ПРЯМОТОЧНЫЙ ПАРОВОЙ КОТЁЛ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ С ИНВЕРТНОЙ ТОПОЧНОЙ КАМЕРОЙ ДЛЯ ПАРОТУРБИННОГО ЭНЕРГОБЛОКА УЛЬТРАСВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПАРА
DIRECT-FLOW STEAM BOILER ON SOLID FUEL WITH INVERTED COMBUSTION CHAMBER FOR STEAM-TURBINE POWER UNIT OF ULTRA-SUPERCRITICAL STEAM PARAMETERS

Область техники
Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при проектировании предназначенных для работы на твердом топливе паротурбинных энергоблоков большой мощности с ультрасверхкритическими параметрами острого пара и пара промежуточного перегрева (700°С, 35 МПа).
Предшествующий уровень техники
Большинство современных энергетических паровых котлов, в том числе прямоточных, имеют П-образную или Т-образную компоновку с восходящим движением газообразных продуктов сгорания в топочной камере и расположением теплообменных пакетов пароперегревателей острого пара и пара промежуточного перегрева в верхней части опускного конвективного газохода и частично в переходном газоходе, соединяющем верхнюю часть топочной камеры с одним (П-образная компоновка) или двумя (Т-образная компоновка) опускными конвективными газоходами (С.Е. Беликов, В.Р. Котлер / Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы // М., 2008, с. 11, рис. 1.4 а, б - аналог [1]).
Недостатком таких компоновок парового котла является большая протяженность паропроводов, соединяющих котел с паровой турбиной энергоблока, из-за существенной разницы (несколько десятков метров) между высотными отметками расположения узлов подключения указанных паропроводов к выходным коллекторам пароперегревателей котла и к входам в соответствующие цилиндры паровой турбины энергоблока. В условиях ползучести металла под действием внутреннего давления высокотемпературной рабочей среды и весовых нагрузок излишняя протяженность паропроводов делает их менее надежными из-за высокой вероятности быстрого появления повреждений.
Переход на ультрасверхкритические параметры пара приводит к дополнительной проблеме чрезмерно высокой стоимости металла паропроводов, изготавливаемых из жаропрочных никелевых сплавов. Данное обстоятельство существенно усугубляет недостатки указанных традиционных компоновочных схем парового котла.
Применяется также в ряде случаев башенная компоновка котла с конвективным газоходом над топочной камерой ([1], рис 1.4 в). С точки зрения протяженности паропроводов такая компоновка еще более неблагоприятна, чем описанные выше котлы с П-образной и Т-образной компоновкой.
Известен прямоточный паровой котел на твердом топливе для паротурбинного энергоблока ультрасверхкритических параметров пара, содержащий:
инвертную топочную камеру, стены которой по периметру экранированы вертикально расположенными газоплотными парогенерирующими трубными панелями, соединенными между собой при помощи подключенных к их коллекторам перепускных труб с образованием нижней радиационной части с двухходовым движением в трубах рабочей среды и верхней радиационной части;
последовательно расположенные подъемный и опускной конвективные газоходы;
экранированный горизонтальный соединительный газоход между указанными инвертной топочной камерой и подъемным конвективным газоходом в их нижней части;
поворотную камеру между указанными подъемным и опускным конвективными газоходами в их верхней части;
расположенные в указанном горизонтальном соединительном газоходе ширмовые или конвективные пакеты пароперегревателя острого пара и пара промежуточного перегрева;
расположенные в подъемном газоходе выходные ступени пароперегревателя острого пара и пароперегревателя промежуточного перегрева;
подключенный к выходному коллектору указанной выходной ступени пароперегревателя острого пара паропровод острого пара, подаваемого на вход цилиндра высокого давления паровой турбины указанного паротурбинного энергоблока;
подключенный к выходному коллектору указанной выходной ступени пароперегревателя пара промежуточного перегрева паропровод пара промежуточного перегрева, подаваемого на вход цилиндра среднего давления турбины указанного паротурбинного энергоблока;
шлакоотводящую воронку, расположенную под инвертной топочной камерой, и золоотводящие воронки - под подъемным и опускным конвективными газоходами
(US 2013239909 (А-1) - 2013-09-19 - ближайший аналог [2]).
