專利名稱：燃燒礦物燃料的蒸汽發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有一個(gè)用于燃燒礦物燃料的燃燒室的蒸汽發(fā)生器，沿?zé)釤煔饬飨颍谌紵抑笸ㄟ^一個(gè)水平煙道連接一垂直煙道。
在具有蒸汽發(fā)生器的電廠設(shè)備中，燃料中所含能量被用來在蒸汽發(fā)生器內(nèi)蒸發(fā)流動(dòng)介質(zhì)。為了蒸發(fā)流動(dòng)介質(zhì)，蒸汽發(fā)生器具有一些蒸發(fā)管，通過加熱這些蒸發(fā)管使管內(nèi)流動(dòng)的流動(dòng)介質(zhì)蒸發(fā)。由蒸汽發(fā)生器制備好的蒸汽則例如可以用于一個(gè)連接的外部過程，但也可以用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)。若蒸汽用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，則通過汽輪機(jī)的透平軸通常帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或工作機(jī)械。在發(fā)電機(jī)的情況下，由發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流可饋入一聯(lián)合電網(wǎng)和/或孤立電網(wǎng)中。
蒸汽發(fā)生器在此可以設(shè)計(jì)為直流式蒸汽發(fā)生器。由J.Franke、W.Koehler和E.Wittehow發(fā)表在VGB發(fā)電站工程73(1993)第4期352-360頁中的論文“用于本生蒸汽發(fā)生器的蒸發(fā)原理”已知一種直流式蒸汽發(fā)生器。在直流式蒸汽發(fā)生器中，對作為蒸發(fā)管的蒸汽發(fā)生器管進(jìn)行加熱，使流動(dòng)介質(zhì)在蒸汽發(fā)生器管內(nèi)一次通過時(shí)蒸發(fā)。
蒸汽發(fā)生器通常設(shè)計(jì)有按垂直結(jié)構(gòu)方式的燃燒室。這意味著燃燒室設(shè)計(jì)成讓加熱的介質(zhì)或熱煙氣基本上沿垂直的方向流動(dòng)。
沿?zé)釤煔獾牧鲃?dòng)方向，在燃燒室下游可連接一水平煙道，在從燃燒室向水平煙道過渡時(shí)，熱煙氣流轉(zhuǎn)向到沿基本上水平的流動(dòng)方向。然而這種燃燒室基于溫度引起的燃燒室長度變化通常需要一個(gè)機(jī)架，燃燒室懸掛在此機(jī)架上。其結(jié)果是導(dǎo)致在制造和裝配蒸汽發(fā)生器時(shí)帶來昂貴的工程費(fèi)用，而且蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)高度越大費(fèi)用就越高。
在設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)生器的燃燒室或煙道外壁時(shí)遇到的一個(gè)特殊的問題在于那里出現(xiàn)的管壁溫度或材料溫度。在約達(dá)200bar的亞臨界壓力區(qū)，若蒸發(fā)管的內(nèi)表面能保證被潤濕，那么燃燒室外壁的溫度基本上就取決于水的飽和溫度的大小。這例如通過采用在其內(nèi)側(cè)有一種表面結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)管達(dá)到。為此尤其考慮有內(nèi)肋的蒸發(fā)管，例如由上面援引的論文已知它們在直流式蒸汽發(fā)生器中的應(yīng)用。這些所謂的肋管，亦即具有加肋的內(nèi)表面的管，有特別有效的從管內(nèi)壁向流動(dòng)介質(zhì)的傳熱。
按經(jīng)驗(yàn)可知燃燒室環(huán)壁被不同地加熱是不可避免的。由于蒸發(fā)管受到的加熱不同，因此從受加熱量大的蒸發(fā)管出口流出的流動(dòng)介質(zhì)溫度比在受到正常加熱或加熱量小的蒸發(fā)管中的高得多。由此可能在相鄰的蒸發(fā)管之間形成導(dǎo)致熱應(yīng)力的溫度差，這種熱應(yīng)力會(huì)縮短蒸汽發(fā)生器的使用壽命，甚至可能引起管斷裂。
因此本發(fā)明的目的在于提供一種上述類型的燃燒礦物燃料的蒸汽發(fā)生器，它所需要的制造和裝配費(fèi)用特別低，與此同時(shí)在蒸汽發(fā)生器運(yùn)行時(shí)在相鄰蒸發(fā)管之間的溫度差保持得特別小。
按本發(fā)明為達(dá)到此目的采取的措施是，蒸汽發(fā)生器包括一個(gè)燃燒室，此燃燒室有一些裝在水平煙道的高度位置的燒嘴，燃燒室的環(huán)壁由互相氣密焊接垂直排列的蒸發(fā)管構(gòu)成，一些蒸發(fā)管再分成第一組和第二組，可分別平行地往第一組和第二組蒸發(fā)管中加入流動(dòng)介質(zhì)，以及，第一組與第二組蒸發(fā)管串聯(lián)。
本發(fā)明以下列認(rèn)識(shí)為出發(fā)點(diǎn)，即，能用特別低的制造和裝配費(fèi)用制成的蒸汽發(fā)生器必然有一種可采取簡單措施實(shí)施的懸掛結(jié)構(gòu)?？捎幂^低的工程費(fèi)用制成的用于懸掛燃燒室的機(jī)架源自于蒸汽發(fā)生器特別低的結(jié)構(gòu)高度。通過按水平的結(jié)構(gòu)方式設(shè)計(jì)燃燒室便可達(dá)到蒸汽發(fā)生器特別低的結(jié)構(gòu)高度。為此燒嘴在水平煙道的高度位置裝在燃燒室壁中。因此在蒸汽發(fā)生器運(yùn)行時(shí)，熱煙氣基本上沿水平方向流過燃燒室。
