УЛУЧШЕННЫЙ ПАРОВОЙ ЦИКЛ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА ДУАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ПЕРЕГРЕВОМ Российский патент 2015 года по МПК D21C7/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, которой относится настоящее изобретение

Настоящее изобретение относится к области производства электроэнергии и конструкции промышленного котла, включая котлы-утилизаторы технологического процесса сульфатной варки целлюлозы или котлы-утилизаторы натронного технологического процесса, используемые в целлюлозной и бумажной промышленности. В частности, настоящее изобретение обеспечивает новую и полезную установку котла-утилизатора дуального давления, которая использует улучшенный паровой цикл с промежуточным перегревом для достижения большого увеличения в производстве электроэнергии с различными турбинными циклами, преодолевая в то же самое время традиционные ограничения материалов нижней топочной камеры.

2. Описание известного уровня техники

Котел-утилизатор используют в целлюлозной и бумажной промышленности для обеспечения средства для регенерации некоторых химикатов, создаваемых как часть целлюлозного и бумагоделательного технологического процесса, для выработки электроэнергии посредством паровой турбины, и производства технологического пара, используемого на целлюлозном и бумажном заводе.

Для общего описания регенерации химических веществ и тепла в целлюлозной и бумагоделательной промышленности и конкретных аспектов технологического процесса натронной варки целлюлозы и регенерации химический веществ делается ссылка на работу ПАР/ЕГО ВЫРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ, 41^ое издание, Kitto and Stuiz, Eds., Copyright © 2005, Babcock & Wilcox Company, Chapter 28.

Как следует из сопроводительных чертежей настоящей заявки, на фиг.1 приведен вид сбоку в разрезе известного котла-утилизатора сульфатной варки целлюлозы, произведенного компанией The Babcock & Wilcox Company. Двумя основными функциями котла-утилизатора сульфатной варки или просто «котла-утилизатора» являются сжигание органической части черного щелока (побочного продукта химической варки целлюлозы) для высвобождения энергии для получения пара и для уменьшения окисленной неорганической части черного щелока в куче или слое, поддерживаемом подом печи. Расплавленные неорганические химические вещества в слое, известном как расплав, выгружают в резервуар воды, где они растворяются и регенерируются как зеленый щелок.

Котел-утилизатор, иллюстрируемый на фиг.1, содержит топочную камеру 10, которая, как правило, имеет прямоугольное поперечное сечение, имеющую стены 12 заполнения каркаса, образованные из водоохлаждаемых или пароохлаждаемых труб. ерный щелок подают в нижнюю часть топочной камеры 10 через один или более форсунок 14 для распыления черного щелока, которые распыляют черный щелок в топочной камере 10 через отверстия в стенах 12 для заполнения каркаса. Топочная камера 10 имеет, в общем, прямоугольное поперечное сечение и переднюю стенку 16, заднюю стенку 18 и две боковые стенки 20. Воздух для горения вводят в топочную камеру 10 котла-утилизатора через посредство воздушных каналов в ступенчатых возвышениях над подом 22 топочной камеры 10. Этими возвышениями являются - первичный воздух 24, вторичный воздух 26 и третичный воздух 28, как показано на фиг.1. Газы, выделяемые при сгорании, поднимаются из топочной камеры 10 и проходят через поверхности передачи конвективного тепла. Поверхность 30 пароперегревателя (SH) расположена на входе в конвекционный канал, за которым следует генерирующая пар поверхность (Boiler Bank) 32 и, наконец, поверхность 34 экономайзера (ЕС). Свод или горловина 37 топочной камеры равномерно распределяет газовый поток, поступающий на поверхность 30 пароперегревателя.

Потенциальная возможность коррозии в нижней топочной камере котлов-утилизаторов является значительной проблемой. Как известно квалифицированным специалистам в этой области техники, котлы-утилизаторы работают с нижней топочной камерой в окружающей среде восстановительной атмосферы (восстановленного кислорода). Трубы, образующие нижние водоохлаждаемые стены 12 для заполнения каркаса топочной камеры, которые подвержены воздействию этой восстановительной атмосферы, подвергаются крайне высоким скоростям ускоренной коррозии. Как результат,нижние стены 12 для заполнения каркаса топочной камеры должны иметь дополнительную защиту от коррозии.

Ранние конструкции для увеличения противодействия коррозии использовали цилиндрические штыри, приваренные к трубам в восстановительной зоне нижней топочной камеры. Штыри удерживают затвердевший расплав, образуя барьер коррозионной окружающей среде топочной камеры. Традиционная штыревая конструкция позднее эволюционировала в использование композиционных или биметаллических труб, когда расчетное давление котлов-утилизаторов увеличивалось до более 900 фунтов на квадратный дюйм. Композиционные трубы состоят из внешнего защитного слоя из нержавеющей стали AISI 304L и внутреннего основного слоя стандартной углеродистой стали Американского общества по испытанию материалов (ASTM) А 210 Grade A1. Внутренний и внешний компоненты композиционной трубы соединены металлургически. Внешний слой из аустенитной нержавеющей стали, который также используется для покрытия топочной стороны мембраны из углеродистой стали, защищает материал основной углеродистой стали от коррозии топочной камеры. Другие способы, используемые для защиты нижней топочной камеры от коррозии, включают в себя: хромированные трубы из углеродистой стали, хромированные штыри, штыри из углеродистой стали, металлические распыляемые покрытия, штыри высокой плотности и композиционные трубы из сплавов 304L, Alloy 825 и Alloy 625 и трубы, покрытые сваркой углеродистой сталью. Все эти способы являются очень дорогими.

Недавнее решение проблемы коррозии нижней топочной камеры описано в патенте США №7243619, выданном Грейвсу и др., который обеспечивает получение системы котла дуального давления, имеющей топочную камеру, которая разделена на две секции - нижнюю топочную камеру низкого давления и верхнюю топочную камеру высокого давления. Нижняя топочная камера работает как отдельная парогенерирующая система с естественной циркуляцией низкого давления. Верхняя топочная камера работает как отдельная парогенерирующая система с естественной циркуляцией высокого давления. Поскольку водяные трубы в нижней топочной камере работают при более низких температурах и более низких давлениях, они менее чувствительны к коррозии.

На фиг.1А настоящего описания приведена принципиальная схема этого котла-утилизатора дуального давления, в общем, указанного ссылочным номером 100. Нижняя секция 110 низкого давления и верхняя секция 110' высокого давления образуют системы естественной циркуляции. Каждая секция 110, 110' имеет свой собственный специализированный паросборник 112, 112' для отделения насыщенного пара от воды, насос 114, 114' для нагнетания питательной воды к паросборнику 112, 112' и пароперегреватель 120, 120' для увеличения температуры насыщенного пара, который выходит из паросборника 112, 112'. Трубопровод 118 направляет насыщенный пар к пароперегревателю 120 низкого давления к паровому коллектору 122 установки. Отделенная вода из паросборника 112 низкого давления проходит в систему трубопроводов 128 в нижней секции 110 низкого давления котла 100. Вода входит и циркулирует в стеновых трубах топочной камеры, образующих секцию 110,и затем вновь входит в паросборник 112 низкого давления как пароводяная смесь. Система естественной циркуляции в верхней секции 110' высокого давления работает аналогичным образом, но при более высоких температурах и давлениях. Насос 114' подает воду к теплообменнику или экономайзеру 117, который гидродинамически соединен ниже по технологической цепочке от насоса 114' перед паросборником 112' высокого давления. Экономайзер 117, в свою очередь, выгружает воду в паросборник 112' высокого давления. Пар отделяется от циркулирующей воды и направляется через посредство трубопровода 118' пароперегревателю 120' высокого давления. Из пароперегревателя 120' высокого давления пар проходит к турбине/генератору 124 для выработки электроэнергии. Вода из паросборника 112' высокого давления проходит в систему трубопроводов 128" в верхней секции 110' высокого давления, циркулирует через стенки верхней топочной камеры 110' и пароводяная смесь подается к паросборнику 112' высокого давления.

