ПАРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2010 года по МПК F22B37/14 

Изобретение относится к парогенератору с камерой сгорания, которая содержит в своей области дна воронкообразные боковые стенки, и с ограждающей стенкой, образованной из газонепроницаемо сваренных друг с другом парогенераторных труб.

Парогенератор может быть спроектирован согласно различным принципам расчета. В прямоточном парогенераторе нагрев множества парогенераторных труб, которые образуют вместе газонепроницаемую ограждающую стенку камеры сгорания, приводит к полному испарению текучей среды в парогенераторных трубах за один проход. Текучую среду - обычно воду - после ее испарения подводят к подключенным после парогенераторных труб перегревательным трубам и там перегревают.

Прямоточный парогенератор в противоположность парогенератору с естественной циркуляцией не подлежит никакому ограничению давления так, что он может рассчитываться для давлений свежего пара значительно выше критического давления воды (P_kri=221 бар), где никакое различение фаз воды и пара и тем самым никакое разделение фаз невозможно. Высокое давление свежего пара способствует достижению высокого теплового коэффициента полезного действия и тем самым низких эмиссий CO₂ электростанции, работающей на ископаемом топливе.

В парогенераторах с вертикальным газоходом парогенераторные трубы соединены между собой, как правило, через плавники. Ограждающая стенка образована тем самым из множества приблизительно параллельных парогенераторных труб, которые соединены друг с другом через плавники и газонепроницаемо сварены. Парогенераторные трубы парогенератора могут при этом быть расположены вертикально или спирально и тем самым наклонно.

На нижнем конце газохода обычно расположены воронкообразные боковые стенки камеры сгорания, форма которой позволяет несложное удаление возникшей во время процесса сгорания золы. При этом стенка камеры сгорания образована, как правило, из вертикальных парогенераторных труб и плавников. В нижнем участке в области воронки парогенераторные трубы проходят обычно дальше также по типу вертикальной системы труб в том же направлении, как и в своем образующем стенку камеры сгорания верхнем участке. Параллельные трубы при этом входят через входной коллектор в воронку и образуют при дальнейшем прохождении параллельные трубы камеры сгорания.

Во время эксплуатации прямоточного парогенератора полученное при сжигании горючего газа внутри камеры сгорания тепло вносится как непосредственно через стенки парогенераторных труб, так и через плавники в протекающую через парогенераторные трубы текучую среду. При этом нагрев каждой парогенераторной трубы определяет вес водяного столба в соответствующей трубе. Так как протекание текучей среды через парогенераторную трубу и тем самым выходная температура текучей среды зависит от давления водяного столба в соответствующей трубе, на выходную температуру оказывает через парогенераторную трубу решающее влияние нагрев соответствующей парогенераторной трубы.

Если парогенераторные трубы нагреваются различно сильно, таким образом, результируются также различные выходные температуры текучей среды. При известных условиях - в частности, при процессах запуска и низких нагрузках - такие разницы температур могут достигать значения, при котором это приводит к недопустимо высоким нагрузкам на материал.

В случае парогенераторных труб, проходящих вертикально в стенке камеры сгорания и в области воронкообразных боковых стенок, некоторые парогенераторные трубы в области воронкообразных боковых стенок и соответствующие плавники, а именно те, которые при четырехугольном поперечном сечении камеры сгорания лежат в области четырех углов, являются более короткими, чем образующие вершину воронкообразных боковых стенок. Вследствие их различной длины парогенераторные трубы и плавники подвержены различно сильному нагреву. Таким образом, существует опасность, что вследствие различно сильного нагрева парогенераторных труб в области воронкообразных боковых стенок появляются недопустимо высокие разницы температур текучей среды, выходящей из отдельных парогенераторных труб.

В основе изобретения поэтому лежит задача создания парогенератора вышеназванного типа, в котором в каждом рабочем состоянии обеспечено, что различия в температурах текучей среды на выходе отдельных парогенераторных труб не превышают критическое значение.

Эта задача решается согласно изобретению за счет того, что множество парогенераторных труб в области воронкообразных боковых стенок имеет другой внешний диаметр труб и/или другую ширину плавников, чем в области ограждающей стенки камеры сгорания.

