СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ УТИЛИЗАЦИОННОЙ ПАРОВОЙ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1997 года по МПК F22B1/00 

Предлагаемый способ управления работой утилизационной паровой котельной установки и система для его реализации относятся к энергетическим установкам, содержащим, по крайней мере, два утилизационных котла с принудительной циркуляцией, обогреваемых независимыми источниками газов переменной интенсивности, в частности к котельным установкам теплоходов и газотурбоходов, для которых характерными режимами работы использования являются переменные нагрузки двигателей, за которыми установлены утилизационные котлы.

Известны утилизационные котельные установки, содержащие, по крайней мере, два утилизационных котла с принудительной циркуляцией, сепаратор пара, питательный и циркуляционный насосы. В составе таких установок независимо от числа установленных котлов применяется не более одного сепаратора пара (см. Герловин Л. И. Слуцкер С.М. Судовые утилизационные и комбинированные котлы. Л. "Судпромгиз", 1962, стр. 84.) Сепаратор пара такой котельной установки представляет собой сосуд, воспринимающий возможные изменения уровня воды, возникающие при работе утилизационного котла. При увеличении интенсивности обогрева котла, вызывающем смену водогрейного режима работы на парообразующей, например при вводе котла в действие, в результате вскипания большая часть воды (от 70 до 85%), содержащейся в трубной части котла, вытесняется в сепаратор. Для приема этой воды в паровом пространстве сепаратора пара (выше нормального уровня воды) предусматривается "дыхательный объем". При уменьшении интенсивности обогрева, вызывающем обратный переход утилизационного котла с парообразующего режима на водогрейный, запаса воды в сепараторе должно быть достаточно, чтобы в процессе заполнения трубной части котла водой снижение уровня не выходило за допустимые пределы.

В случае использования утилизационных котлов, обогреваемых источниками газов переменной интенсивности, для надежного обеспечения паром потребителей в составе котельной установки предусматривают резервные источники пара, которые также, как и сепаратор пара утилизационных котлов, подключены к главной паровой магистрали через невозвратные стопорные клапаны.

Известны способ управления работой котельных установок, содержащих, по крайней мере, два утилизационных котла и система для его реализации (см. Иванов В. Д. Смирнов Ю.А. Эксплуатация котельных установок дизельных судов. М. "Транспорт", 1971, стр. 56, рис. 39). Этот способ управления работой утилизационной котельной установки заключается в том, что измеряют уровень воды в сепараторе пара, а питательную воду подают в сепаратор в количестве, необходимом для поддержания постоянным нормального уровня в нем. Этот способ управления реализуется системой, содержащей замкнутый циркуляционный контур, в который последовательно включены параллельно соединенные утилизационные котлы, сепаратор пара и циркуляционный насос, снабженный пускателем питательный насос, сообщенный с контуром циркуляции питательным трубопроводом, а также датчик уровня воды в сепараторе пара, выход которого подключен к устройству для изменения расхода питательной воды, например к установленному на питательном трубопроводе регулирующему клапану или пускателю питательного насоса.

Недостатком такого способа управления работой утилизационной котельной установки и системы для его реализации является снижение надежности работы установки на режимах, для которых характерны внезапные значительные изменения интенсивности обогрева утилизационных котлов, приводящие к смене парообразующего и водогрейного режимов их работы. Так, в случае уменьшения интенсивности обогрева утилизационных котлов, когда они вместо пароводяной смеси заполняются водой, имеет место неизбежное снижение уровня воды в сепараторе пара, т.к. производительность циркуляционного насоса значительно больше производительности питательного насоса. Как следствие этого в сепаратор пара единовременно подается большое количество холодной питательной воды, что вызывает понижение температуры стенок сепаратора пара, коллекторов и труб котла. В случае увеличения интенсивности обогрева котлов имеет место переход их с водогрейного режима на парообразующий, сопровождающийся вытеснением большого количества воды в паровое пространство сепаратора пара. Если по условиям работы энергетической установки утилизационные котлы длительное время работают при существенно переменной интенсивности обогрева, например утилизационные котлы ледоколов, судов ледового плавления, паромов, буксиров, и т. д. колебания температуры стенок коллекторов и труб носят циклический характер и появляется опасность разрушения их от малоцикловой усталости. Кроме того, питательная система должна обладать необходимой емкостью, допускающей изменение расхода воды в широком диапазоне.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности работы установки на режимах изменения количества утилизационных котлов, работающих в парообразующем режиме.

