CN1145754C - 余热蒸汽发生器 - Google Patents
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Abstract
为了取得一个尽可能高的设备效率，即便在临界压力或过临界压力时也需要能够运行一种尤其适合于一种燃气-和蒸汽轮机设备的余热蒸汽发生器(1)，它具有大量可由烟气(RG)加热并引导一种被加热介质的发热面(2、3、4)。为此在与烟气(RG)流向相反的介质逆流中设置一个强制直通汽化器(3)，一个过热器(4)沿烟气流向安置在其前，而一个预热器(2)安置在其后。
Description
技术领域
本发明涉及一种尤其适合于一种燃气-和蒸汽轮机设备的余热蒸汽发生器，它具有大量可由烟气加热并引导一种被加热介质的发热面。
背景技术
此种余热蒸汽发生器或余热锅炉通常是一种燃气-和蒸汽轮机设备的一部分，在此种设备中，来自燃气轮机的膨胀工作介质中所含热量被用来产生用于汽轮机的蒸汽。热量传递借助一些发热面来实现；这些发热面由管或管束组成并安置在所述余热蒸汽发生器中。这些管或管束又接入汽轮机的至少包括一个压力级的水-汽环路中。在此，各压力级通常具有一个预热器或燃料节省器和一个汽化器以及一个过热器作为发热面。一种带有一个第一压力级或高压级和带有一个第二压力级或低压级的线路(一种所谓的双压力过程)已由EP 0 410 111 B1公开。
由于静态燃气轮机朝着一种更高的单位功率和一种更高的效率方向继续发展以及燃气轮机出口端的废气温度的升高，可以预见新鲜蒸汽参数，即新鲜蒸汽温度和新鲜蒸汽压力也必须与设备效率的继续提高相适应。因此，燃气轮机的废气温度的升高要求增大新鲜蒸汽参数，以便相应提高整个燃气-和蒸汽轮机过程的效率。
在一种设计成圆筒形锅炉并根据循环原理工作的余热蒸汽发生器中，通过将蒸汽从在所述圆筒内的导流转向板上的尚没有汽化的水中分离来结束汽化过程。这种分离要求一种循环。这种循环和蒸汽分离要求在水和蒸汽之间有一定的密度差，它又以与临界压力(221巴)有一定的压力差(＞50至60巴)为前提。因此，蒸汽分离限制了压力的升高，使得一种圆筒形锅炉仅在运行压力低于160至170巴时工作。此外，高的蒸汽压力要求厚壁的水-汽分离圆筒，这一点非所愿地大大限制了起动运行和载荷交变运行时的容许的温度变化速度。
作为这一循环原理或自然循环原理的另一可选择方案，一种燃烧矿物燃料的直通蒸汽发生器按照强制直通原理工作，在一次通流过程中，通过对直通蒸汽发生器的形成一个燃烧室壁的汽化管的加热使汽化管内的流动介质完全汽化。按照这一强制直通原理，汽化过程的结束和与此同时的蒸汽过热的开始都依赖载荷来调节，这种结束和开始在空间位置上也并不固定。在采用这种直通蒸汽发生器时，由于缺乏蒸汽分离或水沉积可能会使新鲜蒸汽压力超过临界水压。这种直通蒸汽发生器例如由EP 0 595 009 B1公开。
尽管与一种所谓的燃气-和蒸汽轮机设备内的一个燃气轮机相连，这种直通蒸汽发生器通常也并不能作为纯粹的余热蒸汽发生器来使用。相反，来自燃气轮机的含氧废气仅仅用作燃烧矿物燃料的蒸汽发生器的燃烧设备用的燃烧空气。这种直通蒸汽发生器的缺点是：它的连接和控制技术要求高以及由所谓的水喷而引起的高的起动损耗。当在汽化器中开始汽化过程，蒸汽将下游的水量(水滴)推出时，就出现水喷。为控制由此引起的起动损耗而配置的附加分离部件和控制部件附加地提高了技术要求，也由此提高了投资额，它们随着实现期望的更高和最高蒸汽压力而急剧增长。与纯粹的余热蒸汽发生器相比，点火式直通蒸汽发生器的另一基本缺点在于：被加热介质的温度曲线(水/水-汽线)相对而言并不均匀地与加热介质的温度曲线(烟气线)相适应。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是提供一种尤其适合于一种燃气-和蒸汽轮机设备的余热蒸汽发生器，采用它在所有载荷范围内，尤其也在局部载荷范围内实现流动技术方面的稳定运行，同时也可实现一种临界或过临界的蒸汽压力。
