Способ и устройство измерения характеристик потока кипящего слоя в топочной камере - RU2345278C1
Код документа: RU2345278C1
Чертежи
Описание
Область, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для измерения циркулирующего количества материала кипящего слоя в топочной камере с циркулирующим кипящим слоем, причем данная топочная камера может быть использована для сжигания, например, бытовых и промышленных отходов или для получения тепла, выделяемого при сжигании топлива, например топлива, полученного из отходов.
Уровень техники
Последнее время характеризуется устойчивым ростом количества бытовых и промышленных отходов, и их утилизация превратилась в социальную проблему. Были разработаны энергетические генерирующие установки для получения тепла, выделяемого при сжигании этих отходов или от использования топлива, полученного из отходов.
Один тип таких энергетических генерирующих установок представлен топочной камерой с циркулирующим кипящим слоем, которая содержит, как показано на Фиг.1, котел 1 для сжигания отходов, например бытовых отходов или топлива, например топлива, полученного из отходов, которые подвергаются псевдоожижению совместно с материалом 3 кипящего слоя, например песком или известняком, посредством первичного воздуха А, продуваемого сквозь воздухораспылительное сопло 2, горячий циклонный сепаратор 4 в качестве сепаратора материала, присоединенный к верхней части котла 1 для улавливания материала кипящего слоя, например золы или песка, увлеченного выхлопными газами, образующимися при горении в печи 1, внешний теплообменник 7 в качестве внешнего узла рециркуляции, в который через циркуляционную трубу 5 поступает материал кипящего слоя, задержанный в циклонном сепараторе 4, причем упомянутый материал кипящего слоя нагрет и возвращается через возвратную трубу 6 материала кипящего слоя на дно котла 1 для циркуляции, и блок 10 извлечения тепла, в который поступает выхлопной газ, отделенный от материала кипящего слоя в циклонном сепараторе 4, и внутри которого имеется пароперегреватель 8 и подогреватель 9 топлива.
В блоке 10 извлечения тепла, вниз по направлению движения потока от подогревателя 9, расположен газовый воздухоподогреватель 12, который нагревает воздух, подаваемый нагнетательным вентилятором 11, теплом выхлопных газов. Воздух, нагретый подогревателем 12, поступает в качестве первичного воздуха А по линии 13 первичного воздуха ко дну котла 1 и подается в качестве вторичного воздуха В по линии 14 вторичного воздуха, ответвляющейся от линии 13 первичного воздуха, сбоку котла 1. Воздух от нагнетателя 15 поступает в качестве псевдоожижающего воздуха С по линии 18 на дно теплообменника 7. В линии 13 первичного воздуха установлена заслонка 16 для регулирования расхода первичного воздуха А; в линии 14 вторичного воздуха установлена заслонка 17 для управления расходом вторичного воздуха В.
Внешний теплообменник 7 образован дутьевой камерой 21 на дне кожуха 19 затвора, к которому присоединена циркуляционная труба 5 таким образом, что псевдоожижающий воздух С продувается вверх сквозь воздухораспылительное сопло 20. В кожухе 19 затвора над соплом 20 установлен последний пароперегреватель 22, в котором материал кипящего слоя отдает тепло для генерирования перегретого пара, подаваемого в паровую турбину. Поскольку обычно давление во внешнем теплообменнике 7 выше, чем в нижней части котла 1 из-за уплотняющего действия материала кипящего слоя ниже циркуляционной трубы 5, внешний теплообменник 7 выполняется в виде так называемого сифона для предотвращения попадания выхлопных газов котла 1 в нижнюю часть теплообменника 7 или циркуляционной трубы 5 и для надежного протекания и возвращения в печь 1 материала кипящего слоя, отделенного в циклонном сепараторе 4.
