Alternatywa dla parowych kotłów płomienicowo-płomieniówkowych - Szybkie wytwornice pary - budowa, osprzęt, zasada działania

Wytwornice pary (steam generator, Dampferzeuger), nazywane są również (choć znacznie rzadziej) generatorami pary, kotłami bezwalczakowymi lub parowymi kotłami przepływowymi. Przeznaczenie i zastosowanie tych urządzeń jest nieco inne, niż kotłów parowych płomienicowo-płomieniówkowych (steam boiler, Dampfkessel) o podobnych mocach cieplnych. Wynika to że specyficznych cech konstrukcyjnych wytwornic pary i warunków, jakie muszą być spełnione podczas ich eksploatacji. Największe tego rodzaju urządzenia wytwarzają strumień pary do 10 ton na godzinę.

Wytwornice pary mogą być opalane gazem ziemnym, gazem płynnym, olejem opałowym lekkim lub ciężkim, a także innymi paliwami płynnymi. Palniki wraz z osprzętem są dostarczane przez producenta kotłów. Dostępne są również wytwornice ogrzewane energią elektryczną.  

Budowa wytwornic pary

Urządzenia te mają budowę wodnorurową (inaczej opłomkową - rury z wodą są omywane przez spaliny). Zasada działania polega na tym, że woda przepływając przez znacznej długości wężownicę, jest podgrzewana, doprowadzona do wrzenia i do temperatury nasycenia odpowiadającej wymaganemu ciśnieniu pary. Dalej para wodna odprowadzana jest króćcem do przewodów parowych. Wężownica pełni więc funkcje szeregowo podłączonych: podgrzewacza wody, parownika i ewentualnie przegrzewacza pary. Pojemność wodna wytwornicy jest niewielka, a przestrzeń parowa nie jest dokładnie określona. Taka budowa sprawia, iż strumień wody doprowadzany w danym momencie do wytwornicy, musi być równy poborowi pary. Wymaga to dokładnej synchronizacji pracy pompy zasilającej i palnika, odpowiedzialnego za wytwarzanie pary. Mała pojemność wodna urządzenia umożliwia szybkie podgrzanie wody i wytworzenie pary wodnej. Rozruch ze stanu zimnego może trwać zaledwie kilka minut. Dlatego też, tego rodzaju urządzenia nazywane są również szybkimi lub szybkodziałającymi wytwornicami pary.  

Wytwornice pary stojące i leżące

Na rynku dostępne są urządzenia pracujące w pozycji poziomej lub pionowej. Wybór rozwiązania poziomego związany jest z koniecznością wygospodarowania większej ilości miejsca (nie tylko ze względu na rozmiary, lecz również na konieczność wyjęcia palnika), dzięki czemu możliwy jest szybki dostęp do palnika i łatwiejsze czyszczenie powierzchni ogrzewalnych. Rozwiązanie pionowe pozwala na zaoszczędzenie miejsca, może jednak z kolei wymagać większej wysokości tego pomieszczenia. Rys. 1 przedstawia schematy przykładowych rozwiązań konstrukcyjnych. Wytwornica pokazana na rys. 1a (wg [4]) pracuje w pozycji poziomej. Przewidziano w niej trójciągowy układ odprowadzania spalin, pozwalający na lepsze wykorzystanie ciepła ze spalin, co skutkuje nieco wyższą sprawnością urządzenia i niższą emisją zanieczyszczeń. Na rys. 1b (wg [2]) umieszczono schemat wytwornicy pionowej z dwuciągowym układem odprowadzania spalin. Przewidziano tu podgrzew powietrza do spalania, poprzez zastosowanie dwupłaszczowego układu doprowadzania powietrza do palnika. Wstępny podgrzew występuje podczas wprowadzenia powietrza wokół rury spalinowej, następnie ogrzewa się ono od gazów spalinowych drugiego ciągu. Rozwiązanie takie zwiększa sprawność wytwornicy i nie wymaga stosowania zaizolowanej termicznie obudowy. Rozwiązanie przedstawione na rys. 1c (wg [3]), to wytwornica pionowa z jednociągowym układem odprowadzania spalin. Odległości między zwojami wężownicy są tu zróżnicowane. Spaliny przepływają najpierw pomiędzy rurkami umieszczonymi w większych odstępach, wyżej zaś - odstępy są już mniejsze. Pozwala to na intensywną wymianę ciepła pomiędzy spalinami a wodą i mimo układu jedociągowego - uzyskanie wysokiej sprawności urządzenia.

