CN1083573A - 蒸汽锅炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种关于燃烧化石燃料的蒸汽锅炉 1，其烟气通道是由总体上垂直布置的管子4组成的 水冷壁围成的，管子之间为气体密封联接，工质在管 内自下向上流动。对于此种锅炉在结构上进行了如 此创造性布置：烟气通道第一区间5的水冷壁管4的 内径大于位于其上的第二区间7内的水冷壁管4的 内径。采取此种措施，一方面保证了水冷壁管4的充 分冷却，另一方面避免了高热负荷时在管4的出口处 出现不能允许的管间温差。

Description

本发明涉及一种燃烧化石燃料的蒸汽锅炉。这种锅炉烟道的周围壁面是由相互间不透气连接的管子构成的所谓膜式壁结构，管子总体上为垂直布置，工质在管内平行地自下而上流动。
水冷壁面的受热强度通常不是处处相同的，一般在布置有一定数量燃烧器的炉膛下部受热强度较上部高，其原因还在于，在炉膛上部空间通常还布置有其它换热面，这些换热面阻碍了水冷壁面与烟气之间过于强烈的热交换，尤其是减弱了辐射换热的强度。
对于欧洲专利号为0054601的蒸汽锅炉，只有垂直烟道下面部分的水冷壁面才用作蒸发受热面，其中产生的蒸汽、或者部分热负荷时产生的汽水混和物接着流入后面相连的对流蒸发器内。烟道上面部分的水冷壁由用作过热器受热面的管子构成。由于只有部分水冷壁面用作蒸发受热面，所以在较高热负荷情况下各个管子出口处的温差相对较小。因为蒸发受热面的吸热量小，所以便进入后面对流蒸发器束内汽水混合物分配不均匀的现象可以得到控制。因为上部的水冷壁管是由压力约为280～320巴的过热蒸汽束冷却，所以这部分水冷壁使用含铬高的管材，并且在制造过程中需采取复杂的热处理措施。此外，这种布置方式需要有与对流蒸发器连通的管道和出入口联箱，投资很大，而且对流烟道调节方面的花费较高，尤其是采用烟气调节通道时更是如此。此种布置方式在VGB电站技术资料1991年第7期637-643页中有所介绍。
对于水冷壁管子螺旋布置的直流锅炉，管内工质的质量流率通常为2500Kg/m2s左右，通过增大垂直烟气通道上部管子的内径可降低高热负荷情况下出口处管间工质温差。然而这种原理不适用管子垂直布置的水冷壁结构，原因是表征管内工质流速的质量流率本来就比较低，再进一步降低将导致在临界点附近的蒸汽压下难以保证对管壁进行有效地冷却。此外困难还在于，一方面管壁冷却要求高质量流率，另一方面质量流率将导致管子间温差增大。如在湿蒸汽区布置中间联箱，则存在着由于汽水分层使汽水分配不均的危险，因此在中间联箱后面的管排中会出现较大的温差。
因此本发明的任务在于，进一步设计一种上述类型的蒸汽锅炉：使水冷壁管既可得到充分冷却，管间温差又可在高热负荷时控制在允许的范围之内。而所有这些又应该在低投资条件下完成。
这一任务是通过采用改变水冷壁管内径的方法创造性地完成的，即：炉膛下部第一区间的管子内径大于其上面第二区间的管子内径。
炉膛下部第一区间，后面又称之为水冷壁的第一段，位于燃烧器区域。该区间热流密度很高，管内传热较好。炉膛上部的第二区间，后面又称之为水冷壁第二段，位于和燃烧器区域相连的所谓气体辐射空间，该区间热流密度也很高，但管内传热较差。
为加强管内传热，水冷壁第一段是由垂直布置的内部加肋的管子组成的，管内平均质量流率在满负荷时以低于1000Kg/m2s为宜，以此为根据选择管子的尺寸。在负荷为40%左右时，第一段出口处工质的蒸汽含量在0.8～0.95之间。在此前提下，管内工质流动状况可控制在一个合适的范围内，使得在高热负荷强度时，管内质量流率增加，保证管子出口处只有极小的温差。