Компоновка прямоточного парового котла с инвертным расположением топочной камеры согласно [2] позволяет существенно сократить протяженность паропроводов за счет размещения пароперегревателей котла в его нижней части ближе к отметке расположения узлов подключения указанных паропроводов к турбине. Для энергоблоков мощностью 660-800 МВт переход от П-образной или Т-образной компоновки к компоновке с инвертной камерой сгорания позволяет сократить протяженность паропроводов на 40-50 м. По сравнению с башенной компоновкой указанная разница составляет 50-60 м.
К недостаткам компоновки прямоточного котла [2], по сравнению с традиционной компоновкой [1], следует отнести появление других причин уменьшения надежности работы котла, связанных:
во-первых, с увеличением температурных напряжений в парогенерирующих трубных панелях второго хода нижней радиационной части из-за встречного движения теплообменивающихся сред при обычной схеме восходящего направления движения в трубах рабочей среды;
во-вторых, с возможным заносом золой горизонтального соединительного газохода с установленными в нем пароперегревательными пакетами.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение надежности работы прямоточного парового котла ультрасверхкритических параметров пара, компоновка которого предусматривает использование инвертной камеры сгорания, а техническими результатами -
уменьшение температурных напряжений в парогенерирующих трубных панелях второго хода нижней радиационной части;
устранение возможности гидравлической неустойчивости рабочей среды в парогенерирующих трубах на всех режимах работы котла;
устранение возможности заноса золой горизонтального соединительного газохода.
Дополнительным техническим результатом изобретения является минимизация протяженности паропроводов острого пара и пара промежуточного перегрева.
Решение указанной задачи путем достижения указанных технических результатов обеспечивается тем, что
в прямоточном паровом котле на твердом топливе для паротурбинного энергоблока ультрасверхкритических параметров пара, содержащем:
инвертную топочную камеру, стены которой по периметру экранированы вертикально расположенными газоплотными парогенерирующими трубными панелями, соединенными между собой при помощи подключенных к их коллекторам перепускных труб с образованием нижней радиационной части с двухходовым движением в трубах рабочей среды и верхней радиационной части;
последовательно расположенные подъемный и опускной конвективные газоходы;
экранированный горизонтальный соединительный газоход между указанными инвертной топочной камерой и подъемным конвективным газоходом в их нижней части;
поворотную камеру между указанными подъемным и опускным конвективными газоходами в их верхней части;
расположенные в указанном горизонтальном соединительном газоходе ширмовые или конвективные пакеты пароперегревателя острого пара и пара промежуточного перегрева;
расположенные в подъемном газоходе выходные ступени пароперегревателя острого пара и пароперегревателя промежуточного перегрева;
подключенный к выходному коллектору указанной выходной ступени пароперегревателя острого пара паропровод острого пара, подаваемого на вход цилиндра высокого давления паровой турбины указанного паротурбинного энергоблока;
подключенный к выходному коллектору указанной выходной ступени пароперегревателя пара промежуточного перегрева паропровод пара промежуточного перегрева, подаваемого на вход цилиндра среднего давления турбины указанного паротурбинного энергоблока;
шлакоотводящую воронку, расположенную под инвертной топочной камерой, и золоотводящие воронки - под подъемным и опускным конвективными газоходами,
согласно изобретению:
выходные коллекторы указанных трубных панелей 40 первого хода нижней радиационной части экранирования указанной инвертной топочной камеры соединены перепускными трубами со входными коллекторами соответствующих трубных панелей 50 второго хода так, чтобы в панелях указанного второго хода было обеспечено нисходящее движение рабочей среды;
суммарное проходное сечение парогенерирующих труб указанных панелей хода нижней радиационной части с опускным движением рабочей среды выбрано из условия обеспечения в пусковых режимах работы котла массовой скорости указанной рабочей среды, достаточно высокой для предотвращения характерной для этих режимов гидравлической неустойчивости;
под горизонтальным соединительным газоходом 60 установлена отдельная экранированная золоотводящая воронка или пространство под указанным горизонтальным соединительным газоходом сообщено с зоной действия двух смежных воронок: шлакоотводящей 12 и золоотводящей 76, или одной из них.
Прямоточный котел согласно изобретению заглублен в землю до отметки, выбранной из условия обеспечения минимальной протяженности указанных паропровода острого пара и паропровода пара промежуточного перегрева.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и указанными техническими результатами заключается в следующем.
