Паровые и водогрейные котлы-утилизаторы
Работа некоторых технологических установок, таких как газотурбинные электростанции, печи различного назначения, газоперекачивающие установки и т.д., сопровождается выделением в большом объеме выхлопного газа, температура которого может достигать несколько сотен градусов. По ряду причин, в том числе экологических, выброс подобной тепловой энергии в атмосферу невозможен. Поэтому были изобретены котлы-утилизаторы, позволяющие передавать тепловую энергию отработанных газов в другие теплоносители, такие как вода или термальное масло.
Используемое для нужд технологического процесса тепло вырабатываемых отходящих газов повышает КПД технологической установки. При использовании тепла отходящих газов для внешних нужд улучшается экономика процесса.
Отличие котлов-утилизаторов от других видов котлов заключается в том, для их работы не требуется никакого дополнительного топлива, они работают только за счет энергии отработанных газов. И их основные преимущества заключаются в следующем: снижаются расходы на очистку выхлопных газов; уменьшается выброс загрязняющих веществ в окружающую среду; топливо используется более эффективно.
Основные технические характеристики котлов-утилизаторов: паровой или водогрейный; мощность; температура выхлопного газа; температура воды на входе и выходе; основные конструкционные материалы; комплектность поставки; требования к качеству воды; температура газов на входе в котел; наличие газовой горелки; наличие выделенных поверхностей нагрева для возможности поддержания выработки пара в необходимых пределах при снижении электрической нагрузки ГПА или турбины. Рассмотрим, какие из котлов-утилизаторов представлены сегодня на российском рынке.
APROVIS
APROVIS EnergySystems специализируется на производстве водяных и паровых котлов-утилизаторов. Источником тепловой энергии служит отходящий газ стационарных двигателей с мощностью от 50 кВт до 20 МВт. Температура отходящего газа двигателя достигает 550 °C. В зависимости от температуры пара и нагреваемого вторичного контура отходящий газ может быть охлажден до 50 °C.
На основании специализации на рынке когенерационных установок с использованием стационарных двигателей, APROVIS достиг лидирующей позиции в сегменте котлов-утилизаторов. Линейка продуктов APROVIS обладает необходимыми сертификатами таможенного союза. Наряду с многочисленными интернациональными референциями, изделия APROVIS успешно эксплуатируются в России и Беларуси. Каждый проект разрабатывают опытные инженеры и техники под индивидуальные требования и с учетом будущих условий использования оборудования. В результате возникает решение, оптимизированное под конкретную установку, и объем поставки, адаптированный к потребности клиента (например, с экономайзером или без него).
Следует особо подчеркнуть решения для двух моторов. При этом паровой котел-утилизатор выполнен так, что прохождение отходящих газов каждого двигателя в котле полностью независимо. Поэтому паровой котел-утилизатор может эксплуатироваться от двух моторов без риска для моторов и без согласования с изготовителем двигателей.
В стандартный объем поставки котла-утилизатра для давления до 25 бар входят: тепловая изоляция котла, КИПиА, шкаф управления и насосная группа. Дополнительное оборудование и байпас поставляются в соответствии с необходимостью и по согласованию с клиентом. Благодаря такому объему поставки, работы на установке редуцируются до минимума, так что затраты на монтаж или другие затраты времени ограниченны только самым необходимым.
Принцип газотрубного котла с большим объемом воды делает генерацию пара стабильной и безопасной. Благодаря ревизионным крышкам, расположенным с торцевых сторон котла-утилизатора, обеспечивается свободный доступ для проведения сервисных работ и чистки. Это гарантирует долговременную и надежную эксплуатацию оборудования. Тысячи проектов, успешно реализованных в течении последних пяти лет, подтверждают надежность APROVIS.
BONO ENERGIA
Котлы-утилизаторы отходов тепла компании Bono Energia (Италия) используются в производстве пара или энергии из отработанных продуктов сгорания газовых турбин, дизельных двигателей средней скорости и тепла, отходящего в ходе других производственных процессов. Мощность выпускаемых компанией котлов-утилизаторов отходов тепла для газовых турбин – от 3 до 20 МВт.
