(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (13) (51) T3 Int.Cl. F22B 21/34 ( ) F22B 29/06 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 2017/20 EP B1 (54) Tytuł wynalazku: Przelotowa wytwornica pary w konstrukcji kotła dwuciągowego (30) Pierwszeństwo: DE (43) Zgłoszenie ogłoszono: w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2016/18 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 2017/12 (73) Uprawniony z patentu: Siemens Aktiengesellschaft, München, DE (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP T3 JOACHIM BRODESSER, Nürnberg, DE MARTIN EFFERT, Erlangen, DE TOBIAS SCHULZE, Erlangen, DE (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Małgorzata Trejgis JWP RZECZNICY PATENTOWI DOROTA RZĄŻEWSKA SP. J. ul. Żelazna 28/30 Sienna Center Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 30792/17/ZWA/MT EP Opis Przelotowa wytwornica pary w konstrukcji kotła dwuciągowego [0001] Wynalazek dotyczy przelotowej wytwornicy pary według części przedznamiennej zastrzeżenia 1. [0002] Wynalazek odnosi się konkretnie do przelotowych wytwornic pary do elektrowni, z komorą spalania o zasadniczo prostokątnym przekroju poprzecznym i umieszczonym za komorą spalania po stronie gazów spalinowych poziomym ciągiem gazu, do którego można podłączyć kolejny pionowy ciąg gazu. Taka konstrukcja, zwana także kotłem dwuciągowym jest znana przykładowo z EP A1 i z US B1. Zespawane ze sobą rury wytwornicy pary, przez które przepływa medium przepływowe stanowią przy tym zarówno gazoszczelne ściany okalające, jak i przepuszczające gaz ściany kratowe przelotowej wytwornicy pary. Odpowiednio umieszczone i połączone z rurami wytwornicy pary kolektory pozwalają na kształtowanie różnych segmentów powierzchni grzejnych z grup podłączonych równolegle rur wytwornicy pary ścian okalających. Przy tym rury przelotowej wytwornicy pary mogą częściowo lub na całej długości być umieszczone pionowo lub prostopadle i/lub w formie śruby czy spirali. Do tego przelotowa wytwornica pary może też być ukształtowana jako wytwornica pary z wymuszonym obiegiem. [0003] Z DE A1 znana jest orurowana pionowo przelotowa wytwornica pary, zwana kotłem jednociągowym lub wieżowym. Tutaj orurowanie ścian okalających jest podzielone na dolny i górny odcinek, które są połączone ze sobą kolektorem przelotowym. Co prawda kolektor przelotowy powoduje całkowite wyrównanie ciśnienia między rurami wytwornicy pary, ale bez dalszych działań następuje niepełne przemieszanie medium przepływowego. Różnice temperatury lub entalpii u wylotu rur wytwornic pary w dolnym odcinku są w kolektorze przelotowym tylko częściowo wyrównywane i dlatego medium jest kierowane do rur wytwornicy pary w górnym odcinku częściowo nieprzemieszane. Ale ponieważ w rurach wytwornicy pary górnego odcinka jest trudna sytuacja grzewcza, miejscowe różnice temperatury medium przepływowego w rurach wytwornicy pary mogą dalej się nasilać w obrębie ścian okalających i w ten sposób w pewnych okolicznościach mogą osiągać niedopuszczalnie wysokie wartości. Gdy wartości temperatury przekroczą temperaturę zapłonu materiału lub wskutek wysokich wartości temperatury dojdzie do niedopuszczalnie wysokich naprężeń materiału, mogą wystąpić uszkodzenia ścian okalających, czego należy unikać, aby eksploatacja elektrowni była bezpieczna. [0004] Dlatego w DE A1 proponuje się dla wytwornicy pary z przymusowym przelotem z równoległymi rurami wytwornicy pary w górnym odcinku taki wybór parametrów wykonania dla tych rur, by przy pełnym obciążeniu wytwornicy pary średnia gęstość strumienia nie była niższa od 1200 kg/m2s. Ale osiągnięta w ten sposób równomierność rozdziału strumienia i unikanie zastoju w górnym pionowym orurowaniu może w pewnych okolicznościach nie wystarczyć jako środek zredukowania lokalnych kryzysów temperatury na tyle, by można było stosować zwykłe materiały, takie jak np.