此外，在水平的燃燒室工作時(shí)，在相鄰蒸發(fā)管之間的溫度差應(yīng)特別小，以可靠避免材料早期疲勞。但是在直流式蒸汽發(fā)生器運(yùn)行時(shí)，在水平的燃燒室中沿?zé)釤煔饬飨蛱幱诤蟛康膮^(qū)域受到的加熱小于燃燒室前部區(qū)受到的加熱。此外，例如對燒嘴附近的蒸發(fā)管的加熱量大于對設(shè)在燃燒室角落內(nèi)的蒸發(fā)管的加熱。在極端的情況下，在燃燒室前部區(qū)內(nèi)的熱流密度可能比在后部區(qū)內(nèi)的約大三倍。
在迄今一般的質(zhì)量流量密度(以kg/m2s計(jì)以及相對于100％的蒸發(fā)量(全負(fù)荷))為2000kg/m2s的情況下，在一受熱量較大的管內(nèi)的質(zhì)量流量下降而在受熱量較少的管內(nèi)的質(zhì)量流量上升，這些都是相對于所有管的質(zhì)量流量平均值而言的。這種特性是由于摩擦壓力損失在蒸發(fā)管整個(gè)壓力降中占較大的份額引起的。此外，蒸發(fā)管相對不同的長度差由于水平燃燒室特別低的高度因而比在垂直燃燒室的情況下要大得多。這就進(jìn)一步強(qiáng)化了各蒸發(fā)管在加熱和在摩擦壓力損失方面的差別。為保證盡管如此仍能在相鄰的蒸發(fā)管之間有基本相同的溫度，比較有利的是燃燒室的一些蒸發(fā)管再分成第一組和第二組。其中，沿流體介質(zhì)的流向，第一組相互并聯(lián)的蒸發(fā)管與第二組相互并聯(lián)的蒸發(fā)管串聯(lián)起來。
在第一組蒸發(fā)管與第二組蒸發(fā)管串聯(lián)的情況下，業(yè)已證明有利的是，燃燒室沿?zé)釤煔庵髁鞣较蛟俜殖傻谝粎^(qū)和第二區(qū)，其中第一區(qū)由第一組蒸發(fā)管構(gòu)成，第二區(qū)由第二組蒸發(fā)管構(gòu)成。沿?zé)釤煔獾牧飨颍诙^(qū)設(shè)在第一區(qū)與水平煙道之間。于是第一區(qū)蒸發(fā)管加入流動(dòng)介質(zhì)的進(jìn)口段在蒸汽發(fā)生器運(yùn)行時(shí)相對于第二區(qū)蒸發(fā)管進(jìn)口段有較低的溫度。也就是說由于兩組蒸發(fā)管是串聯(lián)的，所以第二區(qū)加入的是已經(jīng)通過第一區(qū)的流動(dòng)介質(zhì)。同理，水平煙道的進(jìn)口段具有與燃燒室第二區(qū)進(jìn)口段相比更低的溫度。通過將燃燒室分區(qū)并使各區(qū)域內(nèi)的蒸發(fā)管沿?zé)釤煔庵髁鞣较虿⒙?lián)，使蒸汽發(fā)生器運(yùn)行時(shí)相鄰蒸發(fā)管之間的溫度差顯得特別小。
比較有利地是，在第一組蒸發(fā)管和第二組蒸發(fā)管的上游分別連接一個(gè)用于流動(dòng)介質(zhì)的公共的進(jìn)口總管系統(tǒng)，而在下游連接一個(gè)用于流動(dòng)介質(zhì)的公共的出口總管系統(tǒng)。按這種方案設(shè)計(jì)的蒸汽發(fā)生器允許在并聯(lián)的蒸發(fā)管之間可靠地實(shí)現(xiàn)壓力平衡，并因而在流動(dòng)介質(zhì)流過蒸發(fā)管時(shí)能有一種非常有利的分配。
燃燒室的一個(gè)環(huán)壁比較有利地是端壁，可平行地往它的蒸發(fā)管中加入流動(dòng)介質(zhì)。
燃燒室端壁的蒸發(fā)管沿流動(dòng)介質(zhì)的流向比較有利地連接在燃燒室第一組蒸發(fā)管的上游。由此保證特別有利地冷卻端壁。
按另一項(xiàng)特別有利的設(shè)計(jì)，燃燒室一些蒸發(fā)管的管內(nèi)徑根據(jù)各蒸發(fā)管在燃燒室內(nèi)的具體位置來選擇。以此方式使燃燒室內(nèi)的蒸發(fā)管能與熱煙氣方面可預(yù)定的加熱剖面相匹配。借助于由此造成的對蒸發(fā)管流量的影響，特別可靠地使燃燒室蒸發(fā)管出口處的溫度差保持得很小。
為了將燃燒室的熱量特別有效地傳輸給在蒸發(fā)管內(nèi)流動(dòng)的流動(dòng)介質(zhì)，比較有利的是一些蒸發(fā)管在其內(nèi)側(cè)有多頭螺紋構(gòu)成的肋。在這種情況下比較有利的是，一個(gè)垂直于管軸線的平面與設(shè)在管內(nèi)側(cè)上的肋側(cè)面之間的螺旋角α小于60°，優(yōu)選小于55°。
在一根被加熱的設(shè)計(jì)為無內(nèi)肋的蒸發(fā)管，亦即所謂光管的蒸發(fā)管中，從某一個(gè)蒸汽含量起便不能再保持為了特別有效地傳熱所需的管壁潤濕。在潤濕不足的情況下可能存在局部干燥的管壁。轉(zhuǎn)變?yōu)檫@種干燥管壁導(dǎo)致一種使傳熱特性惡化的傳熱危機(jī)，所以通常在此部位的管壁溫度特別劇烈地上升。但現(xiàn)在在有內(nèi)肋的管中，與光管相比只是在蒸汽質(zhì)量含量＞0.9，亦即在即將結(jié)束蒸發(fā)前，才出現(xiàn)這種傳熱的危機(jī)。這歸因于流體介質(zhì)通過螺旋形肋流動(dòng)時(shí)獲得的扭轉(zhuǎn)?；诓煌碾x心力，流體介質(zhì)中的水成分與蒸汽成分分離并被壓在管壁上。由此直到高的蒸汽含量仍維持管壁潤濕，所以在有傳熱危機(jī)的地方已經(jīng)存在高的流動(dòng)速度。其結(jié)果是盡管有傳熱危機(jī)但仍促使有效地傳熱以及導(dǎo)致低的管壁溫度。
