專利名稱：蒸汽鍋爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃燒化石燃料的蒸汽鍋爐。這種鍋爐煙道的周圍壁面是由相互間不透氣連接的管子構(gòu)成的所謂膜式壁結(jié)構(gòu)，管子總體上為垂直布置，工質(zhì)在管內(nèi)平行地自下而上流動。
水冷壁面的受熱強度通常不是處處相同的，一般在布置有一定數(shù)量燃燒器的爐膛下部受熱強度較上部高，其原因還在于，在爐膛上部空間通常還布置有其它換熱面，這些換熱面阻礙了水冷壁面與煙氣之間過于強烈的熱交換，尤其是減弱了輻射換熱的強度。
對于歐洲專利號為0054601的蒸汽鍋爐，只有垂直煙道下面部分的水冷壁面才用作蒸發(fā)受熱面，其中產(chǎn)生的蒸汽、或者部分熱負荷時產(chǎn)生的汽水混和物接著流入后面相連的對流蒸發(fā)器內(nèi)。煙道上面部分的水冷壁由用作過熱器受熱面的管子構(gòu)成。由于只有部分水冷壁面用作蒸發(fā)受熱面，所以在較高熱負荷情況下各個管子出口處的溫差相對較小。因為蒸發(fā)受熱面的吸熱量小，所以便進入后面對流蒸發(fā)器束內(nèi)汽水混合物分配不均勻的現(xiàn)象可以得到控制。因為上部的水冷壁管是由壓力約為280～320巴的過熱蒸汽束冷卻，所以這部分水冷壁使用含鉻高的管材，并且在制造過程中需采取復(fù)雜的熱處理措施。此外，這種布置方式需要有與對流蒸發(fā)器連通的管道和出入口聯(lián)箱，投資很大，而且對流煙道調(diào)節(jié)方面的花費較高，尤其是采用煙氣調(diào)節(jié)通道時更是如此。此種布置方式在VGB電站技術(shù)資料1991年第7期637-643頁中有所介紹。
對于水冷壁管子螺旋布置的直流鍋爐，管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流率通常為2500Kg/m2s左右，通過增大垂直煙氣通道上部管子的內(nèi)徑可降低高熱負荷情況下出口處管間工質(zhì)溫差。然而這種原理不適用管子垂直布置的水冷壁結(jié)構(gòu)，原因是表征管內(nèi)工質(zhì)流速的質(zhì)量流率本來就比較低，再進一步降低將導致在臨界點附近的蒸汽壓下難以保證對管壁進行有效地冷卻。此外困難還在于，一方面管壁冷卻要求高質(zhì)量流率，另一方面質(zhì)量流率將導致管子間溫差增大。如在濕蒸汽區(qū)布置中間聯(lián)箱，則存在著由于汽水分層使汽水分配不均的危險，因此在中間聯(lián)箱后面的管排中會出現(xiàn)較大的溫差。
因此本發(fā)明的任務(wù)在于，進一步設(shè)計一種上述類型的蒸汽鍋爐使水冷壁管既可得到充分冷卻，管間溫差又可在高熱負荷時控制在允許的范圍之內(nèi)。而所有這些又應(yīng)該在低投資條件下完成。
這一任務(wù)是通過采用改變水冷壁管內(nèi)徑的方法創(chuàng)造性地完成的，即爐膛下部第一區(qū)間的管子內(nèi)徑大于其上面第二區(qū)間的管子內(nèi)徑。
爐膛下部第一區(qū)間，后面又稱之為水冷壁的第一段，位于燃燒器區(qū)域。該區(qū)間熱流密度很高，管內(nèi)傳熱較好。爐膛上部的第二區(qū)間，后面又稱之為水冷壁第二段，位于和燃燒器區(qū)域相連的所謂氣體輻射空間，該區(qū)間熱流密度也很高，但管內(nèi)傳熱較差。
為加強管內(nèi)傳熱，水冷壁第一段是由垂直布置的內(nèi)部加肋的管子組成的，管內(nèi)平均質(zhì)量流率在滿負荷時以低于1000Kg/m2s為宜，以此為根據(jù)選擇管子的尺寸。在負荷為40%左右時，第一段出口處工質(zhì)的蒸汽含量在0.8～0.95之間。在此前提下，管內(nèi)工質(zhì)流動狀況可控制在一個合適的范圍內(nèi)，使得在高熱負荷強度時，管內(nèi)質(zhì)量流率增加，保證管子出口處只有極小的溫差。
