CN103635746B - 多汽包式蒸发器 - Google Patents

Abstract

一种用于热回收蒸汽发生器的蒸发器，具有两个大小适当的水平汽包，一个位于稍高于另一个的位置。其还包括具有被置于热气体流中的管子的盘绕管。下汽包与盘绕管的管子的入口连通，管子的出口与上汽包连通。排水管道将上汽包的底部与下汽包的下部区域连接起来，使得水从上汽包流至下汽包。主要处于液相的水通过入口管道进入下汽包并与来自上汽包的水混合。这些混合物流经至盘绕管中。在此其中的一些转变成饱和蒸汽，而其它保持为饱和水。饱和蒸汽和饱和水流至上汽包，在此蒸汽逸出，并且水流回至下汽包中以通过盘绕管再循环。由于它们的大小适当，这些汽包可承受高压力而不必具有过大的壁厚度，并且这使蒸发器能处于具有较少或无保持点的操作中。而这两个汽包能提供壁厚度非常厚的单个大容量汽包所能提供的停留时间，以及保护。

Description

多汽包式蒸发器

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2011年4月25日的第61/478695号美国临时专利申请的优先权，在此结合其内容作为参考。

技术领域

本申请一般涉及液态水到饱和蒸汽的变换，并更尤其地涉及用于产生饱和蒸汽的蒸发器以及该蒸发器所利用的处理。

背景技术

为发电机提供动力的燃气轮机排出温度极高的废气。热量回收蒸汽发生器（HRSG）从该气体中提取热量以产生为蒸汽轮机提供动力的蒸汽，该蒸汽轮机继而驱动更多发电机。

典型的HRSG包括多个换热器，这些换热器依次设置在来自燃气轮机的热废气流中。在这些换热器当中具有用于提高给水温度的节能器、用于将由该节能器排出的较高温度的给水转换成饱和蒸汽的蒸发器，以及，用于将饱和蒸汽转换成过热蒸汽的过热器（superheater）。许多HRSG都具有工作在不同压力下的一个以上的节能器、蒸发器和过热器。

一些HRSG利用循环式蒸发器。一般的循环式蒸发器依靠密度差来使水循环通过，这种循环式蒸发器包括高架汽包（overheadstreamdrum）和由位于热气流中的管道构成的盘绕管，管道的下端部通过降液管（downcomer）被连接至汽包，而上端部通过升液管（riser）与汽包连通。加热的水由泵传送通过节能器流入汽包中，在此其与已经在汽包中的蒸汽和水混合。来自汽包中的水向下流动通过降液管进入管道的下端部。这些水由此在管道中向上升，并从流通过盘绕管的气体中吸收足够的热量而变为饱和。饱和水的一部分转化成饱和蒸汽。饱和水和饱和蒸汽都向上流到汽包中。饱和蒸汽与汽包中的水分离开并继续流到过热器。在循环式蒸发器的盘绕管的管道定向成水平方向的情况下，可能需要泵使水循环通过盘绕管。

一些HRSG具有工作在高压下的高容量的大型自然循环式蒸发器。这些蒸发器具有大型的汽包，用于容纳高容量和厚壁以承受压力。实际上，对于大容量、高压力的汽包，蒸发器的外直径可为80英寸，并且壁厚度可为6或7英寸。汽包的大容量转化成大体积并为汽包提供了保留时间，也就是说，其使得汽包能够在没有水传送至汽包的情况下向盘绕管供给水。这样在对蒸发器的供水发生故障时，保护了盘绕管不受损坏。

为了避免使HRSG的部件，尤其是其蒸发器的汽包承受过度的应力，HRSG必须经历延长启动，在这段时间中，经常通过在启动过程中引入保持点（holdpoints）来控制加热速率。延长启动使得HRSG操作推迟达到高峰效率。而且，这一延迟使得HRSG以及与其耦接的所有燃气轮机实现符合排放要求所需的时间加长。

