CN1155326A - 连续式蒸汽发生器 - Google Patents

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Abstract

在一种具有矩形横断面的燃烧室(4)的连续式蒸汽发生器中，其中烧烧室的每一个烧烧室壁(4a，4a′)包括一些基本上垂直地排列并通过管接板(14，14′)互相气密地连接的汽化管(12，12′)，一种流动介质可以从下向上流过汽化管，在这种蒸汽发生器中为了使供入汽化管(12，12′)，中不同的热量均衡化，按本发明，在燃烧室壁(4a，4a′)中部的汽化管(12，12′)处的由一根汽化管(12，12′)与配属于它的管接板(14，14′)构成的受热面积(F，F′)，小于在燃烧室(4)角部(26，26′)的汽化管处的受热面积。

Description

连续式蒸汽发生器
本发明涉及一种连续式蒸汽发生器，它有一个横断面为矩形的燃烧室，燃烧室的每一个燃烧室壁包括一些基本上垂直排列并通过管接板互相气密地连接的汽化管，一种流动介质可从下向上流过汽化管。
在连续式蒸汽发生器中，与自然循环式蒸汽发生器中循环流动的水-水/蒸汽混合物只是部分汽化不同，加热构成燃烧室壁的汽化管，导致在汽化管中的流动介质在通过时便完全汽化。在自然循环式蒸汽发生器中，汽化管原则上垂直排列，而连续式蒸汽发生器或强制循环式蒸汽发生器的汽化管，既可以垂直排列，也可以螺旋形并因而倾斜地设置。
其燃烧室壁由垂直排列的汽化管构成的连续式蒸汽发生器，与具有螺旋形管系的连续式蒸汽发生器相比生产成本低。此外，具有垂直管系的连续式蒸汽发生器，与具有倾斜汽化管的连续式蒸汽发生器相比，水-蒸汽侧的压力损失低。当然，向一根根垂直排列的汽化管供入热量方面不可避免的差别，导致相邻汽化管之间有温度差，尤其在蒸汽发生器的出口。
因为在垂直管系的燃烧室中，热流量并因而供入各汽化管中热量的多少，取决于它们在燃烧室壁中的位置，所以在矩形燃烧室或燃烧室外壁角处的汽化管，沿其全长所得到的燃气侧热流密度，比在燃烧室壁中央的汽化管要小。其原因在于下列情况。即，在燃烧一种矿物燃料时所产生的火焰体，在燃烧室内部不均匀地充满整个可供使用的空间。因此，在燃烧室内部形成了一种既沿垂直方向也沿水平方向近似于钟形的温度剖面，这一温度剖面从燃烧室中部出发，向上和向下以及朝燃烧室角部方向逐步降低。这样一来，与在燃烧室角区内的汽化管相比，在燃烧室壁中央的汽化管得到了更多的热量。这一结果又使得燃烧室壁中部区域、汽化管的水-蒸汽侧的冷却更加困难。从而可能导致汽化管出口处不可允许的高蒸汽温度。管接板的温度也会由于燃烧室壁中央高的热流密度而有不可允许的高值。
沿燃烧室垂直主向相邻管之间不可允许的高的温度差，可通过强烈地减少摩擦压力损失加以避免。这种减少是通过相应地降低在汽化管中的流动速度或质量流量密度来达到的。为此当然需要使用加有内筋的汽化管，因为这种汽化管在质量流量密度较低的情况下也有特别良好的导热性能。例如由欧洲专利申请0503116已知这类在其内侧有由多头螺纹构成的筋的汽化管以及它们在蒸汽发生器中的使用。
在具有内部加筋的汽化管的连续式蒸汽发生器燃烧室壁的管系中，轴向流动叠加一个扭转，这种扭转导致吸热介质与管内壁上的水膜相分离(Phasenseparation)。因此沸腾的极为良好的热传导几乎可以保持到水的完全汽化。然而，在200巴与221巴之间的压力范围内，在强烈加热时仅仅通过有扭转的流动，并不总是能避免不可允许的高壁温。在临界压力约210巴的附近，此时在液体类介质与蒸汽类介质之间密度差别很小，使汽化管内壁或加热面的润湿比低于200巴的压力区时明显地难以保证。造成这一结果的原因是，在管壁与吸热介质的液相之间形成的蒸汽膜妨碍热传导(膜态沸腾)。在此汽膜形成区内，管壁的温度剧烈升高。如发表在VGB Kraftwerkstechnik73(1993年。)，第4期352至360页中的J.Franke、W.koehler和E.Wittchow的论文“Verdampferkonzepte fuer Benson-Dampferzeuger”中所介绍的那样，在压力约为210巴以上时壁少量过热，就足以从带有润湿了的加热面的沸腾状态成为带有未润湿加热面的膜态沸腾。在上述压力范围时少量过热，就也已经可以在过热的边界层形成汽泡，它们汇集成大气泡，并因而妨碍热传导(均匀的核形成)。
