CN101896768A

CN101896768A - 整体式水冷壁外置热交换器

Info

Publication number: CN101896768A
Application number: CN2008801013745A
Authority: CN
Inventors: J·M·巴纳斯; P·J·帕诺斯
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2010-11-24
Also published as: US20090031967A1; CA2693346C; SI2179218T1; BRPI0814589A2; HUE031459T2; EP2179218A2; AU2008282617A1; EP2179218B1; PL2179218T3; CA2693346A1; WO2009017972A2; WO2009017972A3; HRP20170066T1; AU2008282617B2

Abstract

一种燃烧系统，所述燃烧系统具有包括用以运载锅炉水的管系15的燃烧器2、具有用以从所述燃烧器2的排放物中回收固体的旋风分离器3且具有用以从所述固体中回收热量的外置热交换器5，所述系统包括：用于将来自所述燃烧器2的锅炉水供应至所述外置热交换器5的管束6的旁通装置20，和用于将来自所述管束6的锅炉水供应至所述燃烧器2的水冷壁管系15的锅炉水返回装置21。本发明还提供了一种方法和一种外置热交换器。

Description

整体式水冷壁外置热交换器

技术领域

本文披露的发明涉及锅炉蒸发表面，且特别是，本发明涉及流化床锅炉中的整体式锅炉水冷壁外置热交换器。

背景技术

本发明的背景技术是结合使用外置热交换器的燃烧系统而言的。参见图1，图中示出了现有技术的循环流化床蒸汽发生器(CFBSG)10的一个实施例的多个方面。在该实施例中，CFBSG 10包括燃烧器2、至少一个旋风分离器3、相应的密封罐4、相应的外置热交换器(EHE)5、和多个其它部件。为了进行说明，假设典型实施例使用了仅一个旋风分离器3。然而，本发明还可适用于任何数量的旋风分离器。

在运行过程中，被压碎的燃料(例如煤)和吸附剂(例如石灰石)被供给至燃烧器2的下部部分。一次空气通过空气分配器被供应至燃烧器2的底部部分，且二次空气被供给通过位于燃烧器2的下部部分中的处在一个或多个高度处的空气端口。

燃烧发生在整个燃烧器2范围内，所述燃烧器包含循环床材料。烟道气和其中携带的固体作为燃烧器排放物被排出燃烧器2并进入一个或多个旋风分离器单元(被简称为“旋风分离器”3)。在旋风分离器3中，固体与烟道气分开并下落至密封罐4。来自密封罐4的固体经由灰返回装置19再循环至燃烧器2。在该实施例中，其中一些固体发生转向而移向外置热交换器(EHE)5且随后经由外置热交换器的出口导管23移向燃烧器2。在外置热交换器5中，一个或多个管束吸收来自流化固体的热量以便对流化固体进行冷却并且将流动通过管束的水的一部分转化成蒸汽，所述蒸汽被供应给用户，例如用于发电的涡轮机。固体通过外置热交换器入口导管22在外置热交换器5与密封罐4之间行进。

在一些功率负荷更小的循环流化床蒸汽发生器(CFBSG)10中，并不保证一定设置外置热交换器5。然而，在某些其它实施例中，例如对于那些利用一定的再热循环、燃料或者利用一定的蒸汽容量的实施例而言，使用外置热交换器5是有利的。通常情况下，外置热交换器5被配置为包括一个或多个隔室的沸腾床热交换器，每个隔室包括一系列沉管(immersed tube)，所述一系列沉管被分组构成至少一个管束6。

在典型实施例中，燃烧器2大体上包括两个区域。下部部分和上部部分。燃烧器2的下部部分包括燃料、一次空气分配器、二次空气端口、燃料供给端口和固体再循环端口。该区域中的床密度平均而言相对较高，且通常在空气分配器的高度处达到最高值。随后，床密度随着燃烧器2高度的升高而降低。从物理上而言，下部部分通常呈矩形、逐渐渐细且由带散热片的水冷壁管系或熔焊的水冷壁管系15制成。下部部分通常衬有难熔材料(耐火材料)以便保护水冷壁管系15。

