CN100567813C - 蒸汽发生器管,相关的制造方法和直流式蒸汽发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸汽发生器管(10)，它应在简便而经济地生产的同时以及在具有大的允许误差范围的不同运行条件下有特别有利的传热特性。为此按本发明为了构成一种产生涡流的内部型面在管子内腔(18)安装至少一个嵌入件(22)，嵌入件(22)包括至少一个制有一些大面积槽(26)的薄板框(24)，以及，嵌入件(22)沿纵向扭绞并将其纵向棱边(30)至少部分贴靠在管子内壁(36)上。

Description

蒸汽发生器管，相关的制造方法和直流式蒸汽发生器

本发明涉及一种蒸汽发生器管，它有一个产生涡流的内部型面。此外本发明涉及一种具有这种蒸汽发生器管的直流式蒸汽发生器。本发明还涉及一种设有产生涡流的内部型面的蒸汽发生器管的制造方法。

在直流式蒸汽发生器(亦可称“直流式锅炉”)的燃烧室壁内通常装入一些通过接片互相气密地焊接在一起的蒸汽发生器管，用于构成围绕燃烧室的烟道，它们为了流动介质的直流进行并联。取代管子和处于它们之间单独的扁铁接片，也可以使用已在工厂配备有成形在上面的散热片的管子。在这种情况下，蒸汽发生器管可以垂直或也可以倾斜地排列。为了使直流式蒸汽发生器有可靠的运行特性，通常将蒸汽发生器管设计为，即使在流过蒸汽发生器管的介质低的流量密度时，也能保证蒸汽发生器管充分冷却。

一个重要的设计准则是蒸汽发生器管的传热特性。良好地传热可以在蒸汽发生器可靠冷却的同时特别有效地加热流过蒸汽发生器管的介质。对于传统的在亚临界压力下运行的锅炉，蒸汽发生器管的传热特性可由于出现所谓的沸腾危机而受损。在这种情况下管壁不再被液态流动介质，通常是水，润湿并因而不能充分冷却。因此，由于过早地变干，可能降低管壁的强度值。

为了改善传热特性，通常使用这样的蒸汽发生器管，它们基于变形过程(例如冷拔)在其内侧有一种形式上为螺旋形缠绕的肋的表面结构或内部型面。由于这种肋的造型，促使流过蒸汽发生器管的介质产生涡流，从而基于作用的离心力使较重的液相积聚在管子内壁上并在那里形成润湿的液膜。因此即使在热流密度比较高和流量密度比较低的情况下，也能保证从管子内壁向流动介质的可靠传热。

在这些已知的蒸汽发生器管中存在的缺点是，基于管子材料有限的变形能力它们的制造比较麻烦。尤其对于高含铬量的耐高温钢而言，变形能力严重受限。这种材料如今对于蒸汽发生器管起越来越重要的作用，因为它们至少在原则上允许设计一种蒸汽参数特别高，尤其新汽温度高并因而随之而来的效率特别高的锅炉。然而由于这些因材料引起的加工限制，实际上没有或只有付出高昂的代价才有可能用光滑管通过变形过程制造具有期望的在流动技术上有利的肋型面的内肋管。尤其是足够陡的坡口角和有棱角地过渡再加上肋的大高度是很难制造的。除此之外，肋的高度只能在狭窄的范围内制造。此外就沿管子的型面设计而言仅有小的灵活性。

与之不同，已经建议了一些产生涡流的不同类型的内部配件用于事后装入蒸汽发生器管内。属于此的尤其是所谓的“Twisted Tapes(扭带)”：用一种金属条带加工的带，它们本身扭绞或卷绕。当然迄今已知的管子内部配件的共同缺点是，一方面它们在管子中央堵塞(原本)自由的横截面并因而导致非常高的压力损失，以及另一方面它们使整个流动非常剧烈地转向并在这种情况下局部“过扭”。例如一种简单的扭带，在两相流内有高蒸汽含量时，导致水相聚集在管壁与带之间的楔形空间内，与此同时使带的空侧变干并因而不能充分冷却内壁区。因此，具有形式上为扭带的内部配件的蒸汽发生器管，同样不适用于所有在锅炉中常见的运行条件。

