BADANIA CIEPLNE URZĄDZEŃ KOTŁOWYCH

Cel i zakres badańCelem prac jest wyznaczenie sprawności kotłów w

ciepłowniach objętych projektem, w tym:analiza składu spalin pod kątem zawartości O2, CO2, CO, SO2,

NOx,

wyznaczenie strat energii cieplnej w kotłach, sporządzenie bilansu cieplnego i wykresu Sankey’a.

Określenie sprawności badanych obiektów zostanie przeprowadzone zgodnie z wytycznymi zawartymi w normie

PN-EN 12952-15 „Kotły wodnorurowe i urządzenia pomocnicze”

Wstęp

Badania cieplne urządzeń kotłowych dzieli się na:OdbiorczeEksploatacyjneKontrolneSpecjalistyczne

Celem badań kontrolnych jest ocena pracy urządzeń kotłowych w określonych warunkach eksploatacyjnych np.: zmianie jakości paliwa, modernizacji, remoncie oraz stwierdzenia zmian osiągów eksploatacyjnych wynikających z naturalnego starzenia się technicznego kotłów (zanieczyszczeń powierzchni ogrzewalnych).

Sprawność brutto urządzenia kotłowego

W założeniach badań przyjęto wykonanie bilansu cieplnego urządzenia kotłowego, w związku z czym wyznaczone sprawności są sprawnościami brutto rozumianymi jako stosunek strumienia ciepła przekazanego czynnikowi roboczemu w urządzeniu kotłowym QD do strumienia energii chemicznej paliwa doprowadzonego do tego urządzenia QB.

Sprawność brutto nie uwzględnia zużycia energii na potrzeby własne urządzenia kotłowego (napędy zespołów pomocniczych).

B

Dk Q

Q

Wybór metody wyznaczania sprawności cieplnej urządzeń kotłowychSprawność brutto może być wyznaczona metodą bezpośrednią lub pośrednią.

Metoda bezpośrednia – zalecana w przypadku zapewnienia z dostateczną dokładnością pomiaru masy spalanego paliwa i wyznaczania uśrednionej wartości tego paliwa.

Metoda pośrednia – zalecana dla paliw stałych gdzie jest niemożliwe lub wyjątkowo trudne przeprowadzenie pomiaru strumieni masy przepływów i w przypadku gdy własności paliwa mogą podlegać zmianom.

Wybór metody wyznaczania sprawności cieplnej urządzeń kotłowychSprawność brutto może być wyznaczona metodą bezpośrednią lub pośrednią.

Metoda bezpośrednia – zalecana w przypadku zapewnienia z dostateczną dokładnością pomiaru masy spalanego paliwa i wyznaczania uśrednionej wartości tego paliwa.

Metoda pośrednia – zalecana dla paliw stałych gdzie jest niemożliwe lub wyjątkowo trudne przeprowadzenie pomiaru strumieni masy przepływów i w przypadku gdy własności paliwa mogą podlegać zmianom.

Uzasadnienie wyboru metody określania sprawnościBadania kontrolne są w większości przypadków prowadzone dla zestawienia bilansu energii umożliwiającego analizę wartości poszczególnych strat ciepła. Znajomość występujących strat umożliwia podjęcie działań w celu ich ograniczenia oraz opracowania zaleceń w odniesieniu do koniecznych zmian warunków eksploatacyjnych , sposobu obsługi i poprawy stanu technicznego

Wybrana do badań metoda pośrednia zwana metodą określenia strat polega na określeniu wszystkich obliczalnych strat ciepła i strumienia energii zawartej w paliwie, przy czym sprawność jest równa 100 minus suma strat ciepła.

gdzie:

ΣS – suma strat ciepła, %.

%100 Sk

Suma strat ciepła

ocnw SSSSS

gdzie:

wS – strata wylotowa, %;

nS – strata niezupełnego spalania, %;

cS – strata niecałkowitego spalania, %;

oS – strata ciepła do otoczenia zwana często stratą promieniowania, %.

