C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 1 din 19 pagini

3 GENERATOARE DE ABUR / CAZANE PENTRU C.T.E., C.E.T., C.T. I C.N.E. 3.1. Probleme generale ale G.A. / cazanelor.

3.1.1. Criterii generale de clasificare i tipuri de G.A. cazane. Clasificarea Generatoarelor de Abur (G.A.) / cazanelor se poate face dup o sum de criterii distincte. Dup tipul de energie primar intrat n conturul de bilan deosebim G.A. / cazane: care utilizeaz cldura dezvoltat prin arderea unor combustibili: A) solizi, B) lichizi, C) gazoi sau D) care

ard, simultan sau pe rnd, mai multe tipuri de combustibili dintre cei de mai sus. care nu ard combustibili, ci recupereaz cldura (G.A. recuperatoare) de la ageni energetici ca E) gaze de

ardere de la alte instalaii energetice (I.T.G. / M.P.), sau F) recupereaz cldur de la instalaii tehnologice; care transfer cldur de la agentul de rcire al unui Reactor Nuclear energetic (G.A. pentru C.N.E.).

Dup agentul de lucru deosebim: cazane de abur, sau G.A., care produc abur saturat sau supranclzit, fr sau cu s..i.; Cazane de Ap Fierbinte (CAF), pentru reele de alimentare centralizat cu cldur prin intermediul A.F.; cazane combinate, de abur i ap fierbinte (acestea sunt utilizate mai rar, n aplicaii specifice);

n C.T.E. i C.E.T. G.A. se pot clasifica dup presiunea aburului produs n: Cazane de Abur Industrial (CAI), de joas-medie presiune, pt. alimentri cu cldur prin intermediul aburului; Cazane Energetice, care produc abur pentru destindere n turbine: - la medie i nalt presiune, cu parametri subcritici, fr sau cu s..i.; - la foarte nalt presiune, cu parametri supracritici i s..i..

Transferul cldurii ctre agentul de lucru poate avea loc: a) prin radiaie; b) prin convecie, sau c) mixt, prin radiaie i convecie. n acelai G.A. / cazan pot avea loc toate tipurile de procese de mai sus.

n G.A. suprafeele de transfer de cldur se pot clasifica dup starea de agregare a agentului nclzit n: Economizoare, care prenclzesc apa pn aproape de t saturaie; Vaporizatoare, n care se schimb starea de agregare din faza lichid n cea de vapori; Supranclzitoare de abur, care ridic temperatura acestuia peste t saturaie.

Dup spaiile de circulaie a agentului nclzit i gazelor de ardere, deosebim: cazane ignitubulare, la care gazele de ardere circul prin evi; cazane acvatubulare, la care prin evi circul apa-aburul; cazane combinate, formate din seciuni acvatubulare (de obicei vaporizatorul) i ignitubulare (de obicei

economizorul i supranclzitorul.

Alt criteriu de clasificare a G.A. din C.T.E. C.E.T. i C.T. e numrul de drumuri de gaze de ardere. Dup acesta deosebim G.A. / cazane: 1) cu un drum, 2) cu dou drumuri, respectiv 3) cu trei sau mai multe drumuri.

Din punct de vedere al direciei de circulaie, drumurile de gaze de ardere pot fi: A) verticale (ascendente sau descendente) i B) orizontale.

Pentru G.A. acvatubulare din C.T/E., C.E.T. i C.T., cu drumuri verticale, soluiile constructive uzuale sunt: G.A. / cazane de tip turn, cu un drum de gaze de ardere ascendent; G.A. / cazane (cu dou drumuri, primul ascendent i al doilea descendent). Variantele cu mai multe drumuri de gaze de ardere sau combinaiile cu un drum vertical i unul orizontal (schema

L, cu un drum vertical descendent i unul orizontal) sunt rar utilizate. De menionat c la G.A., pentru acelai flux de mas de agent la intrare i la ieire, datorit diferenelor mari de

densitate ntre ap i abur, debitul volumetric de abur e mult mai mare ca cel de ap. Cea mai mare variaie de debit volumetric are loc la schimbarea strii de agregare a fluidului, la vaporizarea apei i transformarea ei n abur.

Ca urmare, un important criteriu de clasificare este tipul circulaiei emulsiei bifazice ap-abur n sistemul fierbtor, unde se realizeaz schimbarea strii de agregare. Acest aspect va fi dezvoltat ntr-un subcapitol ulterior.

3.1.2. Funciile G.A. i cazanelor din C.T.E., C.E.T. i C.T.. Circuitele specifice i anexelor lor. n C.T.E. i C.E.T. care ard combustibil fosil, G.A. realizeaz, mpreun cu anexele lor, urmtoarele funciuni: prepararea combustibilului pentru ardere; arderea propriu zis; evacuarea produselor de ardere; transferul cldurii ctre agentul de lucru i (la G.A.) schimbarea strii de agregare a acestuia; vehicularea aerului i a gazelor de ardere; prenclzirea aerului de ardere. reinerea unor noxe de ardere

Pentru fiecare din funciuni exist: anexe separate ale GA / cazanelor, cum ar fi - instalaii de preparare a combustibililor pentru ardere (toctoare sau mori de combustibil solid,

prenclzitoare de combustibil lichid greu, etc.); - arztoare i / sau focare specializate; - Ventilatoare de Aer (VA) i Ventilatoare de Gaze de ardere (VG)

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 2 din 19 pagini

- Prenclzitoare de Aer Regenerative / Recuperative (PAR); - sisteme de reducere / reinere a noxelor de ardere.

circuite specifice ale acestora cum ar fi: - circuitul de aer gaze de ardere, care include i partea de evacuare a gazelor spre atmosfer, precum

i sistemele de reinere a noxelor din acestea; - circuitul de evacuare a zgurii i cenuii; - circuitul agentului nclzit, ap abur pentru G.A., sau AF pentru CAF.

De menionat c nu toate G.A. realizeaz integral funciile de mai sus, ca urmare nu toate sunt dotate cu toate tipurile de anexe i circuite. n capitolul de fa se vor trata doar o parte din anexele i circuitele specifice.

3.2. Combustibili energetici i tehnologii de ardere. 3.2.1. Combustibili energetici: tipuri, caracteristici.

Principalii combustibili energetici sunt cei fosili (crbune, isturi bituminoase, petrol i derivatele lui, gaze naturale, etc.). La acetia se adaug combustibilii biologici i deeurile combustibile provenite din activiti umane (ca biomas sau deeuri folosite prin combustie direct i biocombustibilii obinui prin procedee fizico-chimice, pornind de la aceste materii: biogaz, bio etanol, bio metanol, bio diesel, etc.). Indiferent de provenien, caracteristicile tehnice i ecologice ale combustibililor sunt influenate, n principal, de urmtorii factori:

Starea de agregare (combustibili solizi, lichizi i gazoi). Compoziia chimic (participaii masice sau volumetrice ale diferitelor componente). Aceasta influeneaz

att caracteristicile ecologice ct i pe cele de ardere. Puterea calorific cantitatea de cldur degajat prin arderea complet a 1 kg de combustibil solid sau

lichid, respectiv a 1m3N de combustibil gazos; Produsele de ardere conin ap provenit din umiditatea iniial i din arderea hidrogenului. Dup starea de agregare n care se gsete aceast ap, se definesc puterile calorifice: Superioar, Hs, cnd apa este n stare lichid i a cedat, prin condensare, cldura latent vaporizare, respectiv Inferioar, Hi, cnd apa se afl n stare de vapori.

Necesarul de aer pentru ardere stoechiometric i producia de gaze de ardere umede (coninnd vapori de ap), respectiv uscate (fr vapori de ap), exprimate n m3N de aer sau de gaze de ardere pentru 1 kg de combustibil solid sau lichid, respectiv pentru 1m3N de combustibil gazos. Aceste caracteristici pot fi calculate din ecuaiile de ardere pornind de la compoziia elementar a combustibilului. Cunoaterea lor i a excesului de ardere permite determinarea compoziiei reale a gazelor de ardere umede i uscate.

Coninutul de substane volatile, pentru combustibil solid, dintre acestea cele organice influeneaz inflamabilitatea combustibilului.

Coninutul de substane care nu particip la ardere: umiditate, substane anorganice de tipul celor care se regsesc n zgur i cenu, gaze inerte, etc.

Pentru combustibilii solizi i lichizi compoziia elementar se exprim n participaii masice. n figura 3.1. se prezint modul de defalcare pe componente a structurii unui kg de combustibil solid sau lichid.

