CN103154611B - 强制直流锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强制直流锅炉(1)，具有由气密焊接的、可沿垂直方向通流的锅炉管(2)构成的外壁(4)，其中，在外壁(4)内部设直通收集器(14)，就流动介质而言，所述直通收集器(14)将并联的多个第一锅炉管(2)在出口侧与串联在第一锅炉管(2)下游的多个并联的第二锅炉管(2)在进口侧连接起来，应与运行状态无关地有特别长的寿命和特别低的故障率。为此，连接在直通收集器(14)下游的锅炉管(16)各有一个节流器(18)。

Description

强制直流锅炉

本发明涉及一种强制直流锅炉，具有一个由气密焊接、可沿垂直方向通流的锅炉管构成的外壁，其中，在外壁内部设直通收集器，就流动介质而言，所述直通收集器将并联的多个第一锅炉管在出口侧与串联在第一锅炉管下游的多个并联的第二锅炉管在进口侧连接起来。本发明还涉及一种电站设备，它具有这种锅炉。

锅炉是一种由流动介质产生蒸汽的设备。在这种设备中，流动介质，典型地为水被加热，并转换为蒸汽。然后蒸汽使用于驱动机器或用于产生电能。锅炉通常包括产生蒸汽的蒸发器和过热器，蒸汽在过热器内加热到用户要求的温度。往往在蒸发器上游连接用于利用废热的预热器，它进一步提高设备的总效率。

工业锅炉如今通常设计为水管式锅炉，亦即流动介质在锅炉管内流动。锅炉管可以互相气密焊接，并由此构成外壁，供给热量的高温气体在锅炉管内部流动。锅炉的结构方式可以或设计为立式或卧式，亦即高温气体沿垂直或水平方向流动。

此外，锅炉可以设计为强制直流锅炉，其中，给水泵强制地使流动介质直流。在这里，给水泵将流动介质输送到锅炉内，先后流过预热器、蒸发器和过热器。在流过时，连续实施给水加热至饱和蒸汽温度、汽化和过热，从而，至少在满负荷运行时，不需要单独的水与蒸汽的分离装置。直流锅炉也可以在超临界压力时运行。预热器、蒸发器和过热器各加热面的界定，严格地说对于这种运行方式不再有意义，因为发生连续的相变。

按一种垂直管系的直流锅炉的方案，外壁的管系分成下段和上段，其中，下段包括多个并联的第一锅炉管，以及上段包括串联在第一锅炉管下游的多个并联的第二锅炉管。下段与上段通过直通收集器互相连接。由此一方面达到并联的锅炉管之间压力平衡，另一方面还达到来自不同锅炉管的流动介质至少部分混合。

现在，在这种具有可沿垂直方向通流的锅炉管和具有直通收集器的直流锅炉中发现，外壁上段的各管可能承受不允许的高温，这种高温尤其可导致破坏管壁。在这里，这种高温的出现与某些运行参数有关联。

因此本发明要解决的技术问题是，提供一种上述类型的强制直流锅炉，它应与运行状态无关地有特别长的寿命和特别低的故障率。

按本发明为达到上述目的采取的措施是，令连接在直通收集器下游的锅炉管各有一个节流器。

本发明考虑问题的出发点在于，各锅炉管的过热归因于没有充分排出通过流动介质传入的热量。没有充分散热发生在所涉及的锅炉管有过小的质量流量时。在自然循环特性突出时，在很低的进口蒸汽含量和很小的供热量时，在这些管内的流体静压降便已经近似于如在锅炉管进口与出口之间的总压差那么大或与之同样大小。因此，余留的作为流动推进力的压差很小或完全消失，从而在最严重的情况下流动停滞。

虽然直通收集器应促使连接在其下游的管之间一定程度的平衡，以减弱上述效果。但人们认识到，尽管直通收集器导致完全的压力平衡，然而这并未引起进入的流动介质彻底混合，这种彻底的混合导致连接在其下游的锅炉管内水与蒸汽份额的平衡。因此，基于来自加热较弱的下段锅炉管低的蒸汽含量以及在收集器内附加的局部分离现象，尽管如此仍能在进入上部垂直管系的各管内的进口处，在某些运行状态蒸汽含量趋于零。由此应通过足够减弱自然循环特征避免所述现象。这可以通过提高各自锅炉管内的摩擦压力损失达到。为此目的，应在连接在直通收集器下游的锅炉管内分别设置一个节流器。