所介绍的这种热传导机理，说明在上述连续式蒸汽发生器的管中，由于它们以约200巴压力和200巴以上的压力工作，因此质量流量密度(并因而摩擦压力损失)必须选择得比压力在200巴以下工作的连续式蒸汽发生器的高。从而失去了在各管更多加热时它们的流量也增加的优点。但由于需要200巴以上的高蒸汽压力，以获得高的热效率并因而低的二氧化碳放射量，所以有必要保证在这一压力区也有良好的热传导。因此，具有垂直管系的燃烧室壁的连续式蒸汽发生器，通常在汽化管中以较高的质量流量密度工作，以便在从约200巴到221巴的临界压力区内，始终能获得足够高的从汽化管壁到流动介质或吸热介质的热传导。然而这些措施考虑的主要是沿燃烧室垂直方向的温度分布。
在螺旋形燃烧室管系(螺旋形卷绕)中获得了沿水平方向温度分布的补偿，并因而达到了良好的平衡加热，因为每一根汽化管或平行管实际上经过燃烧室所有的加热区。当然，螺旋形卷绕与垂直管系相比，由于汽化管进口面积较小并因而汽化管总数较少，所以导致在汽化管中的流动介质流速较高。从而再度造成比较高的水-蒸汽侧压力损失。
本发明的目的是提供一种具有垂直管系的燃烧室壁并设计成具有高热效率的连续式蒸汽发生器，其中，在蒸汽发生器出口处的温度差降到特别低的值。
本发明的目的是这样实现的，在燃烧室壁的中部的汽化管处的由单根汽化管与配属于它的管接板构成的受热面积小于在燃烧室的角部的汽化管处的受热面积。
本发明以下列考虑为出发点，即，汽化管的吸热不仅沿管圆周的燃气侧的那一半进行，而且通过管接板或管的固定块进行。其中，自身不冷却的管接板所吸收的热量传给相邻的汽化管。因此，单根汽化管的吸热面积由汽化管面对着在燃烧室内部的火焰体的半圆周和管接板的面积组合而成。管接板的面积由一个管接板的整个宽度或两个管接板半宽的两倍以及由管接板沿垂直方向的长度决定。
为了使如此定义的各汽化管的吸热面积至少能大体上与沿水平方向的温度分布相匹配，在一种最佳设计中，连接汽化管的管接板宽度，在每个燃烧室壁的中部小于在燃烧室的角部。
在这种情况下，在一种最佳设计中，管接板的宽度从中部起向燃烧室的角的方向逐渐减小。按另一种方案，每一个燃烧室壁的汽化管，与总是宽度相同的管接板组合成组，其中，不同组的管接板宽度是互不相同的。这另一种方案比起前一种来实际上更加便于实施。
制造具有垂直排列的汽化管和宽度不同的管接板的燃烧室壁，最好按以下所述还可以简化，即，与各燃烧室壁的角邻接的那些组的管接板宽度相同。
为了使在燃烧室角区的吸热面积与中部相比进一步增大，在燃烧室角区的汽化管可设有附加的管接板，这些管接板伸入燃烧室内。
对于一种滑压运行的连续式蒸汽发生器，其中泵压力根据需要的蒸汽量确定，最好使用具有光滑内表面的所谓光滑管。但按另一种可供选择的方案，也可以采用内部加筋的汽化管。在这种情况下，无论对于光滑管还是内部加筋的汽化管，改变管子内径和/或管子外径，都可以使向各汽化管不同的热量供入进一步均衡化。所以，在燃烧室角区所使用的汽化管，它们的直径比在燃烧室壁中央的汽化管的要大。
