Водогрейный котел
HOT-WATER BOILER

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в котлостроении. В частности, рассматривается конструкция водогрейного котла с применением турбокомпрессоров для подачи воздуха в горелочное устройство.
Известен пароводогрейный котел, выполненный с выносной камерой сгорания (по типу камер сгорания газотурбинных установок (ГТУ)). Все сгорание происходит в камере, на выходе из камеры горячие продукты сгорания, которые поступают в высокотемпературный теплообменник, где их температура снижается до 500-600°С, затем идут на турбину турбокомпрессора и, отработав в турбине, поступают в низкотемпературный теплообменник, где их температура снижается до температуры уходящих газов. Вода противоходом поступает сначала в низкотемпературный теплообменник, затем в высокотемпературный теплообменник и выходит в виде пара (ст. "Малогабаритные цилиндрические пароводогрейные котлы с турбокомпрессором для коммунальных и технологических целей", автор Якимович К.А., http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/kot_r8A2pU.htm, найдено 01.06.2018). Выносная камера сгорания выполнена с воздушным охлаждением, что приводит к перегреву камеры на частичных режимах (когда расходы воздуха маленькие и охлаждение слабое) и выходу ее из строя. Конструктивно оба теплообменника выполнены в виде концентрических цилиндров и объединены в один модуль, что не позволяло набрать в низкотемпературной части достаточную поверхность и снизить температуру уходящих газов до желаемой величины.
Известен водогрейный котел (RU 184842, F24H 1/00, F24H 1/24, опубл. 12.11.2018 г.), содержащий герметичный цилиндрообразной формы корпус, внутри которого расположена топочная камера, на входе которой установлен узел горелки, выполненный с каналами подвода топлива и воздушного потока, кольцевая полость корпуса, образованная между стенками топочной камеры и корпуса, использована для прохождения воды и топочных газов для образования высокотемпературной секции, а также вентилятор для подачи воздушного потока в узел горелки, что в указанной кольцевой полости высокотемпературной секции расположены по окружности топочной камеры дымогарные трубы, сообщенные с топочной камерой, а часть указанной полости между стенками топочной камеры и корпуса и стенками дымогарных труб использована для прохождения воды, поступающей из низкотемпературной секции, представляющей собой закрепленный на корпусе высокотемпературной секции отдельный корпус с теплообменником из труб внутри, сообщаемых с источником подачи воды и с кольцевой полостью высокотемпературной секции, выходы дымогарных труб которой сообщены с полостью низкотемпературной секции, образованной трубами теплообменника и стенками ее корпуса, в одной из которых выполнен выход для топочных газов, при этом котел снабжен турбокомпрессором, турбинное колесо которого установлено в канале сообщения дымогарных труб с полостью низкотемпературной секции, а компрессорное колесо размещено в канале подачи воздушного потока из атмосферы к узлу горелки, в котором размещен воздушный клапан открытия этого канала при понижении давления в этом канале ниже атмосферного и отключения вентилятора. Данное решение принято в качестве прототипа.
Низкотемпературная и высотемпературная секции выполнены каждая собственной конструкции, что серьезно усложняет конструкцию котла (отсутствие унификации применяемых деталей и узлов). Размер котла с топкой, в которой горит факел, в основном определяется размерами факела и, соответственно, топочной камеры. Поскольку размеры факела достаточно большие, размер котла (а, соответственно, и вес) получается достаточно большой.
Настоящее изобретение ставит своей целью создание такой конструкции водогрейного котла с использованием турбокомпрессоров для наддува горелочного устройства, которая позволила бы избежать вышеуказанных недостатков.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции, снижении массы и габаритов котла за счет выполнения теплообменных секций модульной одинаковой конструкции и выполнения топочной камеры в виде выносной камеры сгорания.
Указанный технический результат в водогрейном котле, содержащем камеру сгорания с каналами подвода топлива и воздушного потока, высокотемпературную секцию, сообщенную с выходом камеры сгорания для направления потока горючих газов по каналам продуктов сгорания в сторону турбокомпрессорного узла, включающего по крайней мере один турбокомпрессор, турбинное колесо которого установлено в канале сообщения каналов продуктов сгорания с каналами продуктов сгорания низкотемпературной секции, а компрессорное колесо размещено в канале подачи воздушного потока из атмосферы в камеру сгорания, при этом низкотемпературная секция выполнена с патрубком для вывода продуктов сгорания в дымовую трубу, с входом подачи воды на котел и с каналами прохождения этой воды по этой секции, общий выход которых сообщен с каналами прохождения воды в высокотемпературной секции, корпус выполненной в виде отдельно размещенной от высокотемпературной секции камеры сгорания выполнен с кольцевой полостью между наружной и внутренней стенками, которая, с одной стороны, сообщена с выходом горячей воды, а, с другой стороны, с выходом каналов прохождения воды высокотемпературной секции, при этом каждая из высокотемпературной и низкотемпературной секций выполнена модульного типа в виде набора чередующихся по высоте пластинчатой формы элементов, одни из которых выполнены в виде плоской пластины с дистантно размещенными на ней и параллельными друг другу ребрами, направление которых перпендикулярно пластине для образования между ребрами каналов для прохождения горючих газов, а другие - в виде пластинчатой формы элементов, выполненных с расположенными перпендикулярно пластине боковыми стенками и ребрами, которые расположены лабиринтообразно для прохождения воды и размещенных зажатыми между пластинчатой формы элементами, которые предназначены для прохождения горючих газов.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - блок-схема водогрейного котла с применением турбокомпрессоров и модулей секций теплообменников;
фиг. 2 - общий вид теплообменника;
фиг. 3 - теплообменник в разобранном виде.
