專利名稱：使用單螺距和多螺距加肋管的可調(diào)壓力單循環(huán)鍋爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及發(fā)電廠用的鍋爐或蒸汽發(fā)生器，特別是有關(guān)一使用單螺距或多螺距加肋管的可調(diào)壓力單循環(huán)(直流)鍋爐的新的和實(shí)用的結(jié)構(gòu)。
單循環(huán)鍋滬從1926年開始已在動力設(shè)備領(lǐng)域中使用。單循環(huán)鍋爐的結(jié)構(gòu)包括一些適應(yīng)超臨界蒸汽壓力的可調(diào)壓力控制的裝置，如

圖1所示，裝置10的鍋爐給水泵8設(shè)有迫使水流過一節(jié)熱器11、一蒸發(fā)器12和一能與分離器13連同使用的過熱器14的總驅(qū)動裝置(驅(qū)動頭)。水被連續(xù)地蒸發(fā)到干燥，然后加以過熱而無任何蒸汽-水分離作用。這種環(huán)流方法適用于所有工作壓力，即，超臨界(大于3208psia)和亞臨界(小于3208psia)壓力。通常，裝置10的蒸發(fā)器使用螺旋式爐內(nèi)管路12，這是因?yàn)榱⒐芙Y(jié)構(gòu)對加壓和不均勻的管對管加熱更敏感。不過，對于起動和低負(fù)荷工作而言，仍需要設(shè)有專門的旁路裝置。
為了適應(yīng)起動和低負(fù)荷工作條件的需要，已使用裝有疊加再循環(huán)裝置10a和10b的單循環(huán)鍋爐結(jié)構(gòu)且在圖2和3中加以圖解表示。這些再循環(huán)裝置可使部分流體再循環(huán)到爐壁，以便通過加入裝置中的環(huán)流泵15和流孔16來增加蒸發(fā)器管子中的流體速率。在許多應(yīng)用場合中，設(shè)計(jì)可使?fàn)t12保持不變的壓力(恒壓)，通常為超臨界壓力并且利用分離器或閃蒸箱13，使得在起動或低負(fù)荷情況下把超臨界壓力降低到亞臨界壓力，這些類型的單循環(huán)鍋爐裝置10a和10b一般使用立式爐管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。
單循環(huán)(直流)鍋爐結(jié)構(gòu)使用螺旋管和立管蒸發(fā)器已由許多鍋爐制造廠加以銷售。這些結(jié)構(gòu)已發(fā)展到用于超臨界和亞臨界蒸汽壓力。但是，最近，一可調(diào)壓應(yīng)用的立管單循環(huán)鍋爐已投入運(yùn)行。由于蒸發(fā)器的流量要求，這種立管單循環(huán)鍋爐的可調(diào)壓力控制被限制到約40%的最低負(fù)荷范圍。除了螺旋管爐的特定燃料和尺寸外，螺旋管爐不受到這種限制。對于這些少量的例外，由于蒸發(fā)器的流量需要，而得出高于所需的最低流量的結(jié)果。螺旋管爐允許在配合爐管直徑和爐的質(zhì)量速度方面有較大靈活性，以確保管子冷卻和爐內(nèi)的平行蒸發(fā)器管中的流量穩(wěn)定性。此外，它使?fàn)t子的每一管子穿過燃燒室中的所有不同的加熱區(qū)，因此，可使管子之間的總熱量輸入的差異保持在最低程度。
與立式爐子構(gòu)造相比較，因螺旋管爐結(jié)構(gòu)具有較高成本，故立管可調(diào)壓力單循環(huán)鍋爐的發(fā)展是很需要的。強(qiáng)迫循環(huán)的單循環(huán)鍋爐的構(gòu)造需要使用很大數(shù)量的并聯(lián)管，它們被焊接在一起形成隔膜壁板。隔膜壁的完整性的基本要求是在每一爐內(nèi)高度上的所有管子中的液體和金屬溫度是均勻的。迄今為止，立管結(jié)構(gòu)的主要問題是由于在爐內(nèi)的各根管子之間有大量熱量差異。在立管爐中，管子之間的熱量差異比在螺旋爐結(jié)構(gòu)的大2.5倍左右。用于現(xiàn)有單循環(huán)鍋爐結(jié)構(gòu)中的典型速度，即平均質(zhì)量速度為1.500，000到2.000，0001b/hr-ft2。這些質(zhì)量速度在經(jīng)受典型的爐子外部熱量吸收變化時(shí)(此變化可以是35%或大于平均值)，會導(dǎo)致在數(shù)量上減低的速度變化。這種速度變化的傾向稱之為鍋爐管的單循環(huán)(直流)特性。在單循環(huán)模式中，由于熱量的增加，速度的變化為如圖4所示的負(fù)值。如果把過量的熱輸入作用于單一管子中，在此管子中就出現(xiàn)流體質(zhì)量速度的降低，引起管子中流體出口溫度的額外增加。
假如爐管通過降低質(zhì)量速度進(jìn)行操作，其結(jié)果是相對于任一暴露于過大熱量的管子是質(zhì)量速度的增加。這種類型的質(zhì)量速度的變化叫做自然循環(huán)(環(huán)流)特性。為了能使用立管單循環(huán)鍋爐的爐子結(jié)構(gòu)的較低質(zhì)量速度需要在燃燒區(qū)內(nèi)使用加肋管以避免成核沸騰偏離(DNB)。
