Котел-утилізатор і спосіб його експлуатації

1. Ко тел-утилизатор, включающий о дн у или несколько систем образования пара, имеющих каждая питающую линию, барабан разделения вода/пар, устройство-парообразователь с ребрис тыми тр убами, расположенными горизонтально в потоке горячих газов, спускные и подъемные тру бы, обеспечивающие связь между барабаном раз деления вода/пар и устройством-парообразовате лем через вп ускной и выпускной коллекторы, от личающийся тем , что , по меньшей мере , одна система образо вания пара содержит ре гулир уе мый эжектор для огран ичения деби та р або чей жидкости в фазе запуска и обеспечения принуди тельной циркуляции воды в котле при нормальной работе 2. Котел по п.1, отли чающийся тем, что одна или несколько систем образования пара рассчитаны на различные давления. 3. Котел по пп, 1-2 , о тли чающийся тем, что каж дая система образования пара содержит эжектор для обеспечения принудительной циркуляции во ды в котле при нормальной работе 4. Ко те л п о любом у из пп. 1-3 , о тли ча ющий ся тем, что эжектор расположен на питающей линии 5 Ко тел по любом у из пп . 1 -4 , о тли ча ющий ся тем, что каждая система образования пара, содер жащая эжектор, дополнительно содержит средст во для обеспечения минимального дебита для ра боты эжектора в течение фазы запуска котла 6. Котел по п. 5, отличающийся тем, что дополнительный насос запуска предусмотрен на линии отвода, линии подъема между пунктом присоеди нения спускной трубы и пунктом присоединения питающей линии, расположенной выше эжектора. 7 Котел по п. 5 , о тличающийся тем, что барабан разделения вода/пар системы образования пара снабжен в его зоне воды устройством обеспечения откачки и выпуска из этого барабана разделения вода/пар во время фазы запуска 8. Ко те л п о любом у из пп 1 -7 , о тли чающий ся тем, что каждый эжектор снабжен на своей кони ческой насадке подвижным игольчатым клапаном 9. Ко те л п о любом у из пп 1 -8 , о тли чающий ся тем, что барабан разделения вода /пар системы образования пара расположен на одной высоте с выпускным коллектором устройства-парообразо вателя. 10. Ко тел по любом у из пп . 1-8, о тли чающийся тем, что барабан разделения вода /пар системы образования пара расположен на высо те , ниже высоты выпускного коллектора устройства-па рообразователя. 11. Котел по любом у из пп 1-8, о тлича ющий ся тем, что барабан разделения вода /пар системы образования пара расположен на высо те, вы ше высоты выпускного коллектора устройства-па рообразователя. 12. Способ эксплуатации котла-утилизатора, при котором вводят воду в устройство-парообразова тель и барабан разделения вода/пар, по меньшей мере, одной системы генерации пара посредством питающего насоса и делают это до уровня, назы ваемого уровнем запуска, нагре вают котел, о тли чающийся тем, что вводя т в действие сре дство для обеспечения минимального дебита рабочей жидкости, позволяющее работать эжектору во время фазы запуска, снова вводят в действие питаюи'ий насос для обеспечения возможности эжектору осуществлять принудительную циркуля цию в течение нормальной работы котла. 13 Способ по п 12, о тли чающийся тем, что в течение фазы запуска вводя т подвижный игольчатый клапан в часть эжектора, состоящую из конического сопла для регулирования дебита воды в зависимости от потребностей СМ О со см 27473 Изобретение относится к котлу-утилизатору, в котором циркуляция воды обеспечивается без помощи эффекта термосифона Оно касается также способа для оптимального использования такого котла, например, на электростанции. Котлы-утилизаторы обязательно содержат средства для обеспечения циркуляции текучей среды. Они находят промышленное применение на электростанциях с так называемым комбинированным циклом, а также в установках с комбинированным производством тепловой и электрической энергии, одновременного производства элект-. ричества и пара. Они могут применяться в других классических областях применения. Такие котлы служат для улавливания большого количества тепла, содержащегося в потоке отходящи х газов газовой турбины и превращения воды в пар. Этот пар затем сам используется в пароэых турбинах, которые приводят в движение генератор переменного