CN104968915A - 快速启动余热蒸汽发生器 - Google Patents

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Abstract

一种快速启动余热蒸汽发生器(HRSG)包括气体入口、高压段、任选的中压段、任选的低压段以及气体出口。所述高压段包括高压汽水分离器以及与所述高压汽水分离器处于流体联通的多个高压蒸发器管。所述压力段中的至少一者包含竖直蒸汽分离器。

Description

快速启动余热蒸汽发生器
相关申请案
本专利申请主张2012年8月13日提交的且标题为“快速启动余热蒸汽发生器”(Rapid Startup Heat Recovery Steam Generator)的第61/682,470号美国临时专利申请的优先权。所述申请的全部文本在此以引用的方式并入，如同在本文中充分地阐述其全部内容一样。
技术领域
本发明总体来说涉及发电领域。更确切地说，本发明涉及一种包含一或多个竖直蒸汽分离器的快速启动余热蒸汽发生器(HRSG)。HRSG可以例如用作快速启动锅炉以迅速产生蒸汽，所述蒸汽可以用来非常有效地驱动涡轮机并且产生电力。
背景技术
HRSG是用以从热气流中提取或回收热能的设备，所述热气流例如来自燃气涡轮机的热废气流。所提取的能量用以将水转化成蒸汽，所述蒸汽可用于发电。HRSG也可以被称为废热回收锅炉或涡轮机废气锅炉。HRSG可以在联合循环发电厂中用来提高整体效率。
HRSG可以是未点燃的(即，仅使用了所供应的气体的显热)，或者可以包含补充燃料燃烧以使气体温度升高，从而降低传热表面要求、增加蒸汽产出、控制过热蒸汽温度或满足工艺用蒸汽温度要求。
HRSG包含一个或多个传热表面，例如换热器管，所述换热器管可以被称为锅炉管排。当热气在锅炉管排的管之间并且围绕所述管通过时，根据水或蒸汽是否流过锅炉管排，将水转化成蒸汽或使蒸汽过热。
HRSG可以多种方式来分组，例如根据废气流的方向(即，竖直或水平)或通过压力级的数目(即，单压或多压)。在竖直类型的HRSG中，废气在水平管上方竖直地流动。在水平类型的HRSG中，废气在竖直管上方水平地流动。
在单压HRSG中，以单压级通过蒸汽锅筒产生蒸汽，而多压HRSG采用两个蒸汽锅筒(双压)、三个蒸汽锅筒(三压)或更多蒸汽锅筒。三压HRSG由三段构成，即，HP(高压)段、IP(中压)段以及LP(低压)段。还可以使用再热段来提高效率。每一段一般具有蒸汽锅筒以及蒸发器段，水在蒸发器段转化成蒸汽。随后此蒸汽穿过过热器，以使温度升高超过饱和点。
如所提及，HRSG可以包含一或多个蒸汽锅筒。蒸汽锅筒是较大的圆筒形容器，其设计成允许饱和蒸汽与离开沸腾的传热表面的汽水混合物分离。在自然循环HRSG中，蒸汽锅筒水平地定向。饱和蒸汽通过一或多个出口喷嘴排出以用于直接使用、加热和/或发电。无蒸汽的水与给水一起再循环到锅炉管排以用于进一步产生蒸汽。
蒸汽锅筒通常使用离心力，该离心力通过两相流体切向进入旋流器中或者通过固定螺旋桨型或曲折路径装置产生。离心作用确实地将蒸汽“挤压”出汽水混合物。
典型HRSG的启动升温速率(ramp rate)的限制因素之一是蒸汽锅筒浸泡时间。由于蒸汽锅筒的厚度，HRSG供应商规定了在低负载启动时的最小保持时间，以允许蒸汽锅筒缓慢地升温并且均衡顶部与底部之间的金属温度。不能使蒸汽锅筒均衡温度会导致沿着底部的、水湿润的表面的金属温度较低而沿着上部的、蒸汽湿润的表面的金属温度较高。此温度差导致锅筒弯成弓形，即，锅筒弓起。
锅筒弓起在蒸汽锅筒的重型上升管以及下降管连接部上施加极大的应力，并且还可能导致超出蒸汽锅筒的壳体的应力极限。为了确定对连接部和/或壳体材料的损坏的量，HRSG供应商通常推荐监控快速启动事件的数目以便控制对组件发生的损坏。
然而，由于风力以及太阳能等可再生能源的吸引力，快速启动锅炉已经并且将继续变得更加流行。风力以及太阳能发电通常不稳定并且因此需要快速负载转移来取代电网上的功率以避免灯火管制以及停电。
将需要开发用于快速启动锅炉的新的HRSG设计。
发明内容
本发明在各种实施例中涉及包含一或多个竖直蒸汽分离器的快速启动余热蒸汽发生器。
