專利名稱：運(yùn)行連續(xù)式蒸汽發(fā)生器的方法以及按此方法工作的連續(xù)式蒸汽發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種運(yùn)行連續(xù)式蒸汽發(fā)生器的方法，這種蒸汽發(fā)生器有一個(gè)煙道，此煙道由基本上垂直排列互相氣密地焊接的管構(gòu)成，管中平行流過一種流動(dòng)介質(zhì)，通過在管的內(nèi)側(cè)所設(shè)的表面結(jié)構(gòu)使流動(dòng)介質(zhì)充分混合。本發(fā)明還涉及一種按這種方法工作的連續(xù)式蒸汽發(fā)生器。
其燃燒室壁由垂直排列的管構(gòu)成的蒸汽發(fā)生器，與具有螺旋形管系的蒸汽發(fā)生器相比制造成本較低。當(dāng)然，不可避免的向各管供熱方面的差別，會(huì)導(dǎo)致相鄰管之間，尤其在蒸汽發(fā)生器的出口，產(chǎn)生溫度差。這種溫度差因造成不可允許的熱應(yīng)力而可能成為故障的起因。通過強(qiáng)烈地減少摩擦造成的壓力損失可以避免產(chǎn)生溫度差。而減少這種壓力損失本身可通過相應(yīng)地降低流速來達(dá)到，亦即減少管中的質(zhì)量流量密度。為了在較低的質(zhì)量流量密度時(shí)也能有良好的熱傳導(dǎo)，由例如歐洲專利申請(qǐng)0503116已知，采用了一種管，該管在其內(nèi)側(cè)具有形成多頭螺紋的筋。
此外，由德國公開文獻(xiàn)2032891還已知交叉拔制管，在它們的內(nèi)側(cè)，為了形成一種表面結(jié)構(gòu)，在第一筋上重疊了一個(gè)反向的第二筋。在帶有內(nèi)部裝設(shè)了筋片的蒸發(fā)管的蒸汽發(fā)生器燃燒室壁的管系中，在軸向流動(dòng)上還疊加有渦流，這種渦流導(dǎo)致流動(dòng)介質(zhì)或吸熱介質(zhì)與管子內(nèi)壁亦即加熱面上的水膜分相。因此非常良好的沸騰熱傳導(dǎo)，幾乎可以一直維持到水的完全蒸發(fā)。然而在壓力從200巴到221巴的范圍內(nèi)，在強(qiáng)烈加熱的情況下，單獨(dú)通過一種有渦流的流動(dòng)，并不總是能避免出現(xiàn)不可允許的高壁溫。在大約210巴的臨界壓力附近(在這一壓力下，液相和氣相之間只有一個(gè)很小的密度差)，與處于200巴以下的壓力區(qū)相比，加熱面的潤濕更加難以得到保證。造成這一情況的原因是，在管壁和吸熱介質(zhì)的液相之間形成的蒸汽膜阻止熱傳導(dǎo)(膜態(tài)沸騰)。在這一蒸汽膜形成區(qū)內(nèi)，管壁的溫度劇烈上升。正如論文“Benson蒸汽發(fā)生器的蒸發(fā)技術(shù)方案”中所介紹的(作者J.Franke，W.Koehler和E.Wittchow，發(fā)表在VGB發(fā)電廠技術(shù)73(1993)，第4冊(cè)，352至360頁)，在壓力約210巴以上已經(jīng)有小量的壁的過熱，并足以從具有濕潤加熱面的沸騰狀態(tài)轉(zhuǎn)為具有非濕潤加熱面的膜態(tài)沸騰。在上述壓力范圍內(nèi)當(dāng)發(fā)生微量過熱時(shí)，在過熱的邊界層中還會(huì)形成蒸汽泡，它們會(huì)聯(lián)合成大汽泡，并因而防礙熱傳導(dǎo)(均勻的籽晶形成)。