тока. Котлы питаются водой с помощью питающи х насосов. Они содержат одну или несколько систем образования пары, причем каждая включает устройство-парообразователь (испаритель) и барабан разделения вода/пар Они соединены между собой трубопроводами, где циркулирует вначале вода, затем смесь вода/ пар. В котле могут быть установлены несколько систем для образования пара, чтобы доставлять пар с различным давлением и таким образом улучшить общий коэффициент полезного действия установки. Теплообмен между газом, исходящим из газовой турбины, и вначале с водой, а затем со смесью вода/пар, циркулирующими в котле, имеет место на уровне устройства-испарителя Этот испаритель составлен из систем ребристых труб, установленных согласно обстоятельствам вертикально или горизонтально и находящихся в потоке теплого газа, исходящего, например, из газовой турбины. Классически во время работы испаритель питается водой из соответствующего разделительного барабана через коллектор, называемый коллектором ввода, на котором приварены входы труб, составляющие это устройство-испаритель и коллектор, называемый коллектором вывода, который собирает полученную смесь вода-пар. Этот коллектор вывода соединен с самим барабаном разделения, создавая таким образом замкнутый цикл. Количество систем труб, соединяющих между собой коллекторы, называемые вводными и выводными, зависит от размера и условий работы котла. Потеря напора воды между вводным и выводным коллекторами устройства для испарения является, в частности, функцией конфигурации труб Согласно различным вариантам, трубы устройств-испарителей могут быть расположены либо вертикально, либо горизонтально. В основном, различают два типа котлов в зависимости от типа циркуляции воды в системах. Говорят о циркуляции "натуральной" или путем эффекта термосифона, когда вода циркулирует в котле благодаря разнице между объемной массой воды, когда она проходит от жидкой фазы к газообразной фазе Эти котлы с естественной циркуляцией описаны, например, в патентах US-A2, 031,423 и US -А-2,702,026 Из патента US -А-2,257,358 известно устройство-генератор пара с циркуляцией через термосифон, в котором устройство, квалифицир уемое как эжектор, состоит из двух коаксиальных труб, и не описанное иначе, установлено на выходе разделительного барабана вода/пар, чтобы ускорить эффект термосифона. Описанное устройство включает две независимых системы, в которых подогреваемая вода циркулирует в горизонтальных трубах снизу вверх, тогда как газ сжигания циркулирует сверху вниз, причем указанный барабан разделения вода/пар установлен над котлом. Также как указывалось, циркуляцию производят посредством термосифона при комбинированном действии "естественной" циркуляции и искусственно ускоренной Нужно отметить, что устройство, определяемое эжектором, является относительно обобщенным и не регулируемым. Кроме того, оно установлено в линии возврата (нисходящей) одной из систем, исходящих из барабана-сепаратора. В качестве прототипа заявляемого изобретения принят котел-утилизатор, включающий одну или несколько систем образования пара, в случае необходимости с различными давлениями, имеющи х каждая питающую линию, барабан разделения вода/пар, устройство-парообразователь с ребристыми трубами, расположенными горизонтально в потоке горячих газов, спускные и подъемные трубы, обеспечивающие связь между барабаном разделения вода/пар и устройством -парообразователем через впускной и выпускной коллектор (ЕР № 0357590А, 07 03 90). За прототип заявляемого изобретения принят также способ эксплуатации котла-утилизатора, при котором вводят воду в устройство-парообразователь и барабан разделения вода/пар, по меньшей мере, одной системы генерации пара посредством питающего насоса и делают это до уровня, называемого уровнем запуска, нагревают котел (ЕР № 0357590А, 07 03 90). В этом изобре тении описывае тся котел с горизон тальными тр убами на осно ве естественной цирк упя ции во ды без применения цир куля ционно го насо са бла года ря эффек ту тер мосифона. Вода циркулирует в контуре между барабаном и устройством-испарителем в различных трубах. Она опускается из барабана в ненагретую ветвь трубопровода и оттуда поднимается в