Ustalenie zapotrzebowania na parę odbiorników

Przy ustalaniu wymaganego zapotrzebowania na parę należy zebrać, najlepiej w formie tabeli, wszystkie występujące w sieci odbiorniki pary określając ich zapotrzebowanie minimalne i maksymalne, a następnie zsumować zapotrzebowanie wszystkich odbiorników.

Odbiorniki pary dzielą się na:

  • bezpośrednie, np. autoklaw
  • pośrednie, np. wymiennik ciepła
  • straty ciepła na przesyle pary od kotła do odbiorników
  • zapotrzebowanie na parę na potrzeby własne kotłowni, np. na podgrzewanie wody zasilającej

Odbiorniki bezpośrednie

Information

 

para,odb.bezp [kg/h] = Strumień pary dla odbiornika bezpośredniego

W odbiorniku bezpośrednim para wchodzi w bezpośredni kontakt z ogrzewanym czynnikiem, ulegając wykropleniu. Tworzący się w odbiorniku kondensat zostaje odprowadzony z produktem (lub pozostaje w produkcie) i nie powraca do obiegu pary. Ten ubytek wody w systemie parowym musi zostać zastąpiony wodą uzupełniającą przygotowaną w urządzeniu do uzdatniania wody.

Informacje o Przygotowanie wody

Woda uzupełniająca w zbiorniku wody zasilającej musi zostać odgazowana przez podgrzanie, proces ten pociąga za sobą zwiększenie zapotrzebowania na potrzeby własne kotłowni.

Bezpośrednie odbiory pary mają miejsce na przykład podczas procesów suszenia, nawilżania powietrza, podgrzewania kąpieli czy sterylizacji.

Potrzebna ilość pary dla odbiorników bezpośrednich jest podawana w potrzebnej formie jako strumień masowy ṁpara,odb.bezp (strumień pary dla odbiornika bezpośredniego) w [kg/h]. Jeśli jest podawana moc cieplna odbiornika pary, stosuje się te same wzory przeliczenia mocy cieplnej na zapotrzebowanie na parę jak dla odbiorników pośrednich.

Odbiorniki pośrednie

Pośrednimi odbiornikami pary są wszelkiego rodzaju wymienniki ciepła, w których para skrapla się oddając ciepło ogrzewanemu czynnikowi (np. wodzie). Powstający kondensat ma początkowo temperaturę wrzenia odpowiadającą ciśnieniu pary na wlocie wymiennika, ale w zależności od poziomu temperatury ogrzewanego czynnika może zostać schłodzony poniżej temperatury wrzenia. Taki kondensat nazywa się przechłodzonym. Kondensat jest kierowany przez odgazowywacz z powrotem do zbiornika wody zasilającej.

Moc cieplna wymiennika ciepła jest zwykle podawana w [kW] lub [MW]. Aby ustalić wymagane zapotrzebowanie na parę nasyconą w [kg/h] trzeba przeliczyć moc cieplną wymiennika na zapotrzebowanie na parę nasyconą.

Dla szybkiego, przybliżonego wyliczenia zapotrzebowania na parę nasyconą wymiennika ciepła można posłużyć się tym prostym wzorem:

 
Berechnung

Wzór na przybliżone obliczenie zapotrzebowania na parę nasyconą odbiornika pośredniego

para,odb.pośr = Q·wym.c ∙ 1,8

Przykład obliczenia w przybliżeniu zapotrzebowania na parę nasyconą odbiornika pośredniego

para,odb.pośr [kW] ⋅ 1,8 = 3600 [kg/h]
 

para,odb.pośr

Strumień pary dla odbiornika pośredniego [kg/h]

Q·wym.c

Moc cieplna wymiennika ciepła [kW]

1,8

Współczynnik szacunkowy dla przeliczenia

Dla ciśnienia pary 5 – 18 bar różnica w stosunku do rzeczywistego zużycia pary wynosi < 5 %. Nie uwzględniono przy tym możliwego przechłodzenia kondensatu.

Dla dokładnego ustalenia zapotrzebowania na parę z mocy cieplnej wymiennika ciepła trzeba ustalić entalpię parowania przy rzeczywistym ciśnieniu roboczym wymiennika ciepła z tablicy pary nasyconej.

