Парогенератор, работающий на отходящем тепле - RU2193726C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к парогенератору, работающему на отходящем тепле, в частности, для газо- и паротурбинной установки с множеством поверхностей нагрева, обогреваемых посредством дымового газа и направляющих подлежащую нагреванию среду, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Подобный парогенератор, работающий на отходящем тепле, или котел-утилизатор является обычно частью газо- и паротурбинной установки, в которой содержащееся в расширенной рабочей среде из газовой турбины тепло используют для производства пара для паровой турбины. Теплопередача происходит посредством множества поверхностей нагрева, которые расположены в парогенераторе, работающем на отходящем тепле, в виде труб или пучков труб. Они в свою очередь включены в пароводяной контур паровой турбины, охватывающий по меньшей мере одну ступень давления. При этом каждая ступень давления содержит обычно в качестве поверхностей нагрева подогреватель или экономайзер и испаритель, а также перегреватель. Схема с первой ступенью или ступенью высокого давления и со второй ступенью или ступенью низкого давления, так называемый процесс двух давлений, известен из ЕР 0 410 111 B1.

Вследствие дальнейшего развития стационарной газовой турбины в направлении к более высоким единичным мощностям и к более высоким коэффициентам полезного действия в связи с увеличенной температурой отходящего газа на выходе газовой турбины можно предвидеть, что для дальнейшего повышения коэффициента полезного действия установки требуется также согласование параметров свежего пара, а именно температуры свежего пара и давления свежего пара. Из повышенной температуры отходящего газа газовой турбины, следовательно, результируется подъем температуры свежего пара, чтобы достигнуть соответственно высокого коэффициента полезного действия всего газо- и паротурбинного процесса.

В случае подобного выполненного в виде барабанного котла и работающего по принципу циркуляции парогенератора, работающего на отходящем тепле, конец испарения происходит за счет сепарации пара от еще не испаренной воды на отражательных листах в барабане. Эта сепарация требует циркуляции. Эта циркуляция и отделение пара требуют значительной разницы плотностей между водой и паром, которая предполагает также значительный зазор давлений (>50-60 бар) от критического давления (221 бар). Отделение пара таким образом ограничивает давление сверху, так что барабанный котел может работать только ниже рабочего давления от 160 до 170 бар. Кроме того, высокие давления пара требуют больших толщин стенки пароводяного разделительного барабана, что сильно ограничивает нежелательным образом допустимую скорость изменения температуры в пусковом режиме или в режиме изменяющейся нагрузки.

В случае альтернативного к этому принципу циркуляции или естественной циркуляции принципу принудительной циркуляции в работающем на ископаемом топливе прямоточном парогенераторе нагрев образующих стенку его камеры сгорания испарительных труб приводит к полному испарению текучей среды в испарительных трубах за один проход. Конец испарения и тем самым одновременно начало пароперегревания устанавливается в случае этого принципа принудительной циркуляции в зависимости от нагрузки и не является фиксированным по месту. При этом с подобным прямоточным парогенератором вследствие отсутствующего разделения пара или отделения воды можно реализовывать давление свежего пара выше критического давления воды. Подобный прямоточный парогенератор известен, например, из ЕР 0 595 009 B1.

В соединении с газовой турбиной в так называемой комбинированной газо- и паротурбинной установке подобный прямоточный парогенератор, однако, обычно не используют в качестве парогенератора, работающего только на отходящем тепле. Более того, содержащий кислород отходящий газ из газовой турбины служит только в качестве необходимого для горения воздуха для топочной установки этого парогенератора, работающего на ископаемом топливе. Недостатком в подобном прямоточном парогенераторе являются высокие затраты на его включение и технику регулирования, а также его высокие пусковые потери за счет так называемого выброса воды. Последний возникает, когда начинается испарение в испарителе и пар выталкивает имеющееся вниз по течению количество воды (водяные капли). Дополнительные компоненты отделения и контроля, предусмотренные для устранения вызванных этим пусковых потерь, повышают дополнительно технические затраты и тем самым капиталовложения, которые сильно увеличиваются с желаемой реализацией более высоких и максимальных давлений пара. Другой существенный недостаток прямоточного парогенератора, работающего на ископаемом топливе, по сравнению с парогенератором, работающим только на отходящем тепле, состоит в сравнительно неравномерном согласовании температурной характеристики нагреваемой среды (кривая вода/вода-пар) с температурной характеристикой греющей среды (кривая дымового газа).

