TWI245866B - Steam generator - Google Patents

Description

1245866 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種蒸汽產生器，其中在一近似水平之熱氣 體方向中可直通之熱氣通道中配置一種蒸發器-直通式加熱 面，其包含多個與一種流動介質之流動方向相平行而連接 之蒸氣產生管且須設計成使一加熱量較該同一蒸發器-直通 式加熱面之其它蒸氣產生管之加熱量還多之蒸氣產生管具 有一較其它蒸氣產生管還高之流動介質流通量。 在一種氣體-和蒸氣輪機設備中，在由氣體輪機而來之已 膨脹之工作介質或加熱氣體中所含有之熱量是用來產生該 蒸氣輪機之蒸氣。熱量之傳送是在連接於該氣體輪機之後 之餘熱蒸氣產生器中進行，在該餘熱蒸氣產生器中通常配 置多個加熱面以使水預熱，產生蒸氣且使蒸氣過熱。各加 熱面連接在該蒸氣輪機之水-蒸氣-回路中。該水-蒸氣-回 路通常包含多個（例如，3個）壓力級，其中每一壓力級可 具有一蒸發器加熱面。 就熱氣體側連接於該氣體輪機之後作爲餘熱蒸氣產生器 用之蒸氣產生器而言，可考慮其它多種設計槪念，即，設 計成直通式蒸氣產生器或設計成環繞式蒸氣產生器。在直 通式蒸氣產生器中，作爲蒸發器管件用之各蒸氣產生管之 加熱可使各蒸氣產生管中之流動介質在一次流過時被蒸 發。反之，在自然式-或強迫式之環繞式蒸氣產生器中該導 入至回路中之水在流經該蒸發器管件時只有一部份被蒸 發。未蒸發之水在與所產生之蒸氣分離之後重新傳送至同 1245866 一個蒸發器管件中以繼續蒸發 與該自然式-或強迫式之環繞式蒸氣產生器不同之處是： 直通式蒸氣產生器不受壓力所限制，使其對新生蒸氣壓力 而言可設計成廣泛地處於水之臨界（cntlCal)壓力（Pkri # 221 bar(巴））以上，在該臨界壓力時，類似流體之介質和類似蒸 氣之介質之間之密度差異很小且因此亦不能進行相位分 離。高的新生蒸氣壓力有利於高的熱效率且因此使燃燒化 石之發電廠之C02排出量較少。又，在與環繞式蒸氣產生 器相比較時’該直通式蒸氣產生器具有較簡單之構造且因 此能以特別少之費用來製成。使用一依據直通式原理所設 計之蒸氣產生器作爲該氣體-和蒸氣輪機設備之餘熱蒸氣產 生器’這樣能特別有利地以較簡單之構造使氣體-和蒸氣輪 機設備之總效率提高。 就製造費用（但這亦涉及所需之維修費用）而言，特別有 利的是提供一種以水平串接方式構成之餘熱蒸氣產生器， 其中加熱用之介質或熱氣或廢氣由氣體輪機中以接近於水 平之動方向經由蒸氣產生器而傳送。在以水平串接方式 構成之直通式蒸氣產生器中，一蒸發器-加熱面之各蒸氣產 生管依據其所在之位置而受到程度差異很大之加熱。特別 是在直通式蒸氣產生器之輸出側中與共同之收集器相連之 蒸氣產生管中，各別之蒸氣產生管受到不同程度之加熱時 會使蒸氣參數差異很大之蒸氣流聚在〜起，因此會造成不 期望之效率損耗，特別是會使相關加熱面之效果下降而使 蒸氣產生量較少。相鄰之蒸氣產生管受到不同之加熱（特別 1245866 是在各收集器之匯集區中）會使蒸氣產生管或該收集器受 損。使用一以水平串接方式構成之直通式蒸氣產生器作爲 氣體輪機用之餘熱蒸氣產生器時因此會在足夠穩定之流動 導引上造成很大之問題。 【先前技術】 由EP 0 944 80 1 B1中已知一種蒸氣產生器，其適合以水 平串接方式構成且同時具有上述直通式蒸氣產生器之優 點。該習知之蒸氣產生器之蒸發器加熱面連接成直通式加 熱面且設計成使一加熱量較同一蒸發器-直通式加熱面之其 它蒸氣產生管之加熱量還多之蒸氣產生管具有一較其它蒸 氣產生管還高之流動介質流通量。因此，在自然環繞式蒸 發器加熱面之流動特性（自然環繞式特性）中，習知之蒸氣 產生器之連接成直通式加熱面之蒸發器加熱面在各別之蒸 氣產生管受到不同之加熱時顯示一種自我穩定之特性，其 不需施加外部之影響即可使流動介質側受到不同加熱之相 並聯之蒸氣產生管上之輸出側之溫度被補償。當然，該習 知之蒸氣產生器就構造方面而言，特別是就該流動介質之 水側-及/或蒸氣側之分佈而言，較昂貴。 【發明內容】 本發明之目的是提供上述形式之蒸氣產生器，其能以特 別少之費用製成，且在不同之熱負載中具有〜特別高的機 械穩定性。 