附图说明

图1是配备有常规的自然循环式蒸发器并且还配备有依据并体现本发明的自然循环式蒸发器的HRSG的示意性截面视图；以及

图2示出了本发明的蒸发器的示意性视图。

具体实施方式

现在参考附图，（图1），热量回收蒸汽发生器（HRSG）A具有部件，这些部件基本上为换热器，这些换热器连续地组合在管状外壳2内，用于以低压和高压供应过热蒸汽。外壳2具有入口4和出口6。可能从燃气轮机排出的热气体在入口4处进入外壳2，并且在壳体2内流过若干个部件，这若干个部件从该气体中吸取热量并将液态给水转化成低压和高压的过热蒸汽。

在HRSGA的低压部件中具有用于提升给水温度的节能器10、用于将来自节能器10的水转化成饱和蒸汽的蒸发器12，以及用于将来自蒸发器12的饱和蒸汽转化成过热蒸汽的过热器14。节能器10、蒸发器12和过热器14一般工作在低压下。蒸发器12可采用的常规的自然循环式蒸发器的形式，并且这样，其将具有位于盘绕管18上方的具有圆筒形结构的单个汽包14，热气体流动通过盘绕管18。气体可由向发电机提供动力的燃气轮机排出。

除了其低压部件以外，HRSG具有类似的高压部件–即用于加热初始处于液相的给水的节能器20、接收来自节能器20的经加热的水并将其转化成饱和蒸汽的高压蒸发器22，以及将来自蒸发器22的饱和蒸汽转化成高压过热蒸汽的高压过热器24。优选地，参考热气体流过外壳2的流动，过热器24位于蒸发器22的上游，且蒸发器22位于节能器20的上游。蒸发器22具有能够承受达到2800psig高压的能力，但仍可提升至其工作温度，而没有过多的保持点。的确，其可被设置成在没有保持点的情况下进行工作。

实际上，被构造成蒸发器22的蒸发器可以代替蒸发器12。HRSGA可具有两组以上的，或者其也可具有单组的节能器、蒸发器，和过热器。

蒸发器22包括（图2）位于稍微不同的高度处的两个圆筒形结构的汽包—即，下存储汽包32和上分离汽包34，其也可起到存储汽包的作用。两个汽包32和34的纵轴水平延伸，并优选地为平行的。这两者均比为类似容量和压力以及停留时间所设计的蒸发器的常规单个汽包小。此外，它们的壁比单个汽包的壁薄。这两个汽包32和34通过排水管道36连接起来，该排水管道36在上汽包34的底部和下汽包32的下部区域（也就是说，在汽包32侧面的中点下面）之间延伸。这两个汽包32和34也通过在下汽包32顶部和上汽包34的上部区域侧面（实际上接近汽包34顶部）之间延伸的通风管道（ventline）38连接。下汽包32与入口管道40相连，该入口管道40通向该下汽包的下部区域。主要处于液相的水通过被连接至节能器20的泵被引导到入口管道40中，并且然后进入汽包32，供给由常规的三元件控制系统所控制。但是，入口管道40可更换成与上汽包34的下部区域连接。出口管道42在上汽包34的最顶端处连接到该上汽包，并且该出口管道42通向位于来自蒸发器22的热气体流中上游的过热器24。在其内部，上汽包34分别包含主和次蒸汽-水分分离装置44和46。这两个汽包32和34可位于外壳2内或其上方。

此外，高压蒸发器22具有盘绕管50，其位于外壳2的内部内，使得热气将流过该盘绕管50。该盘绕管50包括下集管（header）52和上集管54，以及在集管52和54之间以若干排的方式竖直延伸的多个管56。下集管52通过降液管60被连接至下汽包32的底部。上集管54通过通向上汽包34的底部的升液管62与上汽包34连通。