3 - 2-13CrMo45 (T12). Wtedy w takich przypadkach mogą mieć zastosowanie materiały wysokostopowe. Na przykład dyskutuje się użycie lub używa się na ściany okalające, zwłaszcza górnego odcinka takich materiałów, jak 7CrWVMoNb9-6 (T23) lub 7CrMoVTiB10-10 (T24), przy czym w przypadku tych materiałów do bezpiecznej eksploatacji przelotowej wytwornicy pary i całej elektrowni trzeba położyć szczególny nacisk na niezawodność i odporność połączeń spawanych. [0005] Zadaniem wynalazku jest przygotowanie przelotowej wytwornicy pary, która pokonuje wyżej opisane wady. [0006] To zadanie zostało rozwiązane za pomocą przelotowej wytwornicy pary o cechach zastrzeżenia 1. [0007] Według wynalazku proponuje się dla przelotowej wytwornicy pary, wykonanej jako kocioł dwuciągowy z umieszczonym za komorą spalania po stronie gazów spalinowych poziomym ciągiem gazu, nowy rodzaj połączenia rur wytwornicy pary. Zwykle w przypadku takich kotłów dwuciągowych w górnym obszarze komory spalania rury wytwornicy pary ściany przedniej, tylnej i ścian bocznych są połączone równolegle. Wtedy rury wytwornicy pary tylnej ściany są przedzielone przykładowo powierzchnią ściany tylnej, przy czym jedna część tworzy wierzchołek i dno poziomego ciągu gazu i kratę na końcu poziomego ciągu gazu, a druga część przebiega za wierzchołkiem nieogrzana i potem dalej u góry tworzy kratę przy przejściu z komory spalania do poziomego ciągu gazu. W nowym rodzaju połączenia pierwsze kolektory są tak umieszczone i połączone, że medium przepływowe, przepływające przez rury wytwornicy pary można domieszać z pierwszych segmentów powierzchni grzejnych dwóch równoległych pierwszych ścian okalających z dolnego obszaru komory spalania do medium przepływowego z drugich segmentów powierzchni grzejnych drugich ścian okalających, prostopadłych do pierwszych ścian okalających i w ten sposób można osiągnąć wzrost gęstości strumienia i równomierność temperatur. [0008] Jeśli drugie ściany okalające to ściana przednia i utworzona z tylnej ściany, wierzchołka i kraty tylna ściana górnego obszaru komory spalania, a pierwsze ściany okalające to dwie boczne ściany dolnego obszaru komory spalania, to strumień, dostępny do chłodzenia rur dla górnej ściany przedniej i dla ściany tylnej znacznie wzrasta, gdyż teraz jest do dyspozycji dodatkowo oprócz strumienia z dolnej ściany przedniej i tylnej domieszany strumień z dwóch dolnych ścian bocznych. Przy większym strumieniu można zwiększyć gęstość strumienia w rurach wytwornicy pary segmentów powierzchni grzejnych ściany przedniej i tylnej, dzięki czemu poprawia się chłodzenie tych ścian okalających. Do tego ciepło, doprowadzone do tych segmentów powierzchni grzejnych z powodu większego strumienia medium przepływowego prowadzi do mniejszego wzrostu temperatury. W ten sposób właśnie przy ścianach okalających w górnym obszarze komory spalania, a zwłaszcza przy przedniej ścianie kotłów dwuciągowych, które zwykle mają bardzo wysoki pobór ciepła, dzięki wyższej gęstości strumienia można osiągnąć równomierność temperatury na wlocie, a tym samym znacznie zwiększyć bezpieczeństwo eksploatacji.

