ИСПАРИТЕЛЬ С МНОЖЕСТВОМ БАРАБАНОВ
EVAPORATOR WITH MULTIPLE DRUMS

РОДСТВЕННАЯ ЗАЯВКА
В данной заявке заявлен приоритет по предварительной заявке 61/478695 на патент США, поданной 25 апреля 2011 года, которая включена сюда посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится, в общем, к преобразованию жидкой воды в насыщенный пар и, более конкретно, к испарителю для получения насыщенного пара, и способу, используемому в испарителе.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Газовые турбины, приводящие в движение электрогенераторы, выбрасывают выхлопные газы с чрезвычайно высокой температурой. Генераторы пара с восстановлением тепла (ГПВТ) выделяют тепло из газов для получения пара, который приводит в движение паровые турбины, которые, в свою очередь, приводят движение дополнительные электрические генераторы.
Типичный ГПВТ включает в себя множество теплообменников, расположенных один за другим в потоке горячего выхлопного газа из газовой турбины. Среди теплообменников используется экономайзер для снижения температуры подаваемой воды, испаритель для преобразования подаваемой воды с высокой температурой, выпускаемой из экономайзера, в насыщенный пар и пароперегреватель для преобразования насыщенного пара в перегретый пар. Во множестве ГПВТ используются больше, чем один экономайзер, испаритель и пароперегреватель, работающие при разных давлениях.
В некоторых ГПВТ используются испарители циркуляционного типа. Типичный испаритель циркуляционного типа, который основан на разности плотностей для циркуляции воды через него, включает в себя верхний барабан для пара и змеевик, состоящий из трубок, расположенных в потоке горячего газа, причем нижние концы этих трубок соединены с барабаном через спускную трубу, и верхние концы сообщаются с барабаном через стояк. Нагретая вода, подаваемая из барабана через экономайзер, протекает в барабан для пара, где она смешивается с паром и водой, уже находящимся в барабане. Вода из барабана протекает вниз через спускную трубу к нижним концам труб. После этого вода поднимается вверх по трубам для поглощения достаточного тепла из газа, протекающего через змеевик, для насыщения. Часть насыщенной воды преобразуется в насыщенный пар. Как насыщенная вода, так и насыщенный пар протекают вверх, в барабан для пара. Насыщенный пар отделяется от воды в барабане для пара и протекает в пароперегреватель. В случае, когда трубы испарителя циркуляционного типа ориентированы горизонтально, может потребоваться насос для циркуляции воды через змеевик.
Некоторые ГПВТ имеют большие естественные испарители циркуляционного типа большой емкости, которые работают при высоких давлениях. Такие испарители имеют большие барабаны для пара для размещения большого объема и толстые стенки с тем, чтобы противостоять давлению. Действительно, в барабане для пара высокого давления большой емкости испаритель может иметь внешний диаметр 80 дюймов (203 см) и стенки, толщиной шесть или семь дюймов (15,2 - 17,8 см). Большая емкость барабана для пара приводит к большому его объему и позволяет получить барабан с временем удержания, то есть позволяет подавать воду из барабана в змеевик в отсутствие подачи воды в барабан. Это защищает змеевик от повреждения в случае перерыва подачи воды в испаритель.
Для исключения воздействия чрезмерных напряжений на компоненты ГПВТ, в частности, на барабаны для пара в его испарителях, ГПВТ должен проходить длительную процедуру начального запуска, во время которой управляют скоростью нагрева, часто путем ввода точек задержки в процедуру начального запуска. Длительные процедуры начального запуска задерживают начало работы ГПВТ при пиковой эффективности. Кроме того, задержка удлиняет время, требуемое для ввода ГПВТ (и любой газовой турбины, с которой он может быть соединен) в соответствии с требованием по выхлопным газам.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 схематично показан вид в разрезе ГПВТ, оборудованного обычным испарителем с циркуляцией естественного типа и также испарителем с циркуляцией естественного типа, который выполнен в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения; и
на фиг.2 схематично показан вид сбоку испарителя, в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на чертежах (фиг.1), генератор A пара с восстановлением тепла (ГПВТ) имеет компоненты, которые, в основном, представляют собой теплообменники, установленные последовательно внутри корпуса 2 в виде трубы, для подачи перегретого пара при низком и высоком давлениях. Корпус 2 имеет входное отверстие 4 и выходное отверстие 6. Горячий газ, который может представлять собой выхлопные газы из газовой турбины, поступает в корпус 2 через входное отверстие 4, и внутри корпуса 2 протекает через несколько компонентов, которые отбирают тепло из газа и преобразуют жидкую подаваемую воду в перегретый пар с низким и высоким давлением.