上述技术问题按照本发明通过一种用于一种燃气-和蒸汽轮机设备的余热蒸汽发生器来解决，它具有大量可由烟气加热并引导一种被加热介质的发热面，这些发热面由一个预热器和一个汽化器以及一个过热器组成，其中，所述预热器沿烟气流向连接在所述汽化器之后，所述过热器沿烟气流向连接在该汽化器之前，所述预热器和汽化器以及过热器均连接在与烟气流向相反的介质逆流中，其特点在于：所述在与烟气流向相反的介质逆流中接入的汽化器在入口侧经过一个入口分配器与所述预热器相连接，所述汽化器的各汽化管经过一个节流阀连接到该入口分配器；一个补偿管形式的均压收集器连接到所述汽化器。
。为此设置一个按照强制直通原理工作的余热蒸汽发生器，它的无圆筒的汽化器在介质侧接入与烟气的流动方向相反的水/汽逆流中。所述汽化器在入口侧经过一个入口分配器与所述预热器相连接，该入口分配器即为所述预热器的一个出口收集器。为了使所述汽化器特别稳定地运行，在该汽化器的入口侧配置一个节流装置，其中，合乎目的地在每个汽化管的入口接入一个节流阀。从而在汽化器内的一个特别大的载荷区域上得到一个升高的压力损耗。这一点确保流过各汽化管的流量均匀。
此外，代替通常采用的收集器和分配器，在各汽化段或汽化部件之间仅设置一个均压收集器。它将整个汽化器在受压侧大体上分成两段，因为在这两个汽化段的端部上分别作用着相同的压力。这一点在避免再次增大压力损耗的条件下提高流量的稳定性。相宜地，该均压收集器仅包括一个连接各汽化管的钻孔的管壁较薄的管。这一微小尺寸的连接管仅轻微地影响所述汽化器内的流动，因此在需要由被加热介质在汽化器内生成的两相混合物分布到各汽化管方面不成问题。相宜地，沿烟气流向设在汽化器之后的一个预热器和设在汽化器之前的一个过热器连接在与烟气流向相反的介质流线路中。
因为这种直通式余热蒸汽发生器或强制直通式余热蒸汽发生器没有压力限，使得实现高达过临界值的高蒸汽状态成为可能。此外，可通过避免采用厚壁圆筒来实现短的起动时间和高的载荷变化速度。这一点又有助于实现一种特别有利的设备特性。另外还能得到一种特别高的运行灵活性，因为一方面可以仅仅通过介质流量来调节新鲜蒸汽温度，另一方面至少可在一定的范围内调节一个可变化的介质流量。
虽然由DE 4303613 A1公开了一种强制直通式蒸汽发生器，它具有在与烟气流向相反的介质(水/蒸汽)逆流中连接的预热器-、蒸发器-以及过热器发热面。然而在此专利申请文件中，一方面各发热面以常规的方式经过出口收集器和入口收集器相互连接；另一方面所述汽化器通过中间连接一个入口收集器和一个出口收集器具有分段结构。在此，所述汽化器的一段在起动期间借助一个旁通管道被桥接，以便尽最大可能将水喷保持在最小。然而，采用这一线路不可能在使各汽化管子之间的温差最小化的同时，在汽化器内获得所期望的稳定流动状态。
为了实现直通式工作原理，所述汽化器的入口侧近似直接地与所述预热器的出口连接，在它们中间并不连接一个水-汽-分离圆筒。在与烟气流向相反的介质(水/汽)逆流中连接一个汽化器有利地导致在烟气流线和水/水蒸汽流线之间的均匀温度差，从而仅需要一个较小尺寸的发热面。此外，这一逆流线路的优点是：在起动该余热蒸汽发生器时，水喷现象特别小，因为烟气侧具有可观蒸汽气泡形成的热侧仅处在所述汽化器的进水侧端。由于可用于所形成的蒸汽气泡的路径短，该热侧仅将一微小的水量推出所述汽化器。
在汽化器的热工技术设计方面，合乎目的的是该汽化器分成两个单独发热面，即分成两个汽化部件。在此，介质侧的第一汽化部件没有出口收集器。同样，接在它后面的第二汽化部件没有入口分配器。在此，两个单独发热面或汽化部件的平行管的数目是相等的。此外合乎目的的是：第一汽化部件由内径小于第二汽化部件的管制成。采用这一汽化结构，由于省略收集器而使成本降低。如果压力损耗优选产生于流动起始阶段并且流动速度沿着整个汽化器保持在一个优选的范围内，那么得到一个稳定的流动。由此实现一个特别良好的从烟气至流过汽化器的介质的热传递且侵蚀微小。此外由于一个均匀的水蒸汽侧的直通流动，在各平行管之间的可能温度差保持在微小值。
为了避免在起动时喷出的水进入所述过热器，在它的前面接入一个接在所述汽化器之后的起动罐。在此，所述汽化器和过热器与所述起动罐的蒸汽侧头部相连接。所述预热器和汽化器在入口侧与所述起动罐的一个出水侧的地接柱相连接。输进所述汽化器和预热器中的分流可由调整机构调节。由此，输向所述预热器的供水可补充得到这股来自所述起动罐的分流或至少部分地由这股分流所取代。运行直通式余热蒸汽发生器所不需要的水也可从所述起动罐中受控制地被排出。为此，在所述起动罐的出水侧的地面端上安置一个排出管道。
