КОТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F22B33/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к котлостроению, и может быть использовано при создании судовых котельных установок, оборудованных паровыми котлами, работающими на энергии топлива или теплоты отходящих газов теплоиспользующих устройств.

Известна котельная установка, содержащая утилизационный котел (теплоиспользующее устройство) с пароводяным барабаном, содержащим водоуказательное средство и элементы системы регулирования уровня и верхнего продувания, а также циркуляционный и питательный насосы, связанные между собой трубопроводами воды, пара и пароводяной смеси.

Недостатками известной установки являются:
расположение внутри пароводяного барабана элементов системы регулирования уровня и верхнего продувания, что ведет к усложнению его конструкции и увеличению диаметра;
сложность очистки пара от капельной влаги, образующейся из-за сброса большого количества пароводяной смеси, поступающей в барабан под давлением циркуляционного насоса;
увеличенный расход мощности на привод циркуляционного насоса в результате кратности циркуляции воды в испарительных трубах котла не менее четырех, а также за счет увеличенного в связи с этим гидравлического сопротивления в испарительных трубах;
сниженный температурный напор между греющей средой в виде нагретых газов и пароводяной смесью, вызванный тем, что давление пароводяной смеси в испарительных трубах в связи с этим больше, чем в пароводяном барабане, в результате чего температура насыщения увеличивается, а температурный напор уменьшается.

Отмеченные недостатки обусловлены конструктивной схемой известного котла и котельной установки в целом. Попытки уменьшить количество недостатков известной котельной установки приводили к ее усложнению вместе с увеличением ее стоимости. В связи с этим известное техническое решение в настоящее время общепринято и широко используется в практике.

Известна котельная установка, являющаяся наиболее близким техническим решением к заявляемому, содержащая утилизационный котел с принудительной циркуляцией, вспомогательный котел с естественной циркуляцией и пароводяным барабаном, имеющим водоуказательное средство и систему регулирования уровня, сепаратор пара с водяной полостью и циркуляционные и питательные насосы, связанные между собой трубопроводами воды, пара и пароводяной смеси. При этом сепаратор пара установлен по уровню ниже пароводяного барабана вспомогательного котла. Паровая полость сепаратора пара сообщена с потребителями пара, а его водяная полость, хотя и связана посредством трубопровода и арматуры, сообщенного с питательным насосом, с водяной полостью пароводяного барабана котла, однако фактически, благодаря наличию невозвратно-запорной арматуры с ней не сообщена, а данный трубопровод функционально предназначен для подпитки уровня водяных полостей как сепаратора пара, так и пароводяного барабана котла посредством общего для них питательного насоса.

Недостатками известной котельной установки являются:
необходимость контроля по крайней мере двух взаимосвязанных уровней воды: в пароводяном барабане котла и сепаратора пара, что обусловливает усложнение системы регулирования уровня и снижает его надежность, в случае отказа системы регулирования уровня пароводяного барабана котлу угрожает разрушение (пережог) от упуска воды (тяжелое аварийное происшествие), что подтверждается статическими данными отечественного и мирового судоходства, в частности инспекцией морского регистра;
в то же время, размещение внутри пароводяного барабана элементов системы регулирования уровня и прочих устройств, обеспечивающих чистоту пара и котловой воды, также приводит к усложнению его конструкции в целом, не считая увеличения диаметра, массы и стоимости изготовления и эксплуатации (ремонт, профилактика) самого пароводяного барабана.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является устранение вышеперечисленных недостатков, а именно упрощение, повышение надежности, снижение материалоемкости и затрат на изготовление и эксплуатацию котельной установки.

Поставленная задача достигается тем, что в известной котельной установке, включающей связанные между собой трубопроводами котлы с пароводяным барабаном, имеющим водоуказательное средство, сепаратор пара с водяной полостью, установленный по уровню ниже пароводяного барабана, и циркуляционные и питательные насосы, в отличие от нее в заявляемый циркуляционный насос посредством напорного трубопровода соединен с пароводяным барабаном котла, а пароводяной барабан котла посредством сливного трубопровода сообщен с водяной полостью сепаратора пара. При этом сливной трубопровод своей верхней частью, установленной вертикально, предложено разместить внутри пароводяного барабана котла в пространстве от уровня средней части его водоуказательного средства и до выхода трубопровода из пароводяного барабана. Верхнюю оконечность сливного трубопровода предложено выполнить с горизонтальным срезом, а ее диаметр в соотношении с диаметром напорного трубопровода циркуляционного насоса у пароводяного барабана задан в предлагаемом решении выражением:
D_сл ≥ 0,93 d4/5н

,
где D_сл диаметр оконечности сливного трубопровода, м;
d_н диаметр напорного трубопровода циркуляционного насоса у пароводяного барабана котла, м.

