Комплекс з водяного змійовикового повітронагрівача та економайзера з розділеним потоком

Реферат: Комплекс з водяного змійовикового повітронагрівача та економайзера для котла має вхід для постачання живильної води до котла; трубопроводи та клапан для розділення живильної води з входу на перший частковий потік з меншою масовою витратою та з нижчою температурою та другий частковий потік з більшою масовою витратою та з вищою температурою. Водяний змійовиковий повітронагрівач для проходження повітря, яке слід нагріти для котла, містить принаймні один теплообмінний контур, пов'язаний із теплообміном з повітрям, при цьому цей теплообмінний контур водяного змійовикового повітронагрівача сполучений для отримання першого часткового потоку. Економайзер для проходження топкового газу, який слід охолодити для котла, містить принаймні один теплообмінний контур, пов'язаний із теплообміном з топковим газом, при цьому цей теплообмінний контур економайзера сполучений з теплообмінним контуром водяного змійовикового повітронагрівача для отримання першого часткового потоку з водяного змійовикового повітронагрівача. Засіб для змішування, розташований нижче по потоку від економайзера, отримує та знов об'єднує перший та другий UA 102526 C2 (12) UA 102526 C2 часткові потоки, а трубопровід несе другий частковий потік з входу для живильної води до засобу для змішування. UA 102526 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Цей винахід стосується взагалі котлів та генераторів пари, а зокрема повітронагрівачів для нагрівання повітря для горіння. Трубчастий повітронагрівач є головним повітронагрівальним пристроєм, що діє у водяному змійовиковому повітронагрівачі (WCAH) як загальновживаний варіант. Трубчастий повітронагрівач або WCAH зараз застосовується для нагрівання повітря для горіння до визначеної робочої температури. Повний потік живильної води з котла використовується як теплопередавальне середовище, коли WCAH використовується як джерело тепла. Коли повітря нагрівається, температура живильної води знижується. Живильна вода, що залишає WCAH, потім подається до економайзера, де вона використовується для зниження температури топкового газу котла. У певних випадках трубчастий повітронагрівач (ТАН) у поєднанні з WCAH використовується для отримання більш низької кінцевої температури газу на виході. Для зниження температури димового газу розмір ТАН та WCAH збільшують. Розмір повітронагрівачів треба суттєво збільшувати для зниження температури газу нижче 325 °F (162,8 °С). Сучасна технологія обмежена температурою живильної води, температурою димового газу та необхідною температурою повітря для горіння. Патент США № 3818872, виданий на ім'я Clayton, Jr. зі співавторами, розкриває улаштування для захисту, при низьких навантаженнях, стінок топкової камери прямоточного парогенератора, що має контур рециркуляції, що здійснюється шляхом направлення деякої частини потоку живильної води, що надходить, в обхід економайзера цього агрегату. Патент США 4160009, виданий на ім'я Hamabe, розкриває котловий агрегат, який містить денітратор, в якому використовується каталізатор та який розташований на ділянці з оптимальною температурою реакції для каталізатора денітратора. Для того, щоб регулювати температуру газу для горіння на ділянці оптимальної температури реакції, цю ділянку влаштовано так, щоб вона сполучалася або з джерелом високотемпературного газу, або з джерелом низькотемпературного газу через регулювальний клапан. Патент США № 5555849, виданий на ім'я Wiechard зі співавторами, розкриває систему регулювання температури газу для каталітичного відновлення викидів оксиду азоту, де, з метою підтримки температури топкового газу на рівні температури, необхідної для каталітичного реактора NOx під час функціонування з низьким навантаженням, деяка частина потоку живильної води обходить економайзер системи, завдяки чому цей частковий потік постачається до обхідної лінії для підтримання бажаної температури топкового газу для каталітичного реактора. Опубліковані патентні заявки США № 2007/0261646 та № 2007/0261647, подані від імені Albrecht зі співавторами, повні описи яких включено шляхом посилання до цього опису винаходу, розкривають багатопрохідний економайзер та спосіб регулювання температури SCR (апарата для вибіркового каталітичного відновлення), де для підтримання бажаної температури газу на виході з економайзера на усьому діапазоні навантажень котла передбачено набір елементів трубчастої конфігурації, які мають поверхні, що контактують з топковим газом. Кожний елемент трубчастої конфігурації може включати набір звивистих або поздовжніх труб, влаштованих горизонтально