ИСПАРИТЕЛЬ С МНОЖЕСТВОМ БАРАБАНОВ Российский патент 2016 года по МПК F22B21/18 F22B1/18 

РОДСТВЕННАЯ ЗАЯВКА

В данной заявке заявлен приоритет по предварительной заявке 61/478695 на патент США, поданной 25 апреля 2011 года, которая включена сюда посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится, в общем, к преобразованию жидкой воды в насыщенный пар и, более конкретно, к испарителю для получения насыщенного пара, и способу, используемому в испарителе.

ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Газовые турбины, приводящие в движение электрогенераторы, выбрасывают выхлопные газы с чрезвычайно высокой температурой. Генераторы пара с восстановлением тепла (ГПВТ) выделяют тепло из газов для получения пара, который приводит в движение паровые турбины, которые, в свою очередь, приводят движение дополнительные электрические генераторы.

Типичный ГПВТ включает в себя множество теплообменников, расположенных один за другим в потоке горячего выхлопного газа из газовой турбины. Среди теплообменников используется экономайзер для снижения температуры подаваемой воды, испаритель для преобразования подаваемой воды с высокой температурой, выпускаемой из экономайзера, в насыщенный пар и пароперегреватель для преобразования насыщенного пара в перегретый пар. Во множестве ГПВТ используются больше, чем один экономайзер, испаритель и пароперегреватель, работающие при разных давлениях.

В некоторых ГПВТ используются испарители циркуляционного типа. Типичный испаритель циркуляционного типа, который основан на разности плотностей для циркуляции воды через него, включает в себя верхний барабан для пара и змеевик, состоящий из трубок, расположенных в потоке горячего газа, причем нижние концы этих трубок соединены с барабаном через спускную трубу, и верхние концы сообщаются с барабаном через стояк. Нагретая вода, подаваемая из барабана через экономайзер, протекает в барабан для пара, где она смешивается с паром и водой, уже находящимся в барабане. Вода из барабана протекает вниз через спускную трубу к нижним концам труб. После этого вода поднимается вверх по трубам для поглощения достаточного тепла из газа, протекающего через змеевик, для насыщения. Часть насыщенной воды преобразуется в насыщенный пар. Как насыщенная вода, так и насыщенный пар протекают вверх, в барабан для пара. Насыщенный пар отделяется от воды в барабане для пара и протекает в пароперегреватель. В случае, когда трубы испарителя циркуляционного типа ориентированы горизонтально, может потребоваться насос для циркуляции воды через змеевик.

Некоторые ГПВТ имеют большие естественные испарители циркуляционного типа большой емкости, которые работают при высоких давлениях. Такие испарители имеют большие барабаны для пара для размещения большого объема и толстые стенки с тем, чтобы противостоять давлению. Действительно, в барабане для пара высокого давления большой емкости испаритель может иметь внешний диаметр 80 дюймов (203 см) и стенки, толщиной шесть или семь дюймов (15,2 - 17,8 см). Большая емкость барабана для пара приводит к большому его объему и позволяет получить барабан с временем удержания, то есть позволяет подавать воду из барабана в змеевик в отсутствие подачи воды в барабан. Это защищает змеевик от повреждения в случае перерыва подачи воды в испаритель.

Для исключения воздействия чрезмерных напряжений на компоненты ГПВТ, в частности, на барабаны для пара в его испарителях, ГПВТ должен проходить длительную процедуру начального запуска, во время которой управляют скоростью нагрева, часто путем ввода точек задержки в процедуру начального запуска. Длительные процедуры начального запуска задерживают начало работы ГПВТ при пиковой эффективности. Кроме того, задержка удлиняет время, требуемое для ввода ГПВТ (и любой газовой турбины, с которой он может быть соединен) в соответствии с требованием по выхлопным газам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 схематично показан вид в разрезе ГПВТ, оборудованного обычным испарителем с циркуляцией естественного типа и также испарителем с циркуляцией естественного типа, который выполнен в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения; и

на фиг.2 схематично показан вид сбоку испарителя, в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как показано на чертежах (фиг.1), генератор A пара с восстановлением тепла (ГПВТ) имеет компоненты, которые, в основном, представляют собой теплообменники, установленные последовательно внутри корпуса 2 в виде трубы, для подачи перегретого пара при низком и высоком давлениях. Корпус 2 имеет входное отверстие 4 и выходное отверстие 6. Горячий газ, который может представлять собой выхлопные газы из газовой турбины, поступает в корпус 2 через входное отверстие 4, и внутри корпуса 2 протекает через несколько компонентов, которые отбирают тепло из газа и преобразуют жидкую подаваемую воду в перегретый пар с низким и высоким давлением.