4 - 3 - [0009] W jednej z korzystnych form dalszego rozwoju wynalazku drugie kolektory przelotowe i co najmniej jedna rura opadowa są tak umieszczone i połączone, że medium przepływowe z drugich ścian okalających górnego obszaru komory spalania doprowadza się do trzecich segmentów powierzchni grzejnych ścian okalających górnego obszaru komory spalania. W idealnym przypadku medium przepływowe zbiera się w odpowiednich kolektorach u wylotu górnej ściany przedniej i kraty na końcu poziomego ciągu gazu i jest doprowadzane przez dwie rury opadowe odpowiednio do każdej z dwóch górnych ścian bocznych, do kraty wylotowej komory spalania i do bocznych ścian poziomego ciągu gazu. [0010] Przy tym pierwsze kolektory przeważnie są tak połączone, że medium przepływowe z segmentów powierzchni grzejnych jest doprowadzane lub mieszane z narożnych obszarów pierwszych ścian okalających z dolnego obszaru komory spalania do środkowych obszarów drugich ścian okalających górnego obszaru komory spalania. Przy tym u wylotu dolnych ścian bocznych zimniejsze medium przepływowe można doprowadzać do cieplejszych obszarów środkowych górnej ściany przedniej lub tylnej. Cieplejsze medium przepływowe ze środka ścian bocznych jest mieszane z zimniejszymi strefami obszarów krawędzi przedniej lub tylnej ściany. Przez mieszanie osiąga się równomierność temperatury medium przepływowego. [0011] Ogólnie za pomocą wynalazku można znacznie zwiększyć strumień dostępny do chłodzenia, zwłaszcza dla górnej ściany przedniej i tylnej. Za pomocą większego strumienia można zwiększyć gęstość strumienia w rurach wytwornicy pary, co poprawia chłodzenie. Dalej ciepło, doprowadzone do obu ścian z powodu większego strumienia medium przepływowego prowadzi do mniejszego wzrostu temperatury. W rurach opadowych z prądem kolektorów wylotowych od ściany przedniej i tylnej lub kraty poziomego ciągu gazu można zakładać całkowite wymieszanie. Ponieważ w wyniku tego nie ma kryzysów temperatury na wcześniejszych powierzchniach grzejnych u wlotu górnych ścian bocznych, u ich wylotu z uwzględnieniem trudnej sytuacji grzewczej na powierzchni grzejnej powstają niższe maksymalne temperatury wyjściowe w porównaniu ze zwykłym połączeniem rur wytwornicy pary, mimo że średnia temperatura wejściowa wzrosła przez ciepło, pobrane przez przednią i tylną ścianę. [0012] Wynalazek jest przykładowo objaśniony za pomocą figury. Przedstawiono tu schematycznie widok z boku możliwego przykładu wykonania przelotowej wytwornicy pary według wynalazku. Przelotowa wytwornica pary zawiera komorę spalania 1 z dolnym 11 i górnym 12 obszarem komory spalania, przy czym z górnym obszarem komory spalania 12 łączy się poziomy ciąg gazu 2. Wtedy z poziomym ciągiem gazu może się łączyć nieprzedstawiony bliżej pionowy ciąg gazu. W dolnym obszarze komory spalania 11 przewidziano pewną liczbę niepokazanych bliżej palników, które spalają w komorze spalania 1 paliwo ciekłe, stałe lub gazowe. Wytworzone wskutek spalania gazy spalinowe płyną potem do górnego obszaru komory spalania 12, a stamtąd do poziomego ciągu gazu 2. Ściany okalające komory spalania i poziomego ciągu gazu 2 są utworzone z zespawanych gazoszczelnie ze sobą rur wytwornicy pary 10, do których niepokazana bliżej pompa pompuje medium przepływowe przeważnie wodę, która jest ogrzewana wytworzonymi przez palniki

