паровой котел sbs

Формула изобретения

1. Паровой котел SBS, содержащий пароводяной барабан, образованный трубной доской и верхней образующей в плоском исполнении, а также внутренней и внешней цилиндрическими обечайками, соосные внутренние опускные и внешние испарительные трубы, сообщенные с внутренней полостью барабана и в нижних оконечностях между собой, первые из которых установлены с использованием в своей верхней части соосных друг с другом втулочных, штуцерных и муфтовых элементов, а вторые в верхней части установлены посредством этих же штуцерных элементов, а также содержащий элементы газохода с последовательным по ходу газов расположением топочного устройства, топки, межтрубного пространства газохода с перегородками и газоотводного патрубка и цилиндрические шламосборные камеры, на поверхности каждой из которых имеется отверстие для нижнего закрепления внутренней трубы, причем соосные втулочные, штуцерные и муфтовые элементы с использованием и посредством которых соответственно установлены соосные внутренние и внешние трубы, установлены соответственно - первые на верхней образующей барабана, а остальные элементы - с использованием трубной доски, при этом муфтовые элементы имеют опорные выступы, отличающийся тем, что соосные втулочные, штуцерные и муфтовые элементы с установленными в них соосными трубами размещены с образованием двух кольцевых рядов - внешнего и внутреннего притопочного с шагом по периметру рядов, равным наружному диаметру внешних труб; оконечности внешних труб по торцам снабжены одинаковыми полыми усеченными конусами, плотно сопряженными своими вершинами в верхней части со штуцерными элементами, а в нижней части - с поверхностями шламосборных камер; топочное устройство размещено на уровне пароводяного барабана; в нижней части топки в районе не выше 1/3 ее высоты нижние участки внешних труб притопочного кольцевого ряда выполнены с диаметром, равным диаметру вершины конуса, с образованием прохода газов из топки в межтрубное пространство газохода, которое оборудовано горизонтальными и вертикальными перегородками с образованием нескольких последовательных участков газохода со спирально-кольцевым движением газового потока; верхние участки внешних труб внешнего кольцевого ряда в районе не ниже 2/3 высоты топки выполнены с диаметром, равным диаметру вершины конуса, с образованием прохода газов из межтрубного пространства газохода во внешний газоход, который образован внешним кольцевым рядом труб и наружной обечайкой котла, а газоотводный патрубок сообщен с внешним газоходом в районе нижней части наружной обечайки котла.

2. Паровой котел по п.1, отличающийся тем, что внешняя и внутренняя обечайки пароводяного барабана сопряжены с его верхней образующей и трубной доской посредством кольцевых торцевых уплотняемых разъемных соединений.

3. Паровой котел по п.1, отличающийся тем, что топочное устройство скреплено с внешней поверхностью внутренней обечайки пароводяного барабана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к котлостроению, и может быть использовано в паровых котлах для стационарной и транспортной энергетики.

Известен паровой водотрубный котел финской фирмы "Раума-Репола" типа UNEX NA, содержащий скрепленные друг с другом пароводяной и водяной барабаны торообразной формы с плоскими верхним днищем и трубной доской посредством двух рядов вертикальных испарительных труб. Топочное устройство расположено по оси котла над пароводяным барабаном, а топочное пространство в виде топки снабжено с внешней стороны радиационной поверхностью теплообмена в виде первого и второго рядов труб, образующих в совокупности трубный пучок. Газы из топки проходят через пучок труб и отводятся в газоотводный патрубок (см. Енин В.И. и др. Судовые котельные установки. М.: Транспорт, 1993, с.107, 109-110).

Недостатками известного парового водотрубного котла являются:

- низкая эффективность конвективного теплообмена и в результате низкий КПД котла вследствие малого числа труб в газоходе (два ряда) и низкой скорости газового потока в межтрубном пространстве газохода вследствие большой высоты и свободной (в свету) площади поперечного сечения внешнего пространства топки;

- большая металлоемкость котла вследствие использования двух одинаковых по размеру пароводяного и водяного барабанов.

Указанные недостатки ограничивают и использование известных паровых котлов в судовых и стационарных условиях.