在蒸发器22的操作中，主要处于液相的水在高压下从节能器20被传送到入口管道40处进入下汽包32，或者，如果入口管道40被连接至上汽包34则水可流入上汽包34中。如果是后者，水将找到经过排水管道36进入下汽包32的通路。实际上，通过入口管道40到达的水与通过升液管62进入上汽包34的饱和水混合，然后从上汽包34通过排水管道36流到下汽包32中。下汽包32中的水排放至降液管60中并向下流过降液管60进入下集管52。从这里其在盘绕管50的管56的下端部处进入管56，管56的下端部处起到管56的入口的作用。流过管56的热气体在盘绕管50工作的压力下将管56中的水加热至沸腾温度，并且这些水中的一部分转变成饱和蒸汽。在管56的较高位置处剩余的水仍然为饱和水，并且保持管56的内部表面潮湿，使得盘绕管50不会过热。饱和蒸汽和饱和水的混合物在它们的上端部，这里作为出口，离开管道50，并向上流过升液管62并进入上汽包34。在这里蒸汽与水分离并通过出口管道42离开，出口管道42将其引至位于来自蒸发器22的气体的气流中上游处的过热器24。饱和水经过排水管道36流至下汽包32，以通过降液管60、盘绕管50，和升液管62被再循环。一些饱和蒸汽可伴随流过排水管道36的饱和水进入下汽包32，但是其通过通风管道38返回上汽包34。水通过蒸发器22，包括其盘绕管50，的自然循环可完全依靠自然对流。

两个汽包32和34合起来的容量与工作在相同压力下具有相等停留时间的蒸发器上的单个汽包相同，但是每一个汽包的直径却可以小很多，因为这样可用其分别所具有的显著更薄的壁来承受高压。然而用于高容量、高压蒸发器的单个汽包的壁可为6或7英寸厚，但工作在相等压力和容量下的用于蒸发器22的汽包32和34的壁仅需要为4或5英寸厚，或者甚至更薄。虽然可达到单个汽包的停留时间，但是两个汽包32和34加热并达到蒸发器22的操作温度所需的时间较短。这继而缩短了HRSGA的启动周期。

代替单个下汽包32，蒸发器22可具有两个或更多个下汽包32。同样地，盘绕管50的管56可直接通向上汽包34，因此，消除了上集管54和升液管62。而且，虽然汽包32和34为圆筒形，一个汽包或两个汽包都是，且同时为细长的，但是其也可具有其它的截面结构。可将泵补充至蒸发器22中的自然对流中。

实际上，蒸发器22根本不需要依靠自然对流来使水循环通过其中，而是可以替代地依靠泵所提供的强制循环。如经过这样变形的蒸发器22的盘绕管50中的管56可在其经过外壳2的热气气流中水平延伸，管56的入口通向与下汽包32连接并起到降液管60作用的集管，并且管56的出口通向通往上汽包34并起到升液管62作用的另一个集管。

Claims (14)

1.一种热量回收蒸汽发生器，包括：

外壳，其具有热气体被引导所进入的入口和所述气体被排出所通过的出口，从而所述气体从其入口流过所述外壳到达其出口；

节能器，其被置于所述外壳中，使得所述气体流过所述节能器，所述节能器被连接至基本上处于液相的给水的源，用于提升所述给水的温度；

蒸发器，其用于使主要处于液相的水转化成饱和蒸汽，所述蒸发器包括：被水平地定向的上汽包；被水平地定向并置于高度低于所述上汽包处的至少一个下汽包；将所述上汽包的下部区域连接至所述下汽包的排水管道；通向所述汽包中的一个汽包的入口管道；从所述上汽包的上部区域引出的出口管道；具有被置于热气流中并配备有入口和出口的管子的盘绕管，所述管子的所述入口与所述下汽包连通并且所述管道的所述出口与所述上汽包连通；所述蒸发器的盘绕管被置于所述外壳中在气体流中处于所述节能器上游，所述蒸发器的所述入口管道被连接至所述节能器以从所述节能器接收已经在所述节能器中被加热的水；以及