Среди компонентов низкого давления ГПВТ A используется экономайзер 10, предназначенный для повышения температуры подаваемой воды, испаритель 12, предназначенный для преобразования воды из экономайзера 10 в насыщенный пар, и пароперегреватель 14, предназначенный для преобразования насыщенного пара из испарителя 12 в перегретый пар. Экономайзер 10, испаритель 12 и пароперегреватель 14 обычно работают при низком давлении. Испаритель 12 может быть выполнен в форме обычного испарителя с циркуляцией естественного типа, и при этом он может иметь один барабан 16 для пара цилиндрической конфигурации, расположенный над змеевиком 18, через который протекает горячий газ. Газ может представлять собой выхлопные газы из газовой турбины, которая приводит в движение электрогенератор.

В дополнение к его компонентам низкого давления ГПВТ имеет аналогичные компоненты высокого давления, а именно экономайзер 20, предназначенный для нагрева подаваемой воды, которая первоначально находится в жидкой фазе, испаритель 22 высокого давления, который принимает нагретую воду из экономайзера 20 и преобразует ее в насыщенный пар, и пароперегреватель 24 высокого давления, который преобразует насыщенный пар из испарителя 22 в перенасыщенный пар высокого давления. Предпочтительно, со ссылкой на поток горячего газа через корпус 2, пароперегреватель 24 расположен перед испарителем 22, и испаритель 22 расположен перед экономайзером 20. Испаритель 22 обладает способностью противостоять высокому давлению, достигающему 2800 фунтов на квадратный дюйм (19310 кПа), но может быть доведен до его рабочей температуры без излишних точек задержки. Действительно, он может быть переведен в рабочее состояние, без точек задержки.

Фактически, испаритель, построенный, как испаритель 22, может заменять испаритель 12. ГПВТ A может иметь больше, чем два набора экономайзеров, испарителей и пароперегревателей, или он может иметь один набор.

Испаритель 22 включает в себя (фиг.2) два барабана для пара цилиндрической конфигурации, расположенных на несколько разных высотах, а именно нижний накопительный барабан 32 и верхний разделительный барабан 34, который также может функционировать, как накопительный барабан. Продольные оси обоих барабанов 32 и 34 продолжаются горизонтально, и они предпочтительно установлены параллельно. Оба они выполнены меньшими, чем традиционный одиночный барабан для пара для испарителя, разработанного для аналогичной емкости и давления, а также времени удержания. Кроме того, они имеют более тонкие стенки, чем у такого одиночного барабана для пара. Такие два барабана 32 и 34 соединены через дренажную линию 36, которая продолжается между дном верхнего барабана 34 и нижней областью нижнего барабана 32, то есть ниже средней точки стороны барабана 32. Они также соединены через вентиляционную линию 38, которая продолжается между верхней частью нижнего барабана 32 и областью верхней стороны верхнего барабана 34, фактически, рядом с верхней частью барабана 34. Нижний барабан 32 соединен со впускной линией 40, которая открыта в его нижней области. Воду, которая, в основном, находится в жидкой фазе, направляют во впускную линию 40 и оттуда в барабан 32 с помощью насоса, который соединен с экономайзером 20, причем этой подачей управляют с помощью обычной трехэлементной системы управления. Однако впускная линия 40, вместо этого, может быть соединена с нижней областью верхнего барабана 34. Верхний барабан 34 имеет выпускную линию 42, соединенную с его самой верхней частью, и выпускная линия 42 подведена к пароперегревателю 24, который расположен впереди по потоку горячего газа от испарителя 22. Внутри верхнего барабана 34 содержатся первичные и вторичные разделительные устройства 44 и 46 пар-вода, соответственно. Два барабана 32 и 34 могут быть расположены либо внутри или выше корпуса 2.

Кроме того, испаритель 22 высокого давления имеет змеевик 50, который расположен внутри корпуса 2 таким образом, что горячий газ протекает через него. Змеевик 50 включает в себя нижние коллекторы 52 и верхние коллекторы 54, а также множество труб 56, которые продолжаются вертикально между коллекторами 52 и 54 в несколько рядов. Нижние коллекторы 52 соединены с дном нижнего барабана 32 через спускную трубу 60. Верхние коллекторы 54 сообщаются с верхним барабаном 34 через стояки 62, которые выведены в нижнюю часть верхнего барабана 34.

