Парогенеруюча система (варіанти)

1. Парогенеруюча система, яка містить: піч зі стінками, утвореними вертикальними трубами, які мають вхідний та вихідний отвори; насос для створення тиску у згаданій системі, який примушує воду рухатися у вхідні отвори труб через принаймні один перший трубопровід, який служить проходом до вертикальних труб, для передачі тепла з печі до води для перетворення частини води у пару, внаслідок чого утворюється суміш пари-води; принаймні один другий трубопровід для перенесення нагрітої суміші пари-води до сепаратора для відокремлення згаданої пари від згаданої води; принаймні один третій трубопровід для з'єднання сепаратора з вхідними отворами вертикальних труб для перенесення відокремленої насиченої води з сепаратора до вхідних отворів цих труб для рециркуляції; та клапан на принаймні одному третьому трубопроводі для регулювання проходження води з сепаратора до вхідних отворів вертикальних труб; при цьому система може функціонувати тільки як один тип циркуляційної системи залежно від робочого навантаження. 2. Парогенеруюча система за п. 1, де система може функціонувати лише як система з природною циркуляцією під час роботи з низьким навантаженням. 2 (19) 1 3 96408 4 клапан на принаймні одному трубопроводі та біля сепаратора для здійснення регулювання проходження води з сепаратора до вхідних отворів вертикальних труб; при цьому система може функціонувати тільки як один тип циркуляційної системи залежно від робочого навантаження. 10. Парогенеруюча система за п. 9, де згаданий принаймні один вертикальний сепаратор містить ряд вертикально спрямованих окремих скруберних елементів, влаштованих навколо внутрішнього периметра сепаратора. 11. Парогенеруюча система за п. 10, де окремі скруберні елементи розташовані на відстані від внутрішньої поверхні стінки сепаратора так, щоб утворити між ними суттєво відкриту кільцеву ділянку. 12. Парогенеруюча система за п. 10, яка далі містить спрямовані по дотичній сопла, з'єднані з сепаратором нижче ряду вертикально спрямованих скруберних елементів, для отримання суміші париводи з підіймальних труб. 13. Парогенеруюча система за п. 9, де система може функціонувати лише як система з природною циркуляцією під час роботи з низьким навантаженням. 14. Парогенеруюча система за п. 9, де система може функціонувати лише як прямоструминна циркуляційна система під час роботи з високим навантаженням. 15. Парогенеруюча система за п. 9, де клапан відкритий, якщо навантаження є низьким, що забезпечує рециркуляцію через вертикальні труби стінок. 16. Парогенеруюча система за п. 15, де відокремлена насичена вода з сепаратора змішується з живильною водою перед рециркуляцією. 17. Парогенеруюча система за п. 15, де потік води регулюється таким чином, щоб підтримувати рівень води у сепараторі, достатній для здійснення рециркуляції води з сепаратора. 18. Парогенеруюча система за п. 9, де клапан закритий, якщо навантаження є високим, при цьому він припиняє рециркуляцію води з сепаратора до вертикальних труб печі. 19. Парогенеруюча система за п. 9, де згаданий з'єднувальний засіб для насиченої пари транспортує згадану пару до пароперегрівника. Винахід належить взагалі до галузі парогенераторів та зокрема до нової та корисної циркуляційної системи для парогенераторів змінного тиску. Конструкція прямоструминних котлів відома з 1926 року. Конструкція прямоструминного котла була розроблена Siemens на основі ідей, запропонованих Марком Бенсоном. У котлі Бенсона була запропонована концепція роботи під змінним тиском для конструкції, що працює при надкритичному тиску пари (наприклад, з метою забезпечення надкритичного тиску пари). У конструкції Бенсона живильний насос котла забезпечує повний напір, який примушує воду рухатися через економайзер, випарник та пароперегрівник. Вода безперервно випаровується до сухого стану, а потім перегрівається без відокремлення пари від води. Спосіб циркуляції можна використовувати при усіх значеннях робочого тиску як до надкритичних, так і докритичних. Звичайно у більшості варіантів використання конструкції Бенсона для випарника застосовується спіральна схема печі, що зумовлюється тим фактом, що вертикально-трубна конструкція випарника більш чутлива до порушень та неоднорідного нагрівання від труби до труби. При запуску та при роботі з низьким навантаженням необхідні спеціальні байпасні системи. В одному прикладі, зображеному на фіг. 1, живильний насос 908 котла системи 910 забезпечує повний напір, який примушує воду рухатися через економайзер 911, випарник 912 та пароперегрівник 914, який можна застосовувати разом з сепаратором 913. Вода безперервно випаровується до сухого стану, а потім перегрівається без будьякого розділення пари-води. Цей спосіб циркуляції можна застосовувати при усіх значеннях робочого тиску, а саме при надкритичному (більш ніж 3208 psia (22118 кПа)) та докритичному (менш ніж 3208 psia (22118 кПа)) тиску. Звичайно