v V. Getman, N. V. Lezhneva

Palabras clave: centrales de turbinas de gas, centrales de ciclo combinado

El documento considera varios métodos para utilizar el calor de los gases de escape de las centrales eléctricas para aumentar su eficiencia, ahorrar combustible orgánico y aumentar la capacidad energética.

Palabras clave: instalaciones de turbinas de gas, instalaciones de vapor-gas

En el trabajo son examinados los métodos distintos de la utilización del calor de los gases salientes de las instalaciones energéticas con el fin del aumento de su eficiencia, la economía del combustible orgánico y las acumulaciones de las capacidades energéticas.

Con el comienzo de las reformas económicas y políticas en Rusia, en primer lugar, es necesario realizar una serie de cambios fundamentales en la industria de energía eléctrica del país. La nueva política energética debe resolver una serie de tareas, incluido el desarrollo de tecnologías modernas altamente eficientes para la producción de energía eléctrica y térmica.

Una de estas tareas es aumentar la eficiencia de las centrales eléctricas para ahorrar combustibles fósiles y aumentar las capacidades de energía. La mayoría

prometedoras a este respecto son las plantas de turbinas de gas, cuyos gases de escape emiten hasta el 20% del calor.

Hay varias formas de aumentar la eficiencia de los motores de turbina de gas, que incluyen:

Aumento de la temperatura del gas frente a la turbina para turbinas de gas con un ciclo termodinámico simple,

Aplicación de recuperación de calor,

El uso del calor de los gases de escape en ciclos binarios,

Creación de turbinas de gas según un esquema termodinámico complejo, etc.

La dirección más prometedora es el uso conjunto de unidades de turbinas de gas y turbinas de vapor (GTP y STP) para mejorar su desempeño económico y ambiental.

Las turbinas de gas y las plantas combinadas creadas con su uso, con parámetros técnicamente alcanzables en la actualidad, proporcionan un aumento significativo en la eficiencia de la producción de calor y electricidad.

El uso generalizado de CCGT binarias, así como varios esquemas combinados en el reequipamiento técnico de centrales térmicas, permitirá ahorrar hasta un 20% de combustible en comparación con las unidades de turbina de vapor tradicionales.

Según los expertos, la eficiencia del ciclo combinado vapor-gas aumenta con el aumento de la temperatura inicial del gas frente a la turbina de gas y con el aumento de la parte de energía de la turbina de gas. Importante

También tiene el hecho de que, además de ganar eficiencia, tales sistemas requieren costos de capital significativamente más bajos, su costo específico es 1,5 a 2 veces menor que el costo de las unidades de turbina de vapor de gas y petróleo y CCGT con una potencia de turbina de gas mínima.

Según los datos, se pueden distinguir tres direcciones principales para el uso de turbinas de gas y plantas de ciclo combinado en el sector energético.

El primero, ampliamente utilizado en los países industrializados, es el uso de CCGT en grandes centrales térmicas de condensación alimentadas con gas. En este caso, es más eficiente usar una CCGT de tipo utilización con una gran parte de la potencia de la turbina de gas (Fig. 1).

El uso de CCGT permite aumentar la eficiencia de la combustión de combustible en TPP en ~ 11-15% (CCGT con descarga de gas en la caldera), en ~ 25-30% (CCGT binaria).

Hasta hace poco, no se ha llevado a cabo un trabajo extenso sobre la introducción de CCGT en Rusia. Sin embargo, muestras individuales de tales unidades se han utilizado con éxito durante mucho tiempo, por ejemplo, una CCGT con un generador de vapor de alta presión (HPG) del tipo HSG-50 en la unidad de potencia principal CCGT-120 y 3 unidades de potencia modernizadas con HSPG-120 en la sucursal CHPP-2 de JSC "TGC-1"; PGU-200 (150) con VPG-450 en la sucursal de Nevinnomysskaya GRES. Se han instalado tres unidades de energía de ciclo combinado con una capacidad de 450 MW cada una en Krasnodarskaya GRES. La unidad de potencia incluye dos turbinas de gas con una capacidad de 150 MW cada una, dos calderas de calor residual y una turbina de vapor con una capacidad de 170 MW, la eficiencia de dicha instalación es del 52,5%. Más lejos

aumentar la eficiencia de una CCGT de tipo utilización es posible mejorando

planta de turbina de gas y complicando el esquema del proceso de vapor.

Arroz. 1 - Esquema de CCGT con caldera de calor residual

Central de ciclo combinado con caldera -

El usuario (Fig. 1) incluye: 1-

compresor; 2 - cámara de combustión; 3 - gasolina

turbina; 4 - generador eléctrico; 5 - caldera-

usuario; 6 - turbina de vapor; 7 - condensador; ocho

Bomba y 9 - desaireador. En la caldera de calor residual, el combustible no se vuelve a quemar y el vapor sobrecalentado generado se utiliza en la planta de turbina de vapor.

La segunda dirección es el uso de turbinas de gas para crear CCGT-CHP y GTU-CHP. En los últimos años, se han propuesto muchas opciones para los esquemas tecnológicos de CCGT-CHP. En las CHPP alimentadas con gas, se recomienda utilizar plantas combinadas de calor y electricidad

tipo de reciclaje. Un ejemplo típico

una CCGT-CHP grande de este tipo es Severo-Zapadnaya CHPP en San Petersburgo. Una unidad CCGT en esta CHPP incluye: dos turbinas de gas con una capacidad de 150 MW cada una, dos calderas de calor residual, una turbina de vapor. Los principales indicadores de la unidad son: potencia eléctrica - 450 MW, potencia térmica - 407 MW, consumo específico de combustible para suministro eléctrico - 154,5 g de u.c. toneladas / (kWh), consumo específico de combustible de referencia para el suministro de calor - 40,6 kg u.m. ton/GJ, eficiencia de CHPP para el suministro de energía eléctrica - 79,6%, energía térmica - 84,1%.

