ПАРОВОЙ КОТЕЛ S & S Российский патент 2000 года по МПК F22B23/04 

Изобретение относится к теплоэнергетическим установкам для преобразования потенциальной энергии топлива в тепловую энергию пара и может быть использовано в теплоэнергетике, и в частности для судовых котельных установок.

Известен паровой котел, содержащий пароводяной барабан с противоположно установленными трубными досками и парогенерирующие трубы, сообщенные своими оконечностями с трубными досками и размещенные в газоходе котла с образованием цилиндрической формы трубного пучка (см. котлы типов "VX", "АГ9", "АГ3", "НК", "Флеминг", "Бурмейстер и Вайн" в кн. Э.М. Ветольский. Предотвращение аварий судовых паровых котлов. Владивосток: Ассоциация ДВНЦ Академии транспорта России. 1995, с. 14-19).

Недостатки известного парового котла следующие. 1. Жесткое крепление пучков парогенерирующих труб в противоположных трубных досках и как следствие разрушение защитной окисной пленки на поверхности металла и появление трещин при наличии различной тепловой нагрузки труб с последующей усиленной коррозией поверхности теплообмена, особенно в районе входа газового потока в трубный пучок из топочного пространства. 2. Невозможность замены части труб при их разрушениях без выполнения работ заводского характера. 3. Подвод газов из топки в среднюю часть пучка труб при цилиндрической форме пучка не позволяет оптимизировать теплообмен, что определяет низкую тепловую эффективность процесса теплообмена в котле. 4. Размещение топки в нижней части котла под трубным пучком чрезмерно увеличивает высоту котла, металлоемкость и стоимость изготовления.

Известен паровой котел, содержащий пароводяной барабан с трубной доской (см. патент N 2063577, БИ N 19, 10.07.96), парогенерирующее устройство, содержащее соосные внешние и криволинейные внутренние трубы, сообщенные соответственно с внутренней полостью барабана и размещенные в газоходе котла с образованием прямолинейной формы трубного пучка, газоотводный патрубок и устройства для сброса шлама на каждой внутренней трубе. Этот паровой котел выбран в качестве прототипа заявляемого решения.

Недостатки прототипа следующие:
индивидуальность конфигурации криволинейных внутренних труб, подключенных к трубной доске, и форма самой трубной доски создают технологические трудности при изготовлении котла и неудобство при демонтаже и монтаже соединений и внутренних труб при его ремонте и эксплуатационном обслуживании;
особенности теплообмена газового потока предопределяют его недостаточную эффективность и необходимость изменения площади поперечного сечения газохода по ходу движения газового потока. При наличии прямолинейной формы трубного пучка, определяемой трубной доской пароводяного барабана, попытки использования в этих целях перегородок в газоходе с изменением направления потока газов на 180^o эффекта не дали. Аэродинамическое сопротивление котла в этих случаях увеличивается, что приводит к потере эффективности теплообмена. Попытки направления потока газов вдоль оси барабана приводят к увеличению его длины при ухудшении компактности котла;
неудобство эксплуатационной продувки шламосборных устройств, индивидуально связанных с внутренними трубами, обусловленное необходимостью отключения котла от потребителей при продувке шлама.

Таким образом, котел-прототип имеет существенные технологические и эксплуатационные недостатки, увеличивающие стоимость его изготовления, снижающие эффективность работы и затрудняющие эксплуатацию котла.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, а именно: улучшение взаимозаменяемости элементов котла, упрощение технологии изготовления, оптимизация эксплуатационных характеристик в части теплообмена и аэродинамического сопротивления, повышение удобства эксплуатации, обеспечение возможности замены поверхности теплообмена без выполнения работ заводского характера, снижение эксплуатационных расходов, повышение качества и потребительских свойств котельных установок.

