Водогрейный котел

(51) 24 1/00 (2011.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ коллектор имеет по три перегородки, делящие подсоединенные к конвективным стойкамколлекторам ряды труб конвективных пакетов на две равные части, а верхний и нижний коллекторы тыльного экрана имеют по одной центральной перегородке, при этом фронтовой верхний коллектор соединен двумя симметричными перепускными патрубками с верхним коллектором тыльного экрана, а в верхней части котла размещен Т-образный сборный коллектор и все экраны выполнены цельносварными. Последовательное подъемное движение всего потока воды по фестонному и фронтовому напряженным экранам обеспечивает равномерный нагрев экранов и устраняет температурный перекос в разных частях экранов. Опускное движение с большей скоростью обеспечивается по менее теплонапряженным двум боковым и тыльному экранам котла. Водогрейный котел обеспечивает надежную работу поверхностей нагрева с удвоенным расходом воды при форсированных режимах, при изменениях количественной нагрузки, а также при регулировках и перепусках воды по схемам рециркуляции или между котлами в котельной. При этом по мере возрастания температуры воды и температуры стенок труб, зависящих от температуры воды, симметричные части всех экранов и конвективных пакетов труб равномерно обогреваются,не вызывая неравномерных температурных напряжений по всему котлу.(76) Орумбаев Рахимжан Кабиевич Орумбаева Шолпан Рахимжановна Абдуллаев Калык Абдуллаевич Абдуллаев Талгат Калыкович Орумбаев Алтынбек Рахимжанович(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. Для этого в водогрейном котле, состоящем из горелок и параллельно расположенных труб,соединенных с коллекторами,имеющими перегородки и собранных вместе с коллекторами в топочный экран,содержащий фронтовой,фестонный, тыльный, левый и правый боковые экраны с верхними и нижними коллекторами, и конвективной части котла с конвективными пакетами труб, согласно изобретению, конвективная часть состоит из двух симметричных левой и правой конвективных секций, каждая из которых содержит стойки-коллекторы, соединенные с верхним и нижним коллекторами, а также с левыми и правыми конвективными пакетами, причем количество рядов труб в левых и правых конвективных пакетах уменьшается от нижнего к каждому последующему пакету на два ряда, каждая конвективная стойка 25964 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 ПТВМ-30 МС(30 Гкал/час). Котел содержит вертикальную топочную камеру - топку и конвективную часть, расположенную за фестонным экраном в вертикальной шахте. Топка котла содержит параллельно включенные трубы с коллекторами,имеющими перегородки,объединенные в топочную камеру объемом 128,6 м 3 ,включающую фронтовой нижний и потолочный экраны, два боковых экрана и шесть горелок на боковых экранах и фестонный экран. Конвективная вертикальная шахта содержит со стороны топки фестонный экран, по двум боковым сторонам рядом стоящие стойки конвективных труб, а с тыльной стороны котла тыльный и часть потолочного экрана. Трубы всех экранов не проварены между собой и не герметичны. Конвективная поверхность нагрева два конвективных пучка труб расположены непосредственно за топочной камерой, набираются из горизонтально расположенных -образных согнутых труб диаметром 283 мм, соединенных с боковыми вертикальными коллекторами, которые закрывают собой боковые стены конвективной шахты. В котле ПТВМ-30 МС (Дорогобужкотломаш) предусмотрен подвод воды (372 т/час) в правую половину нижнего коллектора правой половины (32 трубы диаметром 603 мм) трубы фестонного экрана. В верхнем коллекторе фестонного экрана поток воды перепускается в левую половину фестонного экрана и опускается в левую половину нижнего коллектора фестонного экрана. Из левой половины нижнего коллектора фестонного экрана поток перепускается в нижний коллектор левого бокового экрана и поднимается по 36 трубам диаметром 603 мм к верхнему коллектору левого бокового экрана. По верхнему общему левому боковому коллектору вода попадает в левую конвективную секцию с левыми вертикальными стойками и далее опускается вниз через два конвективных пакета труб диаметром 283 мм с общей поверхностью нагрева 693 м 3 и попадает в левую половину нижнего конвективного коллектора на уровне нижнего коллектора тыльного экрана котла. Из левой половины нижнего коллектора вода поднимается по параллельным 32 трубам диаметром 603 мм левой половины тыльного экрана до левой половины верхнего коллектора тыльного экрана. В верхнем коллекторе тыльного