專利名稱：強(qiáng)制直流鍋爐的制作方法
強(qiáng)制直流鍋爐本發(fā)明涉及一種強(qiáng)制直流鍋爐，具有一個由氣密焊接、可沿垂直方向通流的鍋爐管構(gòu)成的外壁，其中，在外壁內(nèi)部設(shè)直通收集器，就流動介質(zhì)而言，所述直通收集器將多個并聯(lián)的第一鍋爐管的出口側(cè)與串聯(lián)在第一鍋爐管下游的多個并聯(lián)的第二鍋爐管的進(jìn)口側(cè)連接起來。本發(fā)明還涉及一種發(fā)電站設(shè)備，它具有這種強(qiáng)制直流鍋爐。所述鍋爐是一種由流動介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備。在這種設(shè)備中，加熱流動介質(zhì)，典型地水，并轉(zhuǎn)換為蒸汽。然后蒸汽使用于驅(qū)動機(jī)器或用于產(chǎn)生電能。鍋爐通常包括產(chǎn)生蒸汽的蒸發(fā)器和過熱器，蒸汽在過熱器內(nèi)加熱到用戶要求的溫度。往往在蒸發(fā)器上游連接用于利用廢熱的預(yù)熱器，它進(jìn)一步提高設(shè)備的總效率。工業(yè)鍋爐如今通常設(shè)計為水管式鍋爐，亦即流動介質(zhì)在鍋爐管內(nèi)流動。鍋爐管可以互相氣密焊接，并由此構(gòu)成外壁，供給熱量的高溫氣體在該外壁圍成的空腔內(nèi)部流動。鍋爐的結(jié)構(gòu)方式可以或設(shè)計為立式或臥式，亦即高溫氣體沿垂直或水平方向流動。此外，鍋爐可以設(shè)計為強(qiáng)制直流鍋爐，其中，給水泵強(qiáng)制實現(xiàn)流動介質(zhì)的直流或貫通流動。在這里，給水泵將流動介質(zhì)輸送到鍋爐內(nèi)，先后流過預(yù)熱器、蒸發(fā)器和過熱器。在直流或貫通流過時，給水被連續(xù)加熱至飽和蒸汽溫度、汽化和過熱，從而，至少在滿負(fù)荷運行時，不需要單獨的水與蒸汽的分離裝置。直流鍋爐也可以在超臨界壓力時運行。預(yù)熱器、蒸發(fā)器和過熱器各加熱面的嚴(yán)格界定對于這種運行方式不再有意義，因為發(fā)生連續(xù)的相變。按一種垂直管系直流鍋爐的方案，外壁的管系分成下段和上段，其中，下段包括多個并聯(lián)的第一鍋爐管，以及上段包括串聯(lián)在第一鍋爐管下游的多個并聯(lián)的第二鍋爐管。下段與上段通過直通收集器互相連接。由此一方面達(dá)到并聯(lián)的鍋爐管之間壓力平衡，另一方面還達(dá)到來自不同鍋爐管的流動介質(zhì)至少部分混合。現(xiàn)在，在這種具有可沿垂直方向通流的鍋爐管和具有直通收集器的直流鍋爐中發(fā)現(xiàn)，外壁上段的各管可能承受不允許的高溫，這種高溫尤其可導(dǎo)致破壞管壁。在這里，這種高溫的出現(xiàn)與某些運行參數(shù)有關(guān)聯(lián)。因此本發(fā)明的目的是，提供一種上述類型的強(qiáng)制直流鍋爐，它與運行狀態(tài)無關(guān)地有特別長的壽命和特別低的故障率。按本發(fā)明為達(dá)到上述目的采取的措施是，將連接在直通收集器下游的鍋爐管的設(shè)計參數(shù)選擇為，使在鍋爐滿負(fù)荷時，在外壁并聯(lián)的鍋爐管內(nèi)的平均質(zhì)量流密度不低于1200kg/m2s。本發(fā)明考慮問題的出發(fā)點在于，各鍋爐管的過熱歸因于沒有充分導(dǎo)出通過流動介質(zhì)傳入的熱量。沒有充分散熱發(fā)生在所涉及的鍋爐管有過小的質(zhì)量流量時。