CN1853072A - 直流式蒸汽发生器及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流式蒸汽发生器(1)，其中，在一个可沿近似垂直的热燃气方向(Y)流过的燃气通道(6)内，设一个蒸发器连续加热面(8)，它包括一定数量用于流过流动介质(W)的相互并联的蒸汽发生器管(12)，按本发明的直流式蒸汽发生器应在即使供给比较高的质量流量密度的流动介质(W)时仍有特别高的运行稳定性及可靠性。为此，蒸发器连续加热面(8)按本发明包括一个可以被流动介质(W)沿相对于燃气通道(6)逆流流过的加热面段(20)，它在流动介质方面的出口(16)沿热燃气方向(Y)看定位为，使得在运行状态取决于压力在蒸发器连续加热面(8)内形成的饱和蒸汽温度，与在运行状态在加热面段(20)出口(16)的位置处存在的热燃气温度的偏差，比一规定的最大偏差小。

Description

直流式蒸汽发生器及其运行方法

本发明涉及一种直流式蒸汽发生器，其中在一个可被热燃气沿近似垂直的方向流过的燃气通道内设一个蒸发器连续加热面，后者包括一定数量用于流过流动介质的相互并联的蒸汽发生器管。

在燃气和蒸汽轮机设备中，包含在来自燃气轮机的膨胀后的工质或热燃气内的热量，利用来产生用于蒸汽轮机的蒸汽。在一个连接在燃气轮机下游的废热锅炉内进行热交换，在废热锅炉内通常设一定数量的加热面，用于水的预热、发生蒸汽和使蒸汽过热。加热面连接在蒸汽轮机的水汽循环中。水汽循环通常包括多个，例如三个压力级，其中每个压力级可以有一个蒸发加热面。

对于在热燃气方面连接在燃气轮机下游作为废热锅炉的蒸汽发生器，可考虑多种不同的设计方案，亦即设计为直流式蒸汽发生器或设计为循环式蒸汽发生器。在直流式蒸汽发生器中，加热规定作为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。与之相反，在自然或强制循环式蒸汽发生器中，在循环中流动的水当通过蒸发管时仅部分蒸发。在此过程中没有蒸发的水在与产生的蒸汽分离后重新供给同一些蒸发管用于进一步汽化。

直流式蒸汽发生器与自然或强制循环式蒸汽发生器不同没有压力限制，所以新汽压力可以远远超过水的临界压力(P_kri≈221bar)，在此临界压力下在类似液体与类似蒸汽的介质之间只有小的密度区别。高的新汽压力有利于达到高的热效率，并因而有利于达到用矿物燃料加热的电厂低的CO₂排放。此外，直流式蒸汽发生器与循环式蒸汽发生器相比结构更加简单，因此生产成本特别低。因此，采用按直流原理设计的蒸汽发生器作为燃气和蒸汽轮机设备的废热锅炉，对于在结构简单的同时达到燃气和蒸汽轮机设备高的总效率是特别有利的。

这样一种废热锅炉在技术上可以这样特别简单地实施，即，使燃气轮机供给锅炉的热燃气可沿垂直的方向尤其是从下向上流过燃气通道。在这种情况下对于构成蒸发器连续加热面的流动介质方面和热燃气方面的连接法，原则上考虑两种可能的方案：一种是，铺设在燃气通道内部的蒸汽发生器管被流动介质沿所谓的交叉/逆流流过，这意味着流动介质在横向于燃气流方向地横贯燃气通道的彼此相继的流道内流过每根加热面管，因此称为交叉流连接法。从燃气通道的一侧向另一侧延伸的水平管段通过转向段互相连接，使得它们沿垂直方向彼此相继地逆燃气的流动方向被流动介质流过，因此称为逆流连接法。因此总体上涉及一种交叉与逆流连接法的混合形式。交叉流的特点对于下文的讨论并不重要。因此这种连接法在下面只称为逆流连接法。众所周知，按逆流连接的蒸发加热面在流动稳定性方面往往存在问题。尤其为了在蒸发加热面所有平行的管内流动的均匀分配，要求高昂的技术成本。

一种不同于逆流连接法的是所谓的顺流连接法，其中蒸汽发生器管沿交叉/顺流流过。按这种连接法，如在上面已说明的交叉流连接法中那样的水平延伸的管段借助转向管段互相连接，只是现在它们沿垂直方向彼此相继地沿燃气流动方向被流动介质流过。因此总体上涉及一种交叉与顺流连接法的混合形式。交叉流的特点对于下文的讨论并不重要。因此这种连接法在下面只称顺流连接法。顺流连接法要求使用比较大的加热面，它们的制造和装配导致高昂的费用。

