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Cette invention se rapporte de façon générale à la construction et à la conduite de générateurs de vapeur tubulaires à simple passage de gaz en circulation forcée et, plus particulièrement, à la construction et la conduite de groupes générateurs de ce genre spécialement aménagés et particulièrement établis pour la production de vapeur surchauffée à des pressions et températures dépassant la pression critique de 234 Kg par cm2 (3206 livres par pouce carré) et la température critique de 375 C (705 F).
Bien que les rendements themiques élevés que peut atteindre une installation de force motrice à vapeur par l'emploi d'un groupe générateur de vapeur à simple passage du gaz en circulation forcée produisant de la vapeur surchauffée à des pressions et des températures dépassant les valeurs critiques soient connus depuis plusieurs années (voir par exemple les Brevets anglais nos. 201.340. 206.559 et 398.413). les problèmes relatifs au principe, à la construction et à la conduite de ces groupes ont soulevé des difficultés telles que les quelques groupes de ce genre ac tuellement existants ont été limités à de petites installations expérimen- tales ayant une capacité de production de vapeur relativement faible.
Pour à peu près les mêmes raisons, les seuls groupes générateurs de vapeur à simple passage du gaz en circulation forcée de dimensions industrielles ont été établis et construit pour fonctionner à des pressions Inférieures à la pression critique. Ce fonctionnement à une pression inférieure à la pression critique soulève le problème additionnel des dépôts solides et/ou de l'oxydation corrosive du métal dans la zone de transition où le fluide contenu dans les tubes passe de l'état liquide à l'état de vapeur avec changement de densité.
Lorsqu'un générateur de vapeur estappelé à fournir de la vapeur à haute pression et à haute température de surchauffe, des difficultés sont susceptibles de se produire en raison de la formation de dépôts de scorie en fusion sur les surfaces du surchauffeur à convection ou en raison d'une surchauffe du métal des tubes du surchauffeur., et le surchauffeur tend à devenir coûteux par suite de l'emploi d'alliages spéciaux.
L'invention a pour buts de procurer: un générateur de vapeur à simple passage en circulation forcée, de construction économique, servant à fournir de la vapeur à haute pression et à haute température; un générateur de vapeur à simple passage en circulation forcée, susceptible de produire de la vapeur surchauffée à une pression dépassant la pression critique et dont le parcours du courant à simple passage soit établi d'une manière avantageuse contribuant à réduire au minimum les risques de surchauffe des tubes sujets à se trouver dans des conditions de fonctionnement les plus onéreuses ; un générateur de vapeur à simple passage en circulation forcée, dont la disposition du foyer permette de faciliter le réglage de la température finale de surchauffe;
un générateur de vapeur à simple passa, ge en circulation forcée, destiné à produire de la vapeur à une pression notablement supérieure à la pression critique et de construction économique au point de vue. des organes de support coûteux de l'installation; un générateur de vapeur à simple passage en circulation forcée, de dimensions industrielles susceptible de fournir la totalité de la vapeur nécessaire à une turbine associée, fonctionnant avec chauffage de l'alimentation par récupération. et de fonctionner efficacement sur une gamme de charges étendue pour produire de la vapeur surchauffée et réchauffée.
La présente invention comprend un générateur tubulaire de vapeur à simple passage en circulation forcée, dans lequel une chambre de rayonnement pourvue de tubes de parois pour la surchauffe de lavapeur par rayonnement, est disposée entre une chambre de combustion pourvue de tubes de parois pour la chauffe du liquide et une partie du parcours des gaz de
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combustion contenant un surchauffeur primaire qui comprend au moins un faisceau de tubes et un surchauffeur secondaire qui comprend au moins un faisceau de tubes et est disposé dans le parcours des gaz entre la chambre de rayonnement et le surchauffeur primaire, les tubes de parois pour la - -,chauffe du liquide, les tubes du surchauffeur primaire,
les tubes de paroi pour la surchauffe de la vapeur par rayonnement le surchauffeur secondaire étant disposés en ordre successif dans le parcours du courant à circula- tion forcée, tandis que des dispositifs sont prévus pour limiter à une va- leur appropriée la température des gaz à l'entrée du surchauffeur secondai- re par une remise en circulation dans une chambre ou un espace de mélange des gaz formé dans la chambre de rayonnement des gaz refroidis par leur contact avec des surfaces d'échange de chaleur dans la partie précitée du parcours des gaz de combustion.
L'invention comprend aussi un générateur de vapeur de type tu- bulaire à simple passage en circulation forcée produisant de la vapeur à une pression dépassant la pression critique, dans lequel le parcours du courant comprend des tubes d'eau sur les parois de la chambre de combus - tion. au moins un faisceau de tubes de surchauffeur dans une partie du par- cours des gaz de combustion partant d'une chambre de rayonnement disposée entre une chambre de combustion de foyer au moins et cette partie du par- cours des gaz, et des tubes de parois de surchauffe par rayonnement de la chambre de rayonnement, et dans lequel les tubes de parois de surchauffe par rayonnement de la chambre de rayonnement sont susceptibles de travailler avec un taux de chute de pression de fluide de l'ordre de 355 kg/cm2 (5050 livres par pouce carré).
L'invention comprend en outre un générateur de vapeur tubulaire à simple passage en circulation forcée dont une partie du parcours des gaz du foyer contient au moins un faisceau de tubes de surchauffeur, caracté- risé en ce que le parcours des gaz est destiné à recevoir les gaz d'une sé- rie de chambres de combustion de foyer pourvues chacune de tubes de parois de chauffe de liquide et de dispositifs de combustion à fonctionnement in- dépendant, et en ce que les tubes de parois et les tubes de surchauffeurs sont reliés entre eux de manière à établir un courant en série de fluide dans les tubes de parois des chambres de combustion successives et ensuite dans les tubes de surchauffeurs.
L'Invention sera décrite ci-après. à titre d'exemple, avec référence aux dessins partiellement schématiques annexés, dans lesquels :
Fig. 1 est une vue en élévation partiellement en coupe longi- tudinale suivant la ligne 1-1 de la fig. 2 d'un groupe générateur de va- peur à simple passage encirculation forcée destiné à fonctionner à des pres- sions supérieure à la pression critique;
Fig. 2 est une vue en plan, principalement en coupe horizonta- le suivant la ligne 2-2 de la fig. 1;
Fig. 3 est une vue en bout. avec arrachement partiel, de l'un des foyers cyclones;
Fig. 4 est une vue de côté du foyer cyclone représenté sur la fige 3 ;
Fig. 5 est une vue schématique montrant le parcours du fluide dans les tubes du groupe représenté sur les figs. 1 à 4;
Figo 6 est une vue en bout montrant la circulation du fluide dans les foyers cyclones, et
Figo 7 est un diagramme montrant les conditions de fonctionne- ment dans différentes parties du groupe. Les abscisses des courbes indi- quent les températures du fluide en degrés F et les sections du parcours du fluide de la fig. 5. tandis que les ordonnées représentent diverses va- leurs conne c'est décrit ci-après.
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Les dessins montrent un générateur de vapeur à simple passage en circulation forcée, pour une station centrale de force motrice. Le grou- pe particulier représenté est construit pour une production de vapeur con- tinue maximum de 306.170 kg (675.000 livres) par heure à une pression de
320 kg/cm2 (4550 iv/pc2) et une température totale de 620 C (1150 F) à la sortie du surchauffeur, sur la base d'une admission d'eau d'alimentation à une pression de 386 kg/cm2 (5500 lv./pc2) et une température 275 C (525 F) et d'un chauffage au charbon.
Le groupe comprend deux réchauffeurs de va- peur. l'un pour élever de 425 C (800 F) à 565 C (10500F) la température de
296. 700 kg (655.000 livres) de vapeur par heure entrant à une pression de
86 kg/cm2 (1225 lv/pc2) et le second pour élever de 332 C (630 F) à
540 C (1000 F) 235.000 kg (520.000 livres) de vapeur par heure, entrant à une pression de 10.5 kg/cm2 (150 lv/pc2).
Les parties principales du groupe représenté comprennent une section de combustion comportant une série de chambres de foyers cyclones à fonctionnement indépendant 10 de volume et de superficie des parois de délimitation relativement faibles. destinées à brûlera un combustible solide avec dégagement élevé de chaleur et à décharger séparément des produits de combustion gazeux à haute température et la cendre séparée à l'état de sco- rie en fusion dans une chambre de combustion secondaire 11.