В вышеописанной топочной камере с циркулирующим кипящим слоем, представляющей собой энергетическую генерирующую установку, воздух, поступающий от вентилятора 11 и нагретый нагревателем 12, подается в качестве первичного воздуха А по линии 13 ко дну котла 1, в качестве вторичного воздуха В ответвляется от линии 13 в линию 14 и подается сбоку в котел 1, а воздух, нагнетаемый нагнетателем 15, подается в качестве псевдоожижающего воздуха С по линии 18 в дно теплообменника 7. В этой конфигурации отходы, например бытовые отходы или топливо, полученное из отходов, загружаются в котел 1 над воздухораспылительным соплом 2 и сжигаются, подвергаясь псевдоожижению совместно с материалом 3 кипящего слоя в первичном воздухе А, вдуваемом через сопло 2.
Выхлопные газы, вырабатываемые при сгорании отходов в котле 1, вместе с материалом кипящего слоя, например золой или песком, выдуваются вверх в циклонный сепаратор 4, где задерживается материал кипящего слоя. Материал кипящего слоя, задержанный в циклонном сепараторе 4, подается через циркуляционную трубу 5, присоединенную ко дну циклонного сепаратора 4, во внешний теплообменник 7, представляющий собой внешний узел рециркуляции, где у материала кипящего слоя отбирается тепло, и он возвращается через возвратную трубу 6 на дно котла 1 для повторного использования.
Выхлопные газы, отделенные от материала кипящего слоя в циклонном сепараторе 4, направляются в блок 10 извлечения тепла и отдают тепло в пароперегревателе 8 и подогревателе 9 в блоке 10 извлечения тепла и далее в газовом нагревателе 12 воздуха, а затем пропускаются через пылеулавливатель или другое подобное устройство (не показано) и выпускаются через дымоход в атмосферу.
Подаваемая для нагрева вода нагревается в подогревателе 9 выхлопными газами, проходит через барабан нагрева пара (не показан) в стенку 1а котла 1, возвращается обратно в барабан нагрева пара, где превращается в насыщенный пар и направляется в пароперегреватель 8. Пар, перегретый выхлопными газами и далее перегретый в пароперегревателе 8, направляется в выходной пароперегреватель 22, где перегретый пар подвергается дальнейшему перегреву материалом кипящего слоя. Пар, перегретый в пароперегревателе 22, направляется в паровую турбину, где вырабатывается электроэнергия.
В вышеописанной топочной камере с циркулирующим кипящим слоем количество циркулирующего материала кипящего слоя, которым необходимо управлять для обеспечения однородности и стабильности температуры в котле, может быть теоретически определено систематическими вычислениями либо иным подобным способом. Для стабилизации работы таким способом должна быть проведена точная оценка циркулирующего материала кипящего слоя; обычно это выполнялось для того, чтобы качественно оценить зависимость циркулирующего количества материала кипящего слоя от разности давлений в котле 1 и горячем циклонном сепараторе 4.
Средства оценки циркулирующего количества материала кипящего слоя были раскрыты, например, в JP 2001-289406 A [Ссылка 1].
Раскрытие изобретения
К настоящему времени, однако, реальных средств для количественного, а также качественного определения фактического количества циркулирующего материала кипящего слоя не разработано, поэтому трудно повысить точность сравнения результатов теплового баланса, полученных в моделях или подобными методами, с данными реальной работы.
Средства оценки циркулирующего количества материала кипящего слоя, раскрытые в [Ссылке 1], чрезвычайно сложны применительно к системе.
С учетом сказанного задача сделанного изобретения состоит в создании способа измерения и устройства для измерения количества циркулирующего материала кипящего слоя в топочной камере с циркулирующим кипящим слоем, в которой фактическое циркулирующее количество материала кипящего слоя может быть количественно оценено достаточно просто, а точность сравнения результатов теплового баланса, полученных на моделях или иным подобным методом, с данными реальной работы может быть улучшена.
Изобретение относится к способу измерения количества циркулирующего материала кипящего слоя в топочной камере с циркулирующим кипящим слоем, в котором выхлопные газы из котла направляются в сепаратор для отделения материала кипящего слоя, причем отделенный материал кипящего слоя подается через циркуляционную трубу во внешний узел рециркуляции, а упомянутый материал кипящего слоя, подаваемый во внешний узел рециркуляции, возвращается в котел с одновременным псевдоожижением псевдоожижающим воздухом, при этом способ содержит во время прекращения подачи воздуха псевдоожижения во внешний узел рециркуляции измерение времени, в течение которого накопившийся в циркуляционной трубе материал кипящего слоя достигает верхнего заданного уровня от нижнего исходного уровня, и определение расхода материала кипящего слоя как циркулирующего количества от этого момента времени и накопленного количества материала кипящего слоя с учетом внутреннего диаметра циркуляционной трубы.
