Su Borulu Kazanlar

Su borulu kazanların çalışma prensipleri, türleri ve faydaları dahil olmak üzere açıklaması; ayrıca kojenerasyona nasıl uygulandıklarına dair kısa bir özet.

Water-tube Boilers

Su borulu kazanlar, Ş tipi kazanlardan farklı olarak suyun boruların içinde dolaştırıldığı ve ısı kaynağının boruları çevrelediği bir yapıya sahiptir. Halka gerilimi denklemine (Denklem 3.2.1) geri döndüğümüzde, boru çapının önemli ölçüde daha küçük olması nedeniyle aynı gerilim için çok daha yüksek basınçlara dayanılabileceği kolayca görülebilir. Su borulu kazanlar, aşağıdakileri gerektiren enerji santrali uygulamalarında kullanılır:

• Yüksek buhar çıkışı (500 kg/s’ye kadar).
• Yüksek basınçlı buhar (160 bar’a kadar).
• Aşırı ısınmış buhar (550°C’ye kadar). Ancak su borulu kazanlar, Ş tipi kazanlarla rekabet edecek boyutlarda da üretilmektedir. Küçük su borulu kazanlar, paketlenmiş Ş tipi kazanlar gibi tek bir ünite olarak üretilebilir ve monte edilebilirken, büyük üniteler genellikle sahada montaj için bölümler halinde üretilir. Birçok su borulu kazan, doğal su dolaşımı (ayrıca ‘termosifonlama’ olarak da bilinir) prensibiyle çalışır. Bu, mevcut farklı su borulu kazan türlerine geçmeden önce ele alınması gereken bir konudur. Şekil 3.3.2 bu prensibi açıklamaya yardımcı olur:
• Daha soğuk besleme suyu, yoğunluğu daha fazla olan soğuk suyun bir ayırıcı arkasındaki buhar tamburuna beslenir ve ‘iniş borusu’ boyunca alt tambura veya ‘çamur tamburuna’ doğru inerek sıcak suyu ön borulara doğru yukarı iter.
• Sürekli ısıtma, ön borularda buhar baloncukları oluşturur; bunlar buhar tamburundaki sıcak sudan doğal olarak ayrılır ve alınır. Ancak su borulu kazandaki basınç artırıldığında, su ve doymuş buhar arasındaki yoğunluk farkı azalır ve buna bağlı olarak daha az dolaşım meydana gelir. Daha yüksek tasarım basınçlarında aynı buhar çıkış seviyesini korumak için alt tambur ile buhar tamburu arasındaki mesafe artırılmalı veya zorla dolaşım sağlanmalıdır. Su borulu kazan bölümleri Isı kaynağından gelen enerji, ışıma veya iletim ve konveksiyon olarak çıkarılabilir. Fırın veya ışıma bölümü Bu, brülör(ler)den gelen alevleri barındıran açık bir alandır. Alevlerin kazan borularıyla temas etmesine izin verilirse, ciddi erozyon ve sonunda boru arızası meydana gelir. Fırın bölümünün duvarları, alevden gelen radyan ısıyı absorbe etmek için tasarlanmış kanatlı borular olan membran panellerle kaplanmıştır.

Convection section​

Bu kısım, sıcak gazlardan iletim ve konveksiyon yoluyla ısıyı absorbe etmek için tasarlanmıştır. Büyük kazanlarda, sıcak gazlardan maksimum enerjiyi elde etmek için seri halinde birkaç boru demeti (ayrıca askılar olarak da adlandırılır) bulunabilir. Su borulu kazan tanımı Su borulu kazanlar, Tablo 3.3.1’de gösterildiği gibi belirli özelliklere göre sınıflandırılır.

Alternative water-tube boiler layouts

Aşağıdaki düzenler, diğer su borulu kazanlarla aynı prensipler üzerinde çalışır ve 5.000 kg/s’den 180.000 kg/s’ye kadar kapasitelerde mevcuttur. Boyuna tambur kazanı Boyuna tambur kazanı, Şekil 3.3.5’te gösterildiği gibi termosifon prensibiyle çalışan orijinal su borulu kazan tipidir. Daha soğuk besleme suyu, ısı kaynağının üzerine boyuna olarak yerleştirilmiş bir tambura beslenir. Daha soğuk su, arka dolaşım manifoldundan aşağıya inerek birkaç eğimli ısıtılmış boruya doğru akar. Eğimli borulardan yukarı geçerken suyun sıcaklığı arttıkça kaynar ve yoğunluğu azalır, böylece sıcak su ve buhar eğimli borulardan yukarıya, tambura besleme yapan ön dolaşım manifolduna doğru dolaşır. Tamburda, buhar baloncukları sudan ayrılır ve buhar alınabilir. Boyuna tambur kazanlar için tipik kapasiteler 2.250 kg/s’den 36.000 kg/s’ye kadar değişir.