在自然循環(huán)特性突出時，在很低的進(jìn)口蒸汽含量和很小的供熱量時，在這些管內(nèi)的流體靜壓降便已經(jīng)近似于如在鍋爐管進(jìn)口與出口之間的總壓差那么大或與之同樣大小。因此，余留的作為流動推進(jìn)力的壓差很小或完全消失，從而在最嚴(yán)重的情況下流動停滯。雖然直通收集器應(yīng)促使連接在其下游的管之間一定程度的平衡，以減弱上述效果。但人們認(rèn)識到，盡管直通收集器導(dǎo)致完全的壓力平衡，然而這并未引起進(jìn)入的流動介質(zhì)徹底混合，這種徹底的混合可導(dǎo)致連接在其下游的鍋爐管內(nèi)水與蒸汽份額的平衡。因此，盡管如此，基于來自加熱較弱的下段鍋爐管低的蒸汽含量以及在收集器內(nèi)附加的局部缺乏混合現(xiàn)象或局部分離現(xiàn)象，仍能在進(jìn)入上部垂直管系的各管內(nèi)的進(jìn)口處，在某些運行狀態(tài)蒸汽含量趨于零。由此應(yīng)通過足夠減弱自然循環(huán)特征避免所述現(xiàn)象。這可以通過恰當(dāng)選擇連接在直通收集器下游的鍋爐管的設(shè)計參數(shù)特別簡單地實現(xiàn)，無需對各管采取附加結(jié)構(gòu)性措施。然而因為這些設(shè)計參數(shù)不能有針對性地適應(yīng)某些運行狀態(tài)，而是在鍋爐總的負(fù)荷范圍內(nèi)保持不變，所以為了簡化設(shè)計應(yīng)找到滿負(fù)荷時相應(yīng)的準(zhǔn)則。如發(fā)明者認(rèn)識到的那樣，足夠減弱自然循環(huán)特征可這樣達(dá)到將設(shè)計參數(shù)選擇為，使在鍋爐滿負(fù)荷時，在外壁的并聯(lián)的鍋爐管內(nèi)的平均質(zhì)量流密度不低于1200kg/m2s。按各自有利的設(shè)計，在設(shè)計外壁質(zhì)量流量密度時，鍋爐管的數(shù)量和/或內(nèi)徑可考慮作為設(shè)計參數(shù)，因為這些參數(shù)顯著地，并與此同時可以對鍋爐結(jié)構(gòu)無需特別花費的情況下影響外壁內(nèi)部的流動特征。立式結(jié)構(gòu)的鍋爐外壁可以有不同的水平橫截面。若橫截面基本上是矩形，則可以是一種特別簡單的結(jié)構(gòu)。在這種鍋爐中，尤其設(shè)在角部的鍋爐管加熱特別弱，因為它們離高溫氣體通道的中心最遠(yuǎn)，并與此同時供熱面積特別小。其結(jié)果是，垂直管系下段各角部管的蒸汽含量趨于零，從而在這里不均勻分布的水汽混合物進(jìn)入中間收集器內(nèi)。因為在這里中間收集器也沒有造成充分的混合，所以可能導(dǎo)致連接在下游的角部管內(nèi)的質(zhì)量流休止并因而熱量不能充分傳出。因此，正是在這種鍋爐中特別有利的是，將連接在直通收集器下游的鍋爐管的設(shè)計參數(shù)選擇為，使得鍋爐滿負(fù)荷時，在外壁的并聯(lián)的鍋爐管內(nèi)的平均質(zhì)量流密度不低于1200kg/m2s。直通收集器可以水平貫通地環(huán)形設(shè)置，也就是說，它將外壁的所有設(shè)在下部或上部的鍋爐管互相連接在一起。盡管在所有管內(nèi)壓力完全平衡，但仍會發(fā)生水與蒸汽部分分離。因此，即使在這種強(qiáng)制直流鍋爐中，有利的是仍將連接在直通收集器下游的鍋爐管設(shè)計為，使得鍋爐滿負(fù)荷時，在外壁的并聯(lián)的鍋爐管內(nèi)的平均質(zhì)量流密度不低于1200kg/m2s。在直通收集器下方的管系可以螺旋形環(huán)繞地配置。因此這些管圍繞整個外壁環(huán)形延伸。