RU2229055C2

RU2229055C2 - Gas-turbine boiler

Info

Publication number: RU2229055C2
Application number: RU2001103668/06A
Authority: RU
Inventors: Л.И. Сень (RU); Л.И. Сень
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2004-05-20

Abstract

FIELD: thermal engineering; water heating systems. SUBSTANCE: gas-turbine boiler has casing, gas-transfer chambers, chimney stack, and water space confined between front and rear walls and barrel section whose bottom part has heat-transfer surface in the form of furnace and fire tubes coaxially arranges around furnace, joined with front and rear walls of water space, and communicating with gas-transfer chambers which are connected to outer surface of front and rear walls and to fire tube, respectively. Gas-transfer chambers are connected to outer surface of front and rear walls and to fire tube by means of threaded joint and water space is provided with partitions installed between front and rear walls so that they extend from upper to lower ends of heat-transfer surface. EFFECT: enhanced service life, facilitated maintenance of boiler. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к котлостроению, и может быть использовано в газотрубных котлах с вертикальными или горизонтальными дымогарными трубами.The invention relates to the field of power engineering, and specifically to boiler building, and can be used in gas tube boilers with vertical or horizontal smoke tubes.

Известен газотрубный (огнетрубный) вертикальный котел типа UNEX, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с размещенной в нем водяной полостью, в нижней части которой расположена топка и над ней - дымогарные трубы, связанные с нижней и верхней трубными досками, газоперепускную камеру и дымовую трубу (см. в кн. Енин В.И., Денисенко Н.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки. - М.: Транспорт, 1993, с. 110-112, а также приложение в виде акта Технического управления ОАО ДВМП на 5 листах).A gas pipe (fire tube) vertical boiler of the UNEX type is known, containing a vertical cylindrical body with a water cavity located in it, in the lower part of which there is a firebox and above it are smoke tubes connected to the lower and upper pipe boards, a gas transfer chamber and a chimney (see in the book Yenin V.I., Denisenko N.I., Kostylev I.I. Shipboard boiler installations.- M.: Transport, 1993, pp. 110-112, as well as an appendix in the form of an act of the Technical Department of FESCO JSC for 5 sheets).

Недостатком известного газотрубного котла является образование и развитие усталостных трещин в дымогарных трубах, нижней трубной доске и топке через 5-7 лет с момента ввода котла в эксплуатацию.A disadvantage of the known gas-tube boiler is the formation and development of fatigue cracks in smoke tubes, the lower tube plate and the furnace 5-7 years after the commissioning of the boiler.

Указанный недостаток снижает надежность работы котла и требует затрат на выполнение мероприятий по ликвидации трещин.This drawback reduces the reliability of the boiler and requires costs for the implementation of measures to eliminate cracks.

Известен газотрубный котел Южно-корейского производства для варки крабов при атмосферном давлении, содержащий газоперепускные камеры, дымовую трубу и водяную полость, ограниченную фронтальной, задней и боковыми стенками, нижняя часть которой имеет поверхность теплообмена в виде топки и дымогарных труб, сопряженных с фронтальной стенкой водяной полости и сообщенных с газоперепускными камерами, которые жестко присоединены к внешней поверхности фронтальной и задней стенки и дымовой трубе.A South Korean-made gas-tube boiler for cooking crabs at atmospheric pressure, containing gas transfer chambers, a chimney and a water cavity bounded by the front, rear and side walls, the lower part of which has a heat exchange surface in the form of a furnace and smoke tubes paired with a water front wall cavities and in communication with gas transfer chambers, which are rigidly attached to the outer surface of the front and rear walls and the chimney.

Недостатком известного котла Южно-корейского производства является развитие трещин в газоперепускных камерах и местах их присоединения к фронтальной стенке уже через 220 часов эксплуатации, что делает их непригодными для использования по назначению.A disadvantage of the well-known South Korean boiler is the development of cracks in the gas transfer chambers and the places of their attachment to the front wall after 220 hours of operation, which makes them unsuitable for intended use.