Заявленная совокупность ограничительных и отличительных признаков обеспечивает упрощение котельной установки, повышение ее надежности, снижение материалоемкости и затрат на изготовление и эксплуатацию. Она обусловливает исключение необходимости многократной избыточности питания циркуляционного насоса по отношению к номинальной паропроизводительности котла, и, как очевидно, заявленная избыточность питания в объеме, составляющем не более 20% для обеспечения максимальной паропроизводительности котла, которая, как известно, в свою очередь, зачастую не превышает 20% от номинальной, вполне достаточна. В итоге потребление энергии на привод циркуляционного насоса по сравнению с известным решением (прототипом) снижается (в 3,3 и более раз). Это обстоятельство обеспечивает снижение эксплуатационных расходов.

Наличие сливного трубопровода с верхней частью, размещенной внутри пароводяного барабана котла от уровня средней части его водоуказательного средства и до выхода из пароводяного барабана, позволяет сливать в водяную полость сепаратора пара излишки котловой воды с поверхностью раздела сред барабана, обусловленные 20% избыточной производительностью циркуляционного насоса по отношению к номинальной производительности котла. Наличие горизонтального среза верхней оконечности сливного трубопровода и вертикальное размещение его верхней части обеспечивает в общей совокупности этот слив в виде воронки. Этим самым обеспечивается очистка поверхности раздела сред барабана от пенообразователей и пенообразующих плавающих соединений, чем достигается дополнительный эффект. Отпадает необходимость оборудования барабана котла и системами регулирования уровня, конструктивная схема котла и его обслуживание упрощаются, а его надежность в связи с исключением необходимости сравнительно непростого регулирования уровня и самих регулирующих систем повышается. Отсутствие необходимости в системах регулирования уровня барабана котла обусловливает уменьшение его диаметра, снижение материалоемкости и стоимости изготовления.

При сливе излишек котловой воды, осуществляемом при наличии сливной воронки, в режимах работы котла от нулевой до минимальной паропроизводительности заявленное соотношение диаметров напорного трубопровода циркуляционного насоса у пароводяного барабана и верхней части сливного трубопровода, как D_сл ≥ 0,93 d4/5н

обеспечивает удаление всего количества воды, сливаемого в сепаратор пара, в количестве от 100% до 20% производительности насоса.

При работе котла в режиме резервного хранения (с нулевой производительностью для потребителей пара), относительное количество воды, сливаемое по сливному трубопроводу, составляет до 100% производительности насоса. Слив такого количества, осуществляемый также при наличии сливной воронки, также обеспечивается через сливной трубопровод. При этом предотвращение неконтролируемого увеличения столба воды над сливным трубопроводом (затопление сливной воронки) достигается, как известно, наличием такой связи между диаметром сливного трубопровода и уровнем воды ( δ) над его срезом, описанным уравнением:

где Q расход воды м³/с;
p 3,14
g 9,81 м/с² ускорение силы тяжести;
d высота уровня над срезом сливного отверстия, м.

Высота уровня воды над срезом сливного отверстия описывается выражением d 0,46 D_сл(q/q_м)^2/3,
где q_м максимальный удельный расход воды, соответствующий уровню воды над срезом сливного отверстия с незатопленной воронкой, м³/c.

При работе котла с нулевой производительностью максимальный уровень воды над срезом сливного отверстия, соответствующий полному сливу воды, подаваемой циркуляционным насосом, будет определяться в виде d_м = 0,46 D_сл.
При работе котла с номинальной производительностью уровень воды над срезом сливного отверстия, соответствующий 20% подаваемой циркуляционным насосом воды, будет определяться в виде
δ_мин = 0,46 D_сл(0,2)^2/3 = 0,157 D_сл.
Связывая расходную характеристику насоса с диаметром напорного трубопровода соотношением ,
где W скорость воды в напорном трубопроводе, м/с, после несложных преобразований получим связь диаметра сливного трубопровода в зависимости от диаметра напорного трубопровода в виде D_сл= 9^-1/5 d4/5н

W^2/5(q_м/q)^2/5.

При ограничительных предельных условиях для скорости воды в напорном трубопроводе W_пр= 2,5 м/с и максимальном расходе воды через сливной трубопровод, q/q_м=1, получим предложенное соотношение в виде D_сл ≥ 0,93 d4/5н

.

Для этого условия всегда будет осуществляться слив поверхностного слоя воды с поверхности раздела сред в сливной трубопровод в виде сливной воронки без ее затопления и неконтролируемого увеличения столба воды над сливным трубопроводом.

На чертеже представлена котельная установка, содержащая один котел.

