НЕПРЕРЫВНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР С УРАВНИТЕЛЬНОЙ КАМЕРОЙ Российский патент 2015 года по МПК F22B21/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится в основном к прямоточным испарителям, используемым на больших теплоутилизационных парогенераторах и, более конкретно, к прямоточному испарителю, используемому в большом теплоутилизационном парогенераторе, содержащем уравнительную камеру.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Современный способ производства прямоточного испарителя может быть использован с большими теплоутилизационными парогенераторами для обеспечения двух стадий теплообмена. На первой стадии образуется смесь пара/воды. На второй стадии вода испаряется до сухого состояния и пар перегревается. В основном, каждая стадия теплоутилизационного парогенератора включает в себя параллельное расположение теплопередающих труб, в которых удельный массовый расход регулируется за счет выталкивающих сил и пропорционален количеству подводимого тепла к каждой отдельной трубе. Один тип испарителя использует вертикальные трубы, расположенные последовательно в отдельных пучках труб, при этом каждый пучок труб содержит ряд труб, которые расположены поперек потока горячего газа. Отдельные пучки труб расположены в направлении газового потока, так что каждый пучок труб дальше по ходу поглощает тепло газа низкой температуры, чем пучок труб непосредственно ближе по ходу. Таким образом, тепло, поглощенное каждым пучком труб в направлении потока газа, меньше тепла, поглощенного пучком труб вверх по потоку. Этот тип испарителя подобен типу, раскрытому в патенте США 6189491 под названием «Парогенератор», поданному 14 июня 1999 г., который включен сюда путем ссылки.

Теплоутилизационные парогенераторы, использующие этот принцип, требуют распределения смеси воды/пара (двухфазный поток) из выпускного отверстия испарителя первой ступени в испаритель второй ступени, где происходит сушка и перегрев. Испаритель второй ступени образован из одного или более пучков труб с множеством впускных отверстий на нижнем коллекторе. Каждое впускное отверстие пропускает двухфазный поток через отвод в нижний коллектор. Каждое впускное отверстие в коллектор испарителя второй ступени принимает двухфазный поток из смесительного устройства дальше по ходу испарителя первой ступени.

Двухфазный поток из впускного патрубка распределяется вдоль длины участка коллектора в выпускные трубы на верхнем участке коллектора. Каждая выпускная труба является отдельным испарителем в соответствующем ряду испарителя второй ступени.

Специалистам в данной области техники известно, что разделение двухфазного потока может произойти в нижнем коллекторе испарителя второй ступени, приводя к неравномерному распределению смеси воды/пара в теплообменных трубах испарителя второй ступени внутри конкретного ряда (или пучка) труб. Для одинаковых удельных массовых расходов в трубах, принимающих более высокую фракцию пара, смесь воды/пара будет испаряться быстрее до сухого состояния, приводя к более высокой степени перегрева на выходе отдельной трубы. В трубах, принимающих более высокую фракцию воды, смесь воды/пара будет испаряться медленнее, приводя к более низкой степени перегрева на выходе отдельной трубы. Тепловое расширение отдельной трубы испарителя определяется интегралом повышения температуры внутренней текучей среды вдоль длины трубы.

Интегрированная средняя температура трубы с более высокой степенью перегрева на выпускном отверстии будет выше интегрированной средней температуры трубы с более низкой степенью перегрева на выпускном отверстии. Когда смежные трубы во впускном коллекторе отдельного пучка труб принимают разные фракции воды/пара, интегрированное среднее значение температуры трубы будет отличаться для каждой трубы. Поскольку трубы закреплены на верхнем и нижнем концах посредством соединения с общим коллектором на обоих концах, перепад температуры в смежных трубах будет вызывать создание разности температурных напряжений в трубах. Во время включения и линейного изменения нагрузок неравномерное распределение потока во впускных коллекторах испарителя второй ступени будет изменяться по местоположению и степени. Было обнаружено, что местоположение высокого перепада температурного напряжения будет изменяться во время этих условий. Отдельная труба может переходить из состояния без перепада температурного напряжения в состояние высокого напряжения во время включения или линейного изменения нагрузок. Было доказано, что это изменение напряжения приводит к переменному напряжению в соединении трубы на отводе. Когда величина этого напряжения является достаточно высокой, и когда количество возникновений достигает прогнозируемого значения, соединение трубы подвержено повреждению от малоцикловой усталости.

