Relazione specialistica - Bosch Industriekessel GmbH

Relazione specialistica
Dr.-Ing. Eberhard Franz
Dipl.-Wirtschaftsing. (FH), Dipl.-Informationswirt (FH)
Markus Tuffner, Bosch Industriekessel GmbH
Caldaia a grandi corpi scaldanti e
caldaia a tubi d‘acqua a confronto
La generación de vapor a escala industrial cuenta con más de 200
La generazione di vapore industriale vanta una storia di oltre 200
anni. Durante i primi cento anni si conoscevano esclusivamente
caldaie confrontabili con le attuali caldaie a tubi da fumo a grande
volume d’acqua. Nel 1875 [1], vale a dire 106 anni dopo l’invenzione della caldaia per vapore e della macchina a vapore da parte
di James Watt, la ditta Steinmüller ha costruito la prima caldaia a
tubi d’acqua.
Da quel momento si è vista, per quanto riguarda la potenza e la
pressione, un’evoluzione impressionante nello sviluppo delle
caldaie a tubi d’acqua. Nel 1927 è stata messa in esercizio la
prima caldaia Benson, con una produzione di 30 t /h di vapore a
180 bar e 450 °C. Negli anni sessanta del secolo in corso, sono
state costruite caldaie oltre il livello critico con pressioni oltre
350 bar e temperature oltre 600 °C. Nel 1970 è stato raggiunto il
limite di potenza di 1 000 t /h. Già cinque anni più tardi fu possibile costruire caldaie a tubi d’acqua con oltre 2 000 t /h di potenza
Potenze così elevate e parametri di vapore così estremi non
possono essere raggiunti con le caldaie a grande volume d’acqua,
proprio per il loro principio costruttivo. Ciononostante, anche le
caldaie a grande volume d’acqua sono state oggetto di continui
sviluppi, anche grazie al contributo di Bosch Industriekessel
GmbH che ha, tra l’altro, introdotto le seguenti novità: nel 1953
ha brevettato la caldaia a tubi da fumo con camera d’inversione
interna completamente lambita dall’acqua, nel 1956 ha sviluppato
la caldaia a doppio focolare e nel 1977 ha introdotto per la prima
volta gli elettrodi per misurare il livello dell’acqua ed evitare
errori. Oggi, grazie alla progressione della tecnica, le caldaie a
grande volume d’acqua sono in grado di produrre fino a 55 t /h,
in piena sicurezza e con notevoli vantaggi economici. A seconda
delle dimensioni, è possibile raggiungere valori di pressione fino
a 30 bar e temperature del vapore surriscaldato fino a 300 °C. In
figura 1 è riprodotta una moderna caldaia a grande volume d’acqua,
nella versione a due focolari.
Da quanto esposto finora, si evince con chiarezza la validità di
ambedue i principi costruttivi. Generalmente parlando, si può dire
che non ha senso o che non è possibile, in determinati casi d’applicazione, sostituire un principio costruttivo all’altro. Ci sono in
ogni caso anche delle eccezioni. La presente relazione ha lo scopo
di fornire elementi utili per rendere più facile la decisione, in quei
casi in cui ambedue i principi costruttivi potrebbero essere applicabili. In seguito saranno presi in esame i seguenti punti: sicurezza,
aspetti dell’esercizio, caratteristiche fisiche ed aspetti economici.
Sicurezza
In alcuni paesi in via di sviluppo, le caldaie a grandi volumi
d’acqua per grandi potenzialità non sono state applicate su larga
scala: ciò si deve soprattutto al limite dei produttori locali, che
non possiedono macchinari e tecnologie di costruzione paragonabili a quelle dei costruttori tedeschi che, al contrario, vantano una
lunga tradizione in proposito. Temendo le catastrofiche conseguenze dell’esplosione di una caldaia per vapore, in questi paesi i
progettisti hanno sempre adottato un atteggiamento conservatore, preferendo le caldaie a tubi d’acqua proprio per il loro minor
contenuto d’energia. In questi casi, sarebbe però da valutare
l’equipaggiamento di sicurezza adottato dal costruttore contro il
2 | Caldaia a grandi corpi scaldanti e caldaia a tubi d‘acqua a confronto
superamento dei limiti di pressione e contro la mancanza d’acqua.
Oltre alla sicurezza, è spesso anche la breve vita delle caldaie
prodotte localmente ad aver giocato un ruolo importante.
