CN110892195A - 用于连接锅炉的固体返回系统的管道节段的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于将锅炉(10)的固体返回系统(100)的管道节段互连的系统(200)，该系统包括限定凹接头部分的第一导管(30)、限定被凹接头部分接纳的凸接头部分的第二导管(32)、在凸接头部分的外周表面与凹接头部分的内周表面之间形成的侧向缺口(202)，以及定位在侧向缺口(202)内并且被构造成禁止固体侵入侧向缺口(202)的绳密封件(204)。该绳密封件(204)径向定位在凸接头部分的外周表面的外侧并且径向定位在凹接头部分的内周表面的内侧。

Description

用于连接锅炉的固体返回系统的管道节段的系统和方法

背景技术

技术领域

本发明的实施方案整体涉及发电，并且更具体地，涉及用于以适应CFB锅炉的管道组件之间的相对运动的方式连接此类组件的系统和方法。

领域的讨论

长期以来一直使用带有用于燃烧化石燃料的炉的产热系统来产生受控的热量，目标在于做有用功。例如，产生的热量可用于产生蒸汽，以驱动涡轮，从而产生电力。用于产生蒸汽的现代水管炉可以是各种类型的，包括流化床锅炉。虽然存在各种类型的流化床锅炉，但是所有类型的操作原理都是先注入气体以使固体流化然后在反应室中燃烧。在循环流化床(CFB)型锅炉中，使气体例如空气通过固体粒子床，以产生趋于使粒子彼此分离的力。随着气体流的增加，达到一个点，在该点处粒子上的力刚好足以引起分离。然后使床流化，固体之间的气体缓冲允许粒子自由移动并赋予床类似液体的特性。床的堆密度在底部相对较高，并且随着其向上流过反应室而降低，燃料在反应室中燃烧以产生热量。

形成循环流化床锅炉的床的固体粒子通常包括燃料粒子(诸如碎煤或其他固体燃料)和吸附剂粒子(诸如碎石灰石、白云石或其他碱土金属材料)。燃料在锅炉的反应室中燃烧产生烟气和灰分。在燃烧过程中，燃料中的硫被氧化形成二氧化硫(SO₂)，二氧化硫与炉中的其他气体混合形成烟气。灰分主要由未燃烧的燃料、燃料中的惰性材料和吸附剂粒子组成，且有时被称为床料或再循环固体。

灰分以向上流动的方式被夹带在烟气中，并与热烟气一起从炉中排出。在从炉中排出后，烟气和灰分被引导到分离器(诸如旋风分离器)中，以从烟气中除去灰分。然后使分离的灰分经由返回管道再循环回到锅炉的炉中。在返回管道中，通常使用固体流量控制阀(也被称为密封罐)来控制分离的固体再循环回到炉中。

在许多锅炉(包括循环流化床锅炉)中，由于高温和固体流的原因，采用的是耐火材料衬里的管道系统。由于炉、旋风分离器与灰分返回系统之间存在膨胀运动差异，通常在旋风分离器与密封罐之间以及密封罐与炉之间采用膨胀接头。这些接头必须设计成允许主要CFB单元组件之间的膨胀运动不受禁止，并且还必须具有防止灰分进入CFB内部和/或从CFB内部泄漏的能力。

适应大的侧向运动的一项其他挑战是防止膨胀接头的腔室被灰分和固体填充。具体地，当膨胀接头经历加热和冷却循环时，侵入的灰分和固体粒子会被压紧在膨胀接头的腔室中，这会损害膨胀接头或周围元件的完整性。先前已经尝试了密封这些腔室或提供排空这些腔室的装置，但收效甚微。

鉴于上述情况，需要一种连接锅炉的灰分返回系统内的管道节段的系统和方法，连接的方式提供有效的、无需密集维护的装置来适应部件之间大的侧向和轴向运动以及提供绝缘和密封。

