ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ Российский патент 1997 года по МПК F22D1/32 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в системах регенерации паротурбинных установок.

Известен подогреватель питательной воды, содержащий вертикальный корпус с патрубками подвода пара и питательной воды, размещенные в корпусе горизонтальные трубчатые змеевики, образующие зоны охлаждения и конденсации пара, последняя из которых подключена к пароподводящему патрубку посредством короба, в который заключены часть змеевиков, а горизонтальные трубчатые змеевики подключены концами труб к коллекторам питательной воды, распределенным по всему объему корпуса (авт. св. СССР N 909412, кл. F 22 D 1/32, 1979).

Такой подогреватель является неремонтопригодным из-за небольших диаметров коллекторов, которые не позволяют иметь доступ к концам труб змеевиков. Кроме того, небольшие диаметры коллекторов и большая их разветвленность по всему объему корпуса делают большим гидравлическое сопротивление такого подогревателя по питательной воде.

Наиболее близким техническим решением из известных является подогреватель питательной воды, содержащий патрубки подвода и отвода питательной воды, продольно установленные в корпусе подъемные трубчатые ширмы, подключенные нижними и верхними концами труб соответственно к нижней и верхней камерам центрального коллектора, причем корпус снабжен пароподводящим патрубком, подключенным к межтрубному пространству подъемных ширм (патент СССР N 1780576, кл. F 22 D 1/32, опублик. 1992).

В таком подогревателе камеры центрального коллектора выполнены с диаметрами, которые позволяют иметь доступ к концам труб ширм, что делает его ремонтопригодным. Кроме того, замена нескольких коллекторов, как это было в аналоге, одним центральным коллектором снизило гидравлическое сопротивление по питательной воде.

Однако такой подогреватель имеет два существенных недостатка. При подаче в водонагреватель перегретого пара верхние участки ширм выполняют роль охладителя пара. Поэтому в наружных трубах каждой ширмы вода подогревается до более высокой температуры, чем в трубах, расположенных ниже в конденсационной зоне. Разные температуры выходящей из труб воды обусловливают разные температуры узлов крепления этих труб к стенке коллектора и, как следствие, термические напряжения, резко снижающие ресурс подогревателя. Это один недостаток. Другой заключается в том, что охлаждение пара происходит при малых скоростях и соответственно при малых коэффициентах теплопередачи, что повышает металлоемкость подогревателя.

Цель изобретения повышение ресурса подогревателя и снижение его металлоемкости.

В подогревателе питательной воды, содержащем патрубки подвода и отвода питательной воды, установлены в корпусе подъемные трубчатые ширмы, подключенные нижними и верхними концами труб соответственно к нижней и верхней камерам центрального коллектора, причем корпус соединен с пароподводящим патрубком, подключенным к межтрубному пространству подъемных ширм, поставленная цель достигается тем, что в корпусе имеется фигурный короб, посредством полости которого пароподводящий патрубок подключен к межтрубному пространству подъемных ширм, а в коробе установлены опускные трубчатые ширмы, подключенные верхними концами труб к верхней камере центрального коллектора, внутри которой ниже верхних концов труб, подключенных к ней ширм, установлена перегородка с по меньшей мере одним дроссельным отверстием, а нижними концами труб к верхней камере центрального коллектора ниже перегородки и/или по меньшей мере к одному трубчатому коллектору, соединенному с дополнительным патрубком отвода питательной воды.

Кроме того в фигурном коробе могут быть установлены горизонтальные и вертикальные перегородки, образующие последовательно расположенные каналы по ходу движения пара.

Кроме того, в фигурном коробе между пароподводящим патрубком и опускными трубчатыми ширмами по ходу движения пара могут быть установлены дополнительные трубчатые ширмы, соединенные посредством трубчатых коллекторов с патрубками подвода и отвода дополнительного потока питательной воды.

Кроме того, подъемные трубчатые ширмы могут быть установлены в корпусе вокруг центрального коллектора в радиальных плоскостях, а трубчатые ширмы, размещенные в каналах короба, в пределах каждого канала расположены средними участками в вертикальных параллельных плоскостях.

Кроме того, перегородка может быть образована ремонтным люком и съемной крышкой, а дроссельное отверстие в этом случае может быть выполнено в люке и/или крышке.

