29.4.2016
Kotel na odpadní teplo pro PPC
Kotel na odpadní teplo pro PPC
Ozna ení
KNOT (Doc. Kolovratník) HRSG = Heat Recovery Steam Generator
Funkce
dochladit spaliny odcházející z plynové turbíny vyrobit páru pro pohon parní turbíny
Dv základní koncepce
bez p itáp ní – pro PPE s p itáp ním – teplárenské aplikace
1
2
Spalování zemního plynu
Zemní plyn
je nej ast ji užívaným palivem pro pohon plynových turbín typické složení a výh evnost zemního plynu CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 CO2 N2 Výh evnost plynu
0,980830 0,005910 0,002020 0,000791 0,000212 0,000172 0,001380 0,008680 35 900 kJ/Nm3 46 800 kJ/kg
výsledky stechiometrického výpo tu Nm3/Nm3 Nm3/kg Spot eba vzduchu : minimální objem kyslíku minimální objem suchého vzduchu minimální objem vlhkého vzduchu Vzniklé spaliny : objem oxidu uhli itého objem oxidu si i itého objem dusíku objem vzácných plyn objem suchých spalin objem vodní páry ve spalinách objem vlhkých spalin
2,0009 2,7401 9,5282 13,0792 9,6418 13,2885 1,0022 1,3680 0,0000 0,0000 7,4454 10,2299 0,0877 0,1205 8,5353 11,7185 2,1075 2,9411 10,6428 14,6596
3
Spalování zemního plynu
4
Spalování zemního plynu
Závislost adiabatické spalovací teploty na sou initeli p ebytku vzduchu
složení spalin na výstupu ze spalovací turbíny
Teplota Tlak Složení
550 - 600 °C max. 0,03500 bar N2 O2 CO2 H2O Ar
74,59 %vol. 12,62 %vol. 3,73 %vol. 8,19 %vol. 0,87 %vol.
obsah O2 = 12,62 % odpovídá spalování s p ebytkem vzduchu ~ 2,35 5
6
1
29.4.2016
Paroplynový ob h
Paroplynový ob h
bez p itáp ní
s p itáp ním
7
Paroplynový ob h
8
Paroplynový ob h
s p itáp ním – m ížový ho ák bez p ívodu vzduchu
s p itáp ním – m ížový ho ák
1-stabiliza ní m íž, 2-rám, 3-ho ák, 4-izolace, 5-p ívod paliva, 6-zapalovací elektroda, 7-palivový otvor, 8-stabilizace 9-uzáv r 9
Specifika kotle na odpadní teplo
10
Q-t diagram uhelného kotle
kotel nemá spalovací za ízení rozdíly proti klasickým kotl m jsou
výrazn nižší teplotní úrove spalin v kotli => d sledky
nižší parametry páry pokles teplotních spád na výh evných plochách použití žebrovaných trubek obvykle vícetlaký systém
p ísn protiproudé uspo ádání a zapojení výh evných ploch v kotli ryze konvek ní charakteristika všech ploch chybí oh ívák vzduchu => horší podmínky pro dochlazení spalin za kotlem
11
12
2
29.4.2016
Definice pinch pointu a approach pinch point = koncový teplotní rozdíl approach = nedoh ev
Paroplynový ob h jednotlaký systém
13
14
Paroplynový ob h
Teplotní pom ry v HRSG
jednotlaký systém
ur ení optimálních teplotních pom r je složitá úloha výsledek je funkcí ešení
energetických bilan ních rovnic podmínek p enosu tepla ve spalinovém kotli
do výpo tu vstupuje
hmotnostní pr tok spalin z plynové turbíny Ms hmotnostní pr tok vody vstupující do kotle Mw jejich podíl y = Mw / Ms teploty médií v uzlových bodech
15
Paroplynový ob h
Tepelná bilance HRSG cp (t´4 – t5) = y cp (t´4 – t´5) = y cp (t´5 – t5) = y =y
16
jednotlaký systém
(i6 – i8) (i6 – i9) (i9 – i8) = cw (t9 – t8)
sou asn musí platit
(t5 – t8); (t´5 – t9); (t4 – t6) > tmin tmin má rozhodující vliv na
velikost výh evných ploch tmin se volí 5 až 40 °C teplota t5
