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PERFECTIONNEMENTS AUX CHAUDIERES A VAPEUR.
La présente invention est relative à des perfectionnements à la conception des collecteurs de chaudières et concerne plus particulièrement l'élimination ou la réduction très importante des fatigues thermiques dans la paroi des collecteurs d'eau et de vapeur des unités génératrices de vapeur à haute pression lorsque ces unités sont mises en ou hors service.
En mettant en action une chaudière il faut veiller avant tout à maintenir une température uniforme dans tout le collecteur pour éviter des fatigues thermiques excessives dans la paroi du collecteur.
Dans le passé ceci était réalisé en élevant lentement la pression de 1' unité et en élevant de ce fait uniformément la température du collecteur.
Cette manière de faire augmente évidemment considérablement le temps nécessaire pour mettre en route une unité génératrice de vapeur fonctionnant sous haute pression. Si ce processus de mise en route et de mise hors service doit être répétée souvent comme par exemple tous les jours ou tous les deux jours,il devient extrêmement important du point de vue du rendement du groupe producteur d'énergie de réaliser cette opération aussi rapidement que possible.
La présente demande expose des moyens pour arriver à ce résultat; lesdits moyens s'appliquant largement à toute une variété de chaudières y compris des chaudières à circulation forcée et des chaudières à circulation naturelle.
Le principal objet de l'invention est de réduire considérablement le temps nécessaire pour mettre en ou hors service une unité génératrice de vapeur à haute pression.
Un objet plus spécifique de l'invention est d'éliminer ou de réduire grandement les fatigues thermiques dans les parois épaisses des col-
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lecteurs à haute pression pendant les opérations de mise en et hors service.
Suivant l'invention, on prévoit une chaudière génératrice de vapeur comprenant un foyer avec dedans au moins un circuit générateur de vapeur pour absorber une partie de la chaleur développée par la combustion du combustible dans ledit foyeret un collecteur à eau età vapeur généralement horizontal ayant un espace à vapeur dans la partie supérieure et un espace à eau dans sa partie inférieure, ce dernier étant rempli d'eau à une hauteur prédéterminée, caractérisée par un élément déflecteur dans ledit collecteur, s'étendant sensiblement dans toute sa longueur et placé à une distance déterminée de la surface intérieure de ce collecteur mais s'y conformant généralement pour la majeure partie ledit déflecteur se terminant dans ce collecteur en dessous du niveau d'eau qui y règne,
les extrémités dudit déflecteur d'adaptant de manière étanche à la paroi du collecteur formant ainsi une chambre entre l'extérieur dudit déflecteur et 1' intérieur de ladite paroi de collecteur, au moins une ouverture voisine de la partie la plus basse dudit déflecteur formant un passage entre ladite chambre et l'espace à vapeur et à eau dans ledit collecteur, ledit circuit générateur de vapeur ayant son orifice d'entrée communiquant avec 1' espace à eau dudit collecteur et son orifice de sortie menant dans ladite chambre, des moyens de pompage étant prévus de préférence, propres à faire circuler de l'eau de l'espace à eau dudit collecteur, à ladite chambre.
Pour mieux faire comprendre l'invention, elle sera décrite à présent en se référant aux dessins ci-annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe verticale (quelque peu schématique) de la chaudière à circulation forcée d'une unité génératrice de vapeur commerciale employant l'organisation suivant l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique simplifiée d' une chaudière qui montre son collecteur à eau et à vapeur équipé de 1' appareillage suivant l'invention ici décrite - la figure 3 est une représentation semblable simplifiée montrant une chaudière fonctionnant avec circulation naturelle mais utilisant un circuit de circulation d'eau supplémentaire agencé de manière unique pour coopérer avec l'appareillage suivant l'invention installé dans le collecteur à eau et à vapeur;
- la figure 4 est une coupe transversale dans le collecteur à eau et à vapeur, agrandie pour montrer comment les dispositifs contrôlant la circulation de l'eau et de la vapeur peuvent y être installés de manière satisfaisante pour réaliser les objectifs désirés de l'invention; - la figure 5 est une coupe longitudinale horizontale à échelle réduite dans le collecteur d'eau et de vapeur (faite suivant la ligne 5-5 de la figure4)et montrant comment les moyens d'égalisation de la température ici décrits s'étendent sensiblement sur toute la surface du collecteur.
L'appareillage suivant l'invention ici décrit peut être montré à titre d'exemple avec une chaudière à haute pression du type à rayonnement avec circulation forcée et ayant un seul collecteur à eau et à vapeur, et sera décrit en s'y référant d'abord.
Une forme de réalisation commerciale d'une telle chaudière est montrée à la figure 1 des dessins.
Cette chaudière a une production garantie de 8750000 livres de vapeur à 1' heure à une température de 1050 F et une pression de 1850 livres par pouce carré, et est équipée d'un collecteur d'eau et de vapeur 7 qui a un diamètre d'environ 4.5 pieds et une longueur d'environ 40 pieds.
