ПРЯМОТОЧНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ПАРА ВЫШЕ 650 ГРАДУСОВ С
FORWARD-FLOW STEAM GENERATOR FOR USE AT STEAM TEMPERATURES ABOVE 650-C

Настоящее изобретение относится к прямоточному парогенератору для использования при температурах пара выше 650°C, причем данный прямоточный парогенератор содержит камеру сгорания, канал топочного газа, который граничит с верхним краем указанной камеры сгорания, и охватывающие стенки, которые окружают их, причем охватывающие стенки образованы трубчатыми стенками, трубы которых проводят рабочую пароводяную среду, где камера сгорания содержит по меньшей мере одну горелку, и поверхности нагрева находятся в канале топочного газа.
Прямоточные парогенераторы известны из публикации, озаглавленной «Kraftwerkstechnik» (Технология электростанций), издательство Springer, второе издание, 1994 г., глава 4.4.2.4 «Принудительное течение», с. 171-174), автор профессор Карл Штраус (Karl Strauß), доктор технических наук, и используются на электростанциях для производства электроэнергии путем сжигания, например, ископаемого топлива. В прямоточном парогенераторе нагревание стенок труб или охватывающих стенок, которые образуют камеру сгорания или газоотводные каналы, приводит, в отличие от парогенератора с естественной циркуляцией или принудительной циркуляцией с лишь частичным испарением пароводяной смеси, осуществляемой циркуляционно, к испарению потока или рабочей среды в трубах трубчатых стенок или охватывающих стенок в едином потоке.
2
Потребность в прямоточных парогенераторах с повышенными степенями эффективности, чьи парообменники с принудительным течением позволяют, помимо прочего, уменьшать удельные выбросы CO в атмосферу, приводит, в частности, к повышению параметров пара прямоточного парогенератора. Достижение или обеспечение повышенных параметров пара, другими словами, повышенных значений давления и температуры пара как рабочей среды на выпуске прямоточного парогенератора (выпуске свежего пара), создает высокие требования для выбора материала прямоточного парогенератора. Прямоточные парогенераторы с параметрами пара, составляющими приблизительно 280 бар (28 МПа)/600°C (параметры свежего пара), представляют текущий уровень техники. Здесь части под высокой нагрузкой (наклонный изгиб и перпендикулярное отверстие) охватывающих стенок, которые имеют конфигурацию трубчатых стенок, изготовлены из специальных материалов T23 (материал, который утвержден Американским обществом инженеров-механиков (ASME)), T24 (7CrMoVTiB10-10) или других материалов с аналогичным химическим составом, и все они принадлежат к категории модифицированных термостойких сталей, содержащих 2,25-2,5% хрома. Материал T23 указан, например, в технических условиях материала VdTÜV, документ 511/2, редакция от июня 2001 г., и материал T24 указан, например, в технических условиях стандарта DIN EN 10216-2, редакция от октября 2007 г. Преимущество этих материалов заключается в том, что они являются особенно подходящими для вышеупомянутых параметров пара, и их можно сваривать без последующей термической обработки, и, таким образом, можно просто осуществлять изготовление охватывающих стенок или трубчатых стенок и их монтаж на строительной площадке.
Если в ходе дальнейшего повышения степени эффективности требуются прямоточные парогенераторы с еще более высокими параметрами пара, такими как 350 бар (35 МПа)/700°C (параметры свежего пара), дополнительно увеличивается температура пара и, следовательно, связанная с ней расчетная температура охватывающих стенок парогенератора. При указанных увеличенных температурах охватывающие стенки, однако, вышеупомянутые материалы T23, T24 или другие материалы с аналогичным химическим составом больше не являются достаточными в отношении их параметров прочности. Возможные материалы для указанных повышенных температур, охватывающие стенки, представляют собой мартенситовые стали, содержащие 9-12% хрома, такие как T91 (X10CrMoVNb9-1), T92 (X10CrWMoVNb9-2) и VM12-SHC (фирменное наименование от компании Vallourec & Mannesmann), или сплавы на никелевой основе, такие как сплав 617 (NiCr23Co12Mo) или сплав 617mod (модифицированный NiCr23Co12Mo). Вышеупомянутые материалы указаны, в основном, в технических условиях материалов, например материал T91 в технических условиях VdTÜV 511/2, редакция от июня 2009 г.; материал T92 в технических условиях VdTÜV 552/2, редакция от марта 2008 г.; сплав 617 в технических условиях VdTÜV 485, редакция от сентября 2001 г.; и материал VM12 в технических условиях VdTÜV 560/2, редакция от марта 2009 г.
