ПРОМЫШЛЕННЫЙ ПРЯМОТОЧНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР
INDUSTRIAL MONOTUBE STEAM GENERATOR

Изобретение относится к технике получения насыщенного водяного пара для технологических нужд различных производств и может быть использовано в химической, деревообрабатывающей, пищевой, нефтедобывающей промышленности, производстве стройматериалов и других отраслях экономики; устанавливается на месте потребления пара. Это позволяет свести к минимуму тепловые потери при транспортировке пара по трубопроводам. В качестве топлива может применяться природный, попутный газ или жидкое топливо.
Известны паровые прямоточные котлы для выработки насыщенного водяного пара для покрытия переменной или прерывистой по времени нагрузки.
Таковы, например, котлы, выпускаемые фирмами «WIMA», «HENSCHEL Kessel», «LOOS» (все - Германия). Аналогом является паровой трехходовой котел типа DF, взятый за прототип, выпускаемый фирмой «LOOS» (Германия). Прямоточный паровой трехходовой котел DF имеет газоплотный корпус из листовой стали, в котором размещен специальный змеевик, состоящий из двух газоплотных змеевиков, вставленных один в другой по всей длине топки, а в конце топки во внутреннем змеевике размещен короткий многовитковый змеевик, включенный последовательно по водяному тракту. Недостатками таких котлов являются достаточно высокая температура продуктов сгорания на выходе из парогенератора, так как конструкция имеет неохлаждаемый водой металлический корпус, обогреваемый с внутренней стороны движущимися продуктами сгорания третьего хода. Для снижения температуры уходящих газов и повышения кпд котлы фирмы «LOOS» комплектуются водяными экономайзерами - дополнительными устройствами для предварительного подогрева питательной воды, устанавливаемыми за пределами котла, деаэраторами для дегазации питательной воды. Коэффициент полезного действия котла DF без экономайзера 90%, применение экономайзера позволяет повысить кпд до 95%. Для работы отдельно устанавливаемых деаэраторов необходим насыщенный пар, что снижает кпд котельной установки в целом и увеличивает капитальные затраты.
Технический результат:
1. Модульность конструкции, расширяющая функциональное назначение элементов промышленного прямоточного парогенератора;
2. Высокая энергетическая эффективность (кпд не ниже 95%);
3. Повышенный уровень безопасности;
4. Высокая ремонтопригодность; возможность замены вышедших из строя узлов на месте эксплуатации;
5. Значительное снижение металлозатрат;
6. Высокая рабочая готовность и минимальное время выхода на расчетный режим;
7. Малые габариты и масса;
8. Низкий уровень выбросов загрязняющих компонентов в воздушный бассейн;
9. Прочность и надежность.
Технический результат достигается за счет того, что промышленный прямоточный парогенератор, содержащий металлический цилиндрический корпус, расширительный бак, патрубок дымоудаления, автоматизированную блочную газожидкотопливную горелку, системы подачи топлива и питательной воды, сепаратор для удаления капель воды из насыщенного пара,  состоит из модуля низкого давления для предварительного подогрева питательной воды и ее дегазации, образованного двумя цилиндрическими обечайками (внешней и внутренней), выполненными из стального листа, вставленными соосно одна в другую с кольцевым зазором между ними, имеющими торцевые днища с фронтальной стороны, установленные с зазором - внутренний относительно внешнего, образующие совместно с кольцевым пространством между обечайками единую замкнутую полость, а с тыльной стороны кольцевое пространство между обечайками закрыто стальной стенкой с фланцем для установки в модуль низкого давления модуля высокого давления, состоящего из двух плотно навитых змеевиков, имеющих два-три витка последних по ходу воды и пара, установленных с зазором относительно друг друга, соединенных последовательно по водяному тракту, вставленных один в другой соосно с кольцевым зазором между ними, внутренний змеевик плотной навивки является топкой, где осуществляется локализация горения газового или жидкого топлива, а торцевая часть модуля высокого давления представляет собой промежуточную герметичную емкость, находящуюся под давлением питательной воды, к внутреннему днищу которой присоединен внешний змеевик плотной навивки, а герметичная емкость высокого давления снабжена фланцем для сборки модулей в единую конструкцию болтовыми соединениями.
Техническое решение.
