專利名稱：熱回收蒸汽發(fā)生器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及熱回收蒸汽發(fā)生器并特別涉及它們的水流動回路。熱回收蒸汽發(fā)生器用于回收燃氣輪機或類似動力源的廢氣流中所包含的熱并將水轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?。為了?yōu)化設(shè)備的總效率，它們包括一個或多個在選定的壓力下操作的蒸汽發(fā)生回路。
鍋爐基本上有三種類型，如按照水在汽化器管道中的流動型式進行分類。它們是自然循環(huán)式、強制循環(huán)式和直流式。前兩種設(shè)計通常裝備有水/蒸汽鍋筒，在鍋筒中進行水與蒸汽的分離。在這樣的設(shè)計中，各個汽化器由相應(yīng)的鍋筒通過下水管和入口聯(lián)管箱供水。輸入回路的水回收來自燃氣輪機廢氣的熱并且轉(zhuǎn)變成水/蒸汽混合物。匯集該混合物并將其排入鍋筒。在自然循環(huán)式的設(shè)計中，水/蒸汽混合物在回路中的循環(huán)借助熱虹吸效應(yīng)得以確保。汽化器回路中的需要流量要求一最小的循環(huán)速率，該最小循環(huán)速率取決于操作壓力和原地的熱通量。在強制循環(huán)式鍋爐的設(shè)計中采用了一種類似的方法。主要的不同是在管道和管道系統(tǒng)的尺寸以及循環(huán)泵的采用方面，其中循環(huán)泵為克服系統(tǒng)中的壓力降提供了所需要的驅(qū)動力。
在自然循環(huán)式和強制循環(huán)式的設(shè)計中，循環(huán)速率、且從而汽化回路內(nèi)的質(zhì)量速度都高到足以保證汽化只發(fā)生在成泡沸騰域。這樣的沸騰在近似恒壓(恒溫)下發(fā)生，其特征是在管道內(nèi)部具有高傳熱系數(shù)以及在管道內(nèi)表面的連續(xù)不斷的濕潤。這兩個因素導(dǎo)致需要較少的汽化表面和合乎要求的圍繞管道周邊的等溫管壁狀態(tài)。此外，由于管道內(nèi)表面被濕潤，使得在水汽化過程中可能發(fā)生的水解鹽之沉積現(xiàn)象減至最少。雖然降低了汽化器的成本，但總循環(huán)系統(tǒng)的成本是高的，因為需要有這些部件如鍋筒、下水管、循環(huán)泵、各種各樣的閥和管道系統(tǒng)以及相關(guān)結(jié)構(gòu)上的支承鋼件。
第三種類型的鍋爐是直流式蒸汽發(fā)生器。這些設(shè)計并不包括鍋筒并且它們的小尺寸運行系統(tǒng)比強制循環(huán)式或自然循環(huán)式設(shè)計中的那些循環(huán)部件便宜。在正常操作過程中水在設(shè)備內(nèi)部不可能再循環(huán)?？稍谠O(shè)備中安裝軟化器以便排除水中的水解鹽。在基本的形式中，直流式蒸汽發(fā)生器只是一段用來泵送水的管道。當(dāng)熱被吸收時，流過管道的水被轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝⒈贿^熱到所要求的溫度。其沸騰不是恒壓過程(飽和溫度不是常數(shù))，并且該設(shè)計導(dǎo)致較低的對數(shù)平均溫度差或?qū)?shù)溫度差，該溫度差代表熱氣與水和/或蒸汽之間的有效溫度差。此外，由于流體的完全干涸是不可避免的，在直流式設(shè)計中管內(nèi)部的傳熱系數(shù)在蒸汽的質(zhì)量達到臨界值時變低了。管內(nèi)壁不再受濕潤并且薄層沸騰的數(shù)值僅僅是成泡沸騰的傳熱系數(shù)的一小部分。因此，較低的對數(shù)溫度差和較低的內(nèi)側(cè)管傳熱系數(shù)導(dǎo)致需要更大量的汽化器表面。