在该简化示图中，通过入口集管17将锅炉水(来自锅炉鼓筒的水)供应给水冷壁管系15。入口集管17提供锅炉水以便在燃烧器2的水冷壁管系15中产生蒸汽。

燃烧器2的上部部分包括与旋风分离器3连通的至少一个气体出口7。上部部分通常呈矩形且具有垂直壁部，其中壁部被成形而具有带散热片的水冷壁管系或熔焊的水冷壁管系15。上部部分通常不带衬里以使向水冷壁管系15进行的热传递最大化。

通过热虹吸循环(自然循环)对燃烧器2的壁部进行冷却。在较高的蒸汽压力和水压下，燃烧器2的壁部可包括辅助循环。

在锅炉中的蒸发管系的布置设计中，热吸收表面必须被构造以便避免管系的内表面被烧干。这是通过防止蒸汽与水分离而实现的。通过使所有加热线路与内螺纹管垂直地进行延伸或者相对于该内螺纹管向上倾斜地延伸，或者通过进行水平泵送的方式，防止发生这种分离。要不然管系将由于缺少冷却剂而变得过热，或者在管系上将迅速出现铁氧化物的快速内部沉积，从而有可能出现过热和内部腐蚀。因此，在蒸发管束外置热交换器中，或使用倾斜的/垂直的热吸收表面，或要不然使用泵送水平表面。

仍然参见图1，现有技术的CFBSG 10包括锅炉鼓筒10，所述锅炉鼓筒通过多条出口集管和提升管接收来自水冷壁管系15的饱和蒸汽和水。锅炉鼓筒8实现了水(W)和蒸汽(S)的分离。在该实施例中，鼓筒水(W)还经由下降管9被引导至外置热交换器循环泵16。蒸汽经由蒸发管道出口集管(ETOH)93从外置热交换器5被供应至蒸发管束提升管95。来自外置热交换器5的蒸汽被引导进入来自燃烧器2的蒸汽内。

图1所示的设计，和其它相似的设计，需要使用循环泵16，所述循环泵使用电能，以便将足够的水流供应至线路从而避免内部烧干。此外，外置热交换器循环泵16是设备中的昂贵部件，这种部件可能需要进行定期维护。进一步地，还需要其它部件，例如外置热交换器下降管9、外置热交换器蒸发器提升管、外置热交换器蒸发器入口和出口集管。

为了避免使用外置热交换器循环泵16，外置热交换器管束6可通过使管道倾斜并使用内螺纹管系的方式来利用自然循环。为了在外部蒸发热交换器(如外置热交换器5)中安装足够的表面，同时仍可保持自然循环，需要设置较深的管束才能提供相对较大的向上倾斜度，从而达到促进每条线路中的水循环的目的。为了避免在每条管道中出现烧干现象，需要提供向上的倾斜度。较深的管束需要较深的床，所述较深的床使用更高的压力鼓风机(对于外置热交换器而言)，与更浅的床相比，这种较深的床的每单元空气流量的功率需求更高，如同水平管系和泵送(辅助)循环的情况那样。倾斜表面还导致对于每单元的床平面面积而言管束6的表面积更少，且因此需要更多的蒸发器组件和更大的平面面积。

因此，需要这样的外置热交换器蒸发器设计特征，该特征可减少空间和床高度或消除多个部件，且消除了循环泵。

发明内容

本发明披露了一种燃烧系统，所述燃烧系统具有包括用以运载锅炉水的管系的燃烧器、具有用以从所述燃烧器的排放物中回收固体的旋风分离器且具有用以从所述固体中回收热量的热交换器，所述系统包括：用于将来自所述燃烧器的锅炉水供应至所述热交换器的管束的旁通装置，和用于将来自所述管束的锅炉水供应至所述燃烧器的水冷壁管系的锅炉水返回装置。

