CN100396991C - 采用循环的常压流化床燃烧的连续蒸汽发生器 - Google Patents
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Abstract
采用循环的常压流化床燃烧的连续蒸汽发生器，其包括一涡流燃烧室(3)，其中，涡流燃烧室(3)基本上全面通过包围壁(4)限定并且由气密的、利用基本上垂直的管系构成的管壁组成，而且在下部具有至少一个漏斗(6、7)；并且涡流燃烧室(3)构成有至少一基本上垂直设置的并设有垂直的管系(9)的加热表面(8)，其中加热表面(8)由一种焊接的管-接片-管组合构成；并且包围壁(4)和加热表面(8)的管系(5、9)由水/蒸汽工作介质流过，其中，包围壁(4)和加热器(8)的全部的管(5、9)构成为汽化器加热表面并且为了通流全部待汽化的工作介质而并联起来；包围壁(4)的全部的管(5)具有光滑的内部管表面，并且加热表面(8)在燃烧室底面(4.1)或漏斗上边缘(24)与燃烧室盖(4.3)之间延伸。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用循环的常压流化床燃烧的连续蒸汽发生器。
背景技术
除自然循环的和强制循环的蒸汽发生器外，还已知强制连续的和连续的蒸汽发生器，用以通过例如矿物燃料的燃烧产生电能。后者特别应用于现代的或大型的发电设备中。其中在燃料在连续蒸汽发生器的燃烧室中燃烧的过程中产生的热量发散到由工作介质流过的加热表面上，包括例如连续蒸汽发生器的燃烧室包围壁、辐射加热表面或对流加热表面。其中工作介质结合于一汽轮机的一水蒸汽循环中，其将吸收的热能再传入汽轮机中。
这样的连续蒸汽发生器，其中将工作介质基本上在蒸汽发生器的通道中预热、汽化、过热和在必要时中间过热，长期以来是已知的并且通常配备燃烧器用以燃烧矿物的燃料。由H.Juzi、A.Salem和W.Stocker三人的文献“用于滑动压力运行的具有垂直的燃烧室管系的强制连续锅炉”，VGB发电技术64，第4期，1984年四月，已知一种传统的用煤粉燃烧的连续蒸汽发生器。一般连续蒸汽发生器的燃烧室包围壁由焊接的汽化器加热表面的管-接片-管构成。为了保证包围管壁的充分冷却，采用或倾斜的光滑管(即具有光滑内壁的管，其在包围管壁之内倾斜延伸)、内部加肋的垂直管或下落管/上升管系统(即包围管壁分成多个壁段，其依次被流过，也参见上述文献的图2c)。
近几年来开始发展采用循环的流化床燃烧(ZWSF)的连续蒸汽发生器。在这方面如在全部用矿物燃料燃烧的发电设备中为了保护环境试图使由燃烧形成的排放减至最小。这可通过发电厂过程效率的提高和伴随的燃料的减少来实现。其中通过产生具有高的蒸汽参数(高的蒸汽压力和蒸汽温度)的蒸汽是实现效率提高的一部分。为了各发电厂部件在大的负荷范围内经济地工作，使蒸汽发生器在滑动压力中运行。为了同时满足不同的要求(恒定的高蒸汽温度、滑动的蒸汽压力、高的负荷变化速度)，只采用或考虑上述的强制连续蒸汽发生器系统。
由于腐蚀原因，采用循环的流化床燃烧的连续蒸汽发生器的燃烧室包围壁不象在传统的用煤粉燃烧的连续蒸汽发生器中那样倾斜地设置，而必须设置成垂直的管系。循环的流化床燃烧因此主要与汽化器系统组合，其在自然循环或强制循环运行中工作并且为此配备设有垂直的管系的包围壁。一些循环的流化床燃烧也利用一强制连续系统，但作为下降管/上升管系统并在低的蒸汽压力下产生蒸汽(例如KWMoabit)。已考虑将采用ZWSF的强制连续蒸汽发生器也用于压力范围100至300bar下并从而可较经济地、亦即用不多的燃料运行。燃烧室包围壁应由垂直的汽化器管构成，由于这个必要性，为了汽化器壁的冷却，建议内部加肋的管系(参阅上述文献)。