采用本发明得到的优点主要在于，通过相对于燃烧室角部减小燃烧室壁中部的吸热面，使各汽化管不同的热量供入均衡化。由于汽化管之间的管接板或管固定块的宽度，不是如迄今见到的那样沿全部燃烧室周围是相同的，而是在壁的中央选为小于燃烧室角部，所以减小了在燃烧室壁中央用于每一根汽化管的吸热面积，增大了在角区的用于每一根汽化管的吸热面积。因此，减少或增加了每根汽化管的吸热量。其结果是，减少了设在燃烧室壁中央的汽化管高的热量供入，提高了设在燃烧室壁角部的汽化管低的热量供入。
下面借助于附图详细说明本发明的实施例，附图中：
图1为简化表示的具有垂直排列的汽化管的连续式蒸汽发器；
图2为沿图1中线II-II的横断面局部，表示有不同宽度管接板的气密燃烧室壁；以及
图3为按图2的横断面局部，表示按组具有相同管接板宽度的汽化管组。
图1示意表示一种有矩形横断面的连续式蒸汽发生器2，它的垂直烟道由外壁4构成，外壁4在下端过渡成漏斗状底部6。底部6包括一个图中没有详细表示的烟灰排出口8。
在烟道的下部区域A中，在由垂直排列的汽化管12构成的外壁或燃烧室4上，装有一定数量的矿物燃料燃烧器10，图中只能看到其中一个。在此区域A，垂直延伸地排列的汽化管12，通过形式上为金属带的管传热块或管接板14(见图2和3)，互相焊接成气密的燃烧室壁4a。在连续式蒸汽发生器2运行时从下向上通流的汽化管12，在此区域A内构成蒸发加热面16。
在连续式蒸汽发生器2运行时，在燃烧室4中有一个燃烧矿物燃料形成的火焰体17，所以连续式蒸汽发生器2的这一区域A的显著特点是有很大的热流密度。火焰体17有一个温度剖面，这一温度剖面大体从燃烧室4中央起，一方面沿垂直方向向上和向下，另一方面沿水平方向朝侧面亦即朝燃烧室4角部方向减小。
在烟道下部区域A的上面是离开火焰的第二区域B，在它上面设有烟道的上部第三区C。在烟道的区域B和C内设置对流加热面18，20和22。在烟道区域C上方有一个烟气出口通道24，由燃烧矿物燃料所产生的烟气RG，经出口通道24离开垂直的烟道。
图2和3分别表示通过烟道区域A中的燃烧室4的横断面局部，其中表示了两个邻接角26，26′的燃烧室壁4a(图2)或4a′(图3)。为构成气密的燃烧室壁4a，4a′，设在相邻汽化管12，12′之间的管接板14或14′，沿纵侧与汽化管12或12′焊接。这种结构形式又称管-板-管结构(Rohr-Steg-Rohr-Konstruktion)。
管接板14，14′有一个与有关的相邻汽化管12，12′之间的距离相应的宽度b或b′。在功率为600兆瓦的连续式蒸汽发生器2中，每一个燃烧室壁4a，4a′由大约360根汽化管12或12′组成。当汽化管12，12′外径d1、d1′约为30毫米以及管接板14，14′的宽度b，b′约为20毫米时，得到的每个燃烧室壁4a或4a′的总宽度约为20米。
由管接板14的宽度b和汽化管12的二分之一圆周12a以及它们的长度，可以得出每根汽化管12的吸热面积F。这在图2中表示在单根汽化管12处。
如图3中同样在一根汽化管12′处表示的那样，吸热面积F′也由两块与此汽化管12′邻接的管接板14′的各二分之一宽度b′，再加上单根汽化管12′的二分之一圆周以及它们的长度得出。后面的这种定义是基于以下两方面的考虑。一方面，每个管接板14，14′的温度在此半个宽度b，b′处，亦即在管接板14，14′的中心有最高值，并向相邻的两个汽化管12或12′的方向逐渐降低。另一方面，每块管接板14，14′总是各将它的热量的一半分别传给两个相邻的汽化管12或12′。
在按图2的实施例中，在汽化管12之间的管接板14的宽度b，从每个燃烧室壁4a的中心向燃烧室4每个角26的方向渐次地，亦即逐渐地减小。在汽化管12和管接板14长度相同的情况下，各个汽化管12的吸热面积F，因而便从每个燃烧室壁4a的中央连续地朝燃烧室4每个角26的方向减小。因此，通过减小传热块宽度b，在单位面积热量供入相同的情况下，减少了每根汽化管12的吸热量。在汽化管12外侧由此引起的热流密度的减小，导致降低在汽化管12内侧的热量。因此，无论是局部热流密度，还是沿连续式蒸汽发生器2全部高度的整个热流密度都下降了。其结果是导致汽化管有良好的局部冷却。