 
Berechnung

Następnie posługując się poniższym wzorem można przeliczyć moc cieplną wymiennika ciepła na zapotrzebowanie na parę nasyconą:

Wzór na przeliczenie mocy cieplnej na zapotrzebowanie na parę nasyconą

Przykład przeliczenia mocy cieplnej na zapotrzebowanie na parę nasyconą

para,odb.pośr = [kW] ⋅ 3600 [sh] [kJkg] = 1838 [kgh]
 

para,odb.pośr

Ilość pary dla odbiornika pośredniego [kg/h]

Q·wym.c

Moc cieplna wymiennika ciepła [kW]

r

Entalpia parowania przy danym ciśnieniu [kJ/kg]

Jeśli powstający kondensat zostaje przechłodzony we wszystkich stanach roboczych, czyli schłodzony do temperatury poniżej temperatury wrzenia, to z mocy cieplnej dla przechłodzenia kondensatu można wyliczyć zapotrzebowanie na parę przy pomocy wzoru:

 
Berechnung

Wzór na obliczenie zapotrzebowania na parę odbiornika pośredniego wliczając przechłodzenie kondensatu

 

para,odb.pośr

Ilość pary dla odbiornika pośredniego [kg/h]

Q·wym.c

Moc cieplna wymiennika ciepła [kW]

r

Entalpia parowania przy danym ciśnieniu [kJ/kg]

cp

Ciepło właściwe wody [kJ/kgK]

(do 250 °C można przyjąć do obliczeń przy minimalnym błędzie stałą cp = 4,19 kJ/kgK)

ΔT

Przechłodzenie kondensatu, różnica temperatury Tpara nasyc. – Tkond,wylot [K]

h"

Entalpia pary nasyconej [kJ/kg]

hkond,wylot

Entalpia kondensatu bezpośrednio przed wylotem z wymiennika

 

Straty pary wtórnej

Information

 

para,rozpr [kg/h] = Ilość pary wtórnej

Para wtórna powstaje przy rozprężeniu gorącego ciśnieniowego kondensatu do ciśnienia poniżej ciśnienia wrzenia. Zjawisko to występuje np. gdy kondensat przepływa przez odwadniacz lub zawór albo gdy wpływa do otwartego kolektora kondensatu, w którym panuje ciśnienie atmosferyczne. Im wyższa jest temperatura kondensatu, tym więcej powstaje pary z rozprężania.

Ilość powstałej pary wtórnej można odczytać z wykresu lub wyliczyć z tablicy woda-para.

Informacje o Tablice wody i pary

 

Należy tu wziąć pod uwagę fakt, że ilość pary wtórnej może skurczyć się wskutek przechłodzenia kondensatu. Gdy para wtórna zostaje oddana do otoczenia, ta strata pary musi zostać skompensowana poprzez system wody uzupełniającej, analogicznie do strat wody w przypadku odbiorników bezpośrednich.

Para wtórna może być wykorzystana w ramach odzysku ciepła i z powrotem wprowadzona bezpośrednio do obiegu wody.

Informacje o Ekonomizer

 

Straty ciepła na przesyle pary do odbiorników

Information

 

para,str.rur [kg/h] = Strumień pary potrzebny do wyrównania strat ciepła na rurociągu

Przy obliczaniu zapotrzebowania na parę należy również uwzględnić straty ciepła na przesyle pary rurociągiem od kotła do odbiorników. W przypadku gdy rurociąg posiada dobrą izolację zapotrzebowanie na ciepło można szacować na przybliżoną wielkość 10 kg pary na godzinę i długość rurociągu (10 kgpara / (h • 100 m)).

Do dokładniejszych obliczeń strat ciepła trzeba wykonać oddzielne wyliczenie dla każdego ciągu rurowego posiłkując się średnicą znamionową, długością rur i grubością izolacji.

Należy także uwzględnić odpowiednio straty ciepła na armaturach, kołnierzach i zbiornikach. Orientacyjne wartości dla tych strat są podane w rozdziale „Efektywność“.

Informacje o Izolacja

 

Niestety straty ciepła na źle lub tylko częściowo zaizolowanych rurociągach, zbiornikach i armaturach ciągle jeszcze są traktowane zbyt lekceważąco. Zwłaszcza już w trakcie eksploatacji kotła, gdy izolacja jest zdejmowana do rewizji i inspekcji, ale już potem nie jest z powrotem instalowana. Izolacja rurociągów (i dotyczy to w jednakowej mierze systemów pary i kondensatu) jest jednym z najtańszych i najefektywniejszych środków uzyskania oszczędności w już istniejących instalacjach.

Gdy strata ciepła na rurociągu jest dokładnie obliczona, należy określić zapotrzebowanie na parę na pokrycie tej straty w taki sam sposób jak zapotrzebowanie na parę dla odbiornika niebezpośredniego.