雖然這造成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和在下部區(qū)內(nèi)數(shù)量較少的鍋爐管，但由此當(dāng)然可基本補(bǔ)償外壁不同區(qū)域內(nèi)加熱的差別。盡管如此仍認(rèn)識到，即使在這種結(jié)構(gòu)中也會導(dǎo)致在直通收集器中不規(guī)則的局部分離，其結(jié)果是帶來上述在連接在直通收集器下游的管內(nèi)質(zhì)量流量過小的問題。因此，即使在這種結(jié)構(gòu)中，仍將連接在直通收集器下游的鍋爐管設(shè)計為，使得鍋爐滿負(fù)荷時，在外壁的并聯(lián)的鍋爐管內(nèi)的平均質(zhì)量流密度不低于1200kg/m2s。在燃燒礦物燃料的鍋爐中，熱量輸入燃燒室的鍋爐管內(nèi)不僅僅通過對流進(jìn)行，而是將大部分熱量通過熱輻射加入鍋爐管內(nèi)。因此尤其在這種鍋爐中，在各鍋爐管加熱方面的差別特別大。因此有利地，包括一個具有一定數(shù)量礦物燃料燃燒器的燃燒室的鍋爐，在滿負(fù)荷時外壁鍋爐管的質(zhì)量流密度有相應(yīng)的設(shè)計。按有利的設(shè)計，就流動介質(zhì)而言在強(qiáng)制直流鍋爐下游連接汽輪機(jī)，例如用于發(fā)電。此外，發(fā)電站設(shè)備有利地具有這種強(qiáng)制直流鍋爐。采用本發(fā)明獲得的優(yōu)點尤其在于，通過適當(dāng)選擇外壁的連接在直通收集器下游的鍋爐管的設(shè)計參數(shù)，保證在每個管內(nèi)充分的熱量輸出，并由此避免不允許的會導(dǎo)致管壁損壞的高溫。在這里，所述措施基于以下認(rèn)識即使在強(qiáng)制直流鍋爐內(nèi)也存在不可忽略的自然循環(huán)特征，在滿負(fù)荷時這種自然循環(huán)特征通過規(guī)定的最低質(zhì)量流密度減弱。由此最終避免限制發(fā)電站設(shè)備的運行。下面借助附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。其中

圖1示意表示具有直通收集器的垂直管系強(qiáng)制直流鍋爐；以及圖2表示在滿負(fù)荷時有不同質(zhì)量流密度設(shè)計的強(qiáng)制直流鍋爐加熱較弱的角部管的質(zhì)量流密度和其在出口處的流體溫度曲線圖。在所有的圖中相同的部分采用同樣的附圖標(biāo)記。圖1示意表示按本發(fā)明燃燒礦物燃料的垂直管系的強(qiáng)制直流鍋爐I。所述強(qiáng)制直流鍋爐I包括由氣密的鍋爐管2構(gòu)成的外壁4。在這里外壁4有基本上矩形的水平橫截面6。在強(qiáng)制直流鍋爐I的下部區(qū)內(nèi)設(shè)燃燒室8，該燃燒室有一些沒有詳細(xì)表示的用于燃燒礦物燃料的燃燒器，這些燃燒器為鍋爐管4提供熱量。外壁4分成上段10和下段12，其中，上段10和下段12通過直通收集器14互相連接。在下段12內(nèi)的管系在這里垂直排列，但也可以螺旋形圍繞外壁環(huán)形排列或設(shè)置。直通收集器14收集所有從下段12的鍋爐管2流出的流動介質(zhì)，并因而在并聯(lián)的鍋爐管2之間實現(xiàn)壓力平衡。接著，將來自直通收集器14的流動介質(zhì)引入上段10的鍋爐管2內(nèi)，流動介質(zhì)在那里進(jìn)一步被加熱并必要時被過熱。在圖中未表示的加熱面內(nèi)進(jìn)一步過熱后，將過熱蒸汽輸入發(fā)電站設(shè)備圖中未詳細(xì)表不的汽輪機(jī)中。