Если мартенситовые стали, содержащие 9-12% хрома, или сплавы на никелевой основе используют для охватывающих стенок, необходимы усложненные операции изготовления и монтажа. Мартенситовые стали, содержащие 9-12% хрома, требуют термической обработки после сварки на заводе и во время монтажа. Для этой цели в цехе необходимые специальные закалочные печи и специальные камеры для отжига на месте установки. Необходимо подавлять процессы чрезмерного сжатия в процессе производства и/или монтажа деталей из сплавов на никелевой основе. Кроме того, сплавы на никелевой основе отличаются тем, что стоимость их приобретения значительно превышает стоимость сталей. Таким образом, следует ожидать более высокой стоимости обоих данных решений, поскольку она включает как стоимость материалов, так и стоимость изготовления и монтажа деталей.
Как уже было упомянуто выше, помимо прямоточных парогенераторов также известны парогенераторы с естественной циркуляцией и принудительной циркуляцией. В этих известных парогенераторах с рециркуляцией или циркуляцией при докритических параметрах пара только определенное количество тепла может поглощаться испарителем парогенератора. Указанное количество тепла определяется рабочим давлением установки. В результате свойств топлива (состав золы, свойства плавления золы) количество тепла, передаваемое при горении в камере сгорания, может превышать количество тепла, которое может быть поглощено испарителем. Тогда используют плитные нагревательные поверхности в циркуляционных парогенераторах, чтобы ограничить количество тепла, передаваемое испарителю, и/или чтобы передавать избыточное количество тепла плитной нагревательной поверхности. В отличие от парогенераторов с естественной циркуляцией и принудительной циркуляцией теплопоглощение в прямоточном парогенераторе не ограничено его испарителем, поскольку среда на выпуске испарителя уже перегревается в процессе принудительного течения, и можно устанавливать различный уровень перегрева. Связанный с этим уровень температуры пара или соответствующая расчетная температура охватывающих стенок контролируется выбором подходящего материала для охватывающих стенок.
Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить прямоточный парогенератор для использования при температуре пара выше 650°C, чтобы в данном прямоточном парогенераторе отсутствовали вышеупомянутые недостатки или, в отношении охватывающих стенок или трубчатых стенок прямоточного парогенератора, можно было осуществлять простые процессы изготовления и монтажа, а не сложные операции, которыми трудно управлять.
Вышеупомянутая цель достигается совокупностью отличительных признаков, перечисленных в п.1 формулы настоящего изобретения.
Полезные особенности настоящего изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Решение согласно настоящему изобретению предлагает прямоточный парогенератор для использования при температурах пара выше 650°C, причем данный прямоточный парогенератор имеет следующие преимущества:
- исключение сложного изготовления и сборки охватывающих стенок прямоточного парогенератора;
- уменьшение стоимости материала и стоимости изготовления и сборки охватывающих стенок прямоточного парогенератора;
- экономия на использовании печей и камер для отжига и их эксплуатационных расходов.
Один предпочтительный вариант осуществления предусматривает, чтобы плитная нагревательная поверхность, которая покрывает часть охватывающих стенок в области камеры сгорания, была расположена между верхним краем наиболее верхней горелки и нижним краем наиболее нижней расположенной вниз по потоку поверхности нагрева. В результате такой меры определенная область камеры сгорания закрывается посредством плитной нагревательной поверхности, причем в данной области значительная часть тепла в иных условиях выходила бы из камеры сгорания к охватывающим стенкам и увеличивала бы температуру среды в охватывающих стенках и температуру стенок таким образом, что пришлось бы использовать материалы более высокого качества.
В одном полезном усовершенствовании настоящего изобретения, по меньшей мере, часть охватывающих стенок изготовлена из одного из материалов T23, T24 или другого материала с аналогичным химическим составом. Здесь из вышеупомянутых материалов изготовлена, по меньшей мере, та часть охватывающих стенок, которая подвергается высокой термической нагрузке или более высокой нагрузке, чем остальная часть охватывающих стенок. Материалы T23, T24 или другие материалы с аналогичным химическим составом представляют собой высококачественные материалы, которые имеются в продаже и удовлетворяют желательным требованиям или для которых после сварки не требуется осуществлять никакой дополнительной термической обработки.
Один предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает, чтобы плитная нагревательная поверхность была образована или изготовлена из мартенситовых материалов, содержащих 9-12% хрома, аустенитовых материалов или сплавов на никелевой основе. Это обеспечивает выполнение требований в отношении тех температур, которые должна выдерживать плитная нагревательная поверхность, направленная к камере сгорания.
Предпочтительно, чтобы плитная нагревательная поверхность была выполнена как пароперегревательная нагревательная поверхность или промежуточная пароперегревательная нагревательная поверхность. Плитная нагревательная поверхность, таким образом, эффективно встроена в пароводяной контур прямоточного парогенератора или в пароводяной контур электростанции, которая включает прямоточный парогенератор этого типа.
