Котел-утилизатор для парогазовых установок

 

Использование: в теплоэнергетике, преимущественно в парогазовых установках на предприятиях нефтяной и газовой промышленности . Сущность изобретения: пароперегреватель котла-утилизатора выполнен в виде секций 4 из примыкающих одна к другой параллельно включенных по пару труб и размещен в газоходе с образованием канала 7, внутри которого размещены горелочные устройства 8, причем ниже уровня последних стенки канала изогнуты в направлении подвода топочного газа. При этом канал 7 выполнен с поперечным сечением , определяемым из соотношения поперечного сечения газохода 3 к коэффициенту избытка воздуха топочного газа. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4697356/06 (22) 29,05,89 (46) 15.06,92, Бюл. ¹ 22 (71) Ивановский энергетический институт им. В.И.Ленина (72) M.À.ÄåBo÷êèí, Б.Л,Шелыгин, А.В,Мошкарин и М.Ю.Зорин (53) 621.181.68 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1142649, кл, F 01 К 23/10, 1983. (54) КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР ДЛЯ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК (57) Использование: в теплоэнергетике, преимущественно в парогазовых установках на (о> ъЖ оо 1 740857 A l (я)з F 22 В 1/18, F 01 К 23/10 предприятиях нефтяной и газовой промышленности. Сущность изобретения: паролерегреватель котла-утилизатора выполнен в виде секций 4 из примыкающих одна к другой параллельно включенных по пару труб и размещен в газоходе с образованием канала 7, внутри которого размещены горелочные устройства 8, причем ниже уровня последних стенки канала изогнуты в направлении подвода топочного газа. При этом канал 7 выполнен с поперечным сечением, определяемым из соотношения поперечного сечения газохода 3 к коэффициенту избытка воздуха топочного газа. 1 ил.

1740857 отоку газов снижает коэффициент теплоередачи и требует увеличения поверхности агрева для обеспечения необходимой темературы пара, что увеличивает капитальые затраты. Оребрение труб онвективного пароперегревателя с целью повышения коэффициента теплопередачи и нижения поверхности нагрева невозможно ввиду пережога ребер при невозможности надежного теплоотвода в условиях высокой температуры продуктов сгорания (более 1600 С).

Повышение скорости пара внутри змеевиков конвективного пароперегревателя от номинальных значений 15-20 м/с до значений 35-40 м/с, обеспечивающих увеличение коэффициента теплоотдачи от стенки к пару, с целью улучшения теплоотвода и снижения температуры стенки труб подогревателя невозможно, так как существенно (на несколько атмосфер) возрастает сопротивление змеевиков движению пара. Снижение давления перегретого пара за котлом-утилизатором приводит к снижению располагаемого теплового перепада паровой турбины, снижает экономичность ее рабочего цикла.

Цель изобретения — повышение экономичности и надежности котла-утилизатора, а следовательно, и всей установки.

Поставленная цель достигается устранением сопротивления пароперегревателя потоку продуктов сгорания и снижением сопротивления испарительного пакета при использовании радиационного теплообмена вместо конвективного, как это имеет место в известной установке. Кроме того, обеспечивается улучшение теплоотвода от труб к пару повышением скорости движения пара при одновременном переходе от змеевиков к одноходовой схеме движения пара при прежнем сопротивлении пароперегревателя пару.

В котле-утилизаторе, включающем газоход с горелочным устройством и пароперегревателем, пароперегреватель выполнен в виде секций из примыкающих одна к другой параллельно включенных по пару труб и размещен в газоходе с образованием канала, внутри которого размещены горелочные устройства, причем ниже уровня последних стенки канала изогнуты в направлении подвода топочного газа. Поперечное сечение канала равно отношению поперечного сечения газохода к коэффициенту избытка воздуха топочного газа.

Размещение пароперегревателя в виде секций параллельно включенных по пару труб, ограничивающих зону горения дополнительного топлива, позволяет в отличие от известной установки эффективно использоИзобретение относится к котлам-утили- и заторам, предназначенным преимущест- и венно для паровых установок, и может быть н использовано в теплоэнергетике, на пред- и приятиях нефтяной и газовой промышлен- 5 н ности и в других отраслях народного к хозяйства, Известен котел-утилизатор парогазо- с вой установки, в котором пароперегреватель сообщен с паровой турбиной, и теплота 10 выхлопных газов газовой турбины используется в нем для выработки перегретого пара, Недостатком данной установки является невысокая температура перегретого па- 15 ра за котлом-утилизатором, ограниченная температурой продуктов сгорания, что снижает экономичность рабочего цикла паровой турбины. Кроме того, низкий температурный напор при невысокой тем- 20 пературе газов в газоходе пароперегревателя требует увеличения поверхности нагрева пароперегревателя и его габаритов и, следовательно, затрат на его изготовление, Наиболее близким к предлагаемому по 25 технической сущности и достигаемому эффекту является котел-утилизатор парогазовой установки. Газовый тракт котла-утилизатора данной установки разделен до испарительного пакета на два кана- 30 ла, в одном из которых по ходу газов размещены горелочное устройство и пакет конвективного пароперегревателя, сообщенный с паровой турбиной.

