Способ запуска парогенератора и парогенератор - RU2290563C2

Описание

Изобретение относится к способу запуска парогенератора с каналом топочного газа, протекаемым приблизительно в горизонтальном направлении топочного газа, в котором расположена прямоточная поверхность нагрева, образованная некоторым количеством приблизительно вертикально расположенных, включенных параллельно для протекания текучей среды испарительных труб. Кроме того, оно относится к парогенератору такого вида.

В газо- и паротурбинной установке тепло, содержащееся в расширенной рабочей среде или топочном газе из газовой турбины, используют для производства пара для паровой турбины. Теплопередача происходит в подключенном после газовой турбины котле-утилизаторе, в котором обычно расположено некоторое количество поверхностей нагрева для подогрева воды, для производства пара и для перегрева пара. Поверхности нагрева включены в пароводяной контур паровой турбины. Пароводяной контур обычно содержит несколько, например три ступени давления, причем каждая ступень давления может иметь испарительную поверхность нагрева.

Для парогенератора, включенного после паровой турбины на стороне топочного газа в качестве котла-утилизатора, принимаются во внимание многие альтернативные системы расчета, а именно расчет в виде прямоточного парогенератора или в виде парогенератора с принудительной многократной циркуляцией. В случае прямоточного парогенератора нагрев парогенераторных труб, предусмотренных в качестве испарительных труб, приводит к испарению текучей среды в парогенераторных трубах за однократный проход. В противоположность этому в парогенераторе с естественной или принудительной многократной циркуляцией вода, направляемая в контуре, испаряется при одном прохождении через испарительные трубы только частично. Не испарившуюся при этом воду после отделения полученного пара снова подводят для дальнейшего испарения к тем же самым испарительным трубам.

Прямоточный парогенератор в отличие от парогенератора с естественной или многократной принудительной циркуляцией не подлежит никакому ограничению давления так, что возможными являются давления свежего пара значительно бóльшие, чем критическое давление воды (Р_Кри≈221 бар), где имеются еще только малые различия в плотности между средой, подобной жидкости, и средой, подобной пару. Высокое давление свежего пара способствует высокому термическому коэффициенту полезного действия и тем самым низким выбросам СО₂ электростанции, работающей на ископаемом топливе. Кроме того, прямоточный парогенератор по сравнению с парогенератором с многократной принудительной циркуляцией имеет более простую конструкцию и тем самым может изготавливаться с особенно низкими затратами. Применение рассчитанного по принципу прямотока парогенератора в качестве котла-утилизатора газо- и паротурбинной установки поэтому является особенно выгодным для достижения высокого общего коэффициента полезного действия газо- и паротурбинной установки при простой конструкции.

Особенные преимущества относительно затрат на изготовление, но также и относительно необходимых работ по техническому обслуживанию предоставляет котел-утилизатор в горизонтальной конструкции, в котором греющая среда или топочный газ, то есть, в частности, отходящий газ из газовой турбины, проходит через парогенератор в приблизительно горизонтальном направлении течения. Подобный, выполненный в горизонтальной конструкции парогенератор, известен из ЕР 0944801 В1. Вследствие выполнения парогенератора в виде прямоточного, при его эксплуатации следует учитывать краевое условие, что перетекание воды из образующих прямоточную поверхность нагрева испарительных труб в подключенный после нее перегреватель исключено. Это, однако, может быть проблематичным как раз при запуске парогенератора.

При запуске парогенератора может иметь место так называемый выброс воды. Он возникает, если появляющееся вследствие нагрева испарительных труб испарение находящейся в них текучей среды начинается в первый раз и это происходит, например, в середине соответствующей испарительной трубы. Тем самым имеющееся вниз по течению количество воды (обозначаемое так же, как водяная пробка) выдвигается из соответствующей испарительной трубы.

Чтобы надежно исключить попадание неиспарившейся текучей среды из испарительных труб в подключенный после них перегреватель, известный парогенератор - как и обычным образом также прямоточный парогенератор в вертикальной конструкции - снабжен расположенным между образующими прямоточную поверхность нагрева испарительными трубами и перегревателем устройством разделения пароводяной смеси или сепаратором. Из него избыточная вода отводится и снова подается посредством циркуляционного насоса к испарителю или выбрасывается. Подобная система разделения пароводяной смеси, однако, является сложной как в конструктивном отношении, так и в связи с расходами на техническое обслуживание.

