CN102498344A - 蒸汽发生器 - Google Patents

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Abstract

一种蒸汽发生器包括:水/蒸汽管,所述水/蒸汽管从进水口(62、63、64)穿过蒸汽发生器到达过热蒸汽出口(68、69、610),且所述水/蒸汽管被水平地布置成管组,优选布置成扁平管组,且被烟气(61)竖直地穿过;所述管沿蒸汽发生器的轴线以倾斜路径从一个管组上升到另一管组,以对于每个管组在不同位置处暴露于烟气流(61);所述管分成两个或更多个独立的分支(65、66、67),每个分支通过与其它分支不同的集管进行供给;所述蒸汽发生器是纯逆流的直流式的,且为竖直或水平的;出口过热蒸汽的集管(61、69、610)直接接触地组成一集管束,并且它们与外部热绝缘。

Description

蒸汽发生器
技术领域
本发明涉及一种蒸汽发生器,所述蒸汽发生器具有高适应性、且由与在传统的蒸汽发生器中所使用的材料相当的材料制成。本发明的蒸汽发生器能够大体上在恒定的温度轮廓控制条件下朝着低负载(<30%)扩展适应性,直达到夜间待机状态的极限(至少低于10%,优选高于或等于5%的负载),并准备好根据请求而快速地升高到最大负载,甚至在诸如煤的燃料的情况下也是,所述燃料以往限于连续(不易适应)的生产用途。
背景技术
现有技术中已知的是根据各种类型的燃料以及所使用的不同的热力循环,热-电力生产在技术上是多样化的。
然而,即使设备在结构上不同,但所有的技术方案,包括已经已知的和仍处在开发阶段的技术方案都具有由热回收操作表示的概念上的共同特征,即:以热的形式从不适合于提供机械功的燃烧气体/烟气上通过利用热源而朝着能够产生机械功的封闭循环的运行流体的操作。通常最普及的流体是水/蒸汽,其运行兰金循环(Rankine cycle)(目前一直存在的特征),其中在涡轮机中执行蒸汽的绝热膨胀。热回收设备被称为蒸汽发生器(SG)。
根据一些指导标准进行热回收蒸汽发生器的评估。
化石燃料成本的连续增加以及对大幅度地减少每单位能量生产的有害排放物(包括近来的“温室”气体)的量的需要,这实际上已朝着越来越高的热能-电能转换率推进,甚至接受更复杂且更昂贵的技术和设备的缺陷。
如众所周知的,较高的循环率与在较高的压力下并且特别是在较高温度下运行的水/蒸汽循环相关联。通过假定压力和温度蒸汽临界值作为基准,即22.1MPa(221巴)和647K(374℃),工业上已经经历了从亚临界循环到超临界(SC)循环,直到近来的超超临界循环(USC)的进展。因此,为了使产量最大化,目前使用600-620℃温度的过热蒸汽和在240-280巴的压力下运行的USC循环,其中通过在不经过通常同时存在液态水和蒸汽的两相的转变状态的情况下加热水流体来发生热回收。通过以连续方式加热,在没有通过在亚临界条件下运行的蒸汽发生器的典型的液体-蒸汽两相的中间步骤的情况下,液态水从液相转换到蒸汽相。在USC中,在不存在液态水和蒸汽水同时存在的相的情况下,液态水从高密度相(水状)转换到低密度相(蒸汽状)。
热交换水/蒸汽侧的处理的显著复杂性已表现出了在对于亚临界蒸汽发生器的技术选择中的关键点。实际上,着重注意的是蒸汽发生器:
-烟气侧,由于作为温度的函数的热特性(比热)的准线性和传输特性(粘度、比热、热导性)的准线性,在大气压下并在接近所要移除的热(感热)相对于温度的准线性的条件下,该烟气侧从气体中移除热,因而解决方案的工程变得容易;
-水-蒸汽侧,该水-蒸汽侧将热传递到相当复杂的系统,该系统具有热和传输特性的明显变化、物理状态的明显变化和蒸发的相关焓的明显变化以及在亚临界条件下,沿液体与蒸汽相之间具有强烈变化率的状态转变的混合相的明显变化。
因此,在烟气与水液体/蒸汽之间非常不同的温度梯度(在水液体预热区中低,在蒸发和蒸汽过热区中高)的情况下发生热交换,在预热区与蒸发区之间的边界处具有“收缩效应(pinch)”问题(ΔT烟气-水/蒸汽,其限于接近零热交换的值)。
因此,根据效率和处理,设计和操作系统非常复杂,即使实际上该系统被包括在单个设备体中,但仍然表现为三个截然不同的区域:液体预热区(ECO)、蒸发区(混合的液体相和蒸汽相,EVA)、蒸汽过热区(SH),根据特定标准来最优化每个区域并根据特定标准来控制每个区域。因而,这些区域中的每一个区域配备有不同和独立的仪器、控制单元和附属回路,即:在概念上和实际上,蒸汽发生器被分成三个不同的操作/设备。
特别地,已建立的方案设定蒸发相(EVA),该蒸发相(EVA)由相分离器和大的蒸汽鼓限制,用于水与所产生的饱和蒸汽的明确分离,并通过微小变化的热交换和混合相的流体动态条件来稳定化该蒸发相(EVA),也就是说,其中在大量的再循环水中形成有限量的蒸汽。
这一方案已是最优选的,且该方案由于其大用途以及显著的控制稳定性的明显特性而得以巩固,且该方案通过由容纳在蒸汽鼓中(处于高温和高压下的大容器)的大量水给予的惯性而得以促进,并适于大的热电站,所述热电站以往是向配电网供应电力的连续库存(即,EP消耗的夜间最小值)的骨干部分。
从亚临界到SC蒸汽发生器并朝着USC蒸汽发生器的演变从一个方面部分地使三个单独的截然不同区域的区别开来的意义和大型水/蒸汽分离器系统的意义丧失。然而,三个区域(ECO,EVA,SH)的区别开来的标准仍要被保持,因为功率负载的部分化(partialization)通过滑动压力概念(蒸汽压力的减小)发生在热电转换机(涡轮机)上。实际上,当USC蒸汽发生器压力下降到临界压力之下时,USC蒸汽发生器返回到亚临界条件(出现沿加热曲线的两相的水和蒸汽)。换句话说,电力生产能够相对于恒定的额定功率以连续方式(几乎恒定的温度轮廓控制)而从额定值下调到大约30%的极限。代替地,在30%负载下,取决于各种所采用的方案,使用专门的启动系统。
最后,发电必须考虑在电力消耗的整个白天期间的趋势。工业的和消费者的系统需求的演变带来在白天期间的电力消耗的敏感的增加,且白天/夜间之间电力需求的比率远高于3,并且相对于连续的基础消耗(夜间)具有异常的需求峰值。这称为(日常)“循环”。
生产侧,即满负载下的连续电力的生成以往是具有低可变成本的大电站(即核电站)以及主要烧煤的热电站的特权,从而将白天需求和峰值(循环)的吸收留给用于启动和用于相对于额定负载的功率负载增加/降低的固有快速响应技术,诸如基于涡轮-气体循环的技术。至少在不久以前,该方案已经能够吸收该循环。
然而,必须注意的是其它发展因素产生了不平衡:
-预期白天和夜间电力消耗的偏离趋势进一步增加,从而降低了连续基础消耗(夜间),
-核电站的增加,这将侵蚀使用化石燃料(煤)的热电技术的空间,该核电站将坚持相同的连续基础消耗,
-更高的产量需求也影响上述的固有快速技术,从而导致从简单的涡轮-气体演变到联合循环的涡轮-气体(加入蒸汽发生器,用于从由涡轮膨胀机排出的热烟气中热回收),并在将来演变到利用USC型高回收率的蒸汽发生器的联合循环。
对于联合循环来说,循环需求排除了负载变化太慢的传统的“蒸汽鼓”式蒸汽发生器,并给出了新的解决方案,这些新方案中已经存在至少用于所谓快速响应电站的证据。
