RU2721931C1 - Straight-through steam generator for a plasma system, a plasma system with such a steam generator and a method for generating superheated steam - Google Patents
Straight-through steam generator for a plasma system, a plasma system with such a steam generator and a method for generating superheated steam Download PDFInfo
- Publication number
- RU2721931C1 RU2721931C1 RU2020100547A RU2020100547A RU2721931C1 RU 2721931 C1 RU2721931 C1 RU 2721931C1 RU 2020100547 A RU2020100547 A RU 2020100547A RU 2020100547 A RU2020100547 A RU 2020100547A RU 2721931 C1 RU2721931 C1 RU 2721931C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steam
- water
- steam generator
- section
- plasma
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/32—Plasma torches using an arc
- H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плазменной системе с паровым плазмотроном и прямоточным парогенератором для подготовки плазмообразующей среды для использования в указанном плазмотроне. Кроме того, изобретение относится к самому прямоточному парогенератору и способу генерации в нем перегретого пара. The invention relates to a plasma system with a steam plasmatron and a once-through steam generator for preparing a plasma-forming medium for use in the specified plasmatron. In addition, the invention relates to the direct-flow steam generator itself and to a method for generating superheated steam therein.
Плазменные системы с плазмотроном, работающем на водяном паре в качестве плазмообразующей среды, и прямоточным парогенератором являются широко известными и используются для плазмотермической и плазмохимической обработки материалов. В качестве такой обработки материалов может быть, например, плазменная газификация биомассы, плазмотермическое обезвреживание опасных отходов и уничтожение биомедицинских отходов, и утилизации прочих техногенных отходов, а также другие виды обработки, требующие использования высокотемпературных химических активных технологических сред с применением потока пароводяной плазмы. Plasma systems with a plasma torch operating on water vapor as a plasma-forming medium and a once-through steam generator are widely known and are used for plasma-thermal and plasma-chemical processing of materials. Such material processing can be, for example, plasma gasification of biomass, plasma-thermal neutralization of hazardous waste and destruction of biomedical waste, and disposal of other industrial wastes, as well as other types of processing that require the use of high-temperature chemical active technological media using a steam-water plasma stream.
Основными компонентами таких плазменных систем являются плазмотрон, парогенератор и средства для их снабжения электрической энергией и необходимой для работы плазмотрона средой – газ для начального запуска плазмотрона и вода в качестве основной плазмообразующей среды. The main components of such plasma systems are a plasma torch, a steam generator, and means for supplying them with electric energy and the medium necessary for the operation of the plasma torch — gas for the initial launch of the plasma torch and water as the main plasma forming medium.
Для надлежащей работы плазмотрона необходимо минимизировать образование в нем конденсата, для чего используется предварительный прогрев плазмотрона путем его работы с использованием неконденсируемого плазмообразующего газа, а водяной пар в качестве плазмообразующего газа подается в уже прогретый плазмотрон в виде перегретого пара с температурой, которая на 50-150 градусов должна превышать температуру сухого насыщенного пара. For proper operation of the plasma torch, it is necessary to minimize the formation of condensate in it, for which it is necessary to preheat the plasma torch by operating it using a non-condensable plasma-forming gas, and water vapor as a plasma-forming gas is supplied to the already heated plasma torch in the form of superheated steam with a temperature of 50-150 degrees should exceed the temperature of dry saturated steam.
Другим важным условием стабильной работы плазмотрона является предотвращение пульсаций расхода пара на входе в плазмотрон. Для этого подготовка водяного пара осуществляется в прямоточном парогенераторе, на выходе которого располагается демпфер.Another important condition for the stable operation of the plasma torch is to prevent fluctuations in the flow rate of steam at the entrance to the plasma torch. For this, the preparation of water vapor is carried out in a direct-flow steam generator, at the output of which there is a damper.
Примером такой плазменной системы является плазменная система, раскрытая в опубликованной диссертации С.И.Радько «Разработка и исследование электротехнологического оборудования для переработки техногенных отходов с использованием пароводяного плазмотрона», Новосибирск 2014г, 124с. Указанная плазменная система включает в себя плазмотрон, прямоточный парогенератор, системы снабжения электрической энергией плазмотрона и парогенератора, систему подвода вспомогательного пускового неконденсируемого газа, систему подвода воды и систему охлаждения плазмотрона. An example of such a plasma system is the plasma system disclosed in the published dissertation by S. I. Radko “Development and research of electrotechnological equipment for processing industrial waste using a steam-water plasma torch”, Novosibirsk 2014, 124s. The specified plasma system includes a plasmatron, a once-through steam generator, systems for supplying electric energy to the plasma torch and steam generator, a supply system for an auxiliary starting non-condensable gas, a water supply system and a cooling system for the plasma torch.
Парогенератор имеет электронагреваемую парогенерирующую трубку, которая выполнена в виде змеевика. Змеевик имеет переменное поперечное сечение и пропускает воду, которая по мере движения по змеевику нагревается, испаряется и перегревается до температуры свыше 200 градусов Цельсия. В ходе превращения воды в перегретый пар происходят пульсации давления и объема, которые должны гасится расположенным на выходе змеевика демпфером. Попадая в изначально холодный демпфер пар конденсируется и полученный конденсат отводится из демпфера. По мере воздействия горячего пара на демпфер он нагревается до тех пор, пока не прекратится образование конденсата и будет иметь место только горячий пар с температурой выше 200 градусов Цельсия. The steam generator has an electrically heated steam generating tube, which is made in the form of a coil. The coil has a variable cross-section and passes water, which, as it moves along the coil, heats up, evaporates and overheats to temperatures above 200 degrees Celsius. During the conversion of water to superheated steam, pressure and volume pulsations occur, which should be damped by a damper located at the outlet of the coil. When steam enters the initially cold damper, it condenses and the resulting condensate is discharged from the damper. As hot steam acts on the damper, it heats up until condensation stops and only hot steam with a temperature above 200 degrees Celsius takes place.
Тогда, открывается распределительный клапан на выходе и горячий пар направляется в плазмотрон, который предварительно был прогрет за счет потока нагретого пускового газа из отдельного подогревателя, который подавал нагретый пусковой газ в плазмотрон на начальном этапе, и за счет его работы на пусковом газе.Then, the control valve at the outlet opens and hot steam is sent to the plasma torch, which was previously heated due to the flow of heated starting gas from a separate heater, which supplied the heated starting gas to the plasma torch at the initial stage, and due to its operation on the starting gas.
Недостатком данной плазменной системы является отдельный подогреватель, который имеет собственную систему электропитания и свою систему управления, что увеличивает сложность всей системы и требуемое для нее пространство. Кроме того, указанный подогреватель работает параллельно с парогенератором, что приводит к высоким затратам электроэнергии. The disadvantage of this plasma system is a separate heater, which has its own power supply system and its own control system, which increases the complexity of the entire system and the space required for it. In addition, the specified heater works in parallel with the steam generator, which leads to high energy costs.
Далее, температура газа, выдаваемого подогревателем, является ниже температуры подаваемого в плазмотрон перегретого пара, так что при смешивании относительно холодного газа и перегретого водяного пара неизбежно будет происходить охлаждение пара с возможным выпадением конденсата в плазмотроне. Это будет приводить к появлению конденсационных и электрических пульсаций в плазмотроне, что, в свою очередь, будет нарушать стабильность работы плазмотрона и уменьшать срок его службы. Further, the temperature of the gas emitted by the heater is lower than the temperature of the superheated steam supplied to the plasmatron, so that when relatively cold gas and superheated water vapor are mixed, the steam will inevitably cool with possible condensation in the plasma torch. This will lead to the appearance of condensation and electric pulsations in the plasma torch, which, in turn, will violate the stability of the plasma torch and reduce its service life.
Другой проблемой известной плазменной системы является демпфер для гашения гидродинамических пульсаций, расположенный на выходе змеевика, то есть после получения перегретого пара. Указанный демпфер требует первоначального прогрева для предотвращения охлаждения в нем перегретого пара. Указанный прогрев осуществляется за счет полученного в змеевике перегретого пара, так что парогенератор вначале работает только на нагрев имеющего достаточно большой объем демпфера. Это приводит к существенному расходу энергии в процессе запуска, который суммируется с указанным расходом энергии, возникающим от подогревателя пускового газа. Another problem of the known plasma system is a damper for damping hydrodynamic pulsations located at the outlet of the coil, that is, after receiving superheated steam. The specified damper requires initial heating to prevent cooling of superheated steam in it. The specified heating is carried out due to the superheated steam obtained in the coil, so that the steam generator initially works only to heat a damper with a sufficiently large volume. This leads to a significant energy consumption during the start-up process, which is added up to the indicated energy consumption arising from the starting gas heater.