Заявляемый способ для управления работой утилизационной паровой котельной установкой, содержащей замкнутый циркуляционный контур, в который последовательно включены параллельно соединенные утилизационные котлы, сепаратор пара и циркуляционный насос, трубопровод для подачи в контур питательной воды, а также паровую магистраль, к которой через невозвратные клапаны подключены паровое пространство сепаратора пара и резервные источники пара, заключается в том, что измеряют уровень воды в сепараторе пара, питательную воду подают в сепаратор в количестве, необходимом для поддержания постоянным заданного уровня воды в нем, а также контролируют наличие нагрузки утилизационной котельной установки по пару, и в случае ее отсутствия прекращают подачу питательной воды, допуская изменение уровня воды в сепараторе.

Отличие заявляемого способа состоит в том, что предварительно устанавливают значения заданного уровня воды для различного количества утилизационных котлов, работающих в парообразующем режиме, причем парообразующему режиму всех котлов, входящих в состав установки, соответствует максимальное значение заданного уровня воды, контролируют количество котлов, работающих в парообразующем режиме и в случае изменения этого количества изменяют заданное значение поддерживания уровня воды в сепараторе.

Заявляемая система управления работой утилизационной паровой котельной установки содержит замкнутый циркуляционный контур, в котором последовательно включены параллельно соединенные утилизационные котлы, сепаратор пара и циркуляционный насос, питательный насос с пускателем и трубопроводом подвода питательной воды к сепаратору пара и резервный источник пара, подключенный вместе с сепаратором через невозвратные стопорные клапаны к главному паропроводу, содержит датчик уровня воды в сепараторе пара, выход которого подключен к регулирующему клапану, установленному на трубопроводе подвода питательной воды к сепаратору пара, а также датчик давления пара в сепараторе, подключенный к устройству прекращения подачи питательной воды к сепаратору пара, например к пускателю питательного насоса.

Отличие заявляемой системы состоит в том, что она содержит блок задания уровня воды в сепараторе пара, к входам которого подключены датчики температуры газов на входе в утилизационные котлы, а выход соединен с регулирующим клапаном.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, достигается за счет использования совокупности всех признаков (как новых, так и известных) и выражается в обеспечении надежности утилизационной котельной установки при работе ее в условиях, для которых характерны изменения интенсивности обогрева, приводящие к смене парообразующего и водогрейного режимов как всех, так и части котлов.

На фиг. 1 изображена схема котельной установки, реализующей предлагаемый способ управления, на фиг. 2 временные диаграммы изменения водосодержания сепаратора пара G (на фиг. 2-б), а также включения питательного насоса (фиг. 2-в) при изменении количества котлов, работающих в парообразующем режиме (2-а).

Установка содержит циркуляционный контур утилизации теплоты, в который включены параллельно соединенные утилизационные котлы 1, 2, 3, обогреваемые выпускными газами двигателей внутреннего сгорания, газотурбинного двигателя или другого источника, сепаратор пара 4, циркуляционный насос 5, всасывающая магистраль которого соединена с водяным пространством сепаратора пара 4, а нагнетательная с утилизационными котлами 1, 2, 3. Водяное пространство сепаратора пара 4 соединено с питательным насосом 6 через трубопровод 7 и регулятор питания 8, соединенный с датчиком 9 контроля уровня воды в сепараторе пара 4. Установка содержит также резервный источник пара, например котел 10 на жидком топливе, оборудованный форсункой 11. Паровые пространства сепаратора пара 4 и котла на жидком топливе 10 через невозвратные стопорные клапаны 12 и 13 подключены к паровой магистрали 14, соединенной с потребителями пара. К паровому пространству сепаратора пара 4 подключен датчик давления 15, выход которого соединен с пускателем 16 питательного насоса 6. Установка содержит датчики темепературы газов 17, 18, 19, установленные на подводе газов к утилизационным котлам 1, 2, 3. Выходные сигналы упомянутых датчиков температуры 17, 18, 19 подключены к блоку 20 задания уровня воды в сепараторе пара. Выходной сигнал блока 20 подключен к регулятору питания 8.

Заявляемое техническое решение реализуется следующим способом. При работе котельной установки на режиме, близком к расчетному, из сепаратора пара 4 циркуляционным насосом 5 подают воду к утилизационным котлам 1, 2, 3, где она подогревается, а также частично испаряется за счет теплоты газов, подводимых к котлам, и в виде пароводяной смеси поступает в сепаратор пара 4, где происходит разделение пара и воды. В водяное пространство сепаратора пара 2 питательным насосом 6 через трубопровод 7 и регулятор питания 8 подается питательная вода. Количество питательной воды определяется степенью открытия регулятора питания 8, получающего сигнал от датчика 9, контролирующего фактическое значение уровня воды в сепараторе пара 4. Пар из парового пространства сепаратора пара 4 через невозвратный стопорный клапан 13 поступает к главному паропроводу 14 и от него к потребителям. Давление пара в сепараторе поддерживается системой регулирования, осуществляющей сброс излишков пара в конденсатор, перепуск греющих газов мимо котлов, и т.д. (на схеме не показано).

