CN103459926B - 用于运行直通式蒸汽发生器的方法和执行该方法的蒸汽发生器 - Google Patents

用于运行直通式蒸汽发生器的方法和执行该方法的蒸汽发生器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于运行带有蒸发器(4)的直通式蒸汽发生器(2)的方法，其中，流动介质(M)的供给质量流(SM)借助供给泵(12)输入蒸发器(4)，并在此至少部分地蒸发，其中，未蒸发的流动介质(W)在后置于蒸发器(4)的分离器(18)中分离，并且已分离的流动介质(W)的循环质量流(UM)借助循环泵(24)引回到蒸发器(4)中，以便称作蒸发器质量流(VM)的、流过蒸发器(4)的流动介质(M)的质量流相加地由供给质量流(SM)和循环质量流(UM)组成。在此规定，在低负荷间隔(I)中，供给质量流(SM)随着负荷(L)的升高而增加，而循环质量流(UM)保持基本上恒定，在中负荷间隔(II)中，供给质量流(SM)随着负荷(L)升高进一步增加并且循环质量流(UM)减小到零，并且必要时在高负荷间隔中，供给质量流(SM)随着负荷(L)的升高进一步增加，并且循环质量流(UM)保持为零。此外，本发明涉及一种特别适合执行该方法的直通式蒸汽发生器。

Description

用于运行直通式蒸汽发生器的方法和执行该方法的蒸汽发生器
技术领域
本发明涉及一种用于运行直通式蒸汽发生器的方法，该直通式蒸汽发生器具有蒸发器，其中，流动介质的供给质量流借助供给泵输入所述蒸发器并且在此至少部分地蒸发，其中，未蒸发的流动介质在后置于蒸发器的分离器中分离，已分离的流动介质的循环质量流借助循环泵又导引回到蒸发器中，使得被称作蒸发器质量流的、流过蒸发器的流动介质的质量流由供给质量流和循环质量流相加地组成。此外，本发明涉及一种用于执行该方法的蒸汽发生器。
背景技术
在强制直通式蒸汽发生器中，强制一般以供给水形式供给的流动介质运行通过一般设置的预热器，蒸发器和过热器，通过相应高效的供给水泵，简称供给泵。因此，在通路中连续地将流动介质加热到饱和蒸汽温度、蒸发，然后过热，以便不需要滚筒。与设计用于自然循环运行的蒸汽发生器相对，强制直通式蒸汽发生器也可以在超临界的范围内当压力为230bar或更大时运行。通过强制直通式锅炉也可以在相对小的空间产生很大的蒸汽效率。因为流动介质的量在系统中相对小，所以该系统具有小的惰性并因此允许快速地对负荷变化作反应。
通过围绕燃烧室螺旋缠绕的蒸发器管(所谓的螺旋管)加热的强制直通式蒸发器一般设计用于在100%负荷(全负荷)情况下导引通过蒸发器管的流动介质的质量流密度约2000kg/(sm2)。根据迄今常用的设计指南，在具有平滑管的蒸发器中的质量流密度在部分负荷情况下不低于大致为800kg/(sm2)的值，以避免由于流动分层造成的在管壁上的冷却问题。该值相在上述的2000kg/(sm2)的全负荷质量流密度下相当于40%全负荷的负荷值。因此也是这一负荷情况的是，对该负荷情况限定蒸发器最小质量流。在起动和弱负荷运行中，通过供给水调节确保给蒸发器一直输入蒸发器最少质量流。
刚好在起动和弱负荷运行中产生的未蒸发的水一般在后置于蒸发器的水分离器(简称：分离器)与蒸汽分离，并且导引至(所谓的收集瓶或简称瓶子)的集水容器，而蒸汽一般输入过热器。多次使用循环泵，以便循环已分离的水，并且在也称作节能器的供给水预热器之前加入到供给水质量流(简称：供给质量流)，也就是说它最后又导引回到蒸发器入口。蒸发器质量流在该情况下相加地由供给质量流和也称作再循环质量流的循环质量流组合。这种装置例如从DE3243578A1、DE4236835A1或US3412714中已知。
