專利名稱：超臨界下射鍋爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鍋爐。特別地，但不排它地，本發(fā)明涉及在超臨界狀態(tài)期間能使用低揮發(fā)性燃料的鍋爐。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代的發(fā)電廠被設(shè)計成能夠獲得高效率。除了經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢外，這還有環(huán)保的優(yōu)勢，比如燃料消耗、產(chǎn)生灰塵數(shù)量以及排放污染物和二氧化碳水平的減少。
多數(shù)過去十年一直在使用并使用礦物燃料的大型歐洲熱能發(fā)電廠已經(jīng)利用超臨界蒸汽參數(shù)來獲取更高的效率。這些電廠通常以煤粉技術(shù)(PC)為基礎(chǔ)。蒸汽溫度和壓力在此期間持續(xù)升高。不過，達(dá)到的一個極限是鍋爐管道和渦輪葉片所使用金屬容許的最大溫度。
在高效率蒸汽狀態(tài)下利用低成本燃料具有優(yōu)勢。此外，與一個在亞臨界蒸汽狀態(tài)下運(yùn)行的類似尺寸的單元相比，其排放將會被降低。
目前在使用的有兩種類型的超臨界鍋爐設(shè)計。第一種類型在鍋爐內(nèi)利用垂直定向的管道并在穩(wěn)定流體壓力下運(yùn)行。管道的尺寸必須恰當(dāng)，其外徑典型地介于60和70mm之間，并配置在鍋爐較低部分的多路通道內(nèi)，在該較低部分內(nèi)設(shè)置有燃燒室，且熱輸入高。通過讓流量多次通過該較低部分，每根管道的質(zhì)量流量可以保持在一個足夠高的數(shù)值，以確保充分的冷卻。此外，流體在通道之間被混合，以減少流體溫差。
通常，一種垂直管道配置不需要額外的支撐構(gòu)件。管道直徑不可以減小，因為其熱力狀態(tài)會很快導(dǎo)致管道故障。再者，減小管道直徑會降低結(jié)構(gòu)的完整性。
這種利用在恒定壓力下運(yùn)行的垂直定向管道的直流鍋爐的配置是不大受歡迎的設(shè)計，原因在于由多路通道設(shè)計導(dǎo)致的運(yùn)行困難和其它困難。
第二種類型的超臨界鍋爐利用管道的螺旋配置并容許流體壓力隨著變化的載荷而變動。通過將管道卷繞在鍋爐上形成封閉，該螺旋配置利用更少的管道達(dá)到每根管道所需的流量。該配置還有利于將所有管道穿過所有的加熱區(qū)，以在鍋爐較低部分的出口保持一個大體上均勻的流體溫度。不過，該管道對鍋爐的卷繞增加了與制造和安裝相關(guān)的成本和復(fù)雜性。再者，通常需要額外的垂直支撐條。還有，由于類似的熱力狀態(tài)占主導(dǎo)，就再次需要一個最小管道直徑。
鍋爐在類型上可以是自然循環(huán)式，輔助循環(huán)式或直流式。所有這些類型可以在次臨界蒸汽狀態(tài)下運(yùn)行，但只有直流式鍋爐有可能在超臨界蒸汽狀態(tài)下運(yùn)行。該最常使用的直流式鍋爐類型是Benson鍋爐。它通常在功率水平達(dá)到1300MWe，蒸汽壓力達(dá)到350巴，且蒸汽溫度超過600℃或以上的情況下運(yùn)行。這種鍋爐可以提供一種有效的水/蒸汽循環(huán)，高蒸汽溫度，蒸汽輸出和蒸汽溫度對于波動燃料特性的不敏感性，由于可變壓力操作導(dǎo)致的快速載荷轉(zhuǎn)變能力，和短起動時間。
