Проточний випарник

Реферат: Проточний випарник (1) парогенератора (2) у горизонтальному виконанні, що містить першу випарну поверхню (8) нагріву, яка має множину перших труб (13) парогенератора, які розташовані в основному вертикально і через які потік проходить від низу до верху, іншу, підключену відносно напрямку подачі текучого середовища після першої випарної поверхні (8) нагріву, другу випарну поверхню (10) нагріву, яка має множину других труб (14) парогенератора, які розташовані в основному вертикально і через які проходить від низу до верху потік, повинен мати при особливо тривалому терміні служби дуже просте конструктивне рішення. З цією ціллю других труб (14) парогенератора відносно напрямку подачі текучого середовища приєднана система (22) заслінок. UA 106605 C2 (12) UA 106605 C2 UA 106605 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується проточного випарника парогенератора-утилізатора у горизонтальному виконанні, що містить першу випарну поверхню нагріву, яка має множину перших труб парогенератора, які розташовані в основному вертикально і через які потік проходить від низу до верху, та іншу, підключену відносно напрямку подачі текучого середовища після першої випарної поверхні нагріву, другу випарну поверхню нагріву, яка має множину других труб парогенератора, які розташовані в основному вертикально, і через які потік проходить від низу до верху. Такі проточні парогенератори відомі, наприклад, із публікації US 6,957,630 B1. В газотурбінній або паротурбінній установці тепло, яке міститься у розрядженому робочому середовищі або гарячому газі з газової турбіни, використовується для утворення пари для парових турбін. Теплопередача здійснюється у приєднаному до газової турбіни парогенераторіутилізаторі, в якому зазвичай розташовано декілька поверхонь нагріву для попереднього нагрівання води, для виробництва пари і для перегріву пари. Поверхні нагріву включені у пароводяний циркуляційний контур парової турбіни. Пароводяний циркуляційний контур включає зазвичай декілька, наприклад, три рівні тиску, причому кожен рівень тиску може мати випарну поверхню нагріву. Як парогенератори, приєднані до газової турбіни з боку подачі гарячого газу у вигляді парогенераторів-утилізаторів, розглядається декілька альтернативних концепцій конструктивного виконання, а саме, конструктивного виконання у вигляді проточного парогенератора або конструктивного виконання у вигляді парогенератора циркуляційного типу. У проточному парогенераторі нагрівання труб парогенератора, передбачених як випарні труби, приводить до випару текучого середовища в трубах парогенератора за один прохід. У протилежність цьому, в парогенераторі природної або примусової циркуляції вода, що проводиться по контуру, при проходженні через труби випарника випаровується лише частково. Вода, що не випарувалася при цьому, після відділення одержаної пари подається для подальшого випару на ті ж труби випарника. Проточний парогенератор, на відміну від парогенератора природної або примусової циркуляції, не підлягає обмеженню за тиском. Високий тиск свіжої пари сприяє підвищеній термічній ефективності і, тим самим, зниженню викиду CO 2 електростанції, що працює на мінеральному паливі. Проточний парогенератор, у порівнянні з парогенератором циркуляційного типу, має, до того ж, просту конструкцію і, таким чином, може бути виготовлений з невеликими витратами. Застосування розрахованого за принципом проточного типу парогенератора як парогенератора, що працює на відпрацьованому теплі газотурбінної або паротурбінної установки є, тому, особливо сприятливим для досягнення високого загального коефіцієнта корисної дії газотурбінної або паротурбінної установки при простому конструктивному виконанні. Розрахований як парогенератор-утилізатор проточний парогенератор може бути, в принципі, здійснений в одній з двох альтернативних конструктивних форм, а саме у вертикальному виконанні або у горизонтальному виконаний. При цьому проточний парогенератор у горизонтальному виконанні для протікання середовища, що нагрівається, або гарячого газу, наприклад, відпрацьованого газу з газової турбіни, встановлений практично горизонтально, тоді як проточний парогенератор у вертикальному виконанні для протікання середовища, що нагрівається, встановлений практично вертикально. Проточний парогенератор у горизонтальному виконанні, на відміну від проточного парогенератора у вертикальному виконанні, може бути виготовлений із застосуванням особливо простих засобів