在迄今一般的运行方式中，在起动供给质量流时不断地升高，而循环质量流以相同的比例往下调节。因此，在上述实施例中，循环泵必须设计用于比较高的循环质量流密度，约800kg/(ms2)，相当于蒸发器质量流密度的全负荷值的40%，因为在零负荷运行中或差不多在零负荷运行之上，几乎整个蒸发器质量流通过循环质量流形成。循环泵比较高的设计质量流导致，循环泵的功率必须比较大，并且尺寸必须设计得较大并且与之相应地带来较高的采购成本。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于运行上述类型的直通式蒸汽发生器的方法，该方法避免上述缺点，因此在保持小的采购和运行成本时设计用于通过蒸发器管充分的冷却有效且可靠地部分负荷运行。此外，给出一种特别适合执行该方法的直通式蒸汽发生器。
就方法而言，所述技术问题按本发明这样解决，方式是
-在低负荷间隔中，供给质量流随着负荷的升高而增多，而循环质量流保持基本上恒定，
-在中负荷间隔中，供给质量流随着负荷的升高进一步增多，并且循环质量流减少到至少零，并且
-必要时在高负荷间隔中，供给质量流随着负荷的升高进一步增多并且循环质量流保持为零。
在高负荷间隔中的运行称作直通式运行，因为在分离器中不再出现水。
为了在此仅明确地定义，参考负荷升高的情况；调节特性也相似地适用于负荷降低的情况。这意味着例如，在低负荷间隔中，供给质量流随着负荷降低而减少等。
本发明基于这种考虑，虽然原则上可行的是，省掉具有循环泵的再循环回路，因此，分离器中已分离的水在起动时以及在弱负荷运行中容易导出并且丢弃(所谓的排水运行)。但这在热力学和经济的观点下是不利的且还(因为在节能器和蒸发器的入口处更小的流体温度和因此冷却地作用到热表面上的蒸汽更小的产量)导致后置于蒸发器的过热器热表面的热负荷在起动运行时不期望地增大。
本发明基于迄今有效的且看作操作中经过反复试验的用于循环质量流的设计指南。即，惊人的发现，用于循环泵的设计质量流至少在低负荷间隔中相对迄今的识别时间可以明显减少，而不必接受缺点。尤其可以在接近零负荷状态时(在该情况下几乎仅仅通过循环质量流实现的)蒸发器最少质量流是迄今的确定值的一半。在此在该条件下(也在蒸发器管设计成平滑管时)通过相应的热力学计算和模拟已证实可以保证蒸发器管充分的冷却。然后，为了达到更高的负荷范围，迄今常用的用于蒸发器最少质量流的值被预先设定并且通过对供给质量流和循环质量流相应的调节来达到。在两个调节场景之间的过渡优选连续地，尤其线性地发生。
有利地，在低负荷间隔中，供给质量流线性地随着负荷的升高而增多。对于保持恒定的循环质量流意味着，整个蒸发器质量流(如已述由供给质量流和循环质量流构成的总和)随负荷线性地上升。
优选也在中负荷间隔中，供给质量流随负荷的升高而线性地增多，而循环质量流随负荷的升高优选线性地减小。在特别优选的结构方案中，在此循环质量流以相同的比例减少，如供给质量流增多。这意味着，由两个质量流构成的总和，即，蒸发器质量流在中负荷间隔中保持恒定。
适宜地，低负荷间隔起始于零负荷并且优选在按设计预定的全负荷的约20%时结束。在低负荷间隔上适宜地直接连接中负荷间隔，该中负荷间隔优选在按设计预定的全负荷的约40%时结束。
在特别优选的设计中，循环质量流在低负荷间隔中设定为蒸发器质量流的全负荷值的约20%。在此，在低负荷间隔中，循环质量流密度的值为约400kg/(sm2)是特别有利的，相当于在大致2000kg/(sm2)的全负荷时的蒸发器质量流密度。
在另外有利的结构方案中，循环质量流和供给质量流在中负荷间隔中设定为，使得蒸发器质量流在该间隔中总是达到全负荷值的至少40%。在此特别优选的是这种情况，蒸发器质量流在该负荷间隔中通过供给流和循环流的反向变化保持恒定(参见上文)。
就直通式蒸汽发生器而言，开头所述的解决方案通过直通式蒸汽发生器解决，该直通式蒸汽发生器具有蒸发器，沿介质流动方向在该蒸发器的前方设有供给泵并且在该蒸发器的后方设有用于未蒸发的流动介质的分离器，其中，分离器通过其内连接有循环泵的再循环管路与水侧的蒸汽发生器入口连接，并且其中，设有用于供给泵和循环泵的电子控制或调节单元，该电子控制或调节单元执行上述的方法。
