CN102171513B - 废热蒸汽发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种废热蒸汽发生器(1)，该废热蒸汽发生器带有多个在流动介质方面并联的蒸发管（4），所述蒸发管通过水分离系统连接在多个过热管(26)下游，其中，所述水分离系统包括多个水分离元件(12)，其中，每个水分离元件(4)分别连接在多个蒸发管（4）下游和/或多个过热管(26)上游，其中，每个水分离元件（12）包括一个与分别连接在上游的蒸发管(4)连接的入流管件（14），该入流管件沿其纵向看过渡到排水管件(16)中，其中，在过渡区域分支出多个流出管件（28），所述流出管件与分别连接在下游的过热管(26)的入口汇流器（28）连接，为了在运行灵活性特别高的同时带有相对较低的构造和维护成本，在各个水分离元件(12)和入口汇流器(28)之间在蒸汽侧设置一个分配元件（34）。

Description

废热蒸汽发生器

技术领域

本发明涉及一种废热蒸汽发生器，所述废热蒸汽发生器带有多个在流动介质方面并联的蒸发管，所述蒸发管通过水分离系统连接在多个过热管下游，其中，水分离系统包括多个水分离元件，其中，每个水分离元件分别连接在多个蒸发管下游和/或多个过热管上游，其中，每个水分离元件包括一个与分别连接在上游的蒸发管相连接的入流管件，该入流管件沿其纵向看过渡到排水管件中，其中，在过渡区域分支出多个流出管件，所述流出管件与分别连接在下游的过热管的入口汇流器相连接。

背景技术

废热蒸汽发生器是一个热交换器，该热交换器从热的气流获取热量。废热蒸汽发生器例如使用在燃气轮机和蒸汽轮机发电站中，其中，一个或多个燃气轮机的热废气被导到废热蒸汽发生器中。在废热发生器中产生的蒸汽接着被用于驱动蒸汽轮机。这种组合产生的电能明显比单独的燃气轮机或蒸汽轮机更有效率。

废热蒸汽发生器可根据多种标准分类：根据气流的流动方向例如可以将废热蒸汽发生器分为垂直和水平的结构类型。另外存在带有多个压力级的蒸汽发生器，所述压力级带有分别包含的水-蒸汽混合物的不同热状态。

蒸汽发生器通常可以设计为自然循环蒸汽发生器，强制循环蒸汽发生器或连续蒸汽发生器。在连续蒸汽发生器中，蒸发管的加热导致流动介质在蒸发管中在一次通过就完全蒸发。流动介质（通常是水）在其蒸发之后被输送到连接在蒸发管下游的过热管并且在该处被过热。蒸发结束点的位置，也就是从带有剩余水分的流过渡到纯蒸汽流的位置在此是可变的并且与运行类型相关。在这种连续蒸汽发生器满负荷运行时，蒸发结束点例如位于蒸发管的端部区域，因此蒸发的流体介质在蒸发管内就已经开始过热。

与自然循环蒸汽发生器或强制循环蒸汽发生器相反，连续蒸汽发生器没有压力限制，因此连续蒸汽发生器的新鲜蒸汽压力可以设计为远超过水的临界压力(p_krit≈221bar)，在该临界压力，任何温度下水和蒸汽都不能同时出现并因此也不可能有相分离。

为了保证蒸发管可靠的冷却，这种连续蒸汽发生器在低负荷运行或者在启动时通常用最小的流动介质流在蒸发管中运行。针对运行设计的、流动介质在蒸发管中的最小流因此在启动或者在低负荷运行时在蒸发管中没有完全被蒸发，因此在这种运行类型中在蒸发管的端部还存在一部分未蒸发的流动介质，也就是水-蒸汽混合物。

因为连接在连续蒸汽发生器的蒸发管下游的过热管通常不是针对未蒸发的流动介质的较大流量设计，连续蒸汽发生器通常这样设计，即，即便在启动和低负荷运行时也能可靠地避免过量的水进入过热管。为此，蒸发管通常通过水分离系统与连接在蒸发管下游的过热管连接。在此，水分离器使得在启动或在低负荷运行时从蒸发管流出的水-蒸汽混合物分离为水和蒸汽。蒸汽被输送到连接在水分离系统下游的过热管中，而分离出的水例如可以通过循环泵再次输送到蒸发管或者可以通过膨胀器排出。

