PL207502B1 - Przepływowa wytwornica pary z obiegowym atmosferycznym paleniskiem fluidalnym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy przepływowej wytwornicy pary z obiegowym atmosferycznym paleniskiem fluidalnym.

Obok wytwornic pary z obiegiem naturalnym i wymuszonym znane są konstrukcje wytwornic pary o przepływie wymuszonym, względnie przepływowe wytwornice pary, służące do wytwarzania energii elektrycznej, dzięki spalaniu przykładowo paliw stałych. Te ostatnie stosowane są zwłaszcza w przypadku nowoczesnych, układów elektrowni o duż ej mocy. Przy tym ciepło uwalniające się przy spalaniu paliwa w komorze spalania przepływowej wytwornicy pary odbierane jest na powierzchniach grzewczych, przez które przepływa czynnik roboczy, obejmujących ściany ograniczające komorę spalania, powierzchnie wymiany ciepła przez promieniowanie lub konwekcję należące do przepływowej wytwornicy pary. Czynnik roboczy włączony jest przy tym do obiegu woda/para turbiny parowej, w której oddaje on posiadaną energię cieplną.

Przepływowa wytwornica pary tego typu, w której czynnik roboczy zasadniczo podczas jednego obiegu jest wstępnie podgrzewany, następnie odparowuje i jest przegrzewany, i ewentualnie przegrzewany w przegrzewaczu międzystopniowym, jest znana od dawna i zwykle wyposażona jest w palnik do spalania paliw stałych. Z publikacji pt.: „Kocioł przepływowy o wymuszonym przepływie pracujący w zakresie ciśnienia poślizgowego pary z pionowym orurowaniem komory spalania” (VGB Kraftwerkstechnik 64, zeszyt 4, kwiecień 1984, H. Juzi, A. Salem i W. Stocker) znana jest konstrukcja konwencjonalnej wytwornicy pary opalanej pyłem węglowym. Z zasady ściany otaczające komorę spalania przepływowych wytwornic pary są zbudowane z grzewczych ekranów rurowych, w których zachodzi zjawisko odparowania, wykonanych ze spawanych rur wyposażonych we wzdłużne żebra. Dla zapewnienia wystarczającego chłodzenia obwodowych ścian rurowych stosowane są albo odpowiednie rury gładkie (to znaczy rury o gładkich ściankach wewnętrznych, które wewnątrz rurowych ścian obwodowych usytuowane są ukośnie), wewnętrznie użebrowane rury pionowe, albo opadowe lub wznośne układy rur (to znaczy obwodowe ściany rurowe podzielone są na wiele sekcji ściennych, przez które kolejno przepływa czynnik roboczy, patrz rys. 2c z powołanej wyżej publikacji).

W ostatnich latach pojawiły się również konstrukcje przepływowych wytwornic pary wyposażonych w paleniska z obiegowym złożem fluidalnym (ZWSF). Przy tym, jak to próbowano przeprowadzić w przypadku elektrowni opalanych całkowicie paliwem stałym, w celu ochrony środowiska należ y zminimalizować emisję szkodliwych substancji, powstających podczas ich spalania. Jest to spowodowane zwiększeniem sprawności procesu zachodzącego w elektrowni i towarzyszącym temu zmniejszeniem ilości paliwa. Częściowe podwyższenie sprawności związane jest z przy tym z wytwarzaniem pary o wysokich parametrach (wysokie ciśnienie i temperatura pary). Aby bloki elektrowni pracowały ekonomicznie w dużym zakresie obciążenia, wytwornice pary pracują przy ciśnieniu poślizgowym. Aby spełnić różnorodne wymagania (stała, wysoka temperatura pary, poślizgowe ciśnienie, duża prędkość zmian obciążenia), można zastosować tylko opisane powyżej układy wytwornic pary o wymuszonym przepływie.

Ze względu na oddziaływania erozyjne, ściany otaczające komory spalania przepływowych wytwornic pary z obiegowym złożem fluidalnym nie są pochylone, względnie usytuowane skośnie, jak to ma miejsce w przypadku przepływowych wytwornic pary opalanych pyłem węglowym, lecz musza być orurowane rurami usytuowanymi pionowo.

Paleniska z obiegowym złożem fluidalnym, z tych względów przeważnie współpracują z układami parowników, które pracują w systemie obiegu naturalnego lub wymuszonego i z tego powodu ściany paleniska orurowane są rurami usytuowanymi pionowo. Niektóre paleniska z obiegowym złożem fluidalnym, posiadające małe wymiary wytwarzają parę również w układach obiegu wymuszonego, jednak jako układy rur wznośnych i opadowych i przy niskich ciśnieniach pary (przykładowo elektrownia Moabit). Rozważano już, aby zastosować wytwornicę pary wyposażoną w palenisko z obiegowym złożem fluidalnym również przy zakresie ciśnienia 10 MPa do 30 MPa i w związku z tym prowadzić proces spalania bardziej ekonomicznie, to znaczy przy mniejszym zużyciu paliwa. Ze względu na konieczność budowania ścian otaczających komorę spalania z rur parownika, usytuowanych pionowo, zaproponowano zastosowanie rur o użebrowaniu wewnętrznym, służących do chłodzenia ścian parownika (patrz publikacja wspomniana powyżej).