Наличие в корпусе фигурного короба с опускными ширмами, подключение его полости по пару между пароподводящим патрубком и межтрубным пространством подъемных ширм, установка перегородки в верхней камере центрального коллектора с по меньшей мере одним дроссельным отверстием, ниже верхних концов труб, подключенных к верхней камере ширм, а также подключение ниже перегородки к верхней камере центрального коллектора нижних концов опускных ширм позволяет разнести по высоте узлы крепления выходных концов труб соответственно зоны охлаждения пара и конденсационной зоны, что снижает термические напряжения в центральном коллекторе и повышает ресурс подогревателя. Кроме того, наличие короба с опускными ширмами позволяет существенно повысить скорость перегретого пара и, следовательно, коэффициент теплопередачи, что снижает металлоемкость подогревателя.

Подключение нижних концов труб опускных трубчатых ширм по крайней мере к одному трубчатому коллектору, соединенному с дополнительным трубопроводом отвода питательной воды, исключает повышение температуры центрального коллектора выше расчетной, что снижает металлоемкость подогревателя. Повышение температуры металла центрального коллектора возможно в случае нагрева перегретым паром питательной воды в опускных трубчатых ширмах до более высокой температуры, чем принята для расчетов прочности центрального коллектора. С повышением температуры прочностные свойства металла уменьшаются, что ведет к повышению толщин стенок элементов оборудования, нагруженных давлением. Так как размеры центрального коллектора несравнимо больше размеров трубчатого коллектора, то любые превышения температуры стенок, над принятой для расчетов, приведут к большему увеличению массы центрального коллектора, чем трубчатого коллектора.

В связи с тем, что коэффициент теплоотдачи со стороны воды более чем на порядок выше чем со стороны пара, температура металла труб близка к температуре движущейся в них воды.

Питательная вода в опускных трубчатых ширмах, соединенных с трубчатым коллектором, может нагреваться до температуры, превышающей расчетную, принятую для металла теплообменных труб при высокой температуре пара на входе в опускные ширмы. Это ведет к повышению толщины трубок и металлоемкости подогревателя.

Для снижения металлоемкости подогревателя в этом случае часть нижних концов труб опускных ширм соединяют с трубчатым коллектором, а другую часть опускных ширм нижними концами с центральным коллектором.

За счет установки перегородок в фигурном коробе таким образом, что греющий пар вначале проходит через опускные ширмы, соединенные с трубчатым коллектором, или за счет выполнения труб опускных ширм, соединенных с трубчатым коллектором, большей длины обеспечивается такой режим теплообмена, что в обоих случаях температуры металла труб опускных ширм и центрального коллектора не превышают расчетные, т.е. обеспечивается снижение металлоемкости подогревателя.

Кроме того, установка дополнительных трубчатых ширм в фигурном коробе между пароподводящим патрубком и опускными трубчатыми ширмами по пару, соединение их посредством трубчатых коллекторов соответственно с патрубками подвода и отвода дополнительного потока питательной воды позволяет охладить высокотемпературный пар дополнительным потоком питательной воды до приемлемых температур перед подачей охлажденного пара в пучок опускных ширм. Питательная вода в дополнительных трубчатых ширмах и в опускных ширмах нагревается до температур, не превышающих расчетные температуры, принятые для металла центрального коллектора и металла труб, дополнительных и опускных ширм, снижая металлоемкость подогревателя.

Кроме того, расположение подъемных трубчатых ширм в корпусе вокруг центрального коллектора в радиальных плоскостях, а трубчатых ширм, размещенных в каналах короба, в пределах каждого канала в вертикальных параллельных плоскостях позволяет организовать оптимальное соотношение скоростей пара, что снижает металлоемкость подогревателя.

Известно, что поверхность теплообмена зависит от температурного напора между средами. Температурный напор между конденсирующимся паром и питательной водой зависит от общего гидравлического сопротивления по пару на участках охлаждения пара и его конденсации, т.е. от абсолютного давления конденсирующегося пара.

С понижением давления пара снижаются его температура насыщения и температурный напор, что приводит к повышению поверхности и металлоемкости подогревателя.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара для реальных условий большинства подогревателей не зависит от скорости конденсирующегося пара. В то же время коэффициент теплоотдачи при охлаждении пара зависит от скорости последнего.