Наиболее распространенным типом конструкции котлов-утилизаторов Bono Energia является водотрубная конструкция с циркуляцией воды естественного типа, оснащенная двумя барабанами.
Технические характеристики: эффективная мощность газовой турбины – от 3 до 15 МВт, температура выхлопного газа – до 900 °C, поток выхлопных газов – от 5 до 60 кг/с, эффективная мощность котла – от 3 до 45 МВт, пропускная способность котла – от 1 до 60 т/ч, давление пара – от 5 до 70 бар, температура пара – до 450 °C.
Водотрубные паровые котлы-утилизаторы Bono Energia могут включать в себя систему контроля, упрощающую эксплуатацию. С помощью рабочих станций можно осуществлять управление и наблюдение за котлом. Рабочие станции производятся Automata – дочерним предприятием Bono Energia.
Производственные решения компании Bono Energia имеют высокую степень специализации и заняли нишу в узкоспециализированных секторах рынка, например, в секторе электростанций на биотопливе (растительном масле).
VAPOR
Котлы-утилизаторы выхлопных газов газопоршневых двигателей и газовых турбин: PKV (без горелки) и PPKV (с горелкой) – водогрейные котлы, PKS (без горелки) и PPKS (с горелкой) – паровые котлы. Одно-, двух- или трехсекционные котлы для работы одной, двух или трех газопоршневых двигателей.
Общие характеристики котлов: одноходовая дымогарная конструкция секции. Возможность комплектации котла-утилизатора секцией с горелкой. Высокий КПД. Эффективная работа на изменяющихся рабочих нагрузках газопоршневых двигателей. Длительный срок эксплуатации и быстрая окупаемость, простота обслуживания, большой опыт в изготовлении проектов на газопоршневых двигателях GEJenbacher. Класс давления – 10-20 бар. Мощность котлов – от 0,5 до 23,5 т/ч.Возможность комплектации котла пароперегревателем и экономайзером. Температура пара – до 215 °C (при комплектации котла пароперегревателем).
В стандартный объем поставки входят: паровой дымогарный котел-утилизатор, экономайзер для подогрева питательной воды или экономайзер для подогрева сетевой воды, комплект запорной, регулирующей и предохранительной арматуры, комплект контрольно-измерительных приборов, система управления котлом-утилизатором (комплектуется в отдельной панели управления), охладитель отбора проб, продувка по солесодержанию, продувка шлама.
CLAYTON
Паровой котел-утилизатор Clayton предназначен для полезного использования тепла выхлопных газов и отпуска насыщенного пара. Котел комплектуется собственной автономной системой управления. В объем поставки включены: питательный насос, экономайзер питательной воды, необходимая предохранительная, запорная и регулирующая арматура, комплект КИП, система автоматического управления, адаптированная для совместной работы с системой управления газовым двигателем. Возможна установка с пароперегревателем и горелкой.
Рабочее давление – до 100 бар, рабочая температура пара – от 200 до 1400 °C, расход выхлопных газов – до 42 000 кг/ч, температура выхлопных газов входящая – от 2000 до 1200 °C.
Тепломеханическая часть котла-утилизатора Clayton. Для каждого газопоршневого агрегата или турбины предусматривается установка индивидуального котла-утилизатора. Компания Clayton (Бельгия) специализируется на производстве компактных котлов-утилизаторов для энергетических установок на высокие параметры пара. Отпуск пара котла-утилизатора осуществляется от отдельно стоящего сепаратора (гарантируется степень сухости пара 99,5%).