Испаритель согласно настоящему изобретению использует принципы уравнительной камеры внутри испарителя первой и/или второй ступени для устранения эффектов разделения двухфазного потока на впускном отверстии второй ступени испарителя, как будет описано более подробно.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с аспектами, проиллюстрированными здесь, предложен испаритель для испарения жидкости. Испаритель включает в себя нижний коллектор и множество нижних труб, имеющих верхний конец и нижний конец. Нижние концы нижних труб сообщаются по текучей среде с нижним коллектором, а верхние концы нижних труб сообщаются по текучей среде с промежуточной камерой. Множество верхних труб имеют верхний конец и нижний конец. Нижние концы верхних труб сообщаются по текучей среде с промежуточной камерой. Верхний коллектор сообщается по текучей среде с верхними концами верхних труб.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Со ссылкой на чертежи, которые являются примерами осуществления и на которых аналогичные элементы обозначены подобными ссылочными позициями,

Фиг.1a представляет собой вид сбоку двухступенчатого испарителя, включающего в себя испаритель первой ступени и испаритель второй ступени, расположенные в канале, при этом каждый испаритель включает в себя множество пучков труб, аналогичных пучкам труб, изображенным на фиг.1b, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.1b представляет собой вид спереди пучка труб испарителя, включающего в себя множество верхних труб, соединенных между верхним коллектором и промежуточной уравнительной камерой, и множество нижних труб, соединенных между промежуточной уравнительной камерой и нижним коллектором, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.2a представляет собой вид сбоку другого варианта осуществления двухступенчатого испарителя, включающего в себя испаритель первой ступени и испаритель второй ступени, расположенные в канале, при этом каждый испаритель включает в себя множество пучков труб, аналогичных пучкам труб, изображенным на фиг.2b, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.2b представляет собой вид спереди пучка труб испарителя, включающего в себя множество верхних труб, соединенных между верхним коллектором и промежуточной уравнительной камерой, и множество нижних труб, соединенных между промежуточной уравнительной камерой и нижним коллектором, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.3a представляет собой вид сбоку другого варианта осуществления двухступенчатого испарителя, включающего в себя испаритель первой ступени и испаритель второй ступени, расположенные в канале, при этом каждый испаритель включает в себя множество пучков труб, аналогичных пучкам труб, изображенным на фиг.3b, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.3b представляет собой вид спереди пучка труб испарителя, включающего в себя множество верхних труб, соединенных между верхним коллектором и промежуточной уравнительной камерой, и множество нижних труб, соединенных между промежуточной уравнительной камерой и нижним коллектором, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.4a представляет собой вид сбоку другого варианта осуществления двухступенчатого испарителя, включающего в себя испаритель первой ступени и испаритель второй ступени, расположенные в канале, при этом каждый испаритель включает в себя множество пучков труб, аналогичных пучкам труб, изображенным на фиг.4b, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.4b представляет собой вид спереди пучка труб испарителя, включающего в себя множество верхних труб, соединенных между верхним коллектором и верхней промежуточной уравнительной камерой, и множество нижних труб, соединенных между нижней промежуточной уравнительной камерой и нижним коллектором, где верхняя и нижняя промежуточные уравнительные камеры соединены промежуточными трубами в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.5a представляет собой вид сбоку другого варианта осуществления двухступенчатого испарителя, включающего в себя испаритель первой ступени и испаритель второй ступени, расположенные в канале, при этом каждый испаритель включает в себя множество пучков труб, аналогичных пучкам труб, изображенным на фиг.5b, в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.5b представляет собой вид спереди пучка труб испарителя, включающего в себя множество верхних труб, соединенных между верхним коллектором и промежуточной уравнительной камерой, и множество нижних труб, соединенных между промежуточной уравнительной камерой и нижним коллектором, в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для удобства описания настоящего изобретения настоящее изобретение описано ниже в качестве испарителя, используемого совместно с паровым котлом или в энергоустановке. Однако специалист в данной области техники должен понимать, что испаритель может использоваться для любого устройства, в котором требуется испарение жидкости или перегрева газа.

