TWI512241B - 貫流式蒸氣產生器 - Google Patents

Description

貫流式蒸氣產生器

本發明係有關於一種貫流式蒸氣產生器。

一種貫流式蒸氣產生器，具有一燃燒腔，其包含複數個石化燃料的燃燒器，以及由彼此氣密銲接的蒸氣產生器管件形成的封圍壁，其中燃燒腔於燃氣側之一上側區域經一水平氣流道續接一垂直氣流道，其中封圍壁位於水平氣流道下方朝向垂直氣流道的部分向內斜入，且因此與鄰接的水平氣流道底部形成伸入燃燒腔的突緣。

燃燒石化燃料的蒸氣產生器中，利用石化燃料的能量產生過熱蒸氣，然後例如在電廠中將其傳送至蒸氣渦輪機以產生電力。尤其在電廠環境常見的蒸氣溫度與壓力下，蒸氣產生器一般設成水管鍋爐型式，亦即送達的水流入複數個管件，其從燃燒器火焰以輻射熱的型式與/或藉燃燒生成的煙氣對流吸收能量。

於燃燒器區域，蒸氣產生器管件一般為相互氣密銲接，以形成燃燒腔壁。再者，於燃燒腔的煙氣側下游處，亦可續接設於廢氣通道的蒸氣產生器管件。

燃燒石化燃料的蒸氣產生器中，可依一些判準分類：蒸氣產生器一般設計成自然迴流式、強迫迴流式或貫流式。貫流式蒸氣產生器中，加熱於複數個氣化管件，以使氣化管件中的流質媒體於流通時完全氣化。流質媒體-一般為水-於氣化後送達氣化管件下游的過熱管件，並在此處變成過熱狀態。此描述嚴格說來僅於氣化裝置部分負載在低於水的臨界壓力(P_Kri ~221bar)下成立。為清晰起見，以下仍使用此描述。氣化終端，亦即流體中的水成分完全氣化之處，係為可變且因操作模式而不同。此類貫流式蒸氣產生器於全負載運作時，氣化終端可於例如氣化裝置管件的末端區域，使氣化的流質媒體之過熱狀態於氣化裝置管件已開始。

不同於自然迴流式或強迫迴流式，貫流式蒸氣產生器無壓力限制，故其蒸氣壓可遠超過水的臨界壓力。

在低負載運作下或啟動時，此類貫流式蒸氣產生器通常以氣化管件中流質媒體的最低流量運作，以確保氣化管件的冷卻。例如在低於設計負載40%之低負載下，單藉氣化裝置中貫流式的流量通常不足以冷卻氣化裝置管件，因此於流質媒體經氣化裝置之貫流外，以迴流添加一附加流質媒體。因此於啟動或低負載運作時，氣化管件中因運作型式而異的最低流量流質媒體未完全氣化，故在此類運作模式下氣化裝置管件終端尚有未氣化的流質媒體，尤其是水與蒸氣的混合物。

因為過熱管件通常位於貫流式蒸氣產生器的氣化裝置管件之燃燒腔壁下游，並非設計用於流通未氣化的流質媒體，故貫流式蒸氣產生器一般設計中，必須避免包括啟動與低負載運作時過熱管件進水。因此氣化管件通常經一水凝結系統連結其下游的過熱管件。其中水凝結器於啟動或低負載運作時將逸出氣化管件的水-蒸氣混合物分離成水與蒸氣。將蒸氣送達水凝結器下游的過熱管，並將凝結的水經由例如一幫浦再傳送至氣化裝置管件，或藉一去除器排出。

根據氣流流向可將蒸氣產生器再區分為例如垂直與水平型式。使用石化燃料的蒸氣產生器之垂直型式中，通常區分為單流鍋爐與雙流鍋爐。

單流或塔式鍋爐中，因燃燒在燃燒腔內產生的煙氣流動均為垂直由下往上。所有設於煙氣通道的熱壁面均於煙氣側位在燃燒腔上方。塔式鍋爐提供較簡單的設計且易於處理因熱膨脹造成管件中的張力。再者，設於煙氣通道的蒸氣產生器管件之所有熱壁面皆為水平，且因此可完全去水，尤其有利於霜害地區。

