CN101384854B - 锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锅炉(1)，其中，在燃气通道(4)内设一个由一些蒸发管(6)构成的蒸发器连续加热面(8)和一个由一些在流动介质方面连接在蒸发管(6)下游的过热管(10)构成的过热器加热面(12)，以及在一些在流动介质方面连接各一根或多根蒸发管(6)与各一根或多根过热管(10)的溢流管段(20)内分别组合一个水分离元件(30)。

Description

锅炉

本发明涉及一种锅炉，其中，在燃气通道内设一个由一些蒸发管构成的蒸发器连续加热面和一个由一些在流动介质方面连接在蒸发管下游的过热管构成的过热器加热面。

在直流式锅炉中，加热一些蒸发管导致在蒸发管内的流动介质在一次通过时完全汽化。流动介质(通常是水)在其汽化后供入连接在蒸发管下游的过热管并在那里过热。汽化终点的位置，亦即未汽化与已汽化流动介质之间的分界区，在这里是可变的并取决于运行方式。在这种直流式锅炉全负荷运行时，汽化终点例如处于蒸发管末端区内，从而已汽化的流动介质的过热在蒸发管内已经开始。与自然或强制循环锅炉相反，直流式锅炉不遭遇压力限制，所以它对于新汽压力可以设计为远高于水的临界压力(P_kri≈221bar)，在临界压力时水相与汽相没有区别并因而也不可能实施分相。

这种直流式锅炉可以在燃气轮机和蒸汽轮机中使用，在那里在燃气轮机膨胀后的工质或燃气内所含的热量，利用于产生汽轮机用的蒸汽。在这里可规定尤其与设计功率约达60MW的所谓工业燃气轮机组合使用。按这种设计方案，鉴于由额定功率规定的边界条件，水的预热和蒸发以及所生成蒸汽的进一步过热，可以在单一的连续加热面内进行，它们的管道在进口侧与过冷给水的进口集箱连接，以及在出口侧与过热蒸汽的出口集箱连接。

在低负荷运行时或在这种直流式锅炉起动时，来自燃气轮机的高温排气通常首先导入直流式锅炉过热器段不冷却的管道中，由于这一原因它们通常必须用优质的耐热材料制造。与之不同，蒸发器段也可以规定供给最低流量的流动介质，以保证可靠地冷却蒸发管。在这里，恰恰在例如小于40％设计负荷的低负荷时，与相关的蒸汽功率相应的通过锅炉管的连续质量流量一般不再能将其充分冷却，所以在这种通过蒸发器的流动介质上叠加一个附加的流动介质流量。在这种情况下，在水进入直流式锅炉的过热器段之前，通常有必要将水从流动介质分离出来。为此连续加热面在其总体上可由一个设在燃气通道中的由一些蒸发管构成的蒸发器连续加热面和由一个在流动介质方面连接在它下游由一些过热管构成的过热器加热面构成，以及，在流动介质方面在蒸发器连续加热面与过热器加热面之间连接一个水分离系统。

在这种直流式锅炉中，构成蒸发器段的蒸发管通常汇入一个或多个出口集箱内，流动介质从那里出发引入连接在下游的水汽分离器内。在那里流动介质分离为水和蒸汽，其中蒸汽被转移到连接在过热管上游的分配系统中，在那里实施将蒸汽质量流量分配给各根在流动介质方面并联的过热管。

按这种结构方式，通过中间连接水分离系统，在起动和低负荷运行时确定了直流式锅炉的汽化终点以及如在全负荷运行时那样不能改变。由此极大地限制了按这种结构方式的直流式锅炉低负荷运行时的运行灵活性。此外，按这种结构方式分离系统通常尤其在材料选择方面必须考虑到，蒸汽在分离器内在纯粹的连续运行中明显过热。所要求的这种材料选择同样导致严重限制运行的灵活性。此外在所需构件的尺寸设计及结构类型方面，所述的结构方式还使得在直流式锅炉起动时在第一个起动阶段产生的水冲击必须能完全吸收在分离系统内，以及必须能通过连接在下游的分离瓶和泄流阀导入减压器内。由此造成的比较大的分离瓶及泄流阀尺寸导致昂贵的生产及装配费用。

