БАРАБАН-СЕПАРАТОР Российский патент 2000 года по МПК F22B37/26 

Изобретение относится к области котельной техники, в частности к конструкции внутрибарабанных сепарационных устройств, и может быть использовано для повышения эффективности улавливания взвешенных частиц.

При эксплуатации современных барабанных котлов высокого и среднего давления возникает проблема стабилизации водного режима в пусковой период, особенно при растопке из холодного состояния. В период растопки котла (и других переходных режимах) имеет место резкое ухудшение качества котловой воды и соответственно качества пара. По условию качества пара (до подачи его на турбину) растопка затягивается на 3 - 8 часов (например, на котлах ТГМ-84 Набережно-челнинской ТЭЦ и ряде др.), а в отдельных случаях и до 24 часов (на котлах БКЗ-75 Свердловской ТЭЦ и др.).

Известен барабан-сепаратор, содержащий циклоны и шламоуловитель, выполненный в виде перевернутого стакана с двойными стенками, имеющими отверстия, расположенные на наружной и внутренней потолочной части, и подключен к трубам циркуляционной системы (авт.свид. СССР N 335499, F 22 B 37/26).

Во-первых, известное устройство предназначено для вертикальных барабанов и неприменимо для горизонтальных, т.к. шламоуловитель расположен в рабочем пространстве вертикального барабана ниже отверстий для водоспускных труб, расположенных на боковых стенках, что позволяет использовать для улавливания шлама эффект отстоя и смены направления потока на 180^o. В горизонтальных же барабанах нет пространства для размещения такого шламоуловителя, т.к. водоспускные трубы в горизонтальном барабане присоединены к его днищу.

Известен горизонтальный барабан-сепаратор, состоящий из корпуса, усеченного конуса для создания центробежных сил и электромагнитов (авт.свид. СССР N 174640). Такие шламоуловители устанавливают на водоотводяших трубах циркуляционных контуров, но практически они могут быть установлены только на части циркуляционных контуров (менее 20%), вследствие чего не обеспечивается необходимая степень улавливания шлама. Ввиду сложности конструкции и недостаточной эффективности, особенно на котлах высокого давления, такие шламоуловители не нашли широкого применения.

Известно устройство для осаждения шлама в барабане котла с трехступенчатой системой испарения. Устройство содержит перегородки, соединенные с барабаном, и специальные трубки для осаждения шлама (US, а.с. N 262051, МКИ F 22 В 37/48, 1989). Указанное устройство неприменимо для современных барабанов-сепараторов, содержащих внутрибарабанные циклоны.

Таким образом, известные конструкции барабана-сепаратора паровых котлов не обеспечивают эффективного улавливания и последующего удаления с продувками взвешенных частиц.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является барабан-сепаратор, содержащий внутрибарабанные циклоны с поддонами, высота которых составляет 75 - 100 мм, а расстояние края поддона от стенки циклона до 30 - 50 мм (К.Ф.Бузников. Циклонные сепараторы в паровых котлах. М.: Энергия, с.48, рис.2-12, с.66, рис.3-6).

Указанная конструкция поддонов циклонов применяется в настоящее время всеми котлостроительными заводами.

Недостатками данного технического решения являются:
- высокие потери тепла и конденсата при длительных растопках, быстрый рост отложений на экранных трубах в зоне высоких тепловых потоков (в топке котла);
- ухудшение качества котловой воды и пара при растопках котла. Это объясняется тем, что при пуске котла с внутренней поверхности трубной системы срываются крупные частицы (лепестки, кусочки пленки) от отложений, состоящих в основном из окислов железа и других металлов или солевых отложений. Разрушение отложений связано с микрогидроударами, которые имеют место при прогреве металла труб котла.

Эти частицы потоком циркуляционной воды поднимаются вверх в барабан котла и движутся далее по контуру циркуляции.

При отсутствии участков с достаточно низкой скоростью движения воды механические частицы проходят неоднократно по циркуляционному контуру, постепенно измельчаются до порошкообразного состояния и после чего прикипают к экранным трубам в местах максимального теплового потока и парообразования.

К недостаткам относится также невысокая эффективность периодических и непрерывных продувок котлов, связанная непосредственно с указанной конструкцией барабана-сепаратора.

