КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР Российский патент 1995 года по МПК F22B1/18 

Изобретение относится к теплоэнеpгетике, конкретнее к устройству парогенератора, использующего тепло уходящих газов, и может быть использовано для утилизации тепла уходящих газов на выхлопе газовых турбин, парогазотурбинных установок или различных технологических систем.

Известны конструкции парогенераторов, в которых достигнуты высокие удельные показатели по передаче тепла от греющего газа. Например, в парогенераторах фирмы Зульцер, устанавливаемых на АЭС "Шмехаузен" ФРГ [1], поверхности теплообмена выполнены из многозаходных, концентрически расположенных труб (типа "Геликс"). Компоновка выполнена навивкой теплообменных труб концентрическими слоями вокруг центральной трубы. Однако аэродинамическое сопротивление такой конструкции достаточно велико, что требует наличия индивидуальных газодувок с электроприводом по 2,5 МВт на каждый парогенератор, что неприемлемо для котла-утилизатора.

Известны также парогенераторы с V-образными эвольвентными ширмами, которые при минимальном аэродинамическом сопротивлении дают наибольший теплосъем из известных компоновок трубчатых теплообменников [2]. Однако и это техническое решение, несмотря на его перспективность, не решает поставленной задачи получения минимальных габаритов, так как при естественной циркуляции в трубах необходим достаточно большой перепад высот, что и приводит к указанным габаритам (8,5, 15 и 16 м).

Известны парогенераторы с принудительной циркуляцией питательной воды в трубах, что снимает ограничения по нивелирным отметкам трубных пучков, например, на АЭС "Гранд Галф" в реакторе ВWR/6 использованы струйные насосы для организации принудительной циркуляции теплоносителя (Атомная техника за рубежом. 1981, N 6, с. 32-38, рис. 1). Однако и это техническое решение без дополнительной переработки не может быть применено для котла-утилизатора.

Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому по назначению и существенным признакам является котел-утилизатор по книге [3].

Котел-утилизатор содержит барабан-сепаратор с образованным жалюзийной решеткой пароспорным отсеком, трубопроводы, насосы, а также размещенные в вертикальном газоходе перегреватель, испаритель и экономайзер, каждый из которых выполнен в виде рядов изогнутых трубок, подключенных к раздающей и собирающей камеры, причем паровой отсек посредством трубы подключен к раздающей камере перегревателя.

Однако принятая за прототип установка отличается значительными габаритами, что ведет к увеличенной металлоемкости, большим количествам труб и соединений, находящихся под давлением, усложненным монтажем, что ведет к снижению надежности.

Целью изобретения является улучшение массогабаритных характеристик и уменьшение металлоемкости путем улучшения компоновки теплообменных поверхностей и сокращения коммуникаций, а также повышение надежности путем сокращения находящихся под давлением соединений и поверхностей путем компенсации неравномерности нагрева труб в пучках, а также обеспечения при запуске возможности естественной циркуляции питательной воды.

