КОТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области конструкции устройств для получения тепловой энергии на тепловых электростанциях в виде перегретого пара путем сжигания углеводородного топлива в камерных топках энергетических паровых котлов. Полезная модель может быть использована в огнетехнических технологиях с использованием печей для повышения их эксплуатационной надежности и предотвращения опасных выбросов окислов азота в атмосферу.
Аналогом является котельная установка, содержащая топку с экранной испарительной поверхностью, в которой на фронтальной стене установлены горелки первого и второго ярусов, барабан, горизонтальный газоход, в котором размещен пароперегреватель, ступени которого соединены с первым и вторым межступенчатыми пароохладителями, опускной газоход, экономайзер, регулятор температуры перегрева пара, регуляторы подачи топлива первого и второго ярусов, регуляторы подачи воздуха первого и второго ярусов, которые соединены с регуляторами подачи смеси топлива и воздуха соответственно первого и второго ярусов, которые соединены, в свою очередь, с регулятором температуры перегрева пара, систему контроля температуры перегретого пара, включающую основной датчик температуры перегрева пара, соединенный электрической связью с первым и вторым межступенчатыми пароохладителями, и дополнительный датчик температуры перегрева пара, соединенный электрической связью с регулятором перегрева пара, при этом каждая горелка первого и второго ярусов выполнена с возможностью регулирования и управления теплопроизводительностью в зависимости от температуры перегретого пара и имеет возможность раздельной подачи топлива и раздельной подачи воздуха (патент на полезную модель RU №112343 U1, МПК F22B 35/00, 10.01.2012).
Недостатки аналога:
1. При быстром наборе паропроизводительности котла происходит резкое повышение температуры факела и возрастает интенсивность образования окислов азота.
2. При переходе на сжигание топлива с высшей теплотой сгорания невозможно быстро отрегулировать количество подаваемого топлива для предотвращения образования окислов азота в автоматическом режиме.
Прототипом является котельная установка, содержащая топку с экранной испарительной поверхностью, в которой на фронтальной стене установлены горелки первого и второго ярусов, барабан, горизонтальный газоход, в котором размещен пароперегреватель, ступени которого соединены с первым и вторым межступенчатыми пароохладителями, опускной газоход, экономайзер, регулятор температуры перегрева пара, а также регуляторы подачи топлива первого и второго ярусов, регуляторы подачи воздуха первого и второго ярусов, которые соединены с регуляторами подачи смеси топлива и воздуха соответственно первого и второго ярусов, которые соединены, в свою очередь, с регулятором температуры перегрева пара, систему контроля температуры перегретого пара, включающую основной датчик температуры перегрева пара, соединенный электрической связью с первым и вторым межступенчатыми пароохладителями, и дополнительный датчик температуры перегрева пара, соединенный электрической связью с регулятором температуры перегрева пара, при этом каждая горелка первого и второго ярусов выполнена с возможностью регулирования и управления теплопроизводительностью в зависимости от температуры перегретого пара и имеет возможность раздельной подачи топлива и раздельной подачи воздуха, при этом на трубопроводе подачи топлива расположен автоматический калориметр со встроенным процессором, соединенный с регуляторами подачи топлива первого яруса и регуляторами подачи топлива второго яруса и соединенный электрической связью с регулятором температуры перегрева пара, а в опускном газоходе после экономайзера установлен автоматический газоанализатор, соединенный электрической связью с регулятором температуры перегрева пара, при этом количество подаваемого топлива и воздуха к каждой горелке производится автоматически путем передачи электрического сигнала на регуляторы топлива и воздуха перед каждой горелкой в соответствии с теплотой сгорания, определяемой автоматическим калориметром, и количества образующихся окислов азота, определяемых автоматическим газоанализатором (патент на полезную модель RU №154647 U1, МПК F22B 35/00, 27.08.2015).
Недостатки прототипа:
1. При наборе паровой нагрузки в форсированном режиме имеется большая инерционность процесса воздействия на снижение температуры факела в момент возрастания интенсивности образования окислов азота, так как снижение температуры достигается путем изменения количественного соотношения расходов воздуха и топлива, что приводит к кратковременным превышениям выбросов окислов азота в атмосферу.
2. При режиме снижения паропроизводительности температура факела уменьшается медленнее из-за обратного теплового излучения от разогретой внутренней обмуровки топки несмотря на то, что количественное регулирование соотношения расходов воздуха и топлива регулятором температуры пара уже произведено. Это приводит также к кратковременным повышенным выбросам окислов азота в атмосферу.
