CN1346433A - 矿物燃料加热的直流式锅炉 - Google Patents

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Abstract

一种具有用于矿物燃料(B)的燃烧室(4)的直流式锅炉(2),该燃烧室具有一些蒸发管(10),该燃烧室在其下游热烟气一侧通过一个水平烟道(6)与一垂直烟道(8)相连接。在直流式锅炉运行时,在包括燃烧室(4)的出口区(34)和水平烟道(6)进口区(32)的一个连接段(Z)内的温度差应保持得特别小。为此,许多可平行地加入流动介质(S)的蒸发管(10)中的一些蒸发管(10)在连接段(Z)内被环回地导引。

Description

矿物燃料加热的直流式锅炉
本发明涉及一种直流式锅炉，它具有用于矿物燃料的燃烧室，在燃烧室热烟气一侧的下游通过水平烟道连接一垂直烟道，燃烧室外壁由互相气密焊接垂直排列的蒸发管构成。
在设有锅炉的电站设备中，燃料的能量含量被利用来蒸发锅炉内的流动介质。流动介质通常在蒸发循环中运行。由锅炉制备好的蒸汽又可规定例如用于驱动汽轮机和/或所连接的外部过程。若蒸汽驱动一汽轮机，则通常通过汽轮机透平轴推动发电机或加工机械。在发电机的情况下，由发电机产生的电流可规定馈入联合电网和/或孤立电网中。
锅炉可设计为直流式锅炉。由J.Franke、W.Koehler和E.Wittchow发表在VGB发电厂工程技术73(1993)第4期352-360页上的论文“本生锅炉的蒸发器原理”已知一种直流式锅炉。在直流式锅炉中，加热用作蒸发管的蒸汽发生器管，导致流动介质在蒸汽发生器管内一次性通过时蒸发。
直流式锅炉通常按垂直的结构方式设计燃烧室。这意味着，燃烧室设计为让加热用介质或热烟气大体沿垂直的方向流过。沿热烟气方向，在燃烧室下游可连接水平烟道，在这种情况下在从燃烧室向水平烟道过渡时，热烟气流通过一次转向变成沿基本上水平的方向流动。但这种燃烧室通常由于温度引起的燃烧室的长度变化，需要一个将燃烧室悬挂在它上面的机架。这就在生产和装配这种直流式锅炉时带来很大的工程费用，直流式锅炉的结构高度越大则费用越高。这尤其发生在直流式锅炉设计用于全负荷时蒸汽生产能力大于80kg/s的情况下。
直流式锅炉没有压力限制，所以新汽压力可以远高于水的临界压力(Pkri＝221bar)，在水的临界压力下在类似液体与类似蒸汽的介质之间只有微小的密度差。高的新汽压力有利于获得高的热效率并因而有利于减少矿物燃料加热的电厂的CO2排放，这种电厂作为燃料例如可以燃烧固体状的烟煤或褐煤。
在直流式锅炉的烟道或燃烧室外壁的设计方面，鉴于在那里出现的管壁或材料温度，因而存在一个特殊的问题。在约达200bar的亚临界压力范围内，若能保证蒸发管内表面润湿，则燃烧室外壁的温度基本上取决于水饱和温度的大小。这例如通过采用其内侧有一种表面结构的蒸发管达到。为此尤其考虑有内肋的蒸发管，它们在直流式锅炉内的使用例如由上面已援引的论文可知。这些所谓的肋管，亦即具有带肋内表面的管，从管内壁向流动介质有特别好的热量传递。
经验证明，在直流式锅炉运行时，不同温度的相邻管壁只要它们是互相焊接的，便不可避免地会在它们之间产生热应力。这种情况尤其在燃烧室与设在其下游的水平烟道的连接段中，亦即在燃烧室出口区的蒸发管与水平烟道进口区的蒸汽发生器管之间发生。由于这种热应力会明显地缩短直流式锅炉的使用寿命，在极端情况下甚至会发生管子断裂。
因此本发明的目的是提供一种上述类型的矿物燃料加热的直流式锅炉，它只需特别低的制造和装配费用，此外，在其运行时，在燃烧室与在燃烧室下游的水平烟道的连接处保持低的温度差。尤其对于互相直接或间接相邻的燃烧室蒸发管与在燃烧室下游的水平烟道的蒸汽发生器管来说应当是这种情况。
本发明的目的这样来实现，令直流式锅炉有一个具有一些排列在水平烟道所在高度处的烧嘴的燃烧室，往多根蒸发管中可平行地加入流动介质，以及，在包括燃烧室出口区与水平烟道进口区的连接段内环回地导引一些可平行地加入流动介质的蒸发管。
本发明考虑问题的出发点是，可用特别低的制造和装配费用制成的直流式锅炉应当有可采取简单手段实施的悬挂结构。用较低的工程费用制造用于悬挂燃烧室的机架可随着直流式锅炉特别低的结构高度来实现。通过按水平的结构方式设计燃烧室可以使直流式锅炉具有特别低的结构高度。为此将烧嘴安装在水平烟道所在高度位置的燃烧室壁内。因此在直流式锅炉运行时热烟气沿基本上水平的主流方向流过燃烧室。
此外，在具有水平燃烧室的直流式锅炉运行时，在燃烧室与水平烟道的连接处温度差特别小，以便可靠避免因热应力造成的材料早期疲劳。尤其在互相直接或间接相邻的燃烧室蒸发管与水平烟道蒸汽发生器管之间，这种温度差应特别低，以便在燃烧室出口区和在水平烟道进口区内特别可靠地防止因热应力引起材料疲劳。