La tercera dirección es el uso de turbinas de gas para la creación de CCGT-CHP y GTU-CHP de pequeña y mediana capacidad sobre la base de salas de calderas. CCGT - CHP y GTP - CHP de las mejores opciones, creadas sobre la base de salas de calderas, brindan eficiencia para la liberación de energía eléctrica en el modo de calefacción al nivel de 76 - 79%.

Una planta típica de ciclo combinado consta de dos turbinas de gas, cada una con su propia caldera de calor residual, que suministra el vapor generado a una turbina de vapor común.

Se desarrolló una instalación de este tipo para Shchekinskaya GRES. La CCGT-490 fue diseñada para generar energía eléctrica en los modos de operación básico y parcial de la central con cesión de calor a un consumidor externo hasta 90 MW con horario de temperatura de invierno. El diagrama esquemático del bloque PGU-490 se vio obligado a centrarse en la falta de espacio al colocar la caldera de calor residual y

planta de turbina de vapor en los edificios de la planta de energía, lo que creó ciertas dificultades para lograr modos óptimos de generación combinada de calor y energía.

En ausencia de restricciones en la ubicación de la instalación, así como cuando se usa una unidad de turbina de gas mejorada, es posible aumentar significativamente la eficiencia de la unidad. Se propone una CCGT-320 de un solo eje con una capacidad de 300 MW como tal CCGT mejorada. La unidad de turbina de gas completa para CCGT-320 es la GTE-200 de un solo eje, cuya creación se supone que debe llevarse a cabo cambiando a

rotor de doble soporte, modernización del sistema de enfriamiento y otras unidades de la turbina de gas para aumentar la temperatura inicial del gas. Además del GTE-200, el monobloque CCGT-320 contiene una K-120-13 STP con turbina de tres cilindros, una bomba de condensados, un condensador de vapor de sello, un calentador alimentado por vapor de calefacción suministrado desde la extracción antes del último etapa del intercambiador de calor, y una caldera de calor residual de dos presiones que contiene ocho áreas de intercambio de calor, incluido un sobrecalentador de vapor intermedio.

Para evaluar la eficiencia de la planta se realizó un cálculo termodinámico, del cual se concluyó que al operar en el modo de condensación de la CCGT-490 ShchGRES se puede incrementar su eficiencia eléctrica en un 2,5% y llevarla hasta 50,1%.

Investigación de calefacción

Las centrales de ciclo combinado han demostrado que los indicadores económicos de las CCGT dependen significativamente de la estructura de su esquema térmico, cuya elección se realiza a favor de la central que proporciona la temperatura mínima de los humos. Esto se explica por el hecho de que los gases de escape son la principal fuente de pérdidas de energía, y para aumentar la eficiencia del circuito, se debe reducir su temperatura.

El modelo de una CCGT de cogeneración de bucle único, que se muestra en la fig. 2 incluye una caldera de calor residual tipo tambor con circulación natural del medio en el circuito del evaporador. En el curso de los gases en la caldera de abajo hacia arriba, las superficies de calentamiento se ubican secuencialmente:

sobrecalentador PP, evaporador I, economizador E y calentador de agua de calefacción a gas GSP.

Arroz. 2 - Diagrama térmico de una CCGT de un solo circuito

Los cálculos del sistema mostraron que cuando cambian los parámetros del vapor vivo, la energía generada por la CCGT se redistribuye entre las cargas térmicas y eléctricas. Con el crecimiento de los parámetros del vapor, aumenta la generación de energía eléctrica y disminuye la generación de energía térmica. Esto se explica por el hecho de que con un aumento en los parámetros de vapor vivo, su producción disminuye. Al mismo tiempo, debido a una disminución en el consumo de vapor con un pequeño cambio en sus parámetros en las extracciones, la carga térmica del calentador de agua de red disminuye.

Una CCGT de doble circuito, así como una de un solo circuito, consta de dos turbinas de gas, dos calderas de calor residual y una turbina de vapor (Fig. 3). El agua de la red se calienta en dos calentadores PGS y (si es necesario) en un calentador de red pico.

En el curso de los gases en la caldera de calor residual

los siguientes están en secuencia

superficies de calentamiento: sobrecalentador de vapor de alta presión HDPE, evaporador de alta presión HP, economizador de alta presión de HDPE, sobrecalentador de vapor de baja presión de HDPE,

evaporador de baja presión IND, calentador de gas de baja presión GPND, calentador de agua de suministro de gas GSP.

Arroz. 3 - Diagrama del circuito térmico

CCGT de doble circuito

Arroz. 4 - Esquema de aprovechamiento del calor de los gases de escape de la turbina de gas

Además de la caldera de recuperación, el esquema térmico incluye una turbina de vapor de tres cilindros, dos calentadores de agua de calefacción PSG1 y PSG2, un desgasificador D y bombas de alimentación PEN. El vapor de escape de la turbina se envió a PSG1. El calentador PSG2 se alimenta con vapor de la extracción de la turbina. Toda el agua de la red pasa a través de PSG1, luego parte del agua se envía a PSG2 y la otra parte, después de la primera etapa de calefacción, al GSP ubicado al final de la ruta de gas de la caldera de calor residual. El condensado del vapor de calentamiento de PSG2 se drena en PSG1, luego ingresa al HPPG y luego al desaireador. El agua de alimentación después del desgasificador entra en parte en el economizador del circuito de alta presión y en parte en el tambor B del circuito de baja presión. El vapor del sobrecalentador del circuito de baja presión se mezcla con el flujo de vapor principal después del cilindro de alta presión (HPC) de la turbina.

Como mostró un análisis comparativo, cuando se utiliza gas como combustible principal, es recomendable el uso de esquemas de aprovechamiento si la relación de calor y energía eléctrica es de 0.5 - 1.0, con relaciones de 1.5 o más, se da preferencia a CCGT de acuerdo con la esquema de "descarga".

