Прямоточный парогенератор и способ пуска в действие прямоточного парогенератора - RU2188357C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к прямоточному парогенератору согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Парогенератор такого вида известен из европейской заявки ЕР 0308728 A1.

В прямоточном парогенераторе нагрев множества испарительных труб, образующих вместе газонепроницаемую наружную стенку камеры сгорания, приводит к полному испарению текучей среды в испарительных трубах за один проход. Текучая среда - обычно вода - после ее испарения подводится к подключенным после испарительных труб пароперегревательным трубам и там перегревается. Прямоточный парогенератор в противоположность парогенератору с естественной циркуляцией не подлежит никакому ограничению давления так, что давления свежего пара могут быть значительно выше критического давления воды (Pkrit = 221 бар), где имеется еще только малое отличие плотности между средой, подобной жидкости, и средой, подобной пару. Высокое давление свежего пара способствует достижению высокого теплового коэффициента полезного действия и тем самым низких эмиссии СО₂ электростанции, работающей на ископаемом топливе.

Подобный прямоточный парогенератор может быть выполнен в виде конструкции с одним газоходом или с двумя газоходами. В прямоточном парогенераторе в виде конструкции с одним газоходом трубы парогенератора обычно газонепроницаемо сварены друг с другом для образования наружной стенки одного единственного газохода, причем газоход расположен вертикально. Образующие наружную стенку газохода трубы парогенератора при этом содержат, как правило, как испарительные трубы, так и включенные после них на стороне текучей среды пароперегревательные трубы. В нижней пространственной области газохода обычно предусмотрена камера сгорания с множеством горелок для ископаемого топлива.

В случае прямоточного парогенератора в виде конструкции с двумя газоходами трубы парогенератора обычно также газонепроницаемо сварены друг с другом для образования наружной стенки вертикально расположенного первого газохода. В таком типе конструкции после первого газохода, однако, на стороне топочного газа через горизонтальный газоход подключен второй вертикально расположенный газоход, наружная стенка которого также образована парогенераторными трубами и который обычно обтекается топочным газом сверху вниз. Прямоточный парогенератор в виде конструкции с двумя газоходами имеет обычно по сравнению с прямоточным парогенератором в виде конструкции с одним газоходом более низкую конструктивную высоту и отличается от него по многим расчетным параметрам.

В случае прямоточного парогенератора в виде конструкции с двумя газоходами трубы парогенератора, образующие наружную стенку первого газохода, обычно рассчитаны как испарительные трубы, трубы парогенератора, рассчитанные же как пароперегревательные трубы, являются частью наружной стенки второго газохода и/или частью стеночкой поверхности нагрева горизонтального газохода. Другими словами: трубы парогенератора, принадлежащие горизонтальному газоходу и принадлежащие второму газоходу, обычно подключены на стороне текучей среды после труб парогенератора, принадлежащих первому газоходу. Для этого трубы парогенератора, принадлежащие первому газоходу, впадают на стороне выхода в общий для них выходной коллектор, к которому через сепаратор пароводяной смеси и через множество расположенных в горизонтальном газоходе поверхностей нагрева подключен входной коллектор для труб парогенератора, принадлежащих второму газоходу.

В прямоточном парогенераторе, известном из европейской заявки ЕР 0308728 А1, множество включенных параллельно для протекания текучей среды труб парогенератора соединены друг с другом в испарительную поверхность нагрева, которая является частью наружной стенки первого газохода. При этом образующие испарительную поверхность нагрева трубы парогенератора входят на стороне выхода в общий для них выходной коллектор, расположенный на высоте, более низкой по сравнению с нижним краем горизонтального газохода.

