CN1040146C - 燃烧矿物燃料的直流式蒸汽发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流式蒸汽发生器，它具有燃烧矿物燃料的燃烧器(11)和由基本垂直布置的管(2、3)构成的垂直烟道(1)，上述管的入口端与入口集管(9)相通，其出口端与出口集汽箱(12)相通。根据本发明从每根管(2)上的相同高度H处分岔出一根均压管(25)，该管与均压罐(4)相通，选择上述高度H，使得在入口集管(9)和均压管(25)的分岔之间的单根管(2)与具有平均受热量的所有管(2)相比为多受热的情况时，流运该单根管(12)的流量增加。

Description

燃烧矿物燃料的直流式蒸汽发生器

本发明涉及一种具有燃烧矿石燃料的燃烧器的直流式蒸汽发生器，该蒸汽发生器有一条由大体上垂直布置的管子构成的垂直烟气通道，上述管子的入口端与入口集管相连，管子的出口端与出口集汽箱相连。

本发明还涉及一种底端装有一个漏斗的直流式蒸汽发生器，上述漏斗至少包括由彼此焊接的、对气体密封的管子构成的四壁及这些管子的入口集管和出口集汽箱。

由于平行的管系中各管中所传递的热量差别很大，因此，在燃烧矿物燃料的具有竖直管状燃烧室壁的直流式蒸汽发生器中，管子在燃烧室壁的出口处常常存在大温差。造成热量传递差别很大的原因在于热流密度分布的不同(例如，在燃烧室的几个角上所传递的热量比燃烧器附近少)，以及在于加热管长度的不同，尤其是在为燃煤而确定其大小的直流式蒸汽发生器中的漏斗区内的加热管长度的不同。

为了减小管端温差，在VGB电厂技术64第4期第298-299页的一篇文章中公开了一种采用若干节流孔板和一个均压总管的解决方案。据该文章报道，在每根管的入口处配置节流孔板，以使各根管的水/蒸汽流量与受热之差和长度差相适应。该方案的缺点是仅能将管入口处的节流孔板设计成在某一特定工况下工作，而且燃烧室壁日益严重的积垢会引起各管子超比例的温度偏差。已经证明，节流孔板还可能被堵塞，致使流过有关管子的水很少。

在这种情况下，均压总管被安装在湿蒸汽区内的某处(也可安装在所有管子都具有相同温度的地方，但湿蒸汽有不同的蒸汽含量)，在该处在35％的锅炉负载下，可达到80％的平均蒸汽含量。全部蒸汽都流过均压总管，致使从平行管排的各管中流出的湿蒸汽混合。

因此，在这种公知的均压总管附道出现的湿蒸汽可能发生分离，使得某些排放管优先得到水，而另一些排放管优先得到蒸汽。其结果是即使在管壁均匀受热的情况下，在均压总管的上部，蒸汽的加热程度差别极大，因而管壁温度不一样，由此而产生可能导致管破裂的热应力。

本发明的任务在于应将垂直烟气通道的管壁布置成虽然各管的受热不同是不可避免的但所有管子出口处的蒸汽温度仍几乎相同，同时还应避免出现运行故障，例如由于管入口处的节流孔板堵塞而可能引起的运行故障。

根据本发明，在燃烧室壁外侧一定高度处设置一个均压罐，该均压罐牢固地安装在燃烧室壁外侧，使过多受热的管子与受热中等的平行管相比具有更高的流量，则能解决本说明书开始时所提到的那类直流式蒸汽发生器所存在的问题。如果观测出的受热中等的管子的压力降为该管摩擦压降的几倍时，通常则是这种情况。上述压降与处于蒸发器入口处的集管和上述顺流均压罐的分支之间的蒸发管部分有关。在受热很厉害的管中增加流量的条件是：

也就是说，若使流量M保持恒定，所考虑的管段的总压降(ΔP_Gts)会因过多受热(ΔQ)而减小。此外，对内翅管而言，摩擦压降(ΔP_R)可根据1991年由Springer出版社出版的由Q.Zheng，W.Khler，W.Kastner及K.Riedle著的“光滑汽化管和内翅汽化管内的压力损失，传热和传质26”第323-330页的内容来确定，而观测压降(ΔP_G)可根据Z.Rouhani著的“空隙比和两相压降的修正关系”(AE-RTV-841，1969年)来确定。与此相反，增速压降(ΔP_B)却不太重要，因此计算时可以略去不计。

然而，根据本发明，过多受热管子的流量不应保持恒定而应增加

。如果满足方程式(1)的话，那么平行管系中就是这种情况。因此，过多受热的管子满足： $\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{M}}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{Q}}>0----\left(2\right)$