所介紹的熱傳導(dǎo)機(jī)理在這里帶來的結(jié)果是，在上述蒸汽發(fā)生器的以壓力約為200巴和高于200巴工作的那些管中，它們的質(zhì)量流量密度并因而摩擦壓力損失，必須選擇得比在蒸汽發(fā)生器中以壓力低于200巴工作時(shí)更高。因此，尤其在管子內(nèi)徑較小的情況下，當(dāng)個(gè)別管多加熱時(shí)它的流量也增加的優(yōu)點(diǎn)便失去了。然而，這種超過200巴的高蒸汽壓力是需要的，以便獲得高的熱效率并因而減少二氧化碳的排放，所以有必要即使在這一壓力范圍內(nèi)也能保證良好熱傳導(dǎo)。因此，具有垂直管系的燃燒室壁的蒸汽發(fā)生器，通常在管內(nèi)以比較高的質(zhì)量流量密度進(jìn)行工作，以便在約200至221巴的臨界壓力區(qū)內(nèi)，也能始終具有從管壁向吸熱介質(zhì)，亦即水/水蒸氣混合物的足夠高的熱傳導(dǎo)。誠然，這種情況只能導(dǎo)致在不同加熱的管的出口的一種不能令人滿意的溫度平衡。
因此，本發(fā)明的目的是提出一種運(yùn)行連續(xù)式蒸汽發(fā)生器的方法，采用這種方法在相鄰蒸汽發(fā)生器管的出口可以達(dá)到只有很小的溫度差。這一結(jié)果應(yīng)在這樣一種連續(xù)式蒸汽發(fā)生器中取得，即，在這種連續(xù)式蒸汽發(fā)生器的汽化管中，即使在約210巴的臨界壓力附近，也能保證從管壁或加熱面向吸熱介質(zhì)有非常良好的熱傳導(dǎo)。
有關(guān)于這一方法，本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即在管內(nèi)的質(zhì)量流量密度 (針對(duì)于全負(fù)荷工作，亦即100％蒸汽功率)根據(jù)管子內(nèi)徑d調(diào)整，其中，由質(zhì)量流量密度 和管子內(nèi)徑d這一對(duì)數(shù)值所確定的一個(gè)工作點(diǎn)，處于一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中的曲線B與橫坐標(biāo)之間，其中，相應(yīng)于下列數(shù)值對(duì)的工作點(diǎn)在曲線B上d1＝10毫米， d2＝25毫米， 以及d3＝40毫米， 本發(fā)明以下述考慮為出發(fā)點(diǎn)，即，對(duì)于在曲線B與橫坐標(biāo)之間的工作點(diǎn)，尤其是即使在約200巴以上的臨界壓力區(qū)附近，渦流對(duì)于保證良好的熱傳導(dǎo)是不夠的。確切地說，還應(yīng)當(dāng)附加地引起流動(dòng)的充分混合。由此可以避免壁面過熱。此外，通過在流動(dòng)中的高紊流度，還可以防止在加熱面上或在過熱的邊界層中形成大量的汽泡，這些大量的汽泡可能匯集成一層汽膜，并因而惡化熱傳導(dǎo)。
所涉及的連續(xù)式蒸汽發(fā)生器，它有一個(gè)由互相氣密地焊接在一起的管構(gòu)成的煙道，礦物燃料的燒嘴設(shè)在此煙道上，其中，基本上垂直排列的煙道的管，為了獲得高的流動(dòng)紊流度和/或?yàn)榱嗽诹鲃?dòng)介質(zhì)中形成縱向渦旋，在它們的內(nèi)側(cè)具有一種由兩個(gè)重疊的逆向筋構(gòu)成的表面結(jié)構(gòu)，為了流過流動(dòng)介質(zhì)，這些管是并聯(lián)的；以及，其中逆向的筋與管子軸線形成相同的夾角，這一目的按本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，即以筋為界的凸臺(tái)是錐角形的。在這種情況下，這種錐角形的結(jié)構(gòu)在溢流時(shí)導(dǎo)致非常有利的縱向渦旋形成。
另一種方案是，這樣一種連續(xù)式蒸汽發(fā)生器蒸發(fā)管的第一筋與管子軸線形成一個(gè)銳角，而第二筋的走向則平行于管子軸線，此時(shí)，由第一或螺旋形筋與管壁形成的坡口角，在入流側(cè)比在流出側(cè)的平緩。