Przy przejściu od wytwornic pary o obiegu naturalnym do wytwornic o obiegu wymuszonym, (nadkrytycznym) i przy wysokich parametrach pary (zwykle 25 do 30 MPa i 833 do 893 K) w zakresie

PL 207 502 B1 obciążenia od 300 do 600 MW mocy elektrycznej, pojawiają się następujące problemy, względnie wady rozwiązań znanych ze stanu techniki:

- przepływowe wytwornice pary wyposażone w palenisko z obiegowym złożem fluidalnym, które działają przy podkrytycznym ciśnieniu pary przy tym samym obciążeniu wytwornicy pary, w porównaniu do nadkrytycznego ciśnienia pary wymagają większego wsadu paliwa i emitują przez to większą ilość szkodliwych substancji.

- wytwornice o wymuszonym przepł ywie pary, które są orurowane pionowymi rurami, w przeciwieństwie do rur usytuowanych pod kątem, posiadają tę wadę, że ilość rur przy określonej geometrii komory spalania jest większa i w związku z tym zmniejsza się masowa gęstość przepływu (masa czynnika roboczego przepływającego przez powierzchnię przekroju poprzecznego przewodu mierzona w kg/m²/s) w każdej rurze. Aby mimo to zapewnić odpowiedni stopień chłodzenia rur, stosuje się rury z użebrowaniem wewnętrznym lub czynnik roboczy przepływa kolejno przez poszczególne ściany otaczające komorę spalania.

- rozdział całego przepł ywu czynnika roboczego przez parownik na wiele ścian włączonych w poszczególne sekcje posiada wiele wad, a mianowicie:

1) pojedyncze ściany muszą być połączone rurami opadowymi,

2) przy ponownym podziale strumienia przepływu występują procesy rozdziału mieszaniny parowo-wodnej (pojawia się mieszanina parowo-wodna o różnej zawartości pary), które przy wyjściu z parownika powoduj ą ż e obserwowane przepł ywy posiadają ce skoś ne rozkł ady temperatury, które w wyniku szkodliwych odkształ ceń cieplnych mogą doprowadzić do pę knięć w ś cianach komory spalania,

3) wyższe straty ciśnienia powstałe w wyniku zwiększonej masowej gęstości przepływu.

Rury użebrowane wewnętrznie charakteryzują się dużymi stratami ciśnienia, związanymi ze zjawiskiem tarcia i posiadają tę wadę, że wymagają specjalnego procesu wytwarzania i przyczyniają się do zwiększenia pracochłonności przy montażu poszczególnych części ekranu.

Przedmiotem wynalazku jest przepływowa wytwornica pary z obiegowym atmosferycznym paleniskiem fluidalnym, wyposażona w wirową komorę spalania. Komora ta zasadniczo ze wszystkich stron ograniczona jest ścianami obwodowymi i składa się ze szczelnych ścian rurowych, utworzonych z zasadniczo pionowych rur i w dolnym obszarze posiada przynajmniej jeden lej. Wirowa komora spalania ukształtowana jest przy wykorzystaniu co najmniej jednej powierzchni grzewczej wykonanej z zasadniczo pionowo usytuowanych rur, przy czym powierzchnia grzewcza składa się z pospawanych rur tworzących kombinację rura-żebro-rura. Przez te rury, tworzące ściany obwodowe i powierzchnię grzewczą przepływa czynnik roboczy w postaci mieszaniny parowo-wodnej.

Istota wynalazku polega na tym, że wszystkie rury tworzące ściany obwodowe i powierzchnię grzewczą ukształtowane są jako powierzchnie parownika i połączone są równolegle dla zrealizowania przepływu całej objętości czynnika roboczego przeznaczonego do odparowania. Wszystkie rury tworzące ściany obwodowe i powierzchnię grzewczą mają gładką powierzchnię wewnętrzną a powierzchnia grzewcza usytuowana jest między dnem komory spalania lub górną krawędzią leja i sklepieniem komory spalania.

Korzystnie, przepływ czynnika roboczego przez rury ścian obwodowych i powierzchni grzewczej następuje bez posługiwania się kolektorami pośrednimi.

Powierzchnia grzewcza ukształtowana jest jako element ogrzewany dwustronnie, przy czym powierzchnie wewnętrzne rur powierzchni grzewczej posiadają jedno- lub wielozwojne użebrowanie śrubowe.

Korzystnie, powierzchnia grzewcza ukształtowana jest jako element ogrzewany jednostronnie, przy czym powierzchnie wewnętrzne rur powierzchni grzewczej są gładkie, a powierzchnia ta posiada skrzynkowy przekrój poprzeczny o określonej szerokości i głębokości i od strony obwodowej obejmuje przestrzeń wewnętrzną i jest zamknięta ponad jej obwodem.

Przekrój porzeczny skrzynkowej powierzchni grzewczej ukształtowany jest co najmniej jako element trójkątny lub kołowy.

Przekrój porzeczny skrzynkowej powierzchni grzewczej ukształtowany jest jako element prostokątny. Rury skrzynkowej powierzchni grzewczej, zaopatrzonej w obszarze leja komory spalania, w wykładzinę ognioodporną, w obszarze przejściowym, między wyłożonym i nie wyłożonym obszarem powierzchni grzewczych, wygięte są do obszaru przestrzeni wewnętrznej, a przednie krawędzie wykładziny ognioodpornej i nie wyłożonego obszaru powierzchni grzewczej, zbiegają się w kierunku pionowym.