В основе изобретения поэтому лежит задача указания парогенератора, работающего на отходящем тепле, в частности, для газо- и паротурбинной установки, с которым при одновременно стабильном гидродинамическом режиме работы во всех областях нагрузки, в частности также в области частичной нагрузки, является реализуемым критическое или сверхкритическое давление пара.

Эта задача решается согласно изобретению за счет признаков пункта 1 формулы изобретения. Для этого предусмотрен парогенератор, работающий на отходящем тепле по принципу принудительной циркуляции, испаритель которого, не имеющий барабана, включен на стороне среды в противотоке к направлению потока дымового газа.

Испаритель на стороне входа соединен с подогревателем через входной распределитель, который идентичен с выходным коллектором подогревателя. Для достижения особенно стабильного режима работы испарителя он снабжен на стороне входа дроссельным устройством, причем целесообразно во вход каждой отдельной испарительной трубы включен дроссель. За счет этого достигается повышенная потеря давления в особенно большой области нагрузки в испарителе. Это обеспечивает равномерное протекание через испарительные трубы.

Кроме того, вместо обычно используемого коллектора и распределителя между участками испарителя или частями испарителя предусмотрен только один уравнивающий давление коллектор. Он подразделяет на напорной стороне весь испаритель как бы на два участка, так как на концах этих участков испарителя имеют место одинаковые давления. Это повышает стабильность протекания при избежании дальнейшего увеличения потерь давления. Целесообразно этот уравнивающий давление коллектор содержит только относительно тонкую трубу для соединения сверленого отверстия каждой испарительной трубы. Эта соединительная труба со сравнительно малыми размерами оказывает только незначительное воздействие на течение внутри испарителя и поэтому не является проблематичной в связи с разделением по испарительным трубам устанавливающейся в испарителе двухфазной смеси подлежащей нагреву среды.

Целесообразно также подключенный после испарителя на стороне дымового газа подогреватель и подключенный перед испарителем на стороне дымового газа перегреватель на стороне среды выполнены по схеме противотока.

Подобный прямоточный парогенератор или парогенератор с принудительной циркуляцией, работающий на отходящем тепле, делает возможной реализацию высоких параметров пара вплоть до сверхкритических значений, так как он не подлежит никакому ограничению давления. Кроме того, могут быть реализованы малые времена пуска и высокие скорости изменения нагрузки за счет исключения использования толстостенных барабанов. Это в свою очередь способствует особенно выгодному режиму работы установки. Далее достигается особенно высокая эксплуатационная гибкость, так как, с одной стороны, является возможной установка температуры свежего пара исключительно посредством расхода среды и, с другой стороны, переменный расход среды является регулируемым по меньшей мере внутри определенных границ.

Дело в том, что из DE 43 03 613 А1 известен парогенератор с принудительной циркуляцией с включенными на стороне среды в противотоке к дымовому газу поверхностями нагрева подогревателя и испарителя, а также перегревателя. Однако там поверхности нагрева, с одной стороны, соединены между собой обычным образом через выходной и входной коллекторы. С другой стороны, испаритель выполнен разделенным за счет промежуточного включения как входного коллектора, так также и выходного коллектора. При этом участок испарителя во время пуска шунтируют посредством байпасной линии, чтобы удерживать выброс воды возможно малым. Желаемые стабильные условия течения в испарителе при одновременном сведении к минимуму разниц температуры между отдельными испарительными трубами этой схемой, однако, не достигаются.

Для реализации принципа прямоточности испаритель на стороне входа соединен без промежуточного включения пароводяного разделительного барабана как бы непосредственно с выходом подогревателя. При этом предусмотренное на стороне среды включение испарителя в противотоке к дымовому газу приводит предпочтительным образом к равномерным температурным зазорам между кривой дымового газа и кривой вода/водяной пар так, что в целом требуется поверхность нагрева относительно малого размера. Кроме того, это включение в противотоке имеет преимуществом особенно малый выброс воды при пуске парогенератора, работающего на отходящем тепле, так как на стороне дымового газа горячая сторона с достойным упоминания образованием пузырьков пара лежит лишь на конце испарителя на стороне воды. В результате короткого пути, имеющегося в распоряжении для образованных пузырьков пара, они вытесняют из испарителя только малое количество воды.