ur uje velikost komínové ztráty, a tedy i ú innosti HRSG je funkcí y a tmin 17
18
3
29.4.2016
Paroplynový ob h
Tepelná bilance HRSG p i zmenšování y teplota t5 roste p i y = 0 ob h p echází v ob h spalovací turbíny p i daných t4, y a tmin dostaneme malou hodnotu komínové ztráty
jednotlaký systém
v p ípad jednotlakového systému nízkými parametry parního ob hu – t9 použitím dvoutlakového ob hu
19
Paroplynový ob h
20
Paroplynový ob h
dvoutlaký systém
dvoutlaký systém
21
Paroplynový ob h
22
Paroplynový ob h
t ítlaký systém
t ítlaký systém
23
24
4
29.4.2016
Paroplynový ob h
Paroplynový ob h
t ítlaký systém
t ítlaký systém
25
26
27
28
Paroplynový ob h t ítlaký systém
Paroplynový ob h
Koncová teplota spalin
porovnání z hlediska parametr páry
HRSG nemá oh ívák vzduchu koncovou plochou kotle je EKO p i tNVmin = 105 °C by byla koncová teplota spalin p íliš vysoká a ú innost kotle nízká pro lepší dochlazení spalin se za EKO adí ješt spalinový regenera ní oh ívák napájecí vody, který je zapojen k parnímu regenera nímu oh evu
29
sériov paraleln
30
5
29.4.2016
Spalinový regenera ní oh ívák
Spalinový regenera ní oh ívák
zapojený sériov k parnímu regenera nímu p edeh evu
zapojený paraleln k parnímu regenera nímu p edeh evu
31
32
Ú innost HRSG
Ú innost HRSG
(vztaženo ke spalnému teplu)
ú innost závisí na
vstupní teplot spalin výstupní teplot spalin p ebytku spalovacího vzduchu velikosti a teplot povrchu kotle
P íklad:
vstupní teplota spalin 580 °C výstupní teplota spalin 90 °C p ebytek spalovacího vzduchu 2,35 0,5 % ztráta sdílením tepla do okolí ú innost HRSG vztažená k teplu spalin na vstupu 88 % ú innost HRSG vztažená k výh evnosti plynu 93,5 % ú innost samotného HRSG se obvykle negarantuje a není p edm tem p ejímacího ízení – garantuje se ú innost PPC
33
34
Optimalizace návrhu HRSG
Vliv výkonu na ú innost PPC
složitá úloha s velkým po tem stup volnosti optimalizovanými parametry jsou
koncová teplota spalin po et tlakových hladin pinch point a nedoh ev na výh evných plochách d lení a azení výh evných ploch
Provádí se pomocí výpo tových softwar Thermoflow (GT PRO) Gate Cycle (GE) Tempo Cycle (voln ši itelný) 35
36
6
29.4.2016
Konstruk ní provedení HRSG
Vliv pinch pointu na velikost a cenu plochy
Konstruk ní varianty
horizontální uspo ádání vertikální uspo ádání
Provedení výparníku
bubnové s p irozenou nebo nucenou cirkulací pr to né
Pracovní tlak
podkritický nadktirický
37
Horizontální HRSG
38
Horizontální HRSG
výparník s p irozenou cirkulací je z technického hlediska jednodušší
39
Vertikální HRSG
40
Vertikální HRSG
výparník s nucenou cirkulací vhodné pro p ípady s prostorovým omezením ohyb proudu spalin p ed vstupem je zdrojem v tší nerovnom rnosti proud ní v prvních plochách 41
42
7
29.4.2016
Horizontální x vertikální konstrukce Výhody vertikálního provedení
menší zastav ný p dorys menší velikost kotle z d vodu použití trubek menšího pr m ru menší citlivost na vznik parních zátek v EKU p i najížd ní
Systém výparníku HRSG s p irozenou cirkulací
s nucenou cirkulací
pr to ný
Výhody horizontálního provedení
rovnom rn jší pr ezové rozd lení spalin za GT p irozená cirkulace nevyžaduje erpadlo – platí do tlaku 100 bar vertikální orientace trubek ve výparníku podporuje cirkulaci v tepeln více zatížených trubkách