借助燃燒器產(chǎn)生的熱量基本上通過熱輻射由鍋爐管2吸收。尤其在下段12的角部管16內(nèi)，基于它們的位置離強(qiáng)制直流鍋爐I中心有最遠(yuǎn)的距離，以及基于受熱表面特別小的幾何布局，所以輸入的熱量小到，使從下段12角部管16進(jìn)入直通收集器14中的流動介質(zhì)有比較小的蒸汽含量。現(xiàn)在，直通收集器14雖然實現(xiàn)完全的壓力平衡，但并沒有招致進(jìn)入的流動介質(zhì)完全混合?；谙露?2角部管16出口處所述低的蒸汽含量以及在直通收集器14中附加的局部分離現(xiàn)象，在上段10的個別鍋爐管2進(jìn)口處的蒸汽含量可能很小。根據(jù)強(qiáng)制直流鍋爐I的運行狀態(tài)，在不利地設(shè)計上段10管系時，這可能導(dǎo)致個別鍋爐管2通流的明顯間斷，直至停滯。其結(jié)果又會造成未將熱量充分傳出和導(dǎo)致不允許的高流體溫度，從而最終使管壁承受不允許的高溫而破壞。為避免這種損壞，將上段10內(nèi)連接在直通收集器14下游的鍋爐管2，針對平均質(zhì)量流密度為每平方米和每秒1230 (kg/m2s)設(shè)計。由此提高所有并聯(lián)管總的壓力損失。其結(jié)果是，在各自鍋爐管2內(nèi)，尤其在角部管16內(nèi)，靜液壓降相對而言減少。因此始終保持存在足夠的作為流動推動力的壓差。借助圖2說明這一效果圖2用曲線圖表示在滿負(fù)荷時，確切地說，在比較小的供熱時和鍋爐I部分負(fù)荷運行，上段10管系平均質(zhì)量流密度不同設(shè)計的上段10角部管16內(nèi)流動介質(zhì)的參數(shù)。左標(biāo)度表示角部管16內(nèi)質(zhì)量流密度，按kg/m2s，右標(biāo)度表示角部管16出口處流體溫度，按攝氏度(V )，并由此分別描繪出它們與管進(jìn)口處流動介質(zhì)蒸汽含量的關(guān)系。曲線軌跡20表示為滿負(fù)荷時平均質(zhì)量流密度為870kg/m2s設(shè)計的管系中角部管16內(nèi)的質(zhì)量流密度。曲線20朝曲線圖左側(cè)的下降，清楚表明角部管16內(nèi)質(zhì)量流密度是如何隨蒸汽含量的減少而減小的。當(dāng)蒸汽含量為O時，質(zhì)量流密度降為值40kg/m2s，這實際上等同于管內(nèi)流動停滯。不再保證管內(nèi)的熱量充分傳出，以及相應(yīng)地流動介質(zhì)并因而角部管16的溫度，從蒸汽含量約O. 2起顯著提高，如曲線22所示。
然而，當(dāng)針對滿負(fù)荷時平均質(zhì)量流密度超過1200kg/m2s，在本實施例中為1230kg/m2s來設(shè)計上段10的鍋爐管2時，如上所述減小自然循環(huán)特性以及減少角部管16內(nèi)過度的相對靜液壓降。雖然曲線24也表示角部管16內(nèi)質(zhì)量流密度朝低的蒸汽含量方向減小。但其中質(zhì)量流密度的值，即使在蒸汽含量為O時，仍保持為比在針對滿負(fù)荷時平均質(zhì)量流密度為870kg/m2s設(shè)計的結(jié)構(gòu)中高得多的值(在這里是330kg/m2s)。如曲線26所示，這導(dǎo)致在任何蒸汽含量時均保證角部管16內(nèi)充分的熱量傳出，也就是說，溫度僅小量升高或保持不變。由此避免因溫度過高而損壞上部區(qū)10內(nèi)的外壁4，以及達(dá)到總體上延長強(qiáng)制直流鍋爐I的使用壽命。
