ПРЯМОТОЧНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ТИПА КОНСТРУКЦИИ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРЯМОТОЧНОГО ПАРОГЕНЕРАТОРА
UNIFLOW STEAM GENERATOR OF HORIZONTAL DESIGN TYPE AND METHOD OF UNIFLOW STEAM GENERATOR OPERATION

Изобретение относится к прямоточному парогенератору, в котором в канале топочного газа, протекаемом топочным газом приблизительно в горизонтальном направлении, расположена испарительная прямоточная поверхность нагрева, которая содержит множество включенных параллельно для протекания текучей среды парогенераторных труб.
В парогазотурбинной установке тепло, содержащееся в расширенной рабочей среде или топочном газе из газовой турбины, используют для производства пара для паровой турбины. Теплопередача происходит во включенном после газовой турбины парогенераторе на отходящем тепле (котле-утилизаторе), в котором обычно расположено множество поверхностей нагрева для подогрева воды, для производства пара и для перегрева пара. Поверхности нагрева включены в пароводяной контур паровой турбины. Пароводяной контур охватывает обычно несколько, например три ступени давления, причем каждая ступень давления может содержать испарительную поверхность нагрева.
Для парогенератора, включенного после газовой турбины по стороне топочного газа, в качестве парогенератора на отходящем тепле принимаются во внимание многие альтернативные концепции расчета, а именно, расчет в виде прямоточного парогенератора или расчет в виде парогенератора с принудительной циркуляцией. В прямоточном парогенераторе нагрев парогенераторных труб, предусмотренных в качестве испарительных труб, приводит к испарению текучей среды в парогенераторных трубах за одноразовый проход. В противоположность этому в парогенераторе с естественной или принудительной циркуляцией направляемая в контуре вода испаряется при одном проходе через испарительные трубы только частично. Не испарившуюся при этом воду после отделения произведенного пара снова подводят к тем же самым испарительным трубам для дальнейшего испарения.
kri
2
Прямоточный парогенератор в противоположность парогенератору с естественной или принудительной циркуляцией не подлежит никакому ограничению давления так, что возможными являются давления свежего пара значительно выше критического давления воды (P≈221 бар), где существуют только малые разницы плотности между средой, подобной жидкости, и средой, подобной пару. Высокое давление свежего пара является благоприятным для достижения высокого теплового коэффициента полезного действия и, тем самым, низких эмиссий СО электростанции, работающей на ископаемом топливе. Кроме того, прямоточный парогенератор по сравнению с парогенератором с принудительной циркуляцией имеет простую конструкцию и может таким образом изготавливаться с особенно низкими затратами. Применение парогенератора, рассчитанного по прямоточному принципу, в качестве парогенератора на отходящем тепле парогазотурбинной установки поэтому является особенно выгодным для достижения высокого общего коэффициента полезного действия парогазотурбинной установки при простой конструкции.
Особые преимущества относительно затрат на изготовление, а также и относительно необходимых работ по техническому обслуживанию дает парогенератор на отходящем тепле горизонтального типа конструкции, в котором греющая среда или топочный газ, то есть отходящий газ из газовой турбины, проходит через парогенератор в приблизительно горизонтальном направлении. В случае прямоточного парогенератора горизонтального типа конструкции парогенераторные трубы поверхности нагрева могут, однако, в зависимости от их положения подвергаться сильно различному нагреву. В частности, в случае связанных с общим коллектором со стороны выхода парогенераторных трубах различный нагрев отдельных парогенераторных труб может приводить к сведению вместе паровых потоков с сильно отличающимися друг от друга параметрами пара и тем самым к нежелательным потерям коэффициента полезного действия, в частности, к сравнительно уменьшенной эффективности используемой поверхности нагрева и тем самым к пониженному за счет этого производству пара. Различный нагрев соседних парогенераторных труб может к тому же, в частности, в области усталости коллекторов приводить к повреждениям на парогенераторных трубах или коллекторе. Само по себе желательное применение прямоточного парогенератора на отходящем тепле горизонтального типа конструкции в качестве парогенератора на отходящем тепле для газовой турбины может тем самым повлечь за собой значительные проблемы относительно достаточно стабилизированного поведения потока.
