Классификация котлов-утилизаторов ГТУ (парогазовых-установок)
Используемые для утилизации теплоты выхлопных газов ГТУ котлы можно классифицировать по различным признакам:
- По числу контуров греющего пара: одно-, двух- и трехконтурные
- По способу получения пара: барабанные и прямоточные; в свою очередь барабанные КУ можно разделить на котлы с естественной циркуляцией и котлы с принудительной циркуляцией воды в испарительных трубах;
- По направлению движения греющих газов: горизонтальные и вертикальные.
Котлы-утилизаторы по числу контуров греющего пара
При одной и той же ГТУ, переход от одноконтурного котла-утилизатора к двухконтурному дает повышение КПД ПГУ примерно на 4 % (абс.), переход от двухконтурного к трехконтурному уже только на 1 % (абс.). Дальнейшее увеличение числа контуров котла-утилизатора, конечно, также приведет к повышению экономичности, но оно не окупается дополнительными затратами в пределах жизненного цикла парогазовой установки (ПГУ).
В ПГУ с одноконтурным котлом-утилизатором дымовые газы удаётся охладить до 160°C, и получить невысокое значение КПД производства электроэнергии. При этом, тепловая схема такой ПГУ более проста в эксплуатации и имеет более низкие капитальные затраты. Для повышения эффективности производства электроэнергии приходится усложнять тепловую схему парогазовой установки, применяя при этом двух- и трехконтурные котлы-утилизаторы.
Котлы-утилизаторы по способу получения пара
Пока в контурах ВД котлов-утилизаторов используется докритическое давление. Поэтому принципиально возможно использовать как барабанные, так и прямоточные котлы-утилизаторы. Каждый из этих типов обладает своими достоинствами и недостатками. Если изложить коротко, то барабанные котлы имеют преимущество в части более простого и надежного поддержания требуемого качества рабочего тела, но наличие громоздких, сложных и, главное, толстостенных барабанов не позволяет в полной мере реализовать высокие маневренные показатели газотурбинных установок.
При переходных процессах (пусках, остановках, изменениях нагрузки) в стенках барабанов возникают циклические температурные напряжения, угрожающие появлением в них трещин термической усталости. Для исключения трещинообразования приходится удлинять время переходных тепловых процессов. Прямоточный котел, наоборот, обладает лучшими маневренными показателями, но требует специального пускового узла (встроенного сепаратора) и обязательного использования блочной обессоливающей установки (БОУ).
Отсутствие такого сложного элемента, как барабан, само по себе является благом, а возможность быстрого пуска — несомненное преимущество. По данным фирмы Alstom Power, для пуска из холодного состояния энергоблока с прямоточным КУ требуется 30 мин, а с барабанным — от 60 до 90 мин.
В подавляющем числе современных ПГУ используются барабанные котлы, генерация пара в барабанах которых осуществляется за счет многократной циркуляции воды по контуру барабан — опускные трубы — подъемные трубы — барабан. Эта циркуляция может быть естественной и принудительной.
Котлы-утилизаторы по направлению движения греющих газов
Все горизонтальные котлы выполняются с естественной циркуляцией, возникающей за счет разности плотностей воды в подъемных и опускных трубах (в последних плотность выше). При этом реализуется поперечное обтекание газами трубных пучков, при котором теплопередача наиболее эффективна.
Вертикальные котлы-утилизаторы часто выполняются с принудительной циркуляцией с помощью специальных насосов, включенных в контур циркуляции. Эти насосы потребляют электроэнергию, но зато гарантируют надежную циркуляцию на всех режимах работы. Реализованы технические решения использования естественной циркуляции и в вертикальных котлах-утилизаторах.
Сравнение горизонтальных и вертикальных котлах-утилизаторах показывает, что по тепловой мощности и экономичности они равноценны, близки их площади теплопередающих поверхностей и стоимости. При одинаковой мощности горизонтальный котел-утилизатор требует площади установки примерно на 30 % больше, чем вертикальный, главным образом за счет входного диффузора, выходного патрубка, тракта к дымовой трубе и ее самой. Для возведения вертикального КУ требуются механизмы большей грузоподъемности, но зато время монтажа поверхностей нагрева меньше (примерно три недели против пяти).
Очень важными достоинствами вертикального котла-утилизатора является возможность замены нагревательных поверхностей, меньшие затраты на обслуживание и ремонт, лучшая доступность для инспекций.
