ПРЯМОТОЧНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРЯМОТОЧНОГО ПАРОГЕНЕРАТОРА Российский патент 2009 года по МПК F22B1/18 

Изобретение относится к прямоточному парогенератору, в котором в проточном газоходе для протекающего приблизительно в вертикальном направлении топочного газа расположена испарительная поверхность нагрева, которая содержит множество параллельно включенных для протекания текучей среды парогенераторных труб.

В парогазотурбинной установке тепло, содержащееся в расширенной рабочей среде или топочном газе из газовой турбины, используют для производства пара для паровой турбины. Теплопередача происходит во включенном после газовой турбины парогенераторе на отходящем тепле (котле-утилизаторе), в котором обычно расположено множество поверхностей нагрева для нагрева воды, для производства пара и для перегрева пара. Поверхности нагрева включены в пароводяной контур паровой турбины. Пароводяной контур охватывает обычно несколько, например, три ступени давления, причем каждая ступень давления может содержать испарительную поверхность нагрева.

Для парогенератора, включенного после газовой турбины по стороне топочного газа, в качестве парогенератора на отходящем тепле возможны многие альтернативные концепции расчета, а именно, расчет в виде прямоточного парогенератора или расчет в виде парогенератора с принудительной циркуляцией. В прямоточном парогенераторе нагрев его труб, предусмотренных в качестве испарительных труб, приводит к испарению текучей среды в указанных трубах за одноразовый проход. В противоположность этому в парогенераторе с естественной или принудительной циркуляцией вода, направляемая в контур, при одном проходе через испарительные трубы испаряется только частично. Не испарившуюся при этом воду после отделения произведенного пара снова подводят к тем же самым испарительным трубам для дальнейшего испарения.

Прямоточный парогенератор в противоположность парогенератору с естественной или принудительной циркуляцией не подлежит никакому ограничению давления так, что возможными являются давления свежего пара значительно выше критического давления воды (Р_кri≈221 бар), где существуют только малые разницы плотности между средой, подобной жидкости, и средой, подобной пару. Высокое давление свежего пара является благоприятным для достижения высокого теплового коэффициента полезного действия и, тем самым, низких эмиссий СО₂ электростанции, работающей на ископаемом топливе. Кроме того, прямоточный парогенератор по сравнению с парогенератором с принудительной циркуляцией имеет простую конструкцию и может таким образом изготавливаться с особенно низкими затратами. Применение парогенератора, рассчитанного по прямоточному принципу, в качестве парогенератора на отходящем тепле парогазотурбинной установки, поэтому является особенно выгодным для достижения высокого общего коэффициента полезного действия парогазотурбинной установки при простой конструкции.

Такой парогенератор на отходящем тепле может быть технически выполнен особенно просто, за счет того, что подводимый к парогенератору от газовой турбины топочный газ проходит через газоход в вертикальном направлении, в частности, снизу вверх. При этом для включения парогенераторных труб, которые образуют испарительные поверхности нагрева, по стороне текучей среды и по стороне топочного газа могут рассматриваться в принципе две концепции: или парогенераторные трубы, проложенные внутри газохода, протекаются текучей средой в, так называемом, перекрестном потоке или в противотоке, это означает, что текучая среда протекает через каждую трубу поверхности нагрева в следующих друг за другом проходах через газовый канал поперечно к потоку газа, поэтому используют обозначение перекрестное включение. Ведущие от одной стороны газового канала к другой стороне горизонтальные отрезки труб соединены между собой через поворотные отрезки таким образом, что они протекаются в вертикальном направлении последовательно против направления течения газа, поэтому используют обозначение противоточное включение. В целом речь идет о смешанной форме перекрестного и противоточного включения. Перекрестный характер для последующих пояснений не является существенным. Это включение, поэтому обозначается в последующем только как противоточное включение. В общем, известно, что испарительная поверхность нагрева в противоточном включении проблематична относительно стабильности потока. В частности, равномерное распределение потока на все параллельные трубы испарительной поверхности нагрева требует технических затрат.