Известен паровой котел S&S, содержащий пароводяной барабан, в частности, торообразной формы, образованной трубной доской и верхней образующей в плоском исполнении, а также внутренней и внешней цилиндрическими обечайками, соосные внутренние опускные и внешние испарительные трубы, сообщенные с внутренней полостью барабана и в нижних оконечностях между собой, первые из которых установлены с использованием в своей верхней части соосных друг с другом втулочных, штуцерных и муфтовых элементов, а вторые в верхней части установлены посредством этих же штуцерных элементов, элементы газохода с последовательным по ходу газов расположением топочного устройства, топки, межтрубного пространства с перегородками и газоотводного патрубка и цилиндрические шламосборные камеры, на поверхности каждой из которых имеется отверстие для нижнего закрепления внутренней трубы, причем соосные втулочные, штуцерные и муфтовые элементы, с использованием и посредством которых соответственно установлены соосные внутренние и внешние трубы, установлены соответственно первые на верхней образующей барабана, а остальные элементы - с использованием трубной доски, при этом муфтовые элементы имеют опорные выступы (см. Патент РФ №2155909, бюл. №25 от 10.09.2000).

Этот котел, как наиболее близкий, выбран в качестве прототипа заявляемого решения по большинству признаков.

Недостатками известного парового котла являются:

- недостаточная степень экранирования топки, размещенной на внешней поверхности котла, и, как следствие, высокая температура газов за топкой и на входе в притопочный пучок, что сопряжено с увеличением конвективной поверхности теплообмена и массогабаритных характеристик котла;

- достаточно большой объем и масса кирпичной теплозащитной кладки в топке и газоходе притопочного пучка;

- повышенные размеры пароводяного барабана, его массы и внешнего диаметра котла вследствие использования штуцерного крепления внешних испарительных труб к трубной доске, поскольку наружный диаметр штуцеров больше наружного диаметра внешних труб;

- необходимость свободного монтажного пространства по высоте котла для установки труб, соответствующего их длине, и, как следствие, увеличение габаритов котельного отделения;

- сравнительно большой объем демонтажно-монтажных работ при замене труб поверхности теплообмена.

Таким образом, паровой котел-прототип имеет существенные, требующие доработки конструктивные недостатки, снижающие технико-экономические показатели производства и эксплуатации котла.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных технико-экономических и конструктивных недостатков, а именно:

- увеличение степени экранирования топки для снижения температуры газов перед конвективной поверхностью теплообмена и уменьшение ее площади и массогабаритных характеристик котла;

- снижение массы теплозащитной кирпичной кладки в топке и устранение ее из притопочного пучка;

- улучшение массогабаритных характеристик котла;

- сокращение объема демонтажно-монтажных работ;

- сокращение высоты свободного монтажного пространства по высоте котла при монтаже труб для возможности соответствующего уменьшения габаритов котельного отделения.

Поставленная задача достигается тем, что в известном паровом котле, содержащем пароводяной барабан, образованный трубной доской и верхней образующей в плоском исполнении, а также внутренней и внешней цилиндрическими обечайками, соосные внутренние опускные и внешние испарительные трубы, сообщенные с внутренней полостью барабана и в нижних оконечностях между собой, первые из которых установлены с использованием в своей верхней части соосных друг с другом втулочных, штуцерных и муфтовых элементов, а вторые в верхней части установлены посредством этих же штуцерных элементов, а также содержащем элементы газохода с последовательным по ходу газов расположением топочного устройства, топки, межтрубного пространства газохода с перегородками и газоотводного патрубка, и цилиндрические шламосборные камеры, на поверхности каждой из которых имеется отверстие для нижнего закрепления внутренней трубы, причем соосные втулочные, штуцерные и муфтовые элементы, с использованием и посредством которых соответственно установлены соосные внутренние и внешние трубы, установлены соответственно первые на верхней образующей барабана, а остальные элементы - с использованием трубной доски, при этом муфтовые элементы имеют опорные выступы, в отличие от него в заявляемом соосные втулочные, штуцерные и муфтовые элементы с установленными в них соосными трубами размещены с образованием двух кольцевых рядов - внешнего и внутреннего - притопочного с шагом по периметру рядов, равным наружному диаметру внешних (испарительных) труб. Оконечности внешних труб по торцам снабжены одинаковыми полыми усеченными конусами, плотно сопряженными своими вершинами в верхней части со штуцерными элементами, а в нижней части - с поверхностями шламосборных камер. Топочное устройство размещено на уровне пароводяного барабана. В нижней части топки в районе не выше 1/3 ее высоты нижние участки внешних труб притопочного кольцевого ряда выполнены с диаметром, равным диаметру вершины конуса, с образованием прохода газов из топки в межтрубное пространство газохода, которое оборудовано горизонтальными и вертикальными перегородками с образованием нескольких последовательных участков газохода со спирально-кольцевым движением газового потока. Верхние участки внешних труб внешнего кольцевого ряда в районе не ниже 2/3 высоты топки выполнены с диаметром, равным диаметру вершины конуса, с образованием прохода газов из межтрубного пространства газохода во внешний газоход, образованный внешним кольцевым рядом труб и наружной обечайкой котла, а газоотводный патрубок сообщен с внешним газоходом в районе нижней части наружной обечайки котла. Технологически оправдано исполнение, при котором внешняя и внутренняя обечайки пароводяного барабана сопряжены с его верхней образующей и трубной доской посредством кольцевых торцевых уплотняемых разъемных соединений. Целесообразно исполнение, при котором топочное устройство скреплено с внешней поверхностью внутренней обечайки пароводяного барабана.

