Instalații de ardere și generatoare de abur - calculul termic al cazanului de abur

1. NOŢIUNI INTRODUCTIVE

1.1. Caracteristici tehnice

Generatorul de abur reprezintă un complex de instalaţii care realizează transformarea energiei chimice a combustibililor sau alte forme de energie (electrică sau nucleară) în căldură, sub formă de apă caldă, apă fierbinte, abur saturat sau abur supraîncalzit pe care o furnizează unor consumatori: consumatori casnici (încălzirea locuinţelor şi a apei calde menajere), consumatorii industriali (producerea de abur, apă fierbinte şi energie electrică), marile centrale electrice (producătoare de energie electrică sau de energie electrică şi căldură, furnizată în marile sisteme de termoficare urbană şi industrială) 1–4.

Generatoarele de abur care transformă energia chimică a combustibililor în căldură poartă numele de cazane de abur 1.

În România au fost construite cazane de abur cu diverse debite (de la 200 kg/h până la 1035 t/h) şi presiuni (de la presiunea atmosferică până la 19,6 MPa) 1. Până în anii 1960, majoritatea cazanelor de abur proveneau din import, la noi în ţară fabricându-se doar cazane pentru debite şi presiuni reduse, care funcţionează pe gaze naturale şi combustibili lichizi. Apoi s-a stabilit ca până în anul 1990 România sa devină o ţară independentă din punct de vedere energetic. Pentru aceasta s-a pus problema folosirii cu prioritate a combustibililor solizi. S-a ajuns astfel ca în anii 1980 din puterea instalata de circa 17000 MW, 7200 MW să reprezinte centrale pe cărbune, 6000 MW centrale cu hidrocarburi şi 3800 MW centrale hidroelectrice, care a ajuns în centralele care funcţionează pe cărbune la 10000 MW în 1985 şi la 12000 MW în 1990.

Cel mai mare cazan din lume are debitul nominal de 4225 t/h şi furnizează abur la presiune nominală Pn=24,6 MPa şi la temperatura nominală tn=5380C. Cazanul are două supraîncălziri intermediare la 5380C.

La noi în ţară cel mai mare cazan de abur are debitul nominal Dn=1035 t/h la presiunea nominală Pn=19,2 MPa şi tn=5350C cu o supraîncazire intermediară la 5350C. Cazanul alimentează cu abur o turbina de 330 MW. Cazanul este fabricat de întreprinderea Vulcan Bucureşti. Produce cazane şi Combinatul de utilaj greu din Cluj Napoca. Debitele de căldură a acestor cazane acoperă gama de la 1,163 până la 116,3 MW.

Parametrii principali şi terminologia privind cazanele de abur sunt reglementate de standardele STAS 2605 – 73, STAS 2764 – 86, STAS 3572 – 77.

1.2. Schema generală a cazanului. Principiu de funcţionare

Vom considera un cazan de abur care furnizează abur supraîncazit unei turbine T cuplate cu generatorul electric GE (fig 1.1). Această instalaţie realizează ciclul Clausius–Rankine (fig 1.2) 4.

Cu ajutorul pompei de alimentare PA, apa de cazan aflată la presiunea P1 şi temperatura t1 din condensatorul C, deci în stare de lichid saturat ( =0), este comprimată adiabatic până la presiunea din cazan, corespunzătoare izobarei care trece prin punctul 2, de entropie .

Faza 1–2 de comprimare a apei se realizează cu o creştere de temperatură de (1,0 ... 1,5)0C insesizabilă, dacă se reprezintă la aceeaşi scară. În fig.1.2 ea a fost reprezentată distorsionat, pentru a i se evidenţia existenţa.

În starea 2 apa pătrunde în primul element schimbător de căldură al generatorului de abur GA, economizorul E şi aici acumulează căldură ridicându-şi temperatura până când ajunge în starea 3 de lichid saturat.

În continuare apa pătrunde în sistemul vaporizator V parcurgând succesiv stările de lichid saturat ( =0, punctul 3) până la abur saturat ( =1, punctul 4). Această fază de vaporizare, caracteristica şi obligatorie la orice generator de abur se desfăşoară la temperatură constantă, sub curba de saturaţie izobară 3-4 confundându-se cu izoterma 3-4.

Aburul format este sedimentat gravitaţional în tamburul Tb, din partea superioară a acestuia pleacând spre supraîncălzitorul S. Acumulând în continuare căldură de la gazele de ardere, aburul îşi ridică temperatura, procesul de supraîncalzire fiind reprezentat de izobara 4-5.

Pentru ciclul ideal, care se realizează fără frecări, punctele de stare 2,3,4 şi 5 se află pe aceeaşi izobară, presiunea din generatorul de abur.

Punctul 5 reprezintă starea aburului la ieşirea din cazan şi la intrarea în turbina T, maşina termică în care el se destinde producând energie mecanică livrată generatorului electric GE. Această destindere, adiabatică în ciclul ideal, este reprezentată de verticala 5-6 din fig.1.2. Procesul se desfăşoară până la presiunea din condensator, cu conditia 0,9, din motive de fiabiliate pentru turbină.

Condensatorul C, principala sursă rece a instalatiei, asigură extragerea din abur a căldurii de vaporizare, astfel încât el devine din nou apă saturată. Procesul de condensare este reprezentat prin orizontala 6-1, iar aria de sub linia 6-1 reprezintă căldura extrasă de apa de răcire. La rândul ei, apa de răcire a condensatorului este răcită în turnul de răcire TR, fiind vehiculată între C şi TR cu ajutorul pompei de circulaţie PC.

Examinând ciclul Clausius – Rankine reprezentat în fig.1.1 remarcăm că generatorul de abur GA reprezintă sursa caldă a instalatiei, el fiind elementul care asigură transferarea căldurii de la combustibil la agentul termic.