Целлюлозные и бумажные заводы постоянно ищут пути увеличения выходной мощности и эффективности парогенераторов. Раукола и др. в технической статье, названной «УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ПОМОЩЬЮ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА ЧЕРНОГО ЩЕЛОКА», представленной на TAPPI Fall Conference & Trade Fair, описывает несколько способов. Они включают в себя: повышение содержания сухого вещества черного щелока для увеличения эффективности котла; подогрев воздуха паром экстрации из паровой турбины; отбор несущего сажу пара из пара экстракции из паровой турбины, а не после первичного пароперегревателя для извлечения более полезной работы из пара; в паровых турбинных установках с противодавлением, отсутствие дросселирования пара противодавления для увеличения температуры питательной (подаваемой) воды; использование подогревателей питательной воды высокого давления, используя пар экстрации из паровой турбины; увеличение температуры и давления основной пара (отмечая, однако, что коррозия стен топочной камеры и в области пароперегревателя представляют наибольшие интересы, относящиеся к этому способу); обеспечение конструкции промежуточного пароперегревателя, где основной пар после расширения через турбину посылают назад к котлу для повторного перегрева пере следующим турбинным этапом; использование паровой конденсационной турбины вместо паровой турбины с противодавлением; и использование регенерацию тепла после ловушки с электростатическим осаждением для замены пара противодавления, используемого обычно для подогрева, и, таким образом, освобождение пара для использования для производства электроэнергии с помощью конденсационной турбины.

В публикации патентной заявки США №US 2006/0236696 А1, поданной Завихариу и др., описывается котел-утилизатор использованного щелока, который предусмотрен с промежуточным пароперегревателем для перегрева пара из части высокого давления турбины. Котел-утилизатор имеет стандартную топочную камеру, за исключением обеспечения по меньшей мере одной полости, предпочтительно расположенной в верхней части передней стены топочной камеры котла-утилизатора. Промежуточный пароперегреватель имеет первую часть и вторую часть, причем первая часть расположена в потоке топочного (дымового) газа между пароперегревателем и генерирующей пар поверхностью, при этом вторая часть промежуточного пароперегревателя расположена в полости. Полость может также включать в себя секцию пароперегревателя. Топочные (дымовые) газы, образуемые в полости, входят в топочную камеру после прохождения через вторую часть промежуточного пароперегревателя и секции пароперегревателя.

В патенте США №5603803, выданном Рааку, описывается способ и аппарат для регенерации тепла в котле-утилизаторе натронного варочного щелока. Стены котла образованы водоохлаждаемыми трубами, соединенными с системой циркуляции воды/пара котла. Нижняя секция котла ограничена водяными трубами, соединенными с отдельной системой циркуляции воды принудительного, а не естественного типа циркуляции, и имеет меньшее давление, чем давление действующего котла. Охлаждающая циркуляция в нижней секции топочной камеры организована путем использования отдельной системы циркуляции воды. Тепло, регенерированное для отдельной системы циркуляции воды, может быть использовано, например, для нагрева котловой питательной воды, например, в отдельном теплообменнике, который соединен системой циркуляции воды посредством отдельной системы циркуляции охлаждения, благодаря чему высвобождается тепло из охлаждения нижней секции топочной камеры. В соответствии с чем представляется возможным поддерживание температуры среды, проходящей в нижней секции отдельно охлаждаемой топочной камеры, почти постоянной путем регулирования эффекта охлаждения теплообменника в системе циркуляции охлаждения. Температура охлаждающей среды, проходящей в системе циркуляции охлаждения котла, соответствующей этому изобретению, предпочтительно регулируется так, чтобы она вызывала тепловое расширение отдельно охлаждаемой нижней секции топочной камеры для корреляции с тепловым расширением стен в котловых системах циркуляции воды/пара, то есть не существует проблем изоляции между отдельно охлаждаемой нижней секцией и другой конструкцией топочной камеры, и между этими частями не имеет места просачиваний газа или химических веществ.

На фиг.2 приведена схематическая иллюстрация известной установки котла-утилизатора и паровой турбины целлюлозного завода, использующей стандартный цикл перегрева и, в общем, указанной ссылочным номером 200. Температуры (в градусах F), давления (в фунтах на квадратный дюйм (psig, psia) и расходы (в тысячах фунтов в час (kpph)) приведены только в иллюстративных целях. Как иллюстрируется в этой заявке, котел-утилизатор 202 содержит топочную камеру 210, имеющую стены 212 заполнения каркаса, образованные из охлаждаемых текучей средой труб, которые, в общем, содержат пароводяную смесь. Черный щелок подают в нижнюю часть топочной камеры 210 и сжигают с помощью воздуха. Газы, генерируемые благодаря сгоранию, поднимаются из топочной камеры 210 и проходят через поверхности передачи конвективного тепла, которые включают в себя поверхность 230 пароперегревателя (SH) и поверхность 234 экономайзера (ЕС). Водоохлаждаемые стены 212 заполнения каркаса топочной камеры охлаждают газообразные продукты сгорания и генерируют в них пароводяную смесь. Свод или горловина 237 топочной камеры равномерно распределяет газовый поток, поступающий на поверхность 230 пароперегревателя.

Насос 236 питательной воды обеспечивает питательную воду к экономайзеру 234 по линии 238. Топочные газы от сжигания черного щелока проходят через экономайзер 234, подогревая поступающую питательную воду, которую подают по линии 240 к паросборнику 242. Горячие топочные продукты сгорания передают тепло стенам 212 заполнения каркаса, генерируя в них пароводяную смесь, которая также подается через них вверх к паросборнику 242 через посредство вертикальных труб 244. Разделительные устройства (не показанные) в паросборнике 242 отделяют воду от пароводяной смеси. Питательная вода смешивается в паросборнике 242 с отделенной водой, и затем эта смесь подается к нижней части топочной камеры 210 через посредство сливных (спускных) труб 246. Насыщенные соединения 248 транспортируют пар из паросборника 242 к пароперегревателю 230, где пар перегревается. Перегретый пар затем подают через посредство линии 250 к паровой турбине 252, которая предпочтительно соединена с электрогенератором (не показанным) для производства электроэнергии. Перегретый пар расширяется через турбину 252, вызывая вращение роторов турбины, побуждая, в соответствии с этим, электрогенератор, соединенный с ними (не показано) производить электроэнергию. Часть пара подают через посредство линии 254 к холодильнику 256. Большая часть пара, выходящего из турбины 252, является паром экстракции, используемым для обеспечения различных технологических требований завода. Например, линия 258 транспортирует производственный пар давлением 150 фунтов на квадратный дюйм к коллектору 260, и этот пар затем транспортируется через посредство одной или более линий 262 к различным заводским технологическим процессам. Аналогичным образом, линия 264 транспортирует производственный пар давлением 75 фунтов на квадратный дюйм к коллектору 266, и этот пар затем транспортируется к одной или более линиям 268 к другим различным заводским технологическим процессам. Конденсат из холодильника 256 затем транспортируется через посредство линии 270 к деаэратору 272, который, в свою очередь, подает конденсат по линии 274 к насосу 236 питательной воды, завершая гидродинамический цикл.

Известны котлы-утилизаторы с циклами промежуточного перегрева пара турбины, как описано Завихариу и др. Однако эта конструкция еще страдает от обычной коррозии нижней топочной камеры, соответствующей предшествующему уровню техники, то есть давление пара в стене топочной камеры достаточно низко, так что чрезмерной коррозии не имеет место в водоохлаждаемых трубчатых стенах топочной камеры. Температура насыщения в пароводяной эмульсии плюс перепад температур вследствие поступления теплового потока от поверхности труб в воде составляет менее 400-500°С (752°F-932°F), как правило, менее 400°С (752°F), которая является температурой поверхности труб. Раак описывает котел-утилизатор натронного варочного щелока, где нижняя секция котла имеет более низкое давление, чем давление действующего котла, и ограничено водяными трубами, соединенными с отдельной системой циркуляции воды принудительного, а не естественного типа. Тепло может быть регенерировано для подогрева котловой питательной воды или сжатого воздуха в отдельной системе циркуляции воды; однако отдельная система циркуляции воды не находится в сообщении с системой циркуляции воды/пара, и задачей конструкции не является обеспечение повышенной способности производства электроэнергии, а поддержание температуры среды, проходящей в нижней секции отдельно охлаждаемой топочной камеры, почти постоянной путем регулирования эффекта охлаждения теплообменника в системе циркуляции охлаждения, адресуясь к тепловому расширению, которое может вызвать проблемы изоляции между отдельно охлаждаемой нижней секцией топочной камеры для корреляции с тепловым растяжением стен в котловых системах циркуляции воды/пара. Грейвс и др. дают решение этой проблемы коррозии нижней топочной камеры путем обеспечения котловой системы дуального давления, имеющей топочную камеру, которая разделена на две секции - нижнюю топочную камеру низкого давления и верхнюю топочную камеру высокого давления. Однако Грейвс и др. не описывает или предлагает какой-либо способ увеличения способности производства электроэнергии всей установки. Перегретый пар из пароперегревателя высокого давления направляют к турбинному генератору для производства электроэнергии. Перегретый пар из пароперегревателя низкого давления направляется по трубопроводу к заводскому паровому коллектору для использования в качестве производственного пара.