В основе изобретения поставлена задача создания способа запуска парогенератора выше названного вида, которым также при особенно простой конструкции обеспечена высокая эксплуатационная надежность. Кроме того, задачей изобретения является создание парогенератора.

Эта задача решается в способе запуска парогенератора согласно изобретению за счет того, что, по меньшей мере, некоторые из образующих прямоточную поверхность нагрева испарительных труб до подачи топочного газа в канал топочного газа вплоть до предписываемого заданного уровня заполнения частично заполняют неиспаренной текучей средой.

Изобретение исходит при этом из рассуждения, что для поддержания особенно высокой эксплуатационной надежности также во время запуска парогенератора должно быть надежно исключено, чтобы неиспарившаяся текучая среда могла попадать в перегреватель, включенный после испарительных труб. Для особенно простой конструкции это должно бы, однако, обеспечиваться при отказе от предусмотренного обычно в прямоточных парогенераторах устройства разделения пароводяной смеси. Для этого в парогенераторе в горизонтальной конструкции, при котором выходной коллектор, подключенный на стороне выхода после образующих прямоточную поверхность нагрева испарительных труб, соединен непосредственно с входным распределителем перегревателя, перед запуском должно быть предпринято только частичное заполнение испарительных труб неиспаренной текучей средой. Заполняемое количество и тем самым заданный уровень заполнения для этого первого заполнения перед началом подачи топочного газа в канал топочного газа должно бы быть при этом выбрано, с одной стороны, таким образом, чтобы был исключен выброс воды вследствие первого образования пара и, с другой стороны, чтобы было исключено недостаточное охлаждение испарительных труб при запуске.

Заданный уровень заполнения при этом целесообразно выбирают таким образом, чтобы к началу процесса запуска запитывание текучей среды в испарительные трубы могло не иметь места. Тем самым во время процесса запуска, то есть после произведенной подачи топочного газа в канал топочного газа, сначала происходит испарение уже находящейся в испарительных трубах текучей среды. При этом та неиспаренная текучая среда, которая имеется внутри соответствующей испарительной трубы выше по течению от соответствующего места начала испарения, сдвигается образующимся пузырем пара в не заполненную до этого зону соответствующей испарительной трубы. Там эта составляющая неиспаренной текучей среды может испаряться или при поддерживании достаточно низких плотностей массопотока в испарительных трубах падает снова в нижнюю пространственную область соответствующей испарительной трубы. За счет подходящего выбора заданного уровня заполнения тем самым можно находящуюся в верхней области соответствующей испарительной трубы, не заполненную сначала текучей средой и служащую в качестве уравнительного пространства для лежащего снизу столба текучей среды частичную область соответствующей испарительной трубы выбирать с достаточно большими размерами так, что выход неиспаренной текучей среды из соответствующей испарительной трубы может быть надежно исключен также при начинающемся испарении.

При частичном заполнении соответствующих испарительных труб перед первой подачей топочного газа в канал топочного газа предпочтительным образом приравнивают действительный уровень заполнения соответствующих испарительных труб к предписываемому заданному уровню заполнения. Для этого соответствующий действительный уровень заполнения предпочтительно определяют посредством измерения перепада давления между нижним входом трубы и верхним выходом трубы соответствующей испарительной трубы, причем полученное при этом измеренное значение целесообразно привлекают в качестве основы для питания соответствующей испарительной трубы неиспаренной текучей средой.