Задачей полезной модели является разработка котельной установки, в которой устранены указанные недостатки аналога и прототипа.
Технический результат полезной модели заключается в предотвращении образования окислов азота в топке при паровой нагрузке в форсированном режиме и при режиме снижения паропроизводительности за счет регулирования содержания кислорода в составе воздуха, подаваемого на горение.
Технический результат достигается тем, что котельная установка, содержащая топку с экранной испарительной поверхностью, в которой на фронтальной стене установлены горелки первого и второго ярусов, барабан, горизонтальный газоход, в котором размещен пароперегреватель, ступени которого соединены с первым и вторым межступенчатыми пароохладителями, опускной газоход, экономайзер, регулятор температуры перегрева пара, а также регуляторы подачи топлива первого и второго ярусов, регуляторы подачи воздуха первого и второго ярусов, которые соединены с регуляторами подачи смеси топлива и воздуха соответственно первого и второго ярусов, которые соединены, в свою очередь, с регулятором температуры перегрева пара, систему контроля температуры перегретого пара, включающую основной датчик температуры перегрева пара, соединенный электрической связью с первым и вторым межступенчатыми пароохладителями, и дополнительный датчик температуры перегрева пара, соединенный электрической связью с регулятором температуры перегрева пара, при этом каждая горелка первого и второго ярусов выполнена с возможностью регулирования и управления теплопроизводительностью в зависимости от температуры перегретого пара и имеет возможность раздельной подачи топлива и раздельной подачи воздуха, при этом на трубопроводе подачи топлива расположен автоматический калориметр со встроенным процессором, соединенный с регуляторами подачи топлива первого яруса и регуляторами подачи топлива второго яруса и соединенный электрической связью с регулятором температуры перегрева пара, а в опускном газоходе после экономайзера установлен автоматический газоанализатор, соединенный электрической связью с регулятором температуры перегрева пара, при этом количество подаваемого топлива и воздуха к каждой горелке производится автоматически путем передачи электрического сигнала на регуляторы топлива и воздуха перед каждой горелкой в соответствии с теплотой сгорания, определяемой автоматическим калориметром, и количества образующихся окислов азота, определяемых автоматическим газоанализатором, согласно настоящей полезной модели дополнительно содержит дымосос рециркуляции газов, сопло рециркуляции, которое установлено на каждую горелку первого яруса, сопло рециркуляции, которое установлено на каждую горелку второго яруса, регулятор подачи рециркулируемых газов в сопла рециркуляции первого яруса, регулятор подачи рециркулируемых газов в сопла рециркуляции второго яруса, при этом вход и выход дымососа рециркуляции газов соединены соответственно с опускным газоходом и с регуляторами подачи рециркулируемых газов первого и второго ярусов, которые соединены соответственно с соплами рециркуляции первого и второго ярусов, причем регулятор температуры перегрева пара электрически соединен с регуляторами подачи рециркулируемых газов первого и второго ярусов, а также с дымососом рециркуляции газов.
Таким образом, технический результат достигается путем применения дымососа рециркуляции газов, отбираемых из опускного газохода, управляемого по электрической связи компьютеризированным регулятором температуры перегрева пара, применения сопел рециркуляции, расположенных на горелках первого и второго ярусов, применения электроуправляемых по электрической связи компьютеризированным регулятором температуры перегрева пара, регуляторов подачи (задвижек) на каналах раздельной подачи рециркулируемых газов в горелки первого и второго ярусов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично показано продольное сечение предлагаемой котельной установки с ее основными элементами и их функциональными связями; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 (горизонтальное сечение экранированной топки на уровне горелок первого яруса); на фиг. 3 показан вид Б на фиг. 1 (вид фронтальной стенки экранированной топки на уровне горелок первого и второго ярусов).
