ПАРОВОЙ КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР С БЛОКОМ ДОЖИГАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
STEAM RECOVERY BOILER WITH ASSEMBLY OF AFTERBURNING DEVICES

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в энергетических парогазовых установках (ПГУ) с газотурбинными двигателями, паровыми турбинами и котлами-утилизаторами (КУ), снабженными блоками дожигающих устройств (БДУ).
Наибольший эффект может быть достигнут в теплофикационных ПГУ, где БДУ используют для покрытия пиковых тепловых нагрузок в холодный период с одновременной компенсацией снижения мощности паровой турбины из-за увеличения давления в теплофикационных отборах пара в этот период.
Известен паровой котел-утилизатор, в котором применено типовое решение, состоящее в наличии блока дожигающих устройств, размещенного на входе КУ по греющим газам, перед пароперегревательным участком (Л.В.Арсеньев, В.Г.Тырышкин. Комбинированные установки с газовыми турбинами. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1982, с.59, рис.II.I, б).
Недостатками известного устройства являются увеличение габаритов КУ, увеличение потерь на внешнее охлаждение и затрат на теплоизоляцию и теплозащиту, а также относительно малый диапазон изменения паропроизводительности КУ за счет БДУ.
Известен паровой КУ с БДУ, примененный в теплофикационной ПГУ Nossener Brücke в г.Дрезден, Германия, содержащий последовательно расположенные по ходу греющих газов пароперегревательный и испарительный участки ПЕ и И, снабженный двумя БДУ, первый из которых установлен на входе в КУ по греющим газам, перед пароперегревательным участком ПЕ, второй - перед газовым подогревателем сетевой воды ГПС (Цанев С. В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов под ред. С.В. Цанева - М.: Изд-во МЭИ, 2002 - с.426, рис.9.32),
Это известное техническое решение по совокупности признаков является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
Недостатки устройства, принятого за прототип, связаны с размещением БДУ в КУ перед пароперегревателем. Это, во-первых, необходимость выдерживать расстояние от горелок БДУ до поверхностей нагрева пакета труб пароперегревателя не менее 5 м - для выравнивания температуры и скорости газового потока (там же, с.287) - и, соответственно, увеличение габаритов КУ, увеличение потерь на внешнее охлаждение и затрат на теплоизоляцию и теплозащиту. Во-вторых, относительно малый диапазон изменения паропроизводительности КУ за счет БДУ вследствие ограничений по допустимой температуре стенок труб пароперегревателя (с учетом температурной разверки в поперечном сечении газового тракта за БДУ и неизбежного возрастания разверки температур пара в трубах пароперегревателя), по температуре стенок газового тракта КУ непосредственно за БДУ (по соображениям теплозащиты несущих конструкций КУ и снижения теплопотерь на внешнее охлаждение), а также вследствие ограничений по допустимым значениям температуры и давления пара в.д. перед паровой турбиной.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными или эквивалентными предлагаемым, при этом изобретение не вытекает явным для специалиста образом из известного уровня техники и определенного заявителем.
Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков, позволило выявить в заявленном устройстве совокупность существенных отличительных признаков по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, изложенную в нижеприведенной формуле изобретения.
Изобретение обеспечивает компактность размещения БДУ в котле-утилизаторе, снижение теплопотерь на внешнее охлаждение и затрат на теплоизоляцию и теплозащиту, расширение диапазона изменения паропроизводительности за счет БДУ в рамках существующих ограничений по температуре стенок теплообменных поверхностей и по температуре и давлению пара перед паровой турбиной.
Предложен паровой котел-утилизатор с блоком дожигающих устройств, включающий последовательно расположенные по ходу греющих газов пароперегревательный и испарительный участки, при этом блок дожигающих устройств размещен по ходу газов между пароперегревательным и испарительным участками.
Паровой котел-утилизатор может быть снабжен экранирующими испарительными поверхностями, являющимися частью испарительного участка и установленными на стенках газового тракта котла-утилизатора между блоком дожигающих устройств и испарителем.
Расстояние от горелок БДУ до пакета испарителя в заявляемом КУ может быть уменьшено до размеров факела, поскольку разверка и флуктуации температур по поперечному сечению газового тракта за БДУ не приведут к разверке температур воды и пароводяной смеси в трубах испарителя, т.к. температура воды в трубах испарителя постоянна и одинакова, при этом по мере прохождения газа через испаритель скачки температур газа нивелируются вследствие увеличения локальных тепловых потоков в местах повышенных температур газа и, наоборот, снижения тепловых потоков там, где локальные температуры газа при прохождении испарителя оказываются ниже среднего уровня.
Более компактное размещение БДУ с возможностью экранировки стенок котла, в случае необходимости, испарительными поверхностями позволяет значительно снизить теплопотери на внешнее охлаждение КУ и затраты на теплоизоляцию и теплозащиту.
<mrow><mi>P</mi><mo>∼</mo><mi>G</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mi>T</mi></msqrt></mrow>
Диапазон изменения паропроизводительности КУ за счет БДУ при его размещении перед испарителем также может быть значительно увеличен, во-первых, потому, что дожигание топлива начинается при более низкой температуре газа за пароперегревателем, во-вторых, в силу гарантированного непревышения максимально допустимого уровня температуры стенок водоохлаждаемых поверхностей (каковыми являются поверхности испарителя), в-третьих, благодаря снижению (а не повышению) температуры пара перед паровой турбиной при использовании БДУ и, как следствие, более плавному повышению давления перед паровой турбиной (Р), меняющегося в примерно пропорциональной зависимости от произведения расхода пара (G) на квадратный корень от температуры (Т) в градусах Кельвина (
).
