專利名稱：控制鍋爐壓力器皿中的變量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請大體涉及用于控制鍋爐壓力器皿中的變量的系統(tǒng)和方法。更詳細(xì)地說，本申請涉及用于降低在鍋爐壓力器皿的壁中的應(yīng)カ的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
鍋爐壓力器皿(在下文中稱為“鍋爐”)是封閉的器皿，包括殼且容納可在受控制的條件下用燃料或熱氣加熱的液體。殼是通過ー個(gè)或多個(gè)壁限定的筒(drum)(在下文中稱為“筒”或“鍋爐筒”)。燃料中包含的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，其加熱鍋爐中的液體并使它氣化。液體和蒸氣的混合物進(jìn)入筒。筒的壁設(shè)計(jì)成以便承受通過氣化的液體施加的壓力。氣化的液體可從筒獲得，并且被用來提供功，或者用作熱源。
啟動(dòng)最初處于環(huán)境條件的鍋爐通常引起筒壁上將要經(jīng)受的快速的溫度變化。這些溫度變化可在壁內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力。這樣的應(yīng)カ可在壁的材料中引起裂紋的產(chǎn)生和延伸。在某些情況下，這樣的應(yīng)カ還可引起形成于容納水的筒的壁內(nèi)部上的磁鐵體(magnetite)層中的裂紋的產(chǎn)生和延伸。在其中水被加熱并且被氣化成蒸汽的自然循環(huán)鍋爐和輔助循環(huán)鍋爐兩者中，筒是用來從水中分離蒸汽的蒸汽筒。在以高壓操作和/或具有大的筒直徑的鍋爐中，壁的厚度更大(與以較低的壓カ操作和/或具有小的筒直徑的鍋爐相比)，以便保持可接受的壓カ應(yīng)カ水平。增加的壁的厚度導(dǎo)致在壁的內(nèi)部增加的熱應(yīng)力。在筒壁內(nèi)部的高的應(yīng)カ還發(fā)生在不同的部位或延伸穿過壁的穿透處。典型的穿透包括噴嘴等。因?yàn)榇┩甘峭脖谥械谋∪觞c(diǎn)，由于歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)規(guī)范強(qiáng)加于鍋爐中(并且更詳細(xì)地說，在鍋爐的筒中)的最大應(yīng)カ范圍上的限制，鍋爐的最大操作壓カ被有效地限定。應(yīng)カ的范圍還限制了鍋爐可經(jīng)歷的快速啟動(dòng)的數(shù)量，以及在鍋爐的壽命期間的啟動(dòng)總數(shù)量。厚壁的鍋爐筒通常只在它們的內(nèi)部表面上被加熱，這導(dǎo)致壁中暫時(shí)的和不均勻的溫度，特別是在啟動(dòng)時(shí)期期間。隨著壁的厚度増加，穿過壁的溫度梯度也増加。對(duì)于內(nèi)部溫度變化的給定速率，因?yàn)橥驳谋诘暮穸葔埣?，誘發(fā)的熱應(yīng)カ増加。隨著時(shí)間的推移，壁加熱到均勻的溫度，由此消除了這種類型的熱應(yīng)力。壓カ應(yīng)カ然后處于支配地位。由于熱梯度和內(nèi)部壓カ(當(dāng)重復(fù)地應(yīng)用和去除的時(shí)候)引起的這樣的應(yīng)カ可引起構(gòu)件材料中裂紋的產(chǎn)生和延伸。限制應(yīng)カ以便防止這樣的裂紋的需要可有效地限制筒中溫度變化的速率。通過限制溫度變化的速率，鍋爐的操作柔性(例如，可得到的最大壓力)被降低。該柔性對(duì)提供快速啟動(dòng)以便響應(yīng)能量需求的變化而言是所希望的。鍋爐筒上的符合EN規(guī)范要求的附加約束是限制應(yīng)カ的范圍以便避免磁鐵體開裂。為了避免磁鐵體開裂，最高的壓應(yīng)カ和最高的拉應(yīng)カ之間的差應(yīng)不超過600兆帕(MPa)。在圖I中說明了該應(yīng)カ范圍，圖I說明了在鍋爐啟動(dòng)期間蒸汽筒的典型的應(yīng)カ歷程。當(dāng)筒壁的溫度隨著接近穩(wěn)定狀態(tài)的操作條件而變得更均勻時(shí)，早期在啟動(dòng)過程中發(fā)生的熱應(yīng)カ顯示為逐漸減小。當(dāng)接近穩(wěn)定狀態(tài)的條件吋，由于內(nèi)部壓カ引起的應(yīng)カ相比于熱應(yīng)カ占優(yōu)。對(duì)于給定的筒直徑，正環(huán)向應(yīng)力(hoop stress)(張力)可通過增加筒壁的厚度降低，但這會(huì)由于在啟動(dòng)時(shí)穿過壁的溫度而增加負(fù)應(yīng)力，并且限制了啟動(dòng)的速率或數(shù)量。