ΤΥΠΟΙ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΑ ΤΜΗΜΑΤΑ ΑΤΜΟΛΕΒΗΤΩΝ Ατμολέβητες με φλογοσωλήνα και αεριαυλούς Πλεονεκτήματα ατμολεβήτων φλογοσωλήνα: Συμπαγής κατασκευή Λειτουργία σε μεγάλο εύρος παροχών ατμού Φθηνότερη λύση Μειονεκτήματα ατμολεβήτων φλογοσωλήνα: Πίεση ατμού χαμηλή. Αύξηση της απαιτεί μεγάλα πάχη τοιχώματος Μικρή επιφάνεια εναλλαγής ανά μονάδα όγκου εγκατάστασης Αργή απόκριση (λόγω μεγάλης μάζας νερού) Δύσκολη υπερθέρμανση (όχι εντελώς ξηρός ατμός) Ο υδροθάλαμος (δοχείο ατμολέβητα) είναι συνέχεια υπό πίεση. Κίνδυνος σοβαρού δυστυχήματος Βασικός θερμοϋδραυλικός σχεδιασμός: Ακτινοβολία στον φλογοσωλήνα. Επιφάνεια με κυματισμούς για (α) παραλαβή διαστολών και (β) αύξηση τύρβης καυσαερίων Συναγωγή στους αεριαυλούς
Ατμολέβητες με υδραυλούς Οι ατμολέβητες της ενεργειακής βιομηχανίας (utility boilers) είναι πολύπλοκες θερμοϋδραυλικές εγκαταστάσεις που επιτυγχάνουν προθέρμανση του νερού, εξάτμιση, υπερθέρμανση, αναθέρμανση και ρύθμιση της τελικής θερμοκρασίας του ατμού για τροφοδοσία σε ατμοστροβίλους. Βασικός στόχος του σχεδιασμού είναι η μεγιστοποίηση του βαθμού απόδοσής. Οι βιομηχανικοί ατμοπαραγωγοί είναι συνήθως μικρότερης δυναμικότητας και πίεσης, ενώ -παράλληλα με τον βαθμό απόδοσης- ενδιαφέρει η αξιοπιστία και η ευελιξία στη λειτουργία (αυξομειώσεις δυναμικότητας, αλλαγή καυσίμου). Σε πολλές περιπτώσεις ο ατμοπαραγωγός παρέχεται ως μία προσυναρμολογημένη κατασκευή (package boilers).
Τμήματα εναλλαγής θερμότητας Τα τοιχώματα των μεγάλων ατμοπαραγωγών αποτελούνται από κατακόρυφους υδραυλούς, 50-75 mm (30-40 mm για εξαναγκασμένη ανακυκλοφορία) συνδεδεμένους με ελάσματα, και συνιστούν τον χώρο ακτινοβολίας (radiation box). Η απόσταση μεταξύ των υδραυλών καθορίζεται από το είδος του καυσίμου (ποιότητα καυσαερίων / σημείο τήξης τέφρας). Η διάταξη των αυλών και η μόνωσή τους καθορίζουν την θερμορροή ακτινοβολίας που δέχονται. Ο βασικός θερμικός υπολογισμός συνίσταται στον προσδιορισμό της θερμοκρασίας εξόδου των καυσαερίων από τον χώρο ακτινοβολίας.
Όπως τα καυσαέρια εξέρχονται από τον χώρο ακτινοβολίας, συναντούν στη διαδρομή τους πολλαπλές συστοιχίες αυλών (50-75 mm) που συνιστούν διαδοχικά τους υπερθερμαντές και αναθερμαντές του ατμού και τον προθερμαντήρα του νερού τροφοδοσίας. Ο σχεδιασμός απαιτεί διασφάλιση της μέγιστης επιτρεπτής θερμοκρασίας εισόδου των καυσαερίων (όπως εξέρχονται από τον χώρο ακτινοβολίας) ώστε να μην αστοχήσουν οι αυλοί των υπερθερμαντήρων. Η θέση των αυλών είναι τώρα στο κέντρο του αεραγωγού καθώς η μεταφορά θερμότητας γίνεται με συναγωγή. Ο προθερμαντήρας του αέρα καύσης είναι συνήθως αναγενητής (regenerator) περιστροφικού τύπου.