本发明还披露了一种用于将锅炉水供应至位于燃烧系统中的热交换器的方法，所述燃烧系统具有包括用以运载锅炉水的管系的燃烧器、具有用以从所述燃烧器的排放物中回收固体的旋风分离器且具有用以从所述固体中回收热量的热交换器，其中所述方法包括：将来自所述燃烧器的锅炉水引导进入旁通装置内并且将所述锅炉水供应至所述热交换器的管束。

此外，提供了一种热交换器，且所述热交换器包括适于接收旁通管道的输入装置，所述旁通管道供应来自燃烧器的水冷壁管系和管束的锅炉水以便对所述锅炉水进行加热，并且经由处于连续线路中的返回管道使锅炉水返回所述燃烧器。

附图说明

在说明书后面的权利要求书中特别地指出且清楚地主张了被视作本发明的主题。通过以下具体实施方式并结合附图将易于理解本发明的前述和其它特征和优点，其中：

图1示出了现有技术的循环流化床蒸汽发生器的多个方面；

图2示出了根据本文教导的循环流化床蒸汽发生器系统(CFBSGS)的多个方面；

图3示出了外置热交换器(EHE)的侧视图；

图4示出了外置热交换器的后视图；

图5示出了从燃烧器内部观察到的水冷壁；

图6示出了相对于燃烧器的外置热交换器的平面图；

图7示出了在外置热交换器与燃烧器之间偏置的管道；

图8示出了循环流化床蒸汽发生器系统的多个方面；和

一起被称作图9的图9A和图9B示出了用于将锅炉水供应至外置热交换器的燃烧器和管束的其它实施例。

具体实施方式

本发明披露了对循环流化床蒸汽发生器(CFBSG)10作出的改进。本文的教导提供了一种更简化的外置热交换器，其功率需求比通常的外置热交换器更低，且减少了循环流化床蒸汽发生器系统CFBSGS 100中的部件数量。

现在参见图2，图中示出了本发明的一个实例的多个方面。为说明目的起见，该图被简化了。图中并未示出与流化床燃烧器典型相关的所有部件。

在该图中，水冷壁管系15的锅炉水的一部分产生转向而移向外置热交换器5并返回水冷壁。如图2所示，水冷壁管道的一部分产生转向而形成外置热交换器5的管束6。外置热交换器5的作用与现有技术的管系非常相似(存在一些差别且优于现有技术的管系，所述优点包括本文披露的那些优点以及其它优点)以便从燃烧器固体中回收热能。通过使用外置热交换器5回收的热能通过返回流体并经由返回管道21而从外置热交换器5被载运至水冷壁管系15。返回管道21为来自管束6且返回剩余的水冷壁管系15的返回流体提供了连续流径。本发明的关键点在于，在燃烧器中实现的垂直流热吸收确保了有足够的流量来避免每条管道的在外置热交换器中水平延伸的管系部分出现烧干或者过热。

正如本文所使用地，水冷壁管系15被限定为水冷管系，所述水冷管系形成了燃烧室的容限周界。水冷管系15使得可收集在燃烧器2中产生的热量且使得可产生蒸汽。

在其它实施例中，水从燃烧器入口集管产生转向而移向用于管束的独立入口集管。燃烧器的选定管道被留在外边。管束的管道与填充在缺失管道中的水冷壁是交叉的。

因此，通过使用外置热交换器5的方式将用于水冷壁管系15的锅炉水的至少一部分用来吸收热量。可根据热性能需求确定锅炉水的该部分的范围；且该部分的范围可包括锅炉水中的一些水或者几乎所有的水。即，在一些实施例中，所有的锅炉水被引导通过旁通装置20。此外，所属领域技术人员认识到：旁通装置20可与现有技术的设计相结合地使用，如那些使用外置热交换器循环泵16和多个下降管9以便提供来自蒸汽鼓筒8的水的设计。通过使用旁通装置20(和相关联的部件)可以实现多个优点。

