TW201043874A - Once-through evaporator - Google Patents

Description

201043874 、 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係一種用於廢熱蒸汽發生器的臥式構造貫流式 蒸發器’此種貫流式蒸發器具有一個第一蒸發器加熱面， 及一個在流體介質側接在第一蒸發器加熱面之後的第二蒸 發器加熱面’其中第一蒸發器加熱面具有一定數量基本上 是垂直配置且由下往上被流過的第一蒸汽發生器管，第二 蒸發器加熱面具有一定數量基本上是垂直配置且由下往上 Ο 被流過的第二蒸汽發生器管。 【先前技術】 在燃氣及蒸汽輪機中，燃氣輪機排出的釋壓的工作介 質或熱氣所含的熱能會被用來產生蒸汽，以推動蒸汽輪 機》傳熱過程是於接在燃氣輪機之後的廢熱蒸汽發生器內 進行，在這個廢熱蒸汽發生器內通設有一定數量的加熱 面，其作用是將水預熱、產生蒸汽及使蒸汽過熱。這些加 熱面位於蒸汽輪機的水及蒸汽循環內。水及蒸汽循環通常 Ο 包括複數個（例如3個）壓力級，而且每個壓力級都可能有 一個蒸發器加熱面。 對在熱氣側接在燃氣輪機之後作爲廢熱蒸汽發生器的 蒸汽輪機而言，有多種可能的設計方式可供選擇，例如設 計成貫流式蒸發器或循環式蒸發器。在貫流式蒸發器中， 作爲蒸發管的蒸汽發生器管的是在一次貫流中將蒸汽發生 器管內的流體介質加熱到蒸發。反之，在自然或強制環式 蒸發器中，被引入循環的水在貫流過蒸發管時僅被部分蒸 201043874 發。未被蒸發的水在與所產生的蒸汽分開後，會再度流入 相同的蒸發管，以接受下一輪的蒸發。 不同於自然或強制環式蒸發器，貫流式蒸發器並不受 任何壓力限制。很高的新鮮蒸汽壓力有助於提高以化石燃 料加熱之發電廠的熱效率，因而可以減少二氧化碳的排 放。此外，貫流式蒸發器的構造比環式蒸發器簡單，因此 建造成本也比較低。因此，以按照貫流原理設計的蒸汽發 生器作爲燃氣及蒸汽輪機的廢熱蒸汽發生器，能夠以較簡 Ο 單的構造方式達到提高燃氣及蒸汽輪機的總效率的目的。 原則上作爲廢熱蒸汽發生器的貫流式蒸發器有兩種不 同的構造方式可供選擇，也就是直立式構造及臥式構造。 臥式貫流式蒸發器的設計方式是使加熱用的介質或熱氣 (例如燃氣輪機排出的廢氣）以接近水平的方式流過，反 之，直立式貫流式蒸發器的設計方式則是使加熱用的介質 以接近垂直的方式流過》 相較於直立式貫流式蒸發器，臥式貫流式蒸發器的製 〇 造方法比較簡單，而且製造成本及安裝成本也比較低。臥 式貫流式蒸發器的一個問題是，在流體介質側接在後面的 第二蒸發器加熱面的每一個管子列的蒸汽發生器管的內部 都可能出現不均勻的流體介質分佈，這會造成溫度偏斜， 進而因爲不同的熱膨脹而產生機械應力。爲了避免廢熱蒸 汽發生器受損，現有技術常用的方法是設置膨脹拱以抵銷 機械應用。但是這種措施對臥式廢熱蒸汽發生器而言在施 作上較爲費事。 201043874 【發明內容】 本發明的目的是提出一種用於上述廢熱蒸汽發生器的 貫流式蒸發器，此種貫流式蒸發器具有使用壽命長及構造 簡單的優點。 爲達到上述目的，本發明提出的方法是使一定數量的 第二蒸汽發生器管具有一內型材。 本發明的構想是，經由取消現有技術常有的膨脹拱， 而達到使廢熱蒸汽發生器及/或貫流式蒸發器的構造變得 Ο 特別簡單的目的。