專利名稱：直通式鍋爐的工作方法與采用該方法的直通式鍋爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直通式鍋爐的工作方法，這種直通式鍋爐具有一燃燒室，其外壁由彼此氣密性熔焊、垂直布置的蒸發(fā)管構(gòu)成，該蒸發(fā)管內(nèi)有流體介質(zhì)流過。另外，本發(fā)明還涉及一種采用該方法的直通式鍋爐。
這類型式的鍋爐，在J.Franke、W.Koehler和E.Wittchow發(fā)表在VGB電廠技術(shù)73(1993)之第4期、第352～360頁的“本生鍋爐的蒸發(fā)器設(shè)計方案”一文中公開。與自然循環(huán)鍋爐或強制循環(huán)鍋爐僅使循環(huán)中的水-蒸汽混合物部分汽化所不同，在直通式鍋爐中，構(gòu)成燃燒室或煙道的蒸發(fā)管的加熱，使得蒸發(fā)管內(nèi)的流動介質(zhì)，在唯一一次流過時汽化。在此，直通式鍋爐的蒸發(fā)管可垂直布置，或者螺旋狀傾斜布置。
直通式鍋爐與自然循環(huán)鍋爐相反，它不受壓力限制，因而新鮮蒸汽的壓力可以遠高于水的臨界壓力(P臨＝221bar)(此時，在液態(tài)類和汽態(tài)類介質(zhì)之間僅有很小的密度差別)。高的新鮮蒸汽壓力有利于提高熱效率，進而有利于采用礦物燃料的電廠降低CO2的排放。與螺旋狀制式相比，煙道由垂直蒸發(fā)管構(gòu)成的直通式鍋爐，在生產(chǎn)成本上更低廉。此外，采用垂直管道的直通式鍋爐，與那些采用傾斜或螺旋狀上升蒸發(fā)管的直通式鍋爐相比，具有較低的水蒸汽方面的壓力損失。
DE 43 33 404 A1公開了一種直通式鍋爐，它具有一燃燒室，其外壁由彼此氣密性熔焊、垂直布置的蒸發(fā)管構(gòu)成。
在對直通式鍋爐的煙道壁或燃燒室壁的設(shè)計中，主要的問題是要考慮到該煙道壁上出現(xiàn)的管壁溫度或材質(zhì)溫度。在可達200bar的亞臨界壓力范圍內(nèi)，當確保汽化區(qū)內(nèi)的加熱面被浸潤時，燃燒室壁的溫度基本上由水的飽和溫度的高低來確定，這例如可通過采用內(nèi)側(cè)具有表面結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)管來實現(xiàn)。為此可以考慮采用具有內(nèi)助片的蒸發(fā)管，它在直通式鍋爐中的應用例如由歐洲專利0 503 116公開。在這種所謂的肋片管，也就是內(nèi)表面具有肋片的管道中，由管內(nèi)壁向流動介質(zhì)的傳熱特別好。
在約200～221bar的壓力范圍內(nèi)，由管內(nèi)壁向流動介質(zhì)的傳熱急劇下降，因此，流動介質(zhì)的質(zhì)流密度必須相應選擇較高，以保證蒸發(fā)管足夠的冷卻。為此，在以約200bar和超過200bar的壓力工作的直通式鍋爐的蒸發(fā)管中，質(zhì)流密度必須選擇得比以低于200bar的壓力工作的直通式鍋爐(的質(zhì)流密度)大。然而，這樣增大的質(zhì)流密度會導致蒸發(fā)管內(nèi)摩擦壓力損失的升高。鑒于較高的摩擦壓力損失，特別是在管道內(nèi)徑很小的情況下，喪失了垂直管系有利的特性(即在對單根蒸發(fā)管加熱更多時可提高其通流能力)。然而由于為實現(xiàn)電廠高的熱效率和低的CO2排放，蒸汽壓力需要超過200bar，因此有必要確保即使在這個壓力范圍內(nèi)，管道內(nèi)壁向流動介質(zhì)的傳熱也很好。因此，凡燃燒室壁采用垂直管系的直通式鍋爐，通常都以較高的質(zhì)流密度工作。為此，在I.E.Sememovker 1994年第41卷第8期“熱能工程”一書的第655～661頁中，對既可燒燃氣又可燒煤的直通式鍋爐，在100％負荷下，質(zhì)流密度統(tǒng)一給定為約2000kg/m2s。