所有这些演变因素都显著地朝着新解决方案推进,可能设想到将该新方案与所要开发的用于从化石燃料接近零排放的目标的新技术组合。如上所述,目前的新解决方案已经明显涉及联合(快速)循环的热回收蒸汽发生器。
日常循环和对负载变化的快速响应已经要求摒弃蒸汽鼓的使用,即三阶段方案的使用,并转换到称为“直流(once through)”的更灵活的方案,“直流”的字面意义为单程水/蒸汽侧。
例如,已建立纯逆流的方案,即:流体在相反的方向上通过设备,且热烟气与一侧上的热蒸汽之间通过壁接触/交换,且冷烟气与所要预热的冷水接触,即处于最小热交换ΔT。所述设备是竖直的,即烟气从底部上升,穿过水平的水/蒸汽管的管组,而水从顶部“直流”下降。
通过如下来实现适应性:
-利用干燥管(没有水)来启动蒸汽发生器,以用于消除待供应的水感热的附加热惯性,
-消除积水(蒸汽鼓、水/蒸汽分离器),以用于使具有负载变化的调节惯性最小化(滑动压力的负载变化),
-重(高比重)流体(亚临界条件下的水和混合相的水/蒸汽;以及在超临界状态下,处于临界温度之下的温度下的水)朝着低密度流体区(蒸汽、处于高于临界温度(Tcr)的温度下的低密度的水)下降,即下落。
以这种方式,克服活塞流(slug flow)(栓塞流(plug flow))的问题。实际上,在向上的水/蒸汽流的情形中,对于具有简单的、不间断地穿过整个蒸汽发生器的管的方案,对于沿蒸发区的所有高的水/蒸汽比来说,将出现这些问题。
在亚临界条件下应用的纯逆流方案的示例是AECON集团中的IST方案。具体地,在高水/蒸汽比流量和中等水/蒸汽比流量下,该方案解决了在气泡中蒸汽与仍为低速的水流分离的问题,并随后在较低比流量下,解决了在管顶过热的情况下水分层和波状流的问题,接着管顶过热之后的是在管顶上的水的喷射(活塞流、栓塞流)以及随后金属壁的剥落。
然而,在负载变化,尤其是低负载,特别是低于大约30%负载的情况下,由于沿水路径的温度轮廓与最大负载的温度轮廓完全不同而未克服这些问题,并且特别地扩展到由于管长的大部分的温度接近进入热烟气的温度而未克服这些问题。因此,对于大部分的交换表面来说,管必须由高合金材料(具有高镍含量的合金,以及其它贵重金属)制成,导致较高的成本。在插入现有技术的碳燃烧反应器下游的该类型的设备的情形中,在交换表面中使用高合金材料变得明显。
此外,带有“下降”水的“直流”方案需要竖直安装设备。特别对于大的电力机组来说,这在资本投入上是一种限制。最后,值得注意的是除了上文提及的管的高温扩展之外,为了快速地上下移动负载,必要的是能够在恒定温度轮廓控制下执行操作(这意味着蒸汽发生器要保持烟气和水/蒸汽的温度轮廓处于蒸汽发生器中的相同排列和几何位置,即现有技术中已知的条件,如恒定的温度轮廓控制条件,或如“轮廓控制”),这对于IST锅炉来说,在足够的负载间隔上不是这样的情形。
因此,该实施例的无疑的适应性,即在恒定温度轮廓控制下的快速上下负载变化被削弱,直到在低于30%的负载下消失。实际上,在各种蒸汽/水比率以及在低蒸汽流量下,由于低负载,蒸汽发生器的大部分的管理/控制不再受单独的水向下的流支持而是需要逐渐不同的控制策略,因而不可实时操作。
在发明USP 5,159,987中,如下的关注是明显的:在瞬变条件(启动/停止)以及在低负载条件(<30%)下,通过与水/蒸汽流的稳定状态的不可接受的偏离,并对于蒸汽发生器的大部分要保持低ΔT(由于先前描述的原因),水通过重力作用的向下流动能够导致涡轮机损坏的不可接受的风险。在这一专利中,热烟气来自底部而水来自顶部的“直流”方案与中间区域组合,其中两相的水/蒸汽流体(蒸发水)返回,以在与烟气的并流中上升(抵抗重力),从而限定优选容纳所要蒸发的水的区域,在低负载下,该水将在非稳定状态下朝着出口移动。此外,作为水/蒸汽的相转变(在亚临界条件中),并流热交换的等温现象、熵无效(inefficiency)可忽略。然而,在USC满负载条件下,仅通过在任何条件下扩展由高合金材料制成的交换表面部分而能够实现低负载下的熵无效恢复相关性和适应性。
高ΔT(材料、剥落)和快速负载变化期间的热冲击的关注在USP7,383,791中是明显的,其中“直流”方案(从进口到出口的不间断单个管)设计水路径,使得热烟气的上升流首先与所要预热的水接触,以便限制蒸汽发生区SH中的ΔT(所要加热的流体温度的最大值)和蒸发区中的热冲击风险。因此,水从底部进入并利用热烟气预热,离开并以向下流的形式在顶部处重新进入,与用于水/蒸汽蒸发相和过热相的上升烟气是相反的逆流。
无疑地,ΔT烟气水/蒸汽相对于先前的情形(IST)更有限,并且对于热交换表面的较大部分能够使用价值较低的材料。然而,明显的是,假定熵形成与预热步骤中的热烟气-水的热交换相关联,这是以循环的全局产率为代价的。
尽管在操作中,上述情形引入了适应性改进(负载变化率),但是有损于效率或以较多使用昂贵高合金材料为代价,对于这些以及其它结合方案,仍然存在如下问题:对于低于30%的负载,蒸汽发生器明显与满负载的最佳热轮廓(管组温度,水/蒸汽和烟气的温度轮廓)相偏离(与为高负载而建立的最佳的温度轮廓控制相偏离)。由此导致对于启动和对于在达到30%的负载下的运行,必需退出高负载控制条件并利用各种逻辑以及使用附属的回路/硬件来执行一系列操作。这意味着在启动速率方面和对于升高到30%的负载以及在控制条件复杂性方面确实不利。对于电站类型,诸如由于快速启动和快速上升的负载性能而使其突出的联合循环涡轮气体,该不利具有明显的经济影响。具体地,联合循环的蒸汽发生器是确定启动和负载上升速率的元件,该联合循环的蒸汽发生器产生大约几十分钟的延迟,最大达到超过一个小时。
已对各种方案进行了研究,以试图限制各种方案的负面影响。一个方案提议通过形成直接送到烟囱而不通过蒸汽发生器的旁路而将蒸汽发生器与涡轮气体断开。另一方案提出利用基于蒸汽发生器的启动程序和对负载上升性能的调节(烟气流速和烟气温度),通过将所有烟气送到蒸汽发生器,经由转数和燃料来调节(通过降低)涡轮气体功率。
强制发生与温度轮廓控制条件的脱离还由于高温下的热交换通量不是基于单一已知的机制(强制对流),而是基于如下两个机制:
-通过强制对流的交换,该交换与负载,即与烟气流量和与烟气温度(ΔT)一致地上升-下降(以几乎线性方式),
-通过从烟气的辐射的交换,该交换仅取决于4次幂下的温度(T),即(T4),
其中第二机制在高温下是不可忽视的。
取决于上游的烟气生成设备(燃烧,热烟气发生器),一个方案将具有:
-对于上游涡轮气体,其中低负载下的适应性不明显,而代替的是,启动速率和负载上升速率显著,其在理想情形中以恒定的烟气流量运行并通过调节温度来调节负载,下降(上升)的负载变化意味着热通量交换与线性负载的明显偏离,因为它不能够避免/最小化第二机制(通过辐射的交换)的影响,
-对于上游的油或煤的燃烧辐射室,其仅利用恒定温度下的流量来调节负载,通过来自烟气的辐射对热通量的贡献是不变的,并且不允许低于该辐射通量的热通量。
因此,在低于30%负载的操作中,温度轮廓控制不能被保持并且要逐步采用不同的控制逻辑,控制逻辑越不同,负载下降得越多,并且经常利用中断单个管路径的附属回路(外部再循环,向蒸汽中的喷水调节)。也就是说,蒸汽发生器不能运行得使自动温度轮廓控制扩展到整个范围,低于30%负载(在上升中和在下降中)上以及在启动/停止阶段中。