因此本发明的目的是，提供一种上述类型的锅炉，它在保持较低生产及装配费用的同时，在起动和低负荷运行时也有特别高的运行灵活性。

按本发明为达到此目的，在一些在流动介质方面分别将一根或多根蒸发管与一根或多根过热管连接起来的溢流管段内分别组合一个水分离元件。

本发明考虑问题的出发点在于，为了保证有特别高的运行灵活性，直流式锅炉即使在起动或低负荷运行时也应当针对可变的汽化终点设计。为此在水分离系统中应避免在迄今的系统中通常因结构类型引起的汽化终点固定化。鉴于下列认识：所述的固定化主要由于收集从蒸发管流出的流动介质、随后在一个中央水分离器内水分离以及接着将蒸汽分配给过热管内形成的，所以应从事水分离功能的分散化。水分离在这里尤其应设计为，使得水分离后不规定流动介质复杂的分配，因为恰恰是这种分配对于水汽混合物是不适用的。为做到这一点，通过与通常采用的集中的中央水汽分离不同将水分离系统设计为分散的，在这种情况下将分离功能组合在在流动介质方面为连接蒸发管与下游的过热管原本就必需的那些管段内。

直流式锅炉可按所谓立式的结构方式设计，或按所谓卧式的结构方式设计。因此用于流过燃气的燃气通道设计为沿基本上垂直的或沿基本上水平的流动方向。

在水分离有高可靠性的同时，水分离元件特别简单的结构方式可采取下述措施达到，即，将各自的水分离元件有利地设计用于在流动介质内水与蒸汽惯性分离。为此优选地利用下述认识：流动介质中水的份额基于其与蒸汽份额相比惯性更大，所以优选地沿其流动方向笔直地继续流动，而结果是蒸汽份额能够更好地强迫转向。为了对于水分离元件比较简单的结构形式在有高分离效果的同时充分利用上述情况，按特别有利的设计将它设计为T形段的形式。在这种情况下各个水分离组件优选地包括一个与设在上游的蒸发管连接的流入管段，它沿其纵向看过渡为一个排水管段，以及，在过渡区分叉出一些与设在下游的各过热管连接的流出管段。在流入管段中流入的流动介质中水的份额由于其比较大的惯性在分叉点基本上不转向地沿纵向继续输送，并因而转移到排水管段内。与之相比，蒸汽份额基于其比较小的惯性能更便于转向，所以蒸汽份额转移到一个或多个分叉出的流出管段内。

优选地流入管段在这里设计为基本上直线，它可将其纵向布置为基本上水平或有规定的倾斜角或偏倾角。优选地，采用沿流动方向向下倾斜。与之不同，流入管段的入流可规定经由一个来自上方的肘管，所以在这种情况下流动介质基于离心力朝曲线的外侧方向压。由此优选地使流动介质中水的份额在曲线外部区沿着它流动。因此在这种设计中优选地规定用于导出蒸汽份额的流出管段朝曲线的内侧方向定向。

排水管段优选地在其进口区设计为向下弯曲的肘管。由此以特别简单而低损失的方式使分离出来的水更容易转向并符合需要地供入后续的系统内。

有利地，水分离元件在水出口侧，亦即尤其将它的排水管段成组地与一些公共的出口集箱连接。因此这种连接方式与传统的系统相反，在那里水分离器在流动介质方面连接在蒸发管出口集箱下游，而现在各自的水分离元件连接在出口集箱的上游。正因为这样，即使在起动或低负荷运行时，流动介质也可以无需收集或分配系统作为中间连接直接从蒸发管转移到过热管内，从而也能将汽化终点移入过热管内。在这里，有利地在出口集箱下游连接一些蓄水罐。一个或多个蓄水罐本身在出口侧可以与恰当的系统，例如大气减压器连接，或借助循环泵与直流式锅炉的循环连接。

当在水分离系统中分离水与蒸汽时，或可以几乎分离出全部水的份额，从而只还有汽化的流动介质传输给连接在下游的过热管。在这种情况下汽化终点仍处于蒸发管内。但与之不同也可以仅仅分离出一部分离析的水，而剩余的尚未汽化的流动介质与已汽化的流动介质一起传输到连接在下游的过热管内。在这种情况下汽化终点移入过热管内。

在后一种也称为分离系统过给水(Ueberspeisung)的情况下，首先就水而言连接在水分离元件下游的部件，例如出口集箱或蓄水罐完全充满水，从而在水继续流入相应的管段时形成水回流。一旦这种回流水到达水分离元件，则使新流入的水的至少部分水流与在流动介质内同行的蒸汽一起传输给后续的过热管。为了在这种所谓分离系统过给水的工作方式时保证有特别高的运行灵活性，按特别有利的设计，在一根与蓄水罐连接的排水管内连接一个可借助配设的调节器控制的调整阀。在这里调节器有利地可供入一个表征过热器加热面出口处流动介质焓的进口值。