本發(fā)明的目的在于，提供一種用于上述類型的直通式鍋爐的工作方法，按該方法，在蒸發(fā)管安全可靠地冷卻的情況下，可以實現(xiàn)特別低的摩擦壓力損失，進而達到特別高的效率。本發(fā)明的另外一個目的是提供一種特別適于采用這種方法的直通式鍋爐。
本發(fā)明有關(guān)方法方面的目的是這樣來實現(xiàn)的，即流動介質(zhì)的質(zhì)流密度m，根據(jù)作用在蒸發(fā)管上的熱流密度q，按照公式m＝200＋8.42·1012·q3·[d/(d-2s)]s2·Tmax-5近似地保持在一個調(diào)節(jié)值上。在此，作用在管外側(cè)的熱流密度q以kw/m2為單位，以便使質(zhì)流密度的單位為kg/m2·s。另外d表示蒸發(fā)管的外徑，單位為米，s表示蒸發(fā)管的壁厚，單位為米，Tmax表示管材的特征最高許用溫度，單位為℃。
在此，本發(fā)明出于這種考慮，即在直通式鍋爐工作時，在摩擦壓力損失特別低的情況下，要確保蒸發(fā)管安全、可靠地被冷卻，這要通過以適宜的方法滿足兩個在原理上相矛盾的條件。一方面，蒸發(fā)管內(nèi)的平均質(zhì)流密度應選擇盡可能低。由于不可避免地存在加熱差別，由此對個別管的更多加熱能使其中的通流量比受平均加熱的蒸發(fā)管內(nèi)的通流量更高。因筒式鍋爐而公知的自然循環(huán)特性，使得蒸發(fā)管出口的蒸汽溫度均勻，并進而使管壁溫度均勻。
另一方面，管道內(nèi)的質(zhì)流密度應選擇得這么高，即，能確保管壁安全地被冷卻，并且不超過許用的材料溫度。采用這種方法，可以避免管材高的局部過熱及因之引發(fā)的損壞(管裂)。除流動介質(zhì)的溫度之外，影響材料溫度的主要因素為對管壁的外部加熱以及由管內(nèi)壁向流動介質(zhì)或流體的傳熱，因此，在受質(zhì)流密度影響的內(nèi)部傳熱與對管壁的外部加熱之間，存在一定的聯(lián)系。
在考慮邊界條件的情況下，由上述關(guān)系得出蒸發(fā)管內(nèi)特別有利的質(zhì)流密度，它既可以保證有利的通流特性(自然循環(huán)特性)，又可以保證蒸發(fā)管安全地被冷卻，并進而保持許用的材料溫度。在此，作為準則，當?shù)贸鎏貏e有利的質(zhì)流密度時，應使得在預先給定的對管壁外部加熱的條件下，管壁的材料溫度一方面要略小于許用值，另一方面，還要確保低于許用值。在此，要注意的物理現(xiàn)象是，在約200～221bar的臨界壓力范圍內(nèi)，管內(nèi)壁向流動介質(zhì)的傳熱是最不利的。此處，大量研究的結(jié)果表明，當壓力在約200～221bar的情況下，在蒸發(fā)區(qū)域內(nèi)，較低的質(zhì)流密度與最大的熱流密度相綜合，將達到最高的材料應力。例如在布置燃燒器的燃燒室這一區(qū)域就會出現(xiàn)這樣的情況。在蒸發(fā)完成之后，蒸汽開始過熱，燃燒室壁蒸發(fā)管的材料應力就又降下來，原因在于，在通常對燃燒器的布置以及在通常的燃燒過程中，熱流密度也下降。
為求得質(zhì)流密度m特別有利的調(diào)節(jié)值，最高許用溫度Tmax相宜地按照下列公式計算出。