і з використанням дуже невеликих витрат на виготовлення і монтаж. При цьому, зокрема, в прокладених відносно напрямку подачі текучого середовища трубах парогенератора другої випарної поверхні нагріву всередині кожного окремого ряду труб можна спостерігати нерівномірний розподіл текучого середовища по трубах парогенератора, що приводить до температурних перекосів і, внаслідок різного термічного розширення, до механічної напруги. Тому, для запобігання пошкодженням парогенератора-утилізатора раніше використовувалися, наприклад, подовжувальні дуги для компенсації цієї напруги. Цей захід при використанні парогенератора-утилізатора у горизонтальному виконанні може бути, проте, технічно порівняно витратним. Тому, в основі винаходу лежить задача створення проточного випарника парогенератораутилізатора раніше вказаного типу, який при особливо тривалому терміні служби дозволяє здійснити особливо просте конструктивне рішення. Ця задача вирішується згідно з винаходом за допомогою того, що після других труб парогенератора відносно напрямку подачі текучого середовища приєднана система заслінок. Винахід виходить при цьому з тези про те, що особливо проста конструкція парогенератораутилізатора або проточного випарника може бути одержана за рахунок відмови від зазвичай 1 UA 106605 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 застосованих до теперішнього часу подовжувальних дуг. При цьому механічні напруги, які викликаються температурними перекосами у паралельно приєднаних трубах парогенератора кожного окремого ряду труб, мають бути, проте, зменшені іншим способом. Вони виникають, зокрема, на другій випарній поверхні нагріву, на яку подається пароповітряна суміш. Температурні перекоси викликаються при цьому різним вмістом води і пари на вході окремих труб одного ряду труб відносно напрямку подачі текучого середовища і, в результаті цього, різною течією в цих трубах. Виявилося, що така різна течія в трубах обумовлюється нижчою, у порівнянні з геодезичною втратою тиску, втратою тиску від тертя в трубах парогенератора. Потік з високим вмістом пари в текучому середовищі саме при невеликій втраті тиску від тертя проходить через окремі труби парогенератора порівняно швидко, тоді як потік з високим вмістом води, в силу значнішої, обумовленої масою, геодезичної втрати тиску, сповільнюється, що може закінчитися стагнацією. Тому, для вирівнювання течій втрата тиску від тертя має бути збільшена. Цього можна добитися за допомогою того, щоб після других труб парогенератора відносно напрямку подачі текучого середовища під'єднати систему заслінок, яка викликає такого роду додаткову втрату тиску від тертя. У переважному варіанті система заслінок включає велику кількість заслінок, розташованих в окремих других трубах парогенератора. За рахунок такого децентралізованого розташування заслінок окремо в кожній трубі парогенератора гарантується виникнення достатньої додаткової втрати тиску від тертя, яка створює передумови для статичної стабілізації потоку, а, тим самим, для вирівнювання температурних перекосів. Ця втрата тиску від тертя має бути відповідним чином визначена на основі останніх робочих параметрів, таких як геометрія труби, габарити каналу для гарячого газу і температурний режим. У переважному варіанті розміри отвору відповідної заслінки мають бути вибрані в цьому випадку так, щоб через систему заслінок встановлювалася задана втрата тиску від тертя текучого середовища. Таким чином, можливе подальше зменшення температурних перекосів. У переважному варіанті відповідна заслінка має отвір як дросельний отвір діаметром від 10 до 20 мм. Такий вибір приводить саме до покращуваної статичної стабілізації потоку в других трубах парогенератора і, таким чином, до особливо хорошого вирівнювання температур у паралельно підключених трубах парогенератора в окремих рядах труб другої поверхні нагріву. Для того, щоб забезпечити ще гнучкішу конструкцію системи заслінок, вона повинна включати велику кількість заслінок, підключених одна за одною відносно напрямку подачі потоку текучого середовища. Завдяки цьому може бути одержаний ще більш рівномірний розподіл температур. У переважному варіанті здійснення деяка кількість перших труб парогенератора встановлені одна за одною відносно напрямку подачі гарячого газу у вигляді рядів труб. Це дозволяє використовувати більшу кількість паралельно підключених труб парогенератора для однієї випарної поверхні нагріву, що, за рахунок збільшеної поверхні, означає покращуване введення