Известен газотрубный котел, содержащий горизонтальный цилиндрический корпус, газоперепускные камеры, дымовую трубу и водяную полость, ограниченную фронтальной и задней стенками и цилиндрической обечайкой, нижняя часть которой имеет поверхность теплообмена в виде топки и дымогарных труб, коаксиально расположенных вокруг топки, сопряженных с фронтальной и задней стенками водяной полости и сообщенных с газоперепускными камерами, которые присоединены соответственно к внешней поверхности фронтальной и задней стенок и дымовой трубе (см. в кн. Хряпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы. - Л.: Судостроение, 1988, с. 170-174). Этот котел, как наиболее близкий, выбран в качестве прототипа заявляемого решения.A gas tube boiler is known, comprising a horizontal cylindrical body, gas transfer chambers, a chimney and a water cavity bounded by the front and rear walls and a cylindrical shell, the lower part of which has a heat exchange surface in the form of a furnace and smoke tubes coaxially located around the furnace connected to the front and rear walls of the water cavity and in communication with gas transfer chambers, which are connected respectively to the outer surface of the front and rear walls and the chimney (see Prince Hryapchenkov AS Ship auxiliary and utilizing boilers -.. L .: Shipbuilding, 1988, pp 170-174).. This boiler, as the closest, is selected as a prototype of the proposed solution.

Недостатками известного газотрубного котла являются:The disadvantages of the known gas tube boiler are:

- образование и развитие усталостных трещин в местах соединения газоперепускных камер и дымогарных труб с фронтальными стенками;- the formation and development of fatigue cracks at the junction of gas transfer chambers and smoke tubes with front walls;

- образование выпучин на поверхности топки вследствие местного перегрева металла;- the formation of bulges on the surface of the furnace due to local overheating of the metal;

- отсутствие четко выраженных границ циркуляционных потоков котловой воды и пароводяной смеси в водяной полости котла;- the absence of clearly defined boundaries of the circulation flows of boiler water and steam-water mixture in the water cavity of the boiler;

- сложность и трудоемкость восстановления разрушенной или деформированной поверхности теплообмена.- the complexity and complexity of restoring a destroyed or deformed heat exchange surface.

Таким образом, газотрубный котел - прототип имеет существенные недостатки, снижающие долговечность его работы и затрудняющие его эксплуатацию и ремонт.Thus, the gas tube boiler prototype has significant disadvantages that reduce the durability of its work and make it difficult to operate and repair.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, а именно:The task to be solved by the claimed invention is directed is the elimination of these disadvantages, namely:

- увеличение долговечности;- increase in durability;

- исключение появления трещин и деформаций поверхности теплообмена в процессе эксплуатации;- the elimination of cracks and deformations of the heat exchange surface during operation;

- организация циркуляционных токов воды и пароводяной смеси в водяной полости;- organization of circulating currents of water and steam-water mixture in the water cavity;

- упрощение ремонта и очистки элементов конструкции котла, что повышает эффективность эксплуатации.- simplification of repair and cleaning of boiler structural elements, which increases the efficiency of operation.

Поставленная задача достигается тем, что в известном газотрубном котле, содержащем корпус, газоперепускные камеры, дымовую трубу и водяную полость, ограниченную фронтальной и задней стенками и цилиндрической обечайкой, нижняя часть которой имеет поверхность теплообмена в виде топки и дымогарных труб, коаксиально расположенных вокруг топки, сопряженных с фронтальными стенками водяной полости и сообщенных с газоперепускными камерами, которые присоединены соответственно к внешней поверхности фронтальной и задней стенок и дымовой трубе, в отличие от него, в заявляемом соответствующие газоперепускные камеры присоединены к внешней поверхности фронтальной и задней стенок и дымовой трубе посредством разъемных соединений, а водяная полость снабжена перегородками, установленными между фронтальной и задней стенками протяженностью от верхней до нижней оконечности поверхности теплообмена. Эксплуатационно оправдано выполнение перегородок водяной полости в виде вертикально ориентированных стенок, отстоящих от цилиндрической обечайки водяной полости на расстоянии не менее 50 мм.This object is achieved by the fact that in a known gas-tube boiler containing a housing, gas transfer chambers, a chimney and a water cavity bounded by the front and rear walls and a cylindrical shell, the lower part of which has a heat exchange surface in the form of a furnace and smoke tubes coaxially located around the furnace, interfaced with the front walls of the water cavity and connected to the gas transfer chambers, which are connected respectively to the outer surface of the front and rear walls and the chimney , in contrast, in the inventive, corresponding gas transfer chambers are connected to the outer surface of the front and rear walls and the chimney by means of detachable connections, and the water cavity is equipped with partitions installed between the front and rear walls extending from the upper to the lower end of the heat exchange surface. Operationally justified the implementation of the walls of the water cavity in the form of vertically oriented walls spaced from the cylindrical shell of the water cavity at a distance of not less than 50 mm