不等式(2)没有表示出流量增加的大小。但仍希望流量的增加正好全部补偿掉多受的热量。在这种情况下，受热很厉害的管子的加热间距与受热中等的管子相同，也就是说它们的焓增相同，这就极其显著地减小了上述温差，直到将该温差减小到零。对此，该条件是： $\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{M}}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{Q}}=[\frac{\stackrel{\·}{M}}{\stackrel{\·}{Q}}{]}_{\mathrm{Ref}}----\left(3\right)$

此处，下标Ref代表具有平均流量M和平均受热量Q的参考管。

在实际过程中，不可能总满足方程式(3)中所提出的条件。选择均压罐的设置高度(也就是均压罐在垂直设置的至少部分管长上加工有内肋的管子的平行管系中的位置)，使其满足： $\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{M}}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{Q}}>0----\left(4\right)$ $\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{M}}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{Q}}>0.25{\left[\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{M}}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{Q}}\right]}_{\mathrm{Ref}}----\left(5\right)$ $\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{M}}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{Q}}>0.50{\left[\frac{\stackrel{\·}{M}}{\stackrel{\·}{Q}}\right]}_{\mathrm{Ref}}----\left(6\right)$ $\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{M}}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{Q}}>0.75{\left[\frac{\stackrel{\·}{M}}{\stackrel{\·}{Q}}\right]}_{\mathrm{Ref}}----\left(7\right)$

由于在进行这种空气动力设计计算时尽管在不同受热的情况下所有平行管具有不同的流量但却有几乎相同的蒸汽含量(在湿蒸汽的情况下)及温度(在过热蒸汽的情况下)，因而不必使全部蒸汽都流过均压管。全部蒸汽流过均压管甚至是不利的，因为在这种情况下又可能产生水——蒸汽混合物分离的危险。因此，预先规定只有总湿蒸汽流的一部分流过均压罐。合适的部分湿蒸汽流不仅能使流量分配均衡及使入口集管与均压罐的排出均压管之间的平行管中流量的分配与受热分布情况相适应，而且可通过均压管对流量减小的管子补充附加蒸汽流量，致使在均压管和顺流设置的集汽箱之间的管中产生几乎平均的流量分配，而不会发生湿蒸汽分解成水和蒸汽的危险。因此，管壁上端的所有管子具有几乎相同的温度，而且不会出现因热应力而造成的损害。

下面参考附图对本发明的一个实施例进行详细描述。其中：

图1是简化了的直流式蒸汽发生器的纵向截面图；

图2示出了由直流式蒸汽发生器的垂直管状部分构成的单根管子，该管与均压罐相接。

根据图1，具有垂直烟气通道1的直流式蒸汽发生器由管壁构成，上述管壁由下部的垂直相邻安装并彼此焊接成具有气密性的管2和上部的垂直相邻安装并彼此焊接成具有气密性的管3构成。相互气密地焊接的管子构成了一个例如为管——肋板——管结构形式或鳍管结构形式的气密的管壁。

垂直烟气通道1的下端有一个容纳灰的漏斗10，该漏斗的周壁同样也由管壁构成。在垂直烟气通道1的下部安装有燃烧矿物燃料的主燃烧器11。

管2的入口与入口集管9相通，管2的出口在从入口集管9的中轴量起的某一高度H处直接转变成管3的入口。管3的出口与出口集汽箱12相通。

出口集汽箱12通过一根连管13与分离器14相联，排放管15和连管16均与分离器相接。连管16通到过热加热器加热表面18的入口集管17，过热加热器的管出口测与过热加热器出口集汽箱19相通。此外，在垂直烟气通道1内部装有一个具有入口集管20和出口集汽箱22的中间过热器加热表面21以及一个带入口集管5和出口集汽箱7的节省器受热面6。出口集汽箱7通过连管8与进口集管9相通。

图2示出了一根在高度H处有一根分岔均压管25的单管2，管2的出口端直接与管3的入口端相通。均压管25与均压罐4相通，均压罐4位于垂直烟气通道1的外面。管壁的每根管2各有一根分岔均压管25。

给水泵(未示出)将水供入入口集管5，从该集管流出的水流入燃料节省器受热面6而被预热。然后水通过连管8和入口集管9流入垂直烟气通道1的管壁的管2中，在管2中大部分水蒸发成蒸汽。而在垂直烟气通道1的管壁的管3中使剩余的水蒸发并使最先蒸发部分过热。

