Praca kotłów energetycznych w warunkach nieustalonych

Praca kotłów energetycznych w warunkach nieustalonych

rok wydania: 2019
ilość stron: 269
ISBN: 978-83-65991-45-4
format: B5
oprawa: twarda

Ze wstępu

Energia może być pozyskiwana z różnych zasobów surowcowych. Źródła energii podzielone zostały na odnawialne i nieodnawialne. Największy udział w produkcji energii mają źródła nieodnawialne. Do tej grupy zalicza się: paliwa pochodzenia organicznego (węgiel kamienny i brunatny, torf, łupki bitumiczne, ropa naftowa i gaz ziemny) oraz paliwa dla energetyki jądrowej. Do energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych zalicza się energię wiatru, promieniowania słonecznego, geotermalną, wód rzecznych i morskich oraz pochodzącą ze spalania biomasy. Zapotrzebowanie na energię pierwotną różni się pomiędzy poszczególnymi krajami. Związane jest to przede wszystkim z rodzajami zasobów naturalnych możliwych do wykorzystania w energetyce. Ze względu na duże różnice w strukturach zasobów poszczególnych krajów najlepiej pokazać to porównując całkowitą podaż energii pierwotnej dla Polski ze średnią z krajów Unii Europejskiej. Na rysunku 1.1 zilustrowano podział energii pierwotnej dla krajów Unii Europejskiej, natomiast na rys. 1.2 dla Polski. Porównanie wykonane zostało po przeliczeniu energii ze wszystkich źródeł na jedną tonę oleju ekwiwalentnego (toe), jako energetyczny równoważnik jednej tony ropy naftowej o wartości opałowej równej 10 000 kcal/kg (41,868 MJ/kg), przy czym 1 toe = 11,63 MWh = 41,868 GJ. Widoczny jest duży i stabilny udział energetyki jądrowej, który w 2016 roku (ok. 14%, 218 891 ktoe) był niewiele mniejszy niż węgla (ok. 15%, 241 160 ktoe). Podaż energii z gazu ziemnego wyniosła 382 670 ktoe (24%), z ropy naftowej 521 748 ktoe (32%), a z wykorzystania wód 30 105 ktoe (2%). Niewielka, chociaż systematycznie rosnąca ilość pozyskanej energii wyniosła: z geotermii i instalacji solamych 46 185 ktoe (3%) oraz biopaliw i odpadów 155 370 ktoe (10%). Podobny wykres podziału energii pierwotnej dla Polski pokazany został na rys. 1.2. Widać bardzo duży udział węgla w ogólnym bilansie źródeł energii pierwotnej, przy braku energetyki jądrowej. Dokładniej strukturę źródeł energii w udziale procentowym z podanymi również wartościami w ktoe prezentuje diagram na rys. 1.3.

Od autora

Stale rosnące wymagania stawiane szeroko pojętej energetyce cieplnej powodują, że jest jedną z najbardziej dynamicznie rozwijających się gałęzi przemysłu. Wymagania te, to nie tylko rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną i cieplną, ale również coraz ostrzejsze ograniczenia emisji związków siarki, azotu, tlenku węgla, emisji pyłów i metali ciężkich. Coraz wyższe wymagania stawiane są urządzeniom energetycznym pod względem sprawności, a w związku z tym budowane są bloki energetyczne na bardzo wysokie parametry, w tym na parametry nadkrytyczne (Pkr = 22,115 MPa i Tkr = 647,3 K), co wiąże się z opracowywaniem nowych żarowytrzymałych i żaroodpornych stali dla energetyki. Rosnące wymagania dotyczące czystości i stabilnych parametrów pary produkowanej w kotłach energetycznych spowodowały zmianę wymagań eksploatacyjnych stawianych obsłudze kotła i turbiny. Wiele z elementów kotłów energetycznych charakteryzuje się nową konstrukcją i wykonaniem ze stali o bardzo dobrych własnościach, ale niesprawdzonych w warunkach długotrwałej pracy w warunkach pełzania i obciążeń małocyklowych. Wysokie wartości temperatury i ciśnienia, jakimi obciążane są elementy kotła powodują szybsze ich zużycie. Trudności występują także we właściwym przeprowadzaniu procesów rozruchowych. Z tych powodów niezwykle istotne jest prowadzenie na bieżąco monitorowania najbardziej obciążanych elementów kotłów w trakcie ustalonej pracy kotła energetycznego, ale przede wszystkim w stanach nieustalonych, jakie występują podczas rozruchu i wyłączania kotłów z ruchu oraz w stanach nieustalonych, wynikających z pracy regulacyjnej jednostek wytwórczych.