Цифрами на чертежах обозначены следующие позиции:
1 - топка;
2 - горелки первого яруса;
3 - горелки второго яруса;
4 - экранная испарительная поверхность;
5 - барабан;
6 - горизонтальный газоход;
7, 8, 9, 10 - соответственно первая, вторая, третья, четвертая ступени пароперегревателя;
11, 12 - соответственно первый и второй межступенчатые пароохладители;
13 - основной датчик температуры перегрева пара;
14 - опускной газоход;
15 - экономайзер;
16 - дополнительный датчик температуры перегрева пара;
17 - регулятор температуры перегрева пара;
18 - регулятор подачи смеси топлива и воздуха второго яруса (регулятор количества и качества смеси топлива и воздуха горелок второго яруса);
19 - регулятор подачи воздуха второго яруса (задвижка с электроприводом для подачи воздуха в горелки второго яруса);
20 - регулятор подачи топлива второго яруса (задвижка с электроприводом для подачи топлива в горелки второго яруса);
21 - регулятор подачи смеси топлива и воздуха первого яруса (регулятор количества и качества смеси топлива и воздуха горелок первого яруса);
22 - регулятор подачи воздуха первого яруса (задвижка с электроприводом для подачи воздуха в горелки первого яруса);
23 - регулятор подачи топлива первого яруса (задвижка с электроприводом для подачи топлива в горелки первого яруса);
24 - автоматический калориметр со встроенным процессором;
25 - автоматический газоанализатор;
26 - дымосос рециркулируемых газов;
27 - сопло рециркуляции первого яруса;
28 - сопло рециркуляции второго яруса;
29 - регулятор подачи рециркулируемых газов в сопло рециркуляции первого яруса (задвижка с электроприводом для подачи рециркулируемых газов в сопло рециркуляции первого яруса);
30 - регулятор подачи рециркулируемых газов в сопло рециркуляции второго яруса (задвижка с электроприводом для подачи рециркулируемых газов в сопло рециркуляции второго яруса).
Мелкой пунктирной линией обозначены каналы движения рециркулируемых уходящих дымовых газов в сопла 27, 28 рециркуляции горелок 2, 3 первого и второго ярусов. Электрическая связь регулятора температуры 17 перегрева пара с дымососом 26 рециркуляции и с регуляторами 29, 30 подачи рециркулируемых газов в сопла обозначена тонкой пунктирной линией.
Назначение элементов и узлов котельной установки следующее:
Топка 1 с горелками 2 и 3 служит для сжигания топлива, поступающего через регуляторы 20 и 23 (задвижки с электроприводом). В горелки 2 и 3 подается также подогретый воздух через регуляторы 19 и 22 (задвижки с электроприводом).
Экранная трубная испарительная поверхность 4 генерирует внутри труб пароводяную смесь, которая поступает в барабан 5 для сепарирования. В барабан 5 также поступает вода из экономайзера 15, расположенного в опускном газоходе 14.
Из барабана 5 в пароперегреватель пар подается последовательно в первую ступень 7, затем во вторую ступень 8 и далее в третью 9 и четвертую 10 ступени пароперегревателя, после которых образуется перегретый пар, поступающий на паровую турбину. Ступени перегрева пара 7, 8, 9 и 10 размещены в горизонтальном газоходе 6.
Для контроля и последующего регулирования температуры перегрева применяются датчики 13 и 16 температуры перегрева пара. Для исключения повышения температуры сверх допустимой применяются межступенчатые впрыскивающие пароохладители 11 и 12, срабатывающие на основании электрического сигнала с датчика 13.
Датчик 16 служит для интегрального регулирования температуры продуктов сгорания в горизонтальном газоходе 6 путем изменения количества топлива и воздуха, поступающего на горелки 2 и 3 соответственно первого и второго ярусов. При повышении температуры перегретого пара электрический сигнал с датчика 16 поступает на регулятор 17 температуры перегрева пара, от которого по программе, заложенной в ЭВМ, передаются два электрических сигнала. Один из них идет на регулятор 18 количества и качества смеси топлива и воздуха на горелки 3 второго яруса, которые имеют раздельное управление регуляторами 19 (задвижками с электроприводом) для подачи воздуха и регуляторами 20 (задвижками с электроприводом) для подачи топлива. Второй сигнал идет на регулятор 21 количества и качества смеси топлива и воздуха на горелки 2 первого яруса, которые имеют раздельное управление регуляторами 22 (задвижками с электроприводом) для подачи воздуха и регуляторами 23 (задвижками с электроприводом) для подачи топлива.
Котельная установка также содержит автоматический калориметр 24 со встроенным процессором и автоматический газоанализатор 25, при этом автоматический калориметр 24 подключен к регулятору 17 температуры перегрева пара и соединен с регуляторами 23 подачи топлива первого яруса и регуляторами 20 подачи топлива второго яруса, а автоматический газоанализатор 25 установлен в опускном газоходе 14 после экономайзера 15 и подключен к регулятору 17 температуры перегрева пара.
