Kazánok és Tüzelőberendezések
Irodalom Az ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/Kazanok_es_Tuzeloberendezesek/ szerveren • Az előadások és gyakorlati példák „pdf” formátumban Jegyzet (ugyancsak az ftp-n): • Dr. Lezsovits Ferenc: Kazánok és tüzelőberendezések Oktatási Segédanyag Tankönyv: • Dr. Gerse Károly: Kazánok I.-II.
A félév során érintett főbb témakörök • • • • • • • • • • • • • •
Kazánok történelme Kazán definíciója Hőigények és Hőhordozó közegek jellemzői Kazán és hőszolgáltató rendszerek funkcionális elemei Fűtőfelület elrendezések Kazánok segédrendszerei Kazánok szabályozási és védelmi kérdései Kazánhatásfok Tűztéri és konvektív hőcsere, kazánok hőtechnikai számítása Kazán hidraulika, cirkuláció és áramlási ellenállás Kazánok szilárdsági számítása PED – Kazánbiztonsági Szabályzat Vízkezelés alapelvei és megoldásai Kazánkonstrukciók bemutatása
Miért van szükség erre a tárgyra? Emberi tulajdonságok
Gépek
• Személyi Igazolvány (állampolgárság, születési adatok) • Az emberek teljesítménye függ: - az étkezéstől, evéstől és ivástól - Környezeti körülményektől (hőmérséklet, légnyomás, nedvességtartalom, szél) - erőkifejtés szintje és időtartama - egészségi állapot - kor
• Típustábla – Névleges adatok (teljesítmény, hőmérséklet, nyomás) • Teljesítmény függ - üzemanyagtól, energia forrástól - Környezeti körülményektől (hőmérséklet, légnyomás, nedvességtartalom, szél) - terhelés szintjétől és változásaitól - állapottól - karbantartási - kortól
• A megfelelő egészségi állapot fenntartásához szükség van: - pihenésre és rekreációra
• A megfelelő egészségi állapot fenntartásához szükség van: - karbantartásokra és felújításokra
• Az emberi viselkedés tudománya – • Ez a tárgy hozzásegít, hogy a - Pszichológia Kazánok pszichológusai lehessenek
A tárgy teljesítésével Képesek lesznek: • Érteni és rendszerben látni a kazánok belső folyamatait és ezek összefüggéseit a peremfeltételekel • Kiválasztani a megfelelő berendezést az aktuális igényekre • Értékelni a berendezések üzemét különböző körülmények esetén • Kideríteni a rendellenes működések okait és elhárítani azokat • Meghatározni a karbantartási feladatokat
Történelem • Tábortűz: A tüzet az emberiség már az őskortól kezdődően hasznosította. Nagyon sokáig ez volt a hőenergia termelés és hasznosítás egyetlen módszere. A tábortűzön lehetett sütni, főzni, illetve lehetett mellette melegedni. • Kályhák, kandallók, tűzhelyek: A fejlődés következő lépése volt a tüzelés megvalósítása épületen belül. Ennél a megoldásnál minden olyan helyiségbe ilyen berendezést kellett telepíteni és üzemeltetni ahol fűteni, vagy sütni-főzni kellett. • Központosított hőenergia szolgáltatás: Logikus a következő fejlődési fázis, központosítsuk a tüzelést, így egy helyen nagyobb teljesítménnyel lehet tüzelni. A megoldásnak számos előnye van: - gazdaságosság, egy nagyobb teljesítményű berendezés olcsóbb, mint sok kicsi - jobb szabályozhatóság - kisebb élőmunka igény - kisebb környezetszennyezés - a hőfelhasználás helye mentesül a tüzeléssel járó maceráktól, illetve ezzel járó piszoktól. A hőenergia szétosztásához viszont ilyenkor szükség van egy alkalmasan választott hőhordozó közegre.