у системі 910 для випарника 912 застосовується спіральна схема печі, тому що вертикально-трубна конструкція є більш чутливою до порушень та неоднорідного нагрівання від труби до труби. При запуску та при роботі з низьким навантаженням все ще необхідні спеціальні байпасні системи. Для подолання проблем, пов'язаних з запуском або з роботою з низьким навантаженням, багато виробників котлів розробили конструкції прямоструминних котлів з суміщеними рециркуляційними системами 910а та 910b, зображеними на фіг. 2 та 3. Ці рециркуляційні системи зумовлюють часткову рециркуляцію рідини до стінок печі, внаслідок чого підвищується витрата рідини у трубах випарника, при цьому до роботи залучаються циркуляційні насоси 915 та дроселі 916. Конструкція у багатьох випадках застосування дозволяє зберігати у печі 912 постійний тиск, звичайно надкритичний тиск, та вона застосовує сепаратор 913 або розширник для зменшення тиску пароперегрівника до докритичних значень при запуску та при роботі з низьким навантаженням. Ці типи систем прямоструминних котлів 910а та 910b звичайно застосовують вертикально-трубну конструкцію випарника печі. Прикладами цих типів агрегатів є котел Universal Pressure (UP) фірми B&W, котел Combined Circulation фірми СЕ та котел Multipass фірми Foster Wheeler. Ці котли дозволяють здійснювати часткову рециркуляцію рідини до стінок печі, що підвищує витрату рідини у трубах випарника. Конструкція у багатьох варіантах застосування дозволяє зберігати у печі постійний тиск, звичайно надкритичні значення тиску, та в ній застосовується сепаратор або розширник для зменшення тиску пароперегрівника до докритичних значень при запуску та при роботі з низьким нава 5 нтаженням. У цьому типі прямоструминного котла звичайно застосовується випарник печі вертикально-трубної конструкції. Конструкції прямоструминного котла, що застосовують як спіральні, так і вертикально-трубні випарники печі, продавалися багатьма виробниками котлів, та їх розробили або для надкритичних, або для докритичних значень тиску пари. Прямоструминні котли з вертикально-трубною конструкцією для застосування при змінному тиску стають більш прийнятними у промисловості. Робота при змінному тиску прямоструминного котла з вертикально-трубною конструкцією обмежується специфічним мінімальним навантаженням внаслідок вимог до потоку у випарнику. Піч зі спіральнотрубною конструкцією не має такого обмеження. Піч зі спірально-трубною конструкцією зумовлює більшу свободу при зіставленні діаметра труби та масової витрати печі, які забезпечують охолодження труб та стабільність потоку у паралельних трубах випарника печі. Така конструкція також дозволяє кожній трубі печі проходити через різні теплові зони у камері згоряння, так що різниця у загальній підвідній теплоті між трубами буде зводитися до мінімуму. Розробка прямоструминного котла з вертикально-трубною конструкцією, який працює при змінному тиску, є необхідною через більш високу вартість печі зі спірально-трубною конструкцією порівняно з піччю з вертикально-трубною конструкцією. Конструкція прямоструминного котла з примусовою циркуляцією вимагає застосування дуже великої кількості паралельних труб, зварених разом, щоб утворити при цьому мембранні панелі. Фундаментальною вимогою до цілісності мембранної стінки є однакова температура рідини та металу в усіх трубах на кожному рівні печі. До цього часу головна проблема щодо вертикальнотрубної конструкції була пов'язана з великою різницею у нагріванні між окремими трубами у печі. У печах з вертикально-трубною конструкцією різниця у нагріванні між трубами приблизно у 2,5 разу перебільшує різницю у печі зі спіральною конструкцією. Середні значення масової витрати від 1500000 2 до 2000000 фунтів/годину фут (lb/hr-ft**2) є звичайними значеннями витрати, що застосовуються у сучасних конструкціях прямоструминних котлів. Ці масові витрати, коли зазнають впливу звичайних змін поглинання тепла на периферійній ділянці печі (які можуть змінюватися на +/- 35% або більше від середнього значення), зумовлюють зміну витрати, абсолютна величина якої знижується з підвищенням надходження тепла. Така тенденція називається прямоструминною характеристикою труби котла. У прямоструминному режимі зміна витрати внаслідок підвищення температури є негативною, як показано на фіг. 4. У випадку надходження до єдиної труби надмірного тепла трапляється зменшення масової витрати, що зумовлює додаткове підвищення температури на виході з труби. Патент США № 5390631 пропонує застосування системи багатореберних труб Multi-Lead Ribbed (MLR) та однореберних труб Single-Lead Ribbed (SLR) для конструкції прямоструминних котлів з 96408 6 вертикально-трубною та спірально-трубою конструкціями, які працюють при змінному тиску. Місце розташування системи труб кожного типу у печі визначається на основі характеристик теплопередачі та потоку для усіх навантажень, при яких передбачається робота агрегату. Це