Výstroj a regulace

Minimální požadavky na provoz a bezpečnostní výstroj parních kotlů jsou upraveny v DIN EN 129536. K tomu patří hlavní uzavírací armatury na potrubích, bezpečnostní zařízení proti překročení tlaku a nedostatku vody, zařízení pro ohřev/ vytápění a všechny armatury a měřicí zařízení nezbytná pro provoz a regulaci. Všechna tato zařízení výstroje kotle vyžadují homologaci dle směrnice o tlakových zařízeních.

Výstroj parního kotle

Výstroj parního kotle obsahuje hlavně následující komponenty:

• uzavírací armaturu odběru páry s množstevním měřením
• pojistný ventil (jištění proti přetlaku))
• uzavírací armaturu napájecí vody se zpětnou armaturou
• manometr – manostat s uzavírací armaturou, omezovač tlaku (PRZA+), tlakový převodník pro měření tlaku (PICA±) a manometr (PI)
• zařízení pro přímé zobrazování hladiny s uzavírací armaturou
• zařízení měření hladiny s chráničkou 1 s omezovačem hladiny nízké hladiny vody 1 (LRZA-) a s převodníkem měření hladiny (LICA+)
• zařízení měření hladiny s chráničkou 2 s omezovačem hladiny nízké hladiny vody 2 (LRZA-) a s omezovačem hladiny vysoké hladiny vody (LRZA+)
• zařízení na měření vodivosti (QICA+)
• regulační armaturu odluhu s uzavírací armaturou
• armaturu na odběry vzorků vody
• rychlouzavírací armaturu odkalování s uzavírací armaturou
• zobrazování teploty spalin (TI)

Pro optimalizaci provozu a možný energetický management lze zařízení vybavit dalšími komponenty jako měřicí zařízení na množství paliva, páry, napájecí vody a teploty spalin.

Regulace výkonu

Regulace parního výkonu kotlů probíhá na základě tlaku v kotlích. Tlak v kotli přitom slouží jako náhradní veličina pro množství páry. Pokud je ze strany spotřebičů větší odběr páry, klesá tlak v kotli a regulace výkonu zvyšuje přívod tepla, resp. výkon hořáku. Zásadně je přitom třeba dbát na to, že systém hořák/ kotel je pozvolna reagující systém. Všechny regulační přístroje a akční členy, které jsou s tímto systémem spojeny, jsou na toto chování odladěny. V žádném případě byste se neměli pokoušet regulovat tlak na spotřebičích přes opatření na kotli, neboť to může vést k oscilacím v regulaci a zbytečným zátěžím a poruchám na kotli. Při rovnoměrném odběru výkonu, správně nastavené regulaci a plynule regulovaném hořáku se nastaví na hořáku výkon nezbytný pro právě potřebný odběr páry a v kotli bude v rámci akceptovatelných limitů s odchylkou ± 10 % od nastavené požadované hodnoty udržován konstantní tlak.

Odborná zpráva: Regulace výkonu parních kotlů

Střední provozní přetlak - více informací

Na manometru (PI) je možné přímo odečíst tlak panující v kotli. S tlakovým převodníkem (PICA+) je měřen tlak v kotli a převáděn na normovaný elektrický signál (4 ... 20 mA). Tento signál je zpracováván v řízení kotle a vyhodnocován v závislosti na zvoleném způsobu regulace. Přes nastavitelné spínací body a nastavené plánované hodnoty se aktivuje hořák. Regulace hořáku přitom přebírá nastavení správného poměru paliva a vzduchu.

Regulace hladiny

Úkolem regulace hladiny v kotli je udržovat stav vody pokud možno konstantní. Maximální rozsah kolísání stavu vody je v závislosti na konstrukci většinou okolo 80 ... 120 mm. Směrem dolů je stav vody viditelně omezen znakem nízké hladiny vody (NW), neboť teplosměnné plochy musí být vždy pod vodou, aby byly dostatečně chlazeny. Směrem nahoru je stav hladiny vody omezen znakem pro vysoký stav vody (HW). Parní prostor nesmí být příliš malý, neboť jinak může docházet ke strhávání vody do parního potrubí a kvalita páry se zhorší. Aby bylo zabráněno provozním poruchám a škodám na kotli nebo následných spotřebičích, jsou ze strany výrobce v regulátoru hladiny vody možnosti nastavení omezeny na střední stav vody. Hodnota může být nastavena pouze v rámci přípustného rozsahu.