本發(fā)明的受讓人、巴布科克和威爾科克斯公司(B＆W)已經(jīng)在單循環(huán)、立管亞臨界壓力鍋爐中使用了單螺距加肋(SLR)管。多螺距加肋(MLR)也已經(jīng)由(B＆M)公司使用于單循環(huán)、立管超臨界壓力鍋爐和可在亞臨界和超臨界壓力情況下工作的單循環(huán)、螺旋管鍋爐的若干應(yīng)用中。這些SLR和MLR管的幾何形狀的實(shí)例示于本文的圖6到8中?？破娴热说拿绹鴮＠?.088，494和3.289，451分別揭示了亞臨界壓力蒸汽發(fā)生器用的加肋蒸汽發(fā)生器以及在美國專利號3.088，494所公開的在這種類型管子內(nèi)形成內(nèi)螺紋加肋的方法和裝置。
就這種類型的加肋管而言，即使通過管子的是低質(zhì)量速度的流體，加肋管的傳熱特性是極好(優(yōu)越)的。通常，在同一質(zhì)量速度下，SLR管的熱通量高于MLR管的。SLR管的傳熱性能已在公開文獻(xiàn)中加以敘述，參見下述文獻(xiàn)，例如(1)美國機(jī)械工程師協(xié)會會刊、動力工程雜志，1962年10月，第365-371頁，H.S.斯威森(Swenson)、J.R.卡弗、G.斯佐伊克的“在發(fā)電廠鍋爐管中有關(guān)傳熱的成核沸騰與薄膜狀沸騰的效應(yīng)”;
(2)第五屆國際傳熱會議的會刊，1994年第六卷，第270-274頁，由K.Nishikawa、T.Fajii、S.Yoshida和M.Ohno所述的“槽式鍋爐管中的流動沸騰轉(zhuǎn)換”。
(3)巴布科克和威爾科克斯公司1992第40次編輯板權(quán)中敘述的“蒸汽其產(chǎn)生和應(yīng)用”;
MLE管的傳熱性能也已在公開文獻(xiàn)中加以記載。例如，請參見以上參考材料(3)，以及下列參考材料;
(4)第五屆國際傳熱會議，1974年，卷Ⅳ，由G.W.Watson、R.A.李和M.Wiener所發(fā)表的“傾斜式和立式光滑管和加肋管中的臨界熱通量;
(5)美國動力會議會刊，1977年4月18-20日。M.Wiener所發(fā)表的“自然循環(huán)鍋爐結(jié)構(gòu)的最新發(fā)展”;
(6)由J.B.Kitto和M.J.Alberecht提供給北大西洋公約組織先進(jìn)學(xué)術(shù)研究所介紹的有關(guān)兩相流動熱交換器的熱-液壓技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)的“在燃煤鍋爐中的兩相流動的原理”;葡萄牙，Porto，1987年7月6日～16日;
(7)在John Wiley和Sons公司的鍋爐、蒸發(fā)器和冷凝器的第六章，第179-275頁，所發(fā)表的J.B.Kitto和M.J.Albercht的“燃煤鍋爐基礎(chǔ)和原理”;
(8)第七屆國際傳熱會議會刊，1982年，卷5，第313-318頁上發(fā)表的“Makio Iwabuchi、Mikio Tateiwa、Hisao Haneda的“近臨界壓力區(qū)的內(nèi)螺紋(帶助)管的傳熱特性”。
在單循環(huán)立式可調(diào)壓力鍋爐結(jié)構(gòu)中，使用上述的MLR管未能充分發(fā)揮最優(yōu)的爐內(nèi)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。主要原因在于必須使用較高質(zhì)量速度以避免成核沸騰(DNB)的偏移，因而會喪失自然循環(huán)特性的優(yōu)點(diǎn)。此外，較高質(zhì)量速度要求較大的給水泵和使用較大功率，這是一種經(jīng)濟(jì)上的損失。在或十分接近臨界壓力點(diǎn)(3208 psia)上的傳熱問題隨著MLE管的使用而出現(xiàn)。如上述參考文獻(xiàn)8所述，在或接近臨界壓力點(diǎn)時(shí)，在MLR管中的旋渦效應(yīng)由于蒸汽和水之間的小的密度差異而減小，導(dǎo)致在高于SLR管的質(zhì)量速度時(shí)出現(xiàn)的臨界熱通量(CHF)狀態(tài)，管中的臨界熱通量會引起過高的金屬溫度，這是必須加以避免的。這個問題導(dǎo)致在低質(zhì)量速度情況下難于設(shè)計(jì)一可調(diào)壓力控制的鍋爐蒸發(fā)器，對可調(diào)壓力控制而言，將出現(xiàn)某一負(fù)荷點(diǎn)，在這一負(fù)荷點(diǎn)施加于管子上的熱通量是足夠高的，而通過MLR管壁給予流體的熱傳導(dǎo)是不足的且使管子溫度升高。這將引起爐管受損壞的可能性。