Les gaz de chauffe, contenant en suspension, une faible quantité de cendre en fusion, sont dirigés de bas en haut à proximité despoints de décharge de la scorie à travers un écran collecteur de scorie 12, dans une chambre de rayonnement de chaleur et de mélange des gaz 13 allongée dans le sens vertical et de section transversale horizontale rectangulaire.
Les gaz de chauffe de la chambre 13 quittent celle-ci par le côté arrière supérieur et circulent horizontalement dans une chambre de chauffage par convection 14, allongée dans le sens horizontal et de section transversale verticale rectangulaire, dont la partie arrière est divisée par une chicane verticale 15 en parcours de gaz de chauffe parallèles 14a et 14b L'extrémité côté foyer du parcours de gaz 14 est occupée par un sur chauffeur de vapeur secondaire à convection 16. le parcours de gaz 14a par un surchauffeur de vapeur primaire à convection 17, et le parcours de gaz 14b par des réchauffeurs de vapeur à convection 18 et 19 disposés en série par rapport au courant de gaz.
Les gaz de chauffe des parcours de gaz 14a et 14b circulent dans un conduit de sortie commun 20 relié aux tubes d'un réchauffeur d'air tubulaire à deux sections 21 d'où les gaz sont extraits par un ventilateur de tirage induit 22 pourvu d'une sortie de gaz à la cheminée 23. L'air nécessaire à la combustion est fourni. à une pression positive appropriée, dans les chambrer de foyers 10 par une soufflante de tirage forcé 24 et un conduit 25 relié au réchauffeur d'air 21. L'air entrant circule en travers des tubes du réchauffeur d'air 21 et dans un carneau de sortie 26 et arrive à un conduit d'alimentation principal 27 d'où il passe par des conduits 28, sur les côtés opposés du groupe générateur de vapeur, dans les chambres de combustion 10.
Une partie des gaz de chauffe relativement froids circulant dans le conduit de sortie des gaz 20 en est retirée par un conduit 29 relié à une soufflante de recirculation des gaz 30 d'où elle est refoulée par un conduit 31 dans une chambre de rayonnement de chaleur et de mélange de gaz 13 en despoints qui y sont espacés verticalement.
Les chambres 10 des foyers cyclones sont disposées horizonta- lement et chauffées indépendamment par du charbon broyé ou granulaire et présentent le caractère général représenté sur les fige. 3 à 9 du Brevet n 4650146 de la Demanderesse. Comme le montrent les figs. 1 à 4. chaque chambre de foyer cyclone 10 est de forme approximativement cylindrique avec paroi périphérique courbe 40 délimitée par des groupes disposés en regard l'un de l'autre, de tubes à ergots, cintrés étroitement rapprochés et recouverts de matière réfractaire.
s'étendant entre des paires de collecteurs horizontaux subdivisés inférieurs 42 et supérieurs 43. Les extrémités supérieures et inférieures de chaque tube 41 sont recourbées en sens inverses et les tubes en regard l'un de l'autre au sommet de la cham-
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bre sont écartés l'un par rapport à l'autre pour former une entrée d'air comburant secondaire disposée tangentiellement 44 s'étendant sur la majeure partie de la longueur de la chambre du foyeret reliée à l'un des conduits d'amenée d'air 28.
L'extrémité avant ou extérieure de chaque chambre de foyer cyclone est fermée par une section de paroi tronconique 45 délimitée par des tubes à ergots, étroitement rapprochés et recouverts de matière réfractaire 46. s'étendant entre des collecteurs supérieur et inférieur horizontaux 47 et 48. respectivement,, et dont les parties intermédiaires sont recourbées pour délimiter un orifice circulaire d'entrée de combustion 49.
Une boite d'entrée de combustible 50 à périphérie convenablement courbée, coincide avec l'orifice 49 et est agencé pour débiter par celui-ci un courant tourbillonnant d'air comburant primaire et de charbon qui a été broyé ou granulé en un mélange à grains relativement gros dans un appareil de broyage (non représenté). Une entrée d'air comburant tertiaire 51 débite dans l'axe de la botte d'entrée de combustible 50.
L'extrémité opposée de chaque chambre de foyer est formée par une paroi verticale refroidie par circulation d'eau 52. présentant un goulet rentrant évasé 53, la paroi et le goulet étant délimités par des tubes à ergots 54. étroitement rapprochés et garnis de matière réfractaire. s'étendant entre un collecteur supérieur 55 et un collecteur inférieur 56, des parties Intermédiaires de certains tubes étant recourbées pour délimiter le goulet et une ouverture 57 formée dans la paroi 52 à proximité de la base de la chambre de foyer pour décharge la scorie en fusion de celle-ci dans la chambre de combustion primaire 11.
Comme c'est indiqué sur la fig. 5. les collecteurs 42 et 43 des tubes de parois du foyer, sont subdivisés par des membranes internes transversales pour grouper les tubes de parois 41 en panneaux tubulaires conti- gus semblables. le collecteur supérieur d'un panneau tubulaire étant relié au collecteur inférieur du panneau tubulaire suivant par des tubes de descente extérieurs 59. Une série de tuyaux d'amenée d'eau d'alimentation 60 est reliée au collecteur 48 de la paroi avant d'un foyer cyclone d'extrémité pour y amener l'eau d'alimentation à une pression supérieure à la pression critique, par exemple à 386 kg/cm2, au moyen d'une pompe à haute pression appropriée (non représentée).
Le collecteur supérieur 47 de la paroi avant de chaque chambre de foyer cyclone est relié aux sections de collecteur inférieures des panneaux tubulaires de la paroi du foyer situés le plus en avant ou le plus à l'extérieur par des tubes de descente 58. et les sections de collecteur supérieures pour les panneaux tubulaires de paroi situés le plus en arrière sont reliées par des tubes de descente 58' au collecteur inférieur 56 de la paroi d'extrémité. Les extrémités inférieures des tubes 54 de la paroi d'extrémité sont recourbées en sens inverses et contribuent à former une série d'ouvertures de décharge de scorie espacées transversalement 65. ménagées dans le fond de la chambre de combustion secondaire 11 et donnant dans une chambre collectrice de scorie sous-jacente 66.
Des tubes 62 relient le collecteur supérieur 55 du foyer cyclone de droite (fig. 6) au collecteur inférieur de paroi avant 48 du foyer cyclone central et des tubes 63 relient la section de collecteur supérieur 55 située au-dessus du foyer cyclone central au collecteur inférieur de paroi avant 48 du foyer cyclone de gauche.
Des tubes de décharge 67 partent du collecteur supérieur 55, à la gauche du foyer cyclone, pour se rendre à un collecteur d'entrée 68 du surchauffeur de vapeur primaire 17. Le surchauffeur primaire (appelé ci-après section de convection D) consiste en quatre groupes suspendus de tubes à coudes multiples, acconplés disposés de manière à former des panneaux espacés latéralement, les panneaux correspondants étant reliés en série pour former des circuits parallèles pour le courant de fluide circulant entre le collecteur 68 et un collecteur de sortie extérieur transversal 69 situé au-dessus de l'extré- mité avant du parcours de gaz 14a.
Le collecteur 69 est relié à un collecteur 70 d'où des tubes 71 présentant des parties coudées en sens inverses 71a s'étendent le
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long du ciel du parcours de gaz 14. et ensuite le long du ciel incliné 72 de la chambre de rayonnement de chaleur et de mélange de gaz 13. Les tubes
71 descendent le long de la paroi avant 73 de la chambre 13 et le long d'une paroi ou cloison d'impact inclinée 74 séparant partiellement la chambre de combustion secondaire 11 de la chambre 13. Les tubes de la cloison sont coudés pour former l'écran à scorie 12 et sont ensuite contre-coudés pour coopérer avec les tubes 54 à la formation des ouvertures de décharge de scorie 65.
L'extrémité inférieure de chaque tube 71 présente un contre- coude 71b d'où une seconde branche ascendante parallèle du tube retourne le long de la cloison. de la paroi avant et du ciel et présente également à son extrémité un contre-coude 71c pour former une troisième branche descen- dante parallèle qui se termine dans le collecteur 75. Les tubes 71 con- stituent ainsi un panneau tubulaire à rayonnement E où le fluide circule à une vitesse élevée dans deux branches descendantes et une branche as- cendante de chaque tube.