5 - 4 - gazami spalinowymi. W dolnym obszarze komory spalania 11 rury wytwornicy pary 10 mogą być częściowo lub na całej długości ustawione pionowo, prostopadle i/lub w formie śruby czy spirali. Co prawda przy układzie spiralnym są wymagane stosunkowo wyższe nakłady konstrukcyjne, dlatego powstające różnice w ogrzewaniu między połączonymi równolegle rurami wytwornicy pary są stosunkowo mniejsze niż przy wyłącznie pionowym orurowaniu komory spalania 1. Dalej pokazana przelotowa wytwornica pary obejmuje w celu poprawy przewodzenia gazów spalinowych wierzchołek N, utworzony z rur wytwornicy pary tylnej ściany R i wchodzący w komorę spalania. Rury wytwornicy pary ścian komory spalania są wykonane jako rury parownika. Medium przepływowe paruje w nich i jest doprowadzane przez kolektory wylotowe 32, 36 i 40 na górnym końcu komory spalania do systemu separacji wody 5. W systemie separacji wody 5 zbiera się nieodparowana jeszcze woda i jest z niego odprowadzana. Jest to konieczne zwłaszcza w trybie rozruchu, gdy w celu bezpiecznego chłodzenia rur wytwornicy pary trzeba wpompować większą ilość medium przepływowego, niż może wyparować w przebiegu przez rury. Tak wytworzona para jest kierowana do kolektorów wlotowych 6 podłączonych dalej rur przegrzewu 7, które tutaj tworzą sufit przelotowej wytwornicy pary. [0013] Przy tym kolektory, zwykle umieszczone w obszarze przejścia od dolnej komory spalania 11 do górnej komory spalania 12 i połączone jako kolektory przelotowe tworzą miejsce oddzielenia rur wytwornicy pary dolnego i górnego obszaru komory spalania 11 i 12. Tutaj właśnie zaczyna się wynalazek. Według wynalazku przewidziano, że w tym miejscu oddzielenia pierwsze kolektory 31, 33 i 34 są tak umieszczone i połączone, że medium przepływowe z pierwszych segmentów powierzchni grzejnych H1 i H2 dwóch równoległych ścian bocznych S jako pierwszych ścian okalających dolnego obszaru komory spalania 11 jest mieszane z medium przepływowym z drugich segmentów powierzchni grzejnych H9 i H10 przedniej i tylnej ściany F i R górnego obszaru komory spalania 12 jako drugich ścian okalających. Przy tym należy pamiętać, że w górnym obszarze komory spalania 12 orurowanie tylnej ściany R przechodzi bezszwowo nad pierwszymi kolektorami 31 w obszar, ukształtowany jako wierzchołek N, a potem w kratę G u wylotu poziomego ciągu gazu 2 i w ten sposób razem tworzą segmenty powierzchni grzejnych H10 tylnej ściany. Oznacza to, że tutaj z medium przepływowym, wydobywającym się z segmentów powierzchni grzejnych H7 i H8 dolnego obszaru komory spalania 11 jest mieszane w górnym obszarze komory spalania 12 dodatkowe medium przepływowe z bocznych segmentów powierzchni grzejnych H1 i H2 dolnego obszaru komory spalania 11 i w ten sposób w górnym obszarze komory spalania 12 w segmentach powierzchni grzejnych H9 i H10 przedniej ściany i utworzonej z R, N i G tylnej ściany zwiększa się strumień medium przepływowego. Ponieważ wedle wszelkich reguł komory spalania w elektrowniach mają prostokątny przekrój poprzeczny, zatem przednia i tylna ściana są umieszczone prostopadle do równoległych ścian bocznych. Wraz z kolejnymi ścianami sufitowymi i bocznymi tworzą one wtedy ściany okalające komory palników i podłączonego za nią od strony gazów spalinowych poziomego ciągu gazu. Do tego w tym przykładzie wykonania u wylotu ściany przedniej F i kraty G przewidziano kolektory 35 i 37, ukształtowane jako kolektory wylotowe na górnym końcu górnego obszaru komory spalania 12 i każdy z nich jest tak połączony z odpowiednią rurą opadową 4 z każdej strony

