СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТЕПЛООБМЕННИКА И ПАРОВОЙ КОТЕЛ, СНАБЖЕННЫЙ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТЕПЛООБМЕННИКА
METHOD AND DEVICE FOR PROTECTING HEAT EXCHANGER AND STEAM BOILER EQUIPPED WITH FACILITY FOR HEAT EXCHANGER PROTECTING

Настоящее изобретение относится к способу защиты теплообменника от воздействий, вызванных закипанием теплообменного носителя, цепи защиты парового котла и паровому котлу, снабженному устройством для защиты теплообменника. Изобретение в основном относится к защите теплообменника без внешнего управления или внешней энергии. Предпочтительно способ и цепь защиты теплообменника в соответствии с настоящим изобретением используются в таких случаях, когда тепло восстанавливается из потока топочного газа теплоэнергетических котлов в условиях, где, с одной стороны, есть опасность конденсации коррозионных веществ на теплопередающих поверхностях и, с другой стороны, закипание воды, используемой в качестве теплообменного носителя.
В современных теплоэнергетических установках тепловая энергия из топочных газов эффективно возвращается посредством охлаждения топочных газов до как можно меньшей температуры. Котел с псевдоожиженным слоем, используемый для выработки электричества, в последующем представлен в качестве примера такого процесса в соответствии с предшествующим уровнем техники. Однако способ и контур защиты теплообменника в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться для любого вида паровой котельной установки.
Химическая энергия пригодного топлива преобразуется в котле с псевдоожиженным слоем в тепловую энергию посредством его сжигания в слое инертного материала, псевдоожиженного воздухом в топке котла. Тепловая энергия восстанавливается как непосредственно с помощью тепловых поверхностей, вмонтированных в стенки топки, так и с помощью разных теплообменников, вмонтированных в отводящий канал топочного газа. На участках канала топочного газа, где температура топочных газов и температура поверхностей теплообменников остается достаточно высокой, допустимо изготавливать теплообменники из относительно недорогих металлических материалов.
Когда топочные газы охлаждаются до температуры, достаточно низкой, например от 130°С до 90°С, чтобы водяной пар конденсировался в каплях на поверхностях теплообменников, которые находятся при температурах, более низких, чем точка росы воды и кислоты, соединения в топочных газах, например двуокись серы, могут растворяться в водяных каплях и образовывать соединения, подвергающие коррозии металлические поверхности. Обычно задача состоит в том, чтобы снизить коррозию посредством изготовления теплообменников из материалов, устойчивых к коррозии, насколько возможно. В последнее время, особенно когда топочные газы содержат агрессивные соединения, производители также начали изготавливать теплообменники из подходящих пластмасс.
В теплообменниках, содержащих пластиковые детали, действующие теплообменные трубы, которые вступают в соприкосновение с дымовыми газами, обычно выполняются в виде U-образных пластиковых труб, которые прикрепляются по верхнему концу к металлическим коллекторам. Камеры, с другой стороны, вмонтированы в сеть трубопроводов рециркуляции для теплообменного носителя, в большинстве случаев - воды.
В стыках между сетью трубопроводов теплообмена и камерами используются уплотнения, которые изготовлены из пластмассы или резины, которые в высокой степени стойкие к кислотосодержащим веществам, выходящим из топочных газов в жидкой фазе. Было отмечено, что пластиковые теплообменники при использовании хорошо выдерживают как коррозию, так и другие воздействия, типичные для рабочих условий, но их слабым местом является крепление пластиковых труб к коллекторам, а особенно уплотнения, применяемые в стыках.
Доказано, что уплотнения стыков плохо выдерживают пневматические удары, которые могут формироваться в тех случаях, когда вода в жидкостном контуре теплообменника может, по меньшей мере локально, неконтролируемо закипать и образовывать пар. Когда пар в воде, проходящей в пластиковых трубах и коллекторах, конденсируется, формируются локальные точечные пневматические удары, которые могут повреждать непосредственно уплотнения. Пневматические удары также могут вызывать вибрацию во всем теплообменнике, которая постепенно разрушает уплотнения.