(o) Masa organic

(mc) Masa combustibil

(anh) Combustibil anhidru

(a) Proba uscat la aer

(i) Proba iniial

C; H; O; N S0 Ss M Wt Sulf Umiditatea Masa organic

convenional Organic Sulfuri Masa mineral necombustibil higroscopic de mbibaie

Figura 3.1. Modul de definire a compoziiei elementare pentru combustibilii solizi i lichizi

Principalul combustibil energetic solid este crbunele. Tabelul 3.1. prezint o clasificare a crbunilor dup gradul de ncarbonizare.

Tabelul 3.1. Exemplu de clasificare a crbunilor dup gradul de ncarbonizare Clase Grupe Clase Grupe 1. Turb 4.1. Huil flambant (cu flacr lung)

2.1. Crbune brun pmntos 4.2. Huil de gaz 2.2. Crbune brun lemnos (lignit) 4.3. Huil gras 2.3. Crbune brun mat 4.4. Huil de cocs

2. Crbune brun

2.4. Crbune brun lucios (smolos) 4.5. Huil slab degresant 3. Crbune brun huilos

4. Huil

4.6. Huil antracitoas 5. Antracit

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 3 din 19 pagini

n afar de crbune se mai utilizeaz i ali combustibili solizi: a) fosili (isturi bituminoase, Orin Oil); b) biomas (lemnoas, agricol, deeuri combustibile urbane nereciclabile); c) deeuri combustibile industriale, .a..

Menionm c pentru aplicaiile energetice, n Romnia prezint interes: Crbunele brun lemnos, de tipul lignitului autohton. Datorit puterii calorifice mici transportul lui la distan nu

este economic; ca urmare el trebuie folosit n vecintatea minei sau carierei. Huila autohton, de asemenea numai n relativa vecintate a minei. Huila de import, n amplasamente ndeprtate de sursele autohtone i care permit transportul i descrcarea.

Principalul combustibil energetic lichid este pcura, reziduu din distilarea petrolului. Compoziia elementar a sa depinde de cea a petrolului brut i de adncimea de extracie de la procesul de distilare Cu ct petrochimia extrage mai multe produse albe (ex. prin hidrogenare sau cracare termic i catalitic) procentul de pcur scade i participaia de hidrocarburi grele n pcur crete. Pcura folosit uzual n C.T.E. i C.E.T. poate fi cu coninut de Sulf ridicat (peste 1%), mediu (0,31%) sau redus (sub 0,3%).

Tabelul 3.2. prezint dou exemple numerice de compoziii elementare, pentru lignit i pcur.

Tabelul 3.2. Exemple de compoziii elementare pentru lignit de Oltenia i pentru pcur grea Valori numerice Nr. Componente principale Compoziia elementar Notaia Pcur Lignit

1a Procentul de Carbon organic 1 CO 83 20 1b Procentul de Hidrogen organic HO 8,5 2 1c Procentul de Oxigen organic 2 OO 1 7,4 1d Procentul de Nitrogen organic 3 NO 1 2 1e

Procente de mas organic, Morganic din care: Procentul de Sulf organic 4 SO 3,5 0,6

1

Total mas organic Morganic 97 32 2a Procentul de Sulf din sulfuri 5 Ssulfuri - 0,2 2b

Procente de mas anorganic Mas mineral necombustibil, fr Sulf din sulfuri Mmin necomb 1 27,8 2

Total mas anorganic A 1 28 3 Procentul de umiditate W 2 40 4 Verificare compoziie Morganic + W + A = 100

1 Acesta produce prin ardere CO2, care particip la efectul de ser. 2 Pre existena oxigenului n masa organic reduce necesarul de oxigen din aer pentru ardere. 3 Azotul organic poate oxida producnd NOX, responsabil, alturi de SOX, de ploaia acid. 4 Sulful organic i cel anorganic dar combustibil, din Sulfuri, influeneaz producia de SO2 i SO3 (prescurtat SOX), care particip la fenomenele de ploaie acid.

5 La temperaturile din focar pirita se descompune iar Sulful provenit din ea oxideaz.

Din cele de mai sus se observ componentele combustibililor solizi i lichizi care prezint pericol ecologic sunt Carbonul organic, Sulful combustibil i Nitrogenul organic.

Puterea calorific superioar Hs a combustibililor solizi sau lichizi se poate determina mai exact experimental, sau, aproximativ, prin calcul, pornind de la analiza elementar, cu ajutorul unor formule semiempirice ca: Formula Doulong: Hs = 33 800*C/100 + 143 846*(H/100-O/800) + 10 450*S/100 [kJ/kg] (3.1.) Formula Mendeleev: Hs = 33 800*C/100 + 125 448*H/ + 10 827*(S/100 O/100) [kJ/kg] (3.2.)

Puterea calorific inferioar, Hi a combustibililor solizi i lichizi se determin pornind de la cea superioar i innd seama de cldura latent de condensare a vaporilor de ap (2 509) kJ/kg: Hi = Hs 2 509* (9*H/100+W/100) [kJ/kg] (3.3.)

La combustibilii gazoi compoziia elementar se exprim n participaii molare. Ea variaz mult n funcie de tipul combustibilului, iar pentru gazele naturale n funcie de surs. n afar de gazele combustibile ei pot s conin i gaze care nu particip la ardere (N2; CO2, .a.). n plus:

combustibilii gazoi industriali (gaze de cocs, de furnal sau de gazogen) conin suspensii solide, din care unele pot fi combustibile;

compoziia la utilizare poate s difere n raport cu cea de la surs.

Dup provenien deosebim urmtoarele tipuri de combustibili gazoi: Combustibili gazoi fosili, ca: a) gaze de sond, asociate zcmintelor petroliere, sau, b) gaze naturale din

pungi fr hidrocarburi lichide Combustibili gazoi din industrie, ca: a) gaz de cocserie, sau b) gaz de furnal Combustibil gazos sintetic, obinut din cei solizi sau lichizi: gaz de gazogen. Biogaz combustibil gazos de fermentaie.

n principiu toi aceti combustibili pot fi tratai ca amestecuri de gaze cu diferite participaii. Dac se cunosc puterile calorifice, inferioare i superioare, pentru fiecare din componente (vezi tabelul 4.3.), se pot calcula puterile calorifice, superioar i inferioar, ale amestecului de gaze, ca medii aritmetice ponderate ale puterilor calorifice inferioare i superioare ale componentelor (vezi formulele 3.4 i 3.4). Pentru aceasta:

fiecare component este luat cu ponderea (participaia) molar n amestec; pentru fiecare component Hi i Hs se raporteaz la 1m

3N sau la 1 kmol, iar rezultatul se obine n aceeai UM;

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 4 din 19 pagini

valorile Hi i Hs pe componente pot fi preluate din tabele (vezi tabelul 3.3.); componentele necombustibile se iau cu puteri calorifice nule, ca urmare prezena acestora reduce puterea

calorific inferioar a amestecului, exprimat n kJ/m3N sau kJ/kmol.

Tabelul 3.3. Componente uzuale ale gazelor combustibile i puterile calorifice ale acestora Hs Hi Denumirea Formula

kg/kmolkJ/m3N kJ/kmol kJ/kg kJ/m3N kJ/kmol kJ/kg

Hs/Hi* 100%

Hidrogen H2 2,016 12.758 286.003 141.867 10.742 240.801 119.445118,77% Metan CH4 16,042 39.740 890.840 55.532 35.707 800.436 49.896111,29% Oxid de Carbon CO 28,01 12.635 283.236 10.112 12.635 283.236 10.112100,00% Etilen C2H4 28,052 63.494 1.423.329 50.739 59.461 1.332.925 47.516106,78% Etan C2H6 30,068 69.621 1.560.686 51.905 63.572 1.425.080 47.395109,52% Hidrogen sulfurat H2S 34,082 25.397 569.329 16.705 23.381 524.127 15.378108,62% Propilen C3H6 42,078 92.451 2.072.462 49.253 86.402 1.936.855 46.030107,00% Propan C3H8 44,094 99.089 2.221.252 50.375 91.023 2.040.443 46.275108,86% Butan C4H10 58,12128.421 2.878.791 49.532118.339 2.652.780 45.643108,52% Pentan C5H12 72,146157.866 3.538.841 49.051145.767 3.267.628 45.292108,30%

========

====

nj

j jjs SHfH

1* (3.4) ====

====

====

nj

j jijiHfH

1* (3.4.)

Necesarul de aer de ardere i producia specific de gaze de ardere umede i uscate, exprimate n m3N de aer (sau de gaze de ardere) pe 1 m3N de combustibil gazos se determin, de asemenea, pornind de la ecuaiile de ardere pe componente, apoi se face media aritmetic ponderat molar, pentru amestec.