在直流式蒸汽發(fā)生器的設(shè)計中存在必須考慮的許多因素。最重要的一個是汽化器的質(zhì)量速度。它應(yīng)該大到足以加速汽化器管道內(nèi)的成泡沸騰，并因此盡可能減少汽化器表面?？上?，為達到高的內(nèi)側(cè)的管傳熱系數(shù)所需要的速度導(dǎo)致顯著的流體壓力降。該壓力降的后果是增加了給水泵的動力消耗且提高了沿沸騰路線的飽和溫度。工作流體飽和溫度的提高導(dǎo)致在氣體方面與工作流體之間降低的對數(shù)平均溫度差(LMTD)。降低的LMTD更加偏離使傳熱表面增加的成泡沸騰的高傳熱系數(shù)。降低質(zhì)量速度的能力受限于薄層沸騰的低傳熱系數(shù)和產(chǎn)生間斷流動域的可能性，后者的特征是分層的和波狀的流動模式。這兩種流動模式從增加的壓力損失、降低的熱傳導(dǎo)和圍繞管道周邊的高非等溫性的可能性的觀點來說都是不希望有的。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及熱回收蒸汽發(fā)生器并具體涉及為了設(shè)備的總效率而改進的水流動回路。本發(fā)明涉及具有內(nèi)螺旋式管道汽化器的直流式熱回收蒸汽發(fā)生器。更確切地說，本發(fā)明既包括低壓回路又包括高壓回路，兩者都是為直流設(shè)計的并且都包括具有內(nèi)螺旋式管道的汽化器。此外，在汽化器與過熱器之間可以設(shè)置一壓力平衡聯(lián)管箱并且為了流動穩(wěn)定性可以在汽化器的入口處設(shè)置節(jié)流孔。
附圖簡述

圖1為一種臥式熱回收蒸汽發(fā)生器的總體透視圖，圖2為示意的流程圖，說明本發(fā)明的蒸汽發(fā)生器的流動回路，圖3為類似于圖1的示意流程圖，但表示另一實施方案。
優(yōu)選實施方案描述圖1為一種常用的熱回收蒸汽發(fā)生器的透視圖，總體用10表示。該特定設(shè)備屬于臥式但本發(fā)明可同樣適用于具有立式氣流的設(shè)備。這樣的熱回收蒸汽發(fā)生器的一個應(yīng)用實例是用于燃氣輪機的排氣，該排氣具有在425至540℃(約800至1000°F)范圍內(nèi)的溫度并包含相當(dāng)大的待回收的熱量。產(chǎn)生的蒸汽則可用于驅(qū)動配備有一汽輪機的發(fā)電機或可以用作此工藝中的蒸汽。
熱回收蒸汽發(fā)生器10包括一擴張的入口過渡管道12，在過渡管道12中氣流從入口管道被擴張到包含傳熱表面的全截面。傳熱表面包括各排管道14、16、18、20和22，它們可以例如分別包括低壓預(yù)熱管、低壓汽化器、高壓預(yù)熱管、高壓汽化器和高壓過熱器。圖1中還示出了廢氣煙囪26。本發(fā)明涉及這種熱交換表面的配置和工況。
圖2示意地表示用于本發(fā)明的一個實施方案的熱交換表面的配置。以給水開始，低壓給水28被輸入?yún)R集/分配聯(lián)管箱30而高壓給水32被輸入?yún)R集/分配聯(lián)管箱34。低壓給水然后由聯(lián)管箱30輸入用回路36表示的低壓預(yù)熱管道，而高壓給水由聯(lián)管箱34輸入用回路38表示的高壓預(yù)熱管道。經(jīng)部分加熱的低壓水流從低壓預(yù)熱管道36被匯集到聯(lián)管箱40內(nèi)而經(jīng)部分加熱的高壓水流從高壓預(yù)熱管道38被匯集到聯(lián)管箱42內(nèi)。
部分加熱的低壓水流由聯(lián)管箱40通過管路44輸入?yún)R集/分配聯(lián)管箱46，然后流過低壓汽化器50，在汽化器50中汽化成蒸汽。在低壓汽化器50中的水流方向可以是水平的或者向上的。蒸汽、很可能是飽和的蒸汽被匯集到聯(lián)管箱52中并在管道54處作為低壓蒸汽排出。如圖中所示，該低壓回路為直流式回路。本發(fā)明的這種低壓汽化器由將在下文說明的內(nèi)螺旋式管道構(gòu)成。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向高壓直流式回路，經(jīng)部分加熱的高壓水流60由匯集聯(lián)管箱42連續(xù)通過第二高壓預(yù)熱管道62、高壓汽化器64而輸入高壓過熱器66。高壓汽化器中的流向可以是向上的、水平的或者向下的?？傮w用68表示的節(jié)流孔設(shè)置在汽化器管道64之每一管道的入口中以使流動穩(wěn)定。在汽化器64與高壓過熱器66之間的中間的聯(lián)管箱70改善了穩(wěn)定性并使節(jié)流孔的壓力降減至最小。該中間的聯(lián)管箱70平衡了高壓汽化器64的各管道之間的壓力損失，并使過熱器66中的任何流動或熱干擾對汽化器64的影響減至最小。過熱的蒸汽然后被匯集到聯(lián)管箱72內(nèi)并由其排出。如可看到的，該高壓回路從高壓給水32直到出口聯(lián)管箱72都是直流式回路。如同在低壓回路中的汽化器50，高壓回路中的汽化器64也是由內(nèi)螺旋式管道構(gòu)成的。