Как лучше всего показано на фиг.1а, двухступенчатый испаритель 10 содержит первичный испаритель 12 для превращения жидкости в газ, например, воды в пар, и вторичный испаритель 14 для перегрева газа или смеси газа/жидкости, образованной первичным испарителем. Каждый испаритель 12, 14 включает в себя по меньшей мере один пучок 20 труб, но обычно множество пучков труб, расположенных внутри канала или камеры 15, так что нагретый поток 22 текучей среды (например, нагретый газ или топочный газ) проходит через каждый последующий ряд пучков 20 труб испарителя 10. Фиг.1b иллюстрирует единственный пучок 20 труб, изображенный на фиг.1а.

Как показано на фиг. 1а и 1b, каждый из пучков 20 труб включает в себя нижний коллектор 24, множество нижних труб 26, промежуточную уравнительную камеру 28, множество верхних труб 30 и верхний коллектор 32. Как лучше всего видно на фиг. 1b, нижние трубы 26 находятся в сообщении по текучей среде с нижним коллектором 24 и проходят вертикально вверх от нижнего коллектора. Верхние концы нижних труб 26 находятся в сообщении по текучей среде с уравнительной камерой 28. Верхние трубы 30 находятся в сообщении по текучей среде с уравнительной камерой 28 и проходят вертикально вверх от уравнительной камеры. Верхние концы верхних труб 30 находятся в сообщении по текучей среде с верхним коллектором 32. Входная труба (трубы) 15 подает жидкость и/или пар из верхнего коллектора 32 первичного испарителя 12 в нижний коллектор 24 вторичного испарителя 14. Пар и/или жидкость выходят из верхнего коллектора 32 через множество выпускных труб 36 каждого испарителя 12, 14. Как лучше всего видно на фиг.1b, нижние трубы 26 каждого пучка 20 труб выровнены вертикально с верхними трубами 30.

Как лучше всего видно на фиг.1а, уравнительная камера 28 расположена между нижним коллектором 24 и верхним коллектором 32 для образования нижней первой ступени 16 и верхней второй ступени 18 каждого пучка 20 труб. Нижняя первая ступень 16 содержит нижние трубы 26 пучка 20 труб, которая также называется нижней двухфазной секцией трубы пучка труб. Кроме того, верхняя вторая ступень 18 содержит верхние трубы 30 пучка труб, которая также называется верхней секцией трубы пучка труб. Хотя уравнительная камера изображена приблизительно посередине между верхним и нижним коллекторами 32, 34, следует понимать, что уравнительная камера 28 может быть расположена в любом местоположении между коллекторами. Местоположение уравнительной камеры может зависеть от ожидаемого количества или уровня двухфазной жидкости в трубе. Например, уравнительная камера может быть расположена на ожидаемом уровне уровня двухфазной текучей среды в пучке 20 труб или выше.

Настоящее изобретение обеспечивает размещение уравнительной камеры 28 в оптимальном местоположении в вертикальных трубах 26, 30 первичного и/или вторичного испарителей 12, 14 для уменьшения перепада температуры в смежных трубах соответствующего пучка 20 труб. Этот благоприятный эффект может быть достигнут как в нижней двухфазной секции трубы 16 испарителя (т.е. первая ступень), так и в верхней секции 18 (т.е. вторая ступень). Уравнительной камерой 28 может быть цилиндрическая камера с большой площадью поперечного сечения по сравнению с площадью поперечного сечения одной трубы для содействия смешиванию потоков из отдельных труб.