Además de ajustar el ciclo de la turbina de vapor al ciclo de la turbina de gas, la utilización del calor de los gases de escape

La turbina de gas se puede realizar suministrando vapor generado por la caldera de calor residual a la cámara de combustión de la turbina de gas, así como implementando un ciclo regenerativo.

La implementación del ciclo regenerativo (Fig. 4) proporciona un aumento significativo de la eficiencia de la instalación, por un factor de 1,33, si se elige el grado de aumento de presión durante la creación de la turbina de gas de acuerdo con el grado de aumento previsto. regeneración. Tal esquema incluye un compresor K; R - regenerador; KS - cámara de combustión; TC - turbina compresora; ST - turbina de potencia; CC - compresor centrífugo. Si la turbina de gas se fabrica sin regeneración, y el grado de aumento de la presión l está cerca del valor óptimo, entonces equipar dicha turbina de gas con un regenerador no conduce a un aumento en su eficiencia.

La eficiencia de la instalación que suministra vapor a la cámara de combustión aumenta en un factor de 1,18 respecto a la turbina de gas, lo que permite reducir el consumo de gas combustible consumido por la instalación de turbina de gas.

El análisis comparativo mostró que los mayores ahorros de combustible son posibles cuando se implementa el ciclo regenerativo GTU con un alto grado de regeneración, un valor relativamente bajo del grado de aumento de presión en el compresor l = 3 y con pequeñas pérdidas de productos de combustión. Sin embargo, en la mayoría de los TKA domésticos, los motores de turbina de gas marinos y de aviación con un alto grado de aumento de presión se utilizan como accionamiento y, en este caso, la recuperación de calor de los gases de escape es más eficiente en la unidad de turbina de vapor. La instalación con suministro de vapor a la cámara de combustión es estructuralmente la más simple, pero menos eficiente.

Una de las formas de lograr ahorros de gas y solucionar problemas ambientales es el uso de plantas de vapor-gas en las estaciones compresoras. En los desarrollos de investigación se consideran dos opciones alternativas para el aprovechamiento del vapor obtenido aprovechando el calor de los gases de escape de turbinas de gas: una planta de ciclo combinado accionada por una turbina de vapor de un soplador de gas natural y por una turbina de vapor de un generador eléctrico. La diferencia fundamental entre estas opciones radica en que en el caso de una CCGT con supercargador, no solo se aprovecha el calor de los gases de escape de la GPU, sino que se reemplaza una GPU por una unidad de bombeo de turbina de vapor, mientras que en una CCGT con un generador eléctrico, se conserva el número de GPU y, debido al calor utilizado, una turbina de vapor especial genera electricidad. El análisis realizado mostró que CCGT con accionamiento por soplante de gas natural proporcionó los mejores indicadores técnicos y económicos.

En el caso de crear una planta de vapor y gas con una caldera de calor residual sobre la base del CS, la GTU se usa para impulsar el sobrealimentador, y la planta de energía de vapor (SPU) se usa para generar electricidad, mientras que la temperatura del gases de escape detrás de la caldera de calor residual es de 1400C.

Para aumentar la eficiencia del uso de combustible orgánico en los sistemas de suministro de calor descentralizados, es posible reconstruir las salas de calderas de calefacción con la colocación de unidades de turbina de gas (GTP) de pequeña capacidad en ellas y la utilización de productos de combustión en los hornos. de calderas existentes. A su vez, la potencia eléctrica de la turbina de gas depende de los modos de funcionamiento según las curvas de carga térmica o eléctrica, así como de factores económicos.

La efectividad de la reconstrucción de la sala de calderas se puede evaluar comparando dos opciones: 1 - inicial (sala de calderas existente), 2 - alternativa, utilizando una turbina de gas. El mayor efecto se obtuvo a la potencia eléctrica de la turbina de gas igual a

carga máxima de la zona de consumo.

Análisis comparativo de una unidad de turbina de gas con un CHP que genera vapor en la cantidad de 0,144 kg/kg s. , especificaciones de condensación y turbinas de gas sin CHP y con especificaciones de intercambio de calor seco mostraron lo siguiente: útil

energía eléctrica - 1,29, consumo de gas natural - 1,27, suministro de calor - 1,29 (respectivamente 12650 y 9780 kJ/m3 de gas natural). Así, el aumento relativo en la potencia de la GTU cuando se introdujo vapor desde la cogeneración fue del 29 % y el consumo de gas natural adicional fue del 27 %.

Según los datos de las pruebas operativas, la temperatura de los gases de combustión en las calderas de agua caliente es de 180 - 2300C, lo que crea condiciones favorables para la utilización del calor de los gases mediante intercambiadores de calor de condensación (TU) . En TU, que

se utilizan para el calentamiento preliminar del agua de la red frente a las calderas de agua caliente, el intercambio de calor se lleva a cabo con la condensación del vapor de agua contenido en los gases de escape, y el agua se calienta en la propia caldera ya en el modo de intercambio de calor "seco" .

Según los datos, junto con la economía de combustible, el uso de especificaciones técnicas también proporciona ahorro de energía. Esto se explica por el hecho de que cuando se introduce un caudal adicional de agua de circulación en la caldera, para mantener el caudal calculado a través de la caldera, es necesario transferir parte del agua de retorno de la red de calefacción en una cantidad igual a el flujo de recirculación de la tubería de retorno a la tubería de suministro.

Al completar plantas de energía de unidades de energía separadas con una turbina de gas

generadores, hay varias opciones para utilizar el calor de los gases de escape, por ejemplo, utilizando un

intercambiador de calor (UTO) para calentar agua, o usar una caldera de calor residual y

generador de turbina de vapor para aumentar la generación de energía. Un análisis de la operación de la planta, teniendo en cuenta la recuperación de calor con la ayuda de UTO, mostró un aumento significativo en el factor de utilización de calor, en algunos casos de 2 veces o más, y estudios experimentales de la unidad de potencia EM-25/11 con un motor NK-37 permitió sacar la siguiente conclusión. Dependiendo de las condiciones específicas, la oferta anual de calor utilizado puede oscilar entre 210 y 480 mil GJ, y el ahorro real en gas fue de 7 a 17 mil m3.

