Как экономайзеры котлов снижают энергопотребление и затраты на топливо

Как экономайзеры котлов снижают энергопотребление и затраты на топливо

Все промышленные котлы теряют часть энергии топлива с горячими дымовыми газами, уходящими непосредственно через дымовую трубу. На многих предприятиях эти избыточные потери составляют 10–15% от общего расхода топлива. Экономайзер котла, или установка утилизации тепла дымовых газов, возвращает эту неиспользованную энергию в питательную воду до её поступления в барабан котла. Результат: меньше топлива на каждый фунт произведённого пара; ниже температура газов в дымовой трубе; измеримое сокращение эксплуатационных расходов. В этом разделе рассматриваются принцип работы экономайзеров котлов, различия между конденсационными и неконденсационными типами, экономия топлива по результатам испытаний U.S. Department of Energy, особенности подбора, типичные проблемы технического обслуживания и возможность оптимальной утилизации тепла при установке экономайзера в системах водотрубных паровых котлов.

Что такое экономайзер котла и как он работает?

Экономайзер котла — это теплообменник, установленный в газоходе между напорным патрубком котла и дымовой трубой. Горячие дымовые газы проходят из камеры сгорания вдоль ряда оребрённых труб, по которым поступает питательная вода, и передают ей тепло до её поступления в барабан котла. Теплообмен происходит по мере того, как экономайзер, или теплообменник дымовых газов, охлаждает газы от высокой температуры до более низкой температуры на выходе, улучшая параметры питательной воды перед её поступлением в котёл. Поскольку теперь в котёл поступает более тёплая питательная вода, для её нагрева выше температуры кипения и превращения в пар требуется меньше энергии топлива. На электростанциях с турбинными установками экономайзеры (также встречается написание economisers) помогают стабилизировать параметры питательной воды перед пароперегревателем — подобно тому, как HRSG утилизирует энтальпию выхлопных газов в парогазовых установках. Степень утилизации тепла зависит от разности температур между дымовыми газами (350–600F в зависимости от типа котла и нагрузки) и поступающей питательной водой (часто 180–230F). Чем больше эта разность, тем больше энергии можно утилизировать. В типовой установке с паровым котлом на природном газе экономайзер размещают между последним газоходом котла и дымовой трубой — непосредственно на выходном фланце котла или в виде отдельного узла в газоходе.

Типы экономайзеров котлов: неконденсационные и конденсационные

Экономайзеры котлов делятся на два основных типа в зависимости от степени охлаждения дымовых газов. Выбор типа определяет возможную степень охлаждения и требования к отводу коррозионно-активного конденсата.

Неконденсационные (обычные) экономайзеры

Неконденсационные экономайзеры поддерживают температуру дымовых газов на выходе выше точки росы — обычно выше 250F при сжигании природного газа. Это ограничивает конденсацию влаги на теплообменной поверхности в газоходе и исключает кислотную коррозию. Такие экономайзеры снижают температуру газов на выходе в дымовую трубу на 100–150F по сравнению с котлом без экономайзера, но не ниже безопасного уровня, превышающего точку росы. Для их изготовления подходит стандартная углеродистая сталь или чугун. Эти устройства повышают температуру питательной воды на 20–30F и обеспечивают экономию топлива на уровне 3–5% в большинстве промышленных котельных процессов.

Конденсационные экономайзеры

Конденсационный экономайзер предназначен для охлаждения дымовых газов ниже точки росы (примерно 135F для продуктов сгорания природного газа согласно информационному листку DOE по паровым системам #26A). Когда температура опускается ниже этого уровня, содержащийся в дымовых газах водяной пар начинает конденсироваться и отдавать скрытую теплоту, которая иначе ушла бы через дымовую трубу котла. Утилизация скрытой теплоты повышает общий КПД сильнее, чем утилизация только явной теплоты. Есть один компромисс: конденсационные экономайзеры необходимо изготавливать из коррозионно-стойких металлов. Типичное решение — алюминиевое оребрение на трубах из нержавеющей стали, которое не повреждается при прохождении промывочной воды со слабокислым конденсатом дымовых газов. Собранный конденсат имеет слабокислую реакцию (pH 3–4), поэтому его необходимо нейтрализовать и отвести. Для котлов, работающих на жидком топливе с повышенным содержанием серы, кислотная точка росы будет ещё выше (до 275–300F). В этом случае лучше выбирать неконденсационную конструкцию, если только змеевик экономайзера не изготовлен из стандартного сплава, стойкого к серной кислоте.

Сколько топлива может сэкономить экономайзер котла?

Согласно информационному листку U.S. Department of Energy по паровым системам #3, экономайзер питательной воды может снизить расход топлива на 5%–10% и в среднем окупается в течение 2 лет. При снижении температуры дымовых газов на каждые 40F КПД котла возрастает примерно на 1%. Рассмотрим реальный пример: паровой котёл на природном газе производительностью 20 т/ч при работе 8,000 ч/год и цене природного газа $8/MMBtu ежегодно расходует топливо примерно на $1.4 M. Снижение расхода топлива приблизительно на 6% благодаря экономайзеру позволяет сэкономить на энергоресурсах около $84,000 в год. Модернизация конденсационным экономайзером котла такого размера стоит около $80,000–$150,000 и по критериям DOE окупается за 2 года или менее. Конденсационный экономайзер даёт ещё больший эффект. Как показано в информационном листке DOE по паровым системам #26A, конденсационный экономайзер с низкотемпературным потребителем тепла позволяет потенциально снизить энергопотребление на 20% за счёт утилизации как явной, так и скрытой теплоты. Согласно контрольным показателям DOE, оптимальными объектами для модернизации экономайзерами являются котлы мощностью более 100 котельных л. с., работающие при давлении свыше 75 psig и под высокой нагрузкой в течение большей части года. Котлы, работающие с частичной нагрузкой или сезонно, дают меньший эффект, поскольку через них проходит значительно меньше отходящего тепла дымовых газов, а потери через дымовую трубу слишком малы, чтобы их утилизация была оправданной.