Цель достигается тем, что в котле-утилизаторе, содержащем барабан-сепаратор с образованным жалюзийной решеткой паросборным отсеком, трубопроводы, насосы, а также размещенные в вертикальном газоходе перегреватель, испаритель и экономайзер, каждый из которых выполнен в виде рядов изогнутых трубок, подключенных к раздающей и собирающей камерам, паровой отсек посредством трубы подключен к раздающей камере перегревателя, барабан размещен вдоль оси газохода и снабжен поперечными перегородками и дырчатым листом, размещенным с образованием камер испарителя и перегревателя, жалюзийная решетка расположена в зоне верхнего торца барабана, труба установлена по оси барабана-сепаратора, причем насосы выполнены струйными, размещены под перегородкой в раздающей камере испарителя и активными соплами подключены посредством трубопроводов к сборной камере экономайзера, а теплообменные трубки выполнены с оребрением и изогнуты по эвольвенте, кроме того трубки нижнего ряда экономайзера размещены под углом к горизонту, а струйные насосы размещены с зазором относительно перегородки и снабжены гидроприводами, подключенными к сборной камере экономайзера.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является размещение и конструкция барабана-сепаратора котла. Размещение барабана-сепаратора по оси кожуха газохода и разделение его дополнительными перегородками позволило использовать полученные таким образом полости в качестве сборных и раздающих камер испарителя и перегревателя, что существенно улучшило компоновку котла в целом, значительно сократило коммуникации и соответственно количество находящихся под давлением соединений и поверхностей. Такое объединение функций в одном аппарате позволило выполнить котел одноходовым по газу, значительно сократить его габарит по высоте. Размещение барабанасепаратора по оси кожуха образовало кольцеобразный газоход для установки поверхностей нагрева, а выполнение этих поверхностей в виде ширм эвольвентного профиля обеспечило равенство скоростей газа по всему сечению кожуха и равномерность по длине оребренных труб, что позволило применить нетрадиционную подачу пара на сепарацию: не из объема межтрубного пространства, как в известных парогенераторах АЭС, а с выхода трубного пучка испарителя в кольцевую камеру под дырчатым щитом. Это решение оказалось эффективным благодаря еще одной отличительной особенности конструкции барабана-сепаратора, а именно: струйные насосы, которыми оборудован контур принудительной циркуляции питательной воды, установлены таким образом, что их камеры и диффузоры размещены под перегородкой в раздающей камере испарителя, а активные сопла соединены трубопроводами со сборным коллектором экономайзера, что обеспечивает отвод пассивной жидкости контура циркуляции и расход в нем, примерно в 5 раз превышающий расход питательной воды. Таким образом генерация влажного пара в предлагаемом котле осуществляется в динамическом режиме при одновременном достаточном для обеспечения устойчивой надежной работы избытке жидкой фазы. Многократная принудительная циркуляция через трубы испарителя снижает возможность отложений на поверхностях нагрева выходных участков труб, что повышает надежность работы испарителя и установки в целом. Благодаря нетрадиционному размещению барабана-сепаратора осушка влажного пара осуществляется в нем сочетанием традиционных средств, каковыми являются дырчатый щит с переливной трубой и жалюзийный сепаратор, установленный в верхней части барабана, и нетрадиционных, какими является еще одна особенность аппарата - центральная труба, соединяющая выход из жалюзийного сепаратора с раздающей полостью перегревателя. Благодаря тому, что донышко раздающей полости перегревателя омывается греющим газом при максимальной температуре, а стенки центральной трубы находятся при температуре насыщения, образуется своеобразный колодец на входе пара в трубный пучок перегревателя, полностью исключающий попадание в его трубы жидкой фазы. Еще одной отличительной особенностью предлагаемого котла-утилизатора является то, что нижний ряд труб экономайзера размещен под углом к горизонту. На переходных режимах работы на выходных участках отдельных труб экономайзера возможно достижение параметров кипения, что вызывает неустойчивую работу. Контруклон нижнего ряда позволяет объединить направление гидростатических и гидродинамических сил, действующих на образующиеся пузырьки пара, вытолкнуть их в сборный коллектор экономайзера. При этом вскипание на участке с контруклоном создает дополнительную движущую силу естественной конвекции, которая с учетом малых значений скорости воды и гидравлического сопротивления в трубах экономайзера заметно увеличивает скорость циркуляции в соответствующей трубе, что компенсирует неравномерность нагрева и снижает паросодержание на выходном участке этой трубы. Таким образом контруклон нижнего ряда служит своеобразным демпфером неравномерности нагрева, который возможен на переменных режимах работы котла-утилизатора, что повышает надежность работы последнего.

Для повышения надежности разогрева и запуска котла-утилизатора служит еще одна отличительная особенность его конструкции, а именно то, что камеры струйных насосов установлены с зазором относительно перегородки и снабжены гидроприводами, подключенными к сборной камере экономайзера. Отсутствие гидравлического сопротивления между сборной и раздающей полостями испарителя за счет зазоров между камерами струйных насосов и перегородкой позволяет использовать режим естественной циркуляции при работе на малых нагрузках и малых расходах питательной воды, а также для ускорения разогрева.

При включении струйных насосов давление и расход питательной воды повышается, а создаваемый насосами напор срабатывается через трубные пучки испарителя, так как эти зазоры выбираются. Циркуляция питательной воды при разогреве повышает надежность запуска котла-утилизатора.

Таким образом в сравнении с прототипом предлагаемый котел-утилизатор имеет меньшие габариты и металлоемкость и обеспечивает повышение надежности работы за счет своих отличительных конструктивных признаков.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого котла-утилизатора; на фиг. 2 - узел установки струйного насоса на перегородке между сборной и раздающей полостями испарителя. Так как конструкция симметричная, левая часть кожуха и газохода на фиг. 1 оборваны.

