專利名稱：蒸汽發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蒸汽發(fā)生器。
在燃氣和蒸汽渦輪裝置中使用在膨脹的工作介質(zhì)或燃氣渦輪中燃氣所含的熱量來產(chǎn)生蒸汽渦輪所需的蒸汽。熱傳導(dǎo)在連接在燃氣渦輪之后的余熱蒸汽發(fā)生器內(nèi)完成。在此余熱蒸汽發(fā)生器中通常安裝有一定數(shù)量的加熱面用于對水進行預(yù)熱，產(chǎn)生蒸汽和對蒸汽進行過熱處理。加熱面與蒸汽透平的水-蒸汽循環(huán)過程是接通的。這一水-蒸汽循環(huán)通常包含多個(如三個)壓力級，每一個壓力級都有一個蒸發(fā)器加熱面。
在高溫燃氣一側(cè)與作為余熱蒸汽發(fā)生器的燃氣渦輪相連接的蒸汽發(fā)生器有多種可選擇的設(shè)計方案，即直通式蒸汽發(fā)生器或循環(huán)式蒸汽發(fā)生器。在直通式蒸汽發(fā)生器中，對作為蒸發(fā)器管的蒸汽發(fā)生器管的加熱使其中的流體介質(zhì)在一次通過時就蒸發(fā)。相反在一個自然的或被動的循環(huán)式蒸汽發(fā)生器中，循環(huán)水在通過蒸發(fā)器管時只是部分地被蒸發(fā)。沒有被蒸發(fā)的水在與產(chǎn)生的蒸汽分離后重新進入該蒸發(fā)器管再次被蒸發(fā)。
與自然的或被動的循環(huán)式蒸汽發(fā)生器相反，直通式蒸汽發(fā)生器不受壓力限制，因此，新鮮蒸汽的壓力有可能極大地超出水的臨界壓力(221巴)，此時，液體類和氣體類介質(zhì)的密度差很小。新鮮蒸汽壓力高，熱效率就高，這樣，在使用礦物燃料的電廠中，二氧化碳的排放量就低。另外，與循環(huán)式蒸汽發(fā)生器相比，直通式蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單，成本特別低。使用按直通原理設(shè)計的作為燃氣和蒸汽渦輪裝置的一個廢熱蒸汽發(fā)生器的蒸汽發(fā)生器，特別有利于提高構(gòu)造簡單的燃氣和蒸汽渦輪裝置的總效率。
直通式蒸汽發(fā)生器基本上有兩種結(jié)構(gòu)方式，一種是臥式，一種是立式。臥式直通式蒸汽發(fā)生器可以使加熱的介質(zhì)或高溫燃氣，比如燃氣渦輪的廢氣，沿著接近水平的方向通過，而立式的則使加熱的介質(zhì)沿著接近垂直的方向通過。
臥式直通蒸汽發(fā)生器與立式直通蒸汽發(fā)生器相比，制造工藝簡單，生產(chǎn)和安裝費用低。在臥式直通蒸汽發(fā)生器，加熱面的蒸汽發(fā)生器管卻由于其位置的不同而受熱大不相同。特別是在流出端匯入一個共同的流出匯集器的蒸汽發(fā)生器中，單個蒸汽發(fā)生器管受熱不同會使蒸汽參數(shù)大不相同的蒸汽流匯集，從而引起不希望出現(xiàn)的效率損失，特別是引起相關(guān)加熱面的效率降低，蒸汽產(chǎn)生量減少。另外，相鄰的蒸汽發(fā)生器管受熱不同，特別會在其流入一個流出匯集器的入口處引起蒸汽發(fā)生器管或匯集器的損傷。
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一個蒸汽發(fā)生器，它既適合臥式設(shè)計，又具有上述直通式蒸汽發(fā)生器的優(yōu)點，而且能夠保證使用礦物燃料的電廠具有特別高的效率。
這一目的通過符合本發(fā)明的蒸汽發(fā)生器來實現(xiàn)，它在一個接近水平方向的燃氣管道里至少安裝著一個直通式發(fā)熱面，該發(fā)熱面由一些近乎垂直的，讓流動介質(zhì)通過的并聯(lián)的蒸汽發(fā)生器管組成，而且，該發(fā)熱面上的受熱較多的蒸汽發(fā)生器管與同一發(fā)熱面上的其它蒸汽發(fā)生器管相比，其流動介質(zhì)的通過量更高。