Очевидно, что усовершенствованная конструкция котла-утилизатора, которая обеспечивает повышенный рабочий коэффициент полезного действия и выходную мощность производства электроэнергии при уменьшении потенциальной возможности коррозии нижней топочной камеры, будет приветствоваться промышленностью.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает преимущество технологической гибкости конструкции топочной камеры котла-утилизатора дуального давления и обеспечивает возможность использования улучшенного парового цикла при использовании котла-утилизатора дуального давления с промежуточным перегревом для достижения большого увеличения в производстве электроэнергии с различными турбинными циклами, преодолевая, в то же самое время, традиционные ограничения материалов нижней топочной камеры. Настоящее изобретение способно обеспечивать пар для двух отдельных ступеней турбины, одной ступени высокого давления и другой ступени низкого давления, из двух разных потоков пара при разных давлениях, выходящих из котла-утилизатора дуального давления.

Соответствующая топочная камера котла-утилизатора дуального давления предусмотрена с нижней топочной камерой и верхней топочной камерой. Нижняя топочная камера работает при более низкой температуре для предотвращения или уменьшения коррозии стеновых труб нижней топочной камеры, вызываемой восстановительной окружающей средой. Нижняя топочная камера может быть либо системой генерирования пара естественной циркуляции низкого давления, или экономайзером. В отличие от нижней топочной камеры верхняя топочная камера не подвержена воздействию восстановительной окружающей среды и по этой причине не так чувствительна к большим скоростям коррозии. Верхняя топочная камера работает при более высоких температурах и давлениях, которые позволяют реализацию более эффективных циклов перегрева пара. Таким образом, верхняя топочная камера работает как система генерирования пара естественной циркуляции высокого давления. Таким образом, котел-утилизатор дуального давления может быть связан с множеством конденсационных, неконденсационных или комбинации конденсационных и неконденсационных турбинных циклов для обеспечения большого увеличения производства электроэнергии. Как используется в настоящем описании, естественная циркуляция также включает в себя композиции естественной циркуляции, осуществляемые с помощью насоса.

Нижняя топочная камера с цилиндрической конструкцией естественной циркуляции может быть использована для обеспечения пара, который комбинируется с выпуском из паровой турбины высокого давления и направляется к промежуточному перегревателю для промежуточного перегрева и оттуда - к турбине низкого давления. Нижняя топочная камера может обеспечивать пар для подогрева питательной воды, которую позднее транспортируют к секции высокого давления котла. Кроме того, нижняя топочная камера может обеспечивать производственный пар для завода, тогда как верхняя топочная камера производит пар, который расширяется через ступени паровой турбины высокого давления и низкого давления. Нижняя топочная камера также может обеспечивать пар для паровой турбины низкого давления, тогда как верхняя топочная камера производит пар, который расширяется через ступени паровой турбины высокого давления и низкого давления. В альтернативном варианте нижняя топочная камера может быть частью схемотехники, используемой для подогрева поступающей питательной воды, которая затем дополнительно нагревается в конвективных трубных пучках экономайзера.

Верхняя топочная камера, как правило, работает при давлении, составляющем приблизительно 2800 фунтов на квадратный дюйм или менее, если это конструкция естественной циркуляции, тогда как нижняя топочная камера работает при давлении, составляющем приблизительно 900 фунтов на квадратный дюйм или менее. Паровая турбина (паровые турбины) низкого давления могут быть конденсирующей пар турбиной. Паровая турбина высокого давления может быть неконденсирующей пар турбиной. Пар низкого давления предпочтительно может быть использован для нагрева питательной воды.

Если требуется дополнительная эффективной производства электрической энергии, то верхняя топочная камера может альтернативно работать как топочная камера однократной циркуляции или сверхкритическая топочная камера. Рабочие давления верхней топочной камеры могут быть в сверхкритическом диапазоне, то есть составлять более 3206 фунтов на квадратный дюйм; в любом случае рабочее давление верхней топочной камеры будет выбрано так, чтобы быть способным обеспечивать пар при требуемом состоянии на входе дросселя паровой турбины, например, 3600 фунтов на квадратный дюйм, плюс перепад давления в трубопроводе для подачи пара, пароперегревателе, стенах топочной камеры и трубопроводе, на входе экономайзера и питательной воды назад в насос (насосы) питательной воды.

Различные элементы новизны, которые отличают настоящее изобретение, указаны, в частности, в прилагаемой формуле изобретения и образующей часть настоящего описания. Для более хорошего понимания настоящего изобретения, преимущества его работы и характерные выгоды, получаемые при его использовании, ссылка делается на сопроводительные чертежи и текстовый материал, где иллюстрируются предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СОПРОВОДИТЕЛЬНЫХ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - сечение вертикальной проекции известного котла-утилизатора технологического процесса сульфатной варки целлюлозы, произведенного компанией The Babcock & Wilcox Company;

Фиг.1А - принципиальная схема известного котла-утилизатора дуального давления;

Фиг.2 - схематическая иллюстрация известной установки котла-утилизатора и паровой турбины целлюлозного завода, использующей стандартный цикл перегрева пара;

Фиг.3 - схематическая иллюстрация первого варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева пара, в котором пар низкого давления (LP) смешивают с выхлопными газами паровой турбины, имеющими высокое давление (HP), и затем подвергают промежуточному перегреву;

Фиг.4 - схематическая иллюстрация второго варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева пара, в котором пар низкого давления (LP) используют для нагрева питательной воды;

Фиг.5 - схематическая иллюстрация третьего варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева пара, в котором пар низкого давления (LP) используют для производственного пара;

Фиг.6 - схематическая иллюстрация четвертого варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева пара, в котором пар низкого давления (LP) используют для работы отдельной паровой турбины;

Фиг.7 - схематическая иллюстрация пятого варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева пара, в котором часть нижней топочной камеры котла-утилизатора дуального давления содержит часть схемотехники экономайзера (ЕС);

Фиг.8 - схематическая иллюстрация шестого варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева пара, в котором верхняя топочная камера является сверхкритической топочной камерой однократной циркуляции, и в котором пар низкого давления (LP) смешивают с выхлопными газами паровой турбины, имеющими высокое давление (HP), и затем подвергают промежуточному перегреву;

Фиг.9 - схематическая иллюстрация седьмого варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева пара, в котором верхняя топочная камера является сверхкритической топочной камерой однократной циркуляции, и в котором пар низкого давления (LP) используют для нагрева питательной воды;

Фиг.10 - схематическая иллюстрация восьмого варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева пара, в котором верхняя топочная камера является сверхкритической топочной камерой однократной циркуляции, и в котором пар низкого давления (LP) используют для производственного пара;

Фиг.11 - схематическая иллюстрация девятого варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева пара, в котором верхняя топочная камера является сверхкритической топочной камерой однократной циркуляции, и в котором пар низкого давления (LP) используют для работы отдельной паровой турбины и

Фиг.12 - схематическая иллюстрация десятого варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева пара, в котором верхняя топочная камера является сверхкритической топочной камерой однократной циркуляции, и в котором часть нижней топочной камеры котла-утилизатора дуального давления содержит часть схемотехники экономайзера (ЕС).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Циклы промежуточного перегрева, используемые на вспомогательном предприятии, работают при намного более высоких давлениях и температурах труб, чем стандартные котлы-утилизаторы, соответствующие известному уровню техники. Проблемой в использовании таких циклов более высокого промежуточного перегрева в котлах-утилизаторах является то, что работа стандартной топочной камеры котла-утилизатора при повышенных давлениях (и, таким образом, при более высоких температурах стенок труб вследствие более высоких температур насыщения в стеновых трубах топочной камеры) означает, что топочная камера будет обычно испытывать чрезмерные скорости коррозии.