Dans ledit collecteur 7 est disposé un appareillage interne au collecteur qui comprend les nouvelles particularités de la présente invention et qui sera décrit plus complètement à présent
En se référant plus spéen quement à ladite figure 1
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et à la représentation simplifiée montrant Inorganisation complexe de ladite figure 1 comme représentée à la figure 2. 1'eau de complément est amenée sous pression à la conduite principale d'admission 3 de l'économiseur et après avoir été chauffée dans léconomiqueur 5 elle s'écoule par la conduite 6 (figure 1) vers le collecteur d'eau et de vapeur 7 qui est éloigné du foyer 17 et n'est pas en relation d'échange de chaleur avec lui et qui est suspendu à des dispositifs de suspension convenables 8 (figure 1).
L'eau s'écoulant vers ledit collecteur depuis l'économiseur 5 est distribuée sur sa longueur par un tuyau d9alimentation 9 (voir figures 4 et 5) remplissant en partie le collecteur jusqu'à un niveau d'eau indiqué en 10.
Du collecteur 7 l'eau pénètre dans le conduit 11 menant à la pompe 13 de circulation forcée qui force l'eau à passer par les divers circuits de vaporisation au moyen de tubes distributeurs principaux convenables. Dans l'organisation plus complexe de la figure 1, ces tubes principaux prennent la forme d'un tube principal toroldal 15a alimentant plusieurs tubes principaux 15b, 15c et 15d de circuits de vaporisation, tandis que dans la vue simplifiée de la figure 2. les tubes principaux sont représentés par la conduite unique 15. Les circuits de vaporisation, désignés généralement par le chiffre 16. constituent des surtaxes de chauffe agencées sur les parois latérales. antérieures et postérieures, le plafond et le plancher du foyer, ainsi que d'autres surfaces de chauffe agencées pour refroidir les parois des passages de gaz de l'unité.
La chaleur est engendrée dans ledit foyer 17 en allumant les brûleurs à combustible 18, une partie de ladite chaleur étant absorbée par les surfaces de chauffe du circuit de vaporisation précitéo
Suivant l'invention, le mélange d'eau et de vapeur venant de ces circuits de vaporisation 16 est délivré dans des tubes principaux convenables à la partie la plus haute de la chaudière, l'un de ces tubes étant montré en 14 à la figure 1, et de là passe à la partie supérieure du collecteur d'eau et de vapeur 7 par les tubes 19 (voir figures 1. 2. 3 et 4) et dans l'espace entre la paroi déflectrice 21 (voir figures 4 et 5) et la surface inférieure du collecteur.
La plaque déflectrice 21 qui s'étend sur toute la longueur du collecteur 7 (voir figure 5) est disposée périphériquement et peut avantageusement être écartée de la surface du collecteur d'une distance d'environ un pouce et demi. L'eau du mélange d'eau et de vapeur qui est confiné dans cet espace 22. en y passant à l'étroit, vient en contact avec la surface intérieure du collecteur et la nettoie au cours de son voyage vers l'admission des unités séparatrices de vapeur 23 où l'eau est séparée de la vapeur de toute manière convenable comme par exemple par effet centrifuge. La résistance à l'écoulement dans les séparateurs est telle que la pompe de circulation 13 maintient l'espace 22 rempli d'eau.
Tandis que la séparation a lieu dans lesdites unités 23. la vapeur s'y élève et se décharge (comme indiqué par les flèches) dans l'espace de vapeur à l'intérieur de la paroi déflectrice périphérique 21 dans la partie supérieure 25 du collecteur 7. L'eau séparée du mélange d'eau et de vapeur dans les séparateurs 23 s'écoule vers le bas pour rejoindre 1' eau d'alimentation entrant dans le collecteur par le tuyau d'alimentation 9 et remplissant la partie inférieure du collecteur jusqu'au niveau d'eau 10. La vapeur saturée occupant l'espace à la partie supérieure 25 du collecteur 7 passe de là par les tamis de séchage 29 (voir figure 4) où est enlevée pratiquement toute l'humidité restantea et la vapeur saturée sèche quitte alors le collecteur par les tubes 31 de liaison au surchauffeur pour entrer dans les dispositifs surchauffeurs convenables.