В зависимости от рабочего состояния парогенератора и его предыстории могут быть предусмотрены различные временные характеристики нагрева парогенератора во время его фазы запуска. Для того, чтобы также при изменяющемся прохождении фазы запуска обеспечить особенно надежное соблюдение краевых условий, а именно чтобы, с одной стороны, при запуске был надежно исключен выброс неиспаренной текучей среды из испарительных труб и, с другой стороны, в любом случае было обеспечено достаточное охлаждение всех испарительных труб, имеющий решающее значение при первом заполнении заданный уровень заполнения задают предпочтительно в зависимости от соответственно предусмотренной пусковой характеристики нагрева. Пусковую характеристику нагрева определяют при этом целесообразно на основе параметров для геометрии котла и/или временной характеристики предложения тепла за счет топочного газа. При этом для множества подобных комбинаций параметров в приданном в соответствие парогенератору банке данных может быть отложена соответственно согласованная пусковая характеристика нагрева, причем, в частности, могут также учтены циклы нагрева, предшествующие актуальным циклам нагрева.

В стартовой фазе процесса запуска, то есть в промежуток времени непосредственно после начала подачи топочного газа в канал топочного газа, предусмотрена эксплуатация парогенератора без дальнейшей подачи в испарительные трубы текучей среды или питательной воды. Целесообразно, однако, подачу питательной воды или неиспаренной текучей среды в испарительные трубы предпринимают после начавшегося парообразования в испарительных трубах так, чтобы также после начавшегося парообразования в любом случае было обеспечено достаточное охлаждение соответствующей испарительной трубы. Начало парообразования при этом предпочтительно распознают на основе повышения давления в пароводяном контуре. Чтобы особенно надежным образом сделать возможным соответствующее потребности питание испарительных труб питательной водой, предпочтительно после начала подачи топочного газа в канал топочного газа контролируют характеристическое для давления текучей среды измеренное значение, причем тогда, когда это измеренное значение превышает предписываемое граничное значение, начинают непрерывную подачу питательной воды в испарительные трубы.

Также после начала подачи питательной воды в испарительные трубы питательную воду целесообразно запитывать в испарительные трубы таким образом, чтобы был надежно исключен выход неиспаренной текучей среды из испарительных труб. Для этого подвод питательной воды в испарительные трубы предпочтительно регулировать таким образом, чтобы на верхнем выходе одной трубы или каждой испарительной трубы выходил перегретый пар. Для обеспечения того, чтобы во включенный после этого перегреватель не могла попадать никакая неиспаренная текучая среда, может быть достаточным предоставление в распоряжение только сравнительно слабо перегретого пара на выходе испарительных труб.

Для обеспечения особенно высокой стабильности парогенератора, предпочтительным образом при питании испарительных труб текучей средой, плотность ее массопотока устанавливают таким образом, что по сравнению с дальнейшей испарительной трубой той же самой прямоточной поверхности нагрева более сильно нагретая испарительная труба имеет по сравнению с дальнейшей испарительной трубой более высокий расход текучей среды. Прямоточная поверхность нагрева парогенератора тем самым по типу характеристики потока испарительной поверхности нагрева с естественной циркуляцией (характеристика естественной циркуляции) при появляющемся различном нагреве отдельных испарительных труб проявляет самостабилизирующее поведение, которое без требования внешнего воздействия приводит к выравниванию температур на стороне выхода также на различно нагретых, параллельно включенных на стороне текучей среды испарительных трубах. Для обеспечения этой характеристики предусмотрено питание испарительных труб со сравнительно малой плотностью массопотока.

Относительно парогенератора названная задача решается за счет того, что включенному перед испарительными трубами испарителю и включенному после испарительных труб выходному коллектору присвоено общее устройство измерения перепада давления. Через устройство измерения перепада давления при этом можно особенно выгодным образом контролировать уровень заполнения в испарительных трубах так, что характеристичный для этого параметр может быть привлечен в качестве подходящей задающей величины для питания испарительных труб.

Достигнутые изобретением преимущества состоят, в частности, в том, что за счет только частичного заполнения испарительных труб неиспаренной текучей средой перед первой подачей топочного газа в канал топочного газа гарантирован процесс запуска с высокой эксплуатационной надежностью, то есть, в частности, при достаточном охлаждении испарительных труб при надежном исключении введения неиспаренной текучей среды во включенный после испарительных труб перегреватель, причем парогенератор в конструктивном отношении может быть выдержан особенно простым. При этом также при соблюдении высокого стандарта эксплуатационной надежности может полностью отпадать сравнительно сложная система разделения пароводяной смеси, без необходимости предпринимать в этом месте конструктивно также сложных мер, как, например, применение особенно прочных или высококачественных сырьевых материалов. Особенно надежное и стабильное поведение в эксплуатации при этом является достижимым, в частности, за счет того, что испарительные трубы нагружают со сравнительно малой плотностью массопотока так, что неиспаренная текучая среда, находящаяся в испарительных трубах, также при начинающемся парообразовании остается в соответствующей испарительной трубе и в конце концов там же испаряется.