Во время работы двухступенчатого испарителя 10 жидкость (например, вода) подается во впускные трубы 34 испарителя 12 первой ступени. Вода подается в трубы нижней двухфазной секции 16 через впускной коллектор 24. Затем, вода нагревается для образования смеси воды/пара, которая подается в уравнительную камеру 28, в которой смесь, выходящая из каждой трубы 26, смешивается вместе. Уравнительная камера 28 пучка труб смешивает разные пароводяные фракции из смежных труб 26, выходящие из нижней двухфазной секции 16 пучки 20 труб. Это смешивание разных фракций пара/воды обеспечивает более однородную смесь, выходящую из уравнительной камеры 28 в трубы 30 верхней секции 18 пучка 20 труб. В верхней секции 18 пучка 20 труб смешивание потоков с разными температурами пара из промежуточной уравнительной камеры 28 будет обеспечивать более равномерную температуру в трубах 30 верхней секции 18 сетки. Следовательно, нагретый или перегретый газ, входящий в верхний коллектор 12 пучка 20 труб, имеет более равномерную температуру.

Преимущества уравнительной камеры 28 в испарителе первой ступени двухступенчатого испарителя 10 являются такими же преимуществами, обеспеченными в уравнительной камере 28 в испарителе второй ступени. В конечном счете, дополнение уравнительной камеры (камер) 28 приводит к тому, что температура конечного перегретого газа на впускном отверстии в верхние коллекторы 32 испарителя 14 второй ступени будет более равномерной, когда уравнительная камера 28 расположена в канале потока трубы испарителя. В результате, перепад температурных напряжений будет уменьшен во время включения и линейных изменений нагрузок, увеличивая срок службы соединений трубки с коллектором испарителя.

На фиг.2a и 2b показан другой вариант осуществления двухступенчатого испарителя 210 в соответствии с настоящим изобретением. Элементы разных вариантов осуществления, имеющие аналогичные ссылочные позиции, являются подобными, как описано ранее. Как показано на фиг.2a, двухступенчатый испаритель 210 аналогичен двухступенчатому испарителю 10 на фиг.1a, который включает в себя испаритель 12 первой ступени и испаритель 14 второй ступени. На фиг.2b показан пучок 220 труб испарителя 12, 14, в котором пучки 220 труб подобны пучкам 20 труб испарителя 10 на фиг.1a и 1b, за исключением того, что нижние трубы 26 и верхние трубы 30 смещены вертикально (не расположены по одной прямой). Это смещение нижних и верхних труб способствует смешиванию текучей среды и пара в уравнительной камере 28 перед прохождением через верхние трубы 30.

На фиг.3a и 3b показан другой вариант осуществления испарителя 310, в соответствии с настоящим изобретением. Как лучше всего показано на фиг.3a, испаритель 310, содержащий множество пучков 320 труб, аналогичен испарителю 210 на фиг.2a и 2b, за исключением того, что каждая нижняя труба и каждая верхняя труба на фиг.2b заменена на множество соответствующих нижних труб 26a, 26b, 26c и верхних труб 30a, 30b, 30c (например, три (3) трубы), при этом соответствующие верхние и нижние трубы 26, 30 выровнены в направлении нагретого газового потока 22. Хотя изображен каждый ряд труб, содержащий три трубы, следует понимать, что могут использоваться две (2) или более труб. Кроме того, хотя верхние и нижние трубы изображены выровненными в направлении потока 22 текучей среды, настоящее изобретение предполагает, что верхние и нижние трубы могут быть смещены горизонтально друг от друга в данном пучке 220 труб, так что трубы ближе по ходу не блокируют трубы дальше по ходу потока текучей среды. Это расположение со смещением имеет преимущество в повышенном теплообмене.