本發明中上述目的以下述方式達成：每一-或一蒸氣產生 管分別具有··一種近似垂直而配置之可由該流動介質在上 1245866 流方向中所流過之上升管件；一種在流動介質側連接於該 上升管件之後之近似垂直而配置之下降管件，其可由該流 動介質在下流方向中所流過；另一上升管件，其在流動介 質側連接於該下降管件之後且可由該流動介質在上流方向 中所流過。 本發明以下述之考慮爲出發點：對不同熱負載特別不敏 感之一種特別穩定之操作特性而言，在一可以特別少之安 裝-和製造費用來製成之蒸氣產生器中一自然環繞式特性之 用在習知蒸氣產生器中之設計原理應持續地擴大範圍以用 於蒸發器-直通式加熱面中且進一步改良。該蒸發器-直通 式加熱面應設計以用來施加較小之質量流密度，其具有較 小之摩擦壓力損耗。 一特別簡易-且亦很強固之構造方式因此能以下述方式達 成_•特別是與流動介質之收集和分佈有關之各加熱面以特 別簡易之方式構成。進行一完整蒸發（即，預熱，蒸發且至 少一部份過熱）之全部過程所需之各加熱面只適當地形成在 唯一之一級（Stage)中，即，流動介質之收集及/或分配用之 居中連接之各組件已不需要。通常設有其它之加熱面以便 對給水進行預熱或進一步使其過熱。因此，一方面爲了可 使上述過程之全部之步驟完全在各別之蒸氣產生管中進行 且另一方面在各蒸氣產生管對各步驟之需求和熱氣體通道 中之過程作gjf整時爲了可達成足夠之可變化性，則每一蒸 氣產生管在流動介質側都需具有三個前後相連之區段。 在上述之設計中爲/促進該流通現象所力求之自然環繞 1245866 式特性，則該蒸發-直通式加熱面之各蒸氣產生管須分佈 在（平行管之）至少三個區段中，其中第一區段包含全部之 上升管件且在上流方向中由流動介質所流過。第二區段包 含全部之下降管件且在下流方向中由流動介質所流過，使 該流動現象自動地由該流動介質之特性所支撐。熱氣體通 道中每一蒸氣產生管之形成該第二區段所用之下降管件在 熱氣體方向中觀看時分別配置在其所屬之上升管件之後。 第三區段包含其它全部之上升管件且在上流方向中由流動 介質所流過。 在特別有利之形式中’每一-或一蒸氣產生管之區段須定 位在該熱氣體通道中，使每一區段之加熱槪念（特別是在蒸 發過程中針對設在該處之各級）可在特殊之範圍中針對該熱 氣體通道中之局部性熱供應來調整。因此，熱氣體通道中 每一蒸氣產生管之形成該第三區段所用之其它上升管件在 熱氣體方向中觀看時適當之方式是分別配置在第一區段中 其所屬之上升管件和第二區段之下降管件之間。換言之， 適當之方式是各蒸氣產生管在空間中須定位在熱氣體通道 中，使由流動介質側觀看時配置著第一區段或該上升管 件，熱氣體側由流動介質側觀看時上流方向中配置著第三 區段或其它上升管件，且由流動介質側觀看時配置著第一 區段或該上升管件，熱氣體側由流動介質側觀看時下流方 向中配置著第三區段或其它上升管件。 在上述之配置中，各別之第一上升管件（其用來使該流動 介質之一部份被預熱且使大部份之流動介質被蒸發）受到” -10- 1245866 熱的煙氣區，，中之熱氣較大之加熱。因此可確保：在由各 別之第一上升管件所構成之整個負載區中該流動介質能以 較高之蒸氣成份而流過。這在該流動介質隨後進入連接於 後之下降管件時會造成下述現象：下降管件中一種對流動 穩定性不利之逆向於該流動介質之流動方向之氣泡之上升 即可避免。藉由下降管件配置在較冷之煙氣區中且第二上 升管件配置在第一上升管件和下降管件之間（即，煙氣側該 下降管件之前），則在較高之操作安全性下整體上該加熱面 可達成一種特別高之效率，其中第一上升管件可達成一種 預蒸發器之功能。 該蒸發器-直通式加熱面之一種特別簡單之構造（一方面） 且在施加不同之熱量時該蒸發器-直通式加熱面之特別小之 機械負載（另一方面）可以下述方式達成：在另一種有利之 形式中每一-或一蒸氣產生管之上升管件是與其所屬之下降 管件相連，且每一-或一蒸氣產生管之下降管件是與其所屬 之另一上升管件在流動介質側分別經由一過流件而相連。 上述之配置特別適合在熱交換負載中用來作膨脹補償， 使連接該上升管件和該下降管件或連接該下降管件和另一 上升管件所用之過流件可用作膨脹彎路，其可輕易地補償 該上升管件及/或下降管件及/或另一上升管件之相對長度 改變。藉由該過流件，則可使蒸氣產生管轉向至一由該上 升管件所設定之第一蒸發器級之上部區中且直接繼續前進 以及重新轉向至一由下降管件所形成之第二蒸發器級之下 部區中’該蒸氣產生管在第二蒸發器級之下部區中轉向且 -11 - 1245866 繼續前進至一由另一上升管件所形成之第三蒸發器級中。 每一-或該過流件可有利地設在熱氣體通道之內部中。