Поставленная задача достигается тем, что в известном паровом котле, содержащем пароводяной барабан с трубной доской и парогенерирующим устройством, содержащeм соосные внутренние опускные и внешние подъемные парогенерирующие трубы, сообщенные с внутренней полостью барабана, газоход с размещенными в нем парогенерирующими трубами и газоотводным патрубком и устройства для сброса шлама, в отличие от него в заявляемом пароводяной барабан выполнен с трубной доской и верхней образующей в плоском исполнении. Устройства для сброса шлама выполнены в виде цилиндрических шламосборных камер, сообщенных своей нижней частью с общим отводным патрубком, в трубную доску барабана встроены штуцеры для крепления парогенерирующих труб, выступающие с обеих ее сторон и имеющие по своим верхним выступающим торцам равномерно распределенные по их окружностям опорные выступы одинаковой высоты. Верхняя образующая барабана с внутренней стороны снабжена втулками, в которые установлены верхние оконечности внутренних труб, имеющих над уровнем штуцеров сквозные отверстия, которые размещены в полости ограждающей муфты, выполненной в виде цилиндрического стакана, донышко которого имеет центральное отверстие под внутреннюю трубу и сопряжено с выступами штуцера. На нижней оконечности внутренней трубы размещены сквозные отверстия и близ торца - участок с резьбой для крепления трубы. Каждая внешняя труба верхней оконечностью сопряжена с нижним торцом штуцера, а нижней - с поверхностью шламосборной камеры, а сама шламосборная камера на поверхности имеет отверстие под резьбовой участок внутренней трубы. Ось газоотводного патрубка совпадает с осевой линией газохода. Причем внутреннее пространство газохода снабжено вертикальными перегородками, установленными со ступенчатым снижением площади поперечного сечения газохода по ходу газового потока. В ряде случаев экономически и конструктивно оправданно выполнение пароводяного барабана торообразной формы, а его газохода из стенок двух коаксиальных цилиндров, коаксиально размещенного ниже пароводяного барабана. Ступенчатое снижение площади поперечного сечения газохода экономически оправдано в соотношении входа потока газов к выходу из трубного пучка 3:1 при работе котла на жидком топливе и в соотношении того же 2:1 при работе котла на отходящих газах двигателя внутреннего сгорания.

Заявленная совокупность ограничительных и отличительных признаков обеспечивает увеличение взаимозаменяемости элементов котла с сокращением типоразмеров трубных элементов котла до двух и штуцерных соединений до одного, упрощается технология изготовления пароводяного барабана и корпусно-каркасных деталей, увеличивается эффективность теплообмена и снижается аэродинамическое сопротивление котла, повышается удобство эксплуатации, обеспечивается замена поверхностей теплообмена обслуживающим персоналом непосредственно в эксплуатации, без выполнения заводского ремонта, снижаются эксплуатационные расходы, повышается качество и улучшаются потребительские свойства котла на рынке котельной техники.

Благодаря плоской поверхности трубной доски и верхней образующей пароводяного барабана упрощается технология и снижается стоимость изготовления барабана, поскольку исключается процесс нагрева и погиба толстолистовой стали, используемой для производства прочного корпуса. Обеспечивается упрощенная и полная взаимозаменяемость штуцерных соединений и изношенных труб котла, сопряженных с барабаном. Обеспечивается возможность ремонта котла обслуживающим персоналом в период эксплуатации, поскольку замена изношенных поверхностей нагрева в виде съемных одинаковых прямолинейных трубных элементов не требует высокой квалификации, заводских приспособлении и освидетельствования органами надзора.

Снабжение верхних выступающих над трубной доской торцов штуцеров одинаковыми выступами, расположенными равномерно по окружности, позволяет обеспечить выход пароводяной смеси из парогенерирующей внешней трубы в пароводяной барабан через радиальные каналы, образованные сопряжением донышка ограждающей муфты с выступами штуцера. При этом обеспечивается отвод пароводяной смеси от приосевой зоны парогенерирующей внешней трубы и улучшаются условия работы внутренних опускных труб, расположенных по оси внешних.