Кроме того, демпфер имеет достаточно большой объем, который приводит не только к указанному большому расходу энергии на его нагрев, но и к потере давления в поступающем в него перегретом паре и тем самым к недостаточной тангенциальной скорости поступающего в плазмотрон пара, что сказывается на качестве вихревой стабилизации электрической дуги, надежности и стабильности работы плазмотрона. In addition, the damper has a sufficiently large volume, which leads not only to the indicated large energy expenditure for its heating, but also to pressure loss in the superheated steam entering it and thereby to insufficient tangential velocity of the steam entering the plasma torch, which affects the quality of the vortex stabilization of the electric arc, reliability and stability of the plasma torch.
Таким образом, указанное для известной системы отсутствие пульсаций и конденсаций в действительности является недостаточным из-за выполнения демпфера, его размещения после места получения перегретого пара, а также из-за смешивания перегретого пара с «холодным» пусковым газом в плазмотроне. Thus, the absence of pulsations and condensations indicated for the known system is in fact insufficient due to the implementation of the damper, its placement after the place of receipt of the superheated steam, and also due to the mixing of the superheated steam with a "cold" starting gas in the plasma torch.
Кроме того, нагрев змеевика для нагрева протекающей в нем воды обеспечивается за счет подвода к нему электроэнергии, так что весь змеевик нагревается, по существу, одинаково. Таким образом, имеет место неэффективный расход энергии без возможности его адаптации к требуемым для протекающей через соответствующий участок змеевика воды условиям. In addition, heating of the coil to heat the water flowing in it is provided by supplying electricity to it, so that the entire coil is heated essentially the same. Thus, there is an inefficient energy consumption without the possibility of adapting it to the conditions required for the water flowing through the corresponding section of the coil.
Проблема отдельного подогревателя в сходной плазменной системе может быть решена так, как это описано в статье Б.И. Михайлова «Оптимизация процесса запуска паровихревого плазмотрона», журнал «Теплофизика и аэромеханика», 2011, том 18, №4, стр.693-695. Там пусковой (неконденсируемый) газ и вода подаются на один и тот же вход парогенератора. Вначале подается газ, который нагревается в змеевике парогенератора и через расположенный на выходе парогенератора демпфер направляется в плазмотрон, так что газ осуществляет необходимый нагрев не только плазмотрона, но и демпфера без использования дополнительного нагревающего устройства. После необходимого прогрева плазмотрона вместе с газом на вход парогенератора начинает подаваться вода, количество которой постепенно увеличивается, а количество газа пропорционально уменьшается до полного прекращения подачи газа. The problem of a separate heater in a similar plasma system can be solved as described in article B.I. Mikhailova “Optimization of the start-up process of a vapor-vortex plasma torch”, Journal of Thermophysics and Aeromechanics, 2011,
Таким образом, смешивание «холодного» пускового газа и воды осуществляется перед их совместным нагревом в парогенераторе, а не в плазмотроне, так что исключается одна из причин возникновения конденсата в плазмотроне. Thus, the mixing of “cold” starting gas and water is carried out before they are heated together in the steam generator, and not in the plasmatron, so that one of the causes of condensation in the plasmatron is excluded.
Такая система по утверждению ее автора должна обеспечить поступление пара в плазмотрон без каких-либо конденсаций и пульсаций. Однако, согласно гидравлической схеме, в этой системе выходящий из змеевика пар по-прежнему поступает в демпфер, то есть недостатки, связанные с установкой демпфера после змеевика, остались.Such a system, according to its author, should ensure the entry of steam into the plasma torch without any condensations and pulsations. However, according to the hydraulic circuit, in this system, the steam leaving the coil still enters the damper, that is, the disadvantages associated with installing the damper after the coil remain.
При этом в качестве указанных пульсаций также рассматриваются гидродинамические пульсации в парогенерирующей трубке (змеевике). Они возникают при так называемом кризисе кипения, когда в процессе движения воды по трубке центральный поток воды оказывается окруженным потоком пара, количество которого непрерывно увеличивается. Истекая через зазор между водой и стенкой трубы со значительной большей, чем вода, скоростью, пар силами трения тянет воду за собой. В какой-то момент времени соизмеримая с диаметром канала трубки часть водяного потока отрывается и движется с паром в виде жидкостного «снаряда», продолжая дополнительно нагреваться. В процессе этого нагрева температура «снаряда» оказывается выше температуры кипения воды и ее состояние становиться термодинамически неустойчивым. Выход из него происходит взрывообразно. Процесс периодически повторяется, так что такой так называемый «снарядный режим» приводит к указанным пульсациям. Moreover, hydrodynamic pulsations in the steam generating tube (coil) are also considered as the indicated pulsations. They arise during the so-called boiling crisis, when during the movement of water through the tube, the central flow of water is surrounded by a stream of steam, the amount of which is continuously increasing. Expiring through the gap between the water and the pipe wall with a significantly greater velocity than water, steam pulls water along with it by friction. At some point in time, a part of the water flow commensurate with the diameter of the channel of the tube breaks off and moves with the vapor in the form of a liquid "projectile", while continuing to heat up further. In the process of this heating, the temperature of the "projectile" is higher than the boiling point of water and its state becomes thermodynamically unstable. The exit from it is explosive. The process is periodically repeated, so such a so-called "shell mode" leads to these ripples.
Таким образом, за счет смешивания холодного пускового газа с парогенераторной водой на входе парогенератора или даже до него решена проблема дополнительного отдельного нагревателя для газа и возможные при определенных обстоятельствах негативные воздействия на надежность и стабильность запуска плазмотрона при смешивании газа и перегретого пара непосредственно в плазмотроне. Thus, by mixing cold starting gas with steam water at the inlet of the steam generator or even before it, the problem of an additional separate gas heater and the possible negative effects on the reliability and stability of the start of the plasma torch when mixing gas and superheated steam directly in the plasma torch are solved.
Однако, выполнение и размещение демпфера здесь такое же, как и в описанном выше решении, так что, по существу, все связанные с этим демпфером проблемы остаются не решенными или не решены в достаточной степени. However, the implementation and placement of the damper here is the same as in the solution described above, so that, essentially, all the problems associated with this damper remain unsolved or not solved sufficiently.
Кроме того, известный змеевик не позволяет обеспечивать компенсацию объема и давления воды/пара по мере движения по нему пароводяной смеси, так как эта функция обеспечивается исключительно указанным демпфером. Кроме того, температуры (теплота), требуемые для перевода воды в сухой насыщенный пар и сухого насыщенного пара в перегретый пар, являются разными. Однако, этот аспект не учитывается в известных решениях, так что змеевики нагреваются одинаково по всей своей длине, что является неэффективным, прежде всего, с точки зрения расхода энергии, и не позволяет осуществлять оптимальную настройку температуры и управление всем парогенератором.In addition, the known coil does not allow for compensation of the volume and pressure of water / steam as the steam-water mixture moves through it, since this function is provided exclusively by the specified damper. In addition, the temperatures (heat) required to convert water to dry saturated steam and dry saturated steam to superheated steam are different. However, this aspect is not taken into account in the known solutions, so that the coils are heated equally along their entire length, which is ineffective, primarily from the point of view of energy consumption, and does not allow for optimal temperature setting and control of the entire steam generator.
Поэтому в основу изобретения положена задача исключения или по меньшей мере уменьшения указанных выше недостатков и обеспечения более эффективного устранения пульсаций и конденсаций, а также лучшей управляемости процессами при генерации перегретого пара в парогенераторе и его вводе в плазмотрон. Therefore, the invention is based on the task of eliminating or at least reducing the above disadvantages and providing more effective elimination of pulsations and condensations, as well as better process control when generating superheated steam in a steam generator and introducing it into the plasma torch.
Решение этой задачи видится в устранении демпфера, имеющего существенные размеры и расположенного на выходе из участка змеевика для получения перегретого пара, и распределение демпфирующих функций этого демпфера между менее объемными и более выгодно расположенными выше по потоку от участка перегрева средствами/демпферами, которые тем самым образуют конструктивное разделение между участками змеевика, служащими для подогрева воды, испарения воды и перегрева полученного пара и обеспечивают эффективное устранение пульсаций по существу прямо в месте их возникновения. Кроме того, конструктивное разделение указанных участков змеевика позволяет просто реализовать электрическую развязку указанных участков, так что каждый участок может снабжаться необходимой для нагрева энергией независимо от других участков, вследствие чего могут эффективно управляться параметры протекающей через соответствующий участок среды (вода или неконденсируемый газ, водопаровая смесь, сухой насыщенный пар) для лучшей адаптации к требуемым на данном участке условиям без излишнего расхода энергии и/или недостаточного подвода энергии на других участках.The solution to this problem is to eliminate the damper, which is of substantial size and located at the outlet of the coil section to produce superheated steam, and the distribution of the damping functions of this damper between less bulky and more advantageously located upstream of the overheating section means / dampers, which thereby form constructive separation between the coil sections used to heat water, evaporate water and overheat the resulting steam and provide effective elimination of pulsations essentially right at the place of their occurrence. In addition, the structural separation of these sections of the coil makes it easy to electrically isolate these sections, so that each section can be supplied with the energy necessary for heating independently of other sections, as a result of which the parameters of the medium flowing through the corresponding section (water or non-condensable gas, water-vapor mixture) can be effectively controlled dry saturated steam) for better adaptation to the conditions required in this area without excessive energy consumption and / or insufficient energy supply in other areas.
