СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРЯМОТОЧНОГО ПАРОГЕНЕРАТОРА, РАБОТАЮЩЕГО НА ИСКОПАЕМОМ ТОПЛИВЕ Российский патент 1997 года по МПК F22B1/02 

Изобретение относится к способу эксплуатации прямоточного парогенератора с горелками для ископаемых видов топлива и с вертикальным газоходом из в основном вертикально расположенных труб, которые своими входными концами подключены к входному коллектору, а своими выходными концами к выходному коллектору. Подобный парогенератор известен (патент США N. 3, 308 792).

Изобретение относится также к способу эксплуатации подобных прямоточных парогенераторов, которые содержат расположенную на нижнем конце воронку, имеющую по меньшей мере четыре стенки из газонепроницаемо сваренных друг с другом труб, входной и выходной коллектор для этих труб.

В случае обогреваемых ископаемыми видами топлива парогенераторов с вертикально расположенными системами труб стенок камер сгорания трубы на выходе стенок камер сгорания имеют часто большие температурные различия, так как на отдельные трубы параллельной системы труб передается различное количество тепла. Причины различных по величине передаваемых количеств тепла лежат в разном профиле плотности потока тепла, так, например, в углах камеры сгорания передается меньше тепла, чем вблизи горелок, и в разницах обогреваемых длин труб, в частности в области воронки, в случае рассчитанных для работы на угле прямоточных парогенераторах.

Для уменьшения этих температурных различий на концах труб известно решение с дроссельными диафрагмами и уравнительным коллектором (VGB Kraftwerkstechnik 64, N 4, с. 298 и 299). Согласно этому решению отдельные трубы содержат дроссельные диафрагмы на входе, чтобы согласовать расход воды/пара отдельных труб с различиями нагрева и длин. Недостатки этого способа заключаются в том, что дроссельные диафрагмы на входе труб могут рассчитываться только на конкретный отдельный случай эксплуатации и что меняющиеся загрязнения стенок камеры сгорания, однако могут иметь следствием сверхпропорциональное температурное отклонение отдельных труб. Также оказалось, что дроссельные диафрагмы могут засоряться так, что к соответствующим трубам подводится слишком мало воды.

Уравнительный коллектор при этом располагают в области влажного пара, т. е. в месте, где все трубы еще имеют одинаковую температуру, но несут влажный пар с различным паросодержанием в таком месте, в котором при нагрузке котла 35% среднее паросодержание достигло 80% Через уравнительный коллектор пропускают весь массовый поток испарителя, так что неизбежно получается смесь выходящего из отдельных труб параллельной системы влажного пара.

В этом известном уравнительном коллекторе поэтому можно проводить разделение смеси входящего влажного пара таким образом, что отдельные исходящие трубы предпочтительно содержат воду, а другие опять-таки предпочтительно содержат пар. Следствием является то, что тогда также при равномерном нагреве стенок труб выше уравнительного коллектора возникает сильно отличающийся нагрев пара, отсюда различные температуры стенки трубы, далее результирующиеся тепловые напряжения, которые могут приводить к разрывам труб.

В основе изобретения лежит задача такого выполнения стенок труб вертикального газохода, чтобы несмотря на неизбежный различный нагрев отдельных труб температура пара на выходе всех труб была практически одинакова и чтобы исключались неполадки в работе, которые могут появляться в результате закупорки дроссельных диафрагм на входе труб.

Эта задача для прямоточных парогенераторов названного вида решается тем, что на внешней стороне стенок камеры сгорания расположен ресивер на такой высоте, при которой обеспечивается то, что перегреваемая труба имеет большую пропускную способность по сравнению с параллельной трубой со средним нагревом. Это в основном имеет место тогда, когда геодезическое падение давления трубы со средним нагревом составляет многократное от своего падения давления от трения. Названные падения давления относятся к части испарительных труб, которая находится между лежащим на входе в испаритель коллектором и названным, лежащим вниз по потоку, ответвлением к ресиверу. Условие для нарастания массового потока в более сильно нагреваемой трубе имеет вид:

что означает, что общее падение давления (ΔP_ges) рассмотренного отрезка трубы при сильном нагрева должно уменьшаться, если поддерживать постоянной пропускную способность . Для труб с внутренним оребрением при этом падение давления от трения (ΔP_R) может определяться согласно работе (Q. Zheng Q. Kohler W. Kastner W. Riedle K. Потеря давления в гладких и снабженных внутренним оребрением испарительных трубах, тепло- и массопередача 26. Изд-во Шпрингер, 1991, с. 323 330, 1991), в то время как геодезическое падение давления (ΔP_G) может определяться согласно работе (Rouhani Z. Modified correlation for void-fractio and two-phase pressore drop, AE-RNV-841, 1969). Падение давления от ускорения (ΔP_в) имеет по сравнению с этим подчиненное значение и при этом вычислении им можно пренебречь.

Согласно изобретения, однако массовый поток в трубе с перегревом должен оставаться непостоянным, а возрастать , что имеет место в системе параллельных труб тогда, когда выполнено уравнение (1). Таким образом, для перегреваемой трубы справедливо

Уравнение (2) еще не свидетельствует о степени нарастания массового потока. Желательным было бы нарастание, которое бы полностью компенсировало перегрев. В этом случае также в трубе с более сильным нагревом был бы тот же промежуток нагрева, т. е. такое же повышение энтальпии, что и в трубах со средним нагревом, а это приводило бы к очень сильному уменьшению описываемой температурной разницы до нуля. Условие гласит:

Индекс Ref. относится при этом к опорной трубе, которая имеет среднюю пропускную способность и среднее теплопоглощение .

На практике не всегда возможно выполнить условие, приведенное в уравнении (3). Положение по высоте ресивера, т. е. включение ресивера в систему параллельных, вертикально расположенных, имеющих по меньшей мере на части своей длины внутреннее оребрение труб, поэтому выбирают так, чтобы выполнялось одно из следующих условий:

Так как при этой компоновке с точки зрения техники потока все параллельные трубы при различном нагреве хотя и имеют различные пропускные способности, но приблизительно одинаковые паросодержания (в случае влажного пара) или соответственно температуры (в случае перегретого пара), прохождение всего массового потока через уравнительный коллектор не является необходимым. Прохождение всего массового потока через уравнительный коллектор являлось бы даже недостатком, так как при этом снова существовала бы опасность разделения пароводяной смеси. Поэтому предусмотрен только ресивер, через который протекает часть всего потока влажного пара. Этот устанавливающийся частичный поток обусловливает не только выравнивание распределения потока и согласованное с профилем нагрева распределение потока в параллельных трубах между входным коллектором и исходящими уравнительными трубами к ресиверу, но и проводит через уравнительные трубы к недостаточно протекаемым трубам дополнительный массовый поток, так что в трубах между уравнительными трубами и лежащим ниже по течению выходным коллектором устанавливается практически равномерное распределение потока. Опасности разделения смеси влажного пара на воду и пар не существует, так что все трубы на верхнем конце трубчатой стенки имеют примерно одинаковую температуру, отсюда и повреждения вследствие тепловых напряжений не могут возникнуть.

На фиг.1 изображен парогенератор в упрощенном представлении, продольное сечение; на фиг.2 отдельная труба из части с вертикальными трубами прямоточного парогенератора с подключением этой трубы к ресиверу.

Прямоточный парогенератор (фиг. 1) с вертикальным газоходом 1 состоит из трубчатых стенок, которые в нижней части газонепроницаемо сварены друг с другом из расположенных вертикально и рядом друг с другом труб 2, которые в верхней части состоят из расположенных вертикально и рядом друг с другом труб 3, также газонепроницаемо сваренных друг с другом. Газонепроницаемо сваренные друг с другом трубы образуют газонепроницаемую трубчатую стенку, например, в конструкции труба перемычка труба или в конструкции плавниковых труб.