 
Berechnung

Wzór na obliczanie mocy cieplnej strat na rurociągu

Przykład obliczenia strat ciepła na rurociągu

para,str.rur = [kW] ⋅ 1,8 [kJkg] = 36 [kgh]
para,odb.pośr = [kW] ⋅ 3600 [sh] [kJkgK] = 36,8 [kgh]
 

para,str.rur

Ilość pary na pokrycie strat ciepła na rurociągu [kg/h]

Q·str.rur

Moc cieplna strat na rurociągu [kW]

1,8

Współczynnik szacunkowy do przeliczenia

r

Entalpia parowania przy danym ciśnieniu [kJ/kg]

Zapotrzebowanie na parę na potrzeby własne kotłowni

Instalacja kotłowa zużywa pewną ilość energii na własne potrzeby. Ilość pary rzeczywiście wymaganej na potrzeby własne kotłowni można określić tylko posiadając doskonałą znajomość sposobu pracy całej instalacji kotłowej. Ilość pary grzewczej na podgrzew zbiornika wody zasilającej ma decydujący wpływ dla określenia potrzeb własnych kotłowni.

Informacje o Przygotowanie wody

 

Ilość energii potrzebnej do podgrzewania wody zasilającej zależy z kolei od temperatury kondensatu powracającego od odbiorników pary, zużycia wody uzupełniającej i strat wody kotłowej związanych z odsalaniem i odmulaniem.

Para jest zużywana na potrzeby własne wymienione poniżej. Ilość potrzebnej pary można w przybliżeniu oszacować posługując się poniższym zestawieniem:

Information

para,wł [kg/h] = zapotrzebowanie na parę na potrzeby własne kotłowni obejmuje:

  • podgrzewanie wody uzupełniającej (~5 – ~15 % pary wytwarzanej przez kocioł)
  • podgrzewanie kondensatu tlenowego (~1 – ~3 % pary wytwarzanej przez kocioł)
  • odgazowanie wody uzupełniającej (~0,5 % pary wytwarzanej przez kocioł)

Kotłownia zużywa więc na własne potrzeby ok. 6 – 16 % pary wytworzonej przez kocioł.

Dla dokładnego obliczenia zapotrzebowania na parę na potrzeby własne kotłowni trzeba posiadać dokładne informacje odnośnie zużycia wody uzupełniającej, sposobu przygotowania wody i zasolenia wody, temperatury kondensatu powracającego od odbiorników pary oraz ewentualnego podgrzewania paliwa.

Zużycie pary na potrzeby własne kotłowni można znacznie zredukować poprzez odzysk ciepła różnymi metodami, np. chłodzenie oparów, rozprężanie i chłodzenie odsolin i odmulin, chłodzenie wody zasilającej, ekonomizer kondensacyjny czy eksploatację kotła z wodą pozbawioną soli i przygotowaniem wody metodą odwróconej osmozy.

Informacje o Ekonomizer

Do dokładnego obliczenia zapotrzebowania na parę na potrzeby własne kotłowni trzeba najpierw obliczyć wymienione niżej ilości pary, które po zsumowaniu dadzą łączną ilość niezbędnej pary grzewczej.

Podgrzewanie wody uzupełniającej

Aby wyrównać straty pary w sieci, np. w rezultacie pobrania pary przez odbiorniki bezpośrednie, trzeba zasilić kocioł dodatkową ilością przygotowanej wody.

Informacje o Przygotowanie wody

W trakcie odgazowania zimna woda uzupełniająca o temp. 10 °C jest podgrzewana do ok. 103 °C. Ciepło potrzebne do tego procesu jest pobierane bezpośrednio z pary wytworzonej przez kocioł.

 
Berechnung

Wzór na obliczenie zapotrzebowania na parę na potrzeby własne kotła do podgrzewania wody uzupełniającej

 

para,wł,wu

Zapotrzebowanie na parę na potrzeby własne kotła na podgrzewanie wody uzupełniającej [kg/h]

wu

Zapotrzebowanie na wodę uzupełniającą do przygotowania wody zasilającej [kg/h]

r

Entalpia parowania przy danym ciśnieniu [kJ/kg]

cp

Ciepło właściwe wody [kJ/kgK]

(do 250 °C można przyjąć do obliczeń przy minimalnym błędzie stałą cp = 4,19 kJ/kgK)

ΔT

Różnica między temperaturą wody zasilającej i temperaturą wody uzupełniającej Todg – Twu [K]

Zapotrzebowanie na wodę uzupełniającą można obliczyć z ilości pary wytworzonej przez kocioł, odsolin, oparów i zawróconego kondensatu:

 
Berechnung

Wzór na obliczenie zapotrzebowania na wodę uzupełniającą

wu = ṁpara,inst + ṁodsol + ṁopary – ṁkond,całk

wu = ṁpara,inst ∙ z

wu ≈ ṁpara,inst ∙ (1 + a + 0,5 % – c)