Неконтролируемое закипание теплообменного носителя, повреждающее уплотнения, обычно является следствием нарушения в водяном контуре охлаждения. Нарушение в водяном контуре охлаждения может быть следствием нарушения энергоснабжения, которое может остановить всю установку, в том числе жидкостный контур теплообменника, или следствием эксплуатационного повреждения в циркуляционном насосе, либо поломки всего насоса или его приводного электродвигателя. Что касается эксплуатационного повреждения насоса, можно естественно попытаться решить эту проблему остановкой всего процесса сжигания в котле. Топка, особенно топка котла с псевдоожиженным слоем, однако, осуществляет остаточное тепловыделение в течение некоторого времени, так что передача тепла охлаждающей воде не прекращается сразу. Поэтому жидкость в теплообменных трубах, расположенных в канале топочного газа, имеет тенденцию продолжать испаряться.
В патенте Великобритании 629,298 раскрывается средство для передачи тепла топочных газов парового котла подогревателю воздуха, содержащему расширительный бак в главной цепи теплопередачи. В патенте Франции 2,564,746 раскрывается теплообменник с пластиковыми U-образными трубами в установке для десульфуризации топочных газов.
В настоящем изобретении, например, вышеупомянутая проблема решается таким образом, что расширительный бак устанавливается в контур возврата теплоты в соединении с теплообменником, так что пар, образующийся в сети трубопроводов теплообменника, может выходить с возможностью контроля в расширительный бак.
Способ защиты теплообменника по изобретению содержит охладитель топочного газа с пластиковыми трубами для возврата тепла, установленными в противотоке в теплообменном соединении с топочными газами теплоэнергетического котла, причем трубы для возврата тепла присоединены впускной камерой к впускной трубе, а выпускной камерой - к выпускной трубе, которые образуют вместе с нагревателем контур, в котором жидкий теплообменный носитель подвергают рециркуляции посредством насоса, отличается тем, что пар, производимый в концевой части труб для возврата тепла, направляют по отдельному каналу из выпускной камеры в верхнюю часть расширительного бака, и жидкий теплообменный носитель направляют из нижней части расширительного бака непосредственно во впускную камеру или во впускную трубу вблизи впускной камеры посредством отдельного возвратного канала, с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию теплообменного носителя в трубах для возврата тепла без внешней энергии.
Предпочтительно поверхность жидкостного теплообменного носителя поддерживают в расширительном баке ниже точки соединения канала для потока.
Предпочтительно расширительный бак находится при атмосферном давлении и установлен на уровне, более высоком, чем трубы для возврата тепла.
Предпочтительно расширительный бак находится при избыточном давлении.
Предпочтительно также, что пар выпускают из расширительного бака через вентиляционный трубопровод.
Энергия, возвращенная из топочных газов, препочтительным образом передается в нагревателе воздуху для горения, который подают в котел.
Предпочтительно, что в качестве теплообменного носителя используют воду.
Теплообменник предпочтительно содержит контур защиты, содержащий расширительный бак, в котором выпускная камера присоединена к верхней части расширительного бака посредством отдельного канала, а нижняя часть расширительного бака присоединена непосредственно к впускной камере или к впускной трубе вблизи впускной камеры посредством отдельного возвратного канала, для обеспечения естественной циркуляции теплообменного носителя в трубах для возврата тепла без внешней энергии.
Преимущественно вертикальное расстояние между расширительным баком и трубами для возврата тепла является от около 3 до 7 метров.
Предпочтительным образом, трубы для возврата тепла выполнены U-образными, в основном вертикальными.
Теплоэнергетический котел содержит теплообменник согласно изобретению.
Другие отличительные признаки способа и устройства для защиты теплообменника, и парового котла, содержащего средство для защиты теплообменника, станут очевидными из прилагаемой формулы изобретения.
Способ и устройство для защиты теплообменника, а также паровой котел, содержащий средство для защиты теплообменника, разъяснены более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых
фиг.1 - схематичный вид теплоэнергетического котла в соответствии с предшествующим уровнем техники;
фиг.2 - схематичный вид цепи защиты теплообменника в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;
фиг.3 - схематичный вид цепи защиты теплообменника в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления изобретения.
