CN1856680A - 起动直流式蒸汽发生器的方法和实施该方法的直流式蒸汽发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流式蒸汽发生器(1)，它具有一个设在一个可被热燃气沿近似水平的方向(X)流过的热燃气通道(6)内的蒸发器连续加热面(8)，该蒸发器连续加热面包括一定数量用于流过流动介质(W)并联的蒸汽发生器管，以及具有一个连接在蒸发器连续加热面(8)下游的过热加热面(20)，该过热加热面包括一定数量用于流过汽化的流动介质(W)并联的过热管(20)，这种直流式蒸汽发生器应在生产和运行费用低的同时，能够比较简单和灵活地控制在过热加热面(20)出口(24)处的蒸汽(D)温度(T)。为此，将流动介质(W)的汽化终点按需要移入过热管内(22)。此外，在一种特别适用于实施此方法的直流式蒸汽发生器(1)中，将连续加热面(8)和过热加热面(20)联接成一个功能单元，使得过热加热面(20)可以作为蒸发加热面利用。

Description

起动直流式蒸汽发生器的方法和实施 该方法的直流式蒸汽发生器

本发明涉及一种按卧式结构的直流式蒸汽发生器，其中，在一个可沿近似水平的热燃气方向流过的热燃气通道内，设一个包括一定数量用于流过流动介质并联的蒸汽发生器管的蒸发器连续加热面和一个连接在此蒸发器连续加热面下游包括一定数量用于流过汽化的流动介质并联的过热管的过热加热面。本发明还涉及一种起动这种直流式蒸汽发生器的方法。

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，被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，因此产生成本特别低。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。

按卧式结构的废热锅炉在生产成本方面以及还在所需要的维护工作方面均有突出的优点，在这种废热锅炉中，来自燃气轮机的加热的介质或热燃气，亦即废气，沿近似水平的流动方向流过锅炉。例如由EP 0944801 B1已知这种锅炉。

出自于效率或排放的原因，在锅炉起动时值得追求的是尽可能短的所谓起动时间，也就是直至达到全负荷条件以及在完全加热时设备部件热平衡所需的时间。燃气轮机为了起动过程或为了负荷变换过程需要比较短的时间。因此，燃气轮机的废气可以相当迅速地达到高的温度。燃气轮机短的起动时间是希望的，因为这样一来在起动过程中随之而来的起动损失并因而燃气轮机的排放均保持低水平。

若如在燃气与蒸汽轮机设备中的情况那样在热燃气方面在燃气轮机的下游连接一个蒸汽轮机，则燃气轮机的废热在汽轮机的蒸汽发生器内作为热燃气利用。由于技术原因，尤其是其巨大质量的热惯性，汽轮机需要比燃气轮机更长的起动时间，并因而对于所需要的起动时间规定了下限。由于燃气轮机比汽轮机“先运行”，所以在燃气与蒸汽轮机设备起动过程中燃气轮机的废热不可能完全被汽轮机的蒸汽循环所吸收。因此在燃气与蒸汽轮机设备的起动过程期间，通常热水蒸气的主要部分借助一个所谓的旁路系统在蒸汽轮机旁经过导入凝汽器内。在此过程中用小部分蒸汽流小心地加热汽轮机，以避免会导致不允许的材料应力的高的温度变化速度。只有在汽轮机的这种比较漫长的加热过程后，才能向汽轮机加入全部蒸汽量并使之为整个设备的总功率作贡献。因此，在起动过程中，在一定的时间段内，只有燃气轮机提供可用功率。

为了将这一时间段保持得特别短或甚至尽可能完全避免，可以对在蒸汽发生器内形成的蒸汽在离开蒸汽发生器前进行冷却，直至其达到接近汽轮机设备中材料温度的温度水平。燃气轮机在起动方面比蒸汽轮机越“超前运行”，这种冷却的费用越昂贵。

通常，这种冷却在燃气与蒸汽轮机的起动过程中通过使用在连接在蒸汽发生器连续加热面下游的过热加热面内部的喷水冷却装置进行。当然，蒸汽的温度在从过热器排出时借助喷水冷却装置只能控制在某个界限内，所以即使采取了这种措施通常仍需保持一定的汽轮机预热时间。此外，使用单独的冷却装置技术性费用昂贵。

因此本发明的目的是提供一种用于起动上述类型直流式蒸汽发生器的方法，其中采取比较简单的措施能可靠地控制从过热加热面的管排出的蒸汽的温度以及达到比较短的起动时间。此外应提供一种特别适用于实施此方法的上述类型的直流式蒸汽发生器。