Strata wylotowaStrata wylotowa powstająca w skutek występowania za ostatnią powierzchnią ogrzewalną wyższej temperatury spalin niż temperatura powietrza doprowadzonego do urządzenia kotłowego.

gdzie:

Vss – ilość spalin suchych za ostatnią powierzchnia ogrzewalną, m3/kg;

Vw – ilość pary wodnej w spalinach za ostatnią powierzchnią ogrzewalną, m3/kg (m3 w normalnych warunkach fizycznych);

cps – średnie ciepło właściwe spalin suchych przy stałym ciśnieniu w zakresie temperatur od ts

do t0 w normalnych warunkach fizycznych, kJ/(m3 K);

cpw – średnie ciepło właściwe pary wodnej w spalinach przy stałym ciśnieniu w zakresie temperatur od ts do t0 w normalnych warunkach fizycznych, kJ/(m3 K);

ts – temperatura spalin za ostatnią powierzchnia ogrzewalną, °C;

t0 – temperatura powietrza doprowadzanego do paleniska, °C.

%1000

tt

Q

cVcVS sj

r

pwwpsssw

Strata niecałkowitego spalania ScStrata niecałkowitego spalania, zwana też stratą niedopału jest wywołana obecnością nie spalonych cząstek paliwa w odpadach takich jak żużel, przesyp i lotny popiół.

Przy określeniu tej straty zostanie przyjęte, że wartość opałowa części palnych w odpadach jest taka jak pierwiastka węgla, czyli 33 829 kJ/kg.

gdzie:

Sż – strata w żuzlu, %;

Sp – strata w przesypie (palenisko rusztowe), %;

Sl – strata w lotnym popiele, %.

,%lpżc SSSS

Strata w żużlu i przesypie spowodowana zawartością nieopalonych cząstek paliwa jest obliczona z równania:

gdzie:

Ż – masa żużla, kg/s;

Cż – zawartość części palnych w żużlu, %;

P – masa przesypu, kg/s;

Cp – zawartość części palnych w przesypie, %.

B – strumień spalanego paliwa, kg/s;

Qrj – wartość opałowa paliwa w stanie roboczym kJ/kg.

,%

33829rj

żż

BQ

ŻCS

,%

33829rj

pp

BQ

PCS

Strata w żużlu Sż i przesypie Sp

Strata w lotnym popiele, która jest spowodowana drobnymi cząstkami koksu (po odgazowaniu paliwa) unoszonymi razem z lotnym popiołem z paleniska zostanie wyznaczona z równania

gdzie:

L – masa lotnego popiołu, kg/s;

Cl – zawartość części palnych w lotnym popiele, %.

,%

33829rj

ll

BQ

LCS

Strata w lotnym popiele

Ten rodzaj strat jest wywołany obecnością w spalinach CO, H2, CnHm. W

przypadku braku możliwości wyznaczenia zawartości wodoru

i węglowodorów w spalinach dopuszcza się założenie, że głównym

produktem spalania niezupełnego jest tlenek węgla.

Strata niezupełnego spalania zostanie obliczona z równania:

gdzie:

Vss – objętość spalin suchych dla danego λ, m3/kg;

[CO] – zawartość tlenku węgla w spalinach suchych, %;

wielkość liczbowa (12644) – iloczyn gęstości i wartości opałowej CO, kJ/m3.

,%

12644rj

ssn

Q

COVS

Strata niezupełnego spalania

Ponieważ pomiar strat ciepła, których przyczyną jest promieniowanie i konwekcja, zwykle nie jest możliwy, to stosowane są wartości empiryczne.

Strata do otoczenia zostanie wyznaczona na podstawie równania

gdzie:C - współczynnik, który dla kotłów na węgiel kamienny wynosi 0,022

- maksymalna moc cieplna użyteczna, MW.