звичайно відповідає діапазону навантажень від мінімального навантаження у приблизно 25-30% від максимального довготривалого режиму роботи (MCR) до навантаження при максимальному довготривалому режимі роботи. Нова конструкція печі складається з вертикальних труб з гладким каналом у ділянках печі з низьким тепловим потоком та комбінації вертикальних труб MLR та SLR у ділянках печі з великим тепловим потоком, де необхідно уникати зриву режиму бульбашкового кипіння (DNB) та/або критичного теплового потоку (CHF) та відповідати обмеженням щодо температури металу труби. Щоб досягти оптимальних характеристик природної циркуляції, довжина та місце розташування комбінації MLR/SLR підбирається для кожної панелі. Оскільки труби SLR мають більш високий гідравлічний опір порівняно з трубами MLR або гладкими трубами, то їх застосування слід максимально обмежити до місць, де вони є абсолютно необхідними. Більш високий гідравлічний опір має тенденцію зменшувати бажаний ефект природної циркуляції. Проте, належне місце розташування та правильна пропорція труб SLR та MLR навколо периферійних ділянок печі зменшить різницю у температурах рідини та металу між усіма трубами мембранної стінки на будь-якій висоті, при цьому вона буде нижче дозволеної межі у 100 градусів F (37,8°C) при усіх навантаженнях. Щодо характеристики природної циркуляції, то труби у випарнику печі будуть мати подібні вихідні температури незважаючи на різні характеристики нагрівання вертикально-трубної конструкції. Правильне розташування системи труб кожного типу у конструкції буде залежати від геометричного розміру печі, якості та типу палива, вимог до зміни навантаження агрегату та вимог до тиску та температури агрегату. Варіанти застосування цієї концепції можуть бути різними для кожної панелі печі. Розташування системи труб SLR в одній панелі можна виконати на іншій висоті, вище або нижче, відносно панелі, що є суміжною до неї. Патент США № 5713311 пропонує гібридну парогенеруючу систему. Ця система застосовує звичайну піч з циркуляційною системою, яку можна застосовувати як систему з природною циркуляцією з рециркуляцією під час роботи з низьким навантаженням, від 0 до -25% навантаження, як гібридну систему з природною/прямоструминною циркуляцією при від 25% до - 50% навантаження та як систему з прямоструминною циркуляцією при навантаженні від - 50 до 100%. Гібридна система дозволяє агрегату функціонувати з характеристиками природної циркуляції при низькому навантаженні та з прямоструминними характеристиками при більш високих навантаженнях. Система поєднує робочі принципи як барабанного котла з природною циркуляцією, так і прямоструминної системи. 7 Патент США № 4290389 пропонує концепцію, яка є дуже схожою з концепцією, зображеною на фігурах 2 та 3 з попереднього рівня техніки. У цій концепції застосовуються циркуляційні насоси та дроселювання, щоб створити прямоструминний котел, який працює при змінному тиску. Насоси застосовуються для роботи при низьких навантаженнях та для того, щоб задовольнити падіння високого тиску на дроселях печі. Дроселювання необхідне для роботи при високому тиску та високому навантаженні. Термогідравлічні проблеми пов'язані з проблемами у конструкції та з функціонуванням прямоструминних котлів при знижених навантаженнях. Причинами цих проблем у конструкції частково є велика різниця у розподілі тепла у печі, внаслідок чого часто необхідно застосовувати дроселі та/або циркуляційні насоси, щоб розподілити потік у мережах печі, щоб скоректувати проблеми циркуляції. У багатьох конструкціях з попереднього рівня техніки отримання необхідного потоку при низьких навантаженнях для адекватного охолодження пічних труб потребувало набагато більш високої витрати потоку, ніж необхідно при повному навантаженні. Печі зі спірально-трубною конструкцією також застосовувалися з метою зменшення цих ефектів теплового поглинання та навантаження шляхом належного вибору розміру пічних труб та кута спіралі, щоб отримати належну конструкцію печі. Як у випадку котлів зі спіральними трубами, так і у випадку котлів з вертикальними трубами високі витрати потоку рідини при повному навантаженні були необхідними для успішної розробки конструкції агрегату для звичайного діапазону навантаження від 35% навантаження до повного навантаження. Падіння тиску, пов'язане з конструкцією печі з високими витратами, приводить до менш ефективної конструкції котла. Інші труднощі з циркуляцією у прямоструминному котлі виникають при більш низьких навантаженнях через проблеми динамічної стабільності потоку. Оскільки витрата потоку є набагато нижчою при низьких навантаженнях, то може виникати нестабільність потоку, що є небажаним для безпечного та надійного функціонування котла. Рішенням цієї проблеми є дроселювання кожної окремої труби у печі. Дроселювання підвищує падіння тиску в існуючій конструкції прямоструминного котла, що зумовлює зниження ефективності