在从自然循环的蒸汽发生器转变为(过临界的)具有高蒸汽参数(典型地250至300bar，560至620℃)在功率范围300至600MWel内的强制连续蒸汽发生器时利用现有技术产生下列问题或缺点：
-ZWSF-连续蒸汽发生器，其以低临界的蒸汽压力运行，与过临界的蒸汽压力相比，在相同的蒸汽发生器功率时需要较多的燃料应用并由此产生更多的有害的排放。
-设有垂直的管系的强制连续蒸汽发生器不同于倾斜的管系，具有缺点，即在一给定的燃烧室几何形状下管的数目是较多的并因此减小每一管的质量流量密度(每秒钟通过每一平方米通流截面的工作介质流量kg数的量度)。为了仍保证管道的充分冷却，采用内部有肋的管系或连续地流过燃烧室包围壁的各个壁；
-全部的汽化器流量在多个串联的壁上的分配具有许多缺点：
1)必须经由下降管连接各个壁；
2)在汽化器流量的再次分配过程中发生离析过程(不同的蒸汽成分)，其在汽化器的出口作为温度偏斜(温度不均)是很明显的并且由于受阻的热膨胀可能导致壁中的裂缝；
3)由于较高的质量流量密度引起的较大的压力损失；
-内部有肋的管系具有较大的摩擦压力损失并且具有特殊制造(非标制造)的缺点和各接合面组装时的提高的制造费用。
发明内容
据此，本发明的目的是，提供一种采用循环的常压流化床燃烧的连续蒸汽发生器，其中避免上述缺点和满足或遵守以下所述规范：
-采用较经济的和环护的具有ZWSF的连续蒸汽发生器，其功率范围为约300至600MWel和压力范围为约100至300巴；
-考虑到在燃烧室之内或必要时在其外面附加配装的加热表面，为这样的连续蒸汽发生器实现一种有效的燃烧室配置。
为此，本发明提供一种采用循环的常压流化床燃烧的连续蒸汽发生器，其包括一涡流燃烧室，其中，涡流燃烧室基本上全面通过包围壁限定并且由气密的、利用基本上垂直的管系构成的管壁组成，而且在下部具有至少一个漏斗；并且涡流燃烧室构成有至少一个基本上垂直设置的并设有垂直的管系的加热表面，其中加热表面由一种焊接的管-接片-管组合构成；而且包围壁和加热表面的各管由水/蒸汽工作介质流过，其特征在于，包围壁和加热表面的全部的管构成为汽化器加热表面并且为了通流全部待汽化的工作介质而并联起来；包围壁的全部的管具有光滑的内部管表面；并且加热表面在燃烧室底面或漏斗上边缘与燃烧室盖之间延伸。
本发明的解决方案提供了一种采用循环的常压流化床燃烧的连续蒸汽发生器，其具有下列优点：
-通过燃烧室包围壁和附加设置于燃烧室中的作为汽化器加热表面的加热表面以及该汽化器加热表面的同时的工作介质通流的组合，涡流燃烧室并因此同样连续蒸汽发生器的结构尺寸可以显著较小地并从而较经济地构成；
-通过光滑管系，亦即具有在内面上光滑的表面的管系在连续蒸汽发生器的包围壁中的应用，产生经济的优点，因为其相对于内部有肋的管系是便宜的并且也不需要任何的特殊制造(非标制造)。光滑管系不同于内部有肋的管系可由许多制造商多种多样地生产；
-通过光滑管系在连续蒸汽发生器的包围壁中的应用，与一构成有内部有肋的管系的汽化器加热表面相比，在汽化器加热表面中产生较低的压力损失；
-通过包围壁和在涡流燃烧室中附加设置的加热表面的同时的通流，产生经济的优点，因为不再需要装入中间汇流器(混合或压力补偿汇流器)；
-由光滑管系制成的各加热表面的组装是经济的(不需要任何的内部肋的匹配，因此在组装时管费用较少)；
-在涡流燃烧室中附加设置的垂直的加热表面的长度或高度匹配于涡流燃烧室的高度和构造方式(在燃烧室下部的不同的漏斗)。由此在组装各加热表面时产生优点，因为它们可以有效地结合于燃烧室底面或漏斗上边缘以及燃烧室盖中；