 

wu

Zapotrzebowanie na wodę uzupełniającą [kg/h]

ṁ̇para,inst

Zapotrzebowanie na parę instalacji [kg/h]

odsol

Strumień masowy odsolin [kg/h]

opary

Strumień masowy oparów [kg/h]

kond,całk

Strumień masowy kondensatu całkowitego [kg/h]

a

Udział odsolin = ṁodsol / ṁpara,k [kg/kg]

c

Udział kondensatu = ṁkond,całk / ṁpara,k [kg/kg]

z

Udział wody uzupełniającej = ṁwu / ṁpara,k [kg/kg]

Podgrzewanie kondensatu zawierającego tlen

Oprócz wody uzupełniającej także zawierający tlen kondensat zbierany w otwartych kolektorach i przez to mający temperaturę niższą od 103 °C wymaga podgrzania ponownie do temperatury wody zasilającej. Często zawierający tlen kondensat ma temperaturę od 50 do 90 °C.

Ciepło potrzebne do tego procesu jest pobierane bezpośrednio z pary wytworzonej przez kocioł.

 
Berechnung

Wzór na obliczenie zapotrzebowania na parę na potrzeby własne kotłowni na podgrzewanie kondensatu

 

para,wł,podgrz.kond

Zapotrzebowanie na parę na potrzeby własne kotłowni na podgrzewanie kondensatu [kg/h]

kond.tlen

Ilość kondensatu zawierającego tlen [kg/h]

r

Entalpia parowania przy danym ciśnieniu [kJ/kg]

cp

Ciepło właściwe wody [kJ/kgK]

(do 250 °C można przyjąć do obliczeń przy minimalnym błędzie stałą cp = 4,19 kJ/kgK)

ΔT

Różnica między temperaturą wody zasilającej i temperaturą kondensatu Todg – Tkond.tlen [K]

Opary z odgazowania

Rozpuszczone w wodzie uzupełniającej i kondensacie gazy: tlen i dwutlenek węgla po odgazowaniu uchodzą z odgazowywacza wraz z oparami. Ilość oparów wydmuchiwanych do atmosfery stanowi około 0,5 % strumienia masowego wody uzupełniającej i zawierającego tlen kondensatu. Z oparami są odprowadzane do atmosfery tlen, azot i kwas węglowy wydzielony z wody.

 
Berechnung

opary ≈ (ṁkond.tlen + ṁwu) ∙ 0,5 %

 

opary

Strumień masowy oparów [kg/h]

kond.tlen

Strumień masowy kondensatu zawierającego tlen [kg/h]

wu

Strumień masowy wody uzupełniającej [kg/h]

W celu ograniczenia strat ciepła traconego z oparami do odgazowywacza można zastosować chłodnicę oparów. Zachodzi w niej kondensacja (skroplenie) oparów z wydzielaniem ciepła skraplania. To ciepło może być wykorzystane do podgrzewania wody uzupełniającej.

 

Para do podgrzewania wody zasilającej

Zapotrzebowanie na parę na potrzeby własne kotłowni na podgrzewanie wody zasilającej można obliczyć według wzoru:

 
Berechnung

Obliczanie zapotrzebowania własnego kotłowni na parę do podgrzewania wody zasilającej

para,podgrz = ṁpara,wł = ṁpara,wł,wu + ṁpodgrz.kond + ṁpodgrz.kond

 

para,podgrz

Para potrzebna do podgrzewania [kg/h]

para,wł

Zapotrzebowanie na parę na potrzeby własne kotłowni [kg/h]

para,wł,wu

Zapotrzebowanie na parę na potrzeby własne kotłowni na podgrzewanie wody uzupełniającej [kg/h]

podgrz,kond

Zapotrzebowanie na parę na potrzeby własne kotłowni na podgrzewanie kondensatu zawierającego tlen* [kg/h]

opary

Strumień masowy oparów [kg/h]


*Beztlenowy kondensat pozwala zredukować ilość pary potrzebnej do podgrzewania wody zasilającej.