або вертикально позаду та попереду у межах економайзера, при цьому кожний елемент трубчастої конфігурації має окремий вхід для живильної води. За сучасними технологіями зазвичай подають топковий газ до димової труби котельної системи або на ділянку біля неї з температурою, що суттєво перевищує 300 °F (148,9 °С). Було б досягненням, якщо б була винайдена система, яка була б спроможною економічно вигідним чином знизити цю вихідну температуру топкового газу. Задачею цього винаходу є отримання більш низької кінцевої температури топкового газу на виході для котла порівняно з температурою, яка є економічно можливою при застосуванні сучасних технологій. Винаходом підвищується рушійна сила теплообміну між живильною водою та топковим газом. Ця підвищена рушійна сила покращує теплопередачу між водою та топковим газом, внаслідок чого потребується набагато менша площа теплопередачі порівняно з площею, необхідною при використанні традиційних засобів. Для підвищення рушійної сили у економайзері логарифмічне значення різниці температур (LMTD) між водою та топковим газом підвищують порівняно зі значенням, можливим при застосуванні сучасних технологій. Застосовуючи сучасні технології, завдяки існуванню певних умов, LMTD не можна підвищити достатньо для того, щоб виникла теплопередача. Цей винахід розв'язує цю проблему шляхом підвищення LMTD тільки для частини потоку води, що проходить через економайзер, при цьому мінімізуючи теплопередачу, що виникає для решти потоку води, що проходить через економайзер. Згідно з винаходом комплекс з водяного змійовикового повітронагрівача (WCAH) та економайзера (у цьому описі винаходу разом позначаються або називаються "ІWE") забезпечує 1 UA 102526 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 численні шляхи проходження потоку води у межах WCAH та економайзера. Повний потік живильної води надходить до І WE як єдиний потік або численні потоки. Будь-то ззовні WCAH або у межах секції WCAH, що належить до IWE, потік живильної води розділяється на два або більше потоки (WCAH з розділеним потоком). Витрата розподіляється між розділеними потоками залежно від бажаних робочих умов. Різні ознаки новизни, які характеризують винахід, вказані докладно у формулі винаходу, яка додається та яка утворює частину розкриття цього винаходу. Для кращого розуміння винаходу, його функціональних переваг та специфічних переваг, зумовлених його використанням, робляться посилання на супроводжувальні ілюстративні матеріали та опис, які ілюструють переважні варіанти здійснення цього винаходу. Фіг. 1 - це принципова схема одного варіанта здійснення IWE цього винаходу; Фіг. 2 - це принципова схема іншого варіанта здійснення IWE цього винаходу; Фіг. 3 - це блок-схема іще одного варіанта здійснення IWE цього винаходу, що має набір окремих батарей економайзерів; Фіг. 4 - це принципова схема іще одного варіанта здійснення IWE цього винаходу; Фіг. 5 - це принципова схема секції топкової камери котла, що містить IWE цього винаходу за Фіг. 1; Фіг. 6 - це принципова схема секції топкової камери котла, подібної до Фіг. 5, але вона містить IWE наступного варіанта здійснення цього винаходу; та Фіг. 7 - це принципова схема секції топкової камери котла, подібної до Фіг. 5, але вона містить IWE іще одного наступного варіанта здійснення винаходу. Зараз звернемося до ілюстративних матеріалів, де подібні числові позначки використовуються для позначення однакових або функціонально подібних елементів на декількох кресленнях. Фігура 1 демонструє комплекс з водяного змійовикового повітронагрівача або WCAH 12 та економайзера 14 (або "ECON 14"), які разом утворюють IWE 10 цього винаходу. IWE можна також використовувати з багатопрохідним економайзером 16 того типу, що розкритий в опублікованих патентних заявках США 2007/0261646 та 2007/0261647, який може отримувати вихідну воду з економайзера 14 IWE 10. Опис пристрою Загальний вхідний потік живильної води на вході 20 розділяється за допомогою засобів для розділення, таких як трубопроводи та один або більше клапанів, на перший частковий потік 22 меншої маси та з високою температурою та другий частковий потік 24 більшої маси та з вищою температурою. Перший частковий потік 22 проходить через принаймні один теплообмінний контур у WCAH 12, який містить головну частину теплообмінної поверхні WCAH 12 та який використовується для підвищення логарифмічного значення різниці температур (LMTD) між водою та газом для економайзера. Це здійснюється завдяки використанню тільки частини загального потоку води для нагрівання повітря, яке проходить крізь WCAH 12. Внаслідок цього до економайзера 14 надходить вода з набагато