Kazán definíciója • Kazánnak nevezzük azt a berendezést, amely tüzelőanyag oxidációjával, vagyis elégetésével felszabadítja a tüzelőanyag kötött kémiai energiáját, és a keletkezett hőt hőhordozó közeg felmelegítésére, vagy halmazállapotának megváltoztatására hasznosítja . • Kivétel: Azt a berendezést, amelyben égés nem játszódik le, más berendezésből (pl. gázturbina) érkező forró égéstermék hőjét hasznosítja, hőhasznosító kazánnak nevezzük. • Viszont bár tüzelést valósítanak meg, de nem kazánok azok a berendezések, ahol hőhordozó közeg nélkül az energia helyben hasznosításra kerül, pld kályhák, kandallók, gázkonvektorok, kemencék, tűzhelyek.
A tényleges fejlődés • Az előbbi történeti okfejtés bármilyen logikusnak tűnik, a történeti fejlődés mégsem teljesen így zajlott le. • A hőigények kiszolgálása egészen a XVIII. századig kizárólag egyedi hőfejlesztőkkel történt. • Kazánokat csak az ipari forradalom kezdeteitől kezdve, a gőzgépek megjelenésével kezdődően kezdtek építeni. Az első gőzkazánt Papen szabadalmaztatta 1696-ban, amely egy sörfőző üstből átalakított atmoszférikus gőzkazán volt. James Watt 1781-ben alkotta meg első gőzgépét. • A kazánépítésnek további lökést adott a XIX. század végétől kezdődően a villamos-energiatermelés elterjedése, amihez gőzre volt szükség. (1867. dinamó feltalálása (Jedlik Ányos), 1883. első turbina (Carlagustav Laval)) • Nagyon sokáig a kazán egyértelműen csak gőzkazánt jelentett. • Más rendszerű (pl. melegvíz-) kazánok döntően a központi fűtési rendszerek, illetve a távhőellátás elterjedésével együtt hódítottak teret a XX. század közepétől indulva.
Régi kazánkonstrukciók Denis Papen 1679 - gőzfejlesztő
Lángcsöves nagyvízterű kazánok
Vízcsöves kazánok
Hosszdobos vízcsöves kazánok
Keresztdobos vízcsöves kazánok
Hajókazánok
Használt hajókazán
Hajókazán példa
Mozdonykazánok
Mozdonykazán
Mozdonykazán
Mozdonykazán
A kazán szakterület jelenlegi helyzete • Napjainkig a kazánok jelentős fejlődésen mentek keresztül, és számtalan különböző típusú konstrukció megtalálható a különböző funkciók ellátására. • Ez azonban nem jelenti azt, hogy állandóan változó világunkban ez a terület kimaradna a változásokból. Újabb és újabb ipari technológiák új, vagy módosított konstrukciójú kazánokat igényelnek, illetőleg a napjainkban használatos rendszerekkel szemben is egyre szigorúbbak a hatásfok és környezetvédelmi kívánalmak. • Kazánok legnagyobb számban a háztartásokban találhatók, ezek teljesítménye kicsi. • Ipari rendszerekben számos közepes, illetve nagy teljesítményű berendezés található, az adott technológiához illeszkedő kivitelben. • A másik végletet a villamos erőművek jelentik, ahol a legnagyobb teljesítményű kazánok találhatók.
