Топлообменници за парогенератори

Основните елементи на един парогенератор са топлопреносните повърхности, чрез които топлината от димните газове се предава на циркулиращата вода/пара. Главната цел на проектантите на такива съоръжения е да се оптимизира топлинната ефективност и рентабилността, което може да се постигне посредством подходящата конфигурация на топлопреносните повърхности и оборудването за изгаряне на горивото.

Топлопреносните повърхности в съвременните парогенератори са пещите, изпарителите, прегревателите, икономайзерите и подгревателите. Основният метод за топлопренос в пещта е излъчването. Прегревателите и подгревателите се подлагат на конвекция и излъчена топлина, докато във въздухоподгревателите и икономайзерите протича предимно конвекционен топлообмен.

Напускащите парогенератора димни газове могат да бъдат охладени до температура, близка до точката на оросяване. Въздухоподгревателите и икономайзерите възстановяват топлинната енергия от изходящите от пещта газове с цел както охлаждането им, така и подгряване на горивния въздух (подобрявайки ефективността) и повишаване на температурата на подаваната в парогенератора вода.

Не във всеки парогенератор присъстват всички видове топлопреносни повърхности. В промишлените системи, където е необходима наситена пара, не са налични прегреватели. Също така прегревателите се инсталират само при нужда от прегрята пара, например при производството на електроенергия с цел постигане на висока ефективност и избягване попадането на капки в парната турбина.

Съгласно втория закон на термодинамиката, топлопренос не може да се осъществи от зона с по-ниска температура към такава с по-висока. Поради тази причина температурата на димните газове следва да бъде по-висока от температурата на топлопоглъщащия (работния) флуид.

Температурата на изходящите от пещта димни газове обикновено е между 800 и 1400°C, след което се охлаждат до 150-200°C във въздухоподгревателя. Правилната конфигурация на топлопреносните повърхности оказва влияние върху издръжливостта на материалите, замърсяването им, температурата на парата и крайната температура на димните газове. В повечето случаи изпарителят е вграден в пещта. Следвайки движението на димните газове, последователността на топлообменните съоръжения в парогенератора е както следва: пещ, прегревател, икономайзер и въздухоподгревател.

Пещи

Главната цел на парогенераторната пещ е да осигури възможно най-пълно и стабилно изгаряне на горивото. При остатъчен неизгорял материал се стига до понижаване на топлинната ефективност и увеличаване на емисиите. Процесът на горене следва да се осъществява по екологосъобразен начин, гарантиращ минимални количества на изпусканите в атмосферата замърсители.

Пещните стени на съвременните парогенератори са изградени от вертикални тръби, които функционират като изпарителната част на цикъла пара/вода. Горната част на парогенератора обикновено също е част от изпарителя, както и тръбните стени за димните газове в икономайзера и въздухоподгревателя.

Подходящото охлаждане на пещта е от ключово значение за парогенератора. При изгарянето на горива с високо влагосъдържание обаче, например дървесен чипс, пещта не трябва да се охлажда. Това позволява задържане на топлината от горенето за изсушаване на подаваното по-влажно гориво.

В случай че температурата на димните газове след пещта е прекалено висока, може да се стигне до проблеми като корозиране на тръбите на прегревателя и отлагане на пепел върху тях.

Днес пещните стени на модерните парогенератори се конструират като газонепропусклива мембрана, състояща се от заварени една за друга тръби, разделени от стоманени пластини, които подобряват топлообмена. По този начин се формира стабилна и херметична конструкция на пещта. Най-широко използвани за целта са оребрени тръби, изработени от въглеродна стомана.

Конвекционни изпарители

В парогенераторите с ниско парно налягане е необходимо по-голямо количество топлина за изпарение в сравнение със съоръженията с високо парно налягане. Поради това в тези случаи интегрираните в пещните стени изпарители не могат да осигурят достатъчно топлинна енергия за процеса на изпарение. За целта се използват допълнителни конвекционни изпарители, които предоставят необходимата топлина за пълно изпарение. Обикновено те се позиционират след прегревателя. Конвекционните изпарители обаче могат да доведат до локално прегряване на тръбите с частични товари.

Икономайзери

След захранващата помпа водата вече е с необходимото налягане и температура за постъпване в парогенератора. Тя навлиза в съоръжението през икономайзера - топлообменник, състоящ се от няколко тръбни групи.

Предназначението на икономайзерите е охлаждане на димните газове, напускащи прегревателната зона, с което се постига подобряване на парогенераторната ефективност. Ограничаващ фактор за охлаждането е рискът от нискотемпературна корозия, т. е. при точката на оросяване.

Димните газове се охлаждат с водата, която се подгрява до температурата й на насищане. За да не се стигне до кипене на водата преди навлизането й в пещта/изпарителя, температурата на водата, напускаща икономайзера, обикновено се регулира с резерв за безопасност под температурата й на насищане (около 10°C).

Прегреватели

Тези съоръжения са топлообменници, които прегряват наситената пара, подобрявайки ефективността на процеса на генериране на енергия. Предимствата от използването на прегрята пара включват нулево влагосъдържание, липса на кондензат в паропроводите и по-висока ефективност при енергопроизводството.

