Прямоточный парогенератор (варианты) - RU2139472C1
Код документа: RU2139472C1
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к прямоточным котлам или парогенераторам на скользящем давлении, в которых труба стенки топки может иметь вертикальное, горизонтальное или спиральное расположение (например, под углом между горизонтальным и вертикальным).
Известен прямоточный парогенератор для работы на скользящем давлении в широком диапазоне нагрузок, преимущественно, с широкими нагрузками, содержащий топку, частично образованную охлаждаемыми жидкотекучей средой стенками корпуса с вертикальной трубной системой (см. патент DE 3028240, F 22 В 29/06, 1981).
Известен также прямоточный парогенератор со спиральной трубной системой, имеющий топку, частично образованную охлаждаемыми жидкотекучей средой стенками корпуса (см. GB 1603219, F 22 В 29/06,1981).
Одной из целей изобретения является создание прямоточного парогенератора на скользящем давлении, содержащего корпус, имеющий выход и поверхности теплообменника, сделанные из гладкостенных труб, ребристых труб с одним паропроводом и ребристых труб с множеством паропроводов. Все эти трубы предпочтительно выполнены как мембранная стенка из трубных панелей.
В настоящем изобретении преодолены вышеуказанные проблемы благодаря использованию ребристых труб с одним паропроводом в топке в тех местах, где теплообмен будет ухудшаться при использовании ребристых труб с множеством паропроводов. Трубы с одним паропроводом работают по принципу, отличающемуся от принципа вихреобразования, и поэтому не зависят от разницы плотностей пара и воды. Действие их критического теплового потока адекватно при околокритических давлениях в диапазоне более низких весовых скоростей, предложенных в этом изобретении.
Парогенератор включает горелки для сжигания топлива и воздуха внутри корпуса, которые в свою очередь создают зоны низкотемпературного теплопотока, среднетемпературного теплопотока и высокотемпературного теплопотока парогенератора. Вода и/или пар (или далее по тексту, при сверхкритических давлениях используется термин "жидкотекучая среда") течет через трубы панелей стенки, которые обеспечивают эффективный теплообмен. Гладкостенные трубы расположены в зоне низкотемпературного теплопотока парогенератора, в то время как ребристые трубы с одним паропроводом и ребристые трубы с множеством паропроводов селективно располагаются в зонах среднетемпературного теплопотока и высокотемпературного теплопотока парогенератора.
Изобретение может быть использовано в парогенераторах с разным устройством вертикальных, горизонтальных или спиральных труб.
Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является обеспечение прямоточного котла или парогенератора с вертикальной трубной системой, работающего на скользящем давлении в широком диапазоне нагрузок, способностью работать с низкими минимальными нагрузками и небольшим падением давления.
Признаки, характеризующие это изобретение, подробно указаны в прилагаемых пунктах формулы.
На фиг. 1 изображен продольный
разрез трубы с гладким стволом;
на фиг. 2 - продольный разрез ребристой трубы с одним паропроводом (SLR), имеющей одно непрерывное внутреннее спиральное ребро;
на фиг. 3 - вид в
разрезе ребристой трубы с множеством паропроводов MLR (имеющей множество непрерывных внутренних спиральных ребер;
на фиг. 4 - продольный разрез другой продольной ребристой трубы с множеством
паропроводов;
на фиг. 5 - схематичное изображение вида сбоку прямоточного парогенератора с вертикальной трубной системой для работы на скользящем давлении согласно первому предпочтительному
примеру реализации настоящего изобретения;
на фиг. 6 - схематичное изображение вида сбоку прямоточного парогенератора с вертикальной трубной системой для работы на скользящем давлении
согласно второму примеру реализации настоящего изобретения;
на фиг. 7 - схематичное изображение прямоточного парогенератора со спиральной трубной системой для работы на скользящем давлении
согласно третьему примеру реализации настоящего изобретения (вид сбоку);
на фиг. 8 - схематичное изображение прямоточного парогенератора со спиральной трубной системой для работы на
скользящем давлении согласно четвертому примеру реализации настоящего изобретения (вид сбоку);
на фиг. 9 - схематичное изображение диаметрального поперечного сечения панели стенки с гладкими
трубами по линии 14-14 на фиг. 5;
на фиг. 10 - схематичное изображение диаметрального поперечного сечения панели стенки с ребристыми трубами, имеющими один паропровод, по линии 13-13 на фиг.