нагретую ветвь, где она находится в виде смеси вода/пар, причем устройство-парообразователь вставлено в "поднимающуюся" ветвь. При нормальном функционировании движущая сила -циркуляции достигает в максимуме величины, определяемой разницей высоты между барабаном и выводным коллектором устройстваиспарителя Г о недостаток известного котла заключается в том, что для того, чтобы определить достаточную движущую силу, например, 1 кг/см 2, между коллекторами, необходимо расположить над выводным коллектором водяной столб примерно 10 м 27473 высотой , что значительно увеличи вает габариты котла. Кроме того, величина потери напора при нормальном функционировании не предопределена, чтобы соответствовать требованиям тепловой устойчивости и стабильности потока в котле, которые должны быть в соответствии с желаемыми давлениями в максимальной степени циркуляции Эта степень циркуляции зависит от движущей силы и величины потери напора в данной системе. Когда движущая сипа, получаемая естественной циркуляцией, является незначительной, имеет место расположение большого количества параллельных систем труб в устройстве-парообразователе для уменьшения потери напора. Конструкция коллекторов является, следовательно, сложной. Диаметр труб также должен быть более значительный, чтобы также уменьшить потерю напора. Степень циркуляции котла является средним числом оборотов одной капли воды, которые она должна осуществить в системе парообразования перед тем, как полностью превратиться в пар и таким образом покинуть систему. Э та степень остается ограниченной в котлах с естественной циркуляцией ввиду слабых движущи х сил, участвующих в процессе. Кроме того, когда дебит может стать слишком слабым в некоторых системах труб, это может вылиться в ухудшение показателей комплекса и повышенном риске коррозии этих труб путем осаждения на внутренней стенке всех солей, содержащихся в воде, вследствие полного испарения и парообразования незначительного количества воды в этой системе Фаза запуска циркуляции воды является необходимой и может быть реализована несколькими способами, например, через действие эжектора, в необходимых случаях спаренного с дополнительным насосом и установленного на линии отвода, который будет использоваться исключительно для запуска, п утем нагне тания газа в стояки или путем соединения вводного коллектора и выводного коллектора с устройством-парообразователем. Котлы описанного типа имеют относительно крупные габариты и их показатели в значительной степени зависят от конфигурации. Говорят о принудительной циркуляции или еще содейсгвуемой циркуляции воды в котле, когда циркуляция воды в нем создается одним или несколькими насосами, называемыми циркуляционными насосами, расположенными между барабаном и коллекторами Обычно трубы устройств-парообразователей располагаются тогда горизонтально. Циркуляционные насосы потребляют энергию и требуют расходов по поддержанию, иногда значительных. Недостатком известного способа является сложность регулирования потери напора в котле, обеспечения достаточной движущей сипы в системе и степени циркуляции, необходимость обязательного использования циркуляционных насосов, требующи х значительных расходов электроэнергии. В основу изобретения поставлена задача уменьшения габарито в, обеспечения минималь ной разницы между высотой воды в ве тви и выводным коллектором, исключения необходимости применения циркуляционных насосов, регулирования потерь напора воды между коллекторами, уменьшения числа систем и диаметра тр уб в котле-утилизаторе путем оснащения, по крайней мере, одной системы образования пара регулируемым эжектором, приспособленным к ограничению дебита рабочей жидкости в фазе запуска и обеспечению принудительной циркуляции воды в рабочем режиме, в результате чего на фазе запуска котла при попадании воды в эжектор последний контролируе т и регулир ует ее деби т до уро вня, при котором создается падение давления, сопровождающееся увели чением скорости движения воды и всасыванием ее в спускную тр убу, обеспечивающее начало и дальнейшую принудительную циркуляцию в котле, обладающую значительной движущей силой , и тем самым позволяя уменьшить диаметр и количество тр уб