КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 1999 года по МПК F22B1/18 

Изобретение относится к котлам-утилизаторам, в которых циркуляция воды обеспечивается без помощи эффекта термосифона.

Оно касается также способа для оптимального использования такого котла, например, на электростанции.

Котлы-утилизаторы обязательно содержат средства для обеспечения циркуляции текучей среды.

Они находят промышленное применение на электростанциях с так называемым комбинированным циклом, а также в установках с комбинированным производством тепловой и электрической энергии, одновременного производства электричества и пара.

Они могут применяться в других классических областях применения.

Такие котлы служат для улавливания большого количества тепла, содержащегося в потоке отходящих газов газовой турбины и превращения воды в пар. Этот пар затем сам используется в паровых турбинах, которые приводят в движение генератор переменного тока.

Котлы питаются водой с помощью питающих насосов. Они содержат одну или несколько систем образования пара, причем каждая включает устройство-преобразователь (испаритель) и барабан разделения вода/пар. Они соединены между собой трубопроводами, где циркулирует вначале вода, затем смесь вода/пар. В котле могут быть установлены несколько систем для образования пара, чтобы доставлять пар с различным давлением и таким образом улучшить общий КПД установки.

Теплообмен между газом, исходящим из газовой турбины, вначале с водой, а затем со смесью вода/пар, циркулирующими в котле, имеет место на уровне устройства-испарителя. Этот испаритель составлен из систем ребристых труб, установленных согласно обстоятельствам вертикально или горизонтально и находящихся в потоке теплового газа, исходящего, например, из газовой турбины. Классически во время работы испаритель питается водой из соответствующего разделительного барабана через коллектор, называемый коллектором вывода, на котором приварены входы труб, составляющие это устройство-испаритель, и коллектор, называемый коллектором вывода, который собирает полученную смесь вода/пар. Этот коллектор вывода соединен с самим барабаном разделения, создавая таким образом замкнутый цикл.

Количество систем труб, соединяющих между собой коллекторы, называемые вводными и выводными, зависит от размера и условий работы котла.

Потеря напора воды между вводным и выводным коллекторами устройства для испарения является, в частности, функцией конфигурации труб. Согласно различным вариантам трубы устройств-испарителей могут быть расположены либо вертикально, либо горизонтально.

В основном, различают два типа котлов в зависимости от типа циркуляции воды в системах.

Говорят о циркуляции "натуральной" или путем эффекта термосифона, когда вода циркулирует в котле благодаря разнице между объемной массой воды, когда она проходит от жидкой фазы к газообразной фазе. Эти котлы с естественной циркуляцией описаны, например, в патентах US-A-2,031,423 и и US-A-2,702,026.

Из патента US-A2,257,358 известно устройство-генератор пара с циркуляцией через термосифон, в котором устройство, квалифицируемое как эжектор, состоит из двух коаксиальных труб, и не описанное иначе, установлено на выходе разделительного барабана вода/пар, чтобы ускорить эффект термосифона.

Описанное устройство включает две независимые системы, в которых подогреваемая вода циркулирует в горизонтальных трубах снизу вверх, тогда как газ сжигания циркулирует сверху вниз, причем указанный барабан-разделитель установлен над котлом.

Также, как указывалось, циркуляцию производят посредством термосифона при комбинированном действии "естественной" циркуляции и искусственно ускоренной.

Нужно отметить, что устройство, определяемое эжектором, является относительно обобщенным и не регулируемым. Кроме того, оно установлено в линии возврата (нисходящей) одной из систем, исходящих из барабана-сепаратора.

Заявка на патент EP-A-0357590 описывает котел с горизонтальными трубами на основе естественной циркуляции воды без применения циркуляционного насоса благодаря эффекту термосифона.

Вода циркулирует в контуре между барабаном и устройством-парообразователем в различных трубах. Она опускается из барабана в ненагретую ветвь трубопровода и оттуда поднимается в нагретую ветвь, где находится в виде смеси вода/пар, причем устройство-парообразователь вставлено в "поднимающуюся" ветвь.

При нормальном функционировании движущая сила циркуляции достигает в максимуме величины, определяемой разницей высоты между барабаном и выводным коллектором устройства-парообразователя.