Настоящее изобретение преодолевает эту трудность путем обеспечения котла-утилизатора дуального давления, имеющего топочную камеру, которая разделена на две секции - нижнюю топочную камеру низкого давления и верхнюю топочную камеру высокого давления, в установке с циклом с промежуточным перегревом пара паровой турбины, и взаимодействия пара, получаемого в этих отдельных секциях, с циклом паровой турбины новым способом. Нижняя топочная камера, которая подвержена воздействию окружающей среды восстановительной атмосферы (восстановленного кислорода), работает при меньшей температуре (то есть стеновые трубы нижней топочной камеры работают при меньшей температуре металла стенки трубы) для предотвращения или уменьшения коррозии стеновых труб нижней топочной камеры, вызываемой восстановительной окружающей средой. Нижняя топочная камера может быть либо системой (барабаном), генерирующей пар естественной циркуляции низкого давления, либо экономайзером. Верхняя топочная камера, которая не подвержена воздействию восстановительной окружающей среды и поэтому не так чувствительна к большим скоростям коррозии, работает при более высоких температурах (то есть стеновые трубы верхней топочной камеры работают при более высокой температуре металла стенок труб) и давлениях, что дает возможность реализации более высоко эффективных циклах промежуточного перегрева пара. Более конкретно, пар, который получают из системы генерирования пара естественной циркуляции, имеющего низкое давление, может быть использован в следующих применениях в технологическом процессе:

Пар может быть скомбинирован с выхлопными газами турбины высокого давления на входе пароперегревателя промежуточного перегрева;

Пар может быть использован для нагрева питательной воды для топочной камеры высокого давления;

Пар может быть перегрет и гидродинамически соединен с отдельной паровой турбиной низкого давления;

Пар может быть отдельно нагрет и использован как производственный пар на целлюлозном заводе.

При необходимости нижняя топочная камера может быть частью цепи (схемы) экономайзера для непосредственного нагрева питательной воды.

В общем, на сопроводительных чертежах, на которых подобными ссылочными номерами указаны подобные или функционально подобные элементы на нескольких чертежах, и, в частности, на фиг.3, приведена схематическая иллюстрация первого варианта осуществления настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева пара, в общем указанного ссылочным номером 300. В этом варианте осуществления пар низкого давления (LP) смешивают с выхлопными газами паровой турбины высокого давления (HP) и затем подвергают промежуточному перегреву. На этом и следующих чертежах, и единственного для удобства для читателя, ссылочные номера серии «200» относятся к элементам на фиг.2, тогда как ссылочные номера серии «300» относятся к элементам на фиг.3, и так далее. Аналогичным образом по меньшей мере два ссылочных номера в различных ссылочных номерах обозначают подобные или функционально подобные элементы на нескольких чертежах; например, ссылочные номера 234, 334, 434 и так далее относятся к экономайзеру на фиг.2, 3 и 4 и так далее. Температуры (градусы F), давления (фунты на квадратный дюйм - psig, psia) и расходы (тысячи фунтов в час - kpph) предусмотрены только для иллюстративных целей и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения.

Котел-утилизатор 302 дуального давления имеет нижнюю секцию 310 естественной циркуляции низкого давления (LP) и верхнюю секцию 310' естественной циркуляции высокого давления (HP). Нижняя секция 310 низкого давления и верхняя секция 310' высокого давления образуют отдельные системы естественной циркуляции. Каждая секция 310, 310' имеет свое собственное специализированное пароводяное разделительное устройство (вертикальный сепаратор или подобное устройство) или паросборник 342, 342' для отделения насыщенного пара от воды. Насос 336 питательной воды (FW) подает питательную воду к паросборнику 242, 342' в каждой цепи. На этом и последующих чертежах, хотя на чертежах показан одни насос 336 питательной воды, это сделано для удобства для читателя. Поскольку нижняя топочная камера низкого давления и верхняя топочная камера высокого давления работают при разных давлениях, в реальных применениях будут, вероятно, использоваться отдельные насосы питательной воды для подачи питательной воды под давлением, требуемым для каждой топочной камеры, а не насос питательно воды, способный обеспечивать более высокое давление, требуемое верхней топочной камерой высокого давления, а затем дросселировать давление через клапан до меньшего давления, требуемого топочной камерой низкого давления. Это также обеспечивает возможность получения расчетного давления для компонентов нижней топочной камеры, основываясь на номинальных мощностях насоса питательной воды низкого давления, а не на номинальных мощностях насоса питательной воды высокого давления.

Паросборник 342 низкого давления работает при давлении, как правило, составляющем приблизительно 600-600 фунтов на квадратный дюйм; в любом случае при давлении, где температура металла стенок труб топочной камеры нижней секции 310 низкого давления будет достаточно низкой, чтобы сопротивляться коррозии в окружающей среде восстановительной атмосферы. Питательная вода транспортируется по линии 339 паросборнику 342 низкого давления, где она смешивается с водой, отделяемой от пароводяной смеси, получаемой в стенах топочной камеры 310 низкого давления. Эта смесь затем транспортируется к нижней части топочной камеры 310 нижнего давления через посредство сливных (спускных) труб 346. Пароводяная смесь, получаемая в стенах топочной камеры 310 низкого давления, затем транспортируется вверх через паросборник 342 через посредство вертикальных труб 344. Разделительные устройства (не показанные) в паросборнике 342 низкого давления отделяют воду от пароводяной смеси.

Верхняя секция 310' высокого давления работает аналогичным образом, но при более высоких температурах и давлениях. Типичное рабочее давление в паросборнике 342' высокого давления составляет приблизительно 2800 фунтов на квадратный дюйм или менее; в любом случае рабочее давление выбирают способным обеспечивать пар при требуемом условии входа в дроссельный клапан турбины, обеспечивающим возможность перепада давления в трубопроводе для подачи пара, пароперегревателе и насыщенных соединениях назад к паросборнику 342' высокого давления. Насос 336 питательной воды и в этом случае обеспечивает подачу питательной воды к паросборнику 342, 342' в каждой цепи, как прежде. В этом случае питательная вода транспортируется по линии 338 к экономайзеру 334 для подогрева. Экономайзер 334 гидродинамически соединен ниже по технологической цепочке от насоса 336 питательной воды и выше по технологической цепочке от паросборника 342' высокого давления. Экономайзер 334 выгружает нагретую питательную воду через посредство линии 340 в паросборник 342' высокого давления.

Пароводяная смесь, получаемая в стенах топочной камеры 310' высокого давления транспортируется через них вверх к паросборнику 342' высокого давления через посредство вертикальных труб 344'. Разделительные устройства (не показанные) в паросборнике 342' высокого давления отделяют воду от пароводяной смеси и отделенная вода и питательная вода смешиваются вместе и транспортируются через посредство сливных труб 346' к стенам 312 заполнения каркаса в нижней части топочной камеры 310' высокого давления. Пар, отделенный от циркулирующей воды, направляется через посредства насыщенных соединений 348' к пароперегревателю (SH) 330.

Температуры (в градусах F), давления (в фунтах на квадратный дюйм - psig, psia) и расходы (в тысячах фунтов в час - kpph) предусмотрены только для иллюстративных целей и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Как иллюстрируется в этой заявке, котел-утилизатор 302 содержит топочную камеру дуального давления, имеющую секцию 310 низкого давления и секцию 310' высокого давления. Черный щелок, сжигаемый в топочной камере котла-утилизатора 302, выделяет горячие газы, которые проходят через поверхности теплопередачи. В этом варианте осуществления поверхность 386 промежуточного перегрева или промежуточного пароперегревателя (RH) предусмотрена помимо поверхности 330 пароперегревателя высокого давления (HPSH) и поверхности 334 экономайзера высокого давления (НРЕС) через посредство линии 380.

Насос 336 питательной воды подает питательную воду к 334 экономайзеру высокого давления, который в данный момент является частью цепи топочной камеры 310' высокого давления, через посредство линии 338, а также к нижней топочной камере 310 низкого давления по линии 339. Пар высокого давления из паросборника 342' высокого давления транспортируют через посредство насыщенных соединений 348' высокого давления к пароперегревателю 330 высокого давления. Для получения преимущества перегретого пара высокого давления предусмотрена ступень 382 турбины высокого давления, которая принимает из пароперегревателя 330 высокого давления пар высокого давления.