现在当直流式锅炉运行时蒸发管加入流动介质的进口段有比连接在燃烧室下游的水平烟道的蒸汽发生器管进口段低的温度。也就是说，与在水平烟道的蒸汽发生器管内进入的热流动介质相反，在蒸发管内进入的是比较冷的流动介质。因此在直流式锅炉运行时，蒸发管进口段比水平烟道进口段中的蒸汽发生器管冷。这样，在燃烧室与水平烟道之间的连接处因热应力引起材料疲劳便是在预料之中的事。
但若现在在燃烧室蒸发管进口段内进入的不是冷的而是经预热的流动介质，那么在蒸发管进口段与蒸汽发生器管进口段之间的温度差也不再象在蒸发管内进入冷的流动介质时那么大。也就是说，流动介质首先在第一根蒸发管内流动，第一根蒸发管比第二根蒸发管安排在离燃烧室与水平烟道的连接处更远的地方，然后才将流动介质引入此第二根蒸发管，于是在直流式锅炉运行时在第二根蒸发管内进入的是通过加热预热的流动介质。若蒸发管在燃烧室外壁中间有一个流动介质进口，便可以取消在第一根蒸发管与第二根蒸发管之间麻烦的连接。于是此蒸发管可以首先从上向下和接着自下而上地在燃烧室内延伸。因此在直流式锅炉运行时通过加热使在自上向下延伸的蒸发管段内的流动介质进行预热，然后流动介质才进入在燃烧室下部区内的蒸发管的所谓进口段内。在这里业已证明特别有利的是，一些可平行地加入流动介质的蒸发管环状地引入燃烧室相关的外壁内。
水平烟道的侧壁和/或垂直烟道的侧壁有利地由互相气密焊接垂直排列可平行地加入流动介质的蒸汽发生器管构成。
比较有利的是，燃烧室的一些并联的蒸发管上游设有一公共的进口总系统，下游连接一公共的流动介质出口总系统。也就是说，按这种结构方案设计的直流式锅炉在一些可平行地加入流动介质的蒸发管之间允许实现可靠的压力平衡，所以在进口总系统与出口总系统之间所有并联的蒸发管有相同的总压损失。这意味着，在加热量大的蒸发管内的流量必须比加热量小的蒸发管内的流量大。这种情况同样适用于水平烟道或垂直烟道可平行地加入流动介质的蒸汽发生器管，它们有利地在上游连接一公共的进口总系统以及在下游连接一公共的流动介质出口总系统。
往燃烧室端壁的蒸发管中可比较有利地平行地加入流动介质，就流动介质而言它们连接在构成燃烧室侧壁的那些外壁的蒸发管的上游。由此保证特别有效地冷却燃烧室被强烈加热的端壁。
按照本发明另一项有利的设计，燃烧室一些蒸发管的管内径根据蒸发管在燃烧室内的具体位置选择。以此方式使燃烧室内的蒸发管能与热烟气可预定的加热剖面相匹配。借助于由此造成的对蒸发管流量的影响，特别可靠地保持燃烧室蒸发管出口处流动介质的温度差非常小。
为了将燃烧室的热量特别有效地传输给在蒸发管内流动的流动介质，比较有利的是一些蒸发管在其内侧分别具有构成多头螺纹的多条肋。在这种情况下比较有利的是，在垂直于管轴线的平面与设在管内侧上的肋的侧面之间的螺旋角α小于60°，优选地小于55°。
在被加热的设计为无内肋亦即所谓光管的蒸发管内，从某个蒸汽含量起不再能保持管壁为特别有效地导热所要求的润湿。在润湿不足时可能存在局部干燥的管壁。转化成这种干燥管壁会导致一种具有不良传热特性的所谓传热危机，干燥管壁处的温度通常会特别剧烈地上升。但现在在有内肋的蒸发管中与光滑相比这种传热危机要在蒸汽质量含量＞0.9时，亦即在结束蒸发前不久才出现。这归诸于通过螺旋形肋导引流体介质流动获得的扭转。基于不同的离心力，水的部分与蒸汽部分分离并在管壁上传送。因此直至高的蒸汽含量仍能保持管壁的润湿，故在发生传热危机的地点已存在高的流速。所以尽管存在传热危机但这一情况仍促使比较有效地传热，其结果是降低管壁温度。
燃烧室的一些蒸发管比较有利地具有用于减小流动介质流量的装置。在这方面业已证明特别有利的是将这些装置设计为节流装置。节流装置可例如是在蒸发管内的内部配件，它们在有关蒸发管内部的一个位置减小管的内径。在这方面已证明有利的是，用于减小流量的装置也设在一个包括多根平行管道的管路系统内，流动介质可通过此管路系统供入燃烧室的蒸发管中。在这里，此管路系统也可以连接在可平行地加入流动介质的蒸发管进口总系统的上游。在管路系统的一根管道或多根管道内可例如设节流附件。采用这些用于减少通过蒸发管流动介质流量的装置，可以使各蒸发管内流动介质的流量与在燃烧室内给该蒸发管的加热程度相匹配。因此在蒸发管出口处流动介质附加的温度差特别可靠地保持得特别小。