тепла. Правда, розташовані одна за одною у напрямі протікання гарячого газу труби парогенератора обігріваються при цьому різним чином. Зокрема, в трубах парогенератора, розташованих з боку подачі гарячого газу, текуче середовище нагрівається порівняно сильно. За допомогою описаного під'єднування системи заслінок можна, проте, і в цих трубах парогенератора добитися течії, відповідної нагріванню. За рахунок цього, за наявності простої конструкції, можна забезпечити особливо тривалий термін служби парогенератора-утилізатора. У переважному варіанті здійснення перша випарна поверхня нагріву приєднана до другої випарної поверхні нагріву з боку подачі гарячого газу. Перевагою даної конструкції є те, що друга, приєднана відносно напрямку подачі текучого середовища і, тим самим, розрахована для подальшого нагрівання вже випаруваного текучого середовища, випарна поверхня нагріву також розташовується у порівняно більш сильно нагрітій зоні каналу для гарячого газу. У доцільному варіанті такий проточний випарник використовується в парогенераторіутилізаторі, а парогенератор-утилізатор використовується в газотурбінній і паротурбінній установці. При цьому парогенератор в переважному варіанті відносно напрямку подачі гарячого газу приєднаний після газової турбіни. При такому під'єднанні у доцільному варіанті за газовою турбіною може бути розташована додаткова топкова камера для підвищення температури гарячого газу. Переваги, одержані завдяки використанню винаходу, полягають, зокрема, в тому, що за рахунок підключення системи заслінок добиваються статичної стабілізації потоку і, тим самим, зменшення різниці температур між паралельно підключеними другими трубами парогенератора і, механічних напруг, що виникають при цьому. Внаслідок цього термін служби парогенератораутилізатора значно підвищується. Завдяки відповідному розташуванню системи заслінок можна відмовитися від інших, дорогих технічних заходів, таких як використання подовжувальних дуг, і, 2 UA 106605 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 таким чином, одночасно, забезпечити створення особливо простої, економічної конструкції парогенератора-утилізатора або газотурбінної і паротурбінної електростанції. Приклад здійснення винаходу роз'яснюється далі детальніше на основі креслення, на якому показано: фіг. 1 У спрощеному зображенні у поздовжньому розрізі парогенератор у горизонтальному виконанні, фіг. 2 Графічне зображення температури труби по відношенню до вмісту пари на вході нагрівальної труби при відсутності системи заслінок, фіг. 3 Графічне зображення температури труби по відношенню до вмісту пари на вході нагрівальної труби з системою заслінок. Однакові деталі на всіх фігурах мають однакові позиційні позначення. Проточний випарник 1 парогенератора-утилізатора 2 згідно з фіг. 1 відносно напрямку відпрацьованого газу підключений після не змальованої детальніше газової турбіні. Парогенератор-утилізатор 2 має захисну стінку 3, яка утворює виконаний з можливістю проходження приблизно в горизонтальному напрямі, позначеному стрілкою 4, канал 5 для гарячого газу з газової турбіни. У каналі 5 для гарячого газу розташовані декілька розрахованих за принципом прямоточного проходження випарних поверхонь 8, 10 нагріву. У прикладі здійснення винаходу згідно з фіг. 1 представлено, відповідно, дві випарні поверхні 8, 10 нагріву, проте, може бути передбачена і більша кількість випарних поверхонь нагріву. Випарні поверхні 8, 10 нагріву згідно з фіг. 1 об'єднують в собі, відповідно, за типом пучка труб, декілька, розташованих один за одним у напрямі проходження гарячого газу, рядів 11 або 12 труб. Кожен ряд 11,12 труб, у свою чергу, об'єднує в собі, відповідно, декілька, розташованих поруч одна з одною у напрямі проходження гарячого газу, труб 13 або 14 парогенератора, з яких видна лише одна труба, відповідно, кожного ряду 11, 12. Приблизно вертикально розташовані для проходження текучого середовища W паралельно підключені перші труби 13 парогенератора першої випарної поверхні 8 нагріву при цьому з боку виходу приєднані до загального вихідного колектора 15. Також приблизно вертикально розташовані для проходження текучого середовища W паралельно підключені другі труби 14 парогенератора другої випарної поверхні 10 нагріву також на виході приєднані до загального вихідного колектора 16. При цьому на обох випарних поверхнях 8, 10 нагріву може бути передбачена порівняно дорога колекторна система. Труби 14 парогенератора другої випарної поверхні 10 