Υδροθάλαμος (τύμπανο) Ο υδροθάλαμος (τύμπανο) είναι επιμήκες, οριζόντιο δοχείο τοποθετημένο υψηλά στην έξοδο των αυλών εξάτμισης. Λειτουργεί ως δοχείο αποθήκευσης νερού, ως θέση εισόδου της τροφοδοσίας (και των χημικών), ως θέση εκμάστευσης και ως διαχωριστής του παραγόμενου ατμού από το υγρό που ανακυκλοφορεί. Λόγω της τελευταίας λειτουργίας, περιέχει φυγοκεντρικούς διαχωριστές και απομακρυντές σταγονιδίων. Ισοζύγια μάζας/ενέργειας γύρω από το τύμπανο συνδέουν τη θερμοκρασία εισόδου του νερού στον χώρο εξάτμισης με τη θερμοκρασία του νερού τροφοδοσίας.
ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΤΜΟΛΕΒΗΤΩΝ Κατανομή θερμικών φορτίων και ανακυκλοφορία εργαζόμενου μέσου Η διαμόρφωση του θαλάμου ατμοπαραγωγής (χώρος ακτινοβολίας) αξιοποιεί δύο χαρακτηριστικά της εξάτμισης: Η θερμοκρασία εξάτμισης είναι σχεδόν σταθερή και συνεπώς ελαχιστοποιούνται οι θερμικές τάσεις των συγκολλημένων αυλών (αυτό το χαρακτηριστικό ισχύει προσεγγιστικά και για την μεταβολή σε υπερκρίσιμη πίεση βλ. διάγραμμα TS) Οι υψηλοί συντελεστές εξάτμισης/βρασμού διασφαλίζουν χαμηλές θερμοκρασίες των τοιχωμάτων παρά τις υψηλές θερμορροές ακτινοβολίας Υψηλοί συντελεστές μεταφοράς μπορούν να επιτευχθούν είτε με μερική εξάτμιση και ανακυκλοφορία του νερού από τον υδροθάλαμο στην είσοδο είτε με ένα πέρασμα και πλήρη εξάτμιση της τροφοδοσίας. Η λύση του ατμολέβητα ανακυκλοφορίας εφαρμόζεται όταν η πίεση λειτουργίας είναι μικρότερη της κρίσιμης και στοχεύει στην διατήρηση βρασμού πυρηνογένεσης. Ικανοποιητικός λόγος ανακυκλοφορίας (πχ >4) εξασφαλίζει μικρή ποιότητα μίγματος στην έξοδο της ατμοποίησης και συνεπώς αποφυγή κρίσης βρασμού (DNB ή Dryout). Η λύση του ατμολέβητα ενός περάσματος εφαρμόζεται σε υπερκρίσιμες πιέσεις λειτουργίας, οπότε δεν απαιτείται καταρχήν υδροθάλαμος. Το ρευστό μεταβάλει τις ιδιότητές του κατά συνεχή τρόπο, και συνεπώς δεν υπάρχει η έντονη μεταβολή θερμικής αγωγιμότητας μεταξύ νερού και ατμού που οδηγεί σε κρίση βρασμού. Ικανοποιητικοί ρυθμοί θερμορροής εξασφαλίζονται με υψηλές μαζικές ταχύτητες, δηλαδή μικρότερη διάμετρο και μικρότερο πλήθος παράλληλων αυλών, σχεδιασμός που οδηγεί σε μεγαλύτερη πτώση πίεσης. Η ανακυκλοφορία του βραστού νερού στην υποκρίσιμη λειτουργία μπορεί να προκαλείται από την διαφορά πυκνότητας στους αγωγούς καθόδου (νερό) και ανόδου (διφασικό μίγμα). Αυτή αναφέρεται ως φυσική ανακυκλοφορία και είναι αποτελεσματική έως πίεση P<180 bar, καθώς σε υψηλότερες πιέσεις η διαφορά πυκνότητας είναι ανεπαρκής για να καλύψει την πτώση πίεσης στην ελάχιστη απαιτούμενη ανακυκλοφορία. Εναλλακτικά, η ανακυκλοφορία μπορεί να επιβάλλεται από αντλία στους αγωγούς καθόδου (εξαναγκασμένη ανακυκλοφορία). Έτσι, η πίεση λειτουργίας φτάνει ως P=200 bar. Ενδεικτικά, η διάμετρος των αυλών του χώρου ακτινοβολίας είναι 50-75 mm αν ο ατμολέβητας λειτουργεί με φυσική ανακυκλοφορία, 30-50 mm στην εξαναγκασμένη ανακυκλοφορία και 20-40 mm στον λέβητα ενός περάσματος.