相邻的蒸发管或蒸汽发生器管在其纵侧有利地通过金属带，即所谓的鳍板互相气密焊接。这些鳍板可以在管子的生产过程中已经与管子固定连接并与之构成一个整体。由管子和鳍板构成的单元也可以称为鳍板管(Flossenrohr)。鳍板的宽度影响加入蒸发管或蒸汽发生器管内的热量。因此，鳍板的宽度优选地根据该蒸发管或蒸汽发生器管在直流式锅炉内的位置与热烟气可预定的加热剖面相匹配。在这里，加热剖面可采用一种由实验值确定的典型的加热剖面，或也可采用一种例如阶梯状加热剖面那样的粗略的估计。通过恰当地选择鳍板宽度，即使不同的蒸发管或蒸汽发生器管的受加热情况差别很大，也能在所有的蒸发管或蒸汽发生器管内按这样的方式实现加热，即，使得在蒸发管或蒸汽发生器管出口处流动介质的温度差保持得特别小。以此方式可靠地防止由于热应力引起的早期材料疲劳。这种直流式锅炉因而有特别长的使用寿命。
在水平烟道中有利地设有一些过热加热面，它们基本上垂直于热烟气主流方向排列以及它们用于流过流动介质的管相互并联。这些按悬挂的结构方式布置的也称为屏形加热面的过热加热面主要通过对流加热，并且沿流动介质流向设在燃烧室蒸发管的下游。由此保证特别充分地利用热烟气热量。
垂直烟道有利地具有一些对流加热面，它们由基本上垂直于热烟气主流方向布置的管子构成。对流加热面的这些管子为流过流动介质相互并联。这些对流加热面主要也通过对流加热。
为了保证更进一步特别充分地利用热烟气热量，垂直烟道有利地具有一省煤器。
优选将烧嘴装在燃烧室的端壁上，亦即燃烧室与去水平烟道的流出口处于相对位置的那个侧壁上。如此设计的直流式锅炉以极为简单的方式可适应于矿物燃料的完全燃烧长度。在这里，矿物燃料的完全燃烧长度指的是，在规定的平均热烟气温度时沿水平方向的热烟气速度乘以矿物燃料火焰的完全燃烧时间tA。因此，对于具体的直流式锅炉，最大的完全燃烧长度是在直流式锅炉全负荷时，亦即所谓满负荷运行时的蒸汽生产能力M下得出。矿物燃料火焰的完全燃烧时间tA则指的是在规定的平均热烟气温度下完全烧尽例如平均尺寸的煤粉粒所需要的时间。
比较有利地是将燃烧室的下部区设计为漏斗。以此方式，在直流式锅炉运行时燃烧矿物燃料的同时产生的灰能非常方便地排出，例如排入设在漏斗下方的除灰装置内。矿物燃料在这里可涉及固体形式的煤。
为了将例如由于进入高温的熔融的灰造成水平烟道的材料损伤和不希望的污染保持为特别少，由从端壁到水平烟道进口区的距离定义的燃烧室长度，有利地至少等于直流式锅炉满负荷运行时矿物燃料的完全燃烧长度。燃烧室的这一水平长度通常至少为燃烧室从漏斗上边缘(若燃烧室下部区设计为漏斗状)到燃烧室盖测量得到的高度的80％。
为了特别有效地利用矿物燃料的燃烧热，燃烧室的长度L(以m计)有利地作为在全负荷时直流式锅炉的蒸汽生产能力M(kg/s)、矿物燃料火焰的完全燃烧时间tA(s)和从燃烧室排出的热烟气出口温度TBRK(℃)的函数来选择。在给定全负荷时直流式锅炉的蒸汽生产能力M的情况下，燃烧室的长度L近似适用下列两个函数(I)和(II)中的较大值：
L(M，tA)＝(C1+C2·M)·tA  (I)
和
L(M，TBRK)＝(C3·TBRK+C4)M+C5(TBRK)2+C6·TBRK+C7    (II)
其中C1＝8m/s，C2＝0.0057m/kg，C3＝-1.905·10-4(m·s)/(kg℃)，C4＝0.286(s·m)/kg，C5＝3·10-4m/(℃)2，C6＝-0.842m/℃，以及C7＝603.41m。
上述“近似”在这里指的是燃烧室长度L允许偏离通过相关函数确定的值+20％/-10％。
采用本发明获得的优点主要在于，通过在燃烧室外壁内环回地导引一些蒸发管，使燃烧室与水平烟道连接部位附近在直流式锅炉运行时的温度差特别小。因此在燃烧室与水平烟道连接处因紧邻的燃烧室蒸发管与水平烟道的蒸汽发生器管之间的温度差引起的热应力，在直流式锅炉运行时大大低于例如导致管子有断裂危险的值。在直流式锅炉中使用水平的燃烧室因而也可以有比较长的使用寿命。此外，通过针对基本上水平的热烟气主流方向来设计燃烧室，导致直流式锅炉特别紧凑的结构方式。其结果是，当直流式锅炉在电厂中与汽轮机装配在一起时，从直流式锅炉到汽轮机可以用特别短的连接管道。
下面借助附图进一步说明本发明的实施例，附图中：
图1用矿物燃料加热的按双烟道结构方式设计的直流式锅炉的示意侧视图；
图2为单根蒸发管的纵剖面示图；
图3为带有曲线K1至K6的坐标系；
图4为燃烧室与水平烟道连接段的示意图；
图5为燃烧室与水平烟道连接段的示意图；以及
图6为带有曲线U1至U4的坐标系。
在所有的附图中互相对应的部件用相同的附图标记表示。
图1所示用矿物燃料加热的直流式锅炉2配属于一个没有进一步表示的电厂设备，它还包括汽轮机装置。此直流式锅炉2设计用于在全负荷时的蒸汽生产能力至少为80kg/s。在直流式锅炉2内产生的蒸汽被利用来推动汽轮机，汽轮机本身又驱动发电机发电。由发电机发出的电流规定馈入联合电网或孤立电网。
