Котёл Бенсона

Котёл Бенсона — это тип прямоточного парового котла сверхкритического давления, в котором отсутствует барабан (сепаратор), а процесс парообразования происходит в змеевиковых поверхностях нагрева при давлении выше критического (для воды — 22,1 МПа). Разработан в 1920-х годах немецким инженером Марком Бенсоном и впоследствии усовершенствован шведской компанией Stal-Laval (ныне — часть Siemens). Котлы Бенсона широко применяются в современной теплоэнергетике для выработки пара высоких параметров, используемого в паровых турбинах на тепловых и атомных электростанциях, а также в промышленных котельных установках.

История создания

Идея прямоточного котла без барабана возникла в начале XX века в связи с необходимостью повышения КПД паросиловых установок. Традиционные барабанные котлы с естественной циркуляцией были ограничены по давлению (обычно до 15–18 МПа) из-за риска вскипания воды в экранных трубах. В 1922 году Марк Бенсон, работавший в Германии, предложил конструкцию, в которой вода подаётся в змеевик, нагревается до сверхкритического состояния и превращается в пар без фазового перехода (минуя стадию кипения). Первый патент на котёл Бенсона был получен в 1924 году.

В 1927 году компания Siemens-Schuckertwerke построила первый опытный образец мощностью 2,5 МВт. В 1930-х годах котлы Бенсона начали внедряться в промышленность, однако их массовое распространение сдерживалось сложностью изготовления змеевиков из высоколегированных сталей, способных выдерживать сверхкритические давления и температуры. После Второй мировой войны технология была усовершенствована: в 1950-х годах шведская фирма Stal-Laval разработала вариант с вертикальным расположением змеевиков, что улучшило теплосъём и снизило металлоёмкость. В СССР первые котлы Бенсона были установлены в 1960-х годах на ТЭЦ с блоками мощностью 200–300 МВт.

Принцип работы

Котёл Бенсона работает по прямоточному циклу: питательная вода подаётся насосом в змеевиковые поверхности нагрева, где последовательно нагревается, испаряется и перегревается. Отличительная особенность — отсутствие барабана, разделяющего пароводяную смесь. Вода движется по трубам под давлением выше критического, поэтому при нагреве не образуется пузырьков пара — происходит плавный переход из жидкой фазы в парообразную через сверхкритическое состояние (при давлении свыше 22,1 МПа и температуре около 374 °C). Пар на выходе из котла имеет температуру 540–600 °C и давление 25–30 МПа.

Основные этапы процесса:

• Экономайзерный участок — нагрев воды до температуры, близкой к насыщению (без кипения).
• Испарительный участок — при сверхкритическом давлении вода переходит в пар без фазового перехода (так называемое «псевдокипение»).
• Пароперегревательный участок — повышение температуры пара до заданных параметров.

Регулирование температуры пара осуществляется изменением расхода питательной воды или топлива, а также впрыском конденсата в промежуточные ступени перегрева.

Конструкция

Конструктивно котёл Бенсона представляет собой систему змеевиковых труб, размещённых в газоходе топки. Основные элементы:

• Топочная камера — обычно прямоугольного сечения, футерованная огнеупорным материалом. Внутри размещаются горелки для сжигания топлива (газ, мазут, угольная пыль).
• Змеевиковые поверхности нагрева — выполнены из труб диаметром 20–50 мм, изогнутых в виде спиралей или петель. Материал — хромомолибденовые или аустенитные стали, стойкие к высоким температурам и коррозии.
• Радиационные и конвективные секции — в зависимости от расположения относительно факела: радиационные (воспринимают тепло излучением) и конвективные (нагреваются дымовыми газами).
• Пароперегреватель — дополнительный змеевик для доведения температуры пара до требуемых значений.
• Экономайзер — подогреватель питательной воды за счёт тепла уходящих газов.
• Воздухоподогреватель — устройство для нагрева воздуха, подаваемого в горелки.