在水冷壁的第二段，根據(jù)運行狀態(tài)，可能發(fā)生傳熱危機，即所謂的“干涸”現(xiàn)象。為避免傳熱惡化使管子的壁溫升到不能允許的溫度，管內(nèi)工質(zhì)流率必須提高到1000Kg/m2s以上。因此在保持管子數(shù)目或管子分布不變的情況下，管內(nèi)徑在第一與第二段連接處變細。管內(nèi)徑縮小，可保證在高熱負荷強度時，第二段水冷壁管仍能得到足夠冷卻。
第二段的小內(nèi)徑管與第一段的大內(nèi)徑管直接相連接，這樣二者之間可以直接進行過渡。對水冷壁第二段的管子來說，至少其上游管段也應(yīng)采用內(nèi)加肋管。
在受熱的蒸發(fā)器并聯(lián)管路系統(tǒng)中，由于高蒸汽流速的摩擦損失，將在管子出入口之間產(chǎn)生一壓降。高的摩擦壓降或者使受熱較強的管子的質(zhì)量流率下降，或者相對于受熱強度的增加來說是質(zhì)量流率上升較少。如果在某一區(qū)域安裝一個壓力平衡器，在平衡器內(nèi)因蒸發(fā)汽化而產(chǎn)生較高的摩擦壓降，使得平衡器前的系統(tǒng)可以較為理想地適應(yīng)加熱不同的情況，即高熱流密度產(chǎn)生與其相應(yīng)的高質(zhì)量流率。
因此，比較合適的布置是在爐膛下部第一區(qū)間的上半部，比如在第一段到第二段的過渡附近，在每根管上安裝一個壓力平衡器，這些壓力平衡管連接到一個或數(shù)個安裝在爐膛外面的壓力平衡器上。通過壓力平衡，使兩個區(qū)段管內(nèi)的工質(zhì)流動狀態(tài)盡可能互不影響，這樣在第二段內(nèi)因高質(zhì)量流率造成的較高的摩擦壓降就不致于對第一段內(nèi)適宜的流動狀態(tài)產(chǎn)生影響。因此也不會在高熱負荷時在第一段出口處沿管截面出現(xiàn)溫度偏差。通過管子從第一段到第二段的直接過渡，肯定可以避免在濕蒸汽區(qū)出現(xiàn)汽水分離。
對于象單煙氣通道結(jié)構(gòu)的高煙氣通道蒸汽鍋爐，通道上部第三區(qū)間的管子內(nèi)徑比第二區(qū)間的管子內(nèi)徑大。通道第三區(qū)間在后面又稱之謂水冷壁第三段，此區(qū)間內(nèi)熱流密度較低，管內(nèi)傳熱適中，位于通常所說的對流煙道區(qū)。
在從第二段到第三段的過渡段，由于熱流密度較第二段低，為減小管內(nèi)工質(zhì)流動的摩擦壓力損失，所以工質(zhì)質(zhì)量流率又重新降低。在第三段管子可以不用內(nèi)肋管。
在垂直煙氣通道內(nèi)，由于熱流密度隨高度上升不斷下降，所以在第三區(qū)間，即水冷壁第三段，管子數(shù)目為第二區(qū)間水冷壁第二段的一半就已夠用。通過將第二段的每兩根管子聯(lián)接到第三段的一根管子上，可使第三段管子數(shù)目為前段的一半。
該發(fā)明的實施例可根據(jù)下面的圖進行詳細說明。


圖1是具有三段煙道結(jié)構(gòu)的蒸汽鍋爐示意圖。
圖2是圖1中剖面Ⅱ處不同區(qū)域管內(nèi)徑變化部分的放大圖。
在兩個圖中，各相關(guān)部分符號是相同的。
如圖1所示，鍋爐1的垂直煙氣通道具有矩形截面，四周由水冷壁2組成，底部呈漏斗形，由底部壁面3圍成，最下面有一圖中未詳細示出的排渣口3a。水冷壁2的管子4之間沿長度焊有鰭片9以起到密封作用(圖2)。
在爐膛下部第一區(qū)間5，即水冷壁2的第一段上開有四個孔，每個孔上安裝一臺燃燒化石燃料的燃燒器。在開孔6處管子4彎曲沿水冷壁外側(cè)布置。用同樣的方式可以處理其它開孔，如空氣噴咀、煙氣噴咀等的開孔。
在煙氣通道下部第一區(qū)間5之上是第二區(qū)間7，即水冷壁2的第二段，再往上是第三區(qū)間，或叫上部區(qū)間，即水冷壁2的第三段。