Автоматический калориметр 24 со встроенным процессором (на фиг. 1 процессор позицией не обозначен) размещен на трубопроводе подачи топлива перед регуляторами 20 и 23 для подачи топлива к горелкам (на фиг. 1, 2, 3 трубопроводы подачи топлива позициями не обозначены) и служит для измерения и регистрации теплоты сгорания топлива и передачи по электрической связи значения теплоты сгорания топлива на регулятор 17 температуры перегрева пара.
Автоматический газоанализатор 25 размещен в опускном газоходе 14 после экономайзера 15 по ходу движения продуктов сгорания и служит для регистрации наличия окислов азота и выработки опережающего электрического сигнала о наличии окислов азота и передачи сигнала по электрической связи в блок сравнения (на фиг. 1 блок сравнения позицией не обозначен) регулятора 17 температуры перегрева пара.
Предлагаемая котельная установка отличается тем, что она дополнительно содержит дымосос 26 рециркуляции газов, сопло 27 рециркуляции, которое установлено на каждую горелку 2 первого яруса, сопло 28 рециркуляции, которое установлено на каждую горелку 3 второго яруса, регулятор 29 подачи рециркулируемых газов в сопла 27 рециркуляции первого яруса, регулятор 30 подачи рециркулируемых газов в сопла 28 рециркуляции второго яруса, при этом вход и выход дымососа 26 рециркуляции газов соединены соответственно с опускным газоходом 14 и с регуляторами 29, 30 подачи рециркулируемых газов первого и второго ярусов, которые соединены соответственно с соплами 27, 28 рециркуляции первого и второго ярусов, причем регулятор 17 температуры перегрева пара электрически соединен с регуляторами 29, 30 подачи рециркулируемых газов первого и второго ярусов, а также с дымососом 26 рециркуляции газов.
Дымосос 26 рециркуляции газов служит для забора части (до 20% по объему) уходящих дымовых газов с низким содержанием кислорода (не более 8% по объему) из опускного газохода 14 и нагнетания их по каналам (на чертеже позицией не обозначены) через регуляторы (задвижки) 29, 30 и сопла 27, 28 в воздушные каналы горелок перед периферийными воздухозакручивателями (лопаточными регистрами) (на чертеже позицией не обозначены).
Сопла 27, 28 рециркуляции служат для равномерного распределения рециркулируемых газов перед лопатками воздухозакручивателей (на чертеже позицией не обозначены) горелок 2 и 3.
Регуляторы (задвижки) 29, 30 служат для регулирования расхода рециркулируемых газов по горелкам 2, 3 первого и второго ярусов. На горелки 2 первого яруса подается большее количество рециркулируемых газов, а на горелки 3 второго яруса - меньшее количество рециркулируемых газов.
Расход устанавливается при помощи регулятора 17 температуры перегрева пара по компьютерной программе.
В отличительной части предлагаемая котельная установка работает следующим образом.
При повышении содержания окислов азота по электрическому сигналу от автоматического газоанализатора 25 регулятор 17 температуры перегрева пара с опережением срабатывания регуляторов 18 и 21 включает дымосос 26 рециркуляции газов и степень открытия регуляторов (задвижек) 29, 30 по первому и второму ярусам горелок 2, 3. В подаваемом воздухе количество кислорода с 20% мгновенно понижается и горение в факеле горелок 2 первого яруса происходит с недостатком кислорода, что приводит к мгновенному снижению температуры факела и снижению образования окислов азота. На горелки 3 второго яруса подается меньшее количество газов рециркуляции и количество кислорода увеличивается, что способствует догоранию топлива, не сгоревшего в факелах горелок 2 первого яруса.
Поскольку процесс горения топлива в горелках 3 второго яруса нестехиометрический, то температура факела понижается и также не способствует интенсификации образования окислов азота. Этим достигается положительный результат по сравнению с прототипом.
Незначительная часть остающегося топлива догорает при пониженных температурах за счет кислорода, который присасывается в топку по ходу движения продуктов горения к горизонтальному газоходу 6.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволит предотвратить образование окислов азота в топке при паровой нагрузке в форсированном режиме и при режиме снижения паропроизводительности за счет регулирования содержания кислорода в составе воздуха, подаваемого на горение.