CN101389904A - 蒸汽发生器管、其制造方法以及直通式蒸汽发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蒸汽发生器管(10)，其在达到简单且经济地制造以及不同运行条件的大的带宽的情况下具有特别有利的导热特性。为此按照本发明在管内腔(18)中至少布设一个内置件(22)以构成形成旋流的内型面，其中该内置件(22)包括多根线材(24)，这些线材按多头螺纹的形式螺旋形地沿管内壁(26)卷绕。

Description

蒸汽发生器管、其制造方法以及直通式蒸汽发生器
技术领域
本发明涉及一种带有形成旋流的内型面的蒸汽发生器管。另外本发明还涉及一种用于制造设有形成旋流的内型面的蒸汽发生器管的方法。
背景技术
在直通式蒸汽发生器的燃烧室壁中通常采用相互通过接片气密地焊接的蒸汽发生器管以形成围绕火焰空间的气道，这些气道并联以使流动介质流过。代替位于蒸汽发生器管之间的各平面铁质接片也可以采用已由制造厂家装备了成形的冷却片的管件。在这种情况下蒸汽发生器管可以垂直或者可以倾斜地布设。为了使该直通式蒸汽发生器具有可靠的运行特性通常将蒸汽发生器管设计为，即便在流经蒸汽发生器管的介质的质量流密度很低时也能保证充分地冷却该蒸汽发生器管。
一个重要的设计原则是蒸汽发生器管的导热性能。导热性能高就能够极其有效地加热流经蒸汽发生器管的介质并同时使蒸汽发生器管本身得以可靠地冷却。在传统的可在低临界点压力下运行的蒸汽发生器中蒸汽发生器管的导热性能会受到所谓的沸腾危机的不利影响。在这种情况下管壁不再被液态的流动介质(通常是水)沾湿并因此不能被充分冷却。由于过早干燥，因此可能会降低管壁的强度值。
为了改善导热性能通常采用通过变形工序(例如冷拉)而在蒸汽发生器管的内侧具有表面结构或螺旋形延伸肋形式的内型面。通过这种肋的造型使流经蒸汽发生器管的介质扭转，从而使较重的液相由于有效的离心力聚集在管内壁上并在那里形成沾湿的液膜。由此在热流密度相对高而质量流密度较低时也可以确保从管内壁到流动介质的可靠导热。
所述已知的蒸汽发生器管的缺点是，由于管材的有限的可变形性而使制造相当费时。尤其对于铬含量高的耐高温的钢而言所述的可变形性受到强烈限制。这类材料在目前对于蒸汽发生器管起着越来越重要的作用，因为这类材料至少原则上能够针对特别高的蒸汽参数、尤其针对高的新鲜蒸汽温度以及进而为了达到随之而来的高效率来设计蒸汽发生器。但是在加工时由于材料引起的限制在实践中根本不能或只能以高成本用平滑管件在变形工序的范畴内制造带有所期望的在流动技术上有利的带肋型面的内侧加肋的管件。只有足够倾斜的侧面角和与大的肋高相关的尖棱过渡区才是不难制造的。此外肋的高度仅能在狭义的范围内是可以制造的。此外关于沿管件的型面设计结构仅能达到低的灵活性。
与之不同地，业已有人建议一些不同类型的用于事后安装到蒸汽发生器管中的形成旋流的内构件。这类内构件尤其包括所谓的“螺旋带(TwistedTapes)”即由金属带制成的本身扭转或卷绕的带材。但是这些迄今公知的管内构件的共同缺点是，其一方面阻挡管中央的(原)自由横截面，以及另一方面明显强烈地使总的流动转向并且在这种情况下局部出现“过旋流(überdrallen)”。简单的螺旋带例如在两相流中蒸汽含量更高时导致水相在干燥的同时聚集在管壁与螺旋带之间的三角区内并进而导致螺旋带庇阴侧的内壁区域得不到充分的冷却。因此带有螺旋带形式内构件的蒸汽发生器管同样不适用于所有通常在蒸汽发生器中出现的运行条件。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种本文开头所述类型的蒸汽发生器管，其在达到简单且经济地制造以及不同运行条件的大的带宽的情况下具有特别有利的导热特性。另外要提供一种适合于制造这类蒸汽发生器管的制造方法以及一种直通式蒸汽发生器，该直通式蒸汽发生器在保持高的运行安全性及高效率的同时具有特别简单的结构。
