ENERGETYKA

1

� Palniki � Charakterystyka kotłów� Sprawność, oszczędności energii� Schematy hydrauliczne kotłowni wodnych

niskotemperaturowych� Warunki projektowe i eksploatacji kotłów� Kotły parowe

2

3

� Stosowane są głównie różne gatunki gazu ziemnego. Gazy płynne i gaz miejski nie będą tu omawiane, ze względu na rzadkie stosowanie.

� Gaz ziemny jest gazem naturalnym, złożonym głównie z metanu (CH4). Skład jego jest bardzo zróżnicowany, zależnie od miejsca wydobycia. Zazwyczaj zawiera także gazy obojętne (niepalne) oraz ew. cięższe węglowodory. Gaz ziemny jest cięższy od gazu miejskiego, lecz lżejszy od powietrza.

� Gaz ziemny H: Hu = 36 MJ/kg� Gaz ziemny L: Hu = 32 MJ/kg� Często możliwe jest domieszanie biogazu lub gazu z

oczyszczalni, a często oba te gazy spala się bez dodatku gazu ziemnego.

� Należy pamiętać o zmianie wartości opałowej przy stosowaniu domieszek, co wymaga dopasowania palnika lub zastosowania palnika specjalnego. 4

� Oleje opałowe dzieli się na następujące� kategorie:� HEL: olej opałowy ekstra lekki Hu = 42 ,7

MJ/kg� Olej S: olej opałowy ciężki Hu = 40,2 MJ/kg

5

6

•Zadaniem palników jest przekształcenie energii zawartej w paliwie w ciepło użyteczne. Kotły opalane są zazwyczaj paliwami płynnymi i/lub gazowymi. W rzadkich przypadkach opala się kotły także pyłem węglowym lub drewnem, ale ze względu na małe rozpowszechnienie ich stosowania nie będą one tu omawiane.

•Gaz lub olej spala się tylko w obecności tlenu (powietrza). Dlatego każdy palnik wentylatorowy wyposażany jest w dmuchawę powietrza do spalania. Zależnie od usytuowania dmuchawy rozróżnia się palniki monoblokowe i duoblokowe (monoblok: dmuchawa na palniku; duoblok: dmuchawa zamontowana osobno). Zadaniem dmuchawy jest dostarczenie powietrza w ilości koniecznej stechiometrycznie, plus około 10% nadmiaru i pokonanie oporu przepływu spalin instalacji kotłowej. Składa się on m.in. z oporów przepływu kotła, ekonomizera i tłumika szumów przepływu.

•Dla zapewnienia niskoemisyjnego spalania i dużej żywotności palnika należy utrzymywać temperaturę zasysanego powietrza do spalania w zakresie 5 do 40°C. Ponadto powietrze nie może być zanieczyszczone substancjami korodującymi, jak halogenki i chlorowce.

6

� Rozróżnia się palniki olejowe wentylatorowe z rozpylaniem ciśnieniowym, parowym i obrotowym.

Palnik z rozpylaniem ciśnieniowym (źródło: Weishaupt) 7

8

Rozpylacze ciśnieniowe

olej jest podawany pod ciśnieniem przez pompę; zostaje drobno rozpylony przez dyszę. Palniki te stosuje się głównie do oleju lekkiego

� Parowe rozpylacze ciśnieniowe

� Olej rozpylany jest w głowicy palnika przy pomocy pary. Metodę tę stosuje się zazwyczaj dopiero przy wyższych zakresach mocy.

� Rozpylacze obrotowe (rotacyjne) Olej doprowadzany jest tu do szybko wirującego kubka. Wskutek ruchu wirowego i stożkowatego kształtu wnętrza kubka olej spływa w kierunku komory spalania i na krawędzi kubka zostaje pod działaniem siły odśrodkowej drobno rozpylony w strumieniu wdmuchiwanego powietrza. Rozpylacze obrotowe stosuje się głównie przy opalaniu olejem ciężkim, ale nadają się również do spalania oleju lekkiego, odpadów olejowych, jak mieszaniny oleju i tłuszczu lub pozostałości po odtłuszczaniu, tłuszczów zwierzęcych, tłuszczów spożywczych i oleju rzepakowego.

Rozpylacz wirujący (źródło: Saacke)9

10

� Palnik kinetycznyPalnik inżektorowy

kinetyczno-dyfuzyjny

11

12

Palnik gazowy (źródło: Weishaupt)

Palniki dwupaliwowe Są to palniki, które mogą spalać zarówno olej jak i gaz. Przestawiania dokonuje się ręcznie lub automatycznie, np. według czasów zakazu używania gazu, narzucanych przez dostawcę gazu i wymagających tymczasowego przełączania na opalanie olejem. Wariant ten stosowany jest głównie w dużych instalacjach, dla zapewnienia ciągłości ruchu.

Palnik dwupaliwowy (źródło: Weishaupt)

13

1414

15

� Kocioł grzewczy, stanowi źródło dostarczające ciepło dla konkretnego układu grzewczego.

� Decydującym kryterium doboru typu kotła do potrzeb jest jego moc zdolna pokryć zapotrzebowanie na ciepło dla konkretnego układu.

� Kotły o określonej konstrukcji są oferowane w pewnych ograniczonych przedziałach mocy, co uzależnia w pierwszym rzędzie wybór urządzenia.

16

� Dyrektywa Rady 92/42/EWG definiuje typy kotłów i ustala minimalne wymagania odnośnie wykorzystania energii (sprawności minimalne) dla kotłów < 400 kW.

� Typy konstrukcyjne kotłów zdefiniowano np. :standardowe- kotły grzewcze, w których przeciętna temperatura robocza jest ograniczona przez ich dobór. Kotły spełniają minimalne wymagania wykorzystania energii

� Niskotemperaturowe – mogą pracować ciągle z temperaturą na wlocie 35-40oC, w pewnych okolicznościach może dojść w nich do kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach i

� Kondensacyjne – są skonstruowane dla kondensacji większości pary wodnej zawartej w spalinach.

Minimalne sprawności unijne

17

� Podział na kotły małej, średniej i dużej mocy przebiega według przyjętych kryteriów

18

� Kotły małej mocy - współpracują z 1–stopniowymi palnikami bądź też z palnikami o płynnie regulowanej mocy – w przypadku kotłów kondensacyjnych i wiszących. Zastosowanie palników modulowanych w przypadku kotłów kondensacyjnych wynika z chęci zapewnienia niskich długotrwałych obciążeń cieplnych kotła dla uzyskiwania wysokiego efektu kondensacji pary wodnej ze spalin. Dla kotłów wiszących pracujących w trybie przepływowym (z uwagi na niewielką pojemność wodną) modulowana moc palnika zapewnia płynną regulację mocy kotła przy braku zdolności akumulacji ciepła w niewielkiej objętości wody kotłowej.

� Kotły średniej i dużej mocy - dla uzyskania korzystnych sprawności kotła wprowadza się palniki o stopniowanej lub płynnej regulacji mocy. Przewidziano do współpracy palniki o przynajmniej 2–stopniowej regulacji mocy. Zazwyczaj 1–szy stopień pracy stanowi 60 % uzyskiwanej na 2–im stopniu maksymalnej mocy cieplnej palnika.

19

� Kotły małej mocy - projektując układ grzewczy z tego rodzaju kotłem nie zachodzi potrzeba uwzględniania dodatkowej ochrony przed zbyt niskim obniżeniem temperatury wody w kotle. Ochrona ta prowadzona jest przez automatykę kotła.

� Kotły średniej i dużej mocy z uwagi na odmienną konstrukcję, wyższe dolne progi minimalnych temperatur i większe złady wodne, poza samą ochroną dolnej temperatury wody w kotle, wymagają prowadzenia ochrony minimalnej temperatury wody grzewczej (tzw. ochrony powrotu) powracającej do kotła.

20

� Kotły małej mocy - posiadają ten sam dolny próg temperatury. Z uwagi na fakt dopuszczenia do występowania okresowej kondensacji w tego rodzaju kotłach oraz współpracę z niewielkimi zładami wodnymi i niskim poziomem ochrony dolnej temperatury wody w kotle, wystarczająca staje się jedynie ochrona samego kotła poprzez pracę palnika

� Kotły średniej i dużej mocy - minimalne temperatury wody w kotle są uzależnione od typu kotła oraz rodzaju paliwa.

21

W przypadku kotłów wodnych podział przebiega według granicznych temperatur wody w kotle.

Maksymalna temperatura kotła niskotemperaturowego wynosząca np. 100°C nie oznacza trwałego osiągania takiej samej temperatury wody grzewczej na wyjściu z kotła.

