Водогрейный котел

МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ движение двух равных потоков воды по всем трубам нижнего экрана топки и далее восходящего движения двух потоков воды по всем трем рядам труб поворотного экрана. Причем подача двух параллельных потоков воды выполнена в нижний экран и поступает в поворотный экран. Тем самым восходящий поток воды с температурой порядка 70 С поднимается по трехрядному поворотному экрану и экранирует собой тыльный цельносварной экран принимая на себя основной тепловой поток от светящегося факела и высокотемпературного конвективного потока, защищая тыльный экран топки котла. Такая схема компоновки поворотного экрана и организация подъемного движения воды с низкой температурой по поворотному экрану обеспечивает равномерную тепловую нагрузку поворотного экрана, при этом надежность поворотного экрана во всех трубах которого организовано восходящее движение воды с самой допустимой низкой температурой воды резко возрастает, так как температура воды по действующему ГОСТ 21563 при входе в котел не должна быть ниже 70 С и тыльный экран топки надежно экранирован. По ходу движения двух равных потоков воды вдоль топки до конвективной части котла в процессе нагрева воды увеличивается температура стенки труб. Путем увеличения общего расхода воды обеспечивается равномерное нагревание воды в симметричных половинках котла, а также в симметричных рядах конвективного пучка труб и устраняется неравномерный нагрев равноудаленных участков труб и коллекторов от продольной оси котла. Равномерный нагрев равноудаленных участков труб симметричных экранов от продольной оси котла позволяет размещать котел горизонтально и увеличить пропускную способность по воде в два и более раза от номинальной с сохранением гидравлического сопротивления котла.(76) Орумбаев Алтынбек Рахимжанович Орумбаева Шолпан Рахимжановна Орумбаева Дина Рахимжановна Орумбаев Рахимжан Кабиевич(57) Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к водогрейным котлам, и может быть использовано в системах централизованного теплоснабжения и горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий и комплексов. В водогрейном котле, состоящем из параллельно расположенных труб, соединенных с коллекторами,имеющими перегородки и собранных вместе в топочный экран, содержащий фронтовой, нижний,потолочный, поворотный, фестонный и боковые экраны с верхними и нижними коллекторами с перегородками и конвективными пучками труб,разделенных от топки тыльным экраном. Согласно изобретению, коллектора фронтового, верхнего,нижнего, промежуточного и тыльного экранов топки и коллектора верхнего и тыльного экранов конвективной части содержат по одной центральной перегородке. Поворотный экран топки собран из трехрядных труб сдвинут к фронту и расположен перед тыльным экраном топки на расстоянии (10-15)тр. Трубы тыльного экрана на четыре пятых высоты топки от нижнего коллектора проварены мембранами, а в верхней пятой части высоты тыльного экрана трубы разведены между собой и образуют с трубами поворотного экрана шести рядный фестон. В нижнем входном коллекторе фронтового экрана топки по центру размещена одна перегородка, которая обеспечивает разделение на два независимых потока воды в котел с двух симметричных боковых сторон и обеспечивает Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к водогрейным котлам, и может быть использовано в системах централизованного теплоснабжения и горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий и комплексов. Известен водогрейный котел КВ-ГМ-23,26(//-/73,2003. издание,2007 г. с.3-7.) тепловой производительностью 23,26 МВт (20 Гкал/час). Котел содержит топочную камеру - топку и конвективную часть,расположенную последовательно и горизонтально. Топка котла содержит горелку, параллельно включенные трубы с коллекторами, объединенные в топочную камеру,включающую фронтовой, нижний, потолочный и боковые экраны. Трубы всех экранов проварены мембранами и практически герметичны. Конвективная поверхность нагрева - конвективный пучок труб расположен непосредственно за топочной камерой, набирается из горизонтально расположенных- образных согнутых труб соединенных с горизонтальными коллекторами,которые