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本文說明的方面，提供有一種控制鍋爐壓力器皿中的應(yīng)カ的方法。該方法包括限制鍋爐壓力器皿的筒的直徑和預(yù)熱筒的壁的至少一部分。對(duì)于給定的機(jī)械應(yīng)力，限制筒的直徑允許增加筒中的壓力。此外，預(yù)熱筒的壁減少了制成筒的材料中的最高熱誘導(dǎo)應(yīng)力。根據(jù)本文說明的其它方面，提供有ー種操作鍋爐壓力器皿的方法。該方法包括在鍋爐壓力器皿的啟動(dòng)操作之前，在鍋爐壓力器皿的操作期間，和/或在鍋爐壓力器皿的停止運(yùn)轉(zhuǎn)操作期間，把局部加熱應(yīng)用于鍋爐壓カ器皿的一部分。在把局部加熱應(yīng)用于鍋爐壓力器皿吋，鍋爐壓力器皿中的熱誘導(dǎo)應(yīng)カ降低。根據(jù)本文說明的其它方面，提供有一種控制鍋爐壓力器皿中的變量的方法。該方法包括提供鍋爐的蒸汽筒；通過限制蒸汽筒的直徑控制蒸汽筒的壁中的機(jī)械應(yīng)カ；以及 通過加熱蒸汽筒的至少一部分控制蒸汽筒的壁中的熱應(yīng)力。在鍋爐壓力器皿的啟動(dòng)時(shí)期和停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期中的至少ー個(gè)期間通過預(yù)熱蒸汽筒中的穿透和/或包圍蒸汽筒中的穿透的區(qū)域來實(shí)現(xiàn)蒸汽筒的一部分的加熱。通過以下的附圖和詳細(xì)的描述舉例說明上面所描述的和其它的特征。


現(xiàn)在參考附圖，它們是示范性實(shí)施例，并且其中，同樣的元件用同樣的方式編號(hào)。圖I是用于蒸汽筒的典型的應(yīng)カ歷程的圖示。圖2是鍋爐的蒸汽筒的縱截面的示意性說明。圖3是鍋爐的蒸汽筒的縱截面的透視圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考圖2，在10處大體示出了鍋爐的蒸汽筒的一個(gè)示范性實(shí)施例，并且其在下文中稱為“筒10”或“蒸汽筒10”。筒10可來自自然循環(huán)鍋爐、輔助循環(huán)鍋爐或者任何其它類型的鍋爐。筒10具有細(xì)長的圓柱形形狀，并且具有被噴嘴14穿透的壁12，噴嘴14接收高溫蒸汽/液體混合物并且將該混合物排放到筒的襯套或隔板18和壁12的內(nèi)表面15之間的環(huán)形空間16中。壁12還具有外表面17。噴嘴14可延伸超過壁的內(nèi)表面15(圖2)或者它們可在內(nèi)表面15處終止(圖3)。液體26，例如，諸如水，蓄積在筒10的底部中。一個(gè)或多個(gè)蒸汽分離單元24位于由隔板18封閉的體積的外部。來自蒸汽/液體混合物34和來自水26的氣化的蒸汽穿過干燥組件32，并且通過出ロ 30被去除。圖2的結(jié)構(gòu)不限于所示出的結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠渌慕Y(jié)構(gòu)是可能的。在鍋爐操作時(shí)，特別是在從環(huán)境條件啟動(dòng)時(shí)，噴嘴14和圍繞噴嘴14的壁12的內(nèi)表面15的區(qū)域15a就被蒸汽/液體混合物34影響。穿過噴嘴14和壁12的材料的溫度瞬變(例如，熱從一區(qū)域到另一區(qū)域的運(yùn)動(dòng))產(chǎn)生熱應(yīng)力。相應(yīng)地，噴嘴14和圍繞噴嘴的區(qū)域15a，即筒壁12 —旦特別是在內(nèi)表面15處，經(jīng)受來自高溫的蒸汽/液體混合物34的應(yīng)力。由于壓力，還遇到機(jī)械應(yīng)力，諸如在筒10的壁12中的環(huán)向應(yīng)力。
壁12中的機(jī)械應(yīng)カ是各種過程變量-即筒10的半徑、壁12的厚度以及筒10的內(nèi)部壓力-的函數(shù)。這可通過如下等式描述
om=f(PR/t)
其中
σ筒的環(huán)向應(yīng)力；
P是內(nèi)部壓カ；
R是筒半徑；以及
T是筒壁厚度。