Поэтому, чтобы определить достаточную движущую силу, например, 1 кг/см² между коллекторами необходимо расположить над выводным коллектором водяной столб примерно 10 м высотой, что дает значительные габариты.

Кроме того, величина потери напора при нормальном функционировании не предопределена, чтобы соответствовать требованиям тепловой устойчивости и стабильности потока в котле, которые должны быть в соответствии с желаемыми давлениями в максимальной степени циркуляции. Эта степень циркуляции зависит от движущей силы и величины потери напора в данной системе.

Когда движущая сила, получаемая естественной циркуляцией, является незначительной, имеет место расположение большого количества параллельных систем труб в устройстве-парообразователе для уменьшения потери напора. Конструкция коллекторов является, следовательно, сложной. Диаметр труб должен быть более значительным, чтобы также уменьшить потерю напора.

Степень циркуляции котла является средним числом оборотов одной капли воды, которые она должна осуществить в системе парообразования перед тем, как полностью превратиться в пар и таким образом, покинуть систему. Эта степень остается ограниченной в котлах с естественной циркуляцией ввиду слабых движущихся сил, участвующих в процессе. Кроме того, когда дебит может стать слишком слабым в некоторых системах труб, это может вылиться в ухудшение показателей комплекса и повышенный риск коррозии этих труб путем осаждения на внутренней стенке всех солей, содержащихся в воде, вследствие полного испарения, парообразования незначительного количества воды в этой системе.

Фаза запуска циркуляции воды является необходимой и может быть реализована несколькими способами, например, через действие эжектора, в необходимых случаях спаренного с дополнительным насосом и установленного на линии отвода, который будет использоваться исключительно для запуска, путем нагнетания газа в стояки или путем соединения вводного коллектора и выводного коллектора с устройством, парообразователем.

Котлы описанного типа имеют относительно крупные габариты и их показатели в значительной степени зависят от конфигурации.

Имеет место принудительная циркуляция или еще содействуемая циркуляции вода в котле, когда циркуляция воды в нем создается одним или несколькими насосами, называемыми циркуляционными насосами, расположенными между барабаном и коллекторами.

В этом случае трубы устройств-парообразователей располагаются горизонтально.

Циркуляционные насосы потребляют энергию и требуют расходов по поддержанию, иногда значительных.

Основная задача изобретения - объединить преимущества котлов с естественной циркуляцией и циркуляцией принудительно, но без их недостатков.

Изобретение ставит своей задачей дать компактные котлы-утилизаторы, т.е. с высотой воды, поднимающейся в ветви(стояке) над выводным коллектором, которая может не иметь большой величины.

Оно имеет также задачу производить котлы, которые не нуждаются в применении циркуляционных насосов, чтобы заставить воду циркулировать в системах труб, составляющих устройство испарителя.

Оно имеет еще задачу создать такие котлы, в которых потеря напора воды между вводным и выводным коллекторами устройства-парообразователя может быть выбрана с заданной величиной в зависимости от желаемых критериев стабильности для котла. В частности, оно имеет целью, чтобы в таких котлах потеря напора не определилась только высотой водяного столба в восходящей ветви (стояке) котла.

Дополнительной задачей изобретения является дать такие котлы, в которых циркуляция обеспечивается экономичным устройством, более надежным, менее сложным и требующим небольших расходов на содержание.

Последней задачей изобретения является обеспечить ограничение числа систем испарителей и выбрать трубы небольшого диаметра, менее чувствительные к термическим напряжениям, и получить меньше стыков труб, а объем воды в испарителе - менее значительный, улучшенное динамическое поведение и уменьшенные постоянные времени.

Предлагаемый котел-утилизатор имеет одну или несколько систем образования пара, в необходимых случаях различного давления, содержащих каждая:
- разделительный барабан вода/пар,
- устройство-испаритель (парообразователь) с ребристыми трубами, расположенными в потоке горячего газа горизонтально,
- трубы спуска и подъема, обеспечивающие связь между барабаном и устройством-испарителем через вводный и выводной коллекторы.