直通式發(fā)熱面可以理解成根據(jù)直通原理設(shè)計成的一個發(fā)熱面。通過直通式發(fā)熱面的流動介質(zhì)在一次性通過直通式發(fā)熱面或者通過一個包含有大量串聯(lián)直通式發(fā)熱面的發(fā)熱面系統(tǒng)時完全蒸發(fā)。這樣一個發(fā)熱面系統(tǒng)中的直通式發(fā)熱面，也可以用來對流動介質(zhì)進行預(yù)熱或過熱。這時，這個或每個直通式發(fā)熱面，特別是管束狀的，包含一定數(shù)量沿燃氣流動方向串聯(lián)的管道層，每一個管道層由一定數(shù)量的沿燃氣流動方向并聯(lián)的蒸汽發(fā)生器管組成。
本發(fā)明基于這樣一種考慮，在一個高效率的并且適合于臥式結(jié)構(gòu)的蒸汽發(fā)生器中，應(yīng)該盡量減少局部不同的受熱情況對蒸汽參數(shù)的影響。為了使相鄰的兩個蒸汽發(fā)生器管之間保持特別小的蒸汽參數(shù)差，通過蒸汽發(fā)生器的介質(zhì)在流出蒸汽發(fā)生器管之后，應(yīng)該對每一個屬于同一直通式發(fā)熱面的蒸汽發(fā)生器管都差不多具有相同的溫度和/或蒸汽含量。每一個蒸汽發(fā)生器管的設(shè)計都要使介質(zhì)的流量與蒸汽發(fā)生器管的平均受熱情況相適應(yīng)，而這一平均受熱情況取決于蒸汽發(fā)生器管在燃氣管道中的位置，這樣，即使各蒸汽發(fā)生器管的受熱情況不同，也可以使從每個管中流出的流動介質(zhì)的溫度達到平衡。
為了讓流動介質(zhì)的流量能與所設(shè)計的使過熱器溢出處的全負荷壓力超過80巴的蒸汽發(fā)生器的每一個蒸汽發(fā)生器管受熱特別好地相適應(yīng)，較有利的是設(shè)計或測量至少一個直通式加熱面上的蒸汽發(fā)生器管，使其摩擦壓力損失與全負荷狀態(tài)下的地理性壓差(靜壓差)的比例平均應(yīng)小于0.4，最好小于0.2。如果蒸汽發(fā)生器帶有一個使過熱器溢出處的全負荷壓力值為80或80巴以下的壓力級，較有利的是設(shè)計該壓力級的至少一個直通式加熱面上的蒸汽發(fā)生器管，使其摩擦壓力損失與全負荷狀態(tài)下的靜壓差的比例平均應(yīng)小于0.6，最好小于0.4。這基于以下原理，如果對一個蒸汽發(fā)生器管因其設(shè)計引起的多次加熱導(dǎo)致該管內(nèi)流動介質(zhì)的流量增加，那么，對兩個蒸汽發(fā)生器管的不同的加熱在每個蒸汽發(fā)生器管的出口處造成的溫差和/或流動介質(zhì)蒸汽含量的差別會特別小。
以上可用非常簡單的方式，通過一個與靜壓差相比非常小的摩擦壓力損失達到。靜壓差即水和蒸汽柱由于自身重量在蒸汽發(fā)生器管內(nèi)橫截面上的壓差。摩擦壓力損失指的是，在蒸汽發(fā)生器管中，由于流動介質(zhì)流動所受到的阻力而形成的壓差。蒸汽發(fā)生器管中的整體壓差主要由靜壓差和摩擦壓力損失組成。
如果對單個的蒸汽發(fā)生器管進行劇烈的加熱，在該管內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽也就特別的多。管中未蒸發(fā)的介質(zhì)的重量也就下降，從而使管中的靜壓差下降。但是，所有在一個直通式發(fā)熱面上并聯(lián)的蒸汽發(fā)生器管由于在共同的入口處有一個流入?yún)R集器連接，在共同的出口處有一個流出匯集器連接，故其總壓差相同。如果由于直通式發(fā)熱面的設(shè)計使平均靜壓差成為整體壓差的決定因素，那么，受到劇烈加熱的蒸汽發(fā)生器管與并聯(lián)的其它管相比，靜壓差特別小，為了壓力平衡，會有大量的流動介質(zhì)通過受熱劇烈的這一蒸汽發(fā)生器管。