Componentele combustibililor gazoi care dau pericol ecologic sunt Carbonul (din CO2, CO i hidrocarburi) i Sulful (din H2S).

3.2.2. Tehnologii de ardere pentru diferite tipuri de combustibili i puteri termice Alegerea tehnologiei de ardere se face n funcie de tipul combustibilului, de compoziia i de proprietile sale.

Cerinele tehnice i ecologice pentru asigurarea unei bune arderi sunt: atingerea temperaturii de inflamabilitate a combustibilului de baz (aceasta permite reducerea, pn la

anulare, a necesarului de combustibil suport pentru ardere); realizarea unei suprafee de contact ct mai mari ntre combustibil i comburant (pe aceast cale se intensific

schimbul de mas i cldur); asigurarea unui timp suficient de remanen a combustibilului n zona de ardere; realizarea arderii complete din punct de vedere chimic, n sensul c n gazele de ardere nu trebuie s existe

gaze combustibile, cum ar fi CO; realizarea arderii complete din punct de vedere fizic; n sensul c produsele de ardere nu trebuie s conin

vapori, picturi de lichid sau particule solide (zgur i cenu n focar, praf n gazele de ardere) ale unor substane combustibile care nu au participat la ardere, sau au rezultat din ardere incomplet (cocs - la arderea imperfect a pcurii);

obinerea unor produse de ardere care s nu fie nocive; folosirea unei cantiti de aer apropiate de necesarul stoechiometric, dar mai mare ca acesta; reducerea

debitului de aer micoreaz pierderile prin cldura sensibil a gazelor de ardere, dar o scdere excesiv poate s duc la ardere incomplet.

Elementele care definesc tehnologiile de ardere sunt: A) gradul de fragmentare a combustibilului, care trebuie s permit suprafee mari de contact, prin:

amestec turbulent - pentru gaze; pulverizare - pentru combustibili lichizi; tiere, sfrmare, concasare sau mcinare - pentru combustibili solizi;

B) coeficientul de exces de aer, care trebuie s fie cel optim, n raport cu necesarul pentru ardere stoechiometric i cu pierderile prin cldura sensibil a gazelor de ardere;

C) forma flcrii i circulaia combustibilului i aerului n aceasta, astfel nct s se asigure timpul de remanen a combustibilului n flacr pentru ardere complet;

D) geometria focarului, care trebuie s permit o ardere complet, minimizarea noxelor i o bun evacuare a produselor de ardere (n special a celor solide).

Figurile 3.2. 3.5. prezint forma focarelor i a flcrilor pentru cele mai importante tehnologii de ardere.

Arderea pe grtar a combustibililor solizi cu granulaie mare sau medie necesit un coeficient mare de exces de aer, realizat prin introducerea aerului n trepte (aer primar - pe sub grtar, respectiv aer secundar pe lng grtar i / sau pe deasupra acestuia). Zgura se evacueaz de la partea inferioar a grtarului, sau de sub acesta. Timpul de remanen pe grtar este bun, totui apar nearse n zgur. Se folosete la cazane mici i cel mult medii i la incineratoare de deeuri. Temperaturile reduse de ardere coboar producia de NOx. Pentru stabilizarea flcrii, la arderea combustibililor inferiori se poate folosi i un combustibil suport.

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 5 din 19 pagini

Aer primar

Combustibil

Aer secundar

Zgur

Aer secundar

Aer secundar

Combustibil

Cenu

Aer

Figura 3.2. Arderea pe grtar Figura 3.3. Arderea n pat fluidizat

Arderea n pat fluidizat a combustibililor solizi de granulaie mic necesit meninerea particulelor n sustentaie i se realizeaz introducnd pe la partea inferioar tot aerul (n varianta pat fluidizat fierbtor), sau o cot mare din acesta (n variantele pat fluidizat rotitor i pat fluidizat circulant, care utilizeaz i o circulaie secundar, tangenial, mrind turbulena i timpul de remanen n strat). Pentru sustentaie aerul trebuie s aib o vitez de curgere suficient de mare, totui, o vitez prea mare a aerului poate s conduc la antrenarea n gazele de ardere a unor particule solide care s conin substane nearse fizic. Granulele trebuie s aib dimensiuni adecvate: dac particulele sunt prea mari scade suprafaa de contact i particulele nu pot fi meninute n sustentaie; dac ele sunt prea mici granulele pot fi antrenate n gazele de ardere.

Timpul de remanen n strat fiind mare, coeficientul de exces de aer e mai mic dect la arderea pe grtar i nearsele scad. Temperatura de ardere rmne cobort, ceea ce reduce producia de NOx termic. Este o tehnologie curat din punct de vedere ecologic i pentru c permite folosirea unor adaosuri pentru desulfurare n strat. Evacuarea cenuii se face din stratul de la suprafa. Metoda se folosete la cazane medii i mari, pentru ardere crbunilor bruni huiloi i a huilei i mai dificil la puteri termice foarte mari i la crbuni inferiori.

Zgur, cenu

Combustibil

Combustibil

Figura 3.4. Arderea pulverizat turbionar a combustibililor solizi sub form de praf seciune orizontal prin focar

Figura 3.5. Arderea pulverizat a combustibililor solizi sub form de praf seciune vertical prin focar

Arderea turbionar a combustibililor solizi sub form de praf se folosete la cazane mari i foarte mari. Ea permite valori coborte ale excesului de aer, aproape fr creterea procentului de nearse. Forma turbionar a flcrii asigur timpul mare de remanen, iar mcinarea fin mrete suprafaa de contact ntre particule i comburant. Este cea mai rspndit metod de ardere a crbunilor inferiori n uniti de putere medie i mare. Obs.: Combustibilii de tip biomas sau gunoaie menajere au caracteristici apropiate de cele ale crbunilor

inferiori. Pe de alt parte puterile termice ale instalaiilor ce utilizeaz aceste forme de energie primar sunt mici. Ca urmare tehnologiile uzuale de ardere pentru aceti combustibili sunt: pe grtar, pentru deeuri menajere i biomas cu grad redus de mrunire (particule medii-mari); n pat fluidizat, pentru biomas cu grad de mrunire mediu (particule mici-medii).

Arderea pulverizat a combustibililor gazoi i lichizi se poate folosi la diverse mrimi (puteri termice unitare) ale G.A. / cazanelor. Permite valori coborte ale coeficientului de exces aer, i nearse foarte mici. Timpul de remanen nu pune probleme speciale, datorit posibilitii fragmentrii combustibilului n particule ct mai mici i a amestecului fin ntre aer i combustibil. Pentru combustibili lichizi este necesar pulverizarea fin a lor pe cale

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 6 din 19 pagini

mecanic (presiune, cup rotativ) sau gazodinamic (cu abur).

3.3. Circuitul aer gaze de ardere al G.A. / cazanelor din C.T.E., C.E.T. i C.T. Dup presiunea gazelor de ardere n focar, cazanele pot fi: a) cu focar cu depresiune n raport cu atmosfera; b) cu focar cu suprapresiune.

Cea de a doua variant necesit o etanare mai bun a spaiului de gaze de ardere fierbini, pentru a evita scparea acestora n atmosfer.

Circulaia aerului i gazelor de ardere prin cazanele din C.T.E., C.E.T. i C.T. poate fi asigurat: fr maini mecano energetice de tip V.A. i V.G., prin tiraj natural, pe baza diferenei de densitate dintre

gazele de ardere calde i aerul rece; cum diferena de presiune realizabil pe aceast cale este mic, soluia se utilizeaz doar la cazanele mici i presupune focar cu depresiune;

cu V.A. i / sau V.G., soluie uzual la cazanele de puteri mari, n una din variantele: - tiraj suflat, numai cu V.A. i focar cu suprapresiune; - tiraj aspirat, numai cu V.G. i focar cu depresiune; - tiraj mixt, cu V.A. i V.G.; n funcie de creterile de presiune asigurate de V.A. i V.G. acestea pot avea

focar cu supra presiune sau focar cu de presiune.

Pentru coborrea temperaturii gazelor de ardere nainte de evacuarea lor la co, reducerea pierderilor prin cldura sensibil a gazelor de ardere i creterea randamentului cazanelor, acestea sunt dotate uzual cu schimbtoare speciale de cldur prin transfer de la gaze spre aer, denumite prenclzitoare de aer. Folosirea acestora nu este obligatorie; unele cazane, n special cele de mic putere i cu temperaturi mai sczute ale agentului la intrare, pot fi realizate fr prenclzirea aerului.

Din punct de vedere constructiv prenclzitoarele de aer pot fi: cu transfer prin suprafa, de obicei de tip tubular, cu aerul prin evi i gazele de ardere prin exterior; schimbtoare de cldur de tip regenerativ, cu mas de tip fagure ce trece, pe rnd prin curentul de gaze de

ardere i de aer, n una din variantele: Ljungstrom, cu tambur rotativ; Rothemuller, cu tambur fix i racorduri rotative.