在此，水分离系统可以包括多个水分离元件，所述水分离元件直接集成在管中。在此，尤其可以为每个并联的蒸发管配设一个水分离元件。水分离元件还可以设计为所谓的T型水分离元件。在此，每个T型水分离元件包括分别一个与连接在上游的蒸发管连接的入流管件，入流管件在其纵向看过渡到排水管件中，其中，在过渡区域分支出与连接在下游的过热管连接的流出管件。

通过这种结构方式，T型水分离元件针对从连接在上游的蒸发管流入入流管件的水蒸汽混合物的惯性分离设计。由于其相对较高的惯性，流入入流管件的流动介质的水分在过渡位置优选沿入流管件的轴向延长部继续流动并因此到达排水管件内并通常从该排水管件出发继续流入连接的收集容器中。反之，流入入流管件的水蒸汽混合物的蒸汽部分会由于其较小的惯性更好地进行强制转向并因此通过流出管件流入连接在下游的过热管件。这种结构类型的、设计用于连续运行的过热蒸汽发生器例如由EP 1701090公开。

在带有这样设计的水分离系统的连续蒸汽发生器中，可以通过分散地在连续蒸汽发生器的管系统的各个管中集成水分离装置而在没有事先收集从蒸发管流出的流动介质的情况下实现水分离。为此，也可以将流动介质直接转送到连接在下游的过热管的入口汇流器。

此外，由于结构造成的是，流动介质向过热管的转送不仅限于蒸汽，而是可以向过热管传输水蒸气混合物，方式是水分离元件被过量供给。因此，蒸发结束点在需要时可以移动到过热管内。因此，即便在连续蒸汽发生器启动或低负荷运行时也能实现特别高的运行灵活性。尤其是可以通过影响供水量在较大的范围内调节新鲜蒸汽温度。

然而在这种系统中要考虑的是，由于水分离功能被集成到各个管中，因而在分离系统的范围内需要较大数量的单独管件或管元件。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种上述类型的废热蒸汽发生器，其在保持特别高的运行灵活性的情况下带来较小的结构和维修耗费。

按照本发明，通过在蒸汽侧在各个水分离元件和后续的加热面的入口汇流器之间设置一个分配元件而解决该技术问题。

本发明基于这样的构思，即，通过分散地分离水(在上述的结构方式中单独在各个并联的蒸发管中进行)，较大数目的T型水分离元件在大规模应用时会导致结构问题。由于为安置这样大数目的水分离元件而可能带来的空间问题，这种结构方式由于与其相关的高结构开销也会带来显著的额外费用和对废热蒸汽发生器的几何参数的限制。

可以通过水分离系统较简单的设计实现废热蒸汽发生器的结构费用的减小。为此可以减少所使用的水分类元件的数量。然而，为了获得分散的水分离的优点，例如连续供应水蒸汽混合物的可能性，应保留形式为T型水分离元件的基本结构。前述两种方案的结合可以通过从多个蒸发管汇集流动介质到分别一个水分离元件中实现。

然而，由于减少了T型水分离元件的数量，直接在蒸汽侧向连接在下游的过热管的入口汇流器的进一步传输在分配到各个过热管时导致不均匀。因此，为了在蒸汽或水-蒸汽混合物从T型水分离元件流出之后实现到连接在下游的过热管的均匀分布，在蒸汽侧在各个水分离元件和入口汇流器之间设置一个分配元件。

有利地这样选择多个输出管的几何参数，使得保证流体均匀分配在各个连接在下游的过热管的入口汇流器中。由此已经实现了均匀地引入入口汇流器，该入口汇流器相应延伸到连接在下游的过热管中。在此，输出管例如可以具有相同的直径并且以均匀的间隔相互平行地导入入口汇流器。