換句話說，一個與和它并聯(lián)的蒸汽發(fā)生器管相比受熱較多的蒸汽發(fā)生器管中的流動介質(zhì)的流量就較多。反過來，一個與和它并聯(lián)的蒸汽發(fā)生器管相比受熱較少的蒸汽發(fā)生器管中的流動介質(zhì)的流量就較少。如果通過對蒸汽發(fā)生器管的設(shè)計，特別是鑒于蒸汽發(fā)生器管中被選中的質(zhì)流密度，預(yù)先給出一個適合的摩擦壓力損失與靜壓差的比例，那么，這一效應(yīng)將有助于每個蒸汽發(fā)生器管的流量自動與其受熱情況相適應(yīng)。
根據(jù)摩擦壓力損失與靜壓差的比例設(shè)計蒸汽發(fā)生器管，一些重要的參數(shù)可以根據(jù)下面的出版材料中的一些等式計算出，Q.Zheng，W.Koehler，W.Kastner und K.Riedle“Druckverlust in glatten und innenberipptenVerdampferrohren(在平滑的和帶內(nèi)肋的蒸發(fā)管中的壓力損失)”，Waerme-undStoffuebertragung(熱量和流體介質(zhì)傳輸)26，第323頁-330頁，Springer出版社1991，以及Z.Rouhani“Modified correlation for voidfraction and two-phasepressure drop”，AE-RTV-841，1969。對于一個經(jīng)設(shè)計使過熱器出口的全負荷壓力等于或小于180巴的蒸汽發(fā)生器可使用全負荷運行狀態(tài)的參數(shù)。對于一個經(jīng)設(shè)計使全負荷壓力大于180巴的蒸汽發(fā)生器則可使用其過熱器出口工作壓力為大約180巴時的部分負荷狀態(tài)下的參數(shù)。
大量的試驗表明，依據(jù)上述關(guān)于蒸汽發(fā)生器管的設(shè)計準則所期望實現(xiàn)的在蒸汽發(fā)生器管受熱更多的情況下流動介質(zhì)的流量的自動提高，在高出流動介質(zhì)臨界壓力時也會出現(xiàn)。如果蒸汽發(fā)生器管中的摩擦壓力損失比一個實施例中只有水流入的直通式發(fā)熱面的蒸汽發(fā)生器管里的高五倍的話，那么在水與蒸汽混合體流入的直通式發(fā)熱面的蒸汽發(fā)生器管中也會出現(xiàn)流量的自動提高。
在符合本發(fā)明的目的的一個設(shè)計中，一個直通式發(fā)熱面上的每一個蒸汽發(fā)生器管都比同一直通式發(fā)熱面上的沿燃氣流動方向后續(xù)排列的蒸汽發(fā)生器管中的流動介質(zhì)的流量高。
在另外一個比較有利的選擇或附加實施例中，這一個或每一個直通式發(fā)熱面上的蒸汽發(fā)生器管要比同一直通式發(fā)熱面上的沿燃氣流動方向后續(xù)排列的蒸汽發(fā)生器管具備一個更大的內(nèi)徑。這樣就以特別簡單的方式保證，蒸汽發(fā)生器管在比較高的燃氣溫度范圍內(nèi)具有較高的流動介質(zhì)流量。
在其它較有利的選擇或附加實施例中，將節(jié)流裝置沿著流動介質(zhì)的流動方向接在這個或每一個直通式發(fā)熱面上的一些蒸汽發(fā)生器管的前面。這樣尤其在本實施例中，相對于同一直通式發(fā)熱面上的蒸汽發(fā)生器管受熱較少的蒸汽發(fā)生器管可以配置一個節(jié)流裝置。這樣，一個直通式發(fā)熱面上的蒸汽發(fā)生器管的流量就可以控制，從而使流量能夠在另外一種情況下適應(yīng)受熱，并且可以使蒸汽發(fā)生器管分批地與前面一個節(jié)流裝置連通。