При выполнении способа измерения циркулирующего количества материала кипящего слоя в топочной камере с циркулирующим кипящим слоем таймер может быть включен, когда прохождение светового потока, поперечно пересекающего циркуляционную трубу на нижнем исходном уровне, прерывается накопившимся в циркуляционной трубе материалом кипящего слоя, и выключен, когда прохождение светового потока, поперечно пересекающего циркуляционную трубу на верхнем заданном уровне, задерживается материалом кипящего слоя, накопившимся в циркуляционной трубе, при этом может быть измерено время, необходимое для накопления материала кипящего слоя в циркуляционной трубе от нижнего исходного уровня до верхнего заданного уровня.
В данном случае желательно, чтобы прохождению светового потока, направляемого для поперечного пересечения циркуляционной трубы на нижнем исходном уровне и верхнем заданном уровне, не мешало падение материала кипящего слоя в циркуляционной трубе.
Изобретение также относится к устройству для измерения количества циркулирующего материала кипящего слоя в топочной камере с циркулирующим кипящим слоем, в котором выхлопные газы из котла направляются в сепаратор для отделения материала кипящего слоя, причем упомянутый отделенный материал кипящего слоя подается через циркуляционную трубу во внешний узел рециркуляции, и упомянутый материал кипящего слоя, подаваемый во внешний узел рециркуляции, возвращается в котел с одновременным псевдоожижением псевдоожижающим воздухом, при этом устройство содержит нижнее средство обнаружения достижения накапливающимся в циркуляционной трубе материалом кипящего слоя нижнего исходного уровня при прекращении подачи воздуха псевдоожижения во внешний узел рециркуляции, верхнее средство обнаружения достижения накапливающимся в циркуляционной трубе материалом кипящего слоя верхнего заданного уровня при прекращении подачи псевдоожижающего воздуха во внешний узел рециркуляции и средство измерения времени, необходимого для изменения уровня накопившегося в циркуляционной трубе материала кипящего слоя от нижнего исходного уровня до верхнего заданного уровня по сигналам обнаружения от упомянутых нижнего и верхнего средств обнаружения и для определения расхода циркулирующего количества материала кипящего слоя за упомянутое время и накопившееся количество материала кипящего слоя с учетом внутреннего диаметра циркуляционной трубы.
В устройстве для измерения циркулирующего количества материала кипящего слоя в топочной камере с циркулирующим кипящим слоем нижнее средство обнаружения может быть образовано нижним оптическим датчиком для приема светового потока, поперечно пересекающего циркуляционную трубу на нижнем исходном уровне, при этом верхнее средство обнаружения образовано верхним оптическим датчиком для приема светового потока, поперечно пересекающего циркуляционную трубу на верхнем заданном уровне, таймер средства измерения времени включается, когда поток света, поперечно пересекающий циркуляционную трубу на нижнем исходном уровне, блокируется накопившимся в циркуляционной трубе материалом кипящего слоя, и упомянутый таймер средства измерения времени останавливается, когда поток света, поперечно пересекающий циркуляционную трубу на верхнем заданном уровне, блокируется накопившимся в циркуляционной трубе материалом кипящего слоя, благодаря чему может быть измерено время, необходимое для накопления материала кипящего слоя в циркуляционной трубе от нижнего исходного уровня до верхнего заданного уровня.
В предпочтительном варианте выполнения, в циркуляционной трубе над нижним и верхним оптическими датчиками устанавливается покрывающий элемент, предотвращающий блокирование потоков света, поперечно пересекающих циркуляционную трубу на нижнем исходном уровне и на верхнем заданном уровне, падающим вниз в циркуляционной трубе материалом кипящего слоя.