雙流鍋爐中，在煙氣側燃燒腔的上側區域續接一水平氣流道，其注入一垂直氣流道。此第二垂直氣流道中，氣體通常垂直由上往下流動。因此在雙流鍋爐中形成多次煙氣的轉向。此型式優點為例如較低的裝置高度與因此所致的較低製造成本。

雙流鍋爐型式的蒸氣產生器中，通常將壁面掛設於鍋爐支架，以於運作加熱時可自由向下膨脹。雙流蒸氣產生器通常於每一氣流設有四個壁面，其中應注意，個別氣流的壁面須均勻膨脹，否則將於個別壁面間的連結處產生不適當的張力。

再者，此類雙流鍋爐經常包含一所謂的燃燒腔突緣。此突緣為一突起處，係由在過渡至水平氣流道處向內斜入的燃燒腔壁與水平氣流道底部形成。此類燃燒腔突緣可改善過渡至水平氣流道處的煙氣流動。

然而此處缺點是，因有燃燒腔突緣，朝向水平氣流道與第二垂直氣流道的壁面所形成之燃燒腔背向壁的管件將中斷。背向壁的重量通常須藉突緣上下端間的特殊結構適當導送至鍋爐支架，以於加熱時或在因如內部壓力、煙灰積累或自身重量造成的負載下，使背向壁與其他壁面有同樣的運動。為解決此問題目前有不同方案：例如，可於突緣上端與下端設拉桿與彈簧或所謂的定力座，其於彈簧變形時依然傳遞近乎相等的作用力。此類設計適用於膨脹不均的壁面。然而，因例如變動的內部壓力或煙灰積累造成的不同負載將產生很高的張力於側壁連接處。此外，定力座價格昂貴。

另一方案為，於垂直方向將燃燒腔下部的管件一直延伸到鍋爐支架的掛接處。因此，從突緣下端到鍋爐支架的連結結構具有與側壁及前壁近乎相同的溫度。然而，突緣部分的管件必須另外處理，此意謂連結導管將提高成本。

再一方案為，分配突緣下端流質媒體側燃燒腔背向壁的管件，使部分管件伸至突緣處的管件，與此垂直的另一部分則伸至鍋爐支架。如此僅部分管件與流質媒體於突緣有作用，可能造成突緣冷卻不充分，因突緣由於深入燃燒腔的位置具有較高的熱吸收。相反地，在外部垂直向上的支撐管件之熱吸收則較低，可能造成流量的分佈問題。突緣以上的所有壁面管件與支撐管件於出口處均應具有盡可能一致的蒸氣溫度。再者，此方案中過渡至突緣管件處須有複雜的設計，如改變管件切割或須有其他管件形狀。

因此本發明的目的在於，提供一種貫流式蒸氣產生器，其具有高度運作可信度及簡化的結構。

本發明中為達上述目的，於突緣上端至少一部分蒸氣產生器管件之流質媒體側續接複數個支撐管件，其大致垂直導至突緣下端。

本發明的構思中考慮如下，若尤其於突緣區域處之背向壁的掛設係藉垂直設置的支撐管件形成，且因此無需額外的彈簧或定力座，則可使雙流型式的貫流式蒸氣產生器具有特別簡單的結構。其中為安全須注意，突緣因具有高熱吸收須有充份冷卻。因此考量，應將燃燒腔背向壁的下側區域中盡可能大部分管件引入突緣，以使近乎全部流質媒體可用於冷卻突緣。如此背向壁即無管件用作支撐管件。為此設置複雜的分配系統或分立的突緣管件將又導致額外的製作複雜性。