在另外一個較有利的選擇或附加實施例中，這一個或每一個直通式發(fā)熱面分別配備有大量的流入?yún)R集器和/或流出匯集器，每個流入?yún)R集器沿流動介質(zhì)的流動方向連接在各個直通式發(fā)熱面上的一定數(shù)量的蒸汽發(fā)生器管的前面，而各個直通式發(fā)熱面上的一定數(shù)量的蒸汽發(fā)生器管則后接每個流出匯集器。這樣就使蒸汽發(fā)生器管在與流入?yún)R集器連接區(qū)域內(nèi)的空間布置特別好。
為了提高熱吸收率，蒸汽發(fā)生器管相宜地在外側(cè)裝有肋片。另外，每個蒸汽發(fā)生器管相宜地在內(nèi)側(cè)設(shè)計有螺紋狀肋片，以提高蒸汽發(fā)生器管向在其內(nèi)部流動的流動介質(zhì)的熱傳導(dǎo)效率。
蒸汽發(fā)生器被相宜地用作燃氣和蒸汽渦輪裝置的余熱蒸汽發(fā)生器。這時，蒸汽發(fā)生器有利地在燃氣一側(cè)后接于一個燃氣透平。在這一連接里可以相宜地安裝一個附加燃燒裝置，以提高燃氣溫度。
通過本發(fā)明所帶來的好處主要在于，即使在臥式結(jié)構(gòu)中也可設(shè)計一個特別有利的蒸汽發(fā)生器，用來大大提高燃氣和蒸汽渦輪裝置的整體效率，而且制造和安裝成本特別低。以往這種結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器管的空間上的受熱不均和蒸汽發(fā)生器材料的損傷，由于本發(fā)明在蒸汽發(fā)生器流動技術(shù)上的設(shè)計優(yōu)點，從而肯定避免了以上缺點。
下面借助附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，附圖中

圖1，2，3分別為臥式結(jié)構(gòu)的蒸汽發(fā)生器的縱切面簡略示圖。
在所有的附圖中，同一零件以同一附圖標記表示。
根據(jù)圖1，圖2和圖3，蒸汽發(fā)生器1以一種余熱蒸汽發(fā)生器的形式在廢氣一側(cè)連接于圖中未詳細示出的一個燃氣透平的后面。蒸汽發(fā)生器1具有一外殼2，它為由燃氣透平內(nèi)流出的廢氣形成一個近似水平地沿箭頭4所示燃氣流動方向可流通的燃氣管道3。在燃氣管道3內(nèi)安裝著一些根據(jù)直通原理設(shè)計的發(fā)熱面，也稱作直通式發(fā)熱面8，10。在圖1，圖2和圖3所示的實施例中，分別示出了兩個直通式發(fā)熱面8和10，當然也可只設(shè)置一個或數(shù)量更多的直通式發(fā)熱面。
根據(jù)圖1，2和3，這兩個直通式發(fā)熱面8，10分別以束狀管形式包含一定數(shù)量的沿燃氣流動方向串聯(lián)的管道層11以及12。而每一個管道層11和12又分別包含著一定數(shù)量的沿燃氣方向并列設(shè)置的蒸汽發(fā)生器管13以及14，對于每一個管道層11和12分別只能看到它們兩個中的一個。近似于垂直安裝的并平行于流動介質(zhì)W的流動方向并聯(lián)的第一個直通式發(fā)熱面8的蒸汽發(fā)生器管13都在出口一側(cè)與一個共同的流出匯集器15相連。而同樣近似于垂直安裝的并平行于流動介質(zhì)W的流動方向并聯(lián)的第二個直通式發(fā)熱面10的蒸汽發(fā)生器管14都在出口一側(cè)與一個共同的流出匯集器16相連。第二個直通式發(fā)熱面10的蒸汽發(fā)生器管14在流通技術(shù)上通過一個垂管系統(tǒng)17連接在第一個直通式發(fā)熱面8的蒸汽發(fā)生器管13的后面。
由直通式發(fā)熱面8，10構(gòu)成的蒸發(fā)器系統(tǒng)能夠經(jīng)受流動介質(zhì)W的沖擊，介質(zhì)在一次性通過蒸發(fā)系統(tǒng)時被蒸發(fā)并在流出第二個直通式發(fā)熱面10后作為蒸汽D被排出。由直通式發(fā)熱面8，10所組成的蒸發(fā)器系統(tǒng)與一個蒸汽透平的未詳細示出的水-蒸汽循環(huán)回路連通。除了包含有直通式發(fā)熱面8，10的蒸發(fā)器系統(tǒng)以外，還有一定數(shù)量的只在圖1，2，3中簡略示出的其它發(fā)熱面20連接在蒸汽透平的水-蒸汽循環(huán)回路中。而發(fā)熱面20例如可以是過熱器，中壓蒸發(fā)器，低壓蒸發(fā)器和/或預(yù)熱器。