В котле согласно изобретению по меньшей мере одна система образования пара содержит эжектор, способный обеспечить принудительную циркуляцию воды в котле при нормальном функционировании, причем разделительный барабан вода/пар может тогда быть расположен на какой-то высоте относительно выводного коллектора устройства-испарителя этой системы.

Благодаря эжектору принудительная циркуляция воды может поддерживаться регулярным образом.

Предпочтительно, чтобы каждая система генерации пара содержала эжектор, способный обеспечить принудительную циркуляцию воды в котле при нормальной работе.

В таком случае котел может обходиться без циркуляционного насоса.

Предпочтительно, чтобы эжектор размещался на линии питания.

Каждая система образования пара, содержащая эжектор, может быть снабжена средством для обеспечения минимального дебита этого эжектора в течение фазы запуска котла.

Речь может идти о дополнительном насосе для запуска, предусмотренном на установленной линии отвода между местом (точкой) спускной трубы и местом (точкой) питающей линии, расположенной выше эжектора.

Альтернативно, барабан системы генерации пара может быть снабжен в своей зоне воды устройством, способным обеспечить его откачку во время фазы запуска.

Само собой разумеется, что оба решения могут сосуществовать в одной и той же системе образования пара.

Предпочтительно, если каждый эжектор снабжен своей конической насадкой и подвижным игольчатым клапаном. Этот клапан обеспечивает регулирование характеристик эжектора.

Согласно предпочтительной форме исполнения разница высоты между барабаном системы образования пара и выводным коллектором устройства парообразования равна нулю.

В соответствии с изобретением предпочтительно, чтобы барабан системы мог быть расположен на высоте ниже высоты коллектора вывода соответствующего устройства для парообразования.

Задачей изобретения является также способ для эксплуатации котла, в котором осуществляются следующие этапы:
- вводят воду в устройство, парообразователь и барабан по меньшей мере одной системы образования пара посредством питающего насоса до уровня, называемого запуском,
- вводят в действие средство для обеспечения минимального дебита, позволяющего функционирование эжектора в течение фазы запуска,
- нагревают котел,
- снова вводят в действие питательный насос таким образом, чтобы дать возможность эжектору обеспечивать принудительную циркуляцию в течение нормального функционирования котла.

Предпочтительно, чтобы в течение фазы запуска в часть эжектора был введен подвижный игольчатый клапан, действующий для регулировки дебита воды в зависимости от необходимости.

Изобретение будет лучше понято со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - это схематичный вид первой формы исполнения котла с принудительной циркуляцией согласно изобретению;
фиг. 2 - схематичный вид второй формы исполнения котла с принудительной циркуляцией согласно изобретению;
фиг. 3 - вид в разрезе эжектора, снабженного игольчатым клапаном, который может быть использован в котле согласно изобретению.

Фиг. 1 представляет схематичный вид котла согласно изобретению, расположенного между газовой турбиной и не представленной паровой турбиной, как, например, на электростанции.

Котел-утилизатор 1 включает одну или несколько систем образования пара, в случае необходимости с различными давлениями имеющие каждая:
барабан разделения вода/пар 17,
устройство-парообразователь с ребристыми трубами, расположенными горизонтально в потоке горячих газов,
спускные 19 и подъемные трубы 21, обеспечивающие связь между барабаном 17 и устройством-парообразователем 11 через впускной 13 и выпускной 15 коллекторы. По меньшей мере одна система образования пара содержит эжектор 25, способный обеспечивать принудительную циркуляцию воды в котле 1 при нормальной работе и тем, что разделительный барабан вода/пар 17 расположен на любой высоте относительно выпускного коллектора 15 устройства-пароообразователя 11 этой системы.

Каждая система образования пара может содержать эжектор 25, способный обеспечить принудительную циркуляцию воды в котле 1 при нормальной работе. Эжектор 25 расположен на питающей линии 7.

Каждая система образования пара содержит эжектор 25 и средство для обеспечения минимального дебита, позволяющее эжектору 25 работать в течение фазы запуска котла 1.

Дополнительный насос запуска 31 предусмотрен на линии 27 отвода, линии подъема между пунктом присоединения спускной трубы 19 и пунктом присоединения питающей линии 7, расположенной выше эжектора 25.