Решение этой задачи видится также в недопущении пульсационного режима кипения в парогенерирующей трубе за счет изменения физического механизма парообразования в зоне испарения, а именно, за счет формирования паровой фазы внутри перегретой относительно локального давления насыщения жидкости, вместо имевшего место в известных решениях формирования паровой фазы на греющей стенке. The solution to this problem is also seen in the prevention of the pulsating boiling mode in the steam generating pipe by changing the physical mechanism of vaporization in the evaporation zone, namely, due to the formation of the vapor phase inside the liquid, which is superheated relative to the local pressure, instead of taking place in the known solutions of the formation of the vapor phase on the heating the wall.
В рамках соответствующего изобретению прямоточного парогенератора, указанная задача решена тем, что в прямоточном парогенераторе для плазменной системы, содержащем In the framework of a direct-flow steam generator according to the invention, this problem is solved in that in a direct-flow steam generator for a plasma system containing
впуск для подачи в него неконденсируемого газа, необходимого для начального запуска и прогрева плазмотрона, и воды, необходимой для получения перегретого пара для использования в качестве плазмообразующей среды плазмотрона,an inlet for supplying a non-condensable gas therein, necessary for the initial start-up and heating of the plasma torch, and water, necessary to produce superheated steam for use as a plasma-forming medium of the plasma torch,
выпуск для подключения к плазмотрону плазменной системы и подачи в него неконденсируемого газа и/или воды в виде перегретого пара,an outlet for connecting a plasma system to the plasma torch and supplying a non-condensable gas and / or water in the form of superheated steam,
парогенерирующую трубу в виде змеевика, соединяющую впуск и выпуск для пропускания указанного газа и/или воды от впуска к выпуску, причем парогенерирующая труба выполнена с возможностью электрического нагрева и отдачи тепла пропускаемому газу и/или воде, и a steam generating pipe in the form of a coil connecting the inlet and outlet for passing said gas and / or water from the inlet to the outlet, wherein the steam generating pipe is configured to electrically heat and transfer heat to the transmitted gas and / or water, and
демпфирующее средство для гашения возникающих в парогенерирующей трубе пульсаций, damping means for damping pulsations arising in the steam generating pipe,
предусмотрено, что provided that
парогенерирующая труба имеет участок нагрева для первичного нагрева воды, участок испарения для перевода первоначально нагретой воды в сухой насыщенный пар и участок перегрева для получения перегретого пара из сухого насыщенного пара, the steam generating pipe has a heating section for primary heating of the water, an evaporation section for converting the initially heated water to dry saturated steam, and an overheating section for producing superheated steam from the dry saturated steam,
демпфирующее средство расположено выше по потоку от участка перегрева и имеет:the damping agent is located upstream of the overheating area and has:
первый демпфер, который включен между участком нагрева воды и участком испарения и который служит для устранения пульсаций при формировании паровой фазы, иa first damper that is connected between the water heating section and the evaporation section and which serves to eliminate pulsations during the formation of the vapor phase, and
второй демпфер, который включен между участком испарения и участком перегрева и служит для устранения пульсаций, связанных с наличием влаги в сухом насыщенном паре, перед участком перегрева пара, the second damper, which is included between the evaporation section and the overheating section and serves to eliminate pulsations associated with the presence of moisture in the dry saturated steam, before the section of steam overheating,
и что указанные демпферы обеспечивают конструктивное разделение указанных участков парогенерирующей трубы, и причем участки нагрева, испарения и перегрева парогенерирующей трубы имеют индивидуальные электрические подключения для независимого друг от друга снабжения электроэнергией. and that said dampers provide a constructive separation of said sections of the steam generating pipe, and wherein the heating, evaporation and overheating sections of the steam generating pipe have individual electrical connections for independently supplying electricity.
Конструктивное разделение парогенерирующей трубы на отдельные функционально разные участки позволяет обеспечить их независимое друг от друга электропитание, так что их нагрев и управление им может эффективно согласовываться с требуемыми параметрами протекающей среды и видом протекающей среды. The constructive separation of the steam generating pipe into separate functionally different sections allows them to be provided with power independent from each other, so that their heating and control can be effectively coordinated with the required parameters of the flowing medium and the type of flowing medium.
Принятое расположение демпферов позволяет более эффективное гашение или предотвращение пульсаций, по существу в месте их возникновения, чем в случае их распространения по всей парогенерирующей трубе и гашению только после выпуска из парогенерирующей трубы, как в уровне техники. The adopted arrangement of dampers allows a more efficient damping or prevention of pulsations, essentially at the place of their occurrence, than in the case of their propagation throughout the steam generating pipe and damping only after discharge from the steam generating pipe, as in the prior art.
Кроме того, размещение демпферов выше по потоку от участка перегрева исключает прохождение подготовленного перегретого пара через демпфер, в котором этот пар терял бы свое давление, что с одной стороны могло бы приводить к ухудшению стабилизации дуги в плазмотроне, и с другой стороны создавало бы предпосылки для возникновения конденсата в паре. Таким образом, перегретый пар из парогенерирующей трубы, соответственно, участка перегрева этой парогенерирующей трубы непосредственно (то есть без демпфера) попадает в плазмотрон с сохранением своего состояния, полученного в участке перегрева. In addition, the placement of dampers upstream of the superheat section excludes the passage of the prepared superheated steam through the damper, in which this steam would lose its pressure, which, on the one hand, could lead to poor stabilization of the arc in the plasma torch, and, on the other hand, would create prerequisites for occurrence of condensate in the pair. Thus, superheated steam from the steam generating pipe, respectively, of the superheating section of this steam generating pipe, directly (i.e., without a damper) enters the plasma torch while maintaining its state obtained in the superheating section.
Следует понимать, что парогенератор может иметь не одну парогенерирующую трубу, а две и более парогенерирующих труб, которые выполнены идентично. Соответственно, при упоминании о парогенерирующей трубе речь может идти как об одной, так и о нескольких одинаково выполненных парогенерирующих трубах. Соответственно, также каждый из упомянутых участков парогенерирующей трубы может состоять из нескольких отдельных участков, которые объединены общей функция (нагрева, испарения или перегрева) и могут также быть разделены промежуточными демпферами.It should be understood that the steam generator may have not one steam generating pipe, but two or more steam generating pipes, which are identical. Accordingly, when mentioning a steam generating pipe, we can talk about one or several equally executed steam generating pipes. Accordingly, also each of the mentioned sections of the steam generating pipe can consist of several separate sections that are combined by a common function (heating, evaporation or overheating) and can also be separated by intermediate dampers.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере один из участков парогенерирующей трубы выполнен с увеличивающимся по его длине поперечным сечением проходного отверстия. Таким образом, сам указанный участок образует своего рода дополнительный демпфер/средство для гашения пульсаций, возникающих при движении по нему воды, соответственно, пара. Увеличение сечения может быть плавным или ступенчатым и предпочтительно имеется во всех указанных участках парогенерирующей трубы. According to one embodiment of the invention, at least one of the sections of the steam generating pipe is made with a cross section of the passage opening increasing along its length. Thus, the indicated section itself forms a kind of additional damper / means for damping the pulsations that occur when water or steam moves along it. The increase in cross section can be smooth or stepwise and is preferably present in all of these areas of the steam generating pipe.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, второй демпфер выполнен в виде емкости, заполненной теплоаккумулирующими элементами (например, в форме шара, цилиндра, втулки или иной формы), свободное пространство между которыми разбивает сплошной входящий поток сухого пара на много струек. В результате прохождения сухого пара между такими элементами демпфер гасит пульсации из входящего потока пара. According to one embodiment of the invention, the second damper is made in the form of a container filled with heat-accumulating elements (for example, in the form of a ball, cylinder, sleeve or other shape), the free space between which breaks the continuous incoming stream of dry steam into many streams. As a result of the passage of dry steam between such elements, the damper dampens the pulsations from the incoming steam stream.