закрывают собой боковые стены вертикального конвективного газохода. В котле КВ-ГМ-23,26 предусмотрен подвод воды с двух симметричных боковых сторон двумя потоками по 123,5 м 3/час в нижние боковой левый и боковой правый экраны, далее вода с двух сторон поступает в нижний экран топки. Из нижнего экрана вода подается двумя трубами диаметром 219 мм в боковые экраны топки. После боковых экранов в конце топки вода двумя потоками симметрично подается с двух сторон в поворотный экран с лева и справа, где объединяясь в один поток перепускается в нижнюю часть фестонного экрана вертикальной конвективной части котла. В фестонном экране вертикальной конвективной части один поток воды с расходом 247 м 3/час делает три хода и перепускается в верхний коллектор правой конвективной секции, где по 11 трубам - стойкам в каждой из которых размещены пакеты изобразных труб диаметром 28 мм. Проходя вниз через правые конвективные пакеты- образных труб поток воды поступает в нижний правый коллектор правой конвективной секции и перепускается в тыльный экран вертикальной конвективной части. В тыльном экране поток воды с расходом 247 м 3/час делает три хода и перепускается в левый верхний коллектор левой конвективной секции, где по 11 трубам - стойкам и конвективным пакетам из- образных труб диаметром 28 мм опускается вниз и попадает в нижний левый коллектор левой вертикальной конвективной секции и далее выходит из котла. Серийные водогрейные котлы тепловой производительностью от 23,26 и до 35 МВт сконструированы таким образом, что движение воды в топках котлов строго параллельное многоходовое, а в вертикальной конвективной части один общий поток воды выполняет восемь ходов вокруг вертикальной части котла КВ-ГМ-23,26. Спроектированные таким образом водогрейные котлы с одним последовательным потоком воды 2 приводят к разным температурным уровням нагрева конвективных экранов и конвективных пакетов труб, так как поток воды по ходу последовательного движения увеличивает свою температуру,соответственно увеличивая температуру стенки труб экранов и конвективных пакетов труб. Поэтому, в зависимости от места ввода воды в котел, левая или правая сторона конвективной части котла нагревается неравномерно. И при значительной длине экранов и коллекторов с параллельно включенными конвективными- образными трубами диаметром 28 мм испытывают разную тепловую и механическую нагрузку, которая может привести к значительным напряжениям и к разрыву труб или коллекторов котла. Существенным недостатком таких котлов при работе на мазуте является то, что разница температуры стенки труб на входе и выходе воды из котла может составить более 80 С. Из-за существенной разницы температуры стенки левой и правой стороны топки котла, при длинных экранах,различное тепловое расширение может вывести из строя экраны котла. Дополнительно высокое тепловое напряжение от направленного горящего факела на поворотный экран, расположенный на расстоянии 4,5 м для КВ-ГМ-23,26 и 5,5 м для КВГМ-35 создает тяжелые тепловые условия работы поворотного экрана в топке котла. Задача изобретения - разработка водогрейного котла для работы на природном газе, жидком и твердом топливе, обеспечивающего надежную работу поворотного экрана топки и всего котла в целом при изменениях тепловой производительности с качественной и количественной регулировках с изменением расходов воды в рабочем режиме, а также с кратковременными высокими тепловыми напряжениями в топке котла и с увеличенными расходами воды через котел, больше номинального в два-три раза. Для этого в водогрейном котле, состоящем из параллельно расположенных труб, соединенных с коллекторами и собранных вместе фронтовой,нижний, потолочный, поворотный, фестонный и боковые экраны образующих топку и конвективной части, разделенной от топки фестонным экраном согласно изобретению, все поперечные коллектора фронтового,верхнего,нижнего,тыльного,промежуточного и фестонного экранов, вместе с поперечными коллекторами поворотного и фестонного экранов в конвективной части содержат по одной перегородке. Поворотный экран в топке собран из трехрядных труб и расположен перед цельносварным фестонным экраном топки на расстоянии (10-15)тр, при этом трубы