采用这种系统，在分离系统过给水的工作方式时，可通过有目的地控制连接在蓄水罐排水管内的阀调整从蓄水罐流出的质量流量。因为这一质量流量用来自水分离元件的相应的水质量流量替代，所以也可以调整来自水分离元件进入集水系统的质量流量。由此也可以调整与蒸汽一起传输到过热管内的那个部分水流，从而通过相应地调整这部分水流可以例如在直流式锅炉过热器段的末端遵守规定的焓。与之不同或附加地，与蒸汽一起传输给过热管的部分水流也可以通过相应地控制所述叠加的循环影响。为此，按另一项或与之不同的有利设计，借助为水分离系统配设的调节器可以控制为蒸发管配设的循环泵。

恰当地，所述锅炉用作燃气和蒸汽轮机装置的废热锅炉。

采用本发明获得的优点尤其在于，通过将水分离组合在锅炉管道系统内，可以在无需事先收集从蒸发管流出的流动介质和无需接着给过热管分配传输给过热管的流动介质的情况下完成水的分离。由此可以省去复杂的收集和分配系统。此外，由于取消了复杂的分配系统，向过热管转移的流动介质不仅限于蒸汽；确切地说，现在也可以将水汽混合物传输给过热管。正因为如此，汽化终点可从蒸发管与过热管之间的分界点移出并按需要移入过热管内。因此，即使在直流式锅炉的起动或低负荷运行时也能获得特别高的运行灵活性。

此外，水分离元件尤其也可以基于直流式锅炉反正存在的管系设计为T形段。这些T形段可以设计为壁比较薄，以及直径和壁厚可以保持与水冷壁管的直径和壁厚大体相同。因此，通过水分离元件的这种薄壁结构，使锅炉的起动时间在总体上或还有负荷变化速度不受进一步的限制，从而即使在用于高蒸汽参数的设备中当负荷改变时也能达到比较短的反应时间。此外，这种T形段能特别经济地生产。尤其是在起动或在低负荷运行时还允许水分离元件间歇性过给水，从而可将部分要排出的汽化水收集在连接在蒸发管下游的过热管内。因此水分离系统，例如分离瓶或泄流阀的设计，可以针对比较小的泄流量并因而更经济地进行。此外，汽化终点移入过热管内可以限制可能需要的喷水和与之相关联的损失。

下面借助附图详细说明本发明的实施例。其中：

图1示意表示立式结构方式的锅炉；

图2表示按图1的直流式锅炉水分离系统局部图；以及

图3A-3D分别表示一个水分离元件。

在所有的图中相同部分采用相同符号表示。

按图1的锅炉1设计为直流式锅炉，以及作为燃气和蒸汽轮机装置的组成部分按废热锅炉的类型连接在图中没有进一步表示的燃气轮机排气侧下游。锅炉1有外壁2，它构成燃气轮机排气的燃气通道4。在燃气通道4内装设一个由一些蒸发管6构成的蒸发器连续加热面8和一个为了流过流动介质W、D连接在蒸发器连续加热面下游由一些过热管10构成的过热器加热面12。就导引燃气轮机排气流而言，过热器加热面12在这里设在蒸发器连续加热面8之前，所以燃气轮机排气首先作用在过热器加热面12上。

在本实施例中，锅炉1按立式的结构方式设计，此时燃气轮机排气的燃气通道4，在蒸发器连续加热面8和过热器加热面12区域内，沿基本上垂直方向从下向上流过并在其上端终止在烟囱14内。蒸发管8和过热管10在这里按蛇形管的类型交替水平定向地铺设在燃气通道4中。与之不同，锅炉1也可以按卧式的结构方式用于在设计优选地包括交替地垂直定向的蛇形管的燃气通道4内基本上水平导引的烟气流。

蒸发器连续加热面8的蒸发管6将它们的进口端与进口集箱1 6连接。而过热管10则在出口侧与出口集箱18连接。按需要在燃气通道4内还可以设其它加热面，例如省煤器、预热器和/或对流式过热器加热面。