HŐIGÉNYEK • Helyiség fűtés feladata fűtési időszakban a megfelelő komfortérzetet adó hőmérséklet biztosítása • Használati melegvíz (HMV) fürdéshez, mosdáshoz, mosáshoz és mosogatáshoz. • Energiaigényes ipari folyamatok ellátására pld: vegyipari, gyógyszeripari, konzerv, petrolkémiai üzemek ellátása. • Villamos-energia termelő erőművek gőztermelés Rankine ciklus számára
Hőigények jellemzői Hőmérséklet
Teljesítmény
Igényváltozás gradiens
Fűtés
Helyiségben: 16 - 24°C
Kicsi, vagy közepes (10-20 kW/lakás)
Nagyon lassú, az időjárásnak megfelelő
HMV
40 - 80 °C
2-20 kW lakásonként
Nagy lehet, amikor sok ember rövid idő alatt fürdik (~50 l/személy)
Ipari hőellátás
a technológiának megfelelően nagyon széles körben változhat 20°C - 2000°C
Villamosenergia termelés
A lehető legmagasabb 10 MW - 1000 MW jelenleg: 500-700°C
1 kW - 100 MW
Nagyon lassútól a nagyon gyorsig Hálózatra termelésnél lassú, szigetüzemben nagyon gyors
Hőhordozó közegek Hagyományos: • Levegő - szellőző rendszerekben • H2O - folyadék formában - fűtés - telített gőz - ipari hőellátás - túlhevített gőz - mechanikai munka - villamos energia Speciális: • Thermo-olaj - magas hőmérsékletű hőellátás • Hűtőközegek - abszorpciós hűtőkben - ORC rendszerekben
Levegő • Hőmérséklet tartomány: 20°C - 500°C • Használata viszonylag ritka víz/gőzzel összehasonlítva • Jellemzői alacsony fajhő, kis sűrűség miatt nagy térfogatáramok • Főként szellőző rendszerekben • Vagy ipari (élelmiszer és fa) rendszerekben pld. szárításra
H2O folyadék formában – meleg-/forróvíz • Hőmérséklet: max. 110°C melegvizes rendszer 110°C felett forróvizes rendszer • Eltérés főként a biztonságtechnikai előírásokban • Nyomás pstat > psat(tmax) helyi forrást is el kell kerülni • Felhasználás: A melegvizes rendszereket leginkább fűtésre használják szokásos hőmérséklet szintek: 90/70°C, 80/60°C, 70/55°C, 40/30°C • A forróvizes rendszereket kizárólag távfűtésre használják szokásos hőmérséklet szintek: 110/70°C, 110/90°C, 130/90°C, 160/110°C
Sarjugőz képződés
Fagyveszély elkerülésére Propilénglikol
Propilénglikol + víz
Propilénglikol + víz
Keverék fagyása
Vízgőz • Gőz – telített Jellemzők: A vízgőz, nagy párolgáshője miatt, nagy hőmennyiséget szállít. Igen nagy hőmennyiség átadására képes állandó (telítési) hőmérséklet és nagy (kondenzációs) hőátadási tényező mellett. A nyomás alkalmas választásával a hőátadási hőmérséklet a hőigényhez igazítható. Alkalmazási területek: 100 °C feletti technológiai hőigények kiszolgálásának jellemző hőhordozó közege, különösen ott, ahol az állandó meghatározott hőmérséklet melletti hőátadás lényeges. • Gőz - túlhevített • Jellemzők: Túlhevítéssel főként a vízgőz munkavégző képessége növelhető, aminek a szerkezeti anyagok melegszilárdsága szab határt. Manapság ez 500-700 °C. • Alkalmazási területek: A túlhevített gőzt jellemzően a villamosenergia termelés, ill. mechanikai teljesítmény szolgáltatás érdekében turbina, gőzgép és gőzmotor hajtására használják.
Kazánban végbemenő folyamatok összehasonlítása T-S diagramban
250
Telítési hõmérséklet [°C]
oC
200
150 Ts ( Ps ) 100
50
0
0
5
10
15
20
25
Ps Telítési nyomás [bar]
30
35
40
bar
Termo-olaj • Termoolaj (hőközlő olaj) • Jellemzők: Kifejezetten hőhordozó közeg funkcióra kifejlesztett kőolajtermék, amely folyadék fázisban 300-350 °C-ig hevíthető, környezeti, vagy ahhoz közeli nyomás mellett. Az alacsony nyomás miatt mérsékelten veszélyes, a gőzüzemhez képest enyhébb biztonsági előírásokkal. Az olaj a maximális hőmérséklet túllépése esetén krakkolódik, és lerakódást képez, ezért ennek elkerülésére fokozottan ügyelni kell. • Alkalmazási területek: Kifejezetten magas hőmérsékletigényű technológiai hőellátáshoz használják, relatív alacsony teljesítményszint esetén, ahol a hőmérsékletszintnek megfelelően magas nyomású (50-100 bar-os) gőzös kazántelep kialakítása gazdaságtalan lenne. Továbbá fagyveszélynek kitett helyeken is alkalmazzák, (pl. aszfaltkeverő telepek), ahol télen üzemen kívül nem kell külön fagymentesítésről gondoskodni.