В случае такой компоновки, в частности, при вводе в действие, обозначаемом как пуск из горячего состояния, после сравнительно короткого времени простоя перед зажиганием горелок, при заполнении труб парогенератора еще горячего прямоточного парогенератора холодной питательной водой могут появляться значительные разницы температур между трубами парогенератора, принадлежащими первому газоходу, и трубами парогенератора, принадлежащими наружной стенке горизонтального газохода. Подобные разницы температуры могут вызывать недопустимые тепловые напряжения, в частности, в месте соединения, в котором наружная стенка первого газохода сварена со стенкой горизонтального газохода. Вследствие подобных тепловых напряжений, в частности при частых процессах пуска в действие, срок службы подобного прямоточного парогенератора вследствие высокой переменной нагрузки является только ограниченным. Тепловые напряжения возникают при этом в особенной степени после только краткой остановки прямоточного парогенератора, то есть, например, после ночного простоя, так как тогда прямоточный парогенератор обычно еще имеет температуру, повышенную по сравнению с температурой питательной воды.

В основе изобретения поэтому лежит задача указать прямоточный парогенератор, выполненный в виде конструкции с двумя газоходами, который имеет особенно большой срок службы также при частых процессах пуска в действие. Кроме того, должен быть указан особенно выгодный способ пуска в действие подобного прямоточного парогенератора.

Относительно прямоточного парогенератора выше названного вида эта задача решается согласно изобретению за счет того, что после выходного коллектора на стороне текучей среды непосредственно подключена ширмовая поверхность нагрева, причем ширмовая поверхность нагрева расположена в пространственной области внутри первого газохода выше камеры сгорания и причем после ширмовой поверхности нагрева на стороне текучей среды включен сепаратор пароводяной смеси.

Под ширмовой поверхностью нагрева при этом должно пониматься множество параллельно включенных для протекания текучей среды, впадающих в общий входной и в общий выходной коллектор труб парогенератора, причем трубы парогенератора лежат плотно рядом друг с другом в одной плоскости и тем самым образуют множество подобных пластине поверхностей нагрева, которые подвешены внутри газохода.

Изобретение исходит при этом из рассуждения, что тепловые напряжения между наружной стенкой первого газохода и стенками горизонтального газохода для достижения особенно большого срока службы прямоточного парогенератора также при частых процессах пуска в действие должны поддерживаться особенно малыми. Для этого разницы температуры между принадлежащими к первому газоходу трубами парогенератора, заполненными непосредственно перед зажиганием горелок холодной питательной водой, и еще сравнительно горячими при пуске из горячего состояния стенками горизонтального газохода должны поддерживаться особенно малыми.

Для этого, с одной стороны, выходной коллектор труб парогенератора, принадлежащих первому газоходу, расположен на высоте, выбранной таким образом, что исключается непосредственный контакт труб парогенератора, наполненных перед пуском в действие холодной питательной водой, с еще горячими при пуске из горячего состояния стенками горизонтального газохода. С другой стороны, для особенно эффективного охлаждения труб парогенератора, принадлежащих к горизонтальному газоходу, уже во время пуска в действие поверхности нагрева, предусмотренные для производства пара, выполнены с особенно большими размерами. Для этого к трубам парогенератора, образующим испарительные поверхности нагрева, в качестве дополнительной поверхности нагрева, предусмотренной для производства пара, подключена ширмовая поверхность нагрева.

При этом ширмовая поверхность нагрева расположена в пространственной области внутри первого газохода выше камеры сгорания, предусмотренной в первом газоходе. Ширмовая поверхность нагрева расположена таким образом в пространственной области, особенно сильно нагреваемой также при пуске в действие прямоточного парогенератора, и способствует в особенно высокой степени производству пара. Тем самым также уже при пуске в действие прямоточного парогенератора производится большое количество пара, которое способствует особенно эффективному охлаждению рассчитанных как пароперегревательные трубы труб парогенератора, подключенных после труб парогенератора, предусмотренных в качестве испарительных труб.

Для достижения особенно малых тепловых напряжений между стеночными поверхностями нагрева первого газохода и стеночными поверхностями нагрева горизонтального газохода в пространственной области выше расположенных в первом газоходе горелок и ниже нижнего края газохода предпочтительно предусмотрена примерно горизонтальная разделительная линия между трубами парогенератора, заполненными при пуске в действие водой и заполненными при пуске в действие паром. Эта разделительная линия конструктивно может быть выполнена так, что появляющиеся в этом месте тепловые напряжения поддерживаются особенно малыми. Тем самым надежно избегается соединение поверхностей нагрева, в значительной степени различно охлажденных при пуске в действие в переходной области от первого газохода к горизонтальному газоходу.