На Фиг.1 схематично показаны части теплоэнергетического котла 10 в соответствии с предшествующим уровнем техники постольку, поскольку упомянутые части являются существенными ввиду настоящего изобретения. Топливо 14 и воздух 16 для горения подаются в топку 12 установки 10, производящую топочные газы, температура которых обычно является около 800-950°С. Раскаленные топочные газы подаются из топки по каналу 18 топочного газа в секцию 20 возврата тепла, в которой посредством тепловой энергии из топочных газов вырабатывается пар, и температура топочных газов уменьшается, например, приблизительно до 250-450°С. Топочные газы подаются из секции 20 возврата тепла в восстанавливающий подогреватель 22 воздуха для горения, в котором температура топочных газов дополнительно уменьшается, обычно, до около 150°С.
Когда существует необходимость в использовании как можно большей доли тепловой энергии топочных газов, топочные газы могут быть направлены из восстановительного подогревателя 22 воздуха для горения через нагнетатель 24 топочного газа в охладитель 26 топочного газа. В охладителе 26 тепловая энергия топочных газов передается носителю, обычно - воде, которая подвергается рециркуляции посредством расходомерных трубок 28а и 28b в нагреватель 30 воздуха для горения. Таким образом, воздух для горения, который подается нагнетателем 32, направляется в топку 12 через нагреватель 30 и восстановительный подогреватель 22.
Обычно задача состоит в том, чтобы охлаждать топочные газы посредством охладителя 26 до как можно более низкой температуры. Когда используется сеть металлических трубопроводов теплообмена, конечная температура должна быть выше точки росы кислоты топочного газа, как минимум около 100°С. Когда теплообменные трубы, входящие в соприкосновение с топочным газом в охладителе 26, выполнены из пластика, топочные газы могут охлаждаться до температуры ниже 100°С.
Топочные газы направляются из охладителя 26 в вытяжную трубу 34. Теплоэнергетический котел 10 также содержит другие части, например оборудование для очистки топочного газа и оборудование для обработки золы. Поскольку они не являются важными ввиду настоящего изобретения, они не показаны на фиг.1.
На Фиг.2 более подробно показан теплообменник 36, содержащий охладитель 26 топочного газа и нагреватель 30 воздуха для горения, причем теплообменник также содержит цепь 38 для защиты теплообменника в соединении с атмосферным расширительным баком 52, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На Фиг.2 стрелками 40, 40' показан поток топочного газа, который косвенно охлаждается жидкостным теплообменным носителем, т.е. в большинстве случаев - водой, циркулирующей в трубах 42 для возврата тепла теплообменника 36. Жидкостный контур теплообменника 36 содержит в дополнение к трубам 42 для возврата тепла сеть 28а, 28b трубопроводов рециркуляции, в которых жидкость подвергается рециркуляции посредством насоса 44. Сеть 28а, 28b трубопроводов рециркуляции соединена с подогревателем 30 воздуха для горения, в котором носитель снова охлаждается, когда происходит подогревание относительно холодного воздуха для горения, подаваемого нагнетателем 32, посредством тепловой энергии, возвращенной из топочного газа. В качестве альтернативы теплообменник 36 может содержать вместо нагревателя 30 воздуха для горения теплообменник другого типа, в котором тепловая энергия, возвращенная из топочного газа, нагревает подходящий носитель.
Трубы 42 для возврата тепла выполнены в виде U-образных труб, прикрепленных по своим верхним концам уплотнениями 48 к коллекторам 46, 46' с возможностью отсоединения. Один из коллекторов теплообменника 36 представляет собой впускную камеру 46, к которой присоединена впускная труба 28а для жидкостного контура теплообменника. Соответственно один из коллекторов теплообменника представляет собой выпускную камеру 46', к которой прикреплена выпускная труба 28b жидкостного контура. Камеры 46, 46' в большинстве случаев выполнены из стали или из другого подходящего металла или металлического соединения, однако в некоторых случаях они также могут быть выполнены из пластика или подходящего композитного материала.