Изобретение исходит при этом из рассуждения, что можно избежать высоких нагрузок на материал парогенераторных труб за счет обеспечения того, что разницы температур текучей среды на выходе отдельных парогенераторных труб не превышают критическое значение. Поэтому нагрев парогенераторной трубы ни в каком месте парогенератора не должен существенно отклоняться от нагрева других парогенераторных труб. В области воронкообразных боковых стенок камеры сгорания, конечно, при обычной конструкции длина парогенераторных труб должна изменяться с увеличением сужения воронки. Некоторые парогенераторные трубы имеют тем самым меньшую длину, чем другие, и поэтому в области воронкообразных боковых стенок подвержены более слабому нагреву. При обычной конструкции поэтому различный нагрев парогенераторных труб и плавников вследствие геометрических соотношений в их расположенном в области воронкообразных боковых стенок нижнем участке не может быть исключен. Для того чтобы, несмотря на необходимое сужение воронкообразных боковых стенок, обеспечить не слишком различный нагрев отдельных парогенераторных труб, длины отдельных парогенераторных труб не должны слишком сильно отклоняться друг от друга. Чтобы сделать это возможным, парогенераторные трубы в области воронкообразных боковых стенок должны проходить вдоль этих боковых поверхностей. Это достигается за счет того, что выбирают подходящую геометрию труб.

Парогенератор при этом предпочтительным образом рассчитан в качестве прямоточного парогенератора. Предпочтительным образом множество парогенераторных труб в образующем воронкообразные боковые стенки нижнем участке имеет меньший диаметр труб, чем в образующем стенку камеры сгорания верхнем участке. Уменьшение диаметра труб в воронкообразных боковых стенках позволяет иметь систему труб с тем же самым количеством парогенераторных труб, как и в образующем стенку камеры сгорания верхнем участке. Другими словами, сужение воронкообразных боковых стенок учитывается не за счет уменьшения количества парогенераторных труб, а за счет уменьшения диаметра труб. Таким образом, все парогенераторные трубы проходят в нагретой области примерно по одинаковой длине, и обеспечен сравнимый нагрев всех парогенераторных труб.

Ввод тепла в текучую среду, однако, происходит не только через стенки труб, но также через соединяющие отдельные парогенераторные трубы друг с другом плавники. Ширина стенки камеры сгорания и воронкообразных боковых стенок получается из количества парогенераторных труб, умноженного на расстояние от оси трубы до оси трубы, причем расстояние от оси трубы до оси трубы равно диаметру трубы, прибавленному к ширине плавника. Чтобы учесть сужение воронкообразных боковых стенок, предпочтительным образом можно также изменять, в частности уменьшать, ширину плавников в нижнем, образующем воронкообразные боковые стенки участке парогенераторных труб.

Предпочтительным образом внешний диаметр труб в нижнем участке уменьшен на 5-15 процентов по сравнению с диаметром труб в верхнем участке. Ширина плавников предпочтительным образом уменьшена в нижнем участке на 30-70 процентов относительно ширины в верхнем участке. Как оказалось, таким образом может быть достигнуто особенно эффективное использование тепла, имеющегося в распоряжении в нижнем, образующем воронкообразные боковые стенки участке парогенераторных труб.

В области воронкообразных боковых стенок множество парогенераторных труб расположено предпочтительным образом, по крайней мере, частично параллельно к направлению наклона воронкообразных боковых стенок. Такое расположение позволяет особенно хорошее согласование длины каждой отдельной парогенераторной трубы с условиями нагрева и тем самым особенно равномерный нагрев. В частности, при таком расположении является, например, возможным прокладывать менее сильно нагретую парогенераторную трубу так, что она имеет большую длину внутри нагретой области, и таким образом компенсировать эффект более слабого нагрева посредством более длительного нагрева.