Относительно теплотехнического выполнения испарителя он целесообразно разделен на две отдельные поверхности нагрева, то есть на две части испарителя. При этом первая часть испарителя не содержит на стороне среды никакого выходного коллектора. Точно также включенная после него вторая часть испарителя не содержит на стороне среды никакого входного коллектора. При этом количество параллельных труб обоих отдельных поверхностей нагрева или частей испарителя является одинаковым. Кроме того, первая часть испарителя выполнена целесообразно из труб со сравнительно меньшим по сравнению со второй частью испарителя внутренним диаметром. За счет этой конструкции испарителя из-за экономии коллекторов достигается экономия расходов. Если потеря давления лежит предпочтительно в начале течения и скорость течения вдоль всего испарителя удерживается в предпочтительном диапазоне, то достигается стабильное течение. За счет этого достигается особенно хороший теплопереход от дымового газа на текущую через испаритель среду с низкой эрозией. Кроме того, удерживаются малыми возможные разницы температуры между параллельными трубами вследствие равномерного обтекания на стороне водяного пара.

Для избежания того, чтобы вытесненная при пуске вода попадала в перегреватель, перед ним включен пусковой баллон, подключенный после испарителя. При этом испаритель и перегреватель соединены на стороне пара с головным концом пускового баллона. Подогреватель и испаритель соединены на стороне входа с донным подключением на стороне воды пускового баллона. Транспортируемые в испаритель и перегреватель частичные потоки являются устанавливаемыми посредством регулирующих органов. Подведенная к подогревателю питательная вода может тем самым быть дополнена этим частичным потоком из пускового баллона или быть замененной им по меньшей мере частично. Также не требующаяся для работы прямоточного парогенератора, работающего на отходящем тепле, вода из пускового баллона может отводиться с управлением. Для этого на стороне воды на донном конце пускового баллона предусмотрена отводящая линия.

Подведенный к перегревателю через пусковой баллон и через входной распределитель пар отводят из него в качестве перегретого пара (поток главного пара) через выходной коллектор. При этом перегреватель выполнен предпочтительным образом из двух отдельных поверхностей нагрева, которые на стороне среды включены друг после друга, а при вертикальной конструкции прямоточного парогенератора, работающего на отходящем тепле, расположены друг над другом на стороне дымового газа так, что происходит двухступенчатое перегревание пара.

Достигаемые изобретением преимущества состоят, в частности, в том, что за счет выполнения испарителя парогенератора, работающего на отходящем тепле, в виде испарителя с принудительной циркуляцией по схеме противотока в широком диапазоне нагрузки достигается особенно стабильный режим работы. За счет этого не имеющий барабана испаритель при одновременно малой потере давления на стороне воды и пара может быть выполнен настолько большой площади, что во всех режимах работы он действует по прямоточному принципу в качестве частичного экономайзера и в качестве испарителя, а также в качестве частичного перегревателя, поэтому на выходе подогревателя или поверхности нагрева экономайзера питательная вода является переохлажденной в любой рабочей точке так, что испарение в экономайзере надежно предотвращается. Так как подогрев до температуры кипения происходит в самом испарителе, действующем в качестве частичного экономайзера, так называемая "точка приближения" является всегда равной нулю. Отсюда результируется малая по сравнению с барабанным котлом поверхность нагрева испарителя.

Возможным является также нейтральный химический режим работы, за счет чего уменьшается расход химикалий. Вследствие нейтрального химического режима работы к тому же не требуется продувка по шламу во время эксплуатации. За счет исключения применения барабанов для разделения воды и пара и необходимых при этом соединительных трубопроводов, а также за счет возможности уменьшения габаритов котлов или парогенераторов достигается значительное уменьшение расходов. Внутри газо- и паротурбинной установки, в частности, также в областях с низкой частичной нагрузкой газовой турбины обеспечен стабильный характер работы в прямоточном режиме.

В последующем с помощью чертежей описываются примеры выполнения изобретения. При этом показывают:
Фиг. 1 - прямоточный парогенератор, работающий на отходящем тепле, поверхности нагрева которого включены в пароводяной контур, схематически в вырезе, и
Фиг. 2 - выполненный из двух отдельных поверхностей нагрева испаритель парогенератора, работающего на отходящем тепле согласно фигуре 1.

Одинаковые детали на обеих фигурах снабжены одинаковыми ссылочными позициями.