用矿物燃料加热的直流式锅炉2包括按水平的结构方式设计的燃烧室4，沿热烟气流向在燃烧室下游通过水平烟道6连接一垂直烟道8。燃烧室4下部区通过一个漏斗5构成，它有一个对应于端点为X和Y的辅助线的上边缘。在直流式锅炉2运行时，矿物燃料B的灰通过漏斗5排入位于其下方的除灰装置7中。燃烧室4的外壁9由互相气密地焊接垂直排列的蒸发管10构成，其中往一些(例如N根)蒸发管中可平行地加入流动介质S。在这里，燃烧室4的外壁9是端壁11。除此之外，水平烟道6的侧壁12或垂直烟道8的侧壁14也都由互相气密焊接垂直排列的蒸汽发生器管16或17构成。往一些蒸汽发生器管16或17中可分别平行地加入流动介质S。
沿流动介质的流向，在燃烧室4的一些蒸发管10的上游连接有一个流动介质S的进口总系统18，而在下游连接有一个出口总系统20。进口总系统18包括一些平行的进口总管。为了将流动介质S供入蒸发管10的进口总系统18中，设有一管路系统19。该管路系统19包括多根并联的管道，它们分别与进口总系统18的进口总管之一连接。
按相同的方式，在水平烟道6侧壁12上可平行加入流动介质S的蒸汽发生器管16的上游连接有一个公共的进口总系统21，而在下游则连接有一个公共的出口总系统22。为了将流动介质S输入蒸汽发生器管16的进口总系统21内同样设有一管路系统19。该管路系统19也包括多根并联的管道，它们分别与进口总系统21的进口总管之一连接。
通过直流式锅炉2的这种具有进口总系统18、21和出口总系统20、22的设计，可以按这样的方式在燃烧室4并联的蒸发管10之间或在水平烟道6并联的蒸汽发生器管16之间特别可靠地平衡压力，即，分别使所有并联的蒸发管10或蒸汽发生器管16有相同的总压损失。这意味着受加热较多的蒸发管10或蒸汽发生器管16与受加热较少的蒸发管10或蒸汽发生器管16相比流量必须增加。
如图2所示，蒸发管10有管子内径D，在其内侧有肋40，肋构成一种多头螺纹并且其肋高为C。在垂直于管轴线的平面42与设在管内侧上的肋40侧面44之间的螺旋角α小于55°。所以，从蒸发管10的内壁向在蒸发管10内流动的流动介质S能实现特别有效的传热，与此同时使管壁有特别低的温度。
燃烧室4蒸发管10的管内径D根据蒸发管10在燃烧室4内的具体位置选择。以此方式使直流式锅炉2与各蒸发管10受到不同程度的加热状况相匹配。燃烧室4蒸发管10的这种设计，保证特别可靠地将各蒸发管10出口处的流动介质S的温度差保持得特别低。
作为用于减小流动介质S流量的手段是给部分蒸发管10配备节流装置，在附图中对此没有详细示出。节流装置设计为在一个位置减小管内径D的圆孔隔板，并在直流式锅炉2运行时促使受加热较少的蒸发管10内的流动介质S流量减少，由此使流动介质S的流量与加热情况相匹配。
此外，作为减小在蒸发管10中流动介质S流量的措施，是给管路系统19的一根或多根图中没有进一步表示的管道配备节流装置，尤其是节流附件。
相邻的蒸发管或蒸汽发生器管10、16、17按附图中未表示的方式沿其纵侧通过鳍板互相气密焊接。通过恰当选择鳍板宽度可以影响对蒸发管或蒸汽发生器管10、16、17的加热。因此具体的鳍板宽度与热烟气可预定的加热剖面相适应，后者取决于有关蒸发管或蒸汽发生器管10、16、17在直流式锅炉2内的位置。在这里，加热剖面可以是一种根据实验值确定的典型的加热剖面，也可以是一种粗略的估计。因此，即使对蒸发管或蒸汽发生器管10、16、17的加热有很大的差异，也能将蒸发管或蒸汽发生器管10、16、17出口处的温度差保持得非常小。以此方式可靠防止了因热应力引起的材料疲劳，其结果是保证直流式锅炉2有长的使用寿命。
在水平的燃烧室4的管系中应当考虑到，在直流式锅炉2运行时互相气密焊接的各根蒸发管10的受加热差别很大。因此，蒸发管10在其内肋、与相邻蒸发管10的鳍板连接及其管内径D等方面的设计应选择为，使所有的蒸发管10尽管加热不同但仍有基本相同的流动介质S出口温度，以及保证所有蒸发管10在直流式锅炉2的各种运行状态受到足够的冷却。在这种情况下，当直流式锅炉2运行时有些蒸发管10受到较少的加热，通过装入节流装置对此附加地予以考虑。
燃烧室4中蒸发管10的内径D根据它们在燃烧室4中的具体位置来选择。在直流式锅炉2运行时受到更强烈加热的蒸发管10有比那些在直流式锅炉2运行时受加热较少的蒸发管10更大的管内径D。因此，与具有相同管内径的情况相比，做到了提高在具有较大管内径D的蒸发管10内的流动介质S流量，并因而减少了由于加热不同而在蒸发管10出口处的温度差。另一项使蒸发管10流过流动介质S的流量与加热相适应的措施，是在部分蒸发管10内和/或在规定用于输送流动介质S的管路系统19内装入节流装置。为了反过来使加热与通过蒸发管10的流动介质S流量相匹配，鳍板宽度可根据蒸发管10在燃烧室4中的位置来选择。所有提及的措施使得即便在各蒸发管10受加热状况差别很大时，也仍能在直流式锅炉2运行时使蒸发管10内流动的流动介质S有基本上相同的单位吸热量，并因而在各蒸发管出口处的流动介质S只有小的温度差。蒸发管10的内肋设计为，在直流式锅炉2全负荷状态尽管受加热不同并且流动介质S流量不同也仍能保证特别可靠地冷却蒸发管10。