bar
250
200
P gõz ( t)
150
P olaj ( t) 100
50
0
50
100
150
200
250
300
t
Rendszernyomás a hőmérséklet függvényében gőzős – piros termoolajos - barna
350
400 oC
A különböző hőhordozó közegek alkalmazási tartományai
Hőhordozó közegek Hőmérséklet tartomány Nyomás tartomány PED kategória Fajlagos hőkapacitás Hőátadási tényező hőleadásnál Elérhetőség
Közeg kezelés
MELEGVÍZ
FORRÓVÍZ
0 – 110ºC 1 – 5 bar
70 – 160ºC (tmax > 110ºC) 5 – 20 bar
Nem tartozik a hatálya alá
Legmagasabb veszélyesség
4,1868 kJ/kg K
4,1868 kJ/kg K
Közepes érték Jó hőátadás
Közepes érték Jó hőátadás
GŐZ telített / túlhevített 100 - 250 ºC / - 630 ºC 1 – 40 bar / -250 bar Legmagasabb veszélyesség 1700 - 2200 kJ/kg / - 3500 kJ/kg Nagy érték, igen jó hőátadás
Ivó-, ipari- vagy kútvíz felhasználható
Ivó-, ipari- vagy kútvíz felhasználható
Ivó-, ipari- vagy kútvíz felhasználható
Egyszerű lágyítás, és/vagy adalékolás
Komoly vízelőkészítés és vízminőség ellenőrzés szükséges
Komoly vízelőkészítés és vízminőség ellenőrzés szükséges
TERMOOLAJ nyitott / zárt rendszer -50 - 300 ºC / -50 - 420 ºC 1 – 10 bar / -20 bar Mérsékelt veszélyesség
Speciális termoolaj megvásárlása szükséges Nem szükséges, hosszabb idő után ellenőrzés, szükség szerint csere
1,7–2,9 kJ/kg K Mérsékelt érték és hőátadás
Hőhordozó közegek MELEGVÍZ
Pótlólagos betáplálás
Minőség szabályozás, Lelúgozás, leiszapolás Keringető szivattyú Kondenzvíz leválasztás, gyűjtés, kezelés, visszavezetés Fagyveszély
Korrózióveszély Tűzveszély
FORRÓVÍZ
Nem szükséges Nem szükséges normál normál üzemben, üzemben, csak légtelenítés, csak légtelenítés, vagy szivárgás vagy szivárgás esetén esetén Minőség Nem szükséges ellenőrzés, gáztalanítás szükséges Szükséges Szükséges
GŐZ telített / túlhevített Folyamatosan szükséges lelúgozás / iszapolás illetve kondenzvíz kigőzölgés miatt
TERMOOLAJ nyitott / zárt rendszer Nem szükséges normál üzemben, csak légtelenítés, vagy szivárgás esetén
Szükséges
Nem szükséges
Nem szükséges
Szükséges
Nem szükséges
Nem szükséges
Nem szükséges
Szükséges
Van! Fagyálló bekeveréssel elkerülhető
Van! Hőntartás, vagy kisérő fűtés kell (fagyálló nem használható) Van Nincs
Van! Hőntartás, vagy kisérő fűtés kell (fagyálló nem használható) Van Nincs
Van Nincs
Nincs! (olaj dermedése kárt nem okoz) Nincs Van
Kazánok osztályozása • Tüzelőanyag • Tüzelőberendezés • Hőhordozó közeg • Hőátadó rész konstrukció • Áramlási rendszer • Füstgáz oldali nyomásviszonyok alapján történik
Tüzelőberendezés Feladatai: • a tüzelőanyag reakcióra való előkészítése, és bejuttatása a tűztérbe, • a tüzelőanyag mennyiség szabályozása a teljesítményigénynek megfelelően, • a levegő, mint oxidálószer a tüzelőanyaghoz való hozzávezetése, megfelelő keveredés biztosításával, • esetenként a megfelelő tüzelés érdekében a teljes égéslevegő mennyiséget részekre osztják, és különböző helyeken vezetik be, • a gyulladás előtti levegő hozzávezetést primer-, míg az égéshez történő levegő hozzávezetést szekunder levegőnek nevezik, • a levegőmennyiség szabályozása a mindenkori bejuttatott tüzelőanyag-mennyiségnek megfelelően, a megfelelő légfelesleg tényező biztosítása érdekében, • a rekció beindítása, gyújtás, • a kémiai reakció folyamatos fenntartása, • teljes és a lehető legtökéletesebb égés biztosítása, • alacsony károsanyag emisszió, • valamint biztonságos és a lehetőségek szerint automatizált üzem.
