Конструкция нагревательной поверхности парогенератора: материалы труб, геометрия ребер и производственные процессы.
Практическая методика выбора и изготовления нагревательных поверхностей для парогенераторов с рекуперацией тепла с учетом профиля температуры газа.
Краткое содержание
Проектирование нагревательной поверхности парогенератора с рекуперацией тепла не сводится к применению одного сорта труб или одной конфигурации ребер по всей установке. Подходящее решение меняется вдоль газового тракта и должно быть проверено на соответствие фактическому проектному замыслу.
1. Почему в нагревательных поверхностях парогенераторов используются оребренные трубки?
Парогенератор с рекуперацией тепла представляет собой преимущественно конвективный теплообменник. Выхлопные газы газовой турбины передают тепло от трубных пучков к воде или пару, протекающим внутри труб.
Со стороны газа коэффициент теплопередачи обычно значительно ниже, чем со стороны воды или кипения. Поэтому для достижения требуемой тепловой мощности в пределах практичных размеров модуля и глубины газового тракта широко используется технология увеличения площади поверхности.
Распространенной конструкцией парогенератора с рекуперацией тепла является труба с винтовым оребрением, сваренная высокочастотным контактным нагревом (ВЧК) . На трубу непрерывно наматывается полоса ребер, а локальный высокочастотный контактный нагрев и давление формируют сварное соединение между ребрами и трубой.
Затем из оребренных труб изготавливаются следующие изделия:
- прямые трубчатые элементы;
- змеевидные завитки;
- Нагревательные элементы, соединенные с коллектором; и
- Переносные модули HRSG.
Окончательная конфигурация зависит от тепловой нагрузки, допустимого перепада давления, размеров модуля, ограничений по подъему и транспортировке, доступа для технического обслуживания и специфических конструктивных требований проекта.
Сама по себе площадь поверхности не гарантирует производительность.
Большая площадь внешней поверхности не означает автоматически более совершенную конструкцию парогенератора.
Изменение высоты, шага, толщины или типа ребер приводит к следующим изменениям:
- эффективный коэффициент теплопередачи;
- эффективность ребер;
- скорость газа через пучок;
- падение давления;
- температура металла трубки;
- обрастающее поведение; и
- доступность для уборки.
Для технического сравнения более информативными являются гарантированная тепловая нагрузка, перепад давления со стороны газа, условия на выходе и полная геометрия оребренных труб, чем только площадь поверхности.
2. Профиль температуры газа определяет проектные зоны.
Отправной точкой для выбора нагревательной поверхности являются специфические для проекта условия отходящих газов, предоставленные производителем газовой турбины или проектировщиком технологического процесса.
В типичном парогенераторе с рекуперацией тепла различного давления нагревательные поверхности вдоль газового тракта могут располагаться приблизительно следующим образом:
Выхлопная система GT / горячий газ ↓ Перегреватель/подогреватель высокого давления Испаритель HP HP Экономайзер IP-перегреватель Испаритель/экономайзер IP Супернагреватель сжиженного газа Испаритель LP Экономайзер сжиженного газа / Подогреватель конденсата ↓ Куча
Точная последовательность зависит от схемы цикла, параметров пара, дополнительного сжигания топлива, расположения катализатора SCR/CO и конфигурации проекта.
Важным конструктивным моментом является то, что температура газа непрерывно изменяется внутри парогенератора . Следовательно, нагревательные поверхности на горячем и холодном концах не подвергаются воздействию одних и тех же материалов, коррозии или температур ребер.
По этой причине в хорошо спроектированном парогенераторе с рекуперацией тепла обычно учитываются следующие параметры по всей длине газового тракта:
- материал трубки;
- материал ребер;
- высота плавника;
- шаг ребер / плотность ребер;
- конфигурация с цельными или зубчатыми ребрами;
- расстояние между трубками;
- расположение рядов; и
- При необходимости предоставляются средства для уборки.
В качестве основы для проектирования всегда следует использовать заданные производителем параметры температуры выхлопных газов, массового расхода, допустимого падения давления и режимов работы, характерные для конкретного проекта.
3. Выбор материала для опорной трубы
Материал опорной трубы следует выбирать, исходя из расчетной проектной температуры металла , давления, применимых строительных норм и требуемых свойств материала.
Одной лишь температуры газа недостаточно для выбора материала детали, работающей под давлением.
3.1 Типичные семейства материалов
Следующие марки стали обычно встречаются на нагревательных поверхностях парогенераторов и котлов-утилизаторов тепла. Фактическое использование этих марок должно быть подтверждено соответствием применимым нормам и расчетным условиям.
Китайские марки стали GB или другие национальные марки не следует рассматривать как прямые эквиваленты исключительно по номинальному химическому составу. Замена материала требует проверки применимого стандарта, допустимых напряжений, термической обработки, размеров, механических свойств, требований к сварке и утверждения проекта.
