CN101684937A - 蒸汽发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸汽发生器(1)，其中，在一个可沿一个近似水平的热燃气方向流过的热燃气通道(6)内，设一个蒸发器直流加热面(8)，它包括一些为流过流动介质(W)并联的蒸汽发生器管(12)，这种蒸汽发生器应能用特别低的费用生产以及还应在不同的热负荷时有很高的机械稳定性。为此，按照本发明，一根或每根蒸汽发生器管(12)按流动介质流向总是包括一个可被流动介质(W)沿向上的方向流过的上升管段(24)，一个连接在其下游的可被流动介质(W)沿向下的方向流过的下降管段(26)，以及另一个连接在后者下游可被流动介质(W)沿向上的方向流过的上升管段(28)，其中，所述另一个上升管段(28)，在热燃气通道(6)内沿热燃气方向(X)看，布置在与之配置的上升管段(24)与下降管段(26)之间。

Description

蒸汽发生器

本申请是发明名称为“蒸汽发生器”、申请号为200380109338.0、申请日为2003年12月8日的发明专利申请的分案申请

技术领域

本发明涉及一种蒸汽发生器，其中，在一个可供热燃气沿一个近似水平的热燃气方向流过的热燃气通道内，设有一个蒸发器直流式加热面，它包括一些供一种流动介质流过的相互并联的蒸发管，以及它设计为使一根与此同一个蒸发器直流加热面的另一根蒸发管相比受到更多加热的蒸发管，有一个与另一根蒸发管相比更大的流动介质流量。

背景技术

在燃气和蒸汽轮机设备中，来自燃气轮机的膨胀工质或热燃气内所含的热量，利用于产生用于汽轮机的蒸汽。热量传递在一台连接在燃气轮机下游的废热蒸汽发生器或废热锅炉内进行，在废热蒸汽发生器内通常设一些加热面用于水预热、水的蒸发和蒸汽过热。这些加热面连接在汽轮机的水-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。

对于按热燃气流向连接在燃气轮机下游作为废热蒸汽发生器的蒸汽发生器或锅炉可考虑多种可供选择的设计方案，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通过时汽化。与之相反，在自然或强制循环式蒸汽发生器中，循环中流过的水在通过蒸发器时仅部分汽化。在此过程中未汽化的水在产生的蒸汽分离后，为了进一步汽化重新供入同一些蒸发管内。

与自然或强制循环蒸汽发生器不同，直流式蒸汽发生器不受压力限制，所以新汽压力可以远高于水的临界压力(P_临界≈221bar)，在临界压力时，在类似液体的介质与类似蒸汽的介质之间只有很小的密度差。高的新汽压力有助于达到高的热效率并因而实现用矿物燃料加热的电厂低的CO₂排放。此外，与循环式蒸汽发生器相比，直流式蒸汽发生器有简单的结构形式并因而能用特别低的费用生产。因此，使用按直流式原理设计的蒸汽发生器作为燃气和蒸汽轮机装置的废热蒸汽发生器，特别有利于在结构简单的同时达到燃气和蒸汽轮机装置高的总效率。

按卧式结构设计的废热蒸汽发生器，在制造成本方面以及在所需要的维护工作方面均具有突出的优点，在这种蒸汽发生器中，热介质或热燃气，亦即来自燃气轮机的废气，沿近似水平的流动方向流过蒸汽发生器。但在按卧式结构方式的直流式蒸汽发生器中，一加热面的各蒸汽发生器管取决于其具体定位遭受差别很大的加热。尤其在出口侧与一公共的集汽管连接的蒸汽发生器管中，各蒸汽发生器管不同的加热会导致具有彼此严重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，尤其会导致所涉及的加热面比较低的效力并因而减少汽化。此外，相邻蒸汽发生器管不同的加热，尤其在集汽管的进口区可能导致对蒸汽发生器管或集汽管造成损害。因此，人们期望的使用按卧式结构方式设计的直流式蒸汽发生器作为燃气轮机的废热蒸汽发生器，可能在足够稳定的流动控制方面存在严重的问题。

由EP0944801B1已知一种蒸汽发生器，它适用于按卧式结构方式设计并具有直流式蒸汽发生器已论及的那些优点。为此，此已知的蒸汽发生器在其蒸发器连续加热面方面按这样的方式设计，即，使一根与此同一个蒸发器连续加热面的另一根蒸汽发生器管相比受到更多加热的蒸汽发生器管，有一个与另一根蒸汽发生器管相比更大的流动介质流量。因此，该已知的蒸汽发生器的蒸发器连续加热面，当各蒸汽发生器管受到不同程度的加热时，按自然循环蒸发加热面流动特征(自然循环特征)的类型，显示出一种自稳定特性，它不需要施加外部影响去促使平衡在受不同加热的供流动介质流过的相互并联的蒸发管出口侧的温度。然而，从结构的观点出发，尤其鉴于流动介质在水和/或蒸汽方面的分配，这种已知的蒸汽发生器比较复杂。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种上述类型的蒸汽发生器，它能用特别低的费用生产，以及即使在不同的热负荷时仍有很高的机械稳定性。