Преимущества котлов-утилизаторов пара Clayton: наиболее энергоэффективное решение из существующих, возможность установки на улице или встраивания в дымовую трубу, небольшой вес и компактность, качество пара, быстродействие, безопасность, низкие эксплуатационные расходы, высокая эффективность, полная автоматизация, низкий уровень выбросов. Котел-утилизатор
BOSCH
Паровой котел-утилизатор Bosch Universal HRSB. Предназначен для совместного использования с ГПУ. Котел поставляется с изоляцией, предохранительным оборудованием, управляющим модулем с сенсорным экраном (шкаф управления), возможна дополнительная комплектация экономайзером и байпасом. Теплоноситель – насыщенный пар высокого давления, конструкция – жаротрубный котел-утилизатор, производительность – от 400 до 4100 кг/ч, максимально допустимое давление – 10 и 16 бар, максимальная температура дымовых газов источника дополнительного тепла – 550 °C, минимальные и максимальные объемы дымовых газов источника дополнительного тепла – 500 и 23 500 кг/ч, соответственно, топливо источника дополнительного тепла – природный газ (другие типы дымовых газов – по запросу), диапазон выходной мощности комбинируемых блоков ТЭЦ – от 0,5 до 4 МВТ(э).
Паровой котлел-утилизатор Bosch Universal UL-S. Трехходовой жаротрубный паровой котел, который может использоваться как чистый утилизатор.
Четырехходовой жаротрубный котел Bosch ULS- 4-Zug. В основе конструкции этого котла – традиционный паровой трехходовой котел Bosch Universal UL-S. В дополнение к имеющимся трем ходам дымогарных труб котел оснащен дополнительным встроенным четвертым ходом для использования тепла. Теплоноситель – пар высокого давления. Паропроизводительность – от 1250 до 28 000 кг/ч, максимально допустимое давление – до 30 бар, максимальная температура – 235 °C, типы используемого топлива – газ, легкое жидкое топливо.
Водогрейный котел-утилизатор Bosch Unimat UT-H (также возможна модификация с горелочным устройством). Трехходовой жаротрубный водогрейный котел, который может использоваться как чистый утилизатор.
VKK Standardkessel
Немецкая компания VKK Standardkessel (от «стандартный котёл», нем., - прим. ред.) была создана слиянием компаний VKK Standardkessel Lentjes – Fasel GmbH, Duisburg и VORWAERMER- und KESSELBAU Koethen GmbH и является одним из лидирующих производителей промышленных котельных систем в Европе. VKK Standardkessel – это также инжиниринговая компания с хорошей мировой репутацией, комплектующая энергетические и технологические системы в тепло- и электроэнергетике на самом современном технологическом уровне. Эксклюзивным правом поставки оборудования компании VKK Standardkessel обладает компания ООО «ТЕРМИКО» (г. Москва).
VKK Schtandardkessel разрабатывает и поставляет котлы-утилизаторы для широкого спектра термических процессов для производства пара или горячей воды с помощью газотрубных или водотрубных котлов. Ноу-хау компании заключается в конструкции поверхностей нагрева, благодаря которой создается возможность выдерживать высокие термические и механические нагрузки в самых тяжелых условиях эксплуатации.
Котлы-утилизаторы VKK Schtandardkessel в зависимости от требуемых эксплуатационных параметров и качества уходящих газов могут иметь газотрубную или водотрубную конструкцию. Газотрубные котлы в зависимости от системы в большинстве случаев дополняются водотрубными поверхностями нагрева. Для повышения тепловой мощности и улучшения регулируемости котлы-утилизаторы часто дополнительно оснащаются горелочным устройством. Для мощности турбин до 5 МВт используются серийные газотрубные котлы.
Поверхности нагрева котлов -утилизаторов выполняются в соответствии с преобладающими условиями эксплуатации. Дополнительные фильтрующие установки обеспечивают качество уходящих дымовых газов, соответствующее требованиям к чистоте окружающей среды.
Загрязненная почва нагревается в барабанной сушильной печи. Уходящие газы поступают в котел - утилизатор при температуре 900ºС и после прохождения котла очищаются фильтром.