PAR

Electrofiltru

VG

VA Cazan

Figura 3.6. Schema de principiu a circuitului aer - gaze de ardere al unui cazan cu tiraj mixt

Figura 3.6. prezint schema general a unui circuit aer gaze de ardere pentru un cazan care arde combustibil solid, are tiraj mixt i prenclzitor de aer. n aceast schem nu s-au reprezentat celelalte instalaii de reinere a noxelor n afara electrofiltrului pentru reinerea din gazele de ardere a cenuii zburtoare.

3.4. Sistemul nuclear de producere a aburului n CNE rolul cazanului i anexelor sale este luat de Sistemul Nuclear de Producere a Aburului (SNPA).

La CNE cu un singur circuit i Reactoare Nucleare (RN) de tip Boiler Water Reactor (BWR), RN este i GA. La CNE cu dou circuite i RN de tip Pressurized Water Reactor (PWR) i Pressurized Heavy Water Reactor

(PHWR) funciunile SNPA sunt realizate dup cum urmeaz:

PC

GA

RN

Abur saturat

Apa alimentare

Circuit secundar

Circuit primar

190210230250270290310

0 500 1000 1500 2000caldura schimbata pe un kg apa-abur [kJ/kg]

tem

pera

tura

[g

rd C

]

apa grea apa-abur

Figura 3.7. Schema ncadrrii GA n circuitele unei CNE cu RN de tip PWR sau PHWR

Figura 3.8. Diagrama de transfer de cldur a generatorului de abur al unei CNE de tip PHWR

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 7 din 19 pagini

RN arde combustibilul nuclear i transfer cldura ctre agentul primar, de rcire a RN; Pompele de Circulaie (PC) vehiculeaz agentul de rcire a RN n circuit nchis; Generatorul de Abur transfer cldura de la agentul primar la cel secundar.

Figura 3.7. prezint schema de legturi a G.A. (schimbtor de cldur prin suprafa) n circuitele unei CNE cu RN de tip PWR sau PHWR, iar figura 3.8. diagrama de transfer de cldur a G.A. al unei astfel de CNE.

3.5. Circuitul ap - abur al G.A.: sistemul fierbtor. 3.5.1. Variaia proprietilor apei n cursul vaporizrii

Dup cum am mai menionat, la G.A. debitul volumetric de abur e mult mai mare dect cel de ap. Saltul are loc n zona de vaporizare, la schimbarea strii de agregare a fluidului. Figura 3.9. evideniaz variaia raportului volumelor specifice ale aburului i apei n funcie de presiunea de vaporizare (p vaporizare

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 8 din 19 pagini

Ventil injectie

apa

Sistem vaporizator

S 1 S 2

Eco

purje

T

Apa alimentare

Abur supraincalzit

Figura 3.11. Schema circuitului apa-abur pentru GA cu Circulaie Natural Multipl GA CNM

Circulaie Forat Multipl, sau tip La Mont (GA CFM). Acestea sunt prevzute cu pomp(e) de recirculare, care preiau apa din partea inferioar a tamburului i o trimit n sistemul fierbtor (vezi figura 3.12.). Amestecul bifazic ap-abur ieit din vaporizator revine n tambur n zona median. Limitarea e datorat tot reducerii diferenei de densitate ntre ap i abur la creterea p vaporizare. Ea nu provine din nrutirea circulaiei n vaporizator, ci se datoreaz dificultii separrii strilor de agregare n tambur.

S 2

SV

S 1

VRT

Eco

P C

T

purje

Figura 4.12. Schema circuitului apa-abur pentru GA cu Circulaie Forat Multipl GA CFM

In ambele scheme reglajul temperaturii finale a aburului se poate face prin injecie de ap ntre treptele de supranclzitor.

Din analiza comparativa a celor doua tipuri de GA cu tambur se observ urmtoarele

GA CNM sunt simple i sigure n funcionare, dar: cer evi vaporizatoare drepte, verticale sau cu nclinare mare, cu viteze mici i seciuni mari de trecere; au consum mare de metal, volum mare de ap i inerie termic mare; au debitul minim tehnic de 4050 % din cel nominal; nu permit depirea presiunii aburului viu de 140165 bar.

GA CCFM, datorit folosirii pompelor de circulaie: pot folosi evi vaporizatoare n serpentin, cu nclinare mare, viteze sporite i seciuni mici de trecere; au consum redus de metal, volum mai mic de ap i inerie termic redus; au debitul minim tehnic de 2535 % din cel nominal; permit atingerea presiunii aburului viu de 165185 bar; au fiabilitate mai mic i consum mai mare de energie, datorit pompelor

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 9 din 19 pagini

3.5.3. G.A. cu circulaie forat unic i punct alunector de vaporizare La aceste G.A. sistemul fierbtor funcioneaz la sarcina nominala n circuit deschis, ntre Economizor i

Vaporizator. Circulaia n ntregul G.A. are loc exclusiv pe baza supra presiunii create de pompa de alimentare Folosirea trecerii forate conduce la: creterea presiunii aburului viu i depirea presiunii supracritice; necesitatea unui sistem de control integrat, mai complex dect la GA cu tambur; creterea vitezelor de circulaie, reducerea diametrelor evilor, posibilitatea folosirii evilor n serpentin; scderea consumului de metal, a masei de ap i a ineriei termice; creterea consumului de energie de pompare; dificultatea stabilizrii punctului de vaporizare i imposibilitatea purjrii sistemului fierbtor; creterea pericolului de antrenare a srurilor n abur i cerine mai severe de calitate a apei; realizarea unui debit minim tehnic de peste 35 % din cel nominal; necesitatea unor instalaii speciale de pornire i soluii adaptate de funcionare la sarcini pariale.

Dup modul de asigurare a circulaiei n vaporizator la presiuni subcritice i/sau sarcini pariale, deosebim urmtoarele variante de G.A. cu trecere unic:

S 2

Vap 2+S 1

Eco

Vap 1

Sistem ventile circ. separare

Butelie separatoare

Abur supraincalzit

Apa alimentare

Ventile injectie

S #2

S #1

Vap#2

Vap#1

Eco#2

Eco#1

Figura 3.13. Schema circuitului ap-abur pentru GA trecere forat unic i recirculare (Sulzer)

Figura 3.14. Schema circuitului ap-abur pentru GA cu trecere forat unic fr recirculare (Benson-Ramzin)

Cu recirculare la sarcini pariale, sau tip Sulzer (vezi figura 3.13.). Schema permite relativa stabilizare a punctului de vaporizare, cnd se funcioneaz la presiuni subcritice, prin intermediul buteliei separatoare i a ventilelor asociate. Apa separat n butelie se poate trimite la degazor sau se poate recircula cu pompe speciale. La G.A. supracritice recircularea se face doar la pornire i la sarcini pariale, iar funcionarea trebuie sa se realizeze cu presiune alunectoare n funcie de sarcina. n afara buteliei separatoare, GA tip Sulzer este prevzut i cu un numr mare de injecii de ap n diferitele puncte ale circuitului din zona de vaporizare a apei i supranclzire a aburului.

Fr recirculare, tip Benson sau Ramzin (vezi figura 3.14). Acestea sunt prevzute cu numeroase injecii intermediare de ap, pentru a mpiedica atingerea prea devreme a unor temperaturi mari ale aburului i metalului. La pornire i la sarcini pariale, cnd punctul de vaporizare tinde s se deplaseze pe partea de ap-abur n amonte, spre intrarea apei de alimentare n cazan, se activeaz injeciile de ap din zona de vaporizator i chiar economizor, dinspre aval spre amonte. La sarcini apropiate de cea nominal se funcioneaz doar cu injeciile din partea final a vaporizatorului i din cea de supranclzire a aburului.

3.6. Amplasarea suprafeelor de transfer de cldur n G.A. De menionat c la G.A. procesele termice n economizor, vaporizator i supranclzitor difer sensibil. La G.A.

subcritice o cot mare din cldura cedata de flacr / gaze de ardere, este primit la vaporizator, pentru schimbarea de faz. Pe msura creterii presiunii aburului aceasta cota se reduce i se majoreaz cotele pentru Eco i Vap.