Альтернативу противоточному включению представляет так называемое включение в прямотоке, при котором парогенераторные трубы протекаются в перекрестном/прямоточном потоке. При таком включении горизонтально проходящие отрезки труб, как и в выше описанном перекрестном включении, соединены между собой через поворотные отрезки, только они теперь протекаются в вертикальном направлении последовательно в направлении потока газа, поэтому обозначают прямоточное включение. В целом, таким образом, речь идет о смешанной форме перекрестного и прямоточного включения. Перекрестный характер является для последующих пояснений не существенным. Это включение, поэтому обозначается в последующем только как прямоточное включение. Прямоточное включение требует применения сравнительно больших поверхностей нагрева, изготовление и монтаж которых связаны со значительными затратами.

Из ЕР 0425417 А известен парогенератор, который имеет названные преимущества прямоточного парогенератора. Его испарительная поверхность нагрева рассчитана как комбинация противоточного и прямоточного включения, таким образом, что некоторое множество отрезков труб включено в направлении противотока, в то время как некоторое множество других отрезков труб включено в направлении прямотока. За счет такого типа включения может достигаться более высокая степень стабильности потока, чем при чисто противоточном включении. К тому же при применении чисто прямоточного включения могут уменьшаться необходимые высокие технические и аппаратурные затраты.

Принципиально проблематичным для парогенераторов подобного вида конструкции могут быть так называемые перекосы температур, то есть разности температур на выходах соседних, включенных параллельно по стороне текучей среды парогенераторных труб, которые могут приводить к разрывам труб или другим повреждениям. Для избежания подобных перекосов температур прямоточные парогенераторы могут быть рассчитаны для особенно малых плотностей массы потока текучей среды, что ограничивает, однако, гибкость при выборе расчетных параметров для парогенератора.

В основе изобретения, поэтому лежит задача указать прямоточный парогенератор выше названного типа, который также при нагрузке со сравнительно большими плотностями массы потока текучей среды имеет также при различном нагреве парогенераторных труб особенно высокую стабильность, в частности, относительно температурных перекосов. Далее, должен быть указан особенно подходящий для эксплуатации этого вышеназванного типа парогенератора способ.

Относительно прямоточного парогенератора эта задача решается, согласно изобретению за счет того, что испарительная поверхность нагрева содержит первый протекаемый текучей средой в противотоке к газоходу сегмент поверхности нагрева и следующий сегмент поверхности нагрева, включенный по стороне текучей среды и по стороне топочного газа перед сегментом поверхности нагрева, причем выход по стороне текучей среды первого сегмента поверхности нагрева при рассмотрении в направлении топочного газа позиционирован таким образом, что температура насыщенного пара, устанавливающаяся в случае эксплуатации в испарительной поверхности нагрева, отклоняется на меньше, чем заданное максимальное отклонение, самое большее 70°С, от температуры топочного газа, господствующей в случае эксплуатации в месте выхода сегмента поверхности нагрева.

Изобретение исходит при этом из рассуждения, что при питании испарительной поверхности нагрева со сравнительно большими плотностями массы потока локально различный нагрев отдельных труб мог бы воздействовать на условия протекания таким образом, что перегретые трубы протекались бы меньшим, а менее нагретые трубы большим количеством текучей среды. Перегретые трубы в этом случае охлаждались бы хуже, чем мало нагретые трубы так, что автоматически усиливались бы возникающие разности температур. Для возможности эффективного противодействия этому также без активного влияния на условия протекания система должна быть рассчитана подходящей для принципиального и глобального ограничения возможной разности температур. Для этого является полезным знание того, что на выходе из испарительной поверхности нагрева текучая среда должна иметь температуру, по меньшей мере, насыщенного пара, заданную по существу давлением в парогенераторной трубе. С другой стороны, текучая среда, однако, максимально может иметь температуру, которую имеет топочный газ в месте выхода текучей среды из испарительной поверхности нагрева. Путем подходящего согласования между собой этих обеих граничных температур, ограничивающих возможный температурный интервал в общем, можно подходящим образом тем самым ограничивать также максимально возможные перекосы температур. За счет разделения испарительной поверхности нагрева на противоточный сегмент по стороне выхода и на включенный перед ним по стороне топочного газа и среды следующий сегмент, выход в направлении топочного газа можно свободно позиционировать так, что в распоряжении имеется дополнительный расчетный параметр. Особенно подходящим средством для согласования друг с другом обеих граничных температур при этом рассматривается нацеленное позиционирование выхода испарительной поверхности нагрева в направлении потока топочного газа.