Снабжение верхней образующей барабана втулками, в которые установлены верхние оконечности внутренних труб, взаимосвязанных с внешними трубами, позволяет в общей совокупности уменьшить напряжения на верхней образующей от внутреннего давления пара, поскольку это давление уравновешивается напряжением растяжения внутренних труб, используемым одновременно для уплотнения внешних, подвергаемых напряжению сжатия, посредством сопряжения нижних оконечностей внешних труб со шламосборными камерами. При этом внутренняя труба используется как анкерная связь между верхней и нижней образующими пароводяного барабана.

Снабжение верхней оконечности внутренних труб сквозными отверстиями, расположенными над уровнем штуцеров, создает необходимые условия для подвода воды во внутренние опускные трубы, и тем самым обеспечивается циркуляция воды и пароводяной смеси в парогенерирующем канале. Расположение указанных отверстий в полости ограждающей муфты, выполненной в форме цилиндрического стакана, имеющего донышко, обеспечивает в совокупности признаков надежность циркуляции за счет исключения захвата паровых пузырей в отверстия опускных труб из-за снижения скорости воды ниже подъемной скорости паровых пузырей на входе в пространство между внешней поверхностью внутренней трубы и полостью муфты. Тем самым обеспечивается подвод воды без примеси паровых пузырей во внутреннюю трубу и надежность циркуляции.

Сопряжение донышка муфты, имеющего отверстие под внутреннюю трубу, с выступами штуцера обеспечивает в совокупности многоструйный отвод пароводяной смеси от приосевой зоны парогенерирующей внешней трубы путем поворота потока на 90^o от осевого направления и предотвращает инерционный проход потока в пространство между внешней поверхностью внутренней трубы и полостью муфты, чем также достигается надежность циркуляции. Совокупность многоструйных отводов пароводяной смеси от приосевой зоны внешней трубы с взаимосвязанными трубной доской парогенерирующими трубами обеспечивает наличие циркуляционных зон пароводяного потока под зеркалом испарения пароводяной смеси с восходящими токами пара и опускными токами воды. При этом обеспечивается укрупнение самих паровых пузырей за счет их слияния при встречном взаимодействии смежных струй пароводяных потоков, отводимых от приосевых зон соседних парогенерирующих внешних труб. В результате снижается вероятность вспенивания воды, влажность насыщенного пара и его солесодержание. Это обеспечивает повышение качества пара котла при прочих одинаковых условиях по нагрузке зеркала испарения и солености котловой воды.

Выполнение пароводяного барабана торообразного вида с вертикально-осевым газоходом, образованным стенками двух коаксиальных цилиндров с размещенными в нем парогенерирующими трубами, коаксиально размещенным ниже этого пароводяного барабана, позволяет получить компактную конструкцию котла, уменьшить количество элементов каркаса и опор, упростить технологию сборки, ремонта и освидетельствования котла за счет простоты осевого извлечения (посадки) прочной конструкции из цилиндрического каркаса с доступом ко всем внешним и внутренним поверхностям нагрева и каркаса. Изложенное становится весьма существенным в судовых условиях.

Совмещение оси газоотводного патрубка с осевой линией газохода позволяет осуществить выпуск газов через пространство пароводяного барабана, что снижает размеры котла в горизонтальном направлении и исключает в пределах пространства котла наличие нефункциональных зон.

Установка вертикальных перегородок во внутреннем пространстве газохода со ступенчато уменьшающейся площадью поперечного сечения по ходу газового потока позволяет сохранить в пределах газохода оптимальную скорость газового потока с учетом снижения температуры газов и уменьшить углы поворота газового потока, что увеличивает эффективность теплообмена в межтрубном пространстве и снижает аэродинамическое сопротивление котла.

Сообщение всех шламосборных камер парогенерирующих труб с общим отводным трубопроводом позволяет осуществлять нижнее продувание котла и очистку котловой воды от шлама непосредственно в процессе его эксплуатации, что создает удобство при обслуживании и повышает надежность работы котла.