发明内容

在一个实施方案中，提供了一种用于将锅炉的固体返回系统的管道节段互连的系统。该系统包括限定凹接头部分的第一导管、限定被凹接头部分接纳的凸接头部分的第二导管、在凸接头部分的外周表面与凹接头部分的内周表面之间形成的侧向缺口，以及定位在侧向缺口内并且被构造成禁止固体侵入侧向缺口的绳密封件。绳密封件径向定位在凸接头部分的外周表面的外侧并且径向定位在凹接头部分的内周表面的内侧。

根据本发明的另一个实施方案，一种用于固体返回系统的膨胀接头包括：凹接头部分；被凹接头部分接纳的凸接头部分，凸接头部分和凹接头部分在其之间形成侧向缺口；定位在侧向缺口内的双绳密封件，双绳密封件被构造成适应凹接头部分与凸接头部分之间的相对侧向运动；以及被接纳在凸接头部分周围并且邻接凹接头部分的远端表面的绝缘枕，绝缘枕被构造成适应凹接头部分与凸接头部分之间的相对轴向运动。

根据本发明的另一个实施方案，提供了一种用于将固体返回系统的管道节段互连的方法。该方法包括以下步骤：将密封元件固定到第二导管的凸接头部分；将绝缘枕固定到第一导管的凹接头部分；将第二导管的凸接头部分与第一导管的凹接头部分轴向对齐，以在凸接头部分的外周表面与凹接头部分的内周表面之间形成侧向缺口；以及将密封元件定位在侧向缺口内。绝缘枕被构造成当将第二导管与第一导管对齐时被接纳在凸接头部分周围并且邻接凹接头部分的远端表面。密封元件被构造成适应第一导管与第二导管之间的侧向运动，并且绝缘枕被构造成适应第一导管与第二导管之间的轴向运动。

附图说明

通过参考附图阅读以下对非限制性实施方案的描述，将更好地理解本发明，其中：

图1是循环流化床锅炉的示意图。

图2是图1的流化床锅炉的灰分返回系统的一部分的示意图。

图3是灰分返回系统的密封罐出口与固体返回管道之间的示例性界面的简化示意图，可在该界面内采用本发明的膨胀接头。

图4是图2的区域A的剖视图，示出了根据本发明的一个实施方案的灰分返回系统的密封罐出口与固体返回管道之间的膨胀接头。

图5是图4的区域B的放大剖视图，示出了膨胀接头的构型。

具体实施方式

下面将详细参考本发明的示例性实施方案，其示例在附图中示出。只要有可能，在整个附图中使用的相同附图标记指的是相同或相似的部分。虽然本发明的实施方案适用于循环流化床锅炉，但更一般地，本发明也可以用于其他锅炉系统。此外，预期本发明的系统和方法可用于连接被构造用于流体或固体从中流过的两个相邻管道节段或组件，以便适应由于热膨胀、收缩或其他力而引起的部件相对运动(轴向和/或侧向运动)，而与具体应用或行业无关。具体地，本发明的实施方案适于以适应相应组件之间的相对运动的方式将流体或固体流组件彼此连接，而与使用此类组件的环境或从中传递的流体或固体的类型无关。

如本文所用，“可操作地联接”是指直接或间接连接。连接不一定是机械附接。如本文所用，“流体联接”或“流体连通”是指两个或更多个特征部的布置，使得这些特征部以允许流体在这些特征部之间流动并允许流体转移的方式连接。如本文所用，“固体”是指旨在用于燃烧过程或化学反应的固体粒子，诸如煤粒子或金属氧化物(例如钙)。

本发明的实施方案涉及用于连接灰分/固体返回系统的管道节段的膨胀接头及相关系统和方法。用于固体返回系统的膨胀接头包括：凹接头部分；被凹接头部分接纳的凸接头部分，凸接头部分和凹接头部分在其之间形成侧向缺口；定位在侧向缺口内的双绳密封件，双绳密封件被构造成适应凹接头部分与凸接头部分之间的侧向运动；以及被接纳在凸接头部分周围并且邻接凹接头部分的远端表面的绝缘枕，绝缘枕被构造成适应凹接头部分与凸接头部分之间的轴向运动。

