Efektywność energetyczna BOSCH: Kotły dwupłomienicowe BOSCH, typ ZFR/UT-HZ
Już na początku lat 50 ubiegłego stulecia został zaprojektowany pierwszy kocioł dwupłomienicowy w kompaktowej konstrukcji trójciągowej przez Bosch Industriekessel GmbH i jest budowany do dzisiaj w zakresie wydajności do 55 t/godz. Pionierska koncepcja polegała na wykonaniu konstrukcyjnie oddzielonych przelotowych kanałów spalin obu palenisk biegnących aż do tylnej komory spalin. Konstrukcja dwupłomienicowa została opatentowana i od razu spełniała wszelkie wymagania zastosowań przemysłowych.Główna zasada konstrukcyjna pierwotnego patentu została zachowana do dzisiaj. Co oczywiście nie oznacza, że nie pojawiły się nowe rozwiązania poszczególnych elementów kotła wynikające z postępu technologicznego i rosnącego zróżnicowania instalacji.
Często zadawanym pytaniem jest „Kiedy można zastosować kocioł dwupłomienicowy?“. Odpowiedź brzmi: „Zawsze wtedy, gdy tylko można zrezygnować z drugiego kotła pełniącego funkcję rezerwowego“. Poniżej przedstawione argumenty dowodzą atutów kotła dwupłomienicowego:
- jest tańszy niż dwa kotły jednopłomienicowe
- zajmuje mniej miejsca
- niższe wydatki na instalację
- mniejsza kotłownia
- łatwe utrzymanie w gorącej rezerwie
- szybsza gotowość do dostarczania pary
- niższe wydatki na serwisowanie
- łatwiejsze rewizje
- możliwość realizacji wyższych ciśnień roboczych
Wprowadzenie w problematykę eksploatacji kotłów dwupłomienicowych
Naturalnie ważnym kryterium funkcjonalnym jest to, czy kocioł dwupłomienicowy ma zawsze pracować z obydwoma paleniskami jednocześnie, czy również umożliwiać pracę z indywidualną regulacją każdego palnika bądź tylko z jednym palnikiem. I tu bardzo istotną rolę odgrywa właśnie konstrukcja kotła.
Kotły dwupłomienicowe z równoległą pracą palników
W kotłach dwupłomienicowych z równoległą pracą palników nie sprawdziła się wspólna, tylna komora nawrotna spalin, również wykonana jako komora nawrotna chłodzona wodą. Spaliny z płomienic są tam już wymieszane. Optymalne wyregulowanie palników jest prawie niemożliwe.Z drugiej strony, częstotliwości robocze obu palenisk mogą się wzajemnie zakłócać. Skutkiem są problemy z wyregulowaniem palników, generowanie hałasu, wibracje wywołujące obciążenia materiałowe. Wszystkie te wady są wyeliminowane w kotłach dwupłomienicowych, których kanały spalin są wzajemnie odseparowane aż do komory spalin.
Kocioł dwupłomienicowy z możliwością indywidualnej pracy palenisk bez ograniczeń
Kotły dwupłomienicowe przystosowane do pracy z jednym palnikiem potrzebują osobnych kanałów spalinowych do samej komory spalin i wymagają na końcu kotła ciśnienia po stronie spalinowej wynoszącego ≤ 0 mbar. Jednakże samo to nie wystarczy. A to dlatego, że siły naprężające w kotle, które powstają w wyniku niejednakowej rozszerzalności cieplnej, muszą być od początku zneutralizowane konstrukcyjnie.
Takie rozwiązanie cechuje się:
– dużymi odstępami między obiema płomienicami oraz między płomienicami a płaszczem kotła
– stabilnymi połączeniami obu płomienic z tylnym dnem kotła
– solidnym osadzeniem komór nawrotnych spalin.
Obowiązuje zasada sztywnego wzajemnego połączenia płomienic z dnem kotła i komory nawrotnej spalin z dnem kotła.
Przydatność do nieograniczonej, równoległej lub indywidualnej pracy palenisk wynika nie tylko ze stabilnej separacji po stronie spalin. Specjalne cechy konstrukcyjne umożliwiające redukcję naprężeń materiałowych przy pracy na jednej płomienicy mają decydujący wpływ na długofalową stabilność. Płomienice i komora nawrotna spalin są wsuwane w tylne dno oraz spawane na całym obwodzie. W takim wypadku rozszerzanie cieplne jest bez problemu absorbowane przez przednie dno kotła, któremu jest nadana dynamika. Cyrkulacja wody i transport ciepła odbywają się w kotle w sposób niezakłócony i są dodatkowo przyspieszone przez kanały przepływowe pomiędzy płomienicami a znajdującymi się obok płomieniówkami. I to przy każdym obciążeniu. Zasada ta dotyczy to kotłów parowych z samoczynną cyrkulacją wody, a także kotłów wodnych wysokotemperaturowych z pompą wody kotłowej. Powrót dwupłomienicowego kotła wodnego jest kierowany bezpośrednio do dolnej części kotła pomiędzy obie płomienice. Dzięki temu następuje szybkie wymieszanie i dobry przepływ także w dolnej części kotła.
Cyrkulacja wody jest wspomagana przez profile prowadzące w dolnej części kotła, co pomaga uniknąć krytycznych spadków temperatury. Jest to szczególnie ważne w fazach pozaszczytowych i podczas rozruchu lub odstawiania kotła.