Согласно одному другому варианту осуществления изобретения, второй демпфер может быть выполнен в виде прямоточного циклона, основным элементом которого является емкость цилиндрической формы, внутри которой демпфирование осуществляют в результате вихревого движения сухого насыщенного пара. Сухой пар подают в демпфер через патрубок в нижней части корпуса, выброс сухого пара в пароперегревательный участок осуществляют через патрубок в верхней части демпфера. Вихревое движение потоку пара придают путем его тангенциального ввода внутрь демпфера. В результате прохождения сухого пара в вихревом потоке демпфер за счет центробежных сил гасит пульсации потока. According to one other embodiment of the invention, the second damper can be made in the form of a straight-through cyclone, the main element of which is a cylindrical-shaped container, inside which damping is carried out as a result of the vortex motion of dry saturated steam. Dry steam is fed into the damper through a pipe in the lower part of the casing; dry steam is emitted into the superheater section through a pipe in the upper part of the damper. Vortex motion is imparted to the vapor stream by tangentially introducing it into the damper. As a result of the passage of dry steam in a vortex flow, the damper dampens flow pulsations due to centrifugal forces.
Согласно одному другому варианту осуществления изобретения, второй демпфер может быть выполнен в виде возвратно-поточного циклона, основными элементами которого являются корпус, выхлопная труба и бункер. Сухой пар поступает в верхнюю часть корпуса, например, через входной патрубок, тангенциально или под углом, так что обеспечивается центробежная составляющая в потоке вводимого пара. Гашение пульсаций происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении пара между корпусом и погруженной в полость корпуса выхлопной трубой. В зависимости от паропроизводительности парогенератора можно устанавливать между участком испарения и участком перегрева пара один циклон (одиночный циклон) или объединять несколько циклонов в группу (групповой циклон). Направление вращения потока пара в циклоне выбирают из условий компоновки циклона, а также расположения циклонов в группе. Бункер циклона имеет коническую форму для удобства разворота потока пара в сторону выхлопной трубы. According to one other embodiment of the invention, the second damper can be made in the form of a reciprocating cyclone, the main elements of which are the housing, exhaust pipe and hopper. Dry steam enters the upper part of the housing, for example, through the inlet pipe, tangentially or at an angle, so that a centrifugal component is provided in the input steam stream. The damping of pulsations occurs under the action of centrifugal force arising from the movement of steam between the housing and the exhaust pipe immersed in the cavity of the housing. Depending on the steam capacity of the steam generator, it is possible to install one cyclone (single cyclone) between the evaporation section and the steam superheat section or combine several cyclones into a group (group cyclone). The direction of rotation of the steam flow in the cyclone is selected from the conditions for the layout of the cyclone, as well as the location of the cyclones in the group. The cyclone hopper has a conical shape for ease of reversal of the steam flow towards the exhaust pipe.
Свободный объем второго демпфера, выполненного в виде циклона, одновременно может выполнять функцию компенсации объема пара.The free volume of the second damper, made in the form of a cyclone, can simultaneously perform the function of compensating for the volume of steam.
Выполнение второго демпфера в виде возвратно-поточного циклона предпочтительно, поскольку кроме демпфирующей функции и функции компенсатора объема пара он способен выполнить функцию сепаратора для отделения пара от жидкости, возможно еще имеющейся в насыщенном паре, путем создания силового центробежного поля во входящем в циклон потоке. Это позволяет более эффективно отделять капельную фазу/конденсат от пара и тем самым позволяет еще больше уменьшить пульсации, причиной которых может быть взрывное вскипание капельной фазы/конденсата на участке перегрева. Кроме того, это позволяет избежать проникновение конденсата за участок перегрева и его непосредственное попадание в плазмотрон. The second damper in the form of a reciprocating cyclone is preferable because, in addition to the damping function and the function of the steam volume compensator, it is able to perform the function of a separator to separate the steam from the liquid, possibly still present in saturated steam, by creating a centrifugal force field in the flow entering the cyclone. This makes it possible to more effectively separate the droplet phase / condensate from the vapor, and thereby further reduces the ripple caused by the explosive boiling of the droplet phase / condensate in the overheating area. In addition, this avoids the penetration of condensate beyond the overheating area and its direct entry into the plasma torch.
Введение потока пар в возвратно-поточный циклон может осуществляться, предпочтительно, тангенциально, так что поток изначально приобретает вращательное движение и опускается винтообразно вдоль внутренних стенок цилиндрической и конической частей циклона. Входящий поток в силовом центробежном вихревом поле подвергается сепарации, и конденсированная фаза отделяется от сухого насыщенного пара. В результате этого в приосевой зоне циклона преобладает сухой насыщенный пар, а на периферии – на стенке циклона/камеры компенсатора объема осажденные капли воды образуют пленку жидкости. В центральной зоне вращающийся паровой поток, освобожденный от конденсата, двигается снизу-вверх и по трубе, размещенной вдоль оси циклона, поступает в участок перегрева, а затем по паропроводу поступает в плазмотрон в качестве основной плазмообразующей среды. Уловленный конденсат может отводиться из сепаратора через отводящее конденсат отверстие в конической частей циклона. Предпочтительное использование сепаратора в виде циклона, позволяет в значительной мере, предпочтительно практически полностью, исключить переброс воды из участка испарения в участок перегрева. Сбор и отвод конденсата из сепаратора может быть осуществлен по-разному. Например, при малой паропроизводительности предпочтителен слив конденсата, например, в сборник конденсата, а при относительно большой паропроизводительности может быть предпочтительным отвод конденсата в емкость для питательной воды парогенератора или возврат воды на вход участка испарения. The introduction of the steam flow into the reciprocating cyclone can be carried out preferably tangentially, so that the flow initially acquires a rotational motion and is lowered helically along the inner walls of the cylindrical and conical parts of the cyclone. The incoming stream in the centrifugal force vortex field is subjected to separation, and the condensed phase is separated from the dry saturated steam. As a result, dry saturated steam predominates in the axial zone of the cyclone, and on the periphery - on the wall of the cyclone / chamber of the volume compensator, the deposited water droplets form a liquid film. In the central zone, the rotating steam stream, freed from condensate, moves from the bottom up and through the pipe placed along the axis of the cyclone enters the superheat section, and then through the steam line enters the plasma torch as the main plasma-forming medium. Captured condensate can be discharged from the separator through the condensate discharge opening in the conical parts of the cyclone. The preferred use of a cyclone separator makes it possible to substantially, preferably almost completely, eliminate the transfer of water from the evaporation section to the overheating section. The collection and removal of condensate from the separator can be carried out in different ways. For example, with a low steam capacity, it is preferable to drain the condensate, for example, into a condensate collector, and with a relatively large steam capacity, it may be preferable to drain the condensate into the feed tank of the steam generator or return the water to the inlet of the evaporation section.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, первый демпфер предпочтительно может быть выполнен в виде обогреваемой вихревой форсунки для придания потоку жидкости вращательного движения и предпочтительно дополнительного нагрева и испарения жидкости в вихревом потоке с получением водопаровой смеси с высокой степенью сухости пара. За счет возникающего градиента давления в слоях, приближающихся к оси вихря, создаются условия для перегрева жидкости относительно локального давления насыщения жидкости и возникновение – в этом демпфере и последующем, предпочтительно непосредственно примыкающем участке испарения – паровой фазы. Возникающие в вихре центробежные силы приводят к сепарации двухфазного потока, разделяя жидкую фазу и пар, вытесняя пар к оси вихря. Вытекающая из сопла форсунки водопаровая смесь состоит из двух слоев: жидкого периферийного слоя в форме кольцевой пленки и паровой сердцевины. Тем самым осуществляется недопущение пульсационного режима кипения за счет иного, чем в известных решениях физического механизма парообразования, а именно, за счет формирования паровой фазы внутри перегретой относительно локального давления насыщения жидкости. Такой режим ускоряет процесс испарения, препятствует рождению гидродинамических пульсаций и сокращает испарительную зону. Обогреваемая вихревая форсунка, придающая потоку, предпочтительно нагретому до температуры кипения жидкости, вращательное движение, фактически может являться начальной частью участка испарения парогенерирующей трубы, и сама может являться испарителем или предварительным испарителем перед участком испарения. В зависимости от требуемой паропроизводительности парогенератора можно устанавливать одну вихревую форсунку или объединять несколько вихревых форсунок в группу, выход пара из которых выполнить в один коллектор с последующей подачей пара в участок испарения. Коллектор пара в данном случае будет дополнительным демпфером между упомянутым первым демпфером в виде обогреваемой вихревой форсунки и участком испарения. Дополнительно такой демпфер в виде обогреваемой вихревой форсунке может быть выполнен за одно целое с участком испарения, так что образует входной участок указанного участка испарения. According to one embodiment of the invention, the first damper may preferably be in the form of a heated vortex nozzle to impart a rotational movement to the liquid stream and preferably to further heat and vaporize the liquid in the vortex stream to produce a vapor-vapor mixture with a high degree of dryness of steam. Due to the pressure gradient arising in the layers approaching the axis of the vortex, conditions are created for the liquid to overheat relative to the local liquid saturation pressure and the vapor phase to arise in this damper and subsequent, preferably directly adjacent evaporation section. The centrifugal forces arising in the vortex lead to the separation of the two-phase flow, separating the liquid phase and the vapor, displacing the vapor to the axis of the vortex. The water-vapor mixture flowing from the nozzle nozzle consists of two layers: a liquid peripheral layer in the form of an annular film and a vapor core. Thus, the pulsation boiling regime is prevented due to a different physical mechanism of vaporization than in the known solutions, namely, due to the formation of the vapor phase inside the liquid, which is superheated relative to the local pressure. This mode accelerates the evaporation process, prevents the birth of hydrodynamic pulsations and reduces the evaporation zone. A heated vortex nozzle, which gives the flow, preferably heated to the boiling point of the liquid, a rotational movement, in fact, can be the initial part of the evaporation section of the steam generating pipe, and can itself be an evaporator or pre-evaporator in front of the evaporation section. Depending on the required steam capacity of the steam generator, it is possible to install one vortex nozzle or combine several vortex nozzles into a group, the steam output from which is performed in one collector with the subsequent supply of steam to the evaporation section. In this case, the steam collector will be an additional damper between the first damper in the form of a heated vortex nozzle and the evaporation section. Additionally, such a damper in the form of a heated vortex nozzle can be made integrally with the evaporation section, so that it forms the input section of the indicated evaporation section.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, участок испарения может быть выполнен с возможностью питания электроэнергией вместе с вихревой форсункой или независимо от нее. Таким образом, может быть по меньшей мере значительно уменьшено количество влаги в паре перед его поступлением на участок перегрева. Соответственно, создаются условия для получения более сухого пара на участке испарения и еще лучше устраняется опасность пульсаций, обусловленных взрывным переходом, вода-пар, в частности, в самом плазмотроне. According to one embodiment of the invention, the evaporation section may be configured to be powered by electric energy together with or independently of the vortex nozzle. Thus, the amount of moisture in the steam can be at least significantly reduced before it enters the superheat section. Accordingly, the conditions are created for obtaining drier steam at the evaporation site and the danger of pulsations caused by the explosive transition, water-steam, in particular in the plasmatron itself, is even better eliminated.