参考图1，示出了循环流化床(CFB)锅炉10。如其中所示，锅炉10包括具有流化床14的炉或燃烧室12，该流化床经由输送管线16供给燃料(诸如煤粉)并且经由输送管线18供给吸附剂(诸如碎石灰石)。该锅炉还包括离开炉12的烟气通道20以及与烟气通道20流体连通的分离器22。虽然分离器22被示出为旋风分离器，但在不脱离本发明的更广泛方面的情况下也可使用其他类型的分离器。

在循环流化床锅炉10的炉12中产生的烟气和灰分经由烟气通道20从炉12中排出。众所周知，烟气起着载体的作用，将被其夹带的灰分从炉12中运送出来。分离器22用于从烟气中分离被其夹带的灰分。烟气(现在基本上不含先前被其夹带的灰分)经由排气通道24从分离器被运送到下游处理设备，例如热交换器、空气污染控制(APC)设备，然后最终被运送到排气烟囱。

灰分(在本文中也称为分离的固体)在分离器18中从烟气中被分离后，经由灰分返回系统100被引导回到炉12中。如图1所示，灰分返回系统100包括固体流量控制阀或密封罐26。分离的固体经由立管或料腿(dipleg)28(其下端构成密封罐26的下支(在本文中也被称为密封罐出口))从分离器22进入密封罐26，并沿向下倾斜的固体返回管道30从密封罐26返回到炉12中。因此，灰分返回系统100包括料腿28、密封罐26和固体返回管道30。

在锅炉10运行期间，加热和冷却循环会导致炉12、分离器22与灰分返回系统100之间发生相对大的侧向和轴向运动。因此，在分离器22与密封罐26之间以及密封罐26与炉12之间采用膨胀接头。更具体地，在一个实施方案中，膨胀接头用于将料腿28流体连接到密封罐26并且将密封罐26流体连接到返回导管30。例如，图2示出了灰分返回系统100的一部分，示出了膨胀接头200在密封罐26与返回导管30之间的位置，而图3示出了这些组件之间的界面的一般构型，可在该界面内采用膨胀接头200。例如，如图3所示，膨胀接头200可用于将凸管道部分(例如，密封罐26的密封罐出口32)连接到凹管道部分(例如固体返回管道30)。如图3所示，凸管道部分32和凹管道部分可各自在其内表面上分别装有耐火内衬34、36。

现在参考图4和图5，示出了膨胀接头200的细部图。膨胀接头200包括第一导管(例如，固体返回管道30)、第二导管(例如，密封罐出口32)以及在第一导管与第二导管之间用于将第一导管与第二导管互连的大致圆柱形的环201。具体地，连接环201被构造成在其下端接纳固体返回管道30的上端，并在其上端接纳密封罐出口32的下端。例如，如图4最佳所示，圆柱形连接环201在其上端包括凹接头部分203，该凹接头部分被构造成将第二导管(例如，密封罐出口32)的凸接头部分接纳在其中。

如图5最佳所示，连接环201的凹接头部分203和第二导管32的凸接头部分在其之间限定侧向缺口202。如其中所示，膨胀接头200还包括定位在在凹接头部分的内周表面206与凸接头部分的悬臂节段的外周表面208之间的缺口202内的绳密封件204。也就是说，绳密封件204径向定位在凸接头部分的外侧并且径向定位在凹接头部分的内侧。

在一个实施方案中，绳密封件204是双绳密封件，其具有在侧向缺口202内彼此轴向相邻的第一纤维绳210和第二纤维绳212。在一个实施方案中，纤维绳210、212是陶瓷纤维绳，但在不脱离本发明的更广泛方面的情况下可使用其他材料。纤维绳210用作主要密封件，以防止灰分和其他固体侵入缺口202，而纤维绳212用作备份。由相邻的陶瓷纤维绳形成的双绳密封件在灰分回收系统内的高温加压环境中表现特别出色，并且在长时间内在所有运行条件下基本都保持其完整性。结果发现，双绳密封件基本防止了灰分和其他固体在接头处旁通和累积/堆积。

