Warmte-terugwinnings-stoomgenerator (HRSG) Uitgelegd

Wat is een warmte-terugwinnings-stoomgenerator (HRSG)?

Een warmte-terugwinnings-stoomgenerator, vaak afgekort als HRSG, is een gespecialiseerd apparaat ontworpen om warmte terug te winnen uit hete gassen. Deze hete gassen zijn vaak afkomstig van een gasturbine als uitlaat (rookgassen), of van een industrieel proces dat veel warmte genereert. De teruggewonnen warmte wordt vervolgens gebruikt om water te koken en stoom te produceren, die kan worden ingezet voor energieopwekking of andere industriële processen.

Warmte-terugwinnings-stoomgeneratoren

Waarom hebben we warmte-terugwinnings-stoomgeneratoren nodig?

Efficiëntie en Duurzaamheid

Een van de belangrijkste redenen voor het gebruik van een HRSG is om de efficiëntie van een systeem te verhogen. Door bijvoorbeeld afvalwarmte van een verbrandingsproces terug te winnen, verminderen we de hoeveelheid verloren warmte en verhogen we de algehele efficiëntie van het systeem. Een toename in de efficiëntie van de installatie leidt tot lagere operationele kosten en een verminderde milieubelasting.

Kostenbesparing

Hoewel de initiële kapitaalinvestering in een HRSG aanzienlijk kan zijn, maken de langetermijn-efficiëntiewinsten de investering kosteneffectief. Over de levensduur van de HRSG (mogelijk >20 jaar) zal deze zichzelf vele malen terugbetalen. De hoge betrouwbaarheid van een HRSG zorgt ook voor een hoge operationele tijd, wat resulteert in een goede return on investment.

Flexibiliteit

HRSG's kunnen worden geïntegreerd in verschillende industriële processen, wat flexibiliteit biedt qua toepassing. Of het nu gaat om energieopwekking, stadsverwarming, of andere industriële toepassingen, een HRSG kan de systeemefficiëntie aanzienlijk verhogen door warmte terug te winnen die anders verloren zou gaan.

HRSG Toepassingen

Een HRSG wordt meestal geïnstalleerd stroomafwaarts van een gasturbine (verbrandingsturbine) of ander verbrandingsproces binnen een energiecentrale. Bijvoorbeeld, een gecombineerde cyclus energiecentrale (CCPP) maakt gebruik van een gasturbine en HRSG die in serie zijn geïnstalleerd. Binnen een CCPP wordt een gasturbine gebruikt om elektriciteit op te wekken, terwijl de uitlaatgassen worden afgevoerd naar de HRSG, die wordt gebruikt om stoom te genereren. Met deze opstelling worden gasturbines meestal gestookt op aardgas, hoewel het mogelijk is om veel andere brandstoftypen te gebruiken.

Stoom van de HRSG wordt vervolgens gebruikt om een stoomturbine aan te drijven, die ook elektriciteit genereert. In industriële omgevingen kunnen HRSG's ook worden aangetroffen waar er behoefte is aan het terugwinnen van afvalwarmte voor stoomproductie, zoals in raffinaderijen of chemische fabrieken.

Onderdelen van een Gecombineerde Cyclus Energiecentrale

Wat zijn de belangrijkste onderdelen van een HRSG?

Ondanks de grootte van de meeste HRSG's, hebben ze relatief weinig hoofdonderdelen en systemen. Een typische HRSG heeft een hoogdruk, middendruk, en laagdruk stoomsysteem. Elk systeem heeft een bijbehorende stoomtrommel, economiser (economizer), verdamper, en oververhitter. De stroom door de HRSG gaat van de economiser, naar de stoomtrommel, naar de verdamper, en vervolgens naar de oververhitter.

Deze stroom vindt eerst plaats in het laagdruk (LP), vervolgens middendruk (IP), en ten slotte het hoogdruk (HP) stoomsysteem. Elk stoomsysteem heeft ook een bijbehorende stoomturbine, d.w.z. hoogdruk stoomturbine, middendruk stoomturbine, en laagdruk stoomturbine.