5;
на фиг. 11 - схематичное изображение диаметрального поперечного сечения панели стенки с ребристыми трубами, имеющими множество паропроводов, по линии 15 - 15 на фиг. 5.
Ссылаясь на чертежи, где все элементы имеют цифровые позиции, соответствующие позициям в описании, в особенности фиг. 1 - 4, представлены продольные разрезы различных типов труб используемых в настоящем изобретении. Фиг. 1 показывает трубу 20, имеющую гладкий ствол 22. Фиг.2 показывает ребристую трубу 24 с одним паропроводом (SLR), чья внутренняя поверхность 26 имеет одну непрерывную внутреннюю спиральную канавку 28, расположенную между непрерывными спиральными фасками или ребрами 30. Фиг.3 показывает ребристую трубу 32 с множеством паропроводов (MLR), чья внутренняя поверхность 34 имеет пару непрерывных спиральных канавок 28, расположенных между непрерывными спиральными фасками или ребрами 30. Фиг.4 показывает еще один вариант ребристой трубы 36 с множеством паропроводов, имеющую множество непрерывных внутренних спиральных канавок 28, расположенных между непрерывными спиральными фасками или ребрами 30. Особое геометрическое расположение канавок 28 и 30, используемое в ребристых трубах с одним паропроводом или множеством паропроводов, выбирается для достижения эффективной работы в соответствии с требованиями механики, так же как внешний диаметр трубы и минимальная толщина стенки. Технические условия работы котла и сосуда высокого давления остаются на усмотрение специалистов.
На фиг. 5 - 8 показано несколько примеров реализации настоящего изобретения. Фиг. 5 - 6 относятся к прямоточному парогенератору с вертикальной трубной системой для работы на скользящем давлении по первому и второму примеру реализации изобретения.
Фиг. 7 и 8 относятся к прямоточному парогенератору со спиральной трубной системой для работы на скользящем давлении в соответствии с третьим и четвертым примерами реализации настоящего изобретения.
На фиг. 5 и 6 показан прямоточный парогенератор 40 с вертикальной трубной системой. Топливные горелки 42 обеспечивают смесь топлива и воздуха, которая сжигается в зоне горения 44 топки 46. Топка 46 частично образована стенками 48 корпуса, состоящими из множества труб, соединенных между собой мембраной 49 (см. фиг. 9 - 11 для образования газонепроницаемой оболочки. Продукты сгорания 50 (раскаленные топочные газы и т.д.) текут вверх через топку 46 в направлении стрелки 50 через различные теплообменные поверхности (не показаны) и выходят из парогенератора 40 на выходном конце 52. Продукты сгорания 50 передают тепло в окружающие стенки 48 корпуса, таким образом нагревая жидкую среду, текущую внутри этих труб, образующих эти стенки.
Трубы, образующие стенки 48, обычно изготавливаются в цехах завода в виде множества панелей 54, которые затем собираются на месте назначения (в полевых условиях) при помощи сварки для образования стенок 48 корпуса топки. На фиг. 5 и 6 показано расположение, где боковые стенки 51 парогенератора 40 состоят из пяти таких заранее изготовленных панелей 54, расположенных, по существу, вертикально. Соответствующее количество панелей 54 также будут составлять переднюю и заднюю стенки 56, 58 соответственно парогенератора 40, при этом максимальная ширина каждой панели 54 определяется условиями доставки и/или другими ограничивающими факторами, касающимися оборудования, и главным образом особым расположением отверстий для топливных горелок 42, при этом расположение остается, по существу, вертикальным.
Главным требованием целостности мембранной стенки является равномерная температура жидкотекучей среды и металла во всех трубах на каждом уровне топки. До сих пор главной проблемой труб с вертикальным контуром была большая разница нагрева между отдельными трубами в топке.
Как указывалось раньше, в топках с вертикальной трубной системой разница нагрева между трубами приблизительно в 2,5 раза больше, чем в топке со спиральным контуром трубы. Средние весовые скорости от 1500000 до 2000000 фунтов/ч-фут2 - обычные скорости, используемые в настоящее время в прямоточных котлах. Эти весовые скорости, подвергаясь обычным периферическим изменениям поглощения тепла в топке (которые могут превышать средние на 35% и более), уменьшаются в величине. Эту тенденцию называют характеристикой прямоточности котла. В прямоточном режиме изменение скорости из-за увеличения тепла оказывает негативное воздействие. Если к одной трубе подводится излишняя теплота, в этой трубе снижается весовая скорость жидкотекучей среды, что вызывает увеличение температуры жидкости на выходе в трубе.