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)制直流鍋爐(I)，具有由氣密焊接、可沿垂直方向通流的鍋爐管(2)構(gòu)成的外壁(4)，其中，在外壁(4)內(nèi)部設(shè)直通收集器(14)，就流動介質(zhì)而言，所述直通收集器(14)將多個并聯(lián)的第一鍋爐管(2)的出口側(cè)與串聯(lián)在第一鍋爐管(2)下游的多個并聯(lián)的第二鍋爐管(2)的進(jìn)口側(cè)連接起來，其中，連接在直通收集器(14)下游的鍋爐管(2)的設(shè)計參數(shù)選擇為，使得鍋爐(I)滿負(fù)荷時，在外壁(4)的并聯(lián)的鍋爐管(2)內(nèi)的平均質(zhì)量流密度不低于 1200kg/m2s。
2.按照權(quán)利要求1所述的強(qiáng)制直流鍋爐(I)，其中，并聯(lián)的鍋爐管(2)的數(shù)量是一個設(shè)計參數(shù)。
3.按照上述權(quán)利要求之一所述的強(qiáng)制直流鍋爐(I)，其中，鍋爐管(2)的內(nèi)徑是一個設(shè)計參數(shù)。
4.按照上述權(quán)利要求之一所述的強(qiáng)制直流鍋爐(I)，其中，外壁(4)有基本上矩形的水平橫截面(6)。
5.按照上述權(quán)利要求之一所述的強(qiáng)制直流鍋爐(I)，其中，直通收集器(14)水平地圍繞外壁(4)環(huán)形設(shè)置，以及包括全部在下方設(shè)在外壁(4)內(nèi)的多個并聯(lián)的第一鍋爐管(2)，以及包括全部在上方設(shè)在外壁(4)內(nèi)的多個并聯(lián)的第二鍋爐管(2)。
6.按照上述權(quán)利要求之一所述的強(qiáng)制直流鍋爐，其中，連接在直通收集器(14)上游的鍋爐管(2)螺旋形環(huán)繞地排列在外壁(4)內(nèi)。
7.按照上述權(quán)利要求之一所述的強(qiáng)制直流鍋爐，具有包括一定數(shù)量礦物燃料燃燒器的燃燒室。
8.按照上述權(quán)利要求之一所述的強(qiáng)制直流鍋爐，具有就流動介質(zhì)而言連接在下游的汽輪機(jī)。
9.一種發(fā)電站設(shè)備，它具有按照上述權(quán)利要求之一所述的強(qiáng)制直流鍋爐。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)制直流鍋爐(1)，具有由氣密焊接、可沿垂直方向通流的鍋爐管(2)構(gòu)成的外壁(4)，其中，在外壁(4)內(nèi)部設(shè)直通收集器(14)，就流動介質(zhì)而言，所述直通收集器(14)將多個并聯(lián)的第一鍋爐管(2)的出口側(cè)與串聯(lián)在第一鍋爐管(2)下游的多個并聯(lián)的第二鍋爐管(2)的進(jìn)口側(cè)連接起來，為了與運行狀態(tài)無關(guān)地有特別長的壽命和特別低的故障率，按照本發(fā)明，連接在直通收集器(14)下游的鍋爐管(2)的設(shè)計參數(shù)選擇為，使得鍋爐(1)滿負(fù)荷時，在外壁(4)的并聯(lián)的鍋爐管(16)內(nèi)的平均質(zhì)量流密度不低于1200kg/m2s。
文檔編號F22B37/22GK103052848SQ201180038297
公開日2013年4月17日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月4日
發(fā)明者J.布羅德瑟, J.布魯克納, M.埃弗特, J.弗蘭克, T.舒爾策 申請人:西門子公司