6 - 5 - równoległych ścian bocznych S, że medium przepływowe z drugich segmentów powierzchni grzejnych H9 drugiej ściany okalającej F górnego obszaru komory spalania 12 i H10 tylnej ściany R, wierzchołka N i kraty G poziomego ciągu gazu 2 jest doprowadzane do trzecich segmentów powierzchni grzejnych H3-H5 bocznych ścian okalających S górnego obszaru komory spalania i /lub do czwartych segmentów powierzchni grzejnych H6 bocznych ścian okalających poziomego ciągu gazu 2 i/lub przez kolektor 36' do kraty wylotowej komory spalania ZG, umieszczonej w przejściu między górnym obszarem komory spalania 12 a poziomym ciągiem gazu. Potem medium przepływowe przepływa przez te segmenty powierzchni grzejnych z dołu do góry, zbiera się w kolektorach 32, 36 i 40 i jest doprowadzane do systemu separacji wody 5. [0014] Do tego w pokazanej tutaj korzystnej formie wykonania rury wytwornicy pary 10 segmentów powierzchni grzejnych H1 z narożnych obszarów ścian dolnego obszaru komory spalania 11 są połączone kolektorami przelotowymi 31 i 33 z segmentami powierzchni grzejnych z nieprzedstawionych bliżej środkowych obszarów przedniej ściany okalającej i tylnej ściany okalającej górnego obszaru komory spalania 12. Odpowiednio rury wytwornicy pary 10 segmentów powierzchni grzejnych H2 ze środkowych obszarów ścian dolnego obszaru komory spalania 11 są połączone kolektorami 31 i 34 z segmentami powierzchni grzejnych z narożnych obszarów przedniej ściany okalającej i górnej tylnej ściany. Segmentacja przedniej ściany F i tylnej ściany lub tylnej ściany, utworzonej z części tylnej ściany R górnego obszaru komory spalania 12, wierzchołka N i kraty G nie jest widoczna na figurze, gdyż przedstawia ona widok z boku, ale może być podobna do segmentacji pokazanych ścian bocznych na odpowiednie segmenty powierzchni grzejnych. [0015] Połączenie rur wytwornicy pary i kolektorów według wynalazku jest korzystne zwłaszcza w odniesieniu do chłodzenia ścian okalających i do kryzysów termicznych w górnym obszarze komory spalania 12. Wyższa gęstość strumienia poprawia wewnętrzne przekazywanie ciepła. Mniejsza różnica w nagrzaniu przedniej i tylnej ściany z następującym po niej wierzchołkiem, dnem poziomego ciągu gazu i kratą prowadzi do niższej temperatury wyjściowej. Do tego dochodzi pozytywny efekt celowego mieszania medium przepływowego z bocznych ścian na wlocie górnej przedniej i tylnej ściany. To połączenie jest też korzystne dla bocznych ścian w górnym obszarze komory spalania 12, gdyż medium przepływowe na wlocie zostało całkowicie wymieszane i tym samym nie należy już zakładać kryzysów termicznych w kolektorach wlotowych. Połączenie rur wytwornicy pary komory spalania przelotowej wytwornicy pary, ukształtowanej jako kocioł dwuciągowy według wynalazku co prawda oznacza dodatkowe nakłady konstrukcyjne na rurociągi między dolnymi kolektorami wylotowymi ścian bocznych a górną ścianą przednią i tylną i dodatkowe kolektory na wlocie górnych ścian bocznych. Ale połączenie według wynalazku pozwala w dużym stopniu na uniknięcie użycia materiałów T23 i T24 i związanych z tym trudności w obróbce, a do tego połączenie według wynalazku umożliwia też takie stany eksploatacyjne elektrowni, w których przelotowa wytwornica pary lub też przelotowa wytwornica pary, ukształtowana jako wytwornica pary z wymuszonym obiegiem ma być eksploatowana z wyższą temperaturą pary świeżej w zakresie 600 C 700 C. Można to zasadniczo osiągnąć przez każdy rodzaj połączenia segmentów powierzchni grzejnych, który powoduje miejscowe mieszanie medium

7 - 6 - przepływowego. W ten sposób można byłoby przewidzieć układ, w którym mieszane jest medium przepływowe z segmentów powierzchni grzejnych przedniej i tylnej ściany F i R z dolnego obszaru komory spalania 11 i z segmentów powierzchni grzejnych bocznych ścian S z górnego obszaru komory spalania 12.