Rys. 1 Schematy budowy wytwornic pary: a) pozioma z trójciągowym układem odprowadzania spalin, b) pionowa z dwuciągowym układem odprowadzania spalin i podgrzewem powietrza do spalania, c) pionowa z jednociągowym układem odprowadzania spalin i różną gęstością ułożenia zwojów wężownicy Ozn.: ZB - zawór bezpieczeństwa, PI - manometr, Pmax - ogranicznik maksymalnego ciśnienia, PC - regulator ciśnienia (kliknij aby powiększyć)
 

Wężownica o zmiennej średnicy

Obecnie spotykane na rynku wytwornice pary mają tylko jedną wężownicę. Jest ona długa, zwinięta i ułożona warstwowo. Poszczególne zwoje są tak umieszczone, aby zapewnić wymagane warunki przepływu gorących spalin. Początkowa część wężownicy, w której płynie woda, zbudowana jest z rurek o mniejszej średnicy. Dalej średnica wężownicy jest większa, gdyż w ten sposób uwzględnia się wzrost objętości właściwej podgrzewanej wody. Małe przekroje rurek wężownicy w wytwornicach, są jedną z przyczyn konieczności zapewnienia wysokiej jakości wody zasilającej. Osadzający się na wewnętrznych ściankach kamień kotłowy (tj. nierozpuszczalne w wodzie sole wapnia, manganu i magnezu) może powodować zarastanie przewodu, czyli zmniejszanie pola przekroju, którym płynie woda. W efekcie prowadzi to do zwiększenia oporów przepływu wody przez wężownicę, w skrajnych sytuacjach zaś - do całkowitego zablokowania przepływu. Ponadto warstwa kamienia kotłowego na powierzchni ogranicza wymianę ciepła pomiędzy spalinami a wodą, przez co zmniejsza się sprawność urządzenia.

Pompy zasilające wężownicę

Pompy zasilające tłokowe lub membranowotłokowe, produkowane specjalnie do współpracy z wytwornicami pary, dostarczane są przez producentów wraz z urządzeniami. Pompy te cechuje pionowa charakterystyka wydajności (w odróżnieniu od pomp wirnikowych, których charakterystyki są płaskie), przez co zapewniają stały przepływ wody zasilającej, niezależnie od zmian ciśnienia pary, czyli przeciwciśnienia. Mają one zdolność wytwarzania wysokiego ciśnienia przy relatywnie małym wydatku strumienia wody. Regulacja ilości wody doprowadzanej do wężownicy odbywa się przez włączanie i wyłączanie pompy. Bezpośrednio za kotłem znajduje się tzw. rozdzielacz parowy, czyli przewód o średnicy nieco większej, niż średnica przewodu parowego. Na rozdzielaczu zamontowany jest zespół parowych urządzeń kontrolno-pomiarowych i zabezpieczających.

Zapobieganie korozji podczas rozruchu

W dolnej części komory spalania zlokalizowany jest króciec, służący jako odprowadzenie kondensatu wykroplonego ze spalin. Skropliny te powstają na zewnętrznej powierzchni rurek wężownicy, wskutek ochłodzenia gazów spalinowych przez wodę zasilającą. Schłodzenie spalin poniżej temperatury odpowiadającej punktowi rosy (tPR) sprawia, iż para wodna zawarta w spalinach ulega wykropleniu, a kropelki wody w połączeniu z SO2 i NOx ze spalin, tworzą silnie kwaśne roztwory, mogące być przyczyną przyspieszonej korozji powierzchni ogrzewalnych kotła. W wytwornicy pary taka sytuacja zachodzi w czasie jej rozruchu ze stanu zimnego. Po pewnym czasie, gdy komora spalania jest już nagrzana, a woda zasilająca osiągnie odpowiednią temperaturę, ww. niebezpieczeństwo już nie występuje. Aby zapobiec korozji związanej z tym procesem, pomocny może być wymiennik ciepła spaliny-woda zasilająca.