PL 207 502 B1

Według wynalazku, rury ścian obwodowych posiadają zasadniczo tę samą ogrzewaną długość, jak również tę samą ogrzewaną długość, co rury ścian obwodowych.

Dzięki rozwiązaniu według wynalazku zmniejszono oddziaływanie wyżej wymienionych wad znanych rozwiązań, lub która spełniałaby względnie dotrzymywała niżej określone kryteria:

- zastosowanie ekonomicznych i ekologicznych przepł ywowych wytwornic pary wyposaż onych w paleniska z obiegowym, złożem fluidalnym w zakresie obciążeń od około 300 do 600 MW mocy elektrycznej i w zakresie ciśnienia pary od około 10 do 30 MPa,

- osiągnięcie efektywnego rozplanowania komory spalania dla wytwornic przepływowych tego typu z uwzględnieniem powierzchni grzewczych instalowanych dodatkowo wewnątrz albo ewentualnie na zewnątrz komory spalania.

Konstrukcja przepływowej wytwornicy pary wyposażonej w palenisko z obiegowym, atmosferycznym złożem fluidalnym, posiada następujące zalety:

- dzię ki połączeniu obwodowych ś cian komory spalania i dodatkowych powierzchni grzewczych, usytuowanych wewnątrz tej komory działających jako powierzchnie grzewcze parownika i równoległemu przepływowi czynnika roboczego przez te powierzchnie, komora fluidalna, a zatem również przepływowa wytwornica pary może być zbudowana jako urządzenie o znacznie mniejszych gabarytach budowlanych, a zatem znacznie tańsze,

- dzię ki zastosowaniu rur gł adkich, to znaczy rur posiadają cych wewnę trzne, gł adkie powierzchnie w ścianach obwodowych przepływowej wytwornicy pary, rozwiązanie przynosi korzyści ekonomiczne, ponieważ rury te są tańsze w porównaniu z rurami użebrowanymi wewnętrznie i również zbędne specjalne zabiegi montażowe. Rury gładkie, w przeciwieństwie do rur użebrowanych wewnętrznie produkowane są przez wielu producentów w różnorodnych rodzajach,

- dzię ki zastosowaniu rur gł adkich w ś cianach obwodowych przepł ywowej wytwornicy pary, straty ciśnienia powstające w powierzchni grzewczej parownika są niższe w porównaniu z powierzchnią grzewczą parownika, utworzoną z rur wewnętrznie użebrowanych,

- dzięki równoległemu przepływowi przez ściany obwodowe i powierzchniom grzewczym rozmieszczonym dodatkowo we fluidalnej komorze spalania, powstają korzyści ekonomiczne, ponieważ nie jest wymagana w tym przypadku zabudowa kolektorów pośrednich (kolektorów mieszających lub wyrównujących ciśnienie),

- montaż powierzchni grzewczych wyprodukowanych z rur gł adkich jest bardziej ekonomiczny (nie wymaga dopasowania użebrowania wewnętrznego, w związku z czym powstaje mniej strat rur podczas montażu,

- długość, względnie wysokość pionowych, powierzchni grzewczych rozmieszczonych dodatkowo we fluidalnej komorze spalania jest dopasowana do wysokości i konstrukcji budowlanej komory spalania ze złożem fluidalnym, (zróżnicowane leje w dolnym obszarze komory spalania),

- wynikają z tego zalety przy montażu powierzchni grzewczych, ponieważ mogą być one włączone efektywnie do dna komory spalania, względnie górnej krawędzi leja, jak również sklepienia komory spalania,

- powierzchnie grzewcze, rozmieszczone dodatkowo w komorze spalania mog ą wykonane jako jednostronnie ogrzewane powierzchnie grzewcze przyspawane do szkieletu skrzynkowego lub jako ogrzewane dwustronnie grodziowe powierzchnie grzewcze,

- dzię ki włączeniu dodatkowych, ogrzewanych powierzchni grzewczych ustalona jest wymagana gęstość przepływu masowego, konieczna do wyrównania różnic przepływu masowego i ogrzewania i uzyskania temperatur wyjś ciowych w przybliż eniu na tym samym poziomie,

- wymiary komory spalania, (powierzchnia przekroju poprzecznego, wysokość) i włączone powierzchnie grzewcze są tak określone, że skuteczne gęstości przepływu ciepła pozwalają na zmontowanie zestawu pionowych rur gładkich w ścianach obwodowych przy małych gęstościach przepływu masowego.

Dzięki zestawowi dwustronnie ogrzewanych powierzchni, mogą być one korzystnie wyprodukowane w bardzo prosty sposób, podczas gdy, płaskie powierzchnie grodziowe montowane są z kombinacji typu rura-żebro-rura.