Dans l'agencement de la figure 1, la vapeur s'écoulant par lesdits tubes 31 entre dans les tubes principaux 32 du surchauffeur 4 en passant par les tubes principaux 32a et 32b et les conduites 30a et 30b. elle passe par l'étape à basse température 34 du surchauffeur à deux étages. dans le tube principal 36 et de là elle est transportée vers l'étage à haute température 38 duiit surchauffeur en passant par la conduite 36a et le tube principal 36b d'ou elfe pa se tube principal de sortie du surchauffeur
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figure 2 on a exposé un surchauffeur 35 à un seul étage, qui reçoit de la vapeur des tubes 31 passant par le tube principal 33 et l'amène audit tube principal de sortie 37 d'où elle entre dans la conduite principale de vapeur de la centrale productrice d'énergie. La forme de réalisation commerciale de la figure 1 comprend aussi un réchauffeur 39 (non représenté à la figure 2) agencé pour recevoir de la vapeur d'un étage intermédiaire d'une turbins ou analogue (non montrée) par le tube principal d'entrée 39a et la réchauffer à une température désirée sous une pression prédéterminée. Après avoir quitté ledit réchauffeur 39 la vapeur réchauffée pénètre dans le tube principal de sortie 39b et de là passe par des conduites convenables aux points d'utilisation désirés.
La prévision susdite d'un espace d'écoulement d'eau 22 entre 1' enveloppe du collecteur 7 et la paroi de déflecteur inférieur 21 rend possible une égalisation de la température du métal du collecteur d'une manière unique et effective plus complètement expliquée plus loin.
Le problème créant un besoin des perfectionnements suivant 1' invention se présente comme suit le cycle de charge journalier d'hiver d'un système d'utilité publique fournissant de l'énergie à une zone métropolitaine type montre que tard dans la soirée les exigences de charge maxima dépassent les charges minima du début de la matinée de plus de 200 pour cento Cette grande différence entre les charges journalières maxima et minima rend nécessaire de mettre hors service la nuit certaines des unités génératrices de vapeur à haute pres- sion, dont on peut considérer celle qui est montrée à la figure 1 comme typique.
Cependant en plus de la variation extrême dans les besoins de puissance, indiquées par le cycle de charge précité, ledit cycle montre aussi un taux très élevé de prise de charge dans les heures du matin de 5 à 9 h, de sorte qu'entre ces heures la charge s'élève généralement de 100 pour cent à environ 250 pour cent.
Ainsi dans le fonctionnement des systèmes générateurs d'énergie modernes. alors qu'il est nécessaire de mettre hors service souvent (même journellement) des unités génératrices de vapeur à haute pression (représentées comme type à la figure 1). il est extrêmement désirable de mettre ces unités en activité dans le minimum de temps possible compa- tible avec la sécurité de l'unité.
Des générateurs de vapeur à haute pression ayant en moyenne une pression de vapeur de 1000 à 2000 livres par pouce carré, nécessitent dans des conditions normales de 5 à 7 heures pour être mises en ligne, c' est-à-dire amener l'unité à sa pression de vapeur et température de vapeur maxima. Une aussi longue période de temps est nécessaire d'abord en vue d' assurer une croissance lente et uniforme de la température du métal du collecteur.
Dans certaines installations habituelles (non comprises dans les présents perfectionnements inventifs) des essais ont été faits pour vérifier les températures du métal du collecteur par des thermocouples noyés dans le haut et dans le bas de l'enveloppe du collecteur (correspondant à 7 dans les dessins de celui-ci)et des lectures de température ont ainsi été obtenues pendant les opérations de mise en service et hors service. Ces lectures (dans lesdites installations habituelles) indiquent une différence de température de jusqu'à 1700 entre la température du haut et du bas du métal du collecteur.
Si l'on considère que l'épaisseur de paroi d'un collecteur à haute pression (tel que montré ici en 7) peut être de l'ordre de 5 pouces, il sera observé immédiatement par celui qui est au courant de l'art de prévoir et de faire fonctionner des chaudières que si des générateurs de vapeur de ce type à haute pression sont rapidement mises sous pression et ramenées au repos souvent,, comme par exemple tous les jours ou tous les deux jours, il y a une possibilité, sinon une vraisemblance pour que des fissures puissent se développer dans la tôle du collecteur à cause des grandes
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fatigues thermiques différentielles qui y sont produites.
Les observations des essais précités servent à montrer l'impor- tance qu'il y a à échauffer les collecteurs lentement en mettant en service une chaudière à haute pression, l'expérience montrant quen général on ne doit pas dépasser une élévation de température horaire de plus de 100 degiés- Ainsi par exemple une chaudière fonctionnant sous une pression de 1800 livres par pouce carré, pression à laquelle la température de la vapeur saturée est de l'ordre de 622 degrés, nécessitera une période d'environ 5 heures pour être amenée à pleine pression et température à partir d'un départ à froid.
Il sera bien remarqué par quelqu'un qui est au courant de 1' économie des centrales. que des économies considérables dé frais de fonctionnement, en combustible et en travail. peuvent être réalisées si cette période de démarrage (et la période de mise au repos) peut être raccourcie même d'une faible quantité.
Une étude récente faite dans un agencement d'utilité publique a montré que des économies annuelles dans les frais de fonctionnement dans ce seul système se monteraient à des centaines de milliers de dollars si le temps nécessaire pour mettre une unité en ligne pouvait être réduit de manière substantielle.
