ОБЪЕДИНЕНИЕ РАЗДЕЛЬНЫХ ПОТОКОВ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯ С ВОДЯНЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ И ЭКОНОМАЙЗЕРА
UNION OF SEPARATE STREAMS OF AIR HEATER WITH WATER HEAT EXCHANGER AND WASTE-GAS HEATER

Перекрестные ссылки на родственные заявки
Настоящая заявка подтверждает приоритет временной заявки на патент США No.61/158,774, поданной 10 марта 2009 и озаглавленной «IWE»; раскрытие указанной заявки приведено здесь полностью в виде ссылки.
Область применения и предпосылки настоящего изобретения
Настоящее изобретение в основном касается бойлеров и парогенераторов, в частности воздухонагревателей для нагрева воздуха горения.
Трубчатый воздухонагреватель представляет собой основное устройство для нагрева воздуха, причем воздухонагреватель с водяным теплообменником (WCAN) представляет собой стандартно используемую альтернативу. Трубчатый воздухонагреватель или воздухонагреватель с водяным теплообменником (WCAN) в настоящее время применяют для нагревания воздуха горения до определенной рабочей температуры. Весь поток питательной воды бойлера используется в качестве теплопередающей среды, в случае если WCAN применяется как источник тепла. По мере нагревания воздуха температура питательной воды снижается. После выхода из воздухонагревателя с водяным теплообменником питательная вода направляется в экономайзер, в котором она используется для снижения температуры топочного газа бойлера. В определенных случаях трубчатый воздухонагреватель (TAH) в сочетании с воздухонагревателем с водяным теплообменником применяют для снижения конечной температуры выходящего газа. С уменьшением температуры дымового газа размеры TAH и WCAN увеличиваются. Размер воздухонагревателей будет существенно увеличен, если температура газа упадет ниже 325°F. Современная технология лимитирована температурой питательной воды, температурой дымового газа, а также заданной температурой воздуха горения.
В патенте США 3818872 (Clayton, Jr. et al.) раскрывается устройство стенок печи парогенератора однократной циркуляции с замкнутой системой рециркуляции, которое, путем перепуска некоторого количества поступающей питательной воды вокруг экономайзера указанного устройства, при низких нагрузках обладает защитными свойствами.
В патенте США 4160009 (Hamabe) раскрывается бойлерная установка, включающая денитратор, в котором находящийся внутри него катализатор используется в температурном диапазоне, оптимальном для катализатора указанного денитратора. Для того чтобы в этом оптимальном температурном диапазоне регулировать температуру воздуха горения, указанный диапазон при помощи контрольного клапана приспособлен для осуществления связи с высокотемпературным источником газа или с низкотемпературным источником газа.
В патенте США 5555849 (Wiechard et al.) раскрывается система контроля температуры газа при каталитическом восстановлении выбросов оксида азота. В этой системе для того чтобы поддерживать температуру топочного газа вплоть до температуры, заданной для каталитического реактора NOx при его эксплуатации с низкой нагрузкой, некоторую часть потока питательной воды пускают в обход экономайзера указанной системы, подавая этот частичный поток к обводной линии в целях поддержания заданной температуры топочного газа.
Опубликованные заявки на патенты США №2007/0261646 и 2007/0261647 (Albrecht et al.), раскрытие которых включено здесь в виде ссылок, описывают экономайзер многократного прохождения, а также способ контроля температуры при селективном каталитическом восстановлении, при котором поддержание нужной температуры выходящего из экономайзера газа в диапазоне нагрузок бойлера включает большое количество трубчатых контуров, поверхности которых находятся в контакте с топочным газом. Каждый трубчатый контур может содержать большое количество змеевиков или продольных трубопроводов, размещенных горизонтально или вертикально сзади и впереди внутри указанного экономайзера, и у каждого трубчатого контура имеется отдельное входное отверстие для питательной воды.