Системы утилизации со стороны подачи уходящих газов, как правило, оснащаются подогревателями воздуха, байпасными системами для уходящих газов, пусковыми клапанами и, при необходимости, дополнительными горелочными устройствами. Очищенные уходящие газы могут без дополнительной обработки выбрасываться в окружающую среду. В камере сгорания производится термическая обработка загрязненного вредными веществами воздуха из полимеризатора. Очищенный поток дымовых газов поступает в газотрубную часть котла-утилизатора при температуре 750ºС. В результате производится 1,9 т/ч насыщенного пара при давлении 14 бар.
В систему утилизации включен также подогреватель утилизируемого воздуха. Для различных режимов работы установки утилизации котел-утилизатор и подогреватель воздуха оснащены встроенными байпасами. Установка включает две газовые турбины по 5 МВт, за каждой из которых располагается газотрубный котел-утилизатор с горелкой для насыщенного пара производительностью по 25 т/ч каждый, рабочее давление пара 20 бар.
«ТМ МАШ»
Компания «ТМ МАШ» (г. Санкт-Петербург) выпускает водогрейные котлы-утилизаторы (тепловые модули) единичной тепловой мощностью от 30 до 4200 кВт. Температура выхлопного газа – до 600 оС; нагреваемая среда (сетевой теплоноситель) – вода либо антифриз; наиболее распространенный температурный режим – 70/90 и 70/95 оС. При этом были реализованы проекты с теплоносителем, имеющим на входе температуру около 5 оС. Также реализуются проекты с котлами-утилизаторами с температурой на выходе 114 оС.
Основные конструкционные материалы – углеродистые стали и нержавеющая сталь. Комплектность поставки включает полный перечень узлов теплового модуля: котел-утилизатор тепла антифриза (охлаждающей жидкости), переключатели потока дымовых газов, байпасный газоход, комплект КИПиА и шкаф управления тепловым модулем. Заказчик сам выбирает объем поставки.
Требования к качеству воды соответствуют требованиям к воде, выдаваемым производителями стандартных котлов. Поскольку предприятие выпускаем водогрейные котлы, дожиг газов и, соответственно, дополнительные горелки не ставятся.
Тепловой модуль — основной компонент систем утилизации тепла (СУТ). Система утилизации тепла генераторных станций – комплекс тепломеханического оборудования и устройств, которые позволяют утилизировать тепловую энергию ряда генераторов, объединять потоки теплоносителя в сборном тепловом пункте и выдавать тепло потребителю. Элемент СУТа, который утилизирует тепло от каждой машины правильнее называть Тепловым Модулем (ТМ), либо Блоком Утилизации Тепла (БУТ).
Тепловой модуль (ТМ) – основной элемент когенерационных установок (мини-ТЭС) на базе двигателей внутреннего сгорания. ТМ позволяет в значительной степени повысить суммарный коэффициент полезного действия теплоэлектроагрегата, доведя его значение до 85-90%.
Во время работы двигателя внутреннего сгорания тепловая энергия утилизируется в ТМ следующим образом:
Утилизатор тепла антифриза (УТА) снимает тепло антифриза двигателя — вместо охлаждения антифриза на радиаторе охлаждения (сухая градирня) антифриз отдает свою тепловую энергию на нагрев воды потребителя. УТА представляет собой теплообменник кожухотрубчатого или пластинчатого типа, работающий по схеме «вода/антифриз».
Утилизатор тепла дымовых газов (УТГ) снимает тепло с уходящих выхлопных газов двигателя: температура уходящих дымовых газов на выходе из двигателя составляет порядка 450-550 °С, температура газов на выходе из УТГ составляет 120—180 °С. Данное понижение температуры позволяет обеспечить существенный нагрев воды потребителя. УТГ — кожухотрубчатый теплообменник, работающий по схеме «вода/дымовые газы».
Общая величина утилизируемой тепловой энергии сопоставима с вырабатываемой электроэнергией – в среднем на 100% кВт полученной электроэнергии вырабатывается 110%-130% кВт тепла.