3.2 Выбор нагревательного элемента: используйте рассчитанную температуру металла.
В пароперегревателях и подогревателях стенка трубы работает при температуре выше внутренней температуры пара, поскольку тепло должно проходить через газовую пленку, ребра, стенку трубы и внутреннюю пленку со стороны пара.
Таким образом, требуемый класс труб зависит от следующих факторов:
- температура и давление пара;
- локальная температура газа;
- Коэффициенты теплопередачи со стороны газа и пара;
- диаметр трубы и толщина стенки;
- геометрия ребер;
- расстояние между трубками и положение ряда; и
- Расчетный запас прочности, требуемый соответствующим кодексом.
Именно поэтому для самого горячего газового ряда не обязательно требуется труба самого высокого класса сплава, и не следует предполагать, что один и тот же материал труб подходит для всего пароперегревателя или подогревателя.
3.3 Марка 91 требует дополнительного контроля качества изготовления.
При использовании сплава SA-213 T91 или других высоколегированных ферритно-мартенситных материалов требования к контролю качества изготовления становятся более жесткими.
К важным мерам контроля относятся:
- идентификация материала;
- квалифицированные сварочные процедуры;
- предварительный нагрев и контроль температуры между проходами;
- регулируемый подвод тепла;
- При необходимости проводится термообработка после сварки;
- проверка твердости в указанных случаях; и
- тщательное управление переходами между разнородными металлами.
Сварные соединения из стали марки 91 также требуют внимания к ползучести в долгосрочной перспективе, включая потенциальную возможность повреждения типа IV в зоне термического воздействия при эксплуатации при высоких температурах.
Поэтому при выборе материала следует учитывать не только допустимые напряжения, но и то, сможет ли технология изготовления и контроля качества надежно выдерживать выбранный класс материала.
3.4 Выбор холодной части: коррозия может стать определяющим фактором раньше, чем прочность.
В холодной части парогенератора прочность материала зачастую не является первостепенной задачей. Более важными факторами могут стать состав топлива, температура воды/пара и возможность коррозии, вызванной кислотой или точкой росы.
Таким образом, конструкция холодного блока может потребовать пересмотра следующих аспектов:
- минимальная температура металла трубы;
- содержание серы и примесей в топливе;
- ожидаемые условия эксплуатации и запуска;
- регулирование температуры питательной воды;
- стратегия рециркуляции;
- шаг стабилизатора и склонность к обрастанию; и
- коррозионностойкие материалы или покрытия там, где это оправдано.
При работе с двумя видами топлива или технологическими газами проверку следует проводить не только в условиях использования чистого топлива, но и в наиболее агрессивных средах, соответствующих условиям эксплуатации.
3.5. Нагрузка при езде на велосипеде влияет как на материалы, так и на конструкцию.
В системах рекуперации тепла и электроэнергии, которые часто запускаются и останавливаются, наблюдаются повторяющиеся температурные скачки.
Эти переходные процессы могут привести к следующим последствиям:
- температурные градиенты, проходящие сквозь стенки;
- дифференциальное расширение между рядами трубок;
- перемещение от головки к катушке;
- локальные напряжения ограничения; и
- накопленные усталостные повреждения.
Поэтому при циклической эксплуатации выбор материалов и компоновка модулей должны оцениваться совместно. Геометрия змеевика, соединительные трубопроводы, конструкция опор и расположение коллектора должны обеспечивать достаточную гибкость для ожидаемого теплового расширения.
4. Выбор материала для ребер
Материал ребер не следует автоматически указывать того же класса, что и материал трубки напорной части.
Тепло передается от горячего газа к ребру, а затем от основания ребра через сварное соединение в трубу. В результате:
- На корневую часть плавника сильно влияет температура стенки трубки;
- На кончик ребра сильнее влияет локальная температура газа;
- Распределение температуры зависит от высоты ребер, их толщины, теплопроводности, шага ребер и условий со стороны газа.
Поэтому при эксплуатации в горячем конце расчетную или иным образом обоснованную температуру ребер следует проверять отдельно от температуры металла трубки.
Практический подход к отбору
В случаях, когда ребра и труба изготовлены из разнородных материалов, необходимо продемонстрировать пригодность метода оребрения HFW для конкретного сочетания материалов.
Также следует учитывать разницу в термическом расширении между материалом ребер и труб, особенно при циклической эксплуатации.
5. Выбор геометрии плавников
Геометрию плавников следует оптимизировать, а не максимизировать.
К основным переменным относятся:
- наружный диаметр трубки;
- высота плавника;
- толщина ребра;
- шаг ребер / плотность ребер;
- Тип ребра: сплошное или зубчатое;
- поперечный шаг трубок;
- продольный шаг трубок;
- глубина трубного берега; и
- скорость газа.