Θερμοδυναμικός βαθμός απόδοσης κύκλου Οι παραπάνω εναλλάκτες βελτιώνουν τον βαθμό απόδοσης του κύκλου (θερμοδυναμική ανάλυση).
Χαρακτηριστικές διαστάσεις ατμολεβήτων - Ειδική φόρτιση χώρου καύσης Τα βασικά σχεδιαστικά προβλήματα του ατμολέβητα είναι: Ικανοποιητικός όγκος φούρνου για πλήρη καύση του καυσίμου Ικανοποιητική επιφάνεια διατομής και χωροθέτηση καυστήρων για προστασία των πλευρικών τοιχωμάτων από τις φλόγες καύσης Ικανοποιητική επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας για ψύξη των καυσαερίων σε θερμοκρασία ασφαλή για τους αυλούς υπερθερμαντήρων, αναθερμαντήρων. Κατανομή των επιφανειών εναλλαγής θερμότητας ώστε να δέχονται παρόμοια θερμορροή Αξιόπιστη λειτουργία του κυκλώματος ατμοπαραγωγής Ευελιξία σε μεταβολή καυσίμου Πίνακας 1: Μέγιστη θερμική φόρτιση ανά μονάδα επιφάνειας λέβητα [=] MW/m 2 Δυναμικότητα (t/h ατμού) 200 400 700-1000 1000-1600 Άνθρακας 2,1-2,7 2,9-4,0 3,3-4,5 4-4,5 Αέριο ή πετρέλαιο 4,1-4,8 4,2-5,2 5,2-6,2 6,0-6,4 Πίνακας 2: Μέγιστη θερμική φόρτιση ανά μονάδα όγκου λέβητα ξηρής τέφρας [=] MW/m 3 Καύσιμο/ άνθρακας λιγνίτης πετρέλαιο φυσικό αέριο Καυστήρες ξηρής τέφρας 0,10-0,20 0,10-0,15 0,23-0,35 0,35 Εστία καύσης 0,2-0,3 0,2-0,3 - - Ρευστοστερεά κλίνη 1,7-2,1 1,7-2,1 - - Ο όγκος των θαλάμου καύσης μικρών ατμολεβήτων επιλέγεται σύμφωνα με τον Πίνακα 2 για να εξασφαλίζεται πλήρης καύση. Όμως για δυναμικότητες πάνω από 400 t/h ατμού, η απαίτηση ψύξης των καυσαερίων σε ασφαλή θερμοκρασία στην έξοδο δίνει συνήθως μεγαλύτερο θάλαμο καύσης.