Заявленная совокупность ограничительных и отличительных признаков улучшает технико-экономические, эксплуатационные и конструктивные характеристики котла.

Размещение на верхней образующей барабана в совокупности с трубной доской соответственно втулочных, штуцерных и муфтовых элементов соосных труб в виде двух кольцевых рядов с шагом по периметру рядов, равным наружному диаметру внешних (подъемных) труб, позволяет, во-первых, увеличить степень экранирования топки за счет увеличения радиационной поверхности теплообмена, а во-вторых, исключить использование кирпичной кладки в притопочном пучке, поскольку его внешние поверхности образуют поверхность нагрева котла, и в-третьих, использовать необлучаемую часть поверхности внешних труб пригоночного ряда в качестве конвективной поверхности теплообмена. При этом увеличение степени экранирования топки, в свою очередь, позволяет уменьшить температуру газов за топкой на входе в конвективный пучок, что снижает его тепловую нагрузку и ведет к сокращению поверхности конвективного теплообмена котла. Кроме того, уменьшается масса кирпичной теплозащитной кладки топки и вообще исключается футеровка кирпичной кладкой район пригоночного пучка.

Уменьшение относительного шага расположения внешних испарительных труб в кольцевых рядах до единицы позволяет образовать два сплошных газонепроницаемых экрана и обеспечить движение газов в кольцевом пространстве между ними. Установка горизонтальных и вертикальных перегородок в кольцевом межтрубном пространстве газохода позволяет обеспечить высокую эффективность конвективного теплообмена за счет образования нескольких последовательных участков газохода со спирально-кольцевым движением газов. При этом также сокращается объем демонтажно-монтажных работ по установке и замене испарительных труб, поскольку она сопряжена только с работами по внутреннему и внешнему рядам труб, с индивидуальной доступностью со стороны топки и внешней обечайки котла.

Снабжение оконечностей подъемных труб полыми усеченными конусами, сопряженными соответственно вершинами со штуцерными элементами и поверхностями шламосборных камер, позволяет обеспечить максимальное насыщение пространства конвективного теплообмена поверхностью труб, что приводит к сокращению массогабаритных характеристик котла. При этом относительный шаг расположения штуцеров крепления труб на трубной доске остается больше единицы и достаточным для их индивидуального монтажа в трубной доске (сохранение зазора, достаточного для приварки штуцеров к трубной доске), что обеспечивает удобство и качество монтажных работ без лишних трудозатрат.

Размещение топочного устройства на уровне пароводяного барабана позволяет совместить детали его крепления с внутренней неизолированной обечайкой барабана и сделать независимым его монтаж-демонтаж от необходимости вскрытия изоляции барабана, что создает удобство при эксплуатации котла, также уменьшая объем демонтажно-монтажных работ.

