Прямоточный парогенератор, работающий на ископаемом топливе - RU2208739C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к парогенератору с камерой сгорания для ископаемого топлива, к которой на стороне топочного газа через горизонтальный газоход подключен вертикальный газоход.

Парогенератор обычно используется для того, чтобы испарять направляемую в испарительном контуре текучую среду, например, смесь воды-воды/пара. Для этого парогенератор снабжается обычно испарительными трубами, нагрев которых приводит к испарению направляемой в них текучей среды.

Парогенераторы выполняют обычно с камерой сгорания в вертикальной конструкции. Это означает, что камера сгорания рассчитана на протекание нагревающей среды или топочного газа в примерно вертикальном направлении. При этом к камере сгорания на стороне топочного газа может быть подключен горизонтальный газоход, причем при переходе от камеры сгорания в горизонтальный газоход происходит отклонение потока топочного газа в приблизительно горизонтальное направление потока.

Эта вертикальная конструкция камеры сгорания, однако, вследствие обусловленных температурой изменений длины камеры сгорания требует каркаса, на котором подвешивают камеру сгорания. Это означает значительные технические затраты при изготовлении и монтаже парогенератора, которые тем больше, чем больше габаритная высота парогенератора.

Известен прямоточный парогенератор с камерой сгорания для ископаемого топлива, к которой на стороне топочного газа через горизонтальный газоход подключен вертикальный газоход, причем камера сгорания содержит множество горелок (GB 1022838, F 22 В 29/06, 16.03.1966).

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании такого прямоточного парогенератора, работающего на ископаемом топливе, изготовление и монтаж которого связаны с особенно малыми затратами.

Изобретение исходит при этом из рассуждения, что выполняемый с особенно малыми затратами на изготовление и монтаж парогенератор должен бы иметь реализуемую простыми средствами удерживающую конструкцию. Изготавливаемый со сравнительно малыми техническими затратами каркас для подвески камеры сгорания может при этом быть связан с особенно малой габаритной высотой парогенератора. Особенно малая габаритная высота парогенератора является достижимой за счет того, что камера сгорания является выполненной в горизонтальной конструкции. Для этого горелки расположены на высоте горизонтального газохода, причем определенная расстоянием от торцевой стороны камеры сгорания к входной области горизонтального газохода длина камеры сгорания равна по меньшей мере длине, равной произведению скорости дымового газа в горизонтальном направлении при определенной средней температуре дымового газа и времени выгорания топлива в режиме полной нагрузки парогенератора. Тем самым при работе парогенератора камера сгорания обтекается топочным газом в приблизительно горизонтальном направлении. Кроме того, удается поддерживать очень незначительными повреждения материала и нежелательное загрязнение горизонтального газохода, например, вследствие отложения золы.

Предпочтительным образом горелки расположены на торцевой стороне камеры сгорания, то есть на той боковой стенке камеры сгорания, которая противоположна выходному отверстию к горизонтальному газоходу.

Выполненный подобным образом парогенератор является особенно простым образом приспосабливаемым к длине выгорания топлива. Под длиной выгорания топлива при этом следует понимать скорость дымового газа в горизонтальном направлении при определенной средней температуре дымового газа, умноженную на время выгорания t_A топлива. Максимальная для соответствующего парогенератора длина выгорания получается при этом в режиме полной нагрузки парогенератора. Время выгорания t_A является в свою очередь временем, которое требует частица угольной пыли средней величины, чтобы полностью выгореть при определенной средней температуре дымового газа.

Указанная в метрах длина L камеры сгорания в качестве функции указанной в кг/с максимальной производительности парогенератора при продолжительной нагрузке (W) камеры сгорания, указанного в секундах времени выгорания t_A, топлива и/или указанной в градусах^oС выходной температуры Т_BRK рабочей среды из камеры сгорания выбрана согласно уравнениям
L(W, t_A)=(C₁+C₂•W)•t_A и
L(W, Т_BRK)=(С₃•Т_BRK+C₄)W+
+C₅(T_BRK)²+С₆•T_BRK+C₇,
где C₁=8 м/с и
C₂=0,0057 м/кг и
С₃=-1,905•10^-4 (м•с)/(кг•^oС) и
С₄=0,2857(с•м)/кг и
C₅=3• 10^-4 м/(^oС)² и
С₆=-0,8421 м/^oС и
C₇=603,4125 м.