котла. Нещодавня концепція конструкції, яку було розроблено Siemens для печі з вертикально-трубною конструкцією, потребує застосування ребристої труби спеціального типу (оптимізована багатореберна труба), яка зумовить більш низьку масову витрату для цієї конструкції печі. Проте, вартість цієї нової ребристої труби є набагато більшою порівняно з вартістю ребристої труби звичайного типу. Необхідна конструкція, у якій система труб печі буде потребувати лише стандартних багатореберних труб MLR. Необхідно розв'язати проблеми для випадків тих типів прямоструминних котлів, які працюють при змінному тиску та при більш високих або більш низьких масових витратах. Необхідною є конструкція, яка б не потребувала ребристих труб 96408 8 спеціальних типів, тим самим запобігаючи підвищенню вартості котла. Крім того, необхідна конструкція, для якої не потребувалося б дроселювання або циркуляційні насоси. Задачею цього винаходу є циркуляційна система, яка б дозволяла парогенератору функціонувати або як барабанний парогенератор з природною циркуляцією, або як прямоструминний парогенератор, який працює при змінному тиску, без застосування дроселювання або циркуляційних насосів. Іншою задачею цього винаходу є конструкція, яка б дозволила подолати проблеми, пов'язані із застосуванням звичайного прямоструминного котла, які виникають під час запуску або під час функціонування при низькому навантаженні. Іншою задачею цього винаходу є пристосування вимог щодо циркуляції для функціонування барабана у режимі природної циркуляції при значеннях нижче критичної точки не за рахунок загального падіння тиску у котлі агрегату, коли котел функціонує у прямоструминному режимі при надкритичному тиску при повному навантаженні. Наступною задачею цього винаходу є використання можливостей безбарабанного котла у режимі природної циркуляції при робочому тиску, який дорівнює або є нижче точки критичного тиску, а також функціонування прямоструминного котла при значеннях тиску, які перебільшують точку критичного тиску. Отже, пропонується циркуляційна система парогенератора, яка містить живильний насос котла, який створює тиск у системі та забезпечує повний напір, який примушує воду рухатися через економайзер та через екранні труби або вертикальні труби випарника (наприклад, печі). Сепаратор отримує суміш пари та води та надсилає пару до пристрою утилізації пари, такого як пароперегрівник. Нижче сепаратора знаходиться клапан. Якщо клапан відкритий, насичена вода з сепаратора змішується з живильною водою та рециркулює через труби випарника. Якщо клапан закритий, то рециркуляція припиняється. При навантаженнях нижче критичної точки клапан нижче системи сепаратора буде відкритий, та котел буде функціонувати як барабанний котел з природною циркуляцією. При навантаженнях вище критичної точки клапан нижче системи сепаратора буде закритий, внаслідок чого котел буде функціонувати як прямоструминний котел. Одна з переваг цього винаходу полягає у тому, що характеристики потоку котла барабанного типу з природною циркуляцією можна застосовувати при низьких навантаженнях без необхідності застосування циркуляційного насоса та/або дроселювання. Місце розташування клапанів є вирішальним у цій конструкції для природної рециркуляції без застосування циркуляційних насосів, що зумовлюється додатковим напором, що утворюється завдяки підвищенню густини води на високих рівнях у системі опускної труби. Це дозволяє застосовувати піч з оптимізованими вертикальними трубами, що зумовлює підхожі витрати на всьому діапазоні робочого навантаження та надає додаткових можливостей для чергування режимів 9 вмикання-вимикання, швидкої зміни навантаження, найкращого захисту при низькому навантаженні у випадку конструкції з дійсно природною циркуляцією та для зниження перепаду тиску в усій печі порівняно зі спіральною конструкцією. У цьому винаході витрата не обмежується, завдяки чому циркуляція буде належною в усьому діапазоні навантажень. Цей винахід дозволяє подолати проблеми щодо більш високих або більш низьких масових витрат у котлах прямоструминного типу, що працюють при змінному тиску. Для системи труб печі цього винаходу потребуються лише стандартні багатореберні труби MLR. Різні ознаки новизни, що характеризують цей винахід, докладно описані у формулі винаходу, яка додається та яка утворює частину розкриття суті цього винаходу. Для кращого розуміння винаходу, переваг його функціонування та специфічних цілей його застосування робиться посилання на супроводжувальний ілюстративний матеріал та опис, у якому проілюстровано переважні варіанти здійснення винаходу. В ілюстративному матеріалі: фіг. 1 - це схема, що ілюструє одну відому систему прямоструминного котла; фіг. 2 - це схема, що ілюструє другу відому систему прямоструминного котла; фіг. 3 - це схема, що ілюструє третю відому систему прямоструминного котла; фіг. 4 - це графік, на якому зображені зміни характеристики масової