фестонного экрана топки на пять четвертых высоты топки проварены мембранами, а в верхней одной пятой высоты топки разведены между собой и вместе с не проваренными мембранами трубами поворотного экрана образуют шести рядный фестонный экран. Конвективная часть котла содержит четыре продольных боковых симметричных коллектора верхние и нижние, расположенных по оси четырех продольных коллекторов боковых экранов призматической топки, при этом в верхнем тыльном и нижнем тыльном коллекторах тыльного экрана размещено по одной перегородке, расположенных с симметричным смещением относительно продольной оси котла и обеспечивающих противоточное движение воды относительно продуктов сгорания в конвективной части котла. В правой конвективной части поток воды поднимается вверх по конвективным пакетам труб диаметром от 32 мм и до 33,5 с расходом воды более 360 м 3/час для котла КВ-ГМ-23,26 и с расходом воды более 500 м 3/час для котла КВ-ГМ-35. В левой конвективной части поток воды поднимается также вверх по конвективным пакетам труб диаметром от 32 мм и до 33,5 с расходом воды более 360 м 3/час для котла КВ-ГМ-23,26 и с расходом воды более 500 м 3/час для котла КВ-ГМ-35, что существенно отличается от прототипа и серийных водогрейных котлов. Основным преимуществом такой схемы движения воды является более надежное охлаждение стенок труб конвективных пакетов за счет вертикального движения общего потока воды навстречу газам и более заполненного профиля скорости воды в поперечном сечении труб. Подъемное вертикальное движение воды в трубах обеспечивает большую скорость воды непосредственно у стенки труб, чего не наблюдается при нисходящем движении воды по трубам и высоком уровне теплового напряжения как это реализовано на серийных водогрейных котлах и прототипе. В нижнем входном коллекторе фронтового экрана топки по центру размещена одна перегородка, которая обеспечивает разделение на два независимых входа воды в котел с двух симметричных боковых сторон и обеспечивает движение двух равных потоков воды по всем трубам нижнего экрана топки и далее восходящего движения двух потоков воды по поворотному экрану по всем трем рядам труб. Тем самым восходящий поток воды с температурой порядка 70 С поднимается по трехрядному поворотному экрану и экранирует собой тыльный цельносварной экран, принимая на себя основной тепловой поток от светящегося факела и высокотемпературного конвективного потока, защищая тыльный экран топки котла. Такая схема компоновки поворотного экрана и организация подъемного движения воды по всему поворотному экрану обеспечивает равномерную тепловую нагрузку на поворотный экран, при этом надежность поворотного экрана во всех трубах которого организовано восходящее движение воды с самой допустимой низкой температурой воды резко возрастает, так как температура обратной воды по действующему ГОСТ 21563 при входе в котел не должна быть ниже 70 С и тыльный экран топки экранирован надежно. Тепловые расчеты, проведенные для условий сжигания мазута и природного газа в топке,показали, что при такой температуре 70 С внутренней стенки труб, поворотный экран с восходящим движением воды может спокойно работать при тепловом напряжении в объеме топки котла до 500 000 ккал/м 2, что превышает реальные значения теплового напряжения в обычных условиях эксплуатации при сжигании мазута более чем в два раза. В серийных водогрейных котлах такого большого запаса по тепловому напряжению нет, так как в поворотный экран вода подается после циркуляции по нижнему и боковым экранам с температурой близкой к 100-105 С. Причем в центральной части труб, в большей ее половине движение потока воды выполнено нисходящим, что крайне нежелательно при высоких тепловых напряжениях в топке из-за горящего факела от фронтовой стенки. В нижнем и верхнем коллекторах поворотного экрана размещены по одной центральной перегородке, которые обеспечивают движение двух равных восходящих потоков воды по всем трубам поворотного экрана. В верхнем фронтовом коллекторе по центру размещена одна перегородка,которая обеспечивает перепуск независимых двух потоков воды из потолочного экрана к двум боковым экранам со стороны фронтового экрана. При этом по мере возрастания температуры