如开头已暗示，再循环管路适宜地在供给泵下游并且在供给水预热器的上游通入供给管中。分离器因此(间接地)通过供给水预热器与蒸发器入口连接。
在控制或调节单元中，为了所述目的有利地通过硬件和/或软件实施相应的控制或调节程序。通过适合的调节值探测器，控制或调节单元按在先的操作输入(例如：起动，关闭，部分负荷运行等)作用到供给泵和循环泵上并且控制其输送效率，表示出流动介质(供给水和已从蒸发器中分离的水)各自的通过量。通过适合的测量值探测器或传感器，向控制或调节单元适宜地输送与实际值相关的运行参数，以便在偏离期望的额定值时可以进行相应的再调节。
直通式蒸汽发生器优选直接地通过多个燃烧器加热。它优选具有燃烧室或烟道，其周壁由多个气密性地相互焊接的蒸发器管形成，其中，周壁的至少一个部分区域形成实际的蒸发器(除了必要时形成供给水预热器或过热器的、另外的区域)。烟道优选设计成垂直烟道并且至少在蒸发器区内具有螺旋管，亦即，螺旋或蜗形地在周壁内部围绕烟道的纵轴线缠绕的蒸发器管。蒸发器管优选是平滑管；但也可以考虑内部加筋的管。
当内部加筋的管使用在螺旋蒸发器中时，最少质量流密度可以在最高负荷下在循环运行中从一般的用于平滑管的值800kg/(sm2)减小到大致500kg/(sm2)。因此，若蒸发器的全负荷质量流密度为2000kg/(sm2)，内部加筋的管的蒸发器可以在负荷高于全负荷的25%时连续运行。即使在螺旋蒸发器中使用内部加筋的管时，按本发明可以特别紧凑地设计循环泵的尺寸。在具有内部加筋的管的螺旋蒸发器中，循环运行到连续运行的过渡在大致25%负荷的情况下而不是40%负荷的情况下。在先和下列的、对于具有平滑管的蒸发器的数量的说明，通过考虑该边界条件可以转用到具有内部加筋的管的蒸发器上。
通过本发明实现的优点尤其在于，通过有意的背离迄今相关的设计原理，实现了具有在蒸发器上或之后分离的液体流动介质(水)回流到供给水预热器中要求的强制直通式蒸汽发生器的运行(所谓的强制运行-混合系统)，其中虽然循环质量流选择为比较低，即在零负荷区域附近但确保了较高的运行安全性和充分的管冷却。循环泵的尺寸可以在这种情况下设计成特别紧凑的并且采购中的成本相应地低廉。
附图说明
下列根据附图进一步阐述本发明的实施例。其中，在大大简化且示意的图示中示出：
图1是直通式蒸汽发生器的方框图，
图2是一个图形，其中，不同的表征流动介质流过直通式蒸汽发生器相应的构件的流量且对于其迄今运行控制决定性的特征线描绘为负荷的函数，而
图3是另一个这种图形，其中，特征线走向相应于新型的、按本发明改进的运行控制。
具体实施方式
在图1中示出的直通式蒸汽发生器2包括用于蒸发流动介质M的蒸发器4，沿介质流动方向在所述蒸发器4之前设置有也称作节能器的供给水预热器6。蒸发器4包括多个在流动上并联连接的、气体密封地相互焊接的且设计成平滑管的蒸汽发生器管，该蒸汽发生器管按螺旋管的类型形成燃烧室的周壁的区域，该周壁通过多个燃烧器加热(在此未详细示出)。沿介质流动方向在蒸发器4之后设有带有多个过热器加热面的过热器8。在直通式蒸汽发生器2运行时，通过供给管10借助供给泵12将供给水S形式的流动介质M输入供给水预热器6，在供给水预热器6中预热，然后通过蒸发器入口14导入蒸发器4并在该处蒸发。最后，通过蒸发器出口16离开蒸发器4的蒸汽D在过热器8中过度加热，然后提供给其例如在蒸汽透平中预定的应用。
