CN1831426A - 超临界下射锅炉 - Google Patents

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Abstract

一种用于加热水的下射锅炉，其包括：一个第一燃烧室；至少一条用于传输水的管道，这条或每条管道至少部分地位于第一燃烧室；和加热该第一燃烧室的加热装置，该加热装置包括一个下射燃烧器；其中，锅炉适于将水加热到一种超临界状态。

Description

超临界下射锅炉
技术领域
本发明涉及锅炉。特别地，但不排它地，本发明涉及在超临界状态期间能使用低挥发性燃料的锅炉。
背景技术
现代的发电厂被设计成能够获得高效率。除了经济上的优势外，这还有环保的优势，比如燃料消耗、产生灰尘数量以及排放污染物和二氧化碳水平的减少。
多数过去十年一直在使用并使用矿物燃料的大型欧洲热能发电厂已经利用超临界蒸汽参数来获取更高的效率。这些电厂通常以煤粉技术(PC)为基础。蒸汽温度和压力在此期间持续升高。不过，达到的一个极限是锅炉管道和涡轮叶片所使用金属容许的最大温度。
在高效率蒸汽状态下利用低成本燃料具有优势。此外，与一个在亚临界蒸汽状态下运行的类似尺寸的单元相比，其排放将会被降低。
目前在使用的有两种类型的超临界锅炉设计。第一种类型在锅炉内利用垂直定向的管道并在稳定流体压力下运行。管道的尺寸必须恰当，其外径典型地介于60和70mm之间，并配置在锅炉较低部分的多路通道内，在该较低部分内设置有燃烧室，且热输入高。通过让流量多次通过该较低部分，每根管道的质量流量可以保持在一个足够高的数值，以确保充分的冷却。此外，流体在通道之间被混合，以减少流体温差。
通常，一种垂直管道配置不需要额外的支撑构件。管道直径不可以减小，因为其热力状态会很快导致管道故障。再者，减小管道直径会降低结构的完整性。
这种利用在恒定压力下运行的垂直定向管道的直流锅炉的配置是不大受欢迎的设计，原因在于由多路通道设计导致的运行困难和其它困难。
第二种类型的超临界锅炉利用管道的螺旋配置并容许流体压力随着变化的载荷而变动。通过将管道卷绕在锅炉上形成封闭，该螺旋配置利用更少的管道达到每根管道所需的流量。该配置还有利于将所有管道穿过所有的加热区，以在锅炉较低部分的出口保持一个大体上均匀的流体温度。不过，该管道对锅炉的卷绕增加了与制造和安装相关的成本和复杂性。再者，通常需要额外的垂直支撑条。还有，由于类似的热力状态占主导，就再次需要一个最小管道直径。
锅炉在类型上可以是自然循环式，辅助循环式或直流式。所有这些类型可以在次临界蒸汽状态下运行，但只有直流式锅炉有可能在超临界蒸汽状态下运行。该最常使用的直流式锅炉类型是Benson锅炉。它通常在功率水平达到1300MWe，蒸汽压力达到350巴，且蒸汽温度超过600℃或以上的情况下运行。这种锅炉可以提供一种有效的水/蒸汽循环，高蒸汽温度，蒸汽输出和蒸汽温度对于波动燃料特性的不敏感性，由于可变压力操作导致的快速载荷转变能力，和短起动时间。
在直流式锅炉中，质量流量通常太高，使得流量不能自然地再分布到具有更高热量输入的管道以防止过热。另外，一个高质量流量的直流式锅炉将会具有一种强制循环特征，使得流量随着增加的热量输入而降低。比普通管道吸收更多热量的一个自然循环锅炉的管道自然地通过更多流量，这就提高了冷却效果并防止管道过热，而在一个具有高质量流量的直流式强制循环锅炉中，吸收的热量比普通管道更多的管道容纳更少流量。这会导致温度的进一步升高和潜在的管道故障。
因此，垂直管道和螺旋管道超临界锅炉都需要一个相对高的用于冷却的每根管道的质量流量。
具有中等质量流量的锅炉设计已经在直流式强制循环锅炉中得到尝试。不过，这些锅炉通常具有比高质量流量设计更差的性能。在一个比普通管道吸收更多热量的管道内，当质量流量在载荷降低期间被减少时，剩余的流量将不太能提供可接受的冷却。
有利的是提供一种用于直流式锅炉的设计，这种直流式锅炉具有垂直管道和在载荷范围内以可变压力下操作的能力，同时其具有自然循环的特点，从而防止管道过热。希望质量流量低以促进自然循环特征，降低锅炉压力损失，并减少所需的泵功率。
一个新近的发展是利用具有一种较低质量流量的垂直管道系统，管道内部加肋或刻螺纹形凹线。一个内螺丝管(rifled tube)内的热交换得到改善，特别是在蒸发阶段，原因是离心力把湿蒸汽的液态水部分传送到管壁。所产生的壁的湿度使得从壁到流体传递更多的热量。一种利用刻螺纹形凹线的垂直管道配置容许具有一个较低质量流量的设计，这反过来改变了一种直流式系统的流量特征。对一个单独管道的增加的热量输入导致相关管道由于自然循环或正性流量特征而产生的增加的容许能力。
到目前为止，内螺丝管道系统不容许质量流量的充分减少，以使一个直流式锅炉在一种单个垂直通道内能够得到顺利的冷却。此外，试图实现优化的内螺丝管道系统会产生制造困难，使得它们不能以商业量来经济地生产。
尽管内螺丝管的生产有进展，但目前运行的大多数直流式锅炉具有用平坦内孔管建造的、用于高质量流量下的热交换需要的锅炉壁。虽然一些直流式锅炉利用内螺丝管，但是它们通常仍然在高质量流量下运行。
当使用低挥发性燃料比如煤时，存在特殊的问题。由于挥发性成分减少使得燃料的点燃，还有低的未燃烧碳水平变得更难于实现。为克服这些困难，有必要确保燃料在锅炉内的驻留时间更长。其它的要求是精细的燃料等级、仔细的进气、和优化的锅炉耐火盖板。
下射(downshot)，或‘W’火焰，锅炉技术最广泛地用于燃烧低挥发性煤。这些锅炉类型特别适合用于无烟煤，这种煤包含不到10％的挥发性物质(干燥，无灰)。不过，下射‘W’火焰锅炉的几何构造不适宜于采用直流式超临界蒸汽状态，原因在于复杂的制造、安装以及支撑具有优选管道系统螺旋配置的该下射锅炉配置
通常在下射锅炉的管道内使用分支件。这就是使锅炉内的所有管道被支撑并有一股水流用于冷却。
所有锅炉内的压力损失起因于两个主要来源：静压和动压损失。静压是由于一柱蒸汽和水的重量，因而依赖于相关的密度和高度。总静压降可以通过把高度和密度对回路高度积分得到。热量输入越大，产生的蒸汽越多，并且该较低密度产生一个较低的静压力。不过，一个较高的热量输入需要足够的冷却。