因而很明顯，為了克服上述的缺陷需要一單循環(huán)可調(diào)壓力蒸汽發(fā)生器的新結(jié)構(gòu)。特別是由于螺旋管式爐子結(jié)構(gòu)比立管式爐子結(jié)構(gòu)的成本高，在這方面，需要一單循環(huán)立管可調(diào)壓力鍋爐或蒸汽發(fā)生器。
本發(fā)明涉及具有爐內(nèi)壁管定向的單循環(huán)可調(diào)壓力鍋爐或蒸汽發(fā)生器，該壁管取向可以各自地為立式的、臥式的或螺旋式的(即水平和垂直取向之間的一夾角)或是上述的任一組合。本發(fā)明的一方面是提出含有一圍壁的單循環(huán)可調(diào)壓力蒸汽發(fā)生器，圍壁具有一出口和由特定布置的平滑孔徑管、單螺距加肋(SLR)管和多螺距加肋(MLR)管構(gòu)成的熱交換表面。所有這些管子最好被構(gòu)成為薄膜式管板。
本發(fā)明通過若在爐內(nèi)使用MLR管會使熱傳導(dǎo)變?nèi)醯哪切┑胤?位置)使用SLR管來克服上述缺陷。SLR管以不同于旋渦發(fā)生的原理作業(yè)，因此，不取決于蒸汽和水的密度差。它們的臨界熱通量(CHF)的性能適用于在本發(fā)明中所提議的在接近低質(zhì)量速度范圍內(nèi)的臨界壓力。
蒸汽發(fā)生器包含若干燃燒圍壁內(nèi)的燃料和空氣的燃燒器，燃燒器的燃燒依次產(chǎn)生蒸汽發(fā)生器的低熱流(熱通量)區(qū)、中熱流區(qū)和高熱流區(qū)。水和/或蒸汽(或，在超臨界壓力下，使用術(shù)語“流體”)流經(jīng)壁板的管子，這些管子提供了有效的熱交換。光滑(平滑)孔徑管位于蒸汽發(fā)生器的低熱流區(qū)，而單螺距加肋(SLR)管和多螺距加肋(MLR)管安置在蒸汽發(fā)生器的中和高熱流區(qū)。
即使本發(fā)明可在采用立式、臥式或螺旋式管子的各種布置的蒸汽發(fā)生器加以使用，但本發(fā)明的主要目的是為了提供一適用于在廣泛負(fù)荷范圍內(nèi)控制可調(diào)壓力的單循環(huán)立管可調(diào)壓力鍋爐或蒸汽發(fā)生器，這種鍋爐或蒸發(fā)器具有在最低負(fù)荷下工作的能力并具有低的壓力降。
描述本發(fā)明的新穎性的各種特征在所附和構(gòu)成這一揭示內(nèi)容的一部分的權(quán)利要求書中詳細(xì)地加以指出。為了更好地理解本發(fā)明、其作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)和通過其應(yīng)用所達(dá)到的特有的效益可參考諸附圖和描述本發(fā)明的最佳實(shí)施例的說明性內(nèi)容。
圖1表示一已知單循環(huán)鍋爐裝置的示意圖;
圖2表示一第二已知單循環(huán)鍋爐裝置的示意圖;
圖3表示一第三已知單循環(huán)鍋爐裝置的示意圖;
圖4表示立管爐的質(zhì)量特性變化的曲線圖;
圖5是一具有光滑孔徑的管子的縱剖面視圖;
圖6是一具有單一連續(xù)內(nèi)螺紋肋的單螺距加肋(SLR)管的縱剖面視圖;
圖7是一具有多條連續(xù)內(nèi)螺紋肋的多螺距加肋(MLR)管的縱剖面視圖;
圖8是一另一MLR管的縱剖面視圖;
圖9是一根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的、適合于可調(diào)壓力控制的單循環(huán)立管式蒸汽發(fā)生器的示意側(cè)視圖;
圖10是一根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的、適合于可調(diào)壓力控制的單循環(huán)立管式蒸汽發(fā)生器的示意側(cè)視圖;
圖11是一根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的、適合于可調(diào)壓力控制的單循環(huán)螺旋管式蒸汽發(fā)生器的示意側(cè)視圖;
圖12是一根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的、適合于可調(diào)壓力控制的單循環(huán)螺旋管式蒸汽發(fā)生器的示意側(cè)視圖;
圖13是一沿圖9的13-13線所作的使用光滑徑管的壁板的徑向剖面示意圖;
圖14是一沿圖9的14-14線所作的使用SLR管的壁板的徑向剖面示意圖;
圖15是一沿圖9的15-15線所作的使用MLR管的壁板的徑向剖面示意圖;