Απώλειες-Βαθμός απόδοσης ατμολεβήτων Ο βαθμός απόδοσης η ορίζεται ως το πηλίκον ωφέλιμης προς διαθέσιμη θερμότητα. η = Q ωφ Q ολ = Q ωφ m Β H avail = Q ωφ m Β ( ΔΗ Β +c p, Β T Β +c p, Α T Α ) όπου Q ωφ = m sh (H sh H w ) + m rh ( H rh,o H rh,i ) + m bd (H sw H w ) είναι αντίστοιχα η συνολική ενθαλπία των ρευμάτων υπέρθερμου ατμού, αναθερμασμένου ατμού και συμπυκνώματος στην εκμάστευση. Ο όρος Η avail είναι η διαθέσιμη θερμική ενέργεια ανά kg καυσίμου, όπου m B η παροχή καυσίμου, ΔΗ Β η κατώτερη θερμογόνος δύναμη και Τ Α, Τ Β οι θερμοκρασίες προθέρμανσης του αέρα καύσης και του καυσίμου. Ο παραπάνω άμεσος προσδιορισμός του βαθμού απόδοσης είναι πρακτικά δύσκολος λόγω των πολλών ρευμάτων προϊόντων και της δυσκολίας μέτρησης παροχών. Για τον λόγο αυτό ο βαθμός απόδοσης υπολογίζεται συνήθως έμμεσα, αθροίζοντας τις διάφορες απώλειες ως εξής: Q ολ = Q ωφ + Q G + Q E + Q L + Q S ν η = 1 η G η E η L η S Q G = m G c pg T G = m B μ G c pg T G απώλειες με τα καυσαέρια, όπου μ G kg καυσαερίων που παράγονται ανά kg καυσίμου Q Ε απώλειες καύσης και εστίας η E =0,99 1 για φυσικό αέριο ή πετρέλαιο, η E =0,95 0,98 για άνθρακα με καυστήρες, η E =0,85 0,95 για άνθρακα σε σχάρα Q L 0,3έως 0,6Q 0,7 απώλειες στο περιβάλλον Q S απώλειες με την τέφρα Θερμικός σχεδιασμός χώρου ακτινοβολίας Ο υπολογισμός εναλλαγής θερμότητας με ακτινοβολία στις συνθήκες του ατμολέβητα είναι ιδιαίτερα πολύπλοκος. Προκαταρκτικός υπολογισμός βασίζεται στην εναλλαγή θερμικής ακτινοβολίας μεταξύ δύο σωμάτων (1) και (2), που το (1) περιέχεται στο εσωτερικό του (2). Q = 1 ε 1 ε 1 Α 1 + σ (T 1 4 T 2 4 ) 1 Α 1 F 12 + 1 ε 2 ε 2 Α 2 Ως επιφάνεια (1) λαμβάνεται η φλόγα (f), με ειδική πρόνοια για τον υπολογισμό του βαθμού εκπομπής της και ως επιφάνεια (2) το τοίχωμα του φλογοσωλήνα ή των υδραυλών (w). Σε φλογαυλωτούς λέβητες ισχύει ότι F 12 =1 και συνεπώς Q = σ Α f (T f 4 T w 4 ) 1 + ε f ( 1 A 1 ε w ) f Α w σ Α w T f 4 ε σ Α w T f 1 + ε f ( 1 1 ε w ) 4 όπου ε = ( 1 + 1 1 1 ε f ε w ) (1) (2) Για υδραυλωτούς λέβητες, ο συντελεστής θέασης (view factor) είναι μικρότερος της μονάδας, και εξαρτάται από το διάκενο μεταξύ των αυλών και την απόστασή τους από το τοίχωμα του λέβητα. Επίσης, λαμβάνεται εμπειρικός συντελεστής αποθέσεων (ζ=0,65 για αέριο, ζ=0,55 για μαζούτ,
ζ=0,35-0,55 για καυστήρες άνθρακα, ζ=0,1-0,2 για πυρίμαχη κάλυψη των αυλών) και ορίζεται ο συντελεστής θερμικής απόδοσης του τοιχώματος των αυλών ψ=f 12 ζ. Η θερμορροή υπολογίζεται τελικά από την σχέση Q = σ ε f ε w ψ A w (T 4 f T 4 4 w ) σ ε f ε w ψ A w T f (3) Η εκπομπή και η απορρόφηση ακτινοβολίας από θερμά καυσαέρια διαφέρει πολύ από τα αντίστοιχα φαινόμενα με στερεές επιφάνειες, κυρίως επειδή περιορίζεται σε ορισμένα μήκη κύματος και επειδή εξαρτάται έντονα από το πάχος της ζώνης καυσαερίων. Ο βαθμός εκπομπής της φλόγας υπολογίζεται από σχέσεις της μορφής ε f = 1 ε