УТИЛИЗАЦИОННАЯ УСТАНОВКА С ПАРОВЫМ КОТЛОМ
RECYCLING PLANT WITH STEAM BOILER

Изобретение относится к области судового котлостроения. Оно может быть использовано в стационарных утилизационных котлах, работающих вместе с дизелями или газовыми турбинами.
Практически во всех судовых дизельных или газотурбинных энергетических установках предусматривается утилизация тепла выхлопных газов двигателей. Тепло используется для подогрева топлива и масла, обогрева судовых помещений и на бытовые нужды. При температуре выхлопных газов главных двигателей 320°C и более возможна глубокая утилизация тепла. В этом случае производительность утилизационного котла достаточна для работы турбогенератора, который замещает вспомогательный дизель-генератор. В результате повышается эффективность топливоиспользования. Основной проблемой эксплуатации является быстрое загрязнение поверхностей нагрева твердыми несгоревшими частицами и сажей, содержащимися в выхлопных газах главного двигателя
Известен «Утилизационный паровой котел Сеня» (Патент RU №2394184 01.2006, в котором теплообмен осуществляется в вертикальных трубах, расположенных по окружности. Как показывают расчеты, при компоновке реальной поверхности нагрева по предлагаемой схеме, котел становится неприемлемым для судовых условий по габаритным параметрам, ремонтопригодности, ненадежности и склонности к загрязнению. Нежелательным считается использование прямых труб в котлах из-за возникающих тепловых напряжений.
Широко известна утилизационная установка с паровым котлом КУП-660/7-1 [см. В.М. Залепухин. Конструкция и эксплуатация утилизационных установок КУП660/7-1. Учебное пособие. Новороссийск, 2004]. Эта утилизационная установка с паровым котлом наиболее близка к предлагаемому решению, поэтому выбрана в качестве прототипа. Как и большая часть судовых утилизационных установок, она имеет паровой котел с принудительной циркуляцией. Паровой котел имеет вертикальный корпус, в котором расположены поверхности нагрева в виде горизонтальных гладкотрубных змеевиковых прямоугольных пакетов: пароперегреватель, испарительный пучок и экономайзер. Подводящий газоход с шибером подсоединен к нижней части корпуса, а отводящий газоход с шибером подсоединен к верхней части корпуса. Выхлопные газы в известной утилизационной установке движутся снизу вверх, поступая последовательно на пароперегреватель, испаритель, экономайзер. На большинстве утилизационных установок для очистки поверхностей нагрева используют сажеобдувку с помощью паровых или воздушных сажеобдувателей и водообмыв. С этой целью внутри корпуса расположено устройство очистки поверхностей нагрева парового котла, выполненные из отдельных элементов очистки в виде труб с соплами. Эти элементы расположены над поверхностями нагреват, в частности, над испарительным пучком и экономайзером.
При использовании тяжелого топлива в судовом дизеле скорость загрязнения нагревательных поверхностей, такова, что необходимо трижды в сутки осуществлять сажеобдувку, при этом на палубу выбрасывается большое количество сажи и твердых несгоревших частиц, что кроме загрязнения окружающей среды представляет опасность для судов и прежде всего танкеров. Тем не менее, через две недели непрерывной работы утилизационная установка уже не дает нужного количества пара нужного давления, и требуется проводить мойку поверхностей нагрева парового котла, что возможно только при остановке главного двигателя, что не всегда возможно по требованиям безопасности.
Кроме того, в испарительном пучке используется движение пароводяной смеси снизу вверх (прямоточная схема теплообмена), поскольку образующийся в трубках пар стремится двигаться вверх в соединениях между горизонтальными участками змеевика. При движении пароводяной смеси сверху вниз (противотоке), пар создал бы дополнительное гидравлическое сопротивление движению циркулирующей воды. Такое прямоточное движение выхлопных газов в пространстве парового котла и пароводяной смеси в испарительном пучке приводит к снижению эффективности теплообмена на экономайзерном участке испарительного пучка.
Таким образом, известная утилизационная установка имеет низкие эксплуатационные показатели из-за невозможности проводить очистку (водообмыв) поверхностей нагрева парового котла без остановки главного двигателя, потери значительного количества пресной воды при водообмыве, а также низкие экологические показатели.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании утилизационной установки с улучшенными эксплуатационными показателями, поверхности нагрева парового котла которой можно было бы очищать без остановки главного двигателя, снизить расход пресной воды и улучшить экологические показатели и эффективность теплообмена.