-在涡流燃烧室中附加设置的加热表面可以构成为单面加热的焊成箱体的加热表面或构成为两面加热的间壁加热表面；
-通过加热的附加的加热表面的结合来调节要求的质量流量密度，这是必需的，以便补偿质量流量差和加热差并且得到近似相等的流出温度；
-燃烧室尺寸(横截面、高度)和一体的加热表面确定成使有效的热流量密度在小的质量流量密度的情况下允许在包围壁中使用垂直的光滑管系。
通过两面加热的加热表面的应用，由于平面的间壁加热表面由一管-接片-管组合构成，其可以有利地很简单地制造。在有利的实施形式中，该间壁加热表面的管系具有内部肋条(这种内部肋条可以构造成单线的或多线的螺纹形)，其在低的质量流量密度和较高的质量流量密度时，由于两面加热而确保可靠的加热表面冷却。在这种情况下可以保留包围壁的管系作为光滑管系。
一有利的设计规定，在单面加热本发明的加热表面并且单面加热的加热表面在一有利的实施形式中用光滑管系构成。因此如在包围壁的光滑管系中列举的得到一重要的经济的优点，因为光滑管系是显著便宜的、易于组装并且只引起较小的摩擦压力损失。
在单面加热的加热表面的合乎目的的实施形式中，将其构成为具有箱形横截面的箱式加热表面。由于箱式的结构，加热表面保持很大的稳定性，其使其可以用该加热表面构成最大的连续蒸汽发生器的燃烧室。在进一步合乎目的的实施形式中，箱式加热表面的横截面构成为矩形的。
为了使工作介质在包围壁的管系内得到均匀的加热，有利的是这些管基本上具有相同的加热的长度。为了将同样的效果也传到加热表面的管系上，还有利的是，加热表面的管系如同包围壁的管系具有相同的加热长度。
附图说明
以下借助附图和描述更详细地说明本发明的各实施例。其中：
图1示意示出一具有循环的常压流化床燃烧的连续蒸汽发生器的纵剖面图；
图2示意示出一流化床连续蒸汽发生器的一具有一燃烧室漏斗的涡流燃料室的纵剖面图；
图3为如图2的纵剖面图，但涡流燃烧室具有两个燃烧室漏斗(“Pant leg”)；
图4示意示出一流化床连续蒸汽发生器的一燃烧室(具有一燃烧室漏斗)按图2的剖面A-A的横截面的旋转90°的剖面图；
图5示意示出一流化床连续蒸汽发生器的一燃烧室(具有两个燃烧室漏斗)按图3的剖面B-B的横截面的旋转90°的剖面图；
图6为一按图4和5的细部C的可选择的箱式加热表面(箱式间壁)的示意横剖面图；
图7示意示出一箱式加热表面的按图8的剖面A-A截取的纵剖面图，其具有从耐火内衬向上面的薄片管壁垂直对准的过渡；
图8为一按图9的剖面C-C截取的箱式加热表面的示意横剖面图；
图9为一箱式加热表面按图8的剖面B-B截取的示意纵剖面图。
具体实施方式
在常规的发电厂的矿物燃烧的连续蒸汽发生器中，众所周知，工作介质通常为水/蒸汽基本上在一汽轮机循环的通道中预热、汽化、过热和在必要时中间过热。包含所属的燃烧的连续蒸汽发生器描述如下。
图1示意示出一具有循环的流化床燃烧2(ZWSF)的连续蒸汽发生器1用以燃烧煤或其他可燃烧的材料。将待燃烧的材料或与一惰性物质一起或单独通过输入管道10装入具有ZWSF的连续蒸汽发生器1的流化床燃烧室或涡流燃烧室3。为了建立流化床和为了在燃烧室3内燃烧装入的材料，将液化气通过输入管道11通常从下面供给涡流燃烧室3。液化气一般是空气并因此为了燃烧用作为氧化剂。燃烧过程中形成的废气或烟气及由废气随带的固体材料(惰性物质、灰尘粒子和未燃烧的材料)在上部经由开口12从燃烧室3中排出并且经由一废气管道13供给一分离器，一般为一离心分离器或旋风分离器14。在分离器14中固体材料在最大程度上被从废气中分离并且经由返回管道15再次供给燃烧室3。在相当大程度上提纯的废气经由废气管道16供给第二烟气道17，在其中设置至少一个节热器加热表面18、至少一个过热器加热表面19和在必要时至少一个中间过热器加热表面20用以继续利用或接受废气热量。燃烧室3的横截面一般构成矩形的。但也可以是圆形的或具有其他的形状。
