CN100420899C - 按卧式结构设计的直流式蒸汽发生器及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流式蒸汽发生器(1)，其中，在一个可沿近似水平的热燃气方向(X)流过的热燃气通道(6)内，设有一个蒸发器连续加热面(8)，它包括一定数量用于流过流动介质(W)并联的蒸汽发生器管(12)，按本发明的直流式蒸汽发生器应在结构方面的费用特别低的同时有高度的可靠性和高效率。为此，蒸发器连续加热面(8)按本发明包括一个可以被流动介质(W)沿相对于热燃气通道(6)逆流流过的加热面段(26)，它在流动介质方面的出口(16)沿热燃气方向(X)看定位为，使得在运行状态在蒸发器连续加热面(8)出口处调整好的饱和蒸汽温度，与在运行状态在加热面段出口(16)的位置处存在的热燃气温度的偏差，比规定的最大偏差小。此外，一个或多个进口集箱(14)以这样的方式设在蒸发器连续加热面(8)在燃气方面的进口附近，即，使得在第一下降管段(22)内的流动介质(W)有一个比为了带动形成的汽泡所需要的最低速度高的流速。

Description

按卧式结构设计的直流式蒸汽发生器及其运行方法
本发明涉及一种直流式蒸汽发生器，其中在一个可沿近似水平的热燃气方向流过的热燃气通道内设一个蒸发器连续加热面，它包括一定数量的供一种流动介质流通的相互并联的蒸汽发生器管。
在燃气和蒸汽轮机设备中，包含在来自燃气轮机的膨胀后的工质或热燃气内的热量，利用来产生用于蒸汽轮机的蒸汽。在一个连接在燃气轮机下游的废热锅炉内进行热交换，在废热锅炉内通常设一定数量的加热面，用于水的预热、发生蒸汽和使蒸汽过热。加热面连接在蒸汽轮机的水汽循环中。水汽循环通常包括多个，例如三个压力级，其中每个压力级可以有一个蒸发加热面。
对于在热燃气方面连接在燃气轮机下游作为废热锅炉的蒸汽发生器，可考虑多种不同的设计方案，亦即设计为直流式蒸汽发生器或设计为循环式蒸汽发生器。在直流式蒸汽发生器中，加热规定作为蒸发管的蒸汽发生器管导致流动介质在蒸汽发生器管内一次性通过时蒸发。与之相反，在自然或强制循环式蒸汽发生器中，在循环中流动的水当通过蒸发管时仅部分蒸发。在此过程中没有蒸发的水在与产生的蒸汽分离后重新供给同一些蒸发管用于进一步汽化。
直流式蒸汽发生器与自然或强制循环式蒸汽发生器不同没有压力限制，所以新汽压力可以远远超过水的临界压力(Pkr1≈221bar)，在此临界压力下在类似液体与类似蒸汽的介质之间只有小的密度区别。高的新汽压力有利于达到高的热效率，并因而有利于达到用矿物燃料加热的电厂低的CO2排放。此外，直流式蒸汽发生器与循环式蒸汽发生器相比结构更加简单，因此生产成本特别低。因此，采用按直流原理设计的蒸汽发生器作为燃气和蒸汽轮机设备的废热锅炉，对于在结构简单的同时达到燃气和蒸汽轮机设备高的总效率是特别有利的。
按卧式结构的废热锅炉在生产成本方面以及还在所需要的维护工作方面均有突出的优点，在这种废热锅炉中，来自燃气轮机的加热的介质或热燃气，亦即废气，沿近似水平的流动方向流过锅炉。但在卧式结构的直流式蒸汽发生器中，一个加热面的蒸汽发生器管取决于其定位可能遭遇差别巨大的加热。尤其在出口侧与一公共集汽管连接的那些蒸汽发生器管，各蒸汽发生器管不同的加热会导致具有彼此巨大差异的蒸汽参数的蒸汽流合流，并因而导致不希望的效率损失，尤其导致所涉及的加热面比较低的效力和由此减少蒸汽的发生。此外，尤其在集汽管的入口区内相邻蒸汽发生器管不同的加热，可能导致损坏蒸汽发生器管或集汽管。因此，值得追求的采用一种设计为卧式结构的直流式蒸汽发生器作为燃气轮机的废热锅炉，但可能同时带来在保证足够稳定的流动控制方面很大的困难。