按本发明为达到涉及方法的目的采取的措施是，将流动介质的汽化终点暂时移入过热管内。

在这里，本发明考虑问题的出发点在于，为了降低汽轮机装配和运行时的技术成本，应当以特别简单的方式对过热加热面进行为使燃气轮机的起动时间有可能较短所必要的冷却。因此应有可能取消单独的冷却装置，例如喷水冷却器。省去单独的冷却装置可以这样达到，即，为避免过度加热蒸汽，制备出所述流动介质的一个在通过蒸发加热面后尚未汽化，亦即仍处于液态的部分，用于流过过热加热面。为此，水汽混合物应进入过热加热面的管内，这可通过增大给水输入达到。为了能够做到这一点，将蒸发加热面与过热加热面联接成一个功能单元。以此方式使液体介质-蒸汽混合物可直接从蒸发管溢流到过热管内。因此流动介质的汽化终点在需要时被移入过热加热面的管内。

在过热加热面出口处供给汽轮机的蒸汽温度，在这里有利地可直接通过给水流量控制。以此方式可以例如在起动过程或在燃气与蒸汽轮机设备的负荷变换期间，保证在过热加热面的蒸汽发生器管内部存在足够的液体介质，它通过汽化吸收热量而不提高温度，并因而减少在过热加热面出口处蒸汽的过热。反之，在设备正常运行时，此时汽轮机金属物质的温度已与高的蒸汽温度相适应，不再需要蒸汽有低的温度，因此将流动介质的汽化终点例如设在蒸发器连续加热面的出口就够了。这就有可能特别简单而与此同时又非常灵活地使蒸汽发生器出口处的蒸汽温度适应于汽轮机的运行状态。

恰当地，在过热加热面或蒸发加热面内部汽化终点的位置通过每单位时间流动介质供给的量来控制。以此方式汽化终点可以特别简单和灵活地与汽轮机的温度需求相协调。为了得到低的蒸汽温度，可例如在燃气与蒸汽轮机设备的起动过程中通过提高流动介质供给量，迅速增加在过热加热面内部尚未汽化的流动介质的份额，无需附加的用于冷却起先已强烈过热的蒸汽的装置。

按本发明为达到涉及直流式蒸汽发生器的目的采取的措施是，将蒸汽发生器的蒸发加热面与过热加热面联接成一个功能单元，使流动介质的汽化终点能移入过热加热面内。

在需要时利用过热加热面作为蒸发加热面，保证在燃气与蒸汽轮机设备不同的运行状态下蒸汽发生器特别灵活和经济地运行。在燃气与蒸汽轮机设备正常运行期间，不必要和甚至出自于效率的原因也不希望将蒸汽发生器的过热加热面利用于作为蒸发加热面。确切地说，蒸汽发生器应设计为使流动介质在蒸发加热面的出口处已经完全汽化，以便接着在流动介质方面连接在蒸发加热面下游的过热加热面的管内进行过热。在燃气与蒸汽轮机设备的起动过程中则相反，值得追求的是使未汽化的流动介质进入过热器中并在那里汽化，也就是说吸收潜热并以此方式降低在过热加热面出口处的蒸汽温度。为此所采用的在流动介质方面蒸发器连续加热面与过热机面的这种联接法，在这里优选地通过有意识地取消在蒸发加热面与过热加热面之间通常采用的水分离器的中间连接实现。

基于连续加热面与过热加热面合并成一个单元，不再存在任何必要性使用一个公共的出口集箱，用于来自一个管列的热燃气方面平行的管的蒸汽流和用于将此蒸汽流重新分配给过热加热面平行的管。与之相反优选地规定，按照在流动介质方面相互并联且没有逐段横向联通的单个管段的类型，在流动介质方面在过热管的上游分别连接一定数量分别配属的蒸汽发生器管，所以在蒸发加热面与过热加热面之间正好不进行流动介质的重新分配。因此也不存在流动介质的液相与汽相离析的危险。蒸发器的过度馈给，亦即增大流动介质的输入，使流动介质不能完全在蒸发加热面的管内部汽化，从而没有困难地可以实现液体介质-蒸汽混合物从蒸发加热面的管转移到过热加热面的管内，并因而可以在起动时或负荷变换时用于按需要降低过热加热面出口处的蒸汽温度。

合并由在流动介质方面并联和在热燃气方面按管排的方式前后排列的蒸汽发生器管排出的流动介质并转移到过热管内，恰当地分别借助一个适当设计的收集-分配装置进行，其中有利地在流动介质方面并联、在热燃气方面前后排列的蒸汽发生器管的下游，分别连接一个公共的将其纵轴线基本上平行于热燃气方向定向的收集器。在这里，收集器的数量恰当地等于设置在一个横向于热燃气方向延伸的管列内部的蒸汽发生器管的数量，所以在一个管列内部为每根蒸汽发生器管唯一性地正好配设一个收集器。