Способ измерения циркулирующего количества материала кипящего слоя в топочной камере с циркулирующим кипящим слоем и устройство для этого в соответствии с настоящим изобретением обладают высокой эффективностью и имеют большие преимущества, состоящие в том, что фактическое циркулирующее количество материала кипящего слоя может быть количественно оценено достаточно просто, и в том, что может быть повышена точность сравнения результатов, полученных по тепловому балансу на моделях или другим подобным методом, с данными реальной работы.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид в плане, иллюстрирующий обычный способ измерения циркулирующего количества материала кипящего слоя в топочной камере с циркулирующим кипящим слоем, и соответствующее устройство.
Фиг.2 - схематическое изображение, показывающее основную часть варианта выполнения в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 - вид сечения в направлении, показанном стрелками III на Фиг.2.
Фиг.4 - вид сечения в направлении, показанном стрелками IV на Фиг.2.
Пояснения к позиционным обозначениям
1 - котел
4 - горячий циклонный сепаратор (сепаратор)
5 - циркуляционная труба
7 - внешний теплообменник (внешний узел рециркуляции)
23 - нижнее средство обнаружения
24 - верхнее средство обнаружения
25 - средство измерения времени
26 - окно для проходящего света
27 - окно для проходящего света
28 - нижний проектор
29 - нижний оптический приемник
30 - нижний оптический датчик
31 - верхний проектор
32 - верхний оптический приемник
33 - верхний оптический датчик
34 - покрывающий элемент
34' - покрывающий элемент
С - псевдоожижающий воздух
D - внутренний диаметр
Н0 - нижний исходный уровень
Н1 - верхний заданный уровень
Осуществление изобретения
Вариант выполнения изобретения будет описан совместно с приложенными чертежами.
На Фиг.2-4 показан вариант выполнения изобретения, части которого, идентичные частям на Фиг.1, имеют те же позиционные обозначения. Этот вариант выполнения в основных чертах аналогичен по конструкции известному устройству, показанному на Фиг.1, отличается тем, что используется остановка подачи псевдоожижающего воздуха С (см. Фиг.1) во внешний теплообменник 7 в качестве внешнего узла рециркуляции в процессе работы топочной камеры с циркулирующим кипящим слоем, в результате чего из теплообменника 7 не возвращается материал кипящего слоя через возвратную трубу 6 материала кипящего слоя на дно котла 1, и содержит, как показано на Фиг.2-4, нижнее средство 23 обнаружения достижения накопившимся в циркуляционной трубе 5 материалом кипящего слоя нижнего исходного уровня H0 при остановке подачи псевдоожижающего воздуха С во внешний теплообменник 7, верхнее средство 24 обнаружения достижения накопившимся в циркуляционной трубе 5 материалом кипящего слоя верхнего заданного уровня Н1 при остановке подачи псевдоожижающего воздуха С во внешний теплообменник 7 и средство 25 измерения времени t (секунд), требующегося для того, чтобы накапливающийся в циркуляционной трубе 5 материал кипящего слоя достиг верхнего заданного уровня Н1 от нижнего исходного уровня H0 согласно сигналам обнаружения от упомянутых нижнего и верхнего средств 23 и 24 обнаружения и для определения расхода Q (кг/с) материала кипящего слоя в качестве циркулирующего количества на основе упомянутого времени t и накопившегося объема V (м3) материала кипящего слоя, определенного с учетом внутреннего диаметра D (м) циркуляционной трубы 5.
На циркуляционной трубе 5, или вертикальной трубе, диаметрально напротив друг друга на нижнем исходном уровне Н0 расположены пропускающие свет окна 26, в которые вставлено термоустойчивое кварцевое стекло или аналогичное ему; на циркуляционной трубе 5, или вертикальной трубе, диаметрально напротив друг друга на верхнем заданном уровне Н1 расположены пропускающие свет окна 27, в которые вставлено термоустойчивое кварцевое стекло или аналогичное ему.