由EP0944801B1已知一种蒸汽发生器，它适合按卧式结构设计以及有所述直流式蒸汽发生器的优点。此外，此已知的蒸汽发生器在其蒸发器连续加热面方面设计为，使一根与此同一个蒸发器连续加热面中另一根蒸汽发生器管相比更多加热的蒸汽发生器管，有一个与所述另一根蒸汽发生器管相比更大的流动介质流量。因此，此已知蒸汽发生器的蒸发器连续加热面，按一种自然循环蒸发加热面流动特征的方式(自然循环特征)，当出现各蒸汽发生器管不同的加热时，显示出一种自稳定的特性，这种特性在无需施加外部影响的情况下导致平衡在流动介质方面并联的不同加热的蒸汽发生器管在出口侧的温度。当然，这种设计方案的前提是，此已知的蒸汽发生器规定用于供给质量流量密度比较低的流动介质。
因此，本发明的目的是提供一种上述类型的直流式蒸汽发生器，它即使在供给质量流量密度比较高的流动介质时也能保证特别高的运行可靠性。此外，应提供一种特别恰当的运行上述类型的蒸汽发生器的方法。
按本发明为达到有关直流式蒸汽发生器方面的目的采取的措施是，所述蒸发器连续加热面包括一个可以被所述流动介质沿相对于热燃气通道逆流流过的第一加热面段和另一个沿流动介质流向和沿热燃气流向均连接在该第一加热面段上游的加热面段，其中，第一加热面段在流动介质侧的出口沿热燃气方向看定位为，使得在运行状态在蒸发器连续加热面出口处形成的与压力有关的饱和蒸汽温度与在运行状态在加热面段出口位置处的热燃气温度之间的偏差，比一规定的至多为70℃的最大偏差小。
在这里，本发明考虑问题的出发点在于，当供给蒸发器连续加热面有较高的质量流量密度时，各管局部不同的加热可能以这样的方式影响流动状况，即更多加热的管中流过较少的流动介质，而较少加热的管被更多流动介质流过。在这种情况下更多加热的管的冷却效果比较少加热的管的冷却效果差，从而自动增大所形成的温差。为了在即使不对流动状况采取主动影响措施的情况下也能有效应对此问题，系统应当设计为适用于原则上和总体上限制可能的温度差。为此可利用这样的知识，即，在蒸发器连续加热面的出口处流动介质必须至少有基本上通过蒸汽发生器管内的压力决定的饱和蒸汽温度。但另一方面流动介质最高可以有在流动介质从蒸发器连续加热面出口处的热燃气所具有的温度。通过恰当地相互协调这两个完全界定了可能的温度区间的极限温度，便也可以恰当地限制最大可能的温度不平衡状态。通过将蒸发器连续加热面划分在一个出口侧逆流段内和一个在热燃气和流动介质方面连接在此逆流段上游的另一段内，便可以沿热燃气方向自由定位所述出口，从而可以使用一个附加的设计参数。在这里，用于相互协调这两个极限温度特别恰当的措施是，可沿热燃气的流动方向有针对性地对所述蒸发器连续加热面的出口予以定位。
有利地，蒸发器连续加热面的出口相对于在燃气管道内热燃气的温度剖面的位置选择为，使所述最大温度偏差保持为约50℃，从而保证在可使用的材料与其他设计参数方面有特别高的运行可靠性。
为了能达到特别简单并因而也坚固耐用的结构方式，将加热面设计为尤其在流动介质的收集和分配方面特别简单。在这里，将加热面设计为适用于仅在单一的级内，亦即在没有用于收集和/或分配流体介质的中间连接部件的情况下实施完全蒸发的过程所有的阶段，亦即预热、蒸发和至少局部过热。因此，有利地一定数量的蒸汽发生器管分别包括多个在流动介质方面交替串联的上升管段和下降管段。
加热既在上升管段内也在下降管段内进行。然而其中向下流过的管段也进行加热的蒸汽发生器管的这种连接法，原则上潜伏有产生流动不稳定性的危险。如已表明的那样，产生这种危险可能的原因之一可认为在于向下流过的蒸汽发生器管内出现汽泡。也就是说，如果在向下流过的蒸汽发生器管内形成了汽泡，则它们会在处于蒸汽发生器管中的水柱内上升并因而完成逆流动介质流动方向的运动。为了能始终不逾地阻止可能存在的汽泡这种逆流动介质的流动方向定向的运动，应通过恰当规定运行参数保证沿流动介质原本的流动方向强制带走汽泡。为了能达到此目的，蒸发器连续加热面的供给以这样的方式进行，即，使得在蒸汽发生器管内流动介质的流速造成期望的对可能存在的汽泡的带动效果。通过比较强烈地加热在流动介质方面进口处的蒸汽发生器管以及由此引起的迅速提高流动介质内的蒸汽含量，在第一根向下流过的蒸汽发生器管内便可达到比较高的流速。此外有利地将蒸发器连续加热面在流动介质方面的进口设计为上升管段以及设在蒸发器连续加热面热燃气方面的进口附近，使得在运行状态流过蒸汽发生器管的流动介质在第一下降管段进口处有一个比规定的最低速度高的流速。