Предпочтительным образом позиционирование выхода испарительной поверхности нагрева в отношении температурного профиля топочного газа в газоходе выбрано таким образом, что соблюдается максимальное отклонение порядка 50°С так, что с учетом имеющихся в распоряжении материалов и других расчетных параметров обеспечена особенно высокая эксплуатационная надежность.

Другой проблемой в случае парогенератора названного типа конструкции могло бы быть ухудшение стабильности потока за счет так называемых колебаний потока. Колебания потока появляются, когда при избыточном нагреве парогенераторной трубы область внутри парогенераторной трубы, в которой имеет место испарение, заметно смещается внутри трубы. Смещение области испарения внутри парогенераторной трубы воздействует нежелательным образом на потерю давления потока внутри испарительной поверхности нагрева. Поэтому в парогенераторе, который таким образом чувствительно реагирует на отклоняющийся нагрев парогенераторных труб, могли бы быть предусмотрены дроссели на входе всех парогенераторных труб, которые позволяют управлять потерей давления потока внутри испарительной поверхности нагрева в сравнительно большом диапазоне. Для предоставления в распоряжение также подходящих для этого расчетных параметров испарительная поверхность нагрева содержит подключенный по стороне текучей среды перед названным сегментом поверхности нагрева следующий сегмент поверхности нагрева, который по стороне топочного газа расположен точно так же перед названным сегментом поверхности нагрева.

Следующий сегмент поверхности нагрева, подключенный по стороне текучей среды перед названным сегментом поверхности нагрева, предпочтительным образом выполнен точно так же по типу противоточной секции или альтернативно включен в прямотоке к направлению топочного газа.

За счет подобного расположения сегментов в канале топочного газа в значительной степени сохраняется преимущество чисто противоточного включения, эффективно передавать тепло отходящего газа на текучую среду, и одновременно достигается высокая собственная надежность от вредных разностей температур на выходе по стороне текучей среды.

Целесообразно парогенератор применять в качестве парогенератора на отходящем тепле парогазотурбинной установки. При этом парогенератор предпочтительно включен по стороне топочного газа после газовой турбины. При таком включении после газовой турбины целесообразно может быть расположена дополнительная топочная камера для повышения температуры топочного газа.

Относительно способа названная задача решается за счет того, что текучую среду при рассмотрении в направлении топочного газа отводят из испарительной поверхности нагрева в месте, в котором температура топочного газа, господствующая в случае эксплуатации, отклоняется меньше, чем заданное максимальное отклонение, самое большее на 70°С от температуры насыщенного пара, установившейся в случае эксплуатации из-за потери давления в испарительной поверхности нагрева.

Предпочтительным образом текучую среду перед ее выходом из испарительной поверхности нагрева направляют в противотоке к направлению топочного газа. В соответствующем сегменте поверхности нагрева при этом парогенераторные трубы протекаются текучей средой противоположно направлению топочного газа, то есть сверху вниз. При подобном питании испарительной поверхности нагрева позиционирование выхода является сравнительно просто изменяемым и согласуемым с температурным профилем топочного газа в газоходе. Предпочтительным образом задают максимальное отклонение порядка 50°С.

