Некоторое распространение получила схема с обычным котлом-утилизатором при использовании вырабатываемого им пара для подогрева воздуха (иногда и для других целей) с попутным получением дополнительного дистиллята для питания котла.
При этом предполагалось одновременно разрешить и проблему борьбы с низкотемпературной сернистой коррозией, выбирая давление в газовом испарителе таким образом, чтобы температура стенки его (определяемая этим давлением), находилась вне коррозионно-опасного интервала.
В СССР в течение ряда лет проводились работы по проектированию и исследованию различных типов газовых испарителей с калориферами.
Большой опыт, накопленный при освоении и исследовании их на различных котельных агрегатах, представляет значительный технический интерес. Кроме того, на многих газовые испарители выполнялись в сочетании с низкого давления, а иногда и с воздухоподогревателями с тепловыми (водонаполненными) трубками. В связи с этим ниже приводятся материалы по таким утилизационным .
В 1956 г. на котлоагрегате ЦКТИ-БКЗ-75-39 Кизеловской ГРЭС, работающем на промпродукте обогащения кизеловского угля с содержанием серы 12—15%, была произведена реконструкция хвостовых поверхностей нагрева.
Впоследствии схема с многоступенчатыми газовыми испарителями была выполнена в порядке реконструкции на Рижской ТЭЦ. Наладка и эксплуатация газовых испарителей на этой установке также была связана со значительными затруднениями.
Эксплуатация этих установок наглядно продемонстрировала недостатки сложных многоступенчатых схем. Поэтому при проектировании совместно с конструкторским отделом ЗиО антикоррозийной установки для котлоагрегата типа ПК-20 Дорогобужской ГРЭС хотя и были рассмотрены варианты сложных многоступенчатых газовых испарителей, однако предпочтение было отдано простейшей одноступенчатой схеме с газотрубным газовым испарителем, работающим при атмосферном давлении.
Результаты успешной работы газового испарителя на котлоагрегате № 2 Дорогобужской ГРЭС привлекли внимание ЗиО, в особенности в связи с имевшимися в это время затруднениями в конструировании хвостовых поверхностей нагрева мощных котлоагрегатов для сжигания сернистого мазута.
Регенеративные воздухоподогреватели в то время (1958—1959 гг.) не были освоены, не размещался в конвективной шахте по высоте. Поэтому в техническом проекте газомазутного котла на 178 кг/с (640 т/ч) типа ПК-47 для блока мощностью 200 МВт первоначально была целиком принята схема хвостовой части котлоагрегата ПК-20, а именно — под сравнительно небольшой ступенью трубчатого воздухоподогревателя была запроектирована установка кубов (секций) газотрубного газового испарителя (отличающихся от «дорогобужских» лишь меньшей высотой сухопарника) в количестве 16 штук на котлоагрегат.
Аналогичное решение первоначально было принято в техническом проекте газомазутного котлоагрегата 264 кг/с (950 т/ч) ПК-41 для блока мощностью 300 МВт, где намечалась установка 24 таких же секций.
В дальнейшем, по мере накопления данных о низкотемпературной коррозии при работе на сернистых мазутах, стало ясно, что в условиях работы этих газовых испарителей (температура стенки 100—105 °С) скорость коррозии будет велика. Поэтому было решено для котлоагрегата ПК-41 применить регенеративный воздухоподогреватель. Что касается котлоагрегата ПК-47, то для головных образцов (на Заинской и ) строительство уже было связано устройством фундаментов и присоединительными размерами, вследствие чего попытались найти более приемлемое решение для газового испарителя в пределах тех же габаритов, сохранив без изменений проект котлоагрегата, включая трубчатый воздухоподогреватель. ЗиО и ЦКБ Главэнергоремонта была спроектирована установка, состоящая из двух независимых контуров «газовый испаритель — калорифер» и «». Первый из них рассчитан на работу с давлением 4 кгс/см2 и соответственно температурой стенки не ниже 143 °С, т. е. выше зоны интенсивной низкотемпературной сернистой коррозий, второй— в зоне коррозии, но имеет толщину стенки 6 мм и рассчитан на быструю замену секций.