燃燒室的一些蒸發(fā)管比較有利地具有用于減小流動(dòng)介質(zhì)流量的裝置。在這種情況下業(yè)已證明特別有利的是將這些裝置設(shè)計(jì)為節(jié)流裝置。節(jié)流裝置可例如是裝在蒸發(fā)管中的內(nèi)部配件，它們在蒸發(fā)管內(nèi)部的一個(gè)位置減小了管內(nèi)徑。
還證明有利的是用于減小流量的裝置也設(shè)在包括多根平行管道的管路系統(tǒng)內(nèi)，流動(dòng)介質(zhì)可通過此管路系統(tǒng)供入燃燒室的蒸發(fā)管內(nèi)。管路系統(tǒng)也可以連接在可平行地加入流動(dòng)介質(zhì)的蒸發(fā)管的一個(gè)進(jìn)口總管系統(tǒng)上游。在管路系統(tǒng)的一根或多根管道內(nèi)可例如設(shè)節(jié)流附件。借助于這些用于減小通過蒸發(fā)管的流動(dòng)介質(zhì)流量的裝置，可以使通過各蒸發(fā)管的流動(dòng)介質(zhì)流量與各蒸發(fā)管在燃燒室內(nèi)具體的受加熱狀況相適配。由此進(jìn)一步特別可靠地將各蒸發(fā)管出口處的流動(dòng)介質(zhì)溫度差保持得非常小。
水平煙道和/或垂直煙道的側(cè)壁比較有利地由互相氣密焊接垂直排列可分別平行地加入流動(dòng)介質(zhì)的蒸汽發(fā)生器管構(gòu)成。
相鄰的蒸發(fā)管或蒸汽發(fā)生器管比較有利地通過金屬帶，即所謂的鰭板，互相氣密焊接。鰭板寬度影響輸入蒸汽發(fā)生器管內(nèi)的熱量。因此鰭板寬度優(yōu)選地根據(jù)有關(guān)的蒸發(fā)管或蒸汽發(fā)生器管在蒸汽發(fā)生器內(nèi)的位置與可預(yù)定的熱煙氣加熱剖面相匹配。作為加熱剖面在此可預(yù)先給定一個(gè)由經(jīng)驗(yàn)值確定的典型的加熱剖面或一種粗略的估計(jì)，例如臺(tái)階形的加熱剖面。通過恰當(dāng)選擇鰭板寬度，即使在不同蒸發(fā)管或蒸汽發(fā)生器管的受加熱有巨大差別的情況下，也能做到使蒸發(fā)管或蒸汽發(fā)生器管出口處保持特別小的溫度差。以此方式可靠防止材料發(fā)生早期疲勞。蒸汽發(fā)生器因此具有特別長的使用壽命。
在水平煙道內(nèi)比較有利地設(shè)置一些過熱加熱面，它們基本上垂直于熱煙氣的主流方向排列以及它們用于流過流動(dòng)介質(zhì)的管相互并聯(lián)。這些按懸掛的結(jié)構(gòu)方式設(shè)置的又稱為艙壁式加熱面(Schottheizflaechen)的過熱加熱面主要進(jìn)行對流加熱，并且沿流動(dòng)介質(zhì)的流向連接在燃燒室蒸發(fā)管下游。由此保證特別充分地利用熱煙氣熱量。
比較有利地是，垂直煙道具有一些對流加熱面，它們由大體上垂直于熱煙氣主流方向排列的管構(gòu)成。對流加熱面的這些管為讓流動(dòng)介質(zhì)流過而相互并聯(lián)。這些對流加熱面主要也是對流加熱。
為進(jìn)一步保證特別充分地利用熱煙氣熱量，垂直煙道比較有利地具有一燃料節(jié)省器。
比較有利地是將燒嘴裝在燃燒室的端壁上，亦即裝在燃燒室與去往水平煙道的流出口處于相對位置的那個(gè)環(huán)壁上。如此設(shè)計(jì)的蒸汽發(fā)生器可以特別簡單的方式與燃料的燃盡長度相匹配。在這里，燃料的燃盡長度指的是，在一定的平均熱煙氣溫度下沿水平方向的熱煙氣速度乘以燃料的燃盡時(shí)間tA。針對具體的蒸汽發(fā)生器，最大的燃盡長度是在全負(fù)荷時(shí)，亦即在蒸汽發(fā)生器所謂的滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)蒸汽發(fā)生器的蒸汽生產(chǎn)能力下得出的。燃盡時(shí)間tA則例如是平均尺寸的煤粉粒在一定的平均熱煙氣溫度下完全燃燒所需的時(shí)間。
為了使水平煙道例如由于沾上高溫的熔融灰所遭受的材料損傷以及所不希望受到的污染程度保持得特別低，燃燒室長度L(從端壁到水平煙道進(jìn)口區(qū)的距離)比較有利地至少等于蒸汽發(fā)生器滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)燃料的燃盡長度。燃燒室的這一長度L通常大于從燃燒室的漏斗上邊緣到燃燒室蓋的高度。
為了特別充分地利用礦物燃料的燃燒熱，按一項(xiàng)有利的設(shè)計(jì)，燃燒室的長度L(以m計(jì))作為蒸汽發(fā)生器的BMCR值W(kg/S)、燃料的燃盡時(shí)間tA(S)以及從燃燒室排出的熱煙氣出口溫度TBRK(℃)的函數(shù)進(jìn)行選擇。BMCR是Boiler maximum continuous rating的縮寫，它是國際上通用的表示蒸汽發(fā)生器最大持續(xù)蒸汽生產(chǎn)能力的術(shù)語。它也對應(yīng)于設(shè)計(jì)功率，亦即蒸汽發(fā)生器滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的功率。在蒸汽發(fā)生器的BMCR值W給定時(shí)，兩個(gè)函數(shù)(1)和(2)中的較大值作為燃燒室的長度LL(W，tA)＝(C1+C2·W)·tA(1)和L(W，TBRK)＝(C3·TBRK+C4)W+C5(TBRK)2+C6·TBRK+C7(2)其中C1＝8m/s，
