CN1073228C - 回热式蒸汽发生器的热交换器装置 - Google Patents

回热式蒸汽发生器的热交换器装置 Download PDF

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Abstract

一种管式热交换器装置，在该装置中使用了上入口和出口集管，通过多排细长的竖直走向的U型管使上述集管与至少三根下集管相连。U形管装在一个绝热外壳内的相邻管排和管列中，下集管数目量好为4-12根，每根下集管上定位有由4-20根竖直管组成的管排。这种热交换器装置由内部绝热的外壳包围着，它适于用作回热式蒸汽发生器(HRSG)中的省煤器和过热器。

Description

回热式蒸汽发生器的热交换器装置
本发明涉及用于回热式蒸汽发生器(HRSG)中的管式热交换器，更具体地说，涉及采用了与长平行集管相连的倒U型管的热交换器装置，这种装置在回热式蒸汽发生器中用作省煤器或过热器。
用在回热式蒸汽发生器中的省煤器或过热器的管式热交换器常采用由多根竖直走向的管连在一起的上下集管对，使热气，例如从气体涡轮排出的气体，能横向流过热交换器而加热在管内竖直流动的液体，从而产生加压蒸汽。现已公知这类热交换器有各种结构，例如在已公开的Haneda等人的美国专利4644067号，已公开的Kida1oski等人的美国专利4685426号，以及已公开的Motai等人的美国专利4944252号中都披露了这类热交换器。但是，采用上、下集管对的热交换器结构传热效率不高，而且成本昂贵，不符合要求，因此，人们力图改进这类热交换器的结构和设计。
本发明提供了一种管式热交换器装置和具有改进的集管及管构件的组装件，该装置尤其可用于回热式蒸汽发生器(HRSG)中的省煤器或过热器。该热交换器装置至少使用了两根长的平行集管，上述集管的走向彼此大致平行，并具有分别与第一集管和最后一根集管相通的入口和出口。相邻的集管由至少三排竖直走向的倒U型管连接在一起，这些集管由适当的构件从下面支承着。该热交换器装置由绝热对壳包围着，因而形成一个组装件。
通常在另一种更好的热交换装置的结构中，还装有两根上入口及出口集管，每根集管通过多排竖直走向的U形管与至少两根下集管相连，至少在两排相邻的管中装有这种U形管。最好采用四至十二根相邻的下集管，上述相邻的下集管由装在至少四排而通常为六至二十排相邻管中的多排倒U型管连接在一起。
本发明的管式热交换器装及绝热外壳有助于提供在回热式蒸汽发生器(HRSG)中适于用作省煤器或过热器的热交换器组件。这种热交换装置及组件对于在竖直管中流动的水或水蒸汽之类的流体传热均匀且能增大流体在管内流动的速度以改善热传输。
下面结合附图对本发明进行详细描述。其中：
图1为本发明的管式热交换器装置和组件的一个实施例的平面图，该装置适合用于回热式蒸汽发生器(HRSG)中；
图2为沿图1中2-2线截断一排竖直走向的，包括上、下集管的管路正截面图；
图3为沿图1中3-3线截断相邻一排竖直走向的管路的另一正截面图，上述管的下集管具有从下面支承的结构；
图4为与图1类似的管式热交换器组件的平面图，但该组件包括一个第二部件，此部件的集管位于靠近第一部件集管的一端，并与第一部件集管对准，每一部件都有分开的入口管道和出口管道；
图5为与图2和图3相似的管式热交换器细部放大正视图，图中示出了上和下外壳以及支承构件。
如图1所示，回热式热交换器装置10包括号入口上集管12相通的入口管道11，入口上集管通过多排竖走向管13与下集管14相连。下集管14通过多排竖直走的U形管15与相邻的平行集管16相连。图1中示出了四根相邻的下集管14,16,18和20，这些下集管通过多排U形竖直管15,17,19和21连在一起，此外，如图2和图3所示，对每根集管而言，这些U形管都排成一列。最后一排管21与一根出口上集管22相连，该集管又与出口管道23相通。显然，如图2和图3所示，四根下集管14-20连通在一起，并通过另外几排平行的、竖直走向管与入口上集管和出口上集管相连。可根据具体设备的空间范围或限制将入口管道11和出口管道23安排在沿集管长度方向的任何位置上，以使它们与各集管相通。热气流30，例如从气体涡轮中排出的已燃气，能横向流过热交换器管排或管列，将热量传给在多排管内流动的流体，例如传给已增压的水或水蒸汽。
热交换器装置10的各个集管和各个管道均被包围在外壳32中，该外壳是内部绝热的，以33表示，通常其横截面为矩形。下集管14-20由横梁34支承，该横梁沿集管长度方向留有间隔，横梁内部可以嵌入绝热层33。
在本发明的热交换器装置10的另一种使用结构中，可以省去上入口集管12和上出口集管22，而将入口及出口管道24和26分别直接与第一下集管14和最后一个下集管20相连，如图2和图3中虚线所示。这种结构与图3中所示的结构相似，也用一个绝热外壳32将热交换器装置包围，每根下集管14-20也由横梁34支承着。
本发明所提供的用于热交换器装置的集管和U形管结构能确保把热气流的热量均匀地传给管内流动的流体(水或水蒸汽)，而且还能增加管内流体的流速，大大减少回热式蒸汽发生器(HRSG)中特殊热负荷所需要的传热表面积，其减少量可高达5％。