在一些实施例中所公开的是如下一种快速启动余热蒸汽发生器(HRSG)，所述HRSG包括气体入口、高压段、任选的再热段、任选的中压段、任选的低压段以及气体出口。高压段包括高压汽水分离器以及与高压汽水分离器处于流体联通的多个高压蒸发器管。任选的中压段包括中压汽水分离器以及与中压汽水分离器处于流体联通的多个中压蒸发器管。任选的低压段包括低压汽水分离器以及与低压汽水分离器处于流体联通的多个低压蒸发器管。高压汽水分离器、中压汽水分离器以及低压汽水分离器中的至少一者是竖直蒸汽分离器。
在一些其它实施例中，中压汽水分离器和/或低压汽水分离器是竖直蒸汽分离器。在其它实施例中，中压汽水分离器和/或低压汽水分离器是蒸汽锅筒。
竖直蒸汽分离器可以包括：具有顶部部分以及底部部分的竖直延伸的圆筒形容器；用于向容器提供汽/水混合物，使汽/水混合物在分离器中涡旋从而使蒸汽与水在分离器中分离的装置；位于容器顶部部分中并且围绕分离器的内部周边布置的用于从蒸汽中去除水的竖直定向洗涤器装置；用于从容器传送饱和蒸汽的饱和蒸汽连接装置；通过分离器的壁连接以用于向容器传送给水的给水供应装置；以及用于传送给水和来自容器的与蒸汽分离的水的装置。
从气体入口延伸到气体出口的流动路径可以时基本上水平的或基本上竖直的。
竖直蒸汽分离器可以经由多个切向上升管连接部或直式上升管连接部流体地连接到蒸发器管上。
还公开的是一种改造HRSG的方法。所述方法包括：从HRSG的高压段移除高压蒸汽锅筒；以及用高压竖直蒸汽分离器替换高压蒸汽锅筒。
任选地，所述方法进一步包括：从HRSG的中压段移除中压蒸汽锅筒；以及用中压竖直蒸汽分离器替换中压蒸汽锅筒。
在一些实施例中，所述方法进一步包括：从HRSG的低压段移除低压蒸汽锅筒；以及用低压竖直蒸汽分离器替换低压蒸汽锅筒。
进一步公开的是一种包括高压段、中压段以及低压段的快速启动余热蒸汽发生器。高压段包括竖直蒸汽分离器、经由顶端处的多个高压上升管以及经由底端处的高压下降管/再循环管线流体地连接到竖直蒸汽分离器的高压蒸发器、以及经由高压干蒸汽管道流体地连接到竖直蒸汽分离器的高压过热器。中压段包括中压蒸汽锅筒、流体地连接到中压蒸汽锅筒的中压省煤器、经由中压上升管以及中压下降管/再循环管线流体地连接到中压蒸汽锅筒的中压蒸发器、以及经由从中压蒸汽锅筒延伸的中压干蒸汽管道流体地连接到中压蒸汽锅筒的中压过热器。低压段包括低压蒸汽锅筒、流体地连接到低压蒸汽锅筒的低压省煤器、经由低压上升管以及低压下降管/再循环管线流体地连接到低压蒸汽锅筒的低压蒸发器、以及从低压蒸汽锅筒延伸的低压干蒸汽管道。
下文更具体地描述本发明的这些以及其它非限制性方面和/或目的。
附图说明
以下是附图简要说明，所述附图简要说明是出于图示本文中所公开的示例性实施例的目的而不是出于限制所述示例性实施例的目的而呈现。
图1A到1C图示本发明的余热蒸汽发生器(HRSG)的实施例的侧视图、俯视图以及立体图。
图2A和2B图示图1A到1C的HRSG的高压段的侧视图以及俯视图。
图3A和3B图示图1A到1C的HRSG的中压段的侧视图以及俯视图。
图4A和4B图示图1A到1C的HRSG的低压段的侧视图以及俯视图。
图5是可用于本发明的HRSG的竖直蒸汽分离器的第一实施例的侧截面视图。
图6是单个竖直蒸汽分离器的示意性平面图，其图示了连接到竖直蒸汽分离器的上升管可以如何布置。
图7是图6的竖直蒸汽分离器的外部周界的示意性平面视图，其图示了在一个级中的上升管如何相对于相邻级中的上升管定向以及错开。
图8是可用于本发明的HRSG的竖直蒸汽分离器的第二实施例的侧截面视图。
图9是在箭头8-8的方向上看的图8的竖直蒸汽分离器的截面平面视图。
具体实施方式
通过参考附图可以获得对本文中所公开的方法以及设备的更完整理解。这些图仅仅是基于方便且容易展示现有技术和/或发展现状的示意性表示，并且因此并不意图指示组合件或其组件的相对大小以及尺寸。
尽管为清楚起见在以下描述中使用了特定的术语，但是这些术语意图仅指示经选择用于在图式中图示的实施例的特定结构，而并不意图限定或限制本发明的范围。应理解，在图中以及以下随后的描述中，相同的数字标记指代相同功能的组件。