Достигнутые с помощью изобретения преимущества состоят, в частности, в том, что посредством предусмотренного теперь, согласованного с температурным профилем топочного газа в газоходе позиционирования выхода по стороне текучей среды испарительной поверхности нагрева, достигаемый в целом при испарении текучей среды температурный интервал между температурой насыщенного пара текучей среды и температурой топочного газа в месте выхода ограничивают сравнительно узко так, что независимо от условий потока возможны только малые разности температур по стороне выхода. За счет этого можно обеспечивать достаточное выравнивание температур текучей среды в любом режиме эксплуатации. Кроме того, испарительная поверхность нагрева за счет подходящего позиционирования входа на стороне текучей среды испарительной поверхности нагрева на входе на стороне газа испарительной поверхности нагрева является относительно потока более стабильной, чем чисто противоточное включение. Тем самым обеспечены особенно высокая стабильность потока и особенно высокая эксплуатационная надежность для парогенератора. Кроме того, обеспечено также, что возможные выходные температуры по их абсолютной величине ограничены так, что заданные характеристиками материалов допустимые граничные температуры остаются надежно не достигнутыми.

Пример выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью чертежей. При этом показывают:

фиг.1 - в упрощенном представлении в виде выреза в продольном сечении прямоточный парогенератор, и

фиг.2 - испарительную секцию прямоточного парогенератора, согласно фиг.1, в альтернативном выполнении.

Одинаковые детали на обеих фигурах снабжены теми же самыми ссылочными позициями.

Прямоточный парогенератор 1, согласно фиг.1, подключен по стороне отходящего газа по типу котла-утилизатора после не представленной более подробно газовой турбины. Прямоточный парогенератор 1 содержит ограждающую стенку 2, которая образует обтекаемый приблизительно в вертикальном, обозначенном стрелкой 4, направлении топочного газа Y газоход 6 для отходящего газа из газовой турбины. В газоходе 6 расположено некоторое число уложенных поверхностей нагрева, в частности, испарительная поверхность 8 нагрева. В примере выполнения, согласно фиг.1, показана только одна испарительная поверхность 8 нагрева, однако, может быть предусмотрено также большее количество испарительных поверхностей нагрева.

Образованную из испарительной поверхности 8 нагрева испарительную систему можно нагружать текучей средой W, которая испаряется при одноразовом прохождении через испарительную поверхность 8 нагрева и которую отводят после выхода из испарительной поверхности 8 нагрева в виде пара D и подводят для дальнейшего перегрева к перегревательным поверхностям нагрева. Образованная из испарительной поверхности 8 нагрева испарительная система включена в не представленный более подробно на чертеже пароводяной контур паровой турбины. Дополнительно к испарительной системе в пароводяной контур паровой турбины включено некоторое количество других, не представленных на фиг.1 поверхностей нагрева. В случае поверхностей нагрева может идти речь, например, о перегревателе, испарителе среднего давления, испарителе низкого давления и/или о подогревателе.

Испарительная поверхность 8 нагрева прямоточного парогенератора 1, согласно фиг.1, содержит по типу пучка труб множество параллельно включенных для протекания текучей среды W парогенераторных труб 12. При этом соответственно множество парогенераторных труб 12 при рассмотрении в направлении Y топочного газа расположены рядом друг с другом. При этом видимой является только одна из расположенных таким образом рядом друг с другом парогенераторных труб 12. Парогенераторные трубы 12 содержат соответственно множество горизонтально протекаемых отрезков труб, из которых соответственно два соединены посредством вертикально протекаемого отрезка трубы. Другими словами: парогенераторные трубы проложены внутри газохода 6 меандрообразно. Так при этом перед расположенными рядом друг с другом парогенераторными трубами 12 по стороне текучей среды на их входе 13 в испарительную поверхность нагрева 8 соответственно подключен общий входной коллектор 14, а на их выходе 16 из испарительной поверхности 8 нагрева подключен общий выходной коллектор 18.