有利地，流动介质方面在过热加热面的下游连接一个分离器。它确保或许尚未汽化的，亦即在通过过热加热面后仍为液态的流动介质，不可能进入汽轮机内。

为了在只用低的生产和结构性费用的情况下，能达到特别高程度的流动稳定性及特别有利的加热剖面，有利地规定将连续加热面的蒸汽发生器管分别分成至少三个(平行管)分段，其中，每根管的第一段包括一个上升管段并沿向上的方向被流过。相应地，第二段包括一个下降管段以及沿向下的方向被流过。在这里每根蒸汽发生器管构成第二分段的下降管段在热燃气通道内沿热燃气方向看分别设在配属于它的上升管段的后面。第三分段包括另一个上升管段以及沿向上的方向被流过。

一根或每根蒸汽发生器管的这些分段在热燃气通道内有利地以这样的方式定位，即，使每个分段的加热需求特别恰当地适应于在热燃气通道内的局部热量供给。为此，每根蒸汽发生器管构成第三分段的另一些上升管段，在热燃气通道内沿热燃气方向看总是布置在与之配属的第一分段的上升管段与第二分段的下降管段之间。因此，按此布局，各个用于流动介质部分预热和大部分已经汽化的第一上升管段，通过在“高温烟气区域”内的热燃气受到比较强烈的加热。由此保证在整个负荷范围从各自的第一上升管段流出具有比较高的蒸汽含量的流动介质。这在随后导入连接在下游的下降管段中时导致在下降管段内始终不逾地避免汽泡逆流动介质的流动方向不利于流动稳定性的上升。也就是说，通过将下降管段布置在“冷的烟气区”内以及将另一个上升管段设在第一上升管段与下降管段之间，由于借此所达到的高的流动稳定性，保证了蒸发器加热面特别高的效率。

恰当地，所述蒸汽发生器用作一个燃气与蒸汽轮机设备的废热锅炉。在这种情况下有利地在热燃气方面将锅炉连接在燃气轮机下游。按此连接法，恰当地可以在燃气轮机后面设一辅助燃烧室，用于提高热燃气温度。

采用本发明获得的优点主要在于，可以用特别简单和技术性费用低的方法，通过利用原本就有的流动介质，在起动过程中实现在过热加热面出口处的蒸汽温度特别灵活地与汽轮机的运行状态相协调，从而可以以特别简单的方式在起动期间将直至向汽轮机加入用于功率输出的蒸汽的等待时间以及与之相关的功率迟延保持得特别少。

在这里特别有利的是取消了复杂的单独的冷却装置，例如喷水冷却装置。利用流动介质的液体部分及其吸纳潜热的能力，可以一种特别灵活和简单的方式实现控制和按需要降低在过热加热面出口处的蒸汽温度，在这种情况下不再需要通过喷水冷却装置冷却热的蒸汽和接着又重新加热。

下面借助附图详细说明本发明的实施方式。其中：

图1用简图表示卧式结构的一个直流式蒸汽发生器的纵剖面；以及

图2表示通过直流式蒸汽发生器一个收集器的纵剖面。

如图1所示的直流式蒸汽发生器1按废热锅炉的类型在废气方面连接在没有表示的一燃气轮机下游。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近似水平的用箭头4表示的热燃气方向X流过的热燃气通道6。在热燃气通道6内设一定数量按直流原理设计的加热面，用于流动介质的预热、蒸发和过热。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。

由蒸发器连续加热面8构成的蒸发系统可加入流动介质W，它在正常的负荷运行时在一次性通过蒸发器连续加热面8时完全蒸发。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。

按图1的直流式蒸汽发生器1的蒸发器连续加热面8，包括按管束形式的多根为流过流动介质W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X看总是并列地布置，从而构成所谓的管列。在图1中只能看到如此并列布置的蒸汽发生器管12之一。多根蒸汽发生器管12沿热燃气方向X看先后排列并因而构成所谓的管排。在这里，在流动介质方面在布置成一个管排的蒸汽发生器管12的下游分别连接一公共的收集器16。

在流动介质方面，在蒸发器连续加热面8的下游连接一个同样设在热燃气通道6内的过热加热面20。除蒸发系统和过热加热面20外，在汽轮机的水汽循环中还连接一定数量在图1中没有表示的另一些加热面，它们可例如涉及中压蒸发器、低压蒸发器和/或预热器。