нижчою температурою. Другий частковий потік 24 проходить по трубопроводу та має мінімальну поверхню теплопередачі та використовується для пересування більшої частини води. Як потік 22, так і потік 24 проходять через економайзер 14, для спрощення конструкції, так що обидва потоки зазнають певного теплообміну, що дозволяє перерозподіляти потік, що зумовлює краще регулювання та мінімізує тепловий удар, коли потоки знов об'єднуються. Витрата потоку у кожному потоці визначається заданим положенням клапана 26. Вода у кожному потоці залишається розділеною в усій секції WCAH 12 та потоки надходять до секції економайзера 14 як два окремі потоки (розділений потік). Вода надходить до секції економайзера 14 IWE 10 як потік 22 з меншою масовою витратою та з нижчою температурою та як потік 24 з більшою масовою витратою та з вищою температурою. Потоки залишаються розділеними в усій секції 14 економайзера (економайзер з розділеним потоком). Низькотемпературний потік 22 з меншою масовою витратою використовується топковим газом як головне тепло передавальне середовище. Цей потік 22 проходить уздовж більшої частини теплообмінної поверхні як у WCAH 12, так і у ECON 14. Високотемпературний потік 24 з більшою масовою витратою має мінімальну поверхню теплопередачі, щоб зменшити теплообмін з топковим газом. Коли обидва потоки 22 та 24 пройшли повністю або, коли пройшла їх більша частина через секцію економайзера 14, вони з'єднуються у секції змішування 28 IWE 10, яка знаходиться або усередині, або зовні, проте принаймні поблизу розташованого нижче по потоку кінця економайзера 14. Цей об'єднаний потік потім виходить з І WE та подається або на 30 через паровий барабан котла (не зображено), або з виходу 36 економайзера 14 через економайзер з 2 UA 102526 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 нерозділеним потоком, або багатопрохідний економайзер 16 для подальшого здійснення теплопередачі. Як показано пунктирною лінією 32, яка охоплює вхідні патрубки для потоків 22 та 24 та клапан 26, розділення живильної води може здійснюватися у межах кожуха водяного змійовикового повітронагрівача, або WCAH 12. Інший варіант здійснення IWE проілюстровано на Фіг. 2, де засоби розділення на потоки 22 та 24, клапан 26 та секція змішування 28 - усі можуть бути вхідними для WCAH 12, або, як показано пунктирною лінією 34, як вхідними для WCAH 12, так і знаходитися усередині економайзера 14. Фігура 4 ілюструє іще один наступний варіант здійснення IWE, де потік 22 з меншою масовою витратою та з нижчою температурою, по-перше, проходить через теплообмінний контур 22а у WCAH 12, на який подається висхідний потік повітря для згоряння, внаслідок чого охолоджується. Потік 22 потім потрапляє у другий теплообмінний контур 22b в економайзері 14, щоб нагрітися топковим газом, який проходить униз в економайзері, потім потрапляє до третього теплообмінного контуру 22с знову у WCAH 12, щоб віддати тепло повітрю та дійти приблизно до температури повітря, а потім знов потрапляє до четвертого контуру 22d, щоб знов нагрітися топковим газом перед об'єднанням його знов з потоком 24 з більшою масовою витратою та з вищою температурою у секції змішування 28. Вхідне розділення живильної води 20 на потоки 22 та 24 та клапан 26 показано зовні WCAH 12 на Фіг. 4, проте альтернативно їх можна розташувати усередині WCAH 12. Фігура 3 - це блок-схема іншого варіанта здійснення винаходу, де надані приклади значень витрат та температури потоку, а також вона ілюструє, як можна включити до винаходу апарат для вибіркового каталітичного відновлення оксидів азоту, або SCR 40. Економайзер 14 І WE цього винаходу, який може бути економайзером з 4 батарей, знаходиться нижче по потоку від SCR 40 та отримує потік 22е з меншою масовою витратою та з нижчою температурою від WCAH 12. Альтернативно, частина або увесь потік 22f з меншою масовою витратою та з нижчою температурою від WCAH 12 подається до другого економайзера 42 (3 батарея), який також отримує увесь потік 24 живильної води з вищою температурою та вищою витратою потоку після того, як він знов об'єднався з потоком 22е, що залишає економайзер 14, у секції змішування 28. Клапани 26, 46 та 48 запроваджено для регулювання потоків 22 та 24 та розподілу їх витрат до економайзерів 14 та 42. Деяку частину живильної води можна також відвести до 50, щоб постачати її до пароохолоджувача (не показано). Знов об'єднаний потік живильної води з економайзера 42 потім подається до економайзера 44 (1 батарея), який знаходиться вище по потоку від SCR, перед його надходженням до парового барабана на 36. Фіг. 3 також ілюструє зустрічний потік топкового газу, який