При этом следует учитывать допустимое отклонение от определенного соответствующей функцией значения на +20%/-10%. Максимальная производительность парогенератора при продолжительной работе соответствует также проектной производительности парогенератора, а именно производительности парогенератора в режиме полной нагрузки.

Торцевая сторона камеры сгорания и боковые стенки камеры сгорания, горизонтального газохода и/или вертикального газохода выполнены предпочтительным образом из газонепроницаемо сваренных друг с другом, вертикально расположенных, параллельно нагружаемых текучей средой испарительных труб или, соответственно, труб парогенератора.

Для особенно хорошей передачи теплоты камеры сгорания на направляемую в испарительных трубах текучую среду предпочтительным образом множество испарительных труб соответственно несут на своей внутренней стороне образующие многозаходную резьбу ребра. При этом предпочтительно угол подъема α между перпендикулярной к оси трубы плоскостью и боковыми поверхностями расположенных на внутренней стороне трубы ребер является меньше 60^o, предпочтительно меньше 55^o. В обогреваемой испарительной трубе, выполненной в виде испарительной трубы без внутреннего оребрения, так называемой гладкой трубе, а именно начиная с определенного паросодержания, смачивание стенки трубы не может больше поддерживаться. При отсутствии смачивания местами может иметься сухая стенка трубы. Переход к подобной сухой стенке трубы результируется в подобие кризиса теплоперехода в особенно ограниченном режиме теплопередачи так, что в общем температуры стенки трубы в этом месте особенно сильно возрастают. В трубе с внутренним оребрением, однако, по сравнению с гладкой трубой этот кризис теплоперехода наступает только при массовом паросодержании >0,9, то есть незадолго перед концом испарения. Это можно объяснить завихрением, которое претерпевает поток за счет спиралеобразных ребер. Вследствие различной центробежной силы составляющие воды и пара разделяются и прижимаются к стенке трубы. За счет этого смачивание стенки трубы поддерживается до высоких паросодержаний так, что в месте кризиса теплоперехода уже имеют место высокие скорости потока. Это обуславливает особенно хороший теплопереход и как следствие низкие температуры стенки трубы.

Соседние испарительные трубы или, соответственно, трубы парогенератора предпочтительным образом сварены друг с другом газонепроницаемо через плавники, причем ширина плавников выбрана в зависимости от соответствующего положения испарительных труб или, соответственно, труб парогенератора в камере сгорания, горизонтальном газоходе и/или вертикальном газоходе. Ширина плавников оказывает воздействие на ввод тепла в трубы парогенератора. Поэтому ширина плавников предпочтительным образом в зависимости от положения соответствующей испарительной трубы или, соответственно, трубы парогенератора в парогенераторе согласована с задаваемым на стороне газа температурным профилем. В качестве температурного профиля при этом может быть задан типичный, определенный из опытных значений температурный профиль или также грубая оценка, как, например, ступенчатый профиль. За счет подходящим образом выбранных ширин плавников также при сильно неоднородном нагреве различных испарительных труб или, соответственно, труб парогенератора является достижимым ввод тепла во все испарительные трубы или, соответственно, трубы парогенератора таким образом, что различия температуры на выпуске испарительных труб или, соответственно, труб парогенератора удерживаются особенно малыми. Таким образом, надежно предупреждается преждевременная усталость материалов. За счет этого парогенератор имеет особенно большой срок службы.

В дальнейшей предпочтительной форме выполнения изобретения внутренний диаметр трубы испарительных труб камеры сгорания выбран в зависимости от соответствующего положения испарительных труб в камере сгорания. Таким образом, испарительные трубы в камере сгорания являются согласуемыми с задаваемым на стороне газа температурным профилем. С обусловленным таким образом влиянием на обтекание испарительных труб особенно надежно поддерживаются малыми различия температуры на выпуске испарительных труб камеры сгорания.