Ступень 382 турбины высокого давления может быть предусмотрена как отдельная паровая турбина, соединенная с отдельным электрогенератором (не показанным), или она может быть предусмотрена как дополнительная ступень, предусмотренная выше по технологической цепочке от новой или существующей паровой турбины 352 низкого давления, или она может быть предусмотрена как другая паровая турбина, соединенная с существующим паровым турбоагрегатом низкого давления. Для краткости (изложения), термин паровая турбина 382 высокого давления будет использоваться для охвата всех таких разновидностей.

Пар высокого давления из пароперегревателя 330 высокого давления расширяется через паровую турбину 382 высокого давления. Пар низкого давления из паросборника 342 низкого давления предпочтительно транспортируется через посредство линии 348 и комбинируется с выхлопными газами паровой турбины 382 высокого давления. Поток этого пара, в свою очередь, транспортируется через посредство лини 384 к входу промежуточного пароперегревателя 386 для промежуточного перегрева. Промежуточный пароперегреватель 386 может быть противоточного или параллельного типа относительно потока газообразных продуктов сгорания, как требуется. Пар промежуточного перегрева затем транспортируется через посредство линии 350 из выхода пароперегревателя 386 к паровой турбине 352 низкого давления и соответствующему электрогенератору (непоказанному). Некоторая часть пара, выходящая из паровой турбины 352 низкого давления, транспортируется по линии 354 к холодильнику 356. Большая часть пара, выходящего из турбины 352 низкого давления, является паром экстракции, используемым для удовлетворения различных заводских технологических требований. Например, линия 358 транспортирует производственный пар, имеющий давление 150 фунтов на квадратный дюйм, к коллектору 360 и этот пар после этого транспортируют через посредство одной или более линий 362 к различным заводским технологическим процессам. Аналогичным образом, линия 364 транспортирует производственный пар, имеющий давление 75 фунтов на квадратный дюйм, к коллектору 366 и этот пар затем транспортируют через посредство одной или более линий 368 к другим различным заводским технологическим процессам. Остальной пар транспортируется по линии 354 к холодильнику 356. Конденсат из холодильника 356, а также из различных заводских технологических процессов, подаваемый линиями 362 и 368, затем транспортируется через посредство линии 370 к деаэратору 372, который, в свою очередь, обеспечивает конденсат через посредство линии 374 к насосу 336 питательной воды, завершая гидродинамический цикл.

Таким образом, станут очевидными некоторые сходства между вариантом осуществления, иллюстрируемым на фиг.3, и вариантами осуществления, иллюстрируемыми и описываемыми позднее в этой заявке, а также дополнительные преимущества, получаемые благодаря им.

На фиг.4 приведена схематическая иллюстрация второго варианта осуществления, в общем, указанного ссылочным номером 400, настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева пара. В этом случае пар низкого давления используют для нагрева питательной воды.

Как иллюстрируется в этой заявке, котел-утилизатор 402 содержит топочную камеру дуального давления, имеющую секцию 410 низкого давления и секцию 410' высокого давления. Черный щелок, сжигаемый в топочной камере котла-утилизатора 402, выделяет горячие газы, поток которых проходит через поверхности теплопередачи. В этом варианте осуществления поверхность 486 промежуточного перегревателя предусмотрена в дополнение к поверхности 430 пароперегревателя высокого давления и поверхности 434 экономайзера высокого давления.

Насосы питательной воды 436 и 459 подают воду через посредство линии 438 к экономайзеру 434 высокого давления и затем через посредство линии 440 к паросборнику 442' высокого давления, который является частью цепи топочной камеры 410' высокого давления, а также к топочной камере 410 низкого давления через посредство линии 439. Пар высокого давления из паросборника 442' высокого давления транспортируется через посредство насыщенных соединений высокого 448' давления к пароперегревателю 430 высокого давления. Ступень 482 паровой турбины высокого давления предусмотрена и принимает пар высокого давления из пароперегревателя 430 высокого давления через посредство линии 480. Вертикальные трубы 444 и сливные трубы 446 гидродинамически соединяют паросборник 442 низкого давления и топочную камеру 410 низкого давления, тогда как вертикальные трубы 444' и сливные трубы 446' гидродинамически соединяют паросборник 442' высокого давления и топочную камеру 410' низкого давления.

Пар высокого давления из пароперегревателя 430 высокого давления транспортируется через посредство линии 480 к паровой турбине 482 высокого давления и расширяется через паровую турбину 482 высокого давления. Выхлопной поток из нее транспортируется к промежуточному перегревателю 486 через посредство линии 484. В этом варианте осуществления пар низкого давления из паросборника 442 низкого давления предпочтительно транспортируют через посредство линии 448 к нагревателю 449 питательной воды, предусмотренного ниже по технологической цепочке от насоса 459 питательной воды и подогревает питательную воду, подаваемую к экономайзеру 434 и к нижней топочной камере 410 низкого давления. Этот поток пара, в свою очередь, транспортируется через посредство линии 451 к нагревателю питательной воды прямого контактного взаимодействия, который также принимает пар экстракции через посредство линии 455 из турбины 452 низкого давления. Как и прежде, перегретый пар из промежуточного перегревателя 486 транспортируется через посредства линии 450 из выхода промежуточного перегревателя 486 к паровой турбине 452 высокого давления и соответствующему электрогенератору (непоказанному). Некоторое количество пара, выпущенного из паровой турбины 452 низкого давления, транспортируется через посредство линии 454 к холодильнику 456. Большая часть пара, выходящего из турбины 452, является паром экстракции, используемым для удовлетворения различных заводских технологических требований. Например, линия 458 транспортирует производственный пар, имеющий давление 150 фунтов на квадратный дюйм, к коллектору 460, и этот пар затем транспортируется через посредство одной или более линий 462 к различным заводским технологическим процессам. В этом варианте осуществления производственный пар из коллектора 460 также транспортируют через посредство линии 461 к другому нагревателю 463 питательной воды, который принимает питательную воду из насоса 436 питательной воды. Этот поток производственного пара, в свою очередь, транспортируется через посредство линии 465 к деаэратору 472, где он смешивается с возвратом конденсата через посредство линии 470. Насос 436 питательной воды, таким образом, принимает текучую среду из деаэратора 472 и транспортирует ее через посредство линии 476 к нагревателю 463 питательной воды, затем через посредство линии 467 к нагревателю 453 питательной воды прямого контактного взаимодействия, а затем через посредство линии 457 к насосу 459 питательной воды. Аналогичным образом, линия 464 транспортирует пар, имеющий давление 75 фунтов на квадратный дюйм, коллектору 466 и этот пар затем транспортируется к одной или более линиям 468 для других различных заводских технологических процессов. Конденсат из холодильника 456, а также из различных заводских технологических процессов, подаваемый посредством линий 462 и 468, транспортируется через посредство линии 470 к деаэратору 472, который, в свою очередь, подает конденсат через посредства линии 474 к насосу 436 питательной воды, завершая цикл текучей среды.

Вследствие повышенных температур питательной воды экономайзера 434, температуры топочных газов, выходящих из котла-утилизатора 402, могут быть выше, чем требуется. В таких случаях воздухоподогреватель (калорифер) 490, предпочтительно трубчатый воздухоподогреватель 490, может быть использован для извлечения дополнительно тепла из топочных газов для увеличения эффективности (коэффициента полезного действия) котла.

На фиг.5 приведена схематическая иллюстрация третьего варианта осуществления, в общем, указанного ссылочным номером 500, настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева. В этом случае пар низкого давления используют для производственного пара.

Как показано на этом чертеже, котел-утилизатор 502 содержит топочную камеру дуального давления, имеющую секцию 510 низкого давления и секцию 510' высокого давления. Черный щелок, сжигаемый в топочной камере котла-утилизатора 502, выделяет горячие газы, поток которых проходит через поверхности теплопередачи. В этом варианте осуществления, помимо поверхности 530 пароперегревателя высокого давления и поверхности 534 экономайзера высокого давления предусмотрена поверхность 586 промежуточного перегревателя.

