ПАРОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА
STEAM GENERATOR PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в паровых установках для приготовления пара.
Известна парогенераторная установка, содержащая водогрейный котел, центробежный сепаратор пара, соединенный с котлом при помощи трубопроводов очищенной и перегретой воды, циркуляционный насос, установленный в трубопроводе отработанной воды, охладитель продувки, сообщенный с сепаратором пара при помощи трубопровода продувки, и питательный насос, подсоединенный через охладитель продувки при помощи трубопровода исходной воды к трубопроводу очищенной воды (патент RU №2090512, МПК C02F 1/16, 1997).
В известной парогенераторной установке, принятой за прототип, для создания устойчивого к накипеобразованию парогенератора процесс теплопередачи тепла от топлива к воде и процесс преобразования воды в пар разделены и осуществляются в отдельных устройствах: водогрейном котле и центробежном сепараторе пара.
Однако конструкция водогрейного котла перегретой воды не обеспечивает достаточно высокую постоянную и одинаковую во всех частях котла скорость, отсутствие местных сопротивлений в пределах котла, особенно в зонах теплового (огневого) воздействия. Кроме того, конструкция парогенератора перегретой воды в пар (сепаратора пара) не исключает (не сводит к минимально допустимому) образование вторичных отложений.
В основу настоящего изобретения положена задача создания парогенераторной установки, лишенной указанных недостатков.
Технический результат, обеспечиваемый настоящим изобретением, заключается в том, что благодаря высокой скорости воды, выделяющиеся при ее нагревании в водогрейном котле карбонаты кальция и магния, а также сульфаты не откладываются на поверхности нагрева, а уносятся в центробежный сепаратор. Поскольку в водогрейном котле не происходит парообразования, а при высокой скорости и турбулизации воды практически отсутствует пограничный слой, то и не происходит поверхностное вскипание, а значит, не происходит концентрирование солей и образование отложений за счет упаривания воды. Упаривание воды, концентрирование солей и выделение шлама происходят в сепараторе. Однако высокие скорости воды (до 5 м/с) не позволяют образовываться в нем отложениям.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что парогенераторная установка, содержащая водогрейный котел, центробежный сепаратор пара, соединенный с котлом при помощи трубопроводов очищенной и перегретой воды, циркуляционный насос, установленный в трубопроводе отработанной воды, охладитель продувки, сообщенный с сепаратором пара при помощи трубопровода продувки, и питательный насос, подсоединенный через охладитель продувки при помощи трубопровода исходной воды к трубопроводу очищенной воды, согласно изобретению она снабжена утилизатором тепла уходящих газов, связанным с котлом при помощи трубопровода уходящих газов и расположенным в трубопроводе исходной воды, подсоединенном к трубопроводу очищенной воды между циркуляционным насосом и котлом и снабженном регулятором питания, водогрейный котел включает цилиндрическую топку, горелку, установленную в торце топки, выпускное отверстие, подводящий и отводящий патрубки, сообщенные соответственно с трубопроводами очищенной и перегретой воды, и поверхности нагрева, подсоединенные к подводящему и отводящему патрубкам и состоящие из экранной части, образованной пучком гладких спиральных трубок, и двух, внутренней и наружной, концентрично расположенной вокруг внутренней с зазором, ступеней конвективной части, причем каждая из ступеней конвективной части образована пучком спиральных трубок, пучок трубок экранной части выполнен газоплотным или снабжен наружным газоплотным направляющим цилиндром, ступени конвективной части примыкают к противоположному горелке торцу топки и снабжены спиральными направляющими накладками, размещенными с наружной стороны каждого пучка трубок конвективной части, пучок трубок внутренней ступени конвективной части навит по радиусу, равному радиусу навивки пучка трубок экранной части, и одним концом сообщен с последним, а другим концом - с пучком трубок ее наружной ступени, трубки обеих ступеней конвективной части выполнены с оребрением, и выпускное отверстие расположено со стороны наружной ступени конвективной части и сообщено с трубопроводом уходящих газов, центробежный сепаратор включает вертикальный цилиндрический корпус с крышкой и днищем, тангенциальный ввод пароводяной смеси в корпус, связанный с трубопроводом перегретой