Tűztér • A tűztérnek a reakcióteret nevezzük, ahol az égés, vagyis a kémiai reakció lezajlik. • A tűztér funkcionális része a tüzelőberendezésnek. A tüzelőberendezés tűztér nélküli részét égőnek nevezik. • Nagyon lényeges az égő és a tűztér kölcsönhatása, a megfelelő tüzelési paraméterek eléréséhez a kettőnek összhangban kell lennie. A tűztér kialakításának segítenie kell a reakció lefolyását, és elegendő helyet kell, hogy biztosítson az égés befejeződéséhez a tűztérben, valamint füstgáz recirkuláció és visszasugárzás segítségével segítenie kell a láng stabilizálását. • A tűzteret általában körülveszi a hőátadó rész, így a tűztér része a hőhasznosítónak is. • Kivételt képez, amikor a tüzelés hőálló falazattal körülvett, hűtetlen térben történik, ilyenkor ezt előtét tüzelőberendezésnek nevezik.
Hőhasznosító rész • A hőhasznosító rész feladata az égés során felszabadított hőmennyiség hasznosítása. A cél a füstgáz minél jobb lehűtése, a hőhordozó közeg felmelegítésével, illetve esetenként az égéslevegő előmelegítése által is. A hőhasznosító egy megfelelően kialakított hőcserélő a fenti feladat ellátására. • A hőcsere kétféle fizikai jelenség alapján történik: a tűzteret körülvevő hőhasznosító rész döntően a láng sugárzással átadott hőjét veszi fel, majd a továbbiakban a hőhasznosítás konvekciós úton, az ún. konvektív felületeken történik. Amennyiben a hőhordozóközeg levegő, meleg-/forróvíz, illetve termoolaj, akkor a hőhasznosítóban nincs fázisváltás, csak közeg felmelegítés történik. • Gőzkazán esetén a hőhasznosító felületek hőhordozó oldalról is részekre oszthatók: Tápvízelőmelegítő, Elgőzölögtető, Túlhevítő(k) • Levegő előmelegítő (nincs minden esetben) • A hőhasznosító felületek elrendezésére és kialakítására a termodinamika hőcserélőkre vonatkozó törvényeit kell alkalmazni. Néhány speciális tényezőt azonban figyelembe kell venni.
Hőhasznosító kazán (HRSG) helye a kombinált ciklusban
Egy nyomású HRSG
Egynyomású HRSG T-Q diagramja
Tüzeléses erőművi kazán T-Q diagramja
Tipikus erőművi vízcsöves kazán fűtőfelület elrendezése
Kisegítő rendszerek • Tüzelőanyag ellátó rendszer • Füstgáz elvezető rendszer: - Füstgáz tisztító rendszer - Füstgáz elszívó ventilátor - Kémény • Hőhordozó közeg rendszer - Keringető-, vagy tápszivattyú - Tágulási-, vagy táptartály - Hőhordozó közeg előkészítő rendszer
Tüzelőanyag előkészítő rendszer • Ezen rendszer feladata a tüzelőanyag esetleges tárolása, illetve ellátórendszerhez való kapcsolódás biztosítása, valamint a tüzelési teljesítménynek megfelelő tüzelőanyag-mennyiség tüzelőberendezéshez juttatása, továbbá az alkalmazott tüzelőberendezéstől függően a tüzelőanyagnak a tüzeléshez való részleges, vagy teljes előkészítése. • A tüzelőanyag előkészítéshez szükséges hőt általában a kazánok biztosítják. Ezt szokták önfogyasztásnak nevezni.