但 另一方式是該過流件亦可伸出至該熱氣體通道外部，特別 是當該蒸發器-直通式加熱面由於可能需要排水而應使一種 排水收集器連接至該過流件時。 各蒸氣產生管可在熱氣體通道內部組合成管列，其中每 一管列分別具有多個垂直於熱氣體方向而相鄰配置之蒸氣 產生管。在此種形式中，各蒸氣產生管可有利地延伸，使 下降管件之加熱最少之管列或在熱氣體方向中觀看時最後 之管列配屬於形成該加熱最多之管列所用之上升管件（即， 在熱氣體方向中觀看時第一管列）。此外，適當之方式是將 多個蒸氣產生管之下降管件和上升管件互相定位在熱氣體 通道中，使熱氣體方向中觀看時位於前方之較遠之另一上 升管件配屬於熱氣體方向中觀看時位於後方之較遠之下降 管件。 藉由上述之配置，則加熱較多之其它之上升管件被供應 以預加熱較少之由下降管件流出之流動介質。 爲了對各管件之無菌之流通可確保一種所期望之自然環 繞式特性，則有利之方式是對各別之蒸氣產生管進行設 定，使其只包含：一上升管件；一在流動介質側連接於該 上升管件之後之下降管件；以及另一在流動介質側連接於 該下降管件之後之上升管件。 適當之方式是使用該蒸氣產生器作爲一氣體-和蒸氣輪機 設備之餘熱蒸氣產生器。該蒸氣產生器可有利地在熱氣體 -12- 1245866 側連接於一氣體輪機之後。在此種連接方式中，適當之方 式是在該氣體輪機之後配置一種附加燃繞室以提高該熱氣 體溫度。 以本發明所可達成之優點特別是在於：藉由各蒸氣產生 管之三級式配置，即，一在上流方向中可流通之上升管件， 一在下流方向中可流通之下降管件及一在流動介質側連接 於該下降管件之後之另一在上流方向中可流通之上升管 件，則只在特別簡單之一級（Stage)構造中即可完整地進行 該蒸發過程（即，一部份預熱，蒸發且一部份過熱），居中 連接之收集-或分配用之各組件即已不需要。因此，一種不 需水分離機之設計方式是可能的，其中在起動時可防止水 不期望地發射至該過熱器中或使該發射量保持很小，此時 爲了起始該起動過程只將水塡入各別之第一上升管件中， 水在起始該起動過程之後經由隨後之管件而完全蒸發或一 足夠多之成份被蒸發。 向下流通式之已加熱之蒸發器系統通常會造成流動不穩 定，這在強迫型直通式蒸發器中是不容許的。在以較低之 質量流密度流通時，由於較，小之摩擦壓力損耗而使該蒸氣 產生管能以可靠之方式達成一種自然環繞式特性，其在一 蒸氣產生管受到較另一蒸氣產生管還多之加熱時會在該加 熱較多之蒸氣產生管中造成一種較高之流動介質流通量。 在使用一種向下流通式區段時該自然環繞式特性亦可確保 該蒸氣產生管有一種足夠穩定之可靠之流通。 上述之特性能以特別少之構造上及安裝上之費用來達 1245866 成，此時該下降管件連接於其所屬之上升管件之後或另一 上升管件直接連接於其所屬之下降管件之後，居中連接之 昂貴之收集器或分配系統即已不需要。該蒸氣產生器在特 別穩定之流動特性中因此具有一較小之設備複雜性。此 外，上升管件，下降管件和每一蒸氣產生管之連接於該下 降管件之後之另一上升管件分別以懸掛之構造形式固定在 該熱氣體通道之外殻面之區域中，其中在下部區域中允許 一種自由之長度膨脹。此種與熱效應有關之長度膨脹現在 藉由一使各別之下降管件與上升管件相連所用之過流件或 藉由一使另一上升管件與下降管件相連所用之過流件而被 補償，使該熱效應不會造成應力。 【實施方式】 本發明之實施例以下將依據圖式來詳述。 第1圖之蒸氣產生器1在一種餘熱蒸氣產生器中在廢氣 側連接於一未顯示之氣體輪機之後。該蒸氣產生器1具有 一種圍繞壁2，其在近似水平之方向中形成一可經由箭頭 4所示之熱氣體方向X而直通之熱氣體通道6以供由氣體 輪機而來之廢氣所使用。在熱氣體通道6中分別配置多個 依據直通原理而設計之加熱面（亦稱爲蒸發器-直通式加熱 面8)，其係用來使流動介質蒸發。在第1圖之實施例中， 只顯示一個蒸發器-直通式加熱面8，但亦可設有較多之蒸 發器·直通式加熱面。 由蒸發器-直通式加熱面8所形成之蒸發器系統可施加以 流動介質W，其在一次流經該蒸發器-直通式加熱面8時被 > 14- 1245866 蒸氣產生管1 2中，該流動介質w之大地測量學之壓力貢 獻値在下降管件2 6之區域（不同於另一上升管件2 8之區域） 中產生一種促進流動（不是阻礙該流動）用之壓力貢獻。換 言之，未蒸發之流動介質W上之下降管件26中所存在之 水柱一起推動各別蒸氣產生管1 2之流動現象而不是造成 妨礙。 因此，該蒸氣產生管12整體觀之具有一較小之壓力損 耗。

