СПОСОБ РАБОТЫ ПАРОВОГО ЛОКОМОТИВА НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
METHOD OF OPERATING STEAM LOCOMOTIVE ON SOLID FUEL

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть использовано в паровых локомотивах.
Известен способ работы парового локомотива на твердом топливе, включающий сжигание твердого топлива в топке, передачу получившегося тепла через стенки топки и труб котловой воде, превращение ее в пар, перегрев его в пароперегревателе, подачу пара в цилиндр паровой машины и последующее превращение через движущий механизм возвратно-поступательного движения поршня машины во вращательное движение колес [1].
Недостатками такого способа являются:
- низкий кпд, обусловленный механическими потерями топлива (через щели колосниковой решетки и унос угольной мелочи с продуктами сгорания), а также химическими потерями (недожог топлива);
- низкий эксплуатационный кпд, связанный с тем, что при резком снижении потребления паровой машиной пара (например, в случае внезапной остановки) нельзя быстро уменьшить продуцируемое топкой тепло. В результате этого увеличивается давление пара в котле, величину которого уменьшают выпуском пара в атмосферу, при этом полезная работа не производится и, следовательно, кпд снижается;
- сравнительно большой расход пара на единицу производимой мощности, обусловленный невысокой температурой перегрева в конвекционном пароперегревателе и снижением температуры пара в процессе поступления его в паровую машину в результате соприкосновения с холодными стенками цилиндра;
- наличие вредных выбросов в атмосферу.
Прототипом является способ работы парового локомотива на твердом топливе, включающий сжигание твердого топлива в топке и камере догорания, передачу получившегося тепла через стенки топки, камеры догорания и труб котловой воде, превращение ее в пар, перегрев его в пароперегревателе, подачу пара в цилиндр паровой машины и последующее превращение через движущий механизм возвратно-поступательного движения поршня машины во вращательное движение колес [2].
Данный способ по существу имеет те же недостатки, что и предыдущий, хотя дожигание топлива в камере догорания и передача через нее тепла котловой воде несколько увеличивают кпд котла и уменьшают химический недожог.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение кпд, уменьшение расхода пара на единицу производимой мощности и снижение вредных выбросов в атмосферу.
Задача решается тем, что в способе работы парового локомотива на твердом топливе, включающем сжигание топлива в топке, передачу получившегося тепла котловой воде, получение пара, перегрев его в конвекционном пароперегревателе и подачу в паровую машину, в топке топливо подвергают термическому разложению на твердую и газообразную фазы, которые сжигают раздельно.
Полученное при сжигании газообразной фазы тепло передают котловой воде. Полученное при сжигании газообразной фазы тепло передают перегретому пару преимущественно излучением до подачи его в паровую машину. Полученное при сжигании газообразной фазы тепло передают перегретому пару преимущественно конвекцией в процессе подачи его в паровую машину. Полученное при сжигании газообразной фазы тепло передают насыщенному пару. Передачу тепла котловой воде чередуют с прерыванием. Сжигание газовой фазы производят с коэффициентом избытка воздуха, большим, чем это требуется практически. Увеличение количества пара осуществляют подачей в котел воды с температурой выше, а уменьшение - с температурой ниже температуры котловой воды. Количество получаемого пара регулируют количеством сжигаемой газообразной фазы. Полученное при сжигании твердой и газообразной фазы тепло используют для приготовления воды с температурой выше, чем температура котловой воды.
Из уровня техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения и оказывающие такое же, как и они, влияние на технический результат, состоящий в повышении кпд, уменьшении расхода пара на единицу производимой мощности и снижении вредных выбросов в атмосферу.
Сущность изобретения отражают операции:
- в топке топливо подвергают термическому разложению на твердую и газообразную фазы, которые сжигают раздельно;
- полученное при сжигании газообразной фазы тепло передают котловой воде;
- полученное при сжигании газообразной фазы тепло передают перегретому пару преимущественно излучением до подачи его в паровую машину;
- полученное при сжигании газообразной фазы тепло передают перегретому пару преимущественно конвекцией в процессе подачи его в паровую машину;
- полученное при сжигании газообразной фазы тепло передают насыщенному пару;
- передачу тепла котловой воде чередуют с прерыванием;
- сжигание газовой фазы производят с коэффициентом избытка воздуха, большим, чем это требуется практически;
- увеличение количества пара осуществляют подачей в котел воды с температурой выше, а уменьшение - с температурой ниже температуры котловой воды;
- количество получаемого пара регулируют количеством сжигаемой газообразной фазы;
- полученное при сжигании твердой и газообразной фазы тепло используют для приготовления воды с температурой выше, чем температура котловой воды.