為解決上述似乎衝突的設計目的，應僅於突緣上端處將至少一部分管件由上向下設成相反於一般燃燒腔管件的氣流方向。此些管件可於與突緣下端的連接處作為背向壁的支撐管件。

較佳者，可於突緣上端另一部分蒸氣產生器管件流質媒體側下游設置複數個支撐管件，其大致垂直導至燃燒腔的頂面。如此亦可具有將突緣與銜接突緣的燃燒腔下部連結至頂面之支撐管件，且因此提供一穩固的掛接。因為此些支撐管件有流質媒體流通，其將如同燃燒腔其他部分膨脹，且於燃燒腔所有的四個壁面形成均勻膨脹，且於壁面連接處無不適當的張力。

另一較佳者，可於於封圍壁朝向垂直氣流道的部分之所有蒸氣產生器管件之所有蒸氣產生器管件後的流質媒體側接設突緣(14)之蒸氣產生器管件。如此可確保，來自燃燒腔背向壁或其下方蒸氣產生器管件的所有流質媒體流入突緣，以達成突緣充分冷卻。突緣由於突入燃燒腔內部具有極高熱吸收。

較佳者，於引至突緣下端的支撐管件下游設置位於突緣下端區域的收集器。此收集器可收集分枝到支撐管件的流質媒體，且經一對應的續傳通路送回系統使用。

為此，可於引至突緣下端的支撐管件下游處設置複數個連結導管，其匯入匯入燃燒腔上側區域的蒸氣產生器管件續接之管件。如此，分枝到支撐管件的媒體流係平行於燃燒腔上側區域其他蒸氣產生器管件並回流系統。因此可完全利用支撐管件中的媒體流。

本發明的優點尤在於，藉流質媒體側下游所設複數個支撐管件，其大致垂直導至突緣下端，可於突緣上端至少一部分蒸氣產生器管件上，以特別簡單設計達成，同時使蒸氣產生器具有極高的運作可信度。一方面為使鍋爐支架接收負載力完全使用蒸氣產生器管件，不用例如定力座的殊別設計，另一方面此設計可將背向壁上的所有水-蒸氣流用於突緣，故確保燃燒腔突緣充分冷卻。此外，管件壁大致等溫，無需另外繁瑣的突緣鑽孔或複雜的過渡管件幾合變化。

本發明之一實施例藉圖式詳細說明如下。第1圖為示意圖，顯示雙流型式石化燃料加熱的貫流式蒸氣產生器。第2圖為示意圖，顯示燃燒腔壁的個別蒸氣產生器管件之連結。圖中相同元件以相同符號表示。

如第1圖所示，貫流式蒸氣產生器1包含以垂直氣流道形成的燃燒腔2，其設於上側區域4水平氣流道6下游。水平氣流道6連結另一垂直氣流道8。

於燃燒腔2下側區域10設置複數個未詳加圖示的燃燒器，其燃燒置於燃燒腔2中的液態或固態燃料。燃燒腔2的封圍壁12由彼此氣密銲接的蒸氣產生器管件形成，經未詳加圖示的幫浦導入一般為水的流質媒體，其藉燃燒器所生熱能加熱。燃燒腔2的下側區域10中，蒸氣產生器管件可為螺旋造形或垂直。螺旋形式製作較為複雜，但其斜層效應-即平行設置管件中的不同流量與流質媒體溫度-比垂直管件的燃燒腔小。

再者，貫流式蒸氣產生器1包含可改善煙氣導流的突緣14，其直接連至水平氣流道6的底部16，且突入燃燒腔2。因透入燃燒腔2內部，突緣14具有極高熱吸收，因此應有特高的流質媒體通量，使突緣14充分冷卻。

蒸氣產生器1的流道掛設於支架18，使蒸氣產生器1的流道於加熱時可不受組地向下膨脹。為使尤其是蒸氣產生器1燃燒腔2所有壁面盡可能均勻膨脹，燃燒腔2的所有封圍壁12應具有大約相等溫度。最容易的方式是，全部承載結構均由蒸氣產生器管件組成。