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© V. V. Getman - Cand. tecnología Ciencias, Asoc. cafetería automatización de procesos tecnológicos y producción FGBOU VPO "KNRTU", 1ega [correo electrónico protegido] yaMech; N. V. Lezhneva - Doctorado tecnología Ciencias, Asoc. cafetería automatización de procesos tecnológicos y producción FGBOU VPO "KNRTU", [correo electrónico protegido]

El sistema de condensación de humos permite recuperar y recuperar la gran cantidad de energía térmica contenida en los humos húmedos de la caldera, que normalmente se emite a través de la chimenea a la atmósfera.

El sistema de recuperación de calor/condensación de gases de combustión permite aumentar entre un 6 y un 35 % (según el tipo de combustible quemado y los parámetros de la planta) el suministro de calor a los consumidores o reducir el consumo de gas natural entre un 6 y un 35 %.

Ventajas principales:

• Ahorro de combustible (gas natural): la misma o mayor carga de calor de la caldera con menos combustión de combustible
• Reducción de emisiones - CO2, NOx y SOx (al quemar carbón o combustibles líquidos)
• Recepción de condensado para el sistema de alimentación de la caldera

Principio de funcionamiento:

El sistema de recuperación de calor/condensación de humos puede funcionar en dos etapas: con o sin humidificación del aire alimentado a los quemadores de la caldera. Si es necesario, se instala un depurador antes del sistema de condensación.

En el condensador, los humos se enfrían con el agua de retorno de la red de calefacción. Cuando desciende la temperatura de los gases de combustión, se condensa una gran cantidad de vapor de agua contenido en los gases de combustión. La energía térmica de la condensación de vapor se utiliza para calentar el retorno del sistema de calefacción.

En el humidificador se produce un enfriamiento adicional del gas y la condensación del vapor de agua. El medio refrigerante en el humidificador es aire comprimido suministrado a los quemadores de la caldera. Dado que el aire de chorro se calienta en el humidificador y el condensado caliente se inyecta en la corriente de aire frente a los quemadores, tiene lugar un proceso de evaporación adicional en los gases de combustión de la caldera.

El chorro de aire suministrado a los quemadores de la caldera contiene una mayor cantidad de energía térmica debido al aumento de la temperatura y la humedad.

Esto da como resultado un aumento en la cantidad de energía en los gases de combustión salientes que ingresan al condensador, lo que a su vez conduce a un uso más eficiente del calor por parte del sistema de calefacción urbana.

En la planta de condensación de gases de combustión también se produce condensado que, dependiendo de la composición de los gases de combustión, se purificará aún más antes de ser alimentado al sistema de calderas.

Efecto económico.

Comparación de potencia térmica en las condiciones:

1. Sin condensación
2. Condensación de gases de combustión
3. Condensación junto con humidificación del aire de combustión

El sistema de condensación de humos permite que la sala de calderas existente:

• Aumentar la generación de calor en un 6,8 % o
• Reducir un 6,8% el consumo de gas, así como incrementar los ingresos por venta de cuotas de CO,NO
• El monto de la inversión es de aproximadamente 1 millón de euros (para una sala de calderas con una capacidad de 20 MW)
• Periodo de amortización 1-2 años.

Ahorro en función de la temperatura del refrigerante en la tubería de retorno:

Recuperación de calor de gases de combustión residuales

Los gases de combustión que salen del espacio de trabajo de los hornos tienen una temperatura muy alta y, por lo tanto, se llevan consigo una cantidad significativa de calor. En los hornos de hogar abierto, por ejemplo, aproximadamente el 80 % de todo el calor suministrado al espacio de trabajo se extrae del espacio de trabajo con los gases de combustión, en los hornos de calefacción, aproximadamente el 60 %. Desde el espacio de trabajo de los hornos, los gases de combustión se llevan consigo más calor, mayor su temperatura y menor el factor de utilización de calor en el horno. En este sentido, es conveniente asegurar la recuperación del calor de los humos, que puede realizarse en principio por dos métodos: con retorno de parte del calor extraído de los humos al horno y sin retorno calor al horno. Para implementar el primer método, es necesario transferir el calor extraído del humo al gas y al aire (o solo al aire) que ingresa al horno. Para lograr este objetivo, se utilizan ampliamente intercambiadores de calor de tipo recuperativo y regenerativo, cuyo uso permite aumentar la eficiencia de la unidad de horno, aumentar la temperatura de combustión y ahorrar combustible. Con el segundo método de aprovechamiento, el calor de los gases de combustión se utiliza en calderas de energía térmica y plantas de turbinas, lo que logra un importante ahorro de combustible.

En algunos casos, ambos métodos descritos de recuperación de calor residual se utilizan simultáneamente. Esto se hace cuando la temperatura de los gases de combustión después de los intercambiadores de calor del tipo regenerativo o recuperativo se mantiene lo suficientemente alta y es aconsejable una mayor recuperación de calor en las centrales térmicas. Así, por ejemplo, en hornos de hogar abierto, la temperatura de los gases de combustión después de los regeneradores es de 750-800 °C, por lo que se reutilizan en calderas de calor residual.

Consideremos con más detalle el problema de utilizar el calor de los gases de combustión con el retorno de parte de su calor al horno.

En primer lugar, cabe señalar que una unidad de calor extraída del humo e introducida en el horno por aire o gas (una unidad de calor físico) resulta mucho más valiosa que una unidad de calor obtenida en el horno como resultado de la combustión del combustible (una unidad de calor químico), ya que el calor del aire calentado (gas) no implica pérdida de calor con los gases de combustión. El valor de una unidad de calor físico es mayor cuanto menor es el factor de utilización de combustible y mayor es la temperatura de los gases de combustión.