但這樣做就必須以其他的方式減少因溫 度傾斜在每一個管子列的並聯蒸汽發生器管內產生的機械 應力。尤其是受到水及蒸汽混合物沖擊的第二蒸發器加熱 面最容易產生這種機械應力。之所以會發生溫度傾斜是因 爲流到管子列的每一根管子的流體側入口的水及蒸汽各有 不同比例，因而使管子有不同的流量。管子內會有不同的 流量是因爲蒸汽發生器管內的摩擦壓損小於地形壓損的關 係。由於摩擦壓損較小，因此流體介質之蒸汽比例很高的 Θ 流體能夠以相當快的速度流過單一蒸汽發生器管’而水比 例很高的流體則因爲質量造成的地形壓損較大而有流動停 滯的傾向。因此爲了使流量均勻，需提高摩擦壓損。爲了 達這個目的，可以使一定數量的第二蒸汽發生器管具有一 內型材，以提高摩擦壓損。 爲了額外產生很大的摩擦壓損，應縮小與管子內相鄰 之層狀交界層。在管子內形成湍流即可達到這個目的。使 流體介質產生渦流可以進一步強化這個效應。爲了產生渦 201043874 流，最好是將管子的內型材設計成螺旋彈簧狀。 在決定摩擦壓損的大小時’還應考慮其他的運轉參 數，例如管子的形狀、熱氣通道的尺寸、溫度關係等。一 種有利的方式是可以經由第二蒸汽發生器管調整規定的流 體介質的摩擦壓損，這可以透過爲內型材選擇適當的剖面 形狀來達到這個目的。這樣就可以更佳地避免溫度傾斜現 象的發生。 一種有利的方式是將製作成內肋條的內型材安裝到第 Ο 二蒸汽發生器管內。這樣就可以使貫流式蒸發器及/或廢熱 蒸汽發生器的構造變得非常簡單。 爲了能夠將內型材補安裝到現有的蒸汽發生器內’及/ 或使管子的形狀在蒸汽發生器的結構中具有更大的彈性’ 最好是將內型材製作成安裝在第二蒸汽發生器管內的裝入 式零件。也就是將內型材設計成獨立的裝入式零件’然後 裝到第二蒸汽發生器管內。 一種有利的方式是將一定數量的第二蒸汽發生器管在 ^ 熱氣側一個接一個連接成管子列。這樣做可以在一個蒸發 器加熱面內容納更多數量的並聯蒸汽發生器管，以擴大表 面積，使熱能更容易輸入。但是這樣做會使一個接一個排 列在熱氣流動裝置內的蒸汽發生器管受到不同程度的加 熱。尤其是在熱氣輸入側的蒸汽發生器管內的流體介質會 受到較大程度的加熱。經由前面所述的將內型材裝到第二 蒸汽發生器管內的方式，可以使蒸汽發生器管內達到與加 熱情況適配的流量。因此可以用簡單的構造方式使廢熱蒸 201043874 汽發生器達到很長的使用壽命》 一種有利的方式是在熱氣側將第一蒸發器加熱面接在 第二蒸發器加熱面之後。這樣做的優點是，使在流體介質 側接在後面並負責將已被蒸發的流體介質進一步加熱的第 二蒸發器加熱面位於熱氣管道中被加熱至較高溫度的區 域。 可以將這種貫流式蒸發器裝在廢熱蒸汽發生器中，以 便使廢熱蒸汽發生器能夠應用於燃氣及蒸汽輪機。在熱氣 〇 側蒸汽發生器最好是接在燃氣輪機之後。這樣做的優點是 可以在燃氣輪機之後設置一個補充燃燒室，以提高熱氣溫 度。 - 本發明的優點主要來自於將內型材裝到第二蒸汽發生 器管內，因此能夠改善流體的分佈，以及降低並聯蒸汽發 生器管的溫差及因此而產生的機械應力。因此廢熱蒸汽發 生器可以達到很長的使用壽命。此外，安裝內型材的其他 優點還包括不必設置膨脹拱，因此可以簡化廢熱蒸汽發生 〇 器及/或燃氣及蒸汽輪機發電廠的構造及降低成本。 【實施方式】 如第1圖所示，廢熱蒸汽發生器（2)的貫流式蒸發器（1) 接在一未詳細繪出之燃氣輪機的廢氣排放側之後。