請參閱諸附圖，其中，在所有各附圖中同樣參考號表示同一或同類部件，尤其是圖5-8示出了在本發(fā)明中所使用的各種類型管子的縱向剖面視圖。圖5顯示具有一光滑孔徑22的管子20。圖6顯示一單螺距加肋(SLR)管24，加肋管內(nèi)表面26具有一單一連續(xù)的內(nèi)螺紋槽28，它位于連續(xù)的螺旋槽脊或凸緣30中間。圖7示出了一多螺距加肋(MLR)管32，該加肋管內(nèi)表面34具有一對連續(xù)的螺紋槽28，它位于連續(xù)的螺紋槽脊或凸緣30中間。圖8還顯示了另一型式的多螺距加肋(MLR)管36，該管具有多個位于連續(xù)的螺旋槽脊或凸緣30中間的連續(xù)的內(nèi)螺紋槽28。在SLR或MLR管中所采用的槽28和槽脊30的具體幾何排列應(yīng)當(dāng)如選擇管子外徑和最小壁厚那樣按需要達(dá)到所需性能和力學(xué)要求來選取。當(dāng)然，適用的鍋爐和壓力容器規(guī)則，對應(yīng)用本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員而言也是熟知的。
現(xiàn)在參閱圖9-12，圖中示出了本發(fā)明的若干實(shí)施例。圖9和10涉及一種適用于根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實(shí)施例的可調(diào)壓力操作的單循環(huán)立式蒸汽發(fā)生器。圖11和12涉及有關(guān)一種適用于根據(jù)本發(fā)明的第三和第四實(shí)施例的可調(diào)壓力操作的單循環(huán)螺旋管蒸汽發(fā)生器。
現(xiàn)在參閱圖9和10，其中揭示了一一般以40所表示的立管式單循環(huán)蒸汽發(fā)生器。以42所示意地表示的燃料燃燒器提供燃料和空氣混合物，此混合物在爐膛46的燃燒區(qū)44中進(jìn)行燃燒。爐膛46通過圍壁48部分地加以限定，一圍壁含有通過隔膜49(見圖13-15)而互相連接的管子以形成氣密封閉。燃燒產(chǎn)物50(熱廢氣)以箭頭50的方向向上經(jīng)爐膛46橫向流過各懸架和水平的熱傳導(dǎo)表面(圖中未畫出)且經(jīng)出口52離開蒸汽發(fā)生器40。燃燒產(chǎn)物50把其熱量傳導(dǎo)到周圍的圍壁48中，從而加熱含有這些圍壁的管子內(nèi)流動的流體。
通常，含有圍壁48的管子在工廠中被預(yù)制成若干壁板，然后經(jīng)現(xiàn)場焊接而把它們裝配成爐膛圍壁48。圖9和10顯示一種圍壁布置，在這種布置中，蒸汽發(fā)生器40的側(cè)壁51包括五個基本上垂直配置的這樣的預(yù)制壁板54。相當(dāng)數(shù)量的壁板54還應(yīng)包括蒸汽發(fā)生器40的各個前后壁56、58且仍將以基本上垂直方式來裝配，而每一壁板54的最大寬度受裝運(yùn)和/或其他裝備的各種局限性，最值得注意的，由燃料燃燒器42的特定開口部位所限制。
膜式水冷壁的完整性的基本要求是在每一爐膛水平面上的所有管子中具有均勻的流體和金屬的溫度。迄今為止，裝有立管結(jié)構(gòu)的爐膛的主要問題是爐膛的各個管子之間存在大的溫度差異。
正如早先所指出，在立管爐中，管子之間的溫度差異比在螺旋管爐結(jié)構(gòu)中大2.5倍左右，平均質(zhì)量速度為1.500，000到2.000，0001b/hr-ft2是通用單循環(huán)鍋爐結(jié)構(gòu)中所使用的典型速度。當(dāng)經(jīng)受到周圍爐膛吸熱作用的變化時(shí)，這些質(zhì)量速度可以是35%平均值或大于平均值，會導(dǎo)致在數(shù)量上減少的速度變化。這種趨向稱之為鍋爐管的單循環(huán)(直流)特性。在單循環(huán)形式中，由于熱量的增加，速度的變化是如圖4的負(fù)值。若把過量熱量的輸入施加于單一管子，那么管中就會發(fā)生流體質(zhì)量速度的降低，引起管中流體的出口溫度的額外增加。
假如爐管按降低質(zhì)量速率來運(yùn)行，對于經(jīng)受到過高熱量的任何單一管子而言，其結(jié)果是質(zhì)量速率的增加。這種類型的質(zhì)量速率變化稱作為自然環(huán)流特性。為了能使用立式單循環(huán)鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu)的較低質(zhì)量速率，就需要在圍壁48中使用加肋管，以避免成核沸騰(DNB)轉(zhuǎn)移，而形成較高金屬溫度。
在本發(fā)明中，這一問題是通過在圍壁48中的平滑，SLR和/或MLR管的特定布置來解決的。在爐膛46中SLR管24被安置在假如使用MLR管32、36的位置上，就會削弱熱傳導(dǎo)作用。SLR管24依靠不同于渦流產(chǎn)生的原理來工作，因此，不取決于蒸汽和水之間的密度(比重)差。在本發(fā)明所提議的較低質(zhì)量速率的范圍中，它們的CHF(臨界熱流)性能在接近臨界壓力時(shí)是適當(dāng)?shù)摹?br> 根據(jù)本發(fā)明，SLR管24和MLR管32、36可選擇地應(yīng)用于含有立管壁板的單循環(huán)蒸汽發(fā)生器40以使該蒸發(fā)器更適合于可調(diào)壓力控制，如圖9和10所示且可應(yīng)用于含有壁板的螺旋管，單循環(huán)蒸汽發(fā)生器70以使該蒸發(fā)器更適合于可調(diào)壓力控制，如圖11和12所示。在蒸汽發(fā)生器40或70中各類管道的布置基于供所有負(fù)荷用的諸管子的熱傳導(dǎo)和流量特性所確定，在操作過程中要求蒸汽發(fā)生器40和70經(jīng)受得住這些負(fù)荷。這將基本上涉及從約15%至30%的最大連續(xù)額定(MLR)蒸汽流量的最小荷載到最大連續(xù)額定(MCR)蒸汽流量的負(fù)荷的范圍。