Барабан 17 указанной системы образования пара снабжен в его зоне воды устройством 33, способным обеспечить откачку, выпуск из этого барабана 17 во время фазы запуска.

Каждый эжектор 25 снабжен на своей конической насадке (сопле) 43 подвижным игольчатым клапаном 45.

Разница высоты между барабаном 17 системы образования пара и выпускным коллектором 15 устройства- пароообразователя 11 может быть равна нулю, или барабан 17 системы образования пара расположен на высоте ниже высоты выпускного коллектора 15 или выше последнего.

Способ эксплуатации котла 1 заключается в следующем.

Вводят воду в устройстве-парообразователь 11 в барабан 17 по меньшей мере одной системы генерации пара посредством питающего насоса 5 до уровня, называемого уровнем запуска;
вводят в действие средство для обеспечения минимального дебита, позволяющего работать эжектору 25 во время фазы запуска;
нагревают котел 1;
снова вводят в действие питающий насос 5 так, чтобы дать возможность эжектору 25 обеспечить принудительную циркуляцию в течение нормальной работы котла 1.

В течение фазы запуска вводят подвижный игольчатый клапан 45 в часть эжектора 25, состоящую из конического сопла 43 с тем, чтобы регулировать дебит воды в зависимости от потребностей.

Далее изобретение будет описано со ссылкой на конкретное применение, при этом нужно понимать, что не будет выхода за рамки изобретения при применении и с традиционными котлами.

Котел 1 питается благодаря резервуару 3 и питательному насосу 5. Питающая линия 7 снабжена регулирующим вентилем 9, который может действовать в соответствии с потребностями в воде котла 1. Устройство-парообразователь 11, состоящее из ребристых труб, расположенных горизонтально в канале отвода горячих газов 12, имеет классическое выполнение. На фиг. 1 представлены три системы ребристых труб, расположенных параллельно, но на практике благодаря изобретению можно ограничиться 200-300 системами, что является небольшим числом по отношению к котлам с естественной циркуляцией, которые содержат обычно приблизительно 800 систем. Устройство-парообразователь 11 включает классически впускной (вводный) коллектор 13 и выпускной (выводной) коллектор 15. И тот и другой соединены с разделительным барабаном вода/пар 17. Впускной коллектор 13 соединен с зоной воды указанного барабана 17 через трубу 9, называемую спускной, тогда как выпускной коллектор 15 соединен с зоной пара барабана 17 посредством трубы, называемой трубой подъема, нагнетания 21. Трубопровод 23 для отвода пара из барабана 17 предусмотрен в верхней части зоны пара.

Эжектор 25 помещен на перекресте питательной линии 7 и спускной трубы 19. Перед запуском котла в устройство- парообразователь 11 и барабан 17 вводится вода с помощью питательного насоса 5 до уровня, называемого запускным. Когда уровень воды в барабане 17 достигает нескольких десятков сантиметров, регулирующий вентиль 9 закроется. Питающая вода используется затем как рабочая среда: она пересекает эжектор 25 при некотором падении давления, увеличивая свою скорость, что приводит к всасыванию воды в спускную трубу 19, а следовательно, к движению циркуляции воды. По этой причине говорят о принудительной циркуляции в котле.

Смесь питающей воды/воды, исходящей из барабана, подается под давлением к впускному коллектору 13 с определенным повышенным давлением. Эжектор продолжает непрерывно работать в течение нормальной работы котла, т.е. начиная с момента, когда дебит рабочей среды, которая туда попала, достигает определенного уровня.

Во время периода запуска дебит питающей воды будет равен нулю. Однако эжектор может функционировать, только если располагает минимальным дебитом.

Закрытие регулирующего вентиля 9 в принципе является необходимым, чтобы обеспечить правильный запуск: прежде чем работает котел, нет потребления воды. Следовательно, нужно избежать чрезмерного заполнения барабана 17, чтобы помешать вытеканию воды к трубопроводу отвода пара 23, что было бы недопустимо.

Однако необходимо обеспечить циркуляцию воды при запуске в системе устройство - парообразователь-барабан для того, чтобы подогреть комплект элементов одинаковым образом.

В соответствии с условиями места, позиции можно получить эту циркуляцию различными способами.