Il tombe sous le sens qu'un raccourcissement de la durée de mise en route ne peut être obtenu en risquant de sérieux dommages à l'enveloppe du collecteur. Par conséquent des modes et moyens ont été trouvés pour protéger le collecteur de changements de température excessifs et des fatigues thermiques consécutives.
Les moyens d'égalisation de température du collecteur ici décrits ont résolu ce problème d'une manière presque unique et satisfaisante comme cela sera montré maintenant.
En mettant en service une unité génératrice de vapeur sans bénéficier des moyens précités d'égalisation de température, l'intérieur des parties sous pression telles que les tubes et collecteurs de chaudière est naturellement rempli d'eau avant qu'une chaleur quelconque soit appliquée par le foyer. A ces moments la température de l'enveloppe du collecteur (correspondant à 7 dans le dessin précité) est très basse, éventuellement même plus basse que la température de l'eau amenée à la chaudière (comme par le tuyau d'alimentation 9 des dessins).
Lorsqu'on applique là chaleur (très lentement ou de manière intermittente) par les brûleurs du foyer (correspondant aux dispositifs 18 des dessins), la température de 1' eau s'élève et avec elle. la température de la partie inférieure de l'enveloppe du collecteur. c'est-à-dire la partie qui est en contact avec l'eau qui y est contenueo La partie supérieure de l'enveloppe du collecteur généralement non en contact avec l'eau et qui constitue la majeure partie de 1' enveloppe se maintient pratiquement à la même température basse qu'elle avait au début des opérations de mise en route,, à moins qu'on n'accorde un temps considérable à la chaleur pour passer de la surface inférieure, touchée par l'eau, du collecteur. aux portions supérieures encore non en contact avec de la vapeur.
Ceci est dù à la faible conductibilité relative de l'aciero
La différence de température entre la partie inférieure et la partie supérieure d'une enveloppe de collecteur non protégée peut par conséquent varier très vraisemblablement de jusqu'à 125 degrés même à la pression atmosphérique. En outre, dès que de la vapeur est engendrée la surface intérieure de la partie supérieure froide d'une enveloppe de collecteur non protégé vient en contact avec de la vapeur et s'approchera bientôt de sa température. créant une différence de température similaire entre les surfaces extérieureintérieure de la partie supérieure de l'enveloppe du collecteur, comme @@tre les parties supérieure et inférieure du collecteur.
Comme déjà indigué. les conditions indési-ables décrites ci-dessus
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prévalent pendant,l'opération de mise en service d'une unité à haute pression qui ne bénéficie pas de l'emploi des nouveaux moyens d'égalisation de la température du collecteur; et dans le but d'éviter des fatigues thermiques excessives dans la tôle du collecteur d'un générateur de vapeur habituel, ces conditions obligent à suivre un processus prudent et lent en amenant l'unité de chaudière à point quant à la pression et température de fonctionnement .
Le danger précité d-endommager le collecteur est grandement diminué lorsqu'on applique les moyens d'égalisation de la température du collecteur parce qu'ils rendent possible le maintien d'une même température uniforme dans toute la tôle du collecteur. En appliquant les perfectionnements de l'invention à un collecteur à haute pression il est possible de mettre en route l'unité de chaudière dans un temps beaucoup plus court qu'on ne pouvait l'admettre jusqu'à présent sans risquer d'endommager l'enveloppe de collecteur.
Ce qui précède est rendu possible en nettoyant continuellement la surface intérieure de la partie supérieure de l'enveloppe du collecteur avec de l'eau, tandis que l'unité est mise sous pression. Comme indiqué plus haut. ceci est réalisé en installant une plaque déflectrice 21 espacée de la surface intérieure du collecteur 7 mais à proximité étroite de celleci et en déchargeant de l'eau dans l'espace étroit 22 entre la surface intérieure du collecteur et la plaque déflectrice 21 avec une vitesse appréciable, ladite eau ayant été prise (comme par la conduite 11) de la partie inférieure du collecteur et étant mise en circulation continue,,. dans 1' agencement des figures 1 et 2, par la pompe 13 à circulation forcée dans le circuit générateur de vapeur 16.
Ainsi en mettant en service une chaudière (telle que celle des figures 1 et 2) ayant un collecteur d'eau et de vapeur 7 qui est équipé avec les dispositifs 21 - 22 égalisateurs de température suivant l'invention, sensiblement toute la surface intérieure dudit collecteur 7 est constamment baignée soit d'eau seule soit d'un mélange d'eau et de vapeur tandis que se poursuit le processus de mise sous pression,, et la température du métal du collecteur est ainsi uniformément augméntée sensiblement à la vitesse à laquelle la chaleur est absorbée par les surfaces de chauffe 16 et à laquelle s'élève la pression de vapeur de l'unité.
