способ управления работой утилизационной паровой котельной установки и система для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ управления работой утилизационной паровой котельной установки, содержащей замкнутый циркуляционный контур, в который последовательно включены утилизационный котел, сепаратор пара и циркуляционный насос, трубопровод для подачи в контур питательной воды, а также паровую магистраль, к которой через невозвратные клапаны подключены паровое пространство сепаратора пара и резервные источники пара, включающий измерение уровня воды в сепараторе пара и подачу воды в сепаратор в количестве, необходимом для поддержания постоянным нормального уровня воды в нем, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности в работе паровой котельной установки в условиях существенно меняющейся интенсивности обогрева утилизационного котла, контролируют наличие нагрузки утилизационной котельной установки по пару и в случае ее отсутствия прекращают подачу питательной воды, допуская изменение уровня воды в сепараторе.

2. Система для управления работой утилизационной паровой котельной установки, имеющей замкнутый циркуляционный контур, в котором последовательно включены утилизационный котел, сепаратор пара и циркуляционный насос, питательный насос с пускателем и трубопроводом подвода питательной воды к сепаратору пара и резервный источник пара, подключенный вместе с сепаратором через невозвратные стопорные клапаны к главному паропроводу, содержащая датчик уровня воды в сепараторе пара, выход которого подключен к регулирующему клапану, установленному на трубопроводе подвода питательной воды к сепаратору пара, отличающаяся тем, что она содержит датчик давления пара в сепараторе, подключенный к пускателю питательного насоса или регулирующему клапану.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетическим установкам, содержащим по крайней мере один утилизационный котел с принудительной циркуляцией, в частности к котельным установкам теплоходов и газотурбоходов, охладителям конверторных газов, а также другим котельным установкам, для которых хотя бы на части режимов характерной является работы в условиях меняющейся интенсивности обогрева утилизационных котлов.

Известны утилизационные котельные установки, содержащие по крайней мере один утилизационный котел с принудительной циркуляцией, сепаратор пара, питательный и циркуляционный насосы [1] Сепаратор пара такой котельной установки представляет собой сосуд, водяное пространство которого должно воспринимать возможные изменения уровня воды, возникающие при работе утилизационного котла. Наибольшие изменения уровня воды наблюдаются при значительных изменениях интенсивности обогрева котла. При увеличении интенсивности обогрева котла, вызывающем смену водогрейного режима работы на парообразующий, например при разводке котла, в результате вскипания большая часть воды (от 70 до 85%), содержащейся в трубной системе котла, вытесняется в сепаратор. Для приема этой воды в паровом пространстве сепаратора пара предусматривается дыхательный объем. При внезапном уменьшении интенсивности обогрева котла его трубная часть заполняется водой, что приводит к существенному уменьшению уровня воды в сепараторе пара.

В случае использования утилизационного котла, обогреваемого источником газа переменной интенсивности, для надежного обеспечения паром потребителей в составе котельной установки предусматриваются резервные источники пара, которые также как и сепаратор пара утилизационного котла подключены к главной паровой магистрали через невозвратные стопорные клапаны.

Известна котельная установка, предназначенная для использования теплоты конвеpторных газов, а также способ управления и система для реализации этого способа управления работой котельной установки в условиях меняющейся интенсивности обогрева утилизационного котла [2] Для уменьшения расхода холодной воды для подпитки при уменьшении интенсивности обогрева утилизационного котла в сепараторе пара предусматривают выделение с помощью вертикальной перегородки части водяного пространства, представляющего водяной аккумулятор со сливной трубой, подключенной к всасывающей линии циркуляционного насоса. При управлении установкой в случае уменьшения интенсивности обогрева утилизационного котла опоражнивают аккумулятор путем откачивания воды из него циркуляционным насосом. При последующем увеличении обогрева утилизационного котла аккумулятор заполняется водой, вытесняемой из тpубной системы котла.

Недостатком этого способа управления утилизационной котельной установки является то, что обеспечение более стабильной работы питательной системы достигается без контроля экономичности и надежности котла в работе.

Известен способ управления работой котельной установки и известна система для его реализации [3]

Способ управления работой утилизационной котельной установки заключается в том, что измеряют уровень воды в сепараторе пара, а питательную воду подают в сепаратор в количестве, необходимом для поддержания постоянным нормального уровня воды в нем. Этот способ управления осуществляется системой, содержащей замкнутый циркуляционный контур, в который последовательно включены утилизационный котел, сепаратор пара и циркуляционный насос, снабженный пускателем, питательный насос, сообщенный с контуром циркуляции питательным трубопроводом, а также датчик уровня воды в сепараторе пара, выход которого подключен к устройству для изменения расхода питательной воды, например к установленному на питательном трубопроводе регулирующему клапану, или пускателю питательного насоса.