Tmax＝T臨＋6σ/(β·E)在此，T臨為臨界壓力下流動介質(zhì)的溫度，單位為℃。另外，σ表示蒸發(fā)管材料的許用應力，單位為N/mm2，β表示其膨脹系數(shù)，單位為l/K，E表示其彈性模量，單位為N/mm2。在確定最高許用溫度Tmax時，以此為出發(fā)點，即直通式鍋爐的外壁或燃燒室壁具有一平均溫度，它相應于最高許用溫度Tmax和臨界壓力下流動介質(zhì)的溫度T臨的平均值，由此可計算出可能出現(xiàn)的最大熱應力為
在設(shè)計直通式鍋爐時，應按照ASME(美國機械工程師協(xié)會)標準，為安全起見，管材的許用應力應三倍于所出現(xiàn)的最大熱應力。以此為基礎(chǔ)，可直接得出所允許的最高溫度Tmax。
根據(jù)這個設(shè)計原則可知，在其蒸發(fā)管由材料13CrMo44制成的直通式鍋爐工作時，最高許用溫度Tmax適宜采用約Tmax＝515℃。然而，在其蒸發(fā)管由材料HCM12制成的直通式鍋爐工作時，最高許用溫度Tmax優(yōu)選約Tmax＝590℃。
有關(guān)特別適于采用本發(fā)明方法的直通式鍋爐方面的目的是這樣來實現(xiàn)的，即該直通式鍋爐在作用于蒸發(fā)管的熱流密度q及質(zhì)流密度m方面按下式來設(shè)計m＝200＋8.42·1012·q3·[d/(d-2s)]s2·Tmax-5下面借助于附圖對本發(fā)明的實施例作進一步詳細說明，附圖中

圖1為具有垂直布置的蒸發(fā)管的直通式鍋爐簡圖；圖2為單根蒸發(fā)管的橫截面示圖；圖3為質(zhì)流密度以特性曲線A和B取決于蒸發(fā)管熱流密度的示意圖。
在所有附圖中，彼此對應的部件采用相同的附圖標記。
在圖1中，示意性地示出了一例如具有矩形橫截面的直通式鍋爐2，其垂直煙道由外壁4環(huán)繞，并構(gòu)成一燃燒室，該燃燒室在下部逐漸過渡成一漏斗狀底部6，底部6包括一并未進一步示出的爐渣排出口8。
在煙道的下部區(qū)域A內(nèi)，設(shè)有一些燃燒器10，圖中僅示出了其中的一個，它安裝在由垂直布置的蒸發(fā)管12所構(gòu)成的燃燒室外壁內(nèi)。此處，燃燒器10為燃燒礦物燃料而設(shè)計。在區(qū)域A內(nèi)，垂直布置的蒸發(fā)管12以管隔板或翼片14彼此焊接成氣密性的外壁4。當直通式鍋爐2工作時，自下而上的蒸發(fā)管12在區(qū)域A內(nèi)構(gòu)成蒸發(fā)加熱面16。
當直通式鍋爐2工作時，在燃燒室內(nèi)，存在一燃燒礦物燃料所產(chǎn)生的火焰體17，因而直通式鍋爐2的區(qū)域A具有很高的熱流密度q?；鹧骟w17具有一溫度分布型面(Temperaturprofil)，溫度自燃燒室中心開始，既在垂直方向上向上、向下降低，也在水平方向上向著四周、亦即向著燃燒室的角部而降低。在煙道的下部區(qū)域A之上是遠離火焰的第二區(qū)域B，其上為煙道的第三上部區(qū)域C。在煙道的區(qū)域B和C之內(nèi)，設(shè)有對流加熱面18、20和22。在煙道區(qū)域C的上部，為煙氣排出道24，通過它，礦物燃料燃燒所產(chǎn)生的煙氣RG從垂直煙道中排出。在圖1中示出的有關(guān)單流結(jié)構(gòu)的直通式鍋爐2的狀況，同樣也以可比的方式適用于雙流結(jié)構(gòu)的直通式鍋爐。
圖2示出了一內(nèi)側(cè)設(shè)有肋片26的蒸發(fā)管12，當直通式鍋爐工作時，該蒸發(fā)管的外側(cè)在燃燒室內(nèi)承受熱流密度q的加熱，并且，流動介質(zhì)S從其內(nèi)部流過，作為流動介質(zhì)S的例如有水或水-蒸汽混合物。