Negli ultimi vent’anni, in Germania (ex Repubblica Federale
Tedesca), non si è verificato alcun incidente grave nel quale
fossero coinvolte caldaie a grande volume d’acqua: questo è il
risultato dell’introduzione del sistema ad elettrodi per la regolazione e limitazione del livello dell’acqua, avvenuta nel 1977 e
all’applicazione delle norme riguardanti la sicurezza intrinseca
nella progettazione delle caldaie, introdotte nel 1985 [2].
Sicurezza intrinseca significa rinunciare a economici principi di
costruzione (ad esempio con fondi presaldati o sostegni d’irrigidimento dei fondi). Significa la possibilità di ispezionare l’interno
della caldaia e la costruzione con notevoli spazi tra quelle parti
della caldaia che sono soggetti a temperature molto differenti.
Un altro aspetto essenziale è l’introduzione della prova di pressione idraulica effettuata a valori elevati, per garantire una valutazione molto affidabile dello stato e della sicurezza del corpo in
pressione [3]. Le regole e gli equipaggiamenti menzionati, introdotti per la prima volta nell’Ex Repubblica Federale Tedesca,
hanno fatto sì che nessun grave incidente si potesse verificare.
Non è possibile dire altrettanto per gli altri tipi costruttivi di
caldaie [4, 5]. Le caldaie a grande volume d’acqua, se ben progettate e costruite con metodi e materiali di alta qualità, offrono un
grado di sicurezza elevato oltre che una lunga vita utile. Pertanto,
è essenziale che il progettista o l’utente, scelga di rivolgersi a quei
costruttori che sono in grado di presentare referenze importanti,
con impianti esistenti e installati da almeno dieci anni.
Aspetti d’esercizio
In questo paragrafo si discutono i requisiti della qualità dell’acqua,
della manutenzione e dei controlli periodici.
Va da se che la qualità dell’acqua di caldaia e d’alimentazione è di
grande importanza per tutte le caldaie per vapore, di qualunque
tipologia costruttiva; soprattutto è fondamentale prestare attenzione alle differenze nei requisiti dell’acqua d’alimento, perché anche
le più piccole variazioni possono comportare danni e notevoli
conseguenze economiche.
Figura 1: Caldaia a grande contenuto d’acqua, focolare, producibilità 35 t /h pressione 16 bar, pronta alla spedizione alla fine della
linea di montaggio
Per le caldaie a tubi d’acqua, nella maggior parte delle forme
costruttive utilizzate, non è consigliabile l’esercizio con acqua
anche se a basso contenuto di sali minerali [6], in altre parole con
valori di conducibilità minore o uguale a 2 000 μS /cm. Per densità
di flusso di calore superiore a 250 kW/m², l’acqua di alimentazione
deve essere completamente demineralizzata, per evitare l’incrostazione dei tubi, che impedirebbe il passaggio del calore. E’ questo
un requisito che può essere soddisfatto soltanto con misure
impegnative e costose per il trattamento dell’acqua.
In linea di principio le caldaie a grandi corpi scaldanti possono
essere utilizzate con acqua addolcita (conducibilità fino a 6 000
μS/cm). Non sussiste il problema della riduzione per incrostazioni
da sali minerali delle superfici scaldanti, grazie alle possibilità di
eseguire uno spurgo efficace. Per il trattamento dell’acqua è possibile utilizzare semplici impianti d’addolcimento. Il tipo di condizionamento dell’acqua è scelto in conformità a criteri economici ed in
base alla qualità dell’acqua grezza disponibile. Decisivi sono i tempi
d’ammortamento per gli impianti di trattamento dell’acqua, tanto
più costosi quanto più spinti verso la completa demineralizzazione.
Un’altra differenza consiste nella dimensione di costruzione riferita
alla potenza. Agli stessi valori di potenza, le caldaie a grande
volume d’acqua hanno bisogno di superfici e spazi d’installazione
nettamente inferiori.
Le operazioni di manutenzione, per le caldaie a grande volume
d’acqua, sono più semplici e hanno oneri inferiori rispetto alle
caldaie a tubi d’acqua. Anche le operazioni di messa in esercizio,
messa a riposo, nonché l’accesso alle superfici scaldanti sono
semplificate.