按照此第二種方案的蒸發(fā)管，具有采用較簡單的加工技術(shù)方法獲得的螺旋形內(nèi)筋和將它們切斷的縱向槽。通過縱向槽形成了陡峭邊，它們有利于產(chǎn)生渦旋，其中，通過不同的坡口角，特別有利于促使生成縱向渦旋。
內(nèi)壁上以筋為邊界的凸臺(tái)，最好至少高0.7毫米。
蒸發(fā)管內(nèi)側(cè)上的表面結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)，可以使相應(yīng)于由質(zhì)量流量度 和管子內(nèi)徑d的數(shù)值對(duì)的工作點(diǎn)，在曲線B和橫坐標(biāo)之間的不同區(qū)域內(nèi)調(diào)整。
下面借助于附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中

圖1為具有垂直管系燃燒室壁的一種蒸汽發(fā)生器的簡圖；圖2為通過垂直煙道的水平剖面局部；圖3為通過一小段有反向內(nèi)筋的蒸發(fā)管縱剖面；圖4為帶一個(gè)凸臺(tái)的圖3局部N的放大示圖5為具有反向內(nèi)筋的蒸汽發(fā)生器管另一種實(shí)施例；圖6為帶錐角形凸臺(tái)的圖5局部V1的放大示圖；圖7為具有反向內(nèi)筋的蒸汽發(fā)生器管另一種實(shí)施例；圖8為帶凸臺(tái)的圖7剖面A-A的放大示圖；圖9為帶曲線A與B的坐標(biāo)系統(tǒng)。
在圖1中示意表示了一種連續(xù)式蒸汽發(fā)生器2，它具有矩形橫截面，它的垂直煙道由外壁4構(gòu)成，外壁4在下端轉(zhuǎn)變成漏斗形底6。
在煙道下部區(qū)V內(nèi)，在由按圖3、5或7所示蒸汽發(fā)生器管10構(gòu)成的外壁或燃燒室壁4中，設(shè)有一些礦物燃料的燒嘴，它們各在一個(gè)孔8中，圖中只能看見其中2個(gè)。蒸汽發(fā)生器管10在此區(qū)域V內(nèi)垂直延伸地排列，在這一區(qū)域V內(nèi)它們相對(duì)于一個(gè)汽化加熱面12氣密地互相焊接起來(圖2)。這些互相氣密地焊接起來的管10，例如以一種管-接片-管的結(jié)構(gòu)或以一種鰭狀管的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成氣密的燃燒室壁4。
在煙道的這一區(qū)域V的上部有對(duì)流加熱面14、16和18。在它們的上面設(shè)有煙氣出口通道20，由于燃燒一種礦物燃料產(chǎn)生的煙氣RG，通過此通道20離開垂直煙道。煙氣RG用作在蒸汽發(fā)生器管10內(nèi)流動(dòng)的水或水/蒸汽混合物的加熱介質(zhì)。
蒸汽發(fā)生器管10的內(nèi)側(cè)具有一種表面結(jié)構(gòu)。在按圖3的蒸汽發(fā)生器管10的內(nèi)側(cè)，沿箭頭22的方向設(shè)第一筋，它與沿箭頭24方向的反向第二筋重疊。通過這些彼此反向的筋22和24，在內(nèi)側(cè)形成了一種有規(guī)則的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有在菱形底面上的凸臺(tái)26和凹槽28，筋22和24與管的軸線M形成同樣大小的銳角a或b。在圖4中放大表示了這種有菱形底面30的凸臺(tái)和削平的上面32。