воды, патрубок вывода пара, подсоединенный к крышке корпуса и снабженный датчиком расхода пара, подключенным к регулятору питания, патрубок вывода воды, расположенный вблизи днища корпуса и сообщенный с трубопроводом очищенной воды, патрубок вывода осадка, размещенный в днище корпуса и соединенный с трубопроводом продувки, горизонтальную перегородку с установленным в ней осушителем пара, размещенными в верхней части корпуса над тангенциальным вводом пароводяной смеси, перфорированный осевой патрубок, расположенный под тангенциальным вводом пароводяной смеси в нижней части корпуса и подсоединенный к патрубку вывода воды, и экранирующие усеченные конусы, установленные на перфорированном осевом патрубке над его отверстиями, обращенные вершинами к крышке корпуса и образующие с ним по периметру зазор, а осушитель пара выполнен в виде стакана с перфорированным дном и размещенной в нем свернутой пластиной, соединенного через промежуточный элемент с воронкой.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается также тем, что подводящий патрубок может быть подсоединен к наружной ступени конвективной части, а отводящий патрубок - к экранной части.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается также тем, что трубки внутренней ступени конвективной части могут быть выполнены с диаметром, меньше диаметров трубок ее наружной ступени и трубок экранной части.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается также тем, что спиральные направляющие накладки могут иметь в сечении профиль двух соединенных дуг.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается также тем, что свернутая пластина осушителя пара может быть выполнена с просечками, края которых отогнуты.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается также тем, что свернутая пластина осушителя пара может быть выполнена гофрированной.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается также тем, что промежуточный элемент осушителя пара может быть выполнен из сборных изогнутых пластин, образующих цилиндр с вертикальными щелями, противоположно направленными тангенциальному вводу пароводяной смеси.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается также тем, что тангенциальный ввод пароводяной смеси может быть снабжен патрубком подвода с коническим сужением, связанным с трубопроводом перегретой воды.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается также тем, что сепаратор может быть снабжен успокоительной трубой с установленными на ней указателем уровня и предохранительным клапаном, связанной с его корпусом при помощи двух патрубков.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается также тем, что сепаратор может быть дополнительно снабжен стабилизатором осадка, расположенным на днище его корпуса и выполненным из вертикальных пластин, соединенных между собой длинной стороной.
На фиг.1 представлена предлагаемая парогенераторная установка.
На фиг.2 - водогрейный котел парогенераторной установки.
На фиг.3 - вид А-А фиг.2.
На фиг.4 - узел Б фиг.2 - спиральные направляющие накладки, имеющие в сечении профиль двух соединенных дуг.
На фиг.5 - центробежный сепаратор пара парогенераторной установки.
На фиг.6 - разрез В-В фиг.5.
На фиг.7 - стакан с перфорированным дном осушителя пара.
На фиг.8 - промежуточный элемент осушителя пара, выполненный из сборных изогнутых пластин.
На фиг.9 - воронка.
На фиг.10 - свернутая пластина осушителя пара, выполненная с просечками, края которых отогнуты.
На фиг.11 - вариант свернутой пластины осушителя пара, выполненной с просечками, края которых отогнуты.
На фиг.12 - свернутая пластина осушителя пара, выполненная гофрированной.
На фиг.13 - разрез Г-Г фиг.5.
На фиг.14 - стабилизатор осадка.
Предлагаемая парогенераторная установка (фиг.1) содержит водогрейный котел 1, центробежный сепаратор 2 пара, соединенный с котлом 1 при помощи трубопроводов 3, 4 очищенной и перегретой воды, циркуляционный насос 5 постоянной производительности, установленный в трубопроводе 3 очищенной воды, охладитель 6 продувки, сообщенный с сепаратором 2 пара при помощи трубопровода 7 продувки, питательный насос 8, подсоединенный через охладитель 6 продувки при помощи трубопровода 9 исходной воды к трубопроводу 3 очищенной воды, и утилизатор 10 тепла уходящих газов, связанный с котлом 1 при помощи трубопровода 11 уходящих газов и расположенный в трубопроводе 9 исходной воды, подсоединенном к трубопроводу 3 очищенной воды между циркуляционным насосом 5 и котлом 1 и снабженном регулятором 12 питания.