位于燃燒器區(qū)域的第一段5處，熱流密度很高，管4內(nèi)的傳熱較好。第二段7位于爐膛的輻射空間，熱流密度較高，但是管內(nèi)傳熱變差。第三段位于對流煙道，此處熱流密度較小，管內(nèi)傳熱適中。尤其在單煙道結(jié)構(gòu)的蒸汽鍋爐中通常都具有第三區(qū)段。
水或汽水混合物在水冷壁管4內(nèi)自下向上流動。管子的入口端與入口聯(lián)箱11相連，出口端與出口聯(lián)箱12相連。出入口聯(lián)箱均安裝在爐膛外面，都是用環(huán)形管制成的。
入口聯(lián)箱11通過管道13和聯(lián)箱14與高壓加熱器或者煤器15的出口相連。省煤器受熱面15布置在水冷壁2的第三段8圍成的空間內(nèi)。在蒸汽鍋爐1運行時，省煤器15的入口通過聯(lián)箱16與汽輪機的水汽循環(huán)系統(tǒng)相連通。
水冷壁出口聯(lián)箱12通過汽水分離器17和管道18與過熱器19相連接。過熱器19布置在水冷壁第二段7圍成的區(qū)間內(nèi)。運行時，過熱器19通過出口聯(lián)箱20與汽輪機的高壓缸相連通。在水冷壁第二段圍成的區(qū)域內(nèi)，除過熱器外，還布置有再熱器21，其通過聯(lián)箱22和23連接在汽輪機的高壓缸與中壓缸之間。汽水分離器17分離下來的水由管道24排出。
在水冷壁2第一段5到第二段7的過渡區(qū)25處的爐膛外側(cè)，布置有用環(huán)形管制成的壓力平衡器26。
從圖2中可見，通過水冷壁第一及第二段5、7的每一根管子4都經(jīng)壓力平衡管27與壓力平衡器26相連通。
在區(qū)間25，即水冷壁管4從第一區(qū)段5到第二區(qū)段7的過渡區(qū)，管內(nèi)徑變細，換言之第一區(qū)間5內(nèi)的管子內(nèi)徑大于第二區(qū)間7內(nèi)的管子內(nèi)徑。在此處，具有較小內(nèi)徑d2的管子要直接聯(lián)在內(nèi)徑較粗d1的管子上，就是說管子4在區(qū)間25要有一過渡段。管4在第一區(qū)段5內(nèi)有圖中未詳細標明的螺旋狀管內(nèi)肋，管內(nèi)徑根據(jù)在滿負荷時管內(nèi)平均質(zhì)量流率小于或等于1000Kg/m2s的原則來確定。管4在第二段7內(nèi)的平均質(zhì)量流率大于1000Kg/m2s。
在水冷壁2的上區(qū)段即第三區(qū)段8，管4的內(nèi)徑重新變粗，即第三區(qū)段8內(nèi)的管子內(nèi)徑大于第二區(qū)段7內(nèi)的管子內(nèi)徑。在第二區(qū)段7內(nèi)管4沿全長均有螺紋狀內(nèi)肋，而在第三段8內(nèi)，只在一段管長內(nèi)敷有螺紋狀內(nèi)肋，其余部分則有目的地避免使用內(nèi)加筋。
水冷壁上部第三段8內(nèi)的管子數(shù)目僅有第二段7內(nèi)數(shù)目的一半，因此，第二段7的每兩根管子要在區(qū)間30并到在第三段8上分配給它們的一根管子上(圖1)。
如圖2所示，在5、7、8段可選用基本相同的管壁厚度，這樣，管4在第一段5和第二段7的外徑是不同的，好與內(nèi)徑d1d2相適應(yīng)。當然也可以選擇管子外徑在5、7、8三段都相同，這樣管壁在中間第二段7就比在第一段5和在第三區(qū)段8為厚。如前所述，為起到煙氣密封作用，管子4之間沿長度均用鰭片聯(lián)接。
通過調(diào)整水冷壁2沿高度在不同段5、7、8或在鍋爐1的不同區(qū)間內(nèi)管子4的內(nèi)徑d1、d2，使管子4的尺寸與煙氣通道中各處不同的加熱強度相匹配。這樣一方面可保證管子得到充分冷卻，另一方面可保證在高熱負荷時也不致于在管子出口處出現(xiàn)不能允許的管間溫差。
權(quán)利要求