第一上升管段和下降管段优选地构成按顺流连接法设置的另一个加热面段，下文也称顺流段，它在流动介质方面连接在按逆流连接法设置的下文也称逆流段的加热面段上游。通过在热燃气通道内加热面段的这样一种布置，在很大程度上获得一种纯逆流连接法的优点，废气的热量有效地传输给流动介质，以及，与此同时达到在流动介质方面的出口处防止有害的温度差的高的固有安全性。
按另一项替代性的有利设计，所述另一个加热面段也可以相对于热燃气方向逆流连接。
恰当地，此蒸汽发生器用作燃气和蒸汽轮机设备的废热锅炉。在这种情况下锅炉有利地在热燃气方面连接在燃气轮机下游。在这种连接法中，恰当地可以在燃气轮机后面设一辅助燃烧室用于提高热燃气的温度。
为达到涉及方法提出的目的采取的措施是，使流动介质沿热燃气方向看在一个位置从蒸发器连续加热面排出，在此位置，在运行状态存在的热燃气温度，与在运行状态由于压力损失在蒸发器连续加热面内形成的饱和蒸汽温度的偏差，比一规定的至多为70℃的最大偏差小。
有利地，流动介质在其从蒸发器连续加热面排出前相对于热燃气逆流流动，此时，按附加的或另一项有利的设计，最大偏差规定为约50℃。
为了始终不逾地阻止形成可能的流动不稳定性，流动介质有利地在进入蒸发器连续加热面时或直接在进入蒸发器连续加热面后即遭受如此强烈的加热，以致在各自蒸汽发生器管的第一个下降管段内有一个比规定的最低速度高的流速。
在这里有利地规定，为了带动在各自的第一下降管段内产生的汽泡所需要的流速作为最低速度。因此蒸发器连续加热面的供给这样进行，即，在第一根向下流过的蒸汽发生器管内比较高的流速已经造成期望的对可能存在的汽泡的带动效果。由此可以可靠地避免基于上升的汽泡逆流动介质流动方向的运动带来的流动不稳定性。
采用本发明获得的优点主要在于，通过从现在起规定的蒸发器连续加热面流动介质方面的出口与在燃气管道内热燃气的温度剖面相适应的定位，使得在流动介质蒸发时总体上可达到的在流动介质的饱和蒸汽温度与热燃气温度之间的温度区间在出口处被限制在比较狭小的范围内，从而与流动状况无关可以只有小的出口侧温度差。由此可以在任何运行状态保证流动介质的温度足够平衡。但除此之外还保证对可能的出口温度的绝对值进行限制，从而可靠地保持低于由材料性质规定的允许的极限温度。
下面借助附图详细说明本发明的实施方式。附图1简化表示一个卧式结构的直流式蒸汽发生器的纵剖面。
如图所示的直流式蒸汽发生器1按废热锅炉的类型在废气方面连接在没有表示的燃气轮机下游。此直流式蒸汽发生器1有一外壁2，它构成用于来自燃气轮机的废气的可以沿一个近似水平的用箭头4表示的热燃气方向X流过的热燃气通道6。在热燃气通道6内设一定数量按直流原理设计的加热面，也称蒸发器连续加热面或蒸发器直流加热面8。按图所示的实施例中只表示了一个蒸发器连续加热面8，但也可以采用更多数量的蒸发器连续加热面。
由蒸发器连续加热面8构成的蒸发系统中可加入流动介质W，它在一次性通过蒸发器连续加热面8时蒸发并在从蒸发器连续加热面8排出后作为蒸汽D引出，以及通常为了进一步过热供给过热加热面。由蒸发器连续加热面8构成的蒸发系统连接在一汽轮机的没有进一步表示的水汽循环内。在汽轮机的水汽循环中，除蒸发系统外还连接另一些图中没有进一步表示的加热面。加热面可例如涉及过热器、中压蒸发器、低压蒸发器和/或涉及预热器。
