Водогрейный котел

(51) 24 1/00 (2010.01) 24 1/22 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ наружной стороны охлаждается воздухом из общего подающего воздуховода. Указанные соотношения геометрических размеров каждой из тангенциальных щелей позволяет по всей внутренней поверхности стенки вихревой топочной камеры образовать воздушный плотный слой. При этом разбрызгиваемый с осевой зоны крышки форсункой мазут или природный газ за счет центробежного эффекта взаимодействует только с ближним к оси вихревой камеры слоем воздуха по всей поверхности внутренней стороны вихревой камеры. Образованный тангенциальными щелями плотный вращающийся газовоздушный слой у внутренней стенки вихревой камеры создает благоприятные условия для постепенного смесеобразования и термической подготовки частиц топлива. Локальная зона смесеобразования по всей внутренней стороне стенки вихревой топочной камеры позволяет обеспечивать предварительную термическую подготовку более крупных частичек топлива без достижения максимальной температуры. Рассредоточенное распределение основной части холодного воздуха с помощью тангенциальных щелей обеспечивает поддержание на одном уровне температуры внутренней стенки и благоприятные условия для низкого уровня образования окислов азота. Процесс сжигания мазута или природного газа в горизонтальных вихревых топочных камерах происходит с низким коэффициентом избытка воздуха из-за плотного слоя воздуха у внутренней стенки. Поэтому температура горения в зоне смесеобразования и воспламенения у стенки вихревых топочных камер не достигает своего максимума и снижает образование серного ангидрида 3,а карборундовая обмазка защищает металл внутренней цилиндрической стенки и крышки вихревой топочной камеры от высокотемпературного воздействия светящегося мазутного факела. В результате работы вихревых топочных камер водогрейные котлы полностью набирают необходимую тепловую нагрузку и увеличивается надежность их работы.(76) Орумбаев Рахимжан Кабиевич Орумбаева Шолпан Рахимжановна Жакаев Аманжол Шарипович(56) Гипшман И.М. и др. Гидродинамика и температурный режим водогрейного котла ПТВМ 100//Теплоэнергетика. 1984, с.33-3812027 , 16.09.20029915840 1, 01.04.19994342392 1, 14.06.199512460 1, 10.01.2000(57) Изобретение относится к теплоэнергетике, к водогрейным котлам с вихревыми камерами для сжигания жидкого и газообразного топлива,которые могут быть использованы в системах централизованного теплоснабжения и предназначены для установки в промышленноотопительных котельных в качестве основных источников горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий и сооружений, а также на ТЭЦ в качестве источников тепла для работы в основном и пиковом режимах. Водогрейный котел,содержит вихревые топочные камеры и, согласно изобретению, каждая вихревая топочная камера состоит из улиточного корпуса с наружной улиточной обечайкой и внутренней цилиндрической обечайкой. На стенке цилиндрической обечайки выполнены тангенциальные щели,относительная длина которых составляет 1/0,90,09, а относительная ширина тангенциальной щели составляет / 0,070,007, при этом отношение длины к диаметру вихревой топочной камеры составляет /1,11,2,где- длина тангенциальной щели,-ширина тангенциальной щели,- длина внутренней цилиндрической стенки вихревой топочной камеры, - диаметр внутренней цилиндрической стенки вихревой топочной камеры. Крышка вихревой топочной камеры выполнена полой, с внутренней стороны закрыта огнеупорной обмазкой, а с Изобретение относится к теплоэнергетике, к водогрейным котлам с вихревыми камерами для сжигания жидкого или газообразного топлива,которые могут быть использованы в системах централизованного теплоснабжения и предназначены для установки в промышленноотопительных котельных в качестве основных источников горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий и сооружений, а также на ТЭЦ в качестве источников тепла для работы в основном и пиковом режимах. Известен водогрейный котел типа ПТВМ,тепловой мощностью 87 МВт с шестнадцатью газомазутными горелками с форсунками и вентиляторами (ПТВМ-100), и тепловой мощностью 58 МВт (ПТВМ-50) с двенадцатью газо-мазутными