CN1138943C - 强制循环锅炉的操纵方法及实施该方法的锅炉 - Google Patents

Abstract

锅炉至少包括一个第一换热器(10)，换热器(10)的入口与供水管线(18)连接，出口或通过第一调节器(30)直接与汽轮机连接，或通过第二换热器(12)与汽轮机连接。在启动阶段，调节阀(30)关闭，并且只要第一换热器(10)出口的流体为水和蒸汽的混合物，就通过冷凝把所有的蒸汽转化为水，当第一蒸发器出口的流体为纯蒸汽时，则打开调节阀(30)。

Description

强制循环锅炉的操纵方法 及实施该方法的锅炉

本发明涉及一强制循环锅炉，特别是汽轮机锅炉的操纵方法，所述锅炉至少包括一个第一换热器，该换热器的入口与一条供水管连接，出口通过一个调节阀，或者与第二换热器连接，第二换热器的出口与蒸汽轮机连接，或者直接与蒸汽轮机连接。本发明还涉及使用这种方法的锅炉。

本发明还特别针对(但不仅限于此)火力发电厂中给涡轮机提供蒸汽的锅炉。实际上，这些发电厂包括产生高压蒸汽的锅炉，高压蒸汽使汽轮机转动，从而带动发电机。

可以用燃烧矿物燃料或工业燃料的燃烧器加热锅炉。锅炉还可以是用于热电厂的回收锅炉，称为组合循环。在这类电厂中，燃料(例如天然气或燃料油)在一个带动发电机的燃气轮机中燃烧。燃气轮机释放出的体积巨大、又富含热能的气体被回收到所谓的回收锅炉中，以产生高压蒸汽，这种高压蒸汽通过汽轮机带动发电机。

锅炉中产出的蒸汽也用作其它用途，而不带动汽轮机。

这些锅炉总是包括一些在热的气体流中水平或垂直安放的换热器，作为(水)蒸发器或(蒸汽)过热器进行工作。可以根据锅炉的加热类型、布置、工作原理等把锅炉分为多种类型。

在一种称作自然循环的锅炉中，水在蒸发器中逐渐转变为蒸汽，在蒸发器中，水和水/蒸汽混合物通过互相之间的密度差进行循环。蒸发器之后是一个过热器，蒸发器中产生的蒸汽在过热器中加热到所需的温度。假设工作原理建立在一定温度和压力下水和蒸汽密度差的基础上，则当这种密度差太小，即压力增加时，这些锅炉就不能工作。这种工作原理只有在压力小于150-160巴时才能工作。

辅助循环锅炉也包括几个换热器，但在这种锅炉中水和蒸汽在外力、例如泵的作用下进行循环。辅助循环锅炉可以在比天然循环高的压力下工作，但是当压力特别接近221.2巴的临界压力时，锅炉不能再有效地分离水和蒸汽，以使装置正常工作，因此，辅助循环原理限制在压力低于180巴左右。

还需要指出的是，无论是天然循环锅炉还是辅助循环锅炉，在蒸发器和过热器之间都有一个分离蒸汽和水所必需的分离器或分离球，因为过热器，特别是涡轮机只与蒸汽工作。在这种分离器中，水借助重力与蒸汽分离，并重新送入蒸发器，因而水在蒸发器中有多个通道。

如果从压力的观点看，这两类锅炉都有局限性，相反，人们知道，蒸汽的压力越高，汽轮机的效率也越高。这就是为什么多数传统的热电厂都使用所谓的强制循环，或常常称作单流循环(once through)的锅炉，实际上“单流循环”这个词更好地描述了这类锅炉，因为水在锅炉中被加热、转变成蒸汽，以至最后过热，而在锅炉中只有一个通道。这里不同类型的换热器没有明确的不同。锅炉可以只有一个换热器，水从一侧进入，过热蒸汽从另一侧流出，而不出现内部回路。