22

� Graniczna temperatura 100°C zabezpieczana jest przez termostatyczny ogranicznik temperatury STB. W przypadku zadziałania powoduje trwałą blokadę pracy palnika (do momentu odblokowania przez serwis). Stanowi to ostatni stopień zabezpieczenia kotła przed nadmiernym przegrzewem wody kotłowej.

� Górną temperaturę roboczą wyjściową z kotła (zarazem zasilania instalacji grzewczej) określa nastawa termostatycznego regulatora kotła TR, który wyłącza okresowo z pracy palnik.

* Zalecana bezpieczna różnica temperatury pomiędzy nastawą STB, a TR wynosi 15 K

23

� Podstawowym wyróżnikiem kotłów jest ich konstrukcja oraz użyte do budowy materiały.

� Typów kotłów według ich konstrukcji: kotły stalowe, żeliwne oraz specjalne.

� Każdy z kotłów charakteryzuje się odmiennymi cechami z punktu widzenia wymagań eksploatacyjnych. Na etapie projektu technologicznego kotłowni należy wziąć pod uwagę takie czynniki decydujące o wyborze typu kotła, jak:

■ możliwości montażu kotła w pomieszczeniu kotłowni■ aspekty ekonomiczne inwestycji i eksploatacji■ współpraca z układem grzewczym

24

25

26

� Zasadnicza różnica w objętości wody kotłowej dla omawianych typów kotłów. Odnosząc pojemność wodną kotła do jego mocy znamionowej stwierdza się niemal 2-krotnie większą pojemność wody w kotle stalowym niż w żeliwnym (1,37 / 0,69 dm3/kW).

� Odnosząc pojemność wody do masy korpusu kotła (dm3/kg) uzyskujemy ponad 3-krotnie większą pojemność kotła stalowego od pojemności kotła żeliwnego.

� Zwiększona masa korpusu kotła żeliwnego (w odniesieniu do kotła stalowego) oddaje ciepło do zmniejszonej ilości wody kotłowej. Potwierdza się więc znacznie wyższa skłonność kotłów żeliwnych do zwiększonych wahań temperatury wody kotłowej. Między innymi wiąże się to z wyższym występowaniem przegrzewów wody kotłowej, w szczególności przy zmniejszeniu lub wstrzymaniu przepływu wody grzewczej).

� Podczas, gdy kotły stalowe nie wymagają zapewnienia minimalnego natężenia przepływu wody grzewczej przez kocioł, to w większości kotłów żeliwnych należy zapewnić najczęściej poziom 30% natężenia nominalnego wynikającego z mocy kotła i różnicy temperatury zasilania i powrotu do kotła. Zapewnienie minimalnego natężenia przepływu dla kotłów żeliwnych wiąże się najczęściej z zastosowaniem pomp kotłowych.

27

� Konstrukcja kotła, to również rodzaj zastosowanego palnika według podziału podstawowego: � atmosferyczny i � wentylatorowy.

� W zależności od rodzaju palnika i trybu pracy kotła mamy do czynienia z odmiennymi warunkami doboru systemu odprowadzenia spalin. Jest to związane z następującymi czynnikami:■ objętościowe natężenie przepływu spalin■ temperatura spalin■wymagania podciśnienia/nadciśnienia na króćcu spalin kotła

� Powyższe względy należy wziąć bezwzględnie pod uwagę przy wyborze kotła, gdyż mają one wpływ na dobór i dostosowanie systemu odprowadzenia spalin do warunków zabudowy w konkretnym obiekcie budowlanym.

28

� Kotły średniej i dużej mocy (> 70 kW) różnią się pod względem prowadzenia ruchu od kotłów małej mocy:

� standardem są palniki wielostopniowe lub modulowane� prowadzenie ruchu wymaga zapewnienia warunków eksploatacji niezbędnych

dla bezpieczeństwa eksploatacji i zapewnienia długiej żywotności� objętościowe natężenie przepływu wody grzewczej; kotły stalowe ze względu na

dużą pojemność wodną nie wymagają minimalnego natężenia przepływu wody przez kocioł; w żeliwnych kotłach ze względu na mniejsza pojemność wodną trzeba zapewnić minimalne natężenie przepływu aby podczas pracy palnika zagwarantować pewne odprowadzenie ciepła

� minimalna temperatura powrotu na kotle; zależy od konstrukcji kotła, sposobu pracy palnika i paliwa; zejście powoduje kondensację na powierzchniach kotłowych; stosowane są różne zabiegi dla podniesienia temperatury wody na powrocie

� dolna temperatura wody kotłowej; zależy od konstrukcji kotła, sposobu pracy palnika i paliwa;

� zredukowany tryb nocny/świąteczny; całkowite wyłączenie kotła wymaga zastosowania w kotle wielowarstwowych powierzchni wymiany ciepła lub kotłów kondensacyjnych.

29

30

� Zużycie paliwa w starych kotłach i w nowoczesnych kotłach niskotemperaturowych i kondensacyjnych. Oszczędności paliwa wynoszą do 25%. W małych kotłach (< 25 kW) są one jeszcze większe (

� Dyrektywa Rady 92/42/EWG definiuje typy kotłów i ustala minimalne wymagania odnośnie wykorzystania energii (sprawności minimalne) dla kotłów < 400 kW.

� Typy konstrukcyjne kotłów zdefiniowano np. :standardowe- kotły grzewcze, w których przeciętna temperatura robocza jest ograniczona przez ich dobór. Kotły spełniają minimalne wymagania wykorzystania energii

� Niskotemperaturowe – mogą pracować ciągle z temperaturą na wlocie 35-40oC, w pewnych okolicznościach może dojść w nich do kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach i

� Kondensacyjne – są skonstruowane dla kondensacji większości pary wodnej zawartej w spalinach.

Minimalne sprawności unijne

32

� Dla kotłów > 400 kW nie objętych dyrektywą przepisy rozporządzenia o czystości powietrza wymagają sprawności co najmniej 91%.

33

Sprawność kotła

strata kominowa, %strata promieniowania, %

SAk qq −−= %100η

%100⋅ΦΦ=

B

Lkη

moc cieplna (ilość ciepła oddana), kWobciążenie cieplne (ilość ciepła doprowadzona), kW

Tcm pL ∆⋅⋅=Φ &

przepływ masowy , kg/hciepło właściwe, Wh/(kgK)różnica temperatur, K

m&pcT∆

iB HV ⋅=Φ &

przepływ objętościowy, m3/hV&

Sprawność kotła kondensacyjnego

αη ⋅

−+−−= 1%100

i

sSAk H

Hqq

współczynnik kondensacji, % α

ΦLΦB

Aq

Sq

34

� Straty cieplne kotłów składają się ze straty kominowej i straty powierzchniowej. Strata powierzchniowa obejmuje straty ciepła oddawane przez powierzchnię kotła w czasie pracy kotła i podczas postoju (strata dyżurna) . Straty powierzchniowe zależą od sposobu prowadzenia kotła i od jakości izolacji cieplnej.

� Stare kotły (stałotemperaturowe) miały dużą stratę powierzchniową i kominową na skutek wysokich temperatur pracy kotła przez cały rok (>75oC) , aby uniknąć kondensacji na powierzchniach grzewczych kotła. Sprawność tych kotłów < 80% .

� Nowe kotły niskotemperaturowe mogą pracować z temperaturą wody kotłowej płynnie obniżaną w zależności od pogody. Zapewnia to konstrukcja powierzchni grzewczych nie dopuszczająca do kondensacji.

35

� Zastosowanie wielowarstwowych konwekcyjnych powierzchni wymiany ciepła nie dopuszczająca do kondensacji. Zapobiega to zejściu temperatury poniżej punktu rosy w warunkach częściowych obciążeń kotła.

36

� Dzięki wielowarstwowym powierzchniom grzewczym można utrzymywać niskie temperatury wody kotłowej oraz na powrocie kotła,

� Zakres pracy pogodowej przedstawiają wykresy krzywych grzewczych oraz uporządkowane przebiegi temperatury zewnętrznej. W przypadku uporządkowanego przebiegu temperatury zewnętrznej uzyskano liczbę dni pracy kotła w trybie regulacji pogodowej oraz ilość dni, w których wymagane jest podnoszenie temperatury powrotu czynnika grzewczego.