发明内容
因此,感到需要具有可用蒸汽发生器,该蒸汽发生器具有如下性质的组合:
-具有高适应性,并且也由与在所建立的蒸汽发生器中使用的材料相当的材料制成,
-能够大体上在恒定的温度轮廓控制下朝着低负载(<30%)达到夜间待机状态的极限(至少低于10%,优选高于或等于5%的负载)扩展适应性,
-准备好根据请求而快速地升高到最大负载,甚至在诸如煤的燃料的情况下也是,所述燃料以往仅限于稳定的高负载生产用途。
应该谨记的事实是,对于涡轮机的特性来说,单位燃料生产电力的单位产量(所生产的千瓦时/燃烧的焦耳热)明显地随负载降低而降低,在30%的电站负载下,即:在适合于温度轮廓控制的较低负载极限下,达到不可接受的值。
申请人已惊奇地并且出乎意料地获得了解决上述技术问题并能够满足高效率和循环需求以及降低成本(现有技术的传统材料)的蒸汽发生器。
本发明的目的是提供一种蒸汽发生器,该蒸汽发生器包括:
-水/蒸汽管,该水/蒸汽管从进水口到过热蒸汽出口穿过蒸汽发生器,
-水/蒸汽管被水平地布置成管组,优选为扁平管组,且被烟气竖直地穿过,
-管沿蒸汽发生器的轴线以倾斜路径从一个管组延伸到另一管组,以便对于每个管组在不同位置处暴露于烟气流(见图1),
-管分成两个或更多个独立的分支,通过与其它分支不同的集管对每个分支进行供给(见图5),
-蒸汽发生器是纯逆流的直流式,且为竖直的,具有来自顶部的烟气进口和来自底部的进水口,或为水平的,但总是处于逆流,
-出口过热蒸汽的集管在直接接触的情况下组成一集管束,并且该集管束与外部热绝缘,
-可选地,集管的开头部分定位于烟气流中,处于这样的位置,即:使得烟气处于接近过热蒸汽温度的温度(见图6),
-可选地,在热回收之后,通过再循环冷烟气来对进口的热烟气进行温度调节,
-可选地,存在一个或更多个来自涡轮机中间压力溢出的再热部,
-可选地能够存在一个或多个用于再热的蒸汽压力水平。
水/蒸汽管在没有中间进口和出口的情况下,优选从进水口到过热蒸汽出口穿过蒸汽发生器,更优选没有中断。水-蒸汽管能够由通常在传统的USC蒸汽发生器中使用的材料制成。
一般地,所用的材料取决于材料沿蒸汽发生器的轴线所经受的运行温度而改变。在本发明的蒸汽发生器中,高合金材料部仅仅是对应于其中执行最终的蒸汽过热的最后的部分。例如,如果蒸汽以605℃和240-280巴的压力离开,则该部分的长度对应于管长的大约10%。在高合金材料的第一部分之后,顺次是一段优选地包括铬钢的材料,管长的大部分(大约60%)优选由碳钢制成。
布置成扁平管组、被烟气竖直穿过的水/蒸汽管优选具有相对有限的直线水平管长,通常优选小于12米,更优选小于6米。
这些尺寸用于避免易于出现定期积水和栓塞流(或活塞流)扩散的太长的直线水平部。因此,虽然管的最小运行负载是大约30%,但是在本发明的蒸汽发生器中如所述的较短长度是优选的,然后通过再混合(曲线、更频繁的上升)以便避免栓塞流现象及其扩散。当使用肋形管时,见下文,管长甚至能够更长,例如20米。
在下文对以一管组与另一管组之间的倾斜路径上升的管进行详细描述。如下文详细描述的,水/蒸汽管分成两个或更多个单独供给的独立分支。
优选根据下文详细描述的标准定位集管。
本发明的蒸汽发生器是纯逆流的竖直直流式的,优选地是烟气进口来自顶部,而进水口来自底部。
优选,本发明的“直流式”纯逆流的蒸汽发生器是水平的。这样,工业安装得以简化并因而实现安装成本的明显降低。在下文更广泛地说明这点。
优选地,在回收之后通过再循环冷烟气来进行进入的热烟气的温度调节,如下文描述的,之后对涉及过热蒸汽控制和收缩消除的优点进行说明。
本发明的又一目的是提供一种用于在滑动压力模态下操作本发明的蒸汽发生器的方法,其中在100%负载下水/蒸汽总是处于超临界条件(图7A),并且随着负载的降低压力越来越低(图7B,对于50%负载),以便在蒸汽发生器出口处获得具有需求压力条件的蒸汽,用于喷入以目标负载运行的涡轮机中。
可选地,蒸汽发生器能够在恒定的压力模态下运行,其中对于所有负载(从100%到30%负载)以及在喷入涡轮机中之前的最后分层来说,蒸汽发生器中的水/蒸汽总是处于超临界条件(图7C,对于50%负载)。
本发明的另一目的是提供一种用于使本发明的蒸汽发生器在从5-10%到100%的负载下操作的方法,该方法包括如下步骤:
-保持烟气和水/蒸汽的温度轮廓处于蒸汽发生器中的相同排列和相同几何位置,
-通过排除一个或更多个分支并然后保持一个或更多个分支处于干燥状态,直到仅具有一个操作分支的极限,在低负载下阻止(choking)热交换表面,即低于大约30%负载下阻止交换表面。
优选地,保持烟气和水/蒸汽的温度轮廓沿蒸汽发生器处于相同排列和相同几何位置通过如下程序中的两个或更多个执行:
a)对于低于30%的最小滑动压力负载的负载,通过排除一个或更多个分支并然后保持一个或更多个分支处于干燥状态,直到仅具有一个操作分支的极限,阻止热交换表面,
b)通过沿蒸汽发生器保持如下位置,即:对于需要超临界条件的负载,在经过临界条件时温度拐点的位置,以及对于需要亚临界条件(滑动压力)的负载,等温蒸发的位置,对在任意负载下的供给水流速度进行反馈控制(用于偏离稳定状态的移位控制)
c)通过热烟气温度经由再循环冷烟气进行调节,对在任意负载下的所生成的蒸汽温度进行反馈控制(用于偏离稳定状态的移位控制),以运行用于在固体燃料燃烧单元下游作业的锅炉,
d)通过对所供给的水的预热进行操作,对蒸汽发生器的出口处的烟气温度进行反馈控制。
用于保持温度轮廓的优选方案利用上述的步骤b)和c)。
可选地,本发明的方法包括如下步骤e):
-在所生成蒸汽的所有压力条件下,保持蒸汽发生器的第一部分处在超临界压力条件下,随后进行分层,此时在分层步骤下游,流体焓允许超临界流体在不经过两相的水/蒸汽流体区的情况下直接转变成蒸汽相(图7C)。
在下文中详细描述当在低负载下运行时,热交换表面阻止的步骤。
通过调节热烟气温度对在任意负载下的生成蒸汽温度进行反馈控制步骤c),将进一步处理热烟气温度,此处对如何保持过热蒸汽温度以及避免收缩现象进行进一步说明。
下文对通过保持温度拐点处于超临界条件下或蒸发等温线处在亚临界条件下(在滑动压力中)对在任意负载下的供给水流速度进行反馈控制步骤b)进行详细处理。
可选地,本发明的方法包括可选的分层(lamination)步骤e),该步骤对于高容量的联合循环电站的情形中的水平安装是令人感兴趣的。
出乎意料地和令人惊奇地,在成本未明显增加的情况下,本发明的利用上述方法运行的蒸汽发生器能够提供上述的高性能。本发明的蒸汽发生器满足从5-10%到100%负载的循环,该蒸汽发生器具有高效率,并且对于大部分的热交换(壁)表面来说,该蒸汽发生器在不必需要高合金材料的情况下作业。
因此,本发明使可用的蒸汽发生器具有高适应性,由质量与传统蒸汽发生器相当的材料制成,而且能够在大约5-10%的很低的负载下运行,在恒定的运行和温度轮廓控制条件下作业,而且当使用诸如煤的固体燃料时能够再次迅速地升高到最大负载。
此外,具有上述特性的本发明的蒸汽发生器示出如下性质:
-在从大约5-10%的最小值直到100%负载的所有负载条件下,沿蒸汽发生器结构稳定地保持烟气温度降低轮廓,
-对于超临界和亚临界蒸汽生产,在所有负载条件下,沿蒸汽发生器的水/蒸汽侧几乎恒定地保持温度轮廓(换句话说,它移动但不改变其形状),
-通过简单的流孔总是保持单个分支的管中的水流量的良好分布(作业分支的最小负载等于/大于30%),
-用管的倾斜方向解决与烟气流的不均匀分布有关的任何问题(在总的烟气流之中,烟气流通道具有不同的交换“历史”),
-沿SG保持最小的水/蒸汽相对于烟气的ΔT,即保持良好的ΔT,
-例如通过逐步排除一个或多个分支(停止水供给并使分支达到干燥状态)来阻止热交换表面(1/2,1/3,1/4等),以保持温度轮廓控制设定下降到单个分支的30%的负载,即在六个分支的情形中直到大约5%的总负载,或在三个分支的情形中10%的负载,其中大体上5%或10%的值等于电站待机负载,
-通过在相同总负载值下对热烟气的流量温度调节来解决ΔT收缩问题。
因此,本发明可实现如下:
-在所有负载条件下,烟气-水热交换的ΔT轮廓接近针对满负载而确定的最佳轮廓,因而沿蒸汽发生器的轴线以及在竖直于蒸汽发生器的轴线的任何平面上热通量总是接近最佳,
-由于在所有负载条件中烟气温度下降轮廓都保持在针对满负载条件而建立的几何位置中(沿蒸汽发生器的轴线),所以未作业(干燥)管的温度与作业运行温度仅偏差(高)热交换ΔT,
-用于在从5-10%到100%的整个负载范围中的恒定温度轮廓控制的一个独特逻辑导致在整个负载范围中的一个独特自动逻辑,
-在前馈控制下,非常高的负载增加速率或负载降低速率仅通过恒定温度轮廓控制逻辑下运行的传统仪器/设备的特性响应时间限制。
利用上文提及的特征,得到如下期望的性能:
-(用干燥管)快速启动,
-非常宽的负载适应性,在温度轮廓控制条件下,下降到热负载的大约5-10%的极限值(温暖的待机状态),
-在5-10%直到100%负载范围上的快速负载调节,
-管的材料与目前在不易适应电站中使用的标准一致。
本发明的原理方案是简单的,类似于纯逆流形式的热交换器,如图6中所示。作为示例,其中示出水/蒸汽的分成三个单独的分支(热交换表面的三分割部)。
在未分割的情形中(图9)以及当具有三分割部并排除三个分支上的两个分支时(图10)利用本发明的方法,在低负载下温度轮廓的保持上以及在标准材料的使用上将进口烟气温度调节与多分成分支相结合的效果通过与沿蒸汽发生器的轴线的水/蒸汽的温度轮廓和烟气的温度轮廓相比较(对于两者,相同的边界条件)是明显的。
优选在从进水口到过热蒸汽出口不间断的情况下分成多个分支的每个单个热交换管的研制通过简单的孔(局部化的压头损失)实现每个单个管上的流量的完美分布,而没有在全容量下由于过多负载损失而导致的能量不利和由于低负载(5-10%)下的不充足压头损失而导致的不均匀分布,为实现5-10%的预期总负载运行分支的最小负载是30%。
如所述的,水/蒸汽被分成分支,至少2个分支,优选3个分支,更优选4到6个分支。当一个和更多个分支停止作业时,为了保持预期的温度轮廓(烟气侧和水/蒸汽侧),从每个分支的集管取出一个管以形成两个一组、三个一组、四个一组等等的组,使得分支管总是被连续地分组。见图5,三个分支的情形。
总是为了获得上文指出的结果,在通过水平管组之后,管朝着下一管组倾斜上升,用于避免形成不平衡的烟气和水/蒸汽路径以及用于改进总是存在于任何几何构造和蒸汽发生器设计中(见图1、2、3和4)的烟气的不均匀分布。用于占据下一管组中的连续管的位置的倾斜上升意味着已到达一管组的端部(最外侧的位置)的管通过横跨整个管组的前面而返回到另一管组端部(从图1到图4,特别是图2)。
如所述的,由于如下事实,即通过排除水供给和/或通过封闭朝着高压过热蒸汽的出口将一个和多个分支从运行中排除,所以表面的阻止允许保持烟气温度下降轮廓恒定。
此外,通过保持烟气温度轮廓处于适当的位置,获得的是未作业分支至多达到与沿蒸汽发生器的轴线的轴向位置相关的烟气温度。此外,由于经由再循环冷烟气混合来调节热烟气温度,并且与进口温度关联的过热蒸汽温度控制,所以所得到的轮廓的ΔT(烟气与水/蒸汽之间)总是很小(包括热区在内)。因此,排除了未作业管相对于设计运行条件的过分过热;因而,与传统上已制定的在USC锅炉中使用的材料次序相比不需要材料的升级。
在图8中,示出在100%负载下,对于各种用于(沿蒸汽发生器轴线级联)传统蒸汽发生器和用于本发明的蒸汽发生器的材料,烟气、水/蒸汽以及机械设计温度。在图9中,对于传统蒸汽发生器(即未将表面阻止成不同的分支)中的低负载(<30%),示出与图8的相同特征。根据图9明显的是在低负载下管的温度轮廓超过计划温度,并需要材料升级。
相反,通过利用(来自所提出的示例,图10中的三个中的)一个分支获得的烟气温度轮廓允许未运行分支永不超过通常为运行中的USC所应用的设计温度。
在本发明的蒸汽发生器中,通过压力降低到亚临界条件(滑动压力),直到在一个分支上或在更多个分支上的30%的极限,温度轮廓水/蒸汽侧的保持/控制从最大负载下的USC条件下降到较低负载,通过保持超临界条件下的温度拐点或亚临界条件下等温蒸发温度沿蒸汽发生器的轴线的几何位置来执行。该位置通过水/蒸汽流的温度测量来感测。水/蒸汽流的温度测量检测拐点位置或等温蒸发位置,并精确地检测稳定水平的上游和下游,其中发生与该拐点或与该等温蒸发的正和负的温度偏移。实际上,已注意的是尽管不存在两相的等温蒸发,但是超临界条件相应地示出明显的温度拐点(准等温线)以及明确的密度和焓的变化。更精确地,具有从亚临界到超临界并用于上述参数的连续温度轮廓“形状”。因此,利用单个逻辑,对进口水流速度进行操作的反馈调节保持等温线或准等温线部分的位置处于适当位置,并由此保持期望的温度轮廓,即它保持热交换特性和类型。
在将本发明的蒸汽发生器安装在利用固体燃料运行的燃烧器下游的情形中,优选通过调节进口烟气温度,通过再循环离开蒸汽发生器的冷烟气发生过热蒸汽温度控制。出乎意料且令人惊奇地发现通过该控制程序,还能够避免上文提及的收缩问题。实际上,如所述的,在任意蒸汽发生器中,随着很大的ΔT(烟气与水/蒸汽之间)变化发生热交换,即在水预热区中很低的ΔT以及在EVA和SH区中很高ΔT的情况下发生热交换,而ECO与EVA区域之间的边界处的收缩问题(ΔT,其缩小到几乎使热通量为零的值)每当均匀有限的波动(振荡)时发生(在明显恒定的负载下),这意味着ECO与其它区域之间的不平衡。
相反,在本发明的蒸汽发生器中,当应用冷烟气到热烟气的再循环/添加时(注意:热-冷再循环烟气的混合不改变热回收的焓平衡),实现如下条件:
-在等同的负载下,各种烟气温度/流量的配对是可行的,较高的温度与达到等于零的极限的烟气再循环的较低流量相关联,而较低的温度与逐渐越来越明显的再循环流量相关联。
-低温/高流量配对降低在SH和EVA区域中交换的热,使得烟气以较高的流量和较高的温度到达ECO区。
-反之,通过集合较高的ΔT和较高的辐射,高温/低流量配对增加在SH和EVA区域中交换的热,使得烟气以低流量和较低T到达ECO区。