组合循环电厂目前的趋势是增加燃气轮机的功率，提高烟气排放的温度，以及采取热回收锅炉强制循环方式的通道。因而有可能产生压力非常高的蒸汽，其中包括超临界压力。

文献DE4303613AL描述了一种包括一个蒸汽-液态水分离器的强制循环锅炉，当锅炉启动和稳定运行时，该分离器从蒸发器出来的二相流体中分离出蒸汽，以使蒸汽通过过热器流向涡轮机。

这种方法的特殊之处在于，即使在锅炉正常运行时，也使用一个汽-液体分离器，因此，锅炉可以在低状态，也就是辅助循环的状态下运行。

文献JP02016119描述了一种“单流式”强制循环锅炉，装置启动时，这种锅炉用一个分离球从锅炉蒸发器出来的二相混合物中分离出蒸汽相和液体水相。蒸汽根据所达到的压力，或者被冷凝，或者排向涡轮机。

文献US3292372描述了一种强制循环锅炉，在这种锅炉中，用一个装在锅炉沸腾器入口处的分离装置从液相(水)中分离出汽相。在汽相被送往过热器时，液相直接或间接循环到锅炉的入口。

最后，文献US3135096描述了一种“单流式”强制循环锅炉，这种锅炉包括两个汽-液分离器，在分离器中，水和蒸汽借助于重力进行分离。第一分离器(未示)置于蒸发器之后，以便通过蒸发器入口处的混合器使未汽化的水再循环，并使另一部分流体流向锅炉的过热器。

第二个汽-水/液分离器与装置的涡轮机并联安装，并且原则上只有在装置启动时才使用。该分离器分离从过热器出来的液相(水)和汽相。

液相(水)通往一个冷凝器，汽相通过三个调节器和压力控制器或者通往一个除气机，或者通过一个换热器通往该除气机，或通往一个冷凝器，然后返回到锅炉节能器的入口处。

如果在稳定运行时这些强制循环锅炉能够通过分离器，则在启动阶段它们就不能通过分离器，因为由于调节部件，如减压阀不能在蒸汽和水的混合物组成的二相流体下工作，启动阶段总是有水和蒸汽的分离器。

在启动阶段，水经过换热器的第一部分，直到分离器，水和蒸汽在分离器中借助重力进行分离。分离器排出的水送往一个冷凝器或另一个储罐，而蒸汽则通过换热器的第二部分，以使蒸汽过热。在此启动阶段，分离器处于湿运行。

随着温度和压力的增加，分离器得到的水越来越少，到启动阶段结束时，分离器得到的只是蒸汽，并成为一个无用部件。因此说分离器处于干运行，并在稳定运行期间保持这种状态。

分离器是一个承受高温、高压的储罐，因此是一个昂贵的部件。另外，由于壁厚太大，而引入了运行应力。在平稳运行时，它不仅是多余的，并且造成水/蒸汽一侧的负载损失，因而降低装置的效率。

本发明的目的是提供一种强制循环锅炉的新操纵方法以及实施该方法的取消分离器的锅炉。

为了达到这一目的，本发明提供所述强制循环锅炉的操纵方法，其特征在于：在启动阶段，所述调节阀(30)关闭；只要离开第一换热器(10)的流体是水和蒸汽混合物组成的二相流体，则通过冷凝将这种两相流体转变为水，而不需要从所述二相流体中预先分离出气相和液相，通过所述二相流体与供水的混合，导致第一换热器(10)出口处的冷凝，冷凝所述二相流体所需的供水量根据流出管线(24)和旁路管线(38)连接点下游的流体温度(42)进行调整，使得在启动阶段，该温度保持低于饱和温度；如果离开第一换热器的流体为纯蒸汽，则逐渐打开调节阀(30)。

第一换热器出口处蒸汽的冷凝通过二相流体混合物加供水来实现。这样得到的冷凝水送往冷凝器，因而实现再循环。

根据本发明所述的方法，水和蒸汽之间不再有分离，因而可以取消分离器。根据本发明，只要没有纯蒸汽，就把所有的蒸汽都转化为水，并且阻止混合物在第二个换热器或涡轮机中流动。因此，调节元件(如减压阀)始终处于液态介质中。