L'application de cette invention à des unités génératrices de vapeur à haute pression permettra donc de diminuer l'importance d'une longue et prudente période de mise en action parce que les nouveaux moyens d'égalisation de la température assurent un échauffement automatiquement uniforme de sensiblement toute la surface intérieure de l'enveloppe du collecteur sans avoir à tenir compte de la vitesseàlsquelle peut se produire l'échauf' fement du collecteur (dans des limites raisonnables)
Bien que la description initiale précitée de l'invention ait été faite relativement à un dispositif avec circulation contrôlée (parfois désignée par circulation forcée) de chaudière telle que présentée comme type par les représentations des figures 1 et 2.
l'invention peut également bien être appliquée à une unité génératrice de vapeur fonctionnant avec circulation naturelle de la manière présentée comme type à la représentation schématique de la figure 3.
Cette application peut être faite en installant un circuit à circulation spéciale tel que celui montré à la figure 3 comprenant une pompe de circulation 42 qui fonctionne pour aspirer de 1 eau de la partie inférieu - re du collecteur 7 par le conduit 44 et la déchargerpar le-tube principal 41 et les tubes 40 dans la partie supérieure de l'espace du collecteur 22, baignant ainsi la tôle du collecteur et en égalisant la température tout à fait de la même manière que décrite ci-avant pour la chaudière à circulation contrôlée montrée aux figures 1 et 2 et avec les mêmes avantages résultants Ici également la résistance à l'écoulement à travers les séparateurs 23 est telle, par rapport au débit de la pompe 13.
que l'espace 22 est maintenu rempll d eau nendant le fonstionnement de ladite pompe.
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De la description et de l'exposé qui précède, de formes de réalisation préférées de l'invention. il apparaitra que ces formes de réalisation sont plutôt illustratives que restrictives, et que l'invention peut être réalisée d'autres manières encore sans s'écarter de son esprit.
REVENDICATIONS
1. Chaudière génératrice de vapeur comprenant un foyer avec dedans au moins un circuit générateur de vapeur pour absorber une partie de la chaleur développée par la combustion du combustible dans ledit foyer,et un collecteur d'eau et de vapeur généralement horizontal ayant un espace à vapeur dans sa partie supérieure et un espace à eau dans sa partie infé- rieure, ce dernier étant rempli d'eau jusqu9à une hauteur prédéterminée, caractérisée en ce qu9un élément déflecteur (21) dans ledit collecteur (7)
s'étend sensiblement sur toute la longueur de celui-ci et est écarté d'une certaine distance de la majeure partie de la surface intérieure dudit collecteur mais en épouse sensiblement la formée ledit déflecteur se terminant en dessous du niveau d'eau dans le collecteurs les extrémités dudit déflecteur étant adaptées de manière étanche à la paroi du collecteur de manière à former une chambre (22) entre l'extérieur dudit déflecteur et l'intérieur de la paroi du collecteurs au moins une ouverture (23) voisine de la partie inférieure dudit déflecteur fournissant une communication entre ladite chambre (22) et l'espace à eau et à vapeur (25) dans ledit collecteur, ledit circuit générateur de vapeur ayant son entrée communiquant avec 1' espace à eau dudit collecteur et sa sortie menant dans ladite chambre (22),
des moyens de pompage étant prévus de préférence,, propres à faire circuler de l'eau de l'espace à eau dudit collecteur vers ladite chambre (22).
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IMPROVEMENTS TO STEAM BOILERS.
The present invention relates to improvements in the design of boiler manifolds and relates more particularly to the elimination or very significant reduction of thermal fatigue in the wall of the water and steam collectors of high pressure steam generating units when these units are switched on or off.
When putting a boiler into operation, care must be taken above all to maintain a uniform temperature throughout the collector to avoid excessive thermal fatigue in the collector wall.
In the past this was done by slowly raising the pressure of the unit and thereby uniformly raising the temperature of the manifold.
This way of proceeding obviously considerably increases the time necessary to start up a steam generator unit operating under high pressure. If this process of starting and decommissioning has to be repeated often as for example every day or every two days, it becomes extremely important from the point of view of the efficiency of the power generating group to carry out this operation as quickly. as possible.
The present application sets out means for achieving this result; said means being widely applicable to a variety of boilers including forced circulation boilers and natural circulation boilers.
The main object of the invention is to considerably reduce the time required to switch on or off a high pressure steam generator unit.
A more specific object of the invention is to eliminate or greatly reduce thermal fatigue in the thick walls of collars.
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high pressure readers during on and off operations.
