IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Теплообменные аппараты — это неотъемлемая часть любой отопительной котельной установки, тепло и электростанции, наравне с паровыми и водогрейными котлами. В зависимости от мощности рассматриваемого объекта количество и вид теплообменных аппаратов существенно различаются. На сегодняшний день теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), работающие в парогазовом цикле, являются наиболее технологически совершенными станциями после атомных электростанций. Качество и надежность теплообменных аппаратов должно полностью соответствовать необходимым требованиям.

Теплообменные аппараты (ТА) в цикле парогазовой установки по месту расположению в ТЭЦ делятся на две группы: ТА газотурбинной установки и ТА паротурбинной установки.

Теплообменные аппараты, включенные в цикл газотурбинной установки (ГТУ) – это рекуперативные ТО. К ним относятся воздухоподогреватели, служащие для подогрева воздуха перед камерой сгорания турбины. Воздухоохладители, устанавливаемые перед компрессором, служат для снижения температуры воздуха на входе в компрессор, тем самым уменьшая его работу сжатия. ТО вспомогательного оборудования обеспечивают надежность и работоспособность установки: ТО маслоохладителя отводят в окружающую среду теплоту трения подшипников и других деталей турбины, ТО подогреватели топлива газа увеличивают температуру газа перед подачей в камеру сгорания [1].

К ТО цикла паротурбинной установки относится котел-утилизатор, устанавливаемый для утилизации уходящих газов и используемый для нагрева воды и превращения её в последующим в пар. На выходе из паровой турбины устанавливают экономайзер для дополнительного обогрева сетевой воды.

Применение рекуперативных ТО в цикле паротурбинной установки (ПТУ) с одной стороны повышает КПД установки, но с другой стороны сильно усложняет конструкцию исполнения, повышают гидравлические потери и самое главное снижают мощность установки, так как забирают часть уходящих газов на обогрев воздуха. Поэтому такие теплообменники, как правило, устанавливаются только в цикле ГТУ, без парового цикла ПТУ[2].

В рекуперативных ТО в качестве первичного теплоносителя используются выхлопные газы турбины и сжатый воздух после компрессора.

С точки зрения выбора пространственной ориентации ТО может быть вертикальным или горизонтальным, в зависимости от оптимальной компоновки газохода и воздуховода холодного и горячего воздуха со связкой с элементами выхлопного газового тракта и с конструктивной опорной системой подвески трубопроводов[1].

По конструктивному исполнению применяются трубчатые или пластинчатые рекуперативные ТО.

Трубчатый ТО представляет собой теплообменник, в стальном корпусе цилиндрической формы которого расположен пучок до 10 тысяч металлических труб длинной до 7 метров, диаметром 10-35 миллиметра, с толщиной стенок 0,5 ... 2 мм. С целью повышения тепловой эффективности в корпусе ставят стальные перегородки толщиной 0,8мм, разделяющие его на три камеры, для создания общего противотока. Для повышения тепловой мощности, вдоль труб применяют различного рода оребрения, в виде гофрированной ленты с обеих сторон. Степень регенерации таких теплообменников достигает до 0,8.

В трубчатом ТО воздухоохладителя ГТУ чаще всего используется перекрестный ток воздуха и охлаждающей воды. Такие ТО имеют следующие недостатки. Малый коэффициент теплоотдачи воздуха – не более 150 Вт/(м*К), по сравнению с коэффициентом теплоотдачи воды – 5000 Вт/(м*К). Многократное (до 120 раз) превышение объемного расхода воздуха по сравнению с расходом воды, затрудняющее компоновку аппарата. Возможность появления коррозийного повреждения поверхности теплообменных трубок со стороны воды , необходимость минимизации гидравлических потерь по воздуху. Поэтому использование схем с воздухоохладителем, целесообразно только для существенного повышения технико-экономического эффекта ГТУ или для установак большой мощности[2].

Все трубчатые ТО имеют два существенных недостатка: значительная масса (до 198 тонн) и значительные габариты, поэтому в тех случаях, когда эти параметры критичны, например, при транспортировки в отдаленные районы, применяют пластинчатые ТО.

Пластинчатые теплообменники компактны, имеют малую массу и высокий коэффициент теплопередачи. Сложность герметизации соединений большого количества пластин и обеспечения прочности в местах соединений пластин с гребенками и фланцами по периферии пластинчатого ТО может привести к перетеканию воздуха на сторону выхлопных газов, что ведет к уменьшению общего КПД, а также к растрескиванию листов в местах крепления[2].

Котел-утилизатор ПТУ представляет собой противоточный теплообменный аппарат, состоящий из целого комплекса устройств для получения пара за счет уходящих газов газовой турбины. Горячий теплоноситель – газы ГТУ, поступает в межтрубное пространство котла, нагревая воду, которая движется по трубам, расположенным в котле, газы остывают до температуры примерно 100°С и выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу[3].

Котлы-утилизаторы различаются по компоновке, тепловым схемам. По конструктивному исполнению котлы-утилизаторы подразделяются на горизонтальные или вертикальные, преимущественно барабанного типа с естественной или принудительной циркуляцией. Поверхности теплообмена изготавливаются из труб с наружным спиральным оребрением, что позволяет уменьшить ее металлоемкость. Эти поверхности компонуются в зависимости от конструктивной схемы котла в виде секций, собранных в общие блоки и подвешенных к потолку поперек движения газов в КУ горизонтальной компоновки, и в виде отдельных блоков, устанавливаемых в шахте вертикального КУ.

Использование вертикальной конструкции котла-утилизатора является более эффективным. Их поверхности нагрева выполняют в виде отдельных модулей, укрепляемых один над другим с помощью каркаса, в котором предусмотрены боковые боксы для размещения коллекторов и колен труб, не омываемых дымовыми газами. Основная часть модуля в зависимости от его длины имеет несколько несущих перегородок[3].

К основным достоинствам котлов-утилизаторов можно отнести: рост КПД установки, уменьшение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, снижение расходов на очистку газов. Недостатки котлов-утилизаторов: подверженность коррозии холодных элементов котла, применение на производствах с низкой температурой вырабатываемых газов не является эффективным, применение доочистки газов[3].

Список использованных источников

1. Цанева С.В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: Дом МЭИ, 2009. С. 576.

2. Костюк А.Г., Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки // Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1979. С. 254.

3. Назмеев Ю.Г., Лавыгин В.М. Теплообменные аппараты ТЭС. М.: Энергоатомиздат, 1998. С. 286.

Код для цитирования: Скопировать