取消分离器或启动球不仅减少了投资，还消除了与分离器有关的热梯度应力。根据本发明建立的方法还可以更加快速地启动，并减少稳定运行时水/蒸汽侧的负载损失。

本发明还提供了一种强制循环锅炉，特别是用于汽轮机的锅炉，这种锅炉至少包括第一个换热器(10)，所述换热器(10)的入口与一供水管线(18)连接，且其出口通过第一调节阀(30)要么直接与汽轮机连接，要么通过第二换热器(12)与汽轮机连接，其特征在于：第一换热器(10)的出口通过在第一换热器(10)的流入管线(18)和流出管线(24)之间的旁路管线(38)与供水管线(18)连接，所述旁路管线(38)包括第二调节阀(40)，以便在启动阶段使一水量受控的“冷”水与第一换热器(10)产生的二相流体混合；而且，根据所述流出管线(24)和所述旁路管线(38)连接点下游管线(24)的温度(42)，调整第二调节阀(40)，使得在启动阶段，该温度保持低于饱和温度。

通过下面参照附图描述的实施例，本发明的其它特征将得到更好的说明，附图是本发明强制循环锅炉的示意图。

图中概括表示的锅炉是一个组合循环电厂中燃气轮机下游的回收锅炉。利用几次转换，它可以用燃烧器运行。

在本例中，锅炉由两个串联的换热器、即蒸发器10和最终过热器12组成，稳定运行时，蒸发器10产生稍微过热的蒸汽，最终过热器12用来把蒸发器10产生的蒸汽加热到所需的温度。两个换热器10和12都用传统的方法，即管子组成，可以有散热片，也可以没有散热片，图中水平安放，箭头14所示为燃气轮机排放气体组成的热气流动方向。

泵16通过供水管线18给蒸发器供水。在流量计22的控制下，管线18的流量通过流量调节阀20进行调节。

在压力计28的控制下，蒸发器10的出口通过出口管线24和减压阀26与一个图中未示的冷凝器连接，减压阀26控制并调节蒸发器管线中的压力。

蒸发器10的出口还通过调节阀30与过热器12的入口连接。过热器12的出口通过流出管线32与图中未示的冷凝器和汽轮机连接。在启动阶段，过热器管线中的压力由压力计36控制下的减压阀34控制，平稳运行时由汽轮机控制。

本发明所述锅炉管线的特征之一是蒸发器的流入管线18和流出管线24之间有一个旁路管线38，在锅炉启动阶段，它可以使一定量的“冷”水与蒸发器产生的二相混合物混合。管线38中的流量由调节阀40调节，调节阀40的控制由测量管线38下游温度的温度计42进行。

现在描述图中所示锅炉的运行。在燃气轮机启动之前，给蒸发器增压到与涡轮机的气体温度相容的压力。该压力通过减压阀26进行控制，可以低于额定压力(如100巴)。泵16提供一个最小流量(例如30％)，由阀20进行调节，并通过减压阀26返回到冷凝器。此时，调节阀30关闭，过热器12隔离在蒸发器的线路之外。

然后燃气轮机启动并稳定在一定负载上，在该负载下，排气温度或者高于蒸发器10中的饱和温度100℃左右，或对于选定的压力为400℃。

蒸发器10出口A点水的温度迅速上升，直至达到饱和温度，然后稳定在蒸发水平。当该温度几乎到达B点时，温度计42操纵阀40逐渐打开，使一定流量的“冷”水流向管线24，使温度低于饱和压力(例如300℃)。这样，由于这部分“冷”水，蒸发器中从饱和温度起形成的蒸汽转变成水，因此，减压阀26的入口始终处于水中(有水/蒸汽混合物就不能工作)，因而保持调节能力。