Повышая скорость пара и интенсифицируя теплообмен на участке его охлаждения, за счет уменьшения скорости пара на участке конденсации, сохраняя общее гидравлическое сопротивление по пару постоянным, уменьшаем тем самым поверхность теплообмена и металлоемкость подогревателя.

На фиг. 1 изображен подогреватель питательной воды, общий вид; на фиг. 2 то же, вариант исполнения опускных ширм; на фиг. 3 то же, вариант с дополнительными трубчатыми ширмами в коробе; на фиг. 4 разрез А-А фиг. 1 - 3; на фиг. 5 разрез Б-Б фиг. 1 3, вариант выполнения ширм; на фиг. 6 схема организации трехходовых зон охлаждения и конденсации пара.

Подогреватель питательной воды содержит вертикальный корпус 1, который соединен с пароподводящим патрубком 2, который соединен с пароподводящим патрубком 3 отвода конденсата, патрубком 4 подвода питательной воды и патрубком 5 ее отвода. В корпусе 1 продольно установлены подъемные трубчатые ширмы 6 и опускные трубчатые ширмы 7. Ширмы 6 нижними и верхними концами труб подключены соответственно к нижней и верхней камерам 8 и 9 центрального коллектора. Камера 8 соединена с патрубком 4, а камера 9 с патрубком 5. При этом камеры 8, 9 отделены одна от другой посредством перегородки 10, съемной втулки 11 и неподвижной втулки 12.

Опускные трубчатые ширмы 7 заключены в фигурный короб 13, посредством которого межтрубное пространство подъемных ширм подключено к пароподводящему патрубку 2. Верхние концы труб опускных ширм 7 подключены к верхней камере 9 центрального коллектора, а в последней, ниже верхних концов труб, подключенных к ней ширм 6 и 7, установлена перегородка, образованная ремонтным люком 14 и съемной крышкой 15. В люке 14 и/или крышке 15 выполнено дроссельное отверстие 16. Нижние концы труб опускных ширм 7 подключены к верхней камере 9 центрального коллектора ниже перегородки.

В другом варианте исполнения подогревателя (фиг. 2) нижние концы труб опускных ширм 7 подключены к трубчатому коллектору 17, соединенному с дополнительным патрубком 18 отвода питательной воды.

В фигурном коробе 13 между пароподводящим патрубком 2 и опускными трубчатыми ширмами 7 могут быть установлены дополнительные трубчатые ширмы 19 (фиг. 3), соединенные посредством трубчатых коллекторов 20 и 21 с патрубками подвода 22 и отвода 23 дополнительного потока питательной воды.

Подъемные 6 и опускные 7 трубчатые ширмы, а также дополнительные трубчатые ширмы 19 расположены в корпусе 1 вокруг центрального коллектора на виде сверху по кривой эвольвенте (фиг. 4).

В другом варианте (фиг. 5) подъемные трубчатые ширмы 6 расположены в корпусе 1 вокруг центрального коллектора в радиальных плоскостях, а опускные трубчатые ширмы 7 и дополнительные трубчатые ширмы 19 расположены средними участками в параллельных вертикальных плоскостях в пределах каждого канала короба.

Между фигурным коробом 13 и радиально расположенными подъемными трубчатыми ширмами 6 установлены вытеснители 24, стенки которых, прилегающие к подъемным трубчатым ширмам, расположены параллельно последним.

В корпусе 1 установлен и поддерживается уровень 25 конденсата. Пространство корпуса 1, ограниченное коробом 13, образует зону охлаждения пара. Пространство корпуса 1 над уровнем конденсата 25, в котором находятся верхние участки ширм 6, является конденсационной зоной. Пространство корпуса 1, в котором находятся погруженные в конденсат нижние участки ширм 6, есть зона охлаждения конденсата. Для достижения оптимальных скоростей пара и температур стенок коллектора и труб опускных 7 и дополнительных ширм 19 в зонах охлаждения и конденсации пара устанавливаются горизонтальные 26 и вертикальные перегородки 27, образующие каналы для организации многоходового движения пара. Как пример, показан вариант организации трехходовых зон охлаждения и конденсации пара (фиг. 6).

Ширмы 6 и 7 выполнены с чередующимися по их высоте поперечными и продольными участками, образующими полости, в которых (только в конденсационной зоне внутрикорпусного пространства) установлены конденсатосборные желоба 28, закрепленные на дистанционирующих элементах 29 этих ширм 6.