 

Znamionowe obliczeniowe zapotrzebowanie na parę instalacji kotłowej

Aby obliczyć całkowite zapotrzebowanie na parę instalacji kotłowej trzeba dodać wszystkie odbiory pary:

 
Berechnung

Wzór na obliczenie całkowitego zapotrzebowania na parę instalacji kotłowej

para,k = ṁpara,inst + ṁpara,wł = ṁpara,odb.bezp + ṁpara,odb.pośr + ṁpara,str.rur + ṁpara,wł

 

para,k

Całkowite zapotrzebowanie na parę [kg/h]

para,inst

Zapotrzebowanie na parę instalacji parowej [kg/h]

para,odb.bezp

Zapotrzebowanie na parę odbiorników bezpośrednich [kg/h]

para,odb.pośr

Zapotrzebowanie na parę odbiorników pośrednich [kg/h]

para,str.rur

Zapotrzebowanie na parę na kompensację strat ciepła na rurociągu [kg/h]

para,wł

Zapotrzebowanie na parę na potrzeby własne kotłowni [kg/h]

 

Obliczanie bilansu masy i energii – przykłady

W dalszej części tego rozdziału przedstawiamy bilanse masy i energii na przykładzie prostych instalacji złożonych z niewielu komponentów.

W poniższym porównaniu ograniczamy się jedynie do zmiany ilości kondensatu zawracanego do kotłowni i metody przygotowania wody, tak aby było ono jak najbardziej obrazowe. Sprawność cieplna we wszystkich trzech przykładach oscyluje na poziomie 95 %.

 

Przykład 1

Przykład 2

Przykład 3

W instalacji występują głównie odbiorniki pośrednie
(c = 90 %) i niewielka liczba odbiorników bezpośrednich (c = 10 %).

Woda uzupełniająca jest poddawana odwróconej osmozie, kocioł jest eksploatowany z wodą słabo zasoloną.

W instalacji występują głównie odbiorniki bezpośrednie
(90 %) i niewielka liczba odbiorników pośrednich (c = 10 %), wobec czego do kotłowni prawie nie wraca kondensat zawierający tlen.

Woda uzupełniająca jest poddawana – tak samo jak w przykładzie 1 – odwróconej osmozie, kocioł jest eksploatowany z wodą słabo zasoloną.

W instalacji występują odbiorniki bezpośrednie (60 %) i pośrednie (c = 40 %).

Woda uzupełniająca jest poddawana zmiękczaniu, kocioł jest eksploatowany z wodą zasoloną.

Modelowy dla instalacji, w których para jest zużywana w wymiennikach ciepła, ale tylko część kondensatu wraca do kotłowni (np. z powodu bardzo długiej drogi do odbiorników).

Modelowy dla instalacji, w których para jest potrzebna wyłącznie dla odbiorników bezpośrednich, np. w zakładzie produkującym pasze dla zwierząt albo dla autoklawów.

Jedynie kondensat z odwodnienia rur i niektórych urządzeń pomocniczych jest zawracany do kotłowni.

Modelowy dla instalacji, w których tylko część kondensatu jest lub może być zawracana do kotłowni, np. w zakładach produkcji napojów z odbiornikami bezpośrednimi (mycie butelek).

Podsumowanie:

W rezultacie zastosowania najskuteczniejszej metody przygotowania wody i zawracania dużej ilość kondensatu do kotłowni potrzeba bardzo niewiele ciepła z pary do podgrzewania wody zasilającej. Para wytworzona przez kocioł prawie w całości zostaje wykorzystana przez odbiorniki. Zapotrzebowanie na paliwo jest niewielkie.

W rezultacie zastosowania najskuteczniejszej metody przygotowania wody i pomimo zawracania małej ilość kondensatu do kotłowni zawartość odsolin utrzymuje się na bardzo niskim poziomie. Ponieważ jednak trzeba podgrzewać bardzo dużo wody uzupełniającej, zapotrzebowanie na paliwo jest zdecydowanie większe.

Również większe zapotrzebowanie na paliwo, powodowane dużą zawartością odsolin i dużymi stratami ciepła (bez odzysku ciepła z odsolin) oraz znaczną ilością wody uzupełniającej.

Zapotrzebowanie na energię uzyskaną z paliwa na kg pary na odbiornik:

0,724 [kWh/kg]

0,793 [kWh/kg] (+ 9,5 %)

0,755 [kWh/kg] (+ 4,3 % )

Przykłady obliczeń bilansu masy i energii różnych kotłowni parowych

 


 

Bilans masy i energii – uproszczony schemat technologiczny (ilustracja przedstawia instalację w bardzo dużym uproszczeniu)

Bilans masy i energii – uproszczony schemat technologiczny (ilustracja przedstawia instalację w bardzo dużym uproszczeniu)

Paliwo

Powietrze

Odsoliny

Para nasycona

Kondensat zawierający tlen

Opary

Woda uzupełniająca

Kocioł parowy

Rozdzielacz pary

Moduł przygotowania wody

Komin

Woda

Para

Paliwo

Powietrze

Spaliny

Strumień medium

Ciśnienie

Temperatura