Котел 1 (фиг.2-4) включает цилиндрическую топку 13, горелку 14, установленную в торце 15 топки 13, выпускное отверстие 16, подводящий и отводящий патрубки 17, 18, сообщенные соответственно с трубопроводами 3, 4 очищенной и перегретой воды, и поверхности нагрева, подсоединенные к подводящему и отводящему патрубкам 17, 18 и состоящие из экранной части 19, образованной пучком гладких спиральных трубок, и двух, внутренней и наружной, концентрично расположенной вокруг внутренней с зазором, ступеней 20, 21 конвективной части. Каждая из ступеней 20, 21 конвективной части образована пучком спиральных трубок. Пучок трубок экранной части 19 выполнен газоплотным или снабжен наружным газоплотным направляющим цилиндром 22. Ступени 20, 21 конвективной части примыкают к противоположному горелке 14 торцу 23 топки 13 и снабжены спиральными направляющими накладками 24, размещенными с наружной стороны каждого пучка трубок конвективной части. Пучок трубок внутренней ступени 20 конвективной части навит по радиусу, равному радиусу навивки пучка трубок экранной части 19, и одним концом сообщен с последним, а другим концом при помощи плавного отвода 25 - с пучком трубок ее наружной ступени 21. Трубки обеих ступеней 20, 21 конвективной части выполнены с оребрением 26. Выпускное отверстие 16 расположено со стороны наружной ступени 21 конвективной части и сообщено с трубопроводом 11 уходящих газов.
Подводящий патрубок 17 может быть подсоединен к наружной ступени 21 конвективной части, а отводящий патрубок 18 - к экранной части 19. Трубки внутренней ступени 20 конвективной части могут быть выполнены с диаметром, меньше диаметров трубок ее наружной ступени 21 и трубок экранной части 19. Спиральные направляющие накладки 24 могут иметь в сечении профиль двух соединенных дуг.
Центробежный сепаратор 2 (фиг.5, 6) включает вертикальный цилиндрический корпус 27 с крышкой 28 и конусным или сферическим днищем 29, тангенциальный ввод 30 пароводяной смеси в корпус 27, связанный с трубопроводом 4 перегретой воды, патрубок 31 вывода пара, подсоединенный к крышке 28 корпуса 1 и снабженный датчиком 32 расхода пара, подключенным к регулятору 12 питания, патрубок 33 вывода воды, расположенный вблизи днища 29 корпуса 27 и сообщенный с трубопроводом 3 очищенной воды, патрубок 34 вывода осадка, размещенный в днище 29 корпуса 27 и соединенный с трубопроводом 7 продувки, и горизонтальную перегородку 35 с установленным в ней осушителем пара, размещенными в верхней части корпуса 27 над тангенциальным вводом 30 пароводяной смеси. Осушитель пара выполнен в виде стакана 36 с перфорированным дном 37 и размещенной в нем свернутой пластиной 38, соединенного через промежуточный элемент 39 с воронкой 40 (фиг.7-9) продольными стяжками, например, соединением болт - гайка 41 или Г-образными пластинами по концам (не показано). Осушитель пара поднимается за ручку 42, вставляется в верхнюю часть корпуса 27 и опирается на горизонтальную перегородку 35 в виде кольца опорным кольцом 43, приваренным к верхней части стакана 36. Сепаратор 2 также включает перфорированный осевой патрубок 44, расположенный под тангенциальным вводом 30 пароводяной смеси в нижней части корпуса 27 и подсоединенный к патрубку 33 вывода воды, и экранирующие усеченные конусы 45, установленные на перфорированном осевом патрубке 44 над его отверстиями 46, обращенные вершинами к крышке 28 корпуса 27 и образующими с ним по периметру зазор 47.
Свернутая пластина 38 (фиг.10, 11) осушителя пара может быть выполнена с просечками 48, края которых отогнуты. В варианте свернутая пластина 38 (фиг.12) может быть выполнена гофрированной. Промежуточный элемент 39 (фиг.6, 8) осушителя пара может быть выполнен из сборных изогнутых пластин 49, образующих цилиндр с вертикальными щелями 50, противоположно направленными тангенциальному вводу 30 пароводяной смеси. Кроме того, тангенциальный ввод 30 пароводяной смеси может быть снабжен патрубком 51 подвода с коническим сужением 52, связанным с трубопроводом 4 перегретой воды. Сепаратор 2 может быть снабжен успокоительной трубой 53 с установленными на ней указателем 54 уровня и предохранительным клапаном 55, связанной с корпусом 27 при помощи двух патрубков 56. Также сепаратор 2 может быть дополнительно снабжен стабилизатором 57 осадка (фиг.5, 13, 14), расположенным на днище 29 корпуса 27 и выполненным из вертикальных пластин 58, соединенных между собой длинной стороной.