按本发明为达到此目的采取的措施是，令一根或每一根蒸汽发生器管总是包括一个大体垂直布置的可被流动介质沿向上的方向流过的上升管段、一个按流动介质连接在其下游的大体垂直布置和可被流动介质沿向下的方向流过的下降管段、以及另一个按流动介质连接在该下降管段下游可被流动介质沿向上的方向流过的上升管段，其中，各蒸汽发生器管的所述另一个上升管段，在热燃气通道内沿热燃气方向看，布置在所述与之配置的上升管段与下降管段之间。

在这里本发明考虑问题的出发点是，在一种能用特别低的装配和加工费用生产的蒸汽发生器中，为了有特别稳定和面对不同的热负荷特别不敏感的工作特性，在已知的蒸汽发生器中采用的用于蒸发器直流加热面的自然循环特性式设计原理，应坚持作扩展改进和进一步加以改善。在这里蒸发器直流加热面应针对供入比较小的质量流密度和有比较低的摩擦压力损失来设计。

一种特别简单并因而也坚固耐用的结构方式可这样获得，即，将加热面尤其在流动介质的汇集和分配方面设计得特别简单。在这里，加热面设计为适用于仅在唯一的一个级内，亦即没有用于汇集和/或分配流动介质的中间连接部件，实施完全蒸发的所有工序，亦即预热、汽化和至少部分过热。通常设置附加的加热面用于预热给水或用于进一步过热。为了一方面能在各蒸汽发生器管内不折不扣地完成所有已提及的工序，以及另一方面在蒸汽发生器管满足这些工序的需求以及在与热燃气通道内的过程相适应方面能有足够的灵活性或柔性，令每根蒸汽发生器管包括三个按流动介质流向相互串联的分段。

为了支持实现在这种设计中所力求的自然循环流动特性，按照本发明，将蒸发器直流加热面的蒸汽发生器管分别分成至少三个(平行管)分段，其中第一分段包括所有的上升管段和沿向上的方向被流动介质流过。相应地，第二分段包括所有的下降管段和沿向下的方向被流过，所以通过流动介质的自重自动支持流动。在这里，每根蒸发管构成第二分段的下降管段在热燃气通道内沿热燃气方向看总是布置在与之配属的上升管段的下游。第三分段包括所有的另一个上升管段并沿向上的方向被流过。

按特别有利的设计，一根或每根蒸汽发生器管的分段在热燃气通道内定位为，使每个分段的受热需求，尤其鉴于在那里分别设置的在蒸发过程中的级，与在热燃气通道内当地的供热量高度匹配。为此，每根蒸汽发生器管构成第三分段的另一个上升管段，在热燃气通道内沿热燃气方向看，相宜地总是布置在与之配置的作为第一分段的上升管段与作为第二分段的下降管段之间。换句话说：蒸汽发生器管在热燃气通道内在空间上以这样的方式恰当地定位，即，按流动介质流向的第一分段或上升管段，沿热燃气方向设在按流动介质流向的第三分段或另一个上升管段的上游，以及按流动介质流向的第二分段或下降管段，沿热燃气方向设在按流动介质流向的第三分段或另一个上升管段的下游。

因此，按这种布局，各个用于流动介质部分预热和已经大部分汽化的第一个上升管段，被在“热烟气区”内的热燃气比较强烈地加热。由此保证在整个负荷范围具有比较高的蒸汽份额的流动介质从各自的第一上升管段流出。在接着导入连接在下游的下降管段中时，这导致在该下降管段内始终避免对于流动稳定性不利的逆流动介质流动方向的蒸汽泡上升。通过将下降管段安排在比较冷的烟气区内以及将第二个上升管段布置在第一个上升管段与下降管段之间，亦即按烟气流向看在下降管段上游，因而在具有高的工作可靠性的同时总体上达到加热面特别高的效率，其中第一上升管段满足预蒸发器的功能。

按另一项或可选择的有利的设计，一根或每根蒸汽发生器管的上升管段与属于它的下降管段以及一根或每根蒸汽发生器管的下降管段与属于它的另一个上升管段供流动介质流通地分别通过一溢流段连接，由此一方面可以使蒸发器直流加热面的结构特别简单，以及另一方面即使加热不同也能达到蒸发器直流加热面特别低的机械负荷。