Насос 536 питательной воды подает питательную воду к экономайзеру 534 высокого давления через посредство линии 538 и затем через посредство линии 540 к паросборнику 542' высокого давления, который является частью цепи топочной камеры 510' высокого давления, а также к нижней топочной камере 510 низкого давления через посредство линии 539. Пар высокого давления из паросборника 542' высокого давления транспортируется через посредство насыщенных соединений 548' высокого давления к пароперегревателю 530 высокого давления. Предусмотрена ступень 582 паровой турбины высокого давления, которая принимает пар высокого давления из пароперегревателя 530 высокого давления через посредство линии 580. Вертикальные трубы 544 и сливные трубы 546 гидродинамически соединены с паросборником 542 низкого давления и топочной камерой 510 низкого давления, тогда как вертикальные трубы 544' и сливные трубы 546' гидродинамически соединены с паросборником 542' высокого давления и топочной камерой 510' высокого давления.

Пар высокого давления из пароперегревателя 530 высокого давления транспортируется через посредство линии 580 к паровой турбине 552 высокого давления и расширяется через паровую турбину 582 высокого давления. Поток, выпускаемый из нее, транспортируется к промежуточному перегревателю 586 через посредство линии 584. В этом варианте осуществления пар низкого давления из паросборника 442 низкого давления предпочтительно транспортируется через посредство линии 448 и используется для удовлетворения различных заводских требований производственного пара.

Перегретый пар из промежуточного перегревателя 586 транспортируется через посредство линии 550 из выхода промежуточного перегревателя 586 к паровой турбине 552 низкого давления и соответствующему электрогенератору (не показанному). Некоторое количество пара, выпускаемого из паровой турбины 552 низкого давления, транспортируется через посредство линии 554 к холодильнику 556. Большая часть пара, выходящего из турбины 552, является паром экстракции, используемым для удовлетворения различных заводских технологических требований. Например, линия 558 транспортирует производственный пар, имеющий давление 150 фунтов на квадратный дюйм, к коллектору 560, и этот пар затем транспортируется через посредство одной или более линий 562 к различным заводским технологическим процессам. Аналогичным образом линия 564 транспортирует производственный пар, имеющий давление 75 фунтов на квадратный дюйм, к коллектору 566, и этот пар после этого транспортируется к одной или более линиям 568 для других различных заводских технологических процессов. Остальной пар транспортируется через посредство линии 554 к холодильнику 556. Конденсат из холодильника 556, а также из различных заводских технологических процессов, подаваемый через посредство линий 562 и 568, транспортируется через посредство линии 570 к деаэратору 572, который, в свою очередь, подает конденсат через посредство линии 574 к насосу 536 питательной воды, завершая гидродинамический цикл.

На фиг.6 приведена схематическая иллюстрация третьего варианта осуществления, в общем, указанного ссылочным номером 600, настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева. В этом варианте осуществления пар низкого давления используют для работы отдельной паровой турбины.

Как показано на этом чертеже, котел-утилизатор 502 содержит топочную камеру дуального давления, имеющую секцию 610 низкого давления и секцию 610' высокого давления. Черный щелок, сжигаемый в топочной камере котла-утилизатора 602, выделяет горячие газы, поток которых проходит через поверхности теплопередачи. В этом варианте осуществления, помимо поверхности 630 пароперегревателя высокого давления и поверхности 634 экономайзера высокого давления, предусмотрена поверхность 686 промежуточного перегревателя.

Насос 636 питательной воды подает питательную воду к экономайзеру 634 высокого давления через посредство линии 638 и затем через посредство линии 640 к паросборнику 642" высокого давления, который является частью цепи топочной камеры 610' высокого давления, а также к нижней топочной камере 610 низкого давления через посредство линии 639. Пар высокого давления из паросборника 642' высокого давления транспортируется через посредство насыщенных соединений 648' высокого давления к пароперегревателю 630 высокого давления. Предусмотрена ступень 682 паровой турбины высокого давления, которая принимает пар высокого давления из пароперегревателя 630 высокого давления через посредство линии 680. Вертикальные трубы 644 и сливные трубы 646 гидродинамически соединены с паросборником 642 низкого давления и топочной камерой 610 низкого давления, тогда как вертикальные трубы 644' и сливные трубы 646' гидродинамически соединены с паросборником 642' высокого давления и топочной камерой 610' высокого давления.

Пар высокого давления из пароперегревателя 630 высокого давления транспортируется через посредство линии 680 к паровой турбине 652 высокого давления и расширяется через паровую турбину 682 высокого давления. Поток, выпускаемый из нее, транспортируется к промежуточному перегревателю 686 через посредство линии 684. В этом варианте осуществления пар низкого давления из паросборника 642 низкого давления предпочтительно транспортируется через посредство линии 648 и используется для подачи пара к отдельной паровой турбине 695 низкого давления. Пар, выпускаемый из паровой турбины 695 низкого давления, затем транспортируется через посредство линии 697 к холодильнику 656.

Перегретый пар из промежуточного перегревателя 686 транспортируется через посредство линии 650 из выхода промежуточного перегревателя 686 к паровой турбине 656 низкого давления и соответствующему электрогенератору (непоказанному). Некоторое количество пара, выпускаемого из паровой турбины 652 низкого давления, транспортируется через посредство линии 654 к холодильнику 656. Большая часть пара, выходящего из турбины 652, является паром экстракции, используемым для удовлетворения различных заводских технологических требований. Например, линия 658 транспортирует производственный пар, имеющий давление 150 фунтов на квадратный дюйм, к коллектору 660, и этот пар затем транспортируется через посредство одной или более линий 662 к различным заводским технологическим процессам. Аналогичным образомлиния 664 транспортирует производственный пар, имеющий давление 75 фунтов на квадратный дюйм, к коллектору 666, и этот пар после этого транспортируется к одной или более линиям 668 для других различных заводских технологических процессов. Остальной пар транспортируется через посредство линии 654 к холодильнику 656. Конденсат из холодильника 656, а также из различных заводских технологических процессов, подаваемый через посредство линий 662 и 668, транспортируется через посредство линии 670 к деаэратору 672, который, в свою очередь, подает конденсат через посредство линии 674 к насосу 636 питательной воды, завершая гидродинамический цикл.

На фиг.7 приведена схематическая иллюстрация пятого варианта осуществления, в общем, указанного ссылочным номером 700, настоящего изобретения, содержащего котел-утилизатор дуального давления, используемый как часть паровой турбинной установки с циклом промежуточного перегрева. Этот вариант осуществления иллюстрирует модификацию конструкции нижней топочной камеры, в которой часть нижней топочной камеры котла-утилизатора дуального давления содержит часть схемотехники экономайзера.

Как показано на этом чертеже, котел-утилизатор 702 содержит топочную камеру дуального давления, секцию 710 нижней топочной камеры и секцию 710' высокого давления. Черный щелок, сжигаемый в топочной камере котла-утилизатора 702, выделяет горячие газы, поток которых проходит через поверхности теплопередачи. В этом варианте осуществления, помимо поверхности 730 пароперегревателя высокого давления и поверхности 734 экономайзера высокого давления предусмотрена поверхность 786 промежуточного перегревателя. В противоположность более ранним вариантам осуществления, секция 710 нижней топочной камеры не является котловой (генерирующей пар) поверхностью, а нагревающей (нагревательной) поверхностью, которая гидродинамически соединена с экономайзером 734 и находится выше по технологической цепочке от экономайзера 734. Нагреваемая питательная вода из секции нижней топочной камеры 710 транспортируется через посредство линии 799 к экономайзеру 734. Поскольку рабочей текучей средой является питательная вода, а не пароводяная смесь, нет необходимости снижения давления в этой цепи, поскольку температуры насыщения не являются определяющими условиями для температур металла стенок труб. Таким образом, термин низкое давление не используется в связи с этим вариантом осуществления, где нижняя топочная камера 710 содержит нагревающую поверхность экономайзера.