Согласно настоящего изобретения рассматривается водогрейный котел с применением турбокомпрессора/ров для подачи воздуха в горелочное устройство.
Водогрейный котел с использованием турбокомпрессоров для наддува горелочного устройства согласно общей концепции изобретения состоит из: камеры сгорания, высокотемпературной секции, низкотемпературной секции, турбокомпрессора или блока турбокомпрессоров.
Камера сгорания - выносная, по типу камер сгорания газотурбинных установок, обеспечивающая полное сгорание топлива в своем объеме. Турбокомпрессорный узел состоит из одного или нескольких параллельно установленных турбокомпрессоров. А для запуска котла и для работы на режимах небольшой мощности используется вентилятор высокого давления. Для отсечения линии подачи воздуха от атмосферы в момент запуска установлен воздушный клапан. При этом при запуске водогрейного котла с использованием турбокомпрессора/ров для наддува камеры сгорания для подачи воздуха на поджиг котла и начальной раскрутки турбокомпрессоров используется система, состоящая из вентилятора высокого давления и воздушного клапана. В рамках данного изобретения эта часть работы котла не рассматривае6тся, она полностью повторяет процесс, подробно описанный в RU 184842.
На малых мощностных режимах воздушный клапан открыт, и воздух засасывается вентилятором высокого давления и по каналу подается в камеру сгорания 1. Осуществляется поджиг топлива и формирование факела для разогрева топливно-воздушной смеси и образования продуктов сгорания 2, проходящих через высокотемпературную секцию 3. Затем под давлением поток продуктов сгорания поступает в канал 4, в котором расположено турбинное колесо 5 турбокомпрессора, заставляя его вращаться и вращать смонтированное на общем с ним валу компрессорное колесо 6, которое размещено в воздушном канале. После турбокомпрессора поток продуктов сгорания поступает внутрь низкотемпературной секции 7, в которой отдает свое тепло теплообменным элементам этой секции, снижает общую температуру этого потока, который в дальнейшем утилизируется через атмосферу (через дымовую трубу, как пример) или систему активного/пассивного поглощения или нейтрализации топочных газов.
Вода сначала подается от внешнего источника в теплообменник низкотемпературной секции 7, где происходит ее первичный разогрев путем теплообмена с топочными газами внутри этой секции (этот теплообмен приводит к понижению температуры топочных газов перед утилизацией), а затем поступает в высокотемпературную секцию 3, где разогревается за счет получаемого тепла от теплообменных элементов этой секции. После этого горячая вода выходит потребителю через полый корпус камеры сгорания. При прохождении воды по полому корпусу камеры сгорания происходит охлаждение стенок этой камеры.
При увеличении мощности котла турбокомпрессор все активнее засасывает воздух (за счет постепенного разгона турбинного колеса 5), для поддержания заданного коэффициента избытка воздуха обороты вентилятора высокого давления снижаются вплоть до полного останова. При дальнейшем увеличении мощности, забор воздуха турбокомпрессором растет, и давление на входе турбокомпрессора становится ниже атмосферного. В этот момент за счет перепада давлений начинает открываться заслонка воздушного клапана, подавая воздух из атмосферы напрямую на вход компрессорного колеса турбокомпрессора, исключая негативное влияние гидравлического сопротивления остановленного вентилятора высокого давления.
В общем случае водогрейный котел содержит камеру сгорания 1 с каналами подвода топлива и каналами 8 подвода воздушного потока, низкотемпературную секцию 7 и высокотемпературную секцию 3, сообщенную с выходом камеры сгорания для направления потока горючих газов (продуктов сгорания 2) по каналам продуктов сгорания в сторону турбокомпрессора. Турбинное колесо 5 турбокомпрессора установлено в канале 4 сообщения каналов продуктов сгорания 2 с каналами продуктов сгорания низкотемпературной секции 7, а компрессорное колесо 6 размещено в канале 8 подачи воздушного потока из атмосферы в камеру сгорания 1. Низкотемпературная секция 7 выполнена с патрубком 9 для вывода продуктов сгорания 2 в дымовую трубу, с входом 10 подачи воды на котел и с каналами прохождения этой воды по этой секции, общий выход которых сообщен с каналами 11 прохождения воды в высокотемпературной секции 3.
Ниже рассматривается пример конкретного исполнения отдельных узлов водогрейного котла (фиг. 1-3).
