TWI529349B - 貫流式蒸發器及廢熱蒸汽發生器 - Google Patents

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Description

貫流式蒸發器及廢熱蒸汽發生器
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被流過的第二蒸汽發生器管。
在燃氣及蒸汽輪機中，燃氣輪機排出的解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。傳熱過程是在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為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，作為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 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為燃氣及蒸汽輪機的廢熱蒸汽發生器，能夠以較簡單的構造方式達到提高燃氣及蒸汽輪機的總效率的目的。
原則上作為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，於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，進而因為不同的熱膨脹而產生機械應力。為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 作上較為費事。
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。
為達到上述目的，本發明提出的方法是透過第二蒸汽發生器管的設計方式，使得在滿負載運轉時，第二蒸汽發生器管內的平均質流密度不會低於一特定的最低質流密度。
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為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。直接修改第二蒸發器加熱面的蒸汽發生器管的參數，即可達到很好的靜態穩定流動及特別簡單的廢熱蒸汽發生器構造的目的。也就是透過第二蒸汽發生器管的設計方式，使得在滿負載運轉時，第二蒸汽發生器管內的平均質流密度不會低於一特定的最低質流密度，即可減低第二蒸汽發生器管內的溫度傾斜。
特定的最低質流密度最好是180kg/m2s。為達到特定的質流密度而採取的蒸汽發生器管的設計方式，能夠使第二蒸發器加熱面的每一個管子列內的流動達到很好的靜態穩定，因而使第二蒸發器加熱面的每一個管子列的並聯蒸汽發生器管都能夠達到很好的溫度平衡。
管子內會有不同的質流密度是因為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為質量造成的地形壓損較大而有流動停滯的傾向。因此為了使流量均勻，需提高摩擦壓損。這可以經由為第二蒸汽發生器管選擇適當的內徑，以便在滿負載運轉時，第二蒸汽發生器管內的平均質流密度不會低於一特定的最低質流密度，而達到這個目的。
但是縮減內徑以確保最低質流密度的作法不應過度使用。不同的運轉參數可能會要求管子至少要具有一最小直徑。例如蒸汽發生器管的表面必須能夠輸入足夠的熱能。此外，蒸汽發生器管的外圍通常有用肋條加固，這也會要求蒸汽發生器管至少要達到一最小直徑。另外基於堅固性及穩定性的考量，對於蒸汽發生器管的最小厚度也會有所要求。另外一個重要的原因是，如果內徑太小，流體介質中水的地形壓損可能會太小，以致所希望出現的效應發生反轉，因而使水比例很高的流體在並聯蒸汽發生器管內的 流動速度過快。因此一種有利的方式是，第二蒸汽發生器管的內徑不應小於根據給定的運轉參數計算出的最小直徑。
第二蒸汽發生器管的內徑最好是在20mm至40mm之間。選擇這個範圍的內徑可以將蒸汽發生器管內的摩擦壓損限制在一個範圍內，在這個範圍內，水比例較高的流體及蒸汽比例較高的流體在流過蒸汽發生器管後的出口溫度的溫度傾斜較小，因此選擇這個範圍的內徑可以決定第二蒸汽發生器管內的質流密度。這樣就可以將廢熱蒸汽發生器的每一個管子列內的溫差降到最低，同時還能夠滿足其他的運轉要求。
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。在滿負載運轉時，前面所述的蒸汽發生器管的設計方式除了可以使蒸汽發生器管內的平均質流密度不會低於一特定的最低質流密度外，還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。在熱氣側蒸汽發生器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第二蒸汽發生器管的設計方式使得在滿負載運轉時，第二蒸汽發生器管內的平均質流密度不會低於一特定的最低質流密度，因此能夠達到很好的靜態穩定流動，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，採用本發明的蒸汽發生器管的設計方式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器及/或燃氣及蒸汽輪機發電廠的構造及降低成本。
以下配合圖式及一個實施例對本發明的內容做進一步的說明。
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(8，10)。第1圖的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(16)。也可以為兩個蒸發器加熱面(8，10)設計另外一種較為複雜的集汽系統。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。
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)後成為蒸汽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圖式中僅以示意方式繪出的加熱面(20)。例如，加熱面(20)可以是過熱器、中壓蒸發器、低壓蒸發器、及/或預熱器。
第二蒸汽發生器管(14)的設計方式是，使第二蒸汽發生器管(14)內的平均質流密度不會低於滿負載運轉下特定的最低質流密度180kg/m2s。因此第二蒸汽發生器管(14)的內徑在20mm至40mm之間，這樣一方面可以滿足所需的運轉參數(例如堅固性及熱能輸入)，另一方面也可以降低一個管子列內的第二蒸汽發生器管(14)的溫度傾斜。這樣就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。
1‧‧‧貫流式蒸發器
2‧‧‧廢熱蒸汽發生器
3‧‧‧圓周外壁
4‧‧‧箭頭
5‧‧‧熱氣通道
8‧‧‧第一蒸發器加熱面
10‧‧‧第二蒸發器加熱面
11，12‧‧‧管子列
13‧‧‧第一蒸汽發生器管
14‧‧‧第二蒸汽發生器管
15，16‧‧‧集汽箱
17‧‧‧下降管
20‧‧‧加熱面
D‧‧‧蒸汽
W‧‧‧流體介質
第1圖顯示的是一個臥式蒸發器的簡化縱斷面圖。
1‧‧‧貫流式蒸發器
2‧‧‧廢熱蒸汽發生器
3‧‧‧圓周外壁
4‧‧‧箭頭
5‧‧‧熱氣通道
8‧‧‧第一蒸發器加熱面
10‧‧‧第二蒸發器加熱面
11,12‧‧‧管子列
13‧‧‧第一蒸汽發生器管
14‧‧‧第二蒸汽發生器管
15,16‧‧‧集汽箱
17‧‧‧下降管
20‧‧‧加熱面
D‧‧‧蒸汽
W‧‧‧流體介質