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 10 din 19 pagini

Din punct de vedere al eficienei transferului de cldur, schema optim de curgere relativ a fluidelor este cea n contracurent. Aplicarea ei este posibila la GA recuperatoare, la care transferul de cldur este exclusiv convectiv i temperatura gazelor de ardere la intrare mult mai redus dect cea a flcrii de la G.A. care ard combustibil. Figura 3.15. prezint diagrama t-q pentru un GA recuperator convectiv, cu circulaia relativa a agenilor n contracurent i o singur presiune de producere a aburului. Figura 3.16. ilustreaz schema de circulaie a agenilor i de aezare a suprafeelor de transfer cldur in GA de acest tip, cnd circulaia gazelor este vertical ascendent.

Figura 3.17. prezint schema de circulaie a agenilor i de aezare a suprafeelor specializate de transfer de cldur pentru un GA recuperator convectiv, cu circulaia relativ n contracurent, circulaia gazelor vertical ascendent i dou presiuni de producere a aburului. Se observ c acesta e, practic, format din dou GA nseriate pe partea de gaze de ardere: GA de P n zona de temperaturi ridicate, iar GA de JP n cea de temperaturi coborte.

0

100

200

300

400

500

600

0 400 800 1.200 1.600 2.000 2.400 2.800 3.200caldura schimbata pe un kg apa-abur [kJ/kg]

tem

pera

tura

[g

rd

C]

gaze de ardere apa-abur

intrare gaze de ardere

evacuare gaze ardere la cos

SI

Vap

Eco

Apa alimentare

Abur

Figura 3.15. Diagrama de transfer de cldur pentru un GA recuperator convectiv, cu o presiune de producere a aburului si circulaia agenilor n

contracurent

Figura 3.16. Schema de circulaie a agenilor si aezare a S transfer cldur ntr-un GA recuperator

convectiv cu o presiune de producere a aburului

Vap JP

Eco JP

S JP

Eco IP

Vap IP

S IP

focar SV

T

ECO

spre turbin

PA

S

Figura 3.17. Schema de aezare a suprafeelor de schimb de cldur i circulaie a agenilor ntr-un GA recuperator

convectiv cu 2 presiuni de producere a aburului

Figura 3.18. Schema de aezare a suprafeelor de schimb de cldur i circulaie a agenilor ntr-un GA care arde combustibil, cu transfer de

cldur radiativ + convectiv, fr s..i., cu 2 drumuri de gaze

La G.A. care utilizeaz cldura dezvoltat prin arderea unor combustibili circulaia n contracurent ar presupune amplasarea supranclzitorului n focar, ceea ce ar duce la o temperatura mare a materialului i scderea duratei de via. Ca urmare se renun la aceast schem n favoarea uneia mixte, caracterizate prin amplasarea vaporizatorului n focar (vezi figura 3.18.).

4 TURBINE CU ABUR. LEGTURI G.A. T.A.. CIRCUITUL DE PRENCLZIRE. 4.1. Probleme generale ale Turbinelor cu Abur (T.A.).

4.1.1. Analiza calitativ a proceselor din T.A.. Turbina cu abur = main mecano energetic motoare care destinde abur ntr-un proces de curgere continu,

transformnd energia total a fluidului (intern - termic, de presiune i cinetic) n energie mecanic la arbore. Procesul teoretic ntr-o T.A. este adiabat - izentrop. Ecuaia acestuia se poate scrie n diverse coordonate:

p-V

====

VV

pp 0

0

(4.1) p-T

/)1(

00

====

pp

TT

(4.1) V-T

)1(

00

====

VV

TT

(4.1)

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 11 din 19 pagini

unde = C p /C v coeficientul adiabat, depinde de tipul gazului (monoatomic, biatomic, tri sau multi atomic). Procesul real (figura 4.1.) este cvasi adiabat, din punct de vedere al schimbului de cldur cu exteriorul, dar

ne izentrop (implicit, cu cretere de entropie).

h kJ/kg

s kJ/kgK

v0 p0

t0 h0

hf_real

Ht Hi

hf_teor

tf

vf_real pf

vf_teor

xf_teor xf_real

x=1

Figura 4.1. Reprezentarea n diagrama h-s a procesului teoretic i real dintr-o turbin cu abur

Procesele reale n gaze reale, pot fi tratate n diferite moduri: din punct de vedere al relaiilor dintre parametrii intensivi n cursul procesului, ca nite politrope:

p-Vk

VV

pp

====

0

0

(4.2) p-T

kk

pp

TT

/)1(

00

====

(4.2) V-T

)1(

00

====

k

VV

TT

(4.2)

unde k (1

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 12 din 19 pagini

creterea volumului specific al aburului n cursul destinderii n turbin necesit mrirea vitezelor de curgere i a seciunii de trecere;

turbina poate fi prevzut cu extracii de abur: - nereglate (pentru prenclzire regenerativ), debite raportate mici, fr discontinuitate de curgere i cu

presiune variabil cu ncrcarea; - reglabile (pentru consumatori termici), cu presiunea aburului extras impus de nivelul termic de consum,

debite raportate mari, cu discontinuitate de curgere; ca urmare a celor de mai sus debitele de abur se modific, iar P intern trebuie scris ca o sum, pe zone; discontinuitile de curgere la extraciile de abur, n special la cele reglabile, conduc la degradri exergetice i

nrutirea randamentului intern.

Dup direcia de curgere a aburului n raport cu axul mainii, turbinele pot fi: 1) Axiale; 2) Radiale (centripete sau centrifuge); 3) Diagonale (centripete sau centrifuge). De menionat c: Turbinele energetice sunt de tip axial, eventual diagonal - centrifuge n zona de joas presiune. Schema radial - centrifug se practic n zona de nalt presiune (Ljungstrom). Schema radial sau diagonal - centripet se aplic rar la turbinele cu abur i atunci numai la cele mono treapt,

pentru aplicaii speciale.

4.1.2. Tipuri de trepte de turbin i procesele din acestea Dup numrul de iruri de profiluri rotorice aval de destinderea aburului n stator, deosebim trepte: de vitez cu un rnd de ajutaje, n iruri de palete mobile (n2) i n-1 iruri de palete fixe intercalate; de presiune, cu cte un ir de palete mobile la fiecare rnd de profiluri de ajutaje. Dup gradul de admisie,deosebim trepte: cu admisie parial (de reglare); cu admisie total (de presiune).

Dup modul de mprire a destinderii ntre statorul i rotorul treptelor de presiune din turbine, deosebim: TA cu aciune (destindere numai n stator); TA cu reaciune redus (destindere preponderent n stator); TA cu reaciune mare 50% (destinderi egale n stator i rotor).

Gradul de reaciune al unei trepte de presiune se definete cu relaia: reaciune=H teoretic palete mobile/(H teoretic profiluri fixe+H teoretic palete mobile) (5.4)

unde puterile H teoretic palete mobile i H teoretic profiluri fixe reprezint destinderile (diferenele de entalpie) n procesele teoretice, adiabate izentrope, din cele dou tipuri de profiluri, ambele exprimate n kJ/kg.

Tabelul 4.1. prezint etapele de transformare a energiei termice i de presiune a aburului n cursul curgerii prin profilurile statorice i cele rotorice ale TP cu aciune i cu reaciune mare (50%).

Tabelul 4.2. prezint construcia prii de curgere statorice i rotorice ale TP cu aciune i cu reaciune mare.

Tabelul 4.1. Procesul treptelor de presiune cu aciune i cu reaciune mare Tipul TP

Procesul TP cu aciune cu reaciune mare

n stator prin destindere complet se transform energia termic i de presiune a aburului n energie cinetic prin destindere parial se transform o cot din energia termic i de presiune a aburului n energie cinetic

n rotor aburul i schimb direcia de curgere i i reduce viteza i energia cinetic, transmind energie mecanic spre profilurile rotorice

aburul i continu destinderea i i schimb direcia de curgere transmind energie mecanic spre profilurile rotorice

Tabelul 4.2. Construcia treptelor de presiune cu aciune i cu reaciune mare: Tipul TP

Alctuirea TP cu aciune sau reaciune redus) cu reaciune mare

Stator profiluri fixe fixate pe o diafragm, avnd etanare cu labirini la arbore

palete fixe fixate pe carcas; etanarea se face la vrful profilurilor

Rotor rotor cu arbore i discuri; palete mobile au piciorul fixat pe discuri i etanare de capt prin bandaj rotorul sub form de tambur; palete mobile cu etanare la vrful profilurilor

Observaii Cdere mare pe treapt Fore axiale mici

Cdere mic pe treapt Fore axiale mari

4.2. Arhitectura turbinelor cu abur pe corpuri i fluxuri:

Cea mai simpl variant de construcie a unei T.A. e mono corp mono flux (vezi fig. 4.2.). Realizarea unei astfel de turbine este supus unui set de restricii: numrul mare de trepte (n special la TA de condensaie) mrete lungimea turbinei i gabaritul pieselor statorice

(carcas) i rotorice; forele axiale cresc, prin nsumarea mpingerilor de acelai (cel de curgere); nsumarea dilatrilor axiale rotorice i creterea dilatrii relative rotor-stator mresc jocurile i nrutesc

randamentele interne;

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 13 din 19 pagini

extragerea din cursul destinderii a unor debite mari de abur i, eventual, reintroducerea acestui abur dup supranclzirea intermediar, sunt dificile; n plus la reintroducerea aburului s... apar solicitri termice;

seciunea final este limitat, datorit forei centrifuge asupra paletelor mobile; creterea seciunii de trecere n zona de joas presiune a turbinei este dificil de asigurat pe un flux.