Прямоточный парогенератор 1 рассчитан на особенно высокую эксплуатационную надежность и для последовательного подавления характерных разностей температур, обозначенных так же как температурные перекосы, на выходе 16 между соседними парогенераторными трубами 12 даже при питании со сравнительно высокими плотностями массы потока. Для этого испарительная поверхность 8 нагрева в своей задней, смотря по стороне текучей среды, области содержит сегмент 20 поверхности нагрева, который включен в противотоке к направлению Y потока топочного газа. Далее, испарительная поверхность 8 нагрева дополнительно к сегменту 20 поверхности нагрева содержит следующий сегмент 22 поверхности нагрева, включенный перед ним по стороне текучей среды. За счет такого включения можно выбирать позиционирование выхода 16, смотря в направлении Y потока топочного газа. Это позиционирование в случае прямоточного парогенератора 1 выбрано таким образом, что установившаяся в случае эксплуатации в зависимости от давления в испарительной поверхности 8 нагрева температура насыщенного пара текучей среды W отклоняется меньше, чем заданное максимальное отклонение порядка 50°C от температуры топочного газа, господствующей в случае эксплуатации в самом месте или выше места выхода 16 сегмента 20 поверхности нагрева. Поскольку температура текучей среды W на выходе 16 всегда должна быть, по меньшей мере, равной температуре насыщенного пара, с другой стороны, однако, не может быть выше, чем господствующая в этом месте температура топочного газа, возможные разности температур между по разному нагретыми трубами также без дальнейших контрмер ограничены до заданного максимального отклонения порядка 50°С.

Особенно высокая стабильность потока при одновременно ограниченных технических затратах может быть достигнута еще за счет применения комбинации из противоточного и прямоточного включения парогенераторных труб 12. Первый сегмент 20 поверхности нагрева при этом соединен со вторым сегментом 22 поверхности нагрева посредством соединительной детали 24. Испарительная поверхность 8 нагрева содержит следующий сегмент 22 поверхности нагрева, подключенную после него по стороне текучей среды соединительную деталь 24, а также сегмент 20 поверхности нагрева, подключенный по стороне текучей среды после нагрева включен точно так же в противотоке к направлению Y топочного газа. Следующий сегмент 22 поверхности нагрева может быть включен в прямотоке к направлению у топочного газа.

Как оказалось, как представленное на фиг.1, так и представленное на фиг.2 альтернативное включение испарительной поверхности 8 нагрева имеет особенно высокую стабильность потока. В частности, надежно предотвращается также появление колебаний потока. Последние появляются, если отклоняющийся нагрев отдельных парогенераторных труб 12 сильно сдвигает область испарения внутрь соответствующей трубы 12 вдоль направления потока текучей среды W. Колебания потока могут в таком случае предотвращаться таким образом, что появляющуюся при прохождении испарительной поверхности 8 нагрева потерю давления в текучей среде W искусственно повышают с помощью дросселей на входе труб. В случае представленных на фиг.1 и 2 включений проблема колебаний потока, однако, не возникает. Оказалось, что область испарения при отклоняющемся нагреве сравнительно мало сдвигается внутрь соответствующей парогенераторной трубы 12. Для стабилизации потока, поэтому требуется только небольшое искусственное повышение потери давления.

Способ согласно изобретению может сопровождаться следующими процессами:

Текучую среду W непосредственно перед ее выходом из испарительной поверхности (8) нагрева направляют в противотоке к топочному газу.

Текучую среду W после ее входа в испарительную поверхность 8 нагрева направляют в противотоке к топочному газу.

Текучую среду W после ее входа в испарительную поверхность 8 нагрева направляют в прямотоке к топочному газу.