除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一”和“所述”包含对复数的指代。
本申请案的说明书以及权利要求书中的数值应理解为包含在减少至相同数目的有效数字时相同的数值，以及不同于陈述值的数值，其差值小于本申请案中所描述类型的用以确定所述值的常规测量技术的实验误差。
本文中所公开的所有范围包括所列举的端点且可独立地组合(例如，“从2克到10克”的范围包括端点2克和10克以及所有中间值)。
通过一或多个术语(例如“约”和“基本上”)修饰的值可能不限于所指定的精确值。修饰语“约”还应被认为公开通过两个端点的绝对值所限定的范围。例如，表述“从约2到约4”也公开了范围“从2到4”。
正如本领域的技术人员所知，传送汽水混合物的传热表面通常被称为锅炉蒸发表面；传送蒸汽使蒸汽从中穿过的传热表面通常被称为过热(或根据相关联的蒸汽涡轮机构造称为再热)表面。根据适用的锅炉设计规范，例如美国机械工程师协会(ASME)的锅炉及压力容器规范(Boiler andPressure Vessel Code)的第I章，或法律所要求的等效的其它规范，不论加热表面的类型如何，管的大小、管的材料、直径、壁厚、数目以及布置均基于所提供的温度和压力。
本发明涉及包含一或多个竖直蒸汽分离器的余热蒸汽发生器，例如快速启动HRSG。竖直蒸汽分离器提供了用于HRSG型锅炉的经济且更可靠的蒸汽分离组件。竖直蒸汽分离器在锅炉启动期间的使用有助于减少排放、提高效率并且保持电网灵活性，以便补偿不可预测的替代电源(例如，风力以及太阳能)。竖直蒸汽分离器设计允许燃气涡轮机不间断的缓慢升温，并且尤其可用于提高锅炉在快速启动或停机状态期间以及在极端的负载变化期间的可用性。
目前的快速启动锅炉使用常规蒸汽锅筒。高压蒸汽锅筒经设定大小用于2400psia的蒸汽涡轮机并且需要从约7英寸到约8英寸的锅筒厚度。利用此类型的蒸汽锅筒，在小于锅炉设计寿命的一半的期间内就可能发现疲劳问题，例如，对于设计寿命为30年的锅炉，如果从冷却状态下执行小于30分钟的快速启动，那么锅炉通常在小于15年的期间内发生故障。
本发明的竖直蒸汽分离器执行与常规的水平蒸汽锅筒类似的功能，但是构造成使得可以使用更小、更薄直径的容器系统。在一些实施例中，高压竖直蒸汽分离器具有从约1.5英寸到约4.5英寸的壁厚，包含从约2.5英寸到约3.5英寸以及约3英寸的壁厚。这种调整降低了热应力，形成更长的热疲劳设计寿命(因为对于相同的温度变化，较薄的组件将比较厚的组件具有更大的热疲劳循环次数)，并且允许更快的升温以及更快的在线操作。中压竖直蒸汽分离器以及低压竖直蒸汽分离器的厚度可以比高压竖直蒸汽分离器具有更薄的壁。
竖直蒸汽分离器可以支撑在与蒸发器管束上联箱大致相同的高度处。因此，竖直蒸汽分离器以及下降管的热膨胀接近管束的膨胀。并行的膨胀将供应点以及上升管连接点处的应力减到最少。
与蒸汽锅筒不同，竖直蒸汽分离器在正常水位下方的全圆筒形区域可用于将给水储存至所需的保持时间，因为持水体积由竖直蒸汽分离器的长度而不是其直径来设定，所以直径减小，并且因此厚度减小。例如，72英寸直径的高压蒸汽锅筒可以是7英寸到8英寸厚，但是可以使用具有36英寸直径以及3英寸厚度的两个竖直蒸汽分离器。
竖直蒸汽分离器的成本预期小于高压蒸汽锅筒的成本。与支撑钢和延长上升管管道相关联的额外成本可能抵消一些节省的成本。然而，竖直蒸汽分离器仍可较便宜。
因此，竖直蒸汽分离器提供了优于常规的水平蒸汽锅筒的许多优点，包含锅筒弓起的消除以及快速启动。竖直蒸汽分离器可以很好地定位，即，嵌套至HRSG的整体设计构造中。这产生了额外的优点，例如简化且降低了维护和/或更换成本。
图1A到1C图示本发明的HRSG 10的示例性实施例。HRSG包括三段：高压段40；中压段60；以及低压段80。热气通过HRSG 10的入口20进入HRSG。热气流动到高压段40，其中来自该气体的一些热能经传递以产生高压蒸汽。这导致气体温度降低。气体流动到中压段60，其中从气体传递热量以产生中压蒸汽。随后，气体流动到低压段80，其中再次从气体传递热量以产生低压蒸汽。经冷却的气体通过出口25排出到烟囱30。在图2到4中更具体地描绘了高压段、中压段以及低压段。
