Höyrykattilat 2015 Lämmönsiirtimet, Tuomo Pimiä Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Lämpöpintojensijoittelu kattilaan KnowEnergy KyAMK Yksikkö, osasto, tms. Tekijän nimi Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Lämmönsiirtimien sijoittelu Attemperator = Desuperheater = spray water=ruisku http://www.babcock.com/prod ucts/boilers/swup_specs.html Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 3
Lämmönjakautuminen kattilan erilämmönsiirtimien kesken Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 4
Kattilassa vallitsevat lämpötilatasot KyAMK Yksikkö, osasto, tms. Tekijän nimi Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Syöttöveden esilämmitys Syöttöveden esilämmittimen tehtävä on lämmittää syöttövettä ennen keittoputkistoa. Syöttöveden esilämmittimet voidaan jakaa toimintatapansa puolesta: - höyrystämättömiin - höyrystäviin Syöttöveden esilämmittimet voidaan jakaa raaka-aineen mukaan - valurautaesilämmittimiin - teräsputkiesilämmittimiin KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Veden esilämmittimissä käytettyjä putkirakenteita KyAMK Yksikkö, osasto, tms. Tekijän nimi 7 5.2.201 6 Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Sileistä putkista valmistettuja veden esilämmittimiä KyAMK Yksikkö, osasto, tms. Tekijän nimi 8 5.2.201 6 Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Keittoputkiston kehitysvaiheet Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 9
Kattilan seinä Tyypillinen vesiputki kattilan seinärakenne www.spiraxsarco.com Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 10
Höyrystimen rakenne KyAMK Yksikkö, osasto, tms. Tekijän nimi 11 5.2.201 6 Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Tulistimet Tulistimet voidaan sijoitustapansa mukaan jakaa konvektiotulistimiin säteilytulistimiin verhotulistimiin yhdistelmätulistimiin Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 12
Tulistimien sijoittelu KnowEnergy Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 13
Tulistin Mussalo Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 14
Tulistin Steka Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 15
Verhotulistimet Verhotulistimet on suunniteltu jäähdyttämään savukaasuja nopeasti ennen kuin ne menevät takavetoon. Verhotulistin on myös säteily tyyppinen. Nopealla jäähdytyksellä saadaan esimerkiksi sulanutta tuhkaa jäähdytettyä niin paljoon että se ei tartu takavedon lämmönsiirtopintoihin. Verhotulistin koostuu useista levymäisistä putkipaketeista. Nämä levymäiset paketit jakavat savukaasukanavan useampaan solaan. Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 16
Konvektiotulistin Konvektiotulistimet on sijoitettu takavetoon joten ne eivät ole suoraan tulipesässä. Lämmönsiito tapahtuu johtumalla ohivirtaavista savukaasuista. Konvektiotulistimet voivat olla joko tulistimia tai välitulistimia. KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Säteilytulistin Säteilytulistin sijaitsee tulipesän yläosassa ja lämpöenergia siirtyy siihen pääosin liekeistä säteilemällä Säteilytulistin on hyvin usein seinätulistin Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 18
Esimerkki Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 19
Esimerkki Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 20
Esimerkki OUT läpivirtauskattila Benson Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 21
Yhdistelmätulistin Yhdistelmätulistin on osittain tulipesässä ja osittain takavedossa. Siksi se toimii osittain konvektiotulistimen tavoin ja osittain säteilytulistimen tavoin. Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 22
Hiekkatulistin Hiekkatulistimet on sijoitettu joko kattilan alaosaan pedin viereen tai erottimen alapuolelle. Pää ideana on se, että lämmönsiirto on pahempi kuin savukaasuista. Lämpötila on myös alhaisempi kuin muissa tulistimissa joten sulaneesta tuhkasta tai alkaleista ei ole haittaa. Myöskin jatkuvasti ohivirtaavan hiekan pesu vaikutus pitää tulistin putket puhtaana. Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 23