在上述之構造中，各上升管件24，28和下降管件26以 懸掛之構造方式而掛在-或固定在熱氣體通道6之面上。反 之，各上升管件24之空間中所看到之下端和各下降管件26-及另一上升管件28(這些管件分別藉由其過流件30互相連 接）之下端在空間中並未固定在熱氣體通道6中。各蒸氣產 生管12之這些區段之長度膨脹因此可容許而不會有造成 損害之危險，其中各別之過流件30用作膨脹彎路。蒸氣 產生管1 2之上述配置在機械上特別有變化性且就熱應力 而言對所產生之不同膨脹是不敏感的。 蒸氣產生管12加熱量更多時（特別是其上升管件24)首先 會在該處造成蒸發速率之提高，其中由於蒸氣產生管12 之尺寸由於加熱更多而使流經加熱較多之該蒸氣產生管1 2 之流動速率提高。 此外，多個蒸氣產生管12之下降管件26和另一上升管 件28須互相定位在熱氣體通道6中，使在熱氣體方向X中 觀看時位於前方較遠處之上升管件2 4，2 8配屬於一在熱氣 -17- 1245866 體方向χ中觀看時位於較後方之下降管件2 6。藉由此種配 置，則加熱較多之上升管件24，28可與加熱較少之下降管 件2 6相連通。藉由此種相對之定位關係，則就流動而言 亦可在各管列1 4之間達成一種自我補償之效應。 由於蒸氣產生管1 2之特別明顯之自然環繞式特性，則該 特性在特定之範圍中對不同之局部性加熱具有一種自我穩 定之特性：一列加熱較多之蒸氣產生管1 2之熱量因此會 局部性地使較多之流動介質W供應至該列蒸氣產生管1 2 中’使由於已增大之冷卻作用而可自動地適應各別之溫度 値。流入該主收集器22中之新鮮蒸氣就其蒸氣參數而言 因此特別均勻而與各別流通用之管列1 4無關。 蒸發器-直通式加熱面8之出口以另一上升管件28之形 式在氣體側定位在第一上升管件 24( —方面）和下降管件 26(另一方面）之間，因此該蒸發器-直通式加熱面8具有一 種平均之氣體溫度範圍，此種蒸發器-直通式加熱面8之構 造上之特殊優點是：藉由此種定位，各別蒸氣產生管i 2 中該流動介質之太大之過熱現象在該蒸發器-直通式加熱面 8之出口處亦能以自然方式來避免。 【圖式簡單說明】 第1圖 以水平串接方式構成之蒸氣產生管之已簡化之縱 切面。 主要元件之符號表： 1 蒸器產生器 2 圍繞壁 -18- 箭頭 熱氣體通道 蒸發器-直通式加熱面 加熱面 蒸器產生管