В современных технологиях обычно подача топочного газа происходит у дымовой трубы бойлерной системы или вблизи ее при температуре резервуара выше 300°F. Было бы предпочтительно, если бы была обнаружена система, способная экономно снизить температуру выходящего топочного газа.
Краткое содержание настоящего изобретения
Целью настоящего изобретения является получение конечной температуры выходящего топочного газа для бойлера, которая ниже, чем температура, экономически возможная при современных технологиях. Настоящее изобретение увеличивает температурный напор между питательной водой и топочным газом. Такое увеличение температурного напора улучшает теплопередачу между водой и топочным газом, это приводит к тому, что зона теплопередачи становится намного меньше, чем это требовалось при использовании стандартных средств.
В целях увеличения температурного напора в экономайзере средняя логарифмическая разность температур (LMTD) воды и топочного газа вырастает выше значений, возможных при современных технологиях. При использовании современных технологий в определенных условиях указанную разность невозможно увеличить настолько, чтобы произошла теплопередача. Настоящее изобретение решает эту проблему путем увеличения средней логарифмической разности температур между водой и топочным газом только для части потока воды, проходящего через экономайзер; при этом для оставшегося потока воды, проходящего через этот экономайзер, теплопередача минимизирована.
Согласно настоящему изобретению объединение воздухонагревателя с водяным теплообменником (WCAN) и экономайзера (здесь и далее называемых IWE) обеспечивают множественные траектории потоков воды в указанном WCAN и экономайзере. Полный поток питательной воды поступает в IWE как единый поток или в виде множественных потоков. Поток питательной воды распределяется на два или большое количество потоков, процесс происходит или вне воздухонагревателя с водяным теплообменником, или в его секции, находящейся в IWE. В зависимости от заданных условий эксплуатации указанный поток смещается между распределенными потоками.
Различные новые признаки, которые характеризуют настоящее изобретение, указаны с их конкретизацией в прилагаемой формуле изобретения, представляющей собой часть настоящего раскрытия. Для того чтобы лучше понять настоящее изобретение, его эксплуатационные преимущества и достигаемые при его использовании специфические эффекты, сделана ссылка на прилагаемые фигуры и текстовый материал, которые иллюстрируют предпочтительные варианты настоящего изобретения.
Краткое описание фигур
На представленных фигурах:
Фиг.1 представляет собой диаграмму одного варианта IWE по настоящему изобретению.
Фиг.2 представляет собой диаграмму другого варианта IWE по настоящему изобретению.
Фиг.3 представляет собой диаграмму еще одного варианта IWE, имеющего большое количество индивидуальных секций экономайзера по настоящему изобретению.
Фиг.4 представляет собой диаграмму еще одного варианта IWE по настоящему изобретению.
Фиг.5 представляет собой диаграмму участка топки бойлера, содержащего IWE согласно фиг.1 по настоящему изобретению.
Фиг.6 представляет собой диаграмму участка топки бойлера, аналогичного бойлеру с фиг.5, но содержащего IWE согласно другому варианту настоящего изобретения.
Фиг.7 представляет собой диаграмму участка топки бойлера, аналогичного бойлеру с фиг.5, но содержащего IWE согласно еще одному варианту настоящего изобретения.
Описание предпочтительных вариантов настоящего изобретения
Обратимся к фигурам, на которых схожие цифровые обозначения относятся к одним и тем же или к функционально аналогичным элементам, изображенным на нескольких фигурах. Фиг.1 иллюстрирует объединение воздухонагревателя с водяным теплообменником (или WCAN 12) и экономайзера (или ECON 14), которые вместе образуют IWE 10 по настоящему изобретению. Указанный IWE может также быть использован вместе с многопроходным экономайзером 16 (его тип раскрывается в патентных заявках США 2007/0261646 и 2007/0261647), который может получать воду, выходящую из экономайзера 14, находящегося в IWE 10.