Котельная установка содержит котел 1 с пароводяным барабаном 2 и уровнем раздела сред 3, сепаратор пара 4 с уровнем раздела сред 5 и водяной полностью 6, циркуляционный насос 7 и питательный насос 8. Сепаратор пара 4 установлен по уровню ниже пароводяного барабана 2. Вход насоса 8 трубопроводом 9 связан со сборником конденсатов 10, а выход трубопроводом 11 связан с сепаратором пара 4. Вход насоса 7 трубопроводом 12 связан с водяной полостью 6 сепаратора 4, а выход напорным трубопроводом 13 с пароводяным барабаном 2 котла 1. Пароводяной барабан 2 оборудован сливным патрубком 14, имеющим горизонтальный срез (не показан) своей верхней оконечности, размещенный на уровне средней части его водоуказательной колонки (не показано), соответствующей уровню раздела сред 3. Сливной патрубок 14 своей верхней частью установлен вертикально, а нижняя его часть сочленена с трубопроводом 15, связанным с водяной полостью 6 сепаратора 4. Диаметр сливного патрубка 14 выбран из соотношения D_сл ≥ 0,93 d4/5н

, где D_сл диаметр сливного патрубка 14, м; d_н диаметр напорного трубопровода 13 у входа в барабан 2, м.

Котельную установку используют следующим образом. Из сборника конденсатов 10 питательная вода насосом 8 подается в водяную полость 6 сепаратора 4. Из сепаратора 4 насосом 7 вода по напорному трубопроводу 13 подается в пароводяной барабан 2 котла 1. Одна часть этой воды из барабана 2 поступает в циркуляционные контуры котла 1 (не показано) и испаряется за счет теплоты газов. Другая (лишняя) часть воды с уровнем раздела сред 3 с пенообразователями и пенообразующими соединениями сливается через горизонтальный срез сливного патрубка 14, образующего над собой водяную воронку, и далее по трубопроводу 15 в водяную полость 6 сепаратора 4, где смешивается с питательной водой. Контроль уровня раздела сред 3 осуществляется водоуказательной колонкой (не показано). Влажный пар от пароводяного барабана 2 отводится по трубопроводу 16 в сепаратор пара 4. После осушения и очистки пара в сепараторе 4 пар по трубопроводу 17 отводится к потребителям пара (не показаны). Конденсат отработанного пара от потребителей пара по трубопроводу 18 возвращается в сборник конденсатов 10 и снова используется для приготовления пара.

Так обеспечивается частичная циркуляция котловой воды, надежная циркуляция котловой воды в контурах циркуляции, а также очистка поверхности раздела сред 3 от пенообразователей и пенообразующих соединений. Раздельный отвод пара (трубопровод 16) и воды (трубопровод 15) от котла в виде однофазных сред в сепаратор 4 способствует предотвращению гидравлических ударов в трубопроводах с увеличением их эксплуатационной надежности и улучшает условия сепарации пара в сепараторе 4 в результате отсутствия перегрева воды и ее вскипания в паровом объеме сепаратора 4. Этим самым уменьшается унос солей с паром и улучшается качество пара, используемого потребителями. Межремонтный период потребителей пара в связи с этим увеличивается. Надежность работы котельной установки, функционирующей без систем регулирования уровня воды в барабане 2, повышается, ее обслуживание упрощается. Кроме того, затраты на привод циркуляционного насоса уменьшаются, поскольку он обеспечивает напор, необходимый для преодоления гидравлического сопротивления трубопровода 13 и разности гидравлических столбов воды между поверхностями раздела сред 3 (в пароводяном барабане) и 5 (в сепараторе пара).

Использование: при создании судовых котельных установок, оборудованных паровыми котлами, работающими на энергии топлива или теплоты отходящих газов теплоиспользующих устройств. Сущность изобретения: в котельной установке, включающей котлы с пароводяным барабаном 2, сепаратор пара 4 с водяной полостью 6, установленной по уровню ниже пароводяного барабана, и циркуляционный питательный насос 7, последний сообщен с водяной полостью 6 сепаратора 4, а сливной трубопровод 14 своей верхней частью установлен вертикально, размещен внутри пароводяного барабана на участке между уровнем средней части водоуказательного средства и выходом трубопровода из барабана. Верхняя оконечность сливного трубопровода 14 имеет горизонтальный срез и заданный диаметр относительно диаметра напорного трубопровода. 1 ил.

Котельная установка, включающая связанные между собой трубопроводами котлы с пароводяным барабаном, имеющим водоуказательное средство, сепаратор пара с водяной полостью, установленный по уровню ниже пароводяного барабана, и циркуляционные питательные насосы, отличающаяся тем, что циркуляционный насос посредством напорного трубопровода сообщен с водяной полостью сепаратора пара, а сливной трубопровод своей верхней частью, установленной вертикально, размещен внутри пароводяного барабана котла от уровня средней части водоуказательного средства и до выхода трубопровода из пароводяного барабана, причем верхняя оконечность сливного трубопровода имеет горизонтальный срез, а ее диаметр соотносится с диаметром упомянутого напорного трубопровода у пароводяного барабана котла как
D_сл ≥ 0,93 d4/5н

,
где D_сл диаметр оконечности сливного трубопровода, м;
d_н диаметр напорного трубопровода циркуляционного насоса у пароводяного барабана котла, м.