Парни котли и парогенератори

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2009

Част 2. Видове парогенератори, елементи на пароганераторна инсталация, критерии за избор.

    Парогенераторите представляват високотемпературни съоръжения, чието основно предназначение е да генерират наситена или прегрята пара. Използват се широко в редица отрасли на промишлеността, в които парата се използва в качеството на топлоносител или овлажнител. Най-често срещаните им приложения са в областта на енергетиката, хранително-вкусовата промишленост, селското стопанство, целулозно-хартиената индустрия, химическата промишленост и др.

Конструктивни различия с конвенционалните парни котли
Обикновено 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. За разлика от конвенционалните парни котли, при правотоковите парогeнeратори няма водно ниво и нивопоказателни стъкла, отсъстват парно пространство и акумулирана пара, а водният обем е изключително малък. 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.
От друга страна, парогенераторите са компактни съоръжения, които се предлагат в хоризонтално или вертикално изпълнение. Сравнително малките им габарити улесняват транспортирането и монтажните работи на съоръжението.

Енергийни, промишлени и отоплителни
В зависимост от приложната област, парогенераторите се определят като енергийни, промишлени и отоплителни. Като енергийни се определят съоръженията, генериращи пара за производство на електрическа енергия. Промишлените произвеждат пара за технологични нужди в различни отрасли на промишлеността, а отоплителните представляват малки парогенератори, които се използват предимно в бита за отопление.
Друг вид парогенератори са утилизационните, в които за производството на пара се използва отделяната отпадна топлина от друг технологичен процес. С оглед на все по-сериозните изисквания за повишаване на енергийната ефективност, този вид парогенератори са сред най-пазарно атрактивните.
Всички парогенератори, монтирани в термични централи или в промишлени предприятия, се наричат още стационарни. Нестационарни, мобилни или подвижни се наричат съоръженията, монтирани в силовите инсталации на някои кораби.

С естествена, с принудителна циркулация и правотокови
Друг признак за класификация на парогенераторите е движението на водата и паро-водната смес в изпарителната част на парогенератора. Спрямо този критерий, парогенераторите са с естествена циркулация, с принудителна циркулация и правотокови.
При парогенераторите с естествена циркулация водата от барабана постъпва през външните тръби, наречени подводящи, в долните колектори на изпарителната система. След това тя преминава през екранните тръби, в които се изпарява. Тези тръби се наричат още възходящи. Образуваната паро-водна смес се връща в барабана, където водата се отделя и отново изминава същия път. Генерираната пара се отправя към паропрегревателя или направо към консуматора. Описаното движение е възможно, тъй като водният стълб в подводящите тръби (винаги са пълни само с вода) и стълбът паро-водна смес във възходящите тръби (запълнени са с нея) имат различно тегло. Резултантната сила осъществява циркулацията на водата и паро-водната смес. Тя е достатъчно голяма, за да покрие и хидравличните загуби при движението.
В конструкцията на парогенераторите с принудителна циркулация, в подводящите тръби е монтирана помпа, която има за задача да върти водата и паро-водната смес в съоръжението. Те се наричат още парогенератори с многократна принудителна циркулация.
Терминът правотоков парогенератор се отнася за парогенератори, в конструкцията на които отсъстват барабани. При тях водата от економайзера постъпва направо в тръбите на изпарителната система. Тя преминава еднократно през тях, след което се отправя към тръбите на паропрегревателя.

Електрически парогенератори
Счита се, че добро решение за производства, в които потребността от пара не са големи и съществува възможност да се осигури достатъчно електрическа мощност, е електрическият парогенератор. Той е подходящ за използване в неголеми като капацитет производства. Причината е в относително ниските капиталови разходи за самия парогенератор и съпътстващото го оборудване. Също така, тези парогенератори се отличават с относително неголеми размери и маса в сравнение със съоръженията на течно гориво, например. Като основен недостатък на електрическите парогенератори се посочва високата цена на електроенергията, което е основна причина за ограниченото им използване.

Видове електрически парогенератори
Основно конструктивно различие между парогенераторите, захранвани с други видове горива, и електрическите модели е методът, чрез който електроенергията се трансформира в топлинна енергия.
В съвременните електрически парогенератори се използват три основни начина за загряване на водата. Най-широко се прилага нагряването чрез електронагреватели. За целта водата в парогенератора се загрява чрез няколко нагревателя с различни степени на мощност. Вторият метод е основан на електропроводимостта на водата и е познат като електродно нагряване. Към електродите се подава напрежение, вследствие на което през водата протича електрически ток. А при преминаването на електрическата енергия през водата се отделя топлина. Добре е да се има предвид, че този метод не е опасен за хората, ако са изпълнени всички инструкции за безопасна експлоатация. Третият метод се базира на индукционен нагрев, т.е. нагряване на водата чрез високочестотен излъчвател.