Заявляемая совокупность ограничительных и отличительных признаков улучшает организацию циркуляции и теплообмен, обеспечивает исключение образования трещин и деформаций на поверхностях теплообмена и увеличивает долговечность эксплуатации газотрубного котла, упрощает ремонт и очистку котла от отложений со стороны газоходов.The claimed combination of restrictive and distinctive features improves the organization of circulation and heat transfer, ensures the elimination of cracks and deformations on the heat exchange surfaces and increases the durability of the gas pipe boiler, simplifies the repair and cleaning of the boiler from deposits from the ducts.

Присоединение газоперепускных камер к внешней поверхности фронтальной и задней стенок и дымовой трубе посредством разъемных соединений обеспечивает свободное тепловое расширение камер и фронтальных стенок, обладающих различной температурой при работе котла. Температура фронтальной и задней стенок котла несущественно отличается от температуры насыщения кипящей воды и составляет величину до 200°С, а температура газоперепускных камер близка к температуре газового потока и составляет величину 400-800°С, что существенно больше температуры насыщения. При этом в местах жесткого (сварного) контакта металлов с различной температурой возникают термические напряжения, которые при циклических пусках и остановках котла в эксплуатации приводят к проявлению усталости металла в виде трещин. Уменьшение термических напряжений контакта металлов с различной температурой в предлагаемом решении обеспечивается созданием условий свободного расширения путем нежесткого (разъемного) их соединения друг с другом. Разъемное соединение газоперепускных камер с фронтальными стенками и дымовой трубой упрощает также очистку газоходов от отложений и улучшает возможность выполнения ремонтных работ, в частности по замене теплоизоляции в виде кирпича или жаростойкого бетона.The connection of gas transfer chambers to the outer surface of the front and rear walls and the chimney by means of detachable connections provides free thermal expansion of the chambers and front walls, which have different temperatures during operation of the boiler. The temperature of the front and rear walls of the boiler does not significantly differ from the saturation temperature of boiling water and amounts to 200 ° C, and the temperature of gas transfer chambers is close to the temperature of the gas stream and amounts to 400-800 ° C, which is significantly higher than the saturation temperature. At the same time, in the places of hard (welded) contact of metals with different temperatures, thermal stresses arise, which during cyclic starts and stops the boiler in operation lead to the manifestation of metal fatigue in the form of cracks. The reduction of thermal contact stresses of metals with different temperatures in the proposed solution is provided by the creation of conditions for free expansion by non-rigid (detachable) connection with each other. The detachable connection of the gas transfer chambers with the front walls and the chimney also simplifies the cleaning of gas flues from deposits and improves the ability to carry out repair work, in particular by replacing the thermal insulation in the form of brick or heat-resistant concrete.

Снабжение водяной полости перегородками, установленными между фронтальной и задней стенками протяженностью от верхней до нижней оконечности поверхности теплообмена, в частности вертикально ориентированными на расстоянии не менее 50 мм от цилиндрической обечайки водяной полости, обеспечивает, во-первых, создание четко выраженных контуров циркуляции воды и пароводяной смеси в водяной полости котла. При этом в средней части водяной полости с размещенной в ней поверхностью теплообмена обеспечивается только подъемная часть контура циркуляции образующейся пароводяной смеси, а во внешней части водяной полости, заключенной в пространстве между поверхностью цилиндрической обечайки и перегородками, обеспечивается только опускная часть контура циркуляции движения котловой воды. В этом случае создаются благоприятные условия по однозначности отвода теплоты от поверхностей нагрева с выравниванием температур стенок. Во-вторых, организация циркуляционных контуров воды и пароводяной смеси исключает возможность возникновения паровых пробок на поверхности теплообмена с увеличением местного перегрева металла вследствие ухудшения теплообмена, что также исключает возможность развития усталостных трещин и деформаций под действием термических напряжений.The supply of the water cavity with partitions installed between the front and rear walls with a length from the upper to the lower end of the heat exchange surface, in particular vertically oriented at a distance of at least 50 mm from the cylindrical shell of the water cavity, provides, firstly, the creation of clearly defined water circulation and steam-water circuits mixtures in the water cavity of the boiler. Moreover, in the middle part of the water cavity with the heat exchange surface located in it, only the lifting part of the circulation circuit of the resulting steam-water mixture is provided, and in the outer part of the water cavity, enclosed in the space between the surface of the cylindrical shell and the partitions, only the lower part of the circulation circuit of the boiler water movement is provided. In this case, favorable conditions are created for the unambiguity of heat removal from heating surfaces with equalization of wall temperatures. Secondly, the organization of the circulation circuits of water and the steam-water mixture eliminates the possibility of steam plugs on the heat exchange surface with an increase in local metal overheating due to the deterioration of heat transfer, which also excludes the possibility of the development of fatigue cracks and deformations under the influence of thermal stresses.