C2＝0.0057m/kg，C3＝-1.905·10-4(m·s)/(kg℃)，C4＝0.286(s·m)/kg，C5＝3·10-4m/(℃)2，C6＝-0.842m/℃以及C7＝603.41m，在這里“近似”指的是允許偏離通過相關(guān)函數(shù)確定的值+20％/-10％。
采用本發(fā)明獲得的優(yōu)點(diǎn)主要在于，通過第一組蒸發(fā)管與第二組蒸發(fā)管的串聯(lián)，即使在一個(gè)水平的燃燒室中，也能保證在蒸汽發(fā)生器運(yùn)行時(shí)相鄰蒸發(fā)管之間特別小的溫度差。在這里燃燒室的長度設(shè)計(jì)為能保證特別充分地利用礦物燃燒的燃燒熱。此外，通過將燃燒室設(shè)計(jì)成讓熱煙氣有基本上沿水平方向的流向，獲得了一種特別緊湊的蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)方式。從而在將此蒸汽發(fā)生器結(jié)合在汽輪機(jī)裝置內(nèi)時(shí)，使得從蒸汽發(fā)生器到汽輪機(jī)只有特別短的連接管。
下面借助附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中

圖1為按雙煙道結(jié)構(gòu)方式的燃燒礦物燃料的蒸汽發(fā)生器的示意側(cè)視圖；圖2為單根蒸發(fā)管的示意性縱剖面；以及圖3為繪有特性曲線K1至K6的坐標(biāo)系。
在所有附圖內(nèi)互相對應(yīng)的部件用相同的附圖標(biāo)記表示。
圖1所示蒸汽發(fā)生器2配屬于一個(gè)圖中未進(jìn)一步表示的電廠設(shè)備，該電廠設(shè)備還包括一個(gè)汽輪機(jī)裝置。在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽被利用來驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，汽輪機(jī)本身又驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)來發(fā)電。由發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流饋入一聯(lián)合電網(wǎng)或孤立電網(wǎng)內(nèi)。此外，分出的一個(gè)蒸汽分量還可供入一個(gè)連接在汽輪機(jī)裝置上的外部過程，該外部過程也可以是一種加熱過程。
燃燒礦物燃料的蒸汽發(fā)生器2比較有利地設(shè)計(jì)為直流式蒸汽發(fā)生器。它包括一燃燒室4。沿?zé)釤煔獾牧飨蛟谌紵抑笸ㄟ^一個(gè)水平煙通6連接一垂直煙道8。
燃燒室4的環(huán)壁9由互相氣密焊接垂直排列的蒸發(fā)管10構(gòu)成。其中一個(gè)環(huán)壁9是蒸汽發(fā)生器2燃燒室4的端壁11。此外，水平煙道6的側(cè)壁12和/或垂直煙道8的側(cè)壁14也可以由互相氣密焊接垂直排列的蒸汽發(fā)生器管16或17構(gòu)成。在這種情況下可分別平行地往蒸汽發(fā)生器管16、17中加入流動(dòng)介質(zhì)S。
此外，燃燒室4環(huán)壁9中的一些蒸發(fā)管10再分成第一組18和第二組20。在這里，向第一組18或第二組20蒸發(fā)管10中可分別平行地加入流動(dòng)介質(zhì)S。第一組18蒸發(fā)管10布置在燃燒室4的第一區(qū)22內(nèi)，而第二組20蒸發(fā)管10布置在燃燒室4的第二區(qū)24內(nèi)。燃燒室4的第二區(qū)24相對于熱煙氣G基本上水平的主流方向26設(shè)在燃燒室4的第一區(qū)22與水平煙道6之間。
沿流動(dòng)介質(zhì)的流向，在燃燒室4的第一組18蒸發(fā)管10和第二組20蒸發(fā)管10的上游分別連接一用于流動(dòng)介質(zhì)S的進(jìn)口總管系統(tǒng)28或30，而在它們下游則分別連接一出口總管系統(tǒng)32或34。第一組18蒸發(fā)管10的出口總管系統(tǒng)32通過一個(gè)管路系統(tǒng)36與第二組20蒸發(fā)管10的進(jìn)口總管系統(tǒng)30連接。通過這些總管系統(tǒng)28、32或30、34，可以在并聯(lián)的蒸發(fā)管10之間實(shí)行壓力平衡，這種壓力平衡促使流動(dòng)介質(zhì)S在流過蒸發(fā)管10時(shí)有利地分布。
為了使流動(dòng)介質(zhì)S在通過燃燒室4的環(huán)壁9時(shí)有特別有利的流量特性并因而達(dá)到特別充分地利用礦物燃料B的燃燒熱，燃燒室4端壁11上可平行地加入流動(dòng)介質(zhì)S的蒸發(fā)管10沿流動(dòng)介質(zhì)方向連接在燃燒室4的第一組18蒸發(fā)管10的上游。
如圖2所示，蒸發(fā)管10在其內(nèi)側(cè)有肋40，它們由一種多頭螺紋構(gòu)成并有肋高R。在一個(gè)垂直于管軸線的平面42與設(shè)在管內(nèi)側(cè)上的肋40側(cè)面44之間的螺旋角α小于55°。由此在管壁溫度特別低的同時(shí)實(shí)現(xiàn)從蒸發(fā)管的內(nèi)壁向在蒸發(fā)管10內(nèi)流動(dòng)的流動(dòng)介質(zhì)S特別有效的傳熱。