这种布局特别适用于在受交变热负荷时补偿膨胀；也就是说连接上升管段与下降管段或下降管段与另一个上升管段的溢流段，在这里起膨胀弧的作用，它可以毫无困难地补偿上升管段和/或下降管段和/或另一个上升管段相对的长度变化。因此通过溢流管使蒸汽发生器管的转向在一个通过上升管段提供的第一蒸发器级的上部区进行，并直接进一步延伸和重新转向到一个由下降管段构成的第二蒸发器级的下部区内，以及使蒸汽发生器管在第二蒸发器级的下部区内转向和进一步延伸到由另一个上升管段构成的第三蒸发器级内。

一个或每个溢流段有利地布设在热燃气通道的内部。但作为替换方案溢流段也可以在热燃气通道的外部延伸，尤其是基于可能需要蒸发器直流加热面排水而应在溢流段上连接一排水总管时便是如此。

蒸汽发生器管可以在热燃气通道内部组合成一些管排，其中的每一个管排分别包括一些垂直于热燃气方向并列的蒸汽发生器管。按这种设计蒸汽发生器管有利地按这样的方式延伸，即，为构成受最强烈加热的管排的上升管段，亦即为沿热燃气方向看第一个管排，配设受最轻度加热的下降管段管排或沿热燃气方向看为最后一个的下降管段管排。此外，多根蒸汽发生器管的下降和上升管段在热燃气通道内相宜地这样彼此相对定位，即，为一个沿热燃气方向看位于比较远的下游的下降管段，配设一个沿热燃气方向看位于比较靠前的另一个上升管段。通过这种布局，使受比较强烈加热的另一个上升管段被供给从下降管段流出的经较弱预热的流动介质。

为了确保实现为无效流过管道所期望的自然循环特性，各蒸汽发生器管有利地设计为它只包括一个上升管段和一个按流动介质流向连接在其下游的下降管段以及另一个按流动介质流向连接在后者下游的上升管段。

所述蒸汽发生器可相宜地用作燃气和蒸汽轮机装置的废热蒸汽发生器。其中，蒸汽发生器有利地按热燃气流向连接在燃气轮机下游。按此连接法，恰当地可以在燃气轮机后设一辅助燃烧室，用于提高热燃气温度。

采用本发明获得的优点主要在于，通过蒸汽发生器管包括一个可沿向上的方向被流过的上升管段、一个可沿向下的方向被流过的下降管段和另一个按流动介质连接在它下游可沿向上的方向被流过的上升管段的三级式设计，蒸发过程的完全实施，亦即部分预热、汽化和部分过热，可以只在一个级内和没有中间连接用于汇集或分配的部件的情况下以一种特别简单的结构方式完成。在这里可以例如实施一种没有脱水器的设计，在这种情况下当起动时可以通过下述措施避免在过热器内不希望的水排出或可将水排出量保持得很小，即，在起动过程的一开始仅仅用水充填各个第一上升管段，在起动过程开始后，这些水在流过后续的管段时被完全蒸发或有足够大的部分被蒸发。

虽然被流动介质向下流过的受加热的蒸发器系统通常导致流动不稳定(在强制直流式蒸发器中使用时这种不稳定恰恰是不能容忍的)，但在其被比较低的质量流量密度流过时，由于摩擦压力损失比较小，因而以可靠的方式可获得蒸汽发生器管的一种自然循环特性，当一根蒸汽发生器管与另一根蒸汽发生器管相比更多地被加热时，这一自然循环特性导致在受更多加热的蒸汽发生器管内有更大的流动介质流量。这种自然循环特征即使在使用向下流过的分段时也能保证蒸汽发生器管内有足够稳定和可靠的流动。

此外，这种自然循环特性可用特别低的结构和装配费用由此来获得，即，不中间连接一个昂贵的汇集或分配系统地直接将下降管段连接在属于它的上升管段下游，或将另一个上升管段连接在属于它的下降管段下游。因此，蒸汽发生器在有特别稳定的流动特性的同时有比较低的设备复杂性。此外，每根蒸汽发生器管的不仅上升管段而且下降管段以及连接在其下游的另一个上升管段，都按悬挂的结构方式固定在热燃气通道的外壳顶盖的区域内，在这种情况下分别允许在下部区内自由地纵向膨胀。这种由于热效应引起的纵向膨胀，现在通过将各下降管段与上升管段连接或将另一个上升管段与该下降管段连接的溢流段补偿，所以不产生基于热效应的应力。