Котел-утилизатор содержит кожух 1, в который снизу поступает отработавший в турбине газ (показан стрелками). По оси кожуха установлен барабан-сепартор 2. В кольцевом газоходе, образованном кожухом 1 и барабаном-сепаратором 2, размещены поверхности нагрева, выполненные из оребренных труб и образующие экономайзер 3 с раздающей камерой 4, подключенной к напорному трубопроводу 5 питательной воды, и со сборной камерой 6, а также испаритель 7 и перегреватель 8. Оребренные трубы испарителя 7, имеющего наибольшую поверхность нагрева, выполнены в виде ширм эвольвентного профиля, что позволило разместить необходимую поверхность испарителя в минимальных габаритах, газохода и при этом получить равномерное заполнение его сечения, приводящее к равенству скоростей греющего газа и равномерности нагрева труб. Концы труб каждой ширины закреплены в корпусе барабана-сепаратора 2, при этом в корпусе с помощью дополнительных перегородок 9 и 10 образованы полости, используемые в качестве сборной 11 и раздающей 12 камер испарителя. Кроме того в корпусе барабана-сепаратора 2 смонтированы другие, традиционные внутрикорпусные устройства барабана-сепаратора: конический отбойный щит 13, установленный в сборной камере 11 испарителя, дырчатый щит 14 с переливной трубой 15, вертикальные жалюзийные сепараторы 16. В нижней части корпуса барабана-сепаратора 2 с помощью перегородок 17, 18 образованы полости, использованные в качестве раздающей 19 и сборной 20 камер перегревателя 8. При этом трубные пучки перегревателя 8 и змеевики экономайзера 3 изогнуты в поперечном сечении газохода по эвольвентному профилю, также как и ширмы испарителя 7, что обеспечивает равномерное заполнение газохода теплообменными поверхностями и уменьшает необходимые для их размещения габариты.

Выход пара из жалюзийных сепараторов 16 соединен с раздающей камерой 19 перегревателя центральной трубой 21, которая проходит через полости барабана-сепаратора, находящиеся при температуре кипения: раздающая 12 и сборная 11 камеры испарителя 7 и полость 22 сепарации насыщенного пара.

В то же время перегородка 17 омывается входящими греющими газами, камера 20 может быть выполнена в виде торообразного коллектора по периметру перегородки 17, при этом ее температура будет близка к температуре греющего газа на входе в котел. Таким образом на входе в трубный пучок перегревателя 8 образуется своеобразная ловушка для жидкой фазы, исключающая попадание последней в перегретые трубы.

Для отвода отсепарированной в жалюзийных сепараторах жидкой фазы их дренажный коллектор соединен трубами 23 с переливной трубой 15, с помощью которой жидкость из полости 22 сепарации перепускается под отбойный щит 13 на вход в струйные насосы, корпус 24 которых образует всасывающую камеру и диффузор (фиг. 2). Струйные насосы установлены под перегородкой 9, разделяющей раздающую 12 и сборную 11 камеры испарителя. На фиг. 1 изображено два варианта их установки: справа - без гидропривода с прижатием за счет гидростатических сил, слева - с гидроприводом 25 (на фиг. 1 изображен сильфонный гидропривод). В обоих случаях корпусы 24 струйных насосов установлены с зазором относительно перегородки 9 (фиг. 2) и с возможностью при подаче давления питательной воды по трубопроводам 26 прижатия корпусов 24 насосов к перегородке 9.

На фиг. 2 и 1 слева трубопроводы 26 соединяют активные сопла 27 струйных насосов со сборной камерой 6 экономайзера через полость гидропривода 25, а на фиг. 1 справа сопла 27 выполнены непосредственно на концах трубопроводов 26.

Кроме того, на фиг. 1 приведена позиция 28, которой обозначен нижний ряд труб экономайзера 3. Нижний ряд 28 змеевиков экономайзера выполнен с контруклоном (фиг. 1).

Предлагаемый котел-утилизатор работает следующим образом.