Una situazione analoga si ha per quanto riguarda i controlli periodici: per le caldaie a grande volume d’acqua, costruite secondo le
regole sopra indicate, è sufficiente l’esame visivo della caldaia,
dopo aver effettuato la prova di pressione idraulica, [vedere 3,];
quest’esame permette di rinunciare quasi del tutto ad altri metodi
di prova non distruttivi, come l’analisi con ultrasuoni. Nelle caldaie
a tubi d’acqua, per motivi che in questa sede non approfondiremo
ulteriormente, non si è affermata la prova idraulica a pressione
elevata così come l’ispezione visiva completa non è resa possibile
dalla presenza di spazi non accessibili (spazi occlusi): è pertanto
sempre necessario l’uso di ultrasuoni o di metodologie analoghe.
Figura 2: Caldaia a tubi d’acqua per acqua surriscaldata da 100 MW
durante il trasporto
Caldaia a grandi corpi scaldanti e caldaia a tubi d‘acqua a confronto | 3
Caratteristiche fisiche
In questo capitolo discuteremo alcuni aspetti che risultano direttamente dai relativi principi costruttivi: volume d’acqua, capienza
d’accumulo, comportamento a carico parziale.
A parità di potenza termica prodotta, la caldaia a grande contenuto d’acqua ha un volume d’acqua notevolmente superiore a
quello della caldaia a tubi d’acqua. E’ per questo motivo che la
caldaia a grandi corpi scaldanti è più efficace nel contrastare le
oscillazioni di carico o anche nel sopperire a carichi che temporaneamente superano la potenza nominale della caldaia. A prescindere da un breve incremento dell’umidità del vapore, non si
verificano altre conseguenze; in particolare, non vi sono influenze
negative sulla trasmissione del calore.
Si tratta di una flessibilità che la caldaia a tubi d’acqua non è in
grado di offrire, per sua natura. Le oscillazioni di pressione, a
causa delle variazioni di densità che ne conseguono, influenzano
anche la trasmissione del calore.
Il grande volume d’acqua della caldaia, oltre ai vantaggi descritti,
comporta però anche svantaggi nella partenza da freddo; considerando due caldaie di analoga potenzialità e pressione di esercizio,
il tempo necessario a produrre vapore è più lungo nelle caldaie a
tubi da fumo che nelle caldaie a tubi d’acqua. A ciò va aggiunto
che ogni partenza a freddo, sulle caldaie a grande volume
d’acqua, comporta una sollecitazione meccanica notevolmente
più alta che nell’esercizio regolare continuo [8]; pertanto, con le
caldaie a grande volume d’acqua, la partenza a freddo deve
essere eseguita il più dolcemente possibile.
In diversi paesi, a causa del minore volume d’acqua, la caldaia a
tubi d’acqua può essere usata, fino a potenze notevoli, come
cosiddetta caldaia di prodotto, usufruendo di condizioni
d’installazione meno restrittive [7].
Essenziale per la vita utile di caldaie per vapore, è il numero delle
partenze dei bruciatori. Tale numero è determinato, oltre che dal
corretto dimensionamento caldaia /impianto, anche dalla grandezza
del carico minimo gestibile dalla caldaia. Nel caso della caldaia a
grande volume d’acqua, questo carico minimo corrisponde alla
potenza termica minima del focolare. Nel caso di caldaie a tubi
d’acqua per vapore surriscaldato di determinati tipi di costruzione,
tale carico minimo del bruciatore non può essere trasferito completamente sulla caldaia poiché, a causa della riduzione dei flussi
di massa lato acqua, è influenzata negativamente la trasmissione
del calore, con possibili effetti di burn-out non desiderati nella
zona d’elevato flusso termico.
Costi e scadenze
Siempre y cuando puedan cubrirse determinados requerimientos
mediante diversos modelos de calderas pitotubulares, la elección
de una caldera pirotubular representa una alternativa más económica, si los niveles de costes de fabricación y de calidad son
comparables. Por otra parte, los plazos de entrega así como el
tiempo necesario para instalar la planta son más reducidos.
Por regla general, las calderas pirotubulares ofrecen un mayor
rendimiento que las calderas acuotubulares. Esto ocurre también
mientras están funcionando ya que pueden someterse a operaciones de mantenimiento con facilidad durante su funcionamiento;
es decir, las calderas pirotubulares se caracterizan por una mayor
economía también mientras funcionan.
Sintesi
Normalmente i campi d’applicazione delle caldaie a grande volume
d’acqua e delle caldaie a tubi d’acqua sono nettamente separati.