Если трубы топки работают с пониженными весовыми скоростями, при подводе излишнего тепла к любой одной трубе, следует увеличение весовой скорости. Этот тип изменения весовой скорости считается характеристикой естественной циркуляции. Чтобы иметь возможность использовать более низкие весовые скорости в топках прямоточного котла с вертикальным контуром циркуляции, требуется использование ребристых труб в стенках 48 корпуса, чтобы избежать кризиса пузырькового кипения (DNB) и, следовательно, повышения температур металла.
Эта проблема преодолевается в настоящем изобретении особенным расположением гладкостенных, ребристых труб с одним паропроводом (SLR) и ребристых труб с множеством паропроводов (MLR) в стенках 48 корпуса. Ребристые трубы 24 с одним паропроводом расположены в топке 46 в тех местах, где теплообмен был бы ухудшен при использовании ребристых труб 32, 36 с множеством паропроводов. Ребристые трубы 24 действуют по принципу, отличному от принципа вихреобразования, и поэтому не зависят от разницы в плотностях пара и воды. Действия критического теплового потока (CHF) адекватны при околокритических давлениях в диапазоне более низких весовых скоростей, предложенных настоящим изобретением.
Ребристые трубы 24 с одним паропроводом и ребристые трубы 32, 36 с множеством паропроводов селективно располагаются на панелях, образующих прямоточный парогенератор 40 с вертикальной трубной системой, для того, чтобы создать необходимые условия работы на скользящем давлении, как показано на фиг. 5 и 6 и на панелях, образующих прямоточный парогенератор 70 со спиральной трубной системой, исходя из условий работы на скользящем давлении, как показано на фиг. 7 и 8. Расположение каждого типа трубы как в парогенераторе 40, так и в парогенераторе 70, определяется на основании характеристик теплообмена и потока в трубах для всех нагрузок, которые испытывают парогенератор 40 и парогенератор 70 в работе. Эти нагрузки составляют диапазон от минимальной нагрузки, приблизительно равной 15 - 30% максимально допустимого непрерывного потока пара до максимально допустимой непрерывной нагрузки.
Левая сторона на фиг. 5 - 8 в общих чертах определяет вертикальное расположение зон низкотемпературного теплопотока, среднетемпературного теплопотока и высокотемпературного теплопотока QL, QM, QH соответственно внутри топки 46 парогенераторов 40 и 70. Понятно, что действительная вертикальная высота, на которой кончается одна зона и начинается другая, будет зависеть от различных параметров, как будет видно из дальнейшего изложения.
Процесс сгорания, происходящий внутри топки 46, в значительной степени определяет вертикальные изменения тепловых потоков, создаваемых топливными горелками 42 и определенными видами топлива. Действительный тепловой поток, который подводится к трубам 48 стенки корпуса топки, является основным параметром, определяющим условия наличия критического теплового потока. Однако условия критического теплового потока также зависят от таких параметров, как давление, скорость и качество жидкотекучей среды, диаметр трубы, наклон трубы, поверхность трубы. Таким образом название зон теплопотоков, т.е. низкотемпературный, среднетемпературный, высокотемпературный (QL, QM и QH соответственно) в применении к зонам внутри топки 46 парогенераторов 40 и 70 - сокращенное обозначение участков, где требуется использование определенного типа трубы. В некоторых случаях величина теплового потока в зоне (зонах) над "высокотемпературным теплопотоком" QH не снижается достаточно для образования зоны "низкотемпературного теплопотока" QL, появляется зона "среднетемпературного теплопотока" QM, и в этих соответствующих участках используются ребристые трубы (MLR 32, 36 с множеством паропроводов (а не гладкие трубы 20) в стенках 48 корпуса. В других случаях величины теплового потока снижаются в достаточной степени до уровня зоны "низкотемпературного теплопотока" QL и снова могут использоваться гладкие трубы 20.