Первая возможность иллюстрируется на фиг. 1. Можно предусмотреть линию отвода 27 на спусковой трубе 19, заканчивая на питающей линии 7 выше эжектора 25. На этой линии 27 предусматриваются затем дополнительный насос запуска 29 и дополнительный вентиль 31; этот вентиль открывается, когда вентиль 9 закрыт. Насос 29 временно обеспечивает циркуляцию рабочей среды из воды, выходящей из барабана 17. Этот насос 29 может иметь небольшую мощность.

В варианте, как это представлено на фиг. 2, можно запланировать трубопровод 33 для выпуска из барабана 17 при возможном рециркулировании воды к резервуару 3 или не представленному конденсатом или простого удаления воды.

Падение уровня воды в барабане 17 вызовет приток воды, которая вынудит регулирующий вентиль 9 открыться и питающий насос 5 обеспечить рабочий дебит, который позволит эжектору 25 начать нормальное функционирование. В этом случае вентиль 9 остается, следовательно, открытым даже при запуске и можно допустить питающую воду в котел без риска его затопить.

Когда установилась циркуляция запуска, котел 1 может нагреваться или запуская газовую турбину, или управляя дымовыми шиберами (не показаны), в соответствии с установкой.

Первые пузырьки пара быстро образуются в нижней части устройства-парообразователя 11, отталкивая воду к барабану 17 через трубу подъема (стояк) 21. Следовательно, уровень воды в барабане будет увеличиваться. Затем он постепенно уменьшится в зависимости от произведенного пара, направленного потребителю. Когда уровень вернется к нормальной величине, питающая вода должна будет введена в котел 1 в количествах, равных полученному пару: регулирующий вентиль 9 полностью открыт и эжектор 25 работает тогда в нормальном режиме. Цикл запуска может быть прерван.

Нужно отметить, что каждое изменение температуры или дебита горячих азов, впускаемых в котел, соответствует изменению дебита пара, а, следовательно, идентичному изменению дебита питающей воды, контролируемой вентилем регулирования 9.

На фиг. 3 представлен эжектор 25, усовершенствованный в соответствии с изобретением. Он традиционно имеет корпус 35, всасывающий фланец 37, смесительную зону, диффузор 41 и коническую насадку (сопло) 43. Эта насадка преимущественно снабжена подвижным игольчатым клапаном 45. В течение фазы запуска игольчатый клапан 45 введен внутрь конического сопла 43, что позволяет ограничить дебит рабочей среды, удерживая величины мощности принудительного дебита эжектора 25.

При нормальном функционировании котла 1 игольчатый клапан 45 удаляется из сопла 54 и эжектор 25 работает согласно первоначальным характеристикам.

В котлах по изобретению можно использовать или стандартный эжектор, или усовершенствованный эжектор, такой, какой представлен на фиг. 3.

Конкретный пример реализации котла согласно изобретению описан ниже (но не представлен на чертежах).

Типичная современная электростанция с комбинированным циклом имеет одну или две газовые турбины 100 и 500 МВт, каждая оборудована котлом-утилизатором с двумя уровнями давления, производящим пар с высоким давлением (около 80-100 кг/см²) и пар с низким давлением (около 8-10 кг/см²), питающих паровую турбину с двумя уровнями давления мощностью 100-150 МВт.

Каждый котел содержит две системы образования пара, снабженные каждыя тремя теплообменниками, а именно парообразователем, подогревателем (экономайзером) и перегревателем, а также разделительным барабаном вода/пар.

Две системы образования пара являются независимыми и каждая из них может работать с принудительной циркуляцией согласно изобретению.

Не выходит, однако, за рамки изобретения, если одна система образования пара, данная котлу, содержит эжектор, который обеспечивает принудительную циркуляцию рабочей среды, другая система этого же котла работает в соответствии с другим типом циркуляции, например циркуляцией, вынуждаемой, заставляемой циркуляционным насосом.

В приведенном примере для каждой системы генерации пара, работающей с принудительной циркуляцией, потеря напора будет выбираться в зависимости от стабильности потока, течения и теплообмена от 3 до 5 кг/см². В этом случае ребристые трубы будут небольшого диаметра (около 32-38 мм). Объем воды в устройстве-парообразователе также может быть относительно небольшим (около 10-15 м³). Эта производительность будет достаточной, чтобы принять перемещение воды из устройства-парообразователя во время запуска.