在部分负荷运行时，尤其是在直通式蒸汽发生器2起动时或降低负荷（herunterfahren）时，流动介质M在蒸发器4中不完全蒸发，而是在蒸发器出口16处保留一部分未蒸发的、液体的流动介质M，即，水W。这一部分水在沿介质流动方向蒸发器4与过热器8之间连接的分离器18中与传递给过热器8的一部分蒸汽分离并且离析。已分离的水W收集在与分离器18连接的收集容器20中并且从此处起根据运行状态以不同的比例通过再循环管路22导引回到供给水预热器6的入口。为此目的，将循环泵24连接到再循环管路22中，并且再循环管路22在供给泵12的下游且在供给水预热器6的上游连接在供给管10上。剩余的水W从收集容器20中通过排水管26导出。
因此，流过蒸发器4的、流动介质M的质量流，即，蒸发器质量流VM相加地由输入的供给水S的质量流，即，供给质量流SM和借助循环泵24循环返回的、之前分离的水W的质量流，即，循环质量流UM组合。代替名称质量流，在口语中也使用名称流量。
作用到供给泵12和循环泵24以及必要时作用到流动介质M的管道系统中的此处未示出的控制或调节阀上的电子控制或调节单元28用于与运行状态有关的控制或调节该质量流，尤其在起动或弱负荷运行时。此外，为了检测运行中的实际状态，设置多个与控制或调节单元28连接的传感器(此处未示出)。
为此，图2按传统的调节图示出与过程有关的特征线。此处循环质量流UM，供给质量流SM和蒸发器质量流VM描绘为负荷L的函数。横坐标上的负荷值分别表示为最大负荷(全负荷)的百分数值，并以相似的方式，在纵坐标上的流量或质量流值表示为在全负荷中按设计预定的最大蒸发器质量流VM的百分数值。如人们可见，循环质量流UM随着负荷的升高从初始值40%(相应于0%负荷)连续地并且尤其是线性地降低到值0%(相应于40%负荷)，而供给质量流SM的值在相应的负荷间隔中线性地从0%升高到40%。因此，由供给质量流SM和循环质量流UM构成的、代表蒸发器质量流VM的总和在该负荷间隔中具有恒定的值40%。在还更大的负荷中，循环质量流UM保持为值0%，而供给质量流SM并因此蒸发器质量流VM升高不超过全负荷值100%(在图形中不再示出)。因此，循环泵24必须设计用于在全负荷中蒸发器质量流VM比较高的质量流值40%。
与此相对，图3示出就对循环泵24的要求而言改进的、以与图2相似的图形表示的调节图。相似地如在通过图2表示的、调节变型中，供给质量流SM在0%和40%负荷之间的负荷间隔中线性地从值0%升高到值40%。与先前的变型不同，现在循环质量流UM在0%到20%负荷之间的第一负荷间隔，此处称作低负荷间隔I中保持在相对图2减小的、20%的值恒定。在随后的20%负荷到40%负荷之间的中负荷间隔II中，循环质量流才线性地减小到值0%。然后，蒸发器流量在低负荷间隔I中从值20%线性地上升到值40%，并且在中负荷间隔II中保持为值40%。然后，在右边邻接的、超过40%负荷(不再示出)的高负荷间隔中，如前面讨论的情况，供给质量流SM并因此蒸发器质量流VM升高不超过全负荷值100%。
通过将用于循环泵24的设计质量流减小到相对图2平分的、最大蒸发器质量流VM的20%的值，对循环泵24的要求明显降低，而不会在弱负荷范围内危及蒸发器4的蒸发器管的充分冷却。

Claims (13)

1.一种用于运行带有蒸发器(4)的直通式蒸汽发生器(2)的方法，其中，流动介质(M)的供给质量流(SM)借助供给泵(12)输入所述蒸发器(4)并在该处至少部分地蒸发，其中，未蒸发的流动介质(W)在后置于所述蒸发器(4)的分离器(18)中分离且已分离的流动介质(W)的循环质量流(UM)借助循环泵(24)引回到所述蒸发器(4)中，使得被称作蒸发器质量流(VM)的、流过所述蒸发器(4)的流动介质(M)的质量流由所述供给质量流(SM)和所述循环质量流(UM)相加地组成，并且其中，
-在低负荷间隔(I)中，所述供给质量流(SM)随着负荷(L)的升高而增加，而所述循环质量流(UM)保持基本上恒定，
-在中负荷间隔(II)中，所述供给质量流(SM)随着负荷(L)的升高进一步增加并且所述循环质量流(UM)减小为零，并且