Недостатком данной установки являет- 35 ся невысокая надежность и экономичность .ее работы, Конвективный пакет пароперегревателя вносит существенное сопротивление движению продуктов сгорания в газовом тракте котла-утилизатора, что по- 40 вышает напор газов в выхлопном тракте газовой турбины, снижает ее располагаемый тепловой перепад и, как следствие, ухудшает экономичность процесса. Другим недостатком является высокая температура 45 стенки труб конвективного пароперегревателя при мощном тепловом потоке, так как пакет труб пароперегревателя омывается высокотемпературными продуктами сгорания с температурой 1700-1800 С после 50 сжигания дополнительного топлива перед пароперегревателем при коэффициенте избытка воздуха 1,1-1,15. Высокая температура стенки труб пароперегревателя приводит к их пережогу, что снижает надеж- 55 ность работы всей установки.

Снижение скорости продуктов сгорания (за счет увеличения живого сечения по газам) с целью снижения сопротивления конвективного пакета пароперегревателя

1740857

55 вать тепло продуктов сгорания для перегрева пара. При снижении топлива с коэффициентом избытка воздуха 1,1-1,15, когда температура факела выше 1700 С, наиболее рациональным с точки зрения эффективности теплопередачи является использование не конвективного, а радиационного теплообмена продуктов сгорания (факела) с ограждающими зону горения поверхностями (секциями пароперегревателя радиационного типа). В этом случае максимально возможный коэффициент теплопередачи при прежнем температурном напоре не увеличивает величину поверхности нагрева по сравнению с известным техническим решением. Кроме того, размещение секций труб по ходу движения газов при отказе от пакета змеевиков сводит к минимуму сопротивление перегревателя движению продуктов сгорания и повышает располагаемый тепловой перепад газовой турбины (повышает экономичность установки).

Кроме того, в отличие от известного варианта, где конвективный пароперегреватель и репятствует проникновению теплового излучения в испарительный пакет, в предлагаемом решении в результате дополнительного излучения высокотемпературного газового объема из эоны горения в испарительном пакете повышается коэффициент теплопередачи за счет роста коэффициента теплопередачи излучением. Это приводит к снижению поверхности нагрева и сопротивления испарительного паке а потоку продуктов сгорания за счет снижения числа рядов его труб по ходу газов, что снижает его стоимость и дополнительно повышает располагаемый тепловой перепад газовой турбины. Поворот секций труб пароперегревателя ниже уровня горелочного устройства в сторону выхлопного патрубка газовой турбины максимально исключает

"утечки" лучистого теплового потока в газоход, соединяющий выхлопной патрубок турбины с котлом-утилизатором, и позволяет наиболее эффективно использовать выделявшееся от сжигания топлива тепло для перегрева пара.

Выполнение. секций труб пароперегревателя одноходовыми в отличие от змеевиков (в известной установке) значительно снижает коэффициент местного сопротивления секций труб, что при прежнем сопротивлении пароперегревателя по пару позволяет существенно повысить скорость пара для улучшения теплоотвода к пару от металла и, как следствие, снизить температуру стенки труб пароперегревателя (повысить надежность работы установки).

Такие отличительные признаки, как выполнение пароперегревателя котла-утилизатора в виде секций примыкающих одна к другой параллельно включенных по пару труб, которые ограничивают канал газохода с горелочным устройством и изогнуты ниже уровня последнего в направлении подвода топочного газа в известных технических решениях отсутствуют.

На чертеже изображен предлагаемый котел-утилизатор в составе установки.

Установка содержит газовую турбину с выхлопным патрубком 2, соединенным с газоходом 3 котла-утилизатора, в котором последовательно по ходу движения газов размещены секции 4 изогнутых в сторону выхлопного патрубка 2 труб для перегрева пара, испарительный пакет 5 и экономайзер

6. Секции 4 ограничивают канал 7, внутри которого размещено горелочное устройство

8, а на входе — регулирующий шибер 9. Верхние коллекторы секций 4 труб сообщают с барабаном 10 котла-утилизатора, а нижние коллекторы секций 4 труб сообщены с.паровой турбиной 11.

Котел-утилизатор работает следующим образом.

Продукты сгорания через выхлопной патрубок 2 с температурой 350-500 "С поступают в газоход 3 котла-утилизатора, Секции

4 труб установлены так, что отношение поперечного сечения газохода 3 к поперечному сечению канала 7, ограниченного секциями 4 труб, принято равным коэффициенту избытка воздуха за газовой турбиной 1 при полной нагрузке. Таким образом, при коэффициенте избытка воздуха за газовой турбиной 1 c4 = 4,5 в условиях сжигания топлива, подаваемого через горелочное устройство 8, внутри канала 7 поддерживается коэффициент избытка воздуха порядка

1,1 — 1,15, При этом обеспечивается эффективное сжигание топлива с обеспечением максимально возможных температур продуктов сгорания (более 1700 С) внутри канала 7, В случае отклонения работы газовой турбины 1 от номинального режима поддержание оптимального значения коэффициента избытка воздуха (1,1-1,15) внутри канала 7 обеспечивается регулирующим шибером 9.