此直流式蒸汽发生器1设计用于在起动过程中采取特别简单的措施，保证在构成过热加热面20的过热管22的出口处可靠的低的蒸汽温度。为此在需要时将流动介质W的汽化终点从蒸汽发生器管12移入过热管22内，所以尤其在起动或部分负荷区内通过适当调整向蒸汽发生器管12的流动介质W馈给量，及随后使之在过热管22内完成剩余汽化便可以达到特别低的过热。

收集器16设计为使它们能够将全部或部分汽化的流动介质W溢流到连接在蒸发器连续如热面8下游的过热加热面20内，与此同时不会发生流动介质W液相与汽相的离析。因此，此收集分配装置将蒸发器连续加热面8与过热加热面20连接成一个功能单元，使得流动介质W的汽化终点能移入过热加热面20内。

在正常运行时蒸发系统中由流动介质W产生的蒸汽D在构成过热加热面20的过热管22内被过热。沿热燃气方向X并列的过热管22的数量与蒸发系统管排的数量一致。因此，在一个管排的蒸汽发生器管12产生的蒸汽D总是聚集在一个收集器16内以及供给一根或两根过热管22，所以在流动介质方面每根过热管22上游总是连接一定数量分别配属的蒸汽发生器管12。通过这种布局实现的从蒸发系统直接溢流到过热管22内以及没有一个连接在蒸发系统与过热加热面20之间的分离器，可以有目的地将尚未汽化的，亦即还处于液态的流动介质W从蒸发系统带到过热管22内。通过由此达到的将流动介质W的汽化终点从蒸发系统移到过热管22内，可以达到按燃气与蒸汽轮机装置的运行状态所期望的降低在过热管22出口24处的蒸汽D温度。这通过在过热管22内汽化液体介质部分实现，也就是说在需要时利用过热加热面20作为蒸发加热面。

尤其在燃气与蒸汽轮机设备起动过程或负荷变换过程中，要求降低在过热管22出口24处蒸汽D的温度，因为汽轮机由于其与燃气轮机相比迟缓的特性，不允许在起动时蒸汽温度快速地追随废气温度。通过在需要时利用过热加热面20作为蒸发加热面，以特别简单和灵活的方式，可以使过热加热面20出口24处的蒸汽D温度，适应于汽轮机金属物质较低的温度，亦即使蒸汽D的温度降低。

通过将汽化终点能沿流动介质W用箭头26表征的流动方向Y移入过热管22内部，可以保证特别灵活地调整在过热加热面20出口24处的蒸汽温度T。沿流动方向Y处于比较近的前方，亦即处于收集器16附近的汽化终点，意味着液体介质-蒸汽混合物在过热加热面20内部低的热吸纳能力，并因而意味着在过热加热面20出口24处比较高的蒸汽D温度T。然而若汽化终点沿流动方向Y比较远地移入过热管22内，也就是说流动介质W比较晚才完全汽化，则液体介质-蒸汽混合物在过热加热面20内部的热吸纳能力强，以及在过热加热面20出口24处蒸汽D的温度T比较低。

汽化终点沿流动方向Y的位置并因而在过热加热面20出口24处蒸汽D的温度T，在本实施例中通过向蒸汽发生器管12的流动介质W供给进行控制，也就是通过给水流量控制。为此由中央控制装置相应地调整和控制给水泵的泵功率。若每单位时间供给蒸汽发生器管12比较大的流动介质W的量，则由热燃气提供使用的热量不足以完全汽化在蒸发器连续加热面8内部的流动介质W。也就是说每单位时间供给蒸汽发生器管12的流动介质W的量越大，在液体介质-蒸汽混合物内的液体介质份额越高，它从蒸发系统经由收集分配装置进入过热管22内。高的液体介质份额又引起液体介质-蒸汽混合物比较强的热吸纳能力以及比较低的出口温度T。以此方式可以用特别简单和灵活的方式仅仅通过增加每单位时间的流动介质W的供给，便能达到降低供给汽轮机的蒸汽D的温度T，以及反之，通过减少供给提高温度T。

此外，蒸发器连续加热面8还针对一种特别有利的加热特征设计。为了能采取特别简单的结构措施以特别可靠的方式保证这一点，蒸发器连续加热面8包括三个在流动介质方面串联的分段。蒸发器连续加热面8的每根蒸汽发生器管12在第一分段内包括一个近似垂直布置的可被流动介质W沿向上的方向流过的上升管段28。每根蒸汽发生器管12在第二段内包括一个在流动介质方面连接在上升管段28下游近似垂直布置的以及可被流动介质W沿向下的方向流过的下降管段30。每根蒸汽发生器管12在第三分段内包括另一个在流动介质方面连接在此下降管段30下游近似垂直布置以及可被流动介质W沿向上的方向流过的上升管段32。下降管段30在这里通过溢流段34与配属于它的上升管段28连接。按同一种方式，所述另一个上升管段32与配属于它的下降管段30通过溢流段34连接。沿热燃气方向X看，所述另一个上升管段32布置在第一上升管段28与下降管段30之间。