Трубы 42 для возврата тепла, входящие в контакт с топочным газом, собираются в вертикальном положении таким образом, что газ, возможно находящийся в трубах, особенно пар, может легко подниматься вверх к камерам 46, 46'. Стрелки 49 показывают направление потока воды в трубах 42 для возврата тепла и в расходомерных трубках 28а и 28b. Каждая U-образная труба 42 обычно присоединена в качестве так называемого противоточного теплообменника, другими словами, вода проходит таким образом, что входящий поток воды, то есть поток воды, проходящий вниз из впускной камеры 46, находится на более холодной стороне, то есть на стороне выходящего топочного газа 40, и соответственно поток выходящей воды, то есть поток воды, поднимающийся к выпускной камере 46', находится на более горячей стороне, то есть на стороне входящего потока 40' топочного газа.
Посредством противоточного соединения возможно минимизировать конечную температуру топочного газа. Более того, если раскаленный топочный газ вызывает закипание носителя в трубах 42, это закипание начинается в восходящей концевой части труб, причем такое закипание усиливает жидкостный контур. В то же время возможные пузырьки пара собираются в выпускной камере 46'.
Можно сказать, что трубы 42 для возврата тепла, присоединенные между двумя камерами 46, 46', формируют трубную группу 50. Теплообменник 36 может содержать две камеры 46, 46' и трубную группу 50 между ними или, как проиллюстрировано на фиг.3, три камеры 46, 46', 46'' и две группы 50, 50', соединенные последовательно, из которых одна присоединена между камерами 46 и 46'', а другая - между камерами 46'' и 46'. Также может быть более чем две трубных группы, соединенные последовательно, и в некоторых случаях теплообменник также может содержать параллельно соединенные трубные группы.
Когда трубы 42 для возврата тепла теплообменника выполнены из пластика, эти трубы должны быть прикреплены к камерам 46, 46', 46'', соединяя их посредством использования резиновых или пластиковых уплотнений 48. Такие уплотнения хорошо выдерживают воздействия, вызванные их нормальными рабочими условиями. Однако было показано, что уплотнения не выдерживают сильных пневматических ударов, которые они могут воспринимать, если теплообменный носитель будет бесконтрольно испаряться в трубах 42 для возврата тепла.
Согласно настоящему изобретению существует контур 38 защиты в соединении с теплообменником 36, который содержит расширительный бак 52 и каналы 54, 54', 56 для потока, которые соединяют, по меньшей мере, некоторые из камер 46, 46', 46'' к расширительному баку 52. В конструкции согласно фиг.2 выпускная камера 46' соединена с трубой 54, которая присоединена верхним концом к верхней части расширительного бака 52 выше поверхности жидкости в расширительном баке. С другой стороны, труба 56 соединена с впускной камерой 46, или вблизи нее, при этом труба присоединена своим верхним концом к нижней части расширительного бака 52.
Каждый из каналов 54, 54' для потока, проходящих к верхней части расширительного бака 52, может раздельно проходить в расширительный бак 52, или они могут, если требуется, присоединяться своими верхними концами к одному единственному каналу для потока, проходящему в расширительный бак. Возвратный канал 56 проходит от расширительного бака 52 обратно во впускную трубу 28а, предпочтительно вплотную к точке соединения впускной трубы 28а и впускной камеры 46, или в камеру 46. В варианте осуществления, показанном на фиг.2, вентиляционный трубопровод 58 проходит из расширительного бака 52 в атмосферу или в другое требуемое пространство.
Расширительный бак 52 расположен на уровне, более высоком, чем камеры 46, 46', 46'', поэтому столбы жидкости в баке 52 и в каналах 54, 54' для потока обеспечивают необходимое избыточное давление в теплообменном носителе. Например, когда расширительный бак 52 расположен на 5 метров выше коллекторов, расширительный бак 52 может находиться при атмосферном давлении, но по-прежнему поддерживать около 0,5 бар избыточного давления в трубах 42 для возврата тепла. Предпочтительно дно расширительного бака находится на от около 3 до 7 метров выше, чем уровень камер. Когда насос 44 работает, гидравлическое сопротивление теплообменных труб приводит к тому, что поверхность жидкости в канале 54, связанном с выпускной камерой 46', находится ниже, чем в расширительном баке 52, на величину, вызванную потерей давления.
Устройство, показанное на фиг.2, работает таким образом, что когда циркуляция жидкости в теплообменнике 36 нарушается, например, когда насос 44 останавливается, жидкость в трубах 42 для возврата тепла начинает локально закипать и образовывать пар. Образованный пар проходит в основном в выпускную камеру 46', а оттуда, дальше по каналу 54 в расширительный бак 52. Пар, накапливающийся в камерах 46' и 46'' в устройстве, показанном на фиг.3, проходит в верхнюю часть расширительного бака 52 по каналам 54 и 54'.