Пример выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью чертежа, показан в упрощенном представлении в продольном сечении парогенератор в горизонтальной конструкции.

Парогенератор 1 подключен по типу котла-утилизатора на стороне отходящего газа после не представленной более подробно на чертеже газовой турбины. Парогенератор 1 содержит соответственно ограждающую стенку 2, которая образует протекаемый в примерно горизонтальном, обозначенном стрелкой 4 направлении топочного газа х канал топочного газа 6 для отходящего газа из газовой турбины. В канале топочного газа 6 расположено соответственно некоторое количество спроектированных по прямоточному принципу испарительных поверхностей нагрева, обозначенных так же, как прямоточные поверхности нагрева 8, 10. В примере выполнения при этом показаны только две прямоточные поверхности нагрева 8, 10, однако, может быть предусмотрена также только одна или большее количество прямоточных поверхностей нагрева.

Прямоточные поверхности нагрева 8, 10 парогенератора 1 содержат соответственно по типу пучка труб множество включенных параллельно для протекания текучей среды W испарительных труб 14 или 15 соответственно. При этом испарительные трубы 14, 15 ориентированы соответственно приблизительно вертикально, причем множество испарительных труб 14 или 15 соответственно расположены рядом друг с другом при рассмотрении в направлении топочного газа х. При этом видной является только одна из расположенных таким образом рядом друг с другом испарительных труб 14 или 15 соответственно.

Перед испарительными трубами 14 первой прямоточной поверхности нагрева 8 на стороне текучей среды соответственно включен общий распределитель 16 и после них общий выходной коллектор 18. Выходной коллектор 18 первой прямоточной поверхности нагрева 8, со своей стороны, на стороне выхода через систему опускных труб 20 соединен с присвоенным второй прямоточной поверхности нагрева 10 распределителем 22. На стороне выхода после второй прямоточной поверхности нагрева 10 подключен выходной коллектор 24.

Образованная прямоточными поверхностями нагрева 8, 10 испарительная система является нагружаемой текучей средой W, которая испаряется при однократном проходе через испарительную систему и после выхода из испарительной системы отводится в виде пара D и подводится к подключенной после выходного коллектора 24 второй прямоточной поверхности нагрева 10 перегревательной поверхности нагрева 26. Образованная из прямоточных поверхностей нагрева 8, 10 и подключенной после них перегревательной поверхности нагрева 26 трубная система включена в не представленный более подробно пароводяной контур паровой турбины. Дополнительно в пароводяной контур паровой турбины включено некоторое количество дальнейших, схематически намеченных на фигурах поверхностей нагрева 28. В случае поверхностей нагрева 28 может, например, идти речь об испарителях среднего давления, испарителях низкого давления и/или о подогревателях.

Образованная прямоточными поверхностями нагрева 8, 10 испарительная система рассчитана так, что она является пригодной для питания испарительных труб 14, 15 со сравнительно низкой плотностью массопотока, причем испарительные трубы 14, 15 имеют характеристику естественной циркуляции. В случае этой характеристики естественной циркуляции перегретая по сравнению с другой испарительной трубой 14 или, соответственно, 15 той же самой прямоточной поверхности нагрева 8 или, соответственно, 10 испарительная труба 14 или, соответственно, 15 имеет по сравнению с другой испарительной трубой 14 или, соответственно, 15 более высокий расход текучей среды W.

