ПАРОВОЙ КОТЕЛ С АГРЕГАТОМ НАДДУВА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРА В КОТЛЕ С АГРЕГАТОМ НАДДУВА Российский патент 1996 года по МПК F22B1/24 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в котлостроении.

Известен паровой котел с агрегатом наддува, содержащий газоход, разделенный на две части, каждая из которых образована своей теплообменной поверхностью, а одна из частей газохода на входе подключена к горелочному устройству, причем части газохода подключены последовательно с образованием газового тракта, а агрегат наддува выполнен в виде нагнетающего в горелочное устройство воздух компрессора с приводом от газовой турбины, последняя из которых подключена к газовому тракту между частями газохода.

Недостатки известного котла являются его большие масса и габариты, что снижает его эксплуатационные характеристики.

Целью изобретения является уменьшение массы и габаритов котла, а также повышение его экономической эффективности и эксплуатационной надежности.

Цель достигается тем, что в паровом котле с агрегатом наддува, содержащем газоход, разделенный на две части, каждая из которых образована своей теплообменной поверхностью, и одна из частей газохода на входе подключена к горелочному устройству, причем части газохода подключены последовательно с образованием газового тракта, а агрегат наддува выполнен в виде нагнетающего в горелочное устройство воздух компрессора с приводом от газовой турбины, последняя из которых подключена к газовому тракту между частями газохода, теплообменная поверхность каждой части газохода изготовлена в виде цилиндров с полыми стенками, внутри которых выполнены спиральные каналы для прохода нагреваемой среды, причем цилиндры связаны между собой и размещены один относительно другого коаксиально с зазором и образованием в последнем между ними упомянутого газохода, при этом теплообменные поверхности разных частей газохода подключены между собой по нагреваемой среде, а наружные поверхности стенок цилиндров, омываемые продуктами сгорания, выполнены гладкими или при необходимости дополнительной прочности внешние стенки цилиндров снабжены снаружи спиральными ребрами.

Цель в части способа достигается тем, что продукты сгорания получают путем сжигания топлива в горелочном устройстве с последующим их охлаждением в первой по ходу газа части газохода при передаче тепла через теплообменную поверхность нагреваемой среде, расширением продуктов сгорания в турбине привода компрессора, сжимающего воздух для подачи в горелочное устройство, и дополнительном охлаждении продуктов сгорания во второй по ходу газов части газохода при передаче их низкопотенциального тепла через теплообменную поверхность нагреваемой среде, причем продукты сгорания охлаждают в первой части газохода до температуры 850-970 К, перепады давлений в первой части газохода и во второй части газохода поддерживают в сумме в диапазоне 0,01-0,06 МПа, а воздух сжимают до давления 0,16-0,35 МПа.

На фиг.1 представлена схема энергетического блока малогабаритного цилиндрического парогенератора (парового котла) с агрегатом турбонаддува и горелочным устройством; на фиг.2 показан вариант парогенерирующего цилиндра с оребренной внешней поверхностью для обеспечения прочности наружной оболочки в случае, если нагреваемая среда имеет повышенное давление; на фиг.3 процесс работы блока в I-S-диаграмме.

Паровой котел содержит газоход, разделенный на две части 1 и 2, каждая из которых образована своей теплообменной поверхностью, а часть 1 газохода подключена к горелочному устройству 3. Части 1 и 2 газохода подключены последовательно с образованием газового тракта. Агрегат турбонаддува котла выполнен в виде нагнетающего в горелочное устройство 3 воздух компрессора 4 с приводом от газовой турбины 5. Турбина подключена к газовому тракту между частями 1 и 2 газохода. Теплообменная поверхность частей 1 и 2 газохода выполнена в виде цилиндров 6 и 7 с полыми стенками, внутри которых выполнены спиральные каналы 8 для прохода нагреваемой среды. В случае необходимости при повышенном давлении нагреваемой среды наружная стенка 9 цилиндра упрочняется спиральными ребрами 10, омываемыми продуктами сгорания. Цилиндры 6 и 7 связаны между собой 3 и размещены один относительно другого коаксиально с зазором 11 и образованием в последнем между цилиндрами упомянутого газохода. Число цилиндров может быть различным и определяется тепловой мощностью парового котла и рядом других условий. Теплообменные поверхности частей 1 и 2 газохода подключены последовательно по нагреваемой среде.

Работает энергетический блок малогабаритного цилиндрического парогенератора (парового котла) с агрегатом турбонаддува и горелочным устройством следующим образом.

Продукты сгорания охлаждаются в части 1 до необходимой с точки зрения стойкости рабочих лопаток турбины и других соображений температуры и входят в турбину 5. Работа расширения продуктов сгорания в турбине идет на привод сочлененного с ней компрессора 4, который нагнетает воздух в горелочное устройство. Отработавшие в турбине продукты сгорания поступают в газоход части 2 и отдают оставшийся тепловой потенциал теплоносителю (фиг.1).