Достигнутые с помощью изобретения преимущества состоят, в частности, в том, что при расчете парогенератора в виде прямоточного парогенератора при сравнительно малых конструктивных затратах можно эффективно избегать появление недопустимо больших разностей температур текучей среды в отдельных парогенераторных трубах. Поскольку, в частности, в образующем воронкообразные боковые стенки нижнем участке парогенераторных труб все парогенераторные трубы подвержены действию подобного сильного нагрева, также при питании парогенератора с более низкой плотностью массопотока не появляются сильно различные скорости протекания и тем самым также недопустимо высокие разности температур текучей среды на выходе парогенераторных труб.

При расчете парогенератора циркуляционного типа конструкции в противоположность этому являются достижимыми приблизительно одинаковые массопотоки и тем самым хорошее охлаждение для парогенераторных труб и к тому же приблизительно одинаковые паросодержания в парогенераторных трубах.

Пример выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью чертежей.

Чертежи показывают:

Фиг.1а - схематически прямоточный парогенератор с вертикально расположенными испарительными трубами в области стенки камеры сгорания и расположенными частично параллельно к направлению наклона дна парогенераторными трубами в области дна.

Фиг.1b - альтернативное выполнение прямоточного парогенератора.

Фиг.2 - другое альтернативное выполнение прямоточного парогенератора согласно Фиг.1.

Одинаковые детали на всех чертежах снабжены теми же самыми ссылочными позициями.

На Фиг.1а схематически представлен выполненный в виде прямоточного парогенератора парогенератор 1, вертикальный газоход которого окружен ограждающей стенкой 4 и образует камеру сгорания, которая переходит на нижнем конце в образованное воронкообразными боковыми стенками 6 дно. Дно содержит не представленное более подробно разгрузочное отверстие 8 для золы.

В области газохода расположены множество не представленных горелок в образованной из вертикально расположенных парогенераторных труб 12 ограждающей стенке 4 камеры сгорания. Расположенные вертикально проходящими парогенераторные трубы 12 сварены друг с другом через плавники 14 и образуют вместе с плавниками 14 в своем верхнем участке ограждающую стенку 4 камеры сгорания. Ниже дна расположен входной коллектор 16, из которого парогенераторные трубы 12 питаются текучей средой.

В камере сгорания находится возникающее при эксплуатации парогенератора 1 при сгорании ископаемого топлива тело пламени. Полученное таким образом в камере сгорания тепло передается на протекающую через парогенераторные трубы 12 текучую среду, где оно вызывает испарение текучей среды. При этом внос тепла происходит как непосредственно через стенки труб парогенераторных труб 12, так и через плавники 14.

Скорость прохождения текучей среды через отдельные парогенераторные трубы 12 или соответственно распределение потока по отдельным парогенераторным трубам 12 определяется сильно за счет соответствующих весов водяных столбов в отдельных парогенераторных трубах 12. Это имеет следствием то, что нагрев, который происходит в нижней части камеры сгорания, особенно в области воронкообразных боковых стенок 6, имеет большее влияние на протекание через парогенераторные трубы 12. Если отдельные парогенераторные трубы 12 нагреваются сравнительно сильно, то вес их водяных столбов и тем самым также сопротивление в соответствующей парогенераторной трубе 12 уменьшается. За счет этого в этой парогенераторной трубе 12 повышается скорость протекания по сравнению с другими, менее сильно нагретыми парогенераторными трубами 12. Если парогенераторная труба 12 нагревается сравнительно слабо, то скорость протекания соответственно уменьшается.

Если парогенераторная труба 12 в области воронкообразных боковых стенок нагревается сравнительно слабо, например, потому что она входит в нагретую область только на верхнем крае воронкообразных боковых стенок 6 и тем самым имеет внутри нагретой области сравнительно малую длину, то она имеет, по сравнению с другими, сравнительно сильно нагретыми парогенераторными трубами 12, которые имеют внутри нагретой области большую длину, более низкую скорость протекания. В верхнем участке парогенераторных труб 12, который образует ограждающую стенку 4 камеры сгорания, все парогенераторные трубы 12 подвергнуты подобному нагреву. Парогенераторная труба 12 со сравнительно более низкой скоростью протекания будет принимать при этих условиях больше тепла, чем труба со сравнительно высоким расходом, так, что из различного нагрева парогенераторных труб 12 в области воронкообразных боковых стенок 6 появляются значительные различия в выходной температуре текучей среды.