Один предпочтительный вариант осуществления предусматривает, чтобы плитная нагревательная поверхность была расположена параллельно охватывающей стенке. Так достигается ситуация, в которой плитная нагревательная поверхность расположена вертикально, аналогично охватывающей стенке, и создает минимально возможную поверхность для осаждения золы или шлака из камеры сгорания.
Один выгодный вариант осуществления предусматривает плитную нагревательную поверхность, которая проходит таким образом, чтобы упираться в охватывающую стенку. Это обеспечивает максимально удовлетворительное покрытие охватывающей стенки плитной нагревательной поверхности и передачу минимально возможного количества тепла к охватывающей стенке.
Далее примерные варианты осуществления настоящего изобретения представлены более подробно посредством описания и чертежей, на которых:
фиг.1 схематически представляет продольный разрез через прямоточный парогенератор согласно настоящему изобретению и
фиг.2 представляет тот же вид, что и фиг.1, но в альтернативном варианте осуществления.
Фиг.1 схематически представляет прямоточный парогенератор 1 (номер обозначает выработку пара в парогенераторе в один проход) башенной конструкции; другими словами, трубчатые стенки 5 (как охватывающие стенки 4) и все поверхности 7 нагрева размещены на одном вертикальном газоходе или в нем. Вертикальный газоход, который образован или ограничен газонепроницаемыми охватывающими стенками 4, содержит, в своей нижней части, камеру 2 сгорания и канал 3 топочного газа, который примыкает сверху к указанной камере 2 сгорания. Как правило, камера 2 сгорания заканчивается внизу бункером камеры сгорания и вверху достигает наиболее нижней поверхности 7 нагрева. Одна или несколько горелок 6 для сжигания ископаемого топлива установлены в нижней части камеры 2 сгорания. Горелки 6 можно расположить по углам (угловые горелки) или на стенках (настенные горелки) камеры 2 сгорания. Различные поверхности 7 нагрева установлены как конвекционные поверхности нагрева в канале 3 топочного газа. Как правило, указанные поверхности 7 нагрева представляют собой поверхности нагрева экономайзера, пароперегревательные нагревательные поверхности и промежуточные пароперегревательные нагревательные поверхности. Канал 3 топочного газа заканчивается вверху перекрытием и имеет выпуск 9 топочного газа сбоку у своего верхнего конца.
Согласно настоящему изобретению прямоточный парогенератор 1 имеет по меньшей мере одну плитную нагревательную поверхность 8, которая покрывает часть охватывающих стенок 4 в области камеры 2 сгорания и размер которой на стороне поверхности определен таким образом, что теплопоглощение охватывающих стенок 4 и, следовательно, их температура уменьшаются до уровня, который позволяет изготавливать охватывающую стенку 4 из модифицированных термостойких сталей, содержащих 2,25-2,5% хрома, которые не требуют какой-либо дополнительной термической обработки после их обработки с использованием технологии сварки. Другими словами, плитная нагревательная поверхность 8, которая покрывает охватывающую стенку 4 в области камеры 2 сгорания с заданным размером на стороне поверхности, поглощает такое количество тепла от камеры 2 сгорания, что теплопоглощение охватывающей стенки 4 уменьшается вследствие покрытия до такого уровня, что максимальная температура среды у охватывающей стенки 4 остается ниже значения, которое допускает использование модифицированных термостойких сталей, содержащих 2,25-2,5% хрома, которые не требуют какой-либо дополнительной термической обработки после их обработки с использованием технологии сварки. Это могут быть, например, материалы T23 (материал, который утвержден Американским обществом инженеров-механиков (ASME)), T24 (7CrMoVTiB10-10) или другие материалы с аналогичным химическим составом, которые способны выдерживать температуры пара приблизительно до 500-510°C и которые перечислены, например, в брошюре «Новые сорта стали T23/T24 для топочных экранов и пароперегревателей от компании Vallourec & Mannesmann Tubes» (брошюра описывает модифицированные термостойкие стали, содержащие 2,25-2,5% хрома). В результате уменьшения температуры среды в охватывающей стенке 4 с помощью плитной нагревательной поверхности 8, которая расположена согласно настоящему изобретению, можно исключить использование термостойких материалов, таких как мартенситовые стали, содержащие 9-12% хрома, или сплавы на никелевой основе, для изготовления охватывающих стенок 4, которые после их изготовления с использованием технологии сварки потребовалось бы подвергать сложной дополнительной термической обработке (мартенситовые стали, содержащие 9-12% хрома) или потребовалось бы подвергать сложной обработке вследствие их свойств значительного сжатия (сплавы на никелевой основе).