Ширмы 6 и 7 с помощью дистанционирующих элементов 29 подвешиваются к опорной конструкции 30, закрепленной на верхней части камеры 9 центрального коллектора.

Для отвода неконденсирующихся газов в корпусе над уровнем конденсата 25 устанавливается один или два кольцевых коллектора 31, соединенных с патрубком 32 отсоса неконденсирующихся газов.

С целью обеспечения ремонтопригодности в верхней и нижней частях корпуса 1 выполнены ремонтные люки 33 и 34, а в нижней части центрального коллектора
ремонтный люк 35.

В случае установки группы последовательно соединенных по питательной воде подогревателей конденсат из вышестоящего подогревателя подается в нижестоящий. Подвод конденсата из вышестоящего подогревателя осуществляется через патрубок 36, расположенный над уровнем конденсата 25 (фиг. 1).

Подвод конденсата из вышестоящего подогревателя может быть осуществлен через нижнее днище подогревателя и далее через короб 13 или вытеснители 24 в пространство над уровнем конденсата 25 (не показан).

Подогреватель питательной воды работает следующим образом.

Греющий пар через патрубок 2 подают в полость короба 13, где он, омывая с большой скоростью ширмы 19 и 7 в три хода, охлаждается. Далее охлажденный пар попадает в конденсационную зону, где омывает в три хода верхние участки ширм 6 и при этом конденсируется. Конденсат отводится посредством желобов 28 в зону охлаждения конденсата, где охлаждается и затем через патрубок 3 покидает подогреватель.

Питательная вода последовательно проходит патрубок 4, камеру 8 и трубы подъемных ширм 6, в последних подогревается до промежуточной температуры. Далее питательная вода разделяется на два потока: один проходит через дроссельное отверстие 16, а другой через трубы опускных ширм 7. В трубах ширм 7 вода дополнительно подогревается и затем уже в камере 9 часто воды перемешивается с потоком, прошедшим отверстие 16. Далее питательная вода посредством втулок 11, 12 и патрубка 5 покидает подогреватель. Другая часть воды по выходе из трубок ширм 7 попадает в трубчатый коллектор 17 и далее через дополнительный патрубок 18 отвода питательной воды покидает подогреватель.

Дополнительный поток питательной воды последовательно проходит патрубок 22, трубчатый коллектор 20 и дополнительные трубчатые ширмы 19, в которых нагревается и далее через коллектор 21 и патрубок отвода 23 покидает подогреватель.

При ремонте подогревателя в полость корпуса 1 можно попасть через люки 33 и 34. В центральный коллектор можно попасть через люк 35. Благодаря тому, что втулка 11 выполнена съемной, ее отсоединяют от неподвижной втулки 12 и перегородки 10 и затем перемещают вверх, освобождая верхнюю часть камеры 8 для работ (ревизии и ремонта узлов закрепления концов труб в камере 8). Для проведения работ в камере 9 в нее попадают через полость втулок 11 и 12 и после снятия крышки 15 с люка 14.

Дроссельное отверстие 16 определяет расход воды через трубы опускных ширм 7.

В таком подогревателе выходные концы труб ширм 6 и 7 соответственно разнесены по высоте, что снизило термические напряжения в центральном коллекторе и повысило ресурс подогревателя. Наличие короба 13 позволило повысить скорость греющего пара и интенсифицировать теплообмен в зоне охлаждения пара, что снизило металлоемкость подогревателя.

Установка дополнительных трубчатых ширм 19 в коробе 13 и подсоединение их через трубчатые коллекторы к патрубкам подвода 22 и отвода 23 дополнительного потока питательной воды дополнительно снижают термические напряжения в центральном коллекторе и массу подогревателя.

Установка горизонтальных и вертикальных перегородок в коробе позволяет организовать такое многоходовое последовательное движение пара, которое обеспечивает достижение оптимальных температур металла труб и центрального коллектора (ниже или на уровне температур принятых для расчетов прочности), что снижает металлоемкость подогревателя.

Расположение подъемных трубчатых ширм 6 в межтрубном пространстве корпуса 1 вокруг коллектора в радиальных плоскостях, а средних участков опускных 7 и дополнительных 19 трубчатых ширм в пределах каждого канала короба в вертикальных параллельных плоскостях позволили оптимизировать распределение гидравлического сопротивления пара по межтрубному пространству и тем самым интенсифицировало теплообмен в зоне охлаждения пара, что дополнительно снизило металлоемкость подогревателя.