De economiser, verdamper, en oververhitter zijn opgebouwd uit buizen zodat ze een groot contactoppervlak hebben met de uitlaatgassen; dit betekent dat ze ook een grote warmteoverdrachtscapaciteit hebben. Het is het beste om deze hoofdonderdelen te beschouwen als warmtewisselaars, aangezien dit hun primaire functie is. Elk van deze drie onderdelen fungeert als een warmtewisselaar om stoom te produceren (verdamper en oververhitter), of een water/stoommengsel (economiser).

Onderdelen van een Warmte-terugwinnings-stoomgenerator

De vier belangrijkste componenten van een HRSG worden hieronder opgesomd.

• Economiser – voedingswater wordt eerst naar de basis van de economiser gevoerd. De economiser voorverwarmt het voedingswater. Ketelwater wordt afgevoerd van de economiser naar de bijbehorende systeemstoomtrommel. Het voorverwarmen van het voedingswater verhoogt de efficiëntie van het systeem door ervoor te zorgen dat water dat de stoomtrommel binnenkomt al warm is (geen risico op thermische schokken).

• Stoomtrommel – ketelwater van de economiser wordt afgevoerd naar zijn respectieve stoomtrommel. De stoomtrommel scheidt stoom en water. Stoom stijgt naar de bovenkant van de stoomtrommel en wordt naar de oververhitter gestuurd. Water wordt afgevoerd van de onderkant van de stoomtrommel naar de verdamper. Ketelwater wordt binnen de verdamper gerecirculeerd totdat het stoom wordt.

• Verdamper – waar de productie van stoom plaatsvindt. Water stroomt door buizen die worden verwarmd door hete uitlaatgassen. Het water absorbeert warmte van de buizen terwijl het door de verdamper stroomt, en dit zorgt ervoor dat het van fase/toestand verandert naar stoom. Niet al het water verandert van fase naar stoom, dus het is een stoom/watermengsel (natte stoom) dat wordt afgevoerd van de verdamper naar de stoomtrommel. Het water dat niet van toestand naar stoom veranderde, wordt opnieuw door de verdamper gerecirculeerd.

• Oververhitter – neemt de stoom die in de verdamper is geproduceerd en verhoogt de temperatuur (en energie) nog verder, waardoor het in optimale conditie is voor de stoomturbine of industriële consument. Oververhitters voegen gevoelige warmte toe aan stoom, ze voegen geen latente warmte toe omdat er op dit punt geen faseverandering plaatsvindt (geen verandering van water naar stoom).

Hoe werkt een warmte-terugwinnings-stoomgenerator?

Om te begrijpen hoe een HRSG werkt, is het het beste om het onderstaande diagram te bestuderen.

HRSG Stroompad

Merk op dat water de HRSG binnenkomt op het koudste deel (het verst van de warmtebron) en geleidelijk wordt verwarmd naarmate het naar de warmtebron vordert. Merk ook op dat er een standaard stroompatroon is, dat begint met de economiser, vervolgens de stoomtrommel, verdamper, opnieuw de stoomtrommel, oververhitter, en ten slotte naar de stoomturbines. Als de HRSG een HP, IP, en LP stoomsysteem heeft, is het stroompad hetzelfde, aangezien elk systeem zijn eigen economiser, verdamper, en oververhitter heeft.

Het HRSG werkingsprincipe wordt hieronder samengevat.

1.    Warmteterugwinning – uitlaatgassen van een gasturbine of andere warmtebron, meestal bij temperaturen van 900°F tot 1.100°F (482°C tot 593°C), worden naar de HRSG geleid.

2.    Economiser Voorverwarming – voedingswater wordt voorverwarmd in de economiser. Dit proces verhoogt de watertemperatuur dicht bij het kookpunt, waardoor het wordt voorbereid voor de verdamper.