图2A和2B图示出示例性高压段40，其中在图2A中气体从左到右流动，而在图2B中从底部到顶部流动。高压段可以包含用于预加热水的省煤器。在蒸发器44之间并且围绕所述蒸发器流动的热气使得在所述蒸发器中的水蒸发并且形成湿蒸汽，即水/汽混合物。水/汽混合物上升并且经上升管46流动到蒸汽分离器48。蒸汽分离器48是竖直蒸汽分离器，所述分离器使用旋风作用分离水和蒸汽。水经由再循环管线或下降管56再循环回到蒸发器44。干蒸汽，即没有水的蒸汽，经干蒸汽管道58流动到过热器54。过热器54中的蒸汽温度通过来自热气的热量的传递而进一步增加，以产生过热蒸汽。在高压段40中产生的过热蒸汽可用以(例如)通过使蒸汽涡轮机旋转来产生电力。如图1B和图1C中所图示，HRSG可以构造成装配一或多个高压竖直蒸汽分离器48。如图1C中所图示，竖直构造允许经由楼梯和维护平台更容易地接近蒸汽分离器48，以便更易于维护、修理或更换。
图3A和3B描绘示例性中压段60。中压段60包含用于预加热水的省煤器62以及用于蒸发水以产生湿蒸汽的蒸发器64。湿蒸汽上升并且流动到蒸汽分离器68。蒸汽分离器68是水平定向的蒸汽锅筒。在蒸汽锅筒68中，湿蒸汽分离成蒸汽和水。水经由下降管76再循环回到蒸发器64。干蒸汽经由干蒸汽管道78流动到过热器74。在过热器74中，干蒸汽进一步被加热以产生过热蒸汽。过热蒸汽经由管线79排出。排出的蒸汽可用以产生电力或在联合循环发电厂中用于其它用途。
图4A和4B中描绘了示例性低压段80。低压段80包含用于预加热水的省煤器82。低压段80进一步包含蒸发器84。在蒸发器84的管之间并且围绕所述管流动的热气将热量传递到所述管上，由此在蒸发器84中产生湿蒸汽。湿蒸汽上升并且流动到蒸汽分离器88。蒸汽分离器88是蒸汽锅筒。蒸汽锅筒88使湿蒸汽分离成水以及干蒸汽，所述水经由下降管96再循环回到蒸发器84，所述干蒸汽经由干蒸汽管道98流动。干蒸汽可以用于除气或用于工业过程，或可以发送到低压过热器(未示出)以用于从低压蒸汽涡轮机发电。
本发明的竖直蒸汽分离器可以如维纳(Wiener)等人的第6,336,429号美国专利案和/或扬纳基奥内(Iannacchione)等人的第2010/0101564号美国专利公开案中所描述的来设计。这些文献的公开内容在此以引用的方式全部并入本文中。
某些术语的解释或换热器、锅炉和/或蒸汽发生器技术的原理可能为理解本发明所必需的，就此方面，读者可以参考“蒸汽/蒸汽的产生和使用(Steam/its generation and use)”，第41版，基托(Kitto)和斯塔尔茨(Stultz)编，巴布科克和威尔科克斯公司(The Babcock&Wilcox Company)版权所述文本在此如同在本文中完全阐述一样以引用的方式并入。
图5中从概念上示出了一个示例性竖直蒸汽分离器设计。如图5中所图示，在每一分离器112中，饱和蒸汽134通过在分离器112的顶部处的喷嘴132(饱和蒸汽连接部)离开，同时经分离的饱和水136朝下流动到汽/水分离器112的下部部分并且处于通过在顶部处的离心作用施加的旋转中。饱和蒸汽134优选地穿过在分离器112的上部部分处的洗涤器元件133，以确保蒸汽尽可能地干燥。在分离器112的上部部分中也可以采用汽提器环135，以防止在离开的饱和蒸汽134中夹带围绕分离器112的壁137的内部周界而涡旋的水。经由导管124提供的给水24在较低点处进入分离器112，并且在混合点或区域M处与过冷水混合，随后朝下流动跨越涡流抑制器138(例如挡板)进入实际下降管56中。由于分离器112中的水库存与常规单一蒸汽锅筒的水库存相比更少，因此分离器112中的水位控制范围H必须比常规锅筒中的水位控制范围具有大得多的高度差(例如，与通常±6英寸相比，为±6英尺)。
因为此方面，根据本发明，甚至在高压(约2500psig)应用场合中也可以容纳相当大的水位(即，“扬程(pumping head)”)变化。