Převodníkem měření hladiny (LICA+) je stále měřena hladina vody v kotli a převáděna na elektrický normovaný signál (4 ... 20 mA). Tento signál je zpracováván řízením kotle BCO a aktivuje v závislosti na zvolené výstroji regulační ventil napájecí vody nebo napájecí čerpadlo.

Na vstupu do kotle nebo ekonomizéru se nachází jedna uzavírací armatura a jedna zpětná klapka, které zabraňují tomu, aby mohla být voda z kotle tlačena zpět do napájecího potrubí. K přímému zobrazení stavu vody je na kotli umístěn stavoznak (LI).

Regulace hladiny u parního kotle

Vedle regulace hladiny probíhá i omezování hladiny vody přes bezpečnostní řetězec.

Bezpečnost - více informací

Výhody a možnosti nasazení různých druhů regulace hladiny
1) Aplikovatelné pouze u vícekotlových zařízení

2) FM = Frekvenční měnič

Plynulá regulace s regulačním ventilem

Plynulá regulace hladiny regulačním ventilem je stále nejčastější variantou, neboť zde je výhoda rychlé, spolehlivé a jednoduché regulace.

Výrobky: Regulační modul napájení RM

Sběrnicové schéma s regulačním ventilem

U sběrnicového schématu je napájeno více parních kotlů přes jedno napájecí čerpadlo. Přitom je stav vody každého kotle regulován samostatně přes přívodní regulační ventil.

Plynulá regulace s frekvenčním měničem

Pro výkony kotle ≤ 10 t/h je regulace hladiny přes regulaci otáček na napájecím čerpadle nejekonomičtější variantou jak z pohledu investičních nákladů, tak i provozních nákladů.

Navíc je tento způsob regulace hladiny smysluplný především tehdy, když mají být na kotli provozovány různé provozní tlaky (např. pokles tlaku o víkendu), neboť je možno plně využít výhod regulace otáček s jejím přizpůsobením charakteristické křivce čerpadel.

U výstroje kotle s ekonomizérem ke zpětnému získávání tepla je však třeba respektovat, aby regulační rozsah minimálního výkonu hořáku mohl být pokryt i nejmenším frekvenčním regulačním rozsahem napájecího čerpadla, neboť jinak v malém výkonu již neprobíhá proudění v ekonomizéru a nedochází pak k žádnému zpětnému získávání tepla.

3-komponentová regulace

Při rychlých změnách výkonu existuje problém, že stav vody napěněním kotlové vody zdánlivě nejprve stoupne a tím nedojde ke zvýšení množství napájecí vody tak, jak je to ve skutečnosti nutné.

Stálým porovnáváním aktuálně naměřených množství páry a napájecí vody reaguje 3komponentová regulace na změny stavu podstatně lépe.

Regulace zap/ vyp

Aktivace čerpadla zap/ vyp je používána pouze v několika málo výjimečných případech a u malých parních výkonů do ~ 1 t/h.

Protože je výhoda investičních nákladů oproti ostatním variantám regulace relativně malá a díky častému spínání čerpadel zpětné získávání tepla v ekonomizéru značně horší, amortizuje se plynulá regulace díky vysokým úsporám provozních nákladů často již za méně než dva měsíce.

Kvalita vody

V závislosti na různých fyzikálních a chemických postupech úpravy vod, chemickém dávkování k vázání zbytkové tvrdosti a zbytkového kyslíku a nezbytné alkalizaci (zvýšení hodnoty pH v nádrži napájecí vody) jsou v napájecí vodě obsaženy rozpuštěné soli a jiné obsahové látky.

Úprava vody - více informací

V běžném provozu kotle se stálým odpařováním zvyšuje koncentrace zbylých obsahových látek v napájecí vodě. Zkoncentrování rušivých látek v kotlové vodě je měřitelné především díky nárůstu vodivosti kotlové vody.