Вертикальный газоход 1 содержит на своем нижнем конце воронку 10 для приема золы, окружающие стенки которой также образованы трубчатыми стенками. В нижней части вертикального газохода 1 размещены основные горелки 11 для ископаемого топлива.

Трубы 2 подключены своими входными концами к входному коллектору 9 и на высоте h, измеренной от средней оси входного коллектора 9, переходят своими выходными концами непосредственно во входные концы труб 3. Трубы 3 подключены своими выходными концами к выходному коллектору 12.

Выходные коллекторы 12 соединены через соединительные трубопроводы 13 с сепаратором 14, к которому подключены выпускной трубопровод 15 и соединительный трубопровод 16.

Соединительный трубопровод 16 ведет к входному коллектору 17 нагревательной поверхности перегревателя 18, выходные концы труб которой подключены к выходному коллектору перегревателя 19.

Кроме того, внутри вертикального газохода 1 расположены нагревательная поверхность промежуточного перегревателя 21 с входным коллектором 20 и выходным коллектором 22, а также нагревательная поверхность экономайзера 6 с входным коллектором 5 и выходным коллектором 7. Выходной коллектор 7 соединен через соединительный трубопровод 8 с входным коллектором 9.

На фиг. 2 показана отдельная труба 2, которая в месте Н, на котором ответвляется уравнительная труба 25, своим выходным концом непосредственно переходящая во входной конец трубы 3. Уравнительная труба 25 подключена к ресиверу 4, который находится вне вертикального газохода 1. От каждой трубы 2 трубчатой стенки ответвляется соответственно по уравнительной трубе 25.

Не представленный питательный насос подает воду во входной коллектор 5 и оттуда в нагревательные поверхности экономайзера 6, где вода предварительно подогревается. В заключение вода проходит через соединительный трубопровод 8 и входной коллектор 9 в трубы 2 трубчатых стенок вертикального газохода 1, в которых она в большей части испаряется. Остальное испарение и первая часть перегревания имеют место в трубах 3 трубчатых стенок вертикального газохода 1.

Сепаратор 14 функционирует только во время процесса пуска в ход, это означает так долго, пока в трубчатых стенках вследствие слишком малого теплоподвода испарится не вся вода. В сепараторе 14 тогда разделяется появляющаяся пароводяная смесь. Отделяемая вода по выпускному трубопроводу 15 подводится, например, к не представленному устройству снятия давления, отделенный пар протекает через соединительный трубопровод 16 к нагревательной поверхности перегревателя 18. В нагревательной поверхности промежуточного перегревателя 21 расширенный в части высокого давления паровой турбины пар снова нагревается.

Плотность массового потока в вертикально расположенных трубах 2 и 3 выбрана такой, что геодезическое падение давления в трубах существенно выше, чем падение давления от трения. В результате труба при перегреве получает более высокую пропускающую способность, тем самым воздействие перегрева, имея в виду выходную температуру, в большей части компенсируется. При очень длинных вертикальных испарительных трубах, которые например, используются в прямоточных парогенераторах одноходовой конструкции, несмотря на низкую плотность массового потока в 1000 кг/м²•с и меньше, отнесенную к 100%-ной нагрузке, падение давления от трения в трубах верхней части вертикального газохода, т. е. в трубах 3, вследствие больших объемов пара сильно нарастает. При этом падение давления от трения в отношении к геодезическому падению давления может стать таким большим, что прохождение через перегреваемую трубу по сравнению с параллельными трубами уменьшается, за счет этого на конце трубы нежелательно возникают высокие температуры пара.

Расположение ресивера 4 обусловливает то, что относительно падения давления трубы 2 развязаны от труб 3. Все трубы 2, которые протекаются снизу вверх и подключены параллельно согласно потоку, имеют одинаковое падение давления между входным коллектором 9 и ресивером 4. При этом падении давления часть геодезического падения давления многократна от части падения давления от трения, так что преимущество повышения пропускной способности при перегреве отдельных труб является очень эффективным. Это важно как раз в нижней части вертикального газохода 1, в которой особенно проявляется различный нагрев в области воронки и основной горелки.