Para el funcionamiento normal del horno, la cantidad requerida de calor debe suministrarse al espacio de trabajo cada hora. Esta cantidad de calor incluye no solo el calor del combustible, sino también el calor del aire o gas calentado, es decir,

Está claro que con = const el aumento permitirá disminuir. En otras palabras, la recuperación del calor residual de los gases de combustión permite lograr un ahorro de combustible, que depende del grado de recuperación de calor de los gases de combustión.

donde, respectivamente, la entalpía del aire caliente y los gases de combustión que salen del espacio de trabajo, kW o kJ / período.

El grado de recuperación de calor también puede llamarse eficiencia. recuperador (regenerador), %

Conociendo el grado de recuperación de calor, es posible determinar la economía de combustible mediante la siguiente expresión:

donde I "d, Id - respectivamente, la entalpía de los gases de combustión a la temperatura de combustión y saliendo del horno.

Reducir el consumo de combustible como resultado del uso del calor de los gases de combustión suele tener un efecto económico significativo y es una de las formas de reducir el costo de calentar metal en hornos industriales.

Además del ahorro de combustible, el uso del calentamiento por aire (gas) va acompañado de un aumento de la temperatura calorimétrica de combustión, que puede ser el objetivo principal de la recuperación cuando se calientan hornos con combustible de bajo poder calorífico.

Un aumento de at conduce a un aumento de la temperatura de combustión. Si es necesario proporcionar un cierto valor, entonces un aumento en la temperatura de calentamiento del aire (gas) conduce a una disminución en el valor, es decir, a una disminución en la proporción de gas con un alto calor de combustión en la mezcla de combustible.

Dado que la recuperación de calor puede ahorrar significativamente combustible, es aconsejable esforzarse por lograr el grado de utilización más alto posible y económicamente justificado. Sin embargo, debe señalarse de inmediato que el reciclaje no puede ser completo, es decir, siempre. Esto se explica por el hecho de que un aumento en la superficie de calentamiento es racional solo hasta ciertos límites, después de lo cual ya conduce a una ganancia muy insignificante en el ahorro de calor.

V.S. Galustov, Doctor en Ciencias Técnicas, Profesor, Director General de SE NPO "Politécnico"
L.A. Rozenberg, ingeniero, director de UE Yumiran.

Introducción.

Con gases de combustión de diversos orígenes, se emiten a la atmósfera miles y miles de Gcal de calor, así como miles de toneladas de contaminantes gaseosos y sólidos, y vapor de agua. En este artículo, nos centraremos en el problema de la recuperación de calor (hablaremos de la purificación de las emisiones de gases en el próximo mensaje). El aprovechamiento más profundo del calor de la combustión del combustible se realiza en las calderas de potencia térmica, para las cuales, en la mayoría de los casos, se prevén economizadores en su sección de cola. La temperatura de los gases de combustión después de ellos es de aproximadamente 130–190°C, es decir, está cerca de la temperatura del punto de rocío del vapor ácido, que es el límite inferior en presencia de compuestos de azufre en el combustible. Cuando se quema gas natural, esta limitación es menos significativa.

Los gases de combustión después de varios tipos de hornos pueden tener una temperatura significativamente más alta (hasta 300-500°C y más). En este caso, la recuperación de calor (y el enfriamiento del gas) es simplemente obligatorio, aunque solo sea para limitar la contaminación térmica del medio ambiente.

Unidades de recuperación de calor.

Incluso en el primer mensaje, limitamos el rango de nuestros intereses a procesos y dispositivos con contacto de fase directo, sin embargo, para completar el cuadro, también recordaremos y evaluaremos otras opciones. Todos los intercambiadores de calor conocidos se pueden dividir en dispositivos de contacto, de superficie y con un refrigerante intermedio. El primero de ellos será discutido con más detalle a continuación. Los intercambiadores de calor de superficie son calentadores tradicionales que se colocan directamente en la chimenea después del horno (caldera) y tienen serios inconvenientes que limitan su uso. En primer lugar, introducen una importante resistencia aerodinámica en la ruta del gas y empeoran el funcionamiento de los hornos (el vacío disminuye) con un extractor de humos de diseño, y su sustitución por una más potente puede no compensar los costes asociados al ahorrar calor. En segundo lugar, los bajos coeficientes de transferencia de calor del gas a la superficie de los tubos determinan los grandes valores de la superficie de contacto requerida.

Los aparatos con un portador de calor intermedio son de dos tipos: operación intermitente con un portador de calor sólido y operación continua con uno líquido. Los primeros son al menos dos columnas rellenas, por ejemplo, con granito triturado (empaque). Los gases de combustión pasan a través de una de las columnas, cediendo calor a la boquilla, calentándola a una temperatura ligeramente inferior a la temperatura de los gases. Luego, los gases de combustión se cambian a la segunda columna y el medio calentado se suministra a la primera (generalmente aire suministrado al mismo horno o aire del sistema de calentamiento de aire), etc. Las desventajas de tal esquema son obvias (alta resistencia, volumen, inestabilidad de temperatura, etc.), y su aplicación es muy limitada.

Los aparatos con un portador de calor intermedio líquido (generalmente agua) se denominaron intercambiadores de calor de contacto con relleno activo (KTAN), y los autores, después de una ligera mejora, los llamaron intercambiadores de calor con refrigerante saturado y condensación (TANTEK). En ambos casos, el agua calentada por los gases de combustión cede el calor recibido a través de la pared del intercambiador de calor incorporado en la superficie al agua limpia (por ejemplo, sistemas de calefacción). En comparación con los calentadores, la resistencia de dichos intercambiadores de calor es mucho menor y, en términos de intercambio de calor en los gases de combustión: el sistema de agua, son completamente similares al aparato de rociado de flujo directo que nos interesa. Sin embargo, existen diferencias significativas, que discutiremos a continuación.

Los desarrolladores de los aparatos KTAN y TANTEK no consideran en sus publicaciones las características de la transferencia de calor en el contacto directo de los gases de combustión y el agua, por lo que nos detendremos en ellas con más detalle.

Los principales procesos en el sistema de gases de combustión - agua.