在本發(fā)明中，汽化器中的內(nèi)螺旋式管道可降低成本，因為這時可采用常規(guī)的材料并可減小質(zhì)量流量。內(nèi)螺旋式管道產(chǎn)生附加的紊流并且延遲了管內(nèi)壁開始干燥的時刻。內(nèi)螺旋凹道與用光滑孔的管道相比在較低的質(zhì)量流量下就可產(chǎn)生成泡沸騰。內(nèi)螺旋式管道的好處遠不只是成泡沸騰。在薄層沸騰域中增加的紊流所引起的傳熱特性比在用光滑孔的管道中所觀測到的要好得多。這意味著汽化器在這時是可以較小的。內(nèi)螺旋式管道的好處適用于超臨界的設(shè)計以及亞臨界的設(shè)計，并且在汽化器內(nèi)的水流方向可以是向上的或向下的。為了流動穩(wěn)定性，可在汽化器入口設(shè)置節(jié)流孔。在汽化器與過熱器之間設(shè)置一中間的聯(lián)管箱以改善穩(wěn)定性并使節(jié)流孔的壓力降減至最小。該聯(lián)管箱平衡各汽化器管道之間的壓力損失并使過熱器或汽化器中的任何流動或熱干擾的影響減至最小。
圖3為本發(fā)明的一種變型，它包括一個在運行過程中使用的分離器74。在運行的狀態(tài)下，汽化器64產(chǎn)生飽和的蒸汽，汽化器的輸出從壓力平衡聯(lián)管箱70進入分離器74，在分離器74中從飽和的蒸汽78中分離出液態(tài)水76。無水蒸汽78然后進入聯(lián)管箱80并且通過過熱器66。在直流式操作過程中，分離器用作混合聯(lián)管箱。
如可看到的，本發(fā)明是一種熱回收蒸汽發(fā)生器，它體現(xiàn)以以下新的部件為特征的直流式設(shè)計1．一內(nèi)螺旋式管道汽化器，它使得操作可以在低流體速度下進行。其產(chǎn)生的高傳熱系數(shù)降低了對傳熱表面的需求。此外，在整個負(fù)荷范圍內(nèi)圍繞管壁的周邊保持等溫狀態(tài)。等溫狀態(tài)使管道中的所連接外部葉片中的應(yīng)力減至最小，并且在管道內(nèi)表面上保持了保護性的磁鐵層。
2．一設(shè)置在汽化器與過熱器部件之間的壓力平衡聯(lián)管箱使氣體方面的失衡對流動穩(wěn)定性的影響減至最小。該聯(lián)管箱降低了流動穩(wěn)定性條件所需要的入口節(jié)流孔壓力損失的要求。
權(quán)利要求
1．一種熱回收蒸汽發(fā)生器，其中熱量從與蒸汽發(fā)生回路熱交換接觸的熱氣流中回收，該蒸汽發(fā)生回路包括下列部分的組合a．一個在第一壓力下操作的直流式回路，它包括一低壓預(yù)熱器部件和一用于產(chǎn)生低壓蒸汽輸出的低壓汽化器部件，其中該低壓預(yù)熱器具有多個平行的管道并且該低壓汽化器部件的各平行的管道是內(nèi)螺旋式的，以及b．一個在高于所述第一壓力的第二壓力下操作的直流式回路，它包括一具有多個平行管道的高壓預(yù)熱器部件、一具有多個平行管道的高壓汽化器部件和一用于產(chǎn)生高壓蒸汽輸出、具有多個平行管道的高壓過熱器部件，其中該高壓汽化器部件的各平行的管道是內(nèi)螺旋式的。
2．如權(quán)利要求1所述的熱回收蒸汽發(fā)生器，其特征在于，所述高壓直流式回路包括一個在各所述高壓汽化部件管道與各高壓過熱器部件管道之間的壓力平衡聯(lián)管箱。
3．如權(quán)利要求1所述的熱回收蒸汽發(fā)生器，其特征在于，所述高壓直流式回路包括設(shè)置在所述高壓汽化器部件的各個管道入口處的使流動穩(wěn)定的節(jié)流孔。
全文摘要
用于回收蒸汽發(fā)生器(10)的水流動回路,包括一低壓回路(36)和一高壓回路(38)。兩回路(36、38)都是為直流設(shè)計的并且都包括具有內(nèi)螺旋式管道的汽化器(50、64)。在汽化器(64)與過熱器(66)之間可以設(shè)置一壓力平衡聯(lián)管箱(70)并且為了流動穩(wěn)定性可以在汽化器(64)的入口處設(shè)置節(jié)流孔(68)。
文檔編號F22B1/00GK1295660SQ99804598
公開日2001年5月16日 申請日期1999年2月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月3日
發(fā)明者M·帕爾克斯, R·E·瓦雅斯茲 申請人:Abb阿爾斯托姆能源公司