According to the invention, there is provided a steam generator boiler comprising a hearth with therein at least one steam generator circuit for absorbing part of the heat developed by the combustion of the fuel in said hearth and a generally horizontal water and steam collector having a steam space in the upper part and a water space in its lower part, the latter being filled with water to a predetermined height, characterized by a deflector element in said collector, extending substantially throughout its length and placed at a height determined distance from the interior surface of this collector but generally conforming to it for the most part said deflector ending in this collector below the water level prevailing there,
the ends of said baffle fitting tightly to the wall of the collector thus forming a chamber between the exterior of said baffle and the interior of said collector wall, at least one opening adjacent to the lowest part of said baffle forming a passage between said chamber and the steam and water space in said manifold, said steam generator circuit having its inlet opening communicating with the water space of said manifold and its outlet opening leading into said chamber, means for pumping preferably being provided, suitable for circulating water from the water space of said manifold, to said chamber.
To better understand the invention, it will now be described with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a vertical section (somewhat schematic) of the forced circulation boiler of a steam generator unit commercial employing the organization according to the invention; - Figure 2 is a simplified schematic representation of a boiler which shows its water and steam manifold equipped with one apparatus according to the invention described here - Figure 3 is a similar simplified representation showing a boiler operating with natural circulation but using an additional water circulation circuit arranged in a unique manner to cooperate with the apparatus according to the invention installed in the water and steam collector;
Figure 4 is a cross section through the water and steam manifold, enlarged to show how devices controlling the circulation of water and steam can be satisfactorily installed therein to achieve the desired objects of the invention ; - figure 5 is a horizontal longitudinal section on a reduced scale in the water and steam collector (taken along line 5-5 of figure 4) and showing how the temperature equalization means described here extend substantially over the entire surface of the collector.
The apparatus according to the invention described here can be shown by way of example with a high pressure boiler of the radiation type with forced circulation and having a single water and steam manifold, and will be described with reference thereto. 'on board.
A commercial embodiment of such a boiler is shown in Figure 1 of the drawings.
This boiler has a guaranteed output of 8,750,000 pounds of steam per hour at a temperature of 1050 F and a pressure of 1850 pounds per square inch, and is equipped with a water and steam header 7 which has a diameter of 'about 4.5 feet and a length of about 40 feet.
In said collector 7 is arranged an apparatus internal to the collector which comprises the new features of the present invention and which will now be described more fully.
Referring more specifically to said figure 1
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and in the simplified representation showing the complex organization of said figure 1 as shown in figure 2. the make-up water is brought under pressure to the main inlet pipe 3 of the economizer and after having been heated in the economizer 5 it s '' flows through line 6 (figure 1) to the water and steam collector 7 which is remote from the hearth 17 and is not in a heat exchange relationship with it and which is suspended from suitable suspension devices 8 (figure 1).
The water flowing to said collector from economizer 5 is distributed along its length by a supply pipe 9 (see figures 4 and 5) partially filling the collector up to a water level indicated at 10.
From the collector 7 the water enters the conduit 11 leading to the forced circulation pump 13 which forces the water to pass through the various vaporization circuits by means of suitable main distributor tubes. In the more complex organization of Figure 1, these main tubes take the form of a toroldal main tube 15a supplying several main tubes 15b, 15c and 15d of vaporization circuits, while in the simplified view of Figure 2. main tubes are represented by the single pipe 15. The vaporization circuits, generally designated by the number 16. constitute heating surcharges arranged on the side walls. front and rear, the ceiling and floor of the fireplace, as well as other heating surfaces arranged to cool the walls of the gas passages of the unit.
The heat is generated in said hearth 17 by igniting the fuel burners 18, part of said heat being absorbed by the heating surfaces of the aforementioned vaporization circuit.
According to the invention, the mixture of water and steam coming from these vaporization circuits 16 is delivered in suitable main tubes to the uppermost part of the boiler, one of these tubes being shown at 14 in FIG. 1, and from there passes to the upper part of the water and vapor collector 7 through the tubes 19 (see figures 1.3 and 4) and into the space between the deflector wall 21 (see figures 4 and 5 ) and the lower surface of the manifold.
The baffle plate 21 which extends the full length of the manifold 7 (see Figure 5) is peripherally disposed and can advantageously be spaced from the surface of the manifold by a distance of about an inch and a half. The water of the water and steam mixture which is confined in this space 22. passing through it cramped comes into contact with the inner surface of the manifold and cleans it on its journey to the inlet of the units. steam separators 23 where the water is separated from the steam in any suitable manner such as for example by centrifugal effect. The resistance to flow in the separators is such that the circulation pump 13 keeps the space 22 filled with water.
While the separation takes place in said units 23, the vapor rises there and discharges (as indicated by the arrows) in the vapor space inside the peripheral deflector wall 21 in the upper part 25 of the manifold. 7. The water separated from the water and steam mixture in the separators 23 flows downwards to join the feed water entering the collector through the feed pipe 9 and filling the lower part of the collector. up to the water level 10. The saturated steam occupying the space at the top 25 of the manifold 7 passes from there through the drying screens 29 (see figure 4) where practically all the remaining moisturea and the steam are removed. saturated dry then leaves the collector through the tubes 31 connecting the superheater to enter the appropriate superheater devices.