Dzięki jednostronnemu ogrzewaniu rur, jak to już wspomniano przy okazji omawiania rur gładkich ściany obwodowej, uzyskuje się znaczną korzyść ekonomiczną, ponieważ rury gładkie są znacznie tańsze łatwiejsze w montażu i wywołują mniejsze straty ciśnienia, związane ze zjawiskiem tarcia. Zgodnie z celowym ukształtowaniem jednostronnie ogrzewanej powierzchni grzewczej, jest ona zbudowana jako skrzynkowa ściana grzewcza o skrzynkowym przekroju poprzecznym. Dzięki skrzynkoPL 207 502 B1 wemu ukształtowaniu, ściana grzewcza uzyskuje dużą stabilność, która umożliwia budowę komór spalania dla większych, przepływowych wytwornic pary.

W innym celowym rozwią zaniu według wynalazku, przekrój poprzeczny skrzynkowej powierzchni grzewczej ma kształt prostokątny. Aby osiągnąć równomierne ogrzewanie medium roboczego wewnątrz rur ścian obwodowych, korzystne jest zastosowanie rozwiązania, w którym rury te zasadniczo ogrzewane są na takiej samej długości. Aby przenieść takie samo oddziaływanie na rury powierzchni grzewczej, korzystne jest poza tym zastosowanie rozwiązania, w którym rury powierzchni grzewczych ogrzewane są na takiej samej długości, jak rury obwodowe.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie przekrój wzdłużny przepływowej wytwornicy pary z obiegowym, atmosferycznym paleniskiem fluidalnym, fig. 2 - przekrój wzdłużny wirowej komory spalania przepływowej wytwornicy pary ze złożem fluidalnym, wyposażonej w lej komory spalania, fig. 3 - podobnie jak fig. 2 - przekrój wzdłużny wirowej komory spalania, wyposażonej w dwa leje („pant leg”), fig. 4 - przekrój poprzeczny wzdłuż linii A-A na fig. 2, obrócony o 90° komory spalania przepływowej wytwornicy pary ze złożem fluidalnym, (wyposażonej w jeden lej komory spalania), fig. 5 - przekrój poprzeczny wzdłuż linii B-B na fig. 3, obrócony o 90° komory spalania przepływowej wytwornicy pary ze złożem fluidalnym, (wyposażonej w dwa leje komory spalania), fig. 6 - przekrój poprzeczny powierzchni grzewczej, w alternatywnym, skrzynkowym wykonaniu (gródź skrzynkowa) zgodnie ze szczegół em C na fig 4 i 5, fig. 7 - przekrój wzdłużny skrzynkowej powierzchni grzewczej z pionowo zbiegającym się przepustem od wykładziny ognioodpornej w kierunku górnej rurowej ściany membranowej, fig. 8 - przekrój poprzeczny skrzynkowej powierzchni grzewczej wzdłuż linii C-C na fig. 9, fig. 9 - przekrój wzdłużny skrzynkowej powierzchni grzewczej wzdłuż linii B-B na fig. 8.

W przypadku przepływowych wytwornic pary opalanych paliwem stałym, stosowanych w konwencjonalnych elektrowniach, znane są rozwiązania, w których czynnik roboczy, zwykle woda/para wodna zasadniczo podczas jednokrotnego przepływu przez obieg turbin parowych jest ogrzewany wstępnie, odparowywany, przegrzewany i ewentualnie przegrzewany międzystopniowo. Poniżej zostanie opisana przepływowa wytwornica pary łącznie z przynależnym do niej paleniskiem.

Figura 1 przestawia przepływową wytwornicę pary 1 wyposażoną w palenisko z obiegowym złożem fluidalnym (ZWSF), w którym spalany jest węgiel lub inne materiały palne. Materiał przeznaczony do spalania, razem z materiałem inertnym albo oddzielnie od niego, poprzez przewód doprowadzający 10 jest wprowadzany do komory spalania ze złożem fluidalnym, względnie do wirowej komory spalania 3 przepływowej wytwornicy pary 1 wyposażonej w palenisko z obiegowym złożem fluidalnym (ZWSF). Dla utworzenia złoża fluidalnego i spalenia wprowadzonego materiału wewnątrz komory spalania 3, zwykle od dołu wirowej komory spalania 3, przewodem doprowadzającym 10 doprowadzony jest gaz fluidyzujący. Gaz fluidyzujący stanowi z reguły powietrze, a zatem jest on wykorzystywany do spalania jako czynnik utleniający. Gazy odlotowe powstające w procesie spalania, względnie spaliny i unoszone wraz z gazami odlotowymi cząstki materiału stałego (materiał inertny, cząstki popiołu i cząstki niepalne) są odprowadzane z komory spalania 3 w górnym obszarze poprzez otwór 12 i przewodem gazów odlotowych 13 doprowadzane do oddzielacza, zasadniczo oddzielacza odśrodkowego, względnie cyklonowego 14. W oddzielaczu 14 materiały stałe oddzielane są w maksymalnym stopniu od gazów odlotowych i ponownie doprowadzane przez przewód powrotny 15 do komory spalania 3. W dużym stopniu już oczyszczone gazy odlotowe, przewodem gazów odlotowych 16 doprowadzane są do drugiego kanału wyciągowego spalin 17, w którym usytuowana jest przynajmniej jedna powierzchnia grzewcza 20 podgrzewacza wody, przynajmniej jedna powierzchnia grzewcza 19 przegrzewacza i ewentualnie przynajmniej jedna powierzchnia grzewcza 20 przegrzewacza międzystopniowego, które służą do dalszego wykorzystywania, względnie odbioru ciepła odlotowego. Przekrój poprzeczny komory spalania z reguły ma kształt prostokątny. Może on jednak mieć kształt okrągły lub inny.