El resultado de la interacción de los gases de combustión calentados (por composición y propiedades, esto es en realidad aire húmedo) y agua (en forma de gotas de un tamaño u otro), que llamaremos medio acumulador de calor (se puede utilizar como portador de calor principal o intermedio), está determinado por una amplia gama de procesos.

Simultáneamente con el calentamiento, puede ocurrir condensación de humedad en la superficie de las gotas o evaporación. De hecho, hay tres opciones para la dirección mutua de los flujos de calor y humedad (transferencia de calor y transferencia de masa), que dependen de la relación de temperaturas de fase y la relación de presiones de vapor parciales en la capa límite (cerca de la gota) y en el núcleo del flujo de gas (Fig. 1a).

En este caso, el primer caso (superior), cuando los flujos de calor y humedad se dirigen de las gotas al gas, corresponde al enfriamiento por evaporación del agua; el segundo (medio) - gotas de calentamiento con evaporación simultánea de humedad de su superficie; la tercera versión (inferior), según la cual el calor y la humedad se dirigen del gas a las gotas, refleja el calentamiento del agua con condensación de vapor. (Parecería que también debería haber una cuarta opción, cuando el enfriamiento de las gotas y el calentamiento del gas van acompañados de condensación de humedad, pero esto no ocurre en la práctica).

Todos los procesos descritos se pueden representar visualmente en el diagrama de Ramzin del estado del aire húmedo (diagrama H-x, Fig. 1b).

Ya de lo dicho, podemos concluir que la tercera opción es la más deseable, pero para entender cómo asegurarla, es necesario recordar además de lo dicho en:

- la cantidad de vapor de agua contenida en 1 m3 de aire húmedo se denomina humedad absoluta del aire. El vapor de agua ocupa todo el volumen de la mezcla, por lo que la humedad absoluta del aire es igual a la densidad del vapor de agua (en determinadas condiciones) pp

- cuando el aire está saturado de vapor, llega un momento en que comienza la condensación, es decir el máximo contenido de vapor posible en el aire se alcanza a una temperatura dada, que corresponde a la densidad del vapor de agua saturado pH;

- la relación entre la humedad absoluta y la máxima cantidad posible de vapor en 1 m3 de aire a una presión y temperatura determinadas se denomina humedad relativa f;

- la cantidad de vapor de agua en kg por 1 kg de aire absolutamente seco se denomina contenido de humedad del aire x;

- el aire húmedo como portador de calor se caracteriza por la entalpía / (contenido de calor), que es función de la temperatura y el contenido de humedad del aire y es igual a la suma de las entalpías del aire seco y el vapor de agua. En la forma más conveniente para la aplicación práctica, la fórmula para calcular la entalpía se puede representar

Yo \u003d (1000 + 1.97. 103x) t + 2493. . 103x J / kg de aire seco, donde 1000 es la capacidad calorífica específica del aire seco, J / kg * grado); 1.97 * 103 - capacidad calorífica específica del vapor, J / (kg * grados); 2493*103 es un coeficiente constante aproximadamente igual a la entalpía del vapor a 0°C; t es la temperatura del aire, °С;

I = 0,24t + (595 + 0,47t) Xkcal/kg aire seco; donde 595 es un coeficiente constante aproximadamente igual a la entalpía del vapor a 0°C; 0,24 es la capacidad calorífica específica del aire seco, kcal/(kgtrad); 0,47 es la capacidad calorífica del vapor, kcal/(kgtrad);

- cuando el aire se enfría (en condiciones de contenido de humedad constante), la humedad relativa aumentará hasta alcanzar el 100%. La temperatura correspondiente se denomina temperatura de punto de rocío. Su valor está determinado únicamente por el contenido de humedad del aire. En el diagrama de Ramzin, este es el punto de intersección de la línea vertical x = const con la línea φ = 1.

El enfriamiento del aire por debajo del punto de rocío va acompañado de condensación de humedad, es decir, secado al aire.

Cierta confusión es causada por publicaciones que dan valores de punto de rocío para varios combustibles sólidos y líquidos del orden de 130-150 ° C. Hay que tener en cuenta que esto se refiere al comienzo de la condensación de vapores de ácido sulfúrico y sulfuroso (denotamos eetpK), y no vapor de agua (tp), que discutimos anteriormente. Para estos últimos, la temperatura del punto de rocío es mucho más baja (40-50°C).

Por lo tanto, tres cantidades (tasa de flujo, temperatura y contenido de humedad (o temperatura de bulbo húmedo)) caracterizan completamente los gases de combustión como fuente de recursos energéticos secundarios.

Cuando el agua entra en contacto con gases calientes, el líquido se calienta inicialmente y los vapores se condensan en la superficie de las gotas frías (corresponde a la tercera opción en la Fig. 1a) hasta que se alcanza la temperatura correspondiente al punto de rocío del gas, es decir el límite de la transición al segundo régimen (variante 3 en la Fig. 1a). Además, a medida que el agua se calienta y la presión parcial del vapor en la superficie de las gotitas aumenta, la cantidad de calor transferido a ellas debido a la transferencia de calor Q1 disminuirá y la cantidad de calor transferido de las gotitas a los gases de combustión debido a la evaporación Q2 aumentará. Esto continuará hasta que se alcance el equilibrio (Q1 = Q2), cuando todo el calor recibido por el agua de los gases de combustión será devuelto al gas en forma de calor de evaporación del líquido. Después de eso, es imposible calentar más el líquido y se evapora a una temperatura constante. La temperatura alcanzada en este caso se denomina temperatura de bulbo húmedo tM (en la práctica, se define como la temperatura indicada por un termómetro, cuyo bulbo se cubre con un paño húmedo, del que se evapora la humedad).

Por lo tanto, si se suministra agua con una temperatura igual (o mayor que) tM al intercambiador de calor, entonces se observará un enfriamiento adiabático (con un contenido de calor constante) de los gases y no habrá recuperación de calor (sin contar las consecuencias negativas - pérdida de agua y humidificación de gases).