W książce przedstawiono informacje na temat rozruchów oraz wyłączeń z ruchu kotłów energetycznych, poparte danymi eksploatacyjnymi oraz danymi pomiarowymi wykorzystanymi do obliczeń naprężeń. Dane te, uzyskane dzięki współpracy naukowo-badawczej autora książki w ramach współpracy Instytutu Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Krakowskiej z wieloma elektrowniami krajowymi, zostały wyselekcjonowane na potrzeby książki i stanowią przykład pracy krytycznych elementów kotłów podczas typowych operacji eksploatacyjnych. Dane pomiarowe i obliczenia opracowane w formie wykresów oraz opisy do wykresów, pozwolą czytelnikowi na lepsze zrozumienie zagadnień związanych z eksploatacją kotłów energetycznych dużej mocy.

Spis treści

Spis oznaczeń / 7
Od autora / 9

1. Wstęp / 11
1.1. Struktura źródeł energii w Polsce / 13
1.2. Perspektywy rozwoju kotłów energetycznych / 17

2. Rodzaje kotłów energetycznych / 21
2.1. Przykłady kotłów na parametry podkrytyczne / 25
2.2. Przykłady kotłów na parametry nadkrytyczne / 27
2.3. Kotły fluidalne / 28
2.4. Paliwa / 31

3. Stale stosowane do budowy części ciśnieniowej kotłów energetycznych / 35
3.1. Stale na elementy ciśnieniowe kotłów / 36
3.2. Przykłady zastosowania stali w typowych kotłach energetyki krajowej / 39

4. Wprowadzenie do zagadnień rozruchu kotłów energetycznych / 49
4.1. Opis zjawisk zachodzących w kotle w warunkach nieustalonych / 47
4.2. Uwarunkowania konstrukcyjne / 50

5. Rozruch kotła energetycznego / 57
5.1. Przygotowanie kotła do uruchomienia / 57
5.2. Uruchamianie kotła / 59
5.3. Przykłady uruchamiania kotła energetycznego / 64

6. Wyłączanie kotła z ruchu / 67
6.1. Odstawianie kotła do gorącej rezerwy / 67
6.2. Odstawianie awaryjne kotła / 68
6.3. Odstawianie kotła do remontu / 69

7. Dopuszczalne zmiany temperatury i szybkości nagrzewania elementów ciśnieniowych / 71
7.1. Naprężenia zmęczeniowe w elementach ciśnieniowych kotłów energetycznych i ich ocena według PL-EN 12952-3 / 71
7.1.1. Analiza naprężeń / 72
7.1.2. Obliczanie wartości minimalnych i maksymalnych naprężeń / 75
7.1.3. Współczynniki koncentracji naprężeń i karbu / 80
7.2. Dopuszczalne zakresy naprężeń / 83
7.2.1. Naprężenia obwodowe od ciśnienia / 84
7.2.2. Naprężenia termiczne / 85
7.2.3. Określenie granicznych naprężeń / 86
7.2.4. Dopuszczalne szybkości nagrzewania i różnice temperatury ścian elementów ciśnieniowych / 87

8. Rozkład temperatury w elementach grubościennych kotłów / 91
8.1. Wyznaczanie rozkładu temperatury i naprężeń w cylindrycznych elementach w stanie quasi-stacjonarnym / 91
8.2. Wyznaczanie rozkładu temperatury oraz naprężeń termicznych w cylindrycznych elementach - rozwiązanie ścisłe / 95
8.3. Wyznaczanie rozkładu temperatury w stanach nieustalonych w elementach cylindrycznych / 99
8.4. Wyznaczanie rozkładu temperatury w stanach nieustalonych w elementach sferycznych / 107

9. Rozruch i wyłączanie z ruchu kotła energetycznego OP-380 / 113
9.1. Budowa i podstawowe parametry kotła OP-380 / 113
9.2. Dopuszczalne różnice temperatury i szybkości nagrzewania elementów krytycznych kotła OP-380 / 115
9.3. Rozruch kotła OP-380 / 118
9.3.1. Zmiany temperatury i szybkości nagrzewania walczaka podczas rozruchu kotła OP-380 / 120
9.3.2. Zmiany naprężeń w walczaku w czasie rozruchu kotła / 122
9.3.3. Zmiany temperatury i szybkości nagrzewania ścian komory wylotowej przegrzewacza pary pierwotnej III stopnia podczas rozruchu kotła / 124
9.3.4. Zmiany naprężeń w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary pierwotnej III stopnia / 127
9.4. Wyłączanie z ruchu kotła OP-380 / 129
9.4.1. Zmiany temperatury i szybkości nagrzewania podczas wyłączania z ruchu kotła OP-3 80 / 129
9.4.2. Zmiany naprężeń w ścianach walczaka podczas wyłączania kotła z ruchu / 132
9.4.3. Zmiany temperatury i szybkości zmian temperatury w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary III stopnia / 134
9.4.4. Zmiany naprężeń w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary III stopnia / 136