горелками и вентиляторами (Каталог для проектирования котельных,ОАО Дорогобужкотломаш, Том 2,изд.4, с. 30-33). Котел типа ПТВМ имеет башенную компоновку над вертикальной топочной камерой прямоугольной формы располагается конвективная поверхность нагрева в виде шахматного пучка труб набранная в секции из- образных труб диаметром 283 мм. Стенки топки котла экранированы трубами диаметром 603 мм с шагом 64 мм. Боковые стены конвективного газохода экранированы трубами диаметром 833,5 мм с шагом 128 мм и являются стояками конвективных секций. Вся трубная система котла подвешивается к каркасу за верхние коллекторы и свободно расширяется вниз. Водогрейный котел типа ПТВМ в зависимости от мощности содержит по восемь горелок,расположенных на фронтовом и тыльном экране для котла тепловой мощности 87 МВт (ПТВМ-100) и по шесть горелок расположенных на фронтовом и тыльном экране для котла, тепловой мощности 58 МВт (ПТВМ-50). Каждая горелка снабжена индивидуальным дутьевым вентилятором. Многолетняя практика эксплуатации широко распространенных и выпускаемых в настоящее время водогрейных котлов ПТВМ-50 и ПТВМ-100 показала их неспособность надежно, длительно и экономично нести номинальную нагрузку, которая зафиксирована равной 75 от проектной номинальной. В условиях реальной эксплуатации, при работе водогрейного котла типа ПТВМ с известными газомутными горелками, например, на мазуте даже в максимально возможном режиме (75 от номинальной) фракции мазута не успевают полностью выгореть в достаточно коротком по высоте топочном пространстве. В результате значительная часть несгоревших частичек мазута догорает за пределами топки и продолжает догорание в конвективном пучке, расположенном над топочной камерой. Для испарения частички мазута необходимо время в 45-50 раз большее, чем для нагрева этой же частички до температуры испарения, при этом длины топочного расстояния до начала конвективных поверхностей нагрева недостаточно 2 для полного испарения и выгорания частичек мазута. Недостатком известного водогрейного котла является неполное сгорание частиц топлива в пределах топки и, соответственно, неблагоприятные условия работы труб конвективных поверхностей нагрева,расположенных сразу над высокотемпературной зоной ядра факела котла в целом. Задача изобретения - разработка водогрейного котла башенного типа с вихревыми топочными камерами, работающими на мазуте или природном газе,обеспечивающих надежную работу конвективных пакетов и котла в целом при изменениях количественной и качественной нагрузки котла в пределах номинальной в условиях эксплуатации и предварительную термическую подготовку топлива для полного выгорания частиц топлива в пределах топки. Для этого в водогрейном котле, состоящем из газо-мазутных горелок с форсунками,расположенных на фронтовом и тыльном экранах центральной топки, двух боковых экранов,конвективных секций, выполненных из параллельно расположенных -образных труб, подводящих патрубков для подачи воздуха и топлива, согласно изобретению, на фронтовом и тыльном экранах расположены вихревые топочные камеры с полыми крышками, каждая из вихревых топочных камер состоит из улиточного корпуса, включающего наружную улиточную обечайку и внутреннюю цилиндрическую обечайку,на последней выполнены тангенциальные щели, относительная длина которых/ составляет 0,90,09,относительная ширина / составляет 0,070,007,при этом отношение длины к диаметру вихревой топочной камеры / составляет 1,11,2, гдедлина тангенциальной щели,-ширина тангенциальной щели,- длина внутренней цилиндрической стенки вихревой топочной камеры, -внутренней диаметр вихревой топочной камеры. Крышка вихревой топочной камеры выполнена полой, с внутренней стороны закрыта огнеупорной(карборундовой) обмазкой, а с наружной стороны охлаждается воздухом из общего подающего воздуховода. Указанные соотношения геометрических размеров каждой из тангенциальных щелей длиной/0,070,007 и отношением длины к внутреннему диаметру вихревой топочной камеры /1,11,2, позволяет по всей внутренней поверхности стенки вихревой топочной камеры образовать плотный воздушный слой. При этом, распыляемый с осевой зоны крышки форсункой мазут