Во время работы испарителя 22 вода, которая, в основном, находится в жидкой фазе, поступает под высоким давлением из экономайзера 20 в нижний барабан 32 во впускной линии 40, или она может протекать в верхний барабан 34, если впускная линия 40 соединена с ним. В последнем случае вода будет протекать в нижний барабан 32 через дренажную линию 36. Фактически, вода, которая поступает через впускную линию 40, смешивается с насыщенной водой, которая поступает в верхний барабан 34 через стояки 62 и затем протекает из верхнего барабана 34 через дренажную линию 36 в нижний барабан 32. Воду из нижнего барабана 32 выпускают в спускную трубку 60, и она протекает вниз через спускную трубу 60 в нижние коллекторы 52. Оттуда она поступает в трубы 56 змеевика 50 на нижних концах труб 56, которые используются, как входные отверстия для труб 56. Горячий газ, протекающий вдоль труб 56, нагревает воду в трубах 56 до температуры кипения под давлением, при котором работает змеевик 50, и некоторая часть этой воды преобразуется в насыщенный пар. Остальная часть воды в верхних частях труб 56 остается как насыщенная вода и поддерживает влажными внутренние поверхности труб 56, предотвращая перегрев змеевика 50. Смесь насыщенного пара и насыщенной воды выходит из труб 50 на их верхних концах, которые представляют собой выходные отверстия, и протекает вверх через стояки 62 и в верхний барабан 34 для пара. Там пар отделяется от воды и выходит через выпускную линию 42, которая направляет его в пароперегреватель 24, расположенный перед по потоку газа испарителем 22. Насыщенная вода протекает через дренажную линию 36 в нижний барабан 32 для ее рециркуляции через спускную трубу 60, змеевик 50 и стояки 62. Некоторая часть насыщенного пара может сопровождать насыщенную воду, которая протекает через дренажную линию 36 в нижний барабан 32, но она поступает обратно в верхний барабан 34 через вентиляционную линию 38. Естественная циркуляция воды через испаритель 22, включая в себя его змеевик 50, может быть основана полностью на естественных условиях.

Два барабана 32 и 34 вместе имеют такую же емкость, как и емкость одного барабана испарителя с эквивалентным временем удержания, который работает при таком же давлении, но каждый из них выполнен с существенно меньшим диаметром, и при этом может противостоять высокому давлению при использовании существенно более тонких стенок для каждого из них. Принимая во внимание, что стенка одиночного барабана с большой емкостью испарителя с высоким давлением может иметь толщину от 6 или 7 дюймов (15,2 -17,8 см), стенки барабанов 32 и 34 для испарителя 22, работающего с эквивалентными давлением и емкостью, требуют толщину только 4 или 5 дюймов (10,2 - 12,7 см) или даже меньше. При обеспечении времени удержания одиночного барабана, два барабана 32 и 34 требуют меньше времени для нагрева и достижения требуемой температуры для испарителя 22. Это, в свою очередь, сокращает цикл запуска для ГПВТ A.

Вместо одного нижнего барабана 32 испаритель 22 может иметь два или больше нижних барабана 32. Кроме того, трубы 56 змеевика 50 могут быть выведены непосредственно в верхний барабан 34 для пара, устраняя, таким образом, верхние коллекторы 54 и стояки 62. Кроме того, в то время как барабаны 32 и 34 выполнены цилиндрическими, один или оба из них, будучи удлиненным, могут иметь другие конфигурации в поперечном сечении. Естественная конвекция в испарителе 22 может быть дополнена насосом.

Фактически, испаритель 22 может не основываться на естественной конвекции вообще для циркуляции воды через него, но вместо этого он может быть основан на принудительной циркуляции, которая обеспечивается насосом. Трубы 56 змеевика 50 испарителя 22 в такой модификации могут продолжаться горизонтально в потоке горячего газа через корпус 2, при этом входные отверстия труб 56 выведены в коллектор, который соединен с нижним барабаном 32 и используется, как спускная труба 60, и выходные отверстия труб 56 выведены в другой коллектор, который подведен к верхнему барабану 34 и используется, как стояк 62.