Таким образом, эксплуатация газовых испарителей на котлоагрегатах, сжигающих сернистый мазут, и работающих с нерасчетными температурами газов, не дала положительных результатов. В то же время на Дорогобужской ГРЭС при работе на угле типа подмосковного и при фиксированном давлении, а следовательно, и температуре стенки в газовых испарителях — эксплуатация последних дала удовлетворительные результаты.
Совместно с ВТИ в 1969 г. ТКЗ создал газомазутный котлоагрегат с непрямым подогревом воздуха. При этом с самого начала ставилась задача полностью отказаться от обычного воздухоподогревателя и весь подогрев воздуха осуществить в калориферах — паром и горячей водой, используя компоновочные возможности этого метода.
Проектирование велось применительно к газомазутному котлоагрегату ТГМ-151 производительностью 61 кг/с (220 т/ч) при давлении за пароперегревателем 9,81 МПа (100 кгс/см2) и температуре 540°С, с регенеративным воздухоподогревателем. Уже на стадии эскизного проектирования выявилась необходимость уменьшения температуры подогрева воздуха и, соответственно, увеличения поверхности водяного экономайзера высокого давления. Вначале предполагали использовать для дополнительного снижения температуры уходящих газов устройства для подогрева природного газа перед его сжиганием в котле. Прорабатывались также компоновки с расположением вентиляторов и калориферов перед фронтом котлоагрегата и соответствующим упрощением воздушного тракта. От этого, однако, в данном проекте пришлось отказаться по условиям увязки с типовой компоновкой электростанции.
В техническом проекте котлоагрегата (ему было присвоено обозначение ТГМ-153) все конвективные поверхности нагрева предполагалось расположить в одном опускном газоходе той же высоты, что и у котлоагрегата ТГМ-151. Это достигалось применением более густых пучков из труб d=25 мм, а также сокращением до минимума разрывов между пакетами.
Таким образом, в котлоагрегате ТГМ-153 обычный воздухоподогреватель заменен двумя независимыми системами: «газовый испаритель — калорифер» и «экономайзер низкого давления — калорифер». Первая из них работает при давлении ~ 4 кгс/см2, вторая при давлении ~ 20 кгс/см2.
Работа котлоагрегата на газе и малосернистом мазуте и его испытания показали, что хвостовые поверхности нагрева работают вполне успешно, а их эксплуатация не требует больше внимания, чем эксплуатация обычных воздухоподогревателей. Подогрев воздуха был ниже расчетного (140—150 вместо 190—200 °С). Однако при этом горение мазута протекало вполне успешно и загрязнения хвостовых поверхностей нагрева были невелики. Температура уходящих газов была существенно ниже расчетной (122 вместо 145 °С).
Это объясняется главным образом увеличением размеров поверхностей нагрева экономайзеров по сравнению с техническим проектом, а также принятыми в проекте завышенными коэффициентами загрязнений. Газовый испаритель при питании его умягченной водой с добавлением значительного количества воды из расширителя непрерывной продувки котлоагрегатов среднего давления через шламоотделитель работал вполне успешно, выдавая дистиллят, вполне пригодный для питания котлоагрегатов высокого давления с естественной циркуляцией.
В 1966 г. ЦКБ Главэнергоремонта (И. Б. Варавицкий) совместно с СКВ ТКЗ был запроектирован котлоагрегат без воздухоподогревателя по более сложной схеме, чем котлоагрегат ТГМ-153. Котлоагрегат (заводская марка ТГМ-88) был выполнен в качестве модификации котлоагрегата ТГМ-84 паропроизводительностью 117 кг/с (420 т/ч) при 140 кгс/см2, 570 °С, без промперегрева и изготовлен ТКЗ для Дзержинской ТЭЦ (ст. № 3). Котлоагрегат предназначался для работы на ухудшенной питательной воде: расчетное допустимое кремнесодержание 0,4 мг/л. Более того, была предусмотрена возможность раздельной подачи на промывку пара конденсата в количестве 28%; паропроизводительности котла; в этом случае для остальных 72% питательной воды по расчету допускалось солесодержание до 250 мг/л и кремнесодержание до 1,2 мг/л, что позволило существенно упростить устройства для химводоподготовки на ТЭЦ с большими добавками воды к конденсату.