Среди компонентов низкого давления ГПВТ A используется экономайзер 10, предназначенный для повышения температуры подаваемой воды, испаритель 12, предназначенный для преобразования воды из экономайзера 10 в насыщенный пар, и пароперегреватель 14, предназначенный для преобразования насыщенного пара из испарителя 12 в перегретый пар. Экономайзер 10, испаритель 12 и пароперегреватель 14 обычно работают при низком давлении. Испаритель 12 может быть выполнен в форме обычного испарителя с циркуляцией естественного типа, и при этом он может иметь один барабан 16 для пара цилиндрической конфигурации, расположенный над змеевиком 18, через который протекает горячий газ. Газ может представлять собой выхлопные газы из газовой турбины, которая приводит в движение электрогенератор.
В дополнение к его компонентам низкого давления ГПВТ имеет аналогичные компоненты высокого давления, а именно экономайзер 20, предназначенный для нагрева подаваемой воды, которая первоначально находится в жидкой фазе, испаритель 22 высокого давления, который принимает нагретую воду из экономайзера 20 и преобразует ее в насыщенный пар, и пароперегреватель 24 высокого давления, который преобразует насыщенный пар из испарителя 22 в перенасыщенный пар высокого давления. Предпочтительно, со ссылкой на поток горячего газа через корпус 2, пароперегреватель 24 расположен перед испарителем 22, и испаритель 22 расположен перед экономайзером 20. Испаритель 22 обладает способностью противостоять высокому давлению, достигающему 2800 фунтов на квадратный дюйм (19310 кПа), но может быть доведен до его рабочей температуры без излишних точек задержки. Действительно, он может быть переведен в рабочее состояние, без точек задержки.
Фактически, испаритель, построенный, как испаритель 22, может заменять испаритель 12. ГПВТ A может иметь больше, чем два набора экономайзеров, испарителей и пароперегревателей, или он может иметь один набор.
Испаритель 22 включает в себя (фиг.2) два барабана для пара цилиндрической конфигурации, расположенных на несколько разных высотах, а именно нижний накопительный барабан 32 и верхний разделительный барабан 34, который также может функционировать, как накопительный барабан. Продольные оси обоих барабанов 32 и 34 продолжаются горизонтально, и они предпочтительно установлены параллельно. Оба они выполнены меньшими, чем традиционный одиночный барабан для пара для испарителя, разработанного для аналогичной емкости и давления, а также времени удержания. Кроме того, они имеют более тонкие стенки, чем у такого одиночного барабана для пара. Такие два барабана 32 и 34 соединены через дренажную линию 36, которая продолжается между дном верхнего барабана 34 и нижней областью нижнего барабана 32, то есть ниже средней точки стороны барабана 32. Они также соединены через вентиляционную линию 38, которая продолжается между верхней частью нижнего барабана 32 и областью верхней стороны верхнего барабана 34, фактически, рядом с верхней частью барабана 34. Нижний барабан 32 соединен со впускной линией 40, которая открыта в его нижней области. Воду, которая, в основном, находится в жидкой фазе, направляют во впускную линию 40 и оттуда в барабан 32 с помощью насоса, который соединен с экономайзером 20, причем этой подачей управляют с помощью обычной трехэлементной системы управления. Однако впускная линия 40, вместо этого, может быть соединена с нижней областью верхнего барабана 34. Верхний барабан 34 имеет выпускную линию 42, соединенную с его самой верхней частью, и выпускная линия 42 подведена к пароперегревателю 24, который расположен впереди по потоку горячего газа от испарителя 22. Внутри верхнего барабана 34 содержатся первичные и вторичные разделительные устройства 44 и 46 пар-вода, соответственно. Два барабана 32 и 34 могут быть расположены либо внутри или выше корпуса 2.
Кроме того, испаритель 22 высокого давления имеет змеевик 50, который расположен внутри корпуса 2 таким образом, что горячий газ протекает через него. Змеевик 50 включает в себя нижние коллекторы 52 и верхние коллекторы 54, а также множество труб 56, которые продолжаются вертикально между коллекторами 52 и 54 в несколько рядов. Нижние коллекторы 52 соединены с дном нижнего барабана 32 через спускную трубу 60. Верхние коллекторы 54 сообщаются с верхним барабаном 34 через стояки 62, которые выведены в нижнюю часть верхнего барабана 34.