El proceso se vuelve más complicado si tenemos en cuenta que la composición de las gotas es polidispersa (debido a los mecanismos de descomposición del líquido durante la pulverización). Pequeñas gotas alcanzan instantáneamente tM y comienzan a evaporarse, cambiando los parámetros del gas hacia un aumento en el contenido de humedad;

calentar y condensar la humedad. Todo esto ocurre simultáneamente en ausencia de límites claros.

Es posible analizar exhaustivamente los resultados del contacto directo entre gotas de un medio que acumula calor y gases de combustión calientes solo sobre la base de un modelo matemático que tiene en cuenta todo el complejo de fenómenos (transferencia simultánea de calor y masa, cambios en los parámetros del medio, condiciones aerodinámicas, composición polidispersa del flujo de gotas, etc.).

La descripción del modelo y los resultados del análisis basado en él se dan en la monografía, que recomendamos al lector interesado. Aquí notamos solo lo principal.

Para la mayoría de los gases de combustión, la temperatura de bulbo húmedo está en el rango de 45-55 °C, es decir, el agua en la zona de contacto directo con los gases de combustión, como se indicó anteriormente, solo puede calentarse a la temperatura especificada, aunque con una recuperación de calor suficientemente profunda. La humidificación preliminar de gases, según lo previsto por el diseño de TANTEK, no solo no conduce a un aumento en la cantidad de calor utilizado, sino incluso a su disminución.

Y, por último, hay que tener en cuenta que cuando se utilice calor, incluso de gases que no contengan compuestos azufrados, no se deben enfriar por debajo de los 80 °C (es difícil su evacuación al medio ambiente por conducto y chimenea).

Expliquemos lo dicho con un ejemplo concreto. Deje que los gases de combustión después de la caldera en la cantidad de 5000 kg/h, con una temperatura de 130 °C y un contenido de humedad de 0,05 kg/kg, entren en contacto con un medio de recuperación de calor (agua, tH = 15 °C). Del diagrama H-x encontramos: tM= 49.5°C; tp= 40°C; Yo \u003d 64 kcal / kg. Los cálculos del modelo mostraron que cuando los gases se enfrían a 80 °C mediante un flujo polidisperso de gotas con un diámetro promedio de 480 μm, el contenido de humedad en realidad permanece sin cambios (la evaporación de las gotas pequeñas se compensa con la condensación de las grandes), tM se vuelve igual a 45°C, y contenido calorífico I = 50 kcal/kg. Así, se utilizan 0,07 Gcal/h de calor, y el medio de almacenamiento de calor en la cantidad de 2,5 m3/h se calienta de 15 a 45°C.

Si usamos TANTEK y preliminarmente llevamos a cabo la humidificación — enfriamiento adiabático de los gases a t-100°C, y luego los enfriamos a 80°C a X = constante, entonces los parámetros finales del gas serán: tM = 48°C; I = 61,5°C. Y aunque el agua se calentará un poco más (hasta 48 °C), la cantidad de calor utilizada se reduce 4 veces y será de 0,0175 Gcal/h.

Opciones para organizar la recuperación de calor.

La solución de un problema específico de aprovechamiento del calor de los gases de combustión depende de una serie de factores, incluida la presencia de contaminantes (determinados por el tipo de combustible quemado y el objeto del calentamiento de los gases de combustión), la presencia de un consumidor de calor o agua caliente directamente , etc.

En la primera etapa, es necesario determinar la cantidad de calor que, en principio, se puede extraer de los gases de combustión disponibles y evaluar la viabilidad económica de la recuperación de calor, ya que los costos de capital para ello no son proporcionales a la cantidad de calor recuperado.

Si la respuesta a la primera pregunta es sí, entonces se debe evaluar la posibilidad de usar agua moderadamente calentada (por ejemplo, cuando se quema gas natural, enviarla para preparar agua de reposición para calderas o sistemas de calefacción, y si el producto objetivo es contaminado con partículas de polvo, utilícelo para preparar la masa cruda, por ejemplo, en la producción de productos cerámicos, etc.). Si el agua está demasiado contaminada, es posible proporcionar un sistema de dos circuitos o combinar la recuperación de calor con la limpieza de gases de combustión (para obtener temperaturas más altas (por encima de 45-5 CPC) o una etapa de superficie).

Hay muchas opciones para organizar el proceso de recuperación de calor. La eficiencia económica del evento depende de la elección de la solución óptima.

Literatura:

1. Galustov BC Procesos y aparatos de transferencia de calor y masa con contacto directo de fase en ingeniería de energía térmica // Energía y gestión.— 2003.— No. 4.

2. Galustov B.C. Aparato de pulverización de flujo directo en ingeniería de energía térmica - M .: Energoatomizdat, 1989.

3. Sujánov V.I. y otros Instalaciones de recuperación de calor y depuración de gases de combustión de calderas de vapor y agua caliente.- M.: AQUA-TERM, julio de 2001.

4. Planovsky A.N., Ramm V.M., Kagan S.Z. Procesos y aparatos de tecnología química.— M.: Goshimizdat, 1962.—S.736-738.

Uso: energía, recuperación de calor residual. Esencia de la invención: el flujo de gas se humedece haciéndolo pasar a través de una película de condensado formada sobre una lámina diédrica perforada 4, donde los gases se saturan de vapor de agua. En la cámara 2 por encima de la hoja 4, la condensación volumétrica de vapor de agua se produce en las partículas de polvo y las pequeñas gotas del flujo de vapor-gas. La mezcla de gas y vapor preparada se enfría a la temperatura del punto de rocío mediante la transferencia de calor del flujo del medio calentado a través de la pared de los elementos de intercambio de calor 8. El condensado del flujo cae sobre las particiones inclinadas 5 con rampas 10 y luego ingresa al hoja 4 a través del tubo de desagüe 9. 1 lodo.