Une paroi latérale de la chambre de rayonnement et de mélange des gaz 13 est délimitée par des tubes 76 formant un panneau tubulaire de surchauffeur de vapeur à rayonnement F s'étendant entre le collecteur in- férieur 77 et le collecteur supérieur, tandis que la paroi de la face op- posée est délimitée par des tubes 79 formant un second panneau de surchauf- feur de vapeur à rayonnement G s'étendant entre des collecteurs inférieur et supérieur correspondants (non représentés). Les collecteurs supérieurs des parois latérales sont reliés par des raccordements ou connecteurs tu- bulaires 82.
Le collecteur inférieur 77 reçoit de la vapeur partiellement surchauffée du collecteur 75 par des tubes 83, de telle sorte qu'en ser- vice, la vapeur circule de bas en haut dans le panneau tubulaire.à rayon- nement F et ensuite de haut en bas dans le panneau tubulaire à rayonnement G.
Le collecteur inférieur du panneau tubulaire G est relié par des tubes 85 à un collecteur transversal 86 d'où une série de tubes de sur- chauffeur de vapeur en U renversé 87 s'étendent de bas en haut pour déli- miter la paroi arrière verticale 88 de la chambre 13 et un prolongement in- cliné vers l'arrière 89.de la paroi. formant le fond de la partie consti- tuant l'entrée du parcours de gaz 14. Les extrémités opposées des tubes 87 se terminent dans un collecteur 90 adjacent au collecteur 85. Les tubes 87 délimitent ainsi un panneau tubulaire de surchauffeur vertical H.
La partie restante de chaque paroi latérale de la chambre 13 est délimitée par un panneau tubulaire I formé par des tubes verticaux 92 s'étendant entre les collecteurs inférieur et supérieur 93 et 94 respecti- vement. Des connecteurs tubulaires ou canalisations de raccordement 95 s'étendent du collecteur 90 à chacun des collecteurs inférieurs de paroi
93 assurant un courant ascendant de fluide dans les panneaux tubulaires I.
Des panneaux tubulaires semblables J formés par des tubes 96 s'étendant entre des collecteurs inférieur et supérieur 97 et 98 respec- tivement. sont disposés dans les parois latérales opposées à l'entrée du parcours de gaz 14. Des tubes extérieurs 99 relient les collecteurs supé- rieurs de parois latérales 94 aux collecteurs inférieurs 97 pour assurer un courant ascendant de vapeur dans les panneaux tubulaires J. Les panneaux tubulaires E, F, G, H.
I et J sont ainsi disposés en série par rapport au courant de fluide et constituent une section de surchauffe par rayonnement du groupe. qui reçoit de la vapeur surchauffée de la section de surchauffeur primaire et est agencée pour décharger la vapeur, après surchauffe ad- ditionnelle. dans la section de surchauffeur secondaire 16. Comme c'est représenté sur les figs.
1 et 2, la section de surchauffeur secondaire 16 est constituée de deux groupes suspendus de tubes accouplés, à coudes multiples, disposés en rangées longitudinales et transversales s'étendant sur toute la largeur du groupeo La vapeur surchauffée est amenée des collecteurs supérieurs 98 des parois latérales à un collecteur d'entrée 100 par des tubes de raccordement 101. La section de surchauffeur secondaire est agencée pour produire un courant de vapeur parallèle au courant de gaz cir-
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culant dans le parcours de gaz 14. la vapeur du collecteur 100 passant dans le premier groupe de tubes 16 et étant déchargée dans un collecteur mélangeur de sortie 102, d'où elle passe par des raccordements 103 dans un collecteur d'entrée 104 du second groupe de tubes de surchauffeur.
La vapeur reçoit sa surchauffe finale dans ce groupe de tubes et est déchargée dans des collecteurs de sortie 105 d'où elle est dirigée vers un point d'u- tilisation. tel qu'un groupe turbo-alternateur agencé pour fonctionner à des pressions et des températures dépassant lesvaleurs critiques.
Comme c'est représenté sur les figs. 1 et 2, les parcours de gaz 14a et 14b sont occupés respectivement par la section de surchauffeur primaire 17 et une série de sections de réchauffe de vapeur 18 et 19. le réchauffeur 18 étant un dispositif à haute pression et le réchauffeur 19 étant un dispositif à basse pression. Les réchauffeurs sont constitués- par des tubes groupés, à coudes multiples, suspendus verticalement, en substance semblables aux tubes du surchauffeur primaire 17, le échauffeur 18 étant constitué de deux groupes reliés en série, à l'extrémité d'entrée des gaz du parcours 14b et disposés en contre-courant par rapport à la circulation des gaz de chauffe, leurs extrémités étant reliées à un collecteur d'entrée 110 et à un collecteur de sortie 111.
Le réchauffeur à basse pression 19 est constitué par trois groupes en contre-courant de tubes- reliés en série pour assurer un courant de vapeur entre un collecteur d'entrée 112 et un collecteur de sortie 113, un collecteur intermédiaire 114 étant situé entre le second et le troisième groupe de tubes. Comme c'est représenté surla f ig. 1, les fonds des parcours de gaz 14. 14a et 14b sont délimités par une série d'auges de section en V 116. au fond desquelles sont situés des transporteurs, à vis sans fin 117 pour recueillir et enlever les cendres volantes qui ont été séparées dans ces parcours de gaz.
Les extrémités supérieures des auges collectrices de cendres contiguës sont formées par des sections en plateau 118 situées à proximité des extrémités inférieures coudées des @@bes de surchauffeur et de réchauffeur pour éviter le court-circuitage de ces faisceaux tubulaires par les gaz.
Les foyers cyclones 10 sont établis pour pouvoir, en service normal, brûler des combustibles avec un dégagement de chaleur suffisant pour produire des courants de gaz de chauffe à des températures supérieures à la température de fusion de la cendre du combustible par les goulets de décharge 53 contre la paroi d'impact formée par la cloison 74 qui tend. conjointement avec l'écran collecteur de scorie 12 à séparer une grande partie des particules de scorie restant en suspension dans les gaz de chauffe.
Comme c'est indiqué sur la fig. 6. les entrées d'air et de combustible sont inclinées par rapport à l'orifice d'admission de manière à provoquer, dans les chambres des foyers cyclones d'extrémité, des tourbillonnements de gaz tournant en sens opposés, le foyer cyclone d'extrémité du côté de droite sur la fig. 6 assurant un mouvement de tourbillonnement des gaz en sens inverse des aiguilles d'une montre et le foyer cyclone d'extrémité du côté de gauche un mouvement de tourbillonnement dans le sens des aiguilles d'une montre. Dans le foyer cyclone Intermédiaire, le tourbillonnement peut se faire dans l'un ou l'autre sens ; mais il est représenté comme se faisant dans le sens des aiguilles d'une montre.
Cette disposition tend à effectuer dans chaque foyer cyclone d'extrémité une décharge s'écartant de la paroi latérale adjacente de la chambre de combustion secondaire 11, et à équilibrer les pressions statiques dans cette chambre.
Comme c'est indiqué sur la fig. 1, les tubes qui garnissent les parois des chambres de foyers cyclones 10. de la chambre de combustion secondaire 11 et de la partie inférieure de la chambre de rayonnement de chaleur et de mélange des gaz 13. ainsi que de la cloison 74 située entre ces chambres sont du type à ergots et recouverts de matière réfractaire pour résister aux températures élevées.
La température du courant des gaz de chauffe circulant de bas en haut dans la chambre de rayonnement et de mélange des gaz 13 est réglée pour assurer à l'entrée de la section de surchauffeur secondaire 16 une
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température des gaz qui permet à toutes particules de scorie en suspension dans les gaz de se trouver à l'état solidifié ou "sec" et évite une sur- chauffe des tubes dans les sections de surchauffeur secondaire à rayonnement tout en assurant encore aux gaz de chauffe une teneur calorifique suffi- sante pour atteindre les températures de surchauffe finales désirées.
Dans ce but, les gaz de carneaux extraits par la soufflante de recirculation 30 sont envoyés du conduit 31 à une chambre 120 s'étendant le long de la pa- roi arrière inférieure de la chambre 13 Les tubes 87 qui garnissent cet- te paroi sont coudés vers l'extérieur comme c'est indiqué en 121 pour for- mer une série de lumières d'entrée des gaz remis en circulation 122. al- longées verticalement et espacées transversalement dans la paroi arrière.