Недостатком такого способа управления работой утилизационной котельной установки и системы управления для его реализации является снижение надежности при ее работе на режимах, для которых характерны внезапные значительные изменения интенсивности обогрева утилизационного котла, приводящие к смене парообразующего и водогрейного режимов его работы. Так, в случае уменьшения интенсивности обогрева утилизационного котла, когда он вместо пароводяной смеси заполняется водой, имеет место неизбежное снижение уровня воды в сепараторе пара, так как производительность циркуляционного насоса значительно (обычно в 2-8 раз) больше производительности питательного насоса. Как следствие этого, в сепаратор пара единовременно подается большое количество относительно холодной питательной воды, что вызывает понижение температуры стенок сепаратора пара, коллекторов и труб котла. В случае увеличения интенсивности обогрева котла имеет место переход его с водогрейного режима работы на парообразующий, сопровождающийся вытеснением большого количества воды в паровое пространство сепаратора. Если по условиям работы котельной установки утилизационные котлы длительное время работают в условиях существенно переменной интенсивности обогрева, например утилизационные котлы ледоколов, судов ледового плавания, паромов, буксиров и т.д. колебания температуры стенок коллекторов и труб носят циклический характер и появляется опасность разрушения их от малоцикловой установки. Кроме того, питательная система должна обладать необходимой емкостью, допускающей изменение расхода воды в широком диапазоне.

Цель изобретения повышение надежности в работе паровой котельной установки в условиях существенно меняющейся интенсивности обогрева утилизационного котла.

Поставленная цель достигается тем, что при управлении работой паровой котельной установки, содержащей утилизационный котел с многократной принудительной циркуляцией, контролируют наличие нагрузки утилизационной котельной установки по пару и в случае ее отсутствия прекращают подачу питательной воды, допуская изменение уровня воды в сепараторе.

Для осуществления предлагаемого способа предлагается система управления.

Для этого известная система управления работой утилизационной паровой котельной установки содержит датчик давления пара, подключенный к паровому пространству сепаратора пара, причем выход упомянутого датчика давления подключен к устройству прекращения подачи питательной воды к сепаратору пара, например к пускателю питательного насоса.

Предлагаемое техническое решение содержит новые существенные признаки по сравнению с прототипом. Следовательно, оно соответствует критерию изобретения "Новизна".

В известных науке и технике технических решениях не обнаружена совокупность отличительных признаков заявляемого технического решения, проявляющих аналогичные свойства и позволяющих получить положительных эффект, который находит свое отражение в поставленной цели. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения "Существенные отличия".

Положительный эффект при использовании предлагаемого технического решения проявляется при наличии всей совокупности признаков (как новых, так и известных). Совокупность всех признаков позволяет обеспечить поставленную цель, а именно: повысить надежность работы утилизационной паровой котельной установки в условиях меняющейся интенсивности обогрева утилизационного котла. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения "Положительный эффект".

Предлагаемый способ управления работой утилизационной паровой котельной установки, содержащей замкнутый циркуляционный контур, в который последовательно включены утилизационный котел, сепаратор пара и циркуляционный насос, трубопровод для подачи в контур питательной воды, а также паровую магистраль, к которой через невозвратные клапаны подключены паровое пространство упомянутого сепаратора пара и резервные источники пара, заключается в том, что измеряют уровень воды в сепараторе пара, питательную воду подают в сепаратор в количестве, необходимом для поддержания постоянным нормального уровня воды в нем. Для повышения надежности в работе паровой котельной установки в условиях существенно меняющейся интенсивности обогрева утилизационного котла контролируют наличие нагрузки утилизационной котельной установи по пару и в случае ее отсутствия прекращают подачу питательной воды, допуская изменение уровня воды в сепараторе пара.

На фиг.1 изображена схема установки, осуществляющей предлагаемый способ управления.