因此本发明的目的是提供一种前言所述类型的蒸汽发生器管，它应在简便而经济地生产的同时以及在具有大的允许误差范围的不同运行条件下有特别有利的传热特性。此外应提供一种适用于制造这种蒸汽发生器管的制造方法以及一种直流式锅炉，它在高运行可靠性和高效率的同时有特别简单的结构。

涉及蒸汽发生器管按本发明为达到上述目的采取的措施是，为了构成一种产生涡流的内部型面，在管子内腔安装至少一个嵌入件，嵌入件包括至少一个制有一些大面积槽的薄板框，以及，嵌入件沿纵向扭绞并将各自薄板框的纵向棱边至少部分贴靠在管子内壁上。

本发明考虑问题的出发点是，为了改善热传导在蒸汽发生器管内部的多相流应当有扭转，从而液相基于旋转被导向并尽可能均匀地润湿管子内壁。因此为了有针对性地造成并维持这种涡流，应在管内安装恰当的导流元件。如已表明的那样，所述导流在如下情况下特别有利，即，一方面沿流路既不发生“过扭”也不造成过高的压力损失，另一方面尽管如此仍有强度足够的扭转效果，以便将流动介质的液相沿管子的整个圆周导向管子内壁。

为避免导致对给水泵高能量需求的高压力损失，以及为了保证在管子内部蒸汽排出，导流元件应主要以内部型面的方式设置在管子内壁上以及管子横截面在中央没有或只是小量被堵。除此之外为了避免与传统结构方式的肋管相关联的加工限制，产生涡流的内部型面应通过管子的内部配件或嵌入件实现，它们可以独立于蒸汽发生器管按期望的形状制造并在事后再插入管内。

为此目的，按这里介绍的方案，将一个沿纵向扭绞的薄板框装入管子内腔，它将其纵向棱边至少部分，但优选地全部贴靠在管子内壁上。按另一种方案，在管子内部装入一个由多个薄板框构成并沿纵向扭绞的嵌入件，每个自身缠绕或扭绞的薄板框将其两个纵向棱边贴靠在管子内壁上。这种实施形式后面在附图说明中还要详述。与迄今已知的扭带不同，各薄板框制有一些大面积的槽，它们例如可以用金属薄板料通过冲压或裁剪制成。大面积在这里指的是，全部槽的总覆盖面积占每个薄板框基本面积的至少50％，但优选地至少80％，从而在插入管子内腔后管子横截面在中央的绝大部分保持畅通。因此蒸汽在管子内部可不受干扰地聚集和流出。

不同于封闭的扭带，涡流的产生系由边缘附近的区段，亦即由构成槽边缘或围栏的边条促成，它们总是螺旋形地沿管子内壁缠绕并与此同时有与传统肋管的肋类似的结构和类似的功能。避免了传统扭带与“过扭”有关的负面效应。与之不同，还可以在涡流强度适中和压力损失较小的同时达到管子内壁用液态流动介质均匀地润湿。端侧的横条和必要时设在每两个沿纵向前后排列的槽之间的横条仅有管子嵌入件的支承功能，它们对蒸汽发生器管中央的涡流只造成并不重要的干扰。

与由光滑管在使用大的变形力的条件下通过变形过程制成的肋管相反，按本发明的一种新方案特别有利的是，在对流动重要的参数方面存在大的灵活性，例如螺旋头数、边条宽度(相应于与肋管中的肋高度)、坡口角和棱角。相应的设计规定值可以在设计为嵌入件时特别简单和精确地转换，因为通常为此只须制备一块或多块适当冲压或剪裁的金属薄板或金属带，以及在扭绞的情况下置入一根比较容易加工的光滑管内。