按照本发明上述有关蒸汽发生器管的技术问题这样得以解决，即，在该蒸汽发生器管中为了构成形成旋流的内型面在管内腔中至少布设一个内置件，其中该内置件包括多根线材，这些线材按多头螺纹的形式螺旋形地沿管内壁卷绕。
在此本发明基于以下考虑：在蒸汽发生器内的多相流动为了改善导热应该具有旋流，从而液相基于旋转被导引到管内壁上并尽可能均匀地沾湿管内壁。因此为了相宜地形成和保持这种旋流应该在管内腔中布设适合的导流元件。如已阐明的那样，若一方面沿流程出现“过旋流”或太大压力损失，另一方面旋流作用仍然足够强烈，以便将流动介质的液相沿整个管周面引导到管内壁上，则这种流动导引是特别有利的。
为了避免导致对蓄水泵高自身能量需求的高压力损失，以及为了确保管内腔中的蒸汽排出应该在管内壁上布设基本上内型面形式的导流元件并且管横截面在中央不要或仅略微被堵塞。此外为了绕开与传统结构形式的加肋管相关的加工局限性，形成旋流的内型面要通过管内构件或内置件实现，该管内构件或内置件可以与蒸汽发生器管无关地按期望的形状制造并且事后可以添加到管件中。为此目的在此处所介绍的新方案中采用线材或带材，其在装入到蒸汽发生器管内后螺旋状地沿管内壁卷绕，使得管横截面的大部分(大于50％)保持开放并且因此蒸汽可以在管内腔中聚集和流动。
另外业已得知，单一的、亦即单头螺旋弹簧通常仅产生弱的旋流。在这种情况下流动可能会被贴靠在管内壁上的线材切断。那么由于较小的旋转导致过早出现汽化危险。这种效应尽管可以通过更大的线材直径(类似于更大的肋高)得以补偿，但是这在按单一螺旋弹簧的形式布设线材时导致水相聚集或堵塞在管壁与线材内置件之间的三角区内，与此同时干燥线材庇荫侧的内壁区域，也就是说，导致不能充分地冷却相应的管壁区域。这类缺点按照在此所建议的方案得以避免，为此将多根线材按多头螺纹的形式分别螺旋形地贴靠在管内壁上。对于这种设计即便在适当旋流强度和相对较小的压力损失情况下也能达到用液态流动介质均匀沾湿管内壁；另一方面彻底避免流动的过旋流。
另外特别有利的是，与通过变形工序在施加巨大变形力的条件下用光滑管制成的传统结构的加肋管相反，在与流动密切相关的参数(诸如内型面高度、头数、上升角、侧面角以及尖锐棱角度方面存在较大的灵活性。相应的设计指标在设计成内置构件的情况下能够特别简单和精确地转变，因为为此仅需要提供一些具有适配横截面轮廓的线材或带材并将它们设置成所期望的布局结构，例如通过旋扭和/或弯曲。
在具有通常尺寸的蒸汽发生器管中按两头或三头螺纹形式布设线材是特别适宜的。但是也可以优选四头至六头的设计。对于特别大直径的蒸汽发生器管甚至可以设想八头方案。所述各线材相对于与管轴线垂直定向的基准面的上升角有利地最小为30°且优选最大为70°。特别有利的是，该上升角处于40°至55°区间内。
为了达到特别简单且经济的可制造性，所述各线材具有圆形或基本上为矩形的横截面。对于后一种实施方式尤其可以事后再加工棱边，从而可以实现相对倾斜的侧面角和尖锐棱边的过渡区。线材的直径可以根据蒸汽发生器管的直径以及根据规定的流动和温度状况改变。通常优选线材直径或平均的横截面尺寸为光滑管内直径的5％至15％。