-在高负荷间隔中，所述供给质量流(SM)随着负荷(L)的升高进一步增加，并且所述循环质量流(UM)保持为零，
并且，对于所述中负荷间隔(II)确定用于所述蒸发器质量流(VM)的最小值，并且对于所述低负荷间隔(I)将所述循环质量流(UM)基本上保持为最小值的一半不变。
2.按权利要求1所述的方法，其中，在所述低负荷间隔(I)中，所述供给质量流(SM)随着负荷(L)的升高线性地增加。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中，在所述中负荷间隔(II)中，所述供给质量流(SM)随着负荷(L)的升高线性地增加。
4.按权利要求1或2所述的方法，其中，在所述中负荷间隔(II)中，所述循环质量流(UM)随着负荷(L)的升高线性地减小。
5.按权利要求1或2所述的方法，其中，在所述中负荷间隔(II)中，所述供给质量流(SM)随着负荷(L)的升高线性地增加并且所述循环质量流(UM)随着负荷(L)的升高以相同的比例线性地减小。
6.按权利要求1或2所述的方法，其中，所述低负荷间隔(I)在零负荷时开始。
7.按权利要求6所述的方法，其中，低负荷间隔(I)在使用平滑管时结束于按设计预定的全负荷的约20％，在使用内部加筋的管时结束于按设计预定的全负荷的约12.5％。
8.按权利要求1或2所述的方法，其中，所述中负荷间隔(II)直接地与所述低负荷间隔(I)连接。
9.按权利要求8所述的方法，其中，中负荷间隔(II)在使用平滑管时结束于按设计预定的全负荷的约40％，在使用内部加筋的管时结束于按设计预定的全负荷的约25％。
10.按权利要求1或2所述的方法，其中，所述循环质量流(UM)在低负荷间隔(I)中在使用平滑管时设定为所述蒸发器质量流(VM)的全负荷值的约20％，在使用内部加筋的管时设定为所述蒸发器质量流(VM)的全负荷值的约12.5％。
11.按权利要求1或2所述的方法，其中，在所述低负荷间隔(I)中，在使用平滑管时循环质量流密度设定为约400kg/(sm2)，而在使用内部加筋的管时循环质量流密度设定为约250kg/(sm2)。
12.一种用于运行带有蒸发器(4)的直通式蒸汽发生器(2)的方法，其中，流动介质(M)的供给质量流(SM)借助供给泵(12)输入所述蒸发器(4)并在该处至少部分地蒸发，其中，未蒸发的流动介质(W)在后置于所述蒸发器(4)的分离器(18)中分离，且已分离的流动介质(W)的循环质量流(UM)借助循环泵(24)导引回到所述蒸发器(4)中，使得被称作蒸发器质量流(VM)的、流过所述蒸发器(4)的流动介质(M)的质量流相加地由所述供给质量流(SM)和所述循环质量流(UM)组成，并且其中，
-在中负荷间隔(II)中所述供给质量流(SM)随着负荷(L)降低而减小，所述循环质量流(UM)从零开始增大，并且
-在低负荷间隔(I)中所述供给质量流(SM)随着负荷(L)的降低进一步减小，而所述循环质量流(UM)保持基本上恒定，
并且，对于所述中负荷间隔(II)确定用于所述蒸发器质量流(VM)的最小值，并且对于所述低负荷间隔(I)将所述循环质量流(UM)基本上保持为最小值的一半不变。
13.一种直通式蒸汽发生器(2)，其具有用于蒸发流动介质(M)的蒸发器(4)，沿介质流动方向在所述蒸发器(4)前方设有供给泵(12)并且在所述蒸发器(4)后方设有用于未蒸发的流动介质(W)的分离器(18)，其中，所述分离器(18)通过连接到循环泵(24)内的再循环管路(22)与所述蒸发器入口(14)连接，并且，为所述供给泵(12)和所述循环泵(24)提供电子控制或调节单元(28)，所述电子控制或调节单元(28)执行按权利要求1至12之一所述的方法步骤。
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