Преимущество конструкции согласно настоящему изобретению состоит в том, что она также обеспечивает возможность циркуляции жидкости в трубах 42 для возврата тепла, когда насос 44 остановился. Это основано на том факте, что, когда насос 44 останавливается, он выравнивает уровни жидкости в разных ветвях цепи 38 защиты, но в основном раскаленные топочные газы, воздействующие на восходящую часть труб 42 для возврата тепла, подогревают жидкость в восходящей части, поэтому ее плотность уменьшается. Когда жидкость закипает в восходящей части, смесь пара/жидкости начинает накапливаться в канале 54, поэтому плотность столба носителя в канале 54 значительно снижается, а его верхняя поверхность поднимается по существу выше, чем поверхность жидкости в расширительном баке 52. Затем жидкость начинает перемещаться из канала 54 в расширительный бак 52 и дальше от дна бака 52 по каналу 56 во впускную трубу 28а. Эта так называемая естественная циркуляция, таким образом, обеспечивает циркуляцию жидкости в трубах 42 для возврата тепла полностью без внешней энергии.
Кроме того, две вспомогательные линии для воды с клапанами присоединены к расширительному баку 52, из одного, 60, из которых может подаваться свежая вода в расширительный бак традиционной линии для установки воды, а из другого, 62, например, может подаваться вода для пожаротушения. Линия 62 для воды является дублирующей системой, которая используется, когда традиционная система для подачи воды остановилась, например, из-за нарушения энергоснабжения.
Предпочтительно каналы 54, 54', 56 для потока размещены от каждой камеры 46, 46', 46'' к расширительному баку 52 таким образом, что каждая из трубных групп 50, 50' для возврата тепла освобождается от пара. Таким образом, можно предотвратить формирование паровой пробки в теплообменнике 36. Каналы 54, 54' для потока в соединении с концевой частью всех трубных групп 50, 50' для возврата тепла предпочтительно проходят на одинаковой высоте в стенку расширительного бака 52, где они тангенциально соединяются. Поэтому пар, проходящий в расширительный бак 52 из одного из каналов 54, 54', незначительно возмущает пар, проходящий из другого из каналов 54, 54'. Кроме того, каналы 54, 54' проходят в расширительный бак предпочтительно таким образом, что они открываются в бак 52 выше поверхности жидкости, находящейся в нем.
В вышеописанном варианте осуществления расширительный бак 52 показан при атмосферном давлении, причем этот вариант является простейшим вариантом осуществления изобретения, в котором только требуется, чтобы расширительный бак собирался достаточно высоко относительно теплообменника 36. Если в водяном контуре рециркуляции используются такие высокие температуры, при которых создание давления столбом жидкости является неэффективным для предотвращения парообразования в нормальной ситуации, возможно выполнять расширительный бак находящимся под давлением. Предохранительный клапан, открывающийся при определенном давлении, в связи с этим присоединен к вентиляционной трубе 58 расширительного бака, при этом предохранительный клапан обеспечивает выпуск пара из расширительного бака, если давление начинает возрастать слишком сильно.
На Фиг.2, кроме того, показан дополнительный предпочтительный вариант осуществления изобретения, а именно дополнительный охладитель 64, присоединенный к сети 28а трубопроводов рециркуляции, который может использоваться для охлаждения жидкости, рециркулирующей в сети трубопроводов, прежде чем она закипит, и который может использоваться в связи с вышеописанным, а также независимо. Возможность использования дополнительного охладителя может определяться, например, температурой жидкости, рециркулирующей в сети трубопроводов, поэтому охладитель может вводиться в использование автоматически, управляемый системой управления.
Как видно из вышеописанного, обеспечивается новый способ решения проблем, связанных с использованием пластиковых теплообменников, без внешней дополнительной энергии или управления. Из вышеприведенного должно быть понятно, что изобретение раскрыто на примере наиболее предпочтительных вариантов осуществления, и не предполагается ограничивать объем изобретения, как он определен в прилагаемой формуле изобретения.