在一种有利的设计构造中，分配元件设计为星形分配器，也就是其包括一个挡板，垂直于挡板布置的输入管和多个星形地围绕挡板布置在其平面内的输出管。流入的水碰到挡板上并且以对称的方式垂直于流入方向分配并且导入输出管。在此，在一种特别有利的设计构造中，挡板是圆形的并且输出管与挡板的中心同心地以相同的间隔相对分别相邻的输出管布置。通过这种方式保证了在各个输出管上特别均匀的分配。

在此，每个分配元件有利地设置5至20根输出管。在数量较少时不再能保证足够均匀地将蒸汽或水-蒸汽混合物引入到入口汇流器中，而较高的数量在分配元件的几何构造上是有问题的，尤其是分配元件设计为星形分配器时。

在水分离系统设计为T型分离件时存在过量供给、也就是继续将水-蒸汽混合物导到过热管中的可能性。可能在蒸发过程中产生的不规则的流动因此在T型水分离元件和布置在下游的过热管中继续。

这种紊乱的流动尤其可以以所谓的未蒸发液滴(Slugs)的形式出现，这种紊流由于蒸发和未蒸发的流动介质在管中的不同速度导致。存在波浪状的运动，所述运动导致脉动的质量流，该质量流可以导致水分离元件以及连接在下游的过热管的机械和热负荷。为了避免这种情况，应采取措施防止紊流从蒸发管继续扩展（Fortpflanzung）到T型水分离元件和布置在下游的过热管上。在此，这应当在水蒸汽混合物进入T型水分离元件之前实现。为此，在有利的设计构造中，在多个水分离元件的入流管件中设置各一个紊流缓冲器。

此外，管系统中的紊流也由此产生，即，两个不同相的流动介质相互平行地流过管系统。在两相的分界面上，在速度明显不同的情况下会出现涡流，涡流导致两相之间的分界面的形式为波浪状运动的局部迅速移动。

在特别强的紊流时，这种波浪可以变得大到使其封闭整个管横截面，并且产生了所谓的未蒸发液滴，也就是具有未蒸发的流动介质和较大的质量的区域与主要由蒸汽填充的、带有明显较小质量的区域交替。这种液滴对整个管系统产生脉冲式的机械负荷。为了有针对性地破坏这种液滴并再次建立均匀的流动，紊流缓冲器在有利的设计构造中分别包括多个隔板（Schotten），所述隔板分别封闭横截面的一部分。液滴在隔板上破碎，一部分水被保留（zurückhalten）并且分布到跟随液滴的、主要由蒸汽充斥的区域上。因此实现了对波浪的平抑以及通过平抑波浪运动而建立没有脉冲的运行。

为了将用于破坏液滴所需的部件按照功能布置在连接在水分离元件上游的管中，流入紊流缓冲器中的波浪运动的振动方向应当是已知的或者是可预知的。尤其应当抑制流入的水-蒸汽混合物可能的涡旋运动（Drall-bewegung），因为这种运动会防止紊流缓冲器的功效。为此，管内壁上的紊流缓冲器有利地包括多个指向流动介质的主流动方向的导引型面。通过该导引型面阻止水蒸汽混合物可能的涡旋运动并且水-蒸汽混合物在紊流缓冲器中被置于这种几何位置，使得紊流缓冲器能够相宜地满足其功能。

为了实现了紊流缓冲器的一种特别简单的结构，可以直接在管制造时安装紊流缓冲器。为此，紊流缓冲器有利地由与管材料具有相同或类似成分的材料制成。这还防止了所述管在管和紊流缓冲器和/或导引型面材料不同时由于不同的热膨胀特性而产生过高的机械应力。

通过本发明实现的优点尤其在于，通过在蒸汽侧在各个水分离元件和连接在下游的过热加热面的入口汇流器之间布置额外的分配元件而即便在水分离元件明显较少时也实现了流动介质在过热管的均匀分布。通过这些措施首次减少了水分离元件的数量。这意味着明显更少的制造费用和废热蒸汽发生器的管系统更小的复杂性，并且即便在启动或低负载运行时也可实现特别高的运行灵活性。