Figura 4.2. Turbin cu abur mono corp mono flux de

turaie mare

Soluia mono corp-mono flux se poate aplica la maini cu destindere limitat, numr mic de trepte i variaie redus a debitului volumetric, ca de exemplu:

T.A. de cogenerare cu contrapresiune sau contrapresiune i priz reglabil; T.A. cu condensaie cu parametri cobori la admisie, ca T.A. auxiliare de

antrenare a P.A.. Reducerea debitelor volumetrice la astfel de maini relaxeaz limitarea datorat

forei centrifuge i permite folosirea unor turaii de lucru ridicate, mai mari dect cele de la generator, cu condiia folosirii unui reductor de turaie.

Creterea turaiei TA permite: realizarea unor viteze periferice mari la diametre mici uperiferic = pi*d*n/60; creterea destinderii pe treapt, o dat cu viteza periferic; reducerea numrului de trepte; reducerea consumului de metal i a costului turbinei; creterea lungimii profilurilor de curgere la reducerea diametrului = pi*dmediu*lp; creterea randamentului intern al destinderii. Pe ansamblu TA de turaii mari au diametre mici, sunt scurte, ieftine i ating randamente interne bune. Ele sunt

deosebit de avantajoase atunci cnd antreneaz maini mecano energetice rotative de tip pompe, ventilatoare sau compresoare, care beneficiaz i ele de avantajul turaiei ridicate i eventual variabile cu ncrcarea.

n cazul T.A. energetice, care antreneaz generatoare electrice sincrone de turaie impus (la p=1 perechi de poli rotorici corespund: n=3000 rotaii/minut pentru ca=50 Hz, respectiv n=3600 rotaii/minut pentru ca=60 Hz), este necesar folosirea unui reductor de turaie. Prezena acestuia:

mrete pierderile mecanice, reducnd din avantajul sporului de randament intern; majoreaz investiia (cu costul reductorului), reducnd din avantajul ieftinirii turbinei; poate duce la scderea disponibilitii i la creterea nivelului de zgomot i a cheltuielilor de mentenan. Rezult c opiunea pentru folosirea T.A. energetice de turaii ridicate e tehnico-economic i depinde mult de

debitul volumetric de abur prin seciunea final. Cnd acesta crete se majoreaz seciunea de evacuare i fora centrifug asupra paletelor, fapt care necesit reducerea turaiei. La diferene mici ntre turaia limit realizabil de turbin i cea necesar la generatorul electric sincron nu se mai poate justifica folosirea reductorului de turaie.

Pt. limitarea inconvenientelor T.A. mono corp mono flux se utilizeaz, separat sau simultan, soluii tehnice ca: folosirea unor corpuri cu inversarea sensului de curgere a aburului n raport cu axul mainii (figura 4.3.); fragmentarea destinderii aburului pe corpuri distincte, n una din variantele:

- corpuri parcurse de abur n sensuri contrarii cu lagr axial amplasat ntre ele, pentru scderea mpingerilor i a dilatrilor axiale relative rotor-stator; la ciclurile cu s... procesul se introduce ntre acestea (fig. 4.4.);

- extragerea debitelor mari de abur pe conductele de legtur dintre corpuri, n special pentru T.A, cu prize reglabile la presiuni coborte;

realizarea unor corpuri n dublu flux, pentru creterea seciunilor i echilibrarea forelor axiale (figura 4.5.). reducerea turaiei la jumtate din cea pentru p = 1, i trecerea la folosirea de generatoare cu p=2, pentru

micorarea forelor centrifuge i mrirea seciunilor pe flux n special la C.N.E.). Se observ c majoritatea soluiilor de mai sus conduc la arhitecturi de turbine n mai multe corpuri i fluxuri.

T.A. pentru CTE pe o linie de arbori, cu mai multe zone / corpuri

prize nereglate Ieire abur

intrare abur ntoarcere abur

pintermediar

p2

p1

Figura 4.3. Corp de turbin cu abur cu inversarea sensului de curgere n cursul

destinderii

Figura 4.4. TA cu dou corpuri avnd sensuri opuse de curgere i, eventual, s..i.

a aburului ntre acestea

Figura 4.5. TA (corp de T.A.) n dou fluxuri simetrice cu sensuri opuse de

curgere

Figurile 4.6.4.10. prezint o serie de combinaii de corpuri, grupate pe o singur linie de arbori, n tandem (fig. 4.6.4.8.) sau pe dou linii paralele (fig. 4.9. i 4.10.) folosite la unitile de mare putere din C.T.E.. Dintre acestea, soluiile pe dou linii, cross compound (ambele linii de arbori la aceeai turaie) i mixed compound (cele dou linii de arbori de turaii diferite, n CJP=n CIP/2), utilizeaz dou generatoare de puteri comparabile.

Cu excepia unor uniti mai vechi, de puteri limitate, T.A. din C.N.E. de mare putere cu abur viu saturat au, uzual, turaii coborte la jumtate din cele ale T.A. folosite la C.T.E.. Aceasta reduce forele centrifugale i majoreaz seciunea final pe flux, permind reducerea numrului de fluxuri de evacuare i realizarea pe o linie de arbori (fig.

p2

p1

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 14 din 19 pagini

4.11. i 4.12.). Din cauza presiunii coborte a aburului viu ele nu au Corp de nalt Presiune (CIP), n sensul de la T.A. din C.T.E.. Convenional se denumete drept CIP primul corp din turbin n sensul de curgere a aburului, ai crui parametri la intrare sunt comparabili cu cei de la Corpurile de Medie Presiune (CMP) ale T.A. din C.T.E.. Datorit debitelor masice i volumetrice ridicate, acestea sunt realizate, de obicei, n dublu flux. Pentru limitarea efectelor negative ale umiditii, ntre CIP i CJP ale T.A. din C.N.E. cu abur viu saturat se introduce un sistem de separare mecanic extern a picturilor i un supranclzitor intermediar care folosete drept agent nclzitor aburul viu.

T.A. pentru CTE pe o linie de arbori, cu mai multe corpuri, din care cel(e) de JP n dublu flux

Figura 4.6. TA pentru CTE n 2 / 3 corpuri, cu corp IP+MP (sau CIP+CMP) i CJP n dublu flux,

Pbg 100400 MW (max. 600 MW)

Figura 4.7. TA pentru CTE n 3 sau 4 corpuri, cu corp IP+MP (sau CIP+CMP) i 2 CJP n dublu flux, Pbg320640 MW (max. 800 MW)

Figura 4.8. TA pentru CTE n 5 corpuri,cu CIP, CMP n 2 fluxuri i 3 CJP n dublu flux Pbg 6401200 MW

T.A. pentru CTE pe dou linii de arbori

n1=n2= 3000 (3600) rpm

n =1800 rot/min

n =3600 rot/min

Figura 4.9. TA pentru CTE pe dou linii de arbori la aceeai turaie (schema cross compound)

Figura 4.10. TA pentru CTE pe dou linii de arbori la turaie diferit (mixed compound)

Figura 4.11. TA pentru CNE cu abur viu saturat cu 4 corpuri, toate n dublu flux, Pbg 6401300 MW

Figura 4.12. TA pentru CNE cu abur saturat, avnd corp combinat IP+MP n simplu flux i 3 CJP n dublu flux

4.3. Scheme de legturi G.A. T.A. 4.3.1. Principiile de realizare a schemelor de legturi

ntr-o CTE sau CET cu abur exist mai multe echipamente, unele de acelai tip, altele de tipuri diferite, dar care funcioneaz mpreun. Legturile dintre echipamente, la modul general, se pot realiza:

pentru conexiunea ntre ele a unor echipamente de acelai tip; ntr-o succesiune amonte-aval, ntre echipamente de tipuri diferite.