Модуль низкого давления состоит из двух цилиндрических обечаек (внешней и внутренней), выполненных из стального листа, вставленных соосно одна в другую, с кольцевым зазором между ними, имеющих торцевые днища с фронтальной стороны, установленные с зазором - внутренний относительно внешнего, образующие совместно с кольцевым пространством между обечайками единую замкнутую полость, заполняемую водой; для поддержания механической прочности торцевых днищ они укреплены анкерными стяжками, с тыльной стороны кольцевое пространство между обечайками закрыто стенкой - фланцем для установки и крепления модуля высокого давления. Внешняя обечайка модуля низкого давления образует металлический цилиндрический корпус парогенератора и снаружи покрывается слоем тепловой изоляции с декоративной защитной обшивкой. Модуль низкого давления включает расширительный бак, дегазационную емкость (деаэратор) и патрубок отвода продуктов сгорания.
Модуль высокого давления состоит из двух плотно навитых змеевиков, соединенных последовательно по водяному тракту, вставленных один в другой соосно с кольцевым зазором между ними. Внутренний змеевик плотной навивки образует газоплотную топку в виде жаровой трубы, образованной витками змеевика, где осуществляется локализация горения газового или жидкого топлива. Газовое пространство топки, образованное внутренним змеевиком плотной навивки, пространство поворота и входа в кольцевое пространство между внутренним и внешним змеевиками плотной навивки, пространство поворота и входа в кольцевое пространство между внешним змеевиком плотной навивки и внутренней обечайкой модуля низкого давления образуют трехходовую конструкцию для прохода продуктов сгорания, причем два-три витка последних по ходу воды и пара установлены с зазором относительно друг друга. В традиционных конструкциях трехходовых жаротрубных котлов эту роль выполняют поворотные камеры. Торцевая часть модуля высокого давления представляет собой промежуточную герметичную емкость, находящуюся под давлением питательной воды, величина которого определяется параметрами насыщенного пара, вырабатываемого в испарительной части (плотно навитых змеевиках). Герметичная емкость модуля высокого давления представляет собой цилиндрическое пространство с двумя плоскими днищами - внутренним и внешним, стянутыми для усиления прочности анкерными стяжками; к внутреннему днищу присоединен внешний змеевик плотной навивки для подачи питательной воды. Отвод насыщенного пара производится по внутреннему змеевику плотной навивки.
Торцевая часть модуля высокого давления снабжена фланцем для сборки модулей низкого и высокого давления в единую конструкцию путем закрепления змеевиков модуля высокого давления во внутренней полости модуля низкого давления с помощью болтовых соединений.
Промышленный прямоточный парогенератор снабжен баком-расширителем, расположенным над парогенератором. Высота расположения бака-расширителя определяет давление воды в кольцевом пространстве модуля низкого давления, которое несколько превосходит атмосферное давление или близкое к нему. В верхней части внешней обечайки установлен дегазационный сосуд, который сообщается с атмосферой, предназначенный для спуска воздуха при заполнении парогенератора водой, а во время работы - для дегазации подогретой питательной воды. Выпар из дегазационного сосуда, имеющий температуру более высокую, чем окружающий воздух, подмешивается к дутьевому воздуху и подается в топку. Для подачи подогретой питательной воды из модуля низкого давления в модуль высокого давления предназначен специальный насос.
Внешняя обечайка промышленного прямоточного парогенератора и внешние торцевые днища, охлаждаемые водой, покрываются тепловой изоляцией, что снижает тепловые потери в окружающую среду.
Промышленный прямоточный парогенератор комплектуется сепаратором для отделения капель воды от насыщенного пара, предохранительной и запорной арматурой, автоматикой управления и безопасности.
В качестве топливосжигающих устройств используются автоматизированные блочные горелки - газовые, жидкотопливные или комбинированные.
На фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 изображен промышленный прямоточный парогенератор - поперечные и продольные разрезы.
На фиг.1 показан продольный разрез промышленного прямоточного парогенератора в собранном виде, на фиг.2 - продольный разрез модуля низкого давления, на фиг.3 - продольный разрез модуля высокого давления, на фиг.4 - поперечный разрез промышленного прямоточного парогенератора.
На фиг.1 показан модуль низкого давления I, модуль высокого давления II, питательный насос III, горелочный блок IV, сепаратор V.
На фиг.2 показан продольный разрез модуля низкого давления.