在水冷壁的第二段，根据运行状态，可能发生传热危机，即所谓的“干涸”现象。为避免传热恶化使管子的壁温升到不能允许的温度，管内工质流率必须提高到1000Kg/m2s以上。因此在保持管子数目或管子分布不变的情况下，管内径在第一与第二段连接处变细。管内径缩小，可保证在高热负荷强度时，第二段水冷壁管仍能得到足够冷却。
第二段的小内径管与第一段的大内径管直接相连接，这样二者之间可以直接进行过渡。对水冷壁第二段的管子来说，至少其上游管段也应采用内加肋管。
在受热的蒸发器并联管路系统中，由于高蒸汽流速的摩擦损失，将在管子出入口之间产生一压降。高的摩擦压降或者使受热较强的管子的质量流率下降，或者相对于受热强度的增加来说是质量流率上升较少。如果在某一区域安装一个压力平衡器，在平衡器内因蒸发汽化而产生较高的摩擦压降，使得平衡器前的系统可以较为理想地适应加热不同的情况，即高热流密度产生与其相应的高质量流率。
因此，比较合适的布置是在炉膛下部第一区间的上半部，比如在第一段到第二段的过渡附近，在每根管上安装一个压力平衡器，这些压力平衡管连接到一个或数个安装在炉膛外面的压力平衡器上。通过压力平衡，使两个区段管内的工质流动状态尽可能互不影响，这样在第二段内因高质量流率造成的较高的摩擦压降就不致于对第一段内适宜的流动状态产生影响。因此也不会在高热负荷时在第一段出口处沿管截面出现温度偏差。通过管子从第一段到第二段的直接过渡，肯定可以避免在湿蒸汽区出现汽水分离。
对于象单烟气通道结构的高烟气通道蒸汽锅炉，通道上部第三区间的管子内径比第二区间的管子内径大。通道第三区间在后面又称之谓水冷壁第三段，此区间内热流密度较低，管内传热适中，位于通常所说的对流烟道区。
在从第二段到第三段的过渡段，由于热流密度较第二段低，为减小管内工质流动的摩擦压力损失，所以工质质量流率又重新降低。在第三段管子可以不用内肋管。
在垂直烟气通道内，由于热流密度随高度上升不断下降，所以在第三区间，即水冷壁第三段，管子数目为第二区间水冷壁第二段的一半就已够用。通过将第二段的每两根管子联接到第三段的一根管子上，可使第三段管子数目为前段的一半。
该发明的实施例可根据下面的图进行详细说明。
图1是具有三段烟道结构的蒸汽锅炉示意图。
图2是图1中剖面Ⅱ处不同区域管内径变化部分的放大图。
在两个图中，各相关部分符号是相同的。
如图1所示，锅炉1的垂直烟气通道具有矩形截面，四周由水冷壁2组成，底部呈漏斗形，由底部壁面3围成，最下面有一图中未详细示出的排渣口3a。水冷壁2的管子4之间沿长度焊有鳍片9以起到密封作用（图2）。
在炉膛下部第一区间5，即水冷壁2的第一段上开有四个孔，每个孔上安装一台燃烧化石燃料的燃烧器。在开孔6处管子4弯曲沿水冷壁外侧布置。用同样的方式可以处理其它开孔，如空气喷咀、烟气喷咀等的开孔。
在烟气通道下部第一区间5之上是第二区间7，即水冷壁2的第二段，再往上是第三区间，或叫上部区间，即水冷壁2的第三段。
位于燃烧器区域的第一段5处，热流密度很高，管4内的传热较好。第二段7位于炉膛的辐射空间，热流密度较高，但是管内传热变差。第三段位于对流烟道，此处热流密度较小，管内传热适中。尤其在单烟道结构的蒸汽锅炉中通常都具有第三区段。
水或汽水混合物在水冷壁管4内自下向上流动。管子的入口端与入口联箱11相连，出口端与出口联箱12相连。出入口联箱均安装在炉膛外面，都是用环形管制成的。
入口联箱11通过管道13和联箱14与高压加热器或者煤器15的出口相连。省煤器受热面15布置在水冷壁2的第三段8围成的空间内。在蒸汽锅炉1运行时，省煤器15的入口通过联箱16与汽轮机的水汽循环系统相连通。
水冷壁出口联箱12通过汽水分离器17和管道18与过热器19相连接。过热器19布置在水冷壁第二段7围成的区间内。运行时，过热器19通过出口联箱20与汽轮机的高压缸相连通。在水冷壁第二段围成的区域内，除过热器外，还布置有再热器21，其通过联箱22和23连接在汽轮机的高压缸与中压缸之间。汽水分离器17分离下来的水由管道24排出。