對(duì)于給定的內(nèi)部壓カ和應(yīng)力，減小筒的半徑或者直徑導(dǎo)致筒10的壁12的厚度被減小。適應(yīng)機(jī)械應(yīng)カ的ー種方法(其對(duì)帶有大于50千克姆秒(kg/s)的蒸汽生產(chǎn)的自然循環(huán)鍋爐和輔助循環(huán)鍋爐兩者都可適用，以便使得能夠在更高的壓カ下操作，由于作為結(jié)果發(fā)生的更高的循環(huán)效率，這是合乎期望的)是限制筒10的壁12的厚度。壁12的厚度通過使用相對(duì)小的直徑的蒸汽筒-例如，具有在大約1000毫米(mm)和大約1775mm之間的內(nèi)徑的蒸汽筒-來限制。當(dāng)筒10的直徑被減小，并且壁12的厚度被限制到與具有大于大約1775mm的內(nèi)徑的筒一致的值時(shí)，P的值對(duì)于給定的環(huán)向應(yīng)カ可增加。典型的壁厚度可在從大約70mm到大約150mm的范圍中。筒10的壁12內(nèi)的熱應(yīng)カ還發(fā)生在穿過壁12到達(dá)內(nèi)表面15的噴嘴14或其它穿透處，以及在鄰近噴嘴14的內(nèi)表面15a處。參考圖3，局部高應(yīng)カ范圍區(qū)域在20處示出。該局部高應(yīng)カ范圍區(qū)域20位于內(nèi)表面15上一接近噴嘴14穿透壁所在的區(qū)域。在該局部高應(yīng)カ范圍區(qū)域20中的應(yīng)カ是筒其余部分中任何其它區(qū)域中的應(yīng)カ的至少2倍。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以受控制的方式把局部加熱應(yīng)用于筒10的至少ー些部分可降低筒10內(nèi)的溫度瞬變和熱應(yīng)力。應(yīng)用局部加熱以便適應(yīng)熱應(yīng)カ的ー種方法是當(dāng)筒10在環(huán)境壓力條件下時(shí)，在鍋爐啟動(dòng)之前預(yù)熱噴嘴14和鄰近噴嘴14的區(qū)域15a (例如，在噴嘴14的區(qū)域中的壁12的內(nèi)表面區(qū)域15a)。在一個(gè)實(shí)施例中，局部加熱可應(yīng)用在筒10的外表面17上、接近噴嘴14進(jìn)入筒10所在的區(qū)域(例如區(qū)域17a)。這將會(huì)降低制成筒10的壁12的材料中的最高熱誘導(dǎo)應(yīng)カ，其否則將會(huì)限制從環(huán)境條件啟動(dòng)的數(shù)量，或者由于應(yīng)カ范圍的EN規(guī)范限制而甚至防止筒型鍋爐以高于一定的壓カ范圍來使用。局部地預(yù)熱噴嘴14和/或壁12可用作限制筒10的直徑的備選方案或結(jié)合限制筒10的直徑來使用。還應(yīng)理解的是，不局限于在鍋爐啟動(dòng)時(shí)采用該方法，因?yàn)閲娮?4和壁12可在停止運(yùn)轉(zhuǎn)操作期間被加熱。這樣做吋，熱從噴嘴14和壁12消散的速率將會(huì)降低，因此降低了噴嘴14和壁12的材料中的熱誘導(dǎo)應(yīng)力。除了通過使用局部加熱降低熱誘導(dǎo)應(yīng)カ以外，構(gòu)思了局部加熱使用比加熱整個(gè)筒10 (例如，整個(gè)內(nèi)表面15)和它包含的流體26將需要的(能量)少得多的能量，因此降低了操作成本。在沒有任何類別的預(yù)加熱的特征在場的情況下，與帶有預(yù)加熱的冷啟動(dòng)的基本上無限制的數(shù)量相比，冷啟動(dòng)的數(shù)量可能(potentially)會(huì)被限制為規(guī)格中的絕對(duì)最大值(例如300)。針對(duì)溫度的給定斜坡上升(ramp up)(溫度瞬變)的最大可能熱應(yīng)カ也是各種過程變量的函數(shù)，并且隨著壁的厚度的平方近似地改變。對(duì)于溫度變化的同樣速率，減小的厚度會(huì)導(dǎo)致減小的熱應(yīng)力。這通過以下公式描述ot=f(Trt2)
其中
Ot是熱應(yīng)力；
Tr是溫度變化的速率；以及 t是筒壁厚度。啟動(dòng)最初處于環(huán)境條件的鍋爐導(dǎo)致筒10中以及筒10的其它構(gòu)件(例如噴嘴14等)中的快速的溫度變化。這些溫度變化可在這些構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力。這樣的應(yīng)カ可在制成構(gòu)件的材料中和在某些情況下在形成于容納水26的這種筒10的內(nèi)表面15上的磁鐵體層中引起裂紋的產(chǎn)生和延伸。以受控制的方式預(yù)熱筒10的至少ー些部分或壓カ器皿的其 它構(gòu)件可降低溫度變化的速率，因此降低了構(gòu)件內(nèi)的熱應(yīng)力。通過電阻加熱或其它容易可用的方式實(shí)現(xiàn)筒10的預(yù)熱。盡管本發(fā)明已關(guān)于其詳細(xì)的實(shí)施例被示出和描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可做出不同的更改，并且等效物可替代其元件。