因而,明显的是流量/温度配对允许使各个区域中的负载偏移以便在ECO区-EVA区边界总是提供要求的ΔT(ΔT从不被减小到不可接受的值),通过调节先前描述的拐点位置来确保用于各个区域的典型热交换表面。令人惊奇且出乎意料地观察到上述的收缩调节与所产生的过热蒸汽的温度的温度调节会合起来。
在本发明的蒸汽发生器中,温度轮廓在很宽范围中的稳定性还允许为过热蒸汽的聚集的集管实现良好的解决方案。
现有技术中众所周知的是:集管由于较大直径和高设计温度而具有高厚度。当集管经历突然的温度冲击时,集管还在壁厚上受到径向差异热膨胀应力,该径向差异热膨胀应力是除了连续作业条件的应力之外的应力,这造成低循环(低循环数)以及相应疲劳。这意味着负载增加速度的限制和随之发生的循环能力的限制。
因此,必须要避免的热冲击的风险表示了限制对负载变化的快速响应的额外因素中的一个因素。
在本发明的蒸汽发生器中,温度轮廓在宽运行范围(5-10%到100%负载)上的保持允许确定沿烟气路径的轴向位置,其中烟气的温度大约保持在过热蒸汽的温度(例如,大约600℃)。已发现的是通过在交换路径的端部处将管向下弯曲到管组旁边,向下到达上文提及的点,并优选通过将蒸汽出口的集管定位在烟气流中(图6,在管组的间断处),集管金属壁的温度与所产生的蒸汽的温度之间的ΔT变得可以忽略,并且在所有条件下ΔT低于大约100℃,因而消除了应力/热冲击问题。此外,已证实的是,通过彼此直接接触地聚成一集管束,多分割部的集管的管道系统离开烟气容纳容器,并仅使整个集管束周围热绝缘,由在管道系统中的接触/辐射分散的热足以使未运行管的温度接近内部具有蒸汽流的运行管的温度。此外,在蒸汽发生器外部的管束的部分中也发生同样的情形。
本发明的蒸汽发生器的优选实施例中的一个实施例是水平布置,如图11、12、13、14中所示。实际上,除了简化之外,如果可利用该水平布置得到的易接近性(用于维修/检查)和减少的支撑钢结构也是可实现的,则本发明的蒸汽发生器的吸引力更可察觉。
在USP 7,406,928中,通过利用直接上升和下降的管(连续的上升管和下降管)布置水平线圈来实现蒸汽发生器的水平布置。此外,设置具有热烟气(具有高热通量)的进水预热区用于确保快速的热传递速率,使得在第一下降管处,具有足够的能够增强蒸发蒸汽气泡的携水性的两相的流体流量。管的上升/下降防止水-蒸汽侧的不稳定条件(水仍沿蒸汽发生器远远位于前面)的形成,在初始蒸发的部分中能够确保充足的双相的容积流体流量,以便避免水从该流和栓塞流中分离。
然而,水平布置的实施不改变上文对于USP 5,159,897和USP7,383,791所观察到的那些,并且至多当水平布置在低负载下运行时引入电站的又一关键元件。
本发明的具有水平布置的蒸汽发生器不仅引入了上述优点(可接近性和减少的钢结构),而且对于从5-10%到100%的负载保持上述的竖直布置的优点不变。
令人惊奇且出乎意料地发现:倾斜上升管的概念对于水平布置也是有效的。实际上,通过水平地保持管组实现在水平位置上的蒸汽发生器90°旋转,发现90°旋转的每个管的倾斜上升无论如何都倾斜。或者更好地,能够实施如下实施例,即:其保持期望的倾斜角,利用该倾斜角来实现升高,此时在正交于蒸汽发生器的轴线的方向上,该升高在所有方面都对应于在竖直布置中通过沿蒸汽发生器的轴线从左边横跨到右边实现的升高(或者反之亦然)。
从侧视图观察到,在水平部件中的连接肘中的单个管的展开沿蒸汽发生器的轴线遵循锯齿形路径(它倾斜上升到烟气容器的端部然后通过再次占据容器的另一端处的最低位置而下降;见图14)。该上升路径分部地全局执行该水/蒸汽路径的限制,这防止不稳定的两相运动并因此保持了竖直布置在升高方面的期望的性能,以在从5-10%到100%负载的水/蒸汽轮廓控制上具有最宽的负载适应性。此外,水平布置向项目工程师提供用于获得每平方米表面的良好热交换效率的最宽自由度。例如,在没有由于要在管内部观察的特定流体动态需求的限制的情况下,能够通过修改斜度和管长来布置通过管组的各种烟气速率,而通过调节管直径来布置水/蒸汽速率。本发明的蒸汽发生器的更优选布置在热烟气处于压力之下并且因而交换必须在烟气容纳在压力容器内的情况下发生时实现。
在关注步骤e)时,即在不经过水/蒸汽的两相流体区域(图7D)的情况下,当流体焓允许分层下游的超临界流体到蒸汽相的直接转换时,在所产生蒸汽的所有压力条件中,保持蒸汽发生器的第一部分或所有部分在分层之后处于超临界压力条件下,注意到步骤e)可选地用于蒸汽发生器的普通运行,即用于高于5-10%的负载。申请人令人惊奇且出乎意料地发现还能优选恰好在利用干燥管的首次预热之后将最终的分层代替中间分层的步骤e)的程序用于蒸汽发生器的启动阶段中。参照图15,执行启动以便通过选择运行压力保持在蒸发区外部(两相混合区)蒸汽发生器的出口处的条件,使得在第一相中,离开蒸汽发生器的水被过冷却(在运行压力下的饱和温度之下),并且在经过超临界压力区中的蒸发区之后,蒸汽被过热(在运行压力下的饱和温度之上)。在该初始相中,水分层并传送到闪蒸槽。当蒸汽发生器的头部的出口处的水具有高于饱和蒸汽焓(在进入涡轮机中的容许压力下)的大约150KJ/kg的焓时,将水注入涡轮机的启动回路中。
特别地,申请人已令人惊奇且出乎意料地发现步骤e)的模态还能够优选用在蒸汽发生器的启动阶段中。实际上,从工业的角度上已找到了一种特别快速和高期望的程序。该启动程序包括如下工序步骤:
-初始加热所有分支的干燥管,即没有水的管,
-在超临界压力下,优选240-280巴下仅向一个分支的管供给水,
-当在蒸汽发生器的头部的出口处的水具有高于涡轮机的进口压力下的饱和蒸汽焓(即,在蒸汽线上方,也就是图16的蒸发区157外部)的大约150KJ/kg的焓时,利用热烟气和分层来加热,或者通过加热流体,使得分层总是产生并仅产生过热蒸汽(图16);也就是说过热蒸汽在图16的蒸发区157的水/蒸汽两相区外部,
-一旦达到等于所使用的一个分支的30%的负载条件,则如在本发明的蒸汽发生器中描述的运行反馈控制并且能够为该作业的分支设定温度轮廓控制方案。
该启动程序的优点是非常快的负载供给、仅生产蒸汽、利用(与温度轮廓控制)不同且很简单的调节逻辑,即利用控制最后的分层阀的蒸汽温度对该分支的从0到30%负载的间隔的控制、反馈调节控制装置的预期设定。轮廓控制条件异常快速。
附图说明
在下文中更详细地描述上文提及的附图。
图1是从本发明的竖直蒸汽发生器中的管的路线的顶部观察的透视图。
图2表示本发明的竖直蒸汽发生器中的管的路线。
图3是图1的蒸汽发生器的正视图。
图4是图2的管的正视图。
图5示出在本发明的蒸汽发生器的实施例中独立分支的供给。在该图中示例的情形中示出三个独立回路。
图6示意性地表示根据本发明的具有纯逆流的热交换的蒸汽发生器,其中烟气从顶部进入,而水从底部供给。
图7A是压力-温度-焓图,示出在100%负载下,水/蒸汽流体的超临界条件下的加热。
图7B以压力-温度-焓图示出在50%负载(代表蒸汽发生器的部分负载)下,水/蒸汽流体的亚临界条件下的加热。
图7C以压力-温度-焓图示出在50%负载(代表蒸汽发生器的部分负载)下,水/蒸汽流体的超临界条件下的加热,以及在蒸汽轮机进口处随后的分层。