Компоновка прямоточного парового котла ультрасверхкритических параметров пара с использованием инвертной топочной камеры, как уже отмечалось выше, позволяет существенно сократить протяженность находящихся под воздействием предельно высоких температур и механических напряжений паропроводов, что повышает надежность работы котла и сокращает расход идущих на их изготовление дорогостоящих никелевых сплавов.
Соединение выходных коллекторов первого хода трубных панелей нижней радиационной части экранирования инвертной топочной камеры перепускными трубами со входными коллекторами соответствующих трубных панелей второго хода так, чтобы в последних было обеспечено нисходящее движение рабочей среды, как уже отмечалось, позволяет уменьшить связанное с инвертным направлением движения продуктов сгорания в топочной камере чрезмерное повышение температуры стенки выходных концов парогенерирующих труб нижней радиационной части с возможным выходом из строя. Данный признак, таким образом, также направлен на повышение надежности работы предлагаемого котла.
Выбор суммарного проходного сечения парогенерирующих труб указанных панелей нижней радиационной части с опускным движением рабочей среды из условия обеспечения в пусковых режимах работы котла массовой скорости указанной рабочей среды, достаточно высокой для предотвращения характерной для этих режимов гидравлической неустойчивости, дополнительно повышает надежность работы прямоточного котла с инвертной топочной камерой за счет устранения возможности указанной гидравлической неустойчивости на этих режимах.
Установка под горизонтальным соединительным газоходом отдельной экранированной золоотводящей воронки или сообщение пространства под указанным горизонтальным соединительным газоходом с зоной действия двух смежных воронок дополнительно повышает надежность работы прямоточного котла с инвертной топочной камерой за счет предотвращения возможного заноса золой указанного газохода, что может привести к существенному повышению аэродинамического сопротивления газохода и к ухудшению условий теплообмена с расположенными в данном и последующих газоходах поверхностями нагрева.
Углубление котла в землю до отметки, выбранной из условия обеспечения минимальной протяженности указанных паропровода острого пара и паропровода пара промежуточного перегрева, дополнительно повышает надежность работы прямоточного котла с инвертной топочной камерой за счет сокращения протяженности указанных выше паропроводов до предельно возможного уровня.
Изобретательский уровень
Патентуемое техническое решение отвечает условию «изобретательский уровень» так как:
все признаки, составляющие независимые пункты приведенной ниже и вытекающей из описания формулы изобретения, взаимосвязаны, будучи направлены на решение единой изобретательской задачи - повышения надежности работы прямоточного парового котла ультрасверхкритических параметров пара, компоновка которого предусматривает использование инвертной камеры сгорания. Исключение любого из этих признаков приводит к практической невозможности использования такой экономически выгодной компоновки указанного котла из-за невысокой степени его эксплуатационной надежности.
С другой стороны, отличительные признаки патентуемого изобретения нельзя признать очевидными для специалиста, так как в принятом в качестве ближайшего аналога [2] энергетическом прямоточном паровом котле ультрасверхкритических параметров с такой же, как у патентуемого котла, компоновкой указанные признаки, несмотря на их принципиальную важность, отсутствуют.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематически изображен общий вид прямоточного парового котла согласно изобретению с отдельной золоотводящей воронкой под горизонтальным соединительным газоходом; на фиг 2 - то же с горизонтальным соединительным газоходом, охваченным зонами действия двух сомкнутых основаниями воронок; на фиг. 3 - то же с горизонтальным соединительным газоходом, охваченным зоной действия золоотводящей воронки подъемного конвективного газохода; на фиг. 4 - то же с частичным углублением котла в землю; на фиг. 5 - схематически изображено двухходовое экранирование нижней радиационной части инвертной топочной камеры.
Условные обозначения
ВП - воздухоподогреватель;
ВРЧ - верхняя радиационная часть;
ВЭ - водяной экономайзер;
ГСГ - горизонтальный соединительный газоход;
ЗОВ - золотводящая воронка;
ИТК - инвертная топочная камера;
КП - конвективный пакет;
НРЧ - нижняя радиационная часть;
ОКГ - опускной конвективный газоход;
СКВ - селективный каталитический восстановитель оксидов азота;
ПКГ - подъемный конвективный газоход;
ПГТП - парогенерирующая трубная панель;
ППК - прямоточный паровой котел;
ППО - пароперегреватель острого пара;
ПППр - пароперегреватель пара промежуточного перегрева;
ШОВ - шлакоотводящая воронка;
ШП - ширмовый пакет;
ПТЭ - паротурбинный энергоблок;
УСКП - ультрасверхкритические параметры;
ЦВД - цилиндр высокого давления паровой турбины;
ЦСД - цилиндр среднего давления паровой турбины.