Изобретение относится к теплоэнергетике. Испаритель для генератора пара с восстановлением тепла имеет два горизонтальных барабана для пара умеренного размера, один из которых расположен несколько выше, чем другой. Он также включает в себя змеевик, имеющий трубы, расположенные в потоке горячего газа. Нижний барабан сообщается со входными отверстиями труб для змеевика. Выходные отверстия труб сообщаются с верхним барабаном. Дренажная линия соединяет нижнюю часть верхнего барабана с нижней областью нижнего барабана таким образом, что вода протекает из верхнего барабана в нижний барабан. Вода, которая, в основном, находится в жидкой фазе, поступает в нижний барабан через впускную линию и смешивается с водой из верхнего барабана. Смесь протекает в змеевик. Здесь некоторая часть ее преобразуется в насыщенный пар, в то время как остальная остается, как насыщенная вода. Насыщенный пар и насыщенная вода протекают в верхний барабан, где пар уходит, и вода протекает обратно в нижний барабан для рециркуляции через змеевик. Благодаря их умеренным размерам, барабаны могут противостоять высокому давлению, без избыточной толщины стенок, и это позволяет вводить испаритель в рабочий режим с минимальными точками задержки или без них. При этом эти два барабана обеспечивают время удержания и защиту, соответствующие одному барабану большой емкости, имеющему существенную толщину стенок. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор пара с восстановлением тепла, содержащий:
корпус, имеющий впускное отверстие, предназначенное для подачи в него горячего газа, и выпускное отверстие, предназначенное для выпуска через него газа, и образующее внутренний канал для протекания выхлопного газа внутри корпуса так, что обеспечивается возможность протекания газа через корпус от его впускного отверстия до его выпускного отверстия;
экономайзер, расположенный в корпусе таким образом, что обеспечивается возможность протекания через него газа, при этом экономайзер выполнен с возможностью приема подаваемой воды в жидкой фазе и повышения температуры подаваемой воды;
испаритель, выполненный с возможностью преобразования воды в жидкой фазе в насыщенный пар, причем испаритель содержит:
верхний барабан, расположенный снаружи по отношению к внутреннему каналу корпуса для протекания газа и ориентированный горизонтально, при этом верхний барабан содержит по меньшей мере одно разделительное устройство пар-вода;
по меньшей мере, один нижний барабан, расположенный внутри по отношению к внутреннему каналу корпуса для протекания газа и ориентированный горизонтально и расположенный на более низком уровне, чем верхний барабан;
дренажную линию, соединяющую нижнюю область верхнего барабана с нижним барабаном;
впускную линию, выведенную в один из барабанов;
выпускную линию, выведенную из верхней области верхнего барабана;
змеевик, имеющий трубы, расположенные в потоке горячего газа, и в котором предусмотрены входные отверстия и выходные отверстия, причем входные отверстия труб сообщаются с нижним барабаном, и выходные отверстия труб сообщаются с верхним барабаном;
при этом змеевик испарителя расположен в корпусе впереди по потоку газа от экономайзера, причем
впускная линия испарителя соединена с экономайзером с возможностью подачи воды из экономайзера, нагрев которой был выполнен в экономайзере; и
пароперегреватель, расположенный впереди корпуса от испарителя, причем выпускная линия испарителя соединена с пароперегревателем.

2. Генератор по п. 1, в котором трубы змеевика испарителя сообщаются по текучей среде с нижним барабаном в нижней части нижнего барабана.

3. Генератор по п. 2, в котором трубы змеевика испарителя сообщаются по текучей среде с верхним барабаном в нижней части верхнего барабана.

4. Генератор по п. 3, в котором трубы испарителя продолжаются вертикально, и их входные отверстия находятся на их нижних концах, соединенных с распределительным коллектором, который расположен внутри указанного внутреннего канала для протекания газа, и дополнительно содержащий спускную трубу, соединяющую по текучей среде нижний барабан и с указанным распределительным коллектором.

5. Генератор по п. 4, в котором выходные отверстия труб испарителя находятся на верхних концах труб, и дополнительно содержащий, по меньшей мере, один стояк, соединяющий выходные отверстия труб с верхним барабаном.

6. Генератор по п. 3, в котором впускная линия испарителя выведена в нижний барабан.

7. Генератор по п. 3, в котором дренажная линия испарителя выведена в нижнюю область нижнего барабана.

8. Генератор по п. 1, дополнительно содержащий нижний барабан, имеющий выпуск для пара, и верхний барабан, имеющий впуск для пара, и вентиляционную линию, находящуюся в соединении по текучей среде с выпуском для пара нижнего барабана и впуском для пара верхнего барабана.