В верхней части вертикального газохода 1, в которой находятся трубы 3, как нагрев, так и его неравномерности являются меньшими, чем в нижней части газохода 1. Ресивер 4 обусловливает то, что через одну часть уравнительных труб 25 протекает частичный поток от труб 2 к ресиверу 4 и через другую часть уравнительных труб 25 протекает частичный поток от ресивера 4 к трубам 3. За счет этого несмотря на неравное протекание через трубы 2 также при очень различном их нагреве достигается равномерное протекание через трубы 3.

Подобное действие согласно изобретения возникает особенно отчетливо, если ресивер подключают к системе параллельных труб на такой высоте, что при 100% -ной нагрузке и перегреве в а% в отдельной трубе массовый поток через эту отдельную трубу в зависимости от остальных краевых условий возрастает на по меньшей мере 0,25•а% или 0,50•а% или 0,75•а%
Охлаждение труб 2 и 3 улучшено и тем самым снижена температура стенки трубы, если трубы несут на своей внутренней стороне образующие многоходовую резьбу ребра, что является особенно необходимым в областях с высоким вводом тепла, например, в области горелок 11. Образующие многоходовую резьбу ребра целесообразно проходят по более чем 50% длины труб 2.

По сравнению с устройствами с известными уравнительными коллекторами существует возможность, что плотности массового потока при решении согласно изобретения с ресивером и трубами с внутренним оребрением в области пламенного пространства вследствие хороших теплопередающих свойств труб с внутренним оребрением при полной нагрузке составляют менее чем 1000 кг/м²•с.

Использование: в теплотехнике. Сущность изобретения: в прямоточных парогенераторах с горелкой 11 для ископаемых видов топлива с вертикальным газоходом 1 из в основном вертикально расположенных труб 2, 3, по которым пропускают теплоноситель, их входные концы подключены к входному коллектору 9, а их выходные концы - к выходному коллектору 12. От каждой трубы 2 выше горелок 11 на одинаковой высоте Н ответвляется уравнительная труба 25, которая соединена с ресивером 4. При перегреве одной отдельной трубы 2 между входным коллектором 9 и ответвлением уравнительной трубы 25 по сравнению со средним значением нагрева всех труб 2 массовый поток через эту отдельную трубу 2 увеличивают. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ эксплуатации прямоточного парогенератора с горелками для ископаемых видов топлива и с вертикальным газоходом из в основном вертикально расположенных труб, через которые пропускают теплоноситель, которые своими входными концами подключены к входному коллектору теплоносителя, а своими выходными концами к выходному коллектору, отличающийся тем, что от каждой трубы выше горелок на одинаковой высоте устанавливают уравнительную трубу с ответвлением и соединяют ее с ресивером, причем при перегреве одной отдельной трубы между входным коллектором и ответвлением уравнительной трубы по сравнению со средним значением нагрева всех труб массовый поток теплоносителя при номинальной нагрузке через эту отдельную трубу увеличивают. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при номинальной нагрузке и перегреве в ат. одной отдельной трубы между входным коллектором и ответвлением уравнительной трубы по сравнению с соответствующим 100% средним значением нагрева всех труб определенный расчетным путем массовый поток теплоносителя через эту отдельную трубу увеличивают по меньшей мере на 0,25 ат. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при номинальной нагрузке и перегреве одной отдельной трубы между входным коллектором и ответвлением уравнительной трубы по сравнению с соответствующим 100% средним значением нагрева всех труб определенный расчетным путем массовый поток теплоносителя через эту отдельную трубу увеличивают по меньшей мере на 0,50 ат. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при номинальной нагрузке и перегреве в ат. одной отдельной трубы между входным коллектором и ответвлением уравнительной трубы по сравнению с соответствующим 100% средним значением нагрева всех труб определенный расчетным путем массовый поток теплоносителя через эту отдельную трубу увеличивают по меньшей мере на 0,75 ат.