Описание устройства
У входного отверстия 20 общий входящий поток питательной воды разделяется с помощью специальных средств, типа патрубков, а также одного или более клапанов, на первую часть потока 22, имеющего высокую температуру и меньший массовый расход, и на вторую часть потока 24, имеющего более высокую температуру и более высокий массовый расход. Указанная первая часть 22 проходит по меньшей мере через одну петлю теплопередачи в воздухонагревателе с водяным теплообменником 12 (WCAN), составляющую основную часть поверхности теплопередачи в указанном WCAN 12 и используемую для увеличения разности средних температур (LMTD) между водой и газом экономайзера. Это осуществляется за счет того, что для нагревания воздуха, проходящего через WCAN 12, используется только часть общего потока воды. Результатом этого является значительное снижение температуры воды, поступающей в экономайзер 14. Вторая часть потока 24, которая движется вдоль клапана и имеет минимальную поверхность теплопередачи, используется для перемещения основного объема воды. Для упрощения конструкции оба потока, 22 и 24 проходят через экономайзер 14 таким образом, чтобы указанные потоки имели одинаковый эффект теплопередачи, допускающий смещение потока и таким образом улучшение контроля и сведение к минимуму теплового удара при повторном объединении потоков. Дебит воды в каждом потоке определяется по контрольной точке клапана 26.
Внутри секции воздухонагревателя с водяным теплообменником WCAN 12 сохраняется разделение воды каждого из потоков, и в секцию экономайзера потоки поступают в виде двух индивидуальных потоков. Вода поступает в секцию экономайзера установки IWE 10 в виде потока 22, имеющего более низкую температуру и меньший массовый расход, и потока 24, имеющую более высокую температуру и более высокий массовый расход. Внутри секции экономайзера 14 эти потоки сохраняются разделенными. Поток 22, имеющий низкую температуру и низкий массовый расход, используется в качестве основной среды теплопередачи топочного газа. Указанный поток 22 проходит через основную часть поверхности теплопередачи как в WCAN 12, так и в ECON 14. Поток 24, имеющий высокую температуру и высокий массовый расход, имеет минимальную поверхность теплопередачи в целях снижения теплопередачи топочного газа.
После того как оба потока, 22 и 24 полностью (или в основном) прошли через секцию 14 экономайзера, они объединяются в секции смешения 28 установки IWE 10, которая находится внутри или снаружи нижнего торца экономайзера 14, но по меньшей мере вблизи него. Затем этот объединенный поток выходит из IWE 10 и направляется для дальнейшей теплопередачи, процесс осуществляется или через паровой барабан бойлера (на фиг. не показан) или из выходного отверстия 36 экономайзера 14, через экономайзер неразделенного потока или через многопроходной экономайзер 16.
Как показано пунктирной линией 32, окружающей верхнюю часть потоков 22 и 24 и клапан 26, разделение питательной воды может происходить внутри воздухонагревателя с водяным теплообменником или WCAN 12.
Другой вариант IWE 10 представлен на фиг.2, на которой разделенные потоки 22 и 24, клапан 26 и секция смешения 28 могут находиться выше воздухонагревателя с водяным теплообменником WCAN 12 или, как это показано пунктирной линией 34, и выше WCAN 12, и внутри экономайзера 14.
На фиг.4 показан еще один вариант IWE, в котором поток 22, имеющий более низкую температуру и меньший массовый расход, сначала проходит петлю теплообменника 22а воздухонагревателя с водяным теплообменником (WCAN) 12, в который подается и поэтому охлаждается восходящий поток воздуха горения. Затем поток 22 поступает во вторую петлю теплообменника 22b экономайзера 14, где он нагревается топочным газом, проходящим в экономайзер нисходящим потоком. После этого он движется обратно, к третьей петле теплообменника 22 с воздухонагревателя с водяным теплообменником (WCAN) 12, где он передает тепло воздуху и достигает температуры, приблизительно равной температуре воздуха. Затем он движется снова к четвертой петле теплообменника 22d для повторного нагревания топочным газом, которое происходит перед повторным объединением в секции смешения 28 с потоком 24, имеющим более высокую температуру и более высокий массовый расход.