为了将蒸发器连续加热面8与过热器加热面12在流动介质方面前后连接，蒸发管6通过溢流管段20与过热管10连接。在本实施例中，按一对一的配置将每根蒸发管6总是通过一个溢流管段20与总是一根过热管10连接。但也可以与之不同采用成组的共同连接法，此时，一根或多根蒸发管6总是通过一个溢流管段20与一根或多根过热管10连接。

直流式锅炉1设计用于，即使在起动或低负荷运行时，此时，蒸发管6除了流动介质W可汽化的质量流量外，出自于运行可靠性的原因还叠加流动介质W另一个循环质量流量，为了特别高的运行灵活性可以保持汽化终点位置是可变的。为此在起动或低负荷运行时，此时由于设计的原因流动介质在蒸发管6的末端尚未完全汽化，因而汽化终点应移入过热管10内。为达到这一点，溢流管段20设有组合在内的水分离功能。为此在每个溢流管段20内各组合一个水分离元件30。由此还尤其达到，在水汽分离后不需要麻烦地将水汽混合物W、D分配给过热管10。

但在本实施例中，由图1只能看到其中一个水分离元件30被设计为，按一对一的配置将每根蒸发管6正好与一根后续的过热管10连接，因此水分离的功能和管道连接技术在单根管内实施。由此保证，与水汽分离结合，既不需要收集从蒸发管6流出的流动介质，也不需要将要传输的流动介质分配给后续的过热管10。由此以特别简单的方式可以将汽化终点移入过热管10内。但如已表明的那样，当向不超过例如十根过热管10实施分配时，也可以足够均匀或也可以等量分配地将水汽混合物传输给过热管10。

因此，在图2中重新局部放大表示的锅炉1的由水分离元件30和附加部件构成的水分离系统31，包括一些与水分离元件30数量相应的蒸发管6和过热管10，它们每一个都设计为T形管段的形式。为此，各自的水分离元件30包括一个与设在上游的蒸发管6连接的流入管段32，它沿其纵向看过渡为一个排水管段34，以及，在过渡区36分叉出一些与设在下游的过热管10连接的流出管段38。采用这种结构方式，水分离元件30设计用于惯性分离从连接在上游的蒸发管6进入流入管段32内的水汽混合物。也就是说，进入流入管段32内流动介质中水的份额，基于其较大的惯性在过渡点36优选地沿流入管段32的轴向延伸段笔直地继续流动并因而到达排水管段34内。与之相比，进入流入管段32内水汽混合物的蒸汽份额，基于其比较小的惯性能更好地实施强制转向，并因而通过流出管段38和溢流管段20流向连接在下游的过热管10内。

在水出口侧，亦即经过排水管段34，水分离元件30成组地与一个共同的出口集箱40连接，在这里也可以成组地设多个出口集箱40。出口集箱40本身在出口侧与一个公共的蓄水罐42，尤其与一个分离瓶连接。

设计为T形管段的水分离元件30在其分离效果方面可以实施优化。为此的实施例可见图3A至3D。如图3A所示，流入管段32可以与随它之后的排水管段34一起基本上设计成直线，以及将其纵向相对于水平线倾斜。此外，在按图3A的实施例中，在流入管段32的上游还膝状地连接一个弯曲的管段50，它基于其弯曲及其空间布局促使进入流入管段32内的水在离心力作用下优选地压靠在流入管段32与流出管段38对置的那个内壁侧上。由此有利于水的份额在排水管段38内继续输送，从而在总体上提高了分离效果。

也可以达到如图3B所示的分离效果一种类似的强化，为此流入管段32与排水管段34基本上水平定向，以及同样在上游连接一个恰当弯曲地延伸的管段50。

图3C中的实施例表示，水分离元件30将连接在上游的单根蒸发管6与多根，在本实施例中两根，连接在下游的过热管10连接起来。为此在按图3C的实施例中，从通过流入管段32和排水管段34构成的介质通道分叉出两个流出管段38，它们每一个各与一根连接在下游的过热管10连接。为了使分离出来的水便于流入连接在下游的出口集箱40内，流出管段34如图3D所示设计为向下弯曲的肘管或包括一个与之相应地设计的部分管段。