Во время работы испарителя 22 вода, которая, в основном, находится в жидкой фазе, поступает под высоким давлением из экономайзера 20 в нижний барабан 32 во впускной линии 40, или она может протекать в верхний барабан 34, если впускная линия 40 соединена с ним. В последнем случае вода будет протекать в нижний барабан 32 через дренажную линию 36. Фактически, вода, которая поступает через впускную линию 40, смешивается с насыщенной водой, которая поступает в верхний барабан 34 через стояки 62 и затем протекает из верхнего барабана 34 через дренажную линию 36 в нижний барабан 32. Воду из нижнего барабана 32 выпускают в спускную трубку 60, и она протекает вниз через спускную трубу 60 в нижние коллекторы 52. Оттуда она поступает в трубы 56 змеевика 50 на нижних концах труб 56, которые используются, как входные отверстия для труб 56. Горячий газ, протекающий вдоль труб 56, нагревает воду в трубах 56 до температуры кипения под давлением, при котором работает змеевик 50, и некоторая часть этой воды преобразуется в насыщенный пар. Остальная часть воды в верхних частях труб 56 остается как насыщенная вода и поддерживает влажными внутренние поверхности труб 56, предотвращая перегрев змеевика 50. Смесь насыщенного пара и насыщенной воды выходит из труб 50 на их верхних концах, которые представляют собой выходные отверстия, и протекает вверх через стояки 62 и в верхний барабан 34 для пара. Там пар отделяется от воды и выходит через выпускную линию 42, которая направляет его в пароперегреватель 24, расположенный перед по потоку газа испарителем 22. Насыщенная вода протекает через дренажную линию 36 в нижний барабан 32 для ее рециркуляции через спускную трубу 60, змеевик 50 и стояки 62. Некоторая часть насыщенного пара может сопровождать насыщенную воду, которая протекает через дренажную линию 36 в нижний барабан 32, но она поступает обратно в верхний барабан 34 через вентиляционную линию 38. Естественная циркуляция воды через испаритель 22, включая в себя его змеевик 50, может быть основана полностью на естественных условиях.
Два барабана 32 и 34 вместе имеют такую же емкость, как и емкость одного барабана испарителя с эквивалентным временем удержания, который работает при таком же давлении, но каждый из них выполнен с существенно меньшим диаметром, и при этом может противостоять высокому давлению при использовании существенно более тонких стенок для каждого из них. Принимая во внимание, что стенка одиночного барабана с большой емкостью испарителя с высоким давлением может иметь толщину от 6 или 7 дюймов (15,2 -17,8 см), стенки барабанов 32 и 34 для испарителя 22, работающего с эквивалентными давлением и емкостью, требуют толщину только 4 или 5 дюймов (10,2 - 12,7 см) или даже меньше. При обеспечении времени удержания одиночного барабана, два барабана 32 и 34 требуют меньше времени для нагрева и достижения требуемой температуры для испарителя 22. Это, в свою очередь, сокращает цикл запуска для ГПВТ A.
Вместо одного нижнего барабана 32 испаритель 22 может иметь два или больше нижних барабана 32. Кроме того, трубы 56 змеевика 50 могут быть выведены непосредственно в верхний барабан 34 для пара, устраняя, таким образом, верхние коллекторы 54 и стояки 62. Кроме того, в то время как барабаны 32 и 34 выполнены цилиндрическими, один или оба из них, будучи удлиненным, могут иметь другие конфигурации в поперечном сечении. Естественная конвекция в испарителе 22 может быть дополнена насосом.
Фактически, испаритель 22 может не основываться на естественной конвекции вообще для циркуляции воды через него, но вместо этого он может быть основан на принудительной циркуляции, которая обеспечивается насосом. Трубы 56 змеевика 50 испарителя 22 в такой модификации могут продолжаться горизонтально в потоке горячего газа через корпус 2, при этом входные отверстия труб 56 выведены в коллектор, который соединен с нижним барабаном 32 и используется, как спускная труба 60, и выходные отверстия труб 56 выведены в другой коллектор, который подведен к верхнему барабану 34 и используется, как стояк 62.