устройства-парообразователя (а, значит, и габариты котла), а также исключить необходимость использования циркуляционных насосов и позволяет регулировать потерю напора воды между вводным и выводным коллекторами в зависимости от те хнологических параметров когла В основу изобретения поставлена также задача повышения эффективности способа эксплуатации котла-утилизатора путем осуществления работы эжектора на фазе запуска посредством введения в действие средства обеспечения минимального дебита рабочей жидкости и поэтапного введения в рабочий цикл питающего насоса, в результате че го на фазе запуска котла при попадании воды в эжектор последний контролирует и регулир ует ее дебит до уровня, при котором создается падение давления, сопровождающееся увеличением скорости движения воды и всасыванием ее в спускную тр убу, обеспечивающее начало и дальнейшую принудительную циркуляцию в котле, обладающую значительной движущей силой, и тем самым позволяя уменьшить диаметр и количество труб устройства-парообразователя (а, значит, и габариты котла), а также исключить необходимость использования циркуляционных насосов и позволяет регулировать потерю напора воды между вводным и выводным коллекторами в зависимости от технологических параметров котла. Поставленная задача достигается за счет того, что в котле-утилизаторе, включающем одну или несколько систем образования пара, в случае необходимости с различными давлениями, имеющи х каждая питающую линию, барабан разделения вода/пар, устройство-парообразователь с ребристыми трубами, расположенными горизонтально в потоке горячих газов, спускные и подъемные тр убы, обеспечивающие связь между барабаном разделения вода/пар и устройством-парообразователем через впускной и выпускной коллектор, согласно изобретению, по меньшей мере, одна система образования пара содержит регулир уемый эжектор для ограничения дебита рабочей жидкости в фазе запуска и обеспечения принудительной циркуляции воды в котле при нормальной работе Изобретением предусмотрен вариант, при котором каждая система образования пара содер 27473 жит эжектор для обеспечения принудительной циркуляции воды в котле при нормальной работе. Эжектор предлагаемого котла расположен на питающей линии, причем каждая система образования пара, содержащая эжектор, дополнительно содержит средство для обеспечения минимального дебита для работы эжектора в течение фазы запуска котла. Дополнительный насос запуска предусмотрен на линии отвода, линии подъема между пунктом присоединения спускной трубы и пунктом присоединения питающей линии, расположенной выше эжектора. Кроме того, барабан разделения вода/пар системы образования пара снабжен в его зоне воды устройством обеспечения откачки и выпуска из этого барабана разделения вода/пар во время фазы запуска, а каждый эжектор снабжен на своей конической насадке подвижным игольчатым клапаном. Барабан разделения вода/пар системы образования пара может быть расположен на одной высоте с выпускным коллектором устройства-парообразователя, либо ниже или выше высоты выпускного коллектора устройства-парообразователя. Поставленная задача достигается также за счет того, что в способе эксплуатации котла-утилизатора, при котором вводят воду в устройствопарообразователь и барабан разделения вода/пар, по меньшей мере, одной системы генерации пара посредством питающего насоса и делают это до уровня, называемого уровнем запуска, нагревают котел, согласно изобретению, вводят в действие средство для обеспечения минимального дебита рабочей жидкости, позволяющего работать эжектору во время фазы запуска, снова вводят в действие питающей насос для обеспечения возможности эжектору осуществлять принудительную циркуляцию в течение нормальной работы котла. При этом в течение фазы запуска вводят подвижный игольчатый клапан в часть эжектора, состоящую из конического сопла для регулирования дебита воды в зависимости от потребностей. Изобретение будет лучше понято со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 - схематичный вид первой формы исполнения котла с принудительной циркуляцией согласно изобретению, фиг. 2 - схематичный вид второй формы исполнения котла с принудительной циркуляцией согласно изобретению, и фиг. 3 - вид в разрезе эжектора, снабженного игольчатым клапаном, который может быть использован в котле согласно изобретению. Фиг. 1 представляет схематичный вид котла согласно изобретению, расположенного между газовой турбиной и не представленной паровой турбиной, как, например, на электростанции. Далее изобретение будет описано со ссылкой на такое применение, при этом нужно понимать, что не будет выхода за рамки изобретения при применении и с традиционными котлами. Котёл 1 питается благодаря резервуару 2 и питательному насосу 3. Питающая линия 4 снабжена регулирующим вентилем 5. который может действовать в соответствии с потребностями в во де котла 1. Устройство-парообразователь 6, состоящее из ребристых тр уб, расположенных горизонтально в канале отвода горячих газов 7, является классически выполненным. На фиг. 1 представлены три системы ребристых тр уб, расположенных параллельно, но на практике благодаря изобретению можно ограничиться 200-300 системами, что является небольшим числом по отношению к котлам с естественной циркуляцией, которые содержат обычно приблизительно 800 систем. Устройство-испаритель 6 включает классический впускной (вводный) коллектор 8 и выпускное (выводной) коллектор 9 И тот и другой соединены с барабаном разделения вода/пар 10. Впускной коллектор 8 соединен с зоной воды указанного барабана 10 через трубу 11, называемую спускной, тогда как выпускной коллектор 9 соединен с зоной пара барабана 10 посредством трубы, называемой трубой подъема, нагнетания 12. Трубопровод 13 для отвода пара из барабана 10 предусмотрен в верхней части зоны пара. Эжектор 14 помещен на перекрестке питательной линии 4 и спускной трубы 11. Перед запуском котла в устройство испарения 6 и барабан 10 вводится вода с помощью питательного насоса 3 до уровня, называемого запускным. Когда уровень воды в барабане 10 достигает нескольких десятков сантиметров, регулирующий вентиль 5 закрывается. Питающая вода используется затем как рабочая среда, она пересекает эжектор 14 при некотором падении давления, увеличивая свою скорость, что приводит к всасыванию воды в спускную трубу 11. а, следовательно, к движению циркуляции воды. По этой причине говорят о принудительной циркуляции в котле. Смесь питающей воды и воды, исходящей из барабана, подается под давлением к впускному коллектору 8 с определенным повышенным давлением. Эжектор продолжает непрерывно работать в течение нормальной работы котла, т. е. начиная с момента, когда дебит рабочей среды, которая туда попала, достигает определенного уровня. Во время периода запуска дебит питающей воды будет равен нулю. Однако эжектор может функционировать, только если он располагает минимальным дебитом. Закрытие регулирующего вентиля 5 в принципе является необходимым, чтобы обеспечить правильный запуск - прежде, чем работает котел, нет потребления воды. Следовательно, нужно избегать чрезмерного заполнения барабана 10, чтобы помешать тому, чтобы вода вытекала к трубопроводу отвода пара 13, что было бы недопустимо. Однако необходимо обеспечить циркуляцию воды при запуске в системе устройство-парообразбватель-барабаи, для того, чтобы подогревать комплект элементов одинаковым образом. В соответствии с условиями места, позиции можно получить эту циркуляцию различными способами. Первая возможность иллюстрир уе тся на фиг. 1. Можно предусмотреть линию отвода 15 на спусковой тр убе 11, заканчивая на питающей линии 4 выше эжектора 14 На этой линии 15 предусматриваются затем дополнительный насос запус 27473 ка 16 и дополнительный вентиль 17; этот вентиль открывается, когда вентиль 5 закрыт Насос 16 временно обеспечивает циркуляцию рабочей среды из воды, выходя щей из барабана 10, Этот насос 16 может иметь небольшую мощность. В варианте, как это представлено на фиг 2, можно запланировать трубопровод 18 для выпуска из барабана 10 при возможном рециркулировании воды к резервуару 2 или не представленному конденсату или простого удаления воды. Падение уровня воды в барабане 10 вызовет приток воды, которая вынудит регулир ующий вентиль 5 открыться и питающий насос 3 обеспечить рабочий дебит, который позволит эжектору 14 начать нормальное функционирование. В этом случае вентиль 5 