Нижнее средство 23 обнаружения образовано нижним оптическим датчиком 30, в котором свет, направляемый из нижнего проектора 28 для прохождения поперек циркуляционной трубы 5 на нижней исходной высоте H0 сквозь пропускающие свет окна 26, принимается нижним оптическим приемником 29. Верхнее средство 24 обнаружения образовано верхним оптическим датчиком 33, в котором свет, направляемый из верхнего проектора 31 для прохождения поперек циркуляционной трубы 5 на верхней заданной высоте Н1 сквозь пропускающие свет окна 27, принимается верхним оптическим приемником 32. Входящий в состав средства 25 измерения времени таймер включается, когда свет нижнего оптического датчика 30, направляемый поперек циркуляционной трубы 5 на нижнем исходном уровне Н0, задерживается материалом кипящего слоя, накопившимся в циркуляционной трубе 5. Таймер средства 25 останавливается, когда свет верхнего оптического датчика 33, направляемый поперек циркуляционной трубы 5 на верхнем заданном уровне Н1, задерживается материалом кипящего слоя, накопившимся в циркуляционной трубе 5. Таким путем измеряется время t, требующееся для достижения накапливающимся в циркуляционной трубе 5 материалом кипящего слоя верхнего заданного уровня Н1 от нижнего исходного уровня H0.
Над нижним и верхним оптическими датчиками 30 и 33 в циркуляционной трубе 5 установлен покрывающий элемент 34, который не дает падающему в циркуляционной трубе 5 материалу кипящего слоя перекрывать распространение света поперек циркуляционной трубы 5 на нижнем исходном уровне Н0 и перекрывать распространение света поперек циркуляционной трубы 5 на верхнем заданном уровне Н1. Покрывающий элемент 34 может быть установлен, как это показано сплошной линией на Фиг.2, в циркуляционной трубе 5 по крайней мере над верхним оптическим датчиком 33; вдобавок к покрывающему элементу 34 в циркуляционной трубе 5 над нижним оптическим датчиком 30 может быть установлен покрывающий элемент 34', как это показано штрихпунктирной линией на Фиг.2.
Далее приводится описание принципа действия варианта выполнения изобретения.
В процессе работы топочной камеры с циркулирующим кипящим слоем, при прерывании подачи псевдоожижающего воздуха С во внешний теплообменник 7 в качестве внешнего узла рециркуляции, материал кипящего слоя не возвращается из внешнего теплообменника 7 через возвратную трубу 6 на дно котла 1 и постепенно накапливается в циркуляционной трубе 5.
Свет, направляемый от нижнего проектора 28 нижнего оптического датчика 30, образующего нижнее средство 23 обнаружения, для прохождения поперек циркуляционной трубы 5 на нижнем исходном уровне H0 через окна 26 пропускания света, принимается нижним оптическим приемником 29, в то время как свет, направляемый от верхнего проектора 31 верхнего оптического датчика 33, образующего верхнее средство 24 обнаружения, для прохождения поперек циркуляционной трубы 5 на верхнем заданном уровне Н1 через окна 27 пропускания света, принимается верхним оптическим приемником 32. По мере того как материал кипящего слоя постепенно накапливается в циркуляционной трубе 5, сначала происходит перекрытие накопившимся в циркуляционной трубе 5 материалом кипящего слоя потока света нижнего оптического датчика 30, направляемого поперек циркуляционной трубы 5 на нижнем исходном уровне Н0.
Когда перекрывается поток света нижнего оптического датчика 30 материалом кипящего слоя, накопившимся в циркуляционной трубе 5, включается таймер средства 25. Затем накопившийся в циркуляционной трубе 5 материал кипящего слоя перекрывает поток света верхнего оптического датчика 33, направляемого поперек циркуляционной трубы 5 на верхнем заданном уровне Н1.
Когда накопившийся в циркуляционной трубе 5 материал кипящего слоя перекрывает световой поток от верхнего оптического датчика 33, таймер средства 25 выключается. При этом измеряется время t, необходимое для достижения накопившимся материалом кипящего слоя в циркуляционной трубе 5 верхнего заданного уровня Н1 от нижнего исходного уровня Н0.