经过所述起动罐和经过一个入口分配器而输到所述过热器的蒸汽从该过热器中以过热蒸汽(主蒸汽流)形式经过一个出口收集器被输出。在此，该过热器优选由两个单独发热面组成，它们在介质侧前后相邻接入，在所述直通式余热蒸汽发生器为立式结构时，它们在烟气侧上下相邻安置，从而得到一种两级式蒸汽过热过程。
由本发明取得的优点主要在于：通过将一个余热蒸汽发生器的汽化器构造成强制直通式汽化器，在经过另一载荷区域的逆流线路内得到一种特别稳定的运行方式。由此，无圆筒的汽化器可在水/汽侧压力损耗微小的同时被构造成具有大面积，使得它在所有按照直通原理的运行状态下起到局部燃料节省器和汽化器以及局部过热器的作用。这样，在所述预热器的出口或燃料节省器-发热面的出口，供水在各个运行点都得到冷却，从而可靠地避免一种在燃料节省器内的蒸发现象。因为朝沸点温度的升温在起局部燃料节省器作用的汽化器内自动实现，所谓的“逼近点”(Approach-Point)永远为零。由此得到一个相对圆筒式锅炉而言微小的汽化发热面。
一种中性的化学运行方式也是可能的，由此可以减少化学品消耗。此外由于该中性化学运行方式，在运行时无需清垢。通过避免采用水-汽分离圆筒及为此必需的连接管道以及通过减小锅炉尺寸或蒸汽发生器尺寸，可实现成本的显著降低。在一种燃气-和蒸汽轮机设备内，尤其在燃气轮机的低局部载荷区域内确保了稳定的直通式运行方式。
附图说明
下面借助附图所示实施例对本发明作进一步详细说明，附图中：
图1为一张剖视图，其中示意性地示出一个直通式余热蒸汽发生器，它的发热面接在一个水-汽环路中；
图2示出图1所示余热蒸汽发生器的一个由两个单独发热面组成的汽化器。
在两附图中用相同的附图标记标注相对应的部件。
具体实施方式
图示立式直通式余热蒸汽发生器1例如是一种燃气-和蒸汽轮机设备的一部件，并在初级侧由来自所示燃气轮机的热烟气RG流过。被冷却的烟气朝一个没有示出的烟囱方向离开该余热蒸汽发生器1。余热蒸汽发生器1包括一个预热器或燃料节省器2和一个汽化器3以及一个单压力级的过热器4作为发热面。图示发热面的布置优选设在直通式余热蒸汽发生器1的高压段和低压段。
所述预热器2在入口侧具有一个所有预热管共有的入口分配器5，一个带有一个电机驱动的第四调节阀7的供水管道6接入该分配器。在出口侧，所述预热器2的管子进入一个共有的出口收集器8，后者同时为在介质侧接在所述预热器2之后的汽化器3的入口分配器。为了使所述汽化器3稳定运行，在该汽化器3的前面安置一个节流装置。为此，在汽化器3的每个平行管的入口端接入一个节流阀9，从而在汽化器3内的一个宽负载范围内得到一个升高的压力损耗。在所述汽化器3的一个转向区10范围内设置一个补偿管形式的均压收集器11，它以一种相对薄壁的管子连接所述汽化器3的各平行管子的一个钻孔12。在出口侧，所述汽化器3的各平行管子进入一个出口收集器13，它经过一个蒸汽管道14连接到一个起动罐15。所述蒸汽管道14连接在所述起动罐的蒸汽一侧头部15a上，另一蒸汽管道16也接在此处。所述蒸汽管道16进入所述过热器4的一个入口分配器17。该过热器4由一个第一局部发热面或单独发热面4a和一个从介质侧看接在发热面4a的后面、从烟气侧看安置在前的第二发热面4b所组成，它在出口侧具有一个出口收集器18，一个主蒸汽管道19连接到该收集器。
所述起动罐15在其出水侧的底端15b具有一个带有一个电机驱动的第三调节阀21的输出管道20。该输出管道20的一个分管道22中接入一个循环泵23；所述分管道22经过一个调节阀或节流阀24和一个连接到第一分流管道25中的且电机驱动的第一调节阀26连接到供水管道6。所述分管道22的第二个分流管道27经过一个电机驱动的第二调节阀28连接到所述入口分配器或出口收集器8。所述直通余热蒸汽发生器1的发热面2、3、4经过所述供水管道6和主蒸汽管道19以没有详细说明的方法和方式接入所述燃气-和蒸汽轮机设备的一个汽轮机的水-汽环路中。