管歹U 分配器 出口收集器 主分配器 主收集器 上升管件 下降管件 上升管件 過流件 蒸氣

流動介質 熱氣體方向 -19-

Claims (1)

1245866 拾、申請專利範圍： （ 1 ¢.' V- ' £ 第93 1 00 67 5號「蒸氣產生器」專利案 (2005年7月修正） 1. 一種蒸氣產生器（1)，其在一近似水平之熱氣體方向U)中 可流通之熱氣體通道（6)中配置一蒸發器-直通式加熱面 (8) ’其包含多個平行於該流動介質（W)之流通方向而相 連接之蒸氣產生管（12)且須設計成使一加熱量較該同一 蒸發器-直通式加熱面（8)之其它蒸氣產生管（12)之加熱量 還多之蒸氣產生管（12)具有一較其它蒸氣產生管（12)還高 之流動介質（W)流通量，其特徵爲： 每一或一蒸氣產生管（12)各具有三個前後相連區段之管 件，包括：一近似垂直而配置之可由該流動介質（W)在上 流方向中所流過之上升管件（24); —在流動介質側連接 於該上升管件之後之近似垂直而配置之下降管件（26)， 其可由該流動介質（W)在下流方向中所流過；與另一近似 垂直而配置之上升管件（2 8)，其在流動介質側連接於該 下降管件之後且可由該流動介質（W)在上流方向中所流 過。 2 .如申請專利範圍第1項之蒸氣產生器（1 )，其中各別之蒸 氣產生管（12)之另一上升管件（2 8)在熱氣體通道（6)中於熱 氣體方向（X)觀看時是配置在其所屬之上升管件（24)和其 所屬之下降管件（2 6)之間。 3.如申請專利範圍第1或2項之蒸氣產生器（1)，其中每一-或一蒸氣產生管（12)之上升管件（24)是與其所屬之下降管

1245866 件（2 6)相連接且該下降管件（2 6)在流動介質側經由過流件 (3 0)而與其所屬之另一上升管件（2 8)相連接。 4 .如申請專利範圍第3項之蒸氣產生器（1 )，其中各別之過 流件（30)配置在熱氣體通道（6)中。 5. 如申請專利範圔第1項之蒸氣產生器（1)，其中多個蒸氣 產生管（12)之另一上升管件（28)和下降管件（26)在該熱氣 體通道（6)中須互相定位，使一在熱氣體方向（X)觀看時位 於前方較遠處之下降管件（2 6)配屬於一在熱氣體方向（X) 觀看時位於後方較遠處之另一上升管件（2 8)。 6. 如申請專利範圍第1項之蒸氣產生器（1)，其中多個蒸氣 產生管（1 2)分別包含多個在流動介質側交替地前後相連 之上升管件（24)，下降管件（26)和另一上升管件（28)。 7. 如申請專利範圍第1項之蒸氣產生器（1)，其中熱氣體側 有一氣體輪機連接於該蒸氣產生器（1)之前。 1245866

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