Греющий газ от выхлопа турбины поступает снизу в кольцевой газоход между кожухом 1 и барабаном-сепаратором 2 и последовательно омывает теплообменные поверхности перегревателя 8, испарителя 7 и экономайзера 3. Питательную воду с помощью насосов подают по напорному трубопроводу 5 в раздающую камеру 4 экономайзера. Пройдя по трубам змеевиков экономайзера, вода подогревается до температуры насыщения и поступает в сборную камеру 6 экономайзера. В результате возможной неравномерности температурного поля греющего газа (например, при различных изменениях режимов работы установки), а также расходов питательной воды в отдельных трубах, на выходных участках змеевиков экономайзера возможно вскипание жидкости. Так как выходными участками являются нижний ряд 28 труб, который установлен с контруклоном, появление пузырей пара в этих трубах ведет к увеличению расхода через эту трубу, так как гидростатические силы всплытия пузырьков благодаря контруклону направлены в сторону движения питательной воды. Увеличение расхода компенсирует неравномерность нагрева, что повышает надежность работы, в сборном коллекторе 6 паросодержание питательной воды выравнивается, что обеспечивает устойчивую работу струйных насосов 24, к которым питательную воду подают с помощью трубопроводов 26.

На частичных режимах или во время разогрева установки, когда расход питательной воды мал и давление ее в сборной камере 6 невелико, корпусы 24 струйных насосов висят на упорах, образуя зазор между камерой насоса и перегородкой 9 (фиг. 2) (в варианте на фиг. 1 справа камера насоса висит на аналогичном упоре). При включении питательных насосов и достижении в напорном трубопроводе 5 расчетного давления последнее передается в полость гидропривода 25 (фиг. 2), сильфон растягивается, торец камеры струйного насоса прижимается к площадке перегородки 9, активное сопло 27 струйного насоса подает высокоскоростную струю жидкости в диффузор, создавая перепад давлений на входе и выходе струйного насоса (корпуса 24). В варианте, изображенном на фиг. 1 справа, этот создаваемый перепад давлений и прижимает камеру струйного насоса (корпуса 24) к перегородке 9, однако для получения этого эффекта необходимо выдержать соответствующее соотношение сопротивлений диффузора струйного насоса и щели между его камерой и перегородкой.

Таким образом между раздающей 12 и сборной 11 камерами испарителя 7 создается перепад давлений, равный напору струйных насосов, за счет чего через трубы испарителя осуществляется 4-6-кратная принудительная циркуляция. Многократная принудительная циркуляция создает необходимый для устойчивой и надежной работы испарителя избыток жидкой фазы. В испаритель 7 применена прямоточно-перекрестная схема движения греющих газов и питательной воды, которая надежно отводит восходящий поток пароводяной смеси из труб. Расчеты показали, что при ноpмальных параметрах и 4-6-кратной циркуляции через испаритель получается на выходе из его труб пароводяная смесь соответственно с паросодержанием 14,3% для внутренних рядов и 30,6% для внешних рядов, что обеспечивает устойчивую работу всего трубного пучка, а также предупреждает возможность отложений на выходных участках труб испарителя.

В конструкции барабана-сепаратора 2 на участке испарителя предусмотрено изменение диаметра корпуса (фиг. 1)(в реальной конструкции с D = 0,84 м до D = 1,2 м). За счет изменения диаметра в 2,5 раза снижается паровая нагрузка зеркала в сепарационном объеме камеры 11. Пароводяная смесь, поступающая в сборную камеру 11 из трубного пучка испарителя 7, проходит двухступенчатую систему сепарации, которую осуществляют при минимальных габаритах за счет приведенной скорости пара 2 м/с, что в 4 раза больше общепринятой в котельной технике для горизонтальных барабанов-сепараторов.

На выходе пароводяной смеси в камеру 11 установлен конический отбойный щит 13, с помощью которого пар направляют на дырчатый щит 14, а жидкость перепускают к перегородке 9 на вход в струйные насосы. Для этих же целей использована и нижняя часть переливной трубы 15 (фиг. 1).

Верхняя часть переливной трубы использована для создания слоя жидкости на дырчатом щите 14, через который барботирует поступающий из камеры 11 пар. Избыточная жидкость стекает по кольцевому зазору между переливной 15 и центральной 21 трубами, возвращаясь на вход в струйные насосы, а пар, осушенный в полости 22 сепарации за счет гравитационных сил до влажности 2,7%, поступает во вторую ступень осушки в вертикальные жалюзийные сепараторы 16, где влажность пара снижается до 0,05-0,1 мас.%.

Отсепарированную в жалюзийных сепараторах жидкость из дренажного коллектора трубами 23 отводят в переливную трубу 15 (фиг. 1). Концы труб 23 заглубляют в переливной трубе под верхний ее срез, что исключает возможность попадания в трубы 23 пара.