Высокотемпературные газы, выходящие из канала 7, смешиваются с основным (нагреваемым) потоком продуктов сгорания, омывающим секции 4 труб, и уходят из газохода котла-утилизатора, последовательно отдавая теплоту испарительному пакету 5 и экономайзеру 6, 1740857

Пар, отработанный в паровой турбине

11, конденсируется, его конденсат проходит через экономайзер 6, где нагревается до температуры насыщения и подается в барабан 10, Из последнего котловая вода подается в испарительный пакет 5 на парообразование, после чего пароводяная смесь возвращается в барабан 10. Из барабана 10 насыщенный пар поступает в верхние коллекторы секций 4 труб, проходит внутри этих труб со скоростью 35 — 40 м/с, нагревается до требуемой температуры подогрева и подается в паровую турбину 11 для совершения работы.

Выполнение пароперегревателя в виде секций 4, примыкающих одна к другой и изогнутых ниже горелочного устройства 8 в сторону выхлопного патрубка 2, по сравнению с известной установкой не вносит существенного сопротивления движению продуктов сгорания, что на 10 — 20 кг/м сниг жает противодавление и тем самым повышает располагаемый тепловой перепад газовой турбины 1. При использовании радиационного теплообмена внутри канала 7 между высокотемпературными продуктами сгорания (более 1700 С) и секциями 4 за счет наивысшего коэффициента теплопередачи обеспечивается снижение поверхности нагрева пароперегревателя, что снижает капитальные затраты на установку.

Поворот секций 4 труб ниже уровня горелочного устройства 8 в сторону выхлопного патрубка 2 газовой турбины 1 максимально исключает "утечки" лучистого теплового потока в газоходе 3 и позволяет наиболее эффективно использовать теплоту, выделившуюся от сжигания топлива внутри канала 7.

Выполнение секций 4 труб одноходовыми с параллельным включением труб по пару снижает коэффициент сопротивления пароперегревателя движения пара, что позволяет повысить скорость пара до 35 — 40 м/с (это невозможно в известном решении) для улучшения теплоотвода к пару от металла и, как следствие, снизить температуру стенки труб секций 4 (повысить надежность работы установки).

Обоснование заявляемого параметра.

Оптимальное значение отношения поперечного сечения всего газохода к поперечному сечению газохода, ограниченного секциями пароперегревателя, равно коэффициенту избытка воздуха за газовой турбиной при полной нагрузке, т.е. Ft/F» = й„ . УвеличеИ ние отношения Fr/F» выше коэффициента избытка и т при постоя н ном расходе топя лива снижает расход газов (окислителя) в

10 канал, ограниченный секциями труб. Это приводит к недожогу топлива, что снижает температурный уровень в зоне горения и ухудшает эффективность радиацион ного теплообмена. Кроме того, стесненное расположение одна относительно другой секций изогнутых труб пароперегревателя при пониженном поперечном сечении ограниченного ими канала снижает толщину излучающего слоя и, как следствие, эффективность радиационного теплоабмена..

Уменьшение отношения F /F» ниже ко"5 эффициента избытка воздуха ur при поI стоянном расходе топлива значительно увеличивает расход газов (окислителя) в канал между секциями труб. В этом случае сжигание топлива в нем производится при повышенном коэффициенте избытка воздуха (выше 1,15), что требует расхода теплоты на нагрев избыточного воздуха и приводит к снижению температуры факела, При этом ухудшается интенсивность радиационного

25 обмена теплообмена, что требует увеличения поверхности нагрева пароперегревателя.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет повысить экономичность котлаутилизатора за счет снижения сопротивления движению продуктов сгорания (повышения теплового перепада газовой турбины) и поверхности нагрева пароперегревателя, а также повысить надежность его работы за счет снижения температуры стенки труб пароперегревателя за счет его одноходовой компоновки и повышенных скоростей пара.

Формула изобретения

Котел-утилизатор для парогазовых установок, включающий газоход с горелочным устройством и расположенный в газоходе пароперегреватель, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, пароперегреватель выполнен в виде секций из примыкающих одна к другой параллельно включенных по пару труб и размещен в газоходе с образованием канала, внутри которого размещены горелочные устройства, причем ниже уровня последних стенки канала изогнуты в направлении подвода топочного газа, при этом канал выполнен с поперечным сечением, определяемым из соотношения

F«=F/à, где F» — поперечное сечение канала;

F< — поперечное сечение газохода;

a — коэффициент избытка воздуха топочного газа.