有利地，管子嵌入件基于一个或多个薄板框的扭转应力在蒸汽发生器管规定的工作温度防滑地处于管子内腔中。也就是说，这种金属薄板材和扭转应力与几何状况彼此协调为，能抑制嵌入件在管子内腔潜行或滑动。

虽然管子嵌入件基于其几何尺寸及其扭转应力已经比较牢固和可靠地装在蒸汽发生器管内，但优选地采取附加的固定措施，将每个或至少一个薄板框在至少一个地方，优选地在其两端附近，与管子内壁固定连接。在这里所述的固定连接有利地是耐高温的焊接。包括多个沿薄板框纵向棱边分布的点焊位置的方案，是一种制造会麻烦一些但确保特别可靠地固定的方案。当所述一个或多个薄板框用一种有类似于管子材料成分的材料制造，则这种通过焊接的固定可以特别好地完成。

此外，对于沿蒸汽锅炉的总高度延伸的比较长的蒸汽发生器管往往值得追求的是，在管子内部沿其纵向尺寸根据地点采用不同的导引型面，它们不仅可以顾及蒸汽组份而且顾及加热剖面的空间发展或变化。这样一种设计方案可以有利地采取下述措施实现：将多个嵌入件装入蒸汽发生器管内，它们布置在各个分开的管段内，其中，各自的嵌入件将其几何参数与工作时规定的所处位置处的加热和/或所处位置处的流动状况相配。因为业已证明涡流在一旦产生后即使在两相流中也能维持至少沿五倍管径的流动距离，所以管子没有必要完全、无空隙地配备嵌入件。确切地说，嵌入件可以通过空隙彼此隔开距离地装在蒸汽发生器管内。

在这里所说明的蒸汽发生器管恰当地用在一种矿物燃料加热的直流式锅炉中。通过管子产生涡流的内部型面和与之相关地改善传热特性，即使在有垂直管排(“立式管系”)的锅炉结构中也能保证对流动介质有充分的热传导或保证管壁的冷却。管子数量较多和管道长度较短的立式管系，基于与倾斜或螺旋形排列的管子相比流速较低和流量密度较小，所以锅炉的运行有较小的压力损失和较低的最小流量。由此包含这种锅炉的电厂可以设计用于较低的最小负荷。在立式管系中不再发生由倾斜的蒸汽发生器管已知的分离效应，此时水和蒸汽在低于最小流速或最小负荷时仍只是分层流动，从而管壁的部分区不再被润湿。此外取消了蒸汽锅炉复杂的与大量昂贵的焊接加工相关联的支承结构，因为有立式管系的锅炉壁通常可设计为自支承式的。

此外，所述的管子内部配件即使在对流加热(它们例如存在于燃气和蒸汽轮机发电厂的废热锅炉中)时，基于更佳的热传导，仍能导致减小热交换面积并因而导致显著节省费用。

涉及制造方法为达到上述目的采取的措施是，在管子内腔装入一个由一个或多个互相连接的薄板框组成并通过扭绞预紧的嵌入件，其中，嵌入件在装入后松弛，直至它将其纵向棱边至少部分贴靠在管子内壁上。换句话说：一个或多个薄板框通过扭绞预紧并在这种减小了直径的情况下插入蒸汽发生器管内。在其部分松弛后，嵌入件自动挤压在管子内壁上。在这里余留的扭转应力选择为，使得在蒸汽发生器管规定的工作温度下不会发生滑动和不会发生一个或多个薄板框超过期望程度的消除扭转。附加地，嵌入件有利地至少在一端与管子内壁焊接。

采用本发明获得的优点尤其在于，通过所述的新颖管子嵌入件提供了一种在管子内腔可使用于所有管子材料有灵活适应能力的流动导引装置，它能相应地满足改善热传导的要求。基于通过基本上可自由设计的几何参数带来的设计灵活性，可以调整沿蒸汽发生器管长度变化的扭绞型面，使之与当地具体的加热状况准确相配。在这里避免了传统肋管的加工限制。尤其在蒸汽参数具有更高设计值的电厂新发展中，由于针对更高的温度和压力必要的新材料有更高的含铬量，使肋管的生产越来越昂贵。在这里，所述新颖的产生涡流的内部配件可以代替肋管或干脆在一开始就使用。