Использование: в системах регенерации паротурбинных установок. Сущность изобретения: в корпусе 1 установлены подъемные трубчатые ширмы 6, подключенные нижними и верхними концами труб соответственно к нижней 8 и верхней 9 камерам центрального коллектора. Межтрубное пространство ширм 6 подключено к патрубку 2 подвода греющего пара через фигурный короб 13, в который заключены опускные трубчатые ширмы 7, подключенные верхними концами к камере 9, ниже которых в последней установлена перегородка, образованная ремонтным люком 14 и съемной крышкой 15. В люке 14 и/или крышке 15 выполнено дроссельное отверстие 16. Нижними концами труб опускные трубчатые ширмы 7 подключены к камере 9 ниже перегородки и/или/ по меньшей мере к одному трубчатому коллектору 17, соединенному с дополнительным патрубком 18 отвода питательной воды. В фигурном коробе 13 между пароподводящим патрубком 2 и опускными трубчатыми ширмами 7 могут быть установлены дополнительные трубчатые ширмы 91, соединенные посредством трубчатых коллекторов 20 и 21 с патрубками подвода 22 и отвода 23 дополнительного потока питательной воды. Подъемные 6, опускные 7 и дополнительные 19 трубчатые ширмы в плане подогревателя располагаются вокруг центрального коллектора по эвольвенте. В другом варианте подъемные трубчатые ширмы 6 располагаются в корпусе вокруг центрального коллектора в радиальных плоскостях, а опускные 7 и дополнительные 19 трубчатые ширмы своими средними участками располагаются в вертикальных параллельных плоскостях. Выходные концы труб 6 и 7 разнесены, что снизило термические напряжения в центральном коллекторе. Установка в коробе 13 дополнительных трубчатых ширм 19 и соединение их через трубчатые коллекторы 20 и 21 с дополнительным потоком питательной воды снижает дополнительно термические напряжения и массу подогревателя. Наличие короба 13 интенсифицировало теплообмен в зоне охлаждения пара. Расположение подъемных ширм 6 в радиальных плоскостях, а средних участков опускных 7 и дополнительных 19 трубчатых ширм в вертикальных параллельных плоскостях оптимизировало распределение гидравлического сопротивления по межтрубному пространству и дополнительно интенсифицировало теплообмен в зоне охлаждения пара. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Подогреватель питательной воды, содержащий патрубки подвода и отвода питательной воды, установленные в корпусе подъемные трубчатые ширмы, подключенные нижними и верхними концами труб соответственно к нижней и верхней камерам центрального коллектора, причем корпус соединен с пароподводящим патрубком, подключенным к межтрубному пространству подъемных ширм, отличающийся тем, что в корпусе имеется фигурный короб, посредством полости которого паропроводящий патрубок подключен к межтрубному пространству подъемных ширм, а в фигурном коробе установлены опускные трубчатые ширмы, подключенные верхними концами труб к верхней камере центрального коллектора, внутри которой ниже верхних концов труб, подключенных к ней ширм, установлена перегородка с по меньшей мере одним дроссельным отверстием, а нижними концами труб к верхней камере центрального коллектора ниже перегородки и/или по меньшей мере к одному трубчатому коллектору, соединенному с дополнительным патрубком отвода питательной воды. 2. Подогреватель по п. 1, отличающийся тем, что в фигурном коробе установлены горизонтальные и вертикальные перегородки, образующие последовательно расположенные каналы по ходу движения пара. 3. Подогреватель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в фигурном коробе между пароподводящим патрубком и опускными трубчатыми ширмами по ходу движения пара установлены дополнительные трубчатые ширмы, соединенные посредством трубчатых коллекторов с патрубками подвода и отвода дополнительного потока питательной воды. 4. Подогреватель по пп. 1- 3, отличающийся тем, что подъемные трубчатые ширмы расположены в корпусе вокруг центрального коллектора в радиальных плоскостях, а трубчатые ширмы, размещенные в каналах короба, в пределах каждого канала расположены средними участками в вертикальных параллельных плоскостях. 5. Подогреватель по пп. 1 4, отличающийся тем, что перегородка образована ремонтным люком и съемной крышкой, а дроссельное отверстие выполнено в люке и/или крышке.