Эти переменные влияют как на теплопередачу, так и на гидравлические характеристики.
5.1 Сплошные и зубчатые ребра
Зазубренные ребра прерывают пограничный слой со стороны газа и могут улучшить теплопередачу со стороны газа по сравнению с аналогичной конфигурацией с сплошными ребрами. Фактическое улучшение и связанное с этим увеличение перепада давления зависят от геометрии и условий потока.
Они обычно рассматриваются для использования в системах с чистым газом, где важны компактные размеры и высокая теплопередающая способность.
Сплошные ребра часто предпочтительнее в тех случаях, когда в конструкции больше внимания уделяется следующим аспектам:
- повышенная температура ребер;
- Устойчивость к загрязнению;
- доступ для очистки;
- загрязненный или содержащий твердые частицы газ; или
- консервативный режим работы нагревательного элемента.
Поэтому выбор следует основывать на полном диапазоне рабочих параметров, а не только на коэффициенте теплопередачи.
5.2 Коэффициент оребрения — это связанный параметр проектирования.
Увеличение площади ребер повышает доступную площадь теплопередачи со стороны газа, но при этом изменяет тепловой баланс трубки и сопротивление газового тракта.
Оптимальное соотношение размеров ребер зависит от:
- внутренний теплообмен со стороны жидкости и труб;
- локальная температура газа;
- допустимая температура металла трубы;
- Температура на кончике стабилизатора;
- эффективность ребер;
- Падение давления со стороны газа;
- склонность к загрязнению; и
- стратегия уборки.
Типичная тенденция в дизайне:
Окончательную геометрию следует проверять построчно на соответствие тепловым характеристикам и предельным температурам металла.
5.3 Падение давления со стороны газа является конструктивным ограничением.
Падение давления в теплообменнике-утилизаторе вносит свой вклад в общее противодавление в выхлопной системе, воздействующее на газовую турбину.
Таким образом, допустимый диапазон падения давления в парогенераторе должен определяться на основе проектной документации и, где это применимо, производителем газовой турбины.
Плотность ребер, расстояние между трубками, количество рядов, допустимое загрязнение, а также компоненты катализатора или воздуховода — все это влияет на баланс перепада давления.
Поэтому правильной целью является не максимальная площадь теплопередачи, а следующее:
требуемая тепловая нагрузка при приемлемой температуре металла, характер загрязнения и перепад давления со стороны газа.
6. Контроль качества производства
Правильно спроектированная система теплоотвода может работать должным образом только в том случае, если нагревательная поверхность изготовлена с соблюдением всех требований к качеству.
6.1 Целостность сварного шва между оребрением и трубой HFW
Контроль за соблюдением условий гарантийного обеспечения HFW должен осуществляться в соответствии с применимыми техническими условиями проекта и квалифицированной производственной процедурой.
В зависимости от требований проекта, проверка может включать в себя:
- визуальный осмотр;
- Контроль размеров;
- Тестирование на отслаивание/разрыв;
- макроскопическое исследование;
- металлографическое исследование; и
- другие разрушающие или контрольные испытания, указанные покупателем.
Критерии приемки ширины соединения, целостности сварного шва и твердости следует брать из регулирующей проектной спецификации, применимого стандарта или утвержденной производственной процедуры, а не принимать за универсальные значения.
6.2 Высота, толщина и шаг ребер
Размеры ребер напрямую влияют на:
- установленная площадь поверхности;
- эффективность ребер;
- перепад давления в пучке; и
- тепловые характеристики.
Поэтому высоту, толщину, шаг ребер и размеры труб следует измерять и контролировать в процессе производства.
6.3 Змеевидный изгиб
Изгиб ребристого профиля приводит к различной деформации внутренней и внешней сторон изгиба.
Контроль производства должен предотвращать неприемлемые результаты:
- растрескивание плавника;
- перекрытие плавников;
- Повреждение корня сварного шва;
- овальность маточной трубы;
- истончение стенок; и
- искажение.
Правильные параметры гибки, оснастка и контроль качества особенно важны для труб из сплавов и плотно упакованных змеевидных рулонов.
6.4 Сварка деталей под давлением и термообработка
Стыковая сварка труб, сварка труб с коллектором и изготовление коллекторов должны выполняться с использованием квалифицированных процедур и квалифицированным персоналом в соответствии с действующими строительными нормами и спецификациями проекта.
При необходимости, меры контроля качества изготовления могут включать:
- предварительный нагрев;
- межпроходной контроль температуры;
- регулируемый подвод тепла;
- PWHT;
- Проверка твердости;
- ПМИ; и
- отслеживаемость сварных швов.
6.5 ОКР
Метод и объем обследования следует выбирать в соответствии с применимыми нормами, конфигурацией соединения, материалом, толщиной и требованиями проекта.