下面借助附图详细说明本发明的实施例。其中：

图1简化表示有立式管系的燃烧室壁的直流式锅炉或蒸汽发生器；

图2表示具有一个构成产生涡流的内部型面由单个扭绞的薄板框组成的嵌入件的蒸汽发生器管剖视图；

图3表示一个规定用于构成管子嵌入件的薄板框处于其扭绞前的原始状态；

图4表示类似于图2中的蒸汽发生器管剖视图，但在这里的嵌入件由两个彼此相交角度地定向的薄板框组成；

图5表示通过其结构设计类似于图4所示嵌入件的嵌入件横截面，它处于扭绞前两个彼此相继的加工阶段；以及

图6表示通过按另一种实施形式的管子嵌入件的横截面，它同样处于扭绞前两个彼此相继的加工阶段。

所有的图中相同的部分采用同样的附图标记。

图1示意表示有矩形横截面的直流式锅炉2，它的垂直烟道由外壁或燃烧室壁4构成，壁在下端过渡成漏斗状底部6。

在烟道的燃烧区V内，在由蒸汽发生器管10组成的燃烧室壁4内的每个孔8(图中只能看到其中两个)中安装多个燃料的燃烧器。垂直布置的蒸汽发生器管10在燃烧区V内气密地互相焊接成一个蒸发加热面12。

对流加热面14处于烟道的燃烧区V上方。一个烟气出口通道16处于对流加热面14上方，通过燃烧矿物燃料产生的烟气RG经过它离开垂直烟道。流入蒸汽发生器管10内的流动介质通过燃烧器火焰的辐射热和通过烟气RG的对流传热加热并与此同时蒸发。烟气RG作为热媒介用于流入蒸汽发生器管10内的流动介质。在本实施例中采用水或水汽混合物作为流动介质。

当然，除了图1中表示的单流式锅炉(所谓塔式锅炉)外也可以有其他锅炉构型，例如双流式锅炉。下面要说明的蒸汽发生器管可以使用在所有这些方案中，确切地说不仅使用在燃烧区内，而且可以使用在其余的烟道中。还可以设想使用于废热锅炉。

图2用剖视图表示使用于直流式锅炉2燃烧室壁4管系的蒸汽发生器管10一部分。在光滑管20的管子内腔18中装入一个嵌入件22，为了改善传热特性它构成一个产生涡流的内部型面。嵌入件22在本实施例中包括一个沿纵向，亦即绕管子轴线扭绞的薄板框24，它有多个大面积的槽26。图3中所示尚处于其扭绞前的薄板框24的宽度B略大于规定要容纳它的光滑管20的管径。矩形的槽26沿纵向看前后排成一行以及彼此通过窄的横条28隔开。槽26沿横向几乎沿薄板框24的整个宽度B延伸，以及在这里通过窄的边条32与两个纵向棱边30隔开。

现在薄板框24绕其纵轴线34扭绞并在此预紧状态置入用作蒸汽发生器管10的光滑管20内。在这里薄板框24的宽度B与管径尺寸之比设计为，使薄板框24能部分松弛，从而使边条32在装配的最终状态沿一条预定的螺旋线缠绕在管子内壁36上。在这里，留下的剩余应力将薄板框24可靠地固定在管子内腔18中。附加地，薄板框24的边条32在多处与管子内壁36焊接。

薄板框24与容纳它的光滑管20的管壁38一样用一种含高份额铬的耐高温金属材料制造。当然也可以使用其他合适的为专业人员熟知的材料。基于薄板框24与光滑管20分别加工，所以尤其边条32的高度和宽度以及由纵向棱边30构成的螺旋线的螺旋角可以任意规定。按第一种近似，通常将这些几何参数选择为与传统肋管的肋相似。但除此之外也可以实现一种取决于地点的适配和优化，这种适配和优化顾及沿燃烧室壁4加热剖面的变化过程。