Предпочтительным образом перед приданными в соответствие камере сгорания испарительными трубами на стороне текучей среды включена общая система входного коллектора для текучей среды и после них - общая система выходного коллектора. Выполненный таким образом парогенератор позволяет надежное выравнивание давления между параллельно включенными испарительными трубами и тем самым особенно равномерное обтекание.

Испарительные трубы торцевой стороны камеры сгорания предпочтительным образом подключены на стороне текучей среды перед испарительными трубами боковых стенок камеры сгорания. За счет этого обеспечено особенно выгодное использование теплоты горелок.

В горизонтальном газоходе предпочтительным образом в висячей конструкции расположено множество поверхностей нагрева пароперегревателя, которые расположены приблизительно перпендикулярно к главному направлению потока топочного газа и трубы которых включены параллельно для обтекания текучей средой. Эти расположенные в висячей конструкции поверхности нагрева пароперегревателя, обозначаемые также как ширмовые поверхности нагрева, в преобладающей степени нагреваются конвективно и на стороне текучей среды подключены после испарительных труб камеры сгорания. За счет этого обеспечено особенно выгодное использование теплоты горелок.

Предпочтительным образом вертикальный газоход содержит множество конвективных поверхностей нагрева, которые образованы из расположенных примерно перпендикулярно к главному направлению потока топочного газа труб. Эти трубы включены параллельно для обтекания текучей средой. Также и эти конвективные поверхности нагрева в преобладающей степени нагреваются конвективно.

Для обеспечения особенно полного использования теплоты топочного газа вертикальный газоход предпочтительным образом содержит экономайзер или подогреватель высокого давления.

Достигаемые с помощью изобретения преимущества состоят, в частности, в том, что за счет расположения горелок на высоте горизонтального газохода достигается особенно низкая габаритная высота парогенератора. Таким образом также включение парогенератора в паротурбинную установку позволяет иметь особенно короткие соединительные трубы от парогенератора к паровой турбине. За счет расчета камеры сгорания для протекания топочного газа в приблизительно горизонтальном направлении таким образом получается особенно компактная конструкция парогенератора. При этом длина камеры сгорания рассчитана так, что обеспечено особенно выгодное использование теплоты ископаемого топлива.

Пример выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью чертежей. При этом показывают:
фиг. 1 - работающий на ископаемом топливе парогенератор схематически в виде конструкции с двумя газоходами в виде сбоку;
фиг. 2 - схематически продольное сечение через отдельную испарительную трубу или, соответственно, трубу парогенератора и
фиг.3 - систему координат с кривыми K₁ -К₆.

Соответствующие друг другу детали на всех чертежах снабжены одинаковыми ссылочными позициями.

Работающий на ископаемом топливе парогенератор 2 согласно фиг.1 выполнен в горизонтальной конструкции и предпочтительно в виде прямоточного парогенератора. Он содержит камеру сгорания 4, к которой на стороне топочного газа через горизонтальный газоход 6 подключен вертикальный газоход 8. Торцевая сторона 9 и боковые стенки 10а камеры сгорания 4 образованы из газонепроницаемо сваренных друг с другом, вертикально расположенных, параллельно нагружаемых текучей средой S испарительных труб 11. Дополнительно также боковые стенки 10b горизонтального газохода 6 или, соответственно, 10с вертикального газохода 8 могут быть образованы из газонепроницаемо сваренных друг с другом, вертикально расположенных труб парогенератора 12а или, соответственно, 12b. В этом случае трубы парогенератора 12а, 12b также являются соответственно параллельно нагружаемыми текучей средой S.

Испарительные трубы 11 - как представлено на фиг.2 - содержат на своей внутренней стороне ребра 40, которые образуют подобие многозаходной резьбы и имеют высоту ребер R. При этом угол подъема α между перпендикулярной к оси трубы плоскостью 41 и боковыми поверхностями 42 расположенных на внутренней стороне трубы ребер 40 является меньше 55^o. За счет этого достигается особенно высокий теплопереход теплоты камеры сгорания 4 на направляемую в испарительных трубах 11 текучую среду S при одновременно особенно низких температурах стенки трубы.