Представленный прямоточный парогенератор 1, работающий на отходящем тепле, вертикальной конструкции является, например, частью газо- и паротурбинной установки и обтекается на первичной стороне горячим дымовым газом RG из газовой турбины. Охлажденный дымовой газ RG покидает парогенератор 1, работающий на отходящем тепле, в направлении дымовой трубы, не представленной на чертеже. Парогенератор 1, работающий на отходящем тепле, содержит в качестве поверхностей нагрева подогреватель или экономайзер 2 и испаритель 3, а также перегреватель 4 одной ступени давления. Представленное расположение поверхностей нагрева используется как в части высокого давления, так и в части среднего давления прямоточного парогенератора 1, работающего на отходящем тепле.

Подогреватель 2 содержит на стороне входа общий для всех подогревательных труб входной распределитель 5, в который включена линия питательной воды 6 с управляющим клапаном 7, приводимым в действие двигателем. На стороне выхода трубы подогревателя 2 входят в общий выходной коллектор 8, который одновременно является входным распределителем включенного после подогревателя 2 на стороне среды испарителя 3. Для достижения стабильного режима работы испарителя 3 перед ним расположено дроссельное устройство. Для этого во вход каждой параллельной трубы испарителя 3 включен дроссель 9, за счет чего достигается повышенная потеря давления в широком диапазоне нагрузки в испарителе 3. В области изгиба 10 испарителя 3 предусмотрен уравнивающий давление коллектор 11 в форме относительно тонкой трубы для соединения со сверленым отверстием 12 каждой параллельной трубы испарителя 3. На стороне выхода параллельные трубы испарителя 3 входят в выходной коллектор 13, который через паропровод 14 подключен к пусковому баллону 15. Подключение паропровода 14 предусмотрено на стороне пара на головном конце 15а пускового баллона, на котором подключен другой паропровод 16. Паропровод 16 входит во входной распределитель 17 перегревателя 4. Выполненный из первой частичной или отдельной поверхности нагрева 4а и из подключенной после нее на стороне среды и перед ней на стороне дымового газа второй частичной поверхности нагрева 4b перегреватель 4 содержит на стороне выхода выходной коллектор 18, к которому подключен главный паропровод 19.

Пусковой баллон 15 содержит на своем донном конце 15b на стороне воды отводящую линию 20 с управляющим клапаном 21, приводимым в действие двигателем.

Ответвление 22 этой отводящей линии 20, в которое включен циркуляционный насос 23, ведет через управляющую или дроссельную заслонку 24 и приводимый в действие двигателем управляющий клапан 26, включенный в первую линию частичного потока 25, к линии питательной воды 6. Вторая линия частичного потока 27 ответвления 22 ведет через приводимый в действие двигателем управляющий клапан 28 к входному распределителю или, соответственно, выходному коллектору 8. Поверхности нагрева 2, 3 и 4 прямоточного парогенератора 1, работающего на отходящем тепле, включены через линию питательной воды 6 и главный паропровод 19 не представленным более подробно образом в пароводяной контур паровой турбины газо- и паротурбинной установки.

Фиг. 2 показывает предпочтительную форму выполнения испарителя 3 с двумя отдельными поверхностями нагрева. Они реализованы первой частью испарителя 3а и включенной после нее на стороне среды и перед ней на стороне дымового газа второй частью испарителя 3b. Входной распределитель 8 подключен к впускному отверстию 29 первой части испарителя 3а. Обе части испарителя 3а и 3b составлены соответственно из одинакового количества параллельных труб, из которых соответственно видна только одна параллельная или испарительная труба 30а или, соответственно, 30b. Уравнивающий давление коллектор 11 подключен к первой части испарителя 3а, причем видным является только одно сверленое отверстие 12.

Обе части испарителя 3а и 3b соединены друг с другом непосредственно, то есть без промежуточного включения выходного коллектора или входного распределителя. При этом параллельные трубы 30а первой части испарителя 3а имеют внутренний диаметр d1, который является меньше по сравнению с внутренним диаметром d2 параллельных труб 30b второй части испарителя 3b (d1

При работе прямоточного парогенератора 1, работающего на отходящем тепле, конденсированная вода, так называемая питательная вода SW, течет из подключенного после (не показанной) паровой турбины (не показанного) конденсатора через линию питательной воды 6 и через подогреватель 2 в выходной коллектор или входной распределитель 8. Оттуда подогретая питательная вода SW течет через дроссели 9 в отдельные испарительные трубы 30а первой части испарителя 3а испарителя 3. При этом соединение между подогревателем 2 и испарителем 3 при одновременно особенно малой общей поверхности нагрева испарителя 3 является особенно коротким и несложным.