Особенностью исполнения водогрейного котла является то, что топочная камера расположена вне высокотемпературной секции и выполнена в виде камеры сгорания, работающей на газовом топливе. Корпус выполненной в виде отдельно размещенной от высокотемпературной секции камеры сгорания 1 выполнен с кольцевой полостью между наружной и внутренней стенками, которая, с одной стороны, сообщена с выходом 12 горячей воды, а, с другой стороны, с выходом 13 каналов прохождения воды высокотемпературной секции 3. Таким образом, стенки корпуса камеры сгорания выполнены водоохлаждаемыми. С другой стороны, за счет теплообмена происходит передача тепла нагрева воде на стадии ее выдачи потребителю. Так как камера сгорания расположена вне элементов теплообмена высокотемпературной секции, то становится возможным точно контролировать теплообменный процесс в этой секции и рассчитать его оптимально.
Другой особенностью водогрейного котла является то, что обе теплообменные секции (высокотемпературная и низкотемпературная) выполнены одинаковой конструкции модульного типа и собираются из однотипных деталей (фиг. 2 и 3).
Каждая из этих секций выполнена в виде набора чередующихся по высоте пластинчатой формы теплообменных элементов, выполнены из материала с оптимально высокой теплопроводностью, например, из тонкой листовой стали (в отличие от толстых обечаек и фланцев котлов традиционной конструкции), что ведет к снижению веса.
Задача теплообменных секций - снизить температуру продуктов сгорания до как можно более низкой величины (чтобы в атмосферу выбрасывалось как можно меньше тепла). Все тепло в теплообменных секциях передается теплоносителю, т.е. идет в дело.
В предлагаемой конструкции теплообменных секций степень заполнения объема теплообменными поверхностями очень высокая, т.е. в небольшом объеме получаем большую теплообменную поверхность.
Одни теплопроводные элементы 14 выполнены в виде плоской пластины каждый с дистантно размещенными на ней и параллельно друг другу ребрами 15, направление которых перпендикулярно пластине для образования между ребрами топочных каналов 16 для прохождения горючих газов. В наборе эти элементы располагаются ребрами по длине теплообменника, образуя по торцам входные каналы для газов. Высота всех ребер одинаковая.
Другие пластинчатой формы элементы 17 выполнены каждый с расположенными перпендикулярно пластине боковыми стенками 18 (по типу лотка) и ребрами 19 между боковыми стенками этого лотка, которые расположены лабиринтообразно для прохождения воды. При этом ребра расположены поперечно длинным боковым стенкам лотка. Высота ребер в этих элементах равна высоте боковых стенок. В угловых зонах с одной стороны пластины выполнены проходы 20. Во всех этих элементах проходы 20 расположены с одной и той же стороны пластины.
При сборке вторые элементы 17 размещают в зажатом контактном состоянии между пластинчатой формы первыми элементами 14, которые предназначены для прохождения горючих газов (см. выноски на фиг. 2 и 3). Таким образом собирают параллелепипедной формы пакет или набор теплопроводных элементов теплообменника, как это показано на фиг. 3. Сверху снизу этот набор элементов закрывается покрывными пластинами 21. Функцию боковых поверхностей набора выполняют ребра одних элементов и боковые стенки других элементов.
На торцевые части этого набора (пакета) одевают торцевые крышки 22, которые в центральной части торца выполнены открытыми и открывают каналы продуктов сгорания. На боковой части каждой крышки имеется патрубок 23, к которому обращены все проходы 20 в боковых стенках элементов 17, используемых для прохождения воды.
Торцевые крышки охватывают набор герметично для исключения попадания топочных газов в каналы, по которым проходит вода. Из-за того, что все элементы в собранном наборе (пакете) разделены между собой пластинами (тыльная сторона каждой пластины одного элемента находится с контактным опиранием на торцевые поверхности ребер другого элемента), то отсутствует возможность перетекания воды в топочные каналы или наоборот. Вопросы герметичности контактного взаимодействия тыльной стороны с ребрами относится к категории технически разрешимых задач. Поэтому этот вопрос в рамках настоящего изобретения не рассматривается.
Конструкции секций в виде набора чередующихся по высоте пластинчатой формы теплообменных элементов обладают относительно большим аэродинамическим сопротивлением. Без применения турбокомпрессоров прокачать их затруднительно - потребуется очень большая мощность вентилятора. Эта задача решается с помощью турбокомпрессора.
Использование выносной камеры сгорания вместо топки и унифицированных конструкций теплообменных секций в виде набора пластинчатой формы теплообменных элементов позволяет уменьшить габариты и массу, что в совокупности позволяет снизить стоимость производства котла. У котла 10 МВт вес, например, получается более, чем в 2 раза меньше, чем вес котла традиционной конструкции (с топкой, в которой горит факел).
Настоящее изобретение промышленно применимо и позволяет значительно упростить конструкцию за счет использования теплообменных секций модульной одинаковой конструкции. Так же обеспечивается возможность изменения набора теплообменных элементов в секции при расчетах производительности для достижения оптимальных и сбалансированных характеристик водогрейного котла.