Для этого сепаратор пароводяной смеси, развязывающий во время эксплуатации обтекаемые испаряющейся текучей средой испарительные трубы от обтекаемых испаренной текучей средой пароперегревательных труб, включен на стороне текучей среды после ширмовой поверхности нагрева.

Предпочтительные формы развития изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

В дальнейшей предпочтительной форме выполнения изобретения выпуск на стороне пара сепаратора пароводяной смеси подключен к входному коллектору для множества дальнейших труб парогенератора, предусмотренных в качестве пароперегревательных труб, причем эти трубы парогенератора образуют верхнюю часть наружной стенки первого газохода и причем этот входной коллектор расположен на высоте, меньшей по сравнению с нижним краем горизонтального газохода.

Относительно способа для пуска в действие подобного прямоточного парогенератора, выполненного в виде конструкции с двумя газоходами, названная задача решается тем, что после начала выброса воды из труб парогенератора, образующих испарительную поверхность нагрева, расход текучей среды в них временно уменьшают.

При пуске в действие прямоточного парогенератора часть содержащейся в испарительных трубах не испаренной текучей среды или воды замещают паром. Этот процесс происходит во время пуска в действие и приводит к кратковременно повышенному расходу текучей среды на выходе испарительных труб, называемом также выбросом воды. Выброс воды обычно должен отводиться из прямоточного парогенератора и поэтому вызывает потерю тепла для прямоточного парогенератора.

В случае особенно выгодного способа пуска в действие прямоточного парогенератора выброс воды поэтому должен поддерживаться особенно малым. Это является достижимым для представленного выше прямоточного парогенератора за счет того, что перед зажиганием горелок трубы парогенератора, принадлежащие наружной стенке первого газохода, заполняют вначале до высоты включенного после них выходного коллектора не испаренной текучей средой. Избыточную, не испаренную текучую среду при этом в обход ширмовой поверхности нагрева направляют через байпасный клапан непосредственно к сепаратору пароводяной смеси. С зажиганием горелок к трубам парогенератора, выполненным в виде испарительных труб, вначале подводят начальный массовый поток текучей среды или питательной воды. Текучая среда частично испаряется в трубах парогенератора, впадающих в выходной коллектор, причем не испаренная текучая среда попадает во включенную после выходного коллектора ширмовую поверхность нагрева. Так как она также рассчитана как испарительная поверхность нагрева и тем самым является запитываемой не испаренной текучей средой, попадающая туда не испаренная текучая среда испаряется дальше без вредных воздействий. При этом надежно обеспечено достаточное охлаждение всех труб парогенератора, причем массовый поток питательной воды для особенно малого выброса воды после начала выброса воды вначале временно снижают.

Предпочтительным образом расход текучей среды через трубы парогенератора, образующие испарительную поверхность нагрева, после его снижения устанавливают пропорционально к топочной тепловой мощности прямоточного парогенератора.

Достигаемые с помощью изобретения преимущества заключаются, в частности, в том, что за счет расположенного на высоте между присвоенными первому газоходу горелками и нижним краем горизонтального газохода выходного коллектора испарительной поверхности нагрева создана приблизительно горизонтальная разделительная линия между трубами парогенератора, заполненными при пуске водой, и трубами парогенератора, заполненными при пуске паром, в особенно выгодной для избежания тепловых напряжений пространственной области. Появление тепловых напряжений в переходной области от первого газохода к горизонтальному газоходу при этом надежно избегается так, что прямоточный парогенератор имеет особенно большой срок службы также при частых процессах пуска в действие. За счет ширмовой поверхности нагрева к тому же обеспечивается, что при пуске в действие имеется достаточно большая испарительная поверхность нагрева, чтобы выработать особенно большой массовый поток пара и тем самым обеспечить надежное охлаждение всех труб парогенератора. За счет ширмовой поверхности нагрева, кроме того, создан промежуточный накопитель для выбрасываемой из испарительной поверхности нагрева не испаренной текучей среды. Попавшая в испарительную поверхность нагрева не испаренная текучая среда испаряется там так, что количество воды, подлежащее отведению из прямоточного парогенератора при пуске в действие вследствие выброса воды, является особенно малым.

