jest ściskana, ale to nie powoduje otwarcia zaworu, dopóki nie zostanie zastosowana siła zewnętrzna. Siła zewnętrzna jest zazwyczaj stosowana za pomocą systemu hydraulicznego lub pneumatycznego, często używając tłoka, cylindra lub membrany.

SRV są zazwyczaj instalowane na bębnie parowym i kolektorach przegrzewaczy. Często w każdej pozycji instalowane są dwa SRV, co daje 100% redundancji w przypadku, gdy jeden zawór nie działa zgodnie z przeznaczeniem.

Warto wiedzieć – nadmierne drgania zaworu są spowodowane, gdy zawór otwiera się i zamyka szybko; to zjawisko jest znane jako chattering. Zawory typu wspomaganego unikają tego problemu, przechodząc bezpośrednio z pozycji całkowicie zamkniętej do całkowicie otwartej.

Zawór bezpieczeństwa sprężynowy (nie wspomagany)

Wskaźniki poziomu wody

Wskaźnik poziomu wody pokazuje poziom wody wewnątrz bębna parowego kotła. Wskaźniki poziomu wody mogą być zainstalowane lokalnie i oglądane lokalnie, takie jak szkło wskaźnikowe kotła, lub mogą być zainstalowane lokalnie i oglądane zdalnie, takie jak nadajniki poziomu ciśnienia, które mierzą poziom wody lokalnie i przesyłają go w formie sygnału elektrycznego 4-20 mA do zdalnej lokalizacji, np. do pokoju kontrolnego. Poziom wody w kotle można mierzyć bezpośrednio lub pośrednio, w zależności od użytego instrumentarium. Czasami za szkłem wskaźnikowym kotła montuje się światło, a kamera monitorująca jest skierowana na szkło wskaźnikowe; to rozwiązanie pozwala operatorom na zdalne monitorowanie poziomu wskaźnika, co czyni je opłacalną alternatywą dla elektronicznego instrumentarium.

WAŻNE: Utrzymanie prawidłowego poziomu wody w kotle jest najważniejszym zadaniem podczas eksploatacji jakiegokolwiek kotła!

Zamontowane szkło wskaźnikowe poziomu kotła (szkło wskaźnikowe)

Zawór spustowy

Regularne spusty pomagają utrzymać jakość wody i zapobiegać osadzaniu się kamienia. Zawór spustowy dolny jest używany do usuwania osadów i zanieczyszczeń z bębna mułowego; ten rodzaj spustu jest przerywany (nie jest stały).

Zawór spustowy dolny kotła płomieniówkowego

Zawór spustowy powierzchniowy jest używany do usuwania zanieczyszczeń z powierzchni wody w bębnie parowym; ten rodzaj spustu jest ciągły.

Zawór spustowy powierzchniowy kotła płomieniówkowego

Systemy sterowania

Nowoczesne kotły wodnorurowe są wyposażone w zaawansowane systemy sterowania, które jednocześnie regulują dostawę paliwa, przepływ powietrza, poziom wody i ciśnienie pary. Duże kotły wodnorurowe wykorzystują trójelementowe sterowanie do sterowania poziomem bębna, ale mniejsze kotły nie wymagają tak zaawansowanych systemów (np. sterowanie dwuelementowe lub podobne jest wystarczające). System sterowania kotłem wykonuje następujące zadania:

• Monitoruje i kontroluje wszystkie krytyczne parametry, w tym poziom bębna, temperatury pary, stosunek powietrza/paliwa, na podstawie wartości procesowych otrzymanych z instrumentów zamontowanych w terenie.
• Wydaje alarmy w przypadku odchyleń procesowych.
• Inicjuje wyłączenie w przypadku krytycznego odchylenia procesowego, takiego jak niski/wysoki poziom wody w bębnie, wysoka temperatura pary lub wysokie ciśnienie pary.
• Monitoruje pomocnicze urządzenia kotła pod kątem problemów i wykonuje automatyczne przełączenia, gdy jest to konieczne. Na przykład, włączenie pompy rezerwowej w przypadku awarii głównej pompy wody zasilającej.

Trójelementowe sterowanie bębnem kotła

Warto wiedzieć – trójelementowe sterowanie obejmuje czwarty element, ale często nie jest on pokazywany lub uwzględniany, gdy mowa o trójelementowym sterowaniu. Czwarty element to pomiar ciśnienia bębna parowego. Ważne jest, aby znać ciśnienie bębna parowego, ponieważ jest ono odpowiedzialne za zjawiska takie jak puchnięcie i kurczenie, które powodują znaczne wahania zarejestrowanego poziomu w bębnie parowym; to sprawia, że zarejestrowany poziom jest niewiarygodny, chyba że uwzględnione zostanie ciśnienie bębna parowego.

Zawory regulacyjne

Zawory regulacyjne regulują przepływ wody zasilającej do bębna parowego. W przypadku dużych kotłów wodnorurowych często występują redundantne zawory wody zasilającej. Podczas rutynowej eksploatacji zawory regulacyjne wody zasilającej działają automatycznie, aby utrzymać poziom wody w bębnie parowym blisko pożądanego punktu nastawy. 

Instrumentacja

Manometry, wskaźniki, nadajniki i czujniki to instrumenty używane do monitorowania różnych zmiennych procesowych kotła (ciśnienie, temperatura, przepływ itp.). Kotły wodnorurowe w elektrowniach wykorzystują wiele różnych typów instrumentów do celów lokalnego i zdalnego oglądania. Na przykład:

• Manometr jest używany do lokalnego wskazywania ciśnienia.
• Termometr jest używany do lokalnego wskazywania temperatury.
• Nadajnik przepływu może być używany do lokalnego i zdalnego wskazywania przepływu.
• Szkło poziomu jest używane do lokalnego wskazywania poziomu.
• Nadajnik poziomu przekazuje zmierzony poziom w czasie rzeczywistym do systemu sterowania w celu zdalnego monitorowania.