витрати для системи вертикальних труб печі; фіг. 5 - це схема, що ілюструє систему котла, яка має або режим прямоструминної циркуляції, або режим барабанної природної циркуляції; фіг. 6 - це схематичне зображення котла без барабана, який містить клапан, який дозволяє функціонувати або у режимі прямоструминної циркуляції, або у режимі барабанної природної циркуляції; фіг. 7 - це вид зверху котла без барабана з фіг. 6, який демонструє, як можна розташувати вертикальні сепаратори пари-води по периметру печі; фіг. 8 - бічний розріз одного варіанта здійснення вертикального сепаратора пари-води та клапана, який знаходиться нижче сепаратора, що дозволяє функціонувати або у режимі прямоструминної циркуляції, або у режимі барабанної природної циркуляції; фіг. 9 - вид зверху окремого вертикального сепаратора пари-води та того, як можна влаштувати приєднані до нього підіймальні труби; фіг. 10 - це схема розгортання по периметру вертикального сепаратора пари-води з фіг. 9, яка демонструє, як підіймальні труби на одному рівні зорієнтовані та розташовані у шаховому порядку відносно підіймальних труб на суміжному рівні; та фіг. 11 - це графік, який демонструє залежність масової витрати від навантаження для типового застосування змінного тиску. Звернемося тепер до ілюстративного матеріалу, у якому подібні числові позначення застосовуються для позначення однакових або подібних елементів. Фіг. 5 демонструє циркуляційну систему 96408 10 1, яку можна застосовувати для функціонування парогенератора як парогенератора з природною циркуляцією або як прямоструминного парогенератора з змінним тиском, проте одночасно можна застосовувати лише один з цих типів циркуляційних систем. Живильний насос 2 котла створює тиск у системі 1 та забезпечує повний напір, який примушує воду рухатися через економайзер 3, постачаючи нагріту воду до екранних труб випарника 4 (наприклад, печі). Переважно, випарник 4 має вертикально-трубну конструкцію. Перший трубопровід або система трубопроводів, проходить від виходу економайзера 3 до вертикальних екранних труб. Набір вхідних колекторів (не зображено) з'єднує кінець першого трубопроводу з нижніми кінцями екранних труб, внаслідок чого нагріта вода передається з трубопроводу до екранних труб. Система 1, крім того, містить пристрій утилізації пари, такий як пароперегрівник 5, який можна застосовувати у поєднанні з сепаратором 6 пари. З цих труб потік надходить до сепаратора 6 пари через набір вихідних колекторів (не зображено), які з'єднують верхні кінці вертикальних екранних труб з другим трубопроводом, або системою трубопроводів, таким як, наприклад, підіймальна труба, яка веде до сепаратора 6 пари. Третій трубопровід або система трубопроводів, такий як вивідна труба та/або опускна труба, з'єднує сепаратор 6 з вертикальними екранними трубами випарника 4. Клапан 7 влаштовано на третьому трубопроводі, який виходить з сепаратора 6. Якщо клапан відкритий, то вода частково рециркулює з сепаратора 6 до екранних труб печі через третій трубопровід та перший трубопровід. Клапан 7 може функціонувати звичайним чином за допомогою засобів, що реагують на різні умови навантаження та інші параметри. Коли до сепаратора 6 пари надходить потік з вертикальних екранних труб через другий трубопровід, сепаратор 6 надсилає пару до пароперегрівника 5 через четвертий трубопровід або систему трубопроводів. Під час роботи при значеннях тиску, що дорівнюють або є меншими, ніж точка критичного тиску, де навантаження є низьким або нижчим, ніж критична точка, циркуляційна система 1 зумовлює роботу парогенератора як барабанного агрегату з природною циркуляцією. З цією метою клапан 7 є відкритий, та вода тече з економайзера 3 та змішується з водою з системи опускної труби, потім суміш тече до вертикальних екранних труб випарника 4, де вона нагрівається від значення температури, яке є нижчим, ніж умови насичення води, утворюючи при цьому двофазну суміш. Суміш збирається в екранних трубах та спрямовується до сепаратора 6. Сепаратор 6 має конструкцію для повного розрахованого тиску для конструкції мережі високого тиску, та він функціонує для того, щоб розділяти двофазну суміш на насичену воду та пару при цих низьких навантаженнях. Пара, що виходить з сепаратора 6, спрямовується у прохід на один або більше розташованих далі по потоку вихідних пристроїв для утилізації тепла, таких як пароперегрівник 5. Відокремлена насичена вода, що виходить з сепаратора 6, проходить через тре 11 тій трубопровід (наприклад, опускну трубу). Клапан знаходиться переважно якомога вище на третьому трубопроводі та біля сепаратора 6, так що живильна система забезпечує більший напір для функціонування під час режиму барабанної природної циркуляції. Оскільки клапан 7 відкритий, то відокремлена насичена вода змішується з водою з економайзера 3 до надходження до вхідних колекторів для рециркуляції через вертикальні екранні труби. Під час цього функціонування