Соседние испарительные трубы или, соответственно, трубы парогенератора 11, 12а, 12b сварены друг с другом газонепроницаемо не представленным более подробно на фиг.1 образом через плавники. Дело в том, что путем подходящего выбора ширины плавников можно оказывать влияние на нагрев испарительных труб или, соответственно, труб парогенератора 11, 12a, 12b. Поэтому соответствующая ширина плавников в зависимости от положения соответствующих испарительных труб или, соответственно, труб парогенератора 11, 12а, 12b в парогенераторе является согласованной с задаваемым на стороне газа температурным профилем. Температурный профиль при этом может быть типичным определенным из опытных значений температурным профилем или также представлять собой грубую оценку. За счет этого различия температуры на выпуске испарительных труб или, соответственно, труб парогенератора 11, 12а, 12b также при сильно неоднородном нагреве испарительных труб или, соответственно, труб парогенератора 11, 12а, 12b удерживаются особенно малыми. Таким образом надежно предупреждается преждевременная усталость материала, что обеспечивает большой срок службы парогенератора 2.

Внутренний диаметр трубы D испарительных труб 11 камеры сгорания 4 выбран в зависимости от соответствующего положения испарительных труб 11 в камере сгорания 4. Таким образом парогенератор 2 дополнительно приспособлен к различно сильному нагреву испарительных труб 11. Этот расчет испарительных труб 11 камеры сгорания 4 особенно надежно обеспечивает обтекание испарительных труб 11 таким образом, что различия температуры на выпуске испарительных труб 11 поддерживаются особенно малыми.

В случае системы труб камеры сгорания следует учитывать, что нагрев отдельных, газонепроницаемо сваренных друг с другом испарительных труб 11 при работе парогенератора 2 является очень различным.

Поэтому расчет испарительных труб 11 относительно их внутреннего оребрения, соединения плавников к соседним испарительным трубам 11 и их внутреннего диаметра трубы D выбирают таким образом, что все испарительные трубы 11 несмотря на различный нагрев имеют примерно одинаковые выходные температуры, и обеспечено достаточное охлаждение испарительных труб 11 для всех рабочих режимов парогенератора 2. Это обеспечено, в частности, за счет того что парогенератор 2 рассчитан на сравнительно низкие плотности массового потока обтекающей испарительные трубы 11 текучей среды S. За счет подходящего выбора соединений плавников и внутреннего диаметра трубы D достигается, кроме того, что доля потерь давления от трения в общей потере давления является настолько малой, что устанавливается режим естественной циркуляции: более сильно нагретые испарительные трубы 11 обтекаются сильнее, чем более слабо нагретые испарительные трубы 11. За счет этого достигается, что сравнительно сильно нагретые испарительные трубы 11 вблизи горелок удельно - в расчете на массовый поток - принимают приблизительно столько же тепла, что и слабо нагретые испарительные трубы 11 на конце камеры сгорания. При этом внутреннее оребрение рассчитано таким образом, что обеспечено достаточное охлаждение стенок испарительных труб. Тем самым с помощью вышеназванных мер все испарительные трубы 11 имеют приблизительно одинаковые выходные температуры. Для парогенератора с вертикальным газоходом подобная концепция испарения известна, например, из VGB-Kraftwerktechnik 75 (1995), выпуск 4, с. 353-359.

Перед испарительными трубами 11 камеры сгорания 4 на стороне текучей среды подключены система входного коллектора 16 для текучей среды S и после них - система выходного коллектора 18. За счет этого является возможным уравнивание давления параллельно расположенных испарительных труб 11, которое обуславливает их равномерное обтекание.

Для достижения особенно хорошего использования теплоты горения ископаемого топлива В испарительные трубы 11 торцевой стороны 9 камеры сгорания 4 подключены на стороне текучей среды перед испарительными трубами 11 боковых стенок 10а камеры сгорания 4.

Горизонтальный газоход 6 содержит множество поверхностей нагрева пароперегревателя 22, выполненных в виде ширмовых поверхностей нагрева, которые расположены в висячей конструкции приблизительно вертикально к главному направлению потока 24 топочного газа Н и трубы которых включены параллельно для обтекания текучей средой S. Поверхности нагрева пароперегревателя 22 в преобладающей степени обогреваются конвективно и на стороне текучей среды включены после испарительных труб 11 камеры сгорания 4.