Насос 736 питательной воды подает питательную воду через посредство линии 739 к секции 710 нижней топочной камеры и затем к экономайзеру 734 высокого давления. Линия 740 транспортирует нагретую питательную воду к паросборнику 742' высокого давления. Пар высокого давления из паросборника 742' высокого давления транспортируется через посредство насыщенных соединений 748' высокого давления к пароперегревателю 730 высокого давления. Предусмотрена ступень 782 паровой турбины высокого давления, которая принимает пар высокого давления из пароперегревателя 730 высокого давления через посредство линии 780. Вертикальные трубы 744' и сливные трубы 546' гидродинамически соединены с паросборником 742' низкого давления и топочной камерой 510 низкого давления, тогда как вертикальные трубы 544' и сливные трубы 546' гидродинамически соединены с паросборником 542' высокого давления и топочной камерой 710' высокого давления.

Пар высокого давления из пароперегревателя 730 высокого давления транспортируется через посредство линии 780 к паровой турбине 782 высокого давления и расширяется через паровую турбину 782 высокого давления. Поток, выпускаемый из нее, транспортируется к промежуточному перегревателю 786 через посредство линии 784. Перегретый пар из промежуточного перегревателя 786 транспортируется через посредство линии 750 из выхода промежуточного перегревателя 786 к паровой турбине 752 низкого давления и соответствующему электрогенератору (не показанному). Некоторое количество пара, выпускаемого из паровой турбины 752 низкого давления, транспортируется через посредство линии 754 к холодильнику 756. Большая часть пара, выходящего из турбины 752, является паром экстракции, используемым для удовлетворения различных заводских технологических требований. Например, линия 758 транспортирует производственный пар, имеющий давление 150 фунтов на квадратный дюйм, к коллектору 760, и этот пар затем транспортируется через посредство одной или более линий 762 к различным заводским технологическим процессам. Аналогичным образом линия 764 транспортирует производственный пар, имеющий давление 75 фунтов на квадратный дюйм, к коллектору 766, и этот пар после этого транспортируется к одной или более линиям 768 для других различных заводских технологических процессов. Остальной пар транспортируется через посредство линии 754 к холодильнику 756. Конденсат из холодильника 756, а также из различных заводских технологических процессов, подаваемый через посредство линий 762 и 768, транспортируется через посредство линии 770 к деаэратору 772, который, в свою очередь, подает конденсат через посредство линии 774 к насосу 736 питательной воды, завершая гидродинамический цикл.

Вследствие повышенной температуры питательной воды к экономайзеру 734 топочные газы, выходящие из котла-утилизатора 702, могут иметь более высокую температуру, чем требуется. В таких случаях воздухоподогреватель 790, предпочтительно трубчатый воздухоподогреватель 790, может и в этом случае использоваться для извлечения дополнительного тепла из топочных газов для увеличения коэффициента полезного действия котла.

Как показано в ТАБЛИЦЕ 1, эти конструктивные альтернативы значительно увеличивают эффективность парового цикла по сравнению с паровым циклом (фиг.2, приведенным выше) стандартного котла-утилизатора, давая возможность целлюлозному заводу производить электрической энергии на 20% больше, чем при стандартных циклах, соответствующих предшествующему уровню техники.

ТАБЛИЦА 1 Параметр Цикл промежуточного перегрева с нижней топочной камерой, имеющей давление 800 фунтов на квадратный дюйм, и выходной температурой пароперегревателя и Цикл перегрева, соответствующий известному уровню техники   промежуточного перегрева, составляющей 925 F   Давление перегрева (фунт на квадратный дюйм) 2600 фунт на квадратный дюйм 1550 фунт на квадратныйдюйм Температура перегрева (градусы F) 925 F 925 F Давление промежуточного перегрева (фунт на квадратный дюйм) 800 фунт на квадратный дюйм Не применимо Температура промежуточного перегрева(градусы F) 925 F Не применимо Выход сухого вещества (BLS) @6000 BTU/LB BLS 6,9×10⁶ BLS/день 6,9×10⁶ BLS/день Подводимая теплота в котел @ сухое вещество 75% и коэффициент полезного действия котла 70% (BTU/час) 1748×10⁶ BTU/час 1748×10⁶ BTU/час Подводимая теплота (пар) (BTU/час) 1224×10⁶ BTU/час 1224×10⁶ BTU/час Расход перегретого пара (фунт/час) 1034000 фунт/час 1000000 фунт/час Расход (поток) пара нижней топочной камеры к нагревателю питательной воды высокого давления (фунт/час) 114900 фунт/час Не применимо Коэффициент полезного действия цикла (%) 26,7% 23,5% Изменение относительно цикла перегрева, соответствующего известному уровню техники 1,14 1,00 (основа) Генерируемая электрическая мощность (МВт) 95,6 МВт 84,0 МВт

Сопроводительные чертежи, приведенные на фиг.8-12, аналогичны чертежам, приведенным на фиг.3-7, соответственно. Основным отличием является то, что на фиг.8 - 12 иллюстрируется применение принципов настоящего изобретения, где верхняя топочная камера высокого давления является топочной камерой однократной циркуляции или сверхкритической топочной камерой. В соответствии с этим оборудование для отделения пара от воды, например, паросборники или вертикальные разделительные устройства, а также сливные трубы не требуются в течение нормальной работы (однако вертикальные разделительные устройства (непоказанные), как правило, обеспечиваются и используются в течение запуска и работы при небольшой нагрузке). Нагретая питательная вода из выхода экономайзера, таким образом, транспортируется через посредство линии к нижней части верхней топочной камеры высокого давления. Питательная вода нагревается в стенах топочной камеры, как и прежде, но вследствие более высокого рабочего давления в сверхкритическом диапазоне, то есть более 3206 фунтов на квадратный дюйм, никогда не бывает какой либо различимой границы раздела вода/пар. Питательная вода, подаваемая на вход топочной камеры высокого давления, фактически становится паром на выходе топочной камеры, который транспортируется к пароперегревателю высокого давления, как прежде, для перегрева, и затем транспортируется через посредство линии к турбине высокого давления. Паровая турбина высокого давления может быть конструкцией турбинного цикла давлением 3600 фунтов на квадратный дюйм или выше, если требуется. Таким образом, рабочее давление в верхней топочной камере выбирают таким, чтобы обеспечивать получение пара при требуемом состоянии на входе дросселя паровой турбины, например, 3600 фунтов на квадратный дюйм, плюс перепад давления в трубопроводе для подачи пара, пароперегревателе, стенах топочной камеры и трубопроводе на входе экономайзера и питательной воды назад в насос (насосы) питательной воды.

Благодаря использованию настоящего изобретения могут быть получены другие преимущества. Например, настоящее изобретение обеспечивает технологическую гибкость, если требуются будущие увеличения функциональных возможностей. Более низкие металлургические требования приводят в результате к более низким затратам на ремонт и техническое обслуживание. Настоящее изобретение обеспечивает возможность многократного использования существующей паровой турбины на целлюлозном заводе, обеспечивая в то же самое время дополнительные технологические опции для пара и повышенный коэффициент полезного действия котла.

Хотя принципы настоящего изобретения могут быть, в частности, применимы на заводских установках целлюлозных и бумажных заводов, которые используют котлы-утилизаторы технологического процесса сульфатной варки целлюлозы, очевидно, что настоящее изобретение применимо также для котлов-утилизаторов натронного технологического процесса и других типов котлов-утилизаторов. Способность нарушать связь рабочих характеристик нижней части топочной камеры таких котлов от верхней части топочной камеры обеспечивает повышенную эффективность работы. В соответствии с этим, хотя были проиллюстрированы и подробно описаны характерные варианты осуществления настоящего изобретения для пояснения применения и принципов настоящего изобретения, будет очевидно, что не было намерения ограничивать ими настоящее изобретение, и что настоящее изобретение может быть реализовано иначе без отклонения от таких принципов. Например, настоящее изобретение может быть применено для новой конструкции, включающие в себя котлы-утилизаторы и промышленные котлы, или для замены, ремонта или модификации существующих котлов-утилизаторов или промышленных котлов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения некоторые элементы настоящего изобретения могут быть использованы для обеспечения преимущества без соответствующего использования других элементов. В соответствии с этим все такие изменения и варианты осуществления должным образом находятся в пределах объема следующей формулы изобретения.