1 - внутренняя обечайка; 2 - внешняя обечайка; 3 - внешнее торцевое днище; 4 - внутреннее торцевое днище; 5 - анкерные стяжки; 6 - опорная косынка для внутреннего змеевика плотной навивки; 7 - отверстие для установки горелки; 8 - подвод холодной питательной воды; 9 - центрирующие опоры внешнего змеевика плотной навивки; 10 - опоры промышленного прямоточного парогенератора; 11 - задняя стенка (фланец) модуля низкого давления; 12 - отвод подогретой дегазированной питательной воды в модуль высокого давления; 13 - отвод продуктов сгорания; 14 - бак-расширитель; 15 - дегазатор.
На фиг.3 показан продольный разрез модуля высокого давления.
16 - внутренний змеевик плотной навивки; 17 - внешний змеевик плотной навивки; 18 - передняя стенка (фланец); 19 - емкость промежуточная; 20 - подвод питательной воды из модуля низкого давления; 21 - анкерные стяжки; 22 - задняя стенка; 23 - отвод насыщенного пара.
На фиг.4 показан поперечный разрез промышленного прямоточного парогенератора. 1 - внутренняя обечайка; 2 - внешняя обечайка; 7 - отверстие под горелку; 10 - опора; 14 - бак-расширитель; 16 - внутренний змеевик плотной навивки; 17 - внешний змеевик плотной навивки.
Промышленный прямоточный парогенератор работает следующим образом. Заполняется модуль низкого давления I водой; воздух удаляется через дегазатор 15. Включается насос III и заполняется водой модуль высокого давления II и производится продувка водой внешнего и внутреннего змеевиков плотной навивки. Производится розжиг автоматизированного блочного горелочного устройства и вывод парогенератора на рабочий режим. Продукты сгорания, проходя по топочному пространству, образованному внутренним газоплотным змеевиком, отдают тепло поверхности нагрева и, дойдя до передней стенки с фланцем 18 модуля высокого давления, разворачиваются и поступают в кольцевое пространство между змеевиками плотной навивки 16 и 17, образуя второй ход продуктов сгорания. В кольцевом пространстве происходит дальнейшее снижение их температуры за счет теплообмена с поверхностью внутреннего змеевика плотной навивки и поверхностью теплообмена внешнего змеевика плотной навивки. Пройдя по второму ходу до торцевой стенки внутренней обечайки, продукты сгорания разворачиваются и поступают в третий ход, образованный внутренней обечайкой и поверхностью внешнего змеевика плотной навивки. При одинаковой скорости движения продуктов сгорания по кольцевому сечению третьего хода теплоотдача гладкой стенке внутренней обечайки будет ниже, чем к поверхности внешнего змеевика, где поток турбулизируется выступами и впадинами, образованными витками змеевиков.
В кольцевом пространстве модуля низкого давления, образованного цилиндрическими обечайками, питательная вода подогревается продуктами сгорания до 85-95°С; при температуре 100°С питательная вода закипает и дегазируется, при этом из нее выпадает накипь. Этот технологический прием может быть применен в тех случаях, когда конденсат возвращается в котельную. В конце третьего хода продукты сгорания уходят через патрубок 13 в дымовую трубу.
Малый объем предварительно подогретой и дегазированной питательной воды, поступающей в модуль высокого давления обеспечивает ее быстрое испарение - через 10-15 минут парогенератор выходит на номинальную нагрузку.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение технического результата:
- высокую энергетическую эффективность - все элементы конструкции, обращенные в сторону высокотемпературных продуктов сгорания, имеют надежное водяное охлаждение, чем обеспечивается дополнительный теплосъем:
- гидравлическое разделение водяного тракта на два модуля снижает металлозатраты и расход электроэнергии на подачу питательной воды;
- разделение конструкции промышленного прямоточного парогенератора на два функциональных модуля низкого и высокого давления повышает ремонтопригодность и надежность;
- особенность гидравлического режима промышленного прямоточного парогенератора позволяет генерировать насыщенный пар любого давления - при этом повышенным требованиям прочности должен соответствовать только модуль высокого давления - все остальные элементы парогенератора находятся под атмосферным давлением или близким к нему;
- размещение модуля высокого давления внутри модуля низкого давления повышает безопасность промышленного прямоточного парогенератора, т.к. в случае разрыва змеевиковой трубы пар попадает в изолированное от окружающей среды пространство, ограниченное двумя кольцевыми металлическими обечайками, между которыми находится вода, а топочное пространство сообщается с атмосферой через дымовую трубу в конце третьего хода продуктов сгорания.