附图说明

下面借助附图详细说明本发明的实施例。

该附图1简化表示一卧式结构形式的蒸汽发生器的纵剖面。

具体实施方式

按图1所示的蒸汽发生器1设计为连接在图中没有进一步表示的燃气轮机下游废气侧的废热蒸汽发生器的类型。蒸汽发生器1有一外壁2，它构成一个可沿大体水平的、通过箭头4示意表示的热燃气方向X从燃气轮机流过来的废气的热燃气通道6。在热燃气通道6内布置一些按直流原理设计的加热面，也称为蒸发器直流加热面8，它们规定用于流动介质的汽化。在图1所示实施例中只表示了一个蒸发器直流加热面8，但也可以设置更多数量的蒸发器直流加热面。

由蒸发器直流加热面8构成的蒸发系统中可供入流动介质W，它在一次性地通过蒸发器直流加热面8时蒸发，以及在从蒸发器直流加热面8排出后作为已经过热的蒸汽D导出，以及只在需要时供入过热加热面以便进一步过热。由蒸发器直流加热面8构成的蒸发系统连接在汽轮机的图中未详细表示的水汽循环中。在汽轮机的水汽循环中，除所述蒸发系统外还连接了另一些在图1中示意表示的加热面10。这些加热面10可例如涉及过热器、中压蒸发器、低压蒸发器和/或预热器。

按图示的蒸汽发生器1，蒸发器直流加热面8按管束的方式包括多根相互并联的供流动介质W流过的蒸汽发生器管12。在此，多根蒸汽发生器管12沿热燃气方向X看并列设置。图中只能看到如此并列的蒸汽发生器管12之一。在流动介质方面，在如此并列布置的蒸汽发生器管12的上游连接一个公共的分配器16，以及在其下游连接一根公共的出口集汽管18。分配器16本身在进口侧与主分配器20连接，以及出口集汽管18在出口侧连接在一根公共的主集汽管22上。

蒸发器直流加热面8设计为使它适用于供给比较低质量流量密度的蒸汽发生器管12，在这里蒸汽发生器管12有一种自然循环特征。在此自然循环特征中，一根与同一个蒸发器直流加热面8的另一根蒸汽发生器管12相比受到更多加热的蒸汽发生器管12有更大的流动介质W流量。为了能以特别可靠的方式采取特别简单的结构措施保证这一点，蒸发器直流加热面8包括三个按流动介质流向相互串联的分段。在第一分段中，蒸发器直流加热面8的每根蒸汽发生器管12包括一个大体垂直布置可被流动介质W沿向上的方向流过的上升管段24。在第二分段中，每根蒸汽发生器管12包括一个按流动介质流向连接在此上升管段24下游、大体垂直排列和可被流动介质W沿向下的方向流过的下降管段26。在第三分段中，每根蒸汽发生器管12包括另一个按流动介质流向连接在该下降管段26下游、大体垂直布置和可被流动介质W沿向上的方向流过的上升管段28。

沿热燃气方向X看，由另一个上升管段28构成的分段，安排在由第一个上升管段24构成的分段与由下降管段26构成的分段之间。由此保证一种高度适应流动介质加热方面的需求以及适应热燃气通道6内加热状况的结构方式。

在这里下降管段26通过一溢流段30与属于它的上升管段24连接。按同样的方式，另一个上升管段28通过一溢流段30与属于它的下降管段26连接。在本实施例中，溢流段30在热燃气通道6内部延伸。作为替换方案，溢流段30也可以在热燃气通道6外部延伸。这尤其对于下列情况应是有利的，即，从结构或运行方面的原因出发应设置一个蒸发器直流加热面8的排水装置。

由图1可以看出，下降管段26与属于它的另一个上升管段28以及连接此两者的溢流段30有一种几乎U形的形状，其中，U形的边由下降管段26和另一个上升管段28构成，以及连接弧由溢流段30构成。在如此设计的蒸汽发生器管12中，在下降管段26区域内的流动介质W在高度势能方面的压力贡献，与另一个上升管段28区域相反，它造成一种促进流动和不阻碍流动的压力贡献。换句话说：处于下降管段26内未蒸发的就流动介质W而言的水柱，还共同“推动”而不是阻碍各蒸汽发生器管12的流动。由此，蒸汽发生器管12在总体上看有比较低的压力损失。