La presente invención se relaciona con el campo de la tecnología de calderas, y más específicamente con el campo de la recuperación de calor de gases de escape. Un método conocido para utilizar el calor de los gases de escape (USSR ed.St. N 1359556, MKI F 22 B 33/18, 1986), que es el análogo más cercano, en el que los productos de combustión se humedecen a la fuerza secuencialmente, se comprimen en un compresor , enfriado a una temperatura por debajo de la temperatura del punto de rocío junto con la condensación de vapor de agua a una presión superior a la atmosférica, se separan en el separador, se expanden con una disminución simultánea de la temperatura en el turboexpansor y se eliminan a la atmósfera. Un método conocido de utilización de calor de gas residual (GDR, Pat. N 156197, MKI F 28 D 3/00, 1982) se logra mediante el movimiento a contracorriente en el intercambiador de calor de gas residual y un medio líquido intermedio calentado a una temperatura superior a la del rocío. temperatura de punto de los gases de escape, que se enfrían a una temperatura por debajo del punto de rocío. Un método conocido de calentamiento a baja temperatura utilizando el valor calorífico bruto del combustible (Alemania, solicitud N OS 3151418, MKI F 23 J 11/00, 1983), que consiste en que el combustible se quema en el dispositivo de calefacción con la formación de gases calientes que ingresan al dispositivo de calentamiento hacia adelante y hacia los lados. En parte de la trayectoria del flujo, los gases combustibles se dirigen hacia abajo con la formación de condensado. Los gases combustibles a la salida tienen una temperatura de 40 45 o C. El método conocido permite enfriar los gases de escape por debajo de la temperatura del punto de rocío, lo que aumenta ligeramente la eficiencia térmica de la instalación. Sin embargo, en este caso, el condensado se rocía a través de las boquillas, lo que conduce a un consumo de energía adicional para las propias necesidades y aumenta el contenido de vapor de agua en los productos de combustión. La inclusión de un compresor y un turbo expansor en el circuito, que comprimen y expanden los productos de la combustión, respectivamente, no mejora la eficiencia y, además, conduce a un consumo de energía adicional asociado con pérdidas en el compresor y el turbo expansor. El objetivo de la invención es intensificar la transferencia de calor con un aprovechamiento profundo del calor de los gases de escape. El problema se soluciona debido a que la humidificación del flujo de gas se realiza haciéndolo pasar a través de la película de condensado con saturación del flujo con vapor de agua, seguida de la condensación de este último, así como la caída del condensado sobre dicha película. y drenar la parte no evaporada. El método propuesto se puede implementar en el dispositivo que se muestra en el dibujo, donde: 1 colector de condensado, 2 cámara, 3 carcasa, 4 hoja perforada de inclinación desigual diedro, 5 tabiques inclinados, 6 - difusor bidimensional cónico, 7 difusor de expansión, 8 superficie de intercambio de calor, 9 tubería de drenaje, 10 canalón, 11 superficie de contacto, 12 - separador, 13 intercambiador de calor de sobrecalentamiento, 14 extractor de humo, 15 chimenea, 16 sello de agua, 17 eje horizontal. El funcionamiento del dispositivo según el método propuesto para utilizar el calor de los productos de combustión es similar a un tubo de calor de tipo atmosférico. Su parte de evaporación está ubicada en la parte inferior de la cámara 2, desde donde se eleva la mezcla preparada de vapor y gas, y la parte de condensación está en las superficies de intercambio de calor 3, desde donde el condensado fluye hacia abajo por las particiones inclinadas 5 con canaletas 10 a través de los tubos de drenaje 9 sobre la placa perforada diedro desigual 4, y el exceso - en el colector de condensado 1. Los productos de combustión provenientes del intercambiador de calor sobrecalentado 13 burbujean una película de condensado en una placa perforada diedro inclinada desigual 4. El condensado se rocía , calentado y evaporado, y su exceso fluye hacia el colector de condensado 1. Los gases de combustión están saturados con vapor de agua a una presión aproximadamente igual a la atmosférica. Depende del modo de funcionamiento conjunto del ventilador y extractor de humos 14. En la cámara 2, el vapor de agua se encuentra en un estado sobresaturado, ya que la presión de vapor en la mezcla de gases es mayor que la presión de vapor saturado. Las gotas más pequeñas, partículas similares al polvo de los productos de combustión, se convierten en centros de condensación, en los que se lleva a cabo el proceso de condensación volumétrica de vapor de agua en la cámara 2 sin intercambio de calor con el medio ambiente. La mezcla de gas y vapor preparada se condensa en las superficies de intercambio de calor 8. Cuando la temperatura de la superficie de estos elementos de intercambio de calor 8 es significativamente más baja que la temperatura del punto de rocío, el contenido de humedad de los productos de combustión después del intercambiador de calor es más bajo que el inicial. . La fase final de este proceso continuo es la pérdida de condensado en los tabiques inclinados 5 con quejas 10 y su entrada en la chapa perforada 4 a través del tubo de drenaje 9. El logro de la tarea se confirma por lo siguiente: 1. El valor de el coeficiente de transferencia de calor aumentó a 180 250 W / m 2 o C, lo que reduce drásticamente el área de la superficie de intercambio de calor y, en consecuencia, reduce los parámetros de peso y tamaño. 2. Una disminución de 2,5 a 3 veces en el contenido inicial de humedad del vapor de agua en los gases de escape reduce la intensidad de los procesos de corrosión en la ruta del gas y la chimenea. 3. La fluctuación de la carga del generador de vapor no afecta la eficiencia de la planta de calderas.

Afirmar

Un método para aprovechar el calor de los gases de escape, que consiste en que el flujo de gas se humidifica y se enfría a la temperatura del punto de rocío mediante la transferencia del calor del flujo al medio calentado a través de la pared, caracterizado porque el flujo de gas se humidificado haciéndolo pasar por una película de condensado con saturación del caudal con vapor de agua, seguida de la condensación de este último, así como la precipitación del condensado sobre dicha película y el escurrimiento de su parte no evaporada.