На фиг.4a и 4b показан другой вариант осуществления испарителя 410, в соответствии с настоящим изобретением. Испаритель 410 содержит множество пучков 420 труб, подобно испарителю 210, как показано на фиг.2a и 2b, за исключением того, что промежуточная уравнительная камера 28 на фиг.2b заменена на верхнюю уравнительную камеру 412 и нижнюю уравнительную камеру 414. Кроме того, нижняя уравнительная камера 414 и верхняя уравнительная камера 412 находятся в сообщении по текучей среде за счет множества промежуточных труб 416, причем промежуточные трубы соединяют верхнюю и нижнюю уравнительные камеры 412, 414, которые расположены в разной вертикальной плоскости. Например, как показано на фиг.4a, передняя нижняя уравнительная камера соединена с задней верхней уравнительной камерой за счет множества промежуточных труб 416, а передняя верхняя уравнительная камера соединена с задней нижней уравнительной камерой за счет множества промежуточных труб 416. Это обеспечивает равномерную температуру не только в одном пучке труб, но также во множестве пучков труб. Хотя изображено конкретное расположение соединения между верхней и нижней уравнительными камерами 412, 414 за счет промежуточных труб 416, следует понимать, что соединение может иметь любую конфигурацию.

На фиг.5a и 53b показан другой вариант осуществления испарителя 510, в соответствии с настоящим изобретением. Испаритель 510 аналогичен испарителю 10 на фиг.1a и 1b, за исключением того, что множество уравнительных камер 28 на фиг.1a заменены единственной уравнительной камерой 28, в результате чего единственная уравнительная камера функционирует для множества верхних и нижних труб 30, 26. Хотя изображены три группы верхних и нижних труб, соединенных с единственной уравнительной камерой 28, любое количество (например, два (2) или более) пучков 520 труб может быть соединено с уравнительной камерой. Это обеспечивает равномерную температуру не только в одном пучке труб, но также во множестве пучков труб.

Хотя в каждом из вариантов осуществления коллекторы показаны расположенными снаружи канала, настоящее изобретение предполагает, что верхний и/или нижний коллекторы могут быть расположены внутри канала.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на различные, приведенные в качестве примера варианты осуществления изобретения, специалисты в данной области техники должны понимать, что могут быть выполнены различные изменения и использованы эквиваленты вместо его элементов, не выходя за рамки объема настоящего изобретения. Кроме того, многие дополнения могут быть выполнены для приспособления конкретной ситуации или материала к идеям настоящего изобретения, не выходя за рамки его объема. Следовательно, подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным вариантом осуществления, раскрытым как предполагаемый предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, и настоящее изобретение должно включать в себя все варианты осуществления, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в теплоутилизационных парогенераторах, содержащих уравнительную камеру. Суть изобретения в том, что испарительная система для испарения жидкости с первичным и вторичным испарителями содержит по меньшей мере в каждом испарителе одну впускную, множество выпускных труб; при этом множество выпускных труб первичного испарителя соединено с, по меньшей мере, одной впускной трубой вторичного испарителя, а также нижний и верхний коллекторы, множество нижних и верхних труб, промежуточную камеру, сообщающуюся по текучей среде с верхними концами нижних труб и нижними концами верхних труб, причем первичный испаритель и вторичный испарители расположены в канале с нагретым потоком текучей среды, при этом первичный испаритель расположен дальше по ходу от вторичного испарителя относительно нагретого потока текучей среды. Такое выполнение позволяет получить более равномерную температуру перегретого пара во впускном отверстии испарителей, что уменьшит перепад температурных напряжений во время включения и при изменении линейных нагрузок, увеличивая срок службы соединений трубки с коллектором испарителя. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Испарительная система 10 для испарения жидкости с первичным испарителем 12 и вторичным испарителем 14, содержащая:
по меньшей мере одну впускную трубу 34;
множество выпускных труб 36;
при этом множество выпускных труб 36 первичного испарителя 12 соединено с по меньшей мере одной впускной трубой 34 вторичного испарителя 14,
нижний коллектор 24;
множество нижних труб 26, имеющих верхний конец и нижний конец, причем нижние концы нижних труб 26 сообщаются по текучей среде с нижним коллектором 24;
множество верхних труб 30, имеющих верхний конец и нижний конец, и
верхний коллектор 32, сообщающийся по текучей среде с верхними концами верхних труб 30,
отличающся тем, что содержит
промежуточную камеру 28, сообщающуюся по текучей среде с верхними концами нижних труб 26 и нижними концами верхних труб 30;
причем первичный испаритель 12 и вторичный испаритель 14 расположены в канале 17 с нагретым потоком 22 текучей среды, проходящим через него,
при этом первичный испаритель 12 расположен дальше по ходу от вторичного испарителя 14 относительно нагретого потока 22 текучей среды для обеспечения газа или смеси газ/жидкость из первичного испарителя 12 во вторичный испаритель 14.