В отличие от барабанных котлов, в котле Бенсона отсутствуют опускные трубы и барабан-сепаратор, что снижает металлоёмкость и упрощает конструкцию. Однако требуется высокая точность изготовления змеевиков и надёжная система автоматического регулирования.

Классификация

Котлы Бенсона классифицируются по нескольким признакам:

• По типу топлива: газовые, мазутные, пылеугольные, комбинированные (многотопливные).
• По расположению змеевиков: горизонтальные (классические, с горизонтальными петлями) и вертикальные (усовершенствованные, с вертикальными трубами, что улучшает дренаж и теплосъём).
• По мощности: малые (до 10 МВт), средние (10–100 МВт) и крупные (свыше 100 МВт, до 1000 МВт и более).
• По параметрам пара: докритические (давление до 22 МПа, температура до 540 °C) и сверхкритические (давление 25–30 МПа, температура до 600 °C).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокий КПД — за счёт сверхкритического давления достигается термический КПД цикла Ренкина до 45–48% (против 35–40% у барабанных котлов).
• Меньшая металлоёмкость — отсутствие барабана и опускных труб снижает массу котла на 20–30% при той же мощности.
• Быстрый пуск — время выхода на номинальный режим составляет 30–60 минут (у барабанных — 2–4 часа), что важно для маневренных режимов.
• Гибкость регулирования — возможность плавного изменения производительности в широком диапазоне (от 30 до 100%).
• Компактность — змеевиковая конструкция позволяет размещать котёл в ограниченном пространстве.

Недостатки

• Высокие требования к качеству питательной воды — из-за отсутствия продувки барабана соли и примеси откладываются на внутренних поверхностях труб, что требует установки сложных систем водоподготовки (деаэрация, обессоливание, кондиционирование).
• Сложность изготовления — змеевики требуют точной гибки и сварки из легированных сталей, что увеличивает стоимость.
• Чувствительность к колебаниям нагрузки — при резких изменениях расхода воды или топлива возможны перегревы или недогревы участков труб.
• Ограниченный срок службы — при высоких температурах и давлениях трубы подвержены ползучести и коррозии, что требует периодической замены (ресурс — 20–30 лет).

Применение

Котлы Бенсона используются в основном в крупной энергетике:

• Тепловые электростанции (ТЭС) — на блоках мощностью 200–1200 МВт, работающих на газе, мазуте или угле. В России такие котлы установлены на многих ТЭЦ и ГРЭС (например, на Сургутской ГРЭС-2, Костромской ГРЭС).
• Атомные электростанции (АЭС) — в паротурбинных установках с реакторами на быстрых нейтронах (например, БН-600, БН-800), где требуется сверхкритический пар.
• Промышленные котельные — на предприятиях химической, нефтеперерабатывающей и металлургической промышленности для технологического пара.
• Энергоблоки с парогазовыми установками (ПГУ) — в комбинированных циклах, где пар от котла Бенсона используется в паровой турбине после газовой турбины.

Интересные факты

• Первый коммерческий котёл Бенсона был установлен в 1932 году на электростанции в Гардене (Германия) и проработал до 1960-х годов.
• В 1950-х годах шведская компания Stal-Laval разработала модификацию с вертикальными трубами, которая получила название «котёл Бенсона-Лаваля» и стала стандартом для сверхкритических блоков.
• Котлы Бенсона используются на самой мощной в мире угольной электростанции — Тайчжунской (Тайвань, 4400 МВт), где установлены 10 блоков по 440 МВт.
• В СССР котлы Бенсона выпускались по лицензии на Таганрогском котлостроительном заводе «Красный котельщик» (ТКЗ) и на Барнаульском котельном заводе (БКЗ).

Источники

• Кузнецов Н. В., Митор В. В. Тепловые электрические станции. — М.: Энергоатомиздат, 1993.
• Рыжкин В. Я. Тепловые электрические станции. — М.: Энергия, 1976.
• Патент US 1,677,244 (1928) — Mark Benson, Steam generator.
• Siemens AG. History of the Benson boiler. — Siemens Historical Institute, 2015.
• Stal-Laval. Benson boilers for supercritical steam. — Technical report, 1962.