Такие разницы температур являются допустимыми только в известных пределах, так как они могут приводить к напряжениям, которые не должны превышать значения, заданного допустимой нагрузкой на материал парогенераторных труб 12. Следует стремиться поэтому к возможно более равномерному нагреву всех парогенераторных труб 12, и это имеет значение особенно в образующем воронкообразные боковые стенки 6 нижнем участке парогенераторных труб 12.

Для достижения возможно более равномерного нагрева всех парогенераторных труб 12 парогенераторные трубы 12 парогенератора 1 на Фиг.1а в образующем воронкообразные боковые стенки 6 нижнем участке имеют меньший диаметр, чем в верхнем участке, образующем ограждающую стенку 4 камеры сгорания. Плавники 14 также имеют в нижнем участке меньшую ширину, чем в верхнем участке. Тем самым ширина дна, которая определяется количеством параллельных парогенераторных труб 12 и диаметром трубы, прибавленной к ширине плавника 14, может быть уменьшена за счет меньшего диаметра труб и меньшей ширины плавников 14 вместо уменьшения количества параллельных парогенераторных труб 12. Тем самым необходимое сужение дна достигается по типу, по крайней мере, частичного направления парогенераторных труб вдоль дна.

Как оказалось, оптимальное расположение парогенераторных труб 12 и тем самым особенно эффективное использование тепла, имеющегося в области воронкообразных боковых стенок 6, может быть достигнуто, если диаметр каждой парогенераторной трубы 12 в нижнем участке уменьшен на 5-15 процентов по сравнению с диаметром труб в верхнем участке, а ширина плавников 14 в нижнем участке - на 30-70 процентов относительно ширины в верхнем участке. При обычном диаметре труб в 34 мм и ширине плавника 16 мм тем самым в нижнем участке получается диаметр трубы порядка 32 мм и ширина плавника порядка 6 мм.

Особенно равномерный нагрев парогенераторных труб 12 в области воронкообразных боковых стенок 6 может быть достигнут за счет того, что парогенераторные трубы 12 в их нижнем участке, как представлено на Фиг.1а, расположены частично не параллельно к направлению наклона дна. Это наклонное расположение позволяет согласовывать нагрев каждой парогенераторной трубы 12 с ее длиной внутри нагретой области. Другими словами: сравнительно слабый нагрев парогенераторной трубы 12 компенсируется за счет большей длины в нагретой области, возможной за счет наклонного расположения парогенераторных труб 12.

Расположение парогенераторных труб 12 в области дна может при этом согласовываться с температурным профилем, имеющимся в этой области. Фиг.1а показывает расположение, при котором парогенераторные трубы 12 в своем нижнем участке, в котором диаметр трубы уменьшен, расположены наклонно, то есть не параллельно к направлению наклона дна. При этом расположении вплоть до известной, определенной геометрией и размерами дна плавников 14 и парогенераторных труб 12 высоты Н предусмотрено расположение парогенераторных труб 12 параллельно к направлению наклона дна. Выше этой высоты Н предусмотрено описанное наклонное расположение.

Альтернативно этому парогенераторные трубы 12 могут быть расположены так же, как это представлено на Фиг.1b. В этом случае также до известной высоты Н предусмотрена система труб с расположенными параллельно к направлению наклона дна парогенераторными трубами 12 с диаметром труб, уменьшенным по сравнению с диаметром в верхнем участке. Выше этой высоты Н, как в первом примере, предусмотрено наклонное расположение парогенераторных труб 12, причем угол наклона парогенераторных труб 12 по сравнению с их первоначальным направлением в плоскости дна выбран так, что парогенераторные трубы 12, так же как и плавники 14 в их наклонном участке, имеют тот же самый диаметр труб или соответственно ту же ширину, как и в верхнем участке. Диаметр труб и ширина плавников уменьшены, таким образом, в этом случае только до высоты Н.