В зависимости от сустава, это может включать в себя:
- ВТ;
- ПТ;
- МТ;
- РТ;
- UT; и
- другие методы проверки, предусмотренные проектом.
Неразрушающий контроль не следует рассматривать как универсальный метод.
6.6 Отслеживаемость материалов
Материалы, используемые для изготовления деталей, работающих под давлением, должны иметь возможность отслеживаться от сертификации поступающих материалов до резки, формовки, сварки, термообработки, контроля качества и окончательной сборки.
Для международных проектов по использованию парогенераторов с рекуперацией тепла обычно используется практическая система отслеживания, которая связывает:
Сертификат материала → номер партии → идентификация компонента → записи о сварке → записи о термообработке → записи о неразрушающем контроле → окончательная документация по модулю
Это так же важно, как и само изготовление.
7. Практическое справочное руководство по отбору
8. Что должен уметь поставщик нагревательных поверхностей?
Компетентный поставщик нагревательных поверхностей для теплоутилизационных парогенераторов должен уметь преобразовать проектную основу в пригодный для производства и контроля комплект нагревательных поверхностей.
В обязанности обычно входит:
Инженерный обзор
- проверить проектные условия со стороны газа и пара/воды;
- определить проектные зоны горячего, промежуточного и холодного конца;
- проверить требования к металлу труб и температуре ребер;
- выбрать подходящие семейства материалов для труб и ребер;
- оптимизировать тип и геометрию ребер;
- проверьте ограничения по падению давления со стороны газа;
- проверить требования к коэффициенту теплового расширения; и
- Сопоставьте размеры модуля с ограничениями при транспортировке и монтаже.
Производственная инженерия
- разработать процедуры оребрения для каждой комбинации материала трубки/ребра;
- разработать параметры змеевидного изгиба;
- разработать процедуры сварки деталей, работающих под давлением;
- Определить требования к предварительному нагреву и термообработке после сварки, где это применимо;
- изготовление коллектора и сборка катушки;
- предоставлять шаблоны и методы контроля размеров; и
- Определить прослеживаемость на протяжении всего производственного процесса.
Проверка и документирование
- Проверка поступающих материалов;
- Контроль размеров;
- Контроль производства сварных швов;
- контроль изгиба;
- Контроль сварных швов деталей, подверженных давлению;
- Неразрушающий контроль в соответствии с требованиями Кодекса и проекта;
- При необходимости, записи о термообработке и измерении твердости;
- При необходимости проведите плановое медицинское обследование;
- испытания под давлением, где это применимо; и
- полные производственные данные.
Это практическая граница между компанией, которая может производить оребренные трубы, и компанией, которая может поставлять комплектные нагревательные поверхности для парогенераторов.
9. Заключение
Проектирование нагревательной поверхности парогенератора представляет собой скоординированный процесс, включающий в себя вопросы теплопередачи, контроля перепада давления, материаловедения и изготовления.
Наиболее надежный подход заключается в том, чтобы не использовать один и тот же материал или один и тот же рисунок оребрения по всей установке и не полагаться на общие правила классификации турбин.
Вместо этого разработка каждой нагревательной поверхности должна основываться на фактических данных проекта и осуществляться в рамках четкой инженерной цепочки:
Такой подход обеспечивает техническую обоснованность проекта и, что не менее важно, гарантирует, что рассчитанные параметры могут быть фактически изготовлены, проверены и поставлены.
О компании Boyu Heavy Industry
Компания Shandong Boyu Heavy Industry Technology Group Co., Ltd. производит теплообменники, сосуды под давлением, детали котлов, работающих под давлением, и нагревательные поверхности для котлов-утилизаторов тепла и отходящих газов.
Наши производственные мощности включают в себя:
- высокочастотная сварка труб с винтовыми ребрами;
- Конфигурации сплошных и зубчатых ребер;
- Комбинации труб и ребер из углеродистой, легированной и нержавеющей стали;
- Змеевидные трубчатые катушки;
- Нагревательные элементы, соединенные с коллектором;
- модульное изготовление нагревательных поверхностей;
- контроль сварки легированной стали и термообработки;
- Контроль размеров и неразрушающий контроль;
- идентификация материалов и отслеживаемость производства; и
- Проектная документация для международных поставок.
Типичный ассортимент поставляемой продукции включает пароперегреватели, подогреватели, испарители, экономайзеры, ребристые трубчатые змеевики, коллекторы и модульные узлы нагревательной поверхности для котлов-утилизаторов тепла и промышленных котлов-утилизаторов тепла.
В соответствии с конкретными требованиями проекта могут быть предоставлены соответствующие сертификаты, квалификационные свидетельства, планы контроля качества и рекомендации по проектам.
Технические вопросы и запросы на ценовые предложения: boyuheatexchanger.com