Пример выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью чертежей, где
на фиг.1 схематически изображен прямоточный парогенератор в виде конструкции с двумя газоходами,
на фиг.2 - вырез из наружной стенки прямоточного парогенератора согласно фиг. 1,
на фиг.3 - входной коллектор и выходной коллектор прямоточного парогенератора согласно фиг. 1.

Одинаковые детали на всех фигурах снабжены одинаковыми ссылочными позициями.

Прямоточный парогенератор 1 согласно фиг. 1 содержит множество горелок 2 для ископаемого топлива, которые схематически представлены на фиг. 1 посредством их главных осей. Горелки 2 расположены в камере сгорания 4, которая образована нижней частью наружной стенки 6 вертикально расположенного первого газохода 8. Наружная стенка 6 переходит на нижнем конце образованного ею первого газохода 8 в дно 10, имеющее форму воронки.

Прямоточный парогенератор 1 согласно фиг. 1 выполнен в виде конструкции с двумя газоходами. Для этого после первого газохода 8 для возникающего при сгорании ископаемого топлива топочного газа через горизонтальный газоход 12 подключен второй газоход 14. Второй газоход 14 при этом расположен также вертикально.

Наружная стенка 6 первого газохода 8 выполнена из труб парогенератора 16, 17, которые газонепроницаемо соединены, например сварены, друг с другом на своих длинных сторонах. Аналогичным образом наружная стенка 18 второго газохода 14 также выполнена из не представленных более подробно труб парогенератора, которые газонепроницаемо соединены друг с другом на своих длинных сторонах. Горизонтальный газоход 12 в свою очередь содержит множество не представленных более подробно труб парогенератора, которые объединены в поверхности нагрева 20, расположенные в его также выполненной газонепроницаемой наружной стенке. Как представлено на фиг. 1, образующие наружную стенку 6 первого газохода 8 трубы парогенератора 16, 17 расположены вертикально. Альтернативно трубы парогенератора 16, 17 могут быть расположены стоящими наклонно по типу винтовой обмотки вокруг первого газохода.

Трубы парогенератора 16, образующие в нижней пространственной области наружную стенку 6 первого газохода 8, выполнены как испарительные трубы и объединены в множество испарительных поверхностей нагрева 22, каждая из которых является частью наружной стенки 6 первого газохода 8. Трубы парогенератора 16 каждой испарительной поверхности нагрева 22 включены параллельно для протекания воды в качестве текучей среды и подключены своими входными концами к не представленному на чертежах общему входному коллектору и своими выходными концами к общему выходному коллектору 24.

К выходному коллектору 24 на стороне текучей среды подключена ширмовая поверхность нагрева 26. Ширмовая поверхность нагрева 26 при этом выполнена из множества не представленных на чертеже более подробно, включенных параллельно для протекания текучей среды труб парогенератора, которые подключены на стороне входа к общему входному коллектору 28 и на стороне выхода к общему выходному коллектору 30. Образующие ширмовую поверхность нагрева 26 трубы парогенератора расположены лежа плотно рядом друг с другом в одной плоскости и образуют множество подобных пластине поверхностей нагрева, которые подвешены внутри первого газохода 8 или горизонтального газохода 12.

После ширмовой поверхности нагрева 26 на стороне текучей среды подключен сепаратор пароводяной смеси 34, выпуск 36 которого на стороне пара подключен к входному коллектору 38 для множества дальнейших для лучшей наглядности только намеченных на фиг. 1 труб парогенератора 17. Дальнейшие трубы парогенератора 17 рассчитаны как пароперегревательные трубы и объединены в множество не представленных более подробно пароперегревательных поверхностей нагрева, которые в верхней пространственной области 32 образуют наружную стенку 6 первого газохода 8. В путь течения между выходным коллектором 24 и сепаратором пароводяной смеси 34 в обход ширмовой поверхности нагрева 26, кроме того, включен запираемый байпасным клапаном 40 байпасный трубопровод 42.