按有利的设计，各自的节流器设在外壁的上部出口处。如此配置可以使锅炉的结构特别简单，与此同时还允许重新装备现已建成但有上述问题的设备。

有利的是将节流器设计为简单的孔板。这样做可以非常简便地局部减小所涉及锅炉管的额定宽度，并因而允许方便地提高摩擦压力损失。采取这一措施还准许特别简单地装备节流器，达到减小自然循环特征的目的。

立式结构的锅炉外壁可以有不同的水平横截面。若横截面基本上是矩形，则可以是一种特别简单的结构。在这种锅炉中，尤其设在角部的锅炉管加热特别弱，因为它们离高温气体通道的中心最远，并与此同时供热面积特别小。其结果是，垂直管系下段各角部管的蒸汽含量趋于零，从而在这里不均匀分布的水汽混合物进入中间收集器内。因为在这里中间收集器也没有造成充分的混合，所以可能导致连接在下游的角部管内的质量流休止并因而热量不能充分传出。因此，正是在这种锅炉中，有利地令连接在直通收集器下游的锅炉管有节流器。

直通收集器可以连续水平地环形设置，也就是说，它将外壁的所有设在下部或上部的锅炉管互相连接在一起。尽管在所有管内压力完全平衡，但仍会发生水与蒸汽部分分离。因此，这种强制直流锅炉也有利地在连接在直通收集器下游的锅炉管内各有一个节流器。

在直通收集器下方的管系可以螺旋形旋转地配置。在这里，这些管环形地围绕整个外壁延伸。虽然这造成复杂的结构和在下部区内数量较少的锅炉管，但由此当然可基本补偿外壁不同区域内加热的差别。尽管如此仍认识到，即使在这种结构中也会导致在直通收集器中不规则的局部分离，其结果是带来上述在连接在直通收集器下游的管内质量流量过小的问题。因此，即使在这种结构中也有利地令连接在直通收集器下游的锅炉管各有一个节流器。

在燃烧矿物燃料的锅炉中，热量输入燃烧室的锅炉管内不仅仅通过传导进行，而是将大部分热量通过热辐射加入锅炉管内。因此尤其在这种锅炉中，在各锅炉管加热方面的差别特别大。因此有利地，包括一个具有一定数量矿物燃料燃烧器的燃烧室的锅炉，在连接在直通收集器下游的锅炉管内有节流器。

按有利的设计，就流动介质而言在强制直流锅炉下游连接汽轮机，例如用于发电。此外，电站设备有利地具有这种锅炉。

采用本发明获得的优点尤其在于，通过在强制直流锅炉的连接在直通收集器下游的锅炉管内配置节流器，保证在每个管内充分的热量输出，并由此避免不允许的会导致管壁损坏的高温。在这里，所述措施基于以下认识：即使在强制直流锅炉内也存在不可忽略的自然循环特征，这种自然循环特征通过配置节流器减弱。由此最终避免限制电站设备的运行。

下面借助附图详细说明本发明。其中：

图1示意表示具有直通收集器的垂直管系的强制直流锅炉；以及

图2表示有和没有节流器的强制直流锅炉加热较弱的角部管的质量流密度和其在出口处的流体温度曲线图。

在所有的图中相同的部分采用同样的附图标记。

图1示意表示按本发明燃烧矿物燃料的垂直管系的强制直流锅炉1。所述强制直流锅炉1包括由气密焊接的锅炉管2构成的外壁4。在这里外壁4有基本上矩形的水平横截面6。在强制直流锅炉1的下部区内设燃烧室8，它有一些没有详细表示的用于燃烧矿物燃料的燃烧器，燃烧器为锅炉管4提供热量。

外壁4分成上段10和下段12，其中分段10和12通过直通收集器14互相连接。在下段12内的管系在这里垂直排布，但也可以螺旋形围绕外壁环形排布。直通收集器14收集所有从下段12的锅炉管2流出的流动介质，并因而实现在并联的锅炉管2之间实现压力平衡。接着，将来自直通收集器14的流动介质引入上段10的锅炉管2内，流动介质在那里进一步加热并必要时被过热。在图中未表示的加热面内进一步过热后，将过热蒸汽输入电站设备的图中未详细表示的汽轮机中。

