RU199684U1

RU199684U1 - MIXING CHAMBER OF HIGH-TEMPERATURE HYDROGEN-OXYGEN STEAM HEATER

Info

Publication number: RU199684U1
Application number: RU2019139847U
Authority: RU
Inventors: Василий Игоревич Борзенко; Алексей Иванович Счастливцев
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2020-09-14

Abstract

Полезная модель относится к силовым установкам паротурбинного типа, с камерой сгорания трубчатого типа, использующей в качестве горючего газообразный водород, а в качестве окислителя газообразный кислород и предназначена для получения пара высокой температуры путем перегрева низкотемпературного водяного пара. Камера смешения высокотемпературного водородно-кислородного пароперегревателя содержит охлаждаемую часть корпуса, связанную с конической вставкой подачи низкотемпературного пара. Коническая вставка связана также с неохлаждаемой частью корпуса. Коническая вставка подачи низкотемпературного пара содержит отверстия, расположенные под углом от 0 до 35°, для подачи низкотемпературного пара непосредственно в центральную зону высокотемпературного потока. Полезная модель позволяет обеспечить низкую неравномерность температуры перегретого пара на выходе при необходимости получения высокотемпературного перегретого пара в широком диапазоне мощностей. 1 ил.The utility model relates to power plants of a steam turbine type, with a tube-type combustion chamber using gaseous hydrogen as a fuel and gaseous oxygen as an oxidizer and is designed to produce high-temperature steam by overheating low-temperature water vapor. The mixing chamber of the high-temperature hydrogen-oxygen steam superheater contains a cooled part of the housing connected with a conical insert for low-temperature steam supply. The conical insert is also connected to the uncooled part of the body. The conical insert for low-temperature steam supply contains holes located at an angle of 0 to 35 ° to supply low-temperature steam directly to the central zone of the high-temperature stream. The utility model makes it possible to provide a low uneven temperature of the superheated steam at the outlet when it is necessary to obtain high-temperature superheated steam in a wide range of capacities. 1 ill.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к силовым установкам паротурбинного типа, отличающимся камерой сгорания трубчатого типа, использующей в качестве горючего газообразный водород, а в качестве окислителя газообразный кислород и предназначена для получения пара высокой температуры путем перегрева низкотемпературного водяного пара.The proposed utility model relates to power plants of the steam turbine type, characterized by a tube-type combustion chamber that uses gaseous hydrogen as a fuel and gaseous oxygen as an oxidizer and is intended to produce high-temperature steam by overheating low-temperature water vapor.

Известен вихревой водород-кислородный пароперегреватель (RU 2361146 С1), предназначенный для создания потока перегретого водяного пара за счет сжигания водород-кислородной смеси в паровой среде содержащий запальное устройство, магистрали подвода горючего (водорода) и окислителя (кислорода), камеру сгорания и смешения, форсунки окислителя и горючего, закручивающее устройство, конический стабилизатор пламени, пламенную трубу, жаровую трубу и охлаждающий канал. Водяной пар из котла поступает через патрубок подвода водяного пара в охлаждающие каналы, где в виде интенсивно закрученного потока движется в сторону корпуса камеры сгорания. Через форсунки окислителя в центральный поток пара подается кислород. Образующаяся парокислородная смесь закручивается с помощью закручивающего устройства с целью интенсификации массообменных процессов и ее гомогенизации. В корпусе отверстия конического стабилизатора предусмотрены отверстия, через которые выдувается водяной пар, оттесняя фронт пламени от стенки стабилизатора и локализуя его в пространственной области, ограниченной границами рециркуляционной зоны. Дополнительное охлаждение термически нагруженной стенки пламенной трубы достигается организацией завесы из паровых струй, выдуваемых через отверстия и перфорацию в стенке жаровой трубы. Недостатком данных конструкций является использование предварительного смешения окислителя с водяным паром и подача пара в зону горения. Такое решение с одной стороны позволяет существенно снизить теплонапряженность основных узлов, но в тоже время снижает полноту сгорания водорода из-за снижения концентрации горючего и окислителя в зоне горения.Known vortex hydrogen-oxygen steam superheater (RU 2361146 C1), designed to create a stream of superheated water vapor by burning a hydrogen-oxygen mixture in a vapor environment containing an ignition device, fuel (hydrogen) and oxidizer (oxygen) supply lines, a combustion and mixing chamber, oxidizer and fuel nozzles, swirl device, conical flame stabilizer, flame tube, flame tube and cooling duct. Water vapor from the boiler enters through the water vapor supply pipe into the cooling channels, where it moves in the form of an intensely swirling flow towards the combustion chamber body. Oxygen is supplied to the central steam flow through the oxidizer nozzles. The resulting steam-oxygen mixture is swirled using a swirling device in order to intensify mass transfer processes and homogenize it. In the housing of the opening of the conical stabilizer, holes are provided through which water vapor is blown out, pushing the flame front away from the stabilizer wall and localizing it in the spatial region bounded by the boundaries of the recirculation zone. Additional cooling of the thermally loaded wall of the flame tube is achieved by organizing a curtain of steam jets blown through holes and perforations in the wall of the flame tube. The disadvantage of these designs is the use of preliminary mixing of the oxidizer with water vapor and the supply of steam to the combustion zone. On the one hand, this solution allows to significantly reduce the heat density of the main units, but at the same time reduces the completeness of hydrogen combustion due to a decrease in the concentration of fuel and oxidizer in the combustion zone.