На фиг.4 снаружи WCAN 12 изображены части разделения питательной воды 20 на потоки 22 и 24, а также клапан 25, однако они могут располагаться внутри WCAN 12.
Фиг.3 представляет диаграмму другого варианта настоящего изобретения, который включает примерные скорости потока и температуры, на указанной фигуре также проиллюстрировано, каким образом в настоящее изобретение может быть включено устройство селективного каталитического восстановления оксидов азота, или SCR 40. Экономайзер 14 из IWE по настоящему изобретению, который может представлять собой 4-секционный экономайзер, расположен ниже SCR 40, и в него из WCAN 12 поступает поток 22e, имеющий более низкую температуру и меньший массовый расход. Или же поток 22f с более низкой температурой и меньшим массовым расходом частично или полностью подается из WCAN 12 на второй 3-секционный экономайзер 42, в который поступает также весь поток 24 питательной воды с высокой температурой и высокой скоростью истечения, указанное поступление происходит после того, как у секции смешения 28 он был повторно объединен с потоком 22е, выходящим из экономайзера 14. В целях контроля за потоками 22 и 24, а также за их количественным распределением для экономайзеров 14 и 42 были установлены клапаны 26, 46 и 48. Некоторое количество питательной воды также может быть откачено у узла 50 в целях подачи ее на терморегулятор (не показан). Затем повторно объединенный поток питательной воды из экономайзера 42 подается в первую секцию экономайзера 44, находящуюся выше реактора селективного каталитического восстановления, процесс осуществляется перед направлением в паровой барабан у узла 36.
Фиг.3 иллюстрирует также измеритель потока топочного газа, проходящего вначале при 650°F в экономайзер 44, затем через реактор селективного каталитического восстановления 40 на экономайзер 42 и при расходе 889,300 фунт/ч и 494°F - на экономайзер 14 установки IWE. На конечном этапе при приемлемой для топочного газа температуре, составляющей 300°F, общий поток топочного газа выпускают. Воздух горения поступает в WCAN 12 при расходе 617,315 фунт/ч и 81°F, нагревается и затем при температуре, составляющей 418°F, происходит его выпуск. Как отмечалось выше, температура и расход потоков питательной воды показаны на фиг.3.
Фиг.5, 6 и 7 иллюстрируют варианты IWE по настоящему изобретению, возможные для секций топки бойлера; показаны также примерные условия применения настоящего изобретения.
На фиг.5 показано, что IWE 10, а также WCAN 12 и ECON 14 получают потоки питательной воды 22 и 24, которые разделяются клапаном 26 входного отверстия питательной воды 20, затем эти потоки питательной воды вновь объединяются у секции смешения 28. Последняя операция проводится перед подачей на второй экономайзер 52, в котором вода получает дополнительное нагревание от входного отверстия топочного газа 64 в верхней части топки при 650°F. Объединенный поток питательной воды после этого частями подается на третий экономайзер 54, а затем - на четвертый экономайзер 56, процесс осуществляется перед выпуском у узла 36 при 545°F в целях возврата в другие секции бойлера.
Топочный газ, охлажденный теперь до 300°F, подают на топку (не показана), процесс происходит у выходного отверстия 66.
Одновременно воздух горения, имеющий температуру 81°F, с помощью воздухозаборника 60 подают на WCAN 12, в котором он нагревается до 418°F. Указанный процесс осуществляется перед подачей этого воздуха горения в качестве вторичного воздуха у узла 62 с помощью питательной воды, подача которой осуществляется у входного отверстия 20, при температуре 464°F.
На фиг.6 изображено устройство, аналогичное устройству с фиг.5. Однако в этом устройстве питательная вода 20 разделяется таким образом, что один частичный поток 22 проходит через WCAN 12, а выпуск из WCAN 12 подают на экономайзер 14, в котором он повторно объединяется с остальным частичным потоком питательной воды 24 с клапана 26, так что вся питательная вода нагревается топочным газом, проходящим через экономайзер 14.