Как представлено на фиг. 2, трубы парогенератора 16, 17 смонтированы в области на высоте выходного коллектора 24 и входного коллектора 38 в зубчатом расположении в наружную стенку 6 первого газохода 8. Для этого в нижней пространственной области трубы парогенератора 16, образующие наружную стенку 6 первого газохода 8, объединены в две группы труб парогенератора 16а и 16b, причем принадлежащие первой группе трубы парогенератора 16а имеют большую длину, чем принадлежащие второй группе трубы парогенератора 16b. Аналогично в верхней пространственной области трубы парогенератора 17, образующие наружную стенку 6 первого газохода 8, объединены в две группы труб парогенератора 17а и 17b, причем принадлежащие первой группе трубы парогенератора 17а имеют большую длину, чем принадлежащие второй группе трубы парогенератора 17b.

Каждая из сравнительно более коротких труб парогенератора 17b при этом расположена выше соответственно сравнительно более длинной трубы парогенератора 16а, причем каждая из сравнительно более длинных труб парогенератора 17а расположена выше соответственно сравнительно более короткой трубы парогенератора 16b. Как представлено на фиг. 3, как сравнительно более короткие трубы парогенератора 16b, так и сравнительно более длинные трубы парогенератора 16а впадают в выходной коллектор 24, причем для сравнительно более длинных труб парогенератора 16а предусмотрен соответственно подводящий отрезок трубы 16с. Аналогично как сравнительно более короткие трубы парогенератора 17а, так и сравнительно более длинные трубы парогенератора 17b подключены к входному коллектору 38.

Вследствие зубчатого расположения труб парогенератора 16, 17 в области выходного коллектора 24 и входного коллектора 38 обеспечивается выравнивание температур также при различном нагреве и/или различном охлаждении труб парогенератора 16 по сравнению с дальнейшими трубами парогенератора 17. Появляющиеся тепловые напряжения таким образом поддерживаются особенно малыми.

Как видно из фиг. 1, после дальнейших труб парогенератора 17 на стороне текучей среды через расположенные в горизонтальном газоходе 12 поверхности нагрева 20 подключены трубы парогенератора, образующие наружную стенку 18 второго газохода 14. Как трубы парогенератора, образующие поверхности нагрева 20 горизонтального газохода 12, так и трубы парогенератора, образующие наружную стенку 18 второго газохода 14, предусмотрены в качестве пароперегревательных труб и согласованы относительно их расчета с параметрами текучей среды и топочного газа, зависящими от места их расположения.

Выходной коллектор 24, в который впадают трубы парогенератора 16, образующие испарительные поверхности нагрева 22, расположен на высоте, более низкой по сравнению с нижним краем 44 горизонтального газохода 12. Общий входной коллектор 38, включенный перед выполненными в виде перегревательных труб дальнейшими трубами парогенератора 17, в противоположность этому расположен на высоте между выходным коллектором 24 и нижним краем 44 горизонтального газохода, то есть по сравнению с выходным коллектором 24 на большей и по сравнению с нижним краем 44 горизонтального газохода 12 на меньшей высоте. Альтернативно входной коллектор 38 может, однако, быть расположен также на меньшей по сравнению с выходным коллектором 24 высоте.

Для пуска в действие прямоточного парогенератора 1 перед зажиганием горелок 2 принадлежащие первому газоходу 8 образующие в нижней пространственной области наружную стенку 6 трубы парогенератора 16 вначале заполняют не испаренной текучей средой, то есть водой, до высоты включенного после них выходного коллектора 24. Байпасный клапан 40 в этом рабочем состоянии открыт. С зажиганием горелок 2 к выполненным в виде испарительных труб трубам парогенератора 16 подводят сначала начальный массовый поток питательной воды. Подведенная питательная вода частично испаряется в трубах парогенератора 16, впадающих в общий выходной коллектор 24, причем не испарившийся остаток питательной воды попадает в подключенную после выходного коллектора 24 ширмовую поверхность нагрева 26. Она также рассчитана как испарительная поверхность нагрева и таким образом может запитываться без вредных воздействий не испарившейся питательной водой. Не испарившийся остаток питательной воды таким образом в основном испаряется в ширмовой поверхности нагрева 26. Часть выступающего из выходного коллектора 24 массового потока при этом при необходимости может подводиться через байпасный трубопровод 42 непосредственно к сепаратору пароводяной смеси 34.