在臨界點，也就是在221bar的臨界壓力P臨下，蒸發(fā)管12內(nèi)流體或流動介質(zhì)S的溫度用T臨表示。為計算最大熱應力σmax，要采用管壁加熱側(cè)管頂部28處的最高許用材料溫度Tmax。
蒸發(fā)管12的內(nèi)徑和外徑分別用di和d來表示。在此，當蒸發(fā)管12具有內(nèi)肋片時，考慮到肋峰和肋谷的影響，采用等效內(nèi)徑作為內(nèi)徑di。此處，等效內(nèi)徑為具有相同流動截面的光滑管道的內(nèi)徑，壁厚用s表示。
對直通式鍋爐2進行設(shè)計，使得它在工作時，流過蒸發(fā)管12的流動介質(zhì)S的質(zhì)流密度m，近乎按照公式m＝200＋8.42·1012·q3·[d/(d-2s)]s2·Tmax-5維持在一個調(diào)節(jié)值上，在此，質(zhì)流密度的單位采用kg/m2·S，最高許用溫度Tmax的單位采用℃，另外，管外徑d以及管壁厚s的單位均采用米。作為以kw/m2為單位的、作用在管外側(cè)的熱流密度q，所采用的為一考慮到安全性的設(shè)定值，對此，首先由直通式鍋爐2的技術(shù)參數(shù)，如燃燒室橫截面積、燃燒功率等，得出一平均的熱流密度值。根據(jù)這個平均熱流密度值，再乘以一個安全系數(shù)，推導出最大熱流密度。在此，在燃燒煙煤時，安全系數(shù)在1.4～1.6的范圍之內(nèi)，在燃燒褐煤時，安全系數(shù)在1.6～1.8的范圍之內(nèi)。所采用的這個熱流密度q的值，由最高熱流密度再乘以一個1.5的安全系數(shù)來得到，換句話講，所采用的熱流密度q的值，在燃燒煙煤時，是由直通式鍋爐2的技術(shù)參數(shù)所得出的平均熱流密度的2.1至2.4倍，在燃燒褐煤時，是2.4-2.7倍。
在此，作為直通式鍋爐2的設(shè)計標準，根據(jù)熱流密度q，即可得出如圖3所示，對于不同管形和不同管材的質(zhì)流密度m的特征值。此處，特性曲線A所表征的質(zhì)流密度的單位采用kg/m2s，它在幾何尺寸參數(shù)[d/(d-2s)]·s2達4·10-5m2時，針對于590℃的最高許用溫度Tmax而得出。這個作為最高許用溫度Tmax的約590℃的值，此處對其蒸發(fā)管12由材料HCM12制成的直通式鍋爐2是很重要的。作為熱流密度q的函數(shù)，特性曲線B給出了其蒸發(fā)管12幾何參數(shù)[d/(d-2s)]s2為10-4m2、最高許用溫度Tmax為515℃的直通式鍋爐2的特別有利的質(zhì)流密度m。對于由材料13CrMo44制成的蒸發(fā)管12，至關(guān)重要的是最高許用溫度為515℃。
在此，就一般而言，對于任意的蒸發(fā)管12，最高許用溫度Tmax都是一可按照公式Tmax＝T臨＋6σ/(β·E)計算出的值，此處，T臨為臨界壓力P臨下流動介質(zhì)S的溫度，單位采用℃，σ為蒸發(fā)管12材料的許用應力，單位為N/mm2，β為蒸發(fā)管12材料的熱膨脹系數(shù)，單位為l/k，E為蒸發(fā)管12材料的彈性模量，單位為N/mm2。
附圖標記2直通式鍋爐4外壁6底部8排出口10燃燒器12蒸發(fā)管14翼片16蒸發(fā)加熱面17火焰體18、20、22對流加熱面24煙氣排氣道26肋片28管頂部β熱膨脹系數(shù)σ許用應力σmax熱應力A煙道下部區(qū)域B煙道遠離火焰的區(qū)域C煙道的第三上部區(qū)域d，di蒸發(fā)管外徑及內(nèi)徑m質(zhì)流密度q熱流密度s管壁厚