Характеристики на електронагреватели
Основно предимство на загряването на водата чрез нагреватели е слабата разтворимост на повърхността им в нагряваната вода и пара. По този начин се произвежда пара, несъдържаща продукти от окисление на метала, което е особено важно при предполагаем контакт на парата с хранителни или чисти продукти. Друго важно предимство на метода е фактът, че електропроводимостта на нагряваната вода не играе особена роля.
Като недостатъци могат да се посочат високата температура на нагревателя, което предизвиква интензивно отлагане на твърд слой върху неговата повърхност (образува се т.нар. накип). С течение на времето накипът води до намаляване на топлоотдаването от повърхността на нагревателя. Резултатът е бързо нарастване на температурата вътре в нагревателя, което би могло да доведе до временно прекъсване на работата му. За да се избегне описаната ситуация, препоръчително е да се използва много омекотена питейна вода. Това значително повишава себестойността на процеса. Друг недостатък на метода е регулирането на мощността на нагревателите в парогенератора единствено чрез тяхното включване или изключване, т.е. възможно е да се реализира само степенно регулиране.

Специфики на електродно нагряване и индукционен нагрев
При електродното нагряване температурата върху повърхността на електрода практически е равна на температурата на самата вода. Това води до значително намаляване на скоростта на отлагане на твърди частици по повърхността на електродите, което допринася за удължаване на експлоатационния им живот. Използването на електроди дава възможност да се постигне плавно регулиране на мощността на парогенератора. За целта се променя площта на съприкосновение на електрода с нагряваната вода.
Недостатъците на метода са свързани с постепенното разтваряне на електрода в процеса на експлоатацията му. При използване на такъв парогенератор в областта на хранително-вкусовата индустрия това би могло да бъде недостатък.
Основно предимство на индукционното нагряване се състои в отсъствието на всякакъв контакт между водата и парата с нагревателното устройство. Това позволява да се получи особено чиста пара. Недостатък е високата цена на парогенератора и на произведената пара.

Кога се използват мобилни парогенератори?
Мобилните парогенератори се използват за производството на пара в полеви условия, т.е. директно в местата, в които са необходими пара или топла вода. Типични примери са инсталациите за отопление и подаване на топла вода в сгради, отделени от топлинното трасе; подгряване на цистерни с мазут или други нефтопродукти; производство на пара за преработка на селскостопанска продукция. Мобилните модели се използват и в места, в които е невъзможно или не е рентабилно да се монтират стационарни парогенератори, но съществува необходимост от топла вода или пара.
Парогенераторът може да бъде монтиран на автомобилна платформа с автономно електрозахранване. Това позволява използването му в приложения, в които построяването на котелно е невъзможно.

Структура на парогенераторна инсталация
Освен парогенератора, в инсталацията се включват редица други съоръжения, осигуряващи нормалната му работа. Например процесът в една парогенераторна инсталация, работеща с твърдо гориво (въглища), протича по определена схема. Чрез транспортна лента горивото се доставя до бункер, откъдето с помощта на питател се подава към мелница. В нея въглищата се смилат до достигане на необходимата едрина на частиците. По време на смилането горивото се подлага и на подсушаване. За целта се използва специално подгрят въздух или газове, засмуквани от края на пещта. Въздухът или газовете, а в някои случаи и смес от тях, намират приложение и за транспортиране на въглищния прах от мелницата до пещта. След това, сместа от въздух и въглищен прах (горивната смес) постъпва в пещта през горелката. Там се подава и останалата част от въздуха, необходим за горенето. Добре е да се има предвид, че въздухът, постъпващ в пещта през мелницата, се нарича първичен, а останалата част - подавана направо през горелката - вторичен въздух. Процесът на изгаряне на горивото в пещта протича с отделяне на димни газове с висока температура, които са продукт на горенето. Част от топлината, съдържаща се в тях, се отдава чрез излъчване на стените на пещната камера, които са покрити с тръби, образуващи повърхност, наречена екранна. Нарича се още радиационна нагревна повърхност. Тръбите са нагрявани отвън от продуктите на горенето и са охлаждани, или умивани отвътре от работното тяло (вода или пара).