现在返回到图5以及接下来看图6和7，汽/水分离器112具有紧凑、有效的设计。汽/水混合物通过在一级或可能更多级处的多个喷嘴122经由上升管46靠近分离器容器112的顶部进入，所述喷嘴围绕容器112的外围沿切线方向布置(见图5和6)。切向进入设计成导致汽/水混合物的旋转涡流的形成。旋转涡流提供使蒸汽从水分离所需的离心力。图6示出竖直分离器112的顶视图以及上升管喷嘴122切向进入容器112中。喷嘴122朝下倾斜(通常15度)以使用重力，所述重力促使水流朝下。此倾斜还避免了来自多个喷嘴122的射流之间的干扰。如果需要一级以上的喷嘴122，那么避免来自各级的射流之间的干扰变得必不可少。这可以通过在不同级处喷嘴112位置的适当错开来实现，如图7中所示，图7是图6的竖直汽/水分离器112的外部周界的示意性平面视图，其图示了在一个级中的上升管20的喷嘴122如何相对于相邻级中的上升管20的喷嘴122定向以及错开。虽然图示了两级，但是有可能具有更少或更多数目的级。所述数目取决于各因素的组合，一些因素是本质上功能性的，例如正被输送到给定分离器112上的汽/水混合物的量，其它的本质上是结构性的，例如给定分离器112上相邻喷嘴延伸之间的联结物的壁厚以及有效性。这也促使通过沿着容器内壁114(内表面)的离心作用使蒸汽与水理想分离。
饱和条件下的蒸汽、即干燥但不过热的蒸汽通过汽提器环135朝上驱动并且通过曲折路径(例如，波纹板阵列)洗涤器133，所述洗涤器去除几乎所有残留的湿气和液滴。实质上干的饱和蒸汽134通过分离器112顶部处的一或多个饱和蒸汽连接部132从分离器112向外流动。这些饱和蒸汽连接部132又将饱和蒸汽134传送到各蒸汽冷却回路，随后所述饱和蒸汽在各过热器级中过热到最终蒸汽温度，所述蒸汽从所述过热器级流动到高压涡轮机。
另一方面，饱和水136沿着分离器112的内表面114流动从而形成涡流，所述涡流主要在朝下方向上流动并且在M处与来自省煤器(未示出)的连续供应的过冷(低于饱和)给水24混合。随着涡流的形成，一小部分水将在内表面114向上移动到汽提器环135。汽提器环135用以制止水136朝上移动到达洗涤器133。通过给水24与经分离的饱和水136的强烈混合产生的水混合物仍然被过冷却，并且该水柱仍因喷嘴122引起的饱和水的切向运动而旋转。在容器112底部处的涡流抑制器138防止这种旋转随着水流入并且向下通过下降管56而继续。旋转液柱可使得至连接到下降管14上的各种炉内回路的流动分布不均并且限制下降管56的流体传递能力。
重要的是控制分离器容器中的水位以保持在一定范围H内，所述范围H通常在设定水位的上下几英尺。水位控制将防止水在上方被带入分离器112顶部处的蒸汽流中，而这会通过水冲击和带入上方的杂质在下游损坏蒸汽过热表面；并且水位控制将防止蒸汽在下方被带入进入下降管56的水流中，而这会减轻水柱(减少静压或扬程)并且增加水的焓(热含量)，从而导致过早沸腾以及在炉内回路中蒸汽在汽水混合物中的百分比增大。后者将对炉内回路的冷却不利，尤其是与减少的扬程相关。因此，较大的分离器112实现分离功能，这通常由具有许多小的离心分离器的锅筒来呈现。
图8和9图示根据本发明的竖直汽/水分离器112的另一实施例。从结构以及功能的角度来看，此实施例采用了图5中图示的实施例的许多特征，并且由此将不再具体描述这些共同的特征。然而，重要的是应注意，图8和9的实施例采用了略微不同形式的汽提器环(标记140)以及完全不同的洗涤器142布置。在此实施例中的汽提器环140也是围绕分离器112的壁137的内壁114(内部周界或周边)延伸，刚好在一或多级切向喷嘴122连接到分离器112的位置上方。如图所示，汽提器环140可以具有邻接壁137的内部的实心环形部分以及在分离器112的中心区域中的锥形带孔部分。蒸汽可以通过洗涤器环140中的孔，同时通过洗涤器142在蒸汽脱离分离器112之前从蒸汽中去除的水可以向下排回分离器112的下部部分中。邻接于壁137的内壁114的实心环形部分的汽提器环140用以制止水136朝上移动到达分离器112中进行二次汽/水分离的那一部分。