在水冷壁2第一段5到第二段7的过渡区25处的炉膛外侧，布置有用环形管制成的压力平衡器26。
从图2中可见，通过水冷壁第一及第二段5、7的每一根管子4都经压力平衡管27与压力平衡器26相连通。
在区间25，即水冷壁管4从第一区段5到第二区段7的过渡区，管内径变细，换言之：第一区间5内的管子内径大于第二区间7内的管子内径。在此处，具有较小内径d2的管子要直接联在内径较粗d1的管子上，就是说管子4在区间25要有一过渡段。管4在第一区段5内有图中未详细标明的螺旋状管内肋，管内径根据在满负荷时管内平均质量流率小于或等于1000Kg/m2s的原则来确定。管4在第二段7内的平均质量流率大于1000Kg/m2s。
在水冷壁2的上区段即第三区段8，管4的内径重新变粗，即第三区段8内的管子内径大于第二区段7内的管子内径。在第二区段7内管4沿全长均有螺纹状内肋，而在第三段8内，只在一段管长内敷有螺纹状内肋，其余部分则有目的地避免使用内加筋。
水冷壁上部第三段8内的管子数目仅有第二段7内数目的一半，因此，第二段7的每两根管子要在区间30并到在第三段8上分配给它们的一根管子上（图1）。
如图2所示，在5、7、8段可选用基本相同的管壁厚度，这样，管4在第一段5和第二段7的外径是不同的，好与内径d1d2相适应。当然也可以选择管子外径在5、7、8三段都相同，这样管壁在中间第二段7就比在第一段5和在第三区段8为厚。如前所述，为起到烟气密封作用，管子4之间沿长度均用鳍片联接。
通过调整水冷壁2沿高度在不同段5、7、8或在锅炉1的不同区间内管子4的内径d1、d2，使管子4的尺寸与烟气通道中各处不同的加热强度相匹配。这样一方面可保证管子得到充分冷却，另一方面可保证在高热负荷时也不致于在管子出口处出现不能允许的管间温差。

Claims (10)

1、一种燃烧化石燃料的蒸汽锅炉，其烟道周围壁面是由总体上垂直布置的管子组成的膜式壁，管子之间为气体密封目的互相焊在一起，工质在管内自下向上流动，其特征是：烟气通道下部第一区间(5)的管子(4)的内径大于位于其上的第二区间(7)的管内径。
2、根据权利要求1的锅炉，其特征是，具有较小内径（d2）的管子（4）直接联接在具有较大内径（d1）的管子（4）上，或向其过渡。
3、根据权利要求1或2的锅炉，其特征是，每根水冷壁管（4）都通过一根压力平衡管（27）与布置在炉膛外面的压力平衡器（26）相连通。
4、根据权利要求3的锅炉，其特征是，压力平衡管（27）安装在第一区间（5）的上半段，更可取的是安装在上三分之一段，比如安装在烟气通道的第一区间（5）与第二区间（7）的过渡区（25）。
5、根据权利要求1-4的锅炉，其特征是，烟气通道第一区间（5）内的水冷壁管（4）采用了螺纹状内肋管。
6、根据权利要求1-5的锅炉，其特征是，烟气通道第二区间（7）内的水冷壁管（4）的全长中至少有一段采用了螺纹状内肋管。
7、根据权利要求1-6的锅炉，其特征是，烟气通道第一区间（5）内水冷壁管（4）内平均工质量流率在满负荷时小于或等于1000Kg/m2s。
8、根据权利要求1的锅炉，其特征是，烟气通道第三区间（8）的水冷壁管（4）的内径大于位于其下的第二区间（7）的管内径。
9、根据权利要求8的锅炉，其特征是，第三区间（8）的大内径水冷壁管（4）直接联接到第二区间（7）的小内径水冷壁管（4）上;或向其过渡。
10、根据权利要求8或9的锅炉，其特征是，烟气通道第三区间（8）内水冷壁管（4）的数目仅为第二区间（7）内水冷壁管（4）数目的一半，第二区间7的每两根管并到第三区间8内分配给它们的一根管子上。
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