� Analiza dla pracy 90/70oC przy spalaniu GZ-50. Dla kotła tradycyjnego minimalna temperatura powrotu t = 55 oC wystąpi już przy tz = -3 oC na zewnątrz. W zakresie tz = -3 do +12 oC wymagane jest podwyższanie temperatury powrotu. Dla porównania w kotle z powierzchniami wielowarstwowymi wymóg t = 45 oC realizowany będzie w przedziale Tz = +3 do +12 oC. Kocioł 1 może pracować z płynnie obniżaną temperaturą wody kotłowej przez 40 dni, a 2 przez 100 dni. Co dla sezonu grzewczego (220 dni) udział regulacji pogodowej stanowi odpowiednio 18% i 45%.

37

� Dzięki technice kondensacji możliwy jest wzrost stopnia wykorzystania ciepła . Znaczny udział ciepła, jaki ulatnia się przez komin w konwencjonalnych kotłach zostaje wykorzystany w technice kondensacji.

� Jeśli temperatura ścianek kotła spadnie poniżej punktu rosy pary wodnej to skrapla się na nich kondensat. Przy spalaniu gazu ziemnego temperatura punktu rosy wynosi ok. 57 oC, a przy spalaniu oleju EL ok. 47oC.

� Aby efektywnie wykorzystać technikę kondensacji należy prowadzić spalanie w wysoką zawartością CO2 (niskim nadmiarem powierza) - korzystne są palniki wentylatorowe.

38

� Zawarte w spalinach ciepło utajone (ciepło parowania) zostaje uwolnione przy kondensacji i przekazane wodzie kotłowej.

� W kotłach standardowych i niskotemperaturowych nie dopuszcza się do kondensacji pary wodnej – korozja.

� Im większy iloraz HB/Hi tym wyższy możliwy zysk kondensacji. Wykorzystanie ciepła kondensacji jest więc szczególnie celowe przy opalaniu gazem.

39

� Powierzchnie wymiany ciepła kotłów kondensacyjnych wykonywane są z wysokostopowych, odpornych na korozje stali szlachetnych ( stal chromowo-niklowo-molibdenowa).

� Bardzo niskie temperatury wylotowe spalin i intensywna kondensacja dają w sumie sprawność znormalizowaną, osiągając – zależnie od temperatury systemowej 109% dla gazu ziemnego.

� Rys. przedstawia jaki wpływ mają temperatury systemu grzewczego na efektywność wykorzystania ciepła kondensacji. Przy temperaturze systemu 75/60 oC należy liczyć się z kondensacją przy temperaturze zewnętrznej > 10 oC. Tak więc ok. 90% rocznego nakładu energii grzewczej można wytworzyć z ciepłem kondensacji. Dla 90/70oC temperatury zewnętrzne są potrzebne < -2 oC.

� Idealne warunki występują przy ogrzewaniu z temperaturą 40/30 oC (ogrzewanie podłogowe) co pozwala na pracę z kondensacją przez cały rok.

40

� W kotłach w większej mocy do wykorzystania ciepła kondensacji stosuje się dostawiany do kotła wymiennik ciepła spaliny/woda (ekonomizery). Sprawność może się zwiększyć dla gazowych kotłów o 12 punktów procentowych ( 5% na skutek obniżenia temperatury spalin i 7% na skutek kondensacji)

� Przykład wg rys. powyżej dla temperatury powrotu 45 oC.

� Zysk ciepła z techniki kondensacyjnej = zysk kondensacji + różnica start kominowych

� Rys. przedstawia okres zwrotu na zakup ECO w zależności od mocy kotła przy różnych wzrostach sprawności (7 i 10%).

41

42

� Ilość powstającego kondensatu zależy od składu chemicznego paliwa i stopnia schłodzenia spalin. Np. przy pełnej kondensacji w czasie spalania gazu ziemnego powstaje 0,16 kg/kWh, a dla olej EL 0,09 kg/kWh.

43

44

� Podczas projektowania technologii kotłowni i instalacji obiegów grzewczych, należy ustalić schemat hydrauliczny. Dokonany wybór wpłynie na wytwarzanie ciepła, jego dystrybucję oraz spełnienie wymagań dotyczących eksploatacji kotłów.

� W tym zakresie należy brać pod uwagę: pojemność wodną instalacji, dynamikę zmian jej parametrów, jak temperatura i przepływ w poszczególnych obiegach grzewczych. Mają one bezpośredni wpływ na wartość temperatury powrotu wody do kotła.

� Z uwagi na możliwość wykraplania się pary wodnej zawartej w spalinach, istnieje konieczność utrzymania temperatury powrotu na odpowiednim poziomie.

45

� Ze względu na typ kotła, rodzaj i charakter pracy urządzeń, stosowane układy hydrauliczne systemów grzewczych można podzielić na klasy. W każdym przypadku uwzględniać należy zapewnienie odpowiednich parametrów zasilania oraz temperatury powrotu.

46

� Zasada działania układu � Faza 1. Uruchomienie; w przypadku wykrycia niskiej temperatury na powrocie do kotła

przez czujnik TC następuje start palnika oraz jego praca do osiągnięcia 100 % mocy znamionowej. Jednocześnie rozpoczyna się redukcja mocy polegająca na zmniejszeniu odbioru ciepła, przez zamykanie zaworów mieszających obiegów grzewczych lub dławienie przy pomocy kotłowych klap odcinających wyposażonych w siłowniki.

� Faza 2. Redukcja mocy; celem jest osiągnięcie redukcji o min 50% strumienia przepływu wody przez kocioł przy pracy palnika z obciążeniem 100%.

� Faza 3. Stan pracy zgodnie z zapotrzebowaniem; po stwierdzeniu odpowiednio wysokiej temperatury w strefie pomiaru, co jest równoważne wzrostowi temperatury powrotu, następuje otwarcie zaworu mieszającego obiegu grzewczego oraz przejście do pracy zgodnie z zapotrzebowaniem. Palnik rozpoczyna pracę w sposób stopniowy lub modulowany, w zależności od jego konstrukcji.

47

� Rozwiązanie powyższe stosowane jest najczęściej i jest zalecane w odniesieniu do instalacji, gdzie sterowanie obiegami grzewczymi realizowane jest za pomocą zaworów mieszających, które wraz z kolektorami znajdują się w bezpośredniej bliskości kotłów.

Stopień I – okresowa stabilizacja temperatury powrotu - zastosowanie pompy mieszającej PM, której zadaniem jest wtłoczenie wody zasilającej bezpośrednio do powrotu kotłów. Decyzję o jej uruchomieniu „podejmuje” regulator stale kontrolujący poziom temperatury powrotu poprzez przyłączony czujnik T2.

Stopień II – okresowa redukcja odbioru mocy cieplnej - dokonywany jest wtórny pomiar kontrolnytemperatury powrotu na każdym kotle – czujniki T1. W sytuacji, kiedy temperatura wody obniży się poniżej wartości, nastąpi start palników. Regulator obiegów grzewczych otrzyma linią polecenie zamknięcia zaworów mieszających. Następuje redukcja odbioru wody kotłowej oraz dopływu „zbyt zimnego” powrotu do kotłów. Wskutek pracy palników oraz intensywnej cyrkulacji grawitacyjnej, wspomaganej w tym przypadku przez pompę mieszającą PM, wzrasta temperatura powrotu oraz wody kotłowej. Fakt ten „stwierdza” również czujnik T1. Przy dalszym wzroście temperatury powrotu regulator na podstawie pomiaru przez czujnik T2 wyłączy pompę mieszającą.

48

Przykład zastosowania: instalacja wielokotłowa z regulatorami, za pomocą zaworów mieszających. (PM – pompa mieszająca, T1, T2 – rezystancyjne czujniki temperatury).

49

� Rozwiązanie powyższe jest zalecane w odniesieniu do instalacji o podwyższonych

pojemnościach wodnych, gdzie występuje brak wpływu na sterowanie obiegów

grzewczych lub/i ich zawory mieszające są zbyt oddalone od kotłów.