圖9-12的左手側(cè)大致地確定在蒸汽發(fā)生器40和70的爐膛46內(nèi)的低、中和高熱流(熱通量)區(qū)(分別為QLQM和QH)的垂直限度。應(yīng)該了解一個區(qū)域末端和另一個區(qū)域始端的實(shí)際垂直高度將取決于下面所要討論的各種參數(shù)。這些熱流范圍的近似數(shù)值可大致按如下規(guī)定加以確定QL0至40，000BTU/hr-ft2QM30，000至80，000BTU/hr-ft2QH50，000至大于100，000BTU/hr-ft2在爐膛46內(nèi)發(fā)生的燃燒過程主要決定了由燃料燃燒器42和特定燃料所產(chǎn)生的按熱流速率的這種垂直變化。這種變化對單循環(huán)蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)的技術(shù)上熟練的普通技術(shù)人員會意識到的，這些區(qū)域(區(qū)間)的數(shù)值上的重疊是構(gòu)成參數(shù)的原因，而不是可影響臨界熱流(熱通量)或CHF的發(fā)生的熱流。供給于爐膛圍壁管48的實(shí)際熱流構(gòu)成了確定CHF狀態(tài)是否出現(xiàn)的主要參數(shù)。不過，諸如流體壓力、流速、流體性質(zhì)、管徑、管子傾斜度和管子表面光潔度也影響圍壁管48的CHF狀態(tài)。因此，作用于蒸汽發(fā)生器40和70的爐膛46內(nèi)的諸區(qū)域的低、中和高熱流區(qū)(分別為QL、QM和QH)的命名是有關(guān)需要一定類型管子的區(qū)域的更簡化方式。在某些情況下，在“高”熱流區(qū)QH以上的區(qū)域中的熱流值不會充分降低到“低”熱流區(qū)、QL值。使用術(shù)語“中”熱流區(qū)代之且在圍壁48的那些相應(yīng)部分上使用MLR管32、36(不是光滑管20)。在另一些情況下，的確，熱流值充分地降低到了“低”熱流區(qū)的QL程度，此時(shí)，又可采用光滑管20。
如圖9和10所示，立管單循環(huán)可調(diào)壓力蒸汽發(fā)生器40設(shè)有新型爐膛結(jié)構(gòu)，這種爐膛結(jié)構(gòu)包括一些被放入位于爐膛46的低熱流區(qū)QL的光滑管圍壁板60中的光滑管20和一種位于高和中熱流區(qū)QH和QM的SLR管24的圍壁壁板62和MLR管32、36的圍壁壁板64的組合，以避免成核沸騰轉(zhuǎn)移(DMB)和臨界熱流(CHF)狀態(tài)，而符合諸管子金屬溫度限制。請參見作為這種壁板剖面視圖的圖13-15。
如圖11和12所示，螺旋管式單循環(huán)可調(diào)壓力蒸汽發(fā)生器70設(shè)有新型爐膛結(jié)構(gòu)，它包括一些被裝入位于爐膛46的低熱流區(qū)QL的螺旋形(盤旋上升的)平滑管圍壁壁板60的平滑孔徑管20和一種位于高和中熱流區(qū)QH和QM的SLR管24的圍壁壁板62和MLR管32、36的圍壁壁板64的組合，以便避免成核沸騰轉(zhuǎn)移和臨界熱流現(xiàn)象，而符合管子金屬溫度限制。如圖11和12所示，諸形成圍壁48的管子與水平面成銳角傾斜，一般5-10°且從爐膛46的下部開始圍繞爐膛46的整個周邊盤繞。在由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所已知的各種參數(shù)確定的一些上部位置，取管子的垂直定向以簡化結(jié)構(gòu)和保證(滿足)各種條件。
單循環(huán)鍋爐或蒸汽發(fā)生器得益于在較低負(fù)荷下的自然環(huán)流特性，這是因?yàn)橛捎跓崃孔兓鸬脑谛纬蓢?8的管子中的流量改變將以保護(hù)管子免于受到可能的臨界熱流狀態(tài)的影響加以補(bǔ)償。如果由管子吸收的熱量增加，那未流量成比例地增加。在較低負(fù)荷，例如約低于70%負(fù)荷下，穿過爐膛壁的熱量變化可能在約大于70%負(fù)荷下的變化還要大。此外，管中的流量是與負(fù)荷成正比的，因此，在較低負(fù)荷下，例如在近似50%負(fù)荷下，流量將大致為在全荷下的流量的一半。為此，在設(shè)計(jì)上必須考慮在所有可能負(fù)荷下存在的熱流和可能的流量變化。在較低負(fù)荷下，使用自然環(huán)流特性有助于通過增加作用在管中的熱流而增加流量，從而減少臨界熱流狀態(tài)的可能性。假如鍋爐或蒸汽發(fā)生器以單循環(huán)流量特征在減小的負(fù)荷下工作，那么裝置(就)會在熱流增加時(shí)流量應(yīng)減小的這個事實(shí)而受到惡化，導(dǎo)致從臨界熱流觀點(diǎn)來看是最壞的情況。自然環(huán)流特性在較低鍋爐或蒸汽發(fā)生器負(fù)荷(≤70%負(fù)荷)情況下是所需要的，而單循環(huán)流量特性往往會在較高負(fù)荷情況下出現(xiàn)。