直通式發(fā)熱面8，10的設(shè)計，要使加熱蒸汽發(fā)生器管13以及14時的局部差別在從這兩個發(fā)生器管13或14中流出的介質(zhì)W的蒸汽含量或者蒸汽溫度上僅僅產(chǎn)生較小的差別。而每個蒸汽發(fā)生器管13，14由于各自直通式發(fā)熱面8，10的設(shè)計原因，比同一發(fā)熱面8和10上的從燃氣方向看安裝在其后的蒸汽發(fā)生器管13以及14具有較高的介質(zhì)通過量。
在如圖1所示的實施例中，其入口與一個流入?yún)R集器21相連的第一個直通式發(fā)熱面8的蒸汽發(fā)生器管13的設(shè)計，要使每個蒸汽發(fā)生器管13內(nèi)的摩擦壓力損失與靜壓差的比例在蒸汽發(fā)生器1滿負荷工作時平均低于0.2。而其入口與一個流入?yún)R集器22相連的第二個直通式發(fā)熱面10的蒸汽發(fā)生器管14的設(shè)計，則要使每個蒸汽發(fā)生器14內(nèi)的摩擦壓力損失與靜壓差的比例在蒸汽發(fā)生器1滿負荷工作時平均低于0.4。另外，直通式發(fā)熱面8和10上面的每個蒸汽發(fā)生器管13，14比同一直通式發(fā)熱面8和10上從燃氣方向看安裝于其后面的蒸汽發(fā)生器管13和14具有較大的內(nèi)徑。
如圖2所示的實施例中，為了調(diào)節(jié)適合于各自加熱情況的流量，在直通式發(fā)熱面8和10上的每個蒸汽發(fā)生器管的前面沿介質(zhì)W的流動方向各自連通了一個閥作為節(jié)流裝置23。通過這種方法，直通式發(fā)熱面8和10上的蒸汽發(fā)生器管13，14的流量就能更好地適應(yīng)其不同的受熱情況。
在圖3所示的實施例中，每個直通式發(fā)熱面8和10分別配有多個流入?yún)R集器26以及28和多個流出匯集器30以及32，這樣就能極其簡單地來分組。每個流入?yún)R集器26，28沿介質(zhì)W的流動方向連接于每個直通式發(fā)熱面8和10上的一定數(shù)量的蒸汽發(fā)生器管13和14的前面。相反，每個流出匯集器30，32則沿介質(zhì)W的流動方向連接于每個直通式發(fā)熱面8和10上的一定數(shù)量的蒸汽發(fā)生器管13和14的后面。在圖3所示的實施例中，每個直通式發(fā)熱面8和10上的蒸汽發(fā)生器管13，14的設(shè)計，要使蒸汽發(fā)生器1工作時每個蒸汽發(fā)生器管13，14內(nèi)的摩擦壓力損失與靜壓差的比例平均小于0.2或0.4。這樣所構(gòu)成的蒸汽發(fā)生器管組前面各自連通一個節(jié)流裝置34。
由于直通式發(fā)熱面8，10的這種設(shè)計，直通式蒸汽發(fā)生器1能夠適應(yīng)蒸發(fā)生器管13，14因臥式結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的空間上的不均勻的受熱情況。因此，蒸汽發(fā)生器1也就特別簡單地適合于臥式結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種蒸汽發(fā)生器(1)，其內(nèi)具有一條可讓燃氣沿近似于水平的方向流動的燃氣通道(3)，通道內(nèi)至少設(shè)一個直通式發(fā)熱面(8，10)，它由一定數(shù)量的近似垂直設(shè)置的并平行于介質(zhì)流動方向并聯(lián)的蒸汽發(fā)生器管(13，14)構(gòu)成，它的設(shè)計要使與同一直通式發(fā)熱面(8，10)上的其它蒸汽發(fā)生器管(13，14)相比受熱較多的一蒸汽發(fā)生器管(13，14)具有比其它蒸汽發(fā)生器管更大的介質(zhì)通流量。