燃燒室4蒸發(fā)管10的管內(nèi)徑D根據(jù)各蒸發(fā)管10在燃燒室4內(nèi)的具體位置來選擇。以此方式使蒸汽發(fā)生器2適應(yīng)各蒸發(fā)管10受到不同強(qiáng)度的加熱這一情況。燃燒室4蒸發(fā)管10的這種設(shè)計(jì)，確保特別可靠地將各蒸發(fā)管10出口處的溫度差保持得特別小。
相鄰的蒸發(fā)管或蒸汽發(fā)生器管10、16、17按沒有進(jìn)一步表示的方式通過鰭板互相氣密地焊接。因此可通過恰當(dāng)選擇鰭板的寬度來影響對蒸發(fā)管或蒸汽發(fā)生器管10、16、17的加熱。因此具體的鰭板寬度與一個(gè)在熱煙氣側(cè)可預(yù)定的加熱剖面相匹配，后者取決于有關(guān)蒸發(fā)管或蒸汽發(fā)生器管10、16、17在蒸汽發(fā)生器內(nèi)的位置。在這里，加熱剖面可以是一種由經(jīng)驗(yàn)值確定的典型的加熱剖面，或者也可以是一種粗略的估計(jì)。因此，即使在對各蒸發(fā)管或蒸汽發(fā)生器管10、16、17的加熱有嚴(yán)重差別的情況下也能保持各蒸發(fā)管或蒸汽發(fā)生器管10、16、17出口處只有特別小的溫度差。以此方式可靠地防止材料疲勞，其結(jié)果是保證了蒸汽發(fā)生器2長的使用壽命。
作為減小流動(dòng)介質(zhì)S流量的措施是部分蒸發(fā)管10配備節(jié)流裝置，它們在圖中沒有進(jìn)一步示出。節(jié)流裝置可以是減小管內(nèi)徑D的圓孔隔板，在蒸汽發(fā)生器2運(yùn)行時(shí)，它們促使在受到較少加熱的蒸發(fā)管10內(nèi)的流動(dòng)介質(zhì)S的流量減少，由此使流動(dòng)介質(zhì)S的流量與加熱狀況相匹配。此外，作為減少在燃燒室4第二組20蒸發(fā)管10內(nèi)的流動(dòng)介質(zhì)S流量的措施，是在管路系統(tǒng)36的一根或多根沒有在圖中進(jìn)一步表示的管道內(nèi)配備節(jié)流裝置，尤其是節(jié)流附件。
在燃燒室4的管系中應(yīng)當(dāng)考慮到，互相氣密焊接的各蒸發(fā)管10在蒸汽發(fā)生器2運(yùn)行時(shí)受到的加熱有很大的差別。因此第一組18或第二組20蒸發(fā)管10在有關(guān)其內(nèi)部加肋、第一組18或第二組20相鄰蒸發(fā)管10之間的鰭板連接以及它們的管內(nèi)徑D方面應(yīng)當(dāng)選擇成，使第一組18或第二組20的所有蒸發(fā)管10盡管受到不同加熱但基本上仍有相同的出口溫度，并保證對于蒸汽發(fā)生器2的所有運(yùn)行狀態(tài)均能充分冷卻所有的蒸發(fā)管10。這些尤其采取這樣的措施來保證，即，蒸汽發(fā)生器2針對于讓流過蒸發(fā)管10的流動(dòng)介質(zhì)S有較低的質(zhì)量流量密度來設(shè)計(jì)。通過恰當(dāng)選擇鰭板連接和管內(nèi)徑D，還可以做到使摩擦壓力損失占總的壓力損失的份額很低，以獲得一種自然循環(huán)特性第一組18或第二組20中受到強(qiáng)烈加熱的蒸發(fā)管10內(nèi)的流體介質(zhì)流量大于第一組18或第二組20中受到較弱加熱的蒸發(fā)管10內(nèi)的流體流量。由此還做到，第一組18或第二組20中接近燒嘴受到較強(qiáng)烈加熱的蒸發(fā)管10，其單位吸熱量(相對于質(zhì)量流量而言)與同一組18或20中設(shè)在接近燃燒室端部處的那些受到較弱加熱的蒸發(fā)管10的大體一樣多。另一項(xiàng)措施，亦即使燃燒室4蒸發(fā)管10內(nèi)的流量與受加熱狀況相配，是在部分蒸發(fā)管10內(nèi)或在管路系統(tǒng)36的部分管道內(nèi)安裝節(jié)流裝置。在這里，內(nèi)部加肋設(shè)計(jì)為，保證在兩組18和20蒸發(fā)管10內(nèi)的蒸發(fā)管壁得到充分的冷卻。因此，采取了上述這些措施后，使第一組18或第二組20的所有蒸發(fā)管10具有基本上相同的出口溫度。
水平煙道6具有一些設(shè)計(jì)為艙壁式加熱面(Schottheizflaechen)的過熱加熱面50，它們按懸掛的結(jié)構(gòu)方式基本上垂直于熱煙氣G的主流方向26布置，以及它們用于流過流動(dòng)介質(zhì)S的管相互并聯(lián)。過熱加熱面50通常被對流加熱，這些過熱加熱面50沿流動(dòng)介質(zhì)的方向連接在燃燒室4蒸發(fā)管10的下游。
垂直煙道8有一些主要可被對流加熱的對流加熱面52，它們由基本上垂直于熱煙氣G的主流方向26排列的管構(gòu)成。這些用于流過流動(dòng)介質(zhì)S的管相互并聯(lián)，并且按沒有進(jìn)一步表示的方式組合在流動(dòng)介質(zhì)S的流動(dòng)路徑內(nèi)。此外，在垂直煙道8內(nèi)設(shè)有一燃料節(jié)省器56。燃燒節(jié)省器56的出口側(cè)通過管路系統(tǒng)54連接在配屬于第一組18蒸發(fā)管10的進(jìn)口總管系統(tǒng)28上。管路系統(tǒng)54的一根或多根在圖中未進(jìn)一步表示的管道可配有用于減少流動(dòng)介質(zhì)S流量的節(jié)流附件。垂直煙道8的出口側(cè)通入一個(gè)空氣預(yù)熱器中，再從那里經(jīng)過一個(gè)濾塵器通入煙囪。在垂直煙道8下游所設(shè)的構(gòu)件在附圖中沒有示出。