Таким образом, демпфер в рамках изобретения может являться активным средством подавления условий для возникновения и/или развития пульсаций. Thus, the damper in the framework of the invention can be an active means of suppressing the conditions for the occurrence and / or development of pulsations.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, впуск парогенератора образован посредством смесителя, выполненным с возможностью независимой подачи пускового газа и воды. Например, смеситель может быть выполнен в виде двухкомпонентной газожидкостной форсунки. Форсунка состоит из внешнего и внутреннего контуров. Оба контура работают независимо друг от друга, чем достигается управляемость процесса уменьшения расхода газа до нуля и увеличения расхода воды до требуемого значения при запуске плазмотрона. Смеситель также может быть выполнен в виде эжекторного смесителя или иным образом.According to one embodiment of the invention, the inlet of the steam generator is formed by means of a mixer configured to independently supply starting gas and water. For example, the mixer may be in the form of a two-component gas-liquid nozzle. The nozzle consists of external and internal circuits. Both circuits operate independently of each other, which achieves controllability of the process of reducing gas flow to zero and increasing water flow to the desired value when starting the plasma torch. The mixer can also be made in the form of an ejector mixer or otherwise.
Далее, поставленная задача решается с помощью плазменной системы, содержащей плазмотрон, систему охлаждения плазмотрона, включающую в себя контур циркуляции охлаждающей среды, прямоточный парогенератор, соединенный с плазмотроном, систему электропитания парогенератора, средство подачи неконденсируемого газа для начального запуска и прогрева плазмотрона, средство подачи воды для подачи воды, используемой в качестве плазмообразующей среды, характеризующейся тем, что используется описанный выше парогенератор, у которого вход соединен со средством подачи неконденсируемого газа и одновременно со средством подачи воды, а выход связан с плазмотроном, и при этом система электропитания парогенератора через индивидуальные электрические подключения соединена с участками парогенерирующей трубы для их независимого друг от друга снабжения электроэнергией.Further, the problem is solved using a plasma system containing a plasmatron, a plasma torch cooling system including a cooling medium circuit, a direct-flow steam generator connected to the plasma torch, a steam generator power supply system, a non-condensable gas supply means for initial start-up and heating of the plasma torch, a water supply means for supplying water used as a plasma-forming medium, characterized in that the steam generator described above is used, in which the input is connected to a non-condensable gas supply means and at the same time to a water supply means, and the output is connected to a plasma torch, and the steam generator’s power supply system via individual electric The connection is connected to sections of the steam generating pipe for their independent supply of electricity.
Преимущества указанной плазменной системы совпадают с преимуществами, указанными выше для прямоточного парогенератора. The advantages of this plasma system coincide with the advantages indicated above for a once-through steam generator.
При этом, в одном предпочтительном варианте осуществления плазменной системы средство подачи воды включает в себя емкость для воды, которая имеет вход для подвода воды и выход для выдачи воды на вход парогенератора.Moreover, in one preferred embodiment of the plasma system, the water supply means includes a water tank that has an inlet for supplying water and an outlet for dispensing water to the inlet of the steam generator.
В развитии этого варианта осуществления предпочтительным образом может быть предусмотрено, что имеется теплообменник, внутри которого происходит теплообмен между охлаждающей средой в контуре циркуляции охлаждающей среды системы охлаждения плазмотрона и водой в емкости для воды или выходящей из этой емкости для подачи на вход парогенератора водой. Это позволяет эффективно использовать отводимое от плазмотрона тепло для предварительного нагрева воды, подаваемой в парогенератор, что в свою очередь обеспечивает меньший расход энергии на нагрев воды в парогенераторе и снижает потребность в затратных мероприятиях по отводу тепла из охлаждающей системы плазмотрона и потере этого тепла. In the development of this embodiment, it can be advantageously provided that there is a heat exchanger inside which heat exchange occurs between the cooling medium in the circulation circuit of the cooling medium of the plasma torch cooling system and the water in the water tank or the water leaving the steam tank to supply water to the steam generator inlet. This allows you to effectively use the heat removed from the plasma torch to preheat the water supplied to the steam generator, which in turn provides less energy for heating the water in the steam generator and reduces the need for costly measures to remove heat from the cooling system of the plasma torch and the loss of this heat.
В одном примере осуществления плазменной системы смеситель, выполненный с возможностью независимой подачи пускового газа и воды, может быть расположен не в парогенераторе, соответственно, в его входе, а отдельно от парогенератора и соединяться с ним через отдельный трубопровод. In one embodiment of a plasma system, a mixer configured to independently supply starting gas and water may not be located in the steam generator, respectively, at its inlet, but separately from the steam generator and connected to it through a separate pipeline.
Далее, поставленная задача решается с помощью способа генерации перегретого пара, который осуществляется с помощью описанного выше прямоточного парогенератора описанной выше плазменной системы, в котором Further, the problem is solved using the method of generating superheated steam, which is carried out using the above-described direct-flow steam generator of the above-described plasma system, in which
нагревают воду при ее прохождении через участки парогенерирующей трубы, так что она последовательно претерпевает первичный нагрев, испарение с получением сухого насыщенного пара и перегрев полученного сухого насыщенного пара с получением перегретого пара, который подают в плазмотрон,heating the water as it passes through the sections of the steam generating pipe, so that it successively undergoes primary heating, evaporation to produce dry saturated steam, and superheating of the obtained dry saturated steam to produce superheated steam, which is supplied to the plasma torch,
причем участки парогенерирующей трубы для первичного нагрева, испарения и перегрева электрически нагревают независимо друг от друга, а moreover, the sections of the steam generating pipe for primary heating, evaporation and overheating are electrically heated independently of each other, and
возникающие при нагреве и испарении воды пульсации гасят с помощью демпферов, расположенных между участками для первичного нагрева и для испарения, а также между участками для испарения и для перегрева. ripples arising during heating and evaporation of water are suppressed with the help of dampers located between the areas for primary heating and for evaporation, as well as between the areas for evaporation and for overheating.
Принципиальные преимущества этого способа связаны с использованием описанного выше прямоточного парогенератора и тем самым по существу совпадают с преимуществами, описанными выше для парогенератора. The principal advantages of this method are associated with the use of the direct-flow steam generator described above and thereby substantially coincide with the advantages described above for the steam generator.