图2至5示出一连续蒸汽发生器1的成矩形构成的和基本上垂直设置的涡流燃烧室3的纵剖面和横剖面。燃烧室3基本上全面由包围壁4包围，其中包围壁4从下向上看包括燃烧室底面4.1、燃烧室侧壁4.2和燃烧室盖4.3。燃烧室底面4.1一般构成为喷射底面，借其输入液化气。图2示出在燃烧室3的下部具有一单个漏斗6的燃烧室3，而图3示出具有双重漏斗7，所谓“Pant leg”型式的燃烧室3。燃烧室包围壁4构成为工作介质通流的加热表面，其中这些加热表面由气密的膜片壁构成。这样的膜片壁通过一管-接片-管的气密的焊接组合而成。一般管-接片-管组合包括各个管道5，其在外圆周上是光滑的并且分别与单独的接片21相连接。但散热片铸管也是可能的，其外壁已构成有接片并且相互连接。
本发明针对具有高功率(约300至600MWel)和高蒸汽参数(约250至300bar的压力和560至620℃的温度)的循环的流化床燃烧2的连续蒸汽发生器1。在这种情况下为了在该功率范围内得到一有效的燃烧室配置，需要装设附加的加热表面8，其由于热技术的原因(均匀的吸热)优选设置在燃烧室3内。
按照本发明的具有ZWSF 2的连续蒸汽发生器1设定，包围壁4的全部的管5、9和在燃烧室3内的各加热表面8构成为汽化器加热表面并且为了流过全部待汽化的工作介质并联起来；包围壁4的全部的管5构成在内部有光滑的管表面并且加热表面8在燃烧室底面4.1或漏斗上边缘24与燃烧室盖4.3之间延伸。通过连续蒸汽发生器1的加热表面8和包围壁4的加热表面的并联以及两加热表面作为汽化器加热表面的应用，以有利的方式达到，一方面借助加热表面8的数目的匹配可以有效地配置燃烧室3，亦即借助该措施可以优选燃烧室尺寸，特别是燃烧室高度(燃烧室底面与盖之间的距离)可以通过加热表面8的结合显著地减小。另一方面在上述按照本发明的连续蒸汽发生器1的连接的情况下在流化床燃烧室3内的有效的热流量密度尽管工作介质的质量流量密度降低约400至1200kg/m2s仍可用于包围壁4的管系5，其内部具有光滑的表面。通过降低的工作介质的质量流量密度还得到在汽化器加热表面内的改善的自然循环特性，这意味着，在可能的局部过热时在那里也实现工作介质的通过能力的提高并从而确保可靠的管冷却。
具有光滑的内表面的管系5，也简称为光滑管系的应用，相对于通常在这样的低的质量流量密度中采用的内部有肋的管系具有许多优点。首先，光滑的管系相对于内部有肋的管系是显著经济的，具有较短的供货期，基本上可大量供应和一般来说可更好地供给使用，而内部有肋的管系通常只有特殊制造(非标制造)才可得到，在组装方面光滑的管系也更加便于操作。其次，光滑的管系具有相对于内部有肋的管系小得多的工作介质的摩擦压力损失，这对工作介质在各个管5上的均匀分配和对连续蒸汽发生器1的供给泵功率的减小产生有利的影响。
为了提高连续蒸汽发生器的过程效率并从而减小由蒸汽发生器引起的向大气的有害排放，连续蒸汽发生器1常常总是在过临界的范围内运行，亦即在超过220bar的蒸汽压力下和在过临界的与低临界的压力之间的滑动压力下运行(蒸汽发生器的运行压力在连续蒸汽发生器的负荷范围内，例如在20至100％负荷之间滑动)。在全负荷时例如270bar的连续蒸汽发生器运行压力的情况下，蒸汽发生器在约70％的部分负荷时达到临界的压力范围并在该部分负荷以下低临界地运行，亦即在约低于70％的部分负荷范围内在汽化器中在汽化过程中出现一种二相混合物。通过上述的本发明的方案确保，在汽化器加热表面(包围壁4和加热表面8)内不会出现蒸汽与水的离析。这还通过本发明的连续蒸汽发生器1的有利的构成给以支持，即不要中间汇流器的帮助实现包围壁4和加热表面8的管系5、9的工作介质通流。