экрана вода перепускается в правую половину верхнего коллектора и из него по параллельным 32 трубам диаметром 60 мм тыльного экрана опускается к правой половине нижнего коллектора тыльного экрана. Из правой половины нижнего коллектора тыльного экрана вода перепускается в правый нижний коллектор правой конвективной секции. По 2 правым вертикальным стойками вода поднимается через два конвективных пакета по трубам диаметром 283 мм и попадает в правую половину верхнего конвективного коллектора, являющегося продолжением правого верхнего бокового коллектора правого бокового экрана. Из правого верхнего бокового коллектора вода опускается по параллельным 36 трубам диаметром 603 мм правого бокового экрана и попадает в нижний правый боковой коллектор из которого перепускается в левую половину нижнего коллектора фронтового экрана. Поднимаясь по 32 параллельным трубам диаметром 603 мм фронтового экрана, вода попадает в левую половину верхнего коллектора фронтового экрана и перепускается в правую половину верхнего коллектора фронтового экрана. Из правой половины верхнего коллектора вода опускается по 32 параллельным трубам диаметром 603 мм правой половины фронтового экрана, попадает в правую половину нижнего коллектора фронтового экрана и далее отводится из котла в систему. Серийные водогрейные котлы тепловой производительностью 34,8 МВт сконструированы таким образом, что движение воды в топках котлов последовательное многоходовое и выполняется одним потоком воды вокруг топки. Спроектированные таким образом водогрейные котлы с одним последовательным потоком воды приводят к разным температурным уровням нагрева экранов, так как поток воды по ходу последовательного движения увеличивает свою температуру,соответственно увеличивая температуру стенки труб экранов и коллекторов. Поэтому, в зависимости от места ввода воды в котел, левая или правая сторона котла нагревается неравномерно. И при увеличении тепловой нагрузки котла, экраны и коллектора с параллельно включенными трубами испытывают разную тепловую и механическую нагрузку, которая может привести к выходу из строя 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. Большая разница температуры стенки труб в левом и в правом боковых экранах топки котла иразница температуры стенки в левом и в правом конвективных пакетах труб приводит к разному тепловому расширению экранов котла и снижению тепловой эффективности. Задача изобретения - разработка водогрейного котла для работы на природном газе, жидком и твердом топливе, обеспечивающего надежную работу при изменениях нагрузки (как качественной,так и количественной) и при регулировках расходов воды в рабочем режиме, а также с большими расходами воды через котел, больше номинального более чем в два раза. Для этого в водогрейном котле, состоящем из горелок и параллельно расположенных труб,соединенных с коллекторами,имеющими перегородки и собранных вместе с коллекторами в топочный экран,содержащий фронтовой,фестонный, тыльный, левый и правый боковые экраны с верхними и нижними коллекторами, и конвективной части котла с конвективными пакетами труб, согласно изобретению, конвективная часть состоит из двух симметричных левой и правой конвективных секций, каждая из которых содержит стойки-коллекторы, соединенные с верхним и нижним коллекторами, а также с конвективными пакетами, причем количество рядов труб в левых и правых конвективных пакетах уменьшается от нижнего к каждому последующему пакету на два ряда, каждая конвективная стойка-коллектор имеет по три перегородки, делящие подсоединенные к конвективным стойкам-коллекторам ряды труб конвективных пакетов на две равные части, а верхний и нижний коллекторы тыльного экрана имеют по одной центральной перегородке, при этом фронтовой верхний коллектор соединен двумя симметричными перепускными патрубками с верхним коллектором тыльного экрана, а в верхней части котла размещен Т-образный сборный коллектор и все экраны выполнены цельносварными. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид водогрейного котла с разнесенными для наглядности экранами и конвективными пакетами на фиг.2 - схема циркуляции воды на фиг.3 - фрагмент левой конвективной секции,разрез А-А на фиг.1. Водогрейный котел содержит параллельно расположенные трубы экранов 1, фронтовой экран 2, фронтовой нижний коллектор 3, фронтовой верхний коллектор 4, фестонный экран 5,фестонный верхний коллектор 6, фестонный нижний коллектор 7, левый боковой экран 8,верхний коллектор 9 левого бокового экрана 8,нижний коллектор 10 левого бокового экрана 8,тыльный экран 11, верхний коллектор 12 тыльного экрана 11 с центральной перегородкой 13, нижний коллектор 14 тыльного экрана 11 с центральной перегородкой 13, левая конвективная секция,включающая левые конвективные пакеты 15, левые конвективные стойки-коллекторы 16, верхний коллектор 17 левых конвективных стоекколлекторов 16, нижний коллектор 18 левых конвективных стоек-коллекторов 16,правая конвективная секция,включающая правые конвективные пакеты 19, правые конвективные стойки-коллекторы 20, нижний коллектор 21 правых конвективных стоек-коллекторов 20, верхний коллектор 22 правых конвективных стоекколлекторов 20, Т-образный сборный верхний коллектор правый боковой экран 24, верхний коллектор 25 правого бокового экрана нижний коллектор 26 правого бокового экрана 24, два симметричных перепускных патрубка 27, по три перегородки 28 в стойках- коллекторах 16 и 20,выходной патрубок 29, входной патрубок 30. Топка котла содержит собранные воедино фронтовой 2 экран с нижним 3 и верхним 4 3 коллекторами фронтового экрана 2, фестонный экран 5 с верхним 6 и нижним 7 коллекторами,левый боковой экран 8, с верхним 9 и нижним 10 коллекторами, тыльный экран 11, с верхним 12 и нижним 14 коллекторами, правый боковой экран 24 с верхним 25 и нижним 26 коллекторами, Тобразный сборный верхний коллектор 23, два симметричных перепускных патрубка 27, выходной патрубок 29 и входной патрубок 30. Конвективная часть котла содержит левую и правую конвективные секции. Левая конвективная секция включает левые конвективные пакеты 15,левые конвективные стойки-коллекторы 16 с тремя перегородками 28 в каждой стойке коллекторе 16,верхний 17 и нижний 18 коллекторы левых конвективных стоек-коллекторов 16. Правая конвективная секция содержит правые конвективные пакеты 19, правые стойки-коллекторы 20 с тремя перегородками в каждой стойкеколлекторе 20, нижний 21 и верхний 22 коллекторы правых конвективных стоек-коллекторов 20 ,тыльный экран 11 с верхним 12 и нижним 14 коллекторами с центральной перегородкой 13 в верхнем 12 и нижнем 14 коллекторах. Фронтовой верхний коллектор 4 соединен двумя симметричными перепускными патрубками 27 с верхним тыльным коллектором 12 тыльного экрана 11. Горелки на фигурах не показаны. Параллельные трубы 1 и фронтовой экран 2 размещены вертикально, фронтовой нижний коллектор 3 размещен горизонтально, фронтовой верхний коллектор 4 расположен горизонтально,фестонный экран 5 с параллельными трубами 1 расположены вертикально, верхний коллектор 6 фестонного экрана 5 расположен горизонтально,нижний коллектор 7 фестонного экрана 5 расположен горизонтально, левый боковой экран 8 с параллельными трубами 1 расположен вертикально,верхний коллектор 9 левого бокового экрана 8 расположен горизонтально, нижний коллектор 10 левого бокового экрана 8 расположен горизонтально, тыльный экран 11 с параллельными трубами 1 размещен вертикально, верхний коллектор 12 тыльного экрана 11 размещен горизонтально, нижний коллектор 14 тыльного экрана 11 размещен горизонтально, центральные перегородки 13 в верхнем 12 и нижнем 14 коллекторах тыльного экрана 11 размещены вертикально, левые конвективные пакеты 15 размещены горизонтально,левые стойкиколлекторы 16 размещены вертикально, а по три перегородки 28 в каждой стойке- коллекторе 16 размещены горизонтально, верхний коллектор 17 левых конвективных стоек-коллекторов 16 размещен горизонтально, нижний коллектор 18 левых конвективных стоек-коллекторов 16 размещен горизонтально, правые конвективные пакеты 19 размещены горизонтально, правые конвективные стойки- коллекторы 20 размещены вертикально, а по три перегородки 28 в каждой конвективной стойке- коллекторе 20 размещены горизонтально, нижний коллектор 21 размещен горизонтально, верхний коллектор 22 правых конвективных стоек-коллекторов размещен горизонтально, Т-образный сборный верхний коллектор 23 размещен горизонтально и развернут к правому боковому экрану 24, размещенному вертикально, верхний коллектор 25 правого бокового экрана размещен горизонтально, нижний коллектор 26 правого бокового экрана размещен горизонтально, два симметричных перепускных патрубка 27 размещены горизонтально, выходной патрубок 29 из нижнего коллектора 26 размещен вертикально, входной патрубок 30 в нижний коллектор 7 фестонного экрана 5 размещен вертикально. Увеличенный расход воды с восходящим движением в параллельных трубах 1 экранов 5 и 8,снижает температуру стенок труб в наиболее теплонапряженных участках фронтового и фестонного экранов топки, а также