正如现有技术中那样，至少一个下降管9将水从蒸汽鼓筒8供应至蒸发循环装置。正如本文中所使用地，术语“下降管”被定义为将锅炉水从蒸汽鼓筒8运载至蒸发表面的入口的管路。下降管9中的流向是向下的，且可在下降管与水冷壁之间设置分配装置如集管、管路和管道。

尽管可使用循环泵16使水在蒸发循环装置中进行循环，但为了简化构造和降低成本起见，优选使用自然循环。在“自然循环”条件下，水在没有需要功率的独立泵的辅助条件下循环通过蒸发循环装置(例如本文披露的多个水部件，这些水部件由鼓筒供给并将水蒸汽混合物返回鼓筒)。

正如本文所使用地，“自然循环”也被称作“热循环”或“热虹吸循环”，在自然循环过程中，锅炉水循环通过闭合回路，所述闭合回路包括蒸汽鼓筒8、下降管、水冷壁和提升管等锅炉部件。用于实现循环的驱动力是下降管9与受热水冷壁之间的静水压头差。

将外置热交换器的线路与水冷壁的线路整合在一起实现了多个优点。一个优点是确保了即使用水平的热吸收表面也能在外置热交换器中实现自然循环。这就降低了流化床的所需高度，与倾斜的蒸发表面相比，这降低了流化空气压力需求。因此，有可能使用一次空气、二次空气和/或使用其它压力更低的空气源来保持流化床条件。流化空气可作为二次空气进入燃烧器2。因此，与没有外置热交换器的情况相比，风机功率需求并未增加。

此外，外置热交换器线路并不具有独立的提升管或下降管，这是因为它们是水冷壁线路的一部分。因此，与典型的外置热交换器或蒸发面板相比，压力部件的总数量减少了。

下面来看现有技术的其它方面。对于燃烧器中的表面如翼壁来说，蒸发表面的范围是固定的。当工艺过程产生变化时(例如当由于燃料或石灰石的质量和尺寸产生变化而导致工艺过程产生变化)时，几乎无法对燃烧器2中的温度进行控制。典型的问题包括热传递速率的变化、硫俘获量的变化和其它这种问题。简而言之，固定表面的量可能过小或过大，以至于无法在给定条件下实现优化的工艺温度。相反地，用控制阀对从密封罐4通过外置热交换器入口导管22返回外置热交换器5的固体进行的流体控制使得使用者可加强或减轻运行过程中的蒸发，并且可因此对运行过程中的燃烧器床温度进行较大程度的控制。

除了用于控制工艺的其它技术，例如用于降低床存量或者用于改变一次空气与二次空气之比的技术，以外，还可对燃烧器的蒸发和运行温度进行控制。在燃料和石灰石质量产生变化的情况下，性能会更为复杂且排放物会更多，这使得独立的工艺控制变量的数量也不断增加，具有固定表面的CFBSGS 100无法解决这些问题。

在上面披露的基本实施例中，从燃烧器2的一部分中延伸出来的水冷壁管道15的其中一小部分在燃烧器2外部延伸进入独立的外置热交换器内，(所述外置热交换器可以是流化的或者不是流化的)其中每条管道形成了热交换器管束6的独立元件。外置热交换器的包封装置可以是水冷的或者是衬有难熔材料的。循环的CFB灰从密封罐4(也被称作虹吸密封件和J形腿)被引导至外置热交换器。该包封装置中的开口使得灰可直接返回燃烧器2或通过另一流化区域间接返回燃烧器，所述另一流化区域例如为密封罐4或气动滑板。外置热交换器的每条热吸收管道6延伸回燃烧器2且被用作水冷壁管道15。