Осушенный пар из жалюзийного сепаратора 16 поступает в центральную трубу 21 и подается на перегородку 17 в раздающей камере 19 подогревателя 8. Температура центральной трубы 21, также как и перегородки 10, равна температуре насыщения, так как температура омывающей их снаружи питательной воды равна температуре кипения. За счет разогрева перегородки 17 до температуры входящих в котел греющих газов паросодержание в полости 19 достигает 100% , что исключает попадание жидкой фазы в трубный пучок перегревателя 8.

В трубном пучке перегревателя 8 сухой пар перегревается до требуемой температуры и через сборную камеру 20, образованную перегородкой 18, его отводят в паропровод потребителям перегретого пара. Камера 20 может быть выполнена в виде торообразного коллектора, размещенного по периметру нижней части корпуса барабана-сепаратора 2, при этом температура перегородки 17 может достигать температуры заторможенного потока греющего газа. Для оценки эффективности предлагаемого технического решения выполнено сравнение его основных технических характеристик с котлом-утилизатором КУП-3100, имеющим выносной барабан-сепаратор и систему принудительной циркуляции. Теплогидравлические расчеты заявляемого котла и его сепарационной системы выполнялись по рекомендуемым в технической литературе зависимостям.

Результаты сравнения предлагаемого котла-утилизатора и котла КУП-3100 приведены в таблице.

Из анализа данных видно, что при тех же самых параметрах работы в случае выполнения котла-утилизатора по предлагаемому изобретению в 1,8 раза уменьшается масса (на 18,5 т), что соответственно снижает материалоемкость и затраты на изготовление котла; на 1,85 м уменьшается высота, что позволит изготовить котел на заводе в сборе, соответственно повысить качество и сократить сроки монтажных работ; на 20% (на 1000 Па) уменьшается сопротивление по стороне греющего газа, что позволит увеличить КПД турбины и всего цикла установки.

Предлагаемая компоновка котла-утилизатора существенно упрощает схему циркуляции нагреваемого теплоносителя в сравнении с прототипом, так как устраняется выносной барабан-сепаратор и внешний контур принудительной циркуляции, что существенно уменьшает количество находящихся под давлением поверхностей, разъемных и сварных соединений и соответственно повышает надежность в работе.

Использование: теплоэнергетика, утилизация тепла уходящих газов. Сущность изобретения: в вертикальном газоходе размещены экономайзер 3, испаритель 7 и перегреватель 8, каждый из которых выполнен в виде рядов изогнутых по эвольвенте трубок с оребрением, подключенных к раздающим и собирающим камерам. Последние образованы поперечными перегородками 9 и 10 и дырчатым щитом 14, размещенными внутри барабана-сепаратора, установленного вдоль оси газохода. Жалюзийный сепаратор 16 расположен в зоне верхнего торца барабана-сепаратора 2 с образованием паросборного отсека, сообщенного посредством трубы 21 с раздающей камерой перегревателя 8. Струйные насосы размещены под перегородкой в раздающей камере испарителя 7, а их активные сопла подключены к сборной камере экономайзера 3. Трубки нижнего ряда последнего размещены под углом к горизонту. Насосы размещены с зазором относительно перегородки 9 и снабжены гидроприводами. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР, содержащий барабан-сепаратор с образованным жалюзийной решеткой паросборным отсеком, трубопроводы, насосы, а также размещенные в вертикальном газоходе перегреватель, испаритель и экономайзер, каждый из которых выполнены в виде рядов изогнутых трубок, подключенных к раздающей и собирающей камерам, причем паровой отсек посредством трубы подключен к раздающей камере перегревателя, отличающийся тем, что барабан размещен вдоль оси газохода и снабжен поперечными перегородками и дырчатым листом, размещенными с образованием упомянутых камер испарителя и перегревателя, жалюзийная решетка расположена в зоне верхнего торца барабана, труба установлена по оси последнего, причем насосы выполнены струйными, размещены под перегородкой в раздающей камере испарителя и активными соплами подключены посредством трубопроводов к сборной камере экономайзера, а трубки выполнены с оребрением и изогнуты по эвольвенте. 2. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что трубки нижнего ряда экономайзера размещены под углом к горизонту. 3. Котел-утилизатор по п.1, отличающийся тем, что струйные насосы размещены с зазором относительно перегородки и снабжены гидроприводами, подключенными к сборной камере экономайзера.