由EP 0 425 717A已知一种蒸汽发生器，它有所列举的直流式蒸汽发生器的优点。它的蒸发器连续加热面设计为逆流和顺流连接法的组合，为此一定数量的管段沿逆流方向连接，而一定数量的另一些管段沿顺流方向连接。通过这种连接方式，比单纯的逆流连接法能达到更高程度的流动稳定性。此外，可以降低在采用单纯的顺流连接法时必要的高的技术性及设备性费用。

原则上在按此类结构的蒸汽发生器可能存在的疑难问题是所谓的温度不平衡状态，亦即在流动介质方面并联的彼此相邻的蒸汽发生器管出口处的温度差，它们会导致管断裂或其他损坏。为避免这种温度不平衡，可以设计用于流动介质特别小的质量流量密度的直流式蒸汽发生器，然而这限制了蒸汽发生器设计参数选择时的灵活性。

因此本发明的目的是提供上述类型的直流式蒸汽发生器，它即使在加入比较大的流动介质质量流量密度时以及在蒸汽发生器管受不同加热的情况下，仍能有特别高的尤其面对温度不平衡的稳定性。此外应提供一种上述类型的特别适用于运行这种蒸汽发生器的方法。

按本发明为达到有关直流式蒸汽发生器方面的目的采取的措施是，使蒸发器连续加热面包括一个可以被流动介质沿相对于燃气通道逆流流过的加热面段，它在流动介质方面的出口沿热燃气方向看定位为，使得在运行状态在蒸发器连续加热面内形成的饱和蒸汽温度，与在运行状态在加热面段出口位置处存在的热燃气温度的偏差，比一规定的最大偏差小。

在这里，本发明考虑问题的出发点在于，当供给蒸发器连续加热面有较高的质量流量密度时，各管局部不同的加热可能以这样的方式影响流动状况，即更多加热的管中流过较少的流动介质，而较少加热的管被更多流动介质流过。在这种情况下更多加热的管比较少加热的管冷却得差，从而自动增大产生的温度差。为了在即使不对流动状况采取主动影响措施的情况下也能有效应对此问题，系统应当设计为适用于原则上和总体上限制可能的温度差。为此可利用这样的知识，即，在蒸发器连续加热面的出口处流动介质必须至少有基本上通过蒸汽发生器管内的压力决定的饱和蒸汽温度。但另一方面流动介质最高可以有在流动介质从蒸发器连续加热面出口处的热燃气所具有的温度。通过恰当地相互协调这两个完全界定了可能的温度区间的极限温度，便也可以恰当地限制最大可能的温度不平衡状态。通过将蒸发器连续加热面划分在一个出口侧逆流段内和一个在热燃气和流动介质方面均连接在此逆流段上游的另一段内，使出口可以沿热燃气方向自由定位，从而可以使用一个附加的设计参数。在这里，用于相互协调这两个极限温度特别恰当的措施是，沿热燃气的流动方向看将蒸发器连续加热面的出口有针对性地定位。

有利地，蒸发器连续加热面的出口相对于在燃气通道内热燃气的温度剖面的位置选择为，使最大偏差保持为约50℃，从而保证在可使用的材料与其他设计参数方面特别高的运行可靠性。

在所述结构形式的蒸汽发生器中存在的另一个问题是，可能因所谓的流动振荡危及流动稳定性。若在多次加热蒸汽发生器管时在蒸汽发生器管内部在那里发生汽化的区域明显地在管内部移动，则发生所述的流动振荡。在蒸汽发生器管内部汽化区域的转移，以不希望的方式影响蒸发器连续加热面内部流动的压力损失。因此，在对于蒸汽发生器管不用的加热如此敏感地反应的蒸汽发生器中，可以在所有蒸汽发生器管的进口设节流器，它们允许在一个比较大的范围内控制蒸发器连续加热面内部的流动压力损失。为了提供也为此适用的设计参数，蒸发器连续加热面有利地包括另一个流动介质方面连接在已提及的加热面段上游的加热面段，它在热燃气方面恰当地设在已提及的加热面段的前面。

在流动介质方面连接在所述加热面段上游的另一个加热面段有利地同样按逆流段设计，或与之不同相对于热燃气方向顺流连接。

通过在热燃气通道内如此布置加热面段，在很大程度上获得一种纯逆流连接法的优点，废气的热量有效地传输给流动介质，以及，与此同时达到在流动介质方面的出口处防止有害的温度差的高的固有安全性。