附图说明

以下根据附图详细说明本发明的实施例。在附图中示出:

图1是带有水平的烟气路径的废热蒸汽发生器的蒸发器的侧视图；

图2是图1所示的废热蒸汽发生器的蒸发器的俯视图；

图3是图1和图2所示的废热蒸汽发生器的蒸发器沿烟气路径看的视图；

图4是带有垂直的烟气路径的废热蒸汽发生器的蒸发器的侧视图，以及

图5是T型水分离元件。

在所有附图中，相同的部件具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了带有水平的烟气路径的废热蒸汽发生器1的示意图。流动介质M被从没有详细示出的、连接在上游的输送泵供入管系统。在此，流动介质首先流入多个蒸发器入口汇流器2，所述蒸发器入口汇流器用于将流动介质M分配到带有四个带有蒸发管4的蒸发器加热面，然后流动介质在蒸发管中进行蒸发。必要时也可以在上游连接另一蒸发器加热面，或者加热面可以以各种几何构造设置在热气通道中。

分别多个蒸发管4通过第一蒸发器出口汇流器6和第二出口汇流器8汇入公共的过渡管件10，所述过渡管件连接在T型水分离元件12的下游。T型水分离元件12包括入流管件14，该入流管件沿其纵向看过渡到排水管件16中，其中，在过渡区域分支出一个流出管件18。排水管件16汇入排污管道20，该排污管道连接在布置在烟气通道外面的收集容器22下游。流出阀24连接在该收集容器22上，分离出的水通过所述流出阀要么被丢弃要么重新输送到蒸发回路中。

流动介质M通过入流管件14流入T型水分离元件12。分摊的水W由于其质量惯性而流入沿纵向紧随其后的排水管件16。反之，蒸汽D由于其较小的质量而按照压力关系所强制的转向进入流出管件18。过热管26在两个过热加热面内通过过热器入口汇流器28连接在流出管件18下游。最后，过热管26汇入过热出口汇流器30。

蒸汽D在该处被收集并且通过蒸汽出口32输送到其下一步应用，通常是在图1中没有详细示出的装置，例如蒸汽透平。

必要时可以连接流出阀24，并因此导致T型水分离元件12的过量供应。在此，尚未蒸发的水W流入过热管26，因此过热管可以用于进一步的蒸发，也就是说，蒸发结束点可以移动到过热管内，这在废热蒸汽发生器1中实现了较高的灵活性。

为了实现废热蒸汽发生器1特别简单的结构，应当使用较少数量的T型水分离元件12。为了补偿由此产生的、在过热管上的分配方面的不均匀性并因此首次实现这种构造，T型水分离元件连接在星形分配器类型的分配元件34之间。分配元件用于在T型水分离元件12受过量供应的情况下将流动介质M预分配到过热器入口汇流器28。

形式为星形分配器的分配元件34的工作原理在图2所示的废热蒸汽发生器1的俯视图中可以看出。此外可见的是，第一和第二蒸汽出口汇流器6，8、以及T型水分离元件12、排污管道20和收集容器22。

在构造为星形分配器的分配元件34中，流动介质M碰到圆形的挡板上并且从挡板反弹到呈星形地、同轴对称地布置的输出管36中。在此，通过在所示的实施例中对称地布置八根输出管36而使每个输出管36大致分配到相同量的流动介质M。输出管以相等的间隔汇入过热器入口汇流器28，使得已经在过热器入口汇流器28的整个宽度上实现了流动介质M的预分配。

根据图3示出了从过热器入口汇流器28到过热器管26的继续导引，图3示出了从烟气入口看的废热蒸汽发生器1。可以看见第二蒸发器出口汇流器8，还可见T型水分离元件12，排污管道20，带有流出阀24的收集容器22，还可见带有流出管36的分配元件34，所述流出管汇入过热入口汇流器38。