蒸汽發(fā)生器2通過采用水平的燃燒室設(shè)計(jì)成有特別低的結(jié)構(gòu)高度，并因而可用特別低的制造和裝配費(fèi)用實(shí)現(xiàn)。為此，蒸汽發(fā)生器2的燃燒室4具有一些用于燃燒礦物燃料B的燒嘴58，它們在水平煙道6的高度位置裝在燃燒室4的端壁11上。
為了使礦物燃料B特別充分地?zé)M以獲得特別高的效率，以及為了特別可靠地防止水平煙道6沿?zé)釤煔饬飨虻牡谝粋€(gè)過熱加熱面50的材料受損傷以及例如由于沾上高溫的熔融灰而受到污染，燃燒室4的長度L應(yīng)選擇為超過蒸汽發(fā)生器2滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)燃料B的燃盡長度。所述長度L在此是指從燃燒室4的端壁11到水平煙道6進(jìn)口區(qū)60的距離。燃料B的燃盡長度在這里定義為在規(guī)定的平均熱煙氣溫度下沿水平方向的熱煙氣速度乘以燃料B的燃盡時(shí)間tA。針對具體的蒸汽發(fā)生器2，最大燃盡長度在該蒸汽發(fā)生器2滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)得出。燃料B的燃盡時(shí)間tA則是在規(guī)定的平均熱煙氣溫度下例如平均尺寸的煤粉粒完全燃燒所需要的時(shí)間。
為保證特別有效地充分利用礦物燃料B的燃燒熱，燃燒室4的長度L(以m計(jì))根據(jù)熱煙氣G從燃燒室4流出的出口溫度TBRK(℃)、燃料B的燃盡時(shí)間tA以及蒸汽發(fā)生器2的BMCR值W(kg/s)來恰當(dāng)選擇。在這里BMCR是Boiler maximum continuous rating的縮寫。此BMCR值W是國際通用的表示蒸汽發(fā)生器最大連續(xù)產(chǎn)汽能力的術(shù)語。它也對應(yīng)于設(shè)計(jì)功率，亦即蒸汽發(fā)生器滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的功率。燃燒室4的水平長度L大于燃燒室4的高度H。此高度H是從燃燒室4在圖1中用具有端點(diǎn)X和Y的線作為標(biāo)志的漏斗上邊緣到燃燒室蓋測得的距離。在這種情況下，燃燒室4的長度L近似地由兩個(gè)函數(shù)(1)和(2)確定。
L(W，tA)＝(C1+C2·W)·tA(1)L(W，TBRK)＝(C3·TBRK+C4)W+C5(TBRK)2+C6·TBRK+C7(2)其中C1＝8m/s，C2＝0.0057m/kg，C3＝-1.905·10-4(m·s)/(kg℃)，C4＝0.286(s·m)/kg，C5＝3·10-4m/(℃)2，C6＝-0.842m/℃以及C7＝603.41m，上述“近似”的意思是允許偏離通過相關(guān)函數(shù)確定的值+20％/-10％。對于蒸汽發(fā)生器的一個(gè)任意的但固定的BMCR值W，由通過函數(shù)(1)和(2)得出的值中較大的那個(gè)值作為燃燒室4的長度L。
在按圖3的坐標(biāo)系中示出了六條曲線K1至K6，作為根據(jù)蒸汽發(fā)生器2的BMCR值W計(jì)算燃燒室4長度L的舉例。下列參數(shù)分屬于這些曲線K1∶tA＝3s 按(1)；K2∶tA＝2.5s按(1)；K3∶tA＝2s 按(1)；K4∶TBRK＝1200℃按(2)；K5∶TBRK＝1300℃按(2)；K6∶TBRK＝1400℃按(2)。
因此為了確定燃燒室4的長度L，例如在燃盡時(shí)間tA＝3s和從燃燒室4排出的熱煙氣G的出口溫度TBRK＝1200℃時(shí)，適用曲線K1和K4。由此在蒸汽發(fā)生器2具有一個(gè)預(yù)先給定的BMCR值W的情況下得出當(dāng)W＝80kg/s時(shí)，按曲線K4，長度L＝29m，當(dāng)W＝160kg/s時(shí)，按曲線K4，長度L＝34m，當(dāng)W＝560kg/s時(shí)，按曲線K4，長度L＝57m。
在燃盡時(shí)間tA＝2.5s和從燃燒室4排出的熱煙氣G的出口溫度TBRK＝1300℃時(shí)，則適用曲線K2和K5。由此在蒸汽發(fā)生器2有一個(gè)預(yù)先給定的BMCR值W的情況下得出當(dāng)W＝80kg/s時(shí)，按曲線K2，長度L＝21m，當(dāng)W＝180kg/s時(shí)，按曲線K2和K5，長度L＝23m，當(dāng)W＝560kg/s時(shí)，按曲線K5，長度L＝37m。
在燃盡時(shí)間tA＝2s和從燃燒室4排出的熱煙氣G的出口溫度TBRK＝1400℃時(shí)，則適用曲線K3和K6。由此在蒸汽發(fā)生器2有一個(gè)預(yù)先給定的BMCR值W的情況下得出當(dāng)W＝80kg/s時(shí)，按曲線K3，長度L＝18m，當(dāng)W＝465kg/s時(shí)，按曲線K3和K6，長度L＝21m，當(dāng)W＝560kg/s時(shí)，按曲線K6，長度L＝23m。
在蒸汽發(fā)生器2運(yùn)行時(shí)向燒嘴58供入礦物燃料B。燒嘴58的火焰F水平定向。采用燃燒室4的這種結(jié)構(gòu)方式，使燃燒產(chǎn)生的熱煙氣G的流動(dòng)基本上沿水平的主流方向26。熱煙氣經(jīng)水平煙道6進(jìn)入基本上朝向地面的垂直煙道8，隨后離開垂直煙道去往圖中未進(jìn)一步表示的煙囪。