Odzysk ciepła ze spalin w kotłach dwupłomienicowych
Już choćby same koszty eksploatacji pokazują, że kotły dużej wydajności – a takimi przecież są kotły dwupłomienicowe – powinny zawsze posiadać ekonomizer. Najlepiej zintegrowany bezpośrednio z kotłem. Kotły dwupłomienicowe, które okresowo pracują z jednym palnikiem, w konsekwencji mają również osobne kanały spalin w ekonomizerze. Swobodne odprowadzanie spalin jest zjawiskiem normalnym ze względu na ciśnienie po stronie spalinowej ≤ 0 mbar na końcu ekonomizera. Chyba, że trzeba jeszcze uwzględnić występowanie dodatkowych agregatów zakłócających przepływ spalin, jak np. tłumików hałasu spalin. W takim wypadku należy ustalić opory ze strony dodatkowych agregatów na drodze spalin i wyjaśnić, czy te opory będą pokonywane przez palnik lub ciąg kominowy.
Istnieją dwa sposoby osobnego prowadzenia spalin:
- Oddzielne kompletne ekonomizery dla pierwszego i drugiego paleniska.
- Pojedynczy korpus ekonomizera z umieszczoną pośrodku przegrodą spalin, ale z przelotowym pęczkiem rurdla obu palenisk.Ten drugi wariant jest nieproblematyczny. Obliczony jako system do odzysku ciepła dla obu palenisk, może być równie dobrze używany w trybie pracy z indywidualną regulacją palników zapewniając dobre wykorzystanie ciepła spalin i ciągłe podgrzewanie wody w ekonomizerze. Nie następuje stopniowe ogrzewanie, nie ma wcale uderzeń hydraulicznych.
Regulacja dla ekonomizerów w kotłach dwupłomienicowych
O ile kiedyś główny nacisk kładziono na ochronę komponentów zainstalowanych za ekonomizerem, jak np. kominy murowane, dziś na pierwszym planie stawia się sprawność systemu kotłowego jako ważne kryterium decydujące o wyborze kotła. I tak w nowo budowanych instalacjach części kominów narażonych na wystąpienie temperatury punktu rosy są prawie zawsze wykonane z materiałów odpornych na korozję. Dla uzyskania optymalnej sprawności najlepiej jest zastosować ekonomizer nieregulowany, przez który będą przepływać całe spaliny w każdym stanie obciążenia.W tych systemach kotłowych, które są zintegrowane z istniejącymi systemami spalin narażonymi na korozję, lub które są opalane olejem ciężkim, zaleca się zastosowanie regulacji temperatury spalin.
Cechy charakterystyczne dla pracy palników w kotłach dwupłomienicowych
Kotły dwupłomienicowe posiadają dwa oddzielne paleniska, co stwarza możliwość znacznego rozszerzenia zakresu regulacji. Dla całego szeregu instalacji kotłowych, takich jak węzły cieplne, które muszą pokrywać silnie zróżnicowane zapotrzebowanie na ciepło w okresach letnich i zimowych, ekstremalnie rozszerzony zakres regulacji jest praktycznie niezbędny.
Równoległa praca palników
Oczywiście istnieją systemy kotłowe, w których nigdy nie występują fazy niskiego obciążenia. Tu właściwym wyborem będzie sterowanie obu palników w trybie pracy równoległej. Ale faktem jest też, że w przypadku pojawienia się jakiejkolwiek usterki jednego palnika, spowodowanej zastojem paliwa lub uszkodzeniem, drugi palnik również nie może dłużej pracować. Praca w trybie awaryjnym z jednym palnikiem nie jest w tym wypadku możliwa, nie jest również możliwe sterowanie kaskadowe palników.
Jedyną zaletą pracy równoległej są nieco niższe koszty systemu: dmuchawa, regulator obciążenia, automat palnikowy oraz filtr gazu, zawór odcinający dopływ gazu i regulator ciśnienia gazu dla palników gazowych mogą być wspólnymi agregatami.
Indywidualna praca palników
Tutaj zakres regulacji sięga od dolnej granicy mocy jednego palnika do maksymalnej mocy obu palników. Cecha ta wymaga, aby kanały spalin kotła i ekonomizera były w znacznej mierze odseparowane od siebie i każdy palnik mógł pracować oddzielnie: autonomicznie w trybie automatycznym i z automatyczną regulacją, wentylatorem, wykorzystaniem ciepła spalin, zasilaniem paliwem. Jeżeli jako paliwo wybrany został gaz, są również oddzielne regulatory ciśnienia gazu. Ich mniejsze średnice znamionowe poprawiają również regulacyjność. Automatyczne włączanie i wyłączanie palników w zależności od zapotrzebowania na ciepło jest realizowane przez sterowanie kaskadowe, tak jak odbywa się to w instalacjach wielokotłowych.
Podsumowanie
Kotły dwupłomienicowe pokrywają duże zapotrzebowanie na ciepło. Praktyka pokazuje, że są również sytuacje, w których praca na jednym palniku jest ważna: w okresach pozaszczytowych i w przypadku awarii jednego z palenisk. Kotły dwupłomienicowe przystosowane do nieograniczonej indywidualnej pracy palników oferują dużą elastyczność obciążenia i ograniczają paliwochłonne i przyspieszające zużycie kotła częstotliwość włączeń i wyłączeń do minimum. Ciągła praca palnika dzięki szerokiemu zakresowi regulacji przynosi w efekcie stabilność bilansu cieplnego kotła: cyrkulacja wody i transfer ciepła są nieprzerwane. To zapobiega również naprężeniom materiałowym spowodowanym gwałtownymi zmianami temperatury. Oceniając różne typy konstrukcyjne kotłów dwupłomienicowych należy również zwrócić uwagę na okres bezawaryjnego
Pełen raport do pobrania:
Efektywność energetyczna BOSCH: Kotły dwupłomienicowe BOSCH, typ ZFR/UT-HZ.pdf