Les gaz remis en circulation entrent à une vitesse suffisante pour assu- rer un mélange intime avec les gaz de combustion frais s'élevant à travers l'écran de scorie 12. Des lumières d'entrée semblables de gaz remis en circulation 124 sont formées dans la paroi avant 73 de la chambre 13 en coudant un certain nombre des tubes 71 qui garnissent cette paroi, comme c'est indiqué en 125. L'amenée des gaz remis en circulation aux lumières
124 est effectuée par un conduit de branchement 126 allant de la chambre
120 à une chambre 127 renfermant les lumières 124. La quantité totale de gaz introduite par les lumières 122 ;et 124 et la répartition des gaz entre les lumières est réglable par des registres ou papillons (nonreprésentés) établis dans les conduits reliés à ces lumières.
Pendant le service normal du groupe générateur de vapeur dé- crit. à des pressions et des températures dépassant les valeurs critiques. un combustible solide, broyé en grains relativement gros. est envoyé dans les chambres cyclones en provenance de sources réglabes indépendamment. tels que des broyeurs séparés, et le combustible est brûlé dans des chambres de foyers cyclones avec un dégagement élevé de chaleur, suffisant pour y maintenir une température mdyenne normale dépassant la température de fusion des cendres du combustible. L'air comburant secondaire est amené à une pression position notable suffisante pour vaincre la résistance du courant de gaz dans le groupe et en quantités assurant une combustion pratiquement complète du combustible dans les foyers cyclones.
La cendre se sépare à l'état de scorie en fusion qui s'écoule le long du fond de chaque chambre de foyer cyclone dans la chambre de combustion primaire 11 et est déchargée par les ouvertures à scorie 65 qui y sont ménagées dans le fond. La captation des particules de scorie en suspension est secondée par la disposition de la cloison 74 et de l'écran à scorie 12. Le courant de produits gazeux de la combustion balayant les parties adjacentes des ouvertures de décharge de scorie 65 contribuent à maintenir les ouvertures propres, et lorsqu'il s'élève dans la chambre 13 il est intimement mélangé aux gaz de carneaux remis en circulation à une température relativement faible qui pénètrent par les lumières 122 et 124.
On règle la température des gaz quittant la chambre 13 en faisant varier l'allure du feu et la vitesse de la soufflante de recirculation 30 pour régler la quantité de gaz remis en circulation. Les gaz de chauffe mélangés, portés à la température désirée, circulent horizontalement dans le parcours de gaz 14 en venant en contact avec les tubes de la section de surchauffeur secondaire 16 et sont alors divisés par la cloison 15 entre les parcours de gaz 14a et 14b. la répartition des gaz entre ceux-ci étant réglée par les jeux de papillons 130 et 131 pour régler la température finale de la vapeur réchauf- fée dans les réchauffeurs à basse et à haute pression.
Les courants de gaz se réunissent alors dans le conduit de sortie 20 et passent alors, à l'ex- ception de la partie qui peut être remise en circulation, successivement par les faisceaux tubulaires du réchauffeur d'air 21 dans le ventilateur de tirage induit 22 d'où Ils sont déchargés par le conduit de sortie 23.
Comme c'est Indiqué sur les figs. 5 et 6, l'eau d'alimentation chauffée dans un système de réchauffage de l'eau par récupération de la turbine, recevant la vapeur du groupe générateur, est normalement amenée à une température élevée au collecteur 48 du foyer cyclone situé à l'extrémité de droite, d'où elle s'élève par la paroi d'extrémité avant de la
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chambre de combustion et, en série, par les paires de panneaux tubulaires antérieures, intermédiaires et postérieurs qui garnissent les côtés opposés de la chambre, pour se rendre ensuite par les tubes 54 de la paroi d'extrémité du goulet de bas en haut dans le collecteur correspondant 55 d'où l'eau est dirigée par les tubes 62 dans le collecteur inférieur 48 du foyer cyclone central où une circulation semblable se produit dans les tubes du foyer.
L'eau déchargée dans le collecteur 55 du'foyer cyclone central est envoyée par les tubes 63 dans le collecteur 48 du foyer cyclone situé à l'extrémité de gauche et une circulation semblable y est de nouveau répétée. Le système de circulation ascendante dans tous les tubes chauffés de la section de chauffage de l'eau est spécialement utile lorsque le groupe générateur de vapeur fonctionne à des pressions supérieures à la valeur critique. Les foyers cyclones 10 ont leur surface tubulaire de chauffe de l'eau proportionnée et disposée en série de manière à chauffer l'eau contenue dans le réseau, dans les conditions de charge maximum, à une température qui se rapproche , quoique toujours en dessous, de la température critique avant que l'eau n'atteigne le collecteur 68 par les tubes 67 partant du collecteur 55 du foyer cyclone de l'extrémité gauche.
Par suite de cette disposition, la partie du circuit du fluide chauffé où se produit la transformation de l'eau de l'état liquide à l'état de vapeur, est toujours.située dans la section de surchauffeur primaire 17 à température relativement basse, dans toute la gamme de fonctionnement. La courant de vapeur dans les tubes de la section de surchauffeur primaire se fait en sens inverse du courant des gaz et passe du collecteur de sortie 69 dans les tubes 71 formant le panneau de surchauffeur à rayonnement E.
Les tubes 71 formant le panneau E sont moins nombreux mais présentent des coudes multiples pour former une section à rayonnement à grande vitesse de circulation de la vapeur. La surchauffe de la vapeur par rayonnement continue à se faire dans le panneau tubulaire à circulation ascendante 5. dans le panneau tubulaire à circulation descendante G, dans le panneau tubulaire à circulation ascendante et descendante H, dans le panneau tubulaire à circulation ascendante I et dans le panneau tubulaire à circulation ascendante J. La surchauffe finale de lavapeur est effectuée dans la section de surchauffeur secondaire 16 et la vapeur à la température et à la pression désirées est déchargée par les collecteurs 105.
Le fonctionnement décrit du groupe à des pressions et des températures supérieures aux valeurs décrites sous une charge élevée et avec recirculation des gaz est représenté schématiquement sur les graphiques de la fig. 7.
Les températures du gaz dans les diverses sections du groupe sont représentées par les courbes marquées T', la température étant pratiquement constante dans les zones de chauffage de l'eau A. B et C des foyers cyclones, mais tombant ensuite rapidement dans les zones des panneaux tubulaires agissant par rayonnement E. F. G, H, I et J, et diminuant gmduel- lement dans la section de surchauffeur secondaire K et la section de surchauffeur primaire D.
La pression p du fluide diminue progressivement dans le groupe avec chute maximum dans les panneaux tubulaires à rayonnement E, F, G, H. I et J où se présentent les conditions de vitesses les plus élevées du fluide contenu dans le système.
On a trouvé que lafonction suivant laquelle la chaleur spécifique du fluide varie présente, comme le montre la courbe R, une partie notablement bombée dans la gamme des pressions supérieures aux valeurs critiques indiquées et, suivant une caractéristique de l'invention, le parcours suivi par le courant de fluide est établi de telle façon que la gamme des chaleurs spécifiques maxima se trouve à peu près dans la section du groupe constituée par les panneaux à rayonnement E, F, G, H, I et J.
Ceci offre un avantage particulier pour obtenir la corrélation voulue entre la'consommation de chaleur à la face extérieure des parois tubulaires dans ces sections et la transmission de cette chaleur des faces Internes des parois tubulaires aux
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courants du fluide qui y est contenu, pour obtenir une construction économique en tenant compte des températures auxquelles le métal des tubes peut être soumis.
Fig. 7 montre aussi l'accroissement de la quantité de chaleur totale Q dans le fluide pendant la progression dans le groupe générateur de vapeur, ainsi que la température moyenne T2 du métal du tube dans les sections de surchauffeur primaire à convection, de surchauffeur à rayonnement et de surchauffeur secondaire à convection.
On règle la température de surchauffe finale de la vapeur principalement en réglant l'allure du feu des foyers cyclones à conduite indépendante 10 pour faire varier la quantité de gaz de chauffe à haute température auquel les sactions de surchauffeur à rayonnement et de surchauffeur à convection sont exposés. Un réglage supplémentaire est effectué pour augmenter la température de surchauffe finale, ce réglage supplémentaire, qui est particulièrement utile pour le fonctionnement à charges partielles. ayant pour but de faire varier le nombre de foyers en service, et par conséquent de rendre inopérante la partie de la surface de chauffe d'eau qui serait sans cela chauffée par le ou les foyers cyclones mis hors service.