Как показано на фиг. 5 и 6, прямоточный парогенератор 40 с вертикальной трубной системой, работающий на скользящем давлении, имеет топку новой конструкции, которая включает гладкие трубы 20, заключенные в панелях 60 стенки корпуса с гладкими трубами, расположенных в зонах низкотемпературных теплопотоков топки 46, и комбинацию панелей 62 стенки корпуса с ребристой трубой 24 с одним паропроводом и панелей 64 стенки корпуса с ребристыми трубами 32, 36 с множеством паропроводов, расположенных в зонах высокотемпературного и среднетемпературного теплопотоков QH и QM с тем, чтобы способствовать избежанию кризиса пузырькового кипения и критического теплового потока и ограничить повышение температуры металла труб. Фиг. 9 - 11 показывают поперечный разрез этих панелей.
Как показано на фиг. 7 и 8, прямоточный парогенератор 70 со спиральной трубной системой, работающий на скользящем давлении, имеет топку новой конструкции, которая включает трубы 20 с гладким стволом, заключенные в панелях 60 стенки корпуса со спиральными гладкими трубами, расположенных в зонах низкотемпературных теплопотоков QL топки 46, и комбинацию панелей 62 стенки корпуса с ребристой трубой 24 с одним паропроводом и панелей 64 стенки корпуса с ребристыми трубами 32, 36 с множеством паропроводов, расположенных в зонах высокотемпературного и среднетемпературного теплопотоков QH и QM, чтобы избежать кризиса пузырькового кипения, критического теплового потока и перегрева металла труб. Как показано на фиг. 7 и 8 трубы, образующие стенки 48 корпуса наклонены под острым углом θ от горизонтали, обычно 5-10o, и охватывают весь периметр топки 46, начиная c нижней части топки 46. Несколько выше, что определяется различными, известными специалистам параметрами, направление труб становится вертикальным, что продиктовано особенностями конструкции и соображениями, касающимися необходимой опоры.
Прямоточный котел или парогенератор извлекает пользу из характеристики естественной циркуляции потока при более низких нагрузках, потому что изменение потока в трубах, образующих стенки 48 корпуса, происходящее в результате изменений теплоты, будет компенсировано таким образом, что труба будет защищена от возможности создания критического теплового потока. Если тепло, поглощаемое трубой, увеличивается, поток пропорционально увеличивается. Изменение теплоты в стенках топки или более низких нагрузках, например, приблизительно ниже 70% нагрузки, может быть большим, чем при нагрузках, превышающих 70%. Кроме того, расход потока в трубе пропорционален нагрузке, поэтому при меньшей нагрузке, например, приблизительно 50% нагрузки, поток будет равен половине расхода потока при полной нагрузке.
Поэтому в конструкции должны учитываться тепловой поток и возможные изменения потока, которые могут иметь место при всех возможных нагрузках. Использование характеристик естественной циркуляции потока при более низких нагрузках помогает снизить возможность возникновения условий критического теплового потока, давая возможность потоку увеличиваться для увеличения теплового потока, воздействующего на трубу. Если бы котел или парогенератор работал с прямоточными характеристиками потока при сниженных нагрузках, это оказалось бы нецелесообразным, так как поток уменьшается с увеличением теплового потока, в результате чего создается наихудшая ситуация с точки зрения возникновения критического теплового потока. Характеристика естественной циркуляции потока желательна при более низких нагрузках котла или парогенератора (70% нагрузки), в то время, как при более высоких нагрузках целесообразны характеристики прямоточного потока.
В прямоточном парогенераторе 40 с вертикальной трубной системой, работающем на скользящем давлении, и в прямоточном парогенераторе 70 со спиральной трубной системой, работающем на скользящем давлении, длина и расположение комбинаций ребристых труб с одним и множеством паропроводов устанавливается для каждой панели 64, 62 для достижения оптимальных характеристик потока с естественной циркуляцией внутри ребристых труб 24 с одним паропроводом и ребристых труб 32, 36 с множеством паропроводов. Так как ребристые трубы 24 с одним паропроводом имеют большее гидравлическое сопротивление, чем ребристые трубы 32, 36 с множеством паропроводов или гладкие трубы 20, их использование должно быть ограничено только местами, где они абсолютно необходимы, так как большее гидравлическое сопротивление имеет тенденцию уменьшать необходимый эффект естественной циркуляции. Однако надлежащее расположение и правильные пропорции ребристых труб 24 с одним паропроводом и ребристых труб 32, 36 с множеством паропроводов по периферии снижает до минимума разницы в температурах текучей среды и металла во всех трубных панелях мембранных стенок с вертикальной системой или в трубных панелях мембранных стенок со спиральным контуром на всех уровнях, поддерживая температуру ниже допустимого предела, равного 100o F при всех нагрузках.