所述各线材或由线材构成的管内置件有利地基于其自身应力在规定的运行温度下防滑地位于管内腔中。这样的话，线材材料以及自身应力与几何比例相协调，使得防止各匝圈相对蠕动或滑动。
如果需要，所述贴靠在管内壁上的线材可以通过径向的加强杆相互连接和/或与沿管轴线延伸的中央线材连接。利用这种支承芯即便在所述线材应力或弹性应力可能降低时也能防止各路弹簧的滑动，从而使管内置件在蒸汽发生器管内长久地保持其原始形状和位置。作为补充或替代方式也可以采用一定数量的沿管轴线的方向延伸的支承线材，它们分别固定在所述螺旋形卷绕的线材的面朝管内腔的侧面上。以此方式达到与具有径向的加强杆的设计类似的效果。包括加强杆和/或支承线材和/或中央线材的支承芯可以用与形成旋流的、贴靠在管内壁上的线材相当的低值材料制成，因为该材料仅需防腐蚀及防起氧化皮，而不直接承受管内壁的极高温度。
尽管管内置件基于其线材的自身应力已经稳固且可靠地位于蒸汽发生器管内，但是优选还采用附加的固定，在这种情况下所述相应构型的线材至少在一个位置、优选在其两端附近与管内壁固定连接。所述固定连接在此优选为耐高温的焊接连接。一种略微费事但保证特别可靠固定的制造方案，包括多个分布在各线材的纵向长度上的点焊点。若所述内置件的至少贴靠在管内壁上的线材用具有类似于管材的成分的材料制成，则焊接固定可以特别好地建立。
另外恰恰在相对长的沿蒸汽炉整个高度延伸的蒸汽发生器管中期望，沿其纵向长度在管内腔中视位置情况设有不同的导引型面，这些导引型面用于在空间上扩展或改变蒸汽份额和加热断面。这种方案可以有利地通过在蒸汽发生器管内装入多个内置件实现，这些内置件布设在各分开的管部段内，其中各内置件的几何参数与在运行中规定的局部受热和/或局部的流动状况适配。另外在那里强调的是，旋流在一次产生后即便在双相流动时也要至少在五个管直径的流动行程中保持存在，不需要完全、无空隙地装备所述管。确切地说，可以将内置件利用间隙相互间隔距离地装入到蒸汽发生器管内。
在此所描述的蒸汽发生器管适宜应用于矿物加热的直通式蒸汽发生器中。利用管的形成旋流的内型面和与之相关的到热性能的改善确保了即便在具有垂直管布局(垂直管系)的锅炉结构也能达到向流动介质的足够热传递以及对管壁的冷却。具有更多管数量且具有相对短的管道长度的垂直管系由于相对于倾斜或螺旋形布设的管而言更小的流动速度和更小的质量流密度能够使蒸汽发生器以更小的压力损失和更小的最低通流量运行。因此包括该蒸汽发生器的电力厂可以设计为更小的最低负荷。由倾斜的蒸汽发生器管已知的分离效应在垂直管系中不会出现，而在发生分离效应时水和蒸汽在低于最小流动速度或最小负荷时分层流动，从而使管壁的部分区域不再被沾湿。此外也取消了用于蒸汽炉的复杂的、与大范围且成本巨大的焊接工作相关的支承结构，因为通常具有垂直管系的炉壁可以设计为自支承式的。
此外所述管内构件即便对于例如在燃气轮机和蒸汽轮机发电厂的加热炉中出现的对流加热而言基于导热的改善也能导致减小换热面并进而明显节约开支。
与制造方法相关的技术问题是这样解决的，即，将多根处于应力作用下的线材置入光滑管内，在此线材按多头螺纹的形式布设，以及所述线材在置入后舒张，直至其匝圈贴靠在管内壁上。换言之，将由事先定向的线材构成的多头螺旋弹簧预紧，为此例如将其抻拉开或向一起扭合。在直径减小的这种状态下将该内置件装入到管件中。其在局部舒张后自动地贴靠到管内壁上。在此这样选择线材所保留的自身应力，即，使得线材在蒸汽发生器管规定的运行温度下不会发生蠕动。另外所述线材在其不完全舒张后优选至少在一端与管内壁焊接。
