Утилизация на топлина в парогенераторни системи

Протичането на голяма част от технологичните процеси в различни отрасли на промишлеността е съпроводено с отделянето на отпадни газове, въздух, пара и други, чиято висока температура позволява те да бъдат използвани като енергоносител в други процеси. За оползотворяването на тази отпадна топлина в практиката се използват различни методи, като определящи фактори при избора са от една страна параметрите на отпадната топлина - температура, количество и химичен състав, а от друга - изискванията на енергоконсумиращата система. В енергийните централи първичните двигатели като газови турбини и бутални двигатели генерират голямо количество отпадна топлина, чието оползотворяване често е свързано с използването и за производство на пара посредством утилизационни парогенератори. Тези парогенератори представляват високоефективни съоръжения за производство на водна пара с високо качество. Те могат да бъдат както с хоризонтална, така и с вертикална конструкция. Могат да работят с газове в голям температурен диапазон, но за производството на технологична пара се използват предимно средно- и високотемпературни газове с температура около 450 - 650 оС. Водата обикновено се загрява до и над 200 оС. Важно условие е да се използват чисти газове, а не агресивни или газове с механични примеси.

Парогенераторите

Терминът парогенeратор се използва за определен клас парни котли, отличаващи се от моделите стандартно изпълнение по някои конструктивни специфики. Най-често различията се отнасят до наличието на набор от допълнителни съоръжения в конструкцията на парогенератора като паропрегревател, економайзер, въздухоподгревател, междинен паропрегревател, както и спомагателно оборудване, необходимо за нормалната работа на съоръжението. Също така, най-често парогенераторите са правотокови, а основният им елемент е изпарителна тръбна серпентина, в началото на която се подава вода, а в края й се генерира пара. Горивната камера и димоходите в парогенератора се образуват посредством конфигуриране на серпентината. На практика тя играе роля на нагревна повърхност на парогенератора.

Усложнената конструкция на парогенераторите в сравнение с парните котли осигурява висока експлоатационна надеждност, производство на пара с постоянно качество, висока ефективност и възможност за автоматизиране на почти всички процеси. Конструкцията им също така позволява да се постигнат високи работни налягания и бързо да се достига до работните параметри на съоръжението, което се дължи на малкия воден обем.

Използваните парогенератори за оползотворяване на топлината от високотемпературни технически или димни газове често биват наричани утилизационни.

Утилизационните парогенератори

могат да бъдат използвани за производство на пара за отопление или за производствени процеси, за задвижване на парна турбина за производство на допълнително електричество. Използването на утилизационни парогенератори в когенерационни системи допринася за повишаване на общата ефективност на централата до 85-95%.

Независимо от типа на парогенератора, при всички се използват снопове тръби, монтирани на пътя на изхвърляните газове. Целта на утилизационните парогенератори е да отнемат топлината от изхвърляните отпадни газове. Обикновено това се случва чрез конвективен топлообмен, но в някои участъци топлината освен чрез конвекция, се предава и чрез излъчване.

Конструкцията на парогенераторите най-често включва 4 основни компонента - изпарител, прегревател, економайзер и паросъбирател.

Изпарителната система в парогенераторите се формира от тръби, които служат за изпаряване на водата. Тази тръбна система се обединява от паросъбирател, в който нивото на водата се поддържа постоянно до определена височина. По тръбите водата преминава към колектори, от които са изведени екранните тръби, в които протича изпарението. Получената паро-водна смес постъпва в паросъбирател, в горната част на който получената наситена пара се отделя. Цялата система от паросъбирател, външни тръби, колектори и тръби, в които става изпаряването образуват изпарителната система. В зависимост от разположението на тръбите, изпарителите биват разделяни на такива с D, I, O форма на тръбите или с хоризонтално разположени тръби. Парата, получена от изпарителната система, се прегрява в паропрегревателя. След паропрегревателя, газовете все още съдържат значително количество топлина. За да бъде използвана, те преминават през следващите нагревни повърхности - економайзер и въздухоподгревател.

В економайзера топлината на все още горещите отпадни газове се използва за подгряване на водата, с която непрекъснато се подхранва парогенераторът.

Естествена или принудителна циркулация?

В зависимост от начина на движение на водата и паро-водната смес в изпарителната част, парогенераторите биват с естествена и принудителна циркулация. Широко използвани са и двата начина, но тенденцията е естествената циркулация да бъде предпочитана поради икономическата ефективност и надеждната конструкция.

При парогенераторите с естествена циркулация, познати още като възходящи, водата от барабана постъпва през външните тръби, наречени подводящи, в долните колектори на изпарителната система. Движейки се през екранните тръби, тя се изпарява. Паро-водната смес постъпва в паросъбирателя, където водата се отделя и отново изминава същия път, а парата се отправя към паропрегревателя или направо към консуматора.

При парогенераторите с принудителна циркулация в подводящите тръби е монтирана помпа, с помощта на която се движат водата и паро-водната смес, наричат се още парогенератори с многократна принудителна циркулация.