Figury 2 do 5 przedstawiają prostokątną, usytuowaną zasadniczo pionowo, wirową komorę spalania 2 przepływowej wytwornicy pary, w przekroju zarówno wzdłużnym, jak i poprzecznym. Komora spalania 3 jest zasadniczo ze wszystkich stron otoczona ścianami obwodowymi 4, przy czym ściana obwodowa 4, patrząc w kierunku z dołu do góry obejmuje kolejno dno komory spalania 4.1, ściany boczne komory spalania 4.2 i sklepienie komory spalania 4.3. Dno komory spalania 4.1 z reguły ukształtowane jest jako dno dyszowe, poprzez które wprowadzany jest gaz fluidyzujący.

Figura 2 przedstawia komorę spalania 3, wyposażoną w pojedynczy lej 6, usytuowany w dolnym obszarze komory spalania 3, podczas gdy fig. 3 przedstawia komorę spalania 2 z podwójnym lejem 7, czyli rozwiązanie zwane „pant leg”. Ściany obwodowe 4 komory spalania ukształtowane są

PL 207 502 B1 w postaci powierzchni grzewczych, przez które przepływa czynnik roboczy, przy czym powierzchnie te zbudowane są ze szczelnych ścian membranowych. Ściany membranowe tego typu zmontowane są ze szczelnie pospawanych rur wyposażonych w ciągłe żebra wzdłużne, tworzących kombinację rurażebro-rura. Z reguły kombinacja rura-żebro-rura składa się z rur 5, których powierzchnia zewnętrzna jest gładka, a każda z nich połączona jest z oddzielnymi żebrami 21. Można tu również zastosować rury płetwowe, których ściany zewnętrzne wyposażone są już w żebra, łączone między sobą.

Przedmiotowy wynalazek zmierza do zaprojektowania przepływowej wytwornicy pary 1, wyposażonej w palenisko 2 z obiegowym złożem fluidalnym o wyższej mocy (około 300 do 600 MW mocy elektrycznej) i wyższych parametrach pary (przy ciśnieniu około 25 do 30 MPa i temperaturze 560 do 620°C. Przy tym dla osiągnięcia efektywnego rozplanowania komory spalania w tym zakresie mocy wymagane jest, aby zainstalować dodatkowe powierzchnie grzewcze 8, które ze względów na techniczne warunki cieplne (równomierne przejmowanie ciepła) korzystnie usytuowane są wewnątrz komory spalania 3.

W przepływowej wytwornicy pary 1, według wynalazku wyposażonej w palenisko 2 z obiegowym złożem fluidalnym o wyższej mocy przewidziano, że wszystkie rury 5, 9 ścian obwodowych 4 i powierzchni grzewczych 8, leżących wewnątrz komory spalania 3 ukształtowane są jako powierzchnie grzewcze parownika i połączone są równolegle w celu uzyskania przepływu całego czynnika roboczego, przeznaczonego do odparowania oraz że wszystkie rury 5 ścian obwodowych 4 posiadają gładką powierzchnię wewnętrzną, a powierzchnie grzewcze 8 rozmieszczone są między dnem komory spalania 4.1, względnie górną krawędzią 24 leja i sklepieniem komory spalania 4.3. Dzięki równoległemu połączeniu powierzchni grzewczych 8 i powierzchni grzewczych ściany obwodowej 4 przepływowej wytwornicy pary 1, jak również wykorzystaniu obydwu powierzchni grzewczych jako powierzchni grzewczych parownika, uzyskano korzystne rozwiązanie, gdyż po pierwsze za pomocą dopasowania liczby powierzchni grzewczych 8, komora spalania 3 może być efektywnie rozplanowana. Stosując takie środki, można zoptymalizować wymiary komory spalania, przede wszystkim, poprzez włączenie powierzchni grzewczych można znacznie zredukować wysokość komory spalania (odległość między dnem komory spalania i jej sklepieniem). Po drugie skuteczne gęstości strumienia ciepła wewnątrz komory spalania 3 ze złożem fluidalnym, przy wyżej wspomnianym, zgodnym z wynalazkiem układzie przepływowej wytwornicy pary 1, mimo obniżonych gęstości strumienia masowego czynnika roboczego wynoszących od 400 do 1200 kg/m² umożliwiają zastosowanie takich rur 5 ścian obwodowych 4, które posiadają gładkie ściany wewnętrzne. Dzięki obniżonym gęstościom strumienia masowego czynnika roboczego uzyskuje się ulepszoną charakterystykę obiegu naturalnego wewnątrz powierzchni grzewczych parownika, co oznacza, że przy ewentualnym miejscowym przegrzaniu w tym miejscu nastąpi wzrost przepływu czynnika roboczego, a zatem zagwarantowane będzie niezawodne chłodzenie rur.