Таким образом, достигается улучшение взаимозаменяемости элементов котла при одинаковых размерах трубных и штуцерных элементов поверхности теплообмена, упрощение технологии изготовления и ремонта пароводяного барабана и корпусно-каркасных деталей, увеличение эффективности теплообмена и снижение аэродинамического сопротивления, повышение удобства эксплуатации, возможность замены поверхностей теплообмена обслуживающим персоналом без заводского ремонта, снижение эксплуатационных расходов, повышение качества и потребительских свойств котла для условий рынка.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, на которых поведена общая компоновочная схема парового котла на примере котла с барабаном торообразной формы и узлы характерных соединений.

На фиг. 1 показан вертикальный разрез котла; на фиг. 2 показано сечение котла; на фиг. 3, 4 и 5 показаны соответственно узлы А, Б и В в увеличенном масштабе фиг. 1.

Паровой котел содержит пароводяной барабан 1, выполненный по нижней образующей с плоской трубной доской 2 и по верхней образующей - с плоской поверхностью 3. Осевая линия барабана выполнена замкнутой по окружности с образованием торообразного тела, имеющего внутренние 4 и наружные 5 цилиндры. Цилиндры 4 и 5 соединены в верхней оконечности с плоской поверхностью 3, а в нижней оконечности - с плоской трубной доской 2. На трубной доске 2 установлены штуцеры 6. На плоской поверхности 3 со стороны внутренней полости барабана установлены втулки 7. Барабан 1 оснащен парогенерирующим устройством, выполненным в виде соосных внутренних 8 и внешних испарительных 9 труб и шламосборных камер 10. При этом в верхней оконечности внутренние трубы 8 установлены во втулках 7 (фиг. 3), а внешние трубы 9 сопряжены со штуцерами 6 трубной доски 2 (фиг. 4). В нижней оконечности внутренние 8 и внешние 9 трубы связаны между собой шламосборными камерами 10 (фиг. 5). Парогенерирующие трубы установлены в газоходе котла 11 (фиг. 2), размещенном ниже пароводяного барабана и образованном двумя вертикально-осевыми коаксиальными цилиндрами. Котел имеет горелку 12, а ось газоотводного патрубка 13 (фиг. 1) совмещена с осью образующей газохода. Патрубок 13 установлен на верхней части цилиндра 4. Внутреннее пространство газохода снабжено вертикальными перегородками 14, обеспечивающими ступенчатое снижение площади поперечного сечения газохода на участки с уменьшающейся площадью по ходу газового потока (фиг. 2) исходя из соотношения входа потока газов к выходу из трубного пучка 3:1. Боковая наружная поверхность газохода 11 ограничена внутренней 15 и внешней 16 стальными обечайками. B пространстве между обечайками 15 и 16 находится воздуховод котла, подающий воздушный поток в топку 17. Внутренние поверхности топки 17 и участки газохода в районе высокотемпературных газов снабжены тепловой изоляцией 18 из жаропрочного материала. Шламосборные камеры 10 сообщены посредством индивидуальных 19 и коллекторных (общих) 20 патрубков с трубопроводом нижнего продувания котла (не показан).

Штуцеры 6 на своем верхнем торце имеют опорные выступы 21 одинаковой высоты (фиг. 4). Верхняя оконечность внутренних труб 8 снабжена сквозными отверстиями 22, расположенными по ее образующей над уровнем штуцеров 6 и размещенными в полости ограждающей муфты 23, сопряженной с опорными выступами 21 штуцеров 6. Нижняя оконечность внутренних труб 8 также снабжена сквозными отверстиями 24 (фиг. 5). Ниже отверстий 24 к трубе 8 приварен штуцер 25 с гайкой 26, чем обеспечивается сопряжение и уплотнение нижних оконечностей труб 8 и 9 со шламосборной камерой 10. Штуцер 25 содержит сквозное отверстие 27. Камера 10 в нижней оконечности снабжена продувочным штуцером 28, на который установлен индивидуальный патрубок 19. Верхняя часть шламосборных камер 10 расположена в сквозных отверстиях днища газохода 29, закрепленного на фундаменте 30 (фиг. 1). В верхней части газоход ограничен пароводяным барабаном 1. Данный паровой котел может быть приспособлен и для работы на отходящих газах двигателя внутреннего сгорания. В этом случае ступенчатое уменьшение площади поперечного сечения газохода выполняют в соотношении 2:1 входа потока газов к выходу из трубного пучка.