Известны конструкции парогенераторов с охлаждением камеры сгорания водой (RU 2544417 С1 и RU 2623017 С1). В этом случае в качестве топлива и окислителя используются водород и кислород, а в качестве охладителя и рабочего тела - вода. Парогенератор содержит запальное устройство с электросвечой, смесительную головку с магистралями подвода окислителя, горючего и воды на завесное охлаждение, камеру сгорания с каналами тракта охлаждения и профилированной торцевой стенкой для направления балластировочной воды, камеру смешения с отверстиями для подачи балластировочной воды. Каналы тракта охлаждения камеры сгорания выполнены под острым углом к оси парогенератора, а отверстия для подачи балластировочной воды в зону смешения выполнены также под острым углом к оси парогенератора, и направлены в противоположную сторону относительно каналов тракта охлаждения камеры сгорания. Изобретение улучшает процесс перемешивания воды с продуктами сгорания компонентов топлива за счет наличия дополнительной турбулентной составляющей, что позволяет получить качественный фракционный состав водяного пара при уменьшенной длине камеры смешения. Недостатком данной конструкции является невозможность использования низкотемпературного водяного пара вместо воды из-за его более низкой плотности и теплоемкости. Расположение зоны горения на близком расстоянии от стенок камеры сгорания приведет к ее интенсивному нагреву (при использовании водяного пара) и в конечном итоге к прогару. Кроме того, подача низкотемпературного пара под острым углом к оси парогенератора не сможет обеспечить хорошее перемешивание низкотемпературного и высокотемпературного потоков из-за меньшей плотности пара в сравнении с водой, что позволит получить качественный фракционный состав водяного пара.Known designs of steam generators with water cooling of the combustion chamber (RU 2544417 C1 and RU 2623017 C1). In this case, hydrogen and oxygen are used as fuel and oxidizer, and water is used as a coolant and working fluid. The steam generator contains an ignition device with an electric candle, a mixing head with lines for supplying an oxidizer, fuel and water for curtain cooling, a combustion chamber with channels of a cooling path and a profiled end wall for directing ballasting water, a mixing chamber with holes for supplying ballasting water. The channels of the combustion chamber cooling path are made at an acute angle to the axis of the steam generator, and the holes for supplying ballasting water to the mixing zone are also made at an acute angle to the axis of the steam generator, and directed in the opposite direction relative to the channels of the combustion chamber cooling path. The invention improves the process of mixing water with the combustion products of fuel components due to the presence of an additional turbulent component, which makes it possible to obtain a high-quality fractional composition of water vapor with a reduced length of the mixing chamber. The disadvantage of this design is the impossibility of using low-temperature water vapor instead of water due to its lower density and heat capacity. The location of the combustion zone at a close distance from the walls of the combustion chamber will lead to its intense heating (when using water vapor) and ultimately to burnout. In addition, the supply of low-temperature steam at an acute angle to the axis of the steam generator will not be able to provide good mixing of low-temperature and high-temperature flows due to the lower vapor density in comparison with water, which will make it possible to obtain a high-quality fractional composition of water vapor.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является конструкция водородно-кислородного пароперегревателя (RU 188647 U1), содержащая внешний корпус камеры сгорания связанный с внутренней охлаждаемой вставкой, выполненной с оребрением с внешней стороны, и смесительный элемент, связанный с электросвечой, магистралями подвода водорода и кислорода и форсунками подачи водорода и кислорода, оси которых расположены параллельно друг другу, при этом корпус камеры сгорания, связан с блоком первичной подачи низкотемпературного пара и блоком вторичной подачи низкотемпературного пара, связанным с камерой смешения, при этом блок первичной подачи низкотемпературного пара имеет четыре отверстия, расположенные под углом 30…60° к внутренней охлаждаемой вставке камеры сгорания, блок вторичной подачи низкотемпературного пара имеет четыре отверстия, расположенные под углом 90° к оси камеры сгорания. Недостатком данной конструкции является то, что при необходимости получения на выходе пара более высокой температуры, а также при работе на низкой мощности, подаваемого в блок вторичной подачи низкотемпературного пара может не хватить, чтобы обеспечить достаточно интенсивное смешение высокотемпературного и низкотемпературного потоков в камере смешения, что приведет к высокой неравномерности температуры перегретого пара на выходе.The closest to the proposed utility model is the design of a hydrogen-oxygen superheater (RU 188647 U1), which contains an external combustion chamber housing connected to an internal cooled insert made with ribbing on the outside, and a mixing element connected to an electric candle, hydrogen and oxygen supply lines, and hydrogen and oxygen supply nozzles, the axes of which are parallel to each other, while the combustion chamber housing is connected to the primary supply of low-temperature steam and the secondary supply of low-temperature steam, connected to the mixing chamber, while the primary supply of low-temperature steam has four holes located at an angle of 30 ... 60 ° to the internal cooled insert of the combustion chamber, the secondary supply of low-temperature steam has four holes located at an angle of 90 ° to the axis of the combustion chamber. The disadvantage of this design is that if it is necessary to obtain a higher temperature at the outlet of steam, as well as when operating at low power, the low-temperature steam supplied to the secondary supply unit may not be enough to provide sufficiently intensive mixing of the high-temperature and low-temperature flows in the mixing chamber, which will lead to high temperature unevenness of the superheated steam at the outlet.