Zestaw rur 5 o gładkiej powierzchni wewnętrznej zwanych krótko rurami gładkimi, ma oprócz tego, przy tak niskich wartościach gęstości przepływu masowego wiele zalet w porównaniu z zamontowanymi rurami użebrowanymi wewnętrznie. Po pierwsze, rury gładkie w porównaniu do rur użebrowanych wewnętrznie są zasadniczo znacznie tańsze, producenci oferują krótsze terminy dostaw, mogą być dostarczane w większych ilościach i ogólnie są bardziej dostępne, ponieważ rury użebrowane wewnętrznie można uzyskać przeważnie jako produkcję specjalną, również ze względu na montaż, rury gładkie są znacznie prostsze do wykorzystania. Po drugie, rury gładkie charakteryzują się znacznie mniejszymi stratami ciśnienia, związanymi ze zjawiskiem tarcia czynnika roboczego w porównaniu z rurami użebrowanymi wewnętrznie, co oddziałuje pozytywnie na równomierny rozpływa czynnika roboczego na poszczególne rury 5, jak również na zmniejszenie obciążenie pompy zasilającej przepływowej wytwornicy pary 1.

Dla zwiększenia współczynnika sprawności działania przepływowej wytwornicy pary i w związku z tym dla zmniejszenia emisji szkodliwych związków przedostających się do atmosfery, powstających w palenisku przepływowej wytwornicy pary, przepływowe wytwornice pary coraz częściej są uruchamiane w obszarze podkrytycznym, to znaczy przy ciśnieniu pary poniżej 22 MPa, jak również w obszarze poślizgu między ciśnieniem nadkrytycznym i podkrytycznym (ciśnienie rozruchu przepływowej wytwornicy pary ślizga się w obszarze obciążenia przepływowej wytwornicy pary, przykładowo między 20 do 100% obciążenia). Przy ciśnieniu rozruchu przepływowej wytwornicy pary wynoszącym przykładowo 27 MPa i przy pełnym obciążeniu, przepływowa wytwornica pary przy częściowym obciążeniu osiąga około 70% ciśnienia krytycznego i jest uruchamiana poniżej tego częściowego obciążenia, to znaczy że w obszarze częściowego obciążenia wynoszącego około 70% w parowniku podczas

PL 207 502 B1 procesu odparowywania występuje mieszanina dwufazowa. Dzięki rozwiązaniu według wyżej przedstawionego wynalazku zapewniono, że wewnątrz grzewczych powierzchni parownika (ściany obwodowe 4 i powierzchnie grzewcze 8) nie zachodzi zjawisko oddzielenia się pary od wody. Zjawisko to jest podtrzymywane jeszcze dzięki korzystne ukształtowanie przepływowych wytwornic pary według wynalazku tak, że przepływ czynnika roboczego przez rury 5, 9 ścian obwodowych 4 i powierzchni grzewczych 8 następuje bez posiłkowania się kolektorami pośrednimi.

W przypadku dodatkowych powierzchni grzewczych zainstalowanych w wirowej komorze spalania 3, chodzi o tak zwane grodziowe powierzchnie grzewcze. Powierzchnie grzewcze w postaci grodzi utworzone są z tworzących jedną, zamkniętą całość, płytowych powierzchni grzewczych (to znaczy pojedyncze, usytuowane jedna obok drugiej rury 9 połączone są za pomocą wzdłużnych, zespawanych żeber 22 tworząc grodź obejmująca kombinację rura-żebro-rura), które stanowią jaskrawą sprzeczność w stosunku do powierzchni grzewczych wykonanych z wiązek rurowych, które są powierzchniami otwartymi (to znaczy pojedyncze, usytuowane jedna obok drugiej rury nie są połączone między sobą za pomocą żeber). Powierzchnie grzewcze 8 są zasadniczo usytuowane pionowo wewnątrz komory spalania 3 i rury tworzące tę komorę usytuowane są również zasadniczo pionowo.

Zgodnie z wynalazkiem, powierzchnie grzewcze 8 rozmieszczone są odpowiednio do kształtu komory spalania albo między dnem komory spalania 4.1 i sklepieniem komory spalania 4.3, albo górną krawędzią 24 leja i sklepieniem komory spalania 4.3. Dzięki temu, wspólnie ze ścianami obwodowymi 4 mogą one być wykorzystywane całkowicie do wywoływania równoległego przepływu całej objętości czynnika roboczego przeznaczonego do odparowania. Powierzchnie grzewcze 8 zaczynają się zatem w dolnym obszarze wirowej komory spalania 3 zasadniczo przy dnie komory spalania, względnie przy dolnej krawędzi leja 4.1, w przypadku komory spalania 3 wyposażonej w jeden lej 6 (fig. 2) i środkowego rozmieszczenia powierzchni grzewczych 8 wewnątrz komory spalania 3 lub przy górnej krawędzi leja 24 w przypadku komory spalania wyposażonej w dwa leje (fig. 3), jak również środkowego rozmieszczenia powierzchni grzewczych 8 i zasadniczo kończą się w górnym obszarze wirowej komory spalania 3, zasadniczo przy sklepieniu komory spalania 4.3. Dla zamocowania pojedynczych powierzchni grzewczych 8, mogą być one przykładowo zespawane z dnem komory spalania 4.1, względnie górną krawędzią leja 24 i sklepieniem komory spalania 4.3. jeżeli trzeba przewidzieć więcej niż dwa leje w dolnym obszarze komory spalania, może nastąpić włączenie powierzchni grzewczych 8 według wynalazku.