E’ semplicemente impossibile usare caldaie a grande volume
d’acqua produrre 1 000 t /h di vapore a 180 bar e 450 °C. Fino a
circa 200 t /h, 30 bar e 300 °C, una o più caldaie a grande volume
d’acqua sono quasi sempre l’alternativa migliore, in quanto più
economica sia per l’acquisto che per l’esercizio. I moderni metodi
di produzione e le norme della sicurezza intrinseca della progettazione, permettono d’ottenere un elevato livello di sicurezza con
una lunga vita utile. Gli aspetti discussi sono riassunti molto
sinteticamente in tabella.
Criterio
Caldaia a grande contenuto d’acqua
Caldaia a tubi d’acqua
Qualità dell’acqua
Requisiti minimi, possibilità di usare acqua
contenente sali minerali
Requisiti più difficili, per la maggior parte
delle forme costruttive è necessario l’uso
di acqua senza sali minerali
Manutenzione
Pulizia semplice
Più onerosa
Controlli ricorrenti periodici
Semplici ispezioni dopo la prova ad elevata
pressione idraulica
Oltre alla prova di pressione idraulica è
necessario l’esame ad ultrasuoni o similare
Ulteriori esame non distruttivi, come ad
esempio l’esame ad ultrasuoni sono raramente necessari e solo in forma limitata
Inevitabili; di conseguenza maggiori oneri
a livello di tempo e costi
Costi di produzione, ad analogo
livello di qualità
Minori
Maggiori
Rendimento
Più elevato, facile da mantenere
Minore, difficile da mantenere durante
l’esercizio
Comportamento a carico parziale
Può essere sfruttata la gamma di regolazione della combustione; in caso di mancato
raggiungimento del carico minimo, il bruciatore può essere spento senza problemi
Con certe forme costruttive è necessario
limitare il carico parziale, non è possibile
spegnere completamente il bruciatore
Volume d’acqua
Più elevato per principio
Minore
Capienza d’accumulo
Grazie all’elevato volume d’acqua è efficace
contro le oscillazioni di pressione e di carico
Sensibile ad oscillazioni di carico o di
pressione da parte del processo
Tempi di consegna
Più brevi
Più lunghi
Spazio d’installazione
Minore
Maggiore
Tempi d’installazione,
prima messa in esercizio
Più brevi
Più lunghi
Letteratura:
[1] Lehmann H.: Dampferzeugerpraxis, Resch-Media Mail
Verlag GmbH, Gräfelfing 1994
[2] VdTÜV, FDBR, VGB: Vereinbarung 1985 /1 über
Richtlinien für die Beurteilung von Großwasserraumkesselkonstruktionen, VdTÜV, Essen 1985
[3] Roßmaier W.: Verbesserte Wasserdruckprüfungen bei
Flammrohr-Rauchrohrund Wasserrohrkesseln, Technische
Überwachung Bd. 38 (1997), Nr. 6 – Juni
[4] Diwok, H.-J., Mattern, J., Hülmann, G.: Explosion in einem
150 MW-Schmelzkammerkessel, Technische Überwachung
Bd. 37(1996), Nr. 3 – März
[5] N. N.: Vier Arbeiter starben im heißen Dampf, Bonner
Generalanzeiger, 20.10.1994
[6] Dolezal, R., Dampferzeugung, Springer-Verlag, Berlin
Heidelberg New York Tokyo etc., 1990
[7] N. N., TRD 403: Aufstellung von Dampfkesselanlagen mit
Dampfkesseln der Gruppe IV, Ausgabe Juni 1984
[8] Franz, E.: Kaltstart von Grosswasserraumkesselanlagen
Impianti di produzione:
Stabilimento di produzione 1 Gunzenhausen
Bosch Industriekessel GmbH
Nürnberger Straße 73
91710 Gunzenhausen
Germania
Stabilimento di produzione 3 Bischofshofen
Bosch Industriekessel Austria GmbH
Haldenweg 7
5500 Bischofshofen
Austria
www.bosch-industrial.com
Stabilimento di produzione 2 Schlungenhof
Bosch Industriekessel GmbH
Ansbacher Straße 44
91710 Gunzenhausen
Germania
© Bosch Industriekessel GmbH | Figure solo a titolo
di esempio | Con riserva di modifiche | 07/2012 |
TT/SLI_it_FB-Vergleich_GWK-WRK_01