水平烟道6具有一些设计为屏形加热面的过热加热面23，它们按悬挂的结构方式基本上垂直于热烟气G的主流方向24布置以及它们用于流过流动介质S的管子相互并联。过热加热面23通常对流加热，并且沿流动介质流向连接在燃烧室4蒸发管10的下游。
垂直烟道8具有一些主要可对流加热的对流加热面26，它们由基本上垂直于热烟气G主流方向24排列的管子构成。这些用于流过流动介质S的管子相互并联。此外，在垂直烟道8内设有省煤器28。垂直烟道8出口侧通入另一个换热器，例如通入一个空气预热器，并从那里经滤尘器通入烟囱。处于垂直烟道8下游的构件在图中没有示出。
具有水平燃烧室4的直流式锅炉2设计为有特别低的结构高度并因而只有特别低的制造及装配费用。为此，直流式锅炉2的燃烧室4具有一些用于矿物燃料B的烧嘴30，它们装在处于水平烟道6高度位置的燃烧室4端壁11上。在这里，矿物燃料B可涉及固体燃料，尤其是煤。
为了使固体形式的矿物燃料B，例如煤，为获得特别高的效率而非常充分地烧尽，以及为了特别可靠地防止水平烟道6从热烟气方面看为第一个的过热加热面23材料损伤和例如由于其被加上高温的熔融灰造成污染，燃烧室4的长度L应选择为，超过直流式锅炉2满负荷运行时矿物燃料B的完全燃烧长度。长度L是从燃烧室4的端壁11到水平烟道6进口区32的距离。矿物燃料B的完全燃烧长度定义为在规定的平均热烟气温度时沿水平方向的热烟气速度乘以矿物燃料B火焰F的完全燃烧时间tA。对于具体的直流式锅炉2最大的完全燃烧长度在该直流式锅炉2满负荷运行时得出。燃料B火焰F的完全燃烧时间tA则是例如平均尺寸的煤粉粒在规定的平均热烟气温度下为完全燃烧所需要的时间。
为了保证特别有效地利用矿物燃料B的燃烧热，燃烧室4的长度L(以m计)根据在全负荷时从燃烧室4排出的热烟气G的出口温度TBRK(℃)、矿物燃料B火焰F的完全燃烧时间tA(S)和直流式锅炉2的蒸汽生产能力M(kg/s)恰当地选择。与此同时，燃烧室4的这一水平长度L至少是燃烧室4高度H的80％。在这里，高度H从燃烧室4漏斗5的上边缘(图1中用具有端点X和Y的辅助线标出)测量到燃烧室盖。燃烧室4的长度L近似通过函数(I)和(II)来确定：
L(M，tA)＝(C1+C2·M)·tA  (I)
和
L(M，TBRK)＝(C3·TBRK+C4)M+C5(TBRK)2+C6·TBRK+C7  (II)
其中C1＝8m/s，C2＝0.0057m/kg，C3＝-1.905·10-4(m·s)/(kg℃)，C4＝0.286(s·m)/kg，C5＝3·10-4m/(℃)2，C6＝-0.842m/℃，以及C7＝603.41m。
上述“近似”在这里指的是燃烧室4的长度L允许偏离通过相关函数确定的值+20％/-10％。在针对全负荷时给定的直流式锅炉2蒸汽生产能力M设计直流式锅炉2时，燃烧室4的长度L适用由函数(I)和(II)得出的值中较大的那个值。
作为直流式锅炉2的一种可能的设计的举例，在按图3的坐标系中表示了反映燃烧室4长度L与全负荷时直流式锅炉2蒸汽生产能力M关系的六条曲线K1至K6。下列参数分属于有关曲线：
K1：tA＝3S    按(I)；
K2：tA＝2.5S  按(I)；
K3：tA＝2S    按(I)；
K4：TBRK＝1200℃  按(II)；
K5：TBRK＝1300℃  按(II)；
K6：TBRK＝1400℃  按(II)。
因此，为了确定燃烧室4的长度L，例如当矿物燃料B火焰F的完全燃烧时间tA＝3S以及从燃烧室4排出的热烟气G出口温度TBRK＝1200℃时，适用曲线K1和K4。由此当直流式锅炉2全负荷运行时有一个预定的蒸汽生产能力M时，可得出：
当M＝80kg/s时，按曲线K4，长度L＝29m；
当M＝160kg/s时，按曲线K4，长度L＝34m；
当M＝560kg/s时，按曲线K4，长度L＝57m。也就是说始终适用画成实线的曲线K4。
当矿物燃料B火焰F的完全燃烧时间tA＝2.5S以及从燃烧室排出的热烟气G的出口温度TBRK＝1300℃时，例如适用曲线K2和K5。由此当全负荷运行的直流式锅炉2有一个预定的蒸汽生产能力M时，可得出：
当M＝80kg/s时，按曲线K2，长度L＝21m；
当M＝180kg/s时，按曲线K2和K5，长度L＝23m；
当M＝560kg/s时，按曲线K5，长度L＝37m。也就是说，在M≤180kg/s时适用画成实线的曲线K2部分而不适用在这一数值范围内画成虚线的曲线K5。对于大于180kg/s的M值，适用画成实线的曲线K5的部分，而不适用在这一数值范围内表示为虚线的曲线K2。