Таким образом, достигается исключение возможности образования трещин на поверхностях теплообмена, упрощается ремонт и очистка котла от отложений со стороны газоходов и увеличивается долговечность эксплуатации.Thus, the elimination of the possibility of cracking on the heat exchange surfaces is achieved, the repair and cleaning of the boiler from deposits from the gas ducts is simplified, and the service life is increased.

Заявляемое техническое решение поясняется следующими чертежами. На фиг.1 представлена схема поперечного сечения, а на фиг.2 - схема продольного сечения газотрубного котла.The claimed technical solution is illustrated by the following drawings. Figure 1 presents a diagram of a cross section, and figure 2 is a diagram of a longitudinal section of a gas tube boiler.

Газотрубный котел имеет следующее устройство. Газотрубный котел содержит цилиндрическую обечайку 1 и фронтальную 2 и заднюю 3 стенки, образующие его корпус. Внутри корпуса расположена водяная полость 4. В нижней части водяной полости расположена поверхность теплообмена в виде цилиндрической топки 5 и дымогарных труб 6. Топка 5 и дымогарные трубы 6 присоединены (не показано) к фронтальной 2 и задней 3 стенкам. С внешней стороны фронтальной и задней стенок расположены газоперепускные камеры переднего 7 фронта и задней 8 стенки, сопряженные соответственно с топкой 5, дымогарными трубами 6 (не показано) и дымовой трубой 9 посредством разъемных соединений в виде крепежных болтов 10. В водяной полости 4 между фронтальной 2 и задней 3 стенками установлены перегородки 11 протяженностью от верхней до нижней оконечности поверхности теплообмена и на расстоянии не менее 50 мм от цилиндрической обечайки 1.Gas pipe boiler has the following device. The gas-tube boiler contains a cylindrical shell 1 and frontal 2 and rear 3 walls that form its body. Inside the body there is a water cavity 4. In the lower part of the water cavity there is a heat exchange surface in the form of a cylindrical firebox 5 and smoke tubes 6. The firebox 5 and smoke tubes 6 are connected (not shown) to the front 2 and rear 3 walls. On the outside of the front and rear walls there are gas transfer chambers of the front 7 front and rear 8 walls, which are interfaced with the firebox 5, smoke tubes 6 (not shown) and smoke pipe 9 through detachable joints in the form of fixing bolts 10. In the water cavity 4 between the front 2 and the rear 3 walls are installed partition walls 11 with a length from the upper to the lower end of the heat exchange surface and at a distance of at least 50 mm from the cylindrical shell 1.

Газотрубный котел работает следующим образом. Подвод воздуха и топлива осуществляют с внешней стороны во внутреннюю полость 12 газоперепускной камеры 7 и далее внутрь топки 5 (топочное устройство не показано). Продукты сгорания из топки 5 поступают во внутреннюю полость 13 газоперепускной камеры 8 и далее в притопочные дымогарные трубы 6 и возвращаются во внешнюю полость 14 газоперепускной камеры 7. Затем продукты сгорания проходят по периферийным дымогарным трубам 6 во внешнюю полость 15 газоперепускной камеры 8 и далее в дымовую трубу 9.Gas tube boiler operates as follows. The air and fuel are supplied from the outside to the inner cavity 12 of the gas transfer chamber 7 and then to the inside of the furnace 5 (the combustion device is not shown). The combustion products from the furnace 5 enter the internal cavity 13 of the gas transfer chamber 8 and then to the inflow smoke tubes 6 and return to the external cavity 14 of the gas transfer chamber 7. Then, the combustion products pass through the peripheral smoke pipes 6 to the external cavity 15 of the gas transfer chamber 8 and further into the smoke chamber pipe 9.