3.    Stoomtrommel – water van de economiser wordt naar de stoomtrommel geleid, vaak ook door een ontgasser. Verzadigde stoom wordt afgevoerd uit stoomtrommels.

4.    Verdamper Stoomproductie – voorverwarmd water stroomt door de verdamperbuizen en wordt verwarmd door de hete uitlaatgassen. De warmte-uitwisseling resulteert in het koken van het water en het veranderen van toestand naar stoom. De temperatuur in de verdamper kan variëren van 250°F tot 600°F (121°C tot 315°C), afhankelijk van de systeemdruk.

5.    Oververhitting – gegenereerde stoom van de verdamper wordt naar de oververhitter geleid. Stoom binnen de oververhitter wordt blootgesteld aan hetere uitlaatgassen omdat het dichter bij de warmtebron is. De oververhitter kan de temperatuur van de stoom verhogen tot 1.022°F (550°C), wat nodig is voor een typische hoogdruk turbine van een energiecentrale. Stoomturbines vereisen oververhitte stoom vanwege de hoge energie-inhoud en verminderde vochtinhoud (droge oververhitte stoom is wat aan een stoomturbine wordt geleverd).

De hoeveelheid energie die de stoom bevat, komt overeen met hoeveel energie de stoomturbine kan onttrekken, en bijgevolg hoeveel elektrische energie zijn generator kan produceren.

6.    Stoomturbine Energieopwekking – droge oververhitte stoom wordt afgevoerd van de HRSG naar een of meer stoomturbines. De stoomturbine zet de warmte-energie van de stoom om in mechanische energie en geeft deze door aan een generator (beide zijn op een gemeenschappelijke as geïnstalleerd).

De generator zet de mechanische energie om in elektrische energie (elektriciteit).

7.    Uitlaatgasafvoer – nadat de uitlaatgassen het grootste deel van hun warmte-energie aan de water- en stoomsystemen hebben overgedragen, worden ze afgevoerd naar de atmosfeer bij een temperatuur van tussen 250°F tot 300°F (121°C tot 149°C). Het is belangrijk dat de hete gasstroom geen extreem lage temperatuur heeft, omdat anders condensatie kan optreden binnen de schouw en een corrosieve omgeving zal worden gecreëerd.

Goed om te weten – een ‘schouw’ is vergelijkbaar met een ‘schoorsteen’, hoewel ‘schouw’ de meer gebruikelijke term is in de techniek.

Multi Druk en Enkel Druk HRSG's

Als een HRSG op een enkel drukniveau werkt, zal het een enkele stoomtrommel, enkele economisersectie, enkele verdampersectie, en enkele oververhittersectie hebben. Als een HRSG op meerdere druk niveaus werkt, d.w.z. LP, IP, en HP drukniveaus, zal het ook meerdere stoomtrommels, economisers, verdampers, en oververhitters hebben. Een HRSG-systeem dat op een enkel drukniveau werkt, wordt een enkel druk HRSG genoemd. Een HRSG-systeem dat op meerdere drukniveaus werkt, wordt een multi druk HRSG genoemd. Energiecentrales gebruiken multi druk HRSG's, terwijl enkel druk HRSG's waarschijnlijker worden gebruikt voor andere industriële toepassingen.

Verticale HRSG's en Horizontale HRSG's

Het is mogelijk om warmte-terugwinnings-stoomgeneratoren te classificeren op basis van hun oriëntatie:

• Verticale Type HRSG - uitlaatgassen stromen verticaal over horizontale buizen.

• Horizontale Type HRSG - uitlaatgassen stromen horizontaal over verticale buizen.

Gerelateerde Online Technische Cursussen

Warmte-terugwinnings-stoomgeneratoren Uitgelegd

Hoe Gecombineerde Cyclus Energiecentrales Werken

Ketel Stoomtrommels Uitgelegd

Subkritische, Superkritische, en Ultra-Superkritische Ketels