Stopień I – okresowa stabilizacja temperatury powrotu; zadaniem pompy mieszającej PM przy każdym kotle jest doprowadzenie wody zasilającej bezpośrednio do powrotu – do węzła zmieszania – punkt Z. Decyzję o jej uruchomieniu „podejmuje” regulator na podstawie pomiaru powrotu przez czujnik T2, stale kontrolujący poziom temperatury powrotu. Stopień II – okresowa separacja obiegów kotłów i obiegów grzewczych (redukcja mocy); warunkiem koniecznym jest wtórny pomiar kontrolny temperatury powrotu za węzłem zmieszania – punkt Z, przez czujnik T1. Jej wartość jest stale porównywana w graniczną, jaka została wprowadzona do pamięci regulatora. W sytuacji, kiedy temperatura wody obniży się poniżej tej wartości, regulator każdego kotła indywidualnie rozpocznie zamykanie zaworów dwudrogowych. Następuje separacja kotła od instalacji grzewczej, wskutek czego mamy do czynienia z redukcją odbioru wody kotłowej oraz dopływu „zbyt zimnego” powrotu do kotłów. W dalszym ciągu, wskutek pracy palnika oraz intensywnej cyrkulacji grawitacyjnej, wspomaganej w tym przypadku przez indywidualną pompę mieszającą PM, wzrasta temperatura wody kotłowej.Fakt ten „stwierdza” również czujnik T1. Po osiągnięciu przez nią odpowiedniej wartości, regulator kotła rozpocznie otwieranie zaworu dwudrogowego. Przy dalszym wzroście temperatury regulator na podstawie czujnika T2 wyłączy pompę mieszającą.

50

Przykład zastosowania: instalacja wielokotłowa z regulatorami. Obiegi grzewcze sterowane regulatorami za pomocą zaworów mieszających. (PM – pompa mieszająca, T1, T2 – rezystancyjne czujniki temperatury).

51

� Rozwiązanie powyższe zaleca się w odniesieniu do instalacji, w których droga przesyłu mocy cieplnej pomiędzy kotłami a kolektorem zasilania obiegów grzewczych charakteryzuje się znacznymi oporami hydraulicznymi. Jest polecane również w sytuacji gdy do kolektorów przyłączono dużą ilość obiegów grzewczych. Warunkiem niezbędnym jest realizacja sterowania obiegami grzewczymi za pomocą zaworów mieszających.

Stopień I – stała stabilizacja temperatury zasilania i powrotu Skutecznym rozwiązaniem w tym przypadku jest zastosowanie wspomagającej pompy rozdzielaczy (kolektorowej) PR, której zadaniem jest pokonanie oporów hydraulicznych i doprowadzenie wody grzewczej od kotłów do kolektora obiegów grzewczych. Dodatkową funkcją z punktu widzenia temperatury powrotu jest realizacja podmieszania między kolektorowego, poprzez obejście S. Jest to konieczne, ponieważ duże odległości pomiędzy odbiornikami a króćcem powrotu kotła wpływają znacznie na obniżenie temperatury powrotu, co z kolei posiada istotne znaczenie przy podwyższonych pojemnościach zładu. Stwarza to sytuację zagrożenia z uwagi na możliwość wystąpienia wewnątrz kotła kondensacji pary wodnej, zawartej w spalinach. Pompa rozdzielaczy pracuje ciągle, jeżeli istnieje jakikolwiek odbiór mocy cieplnej (pracuje co najmniej jedna pompa obiegu grzewczego). W związku z powyższym mamy do czynienia ze stałą stabilizacją temperatury zasilania i powrotu. Stopień II – okresowa redukcja odbioru mocy cieplnej

52

Przykład zastosowania: instalacja wielokotłowa z regulatorami. Obiegi grzewcze sterowane za pomocą zaworów mieszających. (PR – pompa kolektorowa, S – spięcie z zaworem zwrotnym, T1 – rezystancyjny czujnik temperatury).

53

� Rozwiązanie powyższe jest zalecane w odniesieniu do instalacji w których droga przesyłu mocy cieplnej pomiędzy kotłami a kolektorem zasilania charakteryzuje się znacznymi oporami hydraulicznymi. Występują również duże pojemności wodne obiegów grzewczych przy braku wpływu na ich sterowanie.

Stopień I – stała stabilizacja temperatury zasilania i powrotu Zadaniem pompy kotłowej w tym przypadku jest pokonanie oporów hydraulicznych oraz doprowadzenie wody grzewczej do kolektora zasilania (stabilizacja zasilania). Dodatkową funkcją ze względu na zabezpieczenie poziomu powrotu jest realizacja podmieszania między kolektorowego, poprzez spięcie S. Powyższe przedsięwzięcie jest konieczne, ponieważ przy dużej pojemności wodnej złazu, w połączeniu ze znacznymi odległości pomiędzy obiegami grzewczymi, a króćcem powrotu kotła wymaga się ciągłej stabilizacji temperatury zasilania i powrotu. Pompa kotłowa pracuje ciągle, jeżeli istnieje jakikolwiek odbiór mocy (pracuje co najmniej jedna pompa obiegowa).

Stopień II – okresowa separacja obiegów kotłów i obiegów grzewczych (redukcja mocy cieplnej) W analizowanym systemie zabezpieczeń warunkiem koniecznym jest wtórny pomiar kontrolny temperatury powrotu za węzłem zmieszania przez czujnik T1 Następuje separacja kotła od instalacji grzewczej, wskutek czego wystąpi intensywna redukcja wpływu „zbyt zimnego” powrotu. W tym okresie nastąpi również włączenie palników wskutek „wykrycia” niskiego powrotu przez czujniki T1. Po osiągnięciu odpowiedniej wartości temperatury, regulator kotła rozpocznie przesterowanie zawór trójdrogowego do normalnej pozycji pracy. Rozpoczyna się dostawa energii do instalacji grzewczej – zgodnie z zapotrzebowaniem.

54

Przykład zastosowania: instalacja wielokotłowa z regulatorami. Obiegi grzewcze sterowane za pomocą zaworów mieszających. (PK – pompa kotłowa, S – spięcie z zaworem zwrotnym, T1 – czujnik temperatury powrotu). 55

� Rozwiązanie powyższe jest zalecane w odniesieniu do instalacji w których droga przesyłu mocy cieplnej pomiędzy kotłami a kolektorem zasilania charakteryzuje się znacznymi odległościami. Występują szczególnie duże pojemności wodne obiegów grzewczych przy braku wpływu na ich sterowanie. System grzewczy jest bliżej nie rozpoznany. Występuje duża dynamika zmian parametrów. Gdy w kotłowni wymaga się zróżnicowania mocy cieplnej kotłów.

Stopień I – stała stabilizacja temperatury zasilania i powrotu Zadaniem pompy kotłowej w tym przypadku jest doprowadzenie wody grzewczej do sprzęgła (stabilizacja zasilania). Dodatkową funkcją ze względu na zabezpieczenie dopuszczalnego poziomu powrotu jest realizacja podwyższenia jego temperatury, w pierwotnym obiegu sprzęgła poprzez strumień nadmiarowy _ Vm. Powyższe przedsięwzięcie jest konieczne, ponieważ przy dużej pojemności wodnej zładu, w połączeniu z dużą dynamiką zmian przepływu wymaga się ciągłej stabilizacji temperatury zasilania i powrotu.Stopień II – okresowa separacja obiegów kotłów od pierwotnego obiegu sprzęgła (redukcja mocy) W analizowanym systemie zabezpieczeń warunkiem koniecznym jest ciągły pomiar kontrolny temperatury powrotu.przez czujnik T1.

56

Przykład zastosowania: instalacja wielokotłowa z regulatorami . Obiegi grzewcze sterowane, za pomocą zaworów mieszających. (PK – pompa kotłowa, SH – sprzęgło hydrauliczne, T1– czujnik temperatury powrotu). 57

Przypadki pracy sprzęgła hydraulicznego SH przy różnych proporcjach przepływów.

Przykładowe rozwiązania sprzęgła hydraulicznego SH.

58

59

Aspekty, konieczne do wzięcia pod uwagę przy wyborze kotła grzewczego:■Wymagana moc cieplna:– maksymalna,– przeciętna,– możliwość pracy priorytetowej tzn. zmniejszania dostawy mocy cieplnej dla jednych obiegów i zwiększania dla innych w tym samym czasie.■Warunki zabudowy (m.in. pomieszczenie kotłowni, wpływ na system odprowadzenia spalin)■Warunki transportu (m.in. rodzaj dostawy - korpus w całości, w częściach, kocioł w całości wraz z obudową, gabaryty, ciężar, itd.).■ Parametry (m.in. wartości i ich zmienność) instalacji grzewczej.■ System automatycznej regulacji (m.in. zakres funkcji obsługowych dla obiegów instalacji c.o., c.w.u., układów technologicznych, możliwości współpracy dodatkowej z np. pompą ciepła, instalacją kolektorów słonecznych, diagnostyka, monitoring zdalny, itd.).■ Instalacja grzewcza (m.in. pojemność, wysokość słupa wody, wymagane ciśnienie robocze).■Możliwości rozbudowy instalacji grzewczej (m.in. możliwość zwiększenia mocy cieplnej palnika, współpraca z dodatkowym zastosowanym w przyszłości kotłem w układzie kaskadowym, itd.).■Możliwości zmiany paliwa (m.in. współpraca z palnikiem wentylatorowym gazowym i/lub olejowym, paliwa „niekonwencjonalne” dla kotła niskotemperaturowego – granulat drewna (pellets), olej przepracowany, itd.).■ Rachunek ekonomiczny inwestycji i eksploatacji (w szczególności wykorzystanie techniki kondensacji).■Warunki dla czynności konserwacyjnych (m.in. stan techniczny instalacji grzewczej, konstrukcja kotła – przekroje wodne).■ inne specyficzne aspekty dla danej inwestycji.