Предлагаемая парогенераторная установка работает следующим образом.
Из горелки 14 котла 1 топливная смесь поступает в его топку 13, где происходит горение топлива с выделением тепла. Часть выделившегося тепла за счет излучения от факела поглощается водоохлаждаемыми поверхностями спиральных трубок экранной части 19 благодаря газоплотной навивке или наличию наружного газоплотного направляющего цилиндра 22. Горячие продукты горения проходят сверху вниз и отдают тепло водоохлаждаемым поверхностям спиральных трубок внутренней ступени 20 конвективной части. Затем продукты горения, обтекая спиральные трубки внутренней ступени 20, проходят между их оребрением 26, при помощи накладок 24 прижимаются к трубкам внутренней ступени 20 и затем попадают в зазор между внутренней и наружной ступенями 20, 21 конвективной части. При передаче теплоты от горячих продуктов горения к нагреваемой воде трубки внутренней ступени 20 конвективной части находятся под двойным тепловым напряжением. Эти трубки воспринимают тепло, передаваемое радиацией (излучением) и конвекцией (соприкосновением). Для уменьшения теплового воздействия на трубки внутренней ступени 20 и исключения образования накипи в этих трубках поддерживаются высокие скорости, что обеспечивается их выполнением с диаметром меньше диаметров трубок наружной ступени 21 и трубок экранной части 19. Далее продукты горения, обтекая спиральные трубки наружной ступени 21, проходят между их оребрением 26, при помощи накладок 24 прижимаются к трубкам наружной ступени 21 и затем отводятся через выпускное отверстие 16 и по трубопроводу 11 в утилизатор 10 тепла уходящих газов. Нагреваемая вода под действием циркуляционного насоса 5 постоянной производительности по трубопроводу 3 и через подводящий патрубок 17 подается в наружную ступень 21 конвективной части, проходит по ее спиральным трубкам, затем по плавному отводу 25 поступает во внутреннюю ступень 20 конвективной части, проходит по ее спиральным трубкам, далее подается в экранную часть 19 и затем поступает в отводящий патрубок 18 котла 1.
Из последнего поток перегретой воды по трубопроводу 4 и через патрубок 51 подвода с коническим сужением 52 сепаратора 2 поступает в его тангенциальный ввод 30. За коническим сужением 52 происходит резкое снижение статического давления и частичное вскипание жидкости с выделением пузырьков пара, которые, проходя ввод 30, укрупняются и поступают в среднюю часть корпуса 27 сепаратора 2. В патрубке 51 предусмотрена установка сменных конических сужений 52 разного диаметра, после которых следует расширение ввода 30 для выделения пара и снижения скорости потока на достаточном участке до входа в корпус 27. Сменные конические сужения 52 позволяют экспериментальным путем определить оптимальное по технико-экономическим критериям соотношение долей парообразования за счет частичного снижения давления (дросселирование) на входе в корпус 27. Благодаря тангенциальному вводу 30 с коническим сужением 52 паровой поток, образуя направленное круговое движение, устремляется вверх под действием центробежной силы вдоль внутренней стенки корпуса 27. При выходе из тангенциального ввода 30 вскипевшая перегретая вода устремляется в среднюю часть корпуса 27. В корпусе 27 происходит вращение потока с образованием воронки и дальнейшее отделение пара от воды. Влага, унесенная в паровой объем корпуса 27, продолжает подвергаться действию центробежных сил, которые заставляют взвешенные в паре частицы влаги перемещаться от оси к внутренней стенке корпуса 27, по которой эта влага под действием силы тяжести стекает вниз. Более плотная вода с взвешенными частицами и другими растворенными примесями опускается в нижнюю часть корпуса 27 к его днищу 29 и стабилизатору 57 осадка, который своими пластинами 58 успокаивает закрученный поток, останавливает вращение воды с осадком, исключая ее подъем вверх, и помогает равномерному осаждению осадка на днище 29 корпуса 27. Осажденный осадок удаляется из корпуса 27 через патрубок 34 во время продувки и по трубопроводу 7 направляется в охладитель 6 продувки. Продувка осуществляется периодически. Время между продувками зависит от степени загрязнения воды, из которой вырабатывают пар. Патрубок 