在直流式鍋爐中，質(zhì)量流量通常太高，使得流量不能自然地再分布到具有更高熱量輸入的管道以防止過熱。另外，一個高質(zhì)量流量的直流式鍋爐將會具有一種強(qiáng)制循環(huán)特征，使得流量隨著增加的熱量輸入而降低。比普通管道吸收更多熱量的一個自然循環(huán)鍋爐的管道自然地通過更多流量，這就提高了冷卻效果并防止管道過熱，而在一個具有高質(zhì)量流量的直流式強(qiáng)制循環(huán)鍋爐中，吸收的熱量比普通管道更多的管道容納更少流量。這會導(dǎo)致溫度的進(jìn)一步升高和潛在的管道故障。
因此，垂直管道和螺旋管道超臨界鍋爐都需要一個相對高的用于冷卻的每根管道的質(zhì)量流量。
具有中等質(zhì)量流量的鍋爐設(shè)計已經(jīng)在直流式強(qiáng)制循環(huán)鍋爐中得到嘗試。不過，這些鍋爐通常具有比高質(zhì)量流量設(shè)計更差的性能。在一個比普通管道吸收更多熱量的管道內(nèi)，當(dāng)質(zhì)量流量在載荷降低期間被減少時，剩余的流量將不太能提供可接受的冷卻。
有利的是提供一種用于直流式鍋爐的設(shè)計，這種直流式鍋爐具有垂直管道和在載荷范圍內(nèi)以可變壓力下操作的能力，同時其具有自然循環(huán)的特點(diǎn)，從而防止管道過熱。希望質(zhì)量流量低以促進(jìn)自然循環(huán)特征，降低鍋爐壓力損失，并減少所需的泵功率。
一個新近的發(fā)展是利用具有一種較低質(zhì)量流量的垂直管道系統(tǒng)，管道內(nèi)部加肋或刻螺紋形凹線。一個內(nèi)螺絲管(rifled tube)內(nèi)的熱交換得到改善，特別是在蒸發(fā)階段，原因是離心力把濕蒸汽的液態(tài)水部分傳送到管壁。所產(chǎn)生的壁的濕度使得從壁到流體傳遞更多的熱量。一種利用刻螺紋形凹線的垂直管道配置容許具有一個較低質(zhì)量流量的設(shè)計，這反過來改變了一種直流式系統(tǒng)的流量特征。對一個單獨(dú)管道的增加的熱量輸入導(dǎo)致相關(guān)管道由于自然循環(huán)或正性流量特征而產(chǎn)生的增加的容許能力。
到目前為止，內(nèi)螺絲管道系統(tǒng)不容許質(zhì)量流量的充分減少，以使一個直流式鍋爐在一種單個垂直通道內(nèi)能夠得到順利的冷卻。此外，試圖實現(xiàn)優(yōu)化的內(nèi)螺絲管道系統(tǒng)會產(chǎn)生制造困難，使得它們不能以商業(yè)量來經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)。
盡管內(nèi)螺絲管的生產(chǎn)有進(jìn)展，但目前運(yùn)行的大多數(shù)直流式鍋爐具有用平坦內(nèi)孔管建造的、用于高質(zhì)量流量下的熱交換需要的鍋爐壁。雖然一些直流式鍋爐利用內(nèi)螺絲管，但是它們通常仍然在高質(zhì)量流量下運(yùn)行。
當(dāng)使用低揮發(fā)性燃料比如煤時，存在特殊的問題。由于揮發(fā)性成分減少使得燃料的點(diǎn)燃，還有低的未燃燒碳水平變得更難于實現(xiàn)。為克服這些困難，有必要確保燃料在鍋爐內(nèi)的駐留時間更長。其它的要求是精細(xì)的燃料等級、仔細(xì)的進(jìn)氣、和優(yōu)化的鍋爐耐火蓋板。