在按圖5的實(shí)施例中，重疊的筋22′、24′與管子軸線M也構(gòu)成同樣大小的銳角a′或b′。凹槽28′是楔形的，所以凸臺(tái)26′如圖6放大的局部V1可見是錐角形的。因此，無論在入流側(cè)還是在流出側(cè)，都形成傾斜面33或34。如用箭頭36′和38′所表示的那樣，在一定的角度下，在溢流時(shí)溢流面33、34傾向于在尾流中形成縱向渦旋。這導(dǎo)致緊挨著內(nèi)壁延伸的邊界層與流過蒸汽發(fā)生器管10的水/水蒸汽混合物的核心流或主流充分混合。
在圖7所示的實(shí)施例中，蒸汽發(fā)生器管10除螺旋形內(nèi)筋22″之外，還制有作為凹槽28″的縱向槽。第一筋22″與管子軸線M仍形成一個(gè)銳角a″，而第二筋24″則平行于管子軸線M延伸。通過縱向槽或凹槽28″形成有利于產(chǎn)生渦流的陡峭邊40。
如圖8放大剖面A-A所示，螺旋形筋22″的凸臺(tái)26″與管子內(nèi)壁42之間，在入流側(cè)構(gòu)成坡口角C，在流出側(cè)構(gòu)成坡口角f。其中，在入流側(cè)的坡口角C，小于或等于在流出側(cè)的坡口角f。這再度有利于在流出側(cè)形成縱向旋渦，如通過箭頭36″、38″所表示的那樣。
通過在燃燒室壁4的燒嘴中燃燒礦物燃料產(chǎn)生的熱量，被在管10中流過的水或水/蒸汽混合(流動(dòng)介質(zhì)或吸熱介質(zhì))所吸收，并在這種情況下使之汽化。其中，凸臺(tái)26、26′、26″向管10內(nèi)至少伸入H＝0.7毫米，以便使流動(dòng)介質(zhì)中水的部分和蒸汽的部分充分混合和/或形成渦旋，并因而在管10內(nèi)部獲得高度的紊流。所以，管10將它從煙氣RG中吸收的熱量特別充分地繼續(xù)傳給流動(dòng)介質(zhì)以及得到可靠冷卻。對(duì)于按圖7所示實(shí)施例中管10內(nèi)側(cè)的表面結(jié)構(gòu)，在造成的紊流中還要疊加渦流。
為保證在相鄰的被不同加熱的蒸汽發(fā)生器管的出口處只有微小的溫度差，按本發(fā)明；質(zhì)量流量密度 根據(jù)管子內(nèi)徑d來選擇。其中，質(zhì)量流量密度 是在全負(fù)荷運(yùn)行亦即100％蒸汽功率時(shí)，全部管10每單位面積和單位時(shí)間的平均流量(公斤/米2·秒)。
在圖9的坐標(biāo)系中，質(zhì)量流量密度 可表示為管子內(nèi)徑d的函數(shù)。曲線B上的三個(gè)點(diǎn)由下列數(shù)值對(duì)給定d1＝10毫米， d2＝25毫米， 以及d3＝40毫米， 在曲線B與表示管子內(nèi)徑d的橫坐標(biāo)之間的范圍內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)表示一個(gè)數(shù)值對(duì) 在這種情況下，個(gè)別被多加熱的管子10，通過此管10的物料流量或質(zhì)量流量增加，或只有如此少量的下降，以致能保持相鄰管為小的溫度差。也就是說，為了能對(duì)個(gè)別多加熱的管10進(jìn)行補(bǔ)償，有必要使被更多加熱的管內(nèi)的質(zhì)量流量與受平均加熱的管內(nèi)的質(zhì)量流量相比增大。對(duì)于這里所研究的由管10的垂直排列給出的平行管系統(tǒng)而言，在這種情況下應(yīng)滿足下列方程式 換句話說，這意味著，若人們保持質(zhì)量流量 為常數(shù)，在加熱量 增加時(shí)，所研究的這根管10的總壓力降ΔPges必須降低，ΔPges是在下部的入口收集器中的壓力與在上部的出口收集器中或中間收集器中的壓力之差。具有單位[公斤/秒]的 是流過管10的質(zhì)量流量。式中的項(xiàng)ΔPR是摩擦造成的壓降，ΔPG是由于大地測量學(xué)的高度變化帶來的壓降，以及ΔPB是流動(dòng)加速度造成的壓降，其中最后一項(xiàng)ΔPB與另外兩項(xiàng)ΔPR、ΔPG相比可忽略不計(jì)。