Паровой котел используют следующим образом. Питательную воду подают в барабан 1. При подводе теплоты в газоходе от газового потока во внешних трубах 9 образуется пар, который в виде пароводяного потока движется в пространстве между трубами 8 и 9, далее проходит через штуцер 6 и выбрасывается в виде струй между опорными выступами 21, сопряженными с муфтой 23, по радиальному направлению от оси парогенерирующей трубы 9 в водяной объем пароводяного барабана. Внутренние трубы 8, заполненные водой и выполняющие функцию опускных труб, обеспечивают циркуляцию воды и пароводяной смеси в парогенерирующем устройстве. При этом вода из пароводяного барабана вначале поступает в полость муфты 23. За счет большего диаметра ее полости по сравнению с внешним диаметром трубы 8 опускная скорость воды на входе в полость меньше подъемной скорости паровых пузырей в объеме пароводяного барабана, что обеспечивает исключение захвата пара в опускной поток воды. Далее вода из полости муфты поступает через сквозные отверстия 22 во внутреннюю полость трубы 8 и движется к нижней оконечности, где расположены отверстия 24, сообщающие полости труб 8 и 9, и поступает в трубы 9. Теплота газового потока газохода подводится к трубам 9. После образования пара на внутренней поверхности труб 9 пузыри пара отрываются от ее стенки и в виде пароводяного потока поступают в пространство барабана 1. При этом необходимую плотность каналов циркуляции парогенерирующего устройства обеспечивают при его сборке путем затяжки гайки 26 на нижней оконечности трубы 8. Прижимание поверхности шламовой камеры уплотняет внешнюю трубу 9 по ее нижнему и верхнему торцам за счет прижатия последнего к штуцеру 6. Труба 8 испытывает напряжение растяжения, а труба 9 - напряжение сжатия. Эти напряжения передаются соответственно верхней образующей 3 барабана 1 через втулку 7 и трубной доске 2 через штуцер 6. Тем самым обеспечивается разгрузка образующей 3 и трудной доски 2 от напряжения внутреннего давления пара в полости барабана 1.

Продукты сгорания топлива из топки 17 поступают в газоход 11, заполненный парогенерирующими трубами (испарительными трубами), и движутся по вертикально-цилиндрическому газоходу со снижением температуры. Благодаря установке вертикальных перегородок 14 площадь поперечного сечения газохода по ходу газового потока уменьшается, и скорость потока остается примерно постоянной, соответствующей оптимальному значению. В конце пути поток газов поступает к газоотводному патрубку 13 и далее в атмосферу. Воздух от котельного вентилятора (не показан) поступает в пространство между обечайками 15 и 16, подогревается, проходит к горелке 12 и далее в смеси с распыленным топливом поступает в топку 17.

Так обеспечивается движение рабочих сред в котле. Отвод пара осуществляют через стопорный клапан (не показан). Котел снабжен необходимыми контрольно-измерительными, регулирующими и защитными приборами (не показаны).

При работе котла механические примеси котловой воды в виде дисперсного шлама движутся совместно с водой по внутренней трубе 8. При резком повороте потока воды от осевого направления к радиальному в районе отверстий 24 примесь шлама выпадает из потока, продолжает движение в осевом направлении и через отверстие 27 попадает во внутреннюю полость шламосборной камеры 10. Путем открытия клапана нижнего продувания котла (не показан) осуществляют периодическую продувку камеры 10 при движении шламовой смеси через штуцер 28, патрубки 19 и 20 в сборник котловой воды (не показан).