利用本发明达到的优点尤其在于，利用所述新型的管内置件获得在管内腔中可灵活地适用于所有管材的导流结构，该导流结构可相应地适应于改善导热的需求。基于由可自由制定的参数、诸如线材直径、线材布设的头数、上升角、侧面角以及尖锐棱角度形成的设计灵活性可以调整在蒸发器管的长度上变化的旋流断面，该旋流断面与相应的局部受热相适配。在这种情况下绕开了传统的加肋管在制造上的局限性。首先在发电厂以蒸汽参数的更高设计值的研发过程中制造加肋管由于较高温度和压力要求的新材料铬含量更高，所以成本一直较高。在此该新的形成旋流的内构件能够替代所述加肋管并且才真正能够这样的用途。
附图说明
以下借助附图对本发明的不同实施方式予以详细说明。其中：
图1以简化示意图示出了直通式蒸汽发生器和垂直的由管组成的燃烧室壁；
图2示出了蒸汽发生器管和构成形成旋流的内型面的内置件的剖切视图；
图3示出了按照另一种不同的实施方式的蒸汽发生器管的剖切视图和横截面图；
图4示出了按照另一种实施方式的蒸汽发生器管的剖切视图和横截面图。
在所有附图中相同的部分以相同的附图标记标注。
具体实施方式
在图1中简略地示出了具有矩形横截面的直通式蒸汽发生器2，其垂直气道由围壁或燃烧室壁4构成，该燃烧室壁在下端过渡到斗形的底部6。
在气道的点火区域V在由蒸汽发生器管10组合而成的燃烧室壁4中安置一定数量的用于各开口8(图中只能看到两个)内燃料的燃烧器。垂直布设的蒸汽发生器管10在点火区域V内为了形成蒸发器加热面12气密地相互焊接。
在气道的点火区域V上方是对流加热面14。烟气流出通道16位于其上方，通过燃烧矿物燃料产生的烟气RG通过该烟气流出通道离开该垂直烟道。在蒸汽发生器管10内流动的流动介质通过燃烧器火焰的辐射热以及通过烟气RG对流的热传导被加热并且同时蒸发。在本实施例采用水或水-水蒸气混合物作为流动介质。
除了图1所示的单道锅炉外当然其他锅炉构型也可以，例如双道锅炉。下面所描述的蒸汽发生器管可以应用于所有这些方案中，确切地说不仅在点火区域而且在其余的烟气通道内。也可以设想应用于余热蒸汽发生器。
图2以剖切视图示出了一段用于直通式蒸汽发生器2的燃烧室壁4管系的蒸汽发生器管10。在光滑管20的管内腔18中安装内置件22，其构成形成旋流的内型面以改善导热性能。在本实施例中该内置件22包括三条按具有恒定上升角(以及进而具有恒定螺距)的三路螺纹形式沿管内壁卷绕的线材24。线材24由于其自身应力固定贴靠在管内壁26上。另外线材24分别在多个位置、尤其在其两端附近通过点焊固定在管内壁26上。
在本实施例中线材24以及承接这些线材的光滑管件20的管壁28均由含有铬成分的耐高温金属材料制成。此外当然也存在专业人员熟知的其他适合的材料、例如13CrMo44。除了线材24的数量(螺旋弹簧的螺纹线数)和上升角之外线材24的横截面形状也是重要的设计标准。尤其是由于独立于光滑管件20地制造各线材24，所以可以任意预先规定线材的高度和宽度以及相对于管内壁26的侧面角和棱边的尖锐度。在一阶近似情况下通常几何参数的选择与传统加肋管的肋类似。但是此外也还要进行与位置相关的匹配和优化，这在受热剖面沿燃烧室壁4的变化过程中是要考虑的。
图3示出了由图2已知的蒸汽发生器管10实施方式的一种扩展设计，其中贴靠在管内壁26上的线材24通过焊接的径向加强杆30与沿管轴线延伸的中央线材32相连，从而即便在弹簧作用减低时也能有效地防止各弹簧线路(Federg
Figure A200680045751D0010151251QIETU