Парогенератор 1 согласно чертежу выдержан в сравнительно простом конструктивном виде. Для этого вторая прямоточная поверхность нагрева 10, между прочим, при отказе от сравнительно сложной системы разделения пароводяной смеси или сепараторной системы непосредственно соединена с включенной после нее перегревательной поверхностью нагрева 26 так, что выходной коллектор 24 второй прямоточной поверхности нагрева 10 непосредственно подключен через перепускной трубопровод и без промежуточного включения других компонентов к распределителю перегревательной поверхности нагрева 26. Чтобы также и в этой конструктивно сравнительно просто выдержанной форме выполнения поддержать во всех рабочих состояниях сравнительно высокую эксплуатационную надежность, парогенератор 1 при запуске эксплуатируется в связи с этим краевым заданием. При этом парогенератор 1 при запуске, в частности, эксплуатируется таким образом, что, с одной стороны, всегда обеспечено достаточное охлаждение как образующих прямоточные поверхности нагрева 8, 10 испарительных труб 14, 15, так и образующих перегревательную поверхность нагрева 26 парогенераторных труб. С другой стороны, парогенератор 1 эксплуатируется также при запуске так, что также без включенной между второй прямоточной поверхностью нагрева 10 и перегревательной поверхностью нагрева 26 системы разделения пароводяной смеси попадание неиспаренной текучей среды W в перегревательную поверхность нагрева 26 надежно исключено.

Для обеспечения этого образующие первую прямоточную поверхность нагрева 8 испарительные трубы 14 перед первой подачей топочного газа в канал топочного газа 6 из подключенной газовой турбины заполняют неиспаренной текучей средой W до предварительно задаваемого, указанного на чертеже штриховой линией 30 заданного уровня заполнения. Заполнение испарительных труб 14 неиспаренной текучей средой W перед началом нагрева при этом происходит через имеющуюся и без того нитку трубопровода питательной воды и распределитель 16. При этом достигнутый в испарительных трубах 14 действительный уровень заполнения определяют путем измерения перепада давления между нижним распределителем 16 и верхним выходным коллектором 18. Для этой цели распределителю 16 и выходному коллектору 18 придано общее устройство измерения перепада давления 32. На основе определенного таким образом действительного уровня заполнения в каждой испарительной трубе 14 дальнейшее заполнение неиспаренной текучей средой W управляется таким образом, что достигается предписанный заданный уровень заполнения внутри предписанной полосы допуска.

После завершения первого заполнения испарительных труб 14 неиспаренной текучей средой W вначале дальнейший подвод текучей среды W в испарительные трубы 14 прекращают. В этом состоянии происходит старт собственно процесса запуска для парогенератора 1, причем, в частности, начинается подача топочного газа из подключенной газовой турбины в канал топочного газа 6. Теперь за счет начинающегося нагрева испарительных труб 14 находящаяся в них неиспаренная текучая среда W начинает испаряться. В каждой из испарительных труб 14 начинается теперь после определенного промежутка времени местное испарение, причем находящаяся выше по течению или выше соответствующего места начала испарения еще неиспаренная текучая среда W соответственно смещается в верхнюю, вначале не заполненную текучей средой W зону соответствующей испарительной трубы 14. Там происходит или испарение этой части текучей среды W, или эта часть текучей среды W падает обратно вследствие сравнительно малой расчетной плотности массопотока в испарительных трубах 14 снова в их нижнюю область.

Вероятно еще оставшаяся неиспаренной текучая среда W переводится через систему опускных труб 20 во включенную после нее вторую прямоточную поверхность нагрева 10 и там полностью испаряется. Вторая прямоточная поверхность нагрева 10 в любом случае принимает еще оставшийся выброс воды из первой прямоточной поверхности нагрева 8. Вследствие только частичного заполнения испарительных труб 14 перед началом собственно процесса запуска тем самым никакая или почти никакая неиспаренная текучая среда W не поступает во включенный после второй прямоточной поверхности нагрева 10 выходной коллектор 24 или во включенную после него перегревательную поверхность нагрева 26.

В примере выполнения тем самым предусмотрено только частичное заполнение образующих первую прямоточную поверхность нагрева 8 испарительных труб 14; вторая прямоточная поверхность нагрева 10 остается при этом вначале не заполненной. Дополнительно в альтернативной форме выполнения может быть, однако, предусмотрено также частичное заполнение образующих вторую прямоточную поверхность нагрева 10 испарительных труб 15 при аналогичном проведении способа.