Równoległe zasilanie powierzchni grzewczych 8, jak również ściany obwodowej 4 następuje poprzez kolektor, który nie został tu przedstawiony, za pomocą którego do wyżej wymienionych powierzchni grzewczych doprowadzany jest czynnik roboczy od dołu. Powierzchnie grzewcze 8 zaczynają się w komorze spalania 3 dwoma lejami 7, zgodnie z fig. 3 od górnej krawędzi 24 leja, względnie siodła leja tak, że te powierzchnie grzewcze 8 mogą być zasilane czynnikiem grzewczym poprzez ściany obwodowe 4 leja. Możliwe jest również oddzielne, równoległe zasilanie powierzchni grzewczych 8.

Powierzchnie grzewcze 8 mogą być ogrzewane jednostronnie lub dwustronnie. Przy dwustronnym ogrzewaniu grodziowych powierzchni grzewczych 8 korzystne jest rozwiązanie, w którym powierzchnie grzewcze 8 wykonane są z wewnętrznie użebrowanych rur 9, aby w ten sposób w częściowo obciążonym obszarze przepływowej wytwornicy pary 1 zapewnić niezawodne chłodzenie rury 9 i aby zmniejszyć efekt oddziaływania znanego w kręgach fachowców, niekorzystnego zjawiska wrzenia czynnika roboczego, względnie DNB (Departure from nucleate boiling) i zjawiska wysuszania, względnie „dryout” w rurze parownika, które to zjawiska mogłyby wystąpić w przypadku wielokrotnego ogrzewania powierzchni grzewczej z obydwu stron.

Korzystne ukształtowanie rozwiązania według wynalazku przewiduje, że powierzchnie grzewcze 8, usytuowane wewnątrz wirowej komory spalania 3 są ogrzewane jednostronnie. Fig. 6 ukazuje korzystne ukształtowania powierzchni grzewczej 8, która jest ogrzewana jednostronnie. Ta powierzchnia grzewcza 8 obejmuje obwodowe przestrzeń wewnętrzną 23 i jest uformowana skrzynkowo, w związku z czym, powierzchnia grzewcza 8 w dalszej części opisu oznaczona jest jako skrzynkowa powierzchnia grzewcza lub jako skrzynkowe grodzie 8. Fig. 6 przedstawia przy tym korzystne ukształtowanie skrzynkowej powierzchni grzewczej 8 o prostokątnym przekroju poprzecznym. Grodź skrzynkowa 8 według fig. 6 posiada cztery ściany boczne wykonane w postaci pospawanych ścian membranowych, pospawanych wzajemnie w narożach, przy czym ściany membranowe wykonane są z rur 9 i żeber wzdłużnych 22. Zatem powstaje skrzynia wykonana w postaci gazoszczelnie pospawanej wersji, względnie kombinacji rura-żebro-rura.

PL 207 502 B1

Zamiast skrzynkowej powierzchni grzewczej 8, w wersji prostokątnej, pokazanej na fig. 6, można ją wykonać w postaci posiadającej przekrój poprzeczny o innym kształcie, przykładowo n-kątnym (co najmniej trójkątnym), okrągłym i tak dalej. To znaczy, że w tym przypadku przestrzeń wewnętrzna 23 objęta skrzynkową powierzchnią grzewczą 8 ma również w przekroju poprzecznym kształt n-kątny, względnie okrągły. Dzięki pionowemu usytuowaniu powierzchni grzewczych 8, a zatem i rur 9, jak również pionowych rur 4 ścian obwodowych 4, rury 5, 9 nie powodują właściwie zjawiska tworzenia się punktów wyjściowych erozji wywoływanej przepływem strumienia gazu i cząstek paliwa. Aby rury 5, 9, znajdujące się w dolnym obszarze komory spalania, względnie w obszarze leja 6, 7 ochronić przed silnym oddziaływaniem przepływu poprzecznego lub turbulentnego, wyposażone są one w wykładzinę ogniotrwałą 25.

Korzystne ukształtowanie wynalazku przewiduje według fig. 7 do 9, że rury 9 skrzynkowej powierzchni grzewczej 8 zaopatrzone w wykładzinę ognioodporną 25 w obszarze leja komory spalania 6, 7, w obszarze przejściowym 26 między wyłożonym i nie wyłożonym obszarem 27 powierzchni grzewczych, wygięte są w kierunku do wewnątrz w obszarze przestrzeni wewnętrznej 23, a przednie krawędzie wykładziny ognioodpornej 25 i nie wyłożonego obszaru 27 powierzchni grzewczej 8, zbiegają się w kierunku pionowym. Dzięki zastosowaniu tych środków konstrukcyjnych, zapobiega się pojawieniu na rurach 9 w obszarze przejściowym 26 punktów wyjściowych erozji, spowodowanej oddziaływaniem przepływu turbulentnego gazu i cząstek paliwa.

Dzięki zastosowaniu wykładziny ognioodpornej 25 rur 5, 9 w obszarze leja korzystnym wykonaniu wynalazku długość obszaru ogrzewania rur 5, 9 w komorze spalania 3 jest taka sama.