Термодинамический расчет и условия работоспособности турбины определяют оптимальное местоположение турбины в газовоздушном тракте блока с учетом гидравлических сопротивлений тракта, температуры продуктов сгорания на входе в газоход и в турбину, КПД турбокомпрессора и ряд других условий. Необходимая для стабильного функционирования блока работа компрессора обеспечивается при температуре газа на входе в турбину 850-970 К, КПД турбокомпрессора, равном или больше 0,52, степени сжатия воздуха в компрессоре в интервале 0,16-0,35 МПа и гидравлическом сопротивлении газовоздушного тракта, включая и горелочное устройство 0,01-0,06 МПа. Работа блока при таких повышенных давлениях в газовоздушном тракте МЦП ведет к дополнительному снижению удельных массогабаритных характеристик установки.

Указанный уровень температур определяется, прежде всего, стойкостью лопаток турбины. В обычных случаях (например, в газотурбинных установках) этот уровень достигается подмешиванием к продуктам сгорания значительного количества воздуха (в несколько раз больше теоретически необходимого), что увеличивает проходные сечения газовоздушного тракта и снижает эффективность энергетической установки. В рассматриваемой схеме необходимый уровень температур перед турбиной достигается теплоотводом к нагреваемому теплоносителю, что намного более компактно и экономично.

Рассмотрим работу блока в термодинамической диаграмме энтальпия (I) энтропия (S) (фиг. 3). В горелочное устройство подается сжатый воздух, жидкое или газообразное топливо и производится сжигание топлива (процесс 2-3). Продукты сгорания из горелочного устройства поступают в центральный газоход части 1. Проходя по этому и последующим газоходам части 1, продукты сгорания отдают высокотемпературный потенциал тепла нагреваемому теплоносителю, протекающему в каналах парогенерирующих цилиндров процесс 3-4. Затем продукты сгорания поступают на вход в турбину и производят при расширении механическую работу (процесс 4-5), которая идет на привод компрессора, осуществляющего сжатие воздуха от начального атмосферного давления Р_о до давления в горелочном устройстве (процесс 1-2). Сжатый воздух направляется в горелочное устройство, а продукты сгорания после турбины поступают в газоходы части 2 и, отдав оставшееся тепло теплоносителю (процесс 5-6), покидают газоход при атмосферном давлении Р_о.

Применение турбокомпрессора, работающего на продуктах сгорания парогенератора, для подачи воздуха в горелочное устройство этого же парогенератора, снятие высокотемпературного потенциала продуктов сгорания теплоносителем на участке газохода парогенератора между горелочным устройством и турбиной в части 1, что обеспечивает температурные условия работоспособности турбины при количестве подаваемого в горелочное устройство воздуха, близком к теоретически необходимому, и работа газовоздушного тракта при повышенных давлениях существенно увеличивают экономичность установки, снижают ее массу и объем и повышают эксплуатационную надежность.

Использование: в энергетике, котлостроении. Сущность изобретения: газоход котла разделен на две последовательно подключенные по газу части 1 и 2, каждая из которых образована своей теплообменной поверхностью, выполненной в виде цилиндров с полыми стенками, внутри которых выполнены спиральные каналы для прохода нагреваемой среды. Цилиндры сообщены между собой и размещены один относительно другого коаксиально с зазором и образованием в последнем упомянутого газохода. Теплообменные поверхности частей 1 и 2 газохода подключены последовательно по нагреваемой среде. Наддув воздуха в горелочное устройство 3 осуществляется компрессором 4 с приводом от газовой турбины 5, подключенной к газоходу между частями 1 и 2. Продукты сгорания охлаждают в первой части газохода до температуры 850 - 970 К, перепады давлений в части 1 газохода и в части 2 газохода в сумме поддерживают в диапазоне 0,01 - 0,06 МПа, а воздух сжимают до давления 0,16 - 0,35 МПа. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

1. Паровой котел с агрегатом наддува, содержащий газоход, разделенный на две части, каждая из которых образована своей теплообменной поверхностью, а одна из частей газохода на входе подключена к горелочному устройству, причем части газохода подключены последовательно с образованием газового тракта, при этом агрегат наддува выполнен в виде нагнетающего в горелочное устройство воздух компрессора с приводом от газовой турбины, последняя подключена к газовому тракту между упомянутыми частями газохода, отличающийся тем, что теплообменная поверхность каждой части газохода выполнена в виде цилиндрических обечаек с полыми стенками, внутри которых выполнены спиральные каналы для прохода нагреваемой среды, причем обечайки размещены одна относительно другой коаксиально с зазором и образованием в последнем между ними упомянутого газохода и сообщены между собой, а теплообменные поверхности разных частей газохода подключены последовательно по нагреваемой среде. 2. Способ получения пара в котле с агрегатом наддува, заключающийся в получении продуктов сгорания путем сжигания топлива в горелочном устройстве с последующим их охлаждением в первой по ходу газа части газохода при передаче тепла через теплообменную поверхность нагреваемой среде, расширении продуктов сгорания в турбине привода компрессора, сжимающего воздух для подачи в горелочное устройство, и дополнительном охлаждении продуктов сгорания во второй по ходу газов части газохода при передаче их низкопотенциального тепла через теплообменную поверхность нагреваемой среде, отличающийся тем, что продукты сгорания охлаждают в первой части газохода до 850 - 970 К, при этом перепады давлений между входом и выходом первой части газохода и входом и выходом его второй части в сумме поддерживают в диапазоне 0,01 - 0,06 МПа, а воздух сжимают до давления 0,16 - 0,35 МПа.