потік води з економайзера 3 регулюється таким чином, щоб підтримувати рівень води у сепараторі 6, достатній для забезпечення цієї рециркуляції води з сепаратора. Витрата потоку води з сепаратора 6 на рециркуляцію регулюється тепловим поглинанням екранами печі та розмірами трубопроводів. Під час роботи при значеннях тиску, що перебільшують точку критичного тиску, де навантаження є високим або вище критичної точки, циркуляційна система 1 зумовлює функціонування парогенератора як прямоструминного парогенератора. З цією метою клапан 7 є закритий, завдяки чому припиняється рециркуляція насиченої води з сепаратора 6 до вхідних колекторів вертикальних екранних труб випарника 4. Отже, рівень води у сепараторі б не регулюється при високих навантаженнях, та не утворюється рециркуляційний потік води з сепаратора назад до екранів печі 4. Витрата водяного потоку регулює температуру вихідної пари. Отже, ця фаза функціонування є по суті такою ж самою, що і у прямоструминній системі. Інший варіант здійснення винаходу зображено на фігурах 6-10. Система 100 містить сепаратор 112, опускні труби 14, що мають на своїх нижніх кінцях пляшки 15 опускних труб, постачальні труби 16, піч 28, труби 18 стінок печі та підіймальні труби 20. Система 100 не має барабана та має конструкцію сепаратора, подібну до конструкції щодо безбарабанного котла з природною циркуляцією, описаної у патенті США № 6336429, який включено сюди шляхом посилання. Загальний принцип роботи, умови функціонування, переваги та недоліки котлів з природною циркуляцією, які мають або не мають барабани, описано більш докладно у патенті США № 6336429. Набір вхідних колекторів 26 з'єднує кінці постачальних труб 16 з нижніми кінцями труб 18. Набір вихідних колекторів 30 з'єднує верхні кінці труб 18 з підіймальними трубами 20 та сепаратором 112. Живильний насос 13 котла призначений для утворення тиску у системі та забезпечення повного напору, який примушує воду рухатися з опускної труби 14 до труб 18 стінок печі 28 у прямоструминному режимі, що буде більш докладно описано далі. Економайзер 12 призначений для нагрівання води, що надходить до опускної труби 14. Одразу, коли нагріта вода у трубах 18 досягає умов насичення, починає утворюватися пара, та вода усередині труб 18 стінок стає двофазною сумішшю. Суміш пари-води зрештою досягає вихідних колекторів 30, з яких суміш пари-води передається до сепаратора 112. Система 100 крім того містить пристрій утилізації пари, такий як пароперегрівник 34, який мож 96408 12 на використовувати разом з сепаратором 112 пари. Для цього варіанта здійснення винаходу сепаратор 112 відповідає за відокремлення фаз суміші пари-води замість традиційного парового барабана. Коли до сепаратора 112 надходить двофазна суміш пари-води або потік з вертикальних труб 18, тоді він розділяє дві фази суміші та надсилає пару до пароперегрівника 34. Клапан 21 розташований на опускній трубі 14 та переважно біля верхнього кінця опускної труби 14 біля сепаратора 112 пари, забезпечуючи більший напір для функціонування під час режиму природної циркуляції, що буде більш докладно описано далі. Якщо клапан 21 відкритий, то насичена вода з суміші змішується з живильною водою 24 та частково рециркулює з сепаратора 112 до труб 18 печі через опускну трубу 14. Клапан 21 може функціонувати звичайним способом за допомогою засобів, що реагують на різні умови навантаження та інші параметри. Як зображено на фіг. 6, 7 та 8, зокрема, розділення фаз досягається завдяки відповідній кількості спрямованих по дотичній сопел 122, які направляють суміш пари-води з підіймальних труб 20 у сепаратори 112, де насичена пара відокремлюється від суміші пари-води шляхом відцентрової дії уздовж циліндричних внутрішніх периметрів 114 резервуарів сепараторів 112. Сопла повинні бути відповідним чином нахиленими відносно горизонтальної площини, щоб запобігти взаємодії між численними струменями рідини. Кут нахилу  становить переважно 15 градусів, проте необхідне значення можна відрегулювати для певних обставин. Дотична швидкість залежить від загального потоку до кожного сепаратора 112, тиску у котлі, кількості та розміру сопел 122, припустимого падіння тиску в усіх сепараторах 112 та внутрішнього діаметра сепараторів 112, та вона повинна бути достатньою, щоб здійснювалося відокремлення подібно до інших типів сепараторів. Концепція конструкції сепаратора зображена на фіг. 8. Доки у кожному сепараторі 112 насичена пара 134 виходить через з'єднувальний засіб 132 на верхньому кінці сепаратора 112, як зображено на фіг. 6 та 8, доти відокремлена насичена вода 136 стікає до нижньої частини сепаратора 112 пари-води, та вона обертається завдяки відцентровій дії на верхньому кінці. Насичена пара 134 переважно проходить через скруберний елемент 133 у верхній частині сепаратора 112, призначений для того, щоб насичена пара була якомога більш сухою; у верхній частині сепаратора 112 можна також