Замену изношенных труб поверхности теплообмена 9 осуществляют следующим образом. Со стороны фундаментной рамы 30 выполняют демонтаж патрубков 19 и 20, затем отворачивают штуцер 28 и гайку 26. Снимают камеру 10 и извлекают трубу 9. Зачищают места уплотнений трубы 9 на штуцере 6 и камере 10.

Устанавливают уплотнительные прокладки на посадочные места штуцера 6 и камеры 10 (не показаны). Заводят новый прямолинейный участок трубы 9 на штатное место. Стыки трубы 9 уплотняют затяжкой гайки 26 и далее операции монтажа демонтированных элементов выполняют в обратной последовательности. Замену трубы 8 при вывертывании ее из втулки 7 и пропускании через муфту 23 и штуцер 6 выполняют аналогично, при этом вскрытия пароводяного барабана не требуется. После опрессовки котел может быть пущен в работу. Для выполнения указанных работ необходимо свободное пространство под фундаментом котла высотой не менее длины трубы 8 либо возможность подъема пароводяного барабана на указанную высоту над газоходом.

Изобретение предназначено для получения пара и может быть использовано в теплоэнергетике, в частности для получения пара в судовых котельных установках. В котле парообразующие трубы, подъемные и опускные, размещены соосно в газоходе и подключены к барабану, имеющему плоские верхнюю и нижнюю образующие, последняя из которых является трубной доской. Трубы закреплены в трубной доске посредством штуцеров, а снизу сообщены со шламосборными камерами. В газоходе установлены вертикальные перегородки, изменяющие его поперечное сечение. Такое выполнение позволяет повысить технологичность изготовления и ремонта, а также увеличивает эффективность теплообмена. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Паровой котел, содержащий пароводяной барабан с трубной доской и парогенерирующим устройством, содержащим соосные внутренние опускные и внешние подъемные парогенерирующие трубы, сообщенные с внутренней полостью барабана, газоход с размещенными в нем парогенерирующими трубами и газоотводным патрубком и устройства для сброса шлама, отличающийся тем, что пароводяной барабан выполнен с трубной доской и верхней образующей в плоском исполнении, устройства для сброса шлама выполнены в виде цилиндрических шламосборных камер, сообщенных своей нижней частью с общим отводным трубопроводом, в трубную доску барабана встроены штуцеры для крепления парогенерирующих труб, выступающие с обеих ее сторон и имеющие по своим верхним выступающим торцам равномерно распределенные по их окружностям опорные выступы одинаковой высоты, верхняя образующая барабана с внутренней стороны снабжена втулками, в которые установлены верхние оконечности внутренних труб, имеющих над уровнем штуцеров сквозные отверстия, которые размещены в полости ограждающей муфты, выполненной в виде цилиндрического стакана, донышко которого имеет центральное отверстие под внутреннюю трубу и сопряжено с выступами штуцера, на нижней оконечности внутренней трубы размещены сквозные отверстия и близ торца - участок с резьбой для закрепления трубы, каждая внешняя труба верхней оконечностью сопряжена с нижним торцом штуцера, а нижней - с поверхностью шламосборной камеры, а сама шламосборная камера на поверхности имеет отверстие под резьбовой участок внутренней трубы, ось газоотводного патрубка совпадает с осевой линией газохода, причем внутреннее пространство газохода снабжено вертикальными перегородками, установленными со ступенчатым снижением площади поперечного сечения газохода по ходу газового потока. 2. Паровой котел по п.1, отличающийся тем, что пароводяной барабан имеет торообразную форму, а его газоход образован стенками двух коаксиальных цилиндров и коаксиально размещен ниже пароводяного барабана. 3. Паровой котел по п. 1, отличающийся тем, что ступенчатое снижение площади поперечного сечения газохода выполнено в соотношении 3 : 1 входа потока газов к выходу из трубного пучка при работе котла на жидком топливе. 4. Паровой котел по п. 1, отличающийся тем, что ступенчатое снижение площади поперечного сечения газохода выполнено в соотношении 2 : 1 при работе котла на отходящих газах двигателя внутреннего сгорания.