图2示出所述带有两个单独发热面的汽化器3的一个优选实施形式。这一实施形式通过一个第一汽化部件3a和一个从介质侧看接在汽化部件3a的后面、从烟气侧看安置在汽化部件3a的前面的第二汽化部件3b实现。所述入口分配器8连接到所述第一汽化部件3a的一个导入孔29。两个汽化部件3a和3b分别由相同数量的平行管子组合而成，其中分别只有一个平行管子或蒸发管子30a或30b是可见的。所述均压收集器11连接到所述第一汽化部件3a，其中，仅有一个钻孔12是可见的。
两个汽化部件3a和3b直接地，亦即中间不连接一个出口收集器或入口分配器地相互连接。在此，所述第一汽化部件3a的平行管子30a的内径d1小于所述第二汽化部件3b的平行管子30b的内径d2(d1＜d2)。所述汽化部件3a或3b的各平行管子30a和30b的连接分别经过一个锥形中间件完成。该中间件或连接件31构造成锥形，优选为一种平截头圆锥体，以实现扩大直径。在出口侧，所述第二汽化部件3b的平行管子30b连接到所述出口收集器13。
在所述直通式余热蒸汽发生器1运行时，冷凝的水即所谓供水SW从一个接在所述汽轮机(未示出)后面的冷凝器(未示出)中流出，经过所述供水管道6和通过所述预热器2流进所述出口收集器或入口分配器8。得到预热的供水SW从此处起经过所述节流阀9流进所述汽化器3的第一汽化部件3a的各汽化管子30a。在此，在所述汽化器3的整个发热面特别小的同时，在所述预热器2和汽化器3之间的连接也特别短小和简单。
所述节流阀9实际上在所述余热蒸汽发生器1的整个载荷区都确保在所述汽化器3内有一个升高的压力损耗。所述汽化器3，即无论是其带有汽化管子30a的第一汽化部件3a还是其接在汽化部件3a之后的带有汽化管子30b的第二汽化部件3b，均布置在与烟气RG的流动方向相反的介质或进水逆流中。在此，通过所述汽化管子30a和30b来得到所述被预热的供水SW的一个稳定和均匀的流量，其中，相应于流动介质压力的沸点温度在所述汽化管子30a和30b中形成。
在汽化器3中产生的蒸汽D在所述汽化器3的出口端上，即在出口收集器13内和在与此相接的蒸汽管道14内，由于直通或强制直通在相应流通量条件下在各个运行点都易于过热。由此，水滴不会到达接在汽化器3之后的过热器4。从而可靠地避免因不容许的温度梯度而导致损伤所述过热器4的发热面。由于所述汽化器3的这种设计和结构，它可在一个带有滑动汽化点的宽载荷区内运行。在所述汽化器3中产生的蒸汽D可由此直接导入所述过热器4，其中，仅仅在所述直通式余热蒸汽发生器1起动时，所述起动罐15才起作用。
因为在起动时自所述汽化器3的喷出水量特别微小，仅需要一个相对很小的起动罐15来承接喷出的水。在此，所述起动罐15的壁厚可以相对地薄，这就带来相应短的起动时间和载荷交变时间。在图示直通余热蒸汽发生器1的立式结构中，这种特别微小的水喷出量这么实现，即介质或水从上至下地流过所述汽化管子30a、30b，以实现与烟气流反向的逆流。因而汽化基本上处于所述第二汽化部件3b的下汽化管子30b中，并朝所述第一汽化部件3a的上汽化管子30a方向减少。
当在起动时已经产生的并在起动罐15中被分离的蒸汽D通过所述过热器4而继续过热，并从此处以过热状态作为主蒸汽或新鲜蒸汽FD被导入所述汽轮机(未示出)以及从该汽轮机出来作为冷凝剂再次被输入所述水-汽环路中时，那些仅仅在起动时在一定程度上从所述水-汽环路中抽取的水从所述起动罐15中流出，按照需要被输入所述汽化器3和/或预热器2。然而出于流动稳定的理由，合乎目的的是：这些从起动罐15中来的起动水量的大部分经过第一分支管道25在所述供水SW进入所述预热器2前与此供水混合。在水-汽环路中不需要的起动水量可通过所述排出管道20从所述起动罐15中抽走。
采用这一按照直通原理工作的余热蒸汽发生器1，即便在临界区域或在过临界区域内也可以实现高的蒸汽压力。为此两个汽化部件3a和3b以及整个汽化器3被介质向下流通，而所述烟气RG则具有一个往上的流动方向。总之，本发明的直通式余热蒸汽发生器1可在最小负载下按照直通原理也能实现流体技术方面特别稳定的运行。
Claims (14)