Выполнение нижних участков внешних труб пригоночного кольцевого ряда в нижней части топки в районе не выше 1/3 ее высоты с диаметром, равным диаметру вершины конуса, с образованием свободного пространства позволяет обеспечить проход газов из топки в межтрубное пространство, образованное двумя кольцевыми рядами труб.

Выполнение верхних участков внешних труб внешнего кольцевого ряда в районе не ниже 2/3 высоты топки с диаметром, равным диаметру вершины конуса, с образованием свободного пространства позволяет обеспечить проход газов из межтрубного пространства во внешний газоход, образованный внешним кольцевым рядом труб и наружной обечайкой котла.

Сообщение газоотводного патрубка с внешним газоходом в районе нижней части наружной обечайки котла и размещение вертикальной перегородки во внешнем газоходе, т.е. между свободным пространством и газоотводным патрубком, позволяет обеспечить поперечное движение потока газов относительно поверхности теплообмена с высокой эффективностью теплоотдачи, что в конечном итоге увеличивает КПД котла.

Сопряжение внешней и внутренней обечаек пароводяного барабана с его верхней образующей и трубной доской посредством кольцевых торцевых уплотняемых разъемных соединений позволяет обеспечить доступ для осмотра и освидетельствования внутреннего пространства барабана без необходимости увеличения его размеров до требуемых при традиционном решении доступа для внутреннего осмотра (минимальные размеры поперечного сечения лаза 300х400 мм). При этом поперечное сечение внутреннего пространства становится независимым от условий освидетельствования и осмотра.

Таким образом достигается улучшение конструктивных, технико-экономических и эксплуатационных характеристик котла при появлении ряда дополнительных эффектов.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема продольного сечения (сечение А-А согласно виду фиг.2); на фиг.2 - схема поперечного сечения (сечение Б-Б согласно виду фиг.1) парового котла. На фиг.3, 4 и 5 представлены соответственно узлы А, Б и В (фиг.1) увеличенного масштаба.

Паровой котел имеет следующее устройство. Паровой котел содержит (фиг.1) пароводяной барабан 1 с пространством, образованным внутренней 2 и внешней 3 цилиндрическими обечайками, сопряженными с плоскими поверхностями: с верхним днищем 4 (по верхней образующей) и трубной доской 5 посредством кольцевых торцевых разъемных соединений с уплотнением 6 (фиг.3, 4). На трубной доске 5 установлены штуцеры 7. На верхнем днище 4 со стороны пространства 1 соосно штуцерам 7 установлены втулки 8. Пароводяной барабан оснащен соосными внутренними опускными 9 и внешними испарительными трубами 10 и шламосборными камерами 11 (фиг.5). При этом в верхней оконечности внутренние трубы 9 установлены во втулках 8 (фиг.3), а внешние испарительные трубы 10 (фиг.4, 5) в оконечностях снабжены одинаковыми полыми усеченными конусами 12, плотно сопряженными своими вершинами в верхней части со штуцерами 7, а в нижней части - со шламосборными камерами 11. Причем штуцеры 7 расположены на трубной доске 5 по двум коаксиальным окружностям (фиг.1, 2) меньшего и большего диаметров с шагом, соответствующим внешнему диаметру испарительных труб 10, образуя таким образом два кольцевых ряда соответственно притопочного 13 и внешнего 14 газонепроницаемых труб. Внешняя окружность внешнего ряда 14 труб соответствует (с определенной точностью) внешнему диаметру котла. Благодаря указанному пространство, расположенное между уровнями пароводяного барабана 1 и шламосборных камер 11 и притопочным рядом 13, образует объем топки 15 (фиг.1), а притопочный ряд труб 13 образует достаточно полный радиационный экран топки. Котел снабжен топочным устройством 16, размещенным на уровне пароводяного барабана над топкой и сообщенным с внешней поверхностью обечайки 2 посредством шарнирного соединения (не показано). В нижней части топки 15 в районе ниже 1/3 ее высоты нижние участки 17 испарительных труб притопочного кольцевого ряда 13 выполнены с диаметром, равным меньшему диаметру вершины конуса, с образованием прохода газов из топки в межтрубное пространство газохода 18. Последнее снабжено горизонтальными 19 и вертикальными 20 (фиг.2) перегородками с образованием нескольких последовательных участков газохода 21 (фиг.1) со спирально-кольцевым движением газового потока. Верхние участки 22 испарительных труб внешнего кольцевого ряда 14 в верхней части топки 15 в районе не ниже 2/3 ее высоты выполнены с диаметром, равным меньшему диаметру вершины конуса, с образованием прохода газов из межтрубного пространства верхнего из участков 21 газохода во внешний газоход 23, образованный внешним кольцевым рядом труб 14 и наружной обечайкой котла 24. Причем газоотводный патрубок 25 сообщен с газоходом 23 в районе нижней части наружной обечайки 24.