Ce résultat peut être obtenu par suite de la disposition en série des tubes de refroidissement des parois de foyer chauffant l'eau dans les foyers cyclones successifs sans donner lieu à des différences de températures indésirables dans les courants de fluide. La longueur de la partie du par cours du fluide dans laquelle l'eau est chauffée reste la même. mais l'effet du chauffage dans la ou les parties associées au foyer ou aux foyers cyclones inactifs est notablement réduit, de telle sorte que la quantité de chaleur absorbée par la section de chauffage de l'eau du groupe généra-. teur est réduite et que la quantité de chaleur disponible dans les gaz de chauffe circulant dans les zones de surchauffe à rayonnement et à convection est augmentée d'une manière correspondante.
Les gaz remis en circulation sont introduits aux périodes de charge maximum et réglés en partie en déterminant la température des gaz de chauffe par rapport à la température des gaz quittant la chambre de rayonnement de chaleur et de mélange des gaz 13 et entrant dans le sur chauffeur secondaire à convection 16 Cette Introduction des gaz remis en circulation a pour effet non seulement de réduire la température des gaz quittant la chambre 13 dans une mesure suffisante pour éviter le dépôt des scories sur les tubes,
mais aussi de former une masse de gaz propre à assurer l'absorption désirée de la chaleur dans le surchauffeur à convection pour obtenir la température optimum de la vapeur à la sortie des collée teurs 1050
Lorsque la charge diminue et que la quantité de gaz de chauffe engendrée par la combustion du combustible est réduite d'une manière correspondante, les gaz déchargés par les foyers cyclones subissent une certaine diminution de la température, mais celle-ci ne tombe pas autant que cela se produirait dans un grand foyer brûlant du combustible et re - froldl par circulation d'eau. On notera que la quantité de gaz remis en circulation doit être réglée suivant une certaine corrélation entre la température des gaz à la sortie du foyer et la température de la vapeur surchauffée débitée.
En outre de la possibilité de faire fonctionner le groupe en mettanten service un, deux ou trois foyers cyclones, on peut fournir à la chambre 13 des gaz de combustion dont la température ne varie pas notablement quelle que soit l'allure du feu, l'allure du feu dans un, deux ou trois foyers étant fonction de la charge appliquée au groupe générateur, tandis que le degré d'admission d'eau d'alimentation est une indication certaine de la quantité de vapeur surchauffée débitée par le groupe générateur.
Il y a lieu de remarquer que la température des gaz dans la zone d'entrée aux parcours de gaz en parallèle 14a 14b est de l'ordre de
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720 C (1325 F). La température de la vapeur quittant le surchauffeur primaire 17 est de l'ordre de 410 (770 F) en ce point, tandis que la température de la vapeur quittant la sortie du réchauffeur à haute pression 18 dans une zone de température des gaz correspondants est de l'ordre de 565 C (1050 F). Le réchauffeur à basse pression 19, situé en aval du réchauffeur à haute pression dans le même parcours de gaz 14b reçoit des gaz dont une certaine quantité de chaleur a été extraite par le réchauffeur à haute pression.
La quantité de chaleur absorbée par les réchauffeurs et par conséquent la température des courants de vapeur surchauffée qui en sont débités sont réglées par le réglage du courant de gaz au moyen des papillons 130 et/ou des papillons 131 aux extrémités de sortie des parcours de gaz 14a et 14b respectivement. Pour une masse donnée du flux de gaz de chauffe venant du surchauffeur secondaire 16, on règle le degré de chauffage à haute pression ou à basse pression en divisant le flux de gaz entre les parcours 14a et 14b suivant les indications relatives à la température de réchauffage.
Comme il est indispensable que ni la température de la vapeur réchauffée à haute pression ni celle de la vapeur réchauffée à basse pression ne dépassent une température prédéterminée,par mesure de précaution pour la préservation de la turbine à vapeur recevant les courants de vapeur correspondants, on ajuste lespapillons qui règlent la division du courant de gaz suivant la température de la vapeur à la sortie du réchauffeur à haute pression ou la température de la vapeur venant du réchauffeur à basse pression, quelle que soit la plus élevée par rapport à la valeur optimum.
En résumé, la conduite de ce groupe générateur de vapeur se fait comme suit: On règle le degré d'admission de l'eau d'alimentation pour maintenir à la pression désirée la vapeur surchauffée débitée. On règle le taux d'introduction du combustible et l'allure du feu d'après les indications relatives âu débit de vapeur surchauffée à haute pression. On règle l'introduction des gaz remis en circulation suivant une indication de la température de ces gaz par rapport à celle des gaz à l'entrée du surchauffeur à convection, et on règle l'absorption de chaleur au réchauffeur en réglant le courant de gaz de chauffe de ce dernier suivant la tendance de la température de la vapeur réchauffée à haute pression ou à basse pression à s'écarter d'une valeur optimum.
Le groupe générateur de vapeur à haute pression et haute température à circulation forcée des gaz en simple passage, construit et fonctionnant comme c'est décrit ci-dessus répond aux exigences de la production de vapeur dans le stations centrales modernes en ce qui concerne des appareils pour fournir de grandes quantités de vapeur à haute pres sion et haute température où la chaleur nécessaire est engendrée par des combustibles habituellement sur le marché, et sur le fonctionnement desquels on peut compter dans une large gamme des débits de vapeur. D'autre part, l'agencement du groupe générateur est tel que le coût de la construction et les frais d'entretien ne sont pas excessifs.
REVENDICATIONS.
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This invention relates generally to the construction and operation of tubular steam generators with single passage of gas in forced circulation and, more particularly, to the construction and operation of such generators specially designed and particularly established for producing superheated steam at pressures and temperatures exceeding the critical pressure of 234 Kg per cm2 (3206 pounds per square inch) and the critical temperature of 375 C (705 F).
Although the high thermal efficiencies that can be achieved by a steam power plant by the use of a single passage steam generator group of forced circulation gas producing superheated steam at pressures and temperatures exceeding critical values have been known for several years (see for example English Patents Nos. 201.340. 206.559 and 398.413). problems relating to the principle, construction and operation of these groups have given rise to such difficulties that the few groups of this kind currently in existence have been limited to small experimental installations with a relatively low steam production capacity. .
For much the same reasons, the only industrial-sized single-pass forced-circulating gas steam generator sets have been established and constructed to operate at pressures below the critical pressure. This operation at a pressure lower than the critical pressure raises the additional problem of solid deposits and / or corrosive oxidation of the metal in the transition zone where the fluid contained in the tubes passes from the liquid state to the state of. vapor with change in density.
When a steam generator is called upon to supply steam at high pressure and at high superheating temperature, difficulties are likely to arise due to the formation of molten slag deposits on the surfaces of the convection superheater or due to overheating of the metal in the superheater tubes., and the superheater tends to become expensive due to the use of special alloys.
The object of the invention is to provide: a single-pass forced circulation steam generator of economical construction for supplying high pressure and high temperature steam; a forced circulation single-pass steam generator capable of producing superheated steam at a pressure exceeding the critical pressure and of which the single-pass current path is advantageously established which helps to minimize the risk of overheating tubes subject to being under the most expensive operating conditions; a single-pass forced-circulation steam generator, the arrangement of which makes it possible to facilitate the adjustment of the final overheating temperature;
a single-pass steam generator in forced circulation, intended to produce steam at a pressure significantly above the critical pressure and of economical construction from the point of view. costly support members for the installation; a single-pass forced circulation steam generator, of industrial dimensions capable of supplying all of the steam necessary for an associated turbine, operating with heating of the feed by recovery. and operate efficiently over a wide range of loads to produce superheated and reheated steam.
The present invention comprises a single-pass, forced-circulation tubular steam generator in which a radiation chamber provided with wall tubes for superheating the steam by radiation is disposed between a combustion chamber provided with wall tubes for heating. liquid and part of the gas path
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combustion containing a primary superheater which comprises at least one bundle of tubes and a secondary superheater which comprises at least one bundle of tubes and is arranged in the gas path between the radiation chamber and the primary superheater, the wall tubes for the - -, heats up the liquid, the primary superheater tubes,
the wall tubes for superheating the steam by radiation, the secondary superheater being arranged in successive order in the path of the forced-circulating current, while devices are provided to limit the temperature of the gases to an appropriate value. the entry of the secondary superheater by recirculation in a chamber or a gas mixing space formed in the radiation chamber of the gases cooled by their contact with the heat exchange surfaces in the aforementioned part of the path of the gases. combustion gases.