Установление того, началось ли уже парообразование в испарительных трубах 14 и поступает ли испаренная текучая среда или пар D в выходной коллектор 24, происходит через измерение давления текучей среды W или пара D, в частности, в выходном коллекторе 24 или на выходе перегревательной поверхности нагрева 26. Через соответственно расположенный датчик давления при этом регистрируют и контролируют характерное для давления испаренной текучей среды или пара D на выпускном коллекторе 24 или на выходе перегревательной поверхности нагрева 26. К заключению о начавшемся парообразовании при этом приходят на основе начинающегося подъема давления, которое при начинающемся парообразовании может достигать значений в несколько бар в минуту.

После того, как таким образом было установлено начинающееся парообразование в испарительных трубах 14, начинается соответствующая эксплуатации подача питательной воды или неиспаренной текучей среды W в приданный прямоточной поверхности нагрева 8 распределитель 16. Во время дальнейшего процесса запуска, то есть, в частности, вплоть до достижения равновесного рабочего состояния, подвод питательной воды или неиспаренной текучей среды W в испарительные трубы 14 регулируют при этом таким образом, чтобы на верхнем трубном выходе 34 испарительных труб 14 выходил перегретый пар D, то есть пар D без содержания влаги.

В остальном, при питании испарительных труб 14 текучей средой W плотность ее массопотока устанавливают таким образом, что перегретая по сравнению с другой испарительной трубой 14 испарительная труба 14 имеет более высокий расход текучей среды W. За счет этого обеспечено, что прямоточная поверхность нагрева 8 также при появляющемся различном нагреве отдельных испарительных труб 14 проявляет самостабилизирующее поведение по типу характеристики потока испарительной поверхности нагрева с естественной циркуляцией.

В предусмотренном здесь выполнении процесса запуска парогенератора 1 обеспечено, чтобы, с одной стороны, в любое время имело место достаточное охлаждение испарительных труб 14, 15 и чтобы, с другой стороны, ни в какой момент времени неиспаренная текучая среда W не попадала во включенную после второй прямоточной поверхности нагрева 10 перегревательную поверхность нагрева 26. Соблюдение этих краевых условий при этом должно обеспечиваться, в частности, за счет подходящего выбора заданного уровня заполнения для испарительных труб 14 перед стартом собственно процесса запуска. Задание заданного уровня заполнения для испарительных труб 14 происходит именно таким образом, что при положении в основу предусмотренного процесса запуска соблюдаются как раз эти краевые условия. Для этого заданный уровень заполнения задают в зависимости от предусмотренной пусковой характеристики нагрева для парогенератора 1. При этом пусковую характеристику нагрева определяют с помощью параметров для геометрии и материала котла и/или вида топлива. В частности, при этом может быть предусмотрено, что в запоминающем модуле отложено по типу банка данных множество возможных, подходящих для парогенератора 1 пусковых характеристик нагрева, из которых на основе эксплуатационных данных выбирают подходящую для актуальной ситуации характеристику и кладут в основу для задания заданного уровня заполнения.

Реферат

Изобретение предназначено для выработки пара и может быть использовано в теплоэнергетике. Парогенератор содержит канал топочного газа, протекаемого в горизонтальном направлении топочного газа, в котором расположена, по меньшей мере, одна прямоточная поверхность нагрева, образованная некоторым количеством приблизительно вертикально расположенных, включенных параллельно для протекания текучей среды испарительных труб. Включенный перед испарительными трубами распределитель и включенный после испарительных труб выходной коллектор соединены с общим измерителем перепада давления. В способе запуска парогенератора перед подачей топочного газа в канал топочного газа, по меньшей мере, некоторые испарительные трубы частично заполняют неиспаренной текучей средой вплоть до предписываемого заданного уровня, и при котором заданный уровень заполнения задают в зависимости от предусмотренной пусковой характеристики нагрева и производят измерение перепада между включенными перед испарительными трубами распределителем и включенным после испарительных труб выходным коллектором. Изобретение обеспечивает повышение надежности парогенератора при простоте конструкции. 2 н. и 6 з п. ф-лы, 1 ил.

Формула