10. Rozruch i wyłączanie z ruchu kotła energetycznego OP-430 / 141
10.1. Budowa i podstawowe parametry kotła OP-430 / 141
10.2. Zmiany temperatury i szybkości zmian temperatury ścian walczaka / 138
10.3. Zmiany naprężeń na powierzchni wewnętrznej walczaka / 140
10.4. Zmiany temperatury i szybkości zmian temperatury ścian komory wylotowej przegrzewacza pary pierwotnej III stopnia / 142
10.5. Zmiany naprężeń w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary pierwotnej III stopnia / 144
10.6. Zmiany temperatury i szybkości zmian temperatury ścian schładzacza pary pierwotnej II stopnia / 146
10.7. Zmiany naprężń w ścianach schładzacza pary pierwotnej II stopnia / 147

11. Rozruch i wyłączanie z ruchu kotła energetycznego OP-650 / 157
11.1. Budowa i podstawowe parametry kotła OP-650 / 157
11.2. Dopuszczalne różnice temperatury i szybkości nagrzewania elementów krytycznych kotła OP-650 / 160
11.3. Rozruch kotła OP-650 161
11.3.1. Zmiany temperatury i szybkości nagrzewania walczaka podczas rozruchu kotła OP-650 / 162
11.3.2. Zmiany naprężeń w walczaku podczas rozruchu kotła OP-650 / 165
11.3.3. Zmiany temperatury i szybkości nagrzewania ścian komory wylotowej przegrzewacza pary pierwotnej III stopnia kotła OP-650 / 167
11.3.4. Zmiany naprężeń w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary pierwotnej iii stopnia kotła OP-650 / 172
11.3.5. Zmiany temperatury i szybkości nagrzewania ścian komory wylotowej przegrzewacza pary pierwotnej V stopnia kotła OP-650 / 177
11.3.6. Zmiany naprężeń w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary pierwotnej V stopnia kotła OP-650 / 181
11.3.7. Zmiany temperatury i szybkości nagrzewania ścian komory wylotowej przegrzewacza pary wtórnie przegrzanej II stopnia kotła OP-650 / 185
11.3.8. Zmiany naprężeń w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary wtórnej II stopnia kotła OP-650 / 189                                                                  11.4. Wyłączanie z ruchu kotła OP-650 / 191
11.4.1. Zmiany temperatury i szybkości ochładzania walczaka podczas wyłączania kotła OP-650 z ruchu / 191
11.4.2. Zmiany naprężeń w ścianach walczaka kotła OP-650 / 193
11.4.3. Zmiany temperatury i szybkości nagrzewania w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary pierwotnej III stopnia kotła OP-650 / 195
11.4.4. Zmiany naprężeń w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary pierwotnej III stopnia kotła OP-650 / 197
11.4.5. Zmiany temperatury i szybkości nagrzewania w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary pierwotnej V stopnia kotła OP-650 / 199
11.4.6. Zmiany naprężeń w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary pierwotnej V stopnia kotła OP-650 / 201
11.4.7. Zmiany temperatury i szybkości nagrzewania w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary wtórnie przegrzanej II stopnia kotła OP-650 / 203
11.4.8. Zmiany naprężeń w ścianach komory wylotowej przegrzewacza pary wtórnie przegrzanej II stopnia kotła OP-650 / 205

12. Rozruch i wyłączanie z ruchu kotła BP-1150 / 207
12.1. Budowa i podstawowe parametry kotła BP-1150 / 207
12.2. Dopuszczalne różnice temperatury i szybkości nagrzewania / 210
12.3. Zmiany temperatury i szybkości nagrzewania elementów grubościennych podczas rozruchu kotła BP-1150 / 213
12.4. Naprężenia cieplne i pochodzące od ciśnienia w elementach grubościennych podczas rozruchu kotła BP-1150 / 218

13. Zużycie elementów ciśnieniowych / 229
13.1. Zużycie od pełzania / 230
13.2. Zużycie od zniszczenia małocyklowego / 233
13.3. Metody zliczania cykli w analizie zmęczeniowej / 236
13.4. Przykład obliczeń zużycia elementu ciśnieniowego / 240

14. Podsumowanie / 247
Spis i źródła rysunków i wykresów / 249
Spis tabel / 262
Literatura / 263