过热器，其被置于所述外壳内在所述气体流中处于所述蒸发器的上游，所述蒸发器的所述出口管道被连接至所述过热器，所有这些使得所述过热器将来自所述蒸发器的所述饱和蒸汽转化成过热蒸汽。

2.如权利要求1所述的热量回收蒸汽发生器，进一步包括降液管，其中，所述蒸发器盘绕管的所述管子在所述下汽包的底部通过所述降液管与所述下汽包连通。

3.如权利要求2所述的热量回收蒸汽发生器，其中，所述蒸发器盘绕管的所述管子在所述上汽包的底部与所述上汽包连通。

4.如权利要求3所述的热量回收蒸汽发生器，其中，所述蒸发器管子竖直地延伸并且它们的入口在它们的下端部，并且所述降液管将所述下汽包与所述管子的所述入口连接。

5.如权利要求4所述的热量回收蒸汽发生器，其中，所述蒸发器管子的所述出口在所述管子的上端部，并进一步包括将所述管子的所述出口与所述上汽包连接的至少一个升液管。

6.如权利要求3所述的热量回收蒸汽发生器，其中，所述蒸发器入口管道通向所述下汽包。

7.如权利要求3所述的热量回收蒸汽发生器，其中，所述蒸发器排水管道通向所述下汽包的下部区域。

8.如权利要求1所述的热量回收蒸汽发生器，其中，所述蒸发器汽包中的至少一个为圆筒形。

9.如权利要求1所述的热量回收蒸汽发生器，其中，所述上汽包和所述下汽包为圆筒形。

10.一种用于在热量回收蒸汽发生器中将水转化成饱和蒸汽的方法，所述方法包括：

提供热量回收蒸汽发生器，其包括：

外壳，其具有热气体被引导所进入的入口和所述气体被排出所通过的出口，从而所述气体从其入口流过所述外壳到达其出口；

节能器，其被置于所述外壳中，使得所述气体流过所述节能器，所述节能器被连接至基本上处于液相的给水的源，用于提升所述给水的温度；

蒸发器，其用于使主要处于液相的水转化成饱和蒸汽，所述蒸发器包括：被水平地定向的上汽包；被水平地定向并置于高度低于所述上汽包处的至少一个下汽包；将所述上汽包的下部区域连接至所述下汽包的排水管道；通向所述汽包中的一个汽包的入口管道；从所述上汽包的上部区域引出的出口管道；具有被置于热气流中并配备有入口和出口的管子的盘绕管，所述管子的所述入口与所述下汽包连通并且所述管子的所述出口与所述上汽包连通；所述蒸发器的盘绕管被置于所述外壳中在气体流中处于所述节能器的上游，所述蒸发器的所述入口管道被连接至所述节能器以从所述节能器接收已经在所述节能器中被加热的水；以及

过热器，其被置于所述外壳中在所述气体流中处于所述蒸发器的上游，所述蒸发器的所述出口管道被连接至所述过热器，所有这些使得所述过热器将来自所述蒸发器的所述饱和蒸汽转化成过热蒸汽；并且

所述方法进一步包括以下步骤：

将主要处于液相的水的流引入两个水平的汽包中的一个中，所述两个水平的汽包中的一个被放置成高于另一个，并且在其下部区域处与下汽包连通，使得所述下汽包包含处于液相的水；

将来自所述下汽包的水的流加热成足以将所述水转变成饱和水和饱和蒸汽；

将所述饱和水和蒸汽引至所述上汽包中；

将所述上汽包中的饱和水引回至所述下汽包中；以及

从所述上汽包中提取饱和蒸汽。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述加热发生在热气体流过其上的盘绕管中。

12.如权利要求10所述的方法，其中，所述汽包为细长的并且具有水平的纵轴。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述汽包是圆筒形的。

14.如权利要求12所述的方法，其中，随着所述给水被加热并变换成饱和水和饱和蒸汽，所述给水由于自然循环而流动。