此外，图4表示有一个嵌入件22的蒸汽发生器管10剖视图，此嵌入件由两个互相连接和彼此相交角度地定向的薄板框24组成。两个薄板框24中的每一个与图3中表示的薄板框24相似有一些大面积的槽26。这两个薄板框24分别螺旋形缠绕在管子内壁36上的边条32，在这里共同构成一个产生涡流形式上为四头螺旋的内部型面。因此与按图2的嵌入件22由形式上为双头螺旋构成的内部型面相比，尤其在管子内径比较大的情况下，可以更加有效的方式产生一种导致用液膜均匀地润湿管子内壁36的涡流。

图5表示用于这种嵌入件22的一种特别简单和恰当的制造方法。为此由图5左部的横截面图可以看出，将两个分别类似于图3所示薄板框24设计的同样的薄板框24彼此叠置，并大体在它们横条28的中心互相焊接(点焊部位40)。接着这两个薄板框24按图5表示的方式沿其纵轴线34大体弯曲90°，从而形成如图5右部所示横截面大约十字形的结构。最后，将此嵌入件22沿纵向扭绞并插入光滑管20内。

在需要时可以按类似的方式制造一种由三个互相连接的薄板框24组成的嵌入件22(图6)，它在扭绞并置入光滑管20后构成一个产生涡流的形式上为六头螺旋的内部型面。

Claims (12)

1.一种蒸汽发生器管(10)，其中，为了构成一种产生涡流的内部型面在管子内腔(18)安装至少一个嵌入件(22)，该嵌入件(22)包括一个或多个制有一些大面积槽(26)的薄板框(24)，以及，所述嵌入件(22)沿纵向扭绞并将其纵向棱边(30)至少部分贴靠在管子内壁(36)上。

2.按照权利要求1所述的蒸汽发生器管(10)，其中，各槽(26)分别通过窄的边条(32)与薄板框(24)的两个纵向棱边(30)隔开距离。

3.按照权利要求1或2所述的蒸汽发生器管(10)，其中，在薄板框(24)内多个沿纵向前后排列的槽(26)通过窄的横条(28)彼此隔开距离。

4.按照权利要求1或2所述的蒸汽发生器管(10)，其中，所述嵌入件(22)基于其扭转应力在规定的工作温度时防滑地处于管子内腔(18)中。

5.按照权利要求1或2所述的蒸汽发生器管(10)，其中，所述嵌入件(22)在至少一个部位与管子内壁(36)固定连接。

6.按照权利要求5所述的蒸汽发生器管(10)，其中，所述至少一个部位在所述嵌入件(22)的两端附近。

7.按照权利要求5所述的蒸汽发生器管(10)，其中，所述固定连接是焊接。

8.按照权利要求1或2所述的蒸汽发生器管(10)，其中，所述嵌入件(22)用一种有类似于管子材料成分的材料制造。

9.按照权利要求1或2所述的蒸汽发生器管(10)，其具有多个嵌入件(22)，它们布置在各个分开的管段内，其中，各嵌入件(22)的几何参数与工作时规定的所处位置处的加热状况和/或所处位置处的流动状况相匹配。

10.一种直流式蒸汽发生器(2)，它包括一些按照权利要求1至9之一所述的蒸汽发生器管(10)。

11.一种配设有产生涡流的嵌入件(22)的蒸汽发生器管(10)的制造方法，其中，在管子内腔(18)装入由一个或多个薄板框构成并通过扭绞预紧的嵌入件(22)，该嵌入件(22)在装入后松弛，直至所述一个或多个薄板框(24)的纵向棱边(30)至少部分贴靠在管子内壁(36)上。

12.按照权利要求11所述的方法，其中，所述嵌入件(22)在其部分松弛后在至少一端与管子内壁(36)焊接。

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