BADANIA CIEPLNE URZĄDZEŃ KOTŁOWYCH

Cel i zakres badań Celem 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: Odbiorcze Eksploatacyjne Kontrolne Specjalistyczne 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).

Bilans energii urządzenia kotłowego

Wybór metody wyznaczania sprawności cieplnej urządzeń kotłowych Sprawność 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 kotłowych Sprawność 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 sprawności Badania 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, %.

Straty ciepła podczas pracy badanych kotłów są przedstawione w postaci rónania

Suma strat ciepła

Strata wylotowa Strata 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.

Strata niecałkowitego spalania Sc Strata 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, %.

Strata w żużlu Sż i przesypie Sp 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.

Strata w lotnym popiele 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, %.

Strata niezupełnego spalania 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.

Strata do otoczenia 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.

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)

Przygotowanie i przebieg pomiarów 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

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 spalin Automatyczny 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

Częstość odczytów wskazań przyrządów pomiarowych Analiza spalin – 1 min (zapis automatyczny) Pomiar przepływu – 3 min Pomiar temperatury - 10 min

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 % 0,13 % pył Sl 0,14 % niecałkowitego spalania Sc 2,64 % 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

Charakterystyka badanych obiektów

Wyniki badań: SUMA STRAT SPRAWNOŚĆ So 1,15 % Sc 3,41 % 2,64 % Sn Rodzaj straty K1 ściany szczelne K6 So 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 %

Dziękuję za uwagę