Под топки 15 в нижней части снабжен тепловой изоляцией 26 из жаропрочного материала (кирпича). Шламосборные камеры 11 сообщены посредством патрубков 27 с трубопроводом нижнего продувания 28.

Верхняя оконечность внутренних опускных труб 9 (фиг.4) снабжена сквозными отверстиями 29, размещенными в полости ограждающей муфты 30, снабженной опорными выступами 31, сопряженными с трубной доской 5. Нижняя оконечность труб 9 (фиг.5) также снабжена сквозными отверстиями 32. Ниже отверстий 32 к торцу трубы 9 приварен штуцер 33 с гайкой 34, обеспечивающие сопряжение и уплотнение между собой по торцам конусов 12, участков труб 17 и 22 соответственно со шламосборными камерами 11 и штуцерами 7. Штуцер 33 содержит сквозное отверстие 35. Камера 11 в нижней оконечности снабжена продувочным штуцером 36, на который установлен патрубок 27. Верхняя часть шламосборных камер 11 (фиг.1) расположена в сквозных отверстиях днища газохода 37. Посадочные места штуцеров 7 и камер 11 имеют уплотнения 38. Данный паровой котел может быть приспособлен и для работы на отходящих газах двигателя внутреннего сгорания. В этом случае газы подводятся к котлу снизу, объем топочного пространства используется как приемная камера, в верхнюю часть которой переносится входная часть межтрубного пространства газохода, а газоотводный патрубок сообщается с верхней частью наружной обечайки.

Паровой котел используют следующим образом. Воздух от котельного вентилятора (не показан) и топливо от насоса (не показан) подводятся к топочному устройству 16. Образовавшаяся в устройстве 16 топливовоздушная смесь поступает в топку 15 и горит в виде факела с выделением теплоты. Радиационная часть теплоты факела воспринимается поверхностью теплообмена кольцевого притопочного ряда труб 13. В районе нижних участков 17 испарительных труб притопочного ряда 13 продукты сгорания из нижней части топки 15 поступают в межтрубное пространство газохода 18, снабженное горизонтальными 19 и вертикальными 20 перегородками с образованием нескольких последовательных участков газохода 21 (фиг.1) со спирально-кольцевым движением газового потока, как показано стрелками на фиг.2. За счет конвективного теплообмена в межтрубном пространстве газохода температура газов снижается, а теплота передается испарительным трубам 13 и 14. Далее газы из межтрубного пространства верхнего из участков 21 газохода поступают через зазоры межтрубного пространства верхних участков 22 испарительных труб внешнего кольцевого ряда 14 во внешний газоход 23, образованный внешним кольцевым рядом труб 14 и наружной обечайкой котла 24. Здесь происходит окончательный отвод теплоты от газов к стенкам испарительных труб 14. Охлажденные газы отводятся посредством газоотводного патрубка 25, сообщенного с газоходом 23 в районе нижней части наружной обечайки 24, к дымовой трубе (не показана).