按图1的直流式蒸汽发生器1的蒸发器连续加热面8，包括按管束方式的多根为流过流动介质W而并联的蒸汽发生器管12。在这里多根蒸汽发生器管12沿热燃气方向X看总是并列地布置。图中只能看到如此并列布置的蒸汽发生器管12之一。在如此并列布置的蒸汽发生器管12的上游，在流动介质方面在其进入热燃气通道6的进口13前，总是连接一个公共的进口集箱14，以及，在蒸汽发生器管12的下游在其从热燃气通道6的出口16后，总是连接一个公共的出口集箱18。蒸汽发生器管12包括一定数量被流动介质W沿向上的方向流过的上升管段20和沿向下的方向流过的下降管段22，它们分别通过沿水平方向流过的溢流段24互相连接。
此直流式蒸汽发生器1的设计针对特别高的运行可靠性以及始终不逾地抑制甚至在供给比较高的质量流量密度时在出口16处相邻蒸汽发生器管12之间也称为温度不平衡状态的显著的温度差。此外，蒸发器连续加热面8在其流动介质方面看的后部区内包括一个加热面段26，它相对于热燃气方向X逆流连接。一定数量的分别通过溢流段24互相连接的上升管段20和下降管段22，构成另一个相对于热燃气方向X顺流连接的加热面段28，它连接在加热面段26的上游。通过这种连接法，出口16的位置沿热燃气方向X看可以选择。在直流式蒸汽发生器1中这一位置可选择为，使得在运行状态在蒸发器连续加热面8内形成的取决于压力的流动介质W饱和蒸汽温度，与在运行状态在加热面段26出口16的位置或所在高度上存在的热燃气温度的偏差，比一规定的约为50℃的最大偏差小。因为在出口16处流动介质W的温度始终必须至少等于饱和蒸汽压力，但另一方面又不可能高于在此位置存在的热燃气温度，所以在加热不同的管之间可能的温度差，即使不采取其他对应措施，也能限制为规定的最大偏差约50℃。
因此，沿热燃气流向和流动介质流向，在沿热燃气方向X在热燃气通道6内较远前方设置的另一个加热面段28的下游，连接同样由一定数量的分别通过溢流段24互相连接的相对于热燃气方向X逆流流过的上升管段20与下降管段22构成的加热面段26。
将沿向下的方向流过的管段，如下降管段22，布置在热燃气通道6内部，原则上只有在采取恰当措施保证在蒸汽发生器管12内部流动的稳定时才有可能。也就是说，向下方向流过的管段的加热，通常会导致在流动介质W内形成汽泡，当汽泡基于其小的比重逆流动介质W的流动方向上升时，这些汽泡会影响流动的稳定性，并因而损害直流式蒸汽发生器1的运行可靠性。另一方面蒸汽发生器管12的一种其中仅加热沿向上的方向流过的管段亦即上升管段20的连接法导致高的结构性费用。
通过将蒸发器连续加热面8尤其在流动介质W的收集和分配方面设计得特别简单以及免去附加的部件例如不加热的主管道，可以达到直流式蒸汽发生器1特别简单并因而也坚固耐用的结构。与之不同，蒸汽发生器管12分别包括多个在流动介质方面交替串联的上升管段20和下降管段22，它们铺设在热燃气通道6内部，亦即被热燃气加热。
进口13设在蒸发器连续加热面8燃气侧的进口处，亦即沿热燃气方向X设在热气通道6内的远前方。通过将进口13布置在热燃气通道6的该处热燃气有最高温度的区域内，达到非常迅速地加热并因而还蒸发在蒸汽发生器管12内的流动介质W。因为混合物的蒸汽份额并因而单位容积越大，在质量流量相同时水汽混合物的流速越高，所以当进口集箱14如此布置时流动介质W比较迅速地达到高的流速。
这特别有利于保证在蒸汽发生器管12内发生的流动的稳定性。也就是说，一个重要的对流动的稳定性起决定性影响的因素是在蒸汽发生器管12内出现汽泡。基于其低的比重，在蒸汽发生器管12内形成的汽泡可以向上浮升，并因而在向下流过的下降管段22内完成逆流动方向的运动。因为这种运动决定性地破坏流动的稳定性，所以必须始终不渝地阻止所形成的汽泡在蒸汽发生器管12内上升。对于流动稳定性的一项重要的准则是流动介质W的流速。若在第一个向下流过的管段内，亦即在第一个下降管段22内，流速已经有一个值，以及这一值至少与为带动汽泡所需要的速度一样高，则汽泡被流动一起带走以及可靠地防止逆流动方向的上升。通过将进口13定位在热燃气方面的进口处以及由此引起流动介质W在第一下降管段22内便已经有高的速度，在结构性费用低的同时保证了期望的对于形成的汽泡的带动效果。