Claims (8)

  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)，具有一第一蒸發器加熱面(8)，及一在流體介質側接在該第一蒸發器加熱面(8)之後的一第二蒸發器加熱面(10)，其中該第一蒸發器加熱面(8)具有數個基本上是垂直配置且由下往上流過的第一蒸汽發生器管(13)，該第二蒸發器加熱面(10)具有數個基本上是垂直配置且由下往上流過的第二蒸汽發生器管(14)，其中：在滿負載運轉的情況下，該第二蒸汽發生器管(14)的內徑能夠使該第二蒸汽發生器管(14)內的平均質流密度不會低於一特定的最低質流密度。
  2. 如申請專利範圍第1項的貫流式蒸發器(1)，其中該特定的最低質流密度為180kg/m2s。
  3. 如申請專利範圍第1或2項的貫流式蒸發器(1)，其中該第二蒸汽發生器管(14)的該內徑不小於根據給定的運轉參數計算出的最小直徑。
  4. 如申請專利範圍第1或2項的貫流式蒸發器(1)，其中該第二蒸汽發生器管(14)的內徑在20mm至40mm之間。
  5. 如申請專利範圍第1或2項的貫流式蒸發器(1)，其中將數個第二蒸汽發生器管(14)在熱氣側一個接一個連接成管子列(11)。
  6. 如申請專利範圍第1或2項的貫流式蒸發器(1)，其中該第一蒸發器加熱面(8)在熱氣側係接在該第二蒸發器加熱 面(10)之後。
  7. 一種廢熱蒸汽發生器(2)，具有一如申請專利範圍第1項至第6項中任一項的貫流式蒸發器(1)。
  8. 如申請專利範圍第7項的廢熱蒸汽發生器(2)，其中在熱氣側有連接一燃氣輪機。
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