Przygotowanie wody i jej przepływ w instalacjach z wytwornicami pary

Uproszczony schemat obiegu wody pokazano na rys. 2. Woda zasilająca ze zbiornika skroplin jest tłoczona do wężownicy. Przewody parowe rozprowadzają parę do odbiorników, w których oddaje ona ciepło, w skutek czego skrapla się i jako kondensat spływa do otwartego (bezciśnieniowego) zbiornika skroplin (zbiornika wody zasilającej).
Rys. 2 Schemat obiegu wody w instalacji z wytwornicą pary (kliknij aby powiększyć)
Ponieważ w instalacji, z różnych przyczyn, mogą występować ubytki pary wodnej, niedobór wody jest uzupełniany z instalacji wodociągowej. Wymaganą jakość wody zasilającej do wytwornicy pary zapewniają stacja uzdatniania wody (na przyłączu wodociągowym) i dozownik środków chemicznych, odpowiedzialny za skład chemiczny wody w zbiorniku zasilającym. W stacji uzdatniania wody przeprowadzane są procesy zmiękczania wody surowej i ewentualnie odżelazianie oraz odmanganianie. Dozownik środków chemicznych może wykonywać korekcję parametrów wody zasilającej (np. twardości szczątkowej, pH) oraz odgazowanie chemiczne. Przygotowanie wody jest więc w tym wypadku procesem dwuetapowym. Dodatkowo można zastosować najprostsze częściowe odgazowanie termiczne wody w zbiorniku zasilającym, by usunąć, w pewnym stopniu: tlen, dwutlenek węgla i azot zawarte w wodzie (ochrona przed korozją). Schemat układu do częściowego odgazowania wody pokazano na rys. 3. Częściowe odgazowanie uzyskuje się przez bezpośrednie podgrzanie parą wody (barbotaż) w zbiorniku zasilającym do temperatury około 95°C. Skropliny mog ą być dostarczane bezpośrednio do zbiornika zasilającego z odgazowaniem lub gromadzone w bezciśnieniowych zbiornikach skroplin i przepompowywane do zbiornika zasilającego z częściowym odgazowaniem.
Rys. 3 Układ do częściowego odgazowania wody zasilającej Ozn.: TC - regulator temperatury, LI - wskaźnik poziomu, LC - regulator poziomu, F - filtr, PZ - pompa zasilająca (kliknij aby powiększyć)
Zastosowanie układu częściowego odgazowania wody polepsza jej jakość lecz jednocześnie jest przyczyną strat ciepła przez tzw. rurę oparową, łączącą zbiornik z atmosferą. Pozwala jednak na utrzymanie, zalecanej przez producenta, temperatury wody zasilającej wytwornicę.

Rys. 4 Przykładowe schematy obiegu wody w instalacji z wytwornicą pary, z podgrzaniem wody zasilającej: a) z wymiennikiem spaliny-woda zasilająca, b) z wymiennikiem skropliny-woda zasilająca (kliknij aby powiększyć)
W celu poprawienia sprawności energetycznej urządzenia, można zamontować wymiennik ciepła spaliny-woda zasilająca (rys. 4a), na przewodzie spalinowym [4]. Jak już wspomniano, zastosowanie w wytwornicach pary otwartego zbiornika skroplin może być źródłem dodatkowych strat ciepła (przez rurę oparową), zwłaszcza jeśli temperatura skroplin jest wysoka. Dlatego też, jeśli nie stosujemy częściowego odgazowania wody i strumień chłodnej wody uzupełniającej jest mały (tj. małe są straty skroplin w instalacji parowej), celowe jest ich schłodzenie przed wprowadzeniem do zbiornika. Do tego celu można zastosować właśnie wymiennik skropliny-woda zasilająca (rys. 4b), który także podgrzeje wodę zasilającą wytwornicę [2]. Osprzęt wytwornic pary Podstawowy osprzęt szybkich wytwornic pary składa się z elementów pokazanych na rys. 5. Główne urządzenia kontrolno-pomiarowe i zabezpieczające służą do utrzymania właściwego ciśnienia pary za wytwornicą. Zalicza się do nich: zawór bezpieczeństwa (ZB) oraz zlokalizowany na zasyfonowanym przewodzie manometr z kurkiem (PI), ogranicznik maksymalnego ciśnienia (Pmax) i regulator ciśnienia (PC) sterujący pracą palnika. Zawór parowy (ZP) może regulować strumień pary dostarczanej do instalacji. Pośrednie zabezpieczenie przed brakiem wody w wężownicy może być realizowane przez kontrolę temperatury pary za wytwornicą i/lub poprzez pomiar temperatury spalin. Do tego służą ograniczniki maksymalnej temperatury (Tmax): dwa na przewodzie parowym (po jednym do każdego stopnia pracy palnika) i jeden na przewodzie spalinowym.
Rys. 5 Podstawowy osprzęt szybkiej wytwornicy pary Ozn.: PZ - pompa zasilająca, ZZ - zawór zwrotny, Tmax - ograniczniki maksymalnej temperatury, PI - manometr z kurkiem manometrycznym, Pmax - ogranicznik maksymalnego ciśnienia, PC - regulator ciśnienia, ZB - zawor bezpieczeństwa, ZP - zawór parowy (kliknij aby powiększyć)
Bezpośrednio za wytwornicą, na przewodzie parowym umieszcza się osuszacz (zwany też separatorem kropli). Ma on za zadanie zatrzymać kropelki wody niesione przez strumień pary, a tym samym zwiększyć stopień suchości wytwarzanego czynnika. W dolnej części osuszacza montuje się odwadniacz. Planując zakup szybkiej wytwornicy pary, musimy wziąć pod uwagę nie tylko samą wytwornicę wraz z osprzętem. Należy uwzględnić także pozostałe urządzenia, pokazane na rysunkach, a więc zbiornik skroplin, stację uzdatniania wody, dozownik środków chemicznych, pompę zasilającą, osuszacz pary, ewentualnie wymiennik ciepła, które będą w stanie zapewnić prawidłowe warunki eksploatacyjne. Najczęściej są one dostarczane przez producentów wytwornic, niekiedy w formie zespołu urządzeń (modułów).