Из ЕР 0944801 В1 известен парогенератор, который является пригодным для расчета по горизонтальному типу конструкции и к тому же имеет названные преимущества прямоточного парогенератора. Для этого известный парогенератор относительно его испарительной прямоточной поверхности нагрева рассчитан таким образом, что более нагретая парогенераторная труба по сравнению с другой парогенераторной трубой той же самой испарительной прямоточной поверхности нагрева имеет по сравнению с другой парогенераторной трубой более высокий расход текучей среды. Испарительная прямоточная поверхность нагрева известного парогенератора проявляет тогда поведение по типу характеристики потока испарительной поверхности нагрева с естественной циркуляцией (характеристика естественной циркуляции), при появляющемся различном нагреве отдельных парогенераторных труб самостабилизирующееся поведение, которое без необходимости принятия мер извне приводит к выравниванию температур со стороны выхода также в различно нагретых, включенных параллельно по стороне текучей среды парогенераторных труб. Однако такая концепция расчета обуславливает то, что известный парогенератор предусмотрен для питания текучей средой со сравнительно малой плотностью массы потока.
В основе изобретения поэтому лежит задача указать прямоточный парогенератор вышеназванного вида, который обеспечивает особенно высокую эксплуатационную надежность также при питании текучей средой со сравнительно большими плотностями массы потока. Далее, должен быть указан особенно подходящий способ для эксплуатации парогенератора вышеназванного вида.
Относительно прямоточного парогенератора эта задача решается согласно изобретению за счет того, что испарительная поверхность нагрева содержит первый протекаемый текучей средой в противотоке к каналу топочного газа сегмент поверхности нагрева и следующий сегмент поверхности нагрева, включенный по стороне текучей среды и по стороне топочного газа перед сегментом поверхности нагрева, причем выход по стороне текучей среды первого сегмента поверхности нагрева при рассмотрении в направлении топочного газа позиционирован таким образом, что зависящая от давления температура насыщенного пара, устанавливающаяся в случае эксплуатации на выходе испарительной поверхности нагрева, отклоняется на меньше, чем заданное максимальное отклонение, самое большее 70°С, от температуры топочного газа, господствующей в случае эксплуатации в месте выхода сегмента поверхности нагрева.
Изобретение исходит при этом из рассуждения, что при питании испарительной поверхности нагрева со сравнительно большими плотностями массы потока локально различный нагрев отдельных труб мог бы сильно влиять на условия протекания таким образом, что более нагретые трубы протекались бы меньшим, а менее нагретые трубы большим количеством текучей среды. Более нагретые трубы в этом случае охлаждались бы хуже, чем менее нагретые трубы так, что возникающая разность температур автоматически усиливались бы. Для возможности эффективного противодействия этому случаю также без активного влияния на условия протекания система должна бы быть рассчитана подходящей для принципиального и глобального ограничения возможной разности температур. Для этого является полезным знание того, что на выходе из испарительной поверхности нагрева текучая среда должна иметь, по меньшей мере, температуру насыщенного пара, заданную по существу давлением в парогенераторной трубе. С другой стороны, текучая среда, однако, может иметь максимально температуру, которую имеет топочный газ, в месте выхода текучей среды из испарительной поверхности нагрева. Путем подходящего согласования между собой этих обеих граничных температур, ограничивающих вообще возможный температурный интервал, можно тем самым подходящим образом ограничивать также максимально возможные перекосы температур. За счет разделения испарительной поверхности нагрева на противоточный сегмент по стороне выхода и на включенный перед ним по стороне топочного газа и среды следующий сегмент выход в направлении топочного газа можно свободно позиционировать так, что в распоряжении имеется дополнительный расчетный параметр. Особенно подходящим средством для согласования друг с другом обеих граничных температур при этом является нацеленное позиционирование выхода испарительной поверхности нагрева при рассмотрении в направлении потока топочного газа.
Предпочтительным образом позиционирование выхода испарительной поверхности нагрева в отношении температурного профиля топочного газа в газоходе выбрано таким образом, что соблюдается максимальное отклонение порядка 50°С так, что с учетом имеющихся в распоряжении материалов и других расчетных параметров обеспечена особенно высокая эксплуатационная надежность.
Особенно простая и тем самым также надежная конструкция может быть достигнута за счет того, что поверхность нагрева особенно в связи со сбором и распределением текучей среды выполнена особенно просто. При этом поверхность нагрева выполнена подходящей для осуществления всех этапов процесса полного испарения, то есть подогрева, испарения и, по меньшей мере, частичного перегрева, только в одной единственной ступени, то есть без промежуточно включенных компонентов для сбора и/или распределения текучей среды. Предпочтительным образом множество парогенераторных труб содержит поэтому множество включенных попеременно друг за другом по стороне текучей среды отрезков подъемной и опускной трубы.