在此，图3清楚地示出了预分配的优点:通过分配元件34将流动介质M通过相应的八个输出管已经均匀地分配到各个过热器入口汇流器28的整个宽度上。在流动介质M通过每个T型水分离元件12的唯一一个导管直接导入时，流动介质M不能均匀地分配到过热器入口汇流器28中，因为这种过热器入口汇流器由于过热器加热面的宽度不适于从例如一个唯一的输送管均匀地分配。

图4示出了一种可选的实施形式，即带有垂直的烟气方向的废热蒸汽发生器1的侧视图。部件及其功能基本上与图1至图3所示的蒸汽发生器相同，仅仅是蒸发管4和过热器管26水平布置。蒸发管4螺旋式地多次通过热气通道。

由于T型水分离元件12的数量较少，这些元件的每个的尺寸可以较大。为了在这种用流动介质M较高地加载的情况下避免这种T型水分离元件以及连接在其下游的过热管4较高的机械负荷，在连接在T型水分离元件12的上游的区域中设置紊流缓冲器38。紊流缓冲器例如可以设置在蒸发管4的流出区域中，在所示的实施例中该紊流缓冲器设置在T型水分离元件12的入流管件14中，该T型水分离元件单独在图5中示出。

紊流缓冲器38例如可以包括多个隔板或导向型面，所述隔板或导向型面可以由与入流管件14相同的材料制成。隔板或导向型面还可以在其几何参数方面与在运行中规定的局部流动特性相匹配。

通过紊流缓冲器38防止液滴和其他的扰动流动并且减小了连接在下游的部件的机械负荷。因此，即便在T型水分离元件12尺寸较大的情况下，尤其是在流出管件18和排水管件16的垂直弯折的区域也可以没有脉冲地运行。

Claims (9)

1.一种废热蒸汽发生器(1)，该废热蒸汽发生器带有多个在流动介质方面并联的蒸发管（4），所述蒸发管通过水分离系统连接在多个过热管(26)下游，其中，所述水分离系统包括多个水分离元件(12)，其中，所述多个水分离元件(12)的每一个分别连接在多个蒸发管（4）下游和/或多个过热管(26)上游，其中，每个水分离元件（12）包括一个与分别连接在上游的蒸发管(4)相连接的入流管件（14），该入流管件沿其纵向看过渡到排水管件(16)中，其中，在过渡区域分支出多个流出管件（18），所述流出管件与分别连接在下游的过热管(26)的入口汇流器（28）连接，并且，在各个水分离元件(12)和入口汇流器(28)之间在蒸汽侧设置一个分配元件（34）。

2.如权利要求1所述的废热蒸汽发生器(1)，其中，这样地选择各个分配元件(34)的多个输出管(36)的几何参数，从而保证在各个连接在下游的过热管(26)的入口汇流器(28)上均匀地分配流体。

3.如权利要求1或2所述的废热蒸汽发生器(1)，其中，每个分配元件(34)包括一个挡板、一个垂直于挡板布置的输入管和多个星形地围绕挡板布置在挡板平面中的输出管(36)。

4.如权利要求3所述的废热蒸汽发生器(1)，其中，所述挡板是圆形的并且所述输出管(36)以相对于各自相邻的输出管(36)相同的间隔与所述挡板的中心同心地布置。

5.如权利要求1所述的废热蒸汽发生器(1)，其中，各个分配元件(34)包括五至二十个输出管(36)。

6.如权利要求1所述的废热蒸汽发生器(1)，其中，在多个水分离元件(12)的所述入流管件(14)中分别设置有一个紊流缓冲器(38)。

7.如权利要求6所述的废热蒸汽发生器(1)，其中，所述紊流缓冲器(38)分别包括多个隔板，所述隔板分别封闭管横截面的一部分。

8.如权利要求6或7所述的废热蒸汽发生器(1)，其中，所述紊流缓冲器(38)在管内壁具有多个沿流动介质的主流动方向定向的导向型面。

9.如权利要求6或7所述的废热蒸汽发生器(1)，其中，所述紊流缓冲器(38)由与管材料具有相同或类似成分的材料制成。

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