如图5所示，纤维绳210、212通过钢丝214锚固到膨胀接头200的凸接头部分。例如，如其中所示，钢丝214可固定到两根纤维绳210、212上，从而将绳210、212相对于彼此保持在适当的位置，并且在侧向缺口202内保持在适当的位置。也就是说，钢丝214防止了绳210、212自身之间以及绳210、212与其固定到的凸接头部分之间的相对运动。

同样如图5所示，膨胀接头200还包括六角网格(hex mesh)216，该六角网格用于将耐火内衬34锚固或固定到凸接头部分的悬臂节段上，以防止散裂和破裂。六角网格锚固件216还保持耐火内衬34的圆度(即耐火内衬34的圆柱形性质)，这有助于确保平稳运行。在一个实施方案中，六角网格216可以是带有或不带有矛状物(lance)的约25毫米至约50毫米的六角网格。在一个实施方案中，六角网格可以是带有矛状物的25毫米不锈钢六角网格。

如图5进一步所示，膨胀接头200还包括绝缘枕218，该绝缘枕利用钢丝220锚固到缺口202的外部(例如，锚固到凹接头部分)。在一个实施方案中，绝缘枕218被接纳在凸接头部分的外周表面周围并且与凹接头部分的远端表面邻接地接合。绝缘枕218可由绝缘材料诸如陶瓷纤维形成。绝缘枕218被构造成允许凹接头部分(即，灰分返回管道30)在被加热至操作温度时轴向(竖直)位移，从而为任何轴向缺口224提供密封功能。

如上所述，利用双绳密封件、六角网格和绝缘枕构型将密封罐的出口结合到膨胀接头的连接环201的上端。也可利用类似的密封布置将固体返回管道的上端结合到连接环201的下端，如图4所示。因此，上部密封布置和下部密封布置连同图5所示的波纹管和其他硬件构成本发明的膨胀接头。

虽然本文所述的膨胀接头预期密封罐出口可通过连接环201(即，利用上部和下部密封装置，它们各自包括双绳密封件、六角网格和绝缘枕)连接到固体返回管道，但预期在某些实施方案中可省略连接环201，并且密封罐出口(限定凸接头部分)可直接连接到固体返回管道(限定凹接头部分)。

如上所述，用于连接灰分/固体返回系统的管道组件的膨胀接头以及相关系统和方法可适应由于高温和固体流而产生的大的轴向和侧向运动，并禁止或基本最小化灰分和固体在相应管道组件之间的空间中累积。这继而有助于增加管道组件的使用寿命。与现有系统和设备相比，本发明的膨胀接头提供了一种有效的、无需密集维护的装置来适应大的侧向运动，并且提供了绝缘和密封。通过测试，发现本文所述的膨胀接头可以适应超过80毫米的运动，其切换长度为2200毫米。

在一个实施方案中，提供了一种用于将锅炉的固体返回系统的管道节段互连的系统。该系统包括限定凹接头部分的第一导管、限定被凹接头部分接纳的凸接头部分的第二导管、在凸接头部分的外周表面与凹接头部分的内周表面之间形成的侧向缺口，以及定位在侧向缺口内并且被构造成禁止固体侵入侧向缺口的绳密封件。绳密封件径向定位在凸接头部分的外周表面的外侧并且径向定位在凹接头部分的内周表面的内侧。在一个实施方案中，绳密封件是双绳密封件，其具有在侧向缺口内彼此轴向相邻的第一纤维绳和第二纤维绳。在一个实施方案中，第一纤维绳和第二纤维绳是陶瓷纤维绳。在一个实施方案中，该系统还可包括将第一纤维绳和第二纤维绳锚固到第二导管的钢丝。在一个实施方案中，该系统还可包括衬在第二导管的内周边上的第二耐火材料，以及将第二耐火材料固定到第二导管的六角网格。在一个实施方案中，六角网格是带有矛状物的25毫米不锈钢六角网格。在一个实施方案中，绝缘枕被接纳在凸接头部分周围并且邻接凹接头部分的远端表面。在一个实施方案中，绝缘枕通过线材固定到凹接头部分。在一个实施方案中，第一导管形成被构造成将分离的固体返回到炉中的固体返回管道的一部分，并且第二管道形成密封罐出口的一部分。在一个实施方案中，第一导管形成密封罐入口的一部分，并且第二导管形成被构造成从分离器接纳固体的料腿的一部分。