In the arrangement of FIG. 1, the steam flowing through said tubes 31 enters the main tubes 32 of the superheater 4 passing through the main tubes 32a and 32b and the pipes 30a and 30b. it passes through the low temperature stage 34 of the two-stage superheater. in the main tube 36 and from there it is transported to the high temperature stage 38 from the superheater through line 36a and the main tube 36b from where it is the main outlet tube of the superheater
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Figure 2 shows a single-stage superheater 35, which receives steam from tubes 31 passing through main tube 33 and leads it to said main outlet tube 37 from where it enters the main steam line of the power station. The commercial embodiment of Figure 1 also includes a heater 39 (not shown in Figure 2) arranged to receive steam from an intermediate stage of a turbine or the like (not shown) through the main inlet tube. 39a and heat it to a desired temperature under a predetermined pressure. After leaving said heater 39 the reheated steam enters the main outlet tube 39b and from there passes through suitable pipes to the desired points of use.
The aforesaid provision of a water flow space 22 between the casing of the header 7 and the bottom baffle wall 21 makes it possible to equalize the temperature of the metal of the header in a unique and effective manner more fully explained in more detail. far.
The problem creating a need for the improvements according to the invention is that the daily winter load cycle of a utility system supplying energy to a typical metropolitan area shows that late in the evening the demands of Maximum load exceed the minimum early morning loads by more than 200 percent This large difference between the maximum and minimum daily loads makes it necessary to take some of the high pressure steam generator units out of service at night. consider the one shown in figure 1 as typical.
However in addition to the extreme variation in power requirements, indicated by the aforementioned charge cycle, said cycle also shows a very high rate of charge taking in the morning hours from 5 to 9 a.m., so that between these hours the load is typically 100 percent to about 250 percent.
Thus in the operation of modern energy generating systems. while high pressure steam generating units (shown as type in Figure 1) need to be taken out of service often (even daily). it is extremely desirable to bring these units into operation in the minimum possible time compatible with the safety of the unit.
High pressure steam generators having on average a steam pressure of 1000 to 2000 pounds per square inch, under normal conditions require 5 to 7 hours to put on line, that is to say to bring the unit at its maximum vapor pressure and vapor temperature. Such a long period of time is necessary first in order to ensure a slow and uniform increase in the temperature of the metal of the manifold.
In certain usual installations (not included in the present inventive improvements) tests have been made to verify the temperatures of the metal of the collector by thermocouples embedded in the top and in the bottom of the casing of the collector (corresponding to 7 in the drawings. of this) and thus temperature readings were obtained during commissioning and decommissioning operations. These readings (in said usual installations) indicate a temperature difference of up to 1700 between the top and bottom temperature of the manifold metal.
Considering that the wall thickness of a high pressure manifold (as shown here at 7) may be on the order of 5 inches, it will be immediately observed by one familiar with the art. to plan and operate boilers only if steam generators of this type at high pressure are quickly pressurized and brought back to standby often, such as daily or every other day, there is a possibility, otherwise a likelihood that cracks can develop in the collector plate because of the large
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differential thermal fatigue produced therein.
The observations of the aforementioned tests serve to show the importance of heating the collectors slowly when starting up a high pressure boiler, experience showing that, in general, an hourly temperature rise of over 100 degiés- So for example a boiler operating at a pressure of 1800 pounds per square inch, at which pressure the saturated steam temperature is on the order of 622 degrees, will require a period of about 5 hours to be brought up at full pressure and temperature from a cold start.
It will be well noticed by someone familiar with the economics of power plants. that considerable savings in operating costs, fuel and labor. can be achieved if this start-up period (and the quiescent period) can be shortened even by a small amount.
A recent study done in a utility arrangement showed that annual savings in running costs in this system alone would amount to hundreds of thousands of dollars if the time required to bring a unit online could be reduced in such a way. substantial.
It makes sense that a shortening of the start-up time cannot be achieved by risking serious damage to the collector casing. Therefore modes and means have been found to protect the manifold from excessive temperature changes and consequent thermal fatigue.
The collector temperature equalization means described herein have solved this problem in an almost unique and satisfactory manner as will now be shown.
By commissioning a steam generator unit without benefiting from the aforementioned means of temperature equalization, the interior of pressurized parts such as boiler tubes and manifolds is naturally filled with water before any heat is applied by the home. At these times the temperature of the collector casing (corresponding to 7 in the aforementioned drawing) is very low, possibly even lower than the temperature of the water supplied to the boiler (as by the supply pipe 9 of the drawings ).