在立管單循環(huán)可調(diào)壓力蒸汽發(fā)生器40和螺旋盤管式單循環(huán)可調(diào)壓力蒸汽發(fā)生器70中，MLR和SLR組合的長度和位置是相對于每一壁板64、62加以調(diào)整，以便在SLR管24和MLR管32、36內(nèi)達(dá)到最佳自然環(huán)流特性。為了得到最佳自然環(huán)流特性，在螺旋管蒸汽發(fā)生器70中除了應(yīng)對每一壁板64和62作調(diào)整外，將采用同樣的工藝規(guī)程。由于SLR管24的流阻比MLR管32、36或光滑管20的要高，SLR管的應(yīng)用必須僅限制于絕對需要它們的位置，因?yàn)檩^高流阻具有降低所需的自然環(huán)流特性作用的可能性。不過，圍繞單和多螺距周面的SLR管24和MLR管32、36的適當(dāng)位置和正確配合會使在任何高度情況下所有立式膜壁管板之間或所有螺旋式膜壁管板之間的流體和金屬溫差減至最小，以便在全負(fù)荷下保持低于100°F的可允許范圍。
就自然環(huán)流特性而言，盡管不同的熱特性隨所用的管子結(jié)構(gòu)而變化、不管爐膛管子的取向是立式或者是螺旋式的，在蒸汽發(fā)生器40，70的蒸發(fā)器中的諸管子具有類似的出口溫度。每種類型的管子位置的實(shí)際結(jié)構(gòu)是隨爐膛的幾何尺寸、燃料的品種和類型以及裝置(單元)的負(fù)荷變化要求而改變。對于各種類型的蒸汽發(fā)生器40、70中的爐膛46的各立式或螺旋式壁板，上述的這一概念的應(yīng)用可以是不同的。在一個壁板中的諸類型的管子之間的過渡(換接)位置可以在同一或不同高度，或高于或低于鄰近壁板中的諸類型管子之間的過渡(換接)位置。
為了進(jìn)一步說明蒸汽發(fā)生器40和70，在各種類型中的光滑孔徑管20，SLR管24和MLR管32所處的位置，圖9-12包括一垂直圖例80。垂直圖例80大致地確定/標(biāo)出幾個爐膛的區(qū)域。從爐膛46的下部開始且一直垂直向上移動按照順序是下部82、第一中間部84、第二中間部86和其上部88。對于圖10和12，上部88還細(xì)分成第一部分90和以直接垂直方式位于第一部分90以上的第二部分92。于是各種類型的管子20、24和32可被描述為一般位于前述區(qū)域，以及按照早先的說明，其中，某些類型的管子是基于各管子所受到的熱液壓(力)條件來確定的。
本發(fā)明解決了與在已知的立管式單循環(huán)可調(diào)壓力蒸汽發(fā)生器以及螺旋管式、甚至水平管式，可調(diào)壓力單循環(huán)蒸汽發(fā)生器中使用MLR管和光滑孔徑管有關(guān)的諸熱液壓問題。在水平管式單循環(huán)蒸汽發(fā)生器中，銳角θ應(yīng)是0°;當(dāng)諸管子完成圍繞爐膛的外周面的一圈盤繞后，它們最后在一短矩離內(nèi)朝著垂直方向彎曲，因而得以按垂直方向偏離早先的水平面，并且通常以與它們初始水平方向相反的方向重新開始它們的水平纏繞。在利用本發(fā)明的立管爐比利用已知螺旋爐結(jié)構(gòu)有明顯成本上的好處。本發(fā)明容許最低的負(fù)荷并具有穿過爐膛管路的較低壓力降，因此，只需要使用較少功率來驅(qū)動的較小的給水泵。使用這種改進(jìn)的可調(diào)壓力單循環(huán)鍋爐的結(jié)構(gòu)比起使用已知的單循環(huán)鍋爐和亞臨界汽包鍋爐來;在全負(fù)荷和部分負(fù)荷下具有提高效率的作用。
盡管為了表明本發(fā)明申請已示出和詳細(xì)地描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是，應(yīng)該理解本發(fā)明可不脫離這些原理而另行加以補(bǔ)充。
權(quán)利要求