在涡流燃烧室3中应用的附加的加热表面8中涉及所谓间壁加热表面。在间壁加热表面中涉及本身封闭的和板式的加热表面(亦即各个并排设置的管9与各接片22相互连接成一间壁-焊接的管-接片-管组合，其不同于集束加热表面，后者构成开着的(亦即各个并排设置的管不用接片相互连接)。各加热表面8基本上垂直地设置于燃烧室3内并且包含在其中的各管9同样基本上垂直延伸。
按照本发明各加热表面8根据燃烧室构成或在燃烧室底面4.1或漏斗上边缘24与燃烧室盖4.3之间延伸。借此其可以与包围壁4一起完全用来实现全部待汽化的工作介质的同时通流。因此各加热表面8在涡流燃烧室3的下部基本开始于燃烧室底面，或者对于具有一个漏斗6的、在中间设置加热表面8的燃烧室3而言开始于漏斗下边缘4.1(图2)，或者对于具有两个漏斗7、在中间设置加热表面8的燃烧室3而言(图3)开始于漏斗上边缘24；各加热表面8在燃烧室3的上部基本终止于燃烧室盖4.3。为了固定各个加热表面8，可以将其例如与燃烧室底面4.1或漏斗上边缘24和燃烧室盖4.3焊接在一起，如果要在燃烧室3的下部设置多于两个的漏斗，则可以针对性地实现各加热表面8的结合。
加热表面8和包围壁4的同时供给通过未示出的汇流器来实现，借其将待汽化的工作介质从下面供给上述的加热表面，如果在按照图3的具有两个漏斗7的燃烧室3中各加热表面8首先在漏斗上边缘或漏斗支座24开始，则这些加热表面8可以经由漏斗的包围壁4供给工作介质。各加热表面8的分开的同时供给也是可能的。
各加热表面8可以是在单面或两面加热的。在两面加热的或间壁的加热表面的情况下有利的是，各加热表面8用内部有肋的管系9构成，以便借此确保在连续蒸汽发生器1的部分负荷范围内管系9被可靠地冷却并且避免在汽化器管中在本领域范围内已知的沸腾临界或DNB(偏离泡核沸腾，Departure from nucleate boiling)以及烘干或干涸，其由于加热表面8的过热可能从两面出现。
本发明的方案的一有利的设计规定，将在涡流燃烧室3内设置的加热表面8在单面加热。图6示出一在单面加热的加热表面的有利的实施形式。该加热表面8由周边面包围一内腔23并且构成箱形的，因此各加热表面8在以下的描述中也称为箱式加热表面或箱式间壁8。其中图6示出具有矩形横截面的箱式加热表面的一有利的实施形式。按图6的箱式间壁8具有四个由焊接的膜片管壁构成的侧壁，它们在各角焊接在一起，其中膜片管壁由各管9和各接片22构成。因此形成以气密的管-接片-管型式或组合的箱体。代替图6中以横剖面示出的箱式加热表面8的矩形型式，其也可以构成有其他的横截面，例如n角的(至少三角的)、圆的等。也就是说，在这种情况下由箱式加热表面8包围的内壁23具有n角的或圆的横截面。
通过各加热表面8和从而同样管系9的垂直设置以及包围壁4的垂直的管系5，管系5、9给在燃烧室3中从下向上流动的气体流和粒子流以尽可能少的侵蚀作用点。为了防止管系5、9在下部的燃烧室区域或漏斗区域6、7内受流化床的气体流和粒子流的高的横向流动或涡流流动，其设有耐火的内衬25。
本发明的一有利的实施形式按照图7至9设定，在燃烧室的漏斗区域6、7内、设有耐火内衬25的箱式加热表面8的管系9在有内衬的与无内衬的加热表面区域27之间的过渡区域26内向内腔23的区域弯曲并且耐火内衬25和加热表面8的无内衬的区域27的前边缘沿垂直的方向对准地构成。通过这样的措施，防止在过渡区域26内在用于气体流和粒子流的涡流流动的各管9上形成侵蚀作用点。
通过在漏斗区域6、7内管系5、9的耐火内衬，以有利的方式得到在燃烧室3内管系5、9的基本上相同的加热长度。