Изобретение предназначено для выработки пара и может быть использовано в энергетике. В прямоточном парогенераторе расположена испарительная поверхность нагрева. Испарительная поверхность включает множество параллельно включенных для протекания текучей среды парогенераторных труб и проточный для текучей среды в противотоке к газоходу сегмент поверхности нагрева и следующий включенный по стороне текучей среды и по стороне топочного газа перед сегментом поверхности нагрева сегмент поверхности нагрева. Выход по стороне текучей среды сегмента поверхности нагрева, смотря в направлении топочного газа позиционирован таким образом, что температура насыщенного пара, установившаяся в испарительной поверхности нагрева, отклоняется на меньше, чем заданное максимальное отклонение, самое большее 70°С от температуры топочного газа, в месте выхода сегмента поверхности нагрева. Способ эксплуатации прямоточного парогенератора заключается в том, что текучую среду отводят из испарительной поверхности нагрева, смотря в направлении топочного газа, в месте, в котором температура топочного газа отклоняется меньше, чем заданное максимальное отклонение, на самое большее 70°С, от установившейся в случае эксплуатации. Изобретение обеспечивает высокую стабильность парогенератора от температурных перекосов. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Прямоточный парогенератор (1), в котором в проточном для протекающего приблизительно в вертикальном направлении (у) топочного газа газоходе (6) расположена испарительная поверхность (8) нагрева, которая включает множество параллельно включенных для протекания текучей среды (W) парогенераторных труб (12) и проточный для текучей среды (W) в противотоке к газоходу (6) сегмент (20) поверхности нагрева и следующий, включенный по стороне текучей среды и по стороне топочного газа перед сегментом (20) поверхности нагрева сегмент (22) поверхности нагрева, причем выход (16) по стороне текучей среды сегмента (20) поверхности нагрева, смотря в направлении (у) топочного газа позиционирован таким образом, что температура насыщенного пара, установившаяся в случае эксплуатации в испарительной поверхности (8) нагрева, отклоняется на меньше, чем заданное максимальное отклонение, самое большее 70°С от температуры топочного газа, господствующей в случае эксплуатации в месте выхода (16) сегмента (20) поверхности нагрева.

2. Прямоточный парогенератор (1) по п.1, в котором следующий сегмент (22) поверхности нагрева включен в противотоке к направлению (у) топочного газа.

3. Прямоточный парогенератор (1) по п.1, в котором следующий сегмент (22) поверхности нагрева включен в прямотоке к направлению (у) топочного газа.

4. Прямоточный парогенератор (1) по любому из пп.1-3, перед которым по стороне топочного газа включена газовая турбина.

5. Способ эксплуатации прямоточного парогенератора (1) с проточным обтекаемым приблизительно в вертикальном направлении (у) топочным газом газоходом (6) с испарительной поверхностью (8) нагрева, которая включает множество параллельно включенных для протекания текучей среды (W) парогенераторных труб (12), причем текучую среду (W) отводят из испарительной поверхности (8) нагрева, смотря в направлении (у) топочного газа, в месте, в котором господствующая в случае эксплуатации температура топочного газа отклоняется меньше, чем заданное максимальное отклонение, на самое большее 70°С, от установившейся в случае эксплуатации из-за потери давления в испарительной поверхности (8) нагрева температуры насыщенного пара.

6. Способ по п.5, в котором текучую среду (W) непосредственно перед ее выходом из испарительной поверхности (8) нагрева направляют в противотоке к топочному газу.

7. Способ по п.5, в котором текучую среду (W) непосредственно после ее входа в испарительную поверхность (8) нагрева направляют в противотоке к топочному газу.

8. Способ по п.6, в котором текучую среду (W) непосредственно после ее входа в испарительную поверхность (8) нагрева направляют в противотоке к топочному газу.

9. Способ по любому из пп.5-8, в котором текучую среду (W) непосредственно после ее входа в испарительную поверхность (8) нагрева направляют в прямотоке к топочному газу.