1.一種適用于在寬的負(fù)荷范圍、特別在低負(fù)荷下壓力可調(diào)操作的單循環(huán)蒸汽發(fā)生器，該蒸汽發(fā)生器具有部分由流體冷卻圍壁所構(gòu)成的爐膛，并包括在燃燒過程中使燃料和空氣燃燒的燃料燃燒裝置，此裝置在燃燒過程中，在圍壁上產(chǎn)生熱流速率的垂直變化，它包括一個或一個以上低的和一個和一個以上高的熱流區(qū)；其中，圍繞爐膛的一個或一個以上低熱流區(qū)的流體冷卻圍壁裝有光滑孔徑管，圍繞一個或一個以上高熱流區(qū)的流體冷卻圍壁裝有單螺距加肋“SLR”管和多螺距加肋“MLR”管以避免一個或一個以上高熱流區(qū)中的成核沸騰“DNB”轉(zhuǎn)移和臨界熱流“CHF”狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單循環(huán)蒸汽發(fā)生器，其特征在于流體冷卻圍壁包括一些光滑孔徑管，它們形成圍繞爐膛下部的流體冷卻壁;一些直接和垂直地位于爐膛下部上面的多螺距加肋(MLR)管，它們形成圍繞爐膛的第一中間部的流體冷卻壁;一些直接和垂直地位于爐膛第一中間部上面的單螺距加肋(SLR)管，它們形成圍繞爐膛的第二中間部的流體冷卻壁;一些直接和垂直地位于爐膛第二中間部上面的光滑孔徑管，它們形成圍繞爐膛上部的流體冷卻壁，爐膛的各部分中的管子彼此是流通地連通的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單循環(huán)蒸汽發(fā)生器，其特征在于爐膛的各部分管子彼此流通相連，因此，可將進(jìn)入爐膛下部的流體冷卻壁的流體輸送到爐膛上部的流體冷卻壁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單循環(huán)蒸汽發(fā)生器，其特征在于燃燒過程中，在圍壁上產(chǎn)生熱流速率在垂直變化，它包括一個或一個以上低熱流區(qū)、一個或一個以上的中熱流區(qū)和一個或一個以上的高熱流區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單循環(huán)蒸汽發(fā)生器，其特征在于流體冷卻圍壁包括諸光滑孔徑管，它們形成圍繞爐膛下部的流體冷卻壁;諸直接垂直地拉于爐膛下部上的多螺距加肋(MLR)管，它們形成圍繞爐膛第一中間部的流體冷卻壁;諸直接和垂直地位于爐膛第一中間部上面的單螺距加肋(SLR)管，它們形成圍繞爐膛第二中間部的流體冷卻壁;諸直接和垂直位于爐膛第二中間部上面的多螺距加肋(MLR)管，它們形成爐膛上部第一部分的流體冷卻壁;諸光滑孔徑管，它們形成圍繞爐膛上部的一第二部分的流體冷卻壁，該第二部分直接和垂直地位于爐膛上部的第一部分上，爐膛的每個部分中的管子彼此以流態(tài)方式相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單循環(huán)蒸汽發(fā)生器，其特征在于爐膛的每個部分中的管子彼此流態(tài)地相連通，因此，可把從爐膛的下部進(jìn)入流體冷卻壁的流體輸送到在爐膛上部的流體冷卻壁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單循環(huán)蒸汽發(fā)生器，其特征在于流體冷卻圍壁包括預(yù)制的、工廠組裝的、焊接的膜式管壁板，這些壁板可通過鄰接壁板之間的焊接而加以組裝以制成爐膛圍壁，從而形成密封封閉壁。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的單循環(huán)蒸汽發(fā)生器，其特征在于預(yù)制的、工廠組裝的、焊接好的膜式管壁板可裝配成基本上垂直的管壁板。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的單循環(huán)蒸汽發(fā)生器，其特征在于當(dāng)管壁板包繞在爐膛的周邊時(shí)，預(yù)制的、工廠安裝好的、焊接好的膜式管壁板至少圍繞爐膛的下部和中間部且被裝配成相對于水平面成銳角θ傾斜的螺旋形管壁板。
10.在具有部分地由流體冷卻圍壁形成的爐膛的單循環(huán)立管式蒸汽發(fā)生器中，一形成圍壁的流體輸送管的結(jié)構(gòu)包括一些平滑孔徑管，它們構(gòu)成圍繞爐膛下部的流體冷卻壁;一些直接和垂直位于爐膛下部上面的多螺距加肋(MLR)管，它們構(gòu)成圍繞爐膛的第一中間部的流體冷卻壁;一些直接和垂直位于第一中間部上面的單螺距加肋(SLR)管，它們構(gòu)成圍繞爐膛的第二中間部的流體冷卻壁;一些位于爐膛第二中間部上面的平滑孔徑管，它們構(gòu)成圍繞爐膛上部的流體冷卻壁，而爐膛的每個部分中的管子彼此流通地相連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的形成單循環(huán)立管式蒸氣發(fā)生器圍壁的流體輸送管結(jié)構(gòu)，其特征在于爐膛各部分的管子是彼此流通地相連接以便將從爐膛下部進(jìn)入流體冷卻壁的流體輸送到爐膛上部的流體冷卻壁。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的形成單循環(huán)立管式蒸汽發(fā)生器圍壁的流體輸送管的結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括一些多螺距加肋(MLR)管和一些平滑孔徑管，所述加肋管形成圍繞爐膛上部的第一部分的流體冷卻壁，第一部分直接和垂直地位于第二中間部的上面，所述平滑孔徑管形成圍繞爐膛的上部的流體冷卻壁，該冷卻壁位于爐膛上部的第二部分，而第二部分則直接和垂直地位于爐膛上部的第一部分的上面。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的形成單循環(huán)立管蒸汽發(fā)生器圍壁的流體輸送管的結(jié)構(gòu)，其特征在于流體冷卻圍壁包括一些預(yù)制的、工廠裝配的、焊接好的膜式管壁板，這些壁板通過鄰接壁板之間的焊接而組裝成基本上垂直的管壁板，以制成爐膛圍壁，形成密封封閉壁。