60

� Żywotność kotłów� Trwałość użytkowa kotłów niskotemperaturowych i

kondensacyjnych jest podobna. Norma niemiecka przyjmuje trwałość materiałową na 20 lat

� Technika niskotemperaturowa czy kondensacyjna� Ze względu na duży potencjał oszczędności i stosunkowo krótkie

okresy amortyzacji należy preferować energooszczędną technikę kondensacji.

� Stal czy żeliwo� Zaletą kotłów żeliwnych jest możliwość przetransportowania

poszczególnych członów do pomieszczenia kotłowni. Kotły stalowe są korzystne pod względem możliwości kształtowania komory spalania której długość i średnicę można dostosować do mocy kotła i przez to uprościć dobór palnika. Mają dużą pojemność wodną co poprawia ich regulację i zmniejsza częstotliwość startów palnika.

61

� Instalacja jedno- czy wielokotłowa� Powiększenie ilości kotłów zwiększa wielkość powierzchni

wypromieniowania ciepła – start ciepła.� Istotnym argumentem dla instalacji dwukotłowej jest

dyspozycyjność i bezpieczeństwo eksploatacji, gwarantujące dostawy ciepła przez drugi kocioł.

� Dla przeważającej liczby instalacji nie ma sensu stosowania dodatkowego kotła , tzw. letniego kotła” jedynie do podgrzewu c.w.u. Osobny kocioł letni się nie opłaca. Kocioł letni z mocą dopasowaną do zapotrzebowania ciepła na podgrzew c.wu. pracowałby przy pełnym obciążeniu osiągając sprawność 91%. Natomiast duży kocioł grzewczy, pokrywający zapotrzebowanie ciepła na c.w.u. na jednym ze stopni obciążenia częściowego może ze względu na niższą temperaturę spalin osiągnąć sprawność 94%.

� Inaczej jest dla dużego kotła np. 2 MW i zapotrzebowaniem na ciepło na c.w.u. równym 100 kW – w tym przypadku celowe będzie ustawienie osobnego małego kotła, a duży kocioł odstawić na lato.

62

� Jaki sposób podziału mocy kotłów w instalacjach wielokotłowych jest celowy

� Dzisiaj praktykuje się stosowanie dwóch kotłów jednakowej mocy. Zalety tego rozwiązania:� Optymalne warunki hydrauliczne, dzięki jednakowym oporom przepływu� Wystarczającą moc jednego kotła, gdy drugi jest chwilowo niedostępny ze

względu na konserwację/awarię� Uproszczona konserwacja i utrzymanie

� Sposób pracy palnika – dwustopniowy czy modułowy� Decyzja zależy od:

� Palniki modulowane zapewniają dłuższe okresy pracy palnika i mniejszą częstość wyłączeń

� Palniki modulowane maja niższą temperaturę spalin� Zużycie prądu; w instalacji jednokotłowej palnik dwustopniowy pracuje 240

h/rocznie z pełną mocą i 2300 h z obciążeniem częściowym (60%); Palnik modulowany pracuje z mocą minimalną 30% przez ok. 3500 h. Dla takiego palnika zużycie prądu będzie wyższe.

63

� Wybór znamionowej mocy cieplnej� Stare kotły grzewcze, pracujące ze stałą temperaturą wody

kotłowej osiągają najwyższą sprawność przy 100% obciążeniu. Przeciętna roczna sprawność wynosi 30%.

� Kotły niskotemperaturowe i kondensacyjne pracują ze zmienną temperaturą wody kotłowej dopasowaną do aktualnego zapotrzebowania ciepła użytkownika. Dzięki małym startom sprawność rośnie przy malejącym obciążeniu.

� Pomieszczenie kotła� Dla mocy powyżej 50 kW kotły można ustawiać w

pomieszczeniach:� Które nie są używane do innych celów � Nie mających żadnych otworów do innych pomieszczeń,

wyjąwszy otwór drzwiowy� Mających drzwi zamykające się szczelnie i samoczynnie� Z możliwością wentylacji� Dla pewnego i czystego spalania konieczny jest

wystarczający dopływ powietrza do spalania. Przekrój otworu doprowadzającego powietrze powinien wynosić 150 cm2 plus 2 cm2 na każdy kilowat mocy znamionowej ponad 50 kW.

64

� Zapotrzebowanie na moc cieplną� Przy budowie lub modernizacji kotłowni należy przede wszystkim rozważyć

zapotrzebowanie na moc cieplną z uwzględnieniem wszystkich potrzeb systemu grzewczego:� Centralne ogrzewanie� Przygotowanie c.w.u.� Wentylacja� Klimatyzacji� Inne

� Systemy grzewcze� Ilość kotłów wodnych oraz ich rodzaje (niskotemperaturowe, kondensacyjne,

wysokotemperaturowe) powinny wynikać z analizy zmienności potrzeb cieplnych.

� W przypadku stosowania ich w systemie ciepłowniczych należy określić charakterystyki zapotrzebowania ciepła na przestrzeni roku, która jest zmienna w zależności od przebiegu temperatury zewnętrznej Tz.

65

� Wyznaczenie całkowitego zapotrzebowania na moc cieplną wymaga jej oddzielnego określenia dla poszczególnych odbiorników. Otrzymane przebiegi są podstawą do sporządzenia wykresu sumarycznego, ΣQ = f(Tz), który należy odnieść do danych warunków klimatycznych. W II ćwiartce naniesiono wykres częstotliwości występowania określonej temperatury zewnętrznej Tz = f(n) w funkcji liczby dni (krzywa „stopniodni”) do poszczególnych regionów. Ćwiartka III pełni rolę pomocniczą do określenia uporządkowanego wykresu zapotrzebowania na moc cieplną Q = f(n,Tz) [%], który otrzymano w IV ćwiartce. Przedstawia on zapotrzebowanie na moc cieplną oraz czas jej trwania w sposób uporządkowany od wartości najmniejszej (w strefie temperatur dodatnich) do największej Qmax (w strefie temperatur ujemnych). Pole pod wykresem w IV ćwiartce odpowiada rocznemu zapotrzebowaniu na ciepło i może posłużyć do określenia rocznego zapotrzebowania na paliwo oraz wartości średniej Qśr. W praktyce:

� Q śr=(0,45 – 0,50)Qmax

66

� Systemy technologiczne

� W przypadku potrzeb technologicznych należy dokonać analizy dobowego przebiegu zapotrzebowania na ciepło. Na tej podstawie można sporządzić uporządkowany wykres mocy dla określonego obiektu podczas doby.

� W praktyce brak uogólnień, zatem dla każdego zakładu należy indywidualnie przeprowadzić analizę szczegółową.

� Qw =f(Tz) – zapotrzebowanie ciepła na wentylację,� Qc.w.u.=f(Tz) – zapotrzebowanie ciepła na przygotowanie c.w.u.� Qco=f(Tz) – zapotrzebowanie ciepła do celów grzewczych,� ΣQ =f(Tz) – sumaryczne zapotrzebowanie ciepła,� Q śr – średnie zapotrzebowanie ciepła,� Qmax – maksymalne zapotrzebowanie na ciepło.

67

� Inne uwarunkowania

� Przy podejmowaniu decyzji odnośnie liczby kotłów, oprócz maksymalnej mocy należy także uwzględnić jej zmienność. Następny kocioł powinien być włączony do pracy w okolicy wyraźnego punktu przegięcia wykresu Q =f(n,Tz) [%]. Zalecana liczba kotłów wynosi 2-4.

� Jeden kocioł może być stosowany do indywidualnego ogrzewania mieszkań oraz w domkach jednorodzinnych.

� W budownictwie wielorodzinnym oraz przy zastosowaniu do potrzeb technologicznych stosuje się przeważnie 2 kotły.

� Jednostki rezerwowe można zabezpieczać w sytuacjach, gdzie występują szczególne uwarunkowania, jak szpitale, zakłady ciągłej produkcji itp.