Елементи на изпарителната система
Отдали част от топлината си, димните газове напускат пещта и преминават покрай снопове от тръби с различно предназначение. Процесът на топлопредаване е конвективен. Осъществява се чрез непосредствен допир (умиване) на газовете до повърхността на тръбите. В случаите, при които топлинният поток на излъчване е съизмерим с конвективния поток, нагревната повърхност се нарича полурадиационна. Ако потокът на излъчване е пренебрежимо малък, предаването на топлина е чисто конвективно и нагревната повърхност се нарича конвективна. Обикновено нагревната повърхност на тръбите, монтирани по стените на пещта, служи за изпаряване на водата. Тази тръбна система се обединява от барабан. Нивото на водата в него се поддържа постоянно до определена височина. По тръбите, поставени от външната страна на пещта, водата преминава към колектори (б. ред. те се характеризират с по-голям диаметър). От тях са изведени екранните тръби, в които става изпарението. Получената паро-водна смес постъпва в барабан, в горната част на който получената наситена пара се отделя. Цялата система от барабан, външни тръби, колектори и тръби, в които става изпаряването, образуват изпарителната система.
След пещта, димните газове постъпват в тръбните снопове на паропрегревателя. В него се прегрява парата, получена в изпарителната система. След паропрегревателя, газовете все още съдържат значително количество топлина. За да бъде използвана тя, газовете преминават през следващите нагревни повърхности:
економайзер и въздухоподгревател
В економайзера топлината се използва за подгряване на водата, с която непрекъснато се подхранва парогенераторът. В зависимост от температурата на водата на изхода му, економайзерите са кипящи и некипящи. В първия случай, водата се подгрява до температура на насищане и част от нея се изпарява. В некипящите економайзери водата на изхода му се подгрява до температура, по-ниска от температурата на насищане за даденото налягане. Съответно, след економайзера, назависимо от вида му, водата постъпва в изпарителната система на котела.
Както показва и наименованието му, във въздухоподгревателя се подгрява необходимият за горенето въздух. По този начин се постига по-пълно използване на топлината на газовете и се подобрява горивният процес. Обикновено въздухът се засмуква от горната част на помещението. Логично е, че това се прави, за да може температурата на въздуха за горене винаги да е по-висока от температурата на въздуха извън помещението. Другата причина се състои в постигането на по-добра вентилация на самото помещение. Засмукването на въздуха и транспортирането му през въздухоподгревателя до пещта се осъществява чрез вентилатор.
Както е добре известно, в димните газове се съдържа пепел. Затова преди да се изхвърлят в околната среда, те преминават през съответни газоочистващи устройства - електрофилтри и ръкавни филтри. Движението на газовете през цялата инсталация се извършва от вентилатор за димни газове (нарича се още димен вентилатор).
Към парогенераторната инсталация се отнасят и спомагателни съоръжения и механизми, с помощта на които се осигурява нормалната й работа. Към тях се отнасят съоръженията за отделяне и транспортиране на твърдите отпадъци при горенето, наречени шлакоотделители или сгуроотделители, както и съоръженията за почистване на нагревните повърхности от натрупала се по тях пепел и др.

Първа и втора технологична линии
В парогенераторните инсталации могат да се проследят две основни технологични линии. Първата - осигурява превръщането на водата в прегрята пара. Към нея обикновено се включва и вторично прегряване на парата. Втората - обхваща съоръжения, целящи превръщане на горивото и въздуха в газови продукти на горенето, шлака и пепел.
В първата технологична линия на работното тяло се предава топлина, съгласно теоретичния цикъл на Клаузиус-Ренкин. Първоначално водата се подгрява до температурата на кипене. Процесът започва в економайзера и завършва малко преди или малко след достигане на температурата на кипене (б. ред. при некипящ или кипящ економайзер). Процесът продължава в изпарителната система. След нея получената пара преминава в паропрегревателя, където се нагрява до състояние на прегрята пара. Вторично се прегрява пара, която е отработена в парната турбина. Вторичното прегряване се извършва в парогенератори с по-високи налягания. Чрез него се избягва високото овлажняване на парата при разширяването й в турбината, а освен това се повишава термичният КПД на цикъла. Вторично прегрятата пара се връща отново в парната турбина.
Втората технологична линия започва с подготовка на горивото за изгаряне. Тя включва различни процеси на механична и термична обработка в зависимост от химичния състав, физичните свойства и начина на изгаряне на горивото с оглед получаване на стабилен горивен процес в пещта. Линията обхваща още подаване на въздуха, пещните процеси (горене, движение на газовете и горивото в пещта и изменение на температурата в нея), както и др. Предаването на топлината на нагревните повърхности е свързано и с механичното и химичното им взаимодействие с продуктите на горене. От термодинамична гледна точка, теоретически процесите са много близки до изобарните. Следователно всяка промяна в температурата на газовете означава и изменение енталпията им.

Избор на парогенератор
На пазара се предлагат парогенератори, имащи различен дизайн, функционалност, основни характеристики и качество. Условно изборът на парогенератор включва определяне на типа му, както и на неговата функционалност и производителност. Към функционалните специфики се отнасят редица параметри на парогенератора, влияещи на удобството на работа и надеждността на експлоатация. Например - предварителна подготовка на водата за предотвратяване образуването на накип, система за защита на помпата от работа на сухо, система за контрол нивото на водата, контрол на температурата, система за икономия на вода за сметка на повторното й използване и др. Производителността на парогенератора, измервана в кg пара/час, се характеризира с показателите на произведената пара - налягане на входа на котела (в МРа) и температура.
При избора на парогенератор е добре да се вземат предвид и някои характеристики, като
l допълнителна възможност за регулиране на изходящите параметри на парата - налягане, влажност, разход на пара;
l възможността да се регулира текущата мощност в съответствие с моментните потребности от пара;
l наличие на всички необходими за оптимална работа на парогенератора елементи;
l степента на автоматизация на процеса,
l възможности за аварийна сигнализация и т.н;
l  ремонтопригодност;
l лесна експлоатация, достъпност на елементите за регулиране процеса на производство на пара и др.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top