When heat is applied (very slowly or intermittently) through the hearth burners (corresponding to devices 18 of the drawings), the temperature of the water rises and with it. the temperature of the lower part of the collector shell. that is to say the part which is in contact with the water contained therein The upper part of the casing of the collector generally not in contact with water and which constitutes the major part of the casing is maintained at nearly the same low temperature as it had at the start of start-up operations, unless considerable time is allowed for the heat to pass from the lower, water-touched surface of the manifold. the upper portions still not in contact with steam.
This is due to the low relative conductivity of steel.
The temperature difference between the bottom and the top of an unprotected header shell can therefore most likely vary by up to 125 degrees even at atmospheric pressure. In addition, as soon as steam is generated the inside surface of the cool upper part of an unprotected manifold shell comes in contact with the steam and will soon approach its temperature. creating a similar temperature difference between the outer inner surfaces of the upper part of the collector shell, such as the upper and lower parts of the collector.
As already indigested. the undesirable conditions described above
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prevail during the commissioning operation of a high pressure unit which does not benefit from the use of new means of equalizing the temperature of the collector; and in order to avoid excessive thermal fatigue in the manifold plate of a usual steam generator, these conditions make it necessary to follow a careful and slow process bringing the boiler unit up to the point of pressure and temperature of operation.
The aforementioned danger of damaging the collector is greatly reduced when applying the means for equalizing the temperature of the collector because they make it possible to maintain the same uniform temperature throughout the sheet of the collector. By applying the improvements of the invention to a high pressure manifold it is possible to start up the boiler unit in a much shorter time than could hitherto be admitted without risking damage to the boiler. collector casing.
The above is made possible by continuously cleaning the inner surface of the upper part of the manifold shell with water while the unit is pressurized. As stated above. this is achieved by installing a baffle plate 21 spaced from the inner surface of the manifold 7 but in close proximity to it and discharging water into the narrow space 22 between the inner surface of the manifold and the baffle plate 21 with high velocity appreciable, said water having been taken (as by line 11) from the lower part of the collector and being put into continuous circulation ,,. in 1 arrangement of Figures 1 and 2, by the pump 13 forced circulation in the steam generator circuit 16.
Thus by putting into service a boiler (such as that of FIGS. 1 and 2) having a water and steam collector 7 which is equipped with the devices 21 - 22 temperature equalizers according to the invention, substantially the entire interior surface of said manifold 7 is constantly bathed either with water alone or with a mixture of water and steam while the pressurizing process continues, and the temperature of the metal of the manifold is thus uniformly increased at substantially the rate at which the heat is absorbed by the heating surfaces 16 and to which the vapor pressure of the unit rises.
The application of this invention to high pressure steam generating units will therefore make it possible to reduce the importance of a long and careful activation period because the new means of temperature equalization ensure an automatically uniform heating of the temperature. substantially the entire interior surface of the collector casing without having to take into account the rate at which the collector heating may occur (within reasonable limits)
Although the aforementioned initial description of the invention has been made in relation to a device with controlled circulation (sometimes referred to as forced circulation) of a boiler such as presented as a type by the representations of Figures 1 and 2.
the invention may equally well be applied to a steam generator unit operating with natural circulation in the manner shown as type in the schematic representation of FIG. 3.
This application can be made by installing a special circulation circuit such as that shown in figure 3 comprising a circulation pump 42 which operates to suck water from the lower part of the collector 7 through the duct 44 and discharge it through the. - main tube 41 and tubes 40 in the upper part of the collector space 22, thus bathing the collector plate and equalizing the temperature in exactly the same way as described above for the circulating controlled boiler shown in Figures 1 and 2 and with the same resulting advantages Here also the resistance to flow through the separators 23 is such, compared to the flow rate of the pump 13.
that the space 22 is kept filled with water during the operation of said pump.
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From the description and the foregoing account of preferred embodiments of the invention. it will appear that these embodiments are illustrative rather than restrictive, and that the invention can be carried out in still other ways without departing from its spirit.
CLAIMS
1. Steam generator boiler comprising a hearth with therein at least one steam generator circuit for absorbing part of the heat developed by the combustion of fuel in said hearth, and a generally horizontal water and steam collector having a space to steam in its upper part and a water space in its lower part, the latter being filled with water to a predetermined height, characterized in that a deflector element (21) in said manifold (7)
extends substantially over the entire length thereof and is spaced a certain distance from the major part of the interior surface of said manifold but substantially conforms to the formed thereof said deflector terminating below the water level in the manifold the ends of said deflector being fitted in a sealed manner to the wall of the collector so as to form a chamber (22) between the outside of said deflector and the inside of the wall of the collectors at least one opening (23) adjacent to the lower part said baffle providing communication between said chamber (22) and the water and steam space (25) in said manifold, said steam generator circuit having its inlet communicating with the water space of said manifold and its outlet leading into said manifold. bedroom (22),
pumping means preferably being provided, suitable for circulating water from the water space of said manifold to said chamber (22).