При этом нагрев имеет место как в отрезках подъемной, так и опускной трубы. Такое включение парогенераторных труб, при котором происходит также нагрев протекаемых вниз отрезков трубы, несет в себе, однако, принципиально риск появления нестабильности потока. Как оказалось, в качестве одной из таких возможных причин может рассматриваться появление пузырьков пара в отрезках трубы, протекаемых вниз средой. В случае если в протекаемой вниз средой парогенераторной трубе должны бы образовываться пузырьки пара, то они могли бы подниматься в находящемся в парогенераторной трубе столбе воды и тем самым приводить к движению против направления потока текучей среды. Для последовательного исключения подобного, направленного против направления потока текучей среды движения возможно имеющихся пузырьков пара путем подходящего задания эксплуатационных параметров должен был бы обеспечиваться вынужденный захват пузырьков пара в собственном направлении потока текучей среды. Это является достижимым за счет того, что питание испарительной поверхности нагрева происходит таким образом, что скорость потока текучей среды в парогенераторных трубах вызывает желаемый эффект захвата возможно имеющихся пузырьков пара. Сравнительно высокая скорость потока уже в первой протекаемой вниз средой парогенераторной трубе может быть достигнута особенно простым образом посредством сравнительно сильного нагрева парогенераторных труб на входе по стороне текучей среды и обусловленного этим быстрого повышения содержания пара в текучей среде. Для этого вход по стороне текучей среды испарительной поверхности нагрева предпочтительным образом выполняют в виде отрезка подъемной трубы и располагают настолько близко к входу по стороне топочного газа испарительной поверхности нагрева, что протекающая через парогенераторные трубы в случае эксплуатации текучая среда имеет на входе первого отрезка опускной трубы скорость потока, большую, чем заранее заданная минимальная скорость потока.
Первые отрезки опускной и подъемной труб образуют предпочтительно расположенный в прямоточном включении следующей сегмент поверхности нагрева, в последующем называемый также прямоточным сегментом, который подключен по стороне текучей среды перед расположенным в противоточном включении сегментом поверхности нагрева, в последующем называемым также противоточным сегментом. За счет такого расположения сегментов в канале топочного газа в значительной степени сохраняется преимущество чисто противоточного включения, эффективно передавать тепло отходящего газа текучей среде, и одновременно достигается высокая собственная надежность от вредных разностей температур на выходе по стороне текучей среды.
В альтернативном преимущественном выполнении следующий сегмент поверхности нагрева может быть также включен в противотоке к направлению топочного газа.
Целесообразно применяют парогенератор в качестве парогенератора на отходящем тепле парогазотурбинной установки. При этом парогенератор предпочтительно включен после газовой турбины по стороне топочного газа. При этом включении после газовой турбины целесообразно может быть расположена дополнительная топочная камера для повышения температуры топочного газа.
Относительно способа названная задача решается за счет того, что текучую среду при рассмотрении в направлении топочного газа отводят из испарительной поверхности нагрева в месте, в котором температура топочного газа, господствующая в случае эксплуатации, отклоняется на меньше, чем заданное максимальное отклонение, самое большее 70°С, от установленного в случае эксплуатации из-за потери давления в испарительной поверхности нагрева температуры насыщенного пара.
Предпочтительным образом текучую среду перед ее выходом из испарительной поверхности нагрева направляют в противотоке к топочному газу, причем в дополнительном или альтернативном преимущественном выполнении задают максимальное отклонение порядка 50°С.
Чтобы последовательно исключить возможные нестабильности потока, текучую среду предпочтительно уже при входе или непосредственно после входа в испарительную поверхность нагрева подвергают настолько сильному нагреву, что она имеет в первом отрезке опускной трубы соответствующей парогенераторной трубы скорость потока выше, чем заранее заданная минимальная скорость.
Предпочтительным образом при этом в качестве минимальной скорости задают скорость потока, необходимую для захвата созданных в первом отрезке опускной трубы пузырьков пара. Питание испарительной поверхности нагрева происходит таким образом, что сравнительно высокая скорость потока уже в первой протекаемой вниз парогенераторной трубе вызывает желаемый эффект захвата на возможно имеющиеся пузырьки пара. Нестабильности потока вследствие движения поднимающихся пузырьков пара против направления потока текучей среды могут таким образом надежно исключаться.