Перечень позиций на чертежах:
10 - ИТК; 11 - горелочные устройства; 12 - ШОВ под ИТК; 20 - НРЧ; 30 - ВРЧ; 40 - ПГТП первого хода НРЧ; 50 - ПГТП второго хода НРЧ; 41, 52 - входные коллекторы ПГТП НРЧ; 42, 51 - выходные коллекторы ПГТП НРЧ; 60 - ГСГ; 61 - ШП ППО; 62 - ШП ПППр; 63 - ЗОВ под ГСГ; 70 - ПКГ; 71 - выходной КП ППО; 711 - выходнной коллектор выходного КП ППО; 72 - выходной КП ПППр; 721 - выходной коллектор выходного КП ПППр; 73 - промежуточный КП ППО; 74 - промежуточный КП ПППр; 75 - ВЭ; 76 - ЗОВ под ПКГ; 80 - поворотная камера между ПКГ и ОКГ; 81 - нижняя стенка поворотной камеры; 90 - ОКГ; 91 - СКВ оксидов азота; 92 - ВП; 93 - ЗОВ под ОКГ.
Подробное описание изобретения
Прямоточный паровой котел (ППК) на твердом топливе для паротурбинного энергоблока (ПТЭ) ультрасверхкритических параметров (УСКП) содержит (фиг. 1-4) инвертную топочную камеру (ИТК) 10, стены которой по периметру экранированы парогенерирующими трубами с образованием нижней радиационной части (НРЧ) 20 и верхней радиационной части (ВРЧ) 30. В обеих указанных радиационных частях экраны собраны из вертикально расположенных газоплотных парогенерирующих трубных панелей (ПГТП). На чертеже (фиг. 5) показаны только НРЧ 20, экранирующая одну из стен ИТК 10. ПГТП 40 и 50 этой НРЧ имеют входные коллекторы соответственно 41, 52 и выходные коллекторы 42, 51. Данные панели соединены между собой по двухходовой схеме движения в трубах рабочей среды. При этом выходной коллектор 42 ПГТП 40 первого хода НРЧ 20 соединен перепускными трубами (не показаны) со входным коллектором 52 ПГТП 50 второго хода так, чтобы в трубах последней было обеспечено нисходящее движение рабочей среды. В примере фиг. 5 (с восходящим движением рабочей среды в ПГТП 40 первого хода) для обеспечения опускного движения рабочей среды в ПГТП 50 второго хода потребовалось соединить между собой верхние коллекторы указанных панелей.
2
Суммарное проходное сечение парогенерирующих труб указанных панелей хода НРЧ 20 с опускным движением рабочей среды выбрано из условия обеспечения в пусковых режимах работы котла массовой скорости указанной рабочей среды, достаточно высокой для предотвращения характерной для этих режимов гидравлической неустойчивости. Конкретная величина указанной массовой скорости определяется расчетным путем в зависимости от конкретных параметров рабочей среды, ожидаемой температуры продуктов сгорания в области НРЧ, толщины и удельной теплопроводности металла труб и прочих факторов. Ориентировочно для современных прямоточных паровых котлов с УСКП величина указанной массовой скорости может составлять 900-1200 кг/м·с.
ПГТП ВРЧ 30 выполнены с подъемной схемой движения в трубах рабочей среды (на чертеже не показано).
В верхней части ИТК 10 расположены горелочные устройства 11 для сжигания пылевидного твердого топлива в смеси с горячим воздухом.
К выходной (нижней) части ИТК 10 последовательно примыкают:
экранированный горизонтальный соединительный газоход (ГСГ) 60 с расположенными в нем в данном примере ширмовым пакетом (ШП) 61 пароперегревателя острого пара (ППО) и ШП 62 пароперегревателя пара промежуточного перегрева (ПППр);
подъемный конвективные газоход (ПКГ) 70 с расположенными по ходу движения газообразных продуктов сгорания выходным конвективным пакетом (КП) 71 ППО, выходным КП 72 ПППр, промежуточный КП 73 ППО, промежуточный КП 74 ПППр и водяной экономайзер (ВЭ) 75;
поворотная камера (ПК) 80;
опускной конвективный газоход (ОКГ) 90 с расположенными в нем по ходу продуктов сгорания установкой селективного каталитического восстановления оксидов азота (СКВ) 91 и воздухоподогревателем (ВП) 92.