Поставленная задача достигается тем, что как и прототип, предлагаемая утилизационная установка с паровым котлом, включает в себя паровой котел с принудительной циркуляцией, который выполнен в виде корпуса, в котором расположены поверхности нагрева в виде пакетов труб, и устройство очистки поверхностей нагрева, выполненное из отдельных элементов очистки, а также подводящий и отводящий газоходы с шиберами.
Отличие состоит в том, что подводящий газоход с шибером подсоединен к верхней части корпуса, а отводящий газоход с шибером подсоединен к нижней части корпуса, установка дополнительно содержит камеру мокрой очистки газов и танк, между поверхностями нагрева размещены элементы очистки поверхностей нагрева, которые соединены с танком трубопроводом с насосом, камера мокрой очистки газов расположена в корпусе ниже поверхностей нагрева и соединена с танком с помощью сливного трубопровода с шибером.
Отличие состоит также в том, что танк выполнен двухсекционным, в котором отстойная секция соединяется с секцией чистой воды перепускным трубопроводом с клапаном.
Отличие состоит также в том, что что подводящий газоход соединен с отводящим газоходом через дополнительный газоход с шибером.
Подключение подводящего и отводящего газоходов к корпусу парового котла указанным образом приводит к тому, что продукты сгорания движутся сверху вниз по вертикальному газоходу, в котором размещены пакеты труб, с установленными между ними элементами устройства очистки поверхностей нагрева. В нижней части котла размещается камера мокрой очистки газов, из которой продукты сгорания уходят по газоходу в атмосферу. При работе водообмывочных и сажеобдувочного устройства за счет эжекции возникает движущий напор, уменьшающий сопротивление газовыпускного тракта, что положительно сказывается на работе главного двигателя.
На чертеже. представлено схематичное изображение варианта предлагаемой утилизационной установки с паровым котлом.
Утилизационная установка включает в себя паровой котел, систему очистки поверхностей нагрева, систему газоходов, а также сепаратор и питательный насос (оба последних на фигуре не показаны), и циркуляционный насос 1. В вертикальном корпусе 2 парового котла расположены поверхности нагрева парового котла. К верхней части корпуса 2 присоединнен подводящий газоход 3 с шибером 4, к нижней части корпуса 2 подсоединен отводящий газоход 5 с шибером 6. Поверхности нагрева парового котла скомпонованы в виде змеевиковых пакетов труб, расположенных последовательно сверху вниз. Первый пакет по ходу газов - пароперегреватель 7, затем испарительный пучок 8 и экономайзер 9. В нижней части корпуса 2 под экономайзером 9 расположена камера мокрой очистки газов 10, к которой снизу присоединен сливной трубопровод 11 с шибером 12 и отводящий газоход 5 с шибером 6. Днище камеры мокрой очистки газов 10 имеет наклон и сливной трубопровод 11 соединен с этим днищем в нижней его точке. Сливной трубопровод 11 присоединен к танку 13, который может быть разделен перегородкой 14 на две секции: отстойную 15 и чистой воды 16. Обе секции соединены трубопроводом с перепускным клапаном 17. К секции чистой воды 16 подключен трубопровод добавочной воды с клапаном 18.
Утилизационная установка содержит устройство очистки поверхностей нагрева, которое может состоять, например, из сажеобдувателя 19, расположенного над пароперегревателем 7, и водоочистителя 20, который может состоять из двух частей, каждая из которых размещена над испарительным пучком 8 и экономайзером 9. Сажеобдуватель 19 и водоочиститель 20 представляют собой, например, трубы с соплами на нижней образующей трубы, при этом сажеобдуватель 19 через клапан 21 соединен с сепаратором пара, а части водоочистителя 20 через клапаны 22 и 23 с помощью насоса 24 соединен трубопроводом с секцией чистой воды 16 танка 13. Ниже экономайзера 9 расположен элемент 25 для распыливания воды для мокрой очистки газов, который через соответствующий клапан 26 и насос 24 соединен трубопроводом с секцией чистой воды 16 танка 13.
Днище отводящего газохода 5 после шибера 6 выполнено наклонным и в нижней его точке к нему подсоединен дренажный трубопровод с клапаном 27, который соединен с танком 13, причем, над его отстойной секцией 15.
Подводящий и отводящий газоходы соединены между собой дополнительным газоходом 28 с шибером 29.
Утилизационная установка с паровым котлом работает следующим образом.