Достигнутые изобретением преимущества заключаются, в частности, в том, что посредством теперь предусмотренного, согласованного с температурным профилем топочного газа в газоходе позиционирования выхода по стороне текучей среды испарительной поверхности нагрева достигаемый в целом при испарении текучей среды температурный интервал между температурой насыщенного пара текучей среды и температурой топочного газа в месте выхода ограничивают сравнительно узко так, что независимо от условий потока возможны только малые разности температур по стороне выхода. За счет этого можно обеспечивать достаточное выравнивание температур текучей среды в любом режиме эксплуатации. Кроме того, однако, обеспечено также, что возможные выходные температуры по их абсолютной величине ограничены так, что предельно допустимые граничные температуры, заданные характеристиками материалов, остаются надежно не достигаемыми.
Пример выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью чертежа, на котором показан в упрощенном представлении в продольном сечении прямоточный парогенератор горизонтального типа конструкции.
Прямоточный парогенератор 1 подключен по стороне отходящего газа по типу котла-утилизатора после не представленной более подробно на чертеже газовой турбины. Прямоточный парогенератор 1 содержит ограждающую стенку 2, которая образует протекаемый приблизительно в горизонтальном, обозначенном стрелкой 4 направлении х топочного газа канал 6 для отходящего газа из газовой турбины. В канале 6 топочного газа расположено соответственно множество поверхностей нагрева, в частности, обозначенных как испарительная поверхность 8 нагрева. В примере выполнения показана только одна испарительная поверхность 8 нагрева, однако, может быть предусмотрено также большее количество испарительных поверхностей нагрева.
Образованная испарительной поверхностью 8 нагрева испарительная система является нагружаемой текучей средой W, которая испаряется при одноразовом прохождении через испарительную прямоточную поверхность 8 нагрева и которую в виде пара D отводят после выхода из испарительной прямоточной поверхности 8 нагрева и обычно подводят для дальнейшего перегрева к перегревательным поверхностям нагрева. Испарительная система, образованная испарительной поверхностью 8 нагрева, включена в не представленный более подробно на чертеже пароводяной контур паровой турбины. Дополнительно к испарительной системе в пароводяной контур паровой турбины включено некоторое количество других, не представленных более подробно на фигуре поверхностей нагрева. В случае поверхностей нагрева речь может идти, например, о перегревателе, испарителе среднего давления, испарителе низкого давления и/или о подогревателе.
Испарительная поверхность 8 нагрева прямоточного парогенератора 1 содержит по типу пучка труб множество параллельно включенных для протекания текучей среды W парогенераторных труб 12. При этом соответственно множество парогенераторных труб 12 при рассмотрении в направлении х топочного газа расположены рядом друг с другом. При этом видимой является только одна из расположенных таким образом рядом друг с другом парогенераторных труб 12. Перед расположенными таким образом рядом друг с другом парогенераторными трубами 12 при этом по стороне текучей среды перед их входом 13 в канал 6 топочного газа подключен общий входной коллектор 14 и после их выхода 16 из канала 6 топочного газа подключен общий выходной коллектор 18. Парогенераторные трубы 12 имеют множество протекаемых текучей средой W в направлении вверх отрезков 20 подъемной трубы и соответственно протекаемых в направлении вниз отрезков 22 опускной трубы, которые соединены друг с другом протекаемыми в горизонтальном направлении средой перепускными отрезками 24.
Прямоточный парогенератор 1 рассчитан на особенно высокую эксплуатационную надежность и для последовательного подавления характерной разности температур, обозначаемой также как перекосы температур, на выходе 16 между соседними парогенераторными трубами 12 даже при питании со сравнительно высокими плотностями массы потока. Для этого испарительная поверхность 8 нагрева в своей задней при рассмотрении по стороне текучей среды области содержит сегмент 26 поверхности нагрева, который включен в противотоке к направлению х потока топочного газа. Множество соединенных друг с другом перепускными отрезками 24 отрезков 20 подъемной трубы и отрезков 22 опускной трубы образуют к тому же следующий, включенный в прямотоке к направлению х топочного газа сегмент 28 поверхности нагрева, который включен перед сегментом 26 поверхности нагрева. За счет этого включения позиционирование выхода 16 является выбираемым при рассмотрении в направлении х топочного газа. Это позиционирование в случае прямоточного парогенератора 1 выбрано таким образом, что установившаяся в случае эксплуатации в зависимости от давления в испарительной поверхности 8 нагрева температура насыщенного пара текучей среды W отклоняется на меньше, чем заданное максимальное отклонение, порядка 50° от температуры топочного газа, господствующей в случае эксплуатации в месте или на высоте выхода 16 сегмента 26 поверхности нагрева. Так как температура текучей среды W на выходе 16 всегда должна быть, по меньшей мере, равной температуре насыщенного пара, однако, с другой стороны, не может быть выше, чем господствующая в этом месте температура топочного газа, возможные разности температуры между различно нагретыми трубами также без дальнейших контрмер ограничены до заданного максимального отклонения порядка 50°С.