nge)或线匝彼此相对滑动。因为包括加强杆30和中央线材32的支承芯不能承受象贴靠在管内壁26上的用于形成旋流的线材24那样高的温度，因此它要用较少的高值材料制成。
在按照图3的实施例中每三个细的径向加强杆30组成一个位于蒸汽发生器管10的公共横截面平面内的规则星形。这星形中的多个以一定的间距沿蒸汽发生器管10的纵向相继地分布。如同从图3的右上部所示的蒸汽发生器管10横截面图中可看到的那样，所有星形定向相同，从而使前后相继分布的星形的相互对应的加强杆30在横截面图中看重叠。由此仅微不足道地影响在管内腔18内的旋流。
最后，图4示出了另一种也可以与由图3已知的方案组合的实施方案。在此采用三条平行于管轴线延伸的支承线材34，它们防止形成旋流的螺旋形卷绕的线材24滑动。支承线材34从横截面图中观察沿管内周面均匀分布并且本身固定在成型的线材24的面朝管内腔18的侧面上。

Claims (14)

1.一种蒸汽发生器管(10)，其中在管内腔(18)中至少布设一个内置件(22)以构成形成旋流的内型面，其中该内置件(22)包括多根线材(24)，这些线材按多头螺纹的形式螺旋形地沿管内壁(26)卷绕。
2.如权利要求1所述的蒸汽发生器管(10)，其中，所述各线材(24)相对于与管轴线垂直定向的基准面的上升角最小为30°且优选最大为70°。
3.如权利要求1或2所述的蒸汽发生器管(10)，其中，所述各线材(24)具有圆形横截面。
4.如权利要求1或2所述的蒸汽发生器管(10)，其中，所述各线材(24)具有基本上为矩形的横截面。
5.如权利要求1至4中任一项所述的蒸汽发生器管(10)，其中，所述各线材(24)基于其自身应力在规定的运行温度下防滑地位于管内腔(18)中。
6.如权利要求1至5中任一项所述的蒸汽发生器管(10)，其中，贴靠在管内壁(26)上的线材(24)通过径向的加强杆(30)相互连接和/或与沿管轴线延伸的中央线材(32)连接。
7.如权利要求1至6中任一项所述的蒸汽发生器管(10)，其中，设有多根沿管轴线方向延伸的支承线材，它们分别固定在所述线材(24)的面朝管内腔(18)的侧面上。
8.如权利要求1至7中任一项所述的蒸汽发生器管(10)，其中，所述各线材(24)至少在一个位置、尤其是在其两端附近与管内壁(26)固定连接。
9.如权利要求8所述的蒸汽发生器管(10)，其中，所述固定连接为焊接连接。
10.如权利要求1至9中任一项所述的蒸汽发生器管(10)，其中，所述内置件(22)的至少贴靠在管内壁(26)上的部分用具有类似于管材的成分的材料制成。
11.如权利要求1至10中任一项所述的蒸汽发生器管(10)，具有多个内置件(22)，这些内置件布设在各分开的管部段内，其中各内置件(22)的几何参数与在运行中规定的局部受热和/或局部的流动状况相适配。
12.一种直通式蒸汽发生器(2)，其包括多个按照权利要求1至11中任一项构造的蒸汽发生器管(10)。
13.一种用于制造设有形成旋流的内型面的蒸汽发生器管(10)的方法，其中，将多根在处于应力作用下的线材(24)置入光滑管件(20)内，在此线材(24)按多头螺纹的形式布设，以及所述线材(24)在置入后舒张，直至其匝圈贴靠在管内壁(26)上。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述线材(24)在部分舒张后至少在一端与管内壁(26)焊接。
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