Füstgáz tisztító berendezések • A szigorodó környezetvédelmi előírások betartása és környezetünk megóvása érdekében egyre több esetben füstgáz szűrő, vagy tisztító berendezést kell a kazán után kapcsolni. • Legelterjedtebbek a szálló pernye leválasztására beépített szilárdanyag leválasztók. • De terjedőben vannak a főként kénes savak leválasztására hivatott füstgázmosó (ún. kéntelenítő) berendezések, továbbá az elégetlen gázok és a nitrogén oxidok csökkentésére alkalmas katalitikus berendezések is.
Füstgázelszívó ventilátor és kémény • Az utóbbi időkben a kazánfejlesztések tendenciája az adott teljesítményt kisebb méretben megvalósító berendezések felé haladt, amelyet a nagyobb gázsebességek révén kialakuló fokozottabb hőátadással értek el. • Ennek az ára azonban a nagyobb áramlási ellenállás, amelyhez már kevés a kémény által létesített huzat. • Ha a kazánhoz füstgáztisztító is csatlakozik, általában ennek az áramlási ellenállása akár többszörösen is meghaladhatja a kazán füstgázoldali ellenállását. Így az ellenállás legyőzésére ventilátor beépítése szükséges. • Túlnyomásos tűzterű kazánok esetében, bizonyos esetekben a teljes füstgáz és levegőoldali rendszerellenállás legyőzését a levegőventilátorra bízzák.
Keringető-/tápszivattyú • A hőhordozó közeget szivattyú (levegő esetén ventilátor) szállítja a kazánba. Meleg- vagy forróvíz, illetve termoolaj esetén, ezt keringető szivattyúnak hívják, és a kazánellenálláson kívül a teljes, vagy bizonyos részrendszer ellenállását is le kell győznie. • A szállított mennyiségnek a kazán hőteljesítményéhez és a hőmérséklet-lépcsőhöz kell igazodnia. • Gőzkazánok esetében ezt tápszivattyúnak hívják, amely - mint neve is mutatja - a gőztermelésnek megfelelő mértékben táplálja a vizet a kazánba. • A szivattyú által előállított nyomásnak a kazán üzemnyomásánál nagyobbnak kell lennie.
Puffer-/táptartály • Megfelelő mennyiségű hőhordozó közeg rendelkezésreállásáról és a kazánba táplálhatóságáról gondoskodni kell. Amennyiben a kazánba nem a megfelelő mennyiségű hőhordozó közeg kerül betáplálásra, úgy bizonyos felületek hűtetlenül maradnak. Ez a túlhevülés a kazán súlyos károsodásához vezethet. • Ide kerül visszavezetésre a rendszerből visszatérő hohordozó is. A hőhordozó közeg térfogata a hőmérséklet emelkedésével növekszik (hőtágulás). A rendszer tágulásából adódó térfogatnövekedést is a puffertartály veszi fel. Ezért ezt meleg-/forróvizes rendszerek esetén tágulási tartálynak nevezik.
Hőhordozó közeg előkészítő rendszer • A hőhordozó közegeket az alkalmazáshoz elő kell készíteni. • A minimális előkészítés a szűrés, vagyis a mechanikus szennyeződések eltávolítása. • A legáltalánosabban használt víz (vízgőz) esetében lágyítani, vagy sótalanítani kell. Részletesen lásd a vízelőkészítés fejezetben.
Köszönöm a figyelmet!