為一方面提供尤為燃燒腔2封圍壁12朝向水平氣流道6的部分之承載結構，且另一方面確保充分冷卻突緣14，係將燃燒腔2封圍壁12朝向水平氣流道6之蒸氣產生器管件如裝設如第2圖所示。

燃燒腔2背向壁的下側部分之蒸氣產生器管件20首先於位置A(位置A至D的幾何亦顯示於第1圖)匯入收集器22且更導流至位置B。此處，來自A的總流量先導入突緣14的管件。因此來自燃燒腔背向壁之蒸氣產生器管件20的全部流量可用於冷卻突緣。

於位置，此總流量將分枝，一部分管件成為支撐管件24導至蒸氣產生器頂面的位置D，另一部分從位置C開始成為支撐管件26向下導至位置B。如此，支撐管件24與26係以蒸氣產生器管件形成燃燒腔背向壁之一連貫的承載結構。支撐管件26於位置B匯入收集器28，且媒體流可經一連結導管30導至位置B下游的管件或水-蒸氣-凝結系統。如此，亦可運用來自支撐管件26的媒體流。

1‧‧‧貫流式蒸氣產生器

2‧‧‧燃燒腔

4‧‧‧上側區域

6‧‧‧水平氣流道

8‧‧‧垂直氣流道

10‧‧‧下側區域

12‧‧‧封圍壁

14‧‧‧突緣

16‧‧‧底部

18‧‧‧支架

20‧‧‧蒸氣產生器管件

24,26‧‧‧支撐管件

22,28‧‧‧收集器

30‧‧‧連結導管

A,B,C,D‧‧‧位置

第1圖為示意圖，顯示雙流型式石化燃料加熱的貫流式蒸氣產生器；第2圖為示意圖，顯示燃燒腔壁的個別蒸氣產生器管件之連結。

14‧‧‧突緣

20‧‧‧蒸氣產生器管件

24,26‧‧‧支撐管件

22,28‧‧‧收集器

30‧‧‧連結導管

A,B,C,D‧‧‧位置

Claims (4)

1. 一種貫流式蒸氣產生器，其包含：一燃燒腔，其具有複數個石化燃料的燃燒器；該燃燒腔之一封圍壁，其由以氣密方式銲接的多個蒸氣產生器管件所形成；一水平氣流道；以及一垂直氣流道，其經由該水平氣流道連接於上側區域中燃氣側上之該燃燒腔下游，其中該封圍壁之朝向該垂直氣流道且於該水平氣流道下方的部分係向內傾斜，且因此連同相鄰的該水平氣流道之底部形成伸入該燃燒腔之一突緣，其中該等蒸氣產生器管件設置成使一整體質量流流出該封圍壁之朝向該垂直氣流道的該部分而進入該突緣中，其中多個支撐管件係於該突緣在流質媒體側的上端連接於該突緣之該等蒸氣產生器管件的至少一部分下游，運送該整體質量流之該等支撐管件係實質垂直導至在該突緣的下端之一第一收集器，以及其中該整體質量流係在該等蒸氣產生器管件下游的第二點分為該等支撐管件的兩部分，該等支撐管件的一部份係實質垂直地導至在該蒸氣產生器之外殼上的一第三點，且另一部份係自該第二點向下導入該第一收集器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之貫流式蒸氣產生器，其中該突緣之該等蒸氣產生器管件係在該流質媒體側上連接於該封圍壁之朝向該垂直氣流道的該部分之所有蒸氣產 生器管件下游被連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之貫流式蒸氣產生器，更包含有：一第二收集器，其設置於該突緣下端之一區域中，在導至該突緣的該下端的該等支撐管件下游。
4. 如申請專利範圍第1項所述之貫流式蒸氣產生器，更包含有：複數個連結導管，其連接於導至該突緣的該下端的該等支撐管件下游，其中該等連結導管係匯入該燃燒腔的該上側區域的該等蒸氣產生器管件下游之管件。