Установка содержит циркуляционный контур утилизации тепла, включающий утилизационный котел 1, обогреваемый выпускными газами двигателя внутреннего сгорания, газотурбинного двигателя или другого источника, сепаратор пара 2, циркуляционный насос 3, всасывающая магистраль которого соединена с водяным пространством сепаратора пара 2 трубопроводом 4, а нагнетательная с утилизационным котлом 1 трубопроводом 5. Водяное пространство сепаратора пара 2 соединено с питательным насосом 6 через трубопровод 7 и регулирующий клапан 8, соединенный с датчиком 9 контроля уровня воды в сепараторе пара 2. Установка содержит также резервный источник пара, например котел 10 на жидком топливе, оборудованный форсункой 11. Паровые пространства сепаратора пара 2 и котла на жидком топливе 10 через невозвратные стопорные клапаны 12 и 13 подключены к паровой магистрали 14, соединенной с потребителями пара. К паровому пространству сепаратора пара 2 подключен датчик давления 15, выход которого соединен с пускателем 16 питательного насоса 6. В зависимости от реализуемого закона управления и состава применяемой аппаратуры возможны также другие способы подключения выходов датчика 9 контроля уровня воды и датчика давления 15 к устройствам изменения расхода питательной воды регулирующему клапану 8 и пускателю 16 питательного насоса 6. Например, при двухпозиционном регулировании уровня воды в сепараторе пара к пускателю 16 питательного насоса 6 могут быть подключены одновременно как датчик 9 уровня воды, так и датчик давления 15 (на фиг.1 не показано).

Предлагаемое техническое решение реализуется следующим образом.

При работе котельной установки на режиме, близком к расчетному, из сепаратора пара 2 циркуляционным насосом 3 подают воду к утилизационному котлу 1, где она подогревается, а также частично испаряется за счет теплоты выхлопных газов, омывающих его поверхность нагрева, и в виде пароводяной смеси поступает в сепаратор пара 2, где происходит разделение пара и воды. В водяное пространство сепаратора пара 2 питательным насосом 6 через трубопровод 7 и регулирующий клапан 8 подается питательная вода. Количество подаваемой питательной воды определяется степенью открытия регулирующего клапана 8, получающего сигнал от датчика 9 контроля уровня воды в сепараторе пара 2. Пар из парового пространства сепаратора пара 2 через невозвратный стопорный клапан 12 направляется к главному паропроводу 14, к которому подключены потребители. Давление пара в сепараторе поддерживается системой регулирования, осуществляющей сброс излишков пара в конденсатор, перепуск греющих газов мимо котла, отключение части поверхности нагрева котла и т.д. (не показано).

Для приоритетного подключения под нагрузку утилизационного котла система стабилизации давления пара в нем настроена на более высокое давление, чем система стабилизации давления в котле на жидком топливе 10. Если нагрузка утилизационного котла по пару превышает его производительность, то давление пара в нем уменьшается и под нагрузку подключается также котел на жидком топливе 10. В случае уменьшения интенсивности обогрева утилизационного котла 1 испарение в нем прекращается и он вместо пароводяной смеси начинает заполняться водой. Уровень воды в сепараторе пара 2 уменьшается, что приводит к выработке датчиком 9 сигнала на открытие регулирующего клапана 8 и подачу в сепаратор пара 2 максимального количества питательной воды. При этом вследствие уменьшения паропроизводительности уменьшается нагрузка утилизационной котельной установки по пару. Наличие нагрузки утилизационной котельной установки контролируют с помощью датчика 15 давления пара в сепараторе 2. При снижении давления пара в сепараторе 2 до значения меньшего, чем рабочее давление пара в котле 10 на жидком топливе, когда расход пара через невозвратный стопорный клапан 12 невозможен и нагрузка утилизационной котельной установки по пару отсутствует, датчик давления 15 вырабатывает управляющий сигнал на прекращение подачи питательной воды путем отключения питательного насоса 6. Таким образом, в случае отсутствия нагрузки утилизационной котельной установки подачу питательной воды в сепаратор пара 2 прекращают, допуская изменение уровня воды в нем.

После заполнения трубной части утилизационного котла 1 водой падение уровня воды в сепараторе пара прекращается и в течение всего последующего времени работы утилизационной котельной установки без нагрузки суммарная масса находящейся в ней воды сохраняется постоянной, так как подача питательной воды в нее не производится.

В момент возобновления работы утилизационной котельной установки под нагрузкой (это возможно только после того, как утилизационный котел 1 снова начнет работать в парообразующем режиме, когда часть воды из него вытеснена паром в сепаратор 2 и уровень воды в сепараторе пара 2 близок к нормальному) производят подачу питательной воды в сепаратор пара 2 в количестве, необходимом для стабилизации заданного уровня воды в нем. В данной установке это достигается тем, что датчик 9 контроля уровня воды в сепараторе пара 2 вырабатывает управляющий сигнал на открытие регулирующего клапана 8 подачи питательной воды. В зависимости от аппаратурного обеспечения отсутствие нагрузки утилизационной котельной установки в предлагаемой системе управления может устанавливаться по результатам сравнения текущих значений давлений в сепараторе пара 2 и котле 10 на жидком топливе. В этом случае вместо датчика 15 давления пара управляющий сигнал вырабатывается датчиком перепада давления в сепараторе 2 и котле 10, либо двумя датчиками давления в сепараторе 2 и котле 10, сигналы которых сравниваются.