первых рядов труб симметричных левого 15 и правого 19 конвективных пакетов. Расположение двух симметричных перепускных патрубка 27, поперечной центральной перегородки 13 в верхнем 12 и нижнем 14 коллекторах тыльного экрана 11, и симметричное расположение по три перегородки 28 в каждой из левых и правых конвективных стойках-коллекторах 16,20 обеспечивает последовательное движение двух равных потоков воды сначала по тыльному экрану 11 и далее по левому 15 и правому 19 конвективным пакетам по наиболее эффективной противоточной схеме. При этом общее гидравлическое сопротивление котла по воде в контуре остается на прежнем уровне из-за уменьшения в два раза числа ходов относительно известных котлов. Котлы такой конструкции удобны для персонала котельной в условиях эксплуатации, а при проведении ремонтных работ не требуют больших затрат и мощных подъемных механизмов. Водогрейный котел работает следующим образом. Вода (например, 580 м 3/ч) поступает в котел через входной патрубок 30 в нижний фестонный коллектор 7 и по параллельным трубам 1 теплонапряженного фестонного экрана 5 поднимается в верхний коллектор 6 фестонного экрана 5. Из верхнего коллектора 6 вода поступает в верхний коллектор 9 левого бокового экрана 8 и далее по параллельным трубам 1 опускается в нижний коллектор 10 левого бокового экрана 8. Из нижнего коллектора 10 вода перепускается в нижний коллектор 3 фронтового экрана 2 и из него по параллельным трубам 1 теплонапряженного фронтового экрана 2 поднимается вверх до верхнего коллектора 4. Из верхнего коллектора 4 фронтового экрана 2 вода по двум симметричным перепускным патрубкам 27 двумя потоками попадает в верхний коллектор 12,разделенный центральной перегородкой 13, и по параллельным трубам 1 тыльного экрана 11 двумя потоками опускается к нижнему коллектору 14. С левой стороны которого одна половина потока попадает в левый нижний коллектор 18 левых конвективных стоек 4 коллекторов 16, а с правой стороны нижнего коллектора 14 вторая половина потока попадает в правый нижний коллектор 21 правого конвективного пакета 19, далее по противоточной схеме два параллельных потока воды поднимаются по симметричным трубам диаметром 32 мм и 33,7 мм до левого верхнего коллектора 17 левого конвективного пакета 15 и до правого верхнего коллектора 22 правого конвективного пакета 19, из левого верхнего коллектора 17 и правого верхнего коллектора 22 два потока воды объединяются Т-образным сборным верхним коллектором 23, и одним потоком вода поступает в верхний коллектор 25 правого бокового экрана 24 и опускается по всем параллельным трубам 1 до нижнего коллектора 26,из которого выходным патрубком 29 вода выводится из котла. Установка центральной перегородки 13 в верхнем коллекторе 12 и в нижнем коллекторе 14 тыльного экрана 11 обеспечивает разделение общего потока воды на два равных потока до симметричного левого конвективного пакета 15 и до симметричного правого конвективного пакета 19. Две центральные перегородки 13 в коллекторах 12 и 14 тыльного экрана 11 обеспечивают нисходящее движение двух разделенных потоков по симметричным левой и правой стороне тыльного экрана 11 и далее восходящее движение по симметричным левому конвективному пакету 15 и по симметричному правому конвективному пакету 19 двух равных потоков воды. Причем в симметричном левом конвективном пакете 15 в левых стойках коллекторах 16 установлены по три перегородки 28, а в симметричном правом конвективном пакете 19 в правых стойках коллекторах 20 установлены по три перегородки 28. Установка трех перегородок 28 в симметричных левых стойках коллекторах 16 и трех перегородок 28 в симметричных правых стойках коллекторах 20 обеспечивает восходящее движение двух равных потоков с приростом скорости воды так как в верхних симметричных конвективных частях пакетов труб количество рядов труб в каждом последующем ходе (после конвективных пакетах уменьшается на -2 ряд. Где- количество рядов труб в нижних симметричных - левой и правой части конвективных пакетов до первой перегородки. После входа воды в котел одним общим потоком последовательно выполняется четыре хода по всем параллельным трубам 1 каждого из перечисленных топочных экранов 2, 5 и 8. Поэтому в описании двух симметричных сторон левого конвективного и правого конвективного пакетов схема циркуляции воды предусматривает по три хода (из-за установки трех симметричных перегородок в стойках коллекторах) в каждом из конвективных пакетов. Во всех серийных аналогичных водогрейных котлах с конвективными трубами