Zásadní rozdíl není – výrobci nabízejí ob provedení Celosv tov p evažují instalace horizontálních kotl s p irozenou cirkulací
43
Výparník s p irozenou cirkulací
44
Výparník s p irozenou cirkulací
45
46
P echod z cirkula ního na Benson v pr to ný systém výparníku
Výparník s nucenou cirkulací
47
48
8
29.4.2016
Provedení pr to ného výparníku
Zapojení pr to ného výparníku
49
Rozložení pr toku a tepelného zatížení na vysokotlakém pr to ném výparníku
50
Zkrácení doby najížd ní u pr to ného systému výparníku
51
Zkrácení doby najížd ní u pr to ného systému výparníku
52
Zkrácení doby najížd ní u pr to ného systému výparníku
53
54
9
29.4.2016
Cirkula ní x pr to ný výparník
Nadkritický HRSG
Nevýhody cirkula ního systému výparníku
vyžaduje buben s rostoucím tlakem (nad 100 bar) klesá cirkula ní íslo – riziko špatného chlazení trubek menší provozní pružnost v d sledku v tšího vodního objemu
Výhody pr to ného systému výparníku
Podmínkou výroby páry s nadkritickým tlakem v HRSG je
Motivace
odpadá buben neexistuje tlakové omezení zkrácení doby pro najížd ní a zm nu výkonu
užití pr to ného systému výparníku vyšší teplota spalin na výstupu z GT zvýšení ú innosti bloku zjednodušení koncepce HRSG
Z pohledu klasických blok se jedná pouze o mírn nadkritické parametry 55
56
Nadkritický HRSG
Vliv parametr páry na ú innost PPC
p echodem na nadkritický tlak
mizí pinch point na za átku výparníku roste teplota spalin za VT
57
58
Nový jednotlaký nadkritický HRSG
59
60
10
29.4.2016
Provedení výh evných ploch HRSG
Nový jednotlaký nadkritický HRSG
základním stavebním prvkem je žebrovaná trubka
61
62
Provedení výh evných ploch HRSG
Provedení výh evných ploch HRSG
základním stavebním prvkem je žebrovaná trubka
základním stavebním prvkem je žebrovaná trubka
63
64
Provedení st n HRSG St ny HRSG jsou v tšinou nechlazené Dv možnosti
studené provedení s vnit ní izolací horké provedení s vn jší izolací
Studené provedení st n
výhodné p i vysoké teplot spalin za GT b žn jší u kotl s p irozenou cirkulací
Horké provedení st n 65
výhodné p i nižší teplot spalin za GT b žn jší u vertikálních kotl m že trp t korozí na studeném konci 66
11
29.4.2016
Modulová koncepce HRSG
Modulová koncepce HRSG
67
68
DeNOx
Modulová koncepce HRSG
preferována metoda SCR reduk ním inidlem je
pavek – levn jší
mo ovina
69
DeNOx
70
DeNOx
katalyzátorem jsou
oxidy t žkých kov (Ti, V, W, Mo, Cu, Cr) (300 až 450°C) zeolity – aluminosilikáty (350 až 600°C) oxidy železa s obsahem fosfore nan železa aktivní uhlí (100 až 220°C)
71
72
12
29.4.2016
DeNOx
Provozní rizika HRSG vysokoteplotní koroze
u ZP p i vhodné volb materiálu riziko malé spalování oleje a mazutu riziko vanadové koroze (V2O5) na p eh ívácích s teplotou nad 500 °C riziko sírové koroze v kombinaci s chlorem
73
74
Provozní rizika HRSG
Provozní rizika HRSG zanášení výh evných ploch
nízkoteplotní koroze
u ZP riziko malé – nízká teplota rosného bodu spalin riziko roste p i spalování sirnatých plyn nebo mazutu
75
u ZP riziko malé p i spalování oleje zanášení žebrovaných trubek – je t eba volit v tší rozte žeber a plochy istit
76
13