進(jìn)入燃料節(jié)省器56的流動(dòng)介質(zhì)s經(jīng)管路系統(tǒng)54到蒸汽發(fā)生器2燃燒室4的第一組18蒸發(fā)管10的進(jìn)口總管系統(tǒng)28中。在蒸汽發(fā)生器2燃燒室4中互相氣密焊接垂直排列的第一組18蒸發(fā)管10內(nèi)，使流動(dòng)介質(zhì)s蒸發(fā)和可能部分過熱。由此產(chǎn)生的蒸汽或水汽混合物聚集在流動(dòng)介質(zhì)s的出口總管系統(tǒng)32內(nèi)。蒸汽或水汽混合物從那里經(jīng)管路系統(tǒng)36進(jìn)入配屬于第二組20蒸發(fā)管10的進(jìn)口總管系統(tǒng)30中。在第二組20蒸發(fā)管10內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽或水汽混合物經(jīng)出口總管系統(tǒng)34進(jìn)入水平煙道6和垂直煙道8的壁內(nèi)，從那里再進(jìn)入水平煙道6的過熱加熱面50中。在過熱加熱面50內(nèi)蒸汽被進(jìn)一步過熱，該過熱蒸汽隨后輸出供作它用，例如用于驅(qū)動(dòng)一汽輪機(jī)。
通過將燃燒室4的蒸發(fā)管10分組，以非常簡單的方式保證在蒸汽發(fā)生器2所有的負(fù)荷狀態(tài)下在相鄰的蒸發(fā)管10之間只有特別小的溫度差。因此，與端壁11同第二區(qū)24直接鄰接的情況相比，在端壁11和第一區(qū)22的相鄰蒸發(fā)管10之間或在第一區(qū)22與第二區(qū)24相鄰蒸發(fā)管10之間，在進(jìn)口段內(nèi)的流動(dòng)介質(zhì)s溫度差較小。此外，在間接或直接相鄰的第二區(qū)24蒸發(fā)管10與水平煙道6的蒸汽發(fā)生器管16之間的溫度差，也比第一組18蒸發(fā)管10與第二組20蒸發(fā)管10未串聯(lián)的情況下要小。
通過根據(jù)蒸汽發(fā)生器2的BMCR值W來選擇燃燒室4的長度L，保證特別可靠地充分利用礦物燃料B的燃燒熱。此外，蒸汽發(fā)生器2由于其特別低的結(jié)構(gòu)高度和緊湊的結(jié)構(gòu)方式，所以用特別少的制造和裝配費(fèi)用便能實(shí)現(xiàn)。在這種情況下可以采用一種用較低的工程費(fèi)用便可制成的機(jī)架。此外，當(dāng)汽輪機(jī)裝置中具有一臺(tái)這種低結(jié)構(gòu)高度的蒸汽發(fā)生器2時(shí)，從蒸汽發(fā)生器2到汽輪機(jī)的連接管可以設(shè)計(jì)得非常短。
權(quán)利要求
1.一種具有一個(gè)用于燃燒礦物燃料(B)的燃燒室(4)的蒸汽發(fā)生器(2)，沿?zé)釤煔饬飨?，在燃燒室之后通過一個(gè)水平煙道(6)連接一垂直煙道(8)，其中，該燃燒室(4)包括一些裝在水平煙道(6)高度位置的燒嘴(58)并且該燃燒室(4)的環(huán)壁(9)由一些互相氣密焊接垂直排列的蒸發(fā)管(10)構(gòu)成，一些蒸發(fā)管(10)再分成第一組(18)和第二組(20)，可分別平行地往第一組(18)和第二組(20)蒸發(fā)管(10)中加入流動(dòng)介質(zhì)(s)，以及，第一組(18)蒸發(fā)管(10)與第二組(20)蒸發(fā)管(10)串聯(lián)。
2.按照權(quán)利要求1所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，燃燒室(4)的環(huán)壁(9)沿?zé)釤煔?G)的主流方向(26)再分為第一區(qū)(22)和第二區(qū)(24)，第一區(qū)(22)由第一組(18)蒸發(fā)管(10)構(gòu)成，第二區(qū)(24)由第二組(20)蒸發(fā)管(10)構(gòu)成，以及，第二區(qū)(24)沿?zé)釤煔饬飨虿贾迷诘谝粎^(qū)(22)與水平煙道(6)之間。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，沿流動(dòng)介質(zhì)流向，不僅在第一組蒸發(fā)管(10)上游而且在第二組蒸發(fā)管(10)上游分別連接一公共的流動(dòng)介質(zhì)(s)進(jìn)口總管系統(tǒng)(28、30)，并且在它們的下游分別連接一公共的出口總管系統(tǒng)(32、34)。
4.按照權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，燃燒室(4)的一個(gè)環(huán)壁(9)是端壁(11)，可平行地往端壁(9)的蒸發(fā)管(10)中加入流動(dòng)介質(zhì)(s)。
5.按照權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，沿流動(dòng)介質(zhì)的流向，燃燒室(4)端壁(11)的蒸發(fā)管(10)連接在燃燒室(4)的第一組(18)蒸發(fā)管(10)的上游。
6.按照權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，燃燒室(4)中一些蒸發(fā)管(10)的管內(nèi)徑(D)根據(jù)蒸發(fā)管(10)各自在燃燒室(4)內(nèi)的具體位置來選擇。
7.按照權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，一些蒸發(fā)管(10)在其內(nèi)側(cè)分別帶有由多頭螺紋構(gòu)成的肋(40)。