Суть способа заключается в использовании индивидуально нагреваемых отдельных участков выполненной в виде змеевика парогенерирующей трубы в сочетании с расположенными между ними демпферами для формирования совершенно нового режима течения, в котором при относительно малых скоростях, характерных для снарядного режима, потоку придается вращательное движение и возникающие центробежные силы используются для разделения жидкой и паровой фаз потока в змеевике и тем самым предотвращается снарядный режим течения, причем указанные демпферы являются неотъемлемой частью для формирования указанного режима течения потока за счет поддержки вращательного движения потока и обеспечения гашений пульсаций по существу в месте их возникновения без их дальнейшей передачи по всей парогенерирующей трубе от одного участка к другому. The essence of the method is to use individually heated individual sections of a steam-generating pipe made in the form of a coil in combination with dampers located between them to form a completely new flow regime, in which at relatively low speeds characteristic of the projectile regime, the flow is given rotational motion and the resulting centrifugal forces are used to separate the liquid and vapor phases of the flow in the coil, and thereby preventing slug flow, and these dampers are an integral part of the formation of the specified flow regime by supporting the rotational movement of the flow and providing damping of the pulsations essentially at the place of their occurrence without their further transmission the entire steam generating pipe from one section to another.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа, воду перед впуском в парогенератор подвергают предварительному нагреву посредством тепла отбираемого из системы охлаждения плазмотрона. In one preferred embodiment of the method, the water is preheated before being introduced into the steam generator by heat taken from the plasma torch cooling system.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа, участки парогенерирующей трубы для первичного нагрева, испарения и перегрева электрически нагревают независимо друг от друга и поддерживают температуру воды на выходе из участка предварительного нагрева, предпочтительно на 0-20°С ниже температуры кипения, температуру водопарового потока на выходе из первого демпфера поддерживают не ниже температуры кипения, температуру на выходе из участка испарения и входе во второй демпфер поддерживают на 50-120 °С выше температуры кипения, температуру пара на выходе из участка перегрева и на входе в плазмотрон поддерживают равной 250-400 °С.In one preferred embodiment of the method, sections of the steam generating pipe for primary heating, evaporation and overheating are electrically heated independently of each other and maintain the temperature of the water leaving the pre-heating section, preferably 0-20 ° C below the boiling point, the temperature of the steam stream at the outlet from the first damper is maintained not lower than the boiling point, the temperature at the outlet of the evaporation section and the inlet to the second damper is maintained at 50-120 ° C higher than the boiling point, the temperature of the steam at the outlet of the overheating section and at the inlet to the plasma torch is kept at 250-400 ° C .
В одном предпочтительном варианте осуществления способа перед подачей подлежащей нагреву воды осуществляют прогрев парогенератора путем подачи электроэнергии к парогенерирующей трубе при пропускании через нее неконденсируемого газа, который затем подают в плазмотрон для его запуска и прогрева. При этом предпочтительно предусмотрено, что подачу подлежащей нагреву воды в парогенератор осуществляют через тот же впуск, через который подают неконденсируемый газ так, что долю воды постепенно увеличивают, а долю газа пропорционально уменьшают до полного прекращения подачи газа.In one preferred embodiment of the method, before supplying the water to be heated, the steam generator is heated by supplying electricity to the steam generating pipe by passing non-condensable gas through it, which is then supplied to the plasma torch to start and heat it. In this case, it is preferably provided that the water to be heated is supplied to the steam generator through the same inlet through which the non-condensable gas is supplied so that the proportion of water is gradually increased and the proportion of gas is proportionally reduced until the gas supply is completely stopped.
Другие преимущества и особенности заявленного изобретения следуют из приведенного ниже описания примеров осуществления изобретения со ссылками на чертежи, на которых показано:Other advantages and features of the claimed invention result from the following description of embodiments of the invention with reference to the drawings, which show:
фиг.1 принципиальная схема примера соответствующей изобретению плазменной системы с прямоточным парогенератором.figure 1 is a schematic diagram of an example corresponding to the invention of a plasma system with a once-through steam generator.
На фиг.1 показана принципиальная схема примера соответствующей изобретению плазменной системы, которая включает в себя, в частности, плазмотрон 1 с источником 2 электропитания и системой 3 поджига электрической дуги (осциллятор), систему 4 охлаждения плазмотрона, включающую в себя контур циркуляции охлаждающей среды, прямоточный парогенератор 5, соединенный с плазмотроном, систему 6 электропитания парогенератора, средство 7 подачи неконденсируемого газа для начального запуска и прогрева плазмотрона, средство 8 подачи воды для подачи воды, используемой в качестве плазмообразующей среды.Figure 1 shows a schematic diagram of an example of a plasma system according to the invention, which includes, in particular, a plasma torch 1 with a power source 2 and an electric arc ignition system 3 (oscillator), a plasma
Соответствующий изобретению прямоточный парогенератор имеет впуск 13, на который от средств подачи воды и неконденсируемого газа может подаваться как указанный газ, так и указанная вода, и выпуск 14, который соединен с плазмотроном. The direct-flow steam generator according to the invention has an
Парогенератор в данном случае имеет одну парогенерирующую трубу, соединяющую впуск и выпуск парогенератора. Однако, таких труб может быть предусмотрено две или более. При использовании нескольких парогенерирующих труб впуск и/или выпуск парогенератора может быть образован общим впуском/выпуском и/или несколькими отдельными впусками/выпусками. Так, например, каждая парогенерирующая труба может быть согласована со своим отдельным впуском и выпуском. The steam generator in this case has one steam generating pipe connecting the inlet and outlet of the steam generator. However, two or more of these pipes may be provided. When using several steam generating pipes, the inlet and / or outlet of the steam generator can be formed by a common inlet / outlet and / or several separate inlets / outlets. So, for example, each steam generating pipe can be coordinated with its separate inlet and outlet.
Парогенерирующая трубка выполнена в виде змеевика и разделена на несколько отдельных участков, а именно участок 15 нагрева, участок 16 испарения и участок 17 перегрева. The steam generating tube is made in the form of a coil and is divided into several separate sections, namely, the
Между участком 15 нагрева и участком 16 испарения включен первый демпфер 18, который обеспечивает гашение пульсаций, возникающих на участке 15 нагрева воды и возникающих на участке 16 испарения при вскипании воды. Указанный демпфер 18 предпочтительным образом может быть выполнен в виде обогреваемой вихревой форсунки для придания потоку жидкости вращательного движения и ее последующего испарения в вихревом потоке. Создание такого вихревого потока позволяет в начале участка 16 испарения получить формирование паровой фазы внутри перегретой жидкости, что не допускает пульсационный режим кипения на участке 16 испарения. То есть демпфер 18 не только гасит возникшие на участке 15 нагрева пульсации, но и по меньшей мере значительно снижает их возникновение на последующем участке 16 испарения. Кроме того, подобное выполнение демпфера 18 может использоваться для обеспечения испарения воды, так что такой демпфер может использоваться в качестве предварительного испарителя, вследствие чего описанные выше преимущества могут достигаться в еще большей степени. Альтернативно, демпфер 18 может быть выполнен просто в виде участка, заполненного теплопроводной пористой структурой, в порах которой происходит кипение, или в любом другом виде, обеспечивающем устранения/уменьшение обусловленных нагревом на участке нагрева и вскипанием воды в начале участка 16 испарения пульсаций. Between the