下射(downshot)，或‘W’火焰，鍋爐技術(shù)最廣泛地用于燃燒低揮發(fā)性煤。這些鍋爐類型特別適合用于無煙煤，這種煤包含不到10％的揮發(fā)性物質(zhì)(干燥，無灰)。不過，下射‘W’火焰鍋爐的幾何構(gòu)造不適宜于采用直流式超臨界蒸汽狀態(tài)，原因在于復(fù)雜的制造、安裝以及支撐具有優(yōu)選管道系統(tǒng)螺旋配置的該下射鍋爐配置通常在下射鍋爐的管道內(nèi)使用分支件。這就是使鍋爐內(nèi)的所有管道被支撐并有一股水流用于冷卻。
所有鍋爐內(nèi)的壓力損失起因于兩個主要來源靜壓和動壓損失。靜壓是由于一柱蒸汽和水的重量，因而依賴于相關(guān)的密度和高度。總靜壓降可以通過把高度和密度對回路高度積分得到。熱量輸入越大，產(chǎn)生的蒸汽越多，并且該較低密度產(chǎn)生一個較低的靜壓力。不過，一個較高的熱量輸入需要足夠的冷卻。
動壓損失來源于液體和管壁之間的摩擦，該摩擦是從湍流中和通過加速流量產(chǎn)生的。這些損失是特定體積，管道幾何結(jié)構(gòu)和質(zhì)量流量的函數(shù)。熱輸入越大，產(chǎn)生的蒸汽越多，且動壓損失越大。
在合適的位置具有恰當(dāng)?shù)膲毫p失對利用垂直管道的一個低質(zhì)量流量鍋爐設(shè)計的成功至關(guān)重要。
高質(zhì)量流量速率導(dǎo)致高動態(tài)損失。低質(zhì)量流量速率的回路設(shè)計由靜壓降來控制。當(dāng)施加額外的熱量時，總壓降減少。受影響管道內(nèi)的流量必須增加以配合總回路壓降(因而，一個正的流量特征)。隨著水質(zhì)量流量速率的減少，正的(positive)流量響應(yīng)連續(xù)加強(qiáng)。不過，該較低的質(zhì)量流量可能降低管壁的冷卻。因此，存在一個最佳質(zhì)量流量速率。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于加熱水的下射鍋爐包括一個第一燃燒室；至少有一條管道用于傳輸水，該管道或每條管道至少部分地位于第一燃燒室；加熱第一燃燒室的加熱裝置，該加熱裝置包括一個下射燃燒器；其中鍋爐適于將水加熱到一種超臨界狀態(tài)。
優(yōu)選地，該管道或每條管道包括一個大體上為線性的部分。優(yōu)選地，該管道或每條管道包括一個大體上垂直的部分。
優(yōu)選地，該管道或每條管道的直徑小于51mm。優(yōu)選地，該管道或每條管道的直徑小于38mm。優(yōu)選地，該管道或每條管道的直徑大約為25mm。
優(yōu)選地，該管道或每條管道的內(nèi)孔大體上是平滑的。優(yōu)選地，該下射鍋爐包括大量管道。
優(yōu)選地，鍋爐包括大量支撐構(gòu)件。優(yōu)選地，一個或更多的支撐構(gòu)件配置在鍋爐的前壁。優(yōu)選地，一個或更多的支撐構(gòu)件配置在鍋爐的后壁。
優(yōu)選地，該管道或每條管道有一個單獨(dú)的入口和一個單獨(dú)的出口。
按照本發(fā)明的第二方面，提供了加熱水的一種方法，其包括在至少一條管道內(nèi)，把水傳送到配置在一個下射鍋爐內(nèi)的第一燃燒室；使用一個下射燃燒器加熱第一燃燒室，使得該管道或每條管道內(nèi)的水被加熱到一種超臨界狀態(tài)。


現(xiàn)在參照附圖，僅通過示例對本發(fā)明的一個實施例進(jìn)行描述，其中圖1是具有(a)一個垂直管道和(b)一個螺旋管道配置的超臨界鍋爐的一個正視圖；圖2是(a)一個垂直管道鍋爐，(b)一個螺旋管道鍋爐和(c)一個如本發(fā)明鍋爐的簡圖；圖3是一個典型鍋爐質(zhì)量流量響應(yīng)的曲線圖；并且圖4是如本發(fā)明的鍋爐的正視圖。