Несомненно, конструкция котлоагрегата ТГМ-88 представляет значительный интерес как попытка обеспечить работу котлоагрегата высокого давления с упрощенной химводоочисткой при тяжелом водном режиме. ТГМ-88 является вторым в отечественном котлостроении (после ТГМ-153) типом котлоагрегата без воздухоподогревателя, с подогревом воздуха в калориферах теплом продуктов сгорания. При проектировании этого котлоагрегата (в отличие от котлоагрегата ТГМ-153) удалось расположить все конвективные поверхности нагрева в одном опускном конвективном газоходе, не вынося хвостовые поверхности нагрева в отдельный газоход.
Однако это было достигнуто путем расположения в конвективной шахте чрезмерно большого количества (13) тесных пакетов (вместо шести пакетов котлоагрегата ТГМ-84 и котлоагрегата ТГМ-153). Кроме того, чтобы сохранить ту же отметку перекрытия котлоагрегата, что и у котлоагрегатов ТГМ-84, пришлось опустить уровень пола зольного помещения на 2,7 м и устроить под конвективной шахтой приямок глубиной 2 м.
Следует отметить, что на котлоагрегате ТГМ-88 (как и на котлоагрегате ТГМ-153) по условиям соблюдения типовой компоновки оборудования не удалось реализовать потенциальные компоновочные преимущества котлоагрегатов без воздухоподогревателей — возможность расположения вентиляторов и калориферов вблизи горелок котлоагрегата и сокращения воздуховодов и коробов горячего воздуха.
Конструкция котлоагрегата ТГМ-88 по сравнению с котлоагрегатом ТГМ-153 представляет собой значительное усложнение, обусловленное стремлением снизить стоимость химводоподготовки ТЭЦ. Учитывая успешное развитие химобессоливания, нельзя считать такую тенденцию оправданной. Более правильно развивать котлоагрегаты без воздухоподогревателей не в сторону усложнения, а в сторону их максимального упрощения, путем замены воздухоподогревателей, используя подъемный стол, не сложной системой газовых испарителей и экономайзеров, а по возможности одной ступенью экономайзера и калорифера низкого или среднего давления.
Введение промежуточного теплоносителя между дымовыми газами и воздухом на первых порах преследовало цель облегчить положение хвостовых поверхностей нагрева в отношении коррозии и загрязнения. В частности, котлостроительные заводы, проектируя установки газовых испарителей или экономайзеров низкого давления с калориферами, называли их «антикоррозийными установками».
Исследованиями установлено, что зависимость интенсивности низкотемпературной коррозии от температуры стенки поверхности нагрева характеризуется наличием двух пиков — кислотной и водяной коррозии. Между этими пиками существует зона относительно умеренной интенсивности коррозии. В качестве примера ниже представлен график зависимости от температуры стенки скорости коррозии металла в среде дымовых газов при сжигании промпродукта кизеловского угля, подмосковного угля и сернистого мазута. Для твердых топлив имеется довольно широкая температурная зона с умеренной скоростью коррозии (обычно принято считать таковой скорость до 0,2 мм/год). При сжигании сернистого мазута такой зоны практически нет.
Следует подчеркнуть, что по мере развития методов химического обессоливания воды, идущей на питание котлоагрегатов, производства в достаточных количествах необходимых ионообменных материалов и удешевления соответствующих установок на тепловых электростанциях актуальность применения газовых испарителей в хвостовой части котельных агрегатов снижалась и экономайзеры низкого давления в установках описываемого типа выдвигались на первый план.