廢熱蒸 汽發生器（2)具有一道圓周外壁（3)，圓周外壁（3)構成一個 可供燃氣輪機排放的熱氣沿著箭頭（4)表示的接近水平的 熱氣流動方向流過的熱氣通道（5)。熱氣通道（5)內有一定數 量的按照貫流原理設計的蒸發器加熱面（8 ’ 1 〇)。第1圖的 201043874 實施例僅有兩個蒸發器加熱面（8，10)，但實際上也可以有 更多數量的蒸發器加熱面。 根據第1圖的實施例，蒸發器加熱面（8，10)各具有一 定數量的在熱氣流動方向一個接一個排列的管子列（11， 12)。第一個管子列（11，12)都有一定數量的在熱氣流動方 向並聯的蒸汽發生器管（13，14)，從圖式上每一個管子列 (11，12)都只有一根蒸汽發生器管（13，14)能夠被看見。第 一蒸發器加熱面（8)的供流體介質W流過且接近垂直排列 Ο 的並聯第一蒸汽發生器管（13)全部連接到其出口側的一個 共同集汽箱（15)。第二蒸發器加熱面（10)的供流體介質W 流過且接近垂直排列的並聯第二蒸汽發生器管（14)也是全 部連接到其出口側的一個共同集汽箱（1 6)。也可以爲兩個 蒸發器加熱面（8，10)設計另外一種較爲複雜的集汽系統。 第二蒸發器加熱面（10)的第二蒸汽發生器管（14)接在第一 蒸發器加熱面（8)的第一蒸汽發生器管（13)之後，且二者係 以下降管（17)彼此連接。 〇 流體介質W能夠沖擊由蒸發器加熱面（8，10)構成的蒸 發系統’流體介質w只需流過蒸發系統一次就會全部被蒸 發，並在離開第二蒸發器加熱面（10)後成爲蒸汽D被排出。 由蒸發器加熱面（8，10)構成的蒸發系統位於一個未在圖式 中詳細繪出的蒸汽輪機的水及蒸汽循環內。除了由蒸發器 加熱面（8，10)構成的蒸發系統外，蒸汽輪機的水及蒸汽循 環還包括一定數量的在第1圖中僅以示意方式繪出的加熱 面（2 0)。例如，加熱面（20)可以是過熱器、中壓蒸發器、低 201043874 壓蒸發器、及/或預熱器。 第二蒸汽發生器管（I4)具有一個如第2圖及第3圖所 示之螺旋彈簧狀的內型材（22)。內型材（22)的剖面形狀能夠 使第二蒸汽發生器管（14)內的流體介質W經由渦流及湍流 產生的摩擦壓損大到能夠確保在管子列（1 1)內形成均勻流 動的程度。這樣就可以降低溫度傾斜。可以將製作成內肋 條（23)的內型材（22)直接安裝到第二蒸汽發生器管（14) 內。另外一種替代方式是將內型材（22)製作成裝入式零件 Ο (24)，這種方式對於補安裝現有的貫流式蒸發器（1)特別有 利。 第4圖及第5圖顯示內型材（22)對於降低溫差的效 果。這兩張圖是以曲線圖的方式顯示平均管壁溫度（25)及 出口管壁溫度（27)與管子入口處之流體介質之蒸汽含量（29) 的關係。第4圖顯示的是沒有安裝內型材（22)的情況。從 第4圖可以看出，視蒸汽含量（29)而定，平均管壁溫度（2 5) 會在460°C至36(TC的範圍變化，出口管壁溫度（27)會在 〇 W 480 °C至370 °C的範圍變化。從第5圖可以看出，相應的溫 度變化範圍縮減爲440。(：至390 1及470。(：至405 °C。由此可 看出入口處蒸汽含量不同之管子的溫差明顯降低。 經由降低流體側入D處蒸汽含量不同之管子的溫差’ 可以降低廢熱蒸汽發生器（2)承受的機械應力，而且由於不 需要設置膨脹拱的關係，因此還能夠同時具備構造簡單及 使用壽命長的優點》 【簡單圖式說明】 -10- 201043874