借助燃烧器产生的热量基本上通过热辐射由锅炉管2吸收。尤其在下段12的角部管16内，基于它们的位置离强制直流锅炉1的中心有最远的距离，以及基于加入热量的表面特别小的几何布局，所以输入的热量小到，使从下段12的角部管16进入直通收集器14中的流动介质有比较小的蒸汽含量。

现在，直通收集器14虽然促使完全压力平衡，但并没有招致进入的流动介质完全混合。基于下段12的角部管16出口处所述低的蒸汽含量以及在直通收集器14中附加的局部分离现象，在上段10各锅炉管2进口处的蒸汽含量可能很小。根据强制直流锅炉1的运行状态，在不利地设计上段10管系时，这可能导致各锅炉管2通流的明显间断，直至停滞。其结果又会造成未将热量充分传出和导致不允许的高流体温度，从而最终使管壁承受不允许的高温而被破坏。

为避免这种损坏，在本实施例中，在上部区10所有锅炉管的出口设置节流器18，在这里为了简化视图只举例表示了个别节流器18。节流器18分别设计为孔板，借此提高所有并联管总的压力损失。其结果是，在各自锅炉管2内，尤其在角部管16内，静液压降相对而言减少。因此始终保持存在足够的作为流动推动力的压差。借助图2说明这一效果：

图2用曲线图表示，在比较小的供热时和锅炉1以部分负荷运行，有和没有节流器18时，上部区10的角部管16内流动介质的参数。左标度表示角部管16内质量流密度，按每平方米和每秒千克(kg/m²s)，右标度表示角部管16出口处流体温度，按摄氏度(℃)，分别标绘与管进口处流动介质蒸汽含量的关系。

曲线轨迹20表示没有单独的节流器18时角部管16内的质量流密度。曲线20朝曲线图左侧的下降，清楚表明角部管16内质量流密度是如何随蒸汽含量的减少而减小的。当蒸汽含量为0时，质量流密度降为值40kg/m²s，这实际上等同于管内流动停滞。不再保证管内的热量充分传出，以及相应地流动介质的温度并因而角部管16的温度，从蒸汽含量约0.2起显著提高，如曲线轨迹22所示。

然而，当在角部管16内在其出口配置节流器18时，摩擦压力损失提高，并由此如上所述减小自然循环特性以及减少角部管16内过度的相对静液压降。虽然曲线轨迹24也表示角部管16内质量流密度朝低的蒸汽含量方向减小。但其中质量流密度的值，即使在蒸汽含量为0时，仍保持为比没有配置节流器18时高得多的值(在这里是260kg/m²s)。如曲线轨迹26所示，这导致在任何蒸汽含量时均保证角部管16内充分的热量传出，也就是说，温度仅小量升高或保持不变。由此避免因温度过高而损坏上部区10内的外壁4，以及达到总体上延长强制直流锅炉1的使用寿命。

Claims (7)

1.一种强制直流锅炉(1)，具有由气密焊接的、可沿垂直方向通流的锅炉管(2)构成的外壁(4)，其中，在外壁(4)内部设直通收集器(14)，就流动介质而言，所述直通收集器(14)将并联的多个第一锅炉管在出口侧与串联在第一锅炉管下游的多个并联的第二锅炉管在进口侧连接起来，其中，连接在直通收集器(14)下游的锅炉管(2)各有一个节流器(18)，其中，各自的节流器(18)设在外壁(4)的上部出口处，其中，节流器(18)设计为孔板。

2.按照权利要求1所述的强制直流锅炉(1)，其中，外壁(4)具有基本上矩形的水平横截面(6)。

3.按照权利要求1或2所述的强制直流锅炉(1)，其中，直通收集器(14)水平地围绕外壁(4)环形设置，以及包围多个全部在下方设在外壁(4)内并联的第一锅炉管，以及包围多个全部在上方设在外壁(4)内的第二锅炉管。

4.按照前列诸权利要求之一所述的强制直流锅炉，其中，连接在直通收集器(14)上游的锅炉管螺旋形环绕地排布在外壁(4)内。

5.按照前列诸权利要求之一所述的强制直流锅炉，具有包括一定数量的矿物燃料燃烧器的燃烧室(8)。

6.按照前列诸权利要求之一所述的强制直流锅炉，具有就流动介质而言连接在下游的汽轮机。

7.一种电站设备，它具有按照前列诸权利要求之一所述的强制直流锅炉(1)。