值得注意的是，在图8和9的实施例中，洗涤器142包括竖直定向的个别洗涤器元件144的阵列，所述洗涤器元件围绕分离器112的内部周界布置，与分离器112的壁137的内表面114间隔开，以便在其间形成基本上开放的环形区域146。应注意，洗涤器142的中心部分139关闭，使得蒸汽必须通过洗涤器142。同样地，洗涤器142的底端设置有环141，所述环在洗涤器142与分离器112的壁137的内表面之间延伸。这些特征均确保蒸汽通过洗涤器142传送。因此，由于蒸汽向上传递至分离器112的顶部部分，蒸汽跨越且通过包括洗涤器142的这些洗涤器元件144进行渐进转弯并从那里经由喷嘴132离开分离器112。提供支撑件146以将个别洗涤器元件144固定到分离器112的内部。个别洗涤器元件144可以经设定大小以便准许视需要通过常规通路开口来进行移除以及检查。虽然图9图示了六(6)组洗涤器元件144，但是同样可以根据必须通过给定分离器112洗涤的蒸汽量的需要而采用更少或更多数目。此外，优选的是，个别洗涤器元件144经定向使得(例如)人字形板片元件基本上竖直，因此任何所收集的湿气沿着板片向下延伸，这与其中板片实质上水平的人字形板片布置相反。后者将不是优选的，因为从蒸汽去除的任何水会具有位于板片上并且被向外冲且冲入饱和连接部132中的更大倾向，而这是不合需要的。
返回到图8，从功能角度来看，分离器112可以考虑沿着其高度具有几个区，每一区具有或限定有特定功能。在顶部处，二次汽/水分离区150是从蒸汽去除最终的湿气的区。包括洗涤器142的个别竖直洗涤器元件144的高度确定此区150的范围。在区150下方，夹带物分离区152涵盖从洗涤器142的底部到顶部级喷嘴122的区域，并且包含汽提器环140。切向喷嘴122所连接并且将汽/水混合物提供至分离器112中的区域可以限定为锅炉汽/水进入区154，并且是下一个下部区。
大部分蒸汽与水的分离在一次汽/水分离区156中进行，因为水朝下螺旋行进到分离器112的底部。在该区156下方的是在蒸汽发生器操作期间将基本上充满水(虽然是波动水位)的区域，并且此区表示限定正常水位操作范围的竖直分离器水位操作区。所述区具有几英尺的高度H，可能6英尺到30英尺，并且提供上部水位连接部164以及下部水位连接部166以用于仪表化，从而确保适当的分离器112操作。视需要在此区域中可提供排放喷嘴168。
在区158下方的是被称为给水注入区160的区域，并且所述区域包括其中将给水24引入到分离器112中以用于与经分离水136混合的区域。最后，下部涡流消除区162限定为在区160下方朝下到下降管14的区域，并且所述区域含有如上文所描述的任何涡流抑制器装置138。
还公开了用于改造现有HRSG的方法。所述方法包括从高压段移除蒸汽锅筒。所述方法进一步包括用如本文所描述的竖直蒸汽分离器替换蒸汽锅筒。任选地，也可以用竖直蒸汽分离器替换中压段和/或低压段中的蒸汽锅筒。
已经参考示例性实施例描述了本发明。显然，本领域的技术人员在阅读且理解前面的详细描述之后可以想到许多修改以及变化。希望本发明被解释为包含所有此类修改以及变化，只要它们落入所附权利要求书或其等效物的范围内。

Claims (28)

1.一种快速启动余热蒸汽发生器(HRSG)，其包括：
气体入口；
高压段，所述高压段包括高压汽水分离器以及与所述高压汽水分离器处于流体联通的多个高压蒸发器管；
任选的中压段，所述中压段包括中压汽水分离器以及与所述中压汽水分离器处于流体联通的多个中压蒸发器管；
任选的低压段，所述低压段包括低压汽水分离器以及与所述低压汽水分离器处于流体联通的多个低压蒸发器管；以及
气体出口；
其中所述高压汽水分离器、所述中压汽水分离器以及所述低压汽水分离器中的至少一者是竖直蒸汽分离器。
2.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，所述高压汽水分离器是竖直蒸汽分离器。
3.根据权利要求2所述的HRSG，其特征在于，所述中压汽水分离器以及所述低压汽水分离器均是竖直蒸汽分离器。
4.根据权利要求2所述的HRSG，其特征在于，所述中压汽水分离器以及所述低压汽水分离器均是蒸汽锅筒。
5.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，所述中压汽水分离器是所述竖直蒸汽分离器。
6.根据权利要求5所述的HRSG，其特征在于，所述高压汽水分离器以及所述低压汽水分离器均是蒸汽锅筒。