При движении продуктов сгорания вдоль поверхности теплообмена происходит теплообмен со снижением температуры газового потока, а теплота передается в водяную полость 4 с образованием паровых пузырей в котловой воде. Пароводяная смесь движется вверх водяной полости к поверхности раздела сред, где пар отделяется от воды и переходит в паровое пространство, а вода движется к цилиндрической обечайке 1 и далее поступает в зазор между стенкой 1 и перегородкой 11. За счет разности плотности воды в зазоре между стенкой 1 и перегородкой 11 и плотности пароводяной смеси в остальном пространстве водяной полости 4 происходит естественная циркуляция воды и пароводяной смеси в водяной полости с образованием опускной части контура циркуляции, как показано темными стрелками, и подъемной части контура циркуляции, как показано светлыми стрелками.When the combustion products move along the heat exchange surface, heat exchange occurs with a decrease in the temperature of the gas stream, and heat is transferred to the water cavity 4 with the formation of steam bubbles in the boiler water. The steam-water mixture moves up the water cavity to the interface between the media, where the steam is separated from the water and passes into the steam space, and the water moves to the cylindrical shell 1 and then enters the gap between the wall 1 and the partition 11. Due to the difference in the density of water in the gap between the wall 1 and the baffle 11 and the density of the steam-water mixture in the remaining space of the water cavity 4, the natural circulation of water and the steam-water mixture in the water cavity occurs with the formation of the lower part of the circulation circuit, as shown by dark lines lkami, and the lifting part of the circulation circuit, as shown by the bright arrows.

Организованная таким более совершенным образом естественная циркуляция воды и пароводяной смеси исключает образование застойных зон циркуляции на поверхности теплообмена и вероятность возникновения паровых подушек с периодическим перегревом поверхности теплообмена и развитием усталостных напряжений, ведущих к образованию трещин, выпучин поверхности топки и выводу из работы газотрубного котла.The natural circulation of water and steam-water mixture organized in such a better way eliminates the formation of stagnant circulation zones on the heat exchange surface and the likelihood of steam cushions with periodic overheating of the heat exchange surface and the development of fatigue stresses leading to cracking, bulging of the furnace surface and decommissioning of the gas-tube boiler.

Отсутствие жесткого соединения (сварки) между фронтальной стенкой 2 и газоперепускной камерой 7, а также между задней стенкой 3 и газоперепускной камерой 8 и дымовой трубой 9 в совокупности с улучшенным теплообменом обеспечивает возможность независимого теплового расширения указанных элементов без искажения их формы и при исключении циклических термических напряжений и образования трещин, что способствует увеличению надежности и долговечности эксплуатации газотрубного котла.The absence of a rigid connection (welding) between the front wall 2 and the gas transfer chamber 7, as well as between the rear wall 3 and the gas transfer chamber 8 and the chimney 9, together with improved heat transfer, allows independent thermal expansion of these elements without distorting their shape and eliminating cyclic thermal stresses and cracking, which increases the reliability and durability of the gas tube boiler.

Очистка и ремонт газового тракта котла при съемных газоперепускных камерах осуществляется с меньшими затратами времени и средств, что удобно и эффективно в течение эксплуатационного периода.Cleaning and repair of the gas path of the boiler with removable gas transfer chambers is carried out with less time and money, which is convenient and effective during the operational period.

Так исключается образование трещин и деформаций на поверхностях нагрева, упрощается очистка от отложений газоходов и ремонт котла и увеличивается долговечность эксплуатации.This eliminates the formation of cracks and deformations on the heating surfaces, simplifies cleaning of gas duct deposits and repairs of the boiler and increases the durability of operation.

Claims

1. A gas-tube boiler containing a housing, gas transfer chambers, a chimney and a water cavity bounded by the front and rear walls and a cylindrical shell, the lower part of which has a heat exchange surface in the form of a firebox and smoke tubes coaxially located around the firebox, interfaced with the front and rear walls water cavity and in communication with gas transfer chambers, which are connected respectively to the outer surface of the front and rear walls and the chimney, characterized in that the corresponding gas - bypass chambers are connected to the outer surface of the front and rear walls and the chimney by means of detachable connections, and the water cavity is equipped with partitions installed between the front and rear walls with a length from the upper to the lower end of the heat exchange surface.

2. The gas-tube boiler according to claim 1, characterized in that the partitions of the water cavity are made in the form of vertically oriented walls spaced from the cylindrical shell of the water cavity at a distance of at least 50 mm.