8 - 7 - Zastrzeżenia patentowe 1. Przelotowa wytwornica pary z komorą spalania (1) o zasadniczo prostokątnym przekroju poprzecznym z dolnym i górnym obszarem komory spalania (11, 12), umieszczonym za komorą spalania (1) od strony gazów spalinowych poziomym ciągiem gazu (2), gdzie gazoszczelne i przepuszczające gaz ściany okalające (S, F, R, N, G) przelotowej wytwornicy pary są całkowicie lub częściowo utworzone z zespawanych ze sobą rur wytwornicy pary (10), przez które przepływa medium przepływowe i gdzie kolektory (31-40) są tak umieszczone i połączone z rurami wytwornicy pary, że grupy połączonych równolegle rur wytwornicy pary tworzą segmenty powierzchni grzejnych (H1-H10) ścian okalających (S, F, R, N, G), znamienna tym, że pierwsze kolektory przelotowe (31, 33, 34) są tak umieszczone i połączone, że medium przepływowe można domieszać z pierwszych segmentów powierzchni grzejnych (H1, H2) dwóch równoległych pierwszych ścian okalających z dolnego obszaru komory spalania (11) do medium przepływowego z drugich segmentów powierzchni grzejnych (H9, H10) drugich ścian okalających, prostopadłych do pierwszych ścian okalających z górnego obszaru komory spalania (12). 2. Przelotowa wytwornica pary według zastrz. 1, znamienna tym, że drugie ściany okalające to ściana przednia (F) i utworzona z części tylnej ściany (R), wierzchołka (N) i kraty (G) tylna ściana górnego obszaru komory spalania (12), a do tego pierwsze ściany okalające to dwie boczne ściany (S) dolnego obszaru komory spalania (11). 3. Przelotowa wytwornica pary według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że drugie kolektory (35, 37) i co najmniej jedna rura opadowa (4) są tak umieszczone i połączone, że medium przepływowe z drugich obszarów powierzchni grzejnych (H9, H10) drugich ścian okalających górnego obszaru komory spalania (12) doprowadza się do trzecich segmentów powierzchni grzejnych (H3-H5) pierwszych ścian okalających górnego obszaru komory spalania (12). 4. Przelotowa wytwornica pary według zastrz. 3, znamienna tym, że medium przepływowe doprowadza się przez co najmniej jedną rurę opadową (4) do czwartych segmentów powierzchni grzejnych (H6) bocznych ścian okalających poziomego ciągu gazu (2) i/lub do kraty wylotowej komory spalania (ZG) w przejściu między górnym obszarem komory spalania (12) a poziomym ciągiem gazu (2). 5. Przelotowa wytwornica pary według jednego z zastrzeżeń 1 do 4, znamienna tym, że pierwsze kolektory (31, 33, 34) są tak połączone, że medium przepływowe z segmentów powierzchni grzejnych jest doprowadzane lub mieszane z narożnych obszarów pierwszych ścian okalających z dolnego obszaru komory spalania (11) do środkowych obszarów drugich ścian okalających górnego obszaru komory spalania (12). 6. Przelotowa wytwornica pary według jednego z zastrzeżeń 1 do 5, znamienna tym, że pierwsze kolektory (31, 33, 34) są tak połączone, że medium przepływowe z segmentów powierzchni grzejnych jest doprowadzane lub mieszane ze środkowych obszarów pierwszych ścian okalających z dolnego obszaru komory spalania (11) do narożnych obszarów drugich ścian okalających górnego obszaru komory spalania (12).

9 - 8 -