随着不断汽化，蒸汽比例增加，蒸发器10出口处水的比例降低。结果，在温度计42的控制下，阀40进一步打开，使冷凝所有蒸汽所需的水量进入，并使B点的温度保持在饱和温度以下。这种状态一直持续到蒸发器的出口处不再有水。从此时起，由于蒸汽过热，温度重新升高。因此，很容易通过A点温度升高辨认出蒸发器的出口没有水。用这种检测逐渐打开阀30，以便使蒸汽转向过热器12，并逐渐关闭阀40和减压阀26。

现在蒸汽在换热器12中过热到所需的温度，过热器12的压力通过减压阀34进行控制。当调节阀30完全打开或通过旁路短路时，全部流量通过两个换热器，这就结束了启动阶段，开始稳定运行。

从这时起，可以增加燃气轮机的负载。水的流量将通过蒸发器10和过热器12出口的蒸汽温度进行调整，并且减压阀34将压力增加到额定值。

稳定运行时，蒸发器出口的蒸汽温度保持稍微过热50℃左右。

锅炉出口蒸汽的最终温度为额定状态的要求值，对部分负载或高峰负载，也可以通过一个补充的除过热器进行控制。

对于超临界或不超临界使用的额定压力，上述运行方式都适用。这种方法还可用于比较低的压力。

如果加热的温度特别低，启动时蒸汽转化为水的系统可以换到锅炉的出口处，这样就只有一个唯一的换热器。

Claims (6)

1.一种强制循环锅炉、特别是汽轮机锅炉的操纵方法，锅炉至少包括第一换热器(10)，所述换热器(10)的入口与一供水管线(18)连接，且其出口通过一调节阀(30)要么与第二换热器(12)连接-所述换热器(12)的出口与所述汽轮机连接，要么直接与所述汽轮机连接，其特征在于：

在启动阶段，所述调节阀(30)关闭；

只要离开第一换热器(10)的流体是水和蒸汽混合物组成的二相流体，则通过冷凝将这种两相流体转变为水，而不需要从所述二相流体中预先分离出气相和液相，通过所述二相流体与供水的混合，导致第一换热器(10)出口处的冷凝，冷凝所述二相流体所需的供水量根据流出管线(24)和旁路管线(38)连接点下游的流体温度(42)进行调整，使得在启动阶段，该温度保持低于饱和温度；

如果离开第一换热器的流体为纯蒸汽，则逐渐打开调节阀(30)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述冷凝水通过一冷凝器和一泵(16)再循环到第一换热器(10)的入口。

3.强制循环锅炉、特别是汽轮机的锅炉，至少包括第一个换热器(10)，所述换热器(10)的入口与一供水管线(18)连接，且其出口通过第一调节阀(30)要么直接与汽轮机连接，要么通过第二换热器(12)与汽轮机连接，其特征在于：第一换热器(10)的出口通过在第一换热器(10)的流入管线(18)和流出管线(24)之间的旁路管线(38)与供水管线(18)连接，所述旁路管线(38)包括第二调节阀(40)，以便在启动阶段使一水量受控的“冷”水与第一换热器(10)产生的二相流体混合；而且，根据所述流出管线(24)和所述旁路管线(38)连接点下游管线(24)的温度(42)，调整第二调节阀(40)，使得在启动阶段，该温度保持低于饱和温度。

4.根据权利要求3所述的强制循环锅炉，其特征在于，在启动阶段，第二换热器(12)与第一换热器(10)的管路隔离开，直到第一换热器出口的流体为纯蒸汽为止。

5.根据权利要求3至4之一所述的强制循环锅炉，其特征在于，第一换热器(10)的出口与位于所述流出管线(24)和所述旁路管线(38)连接点的下游的减压阀(26)连接，以控制第一换热器(10)内的压力。

6.根据权利要求3至4之一所述的强制循环锅炉，其特征在于，一个冷凝器置于所述减压阀(26)的下游，并且一个泵(16)使冷凝水再循环到第一换热器(10)的入口。

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