7.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，所述低压汽水分离器是所述竖直蒸汽分离器。
8.根据权利要求7所述的HRSG，其特征在于，所述高压汽水分离器以及所述中压汽水分离器均是蒸汽锅筒。
9.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，所述中压汽水分离器以及所述低压汽水分离器均是竖直蒸汽分离器。
10.根据权利要求9所述的HRSG，其特征在于，所述高压汽水分离器是蒸汽锅筒。
11.根据权利要求5所述的HRSG，其特征在于，所述高压汽水分离器是蒸汽锅筒。
12.根据权利要求7所述的HRSG，其特征在于，所述高压汽水分离器是蒸汽锅筒。
13.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，所述竖直蒸汽分离器包括：
具有顶部部分以及底部部分的竖直延伸圆筒形容器；
用于向所述容器提供汽/水混合物、以使所述汽/水混合物在所述分离器中涡旋从而使蒸汽与水在所述分离器中分离的装置；
用于从蒸汽中去除水的竖直定向洗涤器装置，所述洗涤器装置位于所述容器的所述顶部部分中并且围绕所述分离器的内部周边布置；
用于从所述容器传送饱和蒸汽的饱和蒸汽连接装置；
通过所述分离器的壁连接以用于向所述容器传送给水的给水供应装置；以及
用于传送所述给水和从来自所述容器的所述蒸汽分离出的水的装置。
14.根据权利要求13所述的HRSG，其特征在于，所述洗涤器装置包括竖直定向的个别洗涤器元件的阵列，所述洗涤器元件围绕所述分离器的所述内部周边布置、与所述分离器的所述壁的内表面间隔开，以便在其间形成基本上开放的环形区域。
15.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，所述竖直蒸汽分离器包括：
具有顶部部分以及底部部分的竖直延伸的圆筒形容器；
至少一级沿切线方向定向的喷嘴，所述喷嘴连接到所述容器的壁以用于向所述容器提供汽/水混合物，使所述汽/水混合物在所述分离器中涡旋从而使蒸汽与水在所述分离器中分离；
用于从蒸汽中去除水的竖直定向洗涤器装置，所述洗涤器装置位于所述容器的所述顶部部分中并且围绕所述分离器的内部周边布置；
用于从所述容器传送饱和蒸汽的饱和蒸汽连接装置；
经连接以用于向所述容器传送给水的给水供应装置；以及
用于传送所述给水和从来自所述容器的所述蒸汽分离出的水的装置。
16.根据权利要求15所述的HRSG，其特征在于，所述沿切线方向定向的喷嘴相对于水平方向以一定的角度朝下倾斜。
17.根据权利要求15所述的HRSG，其特征在于，所述竖直蒸汽分离器包括连接到所述容器的所述壁的多级倾斜的、沿切线方向定向的喷嘴，一级的所述喷嘴相对于相邻级的所述喷嘴错开，以避免由来自各级的所述喷嘴所传送的汽/水的射流之间的干扰。
18.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，所述竖直蒸汽分离器包括：
具有顶部部分以及底部部分的竖直延伸的圆筒形容器；
用于向所述容器提供汽/水混合物、以使所述汽/水混合物在所述分离器中涡旋从而使蒸汽与水在所述分离器中分离的装置；
用于从蒸汽中去除水的竖直定向的洗涤器装置，所述洗涤器装置位于所述容器的所述顶部部分中并且围绕所述分离器的内部周边布置；
汽提器环，所述汽提器环定位在所述容器内、在所述洗涤器装置下方且在至少一级沿切线方向定向的喷嘴上方，所述喷嘴连接到所述容器的壁以用于向所述容器提供汽/水混合物，使所述汽/水混合物在所述分离器中涡旋从而使蒸汽与水在所述分离器中分离；
用于从所述容器传送饱和蒸汽的饱和蒸汽连接装置；
经连接以用于向所述容器传送给水的给水供应装置；以及
用于传送所述给水和从来自所述容器的所述蒸汽分离出的水的装置。
19.根据权利要求18所述的HRSG，其特征在于，所述汽提器环具有邻接所述容器的内表面的实心环形部分以及在所述分离器的中心区域中的锥形带孔部分。
20.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，所述竖直蒸汽分离器包括：