С целью приоритетного использования пара утилизационных котлов, система стабилизации давления пара в них настроена на более высокое давление, чем система стабилизации давления пара резервных источников (котла на жидком топливе 10). В случае если нагрузка котельной установки превышает суммарную паропроизводительность утилизационных котлов, давление пара в сепараторе уменьшается и под нагрузку подключается котел на жидком топливе 10.

На режимах работы установки, для которых характерны одновременная смена парообразующего и водогрейного режимов всех утилизационных котлов, например в случае когда они обогреваются выпускными газами дизельгенераторов, нагрузки между которыми распределены пропорционально их номинальной мощности, установка работает по способу, защищенному патентом Российской Федерации N 2034194. В случае одновременного уменьшения интенсивности обогрева всех утилизационных котлов испарение в них прекращается, и они вместо пароводяной смеси начинают заполняться водой. Уровень воды в сепараторе пара 4 уменьшается, что приводит к выработке датчиком 9 сигнала на открытие регулятора питания 8 и подачу в сепаратор пара 4 максимального количества питательной воды. При этом вследствие уменьшения паропроизводительности уменьшается нагрузка утилизационной котельной установки по пару. Наличие нагрузки утилизационной котельной установки контролируют с помощью датчика 15 давления пара в сепараторе 4. При снижении давления пара в сепараторе 4 до значения меньшего, чем рабочее давление пара в котле 10 на жидком топливе, когда расход пара через невозвратный стопорный клапан 13 невозможен и нагрузка утилизационной котельной установки отсутствует, датчик давления 15 вырабатывает сигнал на прекращение подачи питательной воды путем отключения питательного насоса 6. Таким образом, в случае отсутствия нагрузки утилизационной котельной установки подачу питательной воды в сепаратор 4 прекращают, допуская изменение уровня воды в нем. После заполнения трубной части утилизационных котлов 1, 2 водой падение уровня воды в сепараторе пара прекращается, и в течение всего последующего времени работы утилизационной котельной установки без нагрузки суммарная масса воды, находящейся в циркуляционном контуре, остается постоянной, т.к. подача питательной воды не производится. При одновременном возобновлении работы всех утилизационных котлов в парообразующем режиме давление пара в сепараторе повышается, в него вытесняется часть воды из котлов, что приводит к повышению уровня воды в нем до значения, близкого к нормальному. По достижении в сепараторе давления пара, большего чем давление пара в резервных источниках, т.е. при подключении утилизационной котельной установки под нагрузку, датчик давления 15 вырабатывает управляющий сигнал на пуск питательного насоса, после чего в сепаратор пара 4 производят подачу питательной воды в количестве, необходимом для стабилизации заданного уровня воды.

В случае если имеет место смена парообразующего и водогрейного режимов работы части утилизационных котлов, например в случае пуска и подключения под нагрузку или остановки первичных двигателей источников греющих газов, предварительно устанавливают значения заданного уровня воды для различного количества утилизационных котлов, работающих в парообразующем режиме, причем парообразующему режиму всех котлов, входящих в состав установки, соответствует максимальное значение заданного уровня воды, контролируют количество котлов, работающих в парообразующем режиме, и в случае изменения этого количества изменяют заданное значение поддержания уровня воды в сепараторе.

Так, при работе всех трех утилизационных котлов в парообразующем режиме питательный насос 6 подает в сепаратор пара 4 воду в количестве, определяемом регулятором питания 8 для поддержания нормального уровня, соответствующего трем работающим котлам 3УК. В случае уменьшения количества котлов, работающих парообразующем режиме и переходе одного из них, например котла 2, на водогрейный режим вследствие остановки первичного двигателя или закрытия газоперепускной заслонки (режим работы установки 2УК), в блоке 20 формируется сигнал на изменение задания уровня в сепаратора пара, поддерживаемого регулятором 8 со значения 3УК до значения 2УК. Объем пространства сепаратора между уровнями 2УК и 2УК назначается близким к объему утилизационного котла 2, в котором происходит замещение пара водой при смене парообразующего режима на водогрейный. На рис. 2 показан характер изменения уровня воды в сепараторе пара. Точка а соответствует моменту уменьшения количества котлов, работающих в парообразующем режиме с трех до двух, и изменению задания на поддержание уровня в сепараторе со значения 3УК до значения 2УК. В связи с тем что в момент изменения задания на поддержание более низкого уровня в сепараторе фактическое значение уровня воды превышает новое заданное значение, подача питательной воды прекращается и происходит понижение уровня воды за счет расхода пара и заполнения водой конвективной части отключаемого котла. При снижении уровня воды до нового заданного значения (точка b) происходит возобновление подачи питательной воды в сепаратор в количестве, соответствующем паровой нагрузке котельной установки.