在按图3的实施例中，每个燃烧室壁4a′的汽化管12′组合成各有相同宽度b′的管接板14′的组G1至G4。其中，不同组G1、G2、G3和G4的管接板14′宽度b′是不一样的。与燃烧室4角26′邻接的那些组的管接板14′的宽度b′最好相同。在此实施例中，这两个与角26′邻接的燃烧室壁4a′的组G1和G5的管接板14′便是这种情况。
如仅在图3的实施例中表示的那样，燃烧室4设在角26′区的汽化管12′具有附加的管接板14″，它们以不同的斜度伸入燃烧室4内。
在图2和3的实施例中所表示的汽化管12或12′，都是在内侧具有光滑表面的光滑管。但按另一种可供选择的方案，汽化管12，12′也可以在其内壁，以图中没有进一步表示的方式设置由多头螺纹构成的筋，并因而具有一种表面结构。在具有此类加内筋的汽化管12或12′的连续式蒸汽发生器2燃烧室壁4a，4a′管系中，在汽化管12，12′中的轴向流动要叠加一个扭转，所以，通过由此引起的附加速度分量，汽化管12，12′获得一种特别良好的冷却效果。当连续式蒸汽发生器2在约210巴的临界压力区运行时，这一点带来特别有利的影响。
无论是使用光滑管还是应用有内筋的汽化管，改变汽化管12，12′的外径d1、d1′和/或内径d2、d2′都可以导致有关汽化管12，12′有不同大小的吸热面积F，F′，从而可以附加地或有选择地补偿向各汽化管12，12′不同的热量供入。此时，吸热面积F，F′随直径d1、d1′或d2、d2′的减小而减少。

Claims (8)

1、一种连续式蒸汽发生器，它有一个横断面为矩形的燃烧室(4)，燃烧室(4)的每一个燃烧室壁(4a，4a′)包括一些基本上垂直排列并通过管接板(14，14′)互相气密地连接的汽化管(12，12′)，一种流动介质可从下向上流过汽化管，其特征在于：在燃烧室壁(4a，4a′)中部的汽化管(12，12′)处的由一根汽化管(12，12′)与配属于它的管接板(14，14′)构成的受热面积(F，F′)小于在燃烧室(4)角部(26，26′)的汽化管处的受热面积。
2、按照权利要求1所述的连续式蒸汽发生器，其特征在于：在每个燃烧室壁(4a，4a′)的中部连接汽化管(12，12′)的管接板(14，14′)宽度(b，b′)，小于在燃烧室(4)的角部(26，26′)连接汽化管的管接板宽度。
3、按照权利要求2所述的连续式蒸汽发生器，其特征在于：管接板(14)的宽度(b)从中部起向燃烧室(4)每一个角(26)的方向逐渐减小。
4、按照权利要求2所述的连续式蒸汽发生器，其特征在于：每一个燃烧室壁(4a′)的汽化管(12′)，与总是宽度(b′)相同的管接板(14′)组合成组(G1，......，G5)，其中，不同组(G1，G2，G3)的管接板(14′)宽度(b′)互不相同。
5、按照权利要求4所述的连续式蒸汽发生器，其特征在于：与燃烧室(4)的角(26′)邻接的组(G1，G5)的管接板(14′)宽度(b′)相同。
6、按照权利要求1至5中任一项所述的连续式蒸汽发生器，其特征在于：至少在燃烧室(4)的角(26，26′)区的汽化管(12，12′)具有附加的管接板(14″)，它们伸入燃烧室(4)内。
7、按照权利要求1至6中任一项所述的连续式蒸汽发生器，其特征在于：汽化管(12，12′)在其内侧具有一种表面结构。
8、按照权利要求1至7中任一项所述的连续式蒸汽发生器，其特征在于：在燃烧室(4)角区(26，26′)内的汽化管(12，12′)，它们的外径(d1，d1′)和/或内径(d2，d2′)，比在燃烧室壁(4a，4a′)中部的汽化管(12，12′)的要大。
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