图7D以压力-温度-焓图示出在水/蒸汽流体的超临界条件下的加热,在没有形成双相的水/蒸汽混合物的情况下通过流体本身的分层而导致随后的压力下降,以及亚临界蒸汽的过热。
图8表示作为蒸汽发生器的热交换表面的函数的在100%负载下的烟气、水/蒸汽流体的温度的曲线图。
图9相似地表示在没有阻止热交换表面和部分排除热交换表面的现有技术情形中,作为降低负载下的热交换表面的函数的烟气、水/蒸汽流体的温度曲线图。
图10示出在本发明的蒸汽发生器中,在表面三分割部(partition)的阻止并且仅一个分支处于作业的情形中,作为降低负载下的热交换表面的函数的在100%负载下的烟气和水/蒸汽流体的温度的曲线图。
图11是示出在根据本发明的水平蒸汽发生器中的管的路线的透视图。
图12示出在根据本发明的水平蒸汽发生器中的管的路线。
图13是图11的蒸汽发生器的正视图。
图14是图12的管的正视图。
图15以压力-温度-焓图示出在蒸汽发生器出口处的流体处于单相条件的情形中,本发明的蒸汽发生器的启动区。
图16以压力-温度-焓图示出本发明的蒸汽发生器的通过保持流体总是处于超临界条件的优选的启动方法以及在一焓值处的流体分层以便仅获得容许进入涡轮机中的条件的蒸汽。
具体实施方式
对下面的附图进行详细描述。
图1是本发明的竖直布置的蒸汽发生器的管组2的立体图,其中水从底部供给,而烟气16从顶部进入(烟气出口16A)。通过在水平直线部分之后转向,单个交换管、参见例如管13不仅从一平面移位到上方的平面,例如从图的平面11移位到上方的平面12,而且这些单个交换管还同时朝着左侧横向移位。一旦到达位于图的最左边的烟气容纳容器(图中未示出)的界限,则管在位置14处转向,并穿过该管组,占据容器的右端处的位置15。
图2表示图1的引出图,其中仅表示了管13。17是该管组的下部中的进水口,而18表示该管组的上部中的流体的出口。
图3示出竖直蒸汽发生器的管组的正视图,其中水从已经在图1中描述的底部供给。通过转向,单个热交换管,例如管13不仅从一平面移位到上方的平面(例如从平面11移位到上方平面12),而且管13还朝着左侧横向移位(图2)。一旦到达位于图的最左边的烟气容纳容器(图中未示出)的界限,则管在位置14处转向,并穿过该管组,在容器的右端处的位置15处插入。
图4以图3的相同正视图仅示出与如图1和图2中描述的管组的剩余部分隔开的管13。通过转向,该热交换管从一平面移位到上方的平面并且还向左横向移位。一旦到达位于图的最左边的烟气容纳容器(图中未示出)的界限,则管在位置14处转向,并通过穿过该管组,占据容器的右端处的位置15。
如图3中那样,图5以正视图示出图1中描述的类型的一个管组,该管组由水平面中的30根管形成。由三个独立的集管通过阀531、532、533的打开来交替对30根管进行供给。因此,具有三个独立回路,每个回路由10根管形成(并行供给)。其中当阀531打开时使水/蒸汽通过的管51、54、57、510、513、516、519、522、525、528属于第一回路。在第二回路中,具有管52、55、58、511、514、517、520、523、526、529,当阀532打开时,水/蒸汽流出。在第三回路中,具有剩余分支,即管53、56、59、512、515、518、521、524、527、530,而相关阀533调节所述管的水/蒸汽的流动。在该图中,示意性地图示了利用每个回路的流量计量阀的用于每个回路的独立供给系统。作为示例,在阀531打开而阀532和533关闭的情况下,仅在第一回路的管(管51、54、57、510、513、516、519、522、525、528)中具有水/蒸汽流。在不同回路的管组装到一起并被布置用于倾斜管组的升高的情况下,当对所有回路进行供给时,在各回路中具有均一的热通量的吸收。当一个或更多个分支没有被供给时,未供给的分支的管所达到的温度通过处于运行中的回路(一个或更多个)的邻近的管而被限于平均烟气温度。实际上,供给回路局部地保持烟气处于最佳的设计温度轮廓,其中该烟气也与未运行的回路的管接触。
图6表示本发明的具有竖直布置的蒸汽发生器的一种类型,其中烟气61从顶部进入(且出口61A),而水从底部(通过集管62、63、64)进入。热交换方案是纯逆流的热交换。因此,表示了三个单独的回路65、66、67,每个回路设置有一个进口集管(在图中,集管62供给回路65,集管63供给回路66,集管64供给回路67)、热交换管(在图中,示出一个热交换管用于一回路)和蒸汽出口集管(在图中,集管68用于从回路65的蒸汽取出,集管69用于回路66,集管610用于回路67)。集管68、69、610能定位成既在烟气容纳容器611的外部(未在图中示出的选项),又能在烟气温度接近蒸汽温度的位置处定位在烟气本身中(图中示出的优选选项)。
值得注意的是管从进口集管到出口集管是不间断的。可替代地,(图中未示出的实施例),能够利用中间集管(适当地定位在蒸发区或伪蒸发区之前和/或之后)。可替代地,(图中未示出的实施例),能够利用从涡轮机溢出的中间压力蒸汽的再热阶段或处于不同压力的更多的蒸汽再热阶段。可替代地,(图中未示出的实施例),能够布置过热降温阶段。
图7A以水在超临界条件下的压力-温度-焓图表示在100%负载下从高密度下(水状)的水到称为过热超临界蒸汽的较低密度下(蒸汽状)的流体的加热路径。在本发明的蒸汽发生器实施例的一个实施例中发生这一转变。在该图中,能够识别出四个区域(区),在图中用71、72、73、和74表示。区域71表示过冷水;当压力低于临界压力(大约221巴)时,区域71通过蒸发区(区域72)下面的区域表示。称为蒸发区的区域72是压力在临界值之下的区域,其中液态水和蒸汽同时存在。在区域72之上(总是在临界压力之下的压力),仅蒸汽(区域73)存在。区域74包括处于临界压力之上的条件下的水。处于由点75表示的状态中的低焓和高密度(水状)的水经历了由包括在点75与76之间的线的点表示的伪蒸发作用(在没有形成液体/蒸汽混合物的情况下的状态转变)。在点76处,水具有高焓值和低密度(蒸汽状),以便被供给到涡轮机。
图7B以水的压力-温度-焓图表示在50%负载(部分负载)下从亚临界条件下的过冷水到过热亚临界压力蒸汽的加热。在本发明的蒸汽发生器实施例的一个实施例中发生这一转变,该转变是在滑动压力模态下运行的负载变化。在该图中,用71、72、73和74图示四个区域(或区),且在图7A中示出并描述71、72、73和74。处在由点77表示的状态下的过冷水经历了由包括在点77与78之间的线的点表示的蒸发(形成液体/蒸汽混合物的状态转变)。在78中,处在亚临界压力下的过热蒸汽处于用于供给涡轮机的条件。
图7C以水的压力-温度-焓图表示在50%负载(部分负载)下从超临界条件下的过冷水到过热超临界压力蒸汽的加热。在本发明的以恒压模态运行的蒸汽发生器实施例的一个实施例中发生这一转变。在该图中,示出四个区域(或区),在图中用71、72、73和74指示并在图7A中描述71、72、73和74。处在由点79表示的状态下的过冷水经历了由包括在点79与710之间的线的点表示的伪蒸发作用(它与上文的状态转变一致,但没有形成液体/蒸汽混合物)。在710中,处在超临界压力下的过热蒸汽离开蒸汽发生器并且过热蒸汽被分层(从点710到点711的分层),以便在711中具有用于进入涡轮机中的适当压力条件。