根据本发明的另一个实施方案，一种用于固体返回系统的膨胀接头包括：凹接头部分；被凹接头部分接纳的凸接头部分，凸接头部分和凹接头部分在其之间形成侧向缺口；定位在侧向缺口内的双绳密封件，双绳密封件被构造成适应凹接头部分与凸接头部分之间的相对侧向运动；以及被接纳在凸接头部分周围并且邻接凹接头部分的远端表面的绝缘枕，绝缘枕被构造成适应凹接头部分与凸接头部分之间的相对轴向运动。在一个实施方案中，双绳密封件固定到凸接头部分。在一个实施方案中，双绳密封件包括在侧向缺口内彼此轴向相邻的第一纤维绳和第二纤维绳。在一个实施方案中，第一纤维绳和第二纤维绳是陶瓷纤维绳。在一个实施方案中，绝缘枕固定到凹接头部分。在一个实施方案中，膨胀接头还包括衬在凸接头部分的内周边上的耐火材料，以及将第二耐火材料固定到凸接头部分的六角网格。在一个实施方案中，凹接头部分形成被构造成将分离的固体返回到炉中的固体返回管道的一部分，并且凸接头部分形成密封罐出口的一部分。

根据本发明的另一个实施方案，提供了一种用于将固体返回系统的管道节段互连的方法。该方法包括以下步骤：将密封元件固定到第二导管的凸接头部分；将绝缘枕固定到第一导管的凹接头部分；将第二导管的凸接头部分与第一导管的凹接头部分轴向对齐，以在凸接头部分的外周表面与凹接头部分的内周表面之间形成侧向缺口；以及将密封元件定位在侧向缺口内。绝缘枕被构造成当将第二导管与第一导管对齐时被接纳在凸接头部分周围并且邻接凹接头部分的远端表面。密封元件被构造成适应第一导管与第二导管之间的侧向运动，并且绝缘枕被构造成适应第一导管与第二导管之间的轴向运动。在一个实施方案中，密封元件是双绳密封件，其具有在侧向缺口内彼此轴向相邻的第一陶瓷纤维绳和第二陶瓷纤维绳。在一个实施方案中，该方法还包括以下步骤：用六角网格将耐火材料固定到凸接头部分。

如本文所用，以单数形式列举并且以词语“一个”或“一种”开头的元件或步骤应该被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明这种排除。此外，对本发明的“一个实施方案”的提及不旨在被解释为排除也包含所列举特征的其他实施方案的存在。此外，除非明确相反说明，否则“包括”、“包含”或“具有”具有特定属性的一个元件或多个元件的实施方案可包括不具有该属性的其他此类元件。

该书面描述使用示例来公开本发明的若干实施方案，包括最佳模式，并且还使得本领域普通技术人员能够实践本发明的实施方案，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例预期在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于将锅炉的固体返回系统的管道节段互连的系统，包括：

限定凹接头部分的第一导管；

限定被所述凹接头部分接纳的凸接头部分的第二导管；

在所述凸接头部分的外周表面与所述凹接头部分的内周表面之间形成的侧向缺口；和

定位在所述侧向缺口内并且被构造成禁止固体侵入所述侧向缺口的绳密封件；

其中所述绳密封件径向定位在所述凸接头部分的所述外周表面的外侧并且径向定位在所述凹接头部分的所述内周表面的内侧。

2.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述绳密封件是双绳密封件，其具有在所述侧向缺口内彼此轴向相邻的第一纤维绳和第二纤维绳。

