Промышленная теплопередача
В газовом котле производительностью 120 т/ч температура дымовых газов, выходящих из экономайзера, составляет около 145 C. В обход этого экономайзера и в той же дымовой трубе температура составляет примерно 260 C. Устранение этого разрыва в 115 K стоит около пяти процентов счета за топливо за каждый час работы установки.
Этот разрыв и есть то, что на самом деле представляет собой промышленная работа по теплопередаче. Редко речь идет об экзотических сплавах или новой термодинамике; это вопрос площади поверхности, скорости газа, допуска на загрязнение и расположения металла внутри воздуховода. Сделайте эти четыре правильно, и простой дизайн превзойдет элегантный дизайн, который надежно заработает за шесть недель.
В разделах ниже описаны механизмы, оборудование, этапы отбора и цифры, которые определяют, будет ли проект одобрен или отложен.
Что на самом деле охватывает промышленная теплопередача
Промышленная теплопередача is the controlled movement of thermal energy between a hot stream, a cold stream and the metal separating them, and in heavy industry the hot stream is almost always flue gas on its way to the stack.
Определение: промышленная теплопередача — это конструкция поверхностей и путей потока, которые передают тепло от дымовых газов, перерабатывают выхлопные газы или пар в полезную жидкость, достаточно быстро, чтобы оплатить оборудование, и достаточно мягко, чтобы поддерживать стенку трубы выше предела коррозии.
Эту обязанность разделяют три механизма. Радиация преобладает при температуре выше 800 C, что является территорией печи. Проводимость через стенку трубки почти никогда не является узким местом, поскольку стенка из углеродистой стали толщиной 3 мм при температуре 400°C добавляет незначительное сопротивление. Конвекция со стороны газа наносит ущерб.
Чистый дымовой газ при скорости от 10 до 15 м/с дает коэффициент пленки примерно от 30 до 60 Вт/м2К. Водяная или паровая сторона той же трубы имеет мощность более 1000 Вт/м2К. Поскольку сопротивления добавляются последовательно, на газовой стороне лежит около 90 процентов проблем, и каждое последующее проектное решение вытекает из этого единственного факта.
1% приблизительная экономия топлива на снижение температуры дымовой трубы на 20 К
4-8x внешняя поверхность дополнена ребрами H-типа или спиральными ребрами
18-30 месяцы типичной простой окупаемости модернизации экономайзера
Практический вывод прост. Добавьте область со стороны газа, поддерживайте скорость газа достаточно высокой, чтобы очистить ребра, но достаточно низкой, чтобы избежать эрозии, и примите тот факт, что температура стенки трубки будет близка к температуре воды. Все остальное — детали.
Поверхности, которые определяют скорость теплопередачи
Поверхность со стороны газа — это то место, где конструкция рекуперации тепла выигрывает или проигрывает, поэтому оребренные трубы, блоки экономайзеров и модули котла-утилизатора оцениваются по одним и тем же трем показателям: поверхностной плотности, скорости газа и устойчивости к загрязнению.
| Элемент | Типичная обязанность | Выход со стороны газа | Доминирующий риск |
| Банк голых трубок | Небольшой экономайзер или подогреватель воздуха | от 180 до 220 С | Низкая поверхностная плотность, большая занимаемая площадь |
| оребренная труба H-типа | Экономайзер зольных дымовых газов | от 150 до 190 С | Ясеневая перемычка между парами плавников |
| Спиральная ребристая труба | Экономайзер чистого газа, испаритель котла-утилизатора | от 120 до 160 С | Корневая коррозия плавников вблизи точки росы |
| Модуль котла-утилизатора | Выхлоп комбинированного цикла | Стек от 80 до 100 C | Термическая нагрузка на охладитель и барабан |
Ребра H-типа сварены попарно с прямой газовой полосой между ними, поэтому они выдерживают уголь и золу биомассы, которая могла бы закупорить плотный спиральный вал. Спиральные ребра обеспечивают большую площадь на метр и лучшую производительность при работе с чистым газом, но их труднее чистить, и они гораздо менее устойчивы к образованию холодных пятен.