Hiekkatulistin Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 24
Ruisku, höyryn jäähdyttimet Ruiskutusvettä käytetään höyryn jäähdyttämiseen = lämpötilan hallintaan Veden höyrystyminen jäähdyttää höyryä, höyrynmassavirta lisääntyy ruiskutettavalla veden määrällä. Vesi ruiskutetaan ennen tulistinta jotta tulistimen materiaalilämpötila ei ylittyisi. Vaikka tarkoitus onkin säätää tulistimen jälkeistä lämpötilaa. Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 25
Tulistimien kannatus Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 26
Tulististinputkien materiaaleja materiaali C Si Mn P S Ni Cr Mo Seostamaton St 44 (SFS1100) 0,2 0,15-0,55 0.40-1.2 <0,05 <0,05 - - - Niukkaseost. 15Mo3 0,12-0,20 0,15-0,35 0,50-0,80 <0,04 <0,04 - <0,3 0 0,25-0,35 Niukkaseost. 13CrMo44 0,10-0,18 0,15-0,35 0,40-0,70 <0,04 <0,04-0,7 0-1,00 0,40-0,50 Niukkaseost. 10CrMo910 <0,15 0,15-0,5 0,40-0,60 <0,04 <0,04-2,0-2,5 0,9-1,10 Runsasseo st. martens. X20CrMoV1 21 0,17-0,23 <0,5 <1,0 <0,03 <0,03 0,3-0,8 10,0-12,5 0,8-1,2 Runsasseo st. austenn. X6CrNi- Mo1713 0,04 0,75 2,0 <0,03 <0.03 12-14 16,0-18,0 2,0-2,5 KyAMK Yksikkö, osasto, tms. Tekijän nimi 27 Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Virumislujuus Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 28
Tulistimen materiaaleja FWE Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 29
Ilmanesilämmittimet (LUVO, Luftvorwärmer) Palamisilman esilämmityksen avulla: tehostetaan polttoaineen syttymistä nopeutetaan palamista Käytetyt palamisilman lämpötilat ovat polttoaineesta ja polttotavasta riippuen 100-400 C Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 30
Ilmanesilämmittimet Käytetyt ilman esilämmittimet voidaan toimintaperiaatteen mukaan jakaa: Rekuperatiivisiin esilämmittimiin Regeneratiivisiin esilämmittimiin Höyrylämmittimiin Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 31
Rekuperatiiviset esilämmittimet Käytetyn rakennemateriaalin mukaan voidaan rekuperatiiviset esilämmittimet jakaa: teräsputkilämmittimiin valurautalämmittimiin lasiputkilämmittimiin Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 32
Ilman esilämmitin (rekuperatiivinen) KyAMK Yksikkö, osasto, tms. Tekijän nimi 33 5.2.201 6 Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
LUVO recuperative http://commons.wikimedia.org/wiki/file:rippenrohre_d ampfluvo_biomasseheizkraftwerk_steyr.jpeg Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 34
LUVO:n putkia, lasi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 35
Valurautainen veden esilämmitin KyAMK Yksikkö, osasto, tms. Tekijän nimi 36 5.2.201 6 Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Regeneratiivinen (varaava) vedenesilämmitin KyAMK Yksikkö, osasto, tms. Tekijän nimi 37 5.2.201 6 Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
Regeneratiivisen luvon kennot metalli ja keraaminen Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 38
LUVO regenerative http://de.wikipedia.org/wiki/datei:luvo.png Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 39
LUVO regenerative Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi KyAMK Yksikön nimi 40
Höyryluvo KyAMK Yksikkö, osasto, tms. Tekijän nimi 41 5.2.201 6 Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi
LÄMMÖNSIIRTIMIEN ENERGIATASELASKUESIMERKKI teht 1 Kattilaan tulevan syöttöveden lämpötila on 200 o C. Kattilalla tuotetaan tulistettua höyryä 100 kg/s, jonka lämpötila on 500 o C ja paine 150 bar. Polttoaineena on 50 % kostea turve, jonka lämpöarvo on 9,2 MJ/kg. Kattilan hyötysuhde on 90 %. Laske kattilan a) teho b) polttoaineen kulutus. KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 42