44 расположен вдоль оси корпуса 27, где линейная скорость потока минимальна, и выше патрубка 34. Экранирующие конусы 45 являются отбойниками твердых частиц, защищая от них отверстия 46 патрубка 44, и сужают проходное сечение корпуса 27, увеличивая линейную скорость потока и, как следствие (согласно закона Бернулли), снижая давление у стенок корпуса 27, что дополнительно содействует выделению пара из воды и вытеснению твердых частиц из зоны отбора воды - от отверстий 46 патрубка 44. При этом открытое верхнее отверстие 59 патрубка 44 исключает в нем скапливание пара, который, поднимаясь вверх по патрубку 44, препятствует попаданию твердых частиц внутрь него. Очищенная сконденсированная перегретая вода поднимается вверх под экранирующие конусы 45 и через отверстия 46 по осевому патрубку 44 и патрубку 33 выводится из корпуса 27 и затем поступает в трубопровод 3. Выделившийся из перегретой воды пар под действием центробежной силы круговыми движениями поднимается в верхнюю часть корпуса 27 в осушитель пара. Пар, меняя свое направление движения на противоположное, пройдя через вертикальные щели 50 между сборными изогнутыми пластинами 49 и обтекая последние, попадает внутрь цилиндра промежуточного элемента 39 осушителя пара. Поскольку на уровне ввода 30 скорость вращения потока смеси максимальна, то ближе к оси корпуса 27 образуется наибольшее разряжение, что позволяет создать в этой зоне наиболее благоприятные условия для отделения пара при минимальной влажности. Выделившийся пар вместе с паром из перфорированного патрубка 44 поднимается вверх по оси через низ воронки 40 в цилиндр промежуточного элемента 39 осушителя пара, где перемешивается с предварительно осушенным на пластинах 49 паром. Затем пар поднимается вверх и проходит через перфорированное дно 37 стакана 36, обтекая размещенную в нем свернутую пластину 38. Сборные изогнутые пластины 49 и свернутая пластина 38 увеличивают площадь соприкосновения с насыщенным влажным паром на пути его движения, увеличивая тем самым массообмен между частицами воды, находящимися в паре, и каплями воды, образовавшимися на поверхностях осушителя пара. Капельки воды, находящиеся в паре, сталкиваясь на своем пути с выступающими частями изогнутых пластин 49 промежуточного элемента 39, поверхностью перфорированного дна 37 стакана 36, поверхностью свернутой пластины 38, укрупняются в более крупные капли за счет увеличения массообмена, а затем стекают через воронку 40 в нижнюю часть корпуса 27. Далее осушенный пар поднимается к крышке 28 корпуса 27 и выводится через патрубок 31.
При вращении пароводяного потока в корпусе 27 образуется воронка. При снижении давления в вводе 30 образовавшаяся воронка опускается вниз, при повышении давления образовавшаяся воронка поднимается вверх. Патрубки 56 и успокоительная труба 53 создают зону, где вода не вращается, а уровень воды в трубе 53 уравнивается за счет сглаживания всех изменений крутящего потока в корпусе 27, что измеряется указателем 54 уровня, который показывает гидростатический уровень воды в корпусе 27. При снижении уровня на указателе 54 подачу пароводяной смеси через ввод 30 увеличивают, а при подъеме уровня - уменьшают. При превышении давления в корпусе 27 выше безопасного открывается предохранительный клапан 55, сбрасывая это давление до безопасного.
Для восстановления потерь воды в замкнутом контуре циркуляции между котлом 1 и сепаратором 2 в трубопровод 3 подают исходную воду. Для этого исходная холодная вода питательным насосом 8 подается по трубопроводу 9 в охладитель продувки 6, затем проходит через утилизатор 10 тепла уходящих газов, где она нагревается. По сигналу от датчика 32 в зависимости от количества вырабатываемого в сепараторе 2 и проходящего через патрубок 31 пара регулятор 12 пропускает определенное количество исходной воды, необходимое для восстановления ее потерь. Под давлением исходная вода поступает в трубопровод 3 после циркуляционного насоса 5, смешивается с циркулирующей очищенной горячей водой и подается в подводящий патрубок 17 водогрейного котла 1. Таким образом, циркуляционный насос 5 обеспечивает увеличение количества и скорости циркулирующей воды по мере увеличения выработки пара.