Периодическая продувка котла производится из нижних точек (коллекторов) всех циркуляционных панелей. Однако по причине достаточно высокой скорости воды в коллекторах частицы отложений не оседают, а остаются ориентировочно равномерно распределенными в потоке воды.

Продувка из нижних точек котла приводит к удалению воды не с наиболее концентрированным, а со средним содержанием частиц. Поэтому приходится выдувать большое количество воды, а это влечет за собой потери тепла и конденсата, и время растопки котла затягивается по причине задержки времени стабилизации водного режима.

Непрерывная продувка производится из соленых отсеков котла, которые размещаются в его барабане, при этом в отдельных случаях используются выносные циклоны.

Если соленый отсек находится в барабане, то продувка осуществляется из перфорированной трубы, размешенной в водяном объеме барабана на расстоянии 200 - 300 мм от стенки нижней его половины.

Если соленый отсек котла выполнен с выносным циклоном, то непрерывная продувка котла выполняется из нижней части этого циклона на расстоянии 0,5 - 1 м от его днища.

Во всех перечисленных выше случаях как при периодической, так и при непрерывной продувке в продувку поступает котловая вода со средним содержанием взвешенных частиц, так как в циркуляционном контуре нет участков для их осаждения и удаления в концентрированном виде.

Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - повышение надежности экранных поверхностей нагрева за счет уменьшения отложений на внутренних поверхностях экранных труб и повышение экономичности работы котла за счет сокращения потерь при продувках.

Для решения поставленной задачи в известном барабане-сепараторе парового котла, снабженном сепарационными устройствами, включающими внутрибарабанные циклоны с поддонами; нижняя часть поддонов выполнена в виде короба высотой "h" более 100 мм, край которого отстоит от цикла на величину "а" не менее чем на 50 мм, при этом стенки короба выполнены с уклоном к горизонтальной оси пол углом α = 30 - 90^oC, а в нижней его части выполнена продувочная линия с выходом наружу барабана.

Угол наклона стенок короба 3 α = 30 - 90^o обеспечивает передвижение частичек по стенкам под собственным весом и осаждение их в его нижней части 13. Размеры h>100 мм и а>50 мм в несколько раз снижают скорости движения котловой воды W₁ и W₂ до величины, которая становится минимальной во всем циркуляционном контуре, что создает условия для осаждения взвешенных частичек в нижней части короба 3.

Предлагаемый барабан-сепаратор с системой продувки изображен на чертеже (поперечный разрез, второй ряд циклонов не показан).

Барабан-сепаратор 1 содержит внутрибарабанные циклоны 2 с расположенными снизу коробами 3, в нижней части которых выполнена продувочная линия 4, водоспускную трубу 5, соединяющую барабан с нижним коллектором 6 циркуляционного контура, линию продувки 7 нижнего коллектора 6 циркуляционного контура, линию продувки 8 нижних точек котла, экранные трубы 9, верхний коллектор 10 циркуляционного контура, пароотводящие трубы 11, 12 - уровень воды в барабане, 13 - отложения в коробе, 14 - тепловой поток на экранные трубы в топке котла.

Барабан-сепаратор работает следующим образом. Котловая вода из барабана 1 по водоспускной трубе 5 поступает в нижний коллектор экрана б, далее по экранным трубам 9 проходит через топку котла, под воздействием теплового потока 14 частично испаряется и поступает в верхние коллекторы 10, через пароотводящие трубы 11 попадает во внутрибарабанные циклоны 2. При движении потока котловой воды по циркуляционному контуру имеют место гидроудары, при которых происходит разрушение отложений окислов железа и солей и попадание их в поток воды в виде крупных частиц. Во внутрибарабанном циклоне происходит отделение пара от воды, включающей упомянутые частицы.

Далее котловая вода поступает в короб 3. При этом вода проходит по коробу 3 с горизонтальной скоростью W₁ и вертикальной скоростью W₂, величина которых в несколько раз ниже по сравнению со скоростями по прототипу. Это обеспечивается предложенными размерами и формой короба "h", "а" и "α".
За счет снижения скоростей большая часть частиц 13 из потока воды оседает в нижней части короба 3.

Из нижней части короба 3 через продувочную линию 4 осуществляется продувка. При этом осевшие частицы с продувочной водой удаляются из барабана 1.