Между участком 16 испарения и участком 17 перегрева расположен второй демпфер 19, который обеспечивает гашение пульсаций, возникающих в результате фазового перехода, вода-пар. Указанный демпфер 19 может быть выполнен в виде простого плавно или ступенчато расширяющегося участка, который, например, для формирования вращательного движения потока также может быть выполнен в виде циклона, или в любом другом виде, подходящем для гашения пульсаций, возникающих ввиду фазового перехода вода-пар, произошедшем на участке 16 испарения. Between the
В показанном примере также предусмотрен сепаратор 20, который расположен между вторым демпфером 19 и участком 17 перегрева, но также может быть объединен со вторым демпфером 19. Указанный сепаратор служит для отделения капельной фазы или конденсата из полученного на участке 16 испарения парового потока. Указанный сепаратор предпочтительно выполнен в виде циклона, в частности, возвратно-поточного циклона. Свободный объем такого сепаратора 20 одновременно является компенсатором объема пара и демпфером. Последнее указывает на предпочтительность объединения данного сепаратора 20 и демпфера 19. Вход потока в циклон может осуществляться через тангенциальный патрубок, что обеспечивает закручивание вводимого потока и его винтообразное движение вдоль внутренних стенок циклона. За счет вихревого движения потока в циклоне обеспечивается разделение потока на сухой насыщенный пар (в центре потока) и конденсированную фазу (на периферии потока), которая осаждается на стенках циклона. Центральный поток сухого пара направляется далее в участок перегрева, а отделенный конденсат может постоянно или периодически отводиться из сепаратора в отдельный сборник (не показан) или направляться опять на вход участка 16 испарения, как показано на фиг.1. In the example shown, a
По меньшей мере один из указанных участков 15, 16, 17 парогенерирующей трубки, предпочтительно все, выполнен с несколько увеличивающимся (постепенно или ступенчато) поперечным сечением проходного отверстия. За счет этого обеспечивается компенсация увеличивающегося объема в результате нагрева воды и фазового перехода вода-пар, так что по меньшей мере один из участков парогенерирующей трубки выполняет демпфирующую функцию в отношении пульсаций в месте их непосредственного возникновения. At least one of these
Каждый участок 15, 16, 17 выполнен с возможностью электрического нагрева, причем участок 15 нагрева, участок 16 испарения и участок 17 перегрева имеют индивидуальное электрическое подключение посредством токоподводов 37, 38, 39 для независимого друг от друга снабжения электроэнергией от соответствующих источников 21, 22, 23. Первый демпфер 18 здесь имеет общее с участком 16 испарения электрическое подключение, но также возможно и собственное электрическое подключение для первого демпфера 18. Второй демпфер 19, соответственно 19/20 здесь имеет общее с участком 16 испарения электрическое подключение, но также возможно, чтобы он имел общее электрическое подключение с участком 17 перегрева. Источники питания для снабжения указанных участков электроэнергией могут быть частью парогенератора или быть выполненными отдельно от него.Each
Средство 7 подачи неконденсируемого газа в показанном примере включает в себя средство подачи газа, например, компрессор 24 или ресивер, регулятор 25 расхода газа и запирающее средство 26 (предпочтительно обратный клапан).The non-condensable gas supply means 7 in the example shown includes a gas supply means, for example, a
Средство 8 подачи воды, например, включает в себя емкость 9 с водой, пополняемую через подвод 11, насос 10 для перекачки воды из емкости 9 к парогенератору, регулятор 27 расхода воды и запирающее средство 28 (предпочтительно обратный клапан). The water supply means 8, for example, includes a
Запирающие средства 26, 28 соединены по потоку с направляющим средством 29, которое направляет потоки неконденсируемого пускового газа и воды к участку 15 нагрева парогенератора. Указанное средство 29 может быть расположено перед впуском 13 в парогенератор или в самом впуске 13, в частности, образовывать его.The locking means 26, 28 are connected downstream with a guide means 29, which directs the flows of non-condensable starting gas and water to the
Направляющее средство 29 предпочтительным образом может быть выполнено в виде смесителя, выполненного с возможностью независимой подачи пускового газа и воды. Так, указанный смеситель может быть выполнен, например, в виде газожидкостной форсунки, включающей себя внешний и внутренний контуры. Оба контура могут работать независимо друг от друга, за счет чего достигается управляемость процесса уменьшения расхода газа до нуля и увеличения расхода вода до требуемого значения. Альтернативно, указанный смеситель может быть выполнен в виде эжекторного смесителя или иным подходящим образом. The guide means 29 can advantageously be made in the form of a mixer configured to independently supply starting gas and water. So, the specified mixer can be made, for example, in the form of a gas-liquid nozzle, which includes external and internal circuits. Both circuits can operate independently of each other, due to which the controllability of the process of reducing gas flow to zero and increasing water flow to the desired value is achieved. Alternatively, said mixer may be in the form of an ejector mixer or otherwise suitably.
Система 4 охлаждения плазмотрона 1 и источника 2 электропитания плазмотрона включает в себя контур циркуляции охлаждающей среды. Сама система охлаждения не является предметом изобретения, так что более подробно здесь не описывается. The
В показанной плазменной системе также предусмотрен теплообменник 30, который обеспечивает теплообмен между охлаждающей средой из контура циркуляции охлаждающей среды и водой, подаваемой в парогенератор. Теплообменник 30 в показанном примере соединен с дополнительным контуром, по которому вода циркулирует между емкостью 9 и теплообменником, для чего в контуре предусмотрен циркуляционный насос 31. Это позволяет начинать нагрев воды уже в момент начального запуска плазмотрона, когда он еще работает на пусковом газе и вода еще не подается в парогенератор. Однако, может быть предусмотрено, что теплообменник связан непосредственно с трубопроводом, по которому вода подается к парогенератору. A
В показанной плазменной системе предусмотрены система 34 энергоснабжения потребителей электрической энергии и система 33 управления, предназначенная для дистанционного управления функциями составных частей плазменной системы и отображения параметров, необходимых для контроля рабочих процессов в них. Сами системы энергоснабжения и управления не являются предметом изобретения, так что более подробно здесь не описывается. In the shown plasma system, there is provided a
Работа указанной плазменной системы с реализацией заявленного способа в одном предпочтительном варианте может осуществляться следующим образом. The specified plasma system with the implementation of the inventive method in one preferred embodiment can be carried out as follows.
Для начального запуска плазмотрона неконденсируемый пусковой газ подается через средство 24, 25, 26 на впуск 13 парогенератора. Указанный газ поступает в парогенерирующую трубу и последовательно проходит через отдельно электронагреваемые участки 15, 16, 17 парогенерирующей трубы, нагревается до нужной температуры и поступает в плазмотрон, обеспечивая начальный запуск плазмотрона и его надлежащий прогрев. For the initial start-up of the plasma torch, a non-condensable starting gas is supplied through the
После необходимого прогрева плазмотрона включают подачу воды в парогенератор для создания перегретого пара, который будет использован в качестве основной плазмообразующей среды в плазмотроне. В данный момент уже может быть запущена система 4 охлаждения плазмотрона, так что питательная вода уже до подачи в парогенератор может быть подогрета. After the necessary heating of the plasma torch, the water supply to the steam generator is turned on to create superheated steam, which will be used as the main plasma-forming medium in the plasma torch. At the moment, the plasma
Вода проходит через направляющее средство 29, где осуществляется регулирование потоков воды и пускового газа так, что количество воды постепенно увеличивается, а количество газа постепенно уменьшается.Water passes through the guiding means 29, where the flow of water and the starting gas are regulated so that the amount of water gradually increases and the amount of gas gradually decreases.