диаметром 283 мм схема циркуляции воды предусматривает как правило два хода, реже три хода, причем количество конвективных труб (рядов) остается всегда одинаковой, а скорость воды в трубах не изменяется и во всех симметричных конвективных трубах конвективных пакетов одинакова, при этом температура продуктов сгорания изменяется от 1050 С перед конвективными пакетами до 180 С после конвективных пакетов. Существенное увеличение температуры продуктов сгорания обуславливает увеличение скорости воды в трубах симметричных конвективных пакетов по мере подъема воды к верхней части котла и надежного охлаждения стенок труб. Изобретение подтверждается расчетами,основанными на опытных данных первого образца водогрейного котла с приведенной схемой циркуляции воды по экранам и подтверждает равномерный нагрев симметрично включенных по противоточной схеме движения двух потоков воды по конвективным трубам диаметром 32 мм, в зависимости от увеличения расхода воды через котел более 175 относительно номинального расхода воды в старых серийных котлах. Опытные результаты тепловых испытаний котла показали, что температура воды на выходе из котла составила 143 С, на входе воды в котел температура 70 С, расход воды 580 м 3 час (161,1 кг/сек), тепловая производительность котла КВ-ГМ-42 составила 49,3 МВт (42 Гкал/час). При этом гидравлическое сопротивление котла тепловой производительностью 49,3 МВт составило всего 2,75 кгс/см 2(27500 кг/м 2) при расходе воды через котел 580 м 3/час(161,1 кг/с). Увеличение расхода воды в два и более раза, широко применяется на практике. Это позволяет повысить надежность работы котла из-за снижения температуры стенки металла труб в теплонапряженных частях котла и снижения уровня температурных перекосов и, соответственно,тепловых и механических нагрузок на симметричные элементы экранов. В пределах топочного объема предлагаемого котла снимается большее количество тепла, а температура газового потока перед конвективными пакетами труб снижается. Разделение конвективной части котла на две отдельные секции и включение по противоточной эффективной схеме относительно газов обеспечивает благоприятный температурный режим и увеличивает надежность и ремонтопригодность котла. Для получения такой величины снижения температуры воды на выходе для известных котлов и соответственного снижения температуры стенки труб экранов пришлось бы увеличить расход воды в известных котлах в два раза, а это приводит к увеличению гидравлического сопротивления в три раза, что является неприемлемым. Это практически приводит к значительному увеличению расхода электроэнергии на собственные нужды и нарушает соблюдение общепринятых (по ГОСТ) перепадов по давлению воды при работе водогрейных котлов аналогичной тепловой мощности в котельных. В предлагаемом изобретении выравнивается температурный уровень воды в каждом из экранов котла путем увеличения расхода воды через котел и одновременно равномерно симметрично нагреваются стенки параллельно включенных труб экранов. Не растет гидравлическое сопротивление по всем экранам котла и одновременно увеличивается рабочая поверхность конвективных пакетов труб диаметром 32 мм на 220 м 2. Это позволяет увеличить тепловую производительность известного котла, мощностью 42 Мвт на 14 МВт(12 Гкал/час), а удельные расходы электроэнергии снизить на 30. Общее гидравлическое сопротивление котла практически не увеличивается и остается на уровне 2,75 кгс/см 2(27500 кг/м 2) при расходе воды в котле 580 м 3/ч. 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, фестонный, тыльный,левый и правый боковые экраны с верхними и нижними коллекторами, и конвективной части котла с конвективными пакетами труб, отличающийся тем, что конвективная часть состоит из двух симметричных левой и правой конвективных секций, каждая из которых содержит стойкиколлекторы, соединенные с верхним и нижним коллекторами, а также с конвективными пакетами,причем количество рядов труб в конвективных пакетах уменьшается от нижнего к каждому последующему пакету на два ряда, каждая конвективная стойка-коллектор имеет по три перегородки,делящие подсоединенные к конвективным стойкам-коллекторам ряды труб конвективных пакетов на две равные части, а верхний и нижний коллекторы тыльного экрана имеют по одной центральной перегородке, при этом фронтовой верхний коллектор соединен двумя симметричными перепускными патрубками с верхним коллектором тыльного экрана, а в верхней части котла размещен Т-образный сборный коллектор и все экраны выполнены цельносварными.