Настоящее изобретение относится к области производства электроэнергии и конструкции промышленного котла, включая котлы-утилизаторы технологического процесса сульфатной варки целлюлозы или котлы-утилизаторы натронного технологического процесса, используемые в целлюлозной и бумажной промышленности. Система котла дуального давления и паровой турбины, содержащая верхнюю топочную камеру для генерирования пара высокого давления, пароперегреватель высокого давления, гидродинамически соединенный с верхней топочной камерой для перегрева пара высокого давления, и паровую турбину высокого давления для приема пара из пароперегревателя и генерирования потока, выпускаемого (выхлопного) пара; нижнюю топочную камеру, содержащую систему, генерирующую пар естественной циркуляции низкого давления, для получения пара низкого давления; промежуточный перегреватель для перегрева потока выпускаемого пара из паровой турбины высокого давления; и паровую турбину низкого давления для приема перегретого пара, в которой нижняя топочная камера является гидродинамически соединенной для обеспечения пара низкого давления в потоке выпускаемого пара из паровой турбины высокого давления. Таким образом, котел-утилизатор дуального давления может быть связан с множеством конденсационных, неконденсационных или комбинацией конденсационных и неконденсационных циклов турбины для обеспечения увеличения выработки электроэнергии. 4 н. и 29 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Система котла дуального давления и паровой турбины, содержащая
верхнюю топочную камеру для генерирования пара высокого давления, пароперегреватель высокого давления, гидродинамически соединенный с верхней топочной камерой для перегрева пара высокого давления, и паровую турбину высокого давления для приема пара из пароперегревателя и генерирования потока, выпускаемого (выхлопного) пара;
нижнюю топочную камеру, содержащую систему, генерирующую пар естественной циркуляции низкого давления, для получения пара низкого давления;
промежуточный перегреватель для перегрева потока выпускаемого пара из паровой турбины высокого давления; и
паровую турбину низкого давления для приема перегретого пара,
в которой нижняя топочная камера является гидродинамически соединенной для обеспечения пара низкого давления в потоке выпускаемого пара из паровой турбины высокого давления.

2. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.1, в которой верхняя топочная камера содержит систему генерирования пара естественной циркуляции высокого давления.

3. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.1, в которой верхняя топочная камера содержит систему генерирования сверхкритического пара однократной циркуляции высокого давления.

4. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.2, содержащая устройство для разделения вода-пар высокого давления, гидродинамически соединенное с верхней топочной камерой для генерирования пара высокого давления.

5. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.1, в которой паровая турбина низкого давления является конденсирующей паровой турбиной.

6. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.1, в которой паровая турбина высокого давления является неконденсирующей паровой турбиной.

7. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.1, в которой паровая турбина высокого давления конфигурирована как паровая турбина, отдельная от паровой турбины низкого давления; или дополнительная ступень, предусмотренная выше по технологической цепочке от паровой турбины низкого давления; или паровая турбина высокого давления, соединенная с паровой турбиной - генератором низкого давления.

8. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.1, содержащая по меньшей мере один насос питательной воды для подачи питательной воды, по меньшей мере, к верхней топочной камере или нижней топочной камере.

9. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.1, содержащая нагреватель питательной воды для подогрева питательной воды паром низкого давления из нижней топочной камеры.

10. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.9, в которой паровая турбина низкого давления генерирует пар экстракции, и дополнительно содержащая нагреватель питательной воды для подогрева питательной воды паром экстракции из паровой турбины низкого давления.

11. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.1, в которой верхняя топочная камера представляет собой кислородно-конвертерный нагнетатель.

12. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.1, в которой нижняя топочная камера представляет собой кислородно-конвертерный нагнетатель.

13. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.1, в которой как верхняя, так и нижняя топочная камера представляет собой кислородно-конвертерный нагнетатель.

14. Система котла дуального давления и паровой турбины, содержащая
верхнюю топочную камеру для генерирования пара высокого давления, пароперегреватель высокого давления, гидродинамически соединенный с верхней топочной камерой для перегрева пара высокого давления, и паровую турбину высокого давления для приема пара из пароперегревателя и генерирования потока выпускаемого пара;
конвекционно нагревающуюся поверхность экономайзера, гидродинамически соединенную для обеспечения нагретой питательной воды с верхней топочной камерой;
нижнюю топочную камеру, содержащую экономайзер, гидродинамически соединенный для обеспечения нагретой питательной воды с конвекционно нагревающейся поверхностью экономайзера;
насос питательной воды для подачи питательной воды к нижней топочной камере;
промежуточный перегреватель для перегрева потока выпускаемого пара из паровой турбины высокого давления; и
паровую турбину низкого давления для приема перегретого пара.

15. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.14, в которой верхняя топочная камера содержит систему генерирования пара естественной циркуляции высокого давления.

16. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.14, в которой верхняя топочная камера содержит систему генерирования сверхкритического пара однократной циркуляции высокого давления.

17. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.14, в которой верхняя топочная камера представляет собой кислородно-конвертерный нагнетатель.

18. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.14, в которой нижняя топочная камера представляет собой кислородно-конвертерный нагнетатель.

19. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.14, в которой как верхняя, так и нижняя топочная камера представляет собой кислородно-конвертерный нагнетатель.

20. Система котла дуального давления и паровой турбины, содержащая
верхнюю топочную камеру для генерирования пара высокого давления, пароперегреватель высокого давления, гидродинамически соединенный с верхней топочной камерой для перегрева пара высокого давления, и паровую турбину высокого давления для приема пара из пароперегревателя и генерирования потока выпускаемого (выхлопного) пара;
нижнюю топочную камеру, содержащую систему, генерирующую пар естественной циркуляции низкого давления, для получения пара низкого давления;
промежуточный перегреватель для перегрева потока выпускаемого пара из паровой турбины высокого давления; и
паровую турбину низкого давления для приема перегретого пара,
в которой нижняя топочная камера является гидродинамически соединенной для обеспечения пара низкого давления в потоке выпускаемого пара из паровой турбины высокого давления,
в которой нижняя топочная камера содержит устройство для разделения вода-пар, гидродинамически соединенное с нижней топочной для генерирования пара низкого давления.

21. Система котла дуального давления и паровой турбины, содержащая
верхнюю топочную камеру для генерирования пара высокого давления, пароперегреватель высокого давления, гидродинамически соединенный с верхней топочной камерой для перегрева пара высокого давления, и паровую турбину высокого давления для приема пара из пароперегревателя и генерирования потока выпускаемого (выхлопного) пара;
нижнюю топочную камеру, содержащую систему, генерирующую пар естественной циркуляции низкого давления, для получения пара низкого давления;
промежуточный перегреватель для перегрева потока выпускаемого пара из паровой турбины высокого давления; и
паровую турбину низкого давления для приема перегретого пара,
вторую паровую турбину низкого давления для приема пара низкого давления из нижней топочной камеры; и
холодильник для приема выпускаемого пара, по меньшей мере, из паровой турбины низкого давления или второй паровой турбины низкого давления.

22. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.21, в которой верхняя топочная камера содержит систему генерирования пара естественной циркуляции высокого давления.

23. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.21, в которой верхняя топочная камера содержит систему генерирования сверхкритического пара однократной циркуляции высокого давления.

24. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.22, в которой устройство для разделения вода-пар гидродинамически соединено с нижней топочной для генерирования пара высокого давления.

25. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.21, в которой паровая турбина низкого давления является конденсирующей паровой турбиной.

26. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.21, в которой паровая турбина высокого давления является неконденсирующей паровой турбиной.

27. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.21, в которой паровая турбина высокого давления конфигурирована как паровая турбина, отдельная от паровой турбины низкого давления; или дополнительная ступень, предусмотренная выше по технологической цепочке от паровой турбины низкого давления; или паровая турбина высокого давления, соединенная с паровой турбиной - генератором низкого давления.

28. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.21, содержащая, по меньшей мере, один насос питательной воды для подачи питательной воды, по меньшей мере, к верхней топочной камере или нижней топочной камере.

29. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.21, содержащая нагреватель питательной воды для подогрева питательной воды паром низкого давления из нижней топочной камеры.

30. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.29, в которой паровая турбина низкого давления генерирует пар экстракции, и дополнительно содержащая нагреватель питательной воды для подогрева питательной воды паром экстракции из паровой турбины низкого давления.

31. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.21, в которой верхняя топочная камера представляет собой кислородно-конвертерный нагнетатель.

32. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.21, в которой нижняя топочная камера представляет собой кислородно-конвертерный нагнетатель.

33. Система котла дуального давления и паровой турбины по п.21, в которой как верхняя, так и нижняя топочная камера представляет собой кислородно-конвертерный нагнетатель.