Если входной коллектор 16 является сравнительно широким и внешние парогенераторные трубы имеют сравнительно большое расстояние друг от друга, как это имеет место, например, в парогенераторах с циркулирующим псевдокипящим слоем, то парогенераторные трубы 12 могут быть расположены, как это представлено на Фиг.2. При этом расположении внешние парогенераторные трубы 12, то есть те парогенераторные трубы 12, которые имеют наибольшее расстояние от средней оси А, по всей высоте воронкообразных боковых стенок 6 выполнены как с не уменьшенным диаметром труб и с не уменьшенной шириной плавников, так и расположены наклонно. Самые внутренние парогенераторные трубы 12 с наименьшим расстоянием от средней оси А выполнены в противоположность этому по их всей длине с уменьшенным диаметром труб и уменьшенной шириной плавников и расположены параллельно к средней оси А и тем самым к направлению наклона дна. Лежащие соответственно между самой внешней и самой внутренней парогенераторной трубой 12 парогенераторные трубы 12 образуют переход и имеют соответственно первый участок с уменьшенным диаметром труб и уменьшенной шириной плавников, в котором они расположены параллельно к средней оси, и второй участок с не уменьшенным диаметром труб и не уменьшенной шириной плавников, в котором они расположены наклонно и тем самым параллельно к самой внешней парогенераторной трубе 12.

При этом расположении отличия в силе нагрева парогенераторных труб 12 в области дна являются пренебрежимо малыми и возможно результирующие из этого разницы температур в текучей среде настолько малыми, что недопустимо высокие нагрузки на материал надежно исключаются. Так же при низких нагрузках и в процессах запуска, поэтому не требуется никаких дополнительных мер, чтобы поддерживать разницы температур малыми.

Изобретение предназначено для выработки пара и может быть использовано в энергетике. Камера сгорания парогенератора содержит в области дна воронкообразные боковые стенки. Ограждающая стенка парогенератора образована из множества обтекаемых текучей средой парогенераторных труб. Множество парогенераторных труб имеет в области воронкообразных боковых стенок другой диаметр труб, чем в области ограждающей стенки. Диаметр множества парогенераторных труб в области воронкообразных боковых стенок уменьшен по сравнению с диаметром труб в области ограждающей стенки на 5-15 процентов. Изобретение обеспечивает разницу температур текучей среды на выходе отдельных парогенераторных труб, не превышающую критическое значение. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Парогенератор (1) с камерой сгорания, которая содержит в своей области дна воронкообразные боковые стенки (6), и с ограждающей стенкой (4), образованной из множества обтекаемых текучей средой парогенераторных труб (12), причем множество парогенераторных труб (12) имеет в области воронкообразных боковых стенок (6) другой диаметр труб, чем в области ограждающей стенки (4), причем диаметр множества парогенераторных труб (12) в области воронкообразных боковых стенок (6) уменьшен по сравнению с диаметром труб в области ограждающей стенки (4) на 5-15%.

2. Парогенератор (1) по п.1, характеризующийся тем, что множество парогенераторных труб (12) в области воронкообразных боковых стенок (6) имеет меньший диаметр труб, чем парогенераторные трубы (12) в области ограждающей стенки (4).

3. Парогенератор (1) по п.1, характеризующийся тем, что соседние парогенераторные трубы (12) соответственно соединены друг с другом через плавники (14), причем множество плавников (14) в области ограждающей стенки (4) имеет другую ширину, чем в области воронкообразных боковых стенок (6).

4. Парогенератор (1) по п.3, характеризующийся тем, что множество плавников (14) в области воронкообразных боковых стенок (6) имеет меньшую ширину, чем в области ограждающей стенки (4).

5. Парогенератор (1) по п.4, характеризующийся тем, что ширина множества плавников (14) в области воронкообразных боковых стенок (б) уменьшена по сравнению с шириной плавников в области ограждающей стенки (4) на 30-70%.

6. Парогенератор (1) по п.1, характеризующийся тем, что множество парогенераторных труб (12) в области воронкообразных боковых стенок (6) расположено, по крайней мере, частично параллельно к направлению наклона воронкообразных боковых стенок (6).

7. Парогенератор (1) по одному из пп.1-6, характеризующийся тем, что он рассчитан в виде прямоточного парогенератора.