Предположим, что разница высоты между нижним исходным уровнем H0 и верхним заданным уровнем Н1 составляет h (м), тогда количество V материала кипящего слоя, накопившееся в циркуляционной трубе 5 между нижним исходным уровнем Н0 и верхним заданным уровнем Н1, определяется из следующего соотношения:
V=(n·D2/4)·h
Далее, предполагая, что плотность материала кипящего слоя составляет δ (кг/м3), можно определить расход Q циркулирующего количества материала кипящего слоя из следующего соотношения: Q=δ·V/t.
Если циркулирующее количество материала кипящего слоя велико, материал кипящего слоя падает сверху в циркуляционной трубе 5 в большом количестве, однако в силу того что в циркуляционной трубе 5 установлен покрывающий элемент 34 над верхним оптическим датчиком 33, а если необходимо, и покрывающий элемент 34' над нижним оптическим датчиком 30, нет опасений того, что свет, направленный поперек циркуляционной трубы 5 на нижнем исходном уровне Н0 и верхнем заданном уровне Н1, будет прерываться материалом кипящего слоя, падающим в циркуляционной трубе 5, поэтому циркулирующее количество материала кипящего слоя может быть измерено с высокой надежностью и точностью.
После завершения измерения циркулирующего количества материала кипящего слоя остановленная подача псевдоожижающего воздуха С во внешний теплообменник 7 возобновляется, и система возвращается к нормальной работе.
Таким образом, фактическое количество циркулирующего материала кипящего слоя может быть количественно оценено достаточно просто, а точность сравнения результатов моделирования теплового баланса и данных реальной работы может быть улучшена.
Следует понимать, что способ измерения циркулирующего количества материала кипящего слоя в топочной камере с циркулирующем кипящим слоем и соответствующее устройство согласно изобретению не ограничены описанным вариантом выполнения и допускают различные изменения и модификации в рамках области патентных притязаний изобретения. Например, изобретение может быть использовано в системе газификации с кипящим слоем, в которой внешний теплообменник заменен на газификационную печь, предназначенную для высушивания и газификации сырых отходов, в основном, состоящих из биомассы, влажных отходов и/или канализационных стоков, в основном, твердое горючее содержимое которых сжигается в котле.
Способ измерения циркулирующего количества материала кипящего слоя в топочной камере с циркулирующим кипящим слоем и соответствующее устройство согласно изобретению может быть использовано, когда требуется определить, какое количество циркулирующего материала кипящего слоя должно использоваться для достижения однородности и стабильности температуры в котле.
Реферат
Изобретение относится к области энергетики. Способ измерения характеристик потока кипящего слоя в топочной камере котла с циркулирующим кипящим слоем, выхлопные газы от которого направляют в сепаратор отделения материала кипящего слоя, затем отделенный материал кипящего слоя подают через циркуляционную трубу во внешний узел рециркуляции и возвращают в котел, при этом одновременно подвергают его псевдоожижению псевдоожижающим воздухом. При остановке подачи псевдоожижающего воздуха во внешний узел рециркуляции измеряют время, необходимое для достижения материалом кипящего слоя, накопившимся в циркуляционной трубе, верхнего заданного уровня от нижнего исходного уровня, и определяют расход материала кипящего слоя как циркулирующего количества на основе упомянутого времени и накопившегося количества материала кипящего слоя с учетом внутреннего диаметра циркуляционной трубы. Поперек циркуляционной трубы на исходном нижнем и верхнем заданном уровнях направляют световые потоки, а время измеряют таймером, который включают при перекрытии материалом кипящего слоя, накопившимся в циркуляционной трубе, светового потока на нижнем исходном уровне и выключают при перекрытии материалом кипящего слоя, накопившимся в циркуляционной трубе, светового потока на верхнем заданном уровне. Световые потоки, направляемые поперек циркуляционной трубы на нижнем исходном и верхнем заданном уровнях, предохраняют от закрытия материалом кипящего слоя, падающего в циркуляционную трубу. Изобретение позволяет измерять количество циркулирующего материала кипящего слоя в топочной камере с циркулирующим кипящим слоем. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