2.如權(quán)利要求1所述的蒸汽發(fā)生器(1)，其特征在于，至少一個直通式發(fā)熱面(8，10)上的蒸汽發(fā)生器(13，14)在全負荷時摩擦壓力損失與靜壓差的比例平均分別小于0.4，最好小于0.2。
3.如權(quán)利要求1或2所述的蒸汽發(fā)生器(1)，其特征在于，一個直通式發(fā)熱面(8，10)上面的每個蒸汽發(fā)生器管(13，14)比同一直通式發(fā)熱面(8，10)上從燃氣方向看安裝于其后面的蒸汽發(fā)生器管(13，14)具有更大的介質(zhì)通流量。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的蒸汽發(fā)生器(1)，其特征在于，所有或每個直通式發(fā)熱面(8，10)上的一個蒸汽發(fā)生器管(13，14)比同一直通式發(fā)熱面(8，10)上從燃氣方向看安裝于其后面的蒸汽發(fā)生器管(13，14)具有更大的內(nèi)徑。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的蒸汽發(fā)生器(1)，其特征在于，所有或每個直通式發(fā)熱面(8，10)上的一定數(shù)量的蒸汽發(fā)生器管(13，14)在介質(zhì)的流動方向上分別連接于一個節(jié)流裝置(23)的后面。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的蒸汽發(fā)生器(1)，其特征在于，所有或每個直通式發(fā)熱面(8，10)分別配有多個流入?yún)R集器(26，28)和/或流出匯集器(30，32)，而每個流入?yún)R集器(26，28)沿介質(zhì)的流動方向共同連接在各個直通式發(fā)熱面(8，10)上一定數(shù)量的蒸汽發(fā)生器管(13，14)的前面。
7.如權(quán)利要求6所述的蒸汽發(fā)生器(1)，其特征在于，在至少一個流入?yún)R集器(26，28)前面連接著一個節(jié)流裝置(34)。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的蒸汽發(fā)生器(1)，其特征在于，它在燃氣一側(cè)連接于一個燃氣透平的后面。
全文摘要
一個蒸汽發(fā)生器(1)，它一方面要適合臥式結(jié)構(gòu)，另一方面要具有直通式蒸汽發(fā)生器的優(yōu)點。為此，本發(fā)明的蒸汽發(fā)生器(1)包含有一個蒸汽發(fā)生器(1)，在其內(nèi)部的一條可讓燃氣沿近似于水平的方向流動的燃氣通道內(nèi)至少設(shè)有一個直通式發(fā)熱面(8，10)，它由一定數(shù)量的近似垂直設(shè)置的并平行于介質(zhì)流動方向并聯(lián)的蒸汽發(fā)生器管(13，14)構(gòu)成，它的設(shè)計要使與同一直通式發(fā)熱面(8，10)上的其他蒸汽發(fā)生器管(13，14)相比受熱較多的一蒸汽發(fā)生器管(3，14)具有較其它蒸汽發(fā)生器管更大的介質(zhì)通流量。
文檔編號F22B37/74GK1239540SQ97180252
公開日1999年12月22日 申請日期1997年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月12日
發(fā)明者埃伯哈德·威特喬, 喬基姆·弗蘭克, 魯?shù)婪颉た死瓲?申請人:西門子公司