由图1中的视图可以看出，蓄水罐42在出口侧通过一个连接的排水管52与图中没有详细表示的排水系统连接。与之不同或附加地，排水管52可以直接或通过一个没有进一步表示的省煤器加热面与连接在蒸发管6上游的进口集箱12连接，从而形成一个闭合的循环回路，通过它可以在起动或低负荷运行时在流入蒸发管6内的流动介质上叠加一个附加的循环，以提高运行可靠性。根据运行要求或需要，分离系统31可以以这样的方式工作，即，将几乎全部在蒸发管6出口处仍同行的水从流动介质分离出来，以及基本上只有已汽化的流动介质才进一步传输给过热管10。

但也可以与之不同，水分离系统31按所谓的过给水方式工作，此时不是所有的水均从流动介质分离，而是仍有一个随行的部分水流与蒸汽D一起进一步传输给过热管10。在这种工作方式中，汽化终点移入过热管10内。按这种过给水方式，首先水不仅完全充满蓄水罐42而且也充满连接在上游的出口集箱40，从而形成水回流直至各自的水分离元件30过渡区36，流出管段38在这里分叉。由于所述的回流，还引起流向水分离元件30的流动介质中水份额的至少部分，遭遇转向并因而与蒸汽一起进入流出管段38。在这种情况下与蒸汽共同供入过热管10的部分水流的大小，一方面由供入各自水分离元件30的水的全部质量流量以及另一方面由经排水管段34排出的部分质量流量产生。因此通过适当改变供入的水质量流量和/或经排水管段34排出的水质量流量，可以调整传输到过热管10内的未汽化流动介质的质量流量。由此可以通过控制一个或两个所述的参数可以以这样的方式调整传输给过热管10的未汽化流动介质的份额，即，使例如在过热器加热面12末端调整为规定的焓。

为了能实现这一点，为水分离系统31配设一个调节器60，它在进口侧与一个设计用于确定表征过热器加热面12烟气侧末端焓的特征值的测量传感器62连接。调节器60在出口侧一方面作用在一个连接在蓄水罐42排水管52内的调整阀64上。由此可通过有目的地控制调整阀64规定从分离系统31取出的水流量。此水流量又可以在水分离元件30中从流动介质提取并传输给后续的收集系统。因此通过控制调整阀64可以影响各个在水分离元件30分叉的水流，并因而可以影响在分离后仍在流动介质内并传输给过热器加热面10的水的份额。与之不同或附加地，调节器64还可以作用在一台循环泵上，从而也可以相应地调整在水分离系统31内介质的入流速率。

Claims (10)

1.一种锅炉(1)，其中，在燃气通道(4)内设有由一些蒸发管(6)构成的蒸发器连续加热面(8)和由一些在流动介质方面连接在蒸发管(6)下游的过热管(10)构成的过热器加热面(12)，其特征在于，一些在流动介质方面分别将一根或多根蒸发管(6)与一根或多根过热管(10)连通的、原本就要设置的溢流管段(20)分别至少部分构成一个水分离元件(30)。

2.按照权利要求1所述的锅炉(1)，其中，各个水分离元件(30)包括一个与连接在上游的各蒸发管(6)连接的流入管段(32)，该流入管段(32)沿其纵向看过渡为一个排水管段(34)，以及，在过渡区(36)分叉出一些与连接在下游的各过热管(10)连接的流出管段(38)。

3.按照权利要求2所述的锅炉(1)，其中，所述流入管段(32)通过一个来自上方的肘管(50)流入。

4.按照权利要求2或3所述的锅炉(1)，其中，所述排水管段(34)在过渡区(36)将其纵向布置为相对于水平线沿流动方向向下倾斜。

5.按照权利要求2或3所述的锅炉(1)，其中，所述排水管段(34)在其进口区设计为向下弯曲的肘管。

6.按照权利要求1至3之一所述的锅炉(1)，其中，水分离元件(30)在水出口侧成组地与一些公共的出口集箱(40)连接。

7.按照权利要求6所述的锅炉(1)，其中，在所述出口集箱(40)的下游连接一些蓄水罐(42)。

8.按照权利要求7所述的锅炉(1)，其中，在一根与蓄水罐(42)连接的排水管(52)内连接一个借助配设的调节器(60)可控制的调整阀(64)，以及，调节器(60)可输入一个表征连接在水分离系统(31)下游的过热器加热面(12)蒸汽侧出口处流动介质(W、D)焓的进口值。

9.按照权利要求8所述的锅炉(1)，其中，借助调节器(60)可以控制为蒸发管(6)配设的循环泵。

10.按照权利要求1至3之一所述的锅炉(1)，其中，就燃气而言在燃气通道(4)上游连接一台燃气轮机。

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