При характеристике потока естественной циркуляции трубы в испарителях парогенераторов 40, 70 имеют одинаковые температуры на выходе, несмотря на различные тепловые характеристики, которые зависят от конструкции труб, вертикальной или спиральной. Система расположения каждого типа трубы является функцией геометрического размера топки, качества и типа топлива и необходимых изменений нагрузки установки. Использование вышеописанного принципа работы может легко осуществляться как для панелей с вертикальной системой, так и спиральной системой ориентации в топке 46 каждого типа парогенераторов 40, 70. Расположение переходных участков между видами труб в одной панели может быть на том же или на разных уровнях, как выше, так и ниже, чем расположение переходных участков между видами труб в примыкающей панели.
Кроме того, для пояснения расположения элементов парогенераторов 40 и 70, где находятся различные типа труб 20 с гладким стволом, ребристых труб 24 с одним паропроводом и ребристых труб 32 с множеством паропроводов, на фиг. 5 - 8 включен вертикальный вариант 80, где указываются несколько зон топки 46. Нижний участок 82, первый промежуточный участок 84, второй промежуточный участок 86 и верхний участок 88 начинаются внизу топки 46 и направлены прямо и вертикально вверх по порядку. Верхний участок 88 далее подразделяется (примеры реализации фиг. 6 и 8) на первую часть 90 и вторую часть 92, расположенную прямо и вертикально над первой частью 90. Различные типы труб 20, 24 и 32, как это видно на чертежах, расположены в упомянутых участках, как было ясно в предыдущем описании, в зависимости от условий термогидравлики, в которых они должны находиться.
Настоящее изобретение решает проблемы термогидравлики, связанные с использованием ребристых труб с множеством паропроводов и труб с гладким стволом в известных прямоточных парогенераторах на скользящем давлении с вертикальной системой труб, так и в прямоточных установках на скользящем давлении со спиральной трубной системой и даже горизонтальной трубной системой. В прямоточном парогенераторе с горизонтальной трубной системой острый угол θ будет 0o; после того, как трубы завершают один виток по внешнему периметру топки, они затем изгибаются к вертикали на небольшое расстояние для достижения необходимого вертикального смещения от предыдущего уровня и снова начинают свой горизонтальный виток, обычно в направлении, противоположном их начального горизонтального направления. Использование топки с вертикальной трубной системой, согласно данному изобретению, дает огромные преимущества в стоимости по сравнению с известными установками со спиральной трубной системой. Настоящее изобретение позволяет использование более низких минимальных нагрузок с меньшим падением давления по всей системе топки, что дает возможность применять небольшие насосы, которые требуют меньше энергии. Использование усовершенствованного прямоточного котла на скользящем давлении этой конструкции гарантирует увеличение эффективности при полных и частичных нагрузках известных прямоточных генераторов и барабанных котлов докритического давления.
Реферат
Устройство предназначено для получения электроэнергии. Прямоточный парогенератор с вертикальной трубной системой, работающий на скользящем давлении, включает топку, имеющую выход и теплообменные поверхности, сделанные из труб с гладким стволом, ребристых труб с одним паропроводом (SLR) и ребристых труб с множеством паропроводов (MLR). Все эти трубы предпочтительно изготовлены как мембранные стенки из трубных панелей. Парогенератор включает топливные горелки для сжигания топлива и воздуха внутри корпуса, создающего зоны низкотемпературного, среднетемпературного и высокотемпературного теплопотоков внутри топки. Жидкотекучая среда течет через трубы панелей стенок для создания эффективного теплообмена. Трубы с гладким стволом расположены в зонах низкотемпературного теплопотока, а ребристые трубы с одним паропроводом (SLR) и ребристые трубы с множеством паропроводов (МLR) расположены в зонах высокотемпературного и среднетемпературного теплопотоков. Использование прямоточного котла на скользящем давлении гарантирует увеличение эффективности при полных и частичных нагрузках известных прямоточных генераторов и барабанных котлов докритического давления. 3 с. и 16 з.п.ф-лы, 11 ил.