另外，在不背離本發(fā)明的本質(zhì)范圍的情況下，可做出修改以便使特定的情況或材料適用于本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，意圖是，本發(fā)明不限于在上面的描述中公開的特定實(shí)施例，而是本發(fā)明將包括落入所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種控制鍋爐壓力器皿中的應(yīng)力的方法，所述方法包括 限制所述鍋爐壓力器皿的筒的直徑；以及 預(yù)熱所述筒的壁的至少一部分； 其中，對(duì)于給定的機(jī)械應(yīng)力，限制所述筒的直徑允許增加所述筒中的壓力；以及 其中，預(yù)熱所述筒的壁降低制成所述筒的材料中的最高熱誘導(dǎo)應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，限制所述筒的直徑包括使用具有小于大約1775毫米的內(nèi)徑的筒。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，預(yù)熱所述筒的壁的至少一部分包括局部地預(yù)熱在所述筒的壁中的穿透。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，局部地預(yù)熱在所述筒的壁中的穿透包括加熱延伸到所述筒的壁中的噴嘴。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，還包括局部地預(yù)熱鄰近所述穿透的所述筒的壁的區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，預(yù)熱所述筒的壁的至少一部分在所述鍋爐壓力器皿的啟動(dòng)和在所述鍋爐壓力器皿的操作期間的至少一個(gè)中進(jìn)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，預(yù)熱所述筒的壁的至少一部分在所述鍋爐壓力器皿的停止運(yùn)轉(zhuǎn)期間進(jìn)行。
8.一種操作鍋爐壓力器皿的方法，所述方法包括 在所述鍋爐壓力器皿的啟動(dòng)操作之前、在所述鍋爐壓力器皿的操作期間以及在所述鍋爐壓力器皿的停止運(yùn)轉(zhuǎn)操作期間中的至少一個(gè)期間，把局部加熱應(yīng)用于所述鍋爐壓力器皿的一部分； 其中，把局部加熱應(yīng)用于所述鍋爐壓力器皿降低了所述鍋爐壓力器皿中的熱誘導(dǎo)應(yīng)力。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，把局部加熱應(yīng)用于所述鍋爐壓力器皿的壁的所述一部分包括以下中的至少一個(gè) 加熱延伸到所述鍋爐壓力器皿的筒的表面中的穿透；和 加熱包圍延伸到所述筒的表面中的所述穿透的區(qū)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括限制所述鍋爐壓力器皿的筒的直徑，其中，限制所述筒的直徑降低了所述鍋爐壓力器皿中的機(jī)械應(yīng)力。
11.一種控制鍋爐壓力器皿中的變量的方法，所述方法包括 提供鍋爐的蒸汽筒； 通過限制所述蒸汽筒的直徑控制所述蒸汽筒的壁中的機(jī)械應(yīng)力；以及 通過加熱所述蒸汽筒的至少一部分控制所述蒸汽筒的壁中的熱應(yīng)力；以及 其中，在所述鍋爐壓力器皿的啟動(dòng)時(shí)期和停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期中的至少一個(gè)期間，所述加熱所述蒸汽筒的一部分通過預(yù)熱所述蒸汽筒中的穿透和圍繞所述蒸汽筒中的穿透的區(qū)域中的至少一個(gè)來實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
一種控制鍋爐壓力器皿中的應(yīng)力的方法，包括限制鍋爐壓力器皿的筒(10)的直徑和預(yù)熱筒(10)的壁(12)的至少一部分。對(duì)于給定的機(jī)械應(yīng)力，限制筒(10)的直徑允許增加筒(10)中的壓力。此外，預(yù)熱筒(10)的壁(12)降低制成筒(10)的材料中的最高熱誘導(dǎo)應(yīng)力。
文檔編號(hào)F22B37/22GK102859276SQ201080065618
公開日2013年1月2日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月20日
發(fā)明者D.W.拜爾利, I.J.佩蘭, F.德魯瓦, C.魯奇蒂, F.呂克, G.T.塞爾比, W·P·鮑弗二世 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司