После расположенного в направлении х топочного газа далеко впереди в канале 6 топочного газа следующего сегмента 28 поверхности нагрева тем самым по стороне топочного газа и по стороне текучей среды включен точно так же образованный из множества соединенных друг с другом перепускными отрезками 24, протекаемых в противотоке к направлению х топочного газа отрезков 20 подъемной трубы и отрезков 22 опускной трубы сегмент 26 поверхности нагрева.
Расположение протекаемых в направлении вниз отрезков трубы, таких как отрезки 22 опускной трубы внутри канала 6 топочного газа, в принципе возможно только тогда, когда за счет подходящих мер обеспечивается стабильность потока внутри парогенераторных труб 12. Дело в том, что нагрев протекаемых в направлении вниз отрезков трубы может приводить, в общем, к образованию пузырьков пара в текучей среде W, которые, если они вследствие их малого удельного веса поднимаются против направления потока текучей среды W, могут неблагоприятно сказываться на стабильности потока и, тем самым, на эксплуатационной надежности прямоточного парогенератора 1. С другой стороны, включение парогенераторных труб 12, при котором имеет место нагрев только протекаемых в направлении вверх отрезков трубы, то есть подъемных отрезков 20 трубы, связано с высокими конструктивными затратами.
Особенно простая и тем самым также надежная конструкция прямоточного парогенератора 1 может быть достигнута за счет того, что испарительная поверхность 8 нагрева особенно в связи со сбором и распределением текучей среды W выполнена особенно просто и от дополнительных компонентов, как, например, необогреваемых трубопроводов-коллекторов можно отказаться. Вместо этого парогенераторные трубы 12 содержат соответственно множество включенных попеременно друг за другом по стороне текучей среды подъемных отрезков 20 трубы и опускных отрезков 22 трубы, которые проложены внутри канала 6 топочного газа, то есть подвержены нагреву топочным газом.
Вход 13 расположен на входе по стороне газа испарительной поверхности 8 нагрева, то есть в направлении х топочного газа далеко впереди в канале 6 топочного газа. Посредством расположения входа 13 в области канала 6 топочного газа, в котором топочный газ имеет самую высокую температуру, достигается очень быстрый нагрев и, тем самым, также испарение текучей среды W в парогенераторных трубах 12. Так как скорость потока пароводяной смеси при одинаковом весовом расходе является тем выше, чем больше составляющая пара и, тем самым, удельный объем смеси, текучая среда W при таком расположении входного коллектора 14 достигает сравнительно быстро высокой скорости потока.
Это является особенно выгодным, чтобы обеспечить стабильность имеющегося в парогенераторных трубах 12 потока. Важным в решающей степени неблагоприятно сказывающемся на стабильности потока фактором является как раз появление пузырьков пара в парогенераторных трубах 12. Вследствие его низкого удельного веса, образующиеся в парогенераторных трубах 12, пузырьки пара могут подниматься вверх и, тем самым, создавать в протекаемых вниз отрезках 22 опускной трубы движение против направления потока. Так как такое движение решающим образом неблагоприятно сказывалось бы на стабильности потока, следует последовательно препятствовать подъему образующихся пузырьков пара в парогенераторных трубах 12. Важным критерием для стабильности потока является скорость потока текучей среды W. Если уже в первом протекаемом вниз отрезке трубы, то есть в первом отпускном отрезке 22 трубы, она имеет значение, которое, по меньшей мере, является настолько высоким, как необходимая для захвата пузырьков пара скорость, то они захватываются потоком, и подъем против направления потока надежно предотвращается. Путем позиционирования входа 13 на входе по стороне топочного газа и обусловленной этим высокой скорости текучей среды W уже в первом отпускном отрезке 22 трубы обеспечен желаемый эффект захвата образующихся пузырьков пара при одновременно низких конструктивных затратах.
Способ согласно изобретению может сопровождаться следующими процессами:
Текучую среду W непосредственно перед ее выходом из испарительной прямоточной поверхности (8) нагрева направляют в противотоке к топочному газу.
Текучую среду W уже при или непосредственно после входа в парогенераторные трубы 12 подвергают настолько сильному нагреву, что она в первом отрезке 22 опускной трубы соответствующей парогенераторной трубы 12 имеет скорость потока больше, чем заданная минимальная скорость.
Текучую среду W после ее входа в испарительную прямоточную поверхность 8 нагрева направляют противоточно топочному газу.