Skrzynkowe powierzchnie grzewcze 8, które określone są wymiarem długości „L” i przekrojem poprzecznym o szerokości „B” i głębokości „T”, posiadają w określonym ukształtowaniu wymiary około 1,0 do 4,0 m wzdłuż szerokości „B”, około 0,1 do 1,0 m wzdłuż głębokości „T” i około 20 do 50 m wzdłuż długości „L”. Dzięki temu możliwe jest wyposażenie przepływowej wytwornicy pary o większych wymiarach w komorę spalania 3.

Rury 9 zmontowane dla uzyskania skrzynkowych powierzchni grzewczych 8, w korzystnej postaci wykonania, posiadają średnicę zewnętrzną zawierającą się między 20 i 70 mm. Montaż skrzynkowych powierzchni grzewczych 8, w przypadku budowy wytwornicy pary możliwy jest przy wykorzystaniu znanych materiałów i sposobów postępowania.

Claims (12)

1. Przepływowa wytwornica pary z obiegowym atmosferycznym paleniskiem fluidalnym, wyposażona w wirową komorę spalania, przy czym wirowa komora spalania zasadniczo ze wszystkich stron ograniczona jest ścianami obwodowymi i składa się ze szczelnych ścian rurowych, utworzonych z zasadniczo pionowych rur i w dolnym obszarze posiada przynajmniej jeden lej i wirowa komora spalania ukształtowana jest przy wykorzystaniu co najmniej jednej powierzchni grzewczej wykonanej z zasadniczo pionowo usytuowanych rur, przy czym powierzchnia grzewcza składa się z pospawanych rur tworzących kombinację rura-żebro-rura, przy czym przez te rury tworzące ściany obwodowe i powierzchnię grzewczą przepływa czynnik roboczy w postaci mieszaniny parowo-wodnej, znamienna tym, że wszystkie rury (5, 9) tworzące ściany obwodowe (4) i powierzchnię grzewczą (8) ukształtowane są jako powierzchnie parownika i połączone są równolegle dla zrealizowania przepływu całej objętości czynnika roboczego przeznaczonego do odparowania i wszystkie rury (5) tworzące ściany obwodowe (4) i powierzchnię grzewczą (8) mają gładką powierzchnię wewnętrzną, a powierzchnia grzewcza (8) usytuowana jest między dnem komory spalania (4.1) lub górną krawędzią leja (24) i sklepieniem komory spalania (4.3).

2. Przepływowa wytwornica pary według zastrz. 1, znamienna tym, że przepływ czynnika roboczego przez rury (5, 9) ścian obwodowych (4) i powierzchni grzewczej (8) następuje bez posługiwania się kolektorami pośrednimi.

3. Przepływowa wytwornica pary według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że powierzchnia grzewcza (8) ukształtowana jest jako element ogrzewany dwustronnie.

4. Przepływowa wytwornica pary według zastrz. 3, znamienna tym, że powierzchnie wewnętrzne rur (9) powierzchni grzewczej (8) posiadają jedno- lub wielozwojne użebrowanie śrubowe.

5. Przepływowa wytwornica pary według zastrz. 1, znamienna tym, że powierzchnia grzewcza (8) ukształtowana jest jako element ogrzewany jednostronnie.

PL 207 502 B1

6. Przepływowa wytwornica pary według zastrz. 5, znamienna tym, że powierzchnie wewnętrzne rur (9) powierzchni grzewczej (8) są gładkie.

7. Przepływowa wytwornica pary według zastrz. 5 albo 6, znamienna tym, że powierzchnia grzewcza (8) posiada skrzynkowy przekrój poprzeczny o szerokości (B) i głębokości (T) i od strony obwodowej obejmuje przestrzeń wewnętrzną (23) i jest zamknięta ponad jej obwodem.

8. Przepływowa wytwornica pary według zastrz. 7, znamienna tym, że przekrój porzeczny skrzynkowej powierzchni grzewczej (8) ukształtowany jest co najmniej jako element trójkątny lub kołowy.

9. Przepływowa wytwornica pary według zastrz. 7, znamienna tym, że przekrój porzeczny skrzynkowej powierzchni grzewczej (8) ukształtowany jest jako element prostokątny.

10. Przepływowa wytwornica pary według zastrz. 7, znamienna tym, że rury (9) skrzynkowej powierzchni grzewczej (8), zaopatrzonej w obszarze leja (6, 7) komory spalania, w wykładzinę ognioodporną (2), w obszarze przejściowym (26) między wyłożonym i nie wyłożonym obszarem (27) powierzchni grzewczych, wygięte są do obszaru przestrzeni wewnętrznej (23), a przednie krawędzie wykładziny ognioodpornej (25) i nie wyłożonego obszaru (27) powierzchni grzewczej (8) zbiegają się w kierunku pionowym.

11. Przepływowa wytwornica pary według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że rury (5) ścian obwodowych (4) posiadają zasadniczo tę samą ogrzewaną długość.

12. Przepływowa wytwornica pary według zastrz. 1 albo 2, albo 4, albo 5, albo 6, albo 8, albo 9, albo 10, znamienna tym, że rury (5) powierzchni grzewczej (8) posiadają zasadniczo tę samą ogrzewaną długość co rury (5) ścian obwodowych (4).