� W celu prawidłowego doboru kotłów bez potrzeby ich przewymiarowania konieczna jest znajomość przebiegu sprawności w zależności od obciążenia.

68

� Typy konstrukcyjne

� Odprowadzanie spalin odbywać się może w dwóch różnych stanach ciśnieniowych. Zależy od nich także typ konstrukcyjny instalacji. Przy odprowadzaniu nadciśnieniowym palnik tłoczy spaliny przez kocioł i system odprowadzania spalin aż do wylotu.

� Przy podciśnieniowym odprowadzaniu spalin, ciśnienie wytwarzane przez palnik działa tylko do czopucha – potem odprowadzanie spalin przejmuje komin, wytwarzając podciśnienie. Podciśnienie to powstaje wskutek siły wyporu gorących spalin i różnicy wysokości między wlotem a wylotem komina, gdyż ciśnienie powietrza maleje wraz z wysokością.

� Sile wyporu przeciwstawiają się opory przepływu w kominie i wbudowanych komponentach instalacji, jak kolana i tłumiki szumów przepływu. Dlatego każda instalacja odprowadzania spalin musi być zaprojektowana według normy EN 13384.

69

70

� Wymiarowanie

� Przy nadciśnieniowym odprowadzaniu spalin potrzebne są mniejsze przekroje przewodów, niż w instalacjach podciśnieniowych. Nadciśnieniowa instalacja odprowadzania spalin musi być hermetyczna. Zapewnia się to przez stosowanie przewodów spawanych lub systemów z połączeniami wtykanymi z uszczelkami, zwłaszcza przy „starych” kominach lub w technice kondensacyjnej.

� W podciśnieniowych przewodach spalin wystarcza system odporny na kondensat, który nie musi być wykonany hermetycznie, gdyż spaliny nie mogą i tak wydostawać się na złączach ze względu na panujące podciśnienie.

� Przewód kominowy musi być wyprowadzony co najmniej 1 metr ponad dach, a w instalacjach o mocy ponad 1 MW musi sięgać co najmniej 10 metrów nad poziom terenu i 3metry ponad kalenicę.

� Należy uwzględniać otaczającą zabudowę, aby uniknąć szkodliwego wpływu spalin. Należy ponadto uwzględnić obciążenie już istniejącymi instalacjami kominowymi, także z punktu widzenia emisji hałasu. Szczegółowe wymagania są uregulowane przepisami lokalnymi.

71

� Materiały� Na pionową część instalacji odprowadzania spalin stosowana jest dzisiaj zazwyczaj stal

szlachetna. W sporadycznych przypadkach stosowana jest przy kotłach parowych także cegła szamotowa. Przewody połączeniowe spalin (między kotłem a kominem) wykonywane są również ze stali szlachetnej, rzadziej ze stali zwykłej (St 7). Przewody spalin z tworzyw sztucznych w dużych instalacjach kotłowych nie są stosowane.

� Ochrona przeciwpożarowa� Zewnętrzny płaszcz nośny może być wykonany z różnych materiałów. Musi od spełniać jedynie

zadania konstrukcji nośnej, a w obrębie budynków odpowiadać także wymaganiom ochrony przeciwpożarowej. Komin w obrębie budynku musi być wykonany w klasie odporności ogniowej F90. W kominach poza budynkami płaszcz zewnętrzny jest jedynie konstrukcją wsporczą dla przewodu spalin. Stosuje się tu stal z odpowiednim pokryciem powierzchni, albo konstrukcję z cegły lub betonu.

72

73

� Niszczycielski potencjał urządzeń parowych, jak kotły i rurociągi parowe, jest bardzo duży. Zwykły przemysłowy kocioł parowy stanowi naczynie zamknięte. Oznacza to, że para znajduje się pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego.

� O ile pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym z litra wody powstaje ok. 1 700 litrów pary, to przy nadciśnieniu 7 bar objętość ta redukuje się do 2 40 litrów. Przy otwarciu takiego zbiornika nastąpi rozprężenie, co pociąga za sobą odpowiednie zagrożenia.

� Para wodna o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu, ulatniająca się z uszkodzonego przewodu jest niewidoczna i może tworzyć strumień o znacznym zasięgu. Kontakt takiego strumienia pary z większą powierzchnią ciała jest dla człowieka zabójczy, ze względu na natychmiastowe ciężkie oparzenia.

74

� Kocioł parowy jest naczyniem zamkniętym, służącym do wytwarzania pary pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego. Wskutek „zamknięcia” pary rośnie jej ciśnienie i tym samym temperatura wrzenia. Rośnie w ten sposób także zawartość energii w powstającej parze.

� Poszczególne typy kotłów klasyfikuje się albo według typu

konstrukcji lub rodzaju paliwa.

75

� Kotły parowe definiuje się przez podanie wydajności pary i dopuszczalnego nadciśnienia roboczego.

� Wysokoprężne kotły parowe większej mocy budowane są w dwóch zasadniczych typach konstrukcyjnych: jako kotły opłomkowe i kotły płomienicowo-płomieniówkowe (zwane również walczakowymi). W kotłach pierwszego typu woda znajduje się w rurach, opływanych przez spaliny. Ten typ kotła stosowany jest zazwyczaj jako szybka wytwornica pary do ok. 30 bar, lub jako kocioł wodnorurkowy do ok. 300 bar. Tak dużych ciśnień kotły walczakowe nie są w stanie zapewnić. W kotłach tego typu spaliny przepływają przez rury (płomienice i płomieniówki) otoczone wodą.

76

� Dopuszczalne nadciśnienie robocze kotłów wynosi – zależnie od ich wielkości – do ok. 25 bar i produkować mogą one np. 25 ton pary na godzinę. Kotły płomienicowo –płomieniówkowe mogą bezpiecznie i ekonomicznie spełniać większość wymagań stawianych wytwarzaniu pary w procesach przemysłowych, zwłaszcza odnośnie ciśnienia i wydajności pary. Ten typ konstrukcyjny stosowany jest także z zasady do wytwarzania pary niskoprężnej (do 1 bar).

� Podstawy prawne

� 9 maja 1997 weszła w życie „Dyrektywa 97//WE Parlamentu i Rady Europejskiej z 9 maja 1997 o zbliżaniu przepisów krajów członkowskich dotyczących urządzeń ciśnieniowych”.

� Dyrektywa ta obowiązuje dla wszystkich kotłów parowych o dopuszczalnym nadciśnieniu roboczym ponad 0,5 bar lub temperaturze roboczej ponad 110°C.

77

78

� Zdolna do działania instalacja kotłowa, oprócz samego kotła parowego wraz z armaturą zabezpieczającą, regulacyjną, wskazującą i odcinającą, zawiera także dodatkowe zespoły, niezbędne dla ruchu kotła. Typowa instalacja kotłowa składa się z następujących głównych zespołów.

� Pomieszczenie kotła� Wykonanie pomieszczenia do zainstalowania kotła regulowane

jest przepisami budowlanymi� Kocioł parowy� Kocioł parowy charakteryzuje się, oprócz typu konstrukcyjnego,

także jego wydajnością pary i dopuszczalnym nadciśnieniem roboczym. Do kotła parowego należy armatura zabezpieczająca, regulacyjna, wskazująca i odcinająca, zespół pomp zasilających, palenisko (palnik) szafa sterująca. Dobór poszczególnych komponentów zależny jest od zakładanego przez użytkownika sposobu prowadzenia ruchu instalacji stosowanego paliwa.

79

� Ekonomizer� Dla zwiększenia sprawności kotła dostawia się do niego podgrzewacz

wody zasilającej (ekonomizer – EKO) w postaci zintegrowanego lub wolnostojącego zespołu. W ekonomizerze następuje podgrzanie wody zasilającej przez spaliny i dodatkowe schłodzenie spalin.

� Zasilanie paliwem� W przypadku oleju opałowego układ zasilania paliwem obejmuje

zbiorniki magazynowe oleju, instalacje napełniające, zbiorniki rozchodowe, pompy transportowe oleju, przewody oleju z armaturą i zabezpieczającą armaturą odcinającą. W przypadku opalania gazem instalacja zasilająca obejmuje główny zawór szybkoodcinający, przewody gazowe w kotłowni, przewody wentylacyjne i armaturę przedpalnikową.

� System odprowadzania spalin� System obejmuje przewody spalin między kotłem wzgl. ekonomizerem a

kominem, tłumik hałasu przepływu i komin.