Abychom preventivně předcházeli níže uvedeným negativním důsledkům příliš vysokého obsahu solí v kotlové vodě, nesmí být předepsané limitní hodnoty překračovány.

• pěnění kotlové vody
• strhávání vody do parního potrubí
• kolísání hladiny vody
• usazeniny v kotli
• koroze v kotli a potrubích

Odborná zpráva: Moderní úprava a analýza vody

Proto je určité množství vody z kotle odebíráno kontinuálním odluhováním a odkalováním.

Regulace kvality kotlové vody s odvodem do expandéru odluhu a odkalu

Regulace vodivosti

Převodníkem měření vodivosti (QICA+) je měřena vodivost kotlové vody a převáděna na normovaný elektrický signál (4 ... 20 mA). Tento signál je zpracováván v řízení kotle BCO, naměřená vodivost je zobrazována v rozvaděči a vytváří ovládací signál pro otevírání motorového ventilu odluhu. K vizuální kontrole je za armaturou odluhu často namontováno na potrubí průhledové sklíčko se zpětnou armaturou.

Protože kvalita kotlové vody je důležitou veličinou pro řádný a bezporuchový provoz, musí být pravidelně kontrolována a dokumentována v provozním deníku kotle.

Obsah energie vroucího odluhu může být využit opatřeními ke zpětnému získávání tepla.

Odluh a odkal - více informací

Vodivost naměřená v kotli při provozní teplotě je díky elektrolytické disociaci trochu vyšší. Sonda vodivosti interně přepočítává na referenční teplotu 25 °C. Tato již korigovaná vodivost je zobrazována v řízení kotle.

Vedle elektrické vodivosti jsou veličinami důležitými pro kvalitu kotlové vody také obsah kyseliny křemičité (SiO₂) a KS hodnota 8,2 (phodnota). Jakmile je dosaženo přípustné limitní hodnoty některé z těchto veličin z důvodu zahuštění kotlové vody, pak je tato veličina rozhodující pro odluh. Protože je v kotlové vodě však měřena pouze vodivost, musí se nastavená hodnota vodivosti v kotlové vodě redukovat, až na hodnotu, která umožní dodržet všechny limitní hodnoty.

Odluh a odkal - více informací

Regulace odkalu

Regulace odkalu odstraňuje suspendované látky usazující se na dně kotle z kotlové vody. Odkalovací rychlouzavírací armatura se k tomuto účelu v periodických intervalech na několik sekund otevírá. Rázovým otevřením ventilu vzniká díky lokálnímu podtlaku sání, které odstraňuje z kotle usazeniny, které se nashromáždily v oblasti dna (např. soli, usazené dávkované prostředky).

Časy otevření ventilu by přitom měly být velmi krátké a zůstat v rozsahu několika málo sekund. Delší časy otevření odkalovacích armatur pouze zvyšují ztráty vody a energetické ztráty kotle a nezlepšují odkalování. Odkalování může probíhat manuálně nebo u provozu bez stálé obsluhy automaticky.

Před rychlouzavírací odkalovací armaturou je namontovaná ruční uzavírací armatura. Aby byl podpořen sací účinek a mohl být odváděn odpar kotlové vody, mělo by být další potrubí k expandéru odkalu přímo za ventilem provedeno o 2 jmenovité světlosti větší. Aby bylo zabráněno parním rázům v tomto potrubí, mělo by být potrubí k expandéru odkalu položeno pokud možno bez výškových skoků nebo vodních kapes.

Bezpečnost

Bezpečnost zařízení je zaručena řádným provozem, bezvadnou funkcí a údržbou výstroje a regulačních zařízení parních kotlů.

Aby byla zaručena bezpečnost vždy, tedy i při selhání normálních regulačních zařízení, jsou na všech parních kotlech předepsaná omezovací zařízení. Společně s tlačítky nouzového vypínání na rozvaděči a únikovými východy jsou sériově zapojeny do bezpečnostního řetězce v rozvaděči kotle, takže je při aktivaci některého z těchto spouštěčů provoz kotle vypnut.