当矿物燃料B火焰F的完全燃烧时间tA＝2S以及从燃烧室4排出的热烟气G出口温度TBRK＝1400℃时，例如适用曲线K3和K6。由此在全负荷运行的直流式锅炉2有一个预定的蒸汽生产能力M时，得出：
当M＝80kg/s时，按曲线K3，长度L＝18m；
当M＝465kg/s时，按曲线K3和K6，长度L＝21m；
当M＝560kg/s时，按曲线K6，长度L＝23m。也就是说对于M≤465kg/s时适用在此范围内画为实线的曲线K3而不适用在此范围内画为虚线的曲线K6。对于大于465kg/s的M值，则适用画为实线的曲线K6部分，而不适用画为虚线的曲线K3部分。
为了在直流式锅炉2运行时在燃烧室4出口区34与水平烟道6进口区32之间产生较小的温度差，蒸发管50和52在图1作出记号的连接段Z内按特殊的方式延伸。此连接段Z按不同的方案详细表示在图4和5中，它包括燃烧室4出口区34和水平烟道6进口区32。其中，蒸发管50是燃烧室4外壁9的一根与水平烟道6侧壁12直接焊接的蒸发管10，而蒸发管52是燃烧室4外壁9与它直接相邻的一根蒸发管10。蒸汽发生器管54是水平烟道6的一根与燃烧室4外壁9直接焊接的蒸汽发生器管16，而蒸汽发生器管56是水平烟道6侧壁12与之直接相邻的一根蒸汽发生器管16。
按照图4，蒸发管50首先在燃烧室4外壁9进口段E上方进入此外壁9。蒸发管50进口侧通过管路系统19与省煤器26连接。由此在直流式锅炉2起动前使蒸发管50除气并因而使流动介质在蒸发管50中特别可靠地流动。蒸发管50规定首先从上向下导引流动介质S。然后直接在进口总系统18的附近使蒸发管50的走向改变180°，所以流动介质S在蒸发管50内可进行从下向上的流动。在此蒸发管50进入燃烧室4外壁9的位置的上方，蒸发管50侧向，即朝烧嘴30方向错开一个管距向上引入外壁9。也就是说蒸发管50的后段与蒸发管50第一段竖直对齐地延伸。
水平烟道6侧壁12的蒸汽发生器管54在它从进口总系统21引出后首先在水平烟道6侧壁12的外部延伸。只有在蒸发管50侧向错开后继续延伸的位置的上方，蒸汽发生器管54才进入水平烟道6的侧壁12中。因此在燃烧室4外壁9与水平烟道6侧壁12的连接36处，下面部分属于燃烧室4的外壁9，而上面部分属于水平烟道6的侧壁12。蒸发管52或蒸汽发生器管56如其他的蒸发管10或蒸汽发生器管16那样垂直地在燃烧室4的外壁9中或在水平烟道6的侧壁12中延伸，以及进口端与进口总系统18或21连接，出口端与出口总系统20或22连接。
在图5中表示了燃烧室4外壁9与水平烟道6侧壁12连接段Z的另一种可能的实施形式。在这里，进口端通过管路系统19与省煤器26连接的蒸发管50在进口段E上方侧向错开一个管距进入燃烧室4外壁9中。在这里侧向错开一个管距的意思是，蒸发管50进入燃烧室4的外壁9中是在离开燃烧室4与水平烟道6连接处36一个管位处进行的。蒸发管50的走向在紧邻进口总系统18处改变90°，以及蒸发管50的走向是在燃烧室4外壁9的外部朝水平烟道6侧壁12的方向进行。在进入水平烟道6的侧壁12前，蒸发管50的走向再次改变90°成为朝出口总系统22的方向。在这种情况下，此蒸发管50离开燃烧室4与水平烟道6连接处36一个管位处垂直地引入水平烟道6的侧壁12中。在水平烟道6的侧壁12内，在蒸发管50进入燃烧室4外壁9的进口下方，蒸发管50重新进行一次方向变换成为侧向错开一个管位地沿垂直方向，所以现在此蒸发管50直接与燃烧室4和水平烟道6的连接处36接壤。在蒸发管50进入燃烧室4外壁9内的进口所在高度的上方，蒸发管50再次实施走向的变换，具体而言从水平烟道6的侧壁12引入燃烧室4的外壁9内。在燃烧室4外壁9内，蒸发管50最后一段沿燃烧室4与水平烟道6的连接36垂直地朝出口总系统20的方向延伸。
蒸发管52的走向依顺蒸发管50的走向。蒸发管52在蒸发管50进口下方进入燃烧室4外壁9，其进口端通过管路系统19与省煤器28连接。蒸发管52的进入在与燃烧室4和水平烟道6连接处36接壤的管位处进行。在蒸发管52进入燃烧室4外壁9内后，蒸发管52垂直地从上向下导引。在紧邻进口总系统18处，蒸发管52的走向改变90°为朝水平烟道6侧壁12的方向。在与燃烧室4和水平烟道6的连接36接壤的第一管位所在高度上，蒸发管52的方向再次改变90°并进入水平烟道6的侧壁12。从这一高度起蒸发管52垂直地在水平烟道6的侧壁12内延伸。因此构成了水平烟道6侧壁12到燃烧室4外壁9的连接管。蒸发管52在蒸发管52进入燃烧室4外壁9内的进口所在高度的上方离开水平烟道6的侧壁12，以便在蒸发管52进入燃烧室4外壁9进口的上方沿垂直方向导引，确切地说与蒸发管52进口垂直对齐。在蒸发管50进入燃烧室4外壁9的进口上方，蒸发管52的走向再次改变，以便与蒸发管50垂直对齐地在燃烧室4外壁9内垂直延伸。因此，蒸发管52的最后一段与蒸发管50的第一段垂直对齐地导引。不仅蒸发管50而且蒸发管52，在进口端均与在省煤器28与进口总系统18之间的管路系统连接，在出口端均与出口总系统20连接。