Таким образом, на данном этапе вода и пусковой газ подаются одновременно в парогенератор через один и тот же впуск 13.Thus, at this stage, water and starting gas are supplied simultaneously to the steam generator through the
Далее, вода поступает в участок 15 нагрева выполненной в виде змеевика парогенерирующей трубы, где она нагревается, предпочтительно до температуры на 0-20°С ниже температуры кипения.Further, the water enters the
Далее вода, нагретая до температуры близкой к температуре кипения, поступает в первый демпфер 18, который в рассматриваемом примере выполнен в виде обогреваемой вихревой форсунки для придания потоку жидкости вращательного движения и в данном случае также испарения жидкости в вихревом потоке. За счет возникающего градиента давления в слоях, приближающихся к оси вихря, формируется перегрев жидкости относительно локального давления насыщения жидкости и возникновение паровой фазы. Возникающие в вихре центробежные силы приводят к сепарации двухфазного потока, разделяя жидкую фазу и пар, вытесняя пар к оси вихря. Вытекающая из сопла форсунки водопаровая смесь состоит из двух слоев: жидкого периферийного слоя в форме кольцевой пленки и паровой сердцевины. Указанный процесс продолжается на последующем участке 16 испарения, на котором происходит, по существу, полное испарение с получением сухого насыщенного пара и предпочтительно перегрев пара на 50-120 °С выше температуры кипения. Тем самым осуществляется недопущение пульсационного режима кипения за счет иного, чем в известных решениях физического механизма парообразования, а именно, за счет формирования паровой фазы внутри перегретой относительно локального давления насыщения жидкости. В таком случае, высокоскоростное движение потока пара внутри кольцевой пленки из воды на стенке будет вызывать дробление пленки воды в мелкодисперсную фазу, размер которой соизмерим уже не с диаметром канала, как в случае снарядного режима, а с толщиной пленки на стенке, поскольку скорость пара внутри много больше скорости течения воды в пленке. Такой режим ускоряет процесс испарения, препятствует рождению гидродинамических пульсаций и сокращает испарительную зону. Next, the water heated to a temperature close to the boiling point enters the
Далее, этот перегретый пар поступает во второй демпфер 19, соответственно 19/20, который здесь выполнен в виде возвратно-поточного циклона, основными элементами которого являются корпус, выхлопная труба и бункер. Сухой пар, предпочтительно перегретый относительно температуры насыщения, поступает в верхнюю часть корпуса через входной патрубок, приваренный к корпусу тангенциально. Гашение пульсаций происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении пара между корпусом и погруженной в полость корпуса выхлопной трубой. Further, this superheated steam enters the
В свободном объеме второго демпфера 19, выполненного в виде циклона, может одновременно осуществляться компенсация объема пара.In the free volume of the
Кроме демпфирующей функции и функции компенсатора объема пара второй демпфер 19 выполняет функцию сепаратора 20 для удаления возможно еще имеющейся капельной фазы из полученного на участке испарения потока пара путем создания силового центробежного поля во входящем потоке. In addition to the damping function and the function of the vapor volume compensator, the
Введение потока пара в возвратно-поточный циклон осуществляется через тангенциальный патрубок, так что поток изначально приобретает вращательное движение и опускается винтообразно вдоль внутренних стенок цилиндрической и конической частей циклона. Входящий поток в силовом центробежном вихревом поле подвергают сепарации и отделяют конденсированную фазу от сухого насыщенного пара. В результате этого в приосевой зоне циклона преобладает сухой насыщенный пар, а на периферии – на стенке циклона/камеры компенсатора объема осажденные капли воды образуют пленку жидкости. Уловленный конденсат может отводиться из сепаратора через отводящее конденсат отверстие в конической частей циклона. Использование сепаратора в виде циклона, позволяет полностью исключить переброс воды из участка 16 испарения в участок 17 перегрева. Сбор и отвод конденсата из сепаратора 20 может осуществляться путем периодического слива конденсата, например, в сборник конденсата. The steam flow is introduced into the reciprocating cyclone through a tangential nozzle, so that the flow initially acquires rotational motion and descends helically along the inner walls of the cylindrical and conical parts of the cyclone. The incoming stream in a centrifugal force vortex field is subjected to separation and the condensed phase is separated from dry saturated steam. As a result, dry saturated steam predominates in the axial zone of the cyclone, and on the periphery - on the wall of the cyclone / chamber of the volume compensator, the deposited water droplets form a liquid film. Captured condensate can be discharged from the separator through the condensate discharge opening in the conical parts of the cyclone. The use of a separator in the form of a cyclone can completely eliminate the transfer of water from the
В центральной зоне циклона вращающийся паровой поток двигается снизу вверх и по трубе, размещенной вдоль оси циклона, поступает в участок 17 перегрева. Температуру пара на выходе из участка 17 перегрева и на входе в плазмотрон 1 поддерживают равной 250-400°С. Затем перегретый пар по паропроводу 35 поступает в плазмотрон в качестве основной плазмообразующей среды предпочтительно при температуре 350°С. Для электрической безопасности предусмотрена электрическая развязка 36 между выпуском 14 и паропроводом 35. In the central zone of the cyclone, the rotating steam flow moves upward and through the pipe placed along the axis of the cyclone enters the
При работе парогенератора расход питательной воды должен находиться в равновесии с величиной паропроизводительности и соответствовать электрической мощности парового плазмотрона. Поэтому подача воды регулируется автоматически так, чтобы поддерживать расход воды в соответствии с мощностью парового плазмотрона, а для регулирования параметров участков нагрева, испарения и перегрева применена схема их раздельного обогрева с использованием независимых источников тока с возможностью автоматического управления.When the steam generator is operating, the feed water flow rate must be in equilibrium with the steam capacity value and correspond to the electric power of the steam plasma torch. Therefore, the water supply is automatically regulated so as to maintain the water flow rate in accordance with the power of the steam plasma torch, and to regulate the parameters of the heating, evaporation and overheating sections, a separate heating scheme using independent current sources with the possibility of automatic control is applied.
Claims (37)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020100547A RU2721931C1 (en) | 2020-01-13 | 2020-01-13 | Straight-through steam generator for a plasma system, a plasma system with such a steam generator and a method for generating superheated steam |
| PCT/RU2021/050066 WO2021145799A1 (en) | 2020-01-13 | 2021-03-13 | Once-through steam generator, plasma system and method for generating superheated steam |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020100547A RU2721931C1 (en) | 2020-01-13 | 2020-01-13 | Straight-through steam generator for a plasma system, a plasma system with such a steam generator and a method for generating superheated steam |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2721931C1 true RU2721931C1 (en) | 2020-05-25 |
Family
ID=70803355
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020100547A RU2721931C1 (en) | 2020-01-13 | 2020-01-13 | Straight-through steam generator for a plasma system, a plasma system with such a steam generator and a method for generating superheated steam |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2721931C1 (en) |
| WO (1) | WO2021145799A1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5498826A (en) * | 1990-02-26 | 1996-03-12 | Maschinen- Und Anlagenbau Grimma Gmbh (Mag) | Plasmatron with steam as the plasma gas and process for stable operation of the plasmatron |
| RU2093754C1 (en) * | 1995-05-19 | 1997-10-20 | Акционерное общество открытого типа "НовосибирскНИИХиммаш" | Method and device for plasma pyrolysis of liquid wastes |
| RU2152562C1 (en) * | 1998-11-02 | 2000-07-10 | Открытое акционерное общество "НовосибирскНИИхиммаш" | Plasma reactor of liquid organochlorine waste decontaminating plant |
| RU2441353C1 (en) * | 2010-06-28 | 2012-01-27 | Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Electroarc plasmatron with steam-vortex arc stabilisation |
| US20150382441A1 (en) * | 2013-02-15 | 2015-12-31 | Pyrogenesis Canada Inc. | High power dc non transferred steam plasma torch system |
-
2020
- 2020-01-13 RU RU2020100547A patent/RU2721931C1/en active
-
2021
- 2021-03-13 WO PCT/RU2021/050066 patent/WO2021145799A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5498826A (en) * | 1990-02-26 | 1996-03-12 | Maschinen- Und Anlagenbau Grimma Gmbh (Mag) | Plasmatron with steam as the plasma gas and process for stable operation of the plasmatron |
| RU2093754C1 (en) * | 1995-05-19 | 1997-10-20 | Акционерное общество открытого типа "НовосибирскНИИХиммаш" | Method and device for plasma pyrolysis of liquid wastes |
| RU2152562C1 (en) * | 1998-11-02 | 2000-07-10 | Открытое акционерное общество "НовосибирскНИИхиммаш" | Plasma reactor of liquid organochlorine waste decontaminating plant |
| RU2441353C1 (en) * | 2010-06-28 | 2012-01-27 | Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Electroarc plasmatron with steam-vortex arc stabilisation |
| US20150382441A1 (en) * | 2013-02-15 | 2015-12-31 | Pyrogenesis Canada Inc. | High power dc non transferred steam plasma torch system |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| С.И. РАДЬКО, Разработка и исследование электротехнологического оборудования для переработки техногенных отходов с использованием пароводяного плазмотрона, Новосибирск, 2014 г. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2021145799A1 (en) | 2021-07-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100439080B1 (en) | Waste heat steam generator | |
| RU2343345C2 (en) | Once-through steam generator start up method and once-through steam generator used for method realisation | |
| CN101113813B (en) | Circulation system for sliding pressure steam generator | |
| CA2597936C (en) | Steam generator in horizontal constructional form | |
| KR100591469B1 (en) | Steam generator | |
| TWI356891B (en) | Steam generator | |
| RU2516068C2 (en) | Gas turbine plant, heat recovery steam generator and method to operate heat recovery steam generator | |
| TW201224376A (en) | Apparatus and method for utilizing thermal energy | |
| US11073278B2 (en) | Vaporization apparatus | |
| US20110162594A1 (en) | Waste Heat Steam Generator | |
| US3954087A (en) | Integral separation start-up system for a vapor generator with variable pressure furnace circuitry | |
| JPH09170701A (en) | Composite plant with mixed-pressure waste heat boiler | |
| US6557500B1 (en) | Evaporator and evaporative process for generating saturated steam | |
| KR100399241B1 (en) | Process and device for degassing a condensate | |
| RU2721931C1 (en) | Straight-through steam generator for a plasma system, a plasma system with such a steam generator and a method for generating superheated steam | |
| KR101822311B1 (en) | Combined cycle gas turbine plant comprising a waste heat steam generator and fuel preheating step | |
| KR19990029030A (en) | Method of operation of gas and steam turbine devices, and devices operating accordingly | |
| CN103562634B (en) | Steam generator | |
| RU2783779C1 (en) | Device for superheated steam temperature control during start-up of a flow-flow boiler with water of built-in separator | |
| EP4089230A1 (en) | Process and plant for drying paper | |
| CN118442585A (en) | Coal-fired power generating unit and control method thereof | |
| JPH08135407A (en) | Combined refuse incinerating power plant capable of feedwater temperature control | |
| JPH07127802A (en) | Steam drum | |
| PL22129B1 (en) | A method for producing steam, in particular high pressure steam, and a generator for implementing the method. |