流动介质W的汽化终点从蒸发系统移入过热管22内，可以通过使用在图中详细表示的收集器16实现。通常，在蒸发器连续加热面8出口处绝大部分已汽化的流动介质W收集在出口集箱内，并通过一个分配器重新分配给连接在蒸汽发生器管12下游的过热管22。然而，当为一个管列的蒸汽发生器管12使用一个公共的收集器时和由此需要将流动介质W重新分配给过热管22，便存在液相与蒸汽相不希望地离析的危险。若反之如在本实施例中那样取消用于一个管列的蒸汽发生器管12的公共的收集器及分配器，代之以为一个管排的蒸汽发生器管12仅使用一个收集器16，则不再存在这种危险。液体介质-蒸汽混合物不发生离析地从一个管排的蒸汽发生器管12流入收集器16内，以及从那里流入连接在下游的过热管22中，不需要流动介质W的重新分配。通常连接在蒸发系统与过热加热面20之间的分离器36按照本发明则被布设在过热管22的出口24处。

Claims (10)

1.一种起动直流式蒸汽发生器(1)的方法，该直流式蒸汽发生器具有一个设在一个可被热燃气沿近似水平的方向(X)流过的热燃气通道(6)内的蒸发器连续加热面(8)，以及一个在流动介质方面连接在该蒸发器连续加热面(8)下游的过热加热面(20)，其中，所述蒸发器连续加热面(8)包括一定数量的用于流过一种流动介质(W)的相互并联的蒸汽发生器管(12)，所述过热加热面(20)则包括一定数量的用于流过汽化的该流动介质(W)的相互并联的过热管(22)，其中，所述流动介质(W)的汽化终点暂时迁移到所述过热管(22)内。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，所述流动介质(W)在所述过热加热面(20)出口(24)的温度，通过选择所述流动介质(W)在所述过热加热面(20)内汽化终点的位置进行控制。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其中，所述流动介质(W)的汽化终点通过供给所述蒸发器连续加热面(8)的流动介质(W)的馈给率来调整。

4.一种直流式蒸汽发生器(1)，其中，在一个可被热燃气沿近似水平的方向(X)流过的热燃气通道(6)内设有一个蒸发器连续加热面(8)以及一个连接在该蒸发器连续加热面(8)下游的过热加热面(20)，其中，该蒸发器连续加热面(8)包括一定数量的用于流过流动介质(W)的相互并联的蒸汽发生器管(12)，而该过热加热面(20)则包括一定数量的用于流过汽化的流动介质(W)的相互并联的过热管(22)，其中，所述蒸发器连续加热面(8)和过热加热面(20)联接成一个功能单元，使得所述流动介质(W)的汽化终点能移入所述过热加热面(20)内。

5.按照权利要求4所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，在流动介质方面在每根过热管(22)的上游分别连接一定数量的分别配属的蒸汽发生器管(12)。

6.按照权利要求4或5所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，在流动介质方面相互并联而在热燃气方面前后排列的蒸汽发生器管(12)的下游，分别连接一个公共的以其纵轴线基本上平行于热燃气方向(X)定向的收集器(16)。

7.按照权利要求6所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，所述收集器(16)的数量等于设置在一个横向于热燃气方向(X)延伸的管列内部的蒸汽发生器管(12)的数量。

8.按照权利要求4至7之一所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，在流动介质方面在所述过热加热面(20)的下游连接一个分离器(26)。

9.按照权利要求4至8之一所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，一根或每根蒸汽发生器管(12)分别包括一个近似垂直布置的可以被流动介质(W)沿向上方向流过的上升管段(28)、一个在流动介质方面和沿热燃气方向(X)连接在该上升管段(28)下游的近似垂直布置并可被流动介质(W)沿向下的方向流过的下降管段(30)、以及另一个在流动介质方面连接在该下降管段(30)下游的近似垂直布置并可被流动介质(W)沿向上的方向流过的上升管段(32)，该上升管段(32)沿热燃气方向(X)看设在所述上升管段(28)与下降管段(30)之间。

10.按照权利要求4至9之一所述的直流式蒸汽发生器(1)，其中，在热燃气方面在此直流式蒸汽发生器的上游连接一燃气轮机。

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