Термическое (пирогенетическое) разложение в топке топлива на твердую и газообразную фазы, которые сжигают раздельно, позволяет увеличить полноту сгорания топлива по сравнению с прототипом, во-первых, за счет уменьшения механического уноса угольной пыли, которая, нагреваясь, переходит в пластическое состояние и прилипает к большим кускам твердой фазы топлива (например, к получающемуся полукоксу). Во-вторых, сгорание нагретой (до температуры термического разложения) газообразной фазы (летучих) происходит значительно быстрее, поэтому сравнительно небольшого объема топки хватает для сгорания летучих. Следует заметить, что под раздельным сжиганием понимается горение твердой и газообразной фазы с отдельным окислителем. Например, твердая фаза сжигается с коэффициентом избытка воздуха 1,2, а газообразная - 1,05. Все это повышает кпд котла и снижает количество вредных выбросов в атмосферу.
Передача полученного при сжигании газообразной фазы тепла котловой воде увеличивает теплопередачу благодаря высокой излучательной способности факела и возможности получения направленной теплоотдачи при использовании эффекта настильности факела. Все это повышает кпд котла.
Передача полученного при сжигании газообразной фазы тепла перегретому пару преимущественно излучением до подачи его в паровую машину позволяет повысить температуру перегрева пара, например в радиационном пароперегревателе, в результате чего уменьшается расход пара на единицу производимой мощности.
Передача полученного при сжигании газообразной фазы тепла перегретому пару преимущественно конвекцией в процессе подачи его в паровую машину дает возможность более полно использовать тепло продуктов сгорания газовой фазы, направляя их, например, в рубашку, охватывающую паровую машину. Тогда тепло продуктов сгорания будет компенсировать охлаждение цилиндра паровой машины, которое происходит в результате расширения в нем пара. Это способствует повышению кпд и уменьшению расхода пара на единицу производимой мощности. Следует заметить, что при сжигании обычного угля или жидкого топлива образуется значительно больше твердых частиц и мелкодисперсной сажи, чем при сжигании газа, поэтому продукты горения газовой фазы не будут загрязнять рубашку паровой машины и другие теплопередающие элементы.
Передача полученного при сжигании газообразной фазы тепла насыщенному пару позволяет испарить имеющуюся в насыщенном паре влагу до поступления его в пароперегреватель. В результате этого появляется возможность уменьшения габаритов пароперегревателя или увеличения температуры перегрева пара, что уменьшает его расход и повышает кпд.
Чередование передачи тепла котловой воде с прерыванием позволяет в процессе прерывания повысить температуру продуктов горения, в результате чего будут догорать все горючие частицы и газы. При этом необходимый для догорания окислитель можно взять из излишков воздуха, получаемых при сжигании газовой фазы с коэффициентом избытка воздуха, большим, чем это требуется практически. Догорание горючих компонентов способствует дополнительному выделению тепла, что повышает кпд и снижает количество вредных выбросов.
Увеличение количества пара путем подачи в котел воды с температурой выше, а уменьшение - с температурой ниже температуры котловой воды позволяет в первом случае при необходимости кратковременно увеличить продуцирование пара за счет интенсивного вскипания подаваемой воды, а во втором - не допустить аварийный выброс пара в атмосферу при быстром росте давления пара (например, при снижении потребления пара) благодаря затратам тепла на нагрев холодной воды. Все это способствует повышению кпд.
Регулирование количества получаемого пара количеством сжигаемой газообразной фазы дает возможность управлять паропроизводительностью котла, что повышает эксплуатационный кпд.
Использование полученного при сжигании твердой и газообразной фазы тепла для приготовления воды с температурой выше температуры котловой воды дает возможность более полно использовать тепло продуктов сгорания, что повышает кпд.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего способ, в момент получения газов полукоксования. На фиг.2 изображена схема устройства, реализующего способ, в момент выгрузки полукокса.
Устройство содержит паровой котел 1 с жаровыми трубами 2, в которых размещены пароперегревательные элементы 3, соединенные посредством трубок 4 с элементами 5 радиационного пароперегревателя 6, который через теплообменные трубки 7 паросушителя 8 сообщен с дымовой коробкой 9 и через газоход 10 - с рубашкой 11, охватывающей цилиндр 12 паровой машины. Одни концы жаровых труб выходят в дымовую коробку, а другие через камеру 13 догорания соединены с топкой 14, в которой установлена с откидывающимся дном 15 камера 16 для термического разложения топлива (например, угля) на твердую 17 и газообразную 18 фазу, которая через распределитель 19 по газопроводам поступает в газовые горелки 20 топки и 21 радиационного пароперегревателя. Стенки топки и жаровые трубы соприкасаются с котловой водой 22, над которой находится паровое пространство с насыщенным паром 23, сообщающееся через регулятор 24, паропровод 25, паросушитель, пароперегревательные элементы и коллектор 26 с цилиндром паровой машины, рубашка которой через канал 27 сообщена с дымовой коробкой, имеющей вытяжную трубу 28. В дымовой коробке размещен паросушитель и аккумулятор 29, который посредством трубы 30 с вентилем 31 соединен с паровым котлом.
Способ реализуют следующим образом.