恰当地，此蒸汽发生器用作燃气和蒸汽轮机设备的废热锅炉。在这种情况下该锅炉有利地在热燃气方面连接在燃气轮机下游。在这种连接法中，恰当地可以在燃气轮机后面设一辅助燃烧室用于提高热燃气的温度。

为达到涉及方法提出的目的采取的措施是，使流动介质沿热燃气方向看在一个位置从蒸发器连续加热面排出，在此位置，在运行状态存在的热燃气温度，与在运行状态由于压力损失在蒸发器连续加热面内形成的饱和蒸汽温度的偏差，比一规定的最大偏差小。

有利地，流动介质在其从蒸发器连续加热面排出前相对于热燃气方向逆流流动。在相应的加热面段内，蒸汽发生器管因而被流动介质逆热燃气方向，亦即从上向下流过。在以此方式将流动介质供给蒸发器连续加热面时，可以比较方便地改变出口的位置以及能与在燃气通道内的热燃气温度剖面相适应。有利地，最大偏差规定为约50℃。

采用本发明获得的优点主要在于，通过从现在起规定的蒸发器连续加热面流动介质方面的出口与在燃气管道内热燃气的温度剖面相适应的定位，使得当流动介质蒸发时能达到的在流动介质的饱和蒸汽温度与热燃气温度之间总体上的温度区间在出口处限制在比较狭小的范围，所以与流动状况无关可以只有小的出口侧温度差。由此可以在任何运行状态保证流动介质的温度足够平衡。此外，蒸发器连续加热面通过将蒸发器连续加热面流动介质方面的进口恰当定位在蒸发器连续加热面燃气方面的进口处，就流动而言比纯逆流连接法更加稳定。由此保证蒸汽发生器特别高的流动稳定性和特别高的运行可靠性。但除此之外还保证对可能的出口温度的绝对值予以限制，从而可靠地保持低于由材料性质规定的允许的极限温度。

下面借助附图详细说明本发明的实施例。其中：

图1用简图表示直流式蒸汽发生器局部纵剖面；以及

图2表示按图1的直流式蒸汽发生器蒸发段的另一种设计。

在两个图中相同的部分采用同样的附图标记。

如图1所示的废热锅炉类型的直流式蒸汽发生器1连接在一台图中没有表示的燃气轮机的废气侧的下游。此直流式蒸汽发生器1有一外壁2，它构成用于来自燃气轮机的废气的可以沿一个近似垂直的用箭头4表示的热燃气方向Y流过的燃气通道6。在燃气通道6内设一定数量按直流原理设计的加热面，尤其是蒸发器连续加热面8。按图1所示的实施例中只表示了一个蒸发器连续加热面8，但也可以采用更多数量的连续加热面。

向由蒸发器连续加热面8构成的蒸发系统中加入一种流动介质W，它在一次性通过蒸发器连续加热面8时蒸发并在从蒸发器连续加热面8排出后作为蒸汽D引出，以及通常为了进一步过热被供给一过热加热面。由蒸发器连续加热面8构成的蒸发系统连接在汽轮机的没有进一步表示的水汽循环内。在汽轮机的水汽循环中，除蒸发系统外还连接另一些图1中没有表示的加热面。加热面可例如涉及过热器、中压蒸发器、低压蒸发器和/或预热器。

按图1的直流式蒸汽发生器1的蒸发器连续加热面8，包括按管束方式的多根用于流过流动介质W的相互并联的蒸汽发生器管12。在这里多根蒸汽发生器管12沿热燃气方向Y看总是并列地布置。图中只能看到如此并列布置的蒸汽发生器管之一。蒸汽发生器管12分别包括一定数量水平流过的管段，其中每两根通过一垂直流过的管段连接。换句话说，蒸汽发生器管蛇曲状地铺设在燃气通道6的内部。在如此并列布置的蒸汽发生器管12的上游，在流动介质方面在其进入蒸发器连续加热面8的进口13处，总是连接一个公共的进口集箱14，以及，在蒸汽发生器管12的下游在其从蒸发器连续加热面8的出口16处，总是连接一个公共的出口集箱18。