Предлагаемый способ может быть также реализован установкой, в которой наличие нагрузки утилизационного котла по пару контролируется непосредственно (см. фиг.2).

Установка содержит циркуляционный контур утилизации тепла, включающий утилизационный котел 1, обогреваемый выпускными газами двигателя внутреннего сгорания, газотурбинного двигателя или другого источника, сепаратор пара 2, циркуляционный насос 3, всасывающая магистраль которого соединена с водяным пространством сепаратора пара 2 трубопроводом 4, а нагнетательная с утилизационным котлом 1 трубопроводом 5. Водяное пространство сепаратора пара 2 соединено с питательным насосом 6 через трубопровод 7 и регулирующий клапан 8, соединенный с датчиком 9 контроля уровня воды в сепараторе пара 2. Установка содержит также резервный источник пара, например котел 10 на жидком топливе, оборудованный форсункой 11. Паровые пространства сепаратора пара 2 и котла на жидком топливе 10 через невозвратные стопорные клапаны 12 и 13 подключены к паровой магистрали 14, соединенной с потребителями пара. На трубопроводе расхода пара из сепаратора 2 установлено дроссельное устройство 15, снабженное датчиком 16 перепада давления, выход которого подключен к пускателю 17 питательного насоса 6.

Управление установкой осуществляют следующим образом.

При работе котельной установки на режиме, близком к расчетному, в водяное пространство сепаратора пара 2 питательным насосом 6 через трубопровод 7 и регулирующий клапан 8 подается питательная вода. Количество подаваемой питательной воды определяется степенью открытия регулирующего клапана 8, получающего сигнал от датчика 9 контроля уровня воды в сепараторе пара 2. В случае уменьшения интенсивности обогрева утилизационного котла 1 испарение в нем уменьшается и он вместо пароводяной смеси заполняется водой. При этом вследствие уменьшения паропроизводительности уменьшается нагрузка утилизационной котельной установки по пару. Наличие нагрузки утилизационной котельной установки контролируют с помощью датчика 16 перепада давления на дроссельном устройстве 15. При отсутствии перепада давления на дроссельном устройстве, что свидетельствует об отсутствии нагрузки утилизационной котельной установки, датчик 16 вырабатывает управляющий сигнал на прекращение подачи питательной воды путем отключения питательного насоса 6. В течение всего последующего времени работы утилизационной котельной установки без нагрузки суммарная масса находящейся в ней воды сохраняется постоянной, так как подача питательной воды в нее не производится. Уровень воды в сепараторе пара 2 при этом может изменяться. В момент подключения утилизационной котельной установки под нагрузку, что устанавливается по появлению перепада давлений на дроссельном устройстве 15, датчик 16 вырабатывает сигнал на включение питательного насоса 6. В момент включения питательного насоса в связи с тем, что утилизационный котел 1 работает в парообразующем режиме, уровень воды в сепараторе пара 2 близок к заданному и при дальнейшей работе утилизационной котельной установки под нагрузкой количество питательной воды, подаваемой в сепаратор 2, определяется работой системы стабилизации уровня воды в нем (датчик 9 контроля уровня воды и регулирующий клапан 8).

Техническим преимуществом предлагаемого технического решения по сравнению с базовым объектом (прототипом) является то, что предлагаемое техническое решение позволяет устранить причины, вызывающие снижение надежности утилизационного котла при работе его на режимах, отличных от расчетных. Так, благодаря тому, что в соответствии с предлагаемым техническим решением исключается подача питательной воды в сепаратор на этапе перехода котла с парообразующего режима на водогрейный и при работе его на водогрейном режиме, существенно уменьшается амплитуда изменения температуры воды, поступающей в котел, что предотвращает разрушение труб и коллекторов котла от малоцикловой усталости и низкотемпературной коррозии. Кроме того, обеспечивается более стабильная работа питательной системы, в частности питательной емкости, в которой исключаются глубокие изменения уровня воды при переходе утилизационного котла с парообразующего режима на водогрейный и обратно. Это объясняется тем, что, так как питательная вода подается только в те котлы, которые в данный момент находятся под нагрузкой, из питательной емкости для питания котлов берется вода в количестве, соответствующем количеству конденсата, поступающего в нее от потребителей.

Обе системы управления работой утилизационной котельной установки решают одну задачу обеспечение надежности в работе утилизационной котельной установки в условиях существенно меняющейся интенсивности обогрева утилизационного котла в зависимости от располагаемой аппаратуры управления.