The invention also includes a forced circulation, single-pass, tubular-type steam generator producing steam at a pressure exceeding the critical pressure, wherein the current path comprises water tubes on the walls of the chamber. of combustion. at least one bundle of superheater tubes in a part of the combustion gas path starting from a radiation chamber disposed between at least one combustion chamber of the hearth and this part of the gas path, and radiation superheat walls of the radiation chamber, and wherein the radiation chamber radiation superheat wall tubes are capable of operating with a fluid pressure drop rate of the order of 355 kg / cm2 ( 5050 pounds per square inch).
The invention further comprises a single-passage tubular steam generator with forced circulation, part of the path of the gases of the furnace containing at least one bundle of superheater tubes, characterized in that the path of the gases is intended to receive gases from a series of hearth combustion chambers each provided with liquid heating wall tubes and independently operated combustion devices, and in that the wall tubes and the superheater tubes are connected between them so as to establish a series flow of fluid in the wall tubes of successive combustion chambers and then in the superheater tubes.
The invention will be described below. by way of example, with reference to the attached partially schematic drawings, in which:
Fig. 1 is an elevational view partially in longitudinal section taken along line 1-1 of FIG. 2 of a forced-circulation single-pass steam generator unit intended to operate at pressures greater than the critical pressure;
Fig. 2 is a plan view, mainly in horizontal section taken along line 2-2 of FIG. 1;
Fig. 3 is an end view. with partial tearing, of one of the cyclone centers;
Fig. 4 is a side view of the cyclone hearth shown in fig 3;
Fig. 5 is a schematic view showing the path of the fluid in the tubes of the group shown in FIGS. 1 to 4;
Figo 6 is an end view showing the circulation of the fluid in the cyclone centers, and
Figo 7 is a diagram showing the operating conditions in different parts of the group. The abscissas of the curves indicate the temperatures of the fluid in degrees F and the sections of the path of the fluid in fig. 5. while the ordinates represent various values as described below.
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The drawings show a forced circulation single pass steam generator for a central motive power station. The particular unit shown is built for a maximum continuous steam output of 306,170 kg (675,000 lb) per hour at a pressure of
320 kg / cm2 (4550 iv / pc2) and a total temperature of 620 C (1150 F) at the outlet of the superheater, based on a feed water inlet at a pressure of 386 kg / cm2 (5500 lv./pc2) and a temperature of 275 C (525 F) and a coal heater.
The group includes two steam heaters. one to raise the temperature from 425 C (800 F) to 565 C (10500F)
296. 700 kg (655,000 lb) of steam per hour entering at a pressure of
86 kg / cm2 (1225 lv / pc2) and the second to raise from 332 C (630 F) to
540 C (1000 F) 235,000 kg (520,000 lbs) of steam per hour, entering at a pressure of 10.5 kg / cm2 (150 lv / pc2).
The main parts of the group shown comprise a combustion section comprising a series of independently operating cyclone hearth chambers 10 of relatively small volume and boundary wall area. intended to burn a solid fuel with high heat release and to discharge separately gaseous combustion products at high temperature and the separated ash in molten slag state in a secondary combustion chamber 11.
The heating gases, containing in suspension, a small quantity of molten ash, are directed from the bottom up near the discharge points of the slag through a slag collecting screen 12, into a heat radiating and mixing chamber gases 13 elongated in the vertical direction and of rectangular horizontal cross section.
The heating gases of the chamber 13 leave this by the upper rear side and circulate horizontally in a convection heating chamber 14, elongated in the horizontal direction and of rectangular vertical cross section, the rear part of which is divided by a baffle vertical 15 in parallel heating gas paths 14a and 14b The end of the combustion chamber side of the gas path 14 is occupied by a secondary convection steam superheater 16. the gas path 14a by a convection primary steam superheater 17, and the gas path 14b through convection steam heaters 18 and 19 arranged in series with respect to the gas stream.
The heating gases from the gas paths 14a and 14b circulate in a common outlet duct 20 connected to the tubes of a two-section tubular air heater 21 from which the gases are extracted by an induced draft fan 22 provided with 'a gas outlet to the chimney 23. The air necessary for combustion is supplied. at an appropriate positive pressure, in the chamber chambers 10 by a forced draft blower 24 and a duct 25 connected to the air heater 21. The incoming air circulates through the tubes of the air heater 21 and into a flue outlet 26 and arrives at a main supply duct 27 from where it passes through ducts 28, on the opposite sides of the steam generator group, into the combustion chambers 10.
A portion of the relatively cold heating gases circulating in the gas outlet duct 20 is withdrawn therefrom by a duct 29 connected to a gas recirculation fan 30 from which it is discharged via a duct 31 into a heat radiating chamber and gas mixture 13 at vertically spaced points therein.
The chambers 10 of the cyclone hearths are arranged horizontally and independently heated by crushed or granular coal and have the general character shown in the figures. 3-9 of the Applicant's Patent No. 4650146. As shown in figs. 1 to 4. each cyclone hearth chamber 10 is approximately cylindrical in shape with curved peripheral wall 40 delimited by groups arranged opposite one another, of tubes with lugs, bent closely together and covered with refractory material.
extending between pairs of lower 42 and upper 43 subdivided horizontal manifolds. The upper and lower ends of each tube 41 are curved in opposite directions and the tubes facing each other at the top of the chamber.
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bre are spaced relative to each other to form a secondary combustion air inlet disposed tangentially 44 extending over the major part of the length of the chamber of the hearth and connected to one of the supply ducts d 'air 28.
The front or outer end of each cyclone hearth chamber is closed by a frustoconical wall section 45 delimited by lug tubes, closely spaced and covered with refractory material 46 extending between upper and lower horizontal manifolds 47 and 48. respectively ,, and the intermediate parts of which are curved to define a circular combustion inlet orifice 49.
A fuel inlet box 50 with a suitably curved periphery, coincides with the orifice 49 and is arranged to deliver therefrom a swirling stream of primary combustion air and coal which has been ground or granulated into a grain mixture. relatively large in a grinding apparatus (not shown). A tertiary combustion air inlet 51 flows along the axis of the fuel inlet boot 50.
The opposite end of each hearth chamber is formed by a vertical wall cooled by circulating water 52. having a flared re-entry neck 53, the wall and the neck being delimited by lug tubes 54 closely spaced and lined with material. refractory. extending between an upper manifold 55 and a lower manifold 56, intermediate portions of some tubes being curved to delimit the neck and an opening 57 formed in the wall 52 near the base of the hearth chamber for discharging the slag in fusion of this in the primary combustion chamber 11.
As shown in fig. 5. The manifolds 42 and 43 of the fireplace wall tubes are subdivided by transverse internal membranes to group the wall tubes 41 into similar contiguous tubular panels. the upper manifold of a tubular panel being connected to the lower manifold of the next tubular panel by outer downpipes 59. A series of feedwater inlet pipes 60 is connected to the manifold 48 of the front wall of an end cyclone hearth for supplying the feed water thereto at a pressure above the critical pressure, for example 386 kg / cm2, by means of a suitable high pressure pump (not shown).
The upper manifold 47 of the front wall of each cyclone fireplace chamber is connected to the lower manifold sections of the front-most or outermost fireplace wall tube panels by down tubes 58. Upper manifold sections for the rear-most tubular wall panels are connected by downpipes 58 'to the lower manifold 56 of the end wall. The lower ends of the end wall tubes 54 are curved in opposite directions and help to form a series of transversely spaced slag discharge openings 65 in the bottom of the secondary combustion chamber 11 and leading into a chamber. underlying slag collector 66.
Tubes 62 connect the upper manifold 55 of the right cyclone hearth (Fig. 6) to the lower front wall manifold 48 of the central cyclone hearth and tubes 63 connect the upper manifold section 55 located above the central cyclone hearth to the manifold. lower front wall 48 of the left cyclone hearth.
Discharge tubes 67 leave from the upper manifold 55, to the left of the cyclone hearth, to an inlet manifold 68 of the primary steam superheater 17. The primary superheater (hereinafter called convection section D) consists of four suspended groups of multi-elbow tubes, mated together arranged to form laterally spaced panels, the corresponding panels being connected in series to form parallel circuits for the flow of fluid flowing between manifold 68 and a transverse outer outlet manifold 69 located above the front end of gas path 14a.