Прегревателят обикновено се състои от паропроводи, които се подгряват от преминаващите от външната им страна димни газове. Тръбите са свързани успоредно една на друга към колектори, като парата навлиза през един колектор и излиза през друг. В един парогенератор може да има няколко прегревателя, както и подгреватели, служещи за нагряване на вече използвана извън съоръжението пара.

Прегревателите могат да бъдат класифицирани като базирани на конвекция и такива, основаващи се на излъчване. Първият вид прегреватели се използват за повишаване на температурата на парата с помощта на излъчваната от пламъка в пещта топлина. Затова тези съоръжения обикновено се интегрират в стените на парогенератора или се поставят под формата на панели в горната част на пещта.

Конвекционните прегреватели са най-широко разпространеният вид за парогенератори. Те се използват при относително ниски температури на парата, като топлопреносът от димните газове се осъществява чрез конвекция. Те се инсталират след пещта, защитени от топлоизлъчването на пламъка.

Панелните прегреватели могат да работят благодарение на топлообмен както на принципа на излъчване, така и на конвекция, в зависимост от местоположението им в парогенератора. Състоят се от гъсто групирани тръби, формиращи панели, които се инсталират в горната част на парогенераторната пещ. Разстоянието между отделните панели обикновено е между 300 и 500 mm. Този вид прегреватели са устойчиви на замърсяване и могат да издържат на висок топлинен поток.

Страничните стенни прегреватели се монтират в предната част на парогенератора. Представляват тръбни групи, изработени най-често от въглеродна стомана, които получават топлинна енергия предимно благодарение на излъчване. Конвекционни прегреватели могат да се монтират и в парогенераторната зона, в която димните газове започват да се движат в низходяща посока.

Подгревател

В общи линии той служи за прегряване на парата, излизаща от частта на турбината с високо налягане. Повторно подгрятата пара обикновено се връща в частта с ниско налягане, като благодарение на този рецикъл ефективността на съоръжението може да се повиши с над 40%. Това обаче е рентабилен подход само за големи съоръжения. Дизайнът на подгревателя е много подобен на този на прегревателя, тъй като и двата топлообменника се използват при високотемпературни условия.

Свързване на прегревателните елементи

Отчитайки потока на парата, прегревателните елементи обикновено се свързват в серия, т. е. първо е етапът на конвекция, а след това - на излъчване. С прегреватели от конвекционен тип може да се постигне значително по-ниска температура на парата в сравнение с действащите на база излъчване. Поради тази причина в парогенераторите с висока парна температура като краен прегревател се използват излъчвателни съоръжения.

Обикновено малкото количество остатъчна вода, съдържащо се в парата, се изпарява в първата прегревателна секция. По този начин твърдите примеси във водата се отлагат по вътрешната повърхност на прегревателните тръби, което понижава коефициента им на топлопроводимост. Затова прегревателните секции се разполагат в противоток, т. е. първият прегревател се позиционира в зоната, където температурата на димните газове е най-ниска.

Въпреки това, прегревателят, разположен в най-горещата зона на парогенератора, който обикновено е от конвекционен тип, в повечето случаи не е краен, поради възможността от възникване на проблеми с прегряването. Затова конвекционният прегревател се свързва в правоток спрямо потока на димните газове, за да се осигури достатъчна степен на охлаждане на прегревателните тръби.

Въздухоподгреватели

Въздухоподгревателите изпълняват две основни функции в парогенератора: охлаждат газовете преди изпускането им в атмосферата (подобрявайки ефективността по този начин); и повишават температурата на подавания горивен въздух, спомагайки за по-бързото изсушаване на горивото. Те могат да бъдат от регенеративен или рекуперативен тип.

В регенеративните въздухоподгреватели не се използва топлопреносна среда - за целта те използват капацитета за акумулиране на топлина на бавновъртящ се ротор. Роторът последователно се подгрява от потока димни газове и се охлажда от въздушния поток. Топлинната енергия се съхранява в разположени близо една до друга метални пластини с дебелина 0,5-0,75 mm, които я поглъщат и отдават от двете си страни.

Регенеративните въздухоподгреватели заемат малко пространство - около 1/4 или 1/6 от необходимото място за рекуперативно съоръжение, а производството им не изисква големи инвестиции. Без да се преувеличава, може да се твърди, че благодарение на тях днес се постигат ниските крайни температури на димните газове. Като предимство може да се посочи и ниската им податливост към корозия при температурата на оросяване, особено когато се използват серосъдържащи горива. В допълнение, корозиралите метални пластини могат да се подменят лесно и бързо или да се почистят с пароструйка.

В рекуперативните въздухоподгреватели топлината от флуид с висока температура (димни газове) преминава през топлообменна повърхност до въздух с по-ниска температура. Подгряващата среда е напълно отделена от подгрявания въздух. Предимството на този вид подгреватели е минималният риск от изтичане на газове. Разделящата топлообменна повърхност може да е под формата на тръби или пластини. Дебитът на потока се определя от температурната разлика, проводимостта на метала, саждите и пепелта, както и от отлаганията поради корозия.