застосовувати стриперне кільце 135, щоб вихри води навколо внутрішнього периметру 114 стінок 137 сепаратора 112 не потрапили у насичену пару 134, яка виходить. Насичена вода виходить з сепаратора 112 через уповільнювачі 138 завихрень, такі як перегородки. Живильна вода 24, що постачається через один або більше трубопроводів, надходить у опускну трубу 14 та змішується з насиченою водою у точці змішування або у ділянці М. Завдяки меншому вмісту води у сепараторі 112 порівняно зі звичайним одним паровим барабаном, контрольований діапазон Н рівня води у сепараторах 112 повинен суттєво перебільшувати більш значну різницю висоти порівняно зі зви 13 чайним барабаном (наприклад, 6 футів (1,829 м) порівняно зі звичайними 6 дюймами (0,152 м)). Як показано на фіг. 7, можна бачити, що вертикальні сепаратори 112 пари-води, згідно з цим винаходом, можна легко розташувати навколо периметра печі 28. Це дозволяє оптимізувати довжину окремих постачальних труб та підіймальних труб 20, а також спрямувати їх так, щоб запобігти взаємодії між існуючою сталевою конструкцією або іншим обладнанням, пов'язаним з парогенератором 100. Ця гнучкість стає надзвичайно важливою у ситуаціях, де передбачаються ремонтні роботи основного парогенератора, його модифікації або перебудови. Повернемося тепер до фіг. 8, а потім до фіг. 9 та 10, на яких зображено сепаратор 112 париводи, який має ефективну компактну конструкцію. Суміш пари-води надходить біля верхнього кінця резервуара сепаратора 112 через підіймальні труби 20 та через набір сопел 122, які влаштовані та спрямовані по дотичній навколо периметра резервуара сепаратора 112 на одному або можливо більшій кількості рівнів (фіг. 9). Дотичний вхід створено так, що утворити обертальний вихор суміші пари-води. Обертальний вихор створює відцентрову силу, необхідну для відокремлення пари від води. Фіг. 9 демонструє вид зверху вертикального сепаратора 112 та дотичний вхід сопел 122 підіймальних труб у резервуар сепаратора 112. Сопла 122 нахилені униз (звичайно на 15 градусів), щоб використати силу тяжіння, яка сприяє протіканню води униз. Цей нахил також дозволяє запобігти взаємодії між струменями, що виходять з набору сопел 122, Якщо потребується більшеодного рівня сопел 122, тоді обов'язково слід запобігти взаємодії між струменями з різних рівнів. Цього можна досягти шляхом належного розташування сопел 122 у шаховому порядку на різних рівнях, як зображено на фіг. 10, яка є схемою розгортання зовнішнього периметра вертикального сепаратора 112 пари-води з фіг.9. Фігура 10 демонструє, як сопла 122 підіймальних труб 20 на одному рівні спрямовуються та розташовуються у шаховому порядку відносно сопел 122 підіймальних труб 20 у суміжному рівні. Незважаючи на те, що зображено два рівні, можна мати меншу або більшу кількість рівнів. Ця кількість залежить від комбінації факторів, при цьому за своєю природою деякі є функціональними, такі як кількість суміші пари-води, що постачається до певного сепаратора 112, а інші фактори є за своєю природою конструкційними, такі як товщина стінок та ефективне взаємне розташування суміжних сопел на певному сепараторі 112. Це також підсилює оптимальне відокремлення пари від води завдяки відцентровій дії уздовж внутрішньої стінки резервуара. Пара, яка знаходиться в умовах насичення, тобто суха, але не перегріта, спрямовується уверх за допомогою стриперного кільця 135 через скрубер зі звивистим шляхом (наприклад, ряд гофрованих листів), який вилучає практично усю залишкову вологу та краплі. Суттєво суха насичена пара 134 виходить з сепаратора 112 через одну або більше насадок 132 (з'єднувальний засіб для насиченої пари) на верхньому кінці сепаратора 112. 96408 14 Ці з'єднувальні засоби 132 для насиченої пари, у свою чергу, передають насичену пару 134 до різноманітних охолоджуваних парою мереж, таких як труби 140 склепіння котла, бічні стінки кожуха 33 конвекційного проходу, до того, як її перегріють до кінцевої температури пари на різних етапах пароперегрівника 34, з якого вона надходить до турбіни високого тиску. Насичена вода 136, з іншого боку, тече уздовж внутрішньої поверхні 114 сепаратора 112, утворюючи вихор, який тече спочатку униз. З утворенням вихру невелика частина води буде рухатися уверх по внутрішній поверхні 114 сепаратора 112 до стриперного кільця 135. Стриперне кільце 135 застосовується для того, щоб перешкоджати руху води 136 уверх, запобігаючи її потраплянню до скрубера 133. Обертання продовжується завдяки дотичному руху насиченої води, що виштовхується соплами 122. Уповільнювач 138 вихру на дні резервуара 112 припиняє це обертання, коли вода втікає в нього та витікає униз через опускну трубу 14. Колона рідини, що обертається, могла б спричинити неправильний розподіл потоку до різноманітних мереж печі, з'єднаних з опускною трубою 14, та обмежити пропускну здатність опускної труби 14. Під час функціонування при значеннях тиску, які дорівнюють або є