80

� Chemiczne uzdatnianie wody� Sposób uzdatniania wody zależny jest od następujących czynników:

– skład chemiczny wody surowej– jakość kondensatu– ilość zawracanego kondensatu– wymagania dla jakości pary– częstość odsalania kotła

� Na podstawie tych kryteriów dobiera się odpowiednią technologię uzdatniania wody. System uzdatniania wody obejmuje również urządzenia do przygotowania wody zasilającej.

� Termiczne uzdatnianie wody� Dla usunięcia z wody zasilającej rozpuszczonych w niej, szkodliwych dla ruchu kotła

gazów, jak tlenu i dwutlenku węgla, konieczne są urządzenia do termicznego odgazowania. Podgrzanie w nich wody zmniejsza jej zdolność rozpuszczania gazów i redukuje ich zawartość w wodzie zasilającej.

� Aparaty termiczne� Termiczne uzdatnianie wody obejmuje urządzenia do oddzielania zawartych w

wodzie gazów, np. odgazowywacze termiczne, zbiorniki schładzające odmuliny i odsoliny kotła parowego, wymienniki ciepła dla odzysku ciepła z odsolin, oraz zbiorniki kondensatu, łącznie z pompami kondensatu.

81

� Ponad 50% eksploatowanych wysokoprężnych kotłów parowych to kotły płomienicowo-płomieniówkowe w układzie trzyciągowym.

� Układ trzyciągowy umożliwia uzyskanie szczególnie niskoemisyjnego, spalania. � Spaliny przechodzą na końcu komory spalania przez chłodzoną wodą komorę nawrotu do

drugiego ciągu spalin. W następnej komorze nawrotu, przy przednich drzwiach kotła, spaliny przechodzą do trzeciego ciągu spalin, stanowiącego konwekcyjną powierzchnie grzewczą.

� Zasada konstrukcyjna kotła płomienicowo- płomieniówkowego cechuje się dużą pojemnością wodną, dużą przestrzenią pary i w efekcie dobrą zdolnością akumulacji ciepła. Dzięki temu kocioł zapewnia stabilne zaopatrzenie w parę, nawet przy nagłych i silnych wahaniach obciążenia.

� Duża powierzchnia parowania w połączeniu z korzystnym kształtem przestrzeni parowej z wbudowanym odkraplaczem zapewniają suchość pary. Dzięki układowi trzyciągowemu można zapewnić wysoką wydajność pary przy krótkich czasach rozgrzewania.

82

� Do kotła parowego należy armatura zabezpieczająca, regulacyjna, wskazująca i odcinająca, zespół pomp zasilających, palenisko (palnik) i rozdzielnica elektryczna i szafa sterująca urządzeniami regulacji na kotle.

� Dobór tych poszczególnych komponentów zależy od zakładanego przez użytkownika sposobu prowadzenia ruchu instalacji i stosowanego paliwa. Szczególne znaczenie mają zawory odmulające i odsalające na kotle. Są one nieodzowne do zapewnienia bezpiecznej, ciągłej pracy kotła parowego.

� Podczas ruchu kotła tworzą się osady mułów, które okresowo należy usuwać z kotła. Służy do tego tzw. zawór odmulający, poprzez który spuszcza się wodę z dolnego rejonu kotła. Przy jego nagłym otwarciu silny strumień wody powoduje skuteczne wypłukanie mułu z dolnej części kotła.

83

� Podczas wytwarzania pary w wodzie pozostają rozpuszczone w niej sole, pochodzące z uzdatniania chemicznego, zwiększając stopień zasolenia wody kotłowej.

� Duże stężenie soli powoduje krystalizację soli na powierzchniach wymiany ciepła, pogarszając przekazywanie ciepła i wywołując korozję i powstawanie piany, która może przedostawać się do instalacji parowej. Pogarsza to jakość pary, a tworzące się w instalacji korki wodne obciążają armaturę. Piana zakłóca także działanie regulatorów poziomu, utrzymujących stały poziom wody w kotle.

� Zadaniem zaworów odsalających jest niedopuszczanie do przekroczenia określonego stężenia soli. Wbudowana w kocioł elektroda konduktancyjna mierzy stężenie soli i przy przekroczeniu wartości zadanej powoduje otwarcie zaworu odsalającego.

84

� Ciśnienie i moc� W technicznych zastosowaniach pary ciśnienia podaje się generalnie jako

nadciśnienie w barach. Moc kotła parowego podawana jest w kg/h lub t/h. Odpowiada ona maksymalnie możliwej mocy trwałej, podanej na tabliczce znamionowej kotła. Do mocy tej dostosowany jest osprzęt kotła. Minimalnie możliwa moc trwała kotła zależna jest od minimalnej mocy palnika.

� Ciśnienie robocze� Jako ciśnienie robocze określa się ciśnienia panujące w króćcu pary kotła.

Wysokość ciśnienia musi odpowiadać parametrom zasilanych odbiorników i ukształtowaniu sieci rozprowadzenia pary. Ciśnienie na króćcu kotła musi być zawsze większe od wymaganego na odbiorniku.

85

� Kotły parowe nisko- i wysokociśnieniowe� Jako niskoprężne kotły parowe określa się kotły z dopuszczalnym nadciśnieniem

roboczym ≤ 1 bar. Aż do 0,5 bar kotły niskoprężne nie są objęte dyrektywą „Urządzenia ciśnieniowe” – ich wykonanie opiera się na „dobrej praktyce inżynierskiej”. Kotły o ciśnieniu powyżej 0,5 do 1 bar budowane są w oparciu o dyrektywę „Urządzenia ciśnieniowe”, lecz z mniejszymi wymaganiami, niż dla wysokociśnieniowych kotłów parowych o ciśnieniu ponad 1 bar.

� Niskoprężne kotły parowe stosowane są na przykład w:– piekarniach przemysłowych,– zakładach mięsnych,– parowych instalacjach c.o.

� Wysokoprężne kotły parowe budowane są jako kotły płomienicowo-płomieniówkowe z dopuszczalnym nadciśnieniem roboczym od 1 do 25 bar. Obszary ich zastosowań to:– przemysł spożywczy (browary, mleczarnie),– przemysł papierniczy,– przemysł farmaceutyczny,– przemysł mat. budowlanych

86

87

Dobór wydajności pary

•Jeśli odbiorniki pobierają z kotła więcej pary, niż jego maksymalnie możliwa wydajność pary, to para zaczyna unosić z sobą coraz więcej kropelek wody. Pogarsza to jakość pary; powoduje powstawanie osadów na armaturze i innych elementach wewnętrznych instalacji parowej. Spada ciśnienie pary i temperatura w kotle, co może skutkować niedostatecznym zasilaniem odbiorników. Dlatego ważne jest ustalenie, jakie odbiorniki musi zasilać kocioł i jak wysokie jest ich zapotrzebowanie pary.

•Należy pamiętać, by uwzględnić parę zużywaną na potrzeby własne kotłowni, np. na termiczne uzdatnianie lub ogrzewanie. Z sumy zapotrzebowania odbiorników, otrzymuje się minimalną wymaganą wydajność kotła. Może okazać się celowym rozłożenie mocy na kilka kotłów.

88

� Ze względu na jego rolę i znaczenie wyróżnia się trzy grupy wyposażenia:– podstawowe urządz. zabezpieczające,– pomocnicze urządz. zabezpieczające,– urządzenia regulacyjne (sterujące).

89

� Podstawowe urządzenia zabezpieczające

� Ich głównym zadaniem jest trwała blokada palnika (wyłączenie awaryjne) w przypadku przekroczenia dopuszczalnych parametrów pracy.

� SIV – zawór bezpieczeństwa – stanowi zabezpieczenie przed przekroczeniem nadciśnienia dopuszczalnego o poziomie otwarcia pSIV=0,7 bar.

� WB – elektrodowy ogranicznik poziomu wody – montowany jest razem z elektrodami do regulacji dopływu wody zasilającej. Jego zadaniem jest zabezpieczenie kotła przed spadkiem poniżej minimalnego poziomu wody w kotle. W przypadku obniżenia się lustra wody poniżej wartości dopuszczalnej następuje blokada pracy (wyłączenie awaryjne) palnika. Łącznie z pozostałymi elektrodami PZ/PW stanowi on integralny zespół do regulacji dopływu wody zasilającej oraz zabezpiecza kocioł parowy przed zbyt niskim jej poziomem lub brakiem.

� DB – ogranicznik ciśnienia maksymalnego, instalowany na łączniku zbiorczym. Jego zadaniem jest ochrona kotła przed wzrostem ciśnienia pary powyżej pSIV – 0,07 bar. W przypadku osiągnięcia tej wartości następuje blokada pracy (wyłączenie awaryjne) palnika. Opóźnia się zatem pełne otwarcie zaworu bezpieczeństwa przy nadciśnieniu pSIV, minimalizując utratę wytworzonej pary o określonej entalpii.