Выхлопные газы от двигателя по подводящему газоходу 3 поступают в камеру, образованную соединением подводящего 3 и дополнительного 28 газоходов с двумя шиберами 4 и 29. При работающем паровом котле шибер 4 открыт, а шибер 29 закрыт.Одновременно с шибером 4 открыт шибер 6 отводящего 5 газохода, в результате чего обеспечивается проход всех продуктов сгорания через корпус 2 парового котла. Шибер 12 сливного трубопровода 11 должен быть закрыт, а клапан 27 дренажного трубопровода открыт.При таком режиме работы выхлопные газы через паровой котел по отводящему 5 газоходу уходят в атмосферу. Циркуляционный насос 1 подает воду из сепаратора в экономайзер 9, где вода нагревается до температуры близкой к температуре насыщения. Далее циркулирующая вода поступает в испарительный пучок 8. Образовавшаяся в испарительном пучке 8 пароводяная смесь далее идет в сепаратор, где происходит отделение пара от воды. Насыщенный пар из сепаратора идет в пароперегреватель 7, где перегревается до номинальной температуры.
По мере загрязнения поверхностей нагрева парового котла требуется проводить их очистку.
Для удаления отложений с поверхности пароперегревателя 7 служит паровой или воздушный сажеобдуватель 19. Использование водообмыва для очистки пароперегревателя 7 не допускается из-за возможных гидравлических ударов вследствие конденсации части пара. При работе сажеобдувателя 19 обмывочная вода через клапан 26 подается на элемент 25 для распыления воды при мокрой очистке газов, расположенный под экономайзером 9. Таким образом, в камере 10 происходит мокрая очистка продуктов сгорания от сажи и твердых несгоревших частиц, удаляемых с поверхности пароперегревателя 7.
При загрязнении других поверхностей нагрева парового котла, появляется необходимость их очистки с помощью водоочистителя 20. При этом подается вода из секции 16 чистой воды танка 13 в одну из его частей: сначала на ту, которая расположена над испарителем 8, а затем на расположенную над экономайзером 9. Вода вместе с твердыми несгоревшими частицами, сажей и газами двигается вниз в камеру 10 мокрой очистки газов, где происходит разделение потока. Продукты сгорания и пары частично испарившейся воды через открытый шибер 6 двигаются по отводящему 5 газоходу вверх, т.е. в атмосферу. Вода с несгоревшими частицами и сажей двигаются вниз, т.е. в отстойную секцию 15 танка 13, где уровень на начало процедуры располагается не выше уровня присоединения перепускного трубопровода 17. Клапан дренажного трубопровода 27 должен быть открыт и вытесняемые газы свободно перемещаются в отводящий 5 газоход. Выпадающая из потока газов вода по этому же трубопроводу сливается в отстойную секцию 15 танка 13. Вся использованная для обмыва вода скапливается в отстойной секции 15, где происходит сепарация и через некоторое время несгоревшие частицы и сажа оказываются на дне отстойной секции 13. Перед следующей процедурой вода, попавшая в отстойную секцию 15 танка 13, перепускается через перепускной клапан 18 в секцию 16 чистой воды для использования при мойке. Чистка отстойной секции 15 танка 13 производится до того, как уровень выпавших отложений достигнет уровня, на котором установлен перепускной клапан 18. По мере того, как общее количество воды в танке 13 уменьшается из-за частичного испарения воды при мойке, производится ее пополнение по трубопроводу добавочной воды через клапан 18. Вода в водоочиститель 20 забирается насосом 24 с некоторого уровня над днищем танка 13 с тем, чтобы исключить попадание отложений, которые могут постепенно скапливаться и в отсеке 16 чистой воды, в водоочиститель 20.
Установка позволяет проводить мойку при байпасировании котла, т.е. когда шибер 29 дополнительного 28 газохода и шибер 6 отводящего 5 газохода закрыты, а шибер 4 подводящего 3 газохода открыт.
Танк 13 является закрытой емкостью, поэтому выхлопные газы не могут попасть в машинно-котельное отделение как при работе котла, так и при его чистке
Следует отметить, что при работе любой части устройства очистки поверхностей нагрева (сажеобдувателя 19 о водоочистителя 20) шибер 12 сливного трубопровода 11 должен быть открыт.
Наиболее вероятная частота водоочистки - не чаще одного раза в сутки. При каких-либо непредвиденных ситуациях или необходимости ремонта утилизационная установка может быть отключена по газовой стороне путем открытия шибера 29 дополнительного 28 газохода и закрытия шибера 4 подводящего 3 газохода и шибера 6 отводящего 5 газохода. При необходимости снизить паропроизводительность котла шиберы 4, 6 и 29 могут быть в промежуточном состоянии.