Предимствата на принудителната циркулация са по-бързото стартиране, по-голямата гъвкавост в отговор на промените в състоянието на парата, по-малкото съдържание на вода и други. Като техни недостатъци могат да се посочат консумирането на електроенергия от циркулационните помпи, опасността хоризонтално разположените тръби от изпарителната система да "изсъхнат", което да доведе до локално прегряване или корозия и други.

Предимства на естествената циркулация са по-ниската консумация на енергия поради липсата на циркулационна помпа, по-лесното осигуряване на водноохлажадаема горивна зона или пещ и други.

Недостатъците са свързани с необходимостта от повече време за стартиране и с факта, че дренирането на прегревателя може да се окаже по-трудно и други.

Когенерация и комбиниран паро-газов цикъл

В немалко индустриални производства често срещано решение е комбинирането на газова турбина с парогенератор утилизатор. Съответно сред най-често предлаганите конструкции парогенератори, предназначени за утилизация на топлина, са парогенераторите, конструирани за работа с газови турбини. Обикновено те са предназначени за работа с газова турбина с мощност в диапазона от 5 до 250 MW, производство на пара с параметри до около 500 тона/час и налягане до около 135 kg/cm2g при температура от порядъка на около 540 оС.

Газовите турбини, използвани като енергиен източник, се характеризират с редица предимства. Сред тях са възможността за бърз старт на турбината, компактността в съчетание с немалка изходна мощност, обикновено варираща в диапазона от около 3 MW докъм 100 MW, сравнително лесният и бърз монтаж, необходимостта от малко или никакво охлаждане с вода и други. Последните достижения в областта включват турбини с големи мощности до около 250 MW с ниски емисионни характеристики, както и високи температури на горене от порядъка на около 1200 оС, което рефлектира и в постигането на ефективност по-висока от 35%. Изходящите газове са с по-висока температура, което подпомага генерирането на пара с високо налягане и температура.

При комбинирането на парогенератор с газова турбина могат да се реализират два цикъла на работа - когенерационен и комбиниран паро-газов цикъл. При работа в когенерационен режим, парата, произведена от парогенератора, основно се използва за производствени нужди, докато при комбинирания цикъл произведената пара от парогенератора се използва за производство на енергия чрез парна турбина.

При комбинирания паро-газов цикъл ефективността на комбинацията газова турбина - парогенератор може да достигне 55-60%, докато в когенарционните приложения може да се постигне и по-висока ефективност от порядъка на 75-85%.

Принципно утилизационните парогенератори произвеждат пара, използвайки енергията на изходящите горещи газове от газовата турбина. В някои случаи обаче се предвижда и възможност за работа на парогенератора при неработеща газова турбина. Подобно решение е използването на горелка и нагнетателен вентилатор за генериране на топли газове. За да се предотврати при работеща турбина тези газове да се насочат към вентилатора, обикновено се използва байпас.

Сред последните тенденции в конструктивното изпълнение на парогенераторите са използването на високотемпературни прегреватели или подгреватели в централите с комбиниран паро-газов цикъл, както и допълнително горене. При допълнителното горене горещите газове от газовата турбина се използват като допълнителен източник на кислород, с което да се осигури допълнителна енергия за генерирането на повече пара, ако е необходимо. Приема се, че това е атрактивен от икономическа гладна точка начин за повишаване на изходящата мощност и гъвкавостта на системата. Така може да се осигури допълнителна електрическа мощност при по-ниски капитални разходи, а също така е добра възможност за покриване на върхови натоварвания.

Възможности за повишаване на ефективността

В практиката намират приложение различни решения за повишаване на ефективността на утилизация на топлината. Сред тях са загряване на кондензата или обработената вода в самия парогенератор. По този начин се постига намаляване на количеството пара, необходимо за деаерацията и се повишава общата ефективност на системата. Тук е добре да се има предвид, че при наличието на пари сярна киселина в отпадните газове е необходимо температурата на кондензация да бъде по-висока от точката на оросяване на киселината, за да се предотврати кондензация на киселинни пари върху тръбите. В системи, в които има опасност от кондензация на киселнни пари, като подходяща възможност за повишаване на ефективността се приема производството на наситена пара ниско налягане в самия парогенератор посредством изпарител ниско налягане. Друга възможност е подгряването на обработената вода в топлообменник преди тя да постъпи в деаератора и същевременно охлаждане на питателната вода преди да постъпи в економайзера.

Поддръжка

Предприемането на превантивни мерки и редовната поддръжка са от решаващо значение за постигането на висока ефективност, надеждност и дълъг експлоатационен срок на утилизационните парогенератори. Използването на различни системи за автоматично проследяване и прогнозиране на възможните слаби места значително подпомагат процеса. Добре е да се има предвид, че при малко натоварване на газовата турбина това може да рефлектира негативно върху економайзера. От особена важност е предварителното третиране на водата и предприемането на мерки за предотвратяване на възможностите за възникване на корозия.