Jakmile se aktivuje některý z omezovačů, je spalovací zařízení (a tím i ohřev kotle) vypnuto a zablokováno. U spalinových parních kotlů to probíhá přepnutím spalinových klapek na bypass nebo vypnutím agregátu vyvíjejícího teplo. Tato blokace může být opětovně uvolněna pouze manuálně přímo v místě na kotli. Tím má být zajištěno, že obsluha kotle po mimořádných provozních stavech zjistí příčinu poruchy a odstraní ji dříve, než je kotel opět uveden do provozu.

Bezpečnostní omezovač tlaku

Bezpečnostní omezovač tlaku (PRZA+) se aktivuje nejpozději při 95 % přípustného maximálního provozního přetlaku a vypíná ohřev kotle.

Pojistný ventil

Pojistný ventil musí při selhání bezpečnostních omezovačů tlaku spolehlivě zabránit překročení maximálního přípustného tlaku v kotli.

Pro žárotrubné kotle jsou přitom používány přímé pružinové plnozdvižné pojistné ventily s otevřenou pružinou.

Po aktivaci pojistného ventilu musí tlak v kotli klesnout zhruba 10 % pod maximální přípustný tlak, aby byl pojistný ventil samočině opět silou pružiny zavřen. Výfukové potrubí musí být pokud možno vyvedeno přímo ven do volného prostoru.

Potrubí odfuku pojistného ventilu - více informací

Omezovač hladiny – nízká hladina vody

Teplosměnné plochy kotle musí vždy být oplachovány vodou, aby bylo zaručeno dostatečné chlazení. Pokud by stav vody v kotli poklesl natolik, že by teplosměnné plochy již neležely ve vodním prostoru, existuje velké nebezpečí přehřátí a tím za určitých okolností i zničení kotle.

Aby se spolehlivě zabránilo nutné výměně teplosměnných ploch, jsou v kotli namontovány dva na sobě nezávislé schválené omezovače minimální hladiny vody. U parních kotlů probíhá vestavba elektrody omezovače hladiny v chráničce, aby bylo zabráněno nebezpečným chybným spínáním z důvodu tvorby pěny v kotlové vodě.

Odborná zpráva: Historie vývoje indikátorů hladiny vody v parních a horkovodních kotlích

Omezovač hladiny – vysoká hladina vody

U kotlových zařízení pro 72 h bezobslužný provoz je nezbytný přídavný omezovač maximální hladiny vody, aby se při překročení nejvyššího přípustného stavu vody v kotli nemohla dostat voda do navazujících parních potrubí.

Omezení vodivosti

U kotlových zařízení pro 72h bezobslužný provoz je také omezena maximální přípustná vodivost, aby nemohlo v kotli docházet k nekontrolovanému pěnění a usazeninám. Při překročení limitní hodnoty je i zde vypnuto spalovací zařízení.

Další bezpečnostní zařízení

Vedle omezovačů umístěných přímo na parním kotli vedou k vypnutí spalovacího zařízení i další provozní poruchy. Přesné požadavky pro příslušné palivo a různou výstroj jsou uvedeny v normě EN 12953 část 9.

Nouzové vypínače

Tlačítka nouzového vypnutí jsou umístěna na všech únikových cestách a na kotlovém rozvaděči. Aktivací tlačítka nouzového vypínání se spustí bezpečnostní řetězec kotle. Doplňkově se doporučuje tlačítko nouzového vypnutí mimo kotelnu.

Hlídání hořáku – hlídání plamene

Pokud není při přívodu paliva v provozu rozpoznán ve spalovacím zařízení plamen, vede to po několika málo sekundách k vypnutí kotle do poruchového stavu. Tím se zabrání, aby ve spalinovém systému vznikala díky nespálenému palivu zápalná směs, která by při pozdějším startu hořáku mohla explodovat.

Hlídání hořáku – přívod paliva

Těsnost uzavírací armatury plynu a minimální a maximální tlak přívodu paliva jsou taktéž monitorovány, aby bylo zajištěno, že se v kotli nebo ve spalinových cestách nemůže vytvořit žádná zápalná směs.