The manifold 69 is connected to a manifold 70 from which tubes 71 having portions bent in opposite directions 71a extend the
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along the sky of the gas path 14. and then along the inclined sky 72 of the heat radiating and gas mixing chamber 13. The tubes
71 descend along the front wall 73 of the chamber 13 and along an inclined impact wall or partition 74 partially separating the secondary combustion chamber 11 from the chamber 13. The tubes of the partition are bent to form the 'slag screen 12 and are then bent to cooperate with the tubes 54 to form the slag discharge openings 65.
The lower end of each tube 71 has a counterbend 71b from which a second parallel ascending branch of the tube returns along the partition. of the front wall and the ceiling and also has at its end a counter-bend 71c to form a third parallel descending branch which ends in the collector 75. The tubes 71 thus constitute a tubular radiation panel E where the fluid circulates at a high speed in two descending branches and an ascending branch of each tube.
A side wall of the radiation and gas mixing chamber 13 is delimited by tubes 76 forming a tubular panel of the radiation steam superheater F extending between the lower manifold 77 and the upper manifold, while the wall of the opposite face is delimited by tubes 79 forming a second radiant steam superheater panel G extending between corresponding lower and upper manifolds (not shown). The upper manifolds of the side walls are connected by tubular connectors or connectors 82.
The lower manifold 77 receives partially superheated steam from manifold 75 through tubes 83, so that in use the steam flows from the bottom up through the tube panel F and then up and down. bottom in the G-radiation tubular panel.
The lower manifold of tubular panel G is connected by tubes 85 to a transverse manifold 86 from which a series of inverted U-shaped steam superheater tubes 87 extend from bottom to top to delimit the vertical rear wall. 88 of the chamber 13 and an extension inclined towards the rear 89 of the wall. forming the bottom of the part constituting the inlet of the gas path 14. The opposite ends of the tubes 87 terminate in a manifold 90 adjacent to the manifold 85. The tubes 87 thus define a vertical superheater tubular panel H.
The remaining part of each side wall of chamber 13 is delimited by a tubular panel I formed by vertical tubes 92 extending between the lower and upper manifolds 93 and 94 respectively. Tubular connectors or connecting pipes 95 extend from the manifold 90 to each of the lower wall manifolds.
93 ensuring an upward flow of fluid in the tubular panels I.
Similar tubular panels J formed by tubes 96 extending between lower and upper manifolds 97 and 98, respectively. are disposed in the side walls opposite to the inlet of the gas path 14. Outer tubes 99 connect the upper side wall collectors 94 to the lower collectors 97 to provide an upward flow of vapor in the tube panels J. The panels tubular E, F, G, H.
I and J are thus arranged in series with respect to the fluid stream and constitute a section of superheating by radiation of the group. which receives superheated steam from the primary superheater section and is arranged to discharge the steam, after additional superheating. in the secondary superheater section 16. As shown in figs.
1 and 2, the secondary superheater section 16 consists of two suspended groups of coupled tubes, with multiple bends, arranged in longitudinal and transverse rows extending over the entire width of the group. The superheated steam is supplied from the upper manifolds 98 of the walls side to an inlet manifold 100 by connecting tubes 101. The secondary superheater section is arranged to produce a vapor stream parallel to the circulated gas stream.
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culant in the gas path 14. the vapor from the manifold 100 passing through the first group of tubes 16 and being discharged into an outlet mixing manifold 102, from where it passes through connections 103 into an inlet manifold 104 of the second group of superheater tubes.
The steam receives its final superheat in this group of tubes and is discharged into outlet manifolds 105 from where it is directed to a point of use. such as a turbo-alternator group arranged to operate at pressures and temperatures exceeding critical values.
As shown in Figs. 1 and 2, the gas paths 14a and 14b are occupied respectively by the primary superheater section 17 and a series of steam reheating sections 18 and 19. the heater 18 being a high pressure device and the heater 19 being a device. at low pressure. The heaters are constituted by grouped tubes, with multiple bends, suspended vertically, in substance similar to the tubes of the primary superheater 17, the heater 18 consisting of two groups connected in series, at the gas inlet end of the path 14b and arranged in counter-current with respect to the circulation of the heating gases, their ends being connected to an inlet manifold 110 and to an outlet manifold 111.
The low pressure heater 19 is made up of three countercurrent groups of tubes connected in series to provide a vapor flow between an inlet manifold 112 and an outlet manifold 113, an intermediate manifold 114 being located between the second. and the third group of tubes. As shown in f ig. 1, the bottoms of the gas paths 14. 14a and 14b are delimited by a series of V-section troughs 116. at the bottom of which are located conveyors, worm 117 to collect and remove the fly ash which has been separated in these gas paths.
The upper ends of the adjoining ash collection troughs are formed by tray sections 118 located near the angled lower ends of the superheater and reheater blocks to prevent gas shorting of these tube bundles.
Cyclone hearths 10 are designed to be able, in normal service, to burn fuels with sufficient heat release to produce flue gas streams at temperatures above the melting temperature of the ash of the fuel through the discharge necks 53 against the impact wall formed by the partition 74 which tends. together with the slag collecting screen 12 to separate a large part of the slag particles remaining in suspension in the heating gases.
As shown in fig. 6. the air and fuel inlets are inclined with respect to the inlet orifice so as to cause, in the chambers of the end cyclone hearths, vortices of gas rotating in opposite directions, the cyclone hearth of end of the right side in fig. 6 providing a counterclockwise swirling movement of the gases and the left side end cyclone hearth a clockwise swirling movement. In the Intermediate cyclone focus, the vortex can take place in either direction; but it is represented as going in a clockwise direction.
This arrangement tends to effect in each end cyclone hearth a discharge moving away from the adjacent side wall of the secondary combustion chamber 11, and to balance the static pressures in this chamber.
As shown in fig. 1, the tubes which line the walls of the cyclone hearth chambers 10. of the secondary combustion chamber 11 and of the lower part of the heat radiating and gas mixing chamber 13. as well as of the partition 74 located between these Chambers are of the lug type and covered with refractory material to withstand high temperatures.
The temperature of the heating gas stream flowing from bottom to top in the radiation and gas mixing chamber 13 is adjusted to ensure at the inlet of the secondary superheater section 16 a
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gas temperature which allows all slag particles in suspension in the gases to be in a solidified or "dry" state and prevents overheating of the tubes in the secondary radiant superheater sections while still ensuring the gases heats a sufficient calorific content to achieve the desired final superheat temperatures.
For this purpose, the flue gases extracted by the recirculation fan 30 are sent from the duct 31 to a chamber 120 extending along the lower rear wall of the chamber 13. The tubes 87 which line this wall are bent outward as indicated at 121 to form a series of recirculated gas inlet ports 122. vertically elongated and transversely spaced in the rear wall.
The recirculated gases enter at a rate sufficient to ensure intimate mixing with the fresh combustion gases rising through the slag screen 12. Similar recirculated gas inlet ports 124 are formed in the slag screen 12. the front wall 73 of the chamber 13 by bending a certain number of the tubes 71 which line this wall, as indicated at 125. The supply of the recirculated gases to the ports
124 is carried out by a branch duct 126 going from the chamber
120 to a chamber 127 containing the ports 124. The total quantity of gas introduced by the ports 122; and 124 and the distribution of the gases between the ports is adjustable by registers or butterflies (not shown) established in the conduits connected to these ports.
During normal operation of the described steam generator set. at pressures and temperatures exceeding critical values. a solid fuel, crushed into relatively large grains. is sent to the cyclone chambers from independently adjustable sources. such as separate grinders, and the fuel is burned in cyclone hearth chambers with a high release of heat sufficient to maintain there a normal average temperature exceeding the melting temperature of the fuel ash. The secondary combustion air is brought to a significant position pressure sufficient to overcome the resistance of the gas flow in the group and in quantities ensuring practically complete combustion of the fuel in the cyclone hearths.
The ash separates out as molten slag which flows along the bottom of each cyclone hearth chamber into the primary combustion chamber 11 and is discharged through the slag openings 65 therein in the bottom. The capture of the suspended slag particles is aided by the arrangement of the partition 74 and the slag screen 12. The stream of gaseous products of combustion sweeping the adjacent portions of the slag discharge openings 65 helps to maintain the openings. clean, and when it rises in chamber 13 it is intimately mixed with the flue gases recirculated at a relatively low temperature which enter through ports 122 and 124.
The temperature of the gases leaving the chamber 13 is controlled by varying the rate of the fire and the speed of the recirculating fan 30 to control the amount of recirculated gas. The mixed heating gases, brought to the desired temperature, flow horizontally in the gas path 14 coming into contact with the tubes of the secondary superheater section 16 and are then divided by the partition 15 between the gas paths 14a and 14b . the distribution of the gases therebetween being regulated by the sets of butterflies 130 and 131 to regulate the final temperature of the reheated vapor in the low and high pressure heaters.