,%7,0No QCS

NQ

Strata do otoczenia

Graficzne przedstawienie bilansu wykres Sankey’a

Qd – 100 % (Ciepło doprowadzone w paliwie)

Qu – 88,3 % (Ciepło użyteczne)

Sw – 6,6 % (Strata wylotowa)

Sc – 3,9 % (Strata niecałkowitego spalania)

So – 1,2 % (Strata do otoczenia)

Sn – 0,0 % (Strata niezupełnego spalania)

• Ustalenie warunków technicznych w jakich powinien znajdować się kocioł podczas pomiarów• Kontrolne nawęglenie kotła• Ustalony stan cieplny (praca kotła min 3 godziny przed

rozpoczęciem pomiarów z mocą cieplną ustaloną programem badań)

• Ponowne kontrolne nawęglenie kotła (po 24 h lub 12 h)

• Przeprowadzenie pomiarów

Przygotowanie i przebieg pomiarów

Wielkości mierzone

•Strumień masy paliwa,•Strumień masy wody chłodzącej oraz temperatura na dopływie i odpływie z kotła,•Strumień masy odprowadzonego żużla, przesypu, pyłu,•Temperatura spalin na wylocie (miernik cyfrowy EMT55),•Temperatura i zawartość wilgoci w powietrzu do spalania (termohigrometr H560),

•Skład spalin (zawartość CO2, O2, CO, NOx, SO2) – analizator spalin PG-250,•Wartość opałowa, ciepło spalania, zawartość wilgoci i popiołu oraz elementarny skład paliwa (C, H2, S, O2, N2),

•Zawartość niespalonych części palnych w żużlu, przesypie, pyle.

Analiza składu spalinAutomatyczny analizator gazów PG-250 (Horiba).

Analizator PG-250 spełnia wymagania „Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 4 listopada 2008r. w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów wielkości emisji oraz pomiarów ilości pobieranej wody”

(Dz.U. 206/2008 poz.1291)

DANE TECHNICZNE

Mierzone wielkości NOx / SO2 / CO / CO2 / O2

Metody pomiaru NOx: CLD (Chemiluminescencja)SO2 / CO / CO2: NDIR (Absorpcja w podczerwieni)O2: Celka galwaniczna / Detektor paramagnetyczny

•Analiza spalin – 1 min (zapis automatyczny)•Pomiar przepływu – 3 min•Pomiar temperatury - 10 min

Częstość odczytów wskazań przyrządów pomiarowych

Problemy występujące podczas badań:

•Wyznaczenie strumienia paliwa•Wyznaczenie strumienia żużlu, przesypu i pyłu•Nieszczelności kanałów spalinowych•Utrzymanie stałej mocy kotła •Warunki atmosferyczne

Wpływ strumienia paliwa na wielkość straty niecałkowitego spalania

Rodzaj straty

Zmierzona ilość paliwa(95 t / 24 h)

Zwiększona ilość paliwa o 5 ton (+ 5,5%)

Zmniejszona ilość paliwa o 5 ton (- 5,5%)

żużel Sż 2,38 % 2,28 % 2,52 %

przesyp Sp 0,12 % 0,12 % 0,13 %

pył Sl 0,13 % 0,12 % 0,14 %

niecałkowitego spalania Sc

2,64 % 2,52 % 2,79 %

Zmiana ilości paliwa o 5 % ≈ 0,15 % zmiana strat niecałkowitego spalania

Strata niezupełnego spalania w zależności od ilości tlenku węgla w spalinach

Tlenek węgla [CO] ppm

Strata niezupełnego spalania %

50 0,028

100 0,057

1000 0,57

2000 1,14

3000 1,7

4000 2,27

5000 2,84

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Zawartość CO [ppm]

Str

aty

nie

zu

pełn

ego

spala

nia

[%

]

Charakterystyka badanych obiektówLp. Miejscowość Moc cieplna

zainstalowana /MW/

Liczba kotłów na

paliwo stale

Liczba kotłów po

badaniach

1 Olsztyn 179,80 6 2

2 Biała

Podlaska 77,77 3 0

3 Iława 57,010 4 1

4 Mrągowo 50,04 4 0

5 Ostróda 46,15 4 0

6 Kętrzyn 39,80 4 1

7 Bartoszyce 36,20 4 1

8 Działdowo 19,02 4 2

9 Morąg 18,60 2 1

10 Nidzica 13,50 2 2

ŁĄCZNIE 37 10

Rodzaj stratyK1

ściany szczelne

K6

So 1,15 % 1,15 %

Sc 3,41 % 2,64 %

Sn 0,01 % 0,03 %

Sw 6,51 % 7,78 %

SUMA STRAT 11,08 % 11,60 %

SPRAWNOŚĆ 88,92 % 88,4 %

Wyniki badań:

Dziękuję za uwagę