Деталь, которую чаще всего упускают из виду, — это эффективность плавников. Длинные тонкие ребра при высокой температуре плохо проводят ток по всей длине, поэтому эффективная площадь меньше геометрической площади. Если в технических характеристиках указана площадь без значения эффективности плавника, попросите его, прежде чем сравнивать цены. Отдельное замечание о как оребренные трубы повышают эффективность теплопередачи более подробно рассматривается расчет поверхности.
Ребристая труба H-типа для высокоэффективной теплопередачи Н-образные ребра, сваренные высокочастотной сваркой, увеличивают площадь нагрева и защищают от пыли, поэтому эффективность ребер стоит проверить, прежде чем сравнивать варианты теплопередачи. Посмотреть продукт → Эмпирическое правило: если зола липкая, выберите геометрию плавника с самой широкой газовой полосой, которую вы можете себе позволить, а затем верните потерянную область более глубоким берегом, а не более плотным шагом плавников.
Куда на самом деле уходит тепло
Большинство электростанций теряют восстанавливаемое тепло в трех местах: дымовая труба, горячие поверхности, которые никогда не подвергались повторной изоляции после модификации, а также продувка или конденсат, который сбрасывается, а не возвращается.
Стоит восстановить
- Дымовые газы выше 180 C при полной нагрузке
- Непрерывная продувка при расходе пара выше 5 процентов
- Конденсат возвращается при температуре выше 90 C.
- Потери конденсатоотводчика в круглосуточно работающем коллекторе
Обычно оно того не стоит
- Прерывистый выхлоп из периодических процессов
- Газ ниже кислой точки росы без припуска на коррозию.
- Поверхностные потери на линиях, температура кожи которых уже ниже 50 C.
- Небольшие ручьи, нуждающиеся в собственном насосе и контуре управления.
Два числа определяют, насколько далеко можно повысить температуру газа. Кислотная точка росы определяет нижний предел: при содержании серы в топливе от 1 до 2 процентов водяной пар и SO3 начинают конденсироваться на ребрах где-то между 120 и 150 C. Точка защемления устанавливает практический предел образования пара, обычно от 8 до 15 K между выходом газа и насыщением пара.
Примечание на местах: выпуск газа на 12 К ниже на бумаге выглядит как бесплатная эффективность, но если в результате этого основание плавника окажется ниже точки росы в течение 300 часов в год, трубка будет заменена задолго до того, как будет достигнута экономия топлива.
Когда температура газа превышает 500°С, экономайзер совершенно не подходит. Эта обязанность принадлежит котлу-утилизатору, который генерирует пар или нагревает технологическую жидкость, и решение в гораздо большей степени зависит от парового баланса установки, чем от данных по газу.
Промышленный котел-утилизатор для высокотемпературной утилизации дымовых газов Для дымовых газов выше диапазона экономайзера этот котел рекуперирует тепло для выработки пара и адаптируется к пыли, коррозии и нестабильным источникам. Посмотреть продукт → Подбор оборудования в зависимости от задачи
При выборе оборудования в первую очередь учитывается состояние газа, а затем потребность в паре или воде, и никогда наоборот.
- Зафиксируйте данные о газе: поток, температуру, состав, запыленность, точку росы и то, как все четыре параметра переключаются между летом и зимой.
- Установите целевую температуру на выходе с запасом на коррозию, а не на теоретический оптимум.
- Определите поверхность с учетом честного коэффициента загрязнения: от 0,005 до 0,01 м2К/Вт для чистого газа и в два-три раза больше для сжигания нефти или биомассы.
- Проверьте компоновку и подключение: пространство воздуховодов, головку вентилятора, высоту барабана, расположение байпаса и физический доступ для очистки.