动压损失来源于液体和管壁之间的摩擦，该摩擦是从湍流中和通过加速流量产生的。这些损失是特定体积，管道几何结构和质量流量的函数。热输入越大，产生的蒸汽越多，且动压损失越大。
在合适的位置具有恰当的压力损失对利用垂直管道的一个低质量流量锅炉设计的成功至关重要。
高质量流量速率导致高动态损失。低质量流量速率的回路设计由静压降来控制。当施加额外的热量时，总压降减少。受影响管道内的流量必须增加以配合总回路压降(因而，一个正的流量特征)。随着水质量流量速率的减少，正的(positive)流量响应连续加强。不过，该较低的质量流量可能降低管壁的冷却。因此，存在一个最佳质量流量速率。
发明内容
按照本发明的第一方面，提供了一种用于加热水的下射锅炉包括：
一个第一燃烧室；
至少有一条管道用于传输水，该管道或每条管道至少部分地位于第一燃烧室；
加热第一燃烧室的加热装置，该加热装置包括一个下射燃烧器；
其中锅炉适于将水加热到一种超临界状态。
优选地，该管道或每条管道包括一个大体上为线性的部分。优选地，该管道或每条管道包括一个大体上垂直的部分。
优选地，该管道或每条管道的直径小于51mm。优选地，该管道或每条管道的直径小于38mm。优选地，该管道或每条管道的直径大约为25mm。
优选地，该管道或每条管道的内孔大体上是平滑的。优选地，该下射锅炉包括大量管道。
优选地，锅炉包括大量支撑构件。优选地，一个或更多的支撑构件配置在锅炉的前壁。优选地，一个或更多的支撑构件配置在锅炉的后壁。
优选地，该管道或每条管道有一个单独的入口和一个单独的出口。
按照本发明的第二方面，提供了加热水的一种方法，其包括：
在至少一条管道内，把水传送到配置在一个下射锅炉内的第一燃烧室；
使用一个下射燃烧器加热第一燃烧室，使得该管道或每条管道内的水被加热到一种超临界状态。
附图说明
现在参照附图，仅通过示例对本发明的一个实施例进行描述，其中：
图1是具有(a)一个垂直管道和(b)一个螺旋管道配置的超临界锅炉的一个正视图；
图2是(a)一个垂直管道锅炉，(b)一个螺旋管道锅炉和(c)一个如本发明锅炉的简图；
图3是一个典型锅炉质量流量响应的曲线图；并且
图4是如本发明的锅炉的正视图。
具体实施方式
图1(a)和(b)分别表示一个垂直管道和一个螺旋管道超临界锅炉，并且这些锅炉的流程图分别表示于图2(a)和(b)。锅炉100、102各有一个较低部分110，或第一燃烧室，和一个较高部分112。
锅炉100、102在较高部分112各有若干垂直定向的管道120，但在锅炉102的较低部分，螺旋锅炉109具有管道122的螺旋形配置。
在两个锅炉100、102中，通常管道的外径在20mm到40mm的范围内，且必须利用每根管道足够高的质量流量以确保充分的冷却。为了确保锅炉内蒸汽/水混合物的热交换有一个充分的驻留时间，垂直管道锅炉的管道120配置于较低部分110中的多路通道内，而在螺旋管道锅炉102中，这是用管道122的螺旋配置实现的。
图3表示管道流量响应率对应于质量流量速率绘制的通常关系。该图示出较高质量流量速率导致负的流量响应。在比其它管道更高的温度下，这增加了某些已经降低冷却、并在高于其它管道温度下运行的管道的风险，同时管道故障的风险增大。
图2(c)表示一个理想的流程图，其中，流量响应容许在较低部分110内有一个无需复杂管道配置的单独通道，并且具有充分的管道冷却。
图4表示一个如本发明的锅炉。通常，该锅炉被用来产生用于专用涡轮交流发电机组的蒸汽。若干支撑构件40提供对锅炉的结构支撑。
本锅炉是一个下射锅炉，并有一个限定第一燃烧室的较低部分10和一个较高部分12。加热装置是以若干下射燃烧器22的形式设置，下射燃烧室22安装在锅炉的拱形件14上，以将热量应用到较低部分10。在一个下射锅炉中，来自燃烧器22的已燃烧的燃料被导引到锅炉的底部。随后，锅炉的轮廓使得已燃烧的燃料向上传输，结果形成一种‘W’形火焰。下射锅炉广泛用于燃烧低挥发性煤，原因是它们在锅炉内为燃料提供更长的停留时间。
采用的燃料是煤，它首先被干燥并磨碎形成一种粉碎的燃料。它利用一种加热的空气流穿过管道20传输到下射燃烧器22。燃料被吹进锅炉的较低部分10以进行燃烧。
所释放的热量被吸收于锅炉壁14，它被承载超临界水和蒸汽流体的管道配置(未示出)冷却。这些管道配备于锅炉壁内，并且在方向上大体垂直。管道内孔刻出螺旋形凹线或加肋。被吸收的热量加热管道内的水和蒸汽超临界液体。
管道的配置使得管道内弯曲的数量最少。这部分地是利用垂直配置实现的。该管道配置导致适当部位的合适的压力损失，这对采用低质量流量的锅炉是重要的。
管道的外径通常在25mm到40mm的范围内，这显著地小于传统的自然循环式锅炉。这减少了负荷能力，但有助于采用一个较低的质量流量速率。通常地，当在一个比一般管道吸收更多热量的管道的载荷降低期间减少质量流量，剩余流量将不太能提供可接受的冷却。不过，当采用一个更小直径的管道时，载荷减小的影响并不太大。
已发现，更小直径的管道，刻出螺旋形凹线或加肋的内部管道孔，管道弯曲减少的数量，和管道垂直配置的结合都容许采用一个低质量流量。该低质量流量促进自然式循环，改善冷却，并且降低管道故障的风险。
一个较低质量流量可能降低管壁的冷却，因此存在一个最佳质量流量速率。这个最佳状态得自于一种特定应用的相应管道壁金属温度的计算。已发现如本发明的一个锅炉设计可以容易地提供该最佳状态。
如本发明的锅炉的其它优点包括锅炉压力损失最小，且所需的泵功率减少。
锅炉加热超临界水和蒸汽流体。在被传送到涡轮之前，超临界水和蒸汽流体然后利用一个主过热器33，一个屏式过热器30，和一个最后的过热器32在锅炉的较高部分12内被进一步过加热。
随着高功率涡轮机壳体内蒸汽的膨胀，在中等功率和低功率涡轮机壳体内的最后膨胀之前，蒸汽返回到锅炉中以便用再热器34重新加热。冷凝物抽回到锅炉内重复利用。
燃烧产物利用接受供应给到锅炉的水的节约器36来冷却。然后气体用若干下游工序来净化，以除去颗粒或不需要的气体，如一氧化硫或一氧化氮。
在不脱离本发明的保护范围内，可以做出多种修改和改进。