воды в котле возрастает и температура стенок труб,симметричных половинок всех экранов топки и симметричных половинок потолочного, фронтового и нижнего экранов топки,не вызывая неравномерных температурных напряжений основного корпуса котла. По ходу движения двух равных потоков воды вдоль топки до конвективной части котла в процессе нагрева воды увеличивается температура стенки труб. Путем увеличения общего расхода воды обеспечивается равномерное нагревание воды в симметричных половинках котла, а также в симметричных рядах конвективного пучка труб и устраняется неравномерный нагрев равноудаленных участков труб и коллекторов от продольной оси котла. Равномерный нагрев равноудаленных участков труб симметричных экранов от продольной оси котла позволяет размещать котел горизонтально и увеличить пропускную способность по воде в два и более раза от номинальной с сохранением гидравлического сопротивления котла. На фиг.1 представлен общий вид водогрейного котла с двумя подводами воды. На фиг.2 схематически представлен водогрейный котел с разнесенными для наглядности экранами и схемой движения воды тепловой производительностью 23,26 МВт (20 Гкал/час). Водогрейный котел содержит параллельно расположенные трубы 1 топки 2, собранные совместно фронтовой экран 3 и нижний экран 4,промежуточный экран 5, нижний коллектор 6,верхний коллектор 7 промежуточного экрана,фронтовой верхний коллектор 8, два фронтовых средних 9 коллектора, нижний фронтовой коллектор 10, установленные далее во всех поперечных и продольных коллекторах перегородки 11, левый и правый фронтовые перепускные коллектора 12, два 3 фронтовых входных коллектора 13,предохранительный клапан 14 топки, правый боковой экран 15, верхний правый коллектор 16,нижний правый коллектор 17, левый боковой экран 18, левый верхний боковой коллектор 19, нижний левый боковой коллектор 20, верхний коллектор 21 фестонного экрана 22, нижний коллектор 23 фестонного экрана 22, перепускной коллектор 24 из нижнего коллектора 23 в правый нижний коллектор 25 правого конвективного пакета 26, верхний коллектор 27 правого конвективного пакета 26,перепускной коллектор 28, верхний коллектор 29 тыльного экрана 30, нижний коллектор 31 тыльного экрана 30, перепуск нижний левый 32, левый нижний коллектор 33 левого конвективного пакета 34, левый верхний выходной коллектор 35 левого конвективного пакета 34, заглушки 36. Параллельные трубы 1 топки 2 размещены горизонтально, фронтовой экран 3 размещен вертикально,нижний экран 4 размещен горизонтально, промежуточный экран 5 размещен вертикально, нижний коллектор 6 размещен горизонтально, верхний коллектор 7 размещен горизонтально, верхний коллектор 8 фронтового экрана 3 расположен горизонтально, два средних фронтовых коллектора 9 размещены горизонтально,нижний фронтовой коллектор 10 размещен горизонтально, все перегородки 11 коллекторов размещены вертикально, левый и правый фронтовые перепускные коллектора 12 размещены вертикально, входные коллектора 13 размещены вертикально,предохранительный клапан 14 размещен горизонтально, правый боковой экран 15 размещен вертикально, верхний правый коллектор 16 размещен горизонтально, нижний правый коллектор 17 размещен горизонтально, левый боковой экран 18 размещен вертикально, левый верхний боковой коллектор 19 размещен горизонтально, нижний левый боковой коллектор 20 размещен горизонтально, верхний коллектор 21 размещен горизонтально, фестонный экран 22 размещен вертикально, нижний коллектор 23 фестонного экрана размещен горизонтально,перепускной коллектор 24 из нижнего коллектора 23 размещен горизонтально, правый нижний коллектор 25 правого конвективного пакета размещен горизонтально, правый конвективный пакет 26 размещен вертикально, верхний коллектор 27 правого конвективного пакета размещен горизонтально, перепускной коллектор 28 размещен вертикально, верхний коллектор 29 тыльного экрана размещен горизонтально, тыльный экран 30 размещен вертикально, нижний коллектор 31 тыльного экрана размещен горизонтально, перепуск нижний левый 32 размещен горизонтально, левый нижний коллектор 33 левого конвективного пакета размещен горизонтально, левый конвективный пакет 34 размещен вертикально, левый верхний выходной