14.在具有部分地由流體冷卻圍壁所形成的爐膛的單循環(huán)螺旋管式蒸汽發(fā)生器中可形成圍壁的流體輸送管結(jié)構(gòu)，其特征在于它包括一些平滑孔徑管，它們形成圍繞爐膛下部的流體冷卻壁;一些直接和垂直地位于爐膛下部上面的多螺距加肋(MLR)管，它們形成圍繞爐膛的第一中間部的流體冷卻壁;一些直接和垂直地位于爐膛第一中間部上面的單螺距加肋(SLR)管，它們形成圍繞爐膛的第二中間部的流體冷卻壁;一些直接和垂直地位于爐膛第二中間部上面的平滑孔徑管，它們形成圍繞爐膛上部的流體冷卻壁，爐膛的每一部分中的管子彼此是流通地相連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的形成單循環(huán)螺旋管式蒸汽發(fā)生器圍壁的流體輸送管的結(jié)構(gòu)，其特征在于爐膛的每個部分中的管子彼此以流態(tài)流通方式相連接，因此，可把從爐膛的下部進(jìn)入流體冷卻壁的流體輸送到爐膛上部的流體冷卻壁中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的形成單循環(huán)螺旋管式蒸汽發(fā)生器的流體輸送管的結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括一些多螺距加肋(MLR)管和一些平滑孔徑管，所述加肋管形成圍繞爐膛上部的一第一部分的流體冷卻壁，而第一部分直接和垂直地位于第二中間部的上面，所述平滑孔徑管形成圍繞爐膛的上部的流體冷卻壁，該冷卻壁位于爐膛上部的一第二部分中，第二部分直接和垂直地位于爐膛上部的第一部分之上面。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的形成單循環(huán)螺旋管式蒸汽發(fā)生器的流體輸送管的結(jié)構(gòu)，其特征在于流體冷卻圍壁包括一些預(yù)制的、工廠安裝的、焊接好的膜式管壁板，這些壁板可經(jīng)鄰近壁板之間的焊接而被裝配成爐膛圍壁，以形成密封圍壁。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的形成單循環(huán)螺旋管式蒸汽發(fā)生器的流體輸送管的結(jié)構(gòu)，其特征在于當(dāng)管壁板圍繞爐膛的周邊加以包繞時(shí)，預(yù)制的、工廠安裝好的、焊接好的膜式管壁板至少圍繞爐膛下部、第一中間部、第二中間部和上部的第一部分，它們相對于水平面成銳角θ傾斜。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的形成單循環(huán)螺旋管式蒸汽發(fā)生器的流體輸送管的結(jié)構(gòu)，其特征在于當(dāng)形成圍壁的諸管子爐膛的周邊加以包繞時(shí)，至少圍繞爐膛的下部、第一中間部、第二中間部和上部的第一部分，它們相對于水平面成銳角θ傾斜。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的形成單循環(huán)螺旋管式蒸汽發(fā)生器的圍壁的流體輸送管的結(jié)構(gòu)，其特征在于形成圍壁的圍繞爐膛上部的第二部分的一些管子基本上是垂直延伸的。
全文摘要
一種立式單循環(huán)可調(diào)壓力蒸汽發(fā)生器包括一爐膛，該爐膛具有一出口和由光滑孔徑管、單螺距加肋(SLR)管和多螺距加肋(MLR)管制成的熱交換表面。所有管子各自構(gòu)成為膜式管壁板。蒸汽發(fā)生器包括燃燒在燃燒室內(nèi)的燃料和空氣的燃燒器，在爐內(nèi)產(chǎn)生低、中和高的熱流區(qū)。流體流過壁板的管子時(shí)可提供有效的熱交換。光滑管安裝在低熱流區(qū)、SLR和/或MLR管安置在高和中熱流區(qū)。
文檔編號F22B29/06GK1113306SQ9510235
公開日1995年12月13日 申請日期1995年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月25日
發(fā)明者梅爾文J·阿爾布雷克 申請人:巴布考克及威爾考克斯公司