Вертикальный газоход 8 содержит множество конвективных поверхностей нагрева 26, нагреваемых в преобладающей степени конвективно, которые выполнены из труб, расположенных приблизительно перпендикулярно к главному направлению потока топочного газа Н. Эти трубы включены параллельно для обтекания текучей средой S. Кроме того, в вертикальном газоходе 8 расположен подогреватель высокого давления или экономайзер 28. На стороне выхода вертикальный газоход 8 выходит в не представленный более подробно теплообменник дымового газа или, соответственно, теплообменник и оттуда через фильтр для улавливания пыли - в дымовую трубу.

Парогенератор 2 в горизонтальной конструкции выполнен с особенно малой габаритной высотой и таким образом является изготавливаемым с особенно малыми затратами на изготовление и монтаж. Для этого камера сгорания 4 парогенератора 2 содержит множество горелок 30 для ископаемого топлива В, которые расположены на торцевой стороне 9 камеры сгорания 4 на высоте горизонтального газохода 6.

Чтобы ископаемое топливо В для достижения особенно высокого коэффициента полезного действия выгорало особенно полно, и повреждения материала первой при рассмотрении со стороны топочного газа поверхности нагрева пароперегревателя горизонтального газохода 6 и загрязнения последнего, например, за счет отложений золы особенно надежно исключались, длина L камеры сгорания 4 выбрана таким образом, что она превосходит длину выгорания топлива В в режиме полной нагрузки парогенератора 2. Длина L является при этом расстоянием от торцевой стороны 9 камеры сгорания 4 к входной области 32 горизонтального газохода 6. Длина выгорания топлива В при этом определена как скорость топочного газа в горизонтальном направлении при определенной средней температуре дымового газа, умноженная на время выгорания t_A топлива В. Максимальная для соответствующего парогенератора 2 длина выгорания получается в режиме полной нагрузки парогенератора 2. Время выгорания t_а топлива В является в свою очередь временем, которое требуется, например, для полного выгорания частицы угольной пыли среднего размера при определенной средней температуре дымового газа.

Для достижения особенно выгодного использования теплоты сгорания ископаемого топлива В указанная в метрах длина L камеры сгорания 4 выбрана подходящей в зависимости от указанной в градусах Цельсия выходной температуры Т_BRK рабочей среды из камеры сгорания 4, указанного в секундах времени выгорания t_A топлива В и указанной в кг/с максимальной производительности парогенератора или продолжительной нагрузке W камеры сгорания 4. Максимальная производительность парогенератора при продолжительной работе соответствует также проектной производительности, т.е. производительности парогенератора в режиме полной нагрузки. При этом длина L камеры сгорания 4 определяется приближенно через функции
L(W, t_A)=(C₁+С₂•W)•t_A, (1)
L(W,Т_BRK)=(С₃•Т_BRK+C₄)W+
+С₅•Т_BRK)²+С₆•Т_BRK+C₇, (2)
где C₁=8 м/с и
С₂=0,0057 м/кг и
С₃=-1,905•10^-4(м •с)/(кг^oС) и
С₄=0,2857 (с•м)/кг и
C₅=3•10^-4 м/(^oС)² и
C₆=-0,8421 м/^oС и
C₇=603,4125 м.

"Приближенно" при этом следует понимать как допустимое отклонение на +20%/-10% от значения, определенного соответствующей функцией. При этом постоянно при любом, но постоянном BMCR-значении камеры сгорания 4 в качестве длины L камеры сгорания 4 справедливо большее значение из значений L.

В качестве примера для вычисления длины L камеры сгорания 4 в зависимости от нагрузки W в системе координат согласно фиг.3 показаны шесть кривых K₁-K₆. При этом кривым присвоены следующие параметры:
K₁:t_A=3 с согласно (1),
K₂:t_A=2,5 с согласно (1),
К₃:t_А=2 с согласно (1),
К₄:T_BRK=1200^oC согласно (2),
K₅:T_BRK =1300^oС согласно (2) и
К₆:T_BRK=1400^oC согласно (2).