Дроссели 9 обеспечивают практически во всем диапазоне нагрузки парогенератора 1, работающего на отходящем тепле, повышенную потерю давления в испарителе 3. Испаритель 3, то есть как его первая часть испарителя 3а с испарительными трубами 30а, так также и его подключенная после нее вторая часть испарителя 3b с испарительными трубами 30b обтекается на стороне среды или на стороне воды в противотоке к направлению течения дымового газа RG. При этом достигается стабильное и равномерное протекание подогретой питательной воды SW через испарительные трубы 30а, 30b, причем в испарительных трубах 30а, 30b устанавливается соответствующая давлению текучей среды температура кипения.

Полученный в испарителе 3 пар D на выходе испарителя 3, то есть в выходном коллекторе 13 и в подключенном к нему паропроводе 14, вследствие циркуляции или принудительной циркуляции при соответствующем расходе в каждой рабочей точке является слегка перегретым. Таким образом, во включенный далее перегреватель 4 не могут попадать никакие капли воды. За счет этого надежно исключаются повреждения на поверхностях нагрева перегревателя 4 вследствие недопустимых температурных градиентов. Вследствие такого расчета и выполнения испарителя 3 он может эксплуатироваться в широком диапазоне нагрузки со скользящей точкой кипения. Произведенный в испарителе 3 пар D может быть таким образом направлен непосредственно в перегреватель 4, причем пусковой баллон 15 вступает в работу исключительно при пуске прямоточного парогенератора 1, работающего на отходящем тепле.

Так как при запуске выброс воды из испарителя 3 является особенно малым, требуются только относительно малые габариты пускового баллона 15 для приема выбрасываемой воды. При этом могут быть реализованы относительно малые толщины стенки пускового баллона 15, что связано с соответственно короткими временами пуска и переменной нагрузки. В случае представленной вертикальной конструкции прямоточного парогенератора 1, работающего на отходящем тепле, особенно малый выброс воды достигается за счет того, что, в частности, испарительные трубы 30а, 30b в реализации схемы противотока на стороне среды или воды обтекаются сверху вниз. Испарение поэтому имеет место в основном в нижних испарительных трубах 30b второй части испарителя 3b и уменьшается в направлении верхних испарительных труб 30а первой части испарителя 3а.

В то время как произведенный уже при пуске и отделенный в пусковом баллоне 15 пар D подводят для дальнейшего перегрева через перегреватель 4 и оттуда в перегретом состоянии в качестве главного пара или свежего пара FD к (не показанной) паровой турбине, а также оттуда в виде конденсата снова вводят в пароводяной контур, как бы отобранную от пароводяного контура только при пуске воду из пускового баллона 15 при необходимости подводят к испарителю 3 и/или подогревателю 2. По причинам стабильности течения является, однако, целесообразным значительную часть этой пусковой воды из пускового баллона 15 через первую линию частичного потока 25 подмешивать к питательной воде SW перед ее входом в подогреватель 2. Не требующуюся в пароводяном контуре пусковую воду можно выпускать через отводящую линию 20 из пускового баллона 15.

С этим парогенератором 1, работающим на отходящем тепле по прямоточному принципу, можно реализовывать высокие давления пара также в критическом или сверхкритическом диапазоне. Для этого обе части испарителя 3а и 3b и, таким образом, весь испаритель 3 обтекается на стороне среды сверху вниз, в то время как дымовой газ RG имеет восходящее направление течения с прямоточным парогенератором 1, работающим на отходящем тепле, по прямоточному принципу достигают в целом гидродинамически особенно стабильный режим вплоть до минимальной нагрузки.

Реферат

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в парогенераторах, работающих на отходящем тепле газо- и паротурбинной установки. Сущность изобретения заключается в том, что в парогенераторе испаритель и включенные перед и после него соответственно перегреватель и подогреватель включены по схеме противотока к дымовым газам, при этом испаритель соединен с подогревателем через входной распределитель, к которому подключена каждая труба испарителя через дроссель, а также к испарителю подключен уравнивающий давление коллектор в виде уравнивающей трубы. Такое выполнение парогенератора позволяет эксплуатировать парогенератор с высоким кпд при критическом и сверхкритическом давлении. 14 з.п.ф-лы, 2 ил.

Формула