нагріву гідравлічно, через систему 17 опускних труб, приєднані до труб 13 парогенератора першої випарної поверхні 8 нагріву. В утворену з випарних поверхонь 8, 10 нагріву систему випарника може подаватися текуче середовище W, яке при однократному проходженні піддається випаровуванню за допомогою системи випарника і після виходу з другої випарної поверхні 10 нагріву відводиться у вигляді пари D. Утворена з випарних поверхонь 8, 10 нагріву система випарника включена у не змальований детальніше пароводяний циркуляційний контур парової турбіни. Додатково до системи випарника, яка включає випарні поверхні 8, 10 нагріву, у пароводяний циркуляційний контур парової турбіни включено декілька інших, схемно змальованих на фіг. 1, поверхонь 20 нагріву. Під поверхнями 20 нагріву можуть матися на увазі, наприклад, пароперегрівачі, випарники середнього тиску, випарники низького тиску і підігрівачі. До других труб 14 парогенератора приєднана заслінкова система 22, яка включає розташовані в окремих трубах парогенератора заслінки 23. Отвір заслінок 23 вибрано таким чином, що втрати тиску від тертя текучого середовища W в трубах 14 парогенератора, відповідно, високі настільки, що всередині одного ряду 11 труб забезпечена рівномірна течія. За рахунок цього зменшуються температурні перекоси. Для цієї цілі заслінки 23 мають отвори діаметром від 10 до 20 мм. Ефект від роботи системи 22 заслінок представлений графіками різниці температур на фіг. 2 і 3. Вони демонструють, відповідно, графічне зображення середньої температури 25 стінок труби і температури 27 стінок на виході з труби, залежно від вмісту DA пари в текучому середовищі. Фіг. 2 демонструє при цьому ситуацію при відсутності підключеної системи 22 заслінок. У даному випадку середня температура 25 стінок труби варіюється приблизно від 460 °C до 360 °C, температура 27 стінок на виході з труби від 480°C до 370 °C, залежно від вмісту пари DA. На фіг. 3 показано, що ці перепади знижуються приблизно до значень від 440 °C до 390 °C і від 470 °C до 405 °C відповідно. Різниці температур труб з різним вмістом пари, тим самим, явно зменшуються. За рахунок зменшення різниці температур труб з різним вмістом пари на вході потоку зменшується механічне напруження парогенератора-утилізатора 2 і забезпечується збільшений 3 UA 106605 C2 термін служби у поєднанні з простотою конструкції за рахунок відмови від використовуваних до теперішнього часу подовжувальних дуг. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 1. Проточний випарник (1) парогенератора-утилізатора (2) у горизонтальному виконанні, що містить першу випарну поверхню (8) нагріву, яка має множину перших труб (13) парогенератора, які розташовані в основному вертикально і через які потік проходить від низу до верху, та іншу, підключену відносно напрямку подачі текучого середовища після першої випарної поверхні (8) нагріву, другу випарну поверхню (10) нагріву, яка має множину других труб (14) парогенератора, які розташовані в основному вертикально і через які потік проходить від низу до верху, який відрізняється тим, що відносно напрямку подачі текучого середовища після других труб (14) парогенератора приєднана заслінкова система (22), яка включає встановлені в окремих трубах парогенератора заслінки (23), причому кожна заслінка (23) має отвір як дросельний отвір діаметром від 10 мм до 20 мм. 2. Проточний випарник (1) за п. 1, який відрізняється тим, що отвір кожної заслінки (23) вибраний таким чином, що заслінкова система (23) здатна встановлювати задані значення втрати тиску від тертя текучого середовища. 3. Проточний випарник (1) за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що система (22) заслінок включає множину заслінок (23), приєднаних одна за одною відносно напрямку подачі текучого середовища. 4. Проточний випарник (1) за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що множина других труб (14) парогенератора виконана у вигляді рядів (11) труб, встановлених один за одним у напрямку подачі гарячого газу. 5. Проточний випарник (1) за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що перша випарна поверхня (8) нагріву відносно напрямку подачі гарячого газу встановлена після другої випарної поверхні (10) нагріву. 6. Парогенератор-утилізатор (2), що містить проточний випарник (1) за будь-яким з пп. 1-5. 7. Парогенератор-утилізатор (2) за п. 6, перед яким відносно напрямку подачі гарячого газу приєднана газова турбіна. 4 UA 106605 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 5