Для определения длины L камеры сгорания 4 таким образом, например, для времени выгорания t_A=3 с и выходной температуры Т_BRK=1200^oC рабочей среды из камеры сгорания 4 должны привлекаться кривые K₁ и К₄. Отсюда получается при заданном BMCR-значении W камеры сгорания 4
W=80 кг/с длина L=29 м согласно К₄,
W=160 кг/с длина L=34 м согласно К₄,
W=560 кг/с длина L=57 м согласно К₄.

Для времени выгорания t_A=2,5 с и выходной температуры рабочей среды из камеры сгорания T_BRK=1300^oС должны привлекаться, например, кривые К₂ и К₅. Отсюда получается при заданном BMCR-значении W камеры сгорания 4
W=80 кг/с длина L=21 м согласно К₂,
W=180 кг/с длина L=23 м согласно К₂ и K₅,
W=560 кг/с длина L=37 м согласно К₅.

Времени выгорания t_A=2 с и выходной температуре рабочей среды из камеры сгорания Т_BRK=1400^oС присвоены, например, кривые К₃ и К₆. Отсюда получается при заданном BMCR-значении W камеры сгорания 4
W=80 кг/с длина L=18 м согласно К₃,
W=465 кг/с длина L=21 м согласно К₃ и К₆,
W=560 кг/с длина L=23 м согласно К₆.

При работе парогенератора 2 к горелкам 30 подводят ископаемое топливо В. Пламя F горелок 30 при этом направлено горизонтально. За счет конструкции камеры сгорания 4 создается поток возникающего при горении топочного газа Н в приблизительно горизонтальном главном направлении потока 24. Он попадает через горизонтальный газоход 6 в направленный приблизительно ко дну вертикальный газоход 8 и покидает его в направлении не представленной более подробно на чертеже дымовой трубы.

Поступающая в экономайзер 28 текучая среда S попадает через расположенные в вертикальном газоходе 8 конвективные поверхности нагрева в систему входного коллектора 16 камеры сгорания 4 парогенератора 2. В расположенных вертикально, газонепроницаемо сваренных друг с другом испарительных трубах 11 камеры сгорания 4 парогенератора 2 происходит испарение и, при необходимости, частично перегревание текучей среды S. Возникающий при этом пар или, соответственно, пароводяная смесь собирается в системе выходного коллектора 18 для текучей среды S. Оттуда пар или, соответственно, пароводяная смесь попадает в стенки горизонтального газохода 6 и вертикального газохода 8 и оттуда опять-таки в поверхности нагрева пароперегревателя 22 горизонтального газохода 6. В поверхностях нагрева пароперегревателя 22 происходит дальнейший перегрев пара, который затем подводится для использования, например для привода паровой турбины.

За счет особенно малой габаритной высоты и компактной конструкции парогенератора 2 обеспечены особенно малые затраты на его изготовление и монтаж. Изготавливаемый со сравнительно малыми техническими затратами каркас возможен, в частности, за счет расположенных на высоте горизонтального газохода 6 горелок 30 камеры сгорания 4, которые обуславливают обтекание камеры сгорания 4 в приблизительно горизонтальном главном направлении потока 24 топочного газа Н. При этом за счет выбора длины L камеры сгорания 4 в зависимости от BMCR-значения W камеры сгорания 4 обеспечено, что теплота сгорания ископаемого топлива В используется особенно надежно. В случае паротурбинной установки с имеющим такую малую габаритную высоту парогенератором 2, кроме того, могут быть спроектированы особенно короткими соединительные трубы от парогенератора 2 к паровой турбине.

Реферат

Изобретение предназначено для выработки пара и может быть использовано в прямоточных парогенераторах, работающих на ископаемом топливе. Парогенератор содержит камеру сгорания для ископаемого топлива, к которой на стороне топочного газа через горизонтальный газоход подключен вертикальный газоход. Камера сгорания содержит множество горелок, которые расположены на высоте горизонтального газохода. Длина камеры сгорания, определенная расстоянием от торцевой стороны камеры сгорания к выходной области горизонтального газохода, равна, по меньшей мере, длине, равной произведению скорости дымового газа в горизонтальном направлении при определенной средней температуре дымового газа и времени выгорания топлива в режиме полной нагрузки парогенератора. Изобретение обеспечивает снижение затрат на изготовление и монтаж парогенератора. 14 з.п.ф-лы, 3 ил.

Формула