Подбор и монтаж: ключевые факторы для вашей котельной

Правильный подбор экономайзера для дымовой трубы котла не сводится к его соответствию номинальной производительности. На размеры теплообменных поверхностей, размещение в котельной и выбор материала влияет целый ряд факторов.

• ✔ Расход и температура дымовых газов — Чем больше объём и выше температура дымовых газов, тем больше тепла можно утилизировать. Измеряйте фактическую температуру в дымовой трубе при нормальной нагрузке, а не ориентируйтесь только на номинальные значения.
• ✔ Температура питательной воды на входе в экономайзер — Чем ниже температура поступающей питательной воды, тем больше разность температур и потенциал теплопередачи. В системах с деаэраторами питательная вода подаётся при температуре 225–230°F, что ограничивает доступную разность температур.
• ✔ Тип топлива и содержание серы — Природный газ имеет низкую кислотную точку росы (~135°F), поэтому горячие газы можно охлаждать сильнее. В установках на жидком топливе повышенное содержание серы поднимает кислотную точку росы до 275–300°F, ограничивая допустимое снижение температуры в дымовой трубе.
• ✔ Доступное пространство — Экономайзеры увеличивают высоту или длину тракта дымовых газов. Перед заказом измерьте свободное пространство между выходом котла и дымовой трубой либо местом её прохода через кровлю.
• ✔ Ограничения по противодавлению — Установка экономайзера увеличивает сопротивление тракта дымовых газов. Убедитесь, что дымосос (или естественная тяга) способен преодолеть дополнительный перепад давления без уменьшения подачи воздуха для горения.
• ✔ Тип котла: водотрубный или жаротрубный — Водотрубные котлы (например, SZS D-типа) обычно имеют более высокую температуру дымовых газов и работают при более высоком давлении, поэтому отлично подходят для модернизации экономайзерами. Эффект для жаротрубных агрегатов низкого давления может быть меньше и зависит от профиля нагрузки.

Распространённые проблемы и рекомендации по техническому обслуживанию

Экономайзеры работают надёжно и эффективно при условии правильного согласования с котельной установкой. В процессе эксплуатации могут развиваться некоторые виды повреждений, требующие регулярного технического обслуживания, которое позволяет предприятию избежать дорогостоящей замены труб или незапланированного простоя.

Коррозия при достижении кислотной точки росы

Когда температура дымовых газов опускается ниже кислотной точки росы, на трубах экономайзера образуется серная или угольная кислота. Это одна из основных причин наружного повреждения труб экономайзеров, работающих с жидким топливом или сырьём с высоким содержанием серы, приводящая к разрушению труб. При сжигании природного газа ниже точки росы водяного пара также возникает риск коррозии угольной кислотой, но в значительно меньшей степени. Профилактика: для неконденсационных экономайзеров поддерживайте минимальную температуру дымовых газов на выходе выше точки росы. Для конденсационных экономайзеров используйте коррозионно-стойкие сплавы и системы нейтрализации конденсата.

Кислородный питтинг (со стороны воды)

Недостаточное удаление кислорода из питательной воды котла приводит к локальному питтинговому повреждению внутренней поверхности труб экономайзера, которое со временем вызывает сквозную перфорацию. Этот основной вид коррозии экономайзера со стороны воды можно предотвратить надлежащей деаэрацией и химическим связыванием кислорода в соответствии с программой водоподготовки.

Загрязнение сажей и потери тепла (со стороны дымовых газов)

Скопление сажи и золы на поверхности оребрения образует теплоизоляционный слой со стороны дымовых газов и является классическим признаком снижения эффективности экономайзера. Чтобы предотвратить снижение КПД, теплообменную поверхность необходимо регулярно очищать от сажи механическим способом или паром. Постепенное увеличение перепада температур на экономайзере, вероятно, является первым признаком загрязнения, которое следует устранить на ранней стадии.

Утилизация отходящего тепла: зачем оснащать водотрубный котёл SZS экономайзером

Водотрубные котлы особенно хорошо подходят для применения экономайзеров благодаря более высокой рабочей температуре дымовых газов и более высокому рабочему давлению по сравнению с жаротрубными конструкциями. Выпускаемая Taiguo Boiler серия водотрубных котлов SZS D-типа с диапазоном КПД 92–98% уже успешно применяется в одних из самых энергоэффективных в мире газовых и жидкотопливных паровых котельных установок; установка экономайзера для утилизации отходящего тепла на котле SZS может дополнительно повысить КПД уже эффективной установки на 5–8%. Серия SZS имеет диапазон производительности 2–100 т/ч, при этом каждый котёл может комплектоваться встроенным экономайзером для утилизации тепла горячих газов без проблем с противодавлением или образованием конденсата на поверхностях из углеродистой стали. Экономайзер на котле SZS, работающем на природном газе, также позволяет достичь КПД выше 95% — это реальная возможность экономии энергии на производствах с высокой пропускной способностью. Наш инженерный отдел может выполнить расчёт экономайзера в рамках стандартной подготовки коммерческого предложения на котёл. Мы подберём площадь теплообменной поверхности и конфигурацию змеевика с учётом фактической нагрузки, выбранного топлива и температуры питательной воды, чтобы предприятие получило подходящий экономайзер, а не стандартное изделие, выбранное приблизительно.

Запросить предложение по подбору экономайзера

Часто задаваемые вопросы