или природный газ(топливо) за счет центробежного эффекта взаимодействует только с ближним к оси вихревой камеры слоем воздуха (окислителя) по всей поверхности внутренней стороны вихревой камеры. Образованный тангенциальными щелями плотный вращающийся газовоздушный слой у внутренней стенки вихревой камеры создает благоприятные условия для постепенного смесеобразования и термической подготовки частиц топлива. Локальная зона смесеобразования по всей внутренней стороне стенки вихревой топочной камеры позволяет обеспечивать предварительную термическую подготовку более крупных частичек топлива без достижения максимальной температуры, как это происходило бы в топочном объеме котла(центральной топке). При этом из-за рассредоточенного распределения основной части холодного воздуха с помощью например - четырех тангенциальных щелей происходит поддержание на одном уровне температуры внутренней стенки и благоприятные условия для низкого уровня образования окислов азота. Экспериментально установлено,что для водогрейного котла мощностью 87 МВт оптимальное количество вихревых топочных камер - восемь, а для водогрейного котла мощностью 58 МВт предпочтительнее четыре вихревые топочные камеры. Процесс сжигания мазута или природного газа в вихревых топочных камерах происходит с малым коэффициентом избытка воздуха из-за плотного приграничного слоя воздуха, куда постепенно проникает распыленное топливо. Поэтому температура горения в зоне смесеобразования и воспламенения с внутренней стороны стенки вихревых топочных камер не достигает своего максимума, и резко снижает вероятность реакции окисления сернистого ангидрида О 2 до серного ангидрида 3, а карборундовая обмазка защищает металл внутренней цилиндрической стенки и крышки вихревых топочных камер от высокотемпературного и химического воздействия светящегося факела. Применение предлагаемого водогрейного котла с сжиганием топлива в вихревых топочных камерах,соединенных с центральной топкой, путем предварительной термической его подготовки позволяет снизить выбросы токсичных , и снизить температуру уходящих газов по причине полного выгорания паров топлива в пределах центральной топки котла, поскольку только в пределах вихревых топочных камер частички мазута выполняют два-три оборота в вихревом потоке и длина траектории частиц достигает 9-12 метров еще до попадания в пространство центральной топки. При этом крутка воздушного потока в вихревых топочных камерах слабее, чем, например, у циклонной камеры и распределение статического давления внутри вихревых камер более равномерное, что устраняет образование мощных обратных токов высокотемпературных газов из прилегающего пространства центральной топки котла. Это позволяет применять на водогрейных котлах известные дутьевые вентиляторы. Изменение указанных параметров вихревых топочных камер в большую сторону увеличение ширины щели (/0,07) и ее длины (/0,9), более чем на 20 указанной, снижает тангенциальную скорость воздушного потока вдоль стенок и уменьшает эффект образования плотного воздушного слоя по всей внутренней поверхности стенки вихревой топочной камеры, а интенсивно разбрызгиваемое форсункой топливо попадает на огнеупорную обмазку и горит на стенке из-за упавшей тангенциальной скорости потока вдоль внутренней стенки вихревой камеры. Уменьшение указанных параметров вихревых топочных камер в меньшую сторону уменьшение ширины щели (/0,07) и ее длины (/0,9),менее чем на 20 указанной, увеличивает тангенциальную скорость воздушного потока вдоль стенок и резко увеличивает высокотемпературный обратный ток газов из центральной топки котла, тем самым увеличивается уровень температур в объеме вихревых топочных камер и, соответственно, растет аэродинамическое сопротивление выше допустимого, что значительно снижает эффект предварительной ступенчатой термической подготовки топлива по всей внутренней поверхности стенки вихревых топочных камер. Разбрызгиваемое форсункой топливо способствует резкому росту температуры огнеупорной обмазки и всей вихревой топочной камеры из-за тонкого слоя потока вдоль внутренней стенки вихревой камеры. Полость крышки вихревой топочной камеры соединена с полым улиточным корпусом вихревой топочной камеры через перепускные отверстия, и за счет этого обеспечивается подача части воздуха (до 10-15) из воздуховода, подведенного к каждой вихревой топочной камере, в осевую часть вихревой топочной камеры. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид водогрейного котла с вихревыми топочными камерами на фиг. 2 представлено продольное осевое сечение водогрейного котла по сечению А-А на фиг.1 на фиг. 3 продольное сечение вихревой топочной камеры по сечению А-А на фиг. 1 на фиг. 4 поперечное сечение вихревой топочной камеры по сечению Б-Б на фиг.3 на фиг. 5 схематично представлена циркуляция воды от входа в котел до выхода из котла. Водогрейный котел содержит центральную топку 1, вихревые топочные камеры 2, каждая из которых имеет улиточный корпус, включающий наружную улиточную обечайку 3, внутреннюю цилиндрическую обечайку 4 с тангенциальными щелями 5, пустотелую крышку 6 с осевым патрубком 7 подачи воздуха, внутренний патрубок 8 подачи топлива (например, мазута), огнеупорную карборундовую обмазку 9, перепускные отверстия 10, соединяющие полость крышки 6 с улиточным корпусом, крепежные фланцы 11. Водогрейный котел содержит также фронтовой экран 12, тыльный экран 13, боковые экраны 14 и 15, собранные из параллельно расположенных в ряд труб 16,соединенных между собой нижними коллекторами 17 и верхними коллекторами 171. Над экранами размещены конвективные секции 18, 19 из образных труб 20, соединенных с коллекторами боковых экранов 14 и 15. Позицией 21 обозначены воздуховоды к каждой вихревой топочной камере 2 3 позиция 22- вентиляторы позиция 23 - входной и позиция 24 -выходной коллекторы позиция 25 горелки с форсунками позиция 26- верхний коллектор конвективных секций 18, 19. Водогрейный котел расположен вертикально,вихревые топочные камеры 2 расположены горизонтально,каждая наружная улиточная обечайка 3 размещена горизонтально, внутренняя цилиндрическая обечайка 4 расположена горизонтально, пустотелая крышка 6 расположена вертикально, осевой патрубок подачи воздуха 7 размещен горизонтально, внутренний патрубок подачи топлива (например, мазута) 8 расположен горизонтально, крепежные фланцы 11 расположены вертикально, фронтовой экран 12 размещен на котле вертикально, тыльный экран 13 размещен вертикально, боковые экраны 14 и 15 размещены в котле вертикально, параллельные экранные трубы 16 расположены вертикально, коллекторы экранов 17, 171 расположены горизонтально. Конвективные секции 18 и 19 котла расположены горизонтально,- образные трубы 20 размещены горизонтально,воздуховоды 21 расположены вертикально, входной 23 и выходной 24 коллекторы размещены вертикально, верхний коллектор 26 конвективных секций 18, 19- горизонтально. Водогрейный котел с вихревыми топочными камерами работает следующим образом. В каждой вихревой топочной камере 2 основная часть воздуха от вентилятора 22 подается по воздуховоду 21 в пространство (улиточный корпус) между наружной улиточной обечайкой 3 и внутренней цилиндрической обечайкой 4 и поступает в тангенциальные щели 5, а меньшая часть(до 15) воздуха поступает через перепускные отверстия 10 из улиточного корпуса в крышку 6 и далее- в осевой патрубок 7. Топливо распыляется форсункой 8 в горящий объем вихревой камеры 2 из осевой зоны со стороны крышки 6. Выходящий из тангенциальных щелей 5 воздух создает плотный вихревой слой вдоль всей внутренней поверхности цилиндрической обечайки 4, который постепенно перемещается в сторону центральной топки 1. Частицы топлива, увлекаемые вращающимся газовоздушным потоком делают два-три оборота внутри вихревой топочной камеры 2,проходя предварительную термическую подготовку интенсивное испарение за счет вращения капель топлива по траектории длиной порядка 9 м - 12 м в вихревой топочной камере с диаметром от 1100 мм. Более крупные частички топлива успевают за это время в основном испариться и, образовав локальную горючую смесь во внутреннем газовоздушном слое на внутренней высокотемпературной поверхности,воспламениться. Вновь поступающие через тангенциальные щели 5 порции холодного воздуха защищают внутреннюю стенку камеры 2 от воздействия высокой температуры