具有顶部部分以及底部部分的竖直延伸的圆筒形容器；
用于向所述容器提供汽/水混合物、以使所述汽/水混合物在所述分离器中涡旋从而使蒸汽与水在所述分离器中分离的装置；
用于从蒸汽中去除水的竖直定向的洗涤器装置，所述洗涤器装置位于所述容器的所述顶部部分中并且围绕所述分离器的内部周边布置；
用于从所述容器传送饱和蒸汽的饱和蒸汽连接装置；
经连接以用于向所述容器传送给水的给水供应装置；
用于在所述给水以及水从所述容器被传送时减少所述给水以及水的旋转的涡流抑制器装置；以及
用于传送所述给水和从来自所述容器的所述蒸汽分离出的水的装置。
21.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，所述竖直蒸汽分离器构造成用于接收给水以及汽/水混合物、使所述蒸汽与所述水分离、从所述分离器传送所述经分离的蒸汽、以及混合所述给水与所述经分离的水并从所述分离器传送所述给水与所述经分离水，所述竖直蒸汽分离器包括：
竖直延伸的圆筒形容器，所述容器具有顶部部分以及底部部分，并且在其中限定多个区，所述区包含；
具有洗涤器装置的二次汽/水分离区，所述分离区用于从所述蒸汽去除最后一部分水；
位于所述洗涤器装置下方且在锅炉汽/水进入区上方的夹带物分离区，所述夹带物分离区经由多个倾斜的切向喷嘴将所述汽/水混合物提供至所述分离器中；
位于所述锅炉汽/水进入区下方的一次汽/水分离区，在所述一次汽/水分离区中，水朝下螺旋行进到所述分离器的所述底部；
位于所述一次汽/水分离区下方的竖直分离器水位操作区，所述竖直分离器水位操作区在锅炉操作期间将基本上充满具有波动水位的水；
位于所述竖直分离器水位区下方的给水注入区，在所述给水注入区中，所述给水被引入到所述分离器中以用于与所述经分离的水混合；以及
位于所述给水注入区下方的下部涡流消除区，所述涡流消除区用于在所述给水以及水从所述分离器传送时减少所述给水以及水的旋转。
22.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，从所述气体入口延伸到所述气体出口的流动路径是基本上水平的。
23.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，从所述气体入口延伸到所述气体出口的流动路径是基本上竖直的。
24.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，所述竖直蒸汽分离器经由多个切向上升管连接部流体地连接到所述高压蒸发器管上。
25.根据权利要求1所述的HRSG，其特征在于，所述竖直蒸汽分离器经由多个直式上升管连接部流体地连接到所述高压蒸发器管上。
26.一种改造HRSG的方法，所述方法包括：
从所述HRSG移除蒸汽锅筒；并且
用竖直蒸汽分离器替换所述蒸汽锅筒。
27.根据权利要求26所述的方法：
其特征在于，用一个或多个竖直蒸汽分离器替换选自由高压蒸汽锅筒、中压蒸汽锅筒以及低压蒸汽锅筒组成的群组的一个或多个蒸汽锅筒。
28.一种包括高压段、中压段以及低压段的快速启动余热蒸汽发生器；
其中，所述高压段包括：竖直蒸汽分离器；高压蒸发器，所述高压蒸发器经由顶端处的多个高压上升管以及经由底端处的高压再循环管线流体地连接到所述竖直蒸汽分离器；以及高压过热器，所述高压过热器经由高压干蒸汽管道流体地连接到所述竖直蒸汽分离器；
其中，所述中压段包括：中压蒸汽锅筒；中压省煤器，所述中压省煤器流体地连接到所述中压蒸汽锅筒；中压蒸发器，所述中压蒸发器经由中压上升管以及中压再循环管线流体地连接到所述中压蒸汽锅筒；以及中压过热器，所述中压过热器经由中压干蒸汽管道流体地连接到所述中压蒸汽锅筒；以及
其中，所述低压段包括：低压蒸汽锅筒；低压省煤器，所述低压省煤器流体地连接到所述低压蒸汽锅筒；低压蒸发器，所述低压蒸发器经由低压上升管以及低压再循环管线流体地连接到所述低压蒸汽锅筒；以及低压干蒸汽管道，所述低压干蒸汽管道从所述低压蒸汽锅筒延伸。
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