图7D以水的压力-温度-焓图(H-T-p)表示从超临界条件下的高密度(水状)的水到称为过热亚临界蒸汽的较低密度(蒸汽状)的流体的加热路径以及在没有形成水/蒸汽的两相混合物的情况下由蒸汽分层导致的接连的压降。在本发明的蒸汽发生器实施例的一个实施例中发生这些转变(加热和分层)。在该图中,示出了四个区域,在图中用71、72、73和74指示并在图7A中进行了描述。处在点712中表示的状态下的低焓和高密度水(水状)经历了由包括在点712与713之间的区域表示的伪蒸发作用(在没有形成液体/蒸汽混合物的情况下的状态转变)。在713中,水具有高焓和低密度(蒸汽状)。通过分层(由包括在713与714之间的点表示的转变),借助一个或更多个阀,在不具有区域72典型的液体/蒸汽混合物形成但是属于过热蒸汽的区域73的情况下,水的压力降低。由714与715之间的区域表示的转变是在蒸汽发生器的末端部分(沿水/蒸汽路径的末端部分)中发生的亚临界蒸汽的过热。
在图8中,示出在100%的蒸汽发生器负载下以及在水/蒸汽流体的超临界条件下,作为热交换表面的函数的烟气(曲线81)和水/蒸汽(曲线82)的温度的曲线图。在该图中,表示了三个区域:从左边起的第一个区域包括其中发生流体过热的热交换表面(区域83)。区域84是发生伪蒸发的热交换表面。区域85表示其中具有用于流体预热(ECO)的热交换表面的区域。“直破折”曲线86是蒸汽发生器的热交换表面的各个部分的设计温度的包络线。
在图9中,表示了在亚临界条件下在蒸汽发生器的部分负载(最大负载的大约10%)下,作为交换表面的函数的烟气(曲线91)和水/蒸汽(曲线92)的温度的曲线图。蒸汽发生器没有如图5中描述的那样通过排除分支而利用交换表面分割来运行。在该图中,指示图8中描述的三个区域(83、84、85)。值得注意的是热交换表面的作用过度;这导致在部分负载下,EVA区域朝着ECO区域85的移位,其中在现有技术的USC锅炉中使用较廉价且耐受高温较差的材料。“直破折”曲线86是热交换表面的各个部分的针对满负载而限定的设计温度的包络线。同样值得注意的是:对于大部分的热交换表面,水/蒸汽温度(曲线92)如何达到相同的烟气温度(曲线91)值。此外,水/蒸汽曲线91接近并且还穿过(go over)现有技术的材料的设计温度。
在图10中,表示了在亚临界条件下在蒸汽发生器的部分负载(图9中相同考虑的最大负载的大约10%)下,作为可利用的热交换表面的函数的烟气温度(曲线101)、运行时回路的水/蒸汽(曲线102)和两个干回路中的水/蒸汽(曲线103)的曲线图。实际上通过排除一些回路或分支而利用表面分割来操作蒸汽发生器。在该图的示例中,具有三个回路(同样如图5中所示),仅对三个回路中的一个回路进行供给。在图中,具有在图8中描述的三个区域(83、84、85)。值得注意的是,一部分表面的排除(在该示例中,总表面的三分之二被排除)如何还导致在部分负载下运行中的回路的两相转变区保持在区域84中,其中伪蒸发也在满负载下发生。在如图8中的分段曲线86中,具有热交换表面的各个部分的机械容许(设计)温度的“包络线”。两个被排除(未操作)的回路的温度接近烟气温度,条件通过曲线101(烟气)和103(干回路中的水/蒸汽)的重叠而在图中示出。烟气温度(曲线101)和三个回路的水/蒸汽温度(曲线102和103)都低于曲线86的设计温度。换句话说,运行中的回路保持烟气温度轮廓处于适当的位置并且保护未操作的回路避免金属过热而超过设计温度。烟气温度曲线和水/蒸汽温度曲线与图8中示出的相同参数的曲线类似。
图11通过自底部向上的三维视图表示了水平布置的管组中的管的路径。烟气116从右向左流动通过管组(烟气出口116A)。值得注意的是,在水平直线部分之后,管(例如黑色管113,用于更好地跟随其路径)以曲线终止,所述曲线使其在接连的平面中移位,而且朝着管组的上端移位。所述管描述了锯齿形的路径。
图12表示图11的细节,其中仅表示了管113。示出进水口117和水/蒸汽出口118。
在图13中,示出图11中描述的蒸汽发生器的正视图。通过弯曲,单个热交换管,例如上述的管113(黑色的,以便更明显)不仅从一平面移位到跟着的平面(例如从平面111到平面112),而且还朝着蒸汽发生器的上部移位。一旦到达烟气容纳容器的界限(图中未示出),则管在位置114处弯曲,并通过穿过该管组,占据管组本体的下端处的相对位置115。
图14以与图13相同的正视图仅示出了图12的管113,而盖住了所有其它的管。
图15以图7中已经描述的H-T-p图表示了从点151、152、153、154、155、156经过的直破折线。这些点在曲线上的位置意图作为示例而非作为穿过这些点的破折线的极限的精确指示。在该曲线的点(围绕两相混合物157的蒸发区布置的点)中,位于曲线右边并且超过点155和156的点表示当蒸汽发生器启动时离开回路的水/蒸汽的可接受的条件,因为所描述的启动模态预见蒸汽发生器出口处仅有单相的流体。
图16以H-T-p图(见图7)表示了本发明的蒸汽发生器的优选启动模态中的一个启动模态,其中启动区通过经过图15的点151、152、153、154、155、156的分段曲线来指示,通过保持流体总是处于超临界条件直到这一焓等级,即:使得流体分层仅产生具有适合直接允许进入涡轮机的特征的蒸汽。处于超临界条件下的低温(点158)水被加热到点159。在159中,水具有这样的焓,使得在分层(点159与156之间的转变)之后,避免蒸发区157。
如上所述,本发明的蒸汽发生器能够解决“循环”的问题,因为它在启动以及在额定容量内的功率负载增加/降低方面非常迅速。
本发明的蒸汽发生器迅速地对负载变化作出响应,尤其是在低负载下,并特别是在低于30%的低负载下,因为它克服了由于沿水/蒸汽路径的宽温度轮廓与最大负载的温度轮廓的偏差所带来的问题。对于管路径的非常大部分,本发明的蒸汽发生器能够承受接近进入的热烟气温度的温度范围。为此,对于热交换表面的大部分,使用高合金材料(具有高镍含量的合金,以及其它贵重(valuable)金属)用于管不是必需的。这样,与其它现有技术的蒸汽发生器相比,本发明的蒸汽发生器的成本更低。
实际上,在本发明的蒸汽发生器中:
-利用在恒定控制逻辑下执行的操作,负载能够在较宽的负载间隔区间内迅速地向上或向下移动,因为蒸汽发生器旨在保持烟气和水/蒸汽的温度轮廓处于蒸汽发生器中的相同排列和几何位置,现有技术中已知的条件,如恒定的温度轮廓控制条件,或如“轮廓控制”。在调节系统以恒定调节逻辑运行的情况下,对于低于30%的负载也发生这一实施例的适应性,这意味着快速的负载向上或向下移动。
在本发明的蒸汽发生器中,在大约30%负载的极限之下的操作中,轮廓控制得以保持并且蒸汽发生器能够在自动温度轮廓控制下运行,除了快速启动和停机之外,在升高和降低时都能够在低于30%负载的整个范围上保持恒定。