在直流式蒸汽发生器1的设计针对特别高的运行可靠性以及始终不逾地抑制甚至在供给比较高的质量流量密度时在出口16处相邻蒸汽发生器管12之间也称为温度不平衡状态的显著的温度差。此外，蒸发器连续加热面8在其流动介质方面看的后部区内包括一个加热面段20，它沿相对于热燃气方向Y的逆流连接。此外，蒸发器连续加热面8除加热面段20外还包括在流动介质方面连接在此加热面段20上游的另一个加热面段22。通过这种连接法，出口16的位置沿热燃气方向Y看可以选择。在直流式蒸汽发生器1中这一位置可选择为，使得在运行状态在蒸发器连续加热面8内形成的取决于压力的流动介质W饱和蒸汽压力，与在运行状态在加热面段20出口16的位置或所在高度上存在的热燃气温度的偏差，比规定的约为50℃的最大偏差小。因为在出口16处流动介质W的温度始终必须至少等于饱和蒸汽压力，但另一方面又不可能高于在此位置存在的热燃气温度，所以在加热不同的管之间可能的温度差，即使不采取其他对应措施，也能限制为规定的最大偏差约50℃。

此外，在技术成本有限的同时实现具有特别高的流动稳定性，可以通过使用一种由蒸汽发生器管的逆流连接法与顺流连接法的组合形式达到。在这种情况下第一加热面段20通过连接段24与第二加热面段22连接。此蒸发器连续加热面8包括另一个加热面段22、在流动介质方面连接在加热面段22下游的连接段24以及在流动介质方面连接在该连接段24下游的加热面段20。在按图1的实施例中，所述另一个加热面段22同样相对于热燃气方向4逆流连接。

如已证明的那样，无论在图1中表示的还是在图2中表示的另一种蒸发器连续加热面8连接法，均有特别高的流动稳定性，尤其是也可靠地防止了出现流动振荡。这种流动振荡发生在各蒸汽发生器管12不同加热时汽化区在所涉及的蒸汽发生器管12内部沿流动介质W的流动方向剧烈移动的情况下。流动振荡可以在这种情况下避免，即，在流动介质W内在流过蒸发器连续加热面8出现的压力损失，通过在管子进口处的节流器人为地增加。但在图1和2中所示的连接法中并不发生流动振荡的问题。业已证实，在不同加热时汽化区仅比较少地在各自的蒸汽发生器管12内部移动。因此，为了流动的稳定化仅需要人工少量地增加压力损失。

Claims (11)

1.一种直流式蒸汽发生器(1)，其中，在一个可被热燃气沿近似垂直的方向(Y)流过的燃气通道(6)内设有一个蒸发器连续加热面(8)，该蒸发器连续加热面(8)包括一定数量用于流过流动介质(W)的相互并联的蒸汽发生器管(12)以及一个可以被流动介质(W)沿相对于燃气通道(6)逆流流过的加热面段(20)，此加热面段在流动介质方面的出口(16)沿热燃气方向(Y)看定位为，使得在运行状态在蒸发器连续加热面(8)内形成的饱和蒸汽温度，与在运行状态在加热面段(20)出口(16)位置处存在的热燃气温度的偏差，比一规定的最大偏差小。

2.按照权利要求1所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，所述最大偏差规定至多为70℃。

3.按照权利要求1或2所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，它的蒸发器连续加热面(8)包括另一个在流动介质方面连接在所述加热面段(20)上游的加热面段(22)。

4.按照权利要求3所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，所述另一个加热面段(22)相对于热燃气方向(Y)逆流连接。

5.按照权利要求3所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，所述另一个加热面段(22)相对于热燃气方向(Y)顺流连接。

6.按照权利要求1至5之一所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，沿热燃气流向在它上游连接一燃气轮机。

7.一种直流式蒸汽发生器(1)的运行方法，该直流式蒸汽发生器包括一个可被热燃气沿近似垂直的方向(Y)流过的带有一个蒸发器连续加热面(8)的燃气通道(6)，该蒸发器连续加热面包括一定数量用于流过流动介质(W)的相互并联的蒸汽发生器管(12)，其中，流动介质(W)沿热燃气方向(Y)看在一个位置从蒸发器连续加热面(8)排出，在此位置，在运行状态存在的热燃气温度，与在运行状态由于压力损失在蒸发器连续加热面(8)内形成的饱和蒸汽温度的偏差，比一规定的最大偏差小。

8按照权利要求7所述的方法，其中，流动介质(W)直接在其从蒸发器连续加热面(8)排出前相对于热燃气逆流流动。

9.按照权利要求7或8所述的方法，其中，所述最大偏差规定至多为70℃。

10.按照权利要求7至9之一所述的方法，其中，流动介质(W)在其进入蒸发器连续加热面(8)之后即相对于热燃气逆流流动。

11.按照权利要求7至9之一所述的方法，其中，流动介质(W)在其进入蒸发器连续加热面(8)之后即相对于热燃气顺流流动。

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