9. Генератор по п. 1, в котором трубы змеевика испарителя соединяются по текучей среде с нижним барабаном на дне нижнего барабана, трубы змеевика испарителя соединяются по текучей среде с верхним барабаном на дне верхнего барабана, трубы испарителя проходят вертикально и имеют впускные отверстия на своих нижних концах в сообщении по текучей среде распределительным коллектором, и также содержат трубу, находящуюся в сообщении по текучей среде с нижним барабаном и с распределительным коллектором, выпускные отверстия труб испарителя находятся на верхним концах труб и дополнительно содержат по меньшей мере один стояк, находящийся в сообщении по текучей среде с выпускными отверстиями труб испарителя и с верхним барабаном, при этом впускная линия испарителя открывается в нижний барабан, и дренажная линия испарителя открывается в нижнюю область нижнего барабана, при этом нижний барабан имеет выпуск для пара, а верхний барабан имеет выпуск для пара, и вентиляционная линия для пара соединяется по текучей среде с выпуском для пара нижнего барабана и с впуском для пара верхнего барабана.

10. Генератор по п. 1, дополнительно содержащий выпуск для пара нижнего барабана, расположенный в верхней части нижнего барабана, впуск для пара верхнего барабана, расположенный в верхней области верхнего барабана.

11. Генератор по п. 1, дополнительно содержащий верхний барабан и нижний барабан, каждый из которых имеет стенки с толщиной от примерно 4 дюймов до примерно пяти дюймов.

12. Способ преобразования воды в насыщенный пар в генераторе пара с восстановлением тепла, содержащем:
корпус, имеющий впускное отверстие, в которое подают горячий газ, и выпускное отверстие, через которое производят выпуск выхлопного газа, и образующее внутренний канал протекания газа внутри корпуса так, что обеспечивается возможность протекания газа через корпус от его впускного отверстия до его выпускного отверстия;
экономайзер, расположенный внутри корпуса таким образом, что газ протекает через него, причем экономайзер соединен с источником подаваемой воды, которая находится, по существу, в жидкой фазе для повышения температуры подаваемой воды;
испаритель для преобразования воды, которая, в основном, находится в жидкой фазе, в насыщенный пар, причем испаритель содержит верхний барабан, ориентированный горизонтально и расположенный снаружи по отношению к внутреннему каналу корпуса для протекания газа; по меньшей мере, один нижний барабан, расположенный внутри по отношению к внутреннему каналу корпуса для протекания газа, при этом верхний барабан имеет по меньшей мере одно разделительное устройство пар-вода, ориентированное горизонтально и расположенное на более низком уровне, чем верхний барабан; дренажную линию, соединяющую нижнюю область верхнего барабана с нижним барабаном; впускную линию, выведенную в один из барабанов; выпускную линию, выведенную из верхней области верхнего барабана; змеевик, имеющий трубы, расположенные в потоке горячего газа, и в котором предусмотрены входные отверстия и выходные отверстия, причем входные отверстия труб сообщаются с нижним барабаном, и выходные отверстия труб сообщаются с верхним барабаном; змеевик испарителя расположен в корпусе перед, в направлении потока выхлопного газа, экономайзером, причем впускная линия испарителя соединена с экономайзером для подачи воды из экономайзера, нагрев которой был выполнен в экономайзере; и
пароперегреватель, расположенный внутри корпуса впереди по потоку выхлопного газа от испарителя, причем выпускная линия испарителя соединена с пароперегревателем,
при этом способ включает в себя следующие этапы, на которых:
подают поток воды из экономайзера в один из двух горизонтальных барабанов для пара так, что нижний барабан содержит воду, которая находится в жидкой фазе;
направляют воду из нижнего барабана в змеевик испарителя, и нагревают воду в змеевике испарителя в достаточной степени для преобразования воды в насыщенную воду и насыщенный пар;
направляют насыщенную воду и пар в верхний барабан для пара;
направляют насыщенную воду в верхнем барабане для пара обратно в нижний барабан для пара; и
отбирают насыщенный пар из верхнего барабана для пара.

13. Способ по п. 12, в котором на стадии отбора насыщенного пара из верхнего барабана для пара, насыщенный пар подают из верхнего барабана для пара в пароперегреватель.

14. Способ по п. 12, в котором нижний барабан имеет выпуск для пара, а верхний барабан имеет впуск для пара, при этом способ дополнительно содержит этап, на котором подают пар из выпуска для пара нижнего барабана во впуск для пара верхнего барабана.

15. Способ по п. 14, в котором на этапе подачи пара из выпуска для пара нижнего барабана во впуск для пара верхнего барабана, пар подают из верхней части нижнего барабана в верхнюю область верхнего барабана.