因此,本发明的蒸汽发生器表现出高适应性并且能够由质量与在传统的USC蒸汽发生器中使用的材料相当的材料制成,也就是说高合金材料的管长度的部分是非常有限的。此外,本发明的蒸汽发生器能够以恒定的温度“轮廓”控制模态朝着低负载(<30%)扩展适应性,降到接近经济上可接受的夜间待机条件的极限(至少在10%以下,优选高于或等于5%的负载),而且准备好根据需求而快速地升高到最大负载,在诸如煤的燃料的情况下也是,所述燃料以往仅限于为接近容量的连续生产服务的发电站。

Claims (24)

1.一种蒸汽发生器,包括:
-水/蒸汽管,所述水/蒸汽管从进水口穿过所述蒸汽发生器到达过热蒸汽出口,
-所述水/蒸汽管水平地被布置成管组,优选布置成扁平管组,并且被烟气竖直地穿过,
-所述管沿所述蒸汽发生器的轴线以倾斜路径从一个管组延伸到另一管组,以便对于每个管组在不同位置处暴露于烟气流(见图1),
-所述管分成两个或更多个独立的分支,每个分支通过与其它分支不同的集管进行供给(见图5),
-所述蒸汽发生器是纯逆流的直流式的,竖直或水平的,
-出口过热蒸汽的所述集管直接接触地组成一集管束,并且所述集管束与外部热绝缘。
2.根据权利要求1所述的蒸汽发生器,其中所述集管以这样的位置定位于所述烟气流中,即:使得所述烟气处于接近所述过热蒸汽温度的温度(图6)。
3.根据权利要求1和2所述的蒸汽发生器,其中可选地在热回收之后通过再循环冷烟气来调节所述进口的热烟气温度,且可选地存在一个或更多个再热部,所述再热部对来自所述涡轮机的中间压力下溢出的蒸汽进行操作,且可选地存在一个或更多个压力水平和再热阶段。
4.根据权利要求1-3所述的蒸汽发生器,其中所述水-蒸汽管在没有中间的进口和出口的情况下优选地从所述进水口穿过所述蒸汽发生器到达所述过热蒸汽出口,更优选地是在没有中断的情况下,并且所述水-蒸汽管由在传统的USC(超超临界)蒸汽发生器中所使用的材料制成。
5.根据权利要求1-4所述的蒸汽发生器,其中高合金材料部限于这样的部分,其对应于其中执行最终的蒸汽过热的最后的管部。
6.根据权利要求1-5所述的蒸汽发生器,其中当所述蒸汽在605℃、240-280巴的压力下离开时,所述高合金材料部的长度是所述蒸汽发生器的管长的大约10%。
7.根据权利要求1-6所述的蒸汽发生器,其中布置成扁平管组、并被烟气竖直地穿过的所述水/蒸汽管具有小于12米,优选为小于6米的直线水平管长。
8.根据权利要求1-7所述的蒸汽发生器,其中所述直流式蒸汽发生器是纯逆流的竖直蒸汽发生器,优选地是所述烟气进口来自顶部,而所述进水口来自底部。
9.根据权利要求1-8所述的蒸汽发生器,其中所述直流式蒸汽发生器是纯逆流的水平蒸汽发生器。
10.一种用于在从5-10%到100%的负载下操作权利要求1-9所述的蒸汽发生器的方法,包括如下步骤:
-保持所述烟气和所述水/蒸汽的温度轮廓处于所述蒸汽发生器中的相同排列和相同几何位置,
-通过排除一个或多个管分支并然后保持一个或更多个管分支处于干燥状态,直到仅具有一个操作分支的极限,阻止热交换表面,使得在低于大约30%负载的低负载下进行操作。
11.根据权利要求10所述的方法,其中保持烟气和水/蒸汽的温度轮廓沿所述蒸汽发生器的轴线处于相同排列和相同几何位置通过如下程序中的两个或更多个执行:
a)通过排除一个或更多个分支并且然后保持一个或更多个分支处于干燥状态,直到仅具有一个操作分支的极限,阻止所述热交换表面,并且用于低于最小滑动压力负载30%的负载,
b)通过沿所述蒸汽发生器保持以下位置,即:对于需要超临界条件的负载,经过临界条件时温度拐点的位置,以及对于需要亚临界条件(滑动压力)的负载,等温蒸发的位置,对在任意负载下的供给水流速度进行反馈控制(用于偏离稳定状态的移位控制),
c)当作业于固体燃料燃烧单元时,通过热烟气温度经由用于下游的再循环冷烟气进行调节,对在任意负载下的生成的蒸汽的温度进行反馈控制,
d)通过对所供给的水的预热进行操作,对所述蒸汽发生器的出口处的烟气温度进行反馈控制。
12.根据权利要求10-11所述的方法,其中通过使用步骤b)和c)来执行温度轮廓的保持。
13.根据权利要求10所述的方法,进一步包括步骤e):
-在所生成的蒸汽的所有压力条件下,保持所述蒸汽发生器的整个部分或至少其第一部分处在超临界压力条件下,随后进行分层,此时在所述分层下游,流体焓允许超临界流体在不经过亚临界两相的水/蒸汽流体混合区的情况下直接转变成蒸汽相(图7C)。
14.根据权利要求10-13所述的方法,其中在前馈控制下发生负载增加或降低速率。
15.根据权利要求10-14所述的方法,其中对于所述蒸汽发生器,温度轮廓控制条件的待机极限是热负载的大约5-10%。
16.根据权利要求10-15所述的方法,其中对于实现5-10%的期望的总负载来说,30%是所述操作分支的最小负载。
17.根据权利要求10-16所述的方法,其中通过从每个分支的所述集管中取走一个管以形成分支管的两个一组、三个一组、四个一组等等的组,获得对温度轮廓(烟气侧和水/蒸汽侧)的保持,使得所有的所述分支管总是连续分组的(图5,对于三个分支的情形)。
18.根据权利要求10-17所述的方法,其中用于占据下一管组中的连续管的位置的管的倾斜上升意味着已到达一管组的最外侧位置的管通过横跨整个管组的前面而返回到另一管组的端部(图2)。
19.根据权利要求10-18所述的方法,其中在将所述蒸汽发生器安装在利用固体燃料运行的燃烧器下游的情形中,通过调节进入烟气的温度、通过使离开所述蒸汽发生器的烟气再循环而进行过热蒸汽的温度的反馈控制。
20.根据权利要求10-19所述的方法,其中所述蒸汽出口的集管定位在所述烟气流中(图6,在管组包的中断/间隙中),而且另外地通过可选地彼此直接接触而聚成一集管束,管道系统使多分割部的集管的出口位于烟气容纳容器之外,并仅使整个集管束周围热绝缘。
21.根据权利要求10-20所述的方法,其中所述热烟气处于压力之下。
22.根据权利要求10-21所述的方法,其中在所述蒸汽发生器的启动阶段中采用步骤e)的程序,即:使用最终的分层,而不是中间的分层(图15)。
23.根据权利要求22所述的方法,其中执行所述启动步骤,以便通过选择运行压力而保持所述蒸汽发生器出口处的条件在两相的水/蒸汽区域之外,使得在第一相中,离开所述蒸汽发生器的水被过冷却(处在运行压力下的饱和温度之下),并且在经过所述两相区进入超临界压力区之后,所述蒸汽被过热(处在运行压力下的饱和温度之上);在初始相中,水被分层并被送到闪蒸槽,并当在所述蒸汽发生器的出口处的水具有高于进入涡轮机中的容许压力下的饱和蒸汽的焓的大约150KJ/kg的焓时,将水引入涡轮机的启动回路中。
24.根据权利要求22-23所述的方法,其中所述启动程序包括如下步骤:
-对所有分支的管,即没有水的管进行初始的干燥加热,
-在超临界压力下,优选为240-280巴下仅向一个分支的管供给水,
-当在所述蒸汽发生器的头部的出口处的水具有高于涡轮机的进入口压力下的饱和蒸汽的焓的大约150KJ/kg的焓时,利用热烟气和水分层来加热,或者通过加热流体,使得所述分层总是产生并仅产生过热蒸汽(图16),
-一旦达到等于所使用的单个分支的30%的负载条件,则运行反馈控制,如所描述地用于设定所述蒸汽发生器的温度控制轮廓。
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