蒸汽发生器管54进口端与进口总系统21连接。在蒸汽发生器管54从进口总系统21引出后，蒸汽发生器管54在水平烟道6外部导引。在蒸发管50从水平烟道6侧壁12转入燃烧室4外壁9的上方，蒸汽发生器管54进入水平烟道6的侧壁12中。蒸汽发生器管54最后在水平烟道6侧壁12中延伸的那一段因而沿燃烧室4与水平烟道6的连接处36导引。因此，水平烟道6的侧壁12在连接处36其下部由蒸发管50构成，其上部由蒸汽发生器管54构成。
按照图5，蒸汽发生器管56进口端也与进口总系统21连接。蒸汽发生器管56首先在水平烟道6外部延伸。蒸汽发生器管56只是在这一位置的上方才进入水平烟道6的侧壁12内，即，在此位置蒸发管50的走向朝连接处36错开一个管位后变换到直接与连接处36接壤地导引。蒸汽发生器管54和56出口端分别与出口总系统22连接。
通过蒸发管50和52或蒸汽发生器管54和56的这种特殊的管子导引，在直流式锅炉2运行时，在燃烧室4与水平烟道6之间的连接处36的温度差特别可靠地保持得特别小。流动介质S以及蒸发管50或52在进口段E上方进入燃烧室4的外壁9内。蒸发管50和52或蒸汽发生器管54和56进一步的管子导引按这样的方式进行，即，当直流式锅炉2运行时，使蒸发管50和52也因而还包括在管内流动的流动介质S，在与蒸汽发生器管54、56和水平烟道6侧壁12的另一根蒸汽发生器管16进行直接连接前，通过加热得到预热。由此在直流式锅炉2运行时，在连接处36的蒸发管50和52相对于燃烧室4外壁9上与它们直接相邻的蒸发管10而言有更高的温度。
作为在燃烧室4蒸发管10内或在水平烟道6蒸汽发生器管16内流动介质S可能的温度Ts，在按图6的坐标系内针对图5所示的实施例画有曲线U1至U4，表示一些温度Ts(℃)与一根蒸发管10、50、52或蒸汽发生器管54、56从下向上被流过的部分的相对管长R(％)的关系。在这里，在所画的这些曲线中没有考虑水平导引区，亦即台阶。U1表示水平烟道6一根蒸汽发生器管16的温度变化曲线。U2则相反，表示蒸发管10沿其相对管长R的温度变化曲线。U3描述了特殊导引的蒸发管50从下向上被流过的部分的温度变化曲线，以及U4描述燃烧室4外壁9蒸发管52从下向上被流过的部分的温度变化曲线。借助于图示的曲线可以清楚看出，采用这种特殊的蒸发管50和52的管子导引，蒸发管10在燃烧室4外壁9内的进口段E与水平烟道6外壁12蒸汽发生器管16的温度差可以明显地减小。在此例中，蒸发管50和52在蒸发管50和52进口段E内的温度提高了45K。因此，在直流式锅炉2运行时，保证在燃烧室4与水平烟道6之间的连接处36，在蒸发管50和52的进口段E内和水平烟道6的蒸汽发生器管16内有特别小的温度差。
在直流式锅炉2运行时，向烧嘴30供应矿物燃料B，优选是固态煤。在这里烧嘴30的火焰F水平定向。采用燃烧室4的这种结构方式，使燃烧产生的热烟气G沿基本上水平的主流方向24流动。热烟气经水平烟道6进入基本上朝地面方向定向的垂直烟道8，之后离开垂直烟道去往图中未进一步表示的烟囱方向。
进入省煤器28的流动介质S到达直流式锅炉2燃烧室4蒸发管10的进口总系统18内。在直流式锅炉2燃烧室4垂直排列互相气密焊接的蒸发管10内使流动介质S蒸发并可能使其局部过热。由此产生的蒸汽或水汽混合物聚集在流动介质S的出口总系统20中。蒸汽或水汽混合物从那里经水平烟道6和垂直烟道8的壁进入水平烟道6的过热加热面23。在此过热加热面23内使蒸汽进一步过热，接着将它供给使用装置，例如用于驱动汽轮机。
通过蒸发管50和52的这种特殊的导引，在直流式锅炉运行时，燃烧室4出口区34与水平烟道6进口区32之间产生的温度差特别小。在这种情况下，通过根据全负荷时直流式锅炉2蒸汽产生能力M选择燃烧室4的长度L，保证特别可靠地充分利用矿物燃料B的燃烧热。此外，由于直流式锅炉非常小的结构高度和紧凑的结构方式，这种直流式锅炉2用特别低的制造和装配费用便能实现。在这种情况下可以采用一种用较少的工程费用可以制成的机架。此外，在包括汽轮机和这种低结构高度的直流式锅炉2的电站设备中，从直流式锅炉到汽轮机的连接管可以按特别短的方式设计。

Claims (19)