Высококачественные материалы, которые используются в настоящее время и не требуют какой-либо дополнительной термической обработки после их обработки с использованием технологии сварки или которые не требуют сложной обработки, можно использовать в любом месте охватывающей стенки 4 или, согласно одному экономически более выгодному варианту, по меньшей мере, в тех частях охватывающих стенок 4, где это делают необходимым высокие термические нагрузки. Это, например, области у горелок 6 и непосредственно над горелками 6 внутри камеры 2 сгорания. Чтобы уменьшить инвестиционные расходы по сравнению с вышеупомянутыми высококачественными материалами, материалы менее высокого качества, такие как 16Mo3 или 13CrMo45, используют для тех частей охватывающих стенок 4, где ниже термическая нагрузка, таких как в нижней части камеры 2 сгорания (ниже горелок 6, включая бункер камеры сгорания), где температуры среды в трубчатых стенках не превышают приблизительно 400-460°C. Аналогичным образом, для указанных материалов не требуется какой-либо дополнительной термической обработки после их обработки с использованием технологии сварки, или для них не требуется дополнительной сложной обработки.
Охватывающие стенки 4, которые имеют конфигурацию трубчатых стенок 5, как правило, изготавливают, как сварную конструкцию типа «труба-перегородка-труба», трубы из трубчатых стенок 5 проводят рабочую пароводяную среду и их можно размещать внутри охватывающих стенок 4 в спиральном или вертикальном положении, или в сочетании спирального и вертикального положений. Трубы, которые расположены в охватывающих стенках 4, используют в нижней и средней части камеры 2 сгорания в качестве испарительных труб; другими словами, вода, которая поступает и подогревается, испаряется в указанных испарительных трубах. В верхней части камеры 2 сгорания, которая, как правило, содержит перпендикулярные трубы, трубы, которые расположены в охватывающей стенке 4, можно уже соединять как пароперегревательную нагревательную поверхность.
Сама плитная нагревательная поверхность 8, которая тогда поглощает часть тепла из камеры 2 сгорания, сформирована с использованием подходящих материалов согласно температурным требованиям. Поскольку необходимо работать при очень высоких температурах, для этой цели оказались подходящими мартенситовые стали, содержащие 9-12% хрома, аустенитовые стали или сплавы на никелевой основе. Это могут быть, например, мартенситовые материалы T91 (X10CrMoVNb9-l), T92 (X10CrWMoVNb9-2) или VM12-SHC, аустенитовые стали SUPER 3 04H, HR3C, DMV304HCu, DMV3101N или сплавы на никелевой основе, такие как сплав 617 (NiCr23Co12Mo) или сплав 617mod (модифицированный NiCr23Co12Mo). Плитная нагревательная поверхность 8 может состоять из отдельных труб, которые расположены близко друг к другу и параллельно или образуют конструкцию типа «труба-перегородка-труба». Трубы плитной нагревательной поверхности 8, как правило, проходят горизонтально по поверхности нагрева, но могут также проходить вертикально.
Плитная нагревательная поверхность 8 предпочтительно расположена параллельно охватывающей стенке 4 и предпочтительнее таким образом, что она упирается в последнюю. Такое расположение обеспечивает то, что охватывающая стенка 4 очень эффективно покрыта плитной нагревательной поверхностью 8, и, следовательно, подавляется передача тепла к охватывающей стенке 4, насколько это возможно. Фиг.2 представляет один предпочтительный вариант плитной нагревательной поверхности 8 согласно настоящему изобретению. Здесь охватывающую стенку 4 и трубчатую стенку 5, которые, как правило, содержат переднюю и заднюю стенки и две боковые стенки прямоточного парогенератора, частично покрывают одну или более плитных нагревательных поверхностей 8 в области камеры 2 сгорания, точнее, между верхним краем наиболее верхней горелки 6 и нижним краем наиболее нижней поверхности 7 нагрева (данная область отмечена или обозначена буквой «S» на фиг.2), одна плитная нагревательная поверхность 8 находится на каждой отдельной трубчатой стенке, то есть всего на четырех, согласно фиг.2. В результате заданного расположения плитной нагревательной поверхности 8, особенно в данной области камеры 2 сгорания, ту область охватывающей стенки 4 или трубчатой стенки 5 внутри камеры 2 сгорания, которая является наиболее горячей, как правило, можно покрывать точно заданным образом. Плитную нагревательную поверхность 8 можно преимущественно использовать как пароперегревательную нагревательную поверхность в прямоточном парогенераторе 1. Однако ее можно также использовать как промежуточную пароперегревательную нагревательную поверхность.
Список обозначений:
1 - Прямоточный парогенератор
2 - Камера сгорания
3 - Канал топочного газа
4 - Охватывающая стенка
5 - Трубчатая стенка
6 - Горелка
7 - Поверхность нагрева
8 - Плитная нагревательная поверхность
9 - Выпуск топочного газа