Kattilan hyötytehon laskenta Kattilan hyötyteho h 2 = 3310 kj/kg (vesihöyryn h,s-diagrammista p = 150 bar, t=500 o C) h 1 = 850 kj/kg ( höyrytaulukko t = 200 o C) kg kj 100 s kg 3310 850 MW hyöty 246 KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 43
Polttoainevirta hyöty tuotu m H m tuotu pa u 246 hyöty pa 29, 7 H u 9,2 0,9 kg s KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 44
Tehtävä 2 Laske tehtävän 1. kattilan ilman tarve (massavirta) syntyvien savukaasujen määrä (massavirta) kun polton ilmakerroin on 1.2. KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 45
Palamisilmavirta a) Palamisilmantarve voidaan laskea kaavalla (kts. luku 4.2) m i m pa m m iteor pa m m iteor pa kg kg i 3,43 (taulukko 4.6) pa m i 29,7 3,431,2 122 kg s KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 46
Syntyvien savukaasujen määrä a) syntyvien savukaasujen määrä voidaan laskea kaavalla (kts. luku 4.2). ii. mskteor miteor m sk m pa 1 mpa mpa.. mskteor kgsk 4,40 m kg Ilmaylimäärä. pa.,7 4,4 1,2 1 3,43 pa m sk 29 151 kg s KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 47
Tehtävä 3 Laske kattilan lämmönsiirtimien ilman esilämmittimen veden esilämmittimen höyrystimien tulistimien tehot, kun ilman esilämmittimessä ilma lämmitetään 25 o C:sta 200 o C:een. Ilman ominaislämpö on 1,0 kj/kgk. Veden esilämmittimessä vesi lämmitetään 300 o C. KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 48
Ilman esilämmittimen teho a) Ilman esilämmittimen teho LUVO mi cpi t2 t i m i 122 c pi 1, 0 t 2 o 200 ti 25 o C kg s kj kgk C kg kj 122 1,0 s kgk 300 25K 21, MW LUVO 4 KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 49
Veden esilämmittimen teho a) Veden esilämmittimen teho EKO m v h 2 h 1 h 2 = 1330 kj/kg (höyrytaulukko t = 300 o C) h 1 = 850 kj/kg (höyrytaulukko t = 200 o C) kg kj EKO 100 1330 850 48MW s kg KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 50
Höyrystimen teho a) Höyrystimen teho (kylläinen vesi muuttuu kylläiseksi höyryksi) HÖYR m v h 2 h 1 h 2 = 2610 kj/kg (höyrytaulukko kylläinen höyry t = 342 o C, p = 150 bar) h 1 = 1330 kj/kg (höyrytaulukko veden esilämmittimeltä tuleva vesi t = 300 o C) kg kj 100 s kg 2610 1330 MW HÖYR 128 KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 51
Tulistimen teho a) Tulistimen teho (höyry lämpenee 342 o C:sta 500 o C:een) m v h 2 h 1 h 2 = 3310 kj/kg h 1 = 2610 kj/kg (vesihöyryn h,s-diagrammi t = 500 o C, p = 150 bar) ( höyrytaulukko kylläinen höyry t =342 o C p=150 bar) kg kj 100 s kg 3310 2610 70MW KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 52
Yhteenveto Lämmönsiirtimien tehot - EKO 48 MW - HÖYR 128 MW - TUL 70 MW - HYÖTY 246 MW - LUVO 21,4 MW eli ilman esilämmitin on kattilan sisäinen lämmönsiirrin ja sen tehoa ei lasketa kattilan hyötytehoon. KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 53
Esimerkki 4 Laske savukaasujen lämpötilat lämmönsiirtimien välissä ilman esilämmittimen ja veden esilämmittimen välissä veden esilämmittimen ja tulistimen välissä tulistimen ja höyrystyminen välissä kun savukaasun loppulämpötila on 150C ja savukaasujen ominaislämpö on 1,2 kj/kgk KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 54
Savukaasun lämpötila Savukaasun lämpötila ennen lämmönsiirrintä voidaan laskea kaavalla m t ennen sk m c sk psk c t psk ennen t t jälkeen jälkeen KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 55
Lämpötila Luvon ja ekon välissä (luvon teho 21,4MW) 21400kW o o o tennen 150 C 118 C 150 C 268 kg kj 151 1,2 o s kg C o C KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 56
Lämpötila Ekon ja tulistimen välissä (ekon teho 48MW) KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 57
Lämpötila tulistimen ja höyrystimen välissä Tulipesän loppulämpötila Tulistimen teho 70 MW KyAMK Yksikön nimi Kymenlaakson 5.2.2016 ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi 58
Kymenlaakson ammattikorkeakoulu / www.kyamk.fi