在上面讨论的另一实施例中，管道并不是起始于水冷壁中的，而是起始于外部集管中的，水从下降管9被供应给所述外部集管。每条管道形成了热交换器管束6的独立元件。正如前面的实例中那样，外置热交换器的每条热吸收管道都延伸回燃烧器2并被用作水冷壁管道15。

下面对示出了CFBSGS 100的进一步方面的典型示图进行描述。在图3中，外置热交换器5的包封装置是难熔衬里34。在其它实施例中，包封装置由燃烧器2的水冷壁管道15形成。图3还示出了伸缩接头33、管束6、外置热交换器灰入口导管22、外置热交换器流化空气集管和管路32、以及蒸发管束入口管道24。

图4示出了外置热交换器5的后视图。在该后视图中，示出了入口集管17的一部分。图中示出了多条蒸发管束入口管道24和管束6的管道。通过外置热交换器入口集管92对蒸发管束入口管道24进行供给。

图5示出了与整体式水冷壁外置热交换器5联接的水冷壁的一部分。在该示图中，穿透装置包括灰返回装置19和排气口52。图中示出了处于较高位置处的排气口52。

图6示出了彼此相关联的燃烧器2和外置热交换器5的平面图。在该示图中，燃烧器2具有矩形形式。图7示出了与燃烧器2和外置热交换器5相关联的旁通装置20的一个实施例。在该实例中，介于燃烧器和外置热交换器之间的管道被示作具有伸缩弯管。在另一实施例中，外置热交换器被支承而离开(supported off)燃烧器并随着该燃烧器一起上下移动。

图8是图2所示关系的另一示图。在图8中，示出了燃烧器2的一部分和旋风分离器3的一部分。应该注意到，旋风分离器3和燃烧器2彼此具有特定的物理关系，从而使得外置热交换器5的安放和使用都是最高效的。所属领域技术人员将认识到：在CFBSGS 100的最终设计中要用到多个设计参数。因此，应该理解：本文的教导仅是图示性的且并未限制本发明。

图9示出了包括旁通装置20的进一步的实施例。在这些实施例中，至少一个下降管9供应来自蒸汽鼓筒8的锅炉水。图9示出了外置热交换器入口集管92(在图2中被示作供应集管)。图中所示的外置热交换器入口集管92是为简便起见且为了说明本文的设计。

在图9A的实例中，来自外置热交换器集管92和下降管9的流体进入蒸发入口管道24内且随后进入至少一个管束6的管道内。该布置提供了独立的下降管9。在该实施例中，一个下降管9(或成组的下降管)被引导向外置热交换器5，且另一下降管9(或成组的下降管)被引导向燃烧器2。在该设计中，外置热交换器5和燃烧器2是并联的。

在图9B所示的另一实施例中，设置了交叉联接装置91。交叉联接装置91使得来自燃烧器入口集管17(如图9B所示)的流体的一部分可产生转向而经由外置热交换器入口集管92移向蒸发入口管道24。在该布置中，锅炉水从下降管9流向外置热交换器入口集管92并随后流向燃烧器2。

图9C示出了第三实施例。在该实施例中，下降管9与燃烧器入口集管17和蒸发供应管道31流体连通。蒸发供应管道31将流体运载至外置热交换器入口集管92。在该布置中，来自下降管9的流体首先流向燃烧器，随后流向外置热交换器5。

因此，参见图9，所属领域技术人员将易于理解：可实现多个实施例，该实施例涉及将锅炉水流分布在燃烧器2与外置热交换器5之间以及使来自多个收集点的流进行混合。

在一些实施例中，由于热交换器仅使用了水冷壁管道的一小部分，因此，如果燃烧器在底部受到支承，则剩余的水冷壁管道仍可支承水冷壁的重量，或者如果燃烧器在顶部受到支承，则剩余的水冷壁管道仍可支承增压底板和床的重量。

本发明的教导提供的独特特征包括：可能使用具有水平或大体上水平的蒸发表面(即管道)的外置热交换器以便控制燃烧器2中的温度，用循环的灰带动蒸发热负载，而无需使管道向上倾斜，也无需进行受力循环。