S流動介質(zhì)Tmax最高溫度
權(quán)利要求
1. 一種直通式鍋爐(2)的工作方法，該鍋爐具有一燃燒室，其外壁(4)由彼此氣密性焊接、垂直布置的蒸發(fā)管(12)構(gòu)成，在這種鍋爐中，流動介質(zhì)(S)流過蒸發(fā)管(12)，其中，對于具有管外徑d、管壁厚s以及管材的特性最高許用溫度(Tmax)的蒸發(fā)管(12)，根據(jù)作用在蒸發(fā)管(12)上的熱流密度q，流動介質(zhì)(S)的質(zhì)流密度m按公式m＝200＋8.42·1012·q3·[d/(d-2s)]s2·Tmax-5近似地維持在一調(diào)節(jié)值。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，最高許用溫度(Tmax)的值按照公式Tmax＝T臨＋6σ/(β·E)計算出，在此，T臨(℃)表示在臨界壓力(P臨)下流動介質(zhì)(S)的溫度，σ(N/mm2)表示蒸發(fā)管(12)材料的許用應力，β(l/k)表示管材的熱膨脹系數(shù)，E(N/mm2)表示管材的彈性模量。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，蒸發(fā)管(12)由材料13CrMo44制成，最高許用溫度值約為Tmax＝515℃。
4. 按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，蒸發(fā)管(12)由材料HCM12制成，最高許用溫度值約為Tmax＝590℃。
5. 一種具有一燃燒室的直通式鍋爐(2)，該燃燒室的外壁(4)由彼此氣密性焊接、垂直布置的蒸發(fā)管(12)構(gòu)成，該蒸發(fā)管的外徑為d，管壁厚為s，管材的特性最高許用溫度為(Tmax)，在此，流動介質(zhì)(S)可流過鍋爐蒸發(fā)管(12)，該蒸發(fā)管內(nèi)側(cè)具有一種表面結(jié)構(gòu)，并且，該直通式鍋爐這樣來設(shè)計，即當作用在蒸發(fā)管(12)上的熱流密度為q時，質(zhì)流密度m按照關(guān)系式m＝200＋8.42·1012·q3·[d/(d-2s)]s2·Tmax-5來確定。
6. 按照權(quán)利要求5所述的直通式鍋爐(2)，其蒸發(fā)管(12)由材料13CrMo44制成，在此，最高許用溫度(Tmax)的值約為515℃。
7. 按照權(quán)利要求5所述的直通式鍋爐(2)，其蒸發(fā)管(12)由材料HCM12制成，在此，最高許用溫度(Tmax)的值約為590℃。
全文摘要
一種直通式鍋爐的工作方法及采用該方法的直通式鍋爐，該直通式鍋爐(2)具有一燃燒室，其室外壁(4)由彼此氣密性焊接、垂直布置的蒸發(fā)管(12)構(gòu)成，為了即使在約200～221bar的壓力范圍內(nèi)也能安全、可靠地運行，且除此之外還能達到一特別高的效率。為此，按照本發(fā)明，蒸發(fā)管(12)內(nèi)的流動介質(zhì)(S)的質(zhì)流密度m，按照關(guān)系式m=200+8.42·10
文檔編號F22B37/12GK1240020SQ97180335
公開日1999年12月29日 申請日期1997年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月6日
發(fā)明者沃爾夫?qū)たㄋ固丶{, 沃爾夫?qū)P勒, 埃伯哈德·威特喬 申請人:西門子公司