меншими, ніж точка критичного тиску, де навантаження є низьким або менше критичної точки, циркуляційна система 100 зумовлює функціонування парогенератора як барабанного агрегату з природною циркуляцією. З цією метою клапан 21 є відкритий та вода тече з економайзера 12, змішується з водою з системи опускної труби, та суміш тече до вертикальних труб 18 печі 28, де вона нагрівається від температури нижчої, ніж умови насичення води, утворюючи двофазну суміш. Суміш збирається у трубах 18 та спрямовується до сепаратора 112. Сепаратор 112 функціонує для того, щоб розділяти двофазну суміш на потік насиченої води та потік пари при цих низьких навантаженнях. Потік пари, що витікає з сепаратора 112, проходить на пароперегрівник 34. Відокремлена насичена вода, що виходить з сепаратора 112, проходить через опускну трубу 14. Клапан знаходиться переважно біля сепаратора 112 у верхній частині опускної труби 14, так що живильна система утворює більший напір для функціонування під час режиму природної циркуляції. Оскільки клапан 21 відкритий, то відокремлена насичена вода змішується з водою з економайзера 12 до того, яка вона потрапить до вхідних колекторів 26 для рециркуляції через вертикальні труби 18 стінок. Під час цього функціонування потік води регулюється таким чином, щоб підтримувати рівень води у сепараторі 112, достатній для того, щоб забезпечити рециркуляцію води з сепаратора. Витрата потоку води, поданої з сепаратора 112 на рециркуляцію, регулюється за допомогою теплового поглинання стінок 18 печі, розміру опускної труби 14, що виходить з сепаратора 112, та розміру та якості постачальних труб 16 та підіймальних труб 20. Під час роботи при значеннях тиску, що перебільшують точку критичного тиску, де навантаження є високим або вище критичної точки, циркуля 15 ційна система 100 зумовлює функціонування парогенератора як прямоструминного парогенератора. З цією метою клапан 21 є закритий, завдяки чому припиняється рециркуляція насиченої води з сепаратора 112 до вхідних колекторів 26 вертикальних труб 18 стінок печі 28. Отже, рівень води у сепараторі 112 не регулюється при високих навантаженнях, та не утворюється рециркуляційний потік води з сепаратора 112 назад до труб 18 стінок печі. Витрата водяного потоку регулює температуру вихідної пари. Отже, ця фаза функціонування є по суті такою ж самою, як і для прямоструминної системи. Таким чином, цей варіант здійснення винаходу дозволяє застосовувати можливості безбарабанного котла з природною циркуляцією при значеннях робочого тиску, що дорівнюють або є нижчими точки критичного тиску, та завдяки застосуванню клапана нижче вертикального сепаратора цей варіант дозволяє котлу функціонувати як прямоструминний котел при значеннях тиску, що перебільшують точку критичного тиску. Це робить конструкцію гнучкою, що дозволяє подолати проблеми, пов'язані з запуском та з роботою при низьких навантаженнях, які стосуються звичайного прямоструминного котла. Завдяки розташуванню вертикального сепаратора (сепараторів) перед котлом, необхідну кількість сепараторів можна визначити так, щоб вона відповідала вимогам циркуляції при роботі у режимі природної циркуляції нижче критичної точки не за рахунок перепаду загального тиску у котлі агрегату, коли котел фун 96408 16 кціонує у прямоструминному режимі при надзвичайно критичному тиску повного навантаження. Завдяки належному визначенню розміру труб печі, котел функціонує при більших порівняно зі звичайними витратами прямоструминного потоку при навантаженнях нижче критичної точки, та він буде мати оптимальні розраховані витрати в режимі роботи при значеннях тиску, що перебільшують точку критичного тиску. Конструкція дозволяє працювати при змінному тиску. На фіг. 11 наведена залежність масової витрати від навантаження для типового випадку застосування змінного тиску. Помітно, що точка критичного тиску буде виникати при приблизно 75% повного навантаження для цього прикладу. Більш висока масова витрата нижче критичної точки зумовлює співвідношення циркуляції загального потоку печі до потоку генерованої пари, яке перебільшує 1; внаслідок цього більш висока границя циркуляції у конструкції може Існувати при навантаженнях, менших критичної точки. При цьому режимі функціонування котел працює як барабанний котел з природною циркуляцією. При навантаженнях, що перебільшують критичну точку, клапан у системі сепаратора є закритий, внаслідок чого котел працює як прямоструминний котел. Незважаючи на те, що було продемонстровано та докладно описано специфічні варіанти здійснення винаходу з метою проілюструвати застосування принципів винаходу, буде зрозуміло, що винахід може мати інші варіанти здійснення, які не суперечать цим принципам. 17 96408 18 19 96408 20 21 96408 22 23 96408 24 25 96408 26 27 96408 28 29 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 96408 Підписне 30 Тираж 23 прим. 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