按此结构方式，两个上升管段24、28和下降管段26按一种悬挂结构的方式悬挂或固定在热燃气通道6的顶盖上。与之相反，上升管段24在空间中看的下端和下降管段26和另一个上升管段28分别通过其溢流段30互相连接的下端，没有在空间上直接固定在热燃气通道6内。因此，蒸汽发生器管12这些分段的纵向膨胀是可容许的和没有破坏危险，其中，各溢流段30起膨胀弧的作用。因此蒸汽发生器管12的这一布局面对所产生的膨胀差在机械上是非常柔性的以及在热应力方面不敏感。

一根蒸汽发生器管12尤其在其上升管段24内受到更多加热，并首先在那里导致提高汽化率，在这种情况下，由于已经针对受到更多加热对此蒸汽发生器管12进行相应的尺寸设计，使得通过此受到更多加热的蒸汽发生器管12的流动介质的通流量增大。

此外，多根蒸汽发生器管12的下降管段26和另一个上升管段28，在热燃气通道6内彼此以这样的方式相对定位，即，为一个沿热燃气方向X看位于靠后位置的下降管段26，总是配设沿热燃气方向X看位于靠前位置的上升管段24、28。采用这种布局，使受到比较强烈加热的上升管段24、28与受到比较微弱加热的下降管段26连通。通过这种相对定位，在各管排14之间的通流性能也获得自动平衡的效果。

基于所述蒸汽发生器管12特别突出的自然循环特性，在面对局部不同的加热时它们有高度的自稳定特性：若一排蒸汽发生器管12受到更多加热，则在该处就会导致向该排蒸汽发生器管12内供入更多的流动介质W，这样，基于相应增强的冷却效果，就会自动平衡各蒸汽发生器管12内的温度值。因此流入主集汽管22的新汽在其蒸汽参数方面特别均匀，而与具体的管排14无关。

通过对所述蒸发器直流加热面8所进行的这样一种结构设计，即，将该加热面8的形式上为另一个上升管段28的出口定位在按燃气方向处于第一上升管段24与下降管段26之间，并因而定位该蒸发器直流加热面8的一个中间燃气温度区，取得了如下突出的优点：通过所述定位以自然的方式避免了在蒸发器直流加热面8出口处各蒸汽发生器管12内的流动介质被过度地过热。

Claims (6)

1.一种蒸汽发生器(1)，其中，在一个可供热燃气沿一个近似水平的热燃气方向(X)流过的热燃气通道(6)内设有一个蒸发器直流加热面(8)，该蒸发器直流加热面(8)包括一些为流过一种流动介质(W)相互并联的蒸汽发生器管(12)并设计为，使一根与该同一个蒸发器直流加热面(8)的另一根蒸汽发生器管(12)相比受到更多加热的蒸汽发生器管(12)，有一个与该另一根蒸汽发生器管(12)相比更大的流动介质(W)流量，其特征为：一根或各根蒸汽发生器管(12)分别包括一个大体垂直布置的可被流动介质(W)沿向上的方向流过的上升管段(24)，一个按该流动介质(W)流向连接在该上升管段(24)下游的、大体垂直布置和可被流动介质(W)沿向下的方向流过的下降管段(26)，以及另一个按流动介质(W)流向连接在该下降管段(26)下游的、大体垂直布置和可被流动介质(W)沿向上的方向流过的上升管段(28)，其中，各蒸汽发生器管(12)的所述另一个上升管段(28)，在热燃气通道(6)内沿热燃气方向(X)看，布置在所述与之配置的上升管段(24)与下降管段(26)之间。

2.按照权利要求1所述的蒸汽发生器(1)，其中，一根或各根蒸汽发生器管(12)的所述上升管段(24)与所述与之配置的下降管段(26)以及该下降管段(26)与所述与之配置的另一个上升管段(28)，分别通过一溢流管段(30)供所述流动介质(W)流通地相互连通。

3.按照权利要求2所述的蒸汽发生器(1)，其中，各溢流管段(30)设在所述热燃气通道(6)内部。

4.按照权利要求1至3之一所述的蒸汽发生器(1)，其中，多根蒸汽发生器管(12)的所述另一些上升管段(28)和一些下降管段(26)，在热燃气通道(6)内彼此以这样的方式相对定位，即，为一个沿热燃气方向(X)看相对更靠后的上升管段(28)配设一个沿热燃气方向(X)看相对更靠前的下降管段(26)。

5.按照权利要求1至4之一所述的蒸汽发生器(1)，其中，一些蒸汽发生器管(12)分别包括多个按流动介质(W)流向交替串联的上升管段(24)、下降管段(26)和另一些上升管段(28)。

6.按照权利要求1至5之一所述的蒸汽发生器(1)，其中，按热燃气方向(X)在该蒸汽发生器(1)上游连接有一台燃气轮机。