Claims (9)

1.一种用于加热水的下射锅炉，其包括：
第一燃烧室；
至少一条用于传输水的管道，该条管道或每条管道至少部分地位于第一燃烧室；并且
加热第一燃烧室的加热装置，该加热装置包括一个下射燃烧器；
其中，该锅炉适于将水加热到超临界状态。
2.如权利要求1所述的下射锅炉，其中，该条管道或每条管道包括一个大体上为直线的部分。
3.如权利要求1或2所述的下射锅炉，其中，该条管道或每条管道包括一个大体上垂直的部分。
4.如前述权利要求任一项所述的下射锅炉，其中，该条管道或每条管道的直径小于38mm。
5.如前述权利要求任一项所述的下射锅炉，其中，该条管道或每条管道的直径大约为25mm。
6.如前述权利要求任一项所述的下射锅炉，其中，该条管道或每条管道的内孔大体上刻有螺旋形凹线。
7.如前述权利要求任一项所述的下射锅炉，其中，该锅炉包括多个支撑构件。
8.如前述权利要求任一项所述的下射锅炉，其中，该管道或每条管道具有一单个的入口和一单个的出口。
9.一种加热水的方法，其包括：
在至少一条管道内将水传输到设置在下射锅炉内的第一燃烧室；并且
利用一下射燃烧器加热第一燃烧室，使得该管道或每条管道内的水被加热到超临界状态。
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Open date: 20060913