На третьем и четвертом этапах бюджеты теряются. Устройство, рассчитанное на чистую работу и установленное без сажеобдувочного аппарата, требует внепланового отключения в течение двух лет, а стоимость добавления нового устройства позже обычно превышает разницу в цене между дешевой и хорошей конструкцией.
В работе EPC интерфейс имеет такое же значение, как и тепловая конструкция. Переходы воздуховодов, компенсаторы, опорная сталь и контрольно-измерительные приборы должны быть решены в 3D до начала изготовления, поэтому поставщик, который может конвертировать чертежи и проверять тепловложение собственными силами, экономит проект больше времени, чем поставщик, который просто указывает более низкую цену за тонну. Профиль компании этот инженерный объем изложен более подробно.
Экономайзер дымовых газов хвостового котла Рекуперирует тепло выхлопных газов котла для предварительного нагрева питательной воды, сокращения расхода топлива и подходит для котельных систем, работающих на угле, газе, жидком топливе, биомассе или котлах-утилизаторах. Посмотреть продукт → Конструкция, которая повышает эффективность на три процента, но требует отключения очистки каждый квартал, не является улучшением. Это договор на техническое обслуживание теплообменного приспособления.
Прежде чем совершить сделку, прочтите экономику
Окупаемость промышленного теплообменного оборудования во многом определяется годовыми часами работы и ценой на топливо, а не небольшими различиями в термическом КПД.
8000 ч/год 14 мес.
6000 ч/год 19 мес.
4000 ч/год 28 мес.
2000 ч/год 56 мес.
Простая окупаемость в течение нескольких месяцев за снижение температуры дымовой трубы на 20 К, газ по цене примерно 6 долларов США за млн БТЕ, без учета затрат на техническое обслуживание и простои.
Три фактора решают, выживет ли дело на рассмотрении:
- Часы работы при реальной нагрузке, а не паспортные часы.
- Стоимость топлива в течение всего срока службы оборудования с проверкой чувствительности за половину текущей цены.
- Стоимость очистки и проверки, включая дни простоя, которые она потребляет.
Добавьте соответствие компонентам давления заранее. Документация ASME или PED, отслеживание материалов и проверка третьей стороной редко меняют тепловой расчет, но они могут сдвинуть график поставок на месяцы, если они будут подняты после заморозки чертежа.
Краткая версия: измерьте газ, соблюдайте точку росы, размер на предмет загрязнения и проверьте часы работы, прежде чем сравнивать показатели эффективности.
Часто задаваемые вопросы
В чем разница между экономайзером и парогенератором-утилизатором?
Экономайзер нагревает питательную воду, не изменяя ее фазу, обычно с использованием дымовых газов при температуре от 200 до 400 C. Парогенератор-утилизатор производит пар и обычно содержит секции экономайзера, испарителя и перегревателя в одном корпусе, улавливая выхлопные газы газовых турбин или высокотемпературных процессов.
Какую температуру стека мне следует ориентировать?
Настолько низкая, насколько это позволяют кислая точка росы и точка защемления. Для газа с низким содержанием серы она часто составляет от 120 до 150°С; для высокосернистого мазута она может составлять 160°С или выше, если не указаны коррозионностойкие ребра.
Как защитить оребренные трубы от загрязнения?
Подберите тип ребер под золу, поддерживайте скорость газа в диапазоне от 8 до 12 м/с и установите сажеобдувочные аппараты с достаточным количеством полос, чтобы достичь стенки трубы. Ребра H-типа с широкими газовыми каналами являются более безопасным выбором при температуре ниже 300 C, когда зола липкая.
Можно ли установить рекуперационное оборудование в существующий воздуховод?
Да, если это позволяет головка вентилятора и пространство воздуховода. Большинству модификаций требуется байпас для регулирования температуры и очистки, а дополнительные потери тяги от 0,5 до 1,5 кПа обычно приходится компенсировать модернизацией вентилятора или установкой более высокой трубы.
Тепловая конструкция представляет собой компромисс между площадью, скоростью и чистотой. Выберите два, а третий выставит вам счет позже.