Zalety i wady wytwornic pary oraz ich zastosowanie

Szybkie wytwornice pary mogą być alternatyw ą dla parowych kotłów płomienicowo-płomieniówkowych, o mocach nie większych niż kilka megawatów. Poniżej, w sposób uproszczony opisano zalety i wady wytwornic pary w porównaniu z ww. kotłami. 

Zalety:

• niższa cena (o 25÷40% w stosunku do kotła parowego o podobnej mocy - największe różnice są dla urządzeń o małych mocach i dużym ciśnieniu),
• mniejsze rozmiary,
• mniejsze zapotrzebowanie miejsca w kotłowni (wynikające z mniejszych rozmiarów i z warunków, jakie musi spełniać miejsce instalacji),
• mniejsza masa jednostkowa,
• uproszczone przepisy dotyczące wydawania zezwoleń na eksploatację oraz nadzoru eksploatacyjnego,
• prosta i tania eksploatacja części ciśnieniowej,
• krótki czas uruchamiania ze stanu zimnego,
• małe straty postojowe (czyli utrzymanie w stanie gotowości do pracy),
• brak strat mocy cieplnej związanych z odsalaniem i rzadsze odmulanie.

Wady:

• para wilgotna,
• wahania ciśnienia wytwarzanej pary przy braku natychmiastowej synchronizacji dopływu wody zasilającej z natężeniem poboru pary (inaczej:
• konieczność zachowania ścisłej synchronizacji wydajności pompy zasilającej z poborem pary i mocą palnika),
• konieczność stosowania tłokowych pomp zasilających, wymagających specjalnych zabiegów konserwacyjnych,
• duża częstotliwość włączeń i wyłączeń (co oznacza szybsze zużywanie palnika i urządzeń przełączających oraz dodatkową emisję zanieczyszczeń - niespalonych węglowodorów),
• w przypadku opalania olejem - częstsze czyszczenie powierzchni ogrzewalnych (sadza),
• duże straty rozruchowe wskutek częstego przewietrzania komory paleniskowej,
• większe zużycie paliwa,
• wysokie wymagania odnośnie jakości wody zasilającej (stacja uzdatniania wody),
• konieczność stosowania czułych urządzeń automatycznej regulacji,
• pośrednie zabezpieczenie przed brakiem wody (przez rejestrowanie temperatury przegrzania, częściowo przez kontrolę ciśnienia i przepływu),
• skomplikowana obsługa wymagająca personelu o wysokich kwalifikacjach,
• problemy z podłączeniem kilku wytwornic w jeden układ.

Na tej podstawie można określić warunki w jakich celowe jest stosowanie wytwornic pary, by w pełni wykorzystać ich zalety, minimalizując czynniki niekorzystne:

• zapotrzebowanie pary jest okresowe, tzn. są długie przerwy pomiędzy kolejnymi poborami pary. W takiej sytuacji niewskazane jest stosowanie kotłów płomienicowo-płomieniówkowych, przeznaczonych do pracy ciągłej (długi czas uruchomienia ze stanu zimnego, wysokie straty postojowe);
• nie ma wysokich wymagań odnośnie jakości pary oraz utrzymania stałego ciśnienia i temperatury pary;
• wymagany strumień pary jest wielkością stałą lub jego zmiany są niewielkie. Dostosowuje się wtedy wielkość wytwornicy do rzeczywistego poboru pary. Praca palnika jest wtedy stabilna (mała liczba włączeń i wyłączeń). Ponadto łatwo jest zsynchronizować pracę palnika i pompy;
  wymagane jest szybkie, impulsowe doprowadzenie pary do odbiornika (np. w ciągu kilku minut);
• jako urządzenie szczytowe w kotłowniach z kotłami parowymi;
• jako rezerwowe źródło ciepła.

W praktyce szybkie wytwornice pary stosowane są w wielu gałęziach przemysłu, gdzie potrzebna jest para technologiczna, np. w branży spożywczej (przetwórstwo mięsa, warzyw, owoców, ryb, w mleczarniach, w browarach), w przemyśle drzewnym, podczas produkcji materiałów budowlanych, w przemyśle chemicznym, zbrojeniowym i innych. Literatura: [1] Piotrowski W.: Wytwornice pary. Podstawy teoretyczne. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1989. [2] Materiały informacyjne firmy CERTUSS Dampfautomaten. [3] Materiały informacyjne firmy CLAYTON Industries. [4] Materiały informacyjne firmy LOOS International. Autorzy: dr inż. Krystyna Mizielińska, dr inż. Jarosław Olszak - Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechniki Warszawskiej

Źródło: POLSKI INSTALATOR