本发明对于回热式蒸汽发生器(HRSG)的加热是使用加热省煤器装置中具有一定压力的水，及加热过热器装置中的蒸汽来实现的。上述管的外径为近似25.4到76.2mm(1-3英寸)，长约6.1到18.3m(20-60英尺)。每根管的各端紧紧地压入上集管和/或下集管中，然后再焊接，因而在每根集管中形成邻近的管排及与相邻集管相连的管列。每根集管的外径为近似76.2到152.4mm(3-6英寸)，长为约1.8到4.3m(6-14英尺)，其尺寸视具体回热式发生器设备的需要而定。相邻的下集管和它们的连管在气流方向上所要求的间隔是约102到254mm(4-10英寸)，相邻管之间在平行于集管并与气流方向垂直的方向上所要求的间隔是约102到254mm(4-10英寸)。横过管排的已燃气的表面速度可以为近似6.1到15.2m/s(20-50英尺/秒)，温度为93到871℃(200-1600°F)热交换管内流体的压力可以为2.4×103到1.3×105Ns/m2(5-2700磅/英寸2)。
本发明中所用的下集管数和管排数可根据从热废气中所得到的热量而定。在实际应用中，至少采用两根但不超过十二根下集管和与之相连的管排，而装有十二根集管的热交换器装置通常是具有最大传递尺寸极限。如果需要还可在一个外壳中平行对中地装入两个或更多个热交换器装置10，可以将这些装置安排成让热气流30前后顺序地流过它们。
如图4所示，在又一种结构中，将两个热交换器装置10和10a装在一个公共外壳40中，该外壳具有内部绝热层，以41来表示。第二个热交换器装置10a的集管14a和20a位于靠近热交换器10a的集管的一端，并与热交换器10的集管14-20对准。虽然图4中没有示出，但第二热交换器装置10a的支承方式与图3所示相似。
图5更详细地示出热交换器10，该装置中每根下集管14-20均由水平工字横梁34支承着，上述各横梁依次由位于外壳32下侧外部的横梁36支承上。在下集管14-20与外壳32下侧之间装有绝热材料层33，在上集管12,22与外壳32上侧之间也装有绝热材料层33。内部绝热材料33可以是一种硬质耐高温材料，或者最好是一种用薄金属内衬33a，例如不锈钢，来保护陶瓷纤维材料层，因而在热气流30流过时能可靠地维持纤维层的绝热效果。外壳32和钢梁构件36可以使用任何传统的支承方式，例如可以固定到加强的混凝土构件38上。通常排放连管39由每根下集管14-20引出。
在回热式蒸汽发生器中的热交换装置10运行期间，热燃烧气30流过长形绝热外壳32，并以近似9.1到15.2m/s(30-50英尺/秒)的表面速度横向流过管道，因而加热了在管内流动的如水和蒸汽之类的流体。对于长度超过约3m(10英尺)的管子通常采用紧贴着的防震支承件或拉杆42，因而能可靠地阻止其横向振动，上述防震支承件顺相邻管之间延伸并紧配在管周围。若管长超过约9.1m(30英尺)，最好采用沿管长方向相隔约2.4到3m(8-10英尺)的两根拉杆42。
根据所需求的工作温度和压力，管道和集管通常可用碳钢或合金钢制成，并将金属管压入热交换器装置的上、下集管中焊接而成。
本发明所提供的管式热交换器装置可方便地用作回热式蒸汽锅炉或蒸汽发生器中的省煤器或过热装置，该装置中设置了多排热性能相同的管道，因而能使气流混合均匀而且所需的传热面积最小，此外，管内温度趋于平衡，热应力也能减至最小。
下面用一个典型实例进一步描述本发明，但不应将该例看作是对本发明范围的限制。
实例
按照本发明所构成的回热式蒸汽发生器(HRSG)的热交换器装置具有装在内部绝热的矩形外壳中与竖直走向的管排和管列相连的上集管和下集管。通常如图2和图3所示，将上述金属管道压入上集管和下集管的进、出口中，然后进行焊接。已燃烧的热气，例如从在带有或不带有辅助燃烧器的气体涡轮中燃烧的天然气、燃料气或油中所得到的热气可以横向流过上述多排和多列管道。对省煤器而言，可以将具有压力的水送入管道的上集管，再将经热气加热的水从最后的上集管中排出。可以使已加热的水再流过其他热交换器装置，如过热器，在该装置中，使增压蒸汽通过集管和管道并使之被热气加热。然后，使过热蒸汽在高压涡轮机中膨胀以用于发电。
表1中给出了用作省煤器或过热器的热交换器装置的一些重要特征和尺寸：
    集管和管特性
省煤器 过热器
集管外径，英寸(mm) 4(102) 4(102)
集管长度，英尺(m) 10(3.0) 10(3.0)
管外径，英寸(mm) 2.0(51) 2(51)
管长度，英尺(m) 50(15.2) 50(15.2)
相邻下集管间的间隔，英寸(mm) 5(127) 5(127)
相邻管之间沿气流方向上的间隔，英寸(mm) 5(127) 5(127)
相邻管之间在垂直气流方向上的间隔，英寸(mm) 5(127) 5(127)
热气入口温度，°F(℃) 600(316) 1100(593)
已燃气体表面温度，英尺/秒(m/s) 30-40(9.1-12.2) 30-40(9.1-12.2)
管内压力，磅/英寸2(Ns/m2) 1500(7.2×104) 1500(7.2×104)
流体入口温度，°F(℃) 230(110) 1000(538)
流体出口温度，°F(℃) 575(302) 1200(649)
虽然通过一个优选实施例对本发明作了大致描述，但应认识到在不超出下面权利要求所限定范围的情况下可以对本发明作出各种改型和变化。