и вступают во взаимодействие с новыми топливными частицами и парами топлива,обеспечивая послойное постепенное перемешивание воздуха с топливом. Благодаря этому эффекту происходит ступенчатый 4 процесс горения. Далее практически сформировавшийся факел с выгоревшими частичками топлива поступает в центральную топку 1 котла. В центральной топке 1 водогрейного котла выгоревшие частички топлива подвергаются высокотемпературной обработке светящимся факелом и пролетают еще 6-7 метров за счет остаточного вращения в вихревой камере 2. В известных водяных котлах типа ПТВМ частицы топлива сразу попадают в центральную топку 1 котла и крупные фракции, как правило, не успевают полностью испариться и догорают в конвективной части котла, оседая на трубах конвективных секции и экранов. Расположение коллекторов экранов и конвективных секций водяного котла обусловлено созданием последовательного движения воды по экранам и по конвективной части водогрейного котла. По традиционной заводской схеме (например,как для котла ПТВМ-100) вода в котел поступает с двух сторон по двум входным коллекторам 23 в нижний коллектор 17 фронтового экрана 12, и по всем трубам 16 поднимается в верхний коллектор 171 фронтового экрана 12 и далее - в верхнюю конвективную секцию 18 со стороны фронтового экрана 12. Пройдя конвективную секцию 18, вода поступает в верхний конвективный коллектор 26 конвективных секций 18,19 и затем перепускается с двух сторон в верхние левый и правый коллекторы 171 левого 14 и правого 15 боковых экранов (левый и правый, если смотреть со стороны вихревых топочных камер 2). По половине экранных труб 16 левого 14 и правого 15 боковых экранов вода двумя параллельными потоками опускается до нижних коллекторов 17, где каждый поток разворачивается на 180 и двумя параллельными потоками поднимается по вторым половинам экранных труб 16 левого 14 и правого 15 боковых экранов в верхние коллекторы 171, из которых два потока снова собираются в верхнем конвективном коллекторе 26 со стороны тыльного экрана 13 и поступают в конвективную секцию 19. После этого один объединенный поток воды опускается до верхнего коллектора 171 тыльного экрана 13 и далее- по всем экранным трубам 16 тыльного экрана 13 до нижнего коллектора 17, из которого весь поток воды выводится из котла в сеть через выходной коллектор 24. Изобретение подтверждается тепловыми расчетами с температурными,скоростными профилями непосредственно в вихревой топочной камере и в центральной топке котла, а также результатами многочисленных тепловых испытаний с проведением подробных замеров газового анализа. Тепловые расчеты подтверждены результатами теплотехнических испытаний водогрейного котла мощностью 87 МВт с достижением проектной тепловой производительности 116,3 МВт с максимальной температуры воды 150 С с расходом воды 1235 м 3/час при работе восьми вихревых топочных камер (по четыре на фронтовом и тыльном экранах) и выполненных в соответствии с изобретением. При этом в условиях эксплуатации показано, что КПД нового водогрейного котла мощностью 87 МВт с восемью вихревыми камерами по сравнению с КПД старых водогрейных котлов ПТВМ-100 с обычными шестнадцатью газо-мазутными горелками выше на 2-2,5, выбросы окислов азотана 20-25 ниже, а гидравлическое сопротивление водогрейного котла остается на том же уровне. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Водогрейный котел, содержащий два боковых,фронтовой, тыльный экраны центральной топки,газомазутные горелки с форсунками,расположенные на фронтовом и тыльном экранах, подводящие патрубки для подачи воздуха и топлива, конвективные секции, выполненные из параллельно расположенных труб, отличающийся тем, что в фронтовом и тыльном экранах котла расположены вихревые топочные камеры с полыми крышками, каждая из вихревых топочных камер состоит из улиточного корпуса, включающего наружную улиточную обечайку и внутреннюю цилиндрическую обечайку, на которой выполнены тангенциальные щели с относительной длиной /,равной 0,90,09, относительной шириной /,равной 0,070,007, при относительной длине вихревой топочной камеры /, равной 1,11,2, где- длина внутренней стенки вихревой топочной камеры