90

� Pomocnicze urządzenia zabezpieczające

� ASV – zawór odmulający, służący do okresowego spustu wody pod nadciśnieniem roboczym wraz z zanieczyszczeniami z dolnej strefy kotła. W tym przypadku powinien być zastosowany zawór szybkozamykający się. Częstotliwość jego otwierania ustala się doświadczalnie.

� EL – odpowietrznik przeznaczony do odprowadzenia powietrza z przestrzeni parowej kotła.

� TR – regulator temperatury. Jego zadaniem jest zabezpieczenie minimalnej wartości temperatury wody kotłowej podczas stanu dyżurnego kotła na poziomie 95-98°C.

� WSA – poziomowskaz – konieczne wyposażenie kotła w celu obserwacji poziomu wody kotłowej oraz do kontroli działania ogranicznika WB i elektrod PZ/PW.

� DR –kocioł niskoprężny winien zapewnić właściwe nadciśnienie pary: prob, które jest osiągane w wyniku pracy palnika. Niezbędne są zatem urządzenia sterujące jego pracą. W przypadku stosowania palników dwustopniowych wykorzystuje się do tego celu dwa parametryczne regulatory ciśnienia: DR1 – I stopnia oraz DR2 –II stopnia palnika. 91

� PZ, PW – zespół elektrod przewodnościowych, służących do dwupołożeniowej regulacji dopływu wody zasilającej do kotła. Ich podstawowym zadaniem jest załączenie pompy P w sytuacji, gdyby poziom wody w kotle osiągnął niski stan dopuszczalny NZ. W wyniku jej pracy uzupełniana jest objętość wodna kotła. Z chwilą osiągnięcia w kotle wysokiego stanu dopuszczalnego NW pompa P zostaje wyłączona. Działanie elektrod PZ/PW polega na pomiarze przewodności względem elektrody odniesienia EO .

� P – pompa zasilająca, jej zadaniem jest okresowe uzupełnianie poziomu wody w kotle. Sterowanie załączaniem oraz wyłączaniem pompy realizowane jest przez łącznik współpracujący z zespołem elektrod PZ, PW, EO, jak opisano wcześniej.

92

Ćwiczenia rachunkowe z Kotłów i siłowni małych mocypodejmują zagadnienia związane z:

� obliczeniami procesów spalania paliw;� obliczeniami cieplnymi i bilansowymi komór

spalania;� obliczeniami układów i kanałów spalinowych.

93

Podstawowe równania stechiometryczne dla spalania na przykład, wodoru i węgla są następujące:

C + 0,5O2→COC + O2→CO2

H2 + 0,5O2→H2O

Aby zapewnić spalanie z minimalną stratą niezupełnego i niecałkowitego spalania, dostarcza się powietrze w nadmiarze (λ – wsp. nadmiaru powietrza).

94

Obliczenia procesów spalania

paliw

Proporcje mieszaniny stechiometrycznej paliwa i powietrza można wyrazić przez stosunek powietrze/paliwo jako (A/F)s (w kilogramach powietrza na kilogram paliwa).

� gdzie:� M – aktualna ilość kmoli tlenu na kilogram paliwa,� Ms – ilość kmoli tlenu na kilogram paliwa w warunkach stechiometrycznych.

95

s

s

M

M

FAFA

=

=λ

95

Uwzględniając powyższe informacje można zapisać uogólnione równanie spalania (urs):

1kmolpaliwa + m(O2 + 3.76N2) = n1CO2 + n2H2O + n3CO + n4H2 + n5O2 + n6N2 + n7SO2

m - aktualna ilość kmoli tlenu na kilogram paliwaW zależności od warunków spalania w urs zachodzą

zależności:� λ 1 nie występuje człon n3CO, n4H2

Obliczenia procesów spalania

paliw

96

Paliwa stałe stanowią mieszaninę różnych składników i są opisane przez udziały wagowe elementarnych składników, wraz z wilgocią i popiołem. W urs przedstawione są w postaci udziałów molowych odniesionych do jednostki masy paliwa.

W przypadku paliw gazowych w urs skład paliwa wyrażony jest najczęściej poprzez udziały objętościowe poszczególnych składników.

Obliczenia procesów spalania

paliw

97

Bilans molowy poszczególnych składników na podstawie urs przeprowadza się w oparciu o założenie równowagi pomiędzy produktami reakcji spalania a substratami i tak np.:

przy założeniu składu paliwa stałego w postaci:

węgiel n1 + n3= a/12

wodór n2 + n4= b/2 +e/18

tlen n1 + 0,5n2 + 0,5n3 + n5 + n7 = c/32 + e/18 + m

siarka n7 = f/32

azot n6 = d/28 + 3.76m

32

fS

18

OeH

28

dN

32

cO

2

bH

12

aC 2222 +++++

a, b, c, itd. – udziały wagowe poszczególnych składników

Obliczenia procesów spalania

paliw

98

Proporcje poszczególnych składników w produktach spalania określa się w udziałach molowych (równorzędnym objętościowym) wg zależności:

99

∑=

i

ii

produktów mol

mol skadnika wyobjębjętoś % 100

Produkt mol % obj. wilgotny % obj. suchy

CO2O2N2

SO2

n1n5n6n7

n1/(n1+n5+n6+n7+n2)n5/(n1+n5+n6+n7+n2)n6/(n1+n5+n6+n7+n2)n7/(n1+n5+n6+n7+n2)

n1/(n1+n5+n6+n7)n5/(n1+n5+n6+n7)n6/(n1+n5+n6+n7)n7/(n1+n5+n6+n7)

Spaliny suche H2O

n1+n5+n6+n7n2

-n2/(n1+n5+n6+n7+n2)

--

Spaliny wilgotne n1+n5+n6+n7+n2 100 100

Obliczenia procesów spalania

paliw

Analizę zagadnień wymiany ciepła sprowadza się zwykle do obliczeń strumieni ciepła tj. ilości ciepła przekazywanego w jednostce czasu w określonych warunkach.

W przypadku komór spalania kotłów małej mocy pod uwagę brane są dwa mechanizmy wymiany ciepła:

� konwekcja� radiacja.

100100

Obliczenia tego rodzaju pozwalają na określenie wymiarów wymiennika ciepła, czyli przy założonej mocy cieplnej urządzenia uzyskać konstrukcję o jak najmniejszych wymiarach co zapewnia realizację procesu z wysoką sprawnością.

Algorytm obliczeń cieplnych dąży do wyznaczenia:� konwekcyjnego współczynnika wnikania ciepła,� radiacyjnego współczynnika wnikania ciepław komorze spalania.

101

Znajomość tych współczynników pozwala na określenie całkowitego strumieni ciepła przekazywanych z wykorzystaniem tych mechanizmów:

strumień ciepła od warstwy płomienia do powierzchni wewnętrznej komory, W;

strumień ciepła od gazowych produktów spalania, W;

strumień ciepła przekazany na drodze konwekcji, W.

102

ksgsf QQQQ•

−

•

−

••

++=∑

sfQ −•

sgQ −•

kQ•

Wykorzystując równanie bilansu cieplnego komory

przeprowadza się weryfikację przeprowadzonych obliczeń strumienia ciepła (ΣQ) a strumieniem ciepła dostarczonym z paliwem (BW) pomniejszonym o straty (BW(1-η)) i odprowadzonym z gorącym czynnikiem (BI).

103

∑=⋅−−⋅⋅−⋅•

QIBWBWB )1( η

103

Obliczenia te mają na celu prawidłowy dobór urządzeń odprowadzania spalin. Podstawowymi obliczanymi parametrami jest:

� obliczenie powierzchni przekroju kanału,� obliczenie przerywacza ciągu,� obliczenie wysokości komina.

Prawidłowy dobór tych elementów zapewnia stabilną i bezpieczną pracę kotła oraz zapewnia efektywne odprowadzenie spalin do atmosfery.

104

1. Albers J. I inni, Systemy centralnego ogrzewania i wentylacji, WNT, Warszawa 2007

2. Kowalski Cz., Kotły gazowe centralnego ogrzewania, WNT, Warszawa 1994

3. Rybak W. Spalanie i współspalanie biopaliw stałych, Oficyna PWr, Wrocław 2006

4. Materiały informacyjne, promocyjne i szkoleniowe firm produkujących kotły małej mocy, np.: Viessmann, Buderus, Ferolli i innych

105