3.根据权利要求2所述的系统，其中：

所述第一纤维绳和所述第二纤维绳是陶瓷纤维绳。

4.根据权利要求2或3所述的系统，还包括：

将所述第一纤维绳和所述第二纤维绳锚固到所述第二导管的钢丝。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，还包括：

衬在所述第二导管的内周边上的第二耐火材料；和

将所述第二耐火材料固定到所述第二导管的六角网格。

6.根据权利要求5所述的系统，其中：

所述六角网格是具有内部矛状物的约25毫米至约50毫米的不锈钢六角网格。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，还包括：

被接纳在所述凸接头部分周围并且邻接所述凹接头部分的远端表面的绝缘枕。

8.根据权利要求7所述的系统，还包括：

将所述绝缘枕固定到所述凹接头部分的线材。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中：

所述第一导管形成被构造成将分离的固体返回到炉中的固体返回管道的一部分；并且

所述第二导管形成密封罐出口的一部分。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中：

所述第一导管形成密封罐入口的一部分；并且

所述第二导管形成被构造成从分离器接纳固体的料腿的一部分。

11.一种用于固体返回系统的膨胀接头，包括：

凹接头部分；

被所述凹接头部分接纳的凸接头部分，所述凸接头部分和所述凹接头部分在其之间形成侧向缺口；

定位在所述侧向缺口内的双绳密封件，所述双绳密封件被构造成适应所述凹接头部分与所述凸接头部分之间的相对侧向运动；和

被接纳在所述凸接头部分周围并且邻接所述凹接头部分的远端表面的绝缘枕，所述绝缘枕被构造成适应所述凹接头部分与所述凸接头部分之间的相对轴向运动。

12.根据权利要求11所述的膨胀接头，其中：

所述双绳密封件固定到所述凸接头部分。

13.根据权利要求11或12所述的膨胀接头，其中：

所述双绳密封件包括在所述侧向缺口内彼此轴向相邻的第一纤维绳和第二纤维绳。

14.根据权利要求13所述的膨胀接头，其中：

所述第一纤维绳和所述第二纤维绳是陶瓷纤维绳。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的膨胀接头，其中：

所述绝缘枕固定到所述凹接头部分。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的膨胀接头，还包括：

衬在所述凸接头部分的内周边上的耐火材料；和

将所述第二耐火材料固定到所述凸接头部分的六角网格。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的膨胀接头，其中：

所述凹接头部分形成被构造成将分离的固体返回到炉中的固体返回管道的一部分；并且

所述凸接头部分形成密封罐出口的一部分。

18.一种用于将固体返回系统的管道节段互连的方法，包括以下步骤：

将密封元件固定到第二导管的凸接头部分；

将绝缘枕固定到第一导管的凹接头部分；

将所述第二导管的所述凸接头部分与第一导管的凹接头部分轴向对齐，以在所述凸接头部分的外周表面与所述凹接头部分的内周表面之间形成侧向缺口；以及

将所述密封元件定位在所述侧向缺口内；

其中所述绝缘枕被构造成当将所述第二导管与所述第一导管对齐时被接纳在所述凸接头部分周围并且邻接所述凹接头部分的远端表面；

其中所述密封元件被构造成适应所述第一导管与所述第二导管之间的侧向运动；并且

其中所述绝缘枕被构造成适应所述第一导管与所述第二导管之间的轴向运动。

19.根据权利要求18所述的方法，其中：

所述密封元件是双绳密封件，其具有在所述侧向缺口内彼此轴向相邻的第一陶瓷纤维绳和第二陶瓷纤维绳。

20.根据权利要求18或19所述的方法，还包括以下步骤：

用六角网格将耐火材料固定到所述凸接头部分。

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