Испытания предлагаемой конструкции барабана-сепаратора были проведены на котле ТГМ-84 Ново-Рязанской ТЭЦ.

Поддоны в типовой конструкции были заменены коробами высотой h=300 мм с выступом края короба от циклона а = 100 мм и наклоном стенок короба к горизонтальной оси барабана под углом α =45^o.

Из нижней части короба была выполнена продувочная линия с выходом наружу барабана.

После растопки котла из холодного состояния и работы его в течение двух дней под нагрузкой барабан был вскрыт и осмотрены короба, которые оказались заполненными на 1/2 - 2/3 объема крупными частицами окислов железа отложений с экранных труб и шлама (взвешенных частиц).

При этом с целью наблюдения за количеством выпавших частиц продувка короба не открывалась.

Это объясняется тем, что при растопке котла и прогреве его трубной системы имеют место гидроудары, особенно в зоне максимального теплового потока, при которых скалываются отложения с поверхности труб и в виде крупных частиц поступают в поток циркулирующей воды. Пройдя относительно небольшую часть циркуляционного контура (1/4) и не успев разрушиться, крупные частицы отложений после внутрибарабанных циклонов попадают в короба и проходят участок в коробе с минимальными скоростями W₁ и W₂.

При этом из всех участков циркуляционного контура 1-2-3-5-6-9-10-11 минимальная скорость потока воды достигается в коробе 3, что обеспечивает осаждение взвешенных частиц в нижней части короба (13). За счет выполнения в нижней части короба 3 (стенки которого выполнены с уклоном вниз) продувочной линии 4 через последнюю осуществляется удаление взвешенных частиц.

Продувочная линия 4 может быть использована для наиболее эффективного (в концентрированном виде) удаления взвешенных частиц и шлама при растопке и при непрерывной продувке из соленого отсека, что позволит сократить потери тепла и конденсата.

Создание зоны минимальных скоростей и улавливания частиц в коробах под циклонами имеет преимущество в том, что крупные частицы отложений не успевают разрушиться, пройдя только четверть циркуляционного контура, и поэтому легко оседают в коробе.

Линия продувки 4 из коробов 3 врезается аналогично имеющейся в котле продувке 7 нижнего коллектора котла 6 в кольцо продувки 8 нижних точек котла.

Высота коробов "h" выбирается в зависимости от размеров барабана и конструкции сепарационных устройств и составляет 150 - 400 мм для обеспечения минимальной горизонтальной скорости W₁, а расстояние между выступом края короба и циклоном "а" в зависимости от конструкции выбирается в пределах 50 - 150 мм, что обеспечивает минимальную подъемную скорость W₂.

Таким образом, удаляя в концентрированном виде осевшие в коробе крупные частицы, последние не подвергаются измельчению, и, следовательно, значительно сокращается отложение мелких частиц на поверхности экранных труб 9, что повышает надежность их работы.

Одновременно с этим сокращается количество продувочной воды (и соответственно потери тепла и конденсата), что способствует повышению экономичности работы котла.

Барабан-сепаратор предназначен для использования в паровых котлах для повышения эффективности улавливания взвешенных частиц. Барабан-сепаратор парового котла содержит сепарационные устройства, включающие внутрибарабанные циклоны с поддонами. Нижняя часть поддонов выполнена в виде короба высотой более 100 мм, край которого отстоит от циклона на расстояние не менее 50 мм, при этом стенки короба выполнены с наклоном к горизонтальной оси под углом 30-90°, и в нижней его части выполнена продувочная линия с выходом наружу барабана. Такое выполнение поддонов повышает надежность экранных поверхностей нагрева за счет уменьшения отложений на внутренних поверхностях экранных труб и экономичность работы котла за счет сокращения потерь при продувках. 1 ил.

Барабан-сепаратор парового котла с сепарационными устройствами, включающими внутрибарабанные циклоны с поддонами, отличающийся тем, что нижняя часть поддонов выполнена в виде короба высотой более 100 мм, край которого отстоит от циклона на расстоянии не менее 50 мм, при этом стенки короба выполнены с наклоном к горизонтальной оси под углом 30 - 90^o, а в нижней его части выполнена продувочная линия с выходом наружу барабана.