各箱式加热表面8，其沿长度L和经由其横截面沿宽度B及深度T延伸，宜设计成尺寸为约1.0至4.0m宽度B、约0.1至1.0m深度T和约20m至50m长度L。从而，即使是最大的连续蒸汽发生器也能够配备燃烧室3。
有利地，用于箱式加热表面8的管9具有20mm与70mm之间的外径。箱式加热表面8的制造可以利用蒸汽发生器制造中通用的材料和制造方法。
附图标记清单
1连续蒸汽发生器 25耐火内衬
2循环的流化床燃烧 26过渡区域
3涡流燃烧室 27加热表面的无内衬的区域
4包围壁
4.1燃烧室底面或漏斗下边缘
4.2燃烧室侧壁
4.3燃烧室盖
5管
6漏斗，单个
7漏斗，双重
8加热表面
9管
10燃料供给
11液化气供给
12开口或烟气出口
13废气管道
14离心分离器
15返回管道
16废气管道
17第二烟气道
18节热器加热表面
19过热器加热表面
20中间过热器加热表面
21包围壁接片
22加热表面接片
23内腔
24漏斗上边缘
Claims (12)
1.采用循环的常压流化床燃烧的连续蒸汽发生器，其包括一涡流燃烧室(3)，其中，涡流燃烧室(3)全面通过包围壁(4)限定并且由气密的、利用垂直的管系构成的管壁组成，而且在下部具有至少一个漏斗(6、7)；并且涡流燃烧室(3)构成有至少一个垂直设置的并设有垂直的管系的加热表面(8)，其中加热表面(8)由一种焊接的管-接片-管组合构成；而且包围壁(4)和加热表面(8)的各管(5、9)由水/蒸汽工作介质流过，其特征在于，包围壁(4)和加热表面(8)的全部的管(5、9)构成为汽化器加热表面并且为了通流全部待汽化的工作介质而并联起来；包围壁(4)的全部的管(5)具有光滑的内部管表面；并且加热表面(8)在燃烧室底面(4.1)或漏斗上边缘(24)与燃烧室盖(4.3)之间延伸。
2.按照权利要求1所述的连续蒸汽发生器，其特征在于，实现包围壁(4)和加热表面(8)的各管(5、9)的工作介质通流，而不借助于中间汇流器。
3.按照权利要求1或2之一项所述的连续蒸汽发生器，其特征在于，加热表面(8)可在两面加热。
4.按照权利要求3所述的连续蒸汽发生器，其特征在于，加热表面(8)的各管(9)的内表面具有单线的或多线的螺纹形的内部肋条。
5.按照权利要求1或2之一项所述的连续蒸汽发生器，其特征在于，加热表面(8)可在单面加热。
6.按照权利要求5所述的连续蒸汽发生器，其特征在于，加热表面(8)的各管(9)的内表面具有光滑的表面。
7.按照权利要求1所述的连续蒸汽发生器，其特征在于，加热表面(8)构造为箱式形状，具有一宽度(B)和一深度(T)，并且由周边面包围一内腔(23)并沿其周边封闭。
8.按照权利要求7所述的连续蒸汽发生器，其特征在于，箱式加热表面(8)的横截面构成为至少三角形的或圆的。
9.按照权利要求7所述的连续蒸汽发生器，其特征在于，箱式加热表面(8)的横截面构成为矩形的。
10.按照权利要求7所述的连续蒸汽发生器，在燃烧室的漏斗区域(6、7)设有耐火内衬(25)的箱式加热表面(8)的各管(9)在有内衬的与无内衬的加热表面区域(27)之间的过渡区域(26)内向内腔(23)的区域弯曲，并且耐火内衬(25)和加热表面(8)的无内衬的区域(27)的前边缘沿垂直的方向对准地构成。
11.按照权利要求1所述的连续蒸汽发生器，其特征在于，包围壁(4)的各管(5)具有相同的加热长度。
12.按照权利要求1所述的连续蒸汽发生器，其特征在于，加热表面(8)的各管(9)具有与包围壁(4)的各管(5)相同的加热长度。
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