За счет ширмовой поверхности нагрева 26, предусмотренной в качестве испарительной поверхности нагрева дополнительно к расчитанным как испарительные трубы трубам парогенератора 16, имеющаяся таким образом в распоряжении для выработки пара в целом поверхность нагрева является особенно большой. Таким образом, также при подводе только малого массового потока питательной воды обеспечено достаточное производство пара для надежного охлаждения всех включенных после сепаратора проводяной смеси 34 труб парогенератора, выполненных в виде пароперегревательных труб.

Для того чтобы во время пуска в действие поддерживать особенно малым выходящий из ширмовой поверхности нагрева 26 остаток не испарившейся питательной воды, обозначаемый как выброс воды, подведенный к трубам парогенератора 16 массовый поток питательной воды при этом в начальной фазе процесса пуска вначале предварительно снижают, исходя из начального значения. После его снижения подведенный к трубам парогенератора 16 массовый поток питательной воды устанавливают пропорционально к топочной тепловой мощности прямоточного парогенератора 1.

За счет выходного коллектора 24 испарительной поверхности нагрева 22, расположенного на высоте между принадлежащими первому газоходу 8 горелками 2 и нижним краем 44 горизонтального газохода 12, создана приблизительно горизонтальная разделительная линия между трубами парогенератора 16, заполненными при пуске водой, и трубами парогенератора 17, заполненными паром. Тепловые напряжения между соседними частями стенки газоходов 8, 12, 14 могут поэтому появляться прежде всего в окрестности этой горизонтальной разделительной линии, которая определена выходным коллектором 24 и входным коллектором 38. Появление тепловых напряжений в переходной области от первого газохода 8 к горизонтальному газоходу 12 при этом надежно исключается так, что прямоточный парогенератор 1 имеет особенно долгий срок службы также при частых процессах пуска в действие. Кроме того, вследствие зубчатого расположения труб парогенератора 16, 17 в области выходного коллектора 24 и входного коллектора 38 также при различном нагреве и/или различном охлаждении труб парогенератора 16 по сравнению с дальнейшими трубами парогенератора 17 обеспечено выравнивание температуры. Появляющиеся тепловые напряжения таким образом поддерживаются особенно малыми.

За счет ширмовой поверхности нагрева 26, кроме того, обеспечено, что при пуске в действие в распоряжении имеется достаточно большая испарительная поверхность нагрева, чтобы также гарантировать надежное охлаждение подключенных к трубам парогенератора 16 на стороне текучей среды, выполненных в виде пароперегревающих труб, дальнейших труб парогенератора 17. За счет ширмовой поверхности нагрева 26, кроме того, создан промежуточный накопитель для выбрасываемой из испарительной поверхности нагрева 22 не испаренной текучей среды. Попавшая в ширмовую поверхность нагрева 26 не испаренная текучая среда испаряется там так, что выброс воды прямоточного парогенератора 1 при пуске в действие и связанная с этим потеря тепла являются особенно малыми.

Реферат

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в прямоточных парогенераторах при производстве пара. В прямоточном парогенераторе, выполненном с двумя газоходами, соединенными через горизонтальный газоход согласно изобретению, множество параллельно включенных для протекания текучей среды труб соединены друг с другом в испарительную поверхность нагрева, которая является частью наружной стенки первого газохода, причем трубы парогенератора, образующие испарительную поверхность нагрева, впадают на стороне выхода в общий для них, расположенный на более низкой высоте по сравнению с нижним краем горизонтального газохода выходной коллектор, к которому подключена ширмовая поверхность нагрева, расположенная в области первого газохода выше камеры сгорания, а к ширмовой поверхности нагрева подключен сепаратор пароводяной смеси. Во время пуска парогенератора после начала выброса воды из труб, образующих испарительную поверхность нагрева, уменьшают расход воды в них. Такое выполнение парогенератора и способ его пуска повышают его надежность за счет снижения тепловых напряжений. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Формула