分离器14仅在起动过程中起作用，该起动过程与在管壁中由于供给的热量太少而不能将所有的水蒸发的过程一样长。这样，流入的水——蒸汽混合物能在分离器14中被分离。分离出的水由排水管15送入图中未示出的减压器中，分离出的蒸汽经连管16送到过热器的受热面18。蒸汽透平高压部分中膨胀过的蒸汽在中间过热受热面21中又被加热。

选择垂直布置的管子2和3中的蒸汽流密度使得管内的观测压降大体上大于摩擦压降。这就导致管子在过多受热时能保持高流量，因而从出口温度考虑，过多受热的影响大部能得到补偿。在很长的垂直蒸发管的情况中，例如直流式蒸汽发生器中采用的单管结构形式的蒸发器中，尽管其流量密度低(为1000kg/m²·s及更低)，而负载为100％，由于蒸发量大，垂直烟气通道上面部分的管内也就是管3内的摩擦压降大大增加。在这种情况下，摩擦压降与观测压降之比可能会大到使过多受热管中的流量与平行管相比降低，因而在管端形成不希望的高蒸汽温度。

然而设置均压罐4就可使管2的压降与管3的压降分开。连接成使水从下向上并平行流动的所有管2在入口集管9与均压罐4之间的压降都相等。在此压降下，观测压降部分是摩擦压降部分的几倍，因此在单管过多受热时流量增加的优越性非常明显。这一点在垂直烟气体管道1的下部非常重要，因为在该部分中漏斗区和主燃烧器区的不同受热尤其明显。

在管3所处的垂直烟气通道1的上面部分内不仅受热比烟气通道1的下部小，而且其受热的不均匀性也比通道1的下部小。因此，均压罐4可导致管2内的部分流体经均压管25的一部分而流向均压罐4，部分流体从均压罐4经均压管25的另一部分流入管3中。这样，虽然管2中流体流动不均匀而且受热的差别也很大，仍能使管3内流体流动很均匀。

根据本发明，如果均压罐接入平行管系中的高度在100％负载及单管中过多受热为a％的情况下按其余的边界条件使通过该单管的流量或者至少提高0.25×a％、或者0.50×a％、或者0.75×a％，其效果尤其显著。

如果在管内侧加工出多头螺纹状的肋片，可改善管2和管3的冷却情况，因而使管壁温度降低。在高温辐射区例如燃烧器11的区域内尤其需要采取这种措施。上述多头螺纹状的肋片延伸到管2长度的50％以上是合适的。

由于内肋管的传热性能良好，与设置现有的均压管相比，本发明的技术方案中采用了均压罐，并在火焰空间的范围内采用内肋管，在满负荷情况下，蒸汽流量密度可低于1000kg/m²·s。

Claims (6)

1.带有燃烧矿物燃料的燃烧器(11)和由基本上垂直安装的管(2、3)构成的垂直烟道(1)的直流式蒸汽发生器，上述管子的入口端与入口集管(9)相通，其出口端与出口集汽箱(12)相通，其特征在于从每根管子位于燃烧器(11)上方的相同高度H处分岔出一根均压管(25)，该管(25)与均压罐(4)相通，选择高度H，使得位于入口集管(9)和均压管(25)的分岔之间的单根管(2)与所有管(2)的平均受热量相比为过多受热时流过该单根管的流量增加。

2.根据权利要求1所述的直流式蒸汽发生器，其特征在于管(2)内侧加工有长度超过其自身长度50％的多头螺纹状的肋片。

3.根据权利要求1或2所述的直流式蒸汽发生器，其特征在于烟道(1)的管(2、3)彼此焊接并能密封气体。

4.根据权利要求3所述的直流式蒸汽发生器，其特征在于选择高度H，使得在额定负载和位于入口集管(9)和均压管(25)的分岔之间的单根管子与具有100％负载相应的平均受热量的所有管(2)相比为多受热a％的情况时，由计算而确定的流过该单根管(2)的流量至少增加约0.25×a％。

5.根据权利要求3所述的直流式蒸汽发生器，其特征在于选择高度H，使得在额定负载和位于入口集管(9)和均压管(25)的分岔之间的单根管子与具有100％负载相应的平均受热量的所有管(2)相比为多受热a％的情况时由计算而确定的流过该单根管(2)的流量至少增加约0.50×a％。

6.根据权利要求3所述的直流式蒸汽发生器，其特征在于选择高度H，使得在额定负载和位于入口集管(9)和均压管(25)的分岔之间的单根管子与具有100％负载相应的平均受热量的所有管(2)相比为多受热a％的情况时由计算而确定的流过该单根管(2)的流量至少增加约0.75×a％。

Images