К выходным коллекторам 711, 721 соответственно выходных пакетов КП 71 ППО и КП 72 ПППр подключены не показанные на чертеже паропроводы подвода в паровую турбину (не показана) соответственно острого пара и пара промежуточного перегрева.
Для отвода шлака и золы из продуктов сгорания твердого топлива под ИТК 10 предусмотрена экранированная шлакоотводящая воронка (ШОВ) 12, под ПКГ 70 и ОКГ 90, а также экранированные золоотводящие воронки (ЗОВ) соответственно 76 и 93.
Кроме того, отдельная ЗОВ 63 может быть расположена под ГСГ 60 (фиг. 1, 4). В качестве альтернативных вариантов, обеспечивающих отвод золы из ГСГ 60, предусмотрена возможность охвата пространства под ГСГ 60 зоной действия двух сомкнутых основаниями смежных воронок: ШОВ 12 и ЗОВ 76 (фиг. 2), или одной из них (фиг. 3).
В поворотной камере 80 для отвода золы ее нижняя стенка 81 имеет уклон в сторону опускного газохода 90.
ППК согласно изобретению может быть заглублен в землю до отметки, выбранной из условия обеспечения минимальной протяженности указанных паропровода острого пара и паропровода пара промежуточного перегрева. Для энергоблока мощностью 500-800 МВт это позволяет дополнительно сократить протяженность каждого из паропроводов (острого пара и пара промежуточного перегрева) на величину порядка 20-30 м.
Работа котла
ППК УСКП согласно изобретению работает следующим образом.
Пылевидное твердое топливо в смеси с горячим воздухом, поступающим от ВП 92, подается в горелочные устройства 11, расположенные в верхней части ИТК 10. Газообразные горячие продукты сгорания указанного топлива движутся вдоль ИТК 10 сверху вниз, отдавая часть своей теплоты радиационным путем экранирующим стены ИТК 10 парогенерирующим трубам, собранным в газоплотные ПГТП, образующие НРЧ 20 и ВРЧ 30.
Пройдя ИТК 10, частично охлажденные, но все еще достаточно горячие для нагрева рабочей среды полурадиационным путем (с меньшими объемами излучающих газовых потоков и частичной передачей теплоты конвекцией) продукты сгорания проходят в ГСГ 60 с расположенными в нем ШП ППО 61 и ШП ПППр 62.
Еще более охлажденные газообразные продукты сгорания проходят через соединенные поворотной камерой 80 конвективные газоходы ПКГ 70 и ОКГ 90, где последовательно при соответственно все более низких температурах отдают свою теплоту пароперегревательным пакетам 71-74, ВЭ 75 и ВП 92, после чего отработанные отходящие газы отводятся в систему очистки (не показана) от тонких золовых фракций и оксидов серы, пройдя которую с помощью дымососа выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу (не показано). Предотвращение сверхнормативного выброса в атмосферу оксидов азота достигается известными способами организации процесса горения и расположением в ОКГ 90 СКВ 91.
Твердые остатки горения в виде шлака и золы удаляются из газового тракта через экранированные ШОВ 12 и ЗОВ 63, 76, 93.
Рабочая среда подается последовательно в виде питательной воды в ВЭ 75, из него - в парогенерирующие трубы ВРЧ 30 и НРЧ 20, а затем - в пароперегревательные пакеты 61, 73, 71. От выходного коллектора КП ППО 711 острый пар по соответствующему паропроводу (не показан) поступает в ЦВД паровой турбины (не показаны). Отработанный в последнем пар возвращается в котел на промежуточный перегрев в паропегревательных пакетах 74, 62 и 72. От выходного коллектора КП ПППр 712 пар промежуточного перегрева поступает по соответствующему паропроводу (не показан) на вход ЦСД паровой турбины (не показан).
Промышленная применимость
ППК согласно изобретению отвечает условию «промышленная применимость». Сущность последнего раскрыта в формуле, описании и чертежах достаточно ясно, а используемые средства просты и доступны для промышленной реализации в отраслях, связанных с проектированием, изготовлением и промышленной эксплуатацией современных энергетических паровых котлов.