Питательную воду подают в пароводяной барабан 1. При подводе теплоты от газов к внешним испарительным трубам 10 образуется пар, который в виде пароводяного потока движется снизу-вверх в пространстве между трубами 10 и 9 (фиг.4 и 5). Этот поток в верхней части труб 10 проходит через кольцевое пространство, образованное трубой 9 и конусом 12 со штуцером 7. Далее пароводяной поток проходит в зазоре между опорными выступами 31 ограждающей муфты 30 и поступает в виде радиальных струй в пароводяной барабан 1. Внутренние трубы 9, заполненные водой и выполняющие функцию опускных труб и анкерных связей, обеспечивают эту циркуляцию воды и пароводяной смеси во внешних обогреваемых трубах 10, а также плотное прижатие и соединение труб 10 с барабаном 1 (через его штуцеры 7), а также обечаек 2 и 3 с верхним днищем 4 и трубной доской 5. При циркуляции потоков вода из пароводяного барабана вначале поступает в полость муфты 30. За счет большего диаметра ее полости по сравнению с внешним диаметром трубы 9 опускная скорость воды на входе в полость меньше подъемной скорости паровых пузырей в объеме пароводяного барабана, что обеспечивает исключение захвата пара в опускной поток воды. Далее вода из полости муфты поступает через сквозные отверстия 29 во внутреннюю полость трубы 9 и опускается к нижней оконечности, где расположены отверстия 32, сообщающие полости труб 9 и 10, и поступает в трубу 10. После образования пара на внутренней поверхности трубы 10 пузыри пара отрываются от стенки и в виде пароводяного потока поднимаются в пространство барабана 1. Так обеспечивается циркуляция воды и пароводяной смеси в котле. Плотность каналов циркуляции обеспечивают путем затяжки гайки 34 на штуцере 33 нижней оконечности трубы 9. Прижимание поверхности шламовой камеры 11 уплотняет внешнюю трубу 10 по обоим торцам вершин ее конусов 12. Труба 9, как анкерная связь, испытывает напряжение растяжения, а труба 10 - напряжение сжатия. Эти напряжения передаются соответственно верхнему днищу барабана 4 через втулку 8 и трубной доске 5 через штуцер 7. Воспринимаются эти напряжения от всех труб 9 в совокупности в конечном итоге как напряжения осевого сжатия обечаек 2 и 3, что обеспечивает уплотнение элементов пароводяного барабана по торцевым уплотнениям 6.

При работе котла механические примеси котловой воды в виде дисперсного шлама движутся совместно с водой по внутренней трубе 9. При резком повороте потока воды от осевого направления к радиальному в районе отверстий 32 примесь шлама выпадает из потока, продолжает движение по инерции в осевом направлении и через отверстие 35 попадает во внутреннюю полость шламосборной камеры 11. Путем открытия клапана нижнего продувания котла (не показан) осуществляют периодическую продувку камер 11 при движении шламовой смеси через штуцер 36, патрубок 27 и трубопровод нижнего продувания 28 в сборник котловой воды (не показан).

Замену изношенных или поврежденных труб 9 и 10 поверхности теплообмена осуществляют в эксплуатации, не прибегая к заводским условиям, следующим образом. В нижней оконечности выполняют демонтаж патрубка 27 и сливают воду из труб, затем отворачивают штуцер 36 и гайку 34. Снимают камеру 11, отворачивают трубу 9 во втулке 8 и опускают совместно трубы 9 и 10 в поддон котла 39 на высоту, равную высоте пароводяного барабана. При демонтаже труб 13 притопочного ряда отводят топочное устройство на шарнирах, обеспечивая свободный доступ в топку 15, отводят верхнюю оконечность труб к оси котла и извлекают трубы в пространство над топочным устройством. При сборке устанавливают уплотнительные прокладки 38 на посадочные места штуцера 7 и камеры 11. Устанавливают новый комплект труб на штатное место. Всю операцию монтажа демонтированных элементов осуществляют в обратной последовательности. При демонтаже труб 14 внешнего ряда снимают технологический элемент (не показан) внешней обечайки 24 и после операции по демонтажу труб 9 и 14 отводят их верхнюю оконечность в сторону, противоположную оси котла, и извлекают трубы во внешнее пространство котла. Операцию монтажа нового комплекта демонтированных труб осуществляют аналогично в обратной последовательности.

При необходимости вскрытия пароводяного барабана для освидетельствования или осмотра необходимо выполнить операции по демонтажу всех труб поверхности теплообмена котла. В этом случае верхнее днище 4, трубная доска 5 и внутренняя обечайка 2 могут быть извлечены для осмотра или ремонта. При монтаже котла необходимо установить прокладки на всех разъемных соединениях и обеспечить их уплотнение. После операции опрессовки на плотность и прочность соединений котел может быть запущен в работу.