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 15 din 19 pagini

n capitolul de fa vom analiza soluiile de realizare a legturilor dintre G.A. i T.A., dar principiile acestora se extind i asupra altor echipamente. La alegerea schemei de legturi se ine seama de o serie de factori:

numrul echipamentelor i puterile lor unitare; mrimea fluxurilor masice asociate celor energetice; cerinele privind continuitatea n funcionare a centralei la defectarea unora dintre echipamente; parametrii aburului i tipul ciclului (de cogenerare sau condensaie / fr sau cu supranclzire intermediar); costurile de investiii n sistemul de conducte i armturi (vane, ventile, etc.).

4.3.2. Scheme de legturi cu bare colectoare Barele colectoare cumuleaz fluidul de la mai multe surse i permit distribuirea lui la mai muli consumatori. Pe

partea de abur viu sursele sunt G.A., iar consumatorii sunt T.A.. Cnd aburul provenit de la mai multe G.A. se poate utiliza la mai multe T.A. (vezi figura 4.13.):

numrul de G.A. poate fi diferit de cel al T.A.; debitele unitare ale G.A. nu trebuie corelate cu capacitile nominale de nghiire ale T.A..

Figura 4.13. Exemplu de schem de legturi cu bare colectoare la o central cu 4 G.A. i 3 T.A.

Din punct de vedere al debitelor cumulate, se recomand ca acestea s ndeplineasc relaii de tipul:

Cnd rezerva n capacitatea de producere de abur este mic:

==

TAGA N

1ij

TAabN

1ii

GAab D*)1,105,1(D (4.5.)

Cnd se dorete s existe un GA de meninut n rezerv:

=

=

TAGA N

1ij

TAab1N

1ii

GAab D*)1,105,1(D (4.6).

Schema cu bare colectoare ofer elasticitate, continuitate n alimentarea cu abur i disponibilitate, deoarece: oricare din G.A. poate funciona cu oricare din turbine; la defectarea unui G.A. centrala poate continua s funcioneze (eventual la sarcin redus).

Soluia se folosete uzual la cicluri fr s..i., n special la centralele de termoficare care impun continuitatea alimentrii cu cldur a consumatorilor termici i la puteri unitare de ordinul MW sau zeci de MW.

Principalele limitri ale schemei cu bare colectoare se datoreaz: costului ridicat al colectorului de abur viu, sistemelor de conducte de legtur i de armturi; pierderilor de presiune majorate i exploatrii complicate a sistemului de armturi; riscului ca, la defectarea colectorului de abur, s se ntrerup funcionarea ntregii centrale; dificultii realizrii unor sisteme de bare colectoare respectiv exploatrii corelate a unor grupuri la ncrcri i

debite diferite la ciclurile cu supranclzire intermediar.

4.3.3. Scheme de legturi bloc, G.A. T.A. Ele sunt caracterizate prin aceea c numrul de G.A. i debitele G.A. se coreleaz strict cu numrul turbinelor i

capacitile nominale de nghiire ale lor. Fiecare din sursele de abur poate funciona numai cu anumite turbine, iar rezerva n capacitatea de producere de abur este mic.

Din punct de vedere al debitelor pe bloc se recomand ca, ntre capacitatea de producie de abur pe bloc i capacitatea de nghiire pe turbin(e) s se ndeplineasc relaii de tipul:

Cnd se folosete o surs de abur la dou turbine, soluie utilizat doar la unele CNE:

D*)08,103,1(*2D TAGA (4.7) n cazul schemei mono bloc (figura 4.14), cea mai uzual la CTE i CNE:

D*)08,103,1(D TAGA (4.8) n cazul schemei bi bloc (figura 4.15), folosit la CTE cu puteri mari care utilizeaz crbune, deoarece la

defectarea unui G.A. unitatea poate continua s funcioneze la sarcin redus:

D*)56,053,0(D TAGA (4.9.)

GA1

GA2

GA3

GA4

T1 T2 T3

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 16 din 19 pagini

Figura 4.14. Schema de legturi monobloc la o CTE-TA Figura 4.15. Schema de legturi bi bloc la o CTE-TA

Schemele bloc au urmtoarele avantaje: elimin necesitatea exploatrii corelate a grupurilor; reduc riscul de propagare a defectelor; coboar costul sistemelor de conducte / armturi, prin eliminarea barelor; micoreaz pierderile de presiune. Ele se folosesc uzual la centralele de condensaie de mare putere (sute de MW sau peste 1000 MW), iar la CET n

cazul celor urbane avnd cicluri cu supranclzire intermediar. Principalele dezavantaje ale schemelor bloc sunt legate de reducerea disponibilitii i elasticitii n funcionare.

4.3.4. Scheme de legturi cu bare de ajutor Acestea constituie o combinaie a celor dou soluii de mai sus (vezi figura 4.16).

Figura 4.16. Exemplu de schem de legturi cu bar de ajutor la o central cu n turbine i (n+1) G.A.

Ca i n schema bloc debitele G.A. sunt corelate cu capacitile de nghiire ale turbinelor. Numrul de G.A. este egal cu cel al turbinelor sau mai mare cu unul dect numrul de T.A.. n al doilea caz un G.A. este meninut n rezerv i poate funciona cu oricare din turbine.

Soluia ofer elasticitate n exploatare, continuitate n alimentarea cu abur a T.A. i disponibilitate bun, la costuri mai mici dect n cazul schemei cu bare colectoare, deoarece bara de ajutor se dimensioneaz pentru debitul unui singur G.A.. Ea se folosete uzual la cicluri fr supranclzire intermediar, la centralele de termoficare pentru puteri unitare de peste 50 MW.

4.4. Circuitul de prenclzire regenerativ a apei de alimentare Rolul principal al circuitului de prenclzire regenerativ a apei de alimentare este creterea temperaturii apei de

alimentare, n vederea majorrii randamentului termic al ciclului. n plus, el ndeplinete o serie de roluri auxiliare, ca: A) degazarea apei de alimentare a G.A. i B) asigurarea rezervei de ap n schimbtorul de amestec.

4.4.1. Tipuri de aparate utilizate ca prenclzitoare i caracteristicile lor Dup natura proceselor de transfer de cldur sau schimb de cldur i mas, prenclzitoarele de ap pot fi: 1)

cu schimb de cldur i mas prin amestec, respectiv 2) cu transfer termic prin suprafa, fr schimb de mas. La schimbtoarele de cldur de amestec ambii ageni circul prin manta i au aceeai presiune. Pentru a

mri suprafaa de contact cu aburul nclzitor, apa circul gravitaional sub form de uvie, picturi sau n film pe umpluturi. Aburul condenseaz, iar condensul se amestec cu apa nclzit. Cldura condensatului aburului se recupereaz prin amestec, la nivelul de temperatur din aparat, dar aceasta conduce la reantrenarea n apa nclzit a impuritilor antrenate de condensat. Diferena de temperatur ntre t condensare a aburului i t apa inclzit este neglijabil, iar degradarea energiei termice prin pierderi de exergie este redus.

GAn+1

GA1

T1

GAn

Tn

GA1

T1

GA1A

GA1B

T1

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 17 din 19 pagini

Schimbtoarele de amestec cu nivele termice diferite au i presiuni diferite, ca urmare nu permit nserierea mai multor aparate aval de o treapt de pompare. Ele pot avea i rol de degazare termic, bazat pe scderea solubilitii gazelor n ap n cursul nclzirii izobare a acesteia. Rezervorul degazorului, situat sub coloana de schimb de cldur i mas, asigur n acest caz i rezerva de ap de alimentare a G.A.. Schimbtoarele de cldur de suprafa sunt uzual realizate n construcia cu evi i manta. La acestea: Agentul nclzit, apa, circul prin evi i primete cldur sensibil, fr schimbarea strii de agregare. Agentul nclzitor, aburul, circul prin manta i cedeaz cldur cu schimbarea strii de agregare, condensnd

pe suprafaa exterioar a evilor.

Agentul nclzit are o presiune mai mare ca cea a aburului nclzitor, ceea ce permite nserierea mai multor aparate aval de o treapt de pompare. Dup nivelurile de presiune pe partea de ap i dup poziiile lor n linia de prenclzire, n raport cu Pompa de Condensat Principal (P Cd Pr) i cu Pompa de Alimentare (PA), aparatele de suprafa sunt clasificate uzual n dou categorii:

Prenclzitoare de Joas presiune (PJP), amplasate n aval de P Cd Pr i amonte de PA;

Prenclzitoare de nalt Presiune (PIP), amplasate n aval PA i amonte de G.A.. Condensatul aburului, colectat gravitaional la partea inferioar a corpului aparatului, se poate recupera prin: Scurgere la un aparat de presiune mai cobort. n acest caz o parte din cldura condensatului se poate

recupera, dar la nivele termice mai coborte. Scurgerea condensatului n cascad pn la condensator permite drenarea impuritilor antrenate de acesta, n vederea reinerii lor la o Staie de Tratare a Condensatului (STC), ceea ce constituie un avantaj pentru cazul G.A, cu trecere forat unic.