8.按照權(quán)利要求7所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，一個(gè)垂直于管軸線的平面(42)與設(shè)在管內(nèi)側(cè)的肋(40)側(cè)面(44)之間的螺旋角(α)小于60°，優(yōu)選地小于55°。
9.按照權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，一些蒸發(fā)管(10)分別具有一節(jié)流裝置。
10.按照權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，設(shè)有一管路系統(tǒng)(19)用于將流動(dòng)介質(zhì)(s)供入燃燒室(4)的蒸發(fā)管(10)內(nèi)，為了減小流動(dòng)介質(zhì)(s)的流量，此管路系統(tǒng)(19)具有一些節(jié)流裝置，尤其是節(jié)流附件。
11.按照權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，水平煙道(6)的側(cè)壁(12)由互相氣密焊接垂直排列可平行地加入流動(dòng)介質(zhì)(s)的蒸汽發(fā)生器管(16)構(gòu)成。
12.按照權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，垂直煙道(8)的側(cè)壁(14)由互相氣密焊接垂直排列可平行地加入流動(dòng)介質(zhì)(s)的蒸汽發(fā)生器管(17)構(gòu)成。
13.按照權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，相鄰蒸發(fā)管或蒸汽發(fā)生器管(10、16、17)通過鰭板互相氣密焊接，鰭板的寬度根據(jù)蒸發(fā)管或蒸汽發(fā)生器管(10、16、17)在燃燒室(4)、水平煙道(6)和/或垂直煙道(8)內(nèi)的具體位置選擇。
14.按照權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，在水平煙道(6)內(nèi)按懸掛的結(jié)構(gòu)方式設(shè)置一些過熱加熱面(50)。
15.按照權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，在垂直煙道(8)內(nèi)設(shè)一些對流加熱面(52)。
16.按照權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，燒嘴(58)裝在燃燒室(4)的端壁(11)上。
17.按照權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，由從燃燒室(4)端壁(11)到水平煙道(6)進(jìn)口區(qū)(60)的距離所定義的燃燒室(4)長度(L)至少等于蒸汽發(fā)生器(2)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)燃料(B)的燃盡長度。
18.按照權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的蒸汽發(fā)生器(2)，其中，燃燒室(4)的長度(L)作為BMCR值(W)、燒嘴(58)燃盡時(shí)間(tA)和/或從燃燒室(4)排出的熱煙氣(G)的出口溫度(TBRK)的函數(shù)，近似地按下列兩個(gè)函數(shù)(1)和(2)進(jìn)行選擇L(W，tA)＝(C1+C2·W)·tA(1)以及L(W，TBRK)＝(C3·TBRK+C4)W+C5(TBRK)2+C6·TBRK+C7(2)其中C1＝8m/s，C2＝0.0057m/kg，C3＝-1.905·10-4(m·s)/(kg℃)，C4＝0.2857(s·m)/kg，C5＝3·10-4m/(℃)2，C6＝-0.8421m/℃以及C7＝603.4125m，在這里，對于一個(gè)給定的BMCR值(W)，上述兩個(gè)函數(shù)得到的值中較大的那一個(gè)作為燃燒室(4)的長度(L)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種蒸汽發(fā)生器,它具有一個(gè)使熱煙氣(G)沿基本上水平的主流方向(26)流動(dòng)的燃燒室(4),沿?zé)釤煔饬飨?在燃燒室之后通過一水平煙道(6)連接一垂直煙道(8)。燃燒室(4)的環(huán)壁(9)由蒸發(fā)管(10)構(gòu)成。為了在蒸汽發(fā)生器(2)的各種負(fù)荷狀態(tài)下使燃燒室(4)相鄰的蒸發(fā)管(10)之間保持特別小的溫度差。為此,可分別平行地往第一組(18)和第二組(20)蒸發(fā)管(10)中加入流動(dòng)介質(zhì)(s),其中第一組(18)蒸發(fā)管(10)與第二組(20)蒸發(fā)管(10)串聯(lián)。
文檔編號(hào)F22B37/00GK1336998SQ00802877
公開日2002年2月20日 申請日期2000年1月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月18日
發(fā)明者喬基姆·弗蘭克, 魯?shù)婪颉た死瓲?申請人:西門子公司