k f P S (4) όπου Ρ η πίεση, S το χαρακτηριστικό πάχος της ζώνης ακτινοβολίας ( S 3,6 V f / A w, πχ για φλογαυλωτό λέβητα S=d φλογαυλού) και k f ο συντελεστής απόσβεσης της φλόγας που εξαρτάται από την σύσταση σε τριατομικά αέρια (CO 2, H 2 O, SO 2 ) και σωματίδια άνθρακα/τέφρας, την πίεση και τη θερμοκρασία της φλόγας (διαγράμματα Hottel ή αναλυτικές συσχετίσεις). Η εξ. (4) προκύπτει από την μοντελοποίηση της απορρόφησης ακτινοβολίας έντασης Ι(x) διαμέσου στρώματος αερίου πάχους dx σε πίεση Ρ. di = k f P I dx I (S)= I 0 e k f P S ε f a f = I 0 I (S) (5) I 0 Στην περίπτωση στερεού καυσίμου, ο συντελεστής απόσβεσης k f υπολογίζεται από τη σχέση k f = k G r+k a μ a +k c x 1 x 2 (6) όπου r είναι το κλάσμα όγκου τριατομικών μορίων στα καυσαέρια (CO 2 +H 2 O+SO 2 ) και k G = 10[ 0,78+1,6r H 2 O (7) 1000) (10 P S r) 1/ 2 0,1 ]( 1 0,37 T G e Οι δύο επόμενοι όροι της εξ. (6) είναι ημιεμπειρικές διορθώσεις για την επίδραση της ιπτάμενης τέφρας και του κωκ. Στην περίπτωση υγρού ή αερίου καυσίμου, η φλόγα χαρακτηρίζεται κατά ένα ποσοστό ως φωτεινή (luminus) και κατά το υπόλοιπο σκοτεινή. Συνεπώς χρησιμοποιείται η σχέση ε f = x lum (1 ε k lum P S ) + (1 x lum )(1 ε k non PS ) (8) όπου k lum = k G r +k s, k non = k G r και ο συντελεστής k s δίνει τη συνεισφορά της αιθάλης σύμφωνα με τη σχέση k s = 0,3(1 λ)( 1,6 T Ge 1000 0,5 )( C H ) B (9) Για καύσιμο πετρέλαιο x lum = 0,55, ενώ για φυσικό αέριο x lum = 0,10. Παρατηρήστε ότι σύμφωνα με τις εξ. (6-9) η αντικατάσταση υγρού ή στερεού καυσίμου από φυσικό αέριο μειώνει αισθητά τον βαθμό εκπομπής της φλόγας και συνεπώς επιδεινώνει την μεταφορά θερμότητας στο τμήμα ακτινοβολίας. Η θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων από τον χώρο ακτινοβολίας προσδιορίζεται με διαδικασία δοκιμής και σφάλματος με βάση το ισοζύγιο ενέργειας. Αν Τ Ga =Η avail /(μ G c pg ) είναι η αδιαβατική θερμοκρασία φλόγας και Τ Ge η θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων, ο παραπάνω υπολογισμός της θερμορροής Q με ακτινοβολία από τη φλόγα προς το τοίχωμα εκτελείται θεωρώντας ως μέση θερμοκρασία φλόγας την T f = Τ Ga Τ G e. Η θερμορροή Q προκαλεί αντίστοιχη μείωση της θερμοκρασίας των καυσαερίων, και συνεπώς στην έξοδο του χώρου ακτινοβολίας ισχύει Q = m G c pg (T Ga T G e ) (10) Συνδυάζοντας τις εξ. (2-3) και (10), προκύπτει τελικά η σχέση ( Τ 2 Ge = Τ Ga ) Bo( 1 Τ Ge Τ Ga ) όπου ο αδιάστατος αριθμός Boltzmann είναι
Bo = m G c pg για υδραυλωτό και Bo = m c G pg για φλογαυλωτό λέβητα. 3 3 σ ε f ε w ψ A w T Ga σ ε A w T Ga Επειδή ο συντελεστής απόσβεσης είναι συνάρτηση της Τ G e, απαιτείται επαναληπτική διαδικασία. Με βάση τα παραπάνω, υπολογίζεται είτε η θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων για καθορισμένο χώρο ακτινοβολίας είτε η επιφάνεια του χώρου που απαιτείται για να ψυχθούν τα καυσαέρια ως καθορισμένη θερμοκρασία.