以下配 明。其中： 第1圖 第2圖 第3圖 圖。 第4圖 度與蒸汽含 第5圖 度與蒸汽含 在以上 系。 [主要元件 1 2 3〇 4 5 10 11 13 12 14

¥圖式及實施例對本發明的內容做進一步的說 一個臥式蒸發器的簡化縱斷面圖。 有安裝內肋條之蒸汽發生器管的縱斷面圖。 :有安裝裝入式零件之蒸汽發生器管的縱斷面 :未安裝內型材時，在加熱管入口處的管子溫 I關係圖。 :有安裝內型材時，在加熱管入口處的管子溫 I關係圖。 5圖式中，相同的元件均以相同的元件符號標 ί號說明】 貫流式蒸發器 廢熱蒸汽發生器 圓周外壁 箭頭 熱氣通道 第一蒸發器加熱面 第二蒸發器加熱面 管子列 第一蒸汽發生器管 第二蒸汽發生器管 集汽箱 -11- 201043874

17 下 降 管 20 加 熱 面 22 內 型 材 23 內 肋 條 25 平 均 管 壁 溫 度 27 出 P 管 壁 溫 度 29 蒸 汽 含 量 D 蒸 汽 W 流 體 介 質

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Claims (1)

1. 201043874 七、申請專利範圍： 1. 一種用於廢熱蒸汽發生器（2)的臥式構造貫流式蒸發器 (1)，具有一個第一蒸發器加熱面（8)，及一個在流體介質 側接在第一蒸發器加熱面（8)之後的第二蒸發器加熱面 (10)，其中第一蒸發器加熱面（8)具有一定數量基本上是 垂直配置且由下往上被流過的第一蒸汽發生器管（13)，第 二蒸發器加熱面（10)具有一定數量基本上是垂直配置且 由下往上被流過的第二蒸汽發生器管（14)，其特徵爲：一 〇 定數量的第二蒸汽發生器管具有一內型材（22)。 2. 如申請專利範圍第1項的貫流式蒸發器（1)，其中內型材 (22)爲螺旋彈簧狀。 3. 如申請專利範圍第1項或第2項的貫流式蒸發器（1)，其 中透過內型材（2 2)的剖面形狀，可以經由第二蒸汽發生器 管（14)調整規定的流體介質的摩擦壓損。 4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項的貫流式蒸發 器（1)，其中將製作成內肋條（2 3)的內型材（22)安裝到第二 Ο 蒸汽發生器管（14)內。 5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項的貫流式蒸發 器（1)，其中將內型材（22)製作成裝入式零件（24)安裝到第 二蒸汽發生器管（14)內。 6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項的貫流式蒸發 器（1)，其中將一定數量的第二蒸汽發生器管（14)在熱氣 側一個接一個連接成管子列（1 1)。 7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項的貫流式蒸發 -13- 201043874 器（1)，其中在熱氣側，第一蒸發器加熱面（8)接在第二蒸 發器加熱面（10)之後。 8·—種廢熱蒸汽發生器（2)，具有一個如申請專利範圍第1 項至第7項中任一項的貫流式蒸發器（1)。 9.如申請專利範圍第8項的廢熱蒸汽發生器（2)，其中在熱 氣側有連接一燃氣輪機。 〇

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