1.一种直流式锅炉(2)，它具有一个用于矿物燃料(B)的燃烧室(4)，沿热烟气的流向，该燃烧室的下游通过一个水平烟道(6)连接一垂直烟道(8)，该燃烧室(4)具有一些安装在水平烟道(6)高度位置上的烧嘴(58)，燃烧室(4)的外壁(9)主要由互相气密焊接的垂直排列的蒸发管(10)构成，可平行地往多根蒸发管(10)中加入流动介质(S)，以及，在包括燃烧室(4)出口区(34)和水平烟道(6)进口区(32)的一个连接段(Z)内环回地导引一些可平行地加入流动介质(S)的蒸发管(10、50、52)。
2.按照权利要求1所述的直流式锅炉(2)，其中，水平烟道(6)的侧壁(12)由互相气密焊接垂直排列可平行地加入流动介质(S)的蒸发管(10)构成。
3.按照权利要求1或2所述的直流式锅炉(2)，其中，垂直烟道(8)的侧壁(14)由互相气密焊接垂直排列可平行地加入流动介质(S)的蒸发管(17)构成。
4.按照权利要求1至3之一所述的直流式锅炉(2)，其中，就流动介质而言在多根可平行地加入流动介质(S)的蒸发管(10)的上游连接一个公共的进口总系统(18)，以及在其下游连接一公共的出口总系统(20)。
5.按照权利要求1至4之一所述的直流式锅炉(2)，其中，就流动介质而言，在水平烟道(6)或垂直烟道(8)的一些可平行地加入流动介质(S)的蒸汽发生器管(16、17)的上游连接一公共的进口总系统(21)，以及在下游连接一公共的出口总系统(22)。
6.按照权利要求1至5之一所述的直流式锅炉(2)，其中，燃烧室(4)外壁(9)是端壁(11)，可往端壁(9)的蒸发管(10)中平行地加入流动介质(S)。
7.按照权利要求1至6之一所述的直流式锅炉(2)，其中，就流动介质而言，燃烧室(4)端壁(11)的蒸发管(10)连接在燃烧室(4)另一些外壁(9)的上游。
8.按照权利要求1至7之一所述的直流式锅炉(2)，其中，燃烧室(4)中一些蒸发管(10)的管内径(D)根据蒸发管(10)在燃烧室(4)内的具体位置选择。
9.按照权利要求1至8之一所述的直流式锅炉(2)，其中，一些蒸发管(10)分别在其内侧带有构成多头螺纹的肋(40)。
10.按照权利要求9所述的直流式锅炉(2)，其中，在垂直于管轴线的平面(42)与设在管内侧上的肋(40)的侧面(44)之间的螺旋角(α)小于60。，优选小于55°。
11.按照权利要求1至10之一所述的直流式锅炉(2)，其中，一些蒸发管(10)分别具有一节流装置。
12.按照权利要求1至11之一所述的直流式锅炉(2)，其中，设有一用于将流动介质(S)输入燃烧室(4)蒸发管(10)内的管路系统(19)，为了减小流动介质(S)的流量，该管路系统(19)具有一些节流装置，尤其是节流附件。
13.按照权利要求1至12之一所述的直流式锅炉(2)，其中，相邻蒸发管或蒸汽发生器管(10、16、17)通过鳍板互相气密焊接，鳍板宽度根据蒸发管或蒸汽发生器管(10、16、17)在燃烧室(4)、水平烟道(6)和/或垂直烟道(8)中的具体位置选择。
14.按照权利要求1至13之一所述的直流式锅炉(2)，其中，在水平烟道(6)内按悬挂的结构方式设有一些过热加热面(23)。
15.按照权利要求1至14之一所述的直流式锅炉(2)，其中，在垂直烟道(8)内设有一些对流加热面(26)。
16.按照权利要求1至15之一所述的直流式锅炉(2)，其中，所述烧嘴(58)装在燃烧室(4)的端壁(11)上。
17.按照权利要求1至16之一所述的直流式锅炉(2)，其中，由从燃烧室(4)的端壁(11)到水平烟道(6)进口区(32)的距离定义的燃烧室(4)长度(L)至少等于满负荷运行时燃料(B)的完全燃烧长度。
18.按照权利要求1至17之一所述的直流式锅炉(2)，其中，燃烧室(4)的长度(L)作为全负荷时的蒸汽生产能力(M)、燃料(B)火焰(F)的完全燃烧时间(tA)和/或热烟气(G)从燃烧室(4)的出口温度(TBRK)的函数近似地按下列两个函数(I)和(II)选择，即
L(M，tA)＝(C1+C2·M)·tA  (I)和
L(M，TBRK)＝(C3·TBRK+C4)M+C5(TBRK)2+C6·TBRK+C7  (II)其中
C1＝8m/s，C2＝0.0057m/kg，C3＝-1.905·10-4(m·s)/(kg℃)，C4＝0.280(s·m)/kg，C5＝3·10-4m/(℃)2，C6＝-0.842m/℃，和C7＝603.41m，其中，对于一个预定的全负荷时蒸汽生产能力(M)，燃烧室(4)的长度(L)总是适用上面两个函数式得到的值中较大的那个值。
19.按照权利要求1至18之一所述的直流式锅炉(2)，其中，燃烧室(4)下部区设计为漏斗(5)。
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