протікає, по-перше, в економайзер 44 при 650 °F (343,3 °С), потім через SCR 40 та до економайзера 42, та, при витраті потоку 889300 фунтів/годину (403379,4 кг/годину) і температурі 494 °F (256,7 °С), до економайзера 14 IWE, та, нарешті, при прийнятній температурі топкового газу 300 °F (148,9 °С) повний потік топкового газу випускається. Повітря для згоряння при витраті потоку 617315 фунтів/годину (280009,1 кг/годину) і температурі 81 °F (27,2 °С) потрапляє до WCAH 12, нагрівається, а потім виходить при температурі 418 °F (214,4 °С). Як вказано вище, температури та витрати потоку для потоків живильної води показано на Фіг. 3. Фігури 5, 6 та 7 ілюструють варіанти здійснення І WE цього винаходу у секціях топкової камери котла та також надають приклади значень функціональних параметрів цього винаходу. На Фіг. 5 ІWE 10 з WCAH 12 та ECON 14 отримує потоки 22 та 24 живильної води, розділені клапаном 26 після входу 20 для живильної води, та ці потоки живильної води знов об'єднуються та змішуються на 28 перед тим, як вони подаються до другого економайзера 52, де додаткова теплота топкового газу з входу 64 угорі секції топкової камери забирається водою при 650 °F (343,3 °С). Об'єднаний потік живильної води потім подається послідовно до третього економайзера 54, а потім до четвертого економайзера 56 перед тим, як він виходить на 36 при 545 °F (285,0 °С), щоб знов повернутися до інших секцій котлового агрегату. Топковий газ, відтепер охолоджений до 300 °F (148,9 °С), подається через вихід 66 до димової труби топкової камери (не показано). Тим часом повітря для горіння подається за допомогою повітродувки 60 до WCAH 12 при 81 °F (27,2 °С), де воно за допомогою живильної води, яка подається на вхід 20 при 464 °F (240,0 °С), нагрівається до 418 °F (214,4 °С) перед тим, як воно подається як вторинне повітря на 62. Подібний до Фіг. 5 пристрій продемонстровано на Фіг. 6, де, проте, живильна вода 20 розділяється так, що один частковий потік 22 проходить через WCAH 12 та подається через вихід WCAH 12 до економайзера 14, де він знов об'єднується з іншим частковим потоком 24 3 UA 102526 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 живильної води від клапана 26, так що уся живильна вода нагрівається топковим газом, що проходить через економайзер 14. Варіант здійснення на Фіг. 7 є подібним до варіанта здійснення на Фіг. 6, за винятком того, що тільки один потік 22 живильної води проходить в економайзері 14, у той час, як інший потік 24, який було відділено від загальної живильної води з входу 20, знов об'єднується з потоком 22 зовні економайзера 14 на 28. При такому способі тільки частина живильної води, тобто потік 22, охолоджується у WCAH 12. Подальший опис процесу Шлях потоку живильної води 1. Живильна вода (20) потрапляє до границі котла у повному потоці та при повній температурі. 2. Живильна вода потрапляє до IWE у розподілювальну секцію WCAH 12 з розділеним потоком, де вона розділяється на два потоки (22, 24). Обидва потоки залишаються окремими скрізь в І WE (10). 3. Перший потік 22 проходить через основну частину труб WCAH (нагрівальна поверхня). 4. Другий потік 24 подається як єдиний потік з мінімальною нагрівальною поверхнею. Основна частина теплопередачі виникає у першому потоці, яка знижує температуру води у цьому потоці. Мінімальна теплопередача виникає у другому потоці, коли він проходить через секцію WCAH. Обидва потоки існують у секції WCAH та потрапляють у секцію економайзера з розділеним потоком. Перший потік проходить через основну частину труб економайзера (нагрівальна поверхня). Цей потік охолоджує більшу частину газу. Другий потік проходить через єдину велику трубу з мінімальною поверхнею теплопередачі. Після того, як обидва потоки проходять через секцію економайзера IWE, вони потрапляють до секції змішування (28). 10. В секції змішування ці два потоки змішуються разом, а потім виходять з ІWE (10). 11. Після того, як вода залишає IWE, її подають до барабана або до іншої (інших) секції (секцій) економайзера як єдиний потік із загальною витратою. Шлях потоку топкового газу 1. Топковий газ виходить з котла та проходить через іншу поверхню теплопередачі. 2. Топковий газ потім потрапляє до секції економайзера IWE. 3. Газ проходить над обома потоками так, що більша частина теплообміну відбувається на нагрівальній поверхні з потоком з малою витратою з низькою температурою. 