具體實施例方式
圖1(a)和(b)分別表示一個垂直管道和一個螺旋管道超臨界鍋爐，并且這些鍋爐的流程圖分別表示于圖2(a)和(b)。鍋爐100、102各有一個較低部分110，或第一燃燒室，和一個較高部分112。
鍋爐100、102在較高部分112各有若干垂直定向的管道120，但在鍋爐102的較低部分，螺旋鍋爐109具有管道122的螺旋形配置。
在兩個鍋爐100、102中，通常管道的外徑在20mm到40mm的范圍內(nèi)，且必須利用每根管道足夠高的質(zhì)量流量以確保充分的冷卻。為了確保鍋爐內(nèi)蒸汽/水混合物的熱交換有一個充分的駐留時間，垂直管道鍋爐的管道120配置于較低部分110中的多路通道內(nèi)，而在螺旋管道鍋爐102中，這是用管道122的螺旋配置實現(xiàn)的。
圖3表示管道流量響應(yīng)率對應(yīng)于質(zhì)量流量速率繪制的通常關(guān)系。該圖示出較高質(zhì)量流量速率導(dǎo)致負(fù)的流量響應(yīng)。在比其它管道更高的溫度下，這增加了某些已經(jīng)降低冷卻、并在高于其它管道溫度下運(yùn)行的管道的風(fēng)險，同時管道故障的風(fēng)險增大。
圖2(c)表示一個理想的流程圖，其中，流量響應(yīng)容許在較低部分110內(nèi)有一個無需復(fù)雜管道配置的單獨(dú)通道，并且具有充分的管道冷卻。
圖4表示一個如本發(fā)明的鍋爐。通常，該鍋爐被用來產(chǎn)生用于專用渦輪交流發(fā)電機(jī)組的蒸汽。若干支撐構(gòu)件40提供對鍋爐的結(jié)構(gòu)支撐。
本鍋爐是一個下射鍋爐，并有一個限定第一燃燒室的較低部分10和一個較高部分12。加熱裝置是以若干下射燃燒器22的形式設(shè)置，下射燃燒室22安裝在鍋爐的拱形件14上，以將熱量應(yīng)用到較低部分10。在一個下射鍋爐中，來自燃燒器22的已燃燒的燃料被導(dǎo)引到鍋爐的底部。隨后，鍋爐的輪廓使得已燃燒的燃料向上傳輸，結(jié)果形成一種‘W’形火焰。下射鍋爐廣泛用于燃燒低揮發(fā)性煤，原因是它們在鍋爐內(nèi)為燃料提供更長的停留時間。
采用的燃料是煤，它首先被干燥并磨碎形成一種粉碎的燃料。它利用一種加熱的空氣流穿過管道20傳輸?shù)较律淙紵?2。燃料被吹進(jìn)鍋爐的較低部分10以進(jìn)行燃燒。
所釋放的熱量被吸收于鍋爐壁14，它被承載超臨界水和蒸汽流體的管道配置(未示出)冷卻。這些管道配備于鍋爐壁內(nèi)，并且在方向上大體垂直。管道內(nèi)孔刻出螺旋形凹線或加肋。被吸收的熱量加熱管道內(nèi)的水和蒸汽超臨界液體。
管道的配置使得管道內(nèi)彎曲的數(shù)量最少。這部分地是利用垂直配置實現(xiàn)的。該管道配置導(dǎo)致適當(dāng)部位的合適的壓力損失，這對采用低質(zhì)量流量的鍋爐是重要的。
管道的外徑通常在25mm到40mm的范圍內(nèi)，這顯著地小于傳統(tǒng)的自然循環(huán)式鍋爐。這減少了負(fù)荷能力，但有助于采用一個較低的質(zhì)量流量速率。通常地，當(dāng)在一個比一般管道吸收更多熱量的管道的載荷降低期間減少質(zhì)量流量，剩余流量將不太能提供可接受的冷卻。不過，當(dāng)采用一個更小直徑的管道時，載荷減小的影響并不太大。
已發(fā)現(xiàn)，更小直徑的管道，刻出螺旋形凹線或加肋的內(nèi)部管道孔，管道彎曲減少的數(shù)量，和管道垂直配置的結(jié)合都容許采用一個低質(zhì)量流量。該低質(zhì)量流量促進(jìn)自然式循環(huán)，改善冷卻，并且降低管道故障的風(fēng)險。