В случае если при работе части котлов (в данном случае двух) в парообразующем режиме произойдет уменьшение интенсивности их обогрева, приводящее к переходу их на водогрейный режим работы (точка c, фиг. 2), то при уменьшении давления пара в сепараторе датчиком 15 будет выработан сигнал на прекращение подачи питательной воды. Уровень воды в сепараторе будет понижаться вследствие заполнения водой конвективной части котлов. После восстановления парообразующего режима двух котлов (точка d), происходит вытеснение воды в сепаратор пара с одновременным повышением давления в нем. Когда давление пара достигнет рабочего значения и начнется расход пара из сепаратора (точка e), возобновится расход питательной воды. Если произойдет уменьшение количества котлов, работающих в парообразующем режиме, с двух до одного (точка f), в блоке 20 формируется задание на поддержание регулятором 8 уровня соответствующего значения 1УК. Переходный процесс fgh протекает аналогично процессу abc. В случае увеличения количества котлов, работающих в парообразующем режиме, в блоке 20 новое значение заданного уровня формируется с запаздыванием, составляющем до 200с, благодаря чему на начальном участке ( τ₃ фиг. 2) увеличение уровня воды происходит за счет вытеснения воды из подключенных котлов.

В зависимости от конструктивных особенностей установки количество котлов, работающих в парообразующем режиме, может устанавливаться в блоке 20 задания уровня воды в сепараторе на основании анализа температуры газов перед котлами (для котлов, работающих в парообразующем режиме она должна быть выше температуры насыщения), по положению газоперепускных заслонок, реек топливных насосов первичных двигателей и т.д.

Использование: в котельных установках теплоходов и газотурбоходов, для которых характерными режимами работы использования являются переменные нагрузки двигателей, за которыми установлены утилизационные котлы. Существо изобретения: способ состоит в том, что предварительно устанавливают значения заданного уровня воды для различного количества утилизационных котлов, работающих в парообразующем режиме, причем парообразующему режиму всех котлов, входящих в состав установки, соответствует максимальное значение заданного уровня воды, контролируют количество котлов, работающих парообразующем режиме и в случае изменения этого количества изменяют заданное поддержания уровня воды в сепараторе. Существо изобретения системы состоит в том, что она содержит блок задания уровня воды в сепараторе пара, к входам которого подключены датчики температуры газов на входе в утилизационные котлы, а выход соединен с регулирующим клапаном. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления работой утилизационной паровой котельной установки, содержащей замкнутый циркуляционный контур, в который последовательно включены параллельно соединенные утилизационные котлы, сепаратор пара и циркуляционный насос, трубопровод для подачи в контур питательной воды, а также паровую магистраль, к которой через невозвратные клапаны подключены паровое пространство сепаратора пара и резервные источники пара, заключающийся в том, что измеряют уровень воды в сепараторе пара, питательную воду подают в сепаратор в количестве, необходимом для поддержания постоянным заданного уровня воды в нем, а также контролируют наличие нагрузки утилизационной котельной установки по пару, и в случае ее отсутствия прекращают подачу питательной воды, допуская изменение уровня воды в сепараторе, отличающийся тем, что предварительно устанавливают значения заданного уровня воды для различного количества утилизационных котлов, работающих в парообразующем режиме, причем парообразующему режиму всех котлов, входящих в состав установки, соответствует максимальное значение заданного уровня воды, контролируют количество котлов, работающих в парообразующем режиме, и в случае изменения этого количества изменяют заданное значение поддержания уровня воды в сепараторе. 2. Система управления работой утилизационной паровой котельной установки, содержащей замкнутый циркуляционный контур, в котором последовательно включены параллельно соединенные утилизационные котлы, сепаратор пара и циркуляционный насос, питательный насос с пускателем и трубопроводом подвода питательной воды к сепаратору пара и резервный источник пара, подключенный вместе с сепаратором через невозвратные стопорные клапаны к главному паропроводу, содержащая датчик уровня воды в сепараторе пара, выход которого подключен к регулирующему клапану, установленному на трубопроводе подвода питательной воды к сепаратору пара, а также датчик давления пара в сепараторе, подключенный к устройству прекращения подачи питательной воды к сепаратору пара, например к пускателю питательного насоса, отличающаяся тем, что она содержит блок задания уровня воды в сепараторе пара, к входам которого подключены датчики температуры газов на вход в утилизационные котлы, а выход соединен с регулирующим клапаном.