Сущность изобретения поясняется представленными на фиг.1 и фиг.2 схематическими чертежами, иллюстрирующими варианты реализации изобретения по обоим пунктам формулы на примере использования заявляемого КУ в составе парогазового блока, аналогичного прототипу. На чертежах изображены:
- на Фиг.1 - паровой котел-утилизатор с ГТД и паровым КУ с блоком дожигающих устройств. Вариант с подачей воды в экранирующие поверхности из барабана;
- на Фиг.2 - паровой котел-утилизатор с ГТД и паровым КУ с блоком дожигающих устройств. Вариант с подачей воды в экранирующие поверхности из экономайзера.
Паровой котел-утилизатор содержит ГТД 1 с турбогенератором 2 и паровой КУ 3 с БДУ 4. Паровой КУ предназначен для выработки пара одного давления с использованием остаточного тепла для нагрева сетевой воды и содержит последовательно расположенные по ходу греющих газов пароперегревательный и испарительный участки 5 и 6. Согласно изобретению, БДУ 4 размещен по ходу газов между пароперегревательным и испарительным участками 5 и 6. Согласно п.2 формулы, КУ 3 может быть также снабжен экранирующими испарительными поверхностями 7, являющимися частью испарительного участка 6 и установленными на стенках газового тракта КУ 3 между БДУ 4 и испарителем 6.
В приведенном примере КУ выполнен вертикальным и содержит барабан 8 с циркуляционным насосом 9, а также экономайзер 10 с регулирующим клапаном (РК) 11, установленным на выходе экономайзера 10 по питательной воде. Экранирующие испарительные поверхности 7 на выходе по пароводяной смеси сообщены через выходной коллектор 12 с входом барабана 8 по пароводяной смеси. На входе по воде экранирующие поверхности 7 связаны:
- в варианте, приведенном на фиг.1 - с выходом барабана 8 по воде через циркуляционный насос 9;
- в варианте, приведенном на фиг.2 - с выходом экономайзера 10 через РК 11 по питательной воде.
В приведенном примере КУ 3 также содержит хвостовой экономайзер 13, установленный по ходу газов за экономайзером 10 и сообщенный на выходе по воде с входом экономайзера 10 по воде, и содержит водяной подогреватель сетевой воды 14, сообщенный на входе и выходе по греющей воде, соответственно, с выходом и входом - через циркуляционный насос 15 и РК 16 - хвостового экономайзера 13 по воде.
Паровой КУ с БДУ работает следующим образом.
Воду из хвостового экономайзера 13 подают в экономайзер 10, откуда она поступает в барабан 8 непосредственно (фиг.1) или через пароводяной тракт экранирующих поверхностей 7 (фиг.2) с регулированием по уровню воды в барабане 8 при помощи РК 11. Воду из хвостового экономайзера 10 также подают циркуляционным насосом 15 на вход подогревателя сетевой воды 14 по греющей воде с регулированием по температуре воды за хвостовым экономайзером 13 при помощи РК 16.
В период, когда тепла, отпускаемого внешнему потребителю через водяной подогреватель сетевой воды 14 и из отборов паровой турбины (на чертежах не показанной), недостаточно, включают в работу БДУ 4. За счет теплоты сгорания топлива, подаваемого в БДУ 4 и сжигаемого в остаточном кислороде выхлопных газов ГТД 1, увеличивается паропроизводительность испарителя 6.
Максимальный диапазон изменения паропроизводительности КУ за счет БДУ при его размещении перед испарителем значительно шире, чем в прототипе, во-первых, потому, что дожигание топлива в БДУ начинается при более низкой температуре газа за пароперегревателем 5 (а не перед ним, как в прототипе), во-вторых, в силу гарантированного непревышения максимально допустимого уровня температуры стенок водоохлаждаемых поверхностей испарителя 6 и водоохлаждаемых экранирующих поверхностей 7, являющихся частью испарителя 6, в-третьих, благодаря снижению (а не повышению, как в прототипе) температуры пара за пароперегревателем 5 при использовании БДУ 4.
Проблема теплозащиты и теплоизоляции стенок газового тракта (если требуется расширить диапазон изменения температуры газа перед испарителем до слишком высоких значений) может быть решена установкой экранирующих поверхностей 7, а расстояние от горелок БДУ 4 до пакета испарителя 6 может быть уменьшено до размеров факела, поскольку разверка и флуктуации температур по поперечному сечению газового тракта за БДУ 4 не приводят к разверке температур воды и пароводяной смеси в трубах испарителя 6, т.к. температура воды в трубах испарителя 6 постоянна и одинакова, при этом по мере прохождения газа через испаритель 6 скачки температур газа нивелируются вследствие увеличения локальных тепловых потоков в местах повышенных температур газа и, наоборот, снижения тепловых потоков там, где локальные температуры газа при прохождении испарителя оказываются ниже среднего уровня. Тем самым обеспечивается более компактное размещение БДУ и значительное снижение теплопотерь на внешнее охлаждение КУ и затрат на теплоизоляцию и теплозащиту стенок КУ, связанных с использованием БДУ.
Приведенный пример представлен для иллюстрации заявляемого изобретения в наиболее наглядном виде и не исчерпывает всех возможных вариантов его применения. В частности, котел-утилизатор может быть не вертикальным, а горизонтальным, может содержать поверхности не одного, а двух или более давлений, может быть не барабанного, а прямоточного типа (т.е. не иметь барабанов), соответственно, исполнение экранирующих испарительных поверхностей и их подключение к основному пакету испарителя также может быть весьма разнообразным, кроме того, котел вообще может не иметь экранирующих поверхностей, учитывая более низкую начальную температуру газа перед БДУ (по сравнению с прототипом) и более компактное размещение БДУ в КУ (небольшое расстояние от БДУ до основного пакета труб испарителя) и т.п.