2. Испарительная система по п.1, в которой нижние трубы 26 по существу расположены вертикально между нижним коллектором 24 и промежуточной камерой 28.

3. Испарительная система по п.1, в которой верхние трубы 30 по существу расположены вертикально между промежуточной камерой 28 и верхним коллектором 32.

4. Испарительная система по п.1, в которой верхние трубы 30 и соответствующие нижние трубы 26 выровнены вертикально.

5. Испарительная система по п.1, в которой верхние трубы 30 и соответствующие нижние трубы 26 смещены вертикально.

6. Испарительная система по п.1, в которой каждая верхняя труба 30 и/или нижняя труба 26 включает в себя группу труб, при этом трубы каждой соответствующей группы труб последовательно расположены дальше по ходу теплового потока 22.

7. Испарительная система по п.6, в которой трубы в последовательном расположении выровнены и/или расположены в шахматном порядке в направлении потока 22.

8. Испарительная система по п.1, в которой промежуточная камера 28 вмещает множество верхних труб 30 и нижних труб 26, расположенных последовательно дальше по ходу теплового потока 22.

9. Испарительная система по п.1, в которой промежуточная камера 28 содержит пару промежуточных камер 412, 414, соединенных множеством промежуточных труб 416 для обеспечения сообщения по текучей среде между парой промежуточных камер 412, 414.

10. Испарительная система 410 для испарения жидкости, содержащая:
множество пучков 20 труб, расположенных последовательно в канале 17, при этом нагретый поток 22, проходящий через канал 17, последовательно проходит через пучки 20 труб, причем каждый пучок 20 труб включает в себя:
нижний коллектор 24;
множество нижних труб 26, имеющих верхний конец и нижний конец, причем нижние концы нижних труб 26 сообщаются по текучей среде с нижним коллектором 24;
множество верхних труб 30, имеющих верхний конец и нижний конец, и
верхний коллектор 32, сообщающийся по текучей среде с верхними концами верхних труб 30,
отличающаяся тем, что содержит
множество нижних промежуточных камер 414, расположенных в канале 17 дальше по ходу друг от друга относительно потока 22 текучей среды, при этом нижние промежуточные камеры 414 сообщаются по текучей среде с верхними концами нижних труб 26,
множество верхних промежуточных камер 412, расположенных в канале 17 дальше по ходу друг от друга относительно потока 22 текучей среды, при этом верхние промежуточные камеры 412 сообщаются по текучей среде с нижними концами верхних труб 30,
множество промежуточных труб 416, каждая из которых соединяет по меньшей мере одну верхнюю промежуточную камеру 412 с одной, расположенной дальше по ходу нижней промежуточной камерой 414.

11. Испарительная система по п.10, в которой по меньшей мере одна промежуточная труба 416 соединяет одну верхнюю промежуточную камеру 412 с одной, расположенной ближе по ходу нижней промежуточной камерой 414.

12. Испарительная система по п.10, в которой верхние трубы 30 каждого пучка 20 труб и соответствующие нижние трубы 26 смещены вертикально.

13. Испарительная система по п.10, в которой каждая верхняя труба 30 и/или нижняя труба 26 каждого пучка 20 труб включает в себя группу труб, при этом трубы каждой соответствующей группы труб по существу последовательно расположены дальше по ходу теплового потока 22.

14. Испарительная система по п.13, в которой трубы каждого пучка 20 труб в последовательном расположении выровнены и/или расположены в шахматном порядке в направлении теплового потока 22.

15. Испарительная система по п.10, в которой множество пучков 20 труб имеет общую промежуточную камеру 28, в результате чего верхние трубы 30 и нижние трубы 26 каждого пучка 20 труб сообщаются по текучей среде с общей промежуточной камерой 28.