Cross drum boiler

Enine tambur kazanı, Şekil 3.3.6’da gösterildiği gibi tamburun ısı kaynağına enine yerleştirildiği boyuna tambur kazanının bir varyasyonudur. Enine tambur, boyuna tamburla aynı prensipte çalışır, ancak tambur boyunca daha düzgün bir sıcaklık elde eder. Ancak yüksek buhar yüklerinde hatalı dolaşım nedeniyle hasar riski taşır; üst borular kurursa, aşırı ısınabilir ve sonunda arızalanabilir. Enine tambur kazanı, enine konumu sayesinde daha fazla sayıda eğimli boruya hizmet verebilme avantajına da sahiptir. Enine tambur kazan için tipik kapasiteler 700 kg/s’den 240.000 kg/s’ye kadar değişir.

Bent tube or Stirling boiler

Şekil 3.3.7’de gösterilen eğik borulu veya Stirling kazanı, su borulu kazanın daha da geliştirilmiş bir halidir. Bu da suyun sıcaklık ve yoğunluk prensibi üzerinde çalışır, ancak aşağıdaki konfigürasyonda dört tambur kullanır. Daha soğuk besleme suyu sol üst tambura girer ve daha yüksek yoğunluk nedeniyle alt tambura veya su tamburuna doğru düşer. Su tamburundaki su ve diğer iki üst tambura bağlantı boruları ısıtılır ve üretilen buhar baloncukları üst tamburlara yükselir, ardından buhar alınır.

Eğik borulu veya Stirling kazanı, doğal su dolaşımını teşvik etmenin yanı sıra geniş bir yüzey ısı transfer alanı sağlar.

Su borulu kazanların avantajları:

• Az su içeriğine sahiptirler, bu nedenle yük değişikliklerine ve ısı girdisine hızlı tepki verirler.
• Küçük çaplı borular ve buhar tamburu, çok daha yüksek buhar basınçlarına dayanılabileceği anlamına gelir ve enerji santrallerinde 160 bar’a kadar kullanılabilir.
• Tasarım, duvarlardan herhangi birinde birçok brülör içerebilir; yatay veya dikey ateşleme seçenekleri ve kazanın çeşitli bölgelerinde sıcaklık kontrolü imkanı sağlar. Bu, özellikle kazan entegre bir aşırı ısıtıcıya sahipse ve aşırı ısınmış buharın sıcaklığının kontrol edilmesi gerekiyorsa özellikle önemlidir.

Su borulu kazanların dezavantajları:

• Ş tipi kazanlar kadar paketlenmiş formda üretmek kolay değildir, bu da sahada daha fazla çalışma gerektirdiği anlamına gelir.
• Çoklu brülör seçeneği esneklik sağlayabilir, ancak enerji santrallerinde kullanılan 30 veya daha fazla brülör, karmaşık kontrol sistemlerinin gerekli olduğu anlamına gelir.

Combined heat and power (CHP) plant

Yukarıda açıklanan su borulu kazanlar genellikle yüksek kapasitelidir. Ancak, kara tabanlı gaz türbini tesisleriyle birlikte kullanılmak üzere tasarlanmış küçük, özel amaçlı, daha küçük atık ısı kazanlarına olan talep artmaktadır. Birçok türde buhar üreten kara tabanlı gaz türbini tesisi kullanılmaktadır:

• Kojenerasyon Bu sistemler, bir gaz türbinden çıkan sıcak egzoz gazlarını (yaklaşık 500°C) bir kazandan geçirir; burada doymuş buhar üretilir ve tesis yardımcı sistemi olarak kullanılır. Bu sistemler için tipik uygulamalar, elektrik ve buhar taleplerinin eşzamanlı olduğu ve kojenerasyon sistemine uygun oranlarda olduğu tesisler veya sahalardır.

Verimlilikler %90’a ulaşabilir.

• Kombine çevrim tesisi Bunlar kojenerasyon sistemlerinin genişletmeleridir ve doymuş buhar, aşırı ısınmış buhar üretmek için bir aşırı ısıtıcıdan geçirilir. Gaz türbini egzozunun nispeten düşük sıcaklığı nedeniyle, aşırı ısıtıcı ayrı ateşlemeli olabilir. Üretilen aşırı ısınmış buhar, ek alternatörleri süren ve elektrik üreten buhar türbinlerine yönlendirilir. Bu tesislerin dönüşüm oranı düşüktür; çünkü türbinin elektrik frekansıyla senkronize bir hızda dönmesi gerekir. Bu, bu tesislerin yalnızca tam yükte çalıştırılmasının pratik olduğu anlamına gelir ve tesisin temel buhar yükünü sağlar. Gaz türbini egzozunun, geleneksel bir kazandaki brülör alevine kıyasla nispeten düşük sıcaklığı nedeniyle, belirli bir ısı yükü için çok daha büyük bir kazan ısı transfer alanına ihtiyaç duyulur. Ayrıca, brülörler için yer sağlanması gerekmez. Bu nedenlerle, su borulu kazanlar daha iyi ve daha kompakt bir çözüm sunma eğilimindedir. Kojenerasyon karar vericileri için verimlilik büyük bir faktör olduğundan, bu kazanların tasarımı bir ekonomizör (besleme suyu ısıtıcısı) içerebilir. Tesis ‘kombine çevrim’ ise, tasarım bir aşırı ısıtıcı da içerebilir. Ancak, nispeten düşük sıcaklıklar, buharı buhar türbinleri için gerekli spesifikasyona getirmek için ek brülörlerin gerekli olabileceği anlamına gelebilir.