Утилизировать тепло можно как отдельно с контуров антифриза либо выхлопных газов, так и с обоих контуров одновременно. Таким образом, получаются следующие варианты исполнения тепловых модулей:
тепловой модуль в полной заводской готовности (ТМ) - состоит из двух утилизационных теплообменников, переключателя потока газов, байпасного трубопровода, трубопроводной обвязки, рамного основания, комплекта КИПиА, шкафа автоматического управления (ШАУ ТМ);
тепловой модуль утилизации тепла выхлопных газов (ТМВГ) состоит из утилизатора тепла выхлопных газов (УТГ), переключателя потоков газа с электроприводом, рамного основания, байпасной линии газовыхлопа и комплекта КИПиА;
тепловой модуль утилизации тепла антифриза (ТМВВ) включает в себя утилизатор тепла антифриза (УТА), трубопроводную обвязку, трехходовые клапаны и ШАУ ТМ (при необходимости). В тепловых модулях, утилизирующие тепло по обоим контурам, ТМВГ и ТМВВ могут располагаться как на едино раме, так и раздельно, например ТМВВ внутри контейнера, а ТМВГ на крыше, либо на разных этажах здания энергоцентра. При заказе ТМВГ либо ТМВВ в комплект поставки могут быть включены соответствующие усеченные шкафы управления.
Традиционно тепловой модуль в полной заводской готовности включает в себя: следующее. Утилизатор тепла выхлопных газов (УТГ): утилизатор тепла антифриза (УТА); переключатель потоков выхлопных газов с управлением; трубопроводную обвязку по линии антифриза и сетевой воды; байпасный трубопровод с затворами поворотными; рамное основание; комплект КИПиА; шкаф автоматического управления. Дополнительно в комплект поставки блока утилизации тепла могут входить: насосы прокачки антифриза и сетевой воды, защитный кожух для установки ТМ на улице / крыше контейнера, система утилизации низкопотенциального тепла, сетевой теплообменник, низкошумный глушитель, дымовая труба.
Трубные пучки изготавливаются из нержавеющей стали 12х18н10т и увеличивают долговечность изделия. Жаротрубное исполнение котлов-утилизаторов позволяет легко очищать трубки от загрязнения, конструкция жаротрубного теплообменника более компактна. Компенсатор на кожухе УТГ защищает теплообменник от повреждений в случае аварийного нарушения условий эксплуатации.
ГСКБ
ГСКБ (г. Брест, Беларусь) выпускает котлы-утилизаторы, работающие с микротурбинами Capstone, марок КУВ и КУ.
Технические характеристики котлов-утилизаторов марки КУВ: тепловая мощность – от 100 до 1300 кВт, массовый поток дымовых газов – от 0,46 до 6,7 кг/с. Основной конструкционный материал – сталь 09Г2С. Температура дымовых газов на входе – от 220 до 600 оС, Расчетное давление воды (избыточное) – 0,9 МПа. Расчетная температура воды: на входе – 70 оС, на выходе – 95 оС. Температура уходящих газов: для моделей КУВ-100 и КУВ-240 – 100 оС, для моделей КУВ-740 и КУВ-1300 – 90 оС.
Показатели качества питательной воды: прозрачность по шрифту - не менее 30 см, карбонатная жесткость с рН до 8,5 – 700 мкг-экв/кг, условная сульфатно-кальциевая жесткость – 4,5 мг-экв/кг, значение рН при температуре 25 ºС – от 7 до 11, соединение железа в пересчете на Fe – 500 мкг/кг, свободная углекислота должна отсутствовать или находиться в пределах, обеспечивающих рН > 7, масла и нефтепродукты – не более 1 мг/кг.
Технические характеристики котлов-утилизаторов марки КУ: максимальная тепловая мощность – от 198 до 5270 кВт, максимальная паропроизводительность – от 0,3 до 8 т/ч, рабочее давление пара – 0,05-1,6 МПа, температура питательной воды – не менее 100 оС, температура пара – 100 оС; максимальная температура дымовых газов: на входе – 500 оС, на выходе – 140-230 оС.