В варианте с фиг.7, который аналогичен варианту с фиг.6, за исключением того, что только один поток питательной воды 22 проходит через экономайзер 14, в то время как остальной поток 24, выделенный от общего входящего потока питательной воды 20, повторно объединяется с потоком 22 вне экономайзера 14 у секции смешения 28. Таким образом, в WCAN 12 охлаждается только часть питательной воды, а именно поток 22.
Дополнительное описание процесса
Траектория движения питательной воды:
1. Питательная вода (20) поступает внутрь бойлера в виде единого потока, имеющего одну температуру.
2. Питательная вода поступает в секцию смешения установки IWE разделителя потока WCAN (12), в котором она делится на два потока (22, 24). Внутри IWE (10) оба потока продолжают существовать отдельно.
3. Первый поток (22) проходит через основное количество патрубков WCAN (поверхность нагрева).
4. Второй поток (24) направляют сквозь единый поток с минимальной поверхностью нагрева.
5. Основная теплопередача осуществляется в первом потоке, который снижает температуру воды в указанном потоке. Минимальная теплопередача происходит во втором потоке при его прохождении через секцию WCAN.
6. Оба потока выходят из секции WCAN и поступают в секцию экономайзера, разделяющую потоки.
7. Первый поток (22) проходит через основное количество патрубков экономайзера (поверхность нагрева). Этот поток играет основную роль в охлаждении газов.
8. Второй поток проходит через один крупный трубопровод с минимальной поверхностью нагрева.
9. После того, как оба потока прошли через секцию экономайзера в IWE, они поступают в секцию смешения (28).
10. Внутри указанной секции смешения оба эти потока перемешиваются, а затем покидают IWE (10).
11. После выхода воды из IWE, ее направляют на барабан или в другие секции экономайзера в виде единого потока.
Траектория движения газа:
1. Топочный газ выходит из бойлера и проходит через другие теплопередающие поверхности.
2. Затем топочный газ поступает в секцию экономайзера в IWE.
3. Топочный газ проходит над обоими потоками, при этом основная теплопередача происходит на поверхности нагрева с низкой температурой и незначительным массовым расходом.
4. Затем топочный газ выходит из IWE.
Контроль за разделением питательной воды
Методология контроля установки клапана 26 и, следовательно, относительных количеств питательной воды в первом и втором частичных потоках 22 и 24 аналогична методологии из заявок на патенты США №2007/0261646 и 2007/0261647. Согласно этой методологии разработан алгоритм количественной оценки стационарного состояния, при котором в качестве информации на входе используют массовые скорости расхода. Указанный алгоритм необходим, поскольку для достижения стационарного состояния может потребоваться 1 ч или более, таким образом, если стационарное состояние еще не достигнуто, то измерение температуры в реальном времени ниже экономайзера может быть ошибочным. При достижении стационарного состояния этот алгоритм может быть скорректирован (а именно пропорционально уточнен) для того, чтобы скомпенсировать эксплуатационные разницы между реальным и теоретическим. Используемый алгоритм зависит от реального объема оборудования и допустимого массового расхода.
Несмотря на ссылку на определенные варианты настоящего изобретения и подробное их описание в целях иллюстрации настоящей заявки и принципов изобретения, следует понимать, что оно ими не ограничивается и что указанное изобретение может быть реализовано другим способом, без изменений указанных принципов. Например, настоящее изобретение применимо к новым конструкциям (включая бойлеры или паровые генераторы) или к замене, ремонту или модификации современных бойлеров или паровых генераторов. В некоторых вариантах настоящего изобретения определенные его признаки могут быть иногда использованы для достижения преимущества без соответствующего применения других признаков. Следовательно, все такие изменения и варианты, безусловно, находятся в границах приведенной формулы изобретения (включая любые, а также все эквиваленты).