Re pompare, cu o Pomp de Condensat Secundar (P Cd Sc), soluie folosit uzual la PJP de presiune apropiat de cea atmosferic. Re pomparea se folosete de obicei n combinaie cu scurgerea n cascad la cteva trepte amonte de aparatul respectiv. Din punct de vedere al schimburilor de cldur i mas pe contur, PJP re pompate se comport ca aparate de amestec, n care se recupereaz integral cldura condensatului. Totui ele au performane calitative inferioare

t tsat(paparat)

Q [kW]

t [C]

SR COND DS

4

1

3

2

1

2

3

4

Figura 4.17. Diagrama de transfer de cldur pentru un

schimbtor de suprafa dotat cu DSI i SR

Transferul de cldur cere o diferen de temperatur ntre temperatura aburului i cea a apei nclzite. Aceasta conduce la degradarea energiei termice (pierderi de exergie). Pentru reducerea pierderilor calitative (de exergie) i cantitative (de cldur a condensatului scurs) aceste prenclzitoare pot fi dotate cu suprafee suplimentare de transfer de cldur specializate (vezi figura 4.17), ca: a) de supranclzitoare de abur, (DS), n zona de

temperaturi ridicate; acestea permit creterea temperaturii apei nclzite i apropierea ei de cea de saturaie a aburului;

b) sub rcitoare de condensat, (SR) n zona de temperaturi sczute; ele permit coborrea temperaturii condensatului i apropierea acesteia de cea a apei reci, respectiv reducerea debitului de abur necesar pentru a nclzi apa pe aceeai diferen de temperatur i scderea fluxului termic asociat condensatului scurs.

De menionat c DS se folosesc doar la aparatele alimentate din turbin cu abur avnd o temperatur suficient de ridicat n raport cu cea de saturaie (PIP i PJP de presiuni apropiate de cea de degazare), n timp ce SR se utilizeaz att la PIP ct i la PJP, cu excepia PJP cu re pompare.

4.4.2. Scheme de linii de prenclzire regenerativ Din cele de mai sus se observ fiecare din tipurile de prenclzitoare are dezavantaje i avantaje. Pe de alt parte,

liniile de prenclzire regenerativ au mai multe aparate. Combinarea convenabil a acestora poate permite compensarea unor dezavantaje i cuplarea unora din avantaje. n continuare se prezint i comenteaz cteva scheme posibile de alctuire a liniilor de prenclzire.

Schema format exclusiv din aparate de amestec (figura 4.18) ofer performane termice bune i permite o bun degazare termic a apei, dar: 1) necesit un numr mare de trepte de pompare (n+1 pompe, pentru n aparate); 2) duce la reantrenarea n apa nclzit a impuritilor antrenate de condensat.

Figura 4.18. Linie de prenclzire regenerativ realizat numai cu aparate de amestec

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 18 din 19 pagini

Schema format exclusiv din aparate de suprafa (figura 4.19): 1) reduce numrul de trepte de pompare la dou (P Cd Pr i PA) i 2) permite drenarea impuritilor antrenate de condensat, prin scurgerea n cascad spre condensator i reinerea lor la o STC. Ea nu permite ns degazarea termic a apei n cursul prenclzirii i are performane termice inferioare celei precedente.

Figura 4.19. Linie de prenclzire regenerativ realizat numai cu aparate de suprafa

Rezult interesul de a utiliza n liniile de prenclzire ambele tipuri de aparate. Un astfel de exemplu este cel prezentat n schema din figura 4.20., folosit la grupurile cu parametri cobori ai aburului la G.A.. Aceast soluie: 1) reduce numrul de trepte de pompare la dou (P Cd Pr i PA); 2) permite drenarea impuritilor antrenate de condensat, prin scurgerea n cascad spre condensator; 3) realizeaz o bun degazare termic a apei n cursul prenclzirii.

Ea are ns performane termice inferioare celei care utilizeaz doar aparate de amestec i limiteaz temperatura de prenclzire regenerativ a apei de alimentare.

Figura 4.20. Linie de prenclzire cu PJP de suprafa i degazorul la cel mai ridicat nivel termic

Figura 4.21. prezint o combinaie folosit la grupurile cu parametri ridicai ai aburului viu, care au G.A. cu tambur i circulaie multipl n vaporizator. PJP de amestec sunt amplasate la nlimi diferite, astfel nct diferenele de presiuni geodezice nving diferenele de presiuni statice dintre PJP 2 i PJP 1, respectiv dintre PJP 4 (care are i rolul de degazor) i PJP 3. Aceasta permite folosirea a trei trepte de pompare la 6 aparate.

Figura 4.21. Linie de prenclzire regenerativ realizat cu PJP de amestec i PIP de suprafa

Condensul de la PIP de suprafa se scurge n cascad la degazor, unde i se recupereaz cldura. Performanele termice sunt comparabile cu cele ale schemei care utilizeaz doar aparate de amestec, dar n zona PJP de amestec se menine dezavantajul reantrenrii n apa nclzit a impuritilor antrenate de condensat.

Figura 4.22. Linie de prenclzire regenerativ cu PJP i PIP de suprafa i degazor n centrul liniei de prenclzire

Cea mai folosit schem de linie de prenclzire e de tipul din figura 4.22.. Ca i schema din figura 4.19. aceasta: 1) utilizeaz doar dou trepte de pompare (P Cd Pr i PA); 2) permite drenarea impuritilor din condensatul PJP, prin scurgere spre condensator i reinerea lor la o STC. n plus, aceasta: 3) permite degazarea termic a apei n cursul prenclzirii; 4) permite recuperarea clduri condensului de la PIP de suprafa prin scurgere n cascad la degazor 5) are performane termice mai bune dect schema format doar din aparate de suprafa.

C.T.E.&C.E.T. cu I.T.A.: G.A., T.A., anexele lor i scheme de legturi Pagina 19 din 19 pagini

CUPRINS

Denumirea capitolului / subcapitolului Pagina

3 GENERATOARE DE ABUR / CAZANE PENTRU C.T.E., C.E.T., C.T. I C.N.E. ..........................1 3.1. Probleme generale ale G.A. / cazanelor. ..................................................................................... 1 3.1.1. Criterii generale de clasificare i tipuri de G.A. cazane. .........................................................1 3.1.2. Funciile G.A. i cazanelor din C.T.E., C.E.T. i C.T.. Circuitele specifice i anexelor lor. .........1

3.2. Combustibili energetici i tehnologii de ardere. .......................................................................... 2 3.2.1. Combustibili energetici: tipuri, caracteristici.............................................................................2 3.2.2. Tehnologii de ardere pentru diferite tipuri de combustibili i puteri termice..........................4

3.3. Circuitul aer gaze de ardere al G.A. / cazanelor din C.T.E., C.E.T. i C.T................................... 6 3.4. Sistemul nuclear de producere a aburului ................................................................................... 6 3.5. Circuitul ap - abur al G.A.: sistemul fierbtor. ........................................................................... 7 3.5.1. Variaia proprietilor apei n cursul vaporizrii........................................................................7 3.5.2. G.A. cu tambur, cu punct fix de vaporizare i circulaie multipl n sistemul fierbtor ..........7 3.5.3. G.A. cu circulaie forat unic i punct alunector de vaporizare ...........................................9

3.6. Amplasarea suprafeelor de transfer de cldur n G.A............................................................... 9 4 TURBINE CU ABUR. LEGTURI G.A. T.A.. CIRCUITUL DE PRENCLZIRE......................10 4.1. Probleme generale ale Turbinelor cu Abur (T.A.). ..................................................................... 10 4.1.1. Analiza calitativ a proceselor din T.A...................................................................................... 10 4.1.2. Tipuri de trepte de turbin i procesele din acestea ............................................................... 12

4.2. Arhitectura turbinelor cu abur pe corpuri i fluxuri: ................................................................. 12 4.3. Scheme de legturi G.A. T.A.................................................................................................... 14 4.3.1. Principiile de realizare a schemelor de legturi....................................................................... 14 4.3.2. Scheme de legturi cu bare colectoare .................................................................................... 15 4.3.3. Scheme de legturi bloc, G.A. T.A. ......................................................................................... 15 4.3.4. Scheme de legturi cu bare de ajutor ...................................................................................... 16

4.4. Circuitul de prenclzire regenerativ a apei de alimentare...................................................... 16 4.4.1. Tipuri de aparate utilizate ca prenclzitoare i caracteristicile lor ....................................... 16 4.4.2. Scheme de linii de prenclzire regenerativ ........................................................................... 17