Obr. Systematické znázornění plynového spalovacího zařízení jako příklad (vysokotlaké napájení)

Hlídání hořáku – pojistka proti nedostatku vzduchu

Provoz a funkce ventilátoru spalovacího vzduchu jsou hlídány pomocí takzvané pojistky proti nedostatku vzduchu. Děje se tak přes omezovač minimálního tlaku vzduchu (PZA) mezi ventilátorem a hlavou hořáku.

Odběr páry

Na horní části kotle je umístěno hrdlo odběru páry s uzavíracím ventilem. Odtud je sytá pára napájena do navazující parní sítě. Aby byla omezena tvorba hluku, je hrdlo odběru páry dimenzováno tak, aby nenastávaly rychlosti proudění ≥ 40 m/s. Přitom je třeba dbát na to, že průměr hrdla musí být dimenzován s ohledem na minimální plánovaný provozní přetlak, neboť zde je dán nejvyšší specifický objem páry.

Pod hrdlem je uvnitř kotle umístěn nárazový plech, aby malé kapičky vynášené prouděním zůstávaly v kotli a kotel opouštěla pokud možno suchá pára. Zbytková vlhkost může přesto činit až 3 %.

Aby se zlepšila kvalita páry, je zde možno také umístit demistr z drátěného pletiva. Tak je možno zredukovat zbytkovou vlhkost na zhruba 0,1 %.

Sušení páry - více informací

Volitelná měřicí zařízení

Další měřicí zařízení jako měření množství a teploty zlepšují informace o provozu kotle. Jednak mohou být napojena na regulaci kotle, aby byly realizovány zvýšené požadavky na kvalitu regulace, na druhé straně jsou důležitou pomůckou, aby bylo možno posuzovat efektivitu provozu kotle. Sběrem, záznamem a vyhodnocováním těchto dat se dá provoz kotle kdykoliv optimalizovat i po uvedení do provozu (např. při změnách provozu). Dále tak mohou být pokryty i požadavky z případného vnitropodnikového systému energetického managementu. Nejčastěji používané metody měření jsou popsány níže.

Prospekt: Řízení a konektivita

Měření množství páry

Pomocí měření množství páry je měřen objemový proud páry dodávaný do parní sítě. Společně s měřením tlaku a teploty u syté páry, resp. měřením tlaku a teploty u přehřáté páry, může být objem páry přepočítán na hmotnostní proud páry a na užitný tepelný výkon vydávaný kotlem.

Měření množství napájecí vody

Měřením množství napájecí vody je měřena napájecí voda přiváděná do kotle.

Měření množství paliva

Pro každé jednotlivé kotlové zařízení je nutné měření množství paliva, aby bylo možno při uvádění do provozu nastavit maximální přípustný výkon spalovacího zařízení.

U kapalných paliv probíhá měření vždy přímo přiřazené ke kotli. Objemový proud paliva se měří v [l/min] nebo [l/h].

U plynných paliv se také důrazně doporučuje měření přímo přiřazené danému kotli. Z nákladových důvodů se měření tímto způsobem příležitostně nerealizuje a za základ se bere měření distributora energií v plynové předávací stanici. Měření objemového proudu plynu v [m_B³/h] musí být pro vyhodnocení ještě přepočítáno společně s měřením tlaku a teploty na [m_n³/h].

Společně s údaji o výhřevnosti v [kWh/kg] nebo [kWh/l] pro kapalná a v [kWh/m_n³n] pro plynná paliva je pak možno tyto údaje přepočítat na množství energie přiváděné kotli a tím vytvořit výchozí bázi pro výpočet účinnosti nebo určení ročního stupně využití.

Měření teploty spalin

Měření teploty spalin je důležitým indikátorem pro aktuální způsob provozu kotle. Tímto jednoduchým a nákladově příznivým měřením a kontinuálními záznamy a vyhodnocováním teploty spalin mohou již být rozpoznány četné možnosti optimalizace, neekonomický způsob provozu kotle nebo také znečištění teplosměnných ploch.