Предложенная полезная модель решает техническую задачу обеспечения низкой неравномерности температуры перегретого пара на выходе при необходимости получения высокотемпературного перегретого пара в широком диапазоне мощностей. Такое решение технической задачи возможно за счет того, что в центре камеры смешения высокотемпературного водородно-кислородного пароперегревателя выполнена конусообразная вставка, обеспечивающая подачу низкотемпературного пара непосредственно в центральную зону высокотемпературного потока.The proposed utility model solves the technical problem of ensuring low temperature irregularity of the superheated steam at the outlet when it is necessary to obtain high-temperature superheated steam in a wide range of capacities. Such a solution to the technical problem is possible due to the fact that a cone-shaped insert is made in the center of the mixing chamber of the high-temperature hydrogen-oxygen superheater, which provides the supply of low-temperature steam directly to the central zone of the high-temperature flow.

Таким образом, предложенная конструкция камеры смешения высокотемпературного водородно-кислородного пароперегревателя позволяет обеспечить низкую неравномерность температуры перегретого пара на выходе при необходимости получения высокотемпературного перегретого пара в широком диапазоне мощностей.Thus, the proposed design of the mixing chamber of the high-temperature hydrogen-oxygen steam superheater allows for low temperature irregularity of the superheated steam at the outlet when it is necessary to obtain high-temperature superheated steam in a wide range of capacities.