本文的教导与现有技术中的用于控制床温度的沸腾外置热交换器相比，进一步的优点在于：无需进行受力循环，也无需设置倾斜的自然循环表面，来确保循环和避免出现蒸汽膜层和管道过热。由此避免了受力循环所需的功率和设备花费，且避免了实施倾斜的自然循环所需的较大的床体积。进一步地，还使得不需要为蒸发管束设置独立的释放管道(提升管或下降管)。

正如本文所使用地，术语“水”、“供给水”和“锅炉水”指的是CFBSGS 100的热动力循环所使用的液体或冷却剂。应该认识到：液体或冷却剂通常是水，但也可包括其它组分。例如，液体或冷却剂可包括用于限制多个部件的侵蚀和腐蚀的化学品。应该认识到：所有这些和其它的这种液体或冷却剂都落入了这些前述术语的意义范围内。

尽管上面已经结合典型实施例对本发明进行了描述。但所属领域技术人员应该理解：可对本发明作出多种变化且可用等效元件替换其元件，而不会偏离本发明的范围。此外，所属领域技术人员将易于作出多种变型以使本发明的教导与特定器具、情形或材料相适配，而不会偏离本发明的关键范围。因此，本发明旨在并不限于本文披露的作为用于实施本发明的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims

1.一种燃烧系统，所述燃烧系统具有包括用以运载锅炉水的管系的燃烧器、具有用以从所述燃烧器的排放物中回收固体的旋风分离器且具有用以从所述固体中回收热量的外置热交换器，所述系统包括：

用于将来自所述燃烧器的锅炉水供应至所述外置热交换器的管束的旁通装置，和用于将来自所述管束的锅炉水供应至所述燃烧器的水冷壁管系的锅炉水返回装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述旁通装置包括水冷壁管系和入口集管中的至少一种装置。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述旁通装置包括用于接收来自下降管的锅炉水的输入装置。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述外置热交换器适于进行自然循环。

5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于对由处在燃烧器外部的蒸发表面所进行的热吸收进行控制的灰流控制装置。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述外置热交换器的所述管束是水平形式和大体上水平的形式中的至少一种形式。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述管束中的每条管道被联接至循环流化床蒸汽发生器的水冷壁管道且与所述水冷壁管道流体连通以便提供所述锅炉水返回装置。

8.一种用于将锅炉水供应至位于燃烧系统中的热交换器的方法，所述燃烧系统具有包括用以运载锅炉水的管系的燃烧器、具有用以从所述燃烧器的排放物中回收固体的旋风分离器且具有用以从所述固体中回收热量的外置热交换器，所述方法包括：

将来自所述燃烧器的锅炉水引导进入旁通装置内；并且

将所述锅炉水供应至所述外置热交换器的管束。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括接收来自所述管束的所述锅炉水和将所述锅炉水引导至所述燃烧器的水冷壁管系。

10.根据权利要求8所述的方法，其中供应所述锅炉水的步骤包括吸收所述锅炉水中的热量。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述引导步骤包括对在所述外置热交换器和所述燃烧器中的至少一种装置的有效蒸发表面上流动的灰流进行控制。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述控制步骤包括引导燃烧器固体。

13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括对向所述燃烧器进行的空气供应进行控制。

14.根据权利要求8所述的方法，其中所述引导步骤包括引导来自所述燃烧器的下部部分的所述锅炉水。

15.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在所述热交换器中使来自所述旋风分离器的固体进行循环。

16.一种外置热交换器，所述外置热交换器包括：

管束，其中所述管束中的每条管道被联接至循环流化床蒸汽发生器的水冷壁管道且与所述水冷壁管道流体连通。

17.根据权利要求16所述的外置热交换器，其中所述管束的至少一部分是水平形式和大体上水平的形式中的至少一种形式。