The gas streams then meet in the outlet duct 20 and then pass, with the exception of the part which can be recirculated, successively through the tube bundles of the air heater 21 into the induced draft fan. 22 from where They are discharged through the outlet pipe 23.
As shown in figs. 5 and 6, the feed water heated in a water reheating system by recovery of the turbine, receiving the steam from the generator set, is normally brought to an elevated temperature at the manifold 48 of the cyclone hearth located at the right end, from where it rises through the front end wall of the
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combustion chamber and, in series, by the pairs of anterior, intermediate and posterior tubular panels which line the opposite sides of the chamber, to then go through the tubes 54 of the end wall of the neck from the bottom up into the corresponding manifold 55 from where the water is directed through tubes 62 into the lower manifold 48 of the central cyclone fireplace where a similar circulation occurs in the fireplace tubes.
The water discharged into the central cyclone hearth collector 55 is sent through tubes 63 to the cyclone hearth collector 48 at the left end and a similar flow is repeated there again. The upward circulation system in all the heated pipes of the water heating section is especially useful when the steam generator group is operating at pressures above the critical value. Cyclone hearths 10 have their tubular water heating surface proportioned and arranged in series so as to heat the water contained in the network, under maximum load conditions, to a temperature which approaches, although always below, of the critical temperature before the water reaches the collector 68 through the tubes 67 leaving the collector 55 of the cyclone hearth at the left end.
As a result of this arrangement, the part of the heated fluid circuit where the transformation of water from the liquid state to the vapor state occurs, is always located in the primary superheater section 17 at relatively low temperature, across the entire operating range. The flow of steam through the tubes of the primary superheater section is in the opposite direction of the gas flow and passes from the outlet manifold 69 into the tubes 71 forming the radiant superheater panel E.
The tubes 71 forming the panel E are fewer in number but have multiple bends to form a radiation section at high vapor circulation speed. The superheating of the steam by radiation continues to take place in the upward flow tube panel 5.in the downward flow tube panel G, in the upward and downward flow tube panel H, in the upward flow tube panel I and in the upflow tubular panel J. The final superheating of the steam is carried out in the secondary superheater section 16 and the steam at the desired temperature and pressure is discharged through the manifolds 105.
The described operation of the unit at pressures and temperatures above the values described under high load and with gas recirculation is shown schematically in the graphs in fig. 7.
The temperatures of the gas in the various sections of the group are represented by the curves marked T ', the temperature being practically constant in the water heating zones A. B and C of the cyclone foci, but then falling rapidly in the zones of tubular panels acting by radiation EF G, H, I and J, and decreasing gmdually in the secondary superheater section K and the primary superheater section D.
The pressure p of the fluid gradually decreases in the group with a maximum drop in the radiation tubular panels E, F, G, H. I and J where the highest velocity conditions of the fluid contained in the system occur.
It has been found that the function according to which the specific heat of the fluid varies exhibits, as shown by curve R, a markedly convex part in the range of pressures above the critical values indicated and, according to a characteristic of the invention, the path followed by the fluid flow is established such that the range of maximum specific heats lies approximately in the section of the group formed by the radiation panels E, F, G, H, I and J.
This offers a particular advantage in obtaining the desired correlation between the consumption of heat at the outer face of the tubular walls in these sections and the transmission of this heat from the inner faces of the tubular walls to the.
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currents of the fluid contained therein, to obtain an economical construction taking into account the temperatures to which the metal of the tubes may be subjected.
Fig. 7 also shows the increase of the total quantity of heat Q in the fluid during the progression in the steam generator group, as well as the average temperature T2 of the metal of the tube in the sections of primary convection superheater, radiant superheater and secondary convection superheater.
The final superheat temperature of the steam is controlled primarily by adjusting the firing rate of the independently ducted cyclone hearths 10 to vary the amount of high temperature heating gas at which the radiant superheater and convection superheater are operated. exposed. An additional adjustment is made to increase the final superheat temperature, this additional adjustment, which is particularly useful for partial load operation. the purpose of which is to vary the number of hotplates in service, and consequently to render inoperative the part of the water heating surface which would otherwise be heated by the cyclone hearth (s) taken out of service.
This can be achieved by arranging in series the cooling tubes of the hearth walls heating the water in successive cyclone hearths without giving rise to undesirable temperature differences in the fluid streams. The length of the part of the flow of the fluid in which the water is heated remains the same. but the effect of heating in the part (s) associated with the inactive fireplace or cyclones is significantly reduced, so that the amount of heat absorbed by the water heating section of the general group. The heat is reduced and the amount of heat available in the heating gases circulating in the radiant and convection superheat zones is correspondingly increased.
The recirculated gases are introduced at periods of maximum load and partly regulated by determining the temperature of the heating gases in relation to the temperature of the gases leaving the heat radiating and mixing chamber of the gases 13 and entering the overheater secondary convection 16 This introduction of the recirculated gases has the effect not only of reducing the temperature of the gases leaving the chamber 13 to a sufficient extent to prevent the deposition of slag on the tubes,
but also to form a mass of gas suitable for ensuring the desired absorption of heat in the convection superheater in order to obtain the optimum temperature of the vapor at the outlet of the sealants 1050
When the load decreases and the quantity of heating gas generated by the combustion of the fuel is correspondingly reduced, the gases discharged by the cyclone hearths undergo a certain decrease in temperature, but this does not drop as much as this would occur in a large fireplace burning fuel and re-frolded by circulating water. It will be noted that the quantity of gas recirculated must be regulated according to a certain correlation between the temperature of the gases at the outlet of the furnace and the temperature of the superheated steam delivered.
In addition to the possibility of operating the group by putting into service one, two or three cyclone hearths, it is possible to supply the chamber 13 with combustion gases, the temperature of which does not vary significantly whatever the rate of the fire, the rate of the fire in one, two or three hearths being a function of the load applied to the generator group, while the feed water intake degree is a sure indication of the quantity of superheated steam delivered by the generator group.
It should be noted that the temperature of the gases in the entry zone to the parallel gas paths 14a 14b is of the order of
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720 C (1325 F). The temperature of the steam leaving the primary superheater 17 is on the order of 410 (770 F) at this point, while the temperature of the steam leaving the outlet of the high pressure heater 18 in a corresponding gas temperature zone is of the order of 565 C (1050 F). The low pressure heater 19, located downstream of the high pressure heater in the same gas path 14b receives gases from which a certain amount of heat has been extracted by the high pressure heater.
The amount of heat absorbed by the heaters and therefore the temperature of the superheated steam streams delivered from them are controlled by adjusting the gas stream by means of butterflies 130 and / or butterflies 131 at the outlet ends of the gas paths. 14a and 14b respectively. For a given mass of the heating gas flow coming from the secondary superheater 16, the degree of heating at high pressure or at low pressure is adjusted by dividing the gas flow between the paths 14a and 14b according to the indications relating to the reheating temperature .
As it is essential that neither the temperature of the steam heated at high pressure nor that of the steam heated at low pressure exceed a predetermined temperature, as a precautionary measure for the preservation of the steam turbine receiving the corresponding steam streams, we adjusts the throttles which adjust the division of the gas stream according to the temperature of the vapor leaving the high pressure heater or the temperature of the vapor coming from the low pressure heater, whichever is greater than the optimum value.
In summary, the operation of this steam generator group is as follows: The degree of admission of the feed water is adjusted to maintain the superheated steam delivered at the desired pressure. The rate of introduction of the fuel and the rate of the fire are regulated according to the indications relating to the flow rate of superheated high pressure steam. The introduction of the recirculated gases is adjusted according to an indication of the temperature of these gases in relation to that of the gases at the inlet of the convection superheater, and the heat absorption at the heater is adjusted by adjusting the gas flow of heating of the latter according to the tendency of the temperature of the steam heated at high pressure or at low pressure to deviate from an optimum value.
The high pressure and high temperature steam generator unit with forced gas circulation in single passage, constructed and operating as described above, meets the requirements of steam production in modern central stations with regard to appliances. to deliver large quantities of high pressure, high temperature steam where the necessary heat is generated by fuels commonly on the market, and whose operation can be relied on over a wide range of steam flow rates. On the other hand, the arrangement of the generator group is such that the cost of construction and maintenance costs are not excessive.
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