Листовой металл, составляющий барабан, мог бы иметь уменьшенную толщину (около 30-50 мм), допуская высокие градиенты температуры и/или давления. Таким образом, время запуска котла может быть очень коротким и способным адаптироваться к очень короткому периоду запуска газовых турбин.

Динамические характеристики котла, очевидно, улучшились при уменьшившихся постоянных времени. Кроме того, степень интенсивности циркуляции могла бы быть выбрана с высоким запасом безопасности.

Изобретение предназначено для использования в установках с комбинированным производством тепловой и электрической энергии на электростанциях. В котле по меньшей мере одна система образования пара содержит эжектор, способный обеспечить принудительную циркуляцию воды при нормальной работе. Разделительный барабан вода/пар может быть расположен на любой высоте относительно выпускного коллектора парообразователя. Такое выполнение позволяет отказаться от циркуляционных насосов и иметь компактную установку. 2 с. и 10 з. п.ф-лы, 3 ил.

1. Котел-утилизатор (1), включающий одну или несколько систем образования пара, в случае необходимости с различными давлениями, имеющих каждая питающую линию (7), барабан разделения вода/пар (17), устройство-парообразователь с ребристыми трубами, расположенными горизонтально в потоке горячих газов, спускные трубы (19) и подъемные трубы (21), обеспечивающие связь между барабаном (17) и устройством-парообразователем (11) через впускной коллектор (13) и выпускной коллектор (15), отличающийся тем, что по меньшей мере одна система образования пара содержит регулируемый эжектор (25), способный ограничивать дебит рабочей жидкости в фазе запуска и обеспечивать принудительную циркуляцию воды в котле (1) при нормальной работе. 2. Котел по п.1, отличающийся тем, что каждая система образования пара содержит эжектор (25), способный обеспечить принудительную циркуляцию воды в котле (1) при нормальной работе. 3. Котел по п.1 или 2, отличающийся тем, что эжектор (25) расположен на питающей линии (7). 4. Котел по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что каждая система образования пара, содержащая эжектор (25), дополнительно содержит средство для обеспечения минимального дебита, позволяющее этому эжектору (25) работать в течение фазы запуска котла (1). 5. Котел по п.4, отличающийся тем, что дополнительный насос запуска (29) предусмотрен на линии (27) отвода, линии подъема между пунктом присоединения спускной трубы (19) и пунктом присоединения питающей линии (7), расположенной выше эжектора (25). 6. Котел по п.4, отличающийся тем, что барабан (17) указанной системы образования пара снабжен в его зоне воды устройством (33), способным обеспечить откачку, выпуск из этого барабана (17) во время фазы запуска. 7. Котел по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что каждый эжектор (25) снабжен на своей конической насадке (сопле) (43) подвижным игольчатым клапаном (45). 8. Котел по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что разница высоты между барабаном (17) системы образования пара и выпускным коллектором (15) устройства парообразователя (11) равна нулю. 9. Котел по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что барабан (17) системы образования пара расположен на высоте ниже высоты выпускного коллектора (15). 10. Котел по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что барабан (17) системы образования пара расположен на высоте выше высоты выпускного коллектора (15). 11. Способ эксплуатации котла-утилизатора (1) по п.1, содержащий следующие этапы: вводят воду в устройство-парообразователь (11) и барабан (17) по меньшей мере одной системы генерации пара посредством питающего насоса (5) и делают это до уровня, называемого уровнем запуска, нагревают котел (1), отличающийся тем, что вводят в действие средство для обеспечения минимального дебита, позволяющего работать эжектору (25) во время фазы запуска, снова вводят в действие питающий насос (5) так, чтобы дать возможность эжектору (25) обеспечить принудительную циркуляцию в течение нормальной работы котла (1). 12. Способ по п.11, отличающийся тем, что в течение фазы запуска вводят подвижный игольчатый клапан (45) в часть эжектора (25), состоящую из конического сопла (43) для регулирования дебита воды в зависимости от потребностей.