1.一种用于一种燃气-和蒸汽轮机设备的余热蒸汽发生器(1)，它具有大量可由烟气(RG)加热并引导一种被加热介质的发热面(2、3、4)，这些发热面由一个预热器(2)和一个汽化器(3)以及一个过热器(4)组成，其中，所述预热器(2)沿烟气流向连接在所述汽化器(3)之后，所述过热器(4)沿烟气流向连接在该汽化器(3)之前，所述预热器(2)和汽化器(3)以及过热器(4)均连接在与烟气(RG)流向相反的介质逆流中，其特征在于：
所述在与烟气(RG)流向相反的介质逆流中接入的汽化器(3)在入口侧经过一个入口分配器(8)与所述预热器(2)相连接，所述汽化器(3)的各汽化管经过一个节流阀(9)连接到该入口分配器；一个补偿管 形式的均压收集器(11)连接到所述汽化器(3)。
2.根据权利要求1所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
所述均压收集器(11)与各汽化管的一个钻孔(12)相连接。
3.根据权利要求1或2所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
所述均压收集器(11)在所述汽化器(3)的一个转向区(10)连接到所述汽化器(3)。
4.根据权利要求1或2所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
所述汽化器(3)由大量沿介质流向前后连接的第一汽化部件(3a)和第二汽化部件(3b)组合而成。
5.根据权利要求4所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
所述组成第一汽化部件(3a)的汽化管(30a)的内径(d1)比沿所述介质流向连接在所述第一汽化部件(3a)的汽化管(30a)之后的第二汽化部件(3b)的汽化管(30b)的内径(d2)小。
6.根据权利要求5所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
所述第一汽化部件(3a)的汽化管(30a)和所述第二汽化部件(3b)的汽化管(30b)通过一个锥形连接件(31)直接相互连接。
7.根据权利要求1所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
所述汽化器(3)在出口侧通过一个起动罐(15)与所述过热器(4)相连接，该起动罐(15)用于承接在该余热蒸汽发生器起动时从所述汽化器(3)喷出的水。
8.根据权利要求7所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
所述起动罐(15)在出水侧通过一个后接有第一调节阀(26)的循环泵(23)与所述预热器(2)相连接。
9.根据权利要求8所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
所述起动罐(15)在出水侧通过一个后接有第二调节阀(28)的所述循环泵(23)与所述汽化器(3)相连接。
10.根据权利要求8或9所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
一个节流阀(24)沿所述出水的流向连接在所述循环泵(23)之后。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
一个带有一个第三调节阀(21)的输出管道(20)连接到所述起动罐(15)的出水侧。
12.根据权利要求1或2所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
所述预热器(2)在入口侧与一个供水管道(6)相连接，一个第四调节阀(7)接入该供水管道。
13.根据权利要求1或2所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
所述过热器(4)具有一个入口分配器(17)和一个出口收集器(18)，一个主汽管道(19)连接到该收集器。
14.根据权利要求1或2所述的余热蒸汽发生器，其特征在于：
所述过热器(4)具有两个沿介质流向前后连接的分发热面(4a、4b)。
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