Claims (10)

1．一种用于将热气的热量传给在装置的管内流动的冷液体的管式热交换器装置(10)，它包括至少三根相邻且彼此平行走向的中间长集管(14,16,18,20)，每一根中间集管经多排细长竖直走向的U形管(15,17,19)与相邻中间集管相连，以提供流体流过装置的流道，在每根集管上，上述U形管的各臂部分均对准成一列，至少有四排平行的U形管，每排U形管横向定位于中间集管(14,16,18,20)上，在上述每根集管上，上述各U形管的竖直臂部分均对准成一列，使每排的U形管相对于相邻排的U形管交错排列；以及入口管道构件(11)和出口管道构件(23)，上述中间集管(14,16,18,20)是设置于U形管(13)下方的下集管，其特征在于，在所述中间集管的(14,16,18,20)上方设置一上入口集管(12)和一上出口集管(22)，入口管道构件(11)和出口管道构件(23)分别与上述入口集管(12)和出口集管(22)连通，竖直走向管(13)连接上入口集管(12)和第一中间集管(14)，而另有竖直走向管(21)连接最后一根中间集管(20)和上出口集管(22)。
2．如权利要求1所述的热交换器装置，其中上述管外径为25.4-76.2mm，集管外径为76.2-152.4mm，管长为6096-18288mm。
3．如权利要求1所述的热交换器装置，其中每根U形管(15,17,19)的各竖直臂部分的外径基本相等，在每排管中的间隔大致相等。
4．如权利要求2所述的热交换器装置，其中每根U形管(15,17,19)的各竖直臂部分的外径基本相等，在每排管中的间隔大致相等。
5．一种热交换器，其包括如前述权利要求之一所述的热交换器装置，热交换器装置放置在外壳(32)中，所述外壳具有内部绝热层(33)、用于支承上述中间集管(14,16,18,20)并包围集管(14,16,18,20)和U形管(15,17,19)和竖直走向管(13,21)以便提供一个热交换器组件。
6．如权利要求5所述的热交换器，其特征在于，上述外壳(32)具有矩形横截面。
7．如权利要求5所述的热交换器，其特征在于，上述内部绝热层(33)是用薄金属衬保护着的陶瓷纤维材料层。
8．如权利要求6所述的热交换器，其特征在于，上述内部绝热层(33)是用薄金属衬保护着的陶瓷纤维材料层。
9．如权利要求5所述的热交换器，其特征在于，装有第二换热器装置，该装置的集管靠近上述第一集管一端且与第一集管对准。
10．如权利要求4所述的一种热交换器，与至少另一个热交换器组合在一起，其特征在于，在一个矩形绝热外壳(32)中气流先后流过热交换器。
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