Показатели качества питательной воды: прозрачность по шрифту - не менее 20 см, жесткость общая – не более 50 мг-экв/кг.
Основное оборудование, входящее в комплект поставки парового котла-утилизатора: тепловая изоляция; паровая задвижка на выходе котла; установленный комплект арматуры дренажного контура; установленный комплект арматуры питательного контура; два указателя уровня прямого действия с фланцевыми подключениями, со сливными и отсечными кранами; два предохранительных пружинных клапана; манометр показывающий; датчик давления; группа автоматической регулировки уровня воды; комплект автоматики котла-утилизатора.
В составе водогрейного котла-утилизатора: тепловая изоляция; установленный комплект арматуры дренажного патрубка; установленный комплект арматуры патрубков входа и выхода воды; два предохранительных клапана; термометр показывающий; манометр показывающий; датчик давления; датчик температуры воды; реле контроля расхода; комплект автоматики котла; датчик температуры дымовых газов; встроенный обводной канал (байпас) дымовых газов.
Имеется возможность комплектования котлов-утилизаторов горелкой для возможности поддержания выработки пара в необходимом количестве при уменьшении массового расхода дымовых газов.
МПНУ «ЭНЕРГОТЕХМОНТАЖ»
Компания ОАО «МПНУ Энерготехмонтаж» («МПНУ ЭТМ») уже более 15 лет занимается проектированием и строительством мини-ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей и накопила уже значительный опыт в этой области. К каждому проекту подходит индивидуально, выбирая наиболее оптимальную схему работы, разрабатывая свою схему автоматизации объекта, подбирая наиболее эффективное оборудование. С целью повышения эффективности Энергоцентра и импортозамещения «МПНУ ЭТМ» разработала свою линейку утилизаторов тепла газопоршневых установок.
Утилизаторы тепла МПНУ представляют собой газо-водяные кожухотрубчатые теплообменники. В них используется тепло отходящих газов газопоршневых установок. Теплообменники выполнены из высокопрочной стали и способны работать при температуре отходящих газов до 600 0С. В зависимости от запроса и параметров работы утилизаторы могут быть изготовлены как из углеродистой, так и из нержавеющей стали.
На сегодняшний день разработана линейка подобных водогрейных утилизаторов мощностью от 400 кВт до 4 МВт. Паровые утилизаторы поставляются паропроизводительностью от 0,5 т/ч до 2,5 т/ч, рабочее давление - до 16 бар. Данные утилизаторы поставляются в комплекте с необходимой арматурой, клапанами, приборами КИПиА, автоматикой безопасности и управления, теплоизоляцией, газоходами и газовыми заслонками, системами постоянной и периодической продувки. Для повышения эффективности утилизаторы могут комплектоваться экономайзерами для подогрева питательной или сетевой воды, которые также изготавливаются компанией ОАО «МПНУ Энерготехмонтаж».
Инженеры ОАО «МПНУ ЭТМ» разработали собственную систему автоматизации данных утилизаторов. Изготовление утилизаторов и шкафов управления для них осуществляется на производственной базе филиала ОАО «МПНУ ЭТМ» в г. Брянске. Требования к качеству воды для данных утилизаторов соответствует требованиям российской нормативной документации. По запросу заказчика выполняется доработка данных утилизаторов под конкретную газопоршневую машину.
Помимо поставки отдельных утилизаторов ОАО «МПНУ Энерготехмонтаж» разработало блок-модуль утилизации тепла. Модуль поставляется в высокой степени заводской готовности. В данном модуле возможно размещение совместно парового и водогрейного утилизаторов вместе со вспомогательным оборудованием: шкафом управления, барботером, газоходами, глушителем, дымовой трубой, системой отопления и вентиляции. Здание модуля выполнено из сэндвич-панелей.
Обзор из журнала "Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ" №6/2015
Опубликовано: 29 января 2016 г.