一個較低質(zhì)量流量可能降低管壁的冷卻，因此存在一個最佳質(zhì)量流量速率。這個最佳狀態(tài)得自于一種特定應(yīng)用的相應(yīng)管道壁金屬溫度的計算。已發(fā)現(xiàn)如本發(fā)明的一個鍋爐設(shè)計可以容易地提供該最佳狀態(tài)。
如本發(fā)明的鍋爐的其它優(yōu)點(diǎn)包括鍋爐壓力損失最小，且所需的泵功率減少。
鍋爐加熱超臨界水和蒸汽流體。在被傳送到渦輪之前，超臨界水和蒸汽流體然后利用一個主過熱器33，一個屏式過熱器30，和一個最后的過熱器32在鍋爐的較高部分12內(nèi)被進(jìn)一步過加熱。
隨著高功率渦輪機(jī)殼體內(nèi)蒸汽的膨脹，在中等功率和低功率渦輪機(jī)殼體內(nèi)的最后膨脹之前，蒸汽返回到鍋爐中以便用再熱器34重新加熱。冷凝物抽回到鍋爐內(nèi)重復(fù)利用。
燃燒產(chǎn)物利用接受供應(yīng)給到鍋爐的水的節(jié)約器36來冷卻。然后氣體用若干下游工序來凈化，以除去顆?；虿恍枰臍怏w，如一氧化硫或一氧化氮。
在不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，可以做出多種修改和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于加熱水的下射鍋爐，其包括第一燃燒室；至少一條用于傳輸水的管道，該條管道或每條管道至少部分地位于第一燃燒室；并且加熱第一燃燒室的加熱裝置，該加熱裝置包括一個下射燃燒器；其中，該鍋爐適于將水加熱到超臨界狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的下射鍋爐，其中，該條管道或每條管道包括一個大體上為直線的部分。
3.如權(quán)利要求1或2所述的下射鍋爐，其中，該條管道或每條管道包括一個大體上垂直的部分。
4.如前述權(quán)利要求任一項所述的下射鍋爐，其中，該條管道或每條管道的直徑小于38mm。
5.如前述權(quán)利要求任一項所述的下射鍋爐，其中，該條管道或每條管道的直徑大約為25mm。
6.如前述權(quán)利要求任一項所述的下射鍋爐，其中，該條管道或每條管道的內(nèi)孔大體上刻有螺旋形凹線。
7.如前述權(quán)利要求任一項所述的下射鍋爐，其中，該鍋爐包括多個支撐構(gòu)件。
8.如前述權(quán)利要求任一項所述的下射鍋爐，其中，該管道或每條管道具有一單個的入口和一單個的出口。
9.一種加熱水的方法，其包括在至少一條管道內(nèi)將水傳輸?shù)皆O(shè)置在下射鍋爐內(nèi)的第一燃燒室；并且利用一下射燃燒器加熱第一燃燒室，使得該管道或每條管道內(nèi)的水被加熱到超臨界狀態(tài)。
全文摘要
一種用于加熱水的下射鍋爐，其包括一個第一燃燒室；至少一條用于傳輸水的管道，這條或每條管道至少部分地位于第一燃燒室；和加熱該第一燃燒室的加熱裝置，該加熱裝置包括一個下射燃燒器；其中，鍋爐適于將水加熱到一種超臨界狀態(tài)。
文檔編號F24H1/00GK1831426SQ20051008356
公開日2006年9月13日 申請日期2005年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者M·厄普頓 申請人:三井巴布科克能源公司