коллектор 35 левого конвективного пакета 34 размещен горизонтально, заглушки 36 размещены вертикально. Расположение перегородок 11 по центру во всех поперечных коллекторах 6, 7, 8, 10, 21, 23 в топке, а 4 в коллекторах 29 и 31 конвективной части с симметричным смещением и делящей весь котел по равным гидравлическим сопротивлениям в продольном сечении,обусловлено подачей удвоенного расхода воды двумя равными параллельными потоками в симметричные половинки котла. Непосредственная подача увеличенного расхода воды в поворотный экран с температурой 70 С снижает температуру стенок труб в наиболее теплонапряженных участках поворотного и фестонного экранов топки, а также первых рядов труб первого конвективного пакета. Расположение перегородок 11 и заглушек 36 в верхнем правом 27 и правом нижнем конвективных коллекторе 25 и в верхнем левом 35 и левом нижнем конвективном коллекторе 33 обеспечивает последовательное движение объединенного потока воды сначала по правому конвективному пакету 26,а далее по левому конвективному пакету 34. Расположение промежуточного экрана 5 с температурой воды 70 С перед тыльным экраном на расстоянии (10-15)тр и первыми рядами конвективных пакетов 26 и 34 обеспечивает надежную и эффективную работу путем обеспечения движения воды и продуктов сгорания по схеме противотока. Продукты сгорания по газовому тракту опускаются вниз, а движение воды одним потоком организовано вертикально вверх. При этом общее гидравлическое сопротивление котла по воде в контуре остается на прежнем уровне, из-за уменьшения в два раза числа ходов включительно до правого конвективного пакета, что не применялось в серийных водогрейных котлах. Котлы такой конструкции удобны для персонала котельной в условиях эксплуатации, а при проведении ремонтных работ не требуют больших затрат. Водогрейный котел работает следующим образом. Вода поступает в котел двумя равными потоками слева и справа симметрично от центральной перегородки 11 в нижний фронтовой коллектор 10 и по параллельным трубам 1 топки 2 и после горизонтальных труб нижнего экрана 3 попадает в нижний коллектор 6 поворотного экрана 5. Поднимаясь вверх по всем трубам поворотного экрана 5 и экранируя и защищая собой фестонный экран 22 от высокотемпературного факела поступает в верхний коллектор 7, из верхнего коллектора 7 по параллельным трубам 1 потолочного экрана 6 поступает в верхний фронтовой коллектор 8 с центральной перегородкой 11. В верхнем фронтовом коллекторе 8 с помощью центральной перегородки 11 равная половина потока направляется в боковой фронтовой средний коллектор 9, а вторая половина потока во второй фронтовой средний коллектор 9. Далее описание приведено для одной правой симметричной стороны топки котла, точно такая же схема циркуляции выполняется по левой симметричной стороне котла. В правый боковой экран 15 половина потока воды попадает по правому фронтовому перепускному коллектору 12 из фронтового среднего правого коллектора 9. В верхнем правом коллекторе 16 содержащего две перегородки 11, половина потока воды делает последовательно четыре хода по правому боковому экрану 15 - два опускных и два подъемных хода с перепуском в верхний коллектор 21 фестонного экрана 22. Из верхнего коллектора 21 уже два потока воды по симметричным половинам фестонного экрана 22 поступают в нижний коллектор 23 из которого перепускным коллектором 24 общий поток воды перепускается в правый нижний коллектор 25 правого конвективного пакета 26, по которому поднимается до верхнего правого коллектора 27. Из верхнего правого коллектора 27 поток воды перепускается правым перепускным коллектором 28 в верхний тыльный коллектор 29 тыльного экрана 30. В тыльном экране поток воды делает последовательно три хода - опускной,подъемный и снова опускной за счет симметрично смещенных перегородок 11 и поступает в нижний коллектор 31 тыльного экрана 30. Из нижнего коллектора 31 по левому перепуску 32 вода поступает в нижний левый коллектор 33 левого конвективного пакета 34. Поднимаясь по левому конвективному пакету 34 поток воды поступает в верхний левый коллектор 35 и далее вода выводится из котла в систему отопления. По симметричной левой стороне топки котла вплоть до нижнего коллектора