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу тем, что камера смешения высокотемпературного водородно-кислородного пароперегревателя, содержит охлаждаемую часть корпуса, связанную с конической вставкой подачи низкотемпературного пара, связанную с неохлаждаемой частью корпуса, при этом коническая вставка подачи низкотемпературного пара содержит отверстия, расположенные под углом от 0 до 35° для подачи низкотемпературного пара в центр камеры смешения.The proposed utility model solves the technical problem in that the mixing chamber of the high-temperature hydrogen-oxygen steam superheater contains a cooled part of the body connected to a conical insert for supplying low-temperature steam connected to an uncooled part of the body, while the conical insert for supplying low-temperature steam contains holes located at an angle from 0 to 35 ° for supplying low-temperature steam to the center of the mixing chamber.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, показанной на фиг. 1. Камера смешения высокотемпературного водородно-кислородного пароперегревателя включает в себя охлаждаемую часть корпуса 1, с магистралями подачи низкотемпературного пара 4 и каналами 5, неохлаждаемую часть корпуса 3 и коническую вставку подачи низкотемпературного пара 2, с коллекторами низкотемпературного пара 6 и 8, соединяющей магистралью 7, центральным отверстием подачи низкотемпературного пара 9 и шестью наклонными отверстиями 10.The essence of the proposed technical solution is illustrated by the diagram shown in Fig. 1. The mixing chamber of the high-temperature hydrogen-oxygen steam superheater includes a cooled part of the body 1, with lines for supplying low-temperature steam 4 and channels 5, an uncooled part of the body 3 and a conical insert for supplying low-temperature steam 2, with collectors of low-temperature steam 6 and 8, connecting the line 7 , the central hole for supplying low-temperature steam 9 and six inclined holes 10.

Камера смешения высокотемпературного водородно-кислородного пароперегревателя работает следующим образом:The mixing chamber of a high-temperature hydrogen-oxygen superheater operates as follows:

Низкотемпературный пар через магистрали подачи низкотемпературного пара 4 поступает в каналы 5, проходя через которые осуществляет охлаждение наиболее теплонапряженной внутренней стенки охлаждаемой части корпуса 1, расположенной на выходе камеры сгорания. Далее низкотемпературный пар поступает в первый коллектор 6 и по магистрали 7 во второй коллектор 8 конической вставки подачи низкотемпературного пара 2. Из второго коллектора 8 низкотемпературный пар через центральное отверстие 9 и шесть наклонных отверстий 10 поступает в центральную часть камеры смешения, где происходит его встреча с высокотемпературными продуктами из камеры сгорания, расположенной со стороны охлаждаемой части камеры смешения. Подача низкотемпературного пара непосредственно в зону с наибольшей температурой продуктов сгорания и резкое расширение смешанного (перегретого) пара на конце конической вставки обеспечивает низкую неравномерность температуры перегретого пара на выходе из камеры смешения при необходимости получения высокотемпературного перегретого пара в широком диапазоне мощностей, в частности перед высокотемпературной паровой турбиной.Low-temperature steam through the low-temperature steam supply lines 4 enters channels 5, passing through which it cools the most heat-stressed inner wall of the cooled part of the body 1 located at the outlet of the combustion chamber. Further, low-temperature steam enters the first collector 6 and through line 7 into the second collector 8 of the conical insert for supplying low-temperature steam 2. From the second collector 8, low-temperature steam through the central hole 9 and six inclined holes 10 enters the central part of the mixing chamber, where it meets with high-temperature products from the combustion chamber located on the side of the cooled part of the mixing chamber. The supply of low-temperature steam directly to the zone with the highest temperature of the combustion products and the sharp expansion of the mixed (superheated) steam at the end of the conical insert ensures low temperature irregularity of the superheated steam at the outlet of the mixing chamber when it is necessary to obtain high-temperature superheated steam in a wide range of capacities, in particular before high-temperature steam turbine.

Claims

A mixing chamber of a high-temperature hydrogen-oxygen steam superheater, containing a cooled part of the body, connected with a conical insert for supplying low-temperature steam, connected with an uncooled part of the body, characterized in that the conical insert for supplying low-temperature steam contains holes located at an angle from 0 to 35 ° for supplying low-temperature steam to the center of the mixing chamber.