Nadajnik poziomu różnicy ciśnień (DP) bębna parowego

Warto wiedzieć – jeśli czujnik jest uznawany za krytyczny dla bezpiecznej eksploatacji kotła, zostanie zainstalowany wielokrotnie, nawet jeśli mierzy tę samą zmienną! Na przykład, poziom wody w bębnie parowym kotła jest bardzo ważny i musi być stale monitorowany, dlatego powszechną praktyką jest instalowanie trzech niezależnych nadajników poziomu na każdym bębnie parowym, a wszystkie one mierzą ten sam poziom wody. Jeśli jeden czujnik zawiedzie, zakłada się, że pozostałe dwa są nadal niezawodne, a kocioł może pozostać w eksploatacji, podczas gdy uszkodzony czujnik jest naprawiany; to ustawienie nazywa się logiką głosowania dwa z trzech (2oo3) i jest stosowane w całym świecie inżynierii dla systemów krytycznych dla bezpieczeństwa. Na przykład, aby zainicjować wyłączenie kotła w przypadku wysokiego poziomu wody w bębnie, dwa z trzech nadajników poziomu muszą być na lub powyżej punktu wyłączenia przez określony czas (zazwyczaj kilka sekund).

Warto wiedzieć – redundancja jest jedną z metod zapewnienia, że wszystkie systemy krytyczne dla bezpieczeństwa są skutecznie monitorowane, ale istnieje również metoda ‘różnorodności’. Metoda różnorodności polega na różnorodności czujników używanych do danego pomiaru, a nie na ich ilości. Na przykład, poziom bębna parowego kotła może być mierzony za pomocą czujników przewodności, pływaków lub przetworników różnicy ciśnień; instalacja wszystkich trzech daje wyniki z różnych czujników, co jest uważane za bardziej niezawodne niż po prostu trzy pomiary z tego samego typu czujnika.

Stos gazów spalinowych

Stos gazów spalinowych wypuszcza gazy spalinowe kotła do atmosfery. W przypadku niektórych kotłów gazy spalinowe mogą być wypuszczane bez obróbki, ale nie jest to prawdą dla kotłów opalanych paliwami kopalnymi, takich jak te spalające olej, węgiel lub biopaliwa; kotły spalające odpady również wymagają oczyszczania gazów spalinowych. Standardowe wyposażenie do kontroli zanieczyszczeń obejmuje elektrofiltry, odsiarczacze gazów spalinowych i/lub filtry workowe.

Elektrofiltr

Wdmuchiwacz sadzy

Wdmuchiwacze sadzy używają sprężonego powietrza lub pary do czyszczenia sadzy z rur kotła, powierzchni promieniowych paleniska, ekonomizerów i podgrzewaczy powietrza. Czyszczenie wnętrza kotła z sadzy zapewnia utrzymanie efektywności przenoszenia ciepła (sadza na rurach działa jako izolator termiczny i zapobiega przenoszeniu ciepła, co prowadzi do zmniejszenia efektywności kotła). Efektywne przenoszenie ciepła może być utrudnione przez kilka problemów, z których najczęstsze to:

• Tworzenie się kamienia – nagromadzenie zmineralizowanych osadów na wewnętrznych powierzchniach kotła, które izolują je i zmniejszają efektywność przenoszenia ciepła.
• Gromadzenie się sadzy – występuje w kotłach opalanych paliwami kopalnymi, gdzie niepełne spalanie prowadzi do nagromadzenia sadzy na powierzchniach przenoszenia ciepła kotła, co prowadzi do zmniejszenia przenoszenia ciepła.

Attemperator

Attemperatory kontrolują temperaturę pary poprzez wstrzykiwanie wody zasilającej kotła pod wysokim ciśnieniem do przepływu pary, co w konsekwencji zapobiega przegrzaniu, które mogłoby uszkodzić komponenty znajdujące się dalej. Attemperatory mogą być zainstalowane:

1. Na głównej linii wyjściowej pary kotła (po ostatnim przegrzewaczu).
2. Między przegrzewaczami, na przykład między drugim a trzecim przegrzewaczem.
3. W konfiguracji pierwotnej i wtórnej, gdzie pierwotny jest zainstalowany między przegrzewaczami, a wtórny jest zainstalowany na głównej linii wyjściowej pary.

Zazwyczaj attemperatory działają automatycznie, aby utrzymać temperatury pary na lub blisko danego punktu nastawy. Attemperatory są krytyczne dla bezpiecznej eksploatacji kotła i jego odbiorców pary. Niesprawny attemperator może prowadzić do zalania linii parowych, co prowadzi do uderzenia wodnego w rurociągach parowych i uszkodzenia jakichkolwiek turbin parowych znajdujących się dalej z powodu przenoszenia wilgoci. Aby zapobiec takim problemom, temperatura pary jest starannie monitorowana bezpośrednio po attemperatorach.

Warto wiedzieć – attemperatory są również znane jako ‘odprężacze’.

Rurociągi parowe

Rurociągi parowe transportują parę z kotła do punktu użytkowania, takiego jak turbiny lub urządzenia procesowe. Rurociągi parowe będą izolowane, aby zmniejszyć straty ciepła i mogą być wspierane przez wieszaki rurociągowe lub podpory rurociągowe (podpory przesuwne itp.).

Wieszak rurociągowy zmienny