фестонного экрана вторая равная половина потока воды делает такие же симметричные ходы. Поэтому в описании правой симметричной стороны циркуляции воды в котле опущены номера коллекторов и экранов 18,19 и 20 левой стороны котла. Изобретение подтверждается теплотехническими и гидравлическими расчетами, подтверждающими равномерный нагрев симметрично включенных в схему циркуляции труб и коллекторов, в зависимости от двойного увеличения расхода воды через котел, относительно номинального расхода воды для серийных водогрейных котлов. Расчетами показано, что снижение температуры воды на выходе из котла с 150 С и до 130 С, при входной температуре воды в котел 70 С может быть обеспечено подачей воды с расходом 360 м 3/час(100 кг/сек) за счет предлагаемой схемы циркуляции воды. При этом гидравлическое сопротивление котла тепловой производительностью 23,2 МВт составит всего 2,25 кгс/см 2 (22500 кг/м 2). Увеличение расхода воды в три и более раза, может широко применяться на практике, это позволяет повысить надежность котла с меньшими температурными перекосами и соответственно с меньшими тепловыми и механическими нагрузками на симметричные элементы экранов. В пределах топочного объема такого котла снимается большее количество тепла, а температура газового потока перед конвективными пакетами труб снижается. Разделение конвективных пакетов на две отдельные секции по воде обеспечивает благоприятный температурный режим и увеличивает надежность котла. Для получения такой величины снижения температуры воды на выходе для серийных котлов и соответственного снижения температуры стенки труб экранов пришлось бы увеличить расход воды в традиционных котлах в два раза, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления в серийных водогрейных котлах в три раза. Это практически приводит к значительному увеличению расхода электроэнергии на собственные нужды и нарушает соблюдение общепринятых (по ГОСТ гидравлическое сопротивление котла должно быть не более 0,25 МПа) перепадов по давлению воды при работе водогрейных котлов аналогичной тепловой мощности в котельных. В предлагаемом изобретении подача воды с температурой 70 С сразу в поворотный экран существенно снижает тепловое напряжение цельносварного тыльного экрана,который обеспечивает нисходящее движение продуктов сгорания с верху вниз, а движение воды в конвективных пакетах с низу вверх. Конструкция котла позволяет увеличить расхода воды через котел в два раза, выполняется для равномерного симметричного нагрева стенок параллельно включенных труб и коллекторов и снижения гидравлического сопротивления во всем контуре котла. При этом увеличивается надежность водогрейного котла диапазон количественного регулирования отпуском тепла,упрощается гидравлическая схема внутри котельной,повышается тепловая эффективность котла на всех режимах и общее гидравлическое сопротивление котла практически не увеличивается. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Водогрейный котел, состоящий из горелок и параллельно расположенных труб, соединенных с коллекторами, имеющими перегородки и собранных вместе с коллекторами в топочный экран,содержащий фронтовой, нижний, поворотный,фестонный, потолочный экраны и боковые экраны с верхними и нижними коллекторами и конвективной частью котла с конвективными пакетами труб,отличающийся тем, что в каждом из нижних и верхних поперечных коллекторов фронтового,нижнего, верхнего, поворотного, фестонного и тыльного экранов топки размещено по одной центральной перегородке, а в верхнем и нижнем коллекторах тыльного экранов конвективной части размещено по одной симметрично смещенной перегородке, причем подача двух параллельных потоков воды выполнена сразу из нижнего экрана в поворотный экран с восходящим движением, при этом поворотный экран в топке собран из трехрядных экранных труб смещен к фронту котла и расположен на расстоянии (10-15)тр перед тыльным экраном топки, при этом трубы тыльного экрана топки на четыре пятых высоты топки от нижнего коллектора проварены мембранами, а в верхней пятой части до верхнего коллектора разведены между собой и вместе с трубами фестонного экрана образуют шести рядный фестон,при этом движение воды во всех конвективных