Claims (12)

1. 一种直流式蒸汽发生器(1)，其中，在一个可沿近似水平的热燃气方向(X)流过的热燃气通道(6)内，设有一个蒸发器连续加热面(8)，后者包括为供一种流动介质(W)连续流过相互并联的一定数量的蒸汽发生器管(12)，该蒸发器连续加热面(8)包括一个可以被所述流动介质(W)沿相对于热燃气通道(6)逆流流过的加热面段(26)和另一个沿流动介质流向和沿热燃气方向均连接在所述加热面段(26)上游的加热面段(28)，所述加热面段在流动介质侧的出口(16)沿热燃气方向(X)看定位为，使得在运行状态在蒸发器连续加热面(8)出口处形成的饱和蒸汽温度与在运行状态在加热面段出口(16)位置处的热燃气温度之间的偏差，比一规定的至多为70℃的最大偏差小。
2. 按照权利要求1所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，一定数量的蒸汽发生器管(12)分别包括多个沿流动介质流向交替串联的上升管段(20)和下降管段(22)。
3. 按照权利要求1或2所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，所述蒸发器连续加热面(8)在流动介质侧的进口(13)设在该蒸发器连续加热面(8)热燃气侧的进口附近，使得在运行状态流过所述蒸汽发生器管(12)的流动介质(W)有一个比一规定的最低速度高的流速。
4. 按照权利要求1或2所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，所述另一个加热面段(28)相对于热燃气方向(X)逆流连接。
5. 按照权利要求1或2所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，所述另一个加热面段(28)相对于热燃气方向(X)顺流连接。
6. 按照权利要求1或2所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，沿热燃气方向在该直流式蒸汽发生器(1)上游连接一燃气轮机。
7. 一种直流式蒸汽发生器(1)的运行方法，该直流式蒸汽发生器包括一个可沿近似水平的热燃气方向(X)被热燃气流过的其中设有一个蒸发器连续加热面(8)的热燃气通道(6)，该蒸发器连续加热面包括为供一种流动介质(W)连续流过而相互并联的一定数量的蒸汽发生器管(12)，该蒸发器连续加热面(8)包括一个可以被所述流动介质(W)沿相对于热燃气通道(6)逆流流过的加热面段(26)和另一个沿流动介质流向和沿热燃气方向均连接在所述加热面段(26)上游的加热面段(28)，其中，流动介质(W)沿热燃气方向(X)看在这样一个位置从所述蒸发器连续加热面(8)中排出，即，在此位置，在运行状态时的热燃气温度与在运行状态在蒸发器连续加热面(8)出口处形成的饱和蒸汽温度之间的偏差，比一规定的至多为70℃的最大偏差小。
8. 按照权利要求7所述的方法，其中，所述流动介质(W)在其从蒸发器连续加热面(8)排出前相对于热燃气流逆流流动。
9. 按照权利要求7或8所述的方法，其中，流动介质(W)在进入蒸汽发生器管(12)时或在进入蒸汽发生器管(12)后即遭受如此强烈的加热，以致在各蒸汽发生器管(12)的第一下降管段(24)内有一个比一规定的最低速度高的流速。
10. 按照权利要求9所述的方法，其中，为了带动在各自的第一下降管段(22)内产生的汽泡所需要的流速规定作为最低速度。
11. 按照权利要求7或8所述的方法，其中，所述流动介质(W)在其进入蒸发器连续加热面(8)内后相对于热燃气流逆流流动。
12. 按照权利要求7或8所述的方法，其中，所述流动介质(W)在其进入蒸发器连续加热面(8)内后相对于热燃气流顺流流动。
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