остается, следовательно, открытым даже при запуске и можно допустить питающую воду в котел без риска его затопить. Когда установилась циркуляция запуска, котел 1 может нагреваться, или запуская газовую турбину, или управляя дымовыми шиберами (не представленными), в соответствии с установкой. Первые пузырьки пара быстро образуются в нижней части устройства-парообразователя 6, отталкивая воду к барабану 10 через трубу подъема (стояк) 12. Следовательно, уровень воды в барабане будет увеличиваться. За тем он псстепенно уменьшится в зависимости от произведенного пара, направленного потребителю. Когда уровень вернется к нормальной величине, питающая вода должна будет введена в котел 1 в количествах, равных полученному пару: регулирующий вентиль 5 полностью открыт и эжектор 14 работает тогда в нормальном режиме. Цикл запуска может тогда быть прерван. Нужно отметить, что каждое изменение температуры или дебита горячих газов, впускаемых в котел, соответствуе т изменению дебита пара, а, следовательно, идентичному изменению дебита питающей воды, контролируемой вентилем регулирования 5 На фиг. 3 представлен эжектор 14, усовершенствованный в соотве тствии с изобретением. Он традиционно имеет корпус 19, всасывающий фланец 20, смесительную зону, диффузор 21 и коническую насадку (сопло) 22. Эта насадка преимущественно снабжена подвижным игольчатым клапаном 23. В течение фазы запуска игольчатый клапан 23 введен вн утрь конического сопла 22, что позволяет ограничить дебит рабочей среды, удерживая величину мощности принудительного дебита эжектора 14. При нормальном функционировании котла 1 игольчатый клапан 23 удаляется из сопла 22 и эжектор 14 работает согласно первоначальным характеристикам. В котлах по изобретению можно использовать или стандартный эжектор, или усовершенствованный эжектор, такой, какой представлен на фиг. 3. Конкретный пример реализации котла согласно изобретению описан ниже (но не представлен на чертежах). Типичная современная электростанция с комбинированным циклом имеет одну или две газовые турбины 100 и 500 МВт, каждая оборудована котломутилизатором с двумя уровнями давления, производящим пар с высоким давлением (около 80-100 кг/см 2) и пар с низким давлением (около 8-Ю кг/см 2), питающих паровую турбину с двумя уровнями давления мощностью 100-150 МВт. Каждый котел содержит две системы образования пара, снабженных каждый тремя теплообменниками, а именно парообразователем, подогревателем (экрономайзером) и перегревателем, а также разделительным барабаном вода/пар. Две системы образования пара являются независимыми и каждая из них может работать с принудительной циркуляцией согласно изобретению. Не выходит, однако, за рамки изобретения, если одна система образования пара, данная котлу, содержит эжектор, который обеспечивает принуди тельную циркуляцию рабочей среды, др угая система этого же котла работает в соответствии с другим типом циркуляции, например, циркуляцией, вынуждаемой, заставляемой циркуляционным насосом. В приведенном примере для каждой системы генерации пара, работающей с принудительной циркуляцией, потеря напора будет выбираться в зависимости от стабильности потока, течения и теплообмена от 3 до 5 кг/см 2. В этом случае ребристые трубы будут небольшого диаметра (около 32-38 мм). Объем воды в устройстве-парообразователе также сможет быть относительно небольшим (около 10-15 м 3). Эта производительность будет достато чна, чтобы принять перемещение воды из устройства-парообразователя во время запуска. Листовой металл, составляющий барабан, мог бы иметь уменьшенную толщину (около 30-50 мм), допуская высокие градиенты температуры и/или давления. Таким образом, сремя запуска котла может быть очень коротким и способным адаптироваться к очень короткому периоду запуска газовых турбин. Динамические характеристики котла, очевидно, улучшились при уменьшивши хся постоянных времени Кроме того, степень интенсивности циркуляции могла бы быть выбрана с высоким запасом безопасности. 27473 Фиг. 1 Nit; Фиг. 2 27473 Фиг. 3 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерие товариство «Патенті» Україна, 88000, м Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (031 22 )3- 72- 89 (0 312 2) 2-6 7-0 3