4. Топковий газ потім виходить з IWE. Регулювання розділення живильної води Спосіб регулювання встановлення положення клапана 26 та, отже, відносної кількості живильної води у першому та другому часткових потоках 22 та 24 є подібним до способу регулювання, наведеному в опублікованих патентних заявках США 2007/0261646 та 2007/0261647. При цьому способі розробляється алгоритм для кількісної оцінки теоретичних умов сталого режиму, де масові витрати потоку застосовуються як вхідні. Алгоритм є необхідним, оскільки для досягнення вхідних параметрів сталого режиму може потребуватися година або більше, отже, внаслідок здійснення вимірювань температури у реальному часі на виході з економайзера, температурні показники можуть бути помилковими у випадку, якщо сталого режиму не досягнуто. Якщо сталий режим досягнутий, алгоритми можна "довести" (тобто пропорційно відрегулювати), так щоб вони складали дійсні, на відміну від теоретичних, експлуатаційні різниці. Алгоритм, що використовується, залежить від дійсного розміру обладнання та доступних масових витрат потоків. Незважаючи на те, що специфічні варіанти здійснення цього винаходу було продемонстровано та описано докладно, з метою проілюструвати застосування та принципи винаходу, буде зрозуміло, що цей опис не призначений обмежувати цей винахід та що цей винахід може мати інші варіанти його здійснення без відходу від цих принципів. Наприклад, цей винахід можна застосовувати до нової конструкції, яка включає котли та парогенератори, або при заміні, ремонті або модифікації існуючих котлів або парогенераторів. У деяких варіантах здійснення цього винаходу певні ознаки цього винаходу можна іноді застосовувати з перевагою, при цьому не застосовуючи інші ознаки. Отже, усі такі зміни та варіанти здійснення належним чином знаходяться в обсязі наступної формули винаходу (включаючи будь-який або усі еквіваленти). 60 4 UA 102526 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 1. Комплекс з водяного змійовикового повітронагрівача та економайзера для покращення логарифмічного значення різниці температур для котла, який містить: вхід для живильної води для подачі живильної води до котла; засоби для розділення - для розділення живильної води з входу на перший частковий потік з меншою масовою витратою та з високою температурою та другий частковий потік з більшою масовою витратою та з вищою температурою; водяний змійовиковий повітронагрівач для проходження повітря, яке слід нагріти для котла, при цьому водяний змійовиковий повітронагрівач містить принаймні один теплообмінний контур, пов'язаний із теплообміном з повітрям, при цьому цей теплообмінний контур водяного змійовикового повітронагрівача сполучений із засобами для розділення для отримання першого часткового потоку; економайзер для проходження топкового газу, який слід охолодити для котла, при цьому економайзер містить принаймні один теплообмінний контур, пов'язаний із теплообміном з топковим газом, при цьому цей теплообмінний контур економайзера сполучений з теплообмінним контуром водяного змійовикового повітронагрівача для отримання першого часткового потоку з водяного змійовикового повітронагрівача; засіб для змішування поблизу розташованого нижче по потоку кінця економайзера для отримання та повторного об'єднання першого та другого часткових потоків та трубопровід, що сполучає засоби для розділення та засіб для змішування, для проходження другого часткового потоку до засобу для змішування. 2. Спосіб покращення логарифмічного значення різниці температур для економайзера котла, який включає: подачу потоку живильної води до котла; розділення потоку живильної води на перший частковий потік з меншою масовою витратою та з високою температурою та другий частковий потік з більшою масовою витратою та з вищою температурою; подачу першого часткового потоку до водяного змійовикового повітронагрівача для проходження повітря, яке слід нагріти для котла, при цьому водяний змійовиковий повітронагрівач містить принаймні один теплообмінний контур, пов'язаний із теплообміном з повітрям, при цьому перший частковий потік проходить через теплообмінний контур водяного змійовикового повітронагрівача; подачу першого часткового потоку, після його проходження через теплообмінний контур водяного змійовикового повітронагрівача, до економайзера для проходження топкового газу, який слід охолодити для котла, при цьому економайзер містить принаймні один теплообмінний контур, пов'язаний із теплообміном з топковим газом, при цьому перший частковий потік з водяного змійовикового повітронагрівача проходить через теплообмінний контур економайзера; пропускання другого часткового потоку до розташованого нижче по потоку кінця економайзера та повторне об'єднання першого та другого часткових потоків поблизу розташованого нижче по потоку кінця економайзера. 5 UA 102526 C2 6 UA 102526 C2 7 UA 102526 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8