Загружают очередную порцию топлива, например каменного угля, в камеру 16 (фиг.1). В результате подвода тепла происходит термическое разложение топлива и выделение из него газообразной фазы 18 (летучих), которая поступает в распределитель 19 для последующего сжигания в газовых горелках. После выхода летучих открывают дно 15 камеры и сжигают твердую фазу 17 (например, полукокс) в топке 14 (фиг.2). При этом мелкие фракции топлива в процессе нагрева в камере переходят в пластическое состояние, прилипают к более крупным кускам и при выгрузке твердой фазы не уносятся топочными газами и не проваливаются в щели колосниковой решетки, благодаря чему повышается кпд.
Передают котловой воде 22 полученное при сжигании газообразной фазы тепло, для чего подают ее в газовую горелку 20 топки. Продукты горения твердой и газообразной фазы отдают свое тепло котловой воде через стенки топки и жаровые трубы 2, проходя через них из топки в дымовую коробку 9. При этом часть тепла отводится пару, движущемуся внутри пароперегревательных элементов 3 из котла 1. Поскольку эти элементы окружены холодной экранирующей поверхностью жаровых труб, то температура перегрева пара сравнительно невысока.
Для повышения температуры пара полученное при сжигании газообразной фазы тепло передают перегретому пару преимущественно излучением, для чего подают летучие в горелку 21 радиационного пароперегревателя 6. Проходящий по элементам 5 радиационного пароперегревателя пар перегревается до более высокой температуры и поступает потом через коллектор 26 в цилиндр 12 паровой машины, воздействуя на поршень, возвратно-поступательное движение которого через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение колес локомотива (на чертеже не показаны).
В процессе движения поршня в цилиндре пар расширяется и охлаждается, понижая при этом температуру стенок цилиндра. В результате этого свежая порция пара, поступающая в цилиндр, безвозвратно теряет часть своего тепла на нагрев стенок цилиндра. Для исключения этого вредного явления полученное при сжигании газообразной фазы тепло (например из радиационного пароперегревателя) передают перегретому пару преимущественно конвекцией, подавая его через газоход 10 в рубашку 11.
Если насыщенный пар 23, содержащий, как правило, 5-7% воды, через регулятор 24 и паропровод 25 подать непосредственно в пароперегревательные элементы 3, то часть из них будет занята под осушку пара, в результате чего температура пара на данном участке будет постоянной (равной температуре насыщенного пара), при этом эффективная площадь элементов, предназначенная для перегрева пара, уменьшится. Поэтому для повышения температуры перегрева полученное при сжигании газообразной фазы тепло передают посредством теплообменных трубок 7 паросушителя 8 насыщенному пару, поступающему в него.
Передачу тепла котловой воде чередуют с прерыванием, для чего прекращают передачу тепла в камере 13 догорания, покрывая теплоизолятором ее стенки. При этом температура газов в ней повышается, и происходит догорание горючих частиц и газов. Заметим, в результате сужения потока в камере догорания концентрация реагирующих веществ повышается, что благотворно сказывается на реакции горения. Догорающие вещества выделяют дополнительное тепло, увеличивая температуру продуктов горения и улучшая теплопередачу в жаровых трубах.
Поскольку для догорания веществ нужен окислитель, то сжигание газовой фазы производят с коэффициентом избытка воздуха, большим, чем это требуется практически. При этом часть неизрасходованного при сжигании газовой фазы воздуха используют для догорания веществ.
В случае уменьшения потребности в паре можно часть котловой воды по трубе 30 направить в аккумулятор 29 и перекрыть вентиль 31, а в котел добавить холодной воды. При этом тепло продуктов сгорания будет расходоваться на нагрев холодной воды, и количество продуцируемого котлом пара уменьшится. Продукты сгорания твердой и газообразной фазы направляют по каналу 27, трубкам 7 и жаровым трубам 2 в дымовую коробку и используют для приготовления в аккумуляторе воды с температурой выше, чем температура котловой воды. После отдачи тепла аккумулятору продукты покидают дымовую коробку через вытяжную трубу 28. В случае увеличения потребности в паре открывают вентиль, и вода из аккумулятора устремляется в котел, давление в котором оказывается ниже, чем в аккумуляторе. В результате этого происходит интенсивное кипение вытекающей из аккумулятора воды и увеличивается парообразование. Таким образом, увеличение количества пара осуществляют подачей в котел воды с температурой выше, а уменьшение - с температурой ниже температуры котловой воды.
При работе нагрузка на локомотив изменяется. Поскольку нельзя быстро увеличить и тем более уменьшить поток тепла, продуцируемого при сгорании твердой фазы, то вырабатываемое в топке тепло, а следовательно, и количество получаемого пара регулируют количеством сжигаемой газообразной фазы.
Внедрение изобретения позволит повысить КПД локомотива, уменьшить расход пара на единицу производимой мощности и снизить количество вредных выбросов в атмосферу. Очевидно, что для облегчения работы локомотивной бригады работа котла должна быть автоматизирована.
Источники информации
1. Хмелевский А.В., Смушков П.И. Паровоз (устройство, работа и ремонт). - М.: Транспорт, 1973. С.7-9 - аналог.
2. Сыромятников С.П. Тепловой процесс паровоза. - М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1940. С.137-140 - прототип.