1.一種燃燒化石燃料的蒸汽鍋爐，其煙道周圍壁面是由總體上垂直布置的管子組成的膜式壁，管子之間為氣體密封目的互相焊在一起，工質(zhì)在管內(nèi)自下向上流動，其特征是煙氣通道下部第一區(qū)間(5)的管子(4)的內(nèi)徑大于位于其上的第二區(qū)間(7)的管內(nèi)徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鍋爐，其特征是，具有較小內(nèi)徑(d2)的管子(4)直接聯(lián)接在具有較大內(nèi)徑(d1)的管子(4)上，或向其過渡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鍋爐，其特征是，每根水冷壁管(4)都通過一根壓力平衡管(27)與布置在爐膛外面的壓力平衡器(26)相連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的鍋爐，其特征是，壓力平衡管(27)安裝在第一區(qū)間(5)的上半段，更可取的是安裝在上三分之一段，比如安裝在煙氣通道的第一區(qū)間(5)與第二區(qū)間(7)的過渡區(qū)(25)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的鍋爐，其特征是，煙氣通道第一區(qū)間(5)內(nèi)的水冷壁管(4)采用了螺紋狀內(nèi)肋管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5的鍋爐，其特征是，煙氣通道第二區(qū)間(7)內(nèi)的水冷壁管(4)的全長中至少有一段采用了螺紋狀內(nèi)肋管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6的鍋爐，其特征是，煙氣通道第一區(qū)間(5)內(nèi)水冷壁管(4)內(nèi)平均工質(zhì)量流率在滿負荷時小于或等于1000Kg/m2s。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的鍋爐，其特征是，煙氣通道第三區(qū)間(8)的水冷壁管(4)的內(nèi)徑大于位于其下的第二區(qū)間(7)的管內(nèi)徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的鍋爐，其特征是，第三區(qū)間(8)的大內(nèi)徑水冷壁管(4)直接聯(lián)接到第二區(qū)間(7)的小內(nèi)徑水冷壁管(4)上;或向其過渡。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的鍋爐，其特征是，煙氣通道第三區(qū)間(8)內(nèi)水冷壁管(4)的數(shù)目僅為第二區(qū)間(7)內(nèi)水冷壁管(4)數(shù)目的一半，第二區(qū)間7的每兩根管并到第三區(qū)間8內(nèi)分配給它們的一根管子上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種關(guān)于燃燒化石燃料的蒸汽鍋爐1，其煙氣通道是由總體上垂直布置的管子4組成的水冷壁圍成的，管子之間為氣體密封聯(lián)接，工質(zhì)在管內(nèi)自下向上流動。對于此種鍋爐在結(jié)構(gòu)上進行了如此創(chuàng)造性布置煙氣通道第一區(qū)間5的水冷壁管4的內(nèi)徑大于位于其上的第二區(qū)間7內(nèi)的水冷壁管4的內(nèi)徑。采取此種措施，一方面保證了水冷壁管4的充分冷卻，另一方面避免了高熱負荷時在管4的出口處出現(xiàn)不能允許的管間溫差。
文檔編號F22B37/10GK1083573SQ9311655
公開日1994年3月9日 申請日期1993年8月19日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月19日
發(fā)明者W·柯勒, R·克拉爾, E·韋特喬 申請人:西門子公司