為了能做到在受到更多加熱的管10中增加質(zhì)量流量，有必要在保持質(zhì)量流量 不變的情況下使與更多加熱相聯(lián)系的摩擦壓降ΔPR的增大，比由于多加熱引起的大地測量學(xué)的壓降ΔPG的降低要小。由于摩擦壓降ΔPR與管子內(nèi)徑d的倒數(shù)成比例，所以對(duì)于小的管子內(nèi)徑d，與具有大的管子內(nèi)徑d的管10相比，這一條件適用于在管10內(nèi)的質(zhì)量流量密度 的一個(gè)較小的范圍。圖9中的虛線A表示了這種關(guān)系。
若管10內(nèi)的質(zhì)量流量密度 處于圖9所示的曲線A之下，一方面與在平均加熱的管10中的質(zhì)量流量相比，在受更多加熱的管10內(nèi)的質(zhì)量流量增加。另一方面，為了可靠地冷卻管10，在管10中必須有一個(gè)最小質(zhì)量流量。因此，若在管10中的質(zhì)量流量選為其全負(fù)荷工作點(diǎn)調(diào)到曲線A之上，則在受更多加熱的管10中的質(zhì)量流量，與平均加熱的管10中的質(zhì)量流量相比降低了。若這種降低比較小，那么相鄰管的溫度差也小。當(dāng)由于管10受更多加熱引起的質(zhì)量流量百分比的改變，只是管10多加熱的百分?jǐn)?shù)的一小部分時(shí)，便是這種情況。圖9中的曲線B再次反映了按此觀點(diǎn)可能的質(zhì)量流量密度 的變化曲線。
若工作點(diǎn)選在曲線A下方，亦即在曲線A與橫坐標(biāo)之間，則多加熱管10的質(zhì)量流量肯定增加。若工作點(diǎn)在曲線B的下面，亦即在曲線B與橫坐標(biāo)之間，則多加熱管10中的質(zhì)量流量的降低不超過多加熱的百分?jǐn)?shù)的20％。例如，一根管多加熱若為10％，那么在這根管中的質(zhì)量流量與平均加熱管10的質(zhì)量流量相比降低2％以下。
由于所使用的管10有非常良好的傳熱特性，所以沒有必要將質(zhì)量流量密度 提高到超過 因此，從管子內(nèi)徑d＝25毫米起再增加時(shí)，曲線B的走向成為水平的。所以，在管10中的質(zhì)量流度 應(yīng)相宜在給定管子內(nèi)徑d時(shí)選在所屬的位于曲線B上的最大值下方。這樣做可以避免因個(gè)別管10加熱故障帶來的缺點(diǎn)。
通過采用其內(nèi)側(cè)具有按圖3、5或7所示實(shí)施例的表面結(jié)構(gòu)的管10，可以以有利的方式達(dá)到上述從管子內(nèi)徑d＝25毫米起質(zhì)量流量密度的極限 由于這種表面結(jié)構(gòu)在流動(dòng)中引起了高的紊流度，所以與光滑管中的情況相比，顯著改善了熱傳導(dǎo)。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)行具有煙道(4)的連續(xù)式蒸汽發(fā)生器的方法，此煙道(4)由基本上垂直排列的、互相氣密地焊接的、有流動(dòng)介質(zhì)平行流過的管(10)構(gòu)成，通過在管(10)的內(nèi)側(cè)所設(shè)的表面結(jié)構(gòu)造成流動(dòng)介質(zhì)的充分混合，其特征在于管(10)中的質(zhì)量流量密度 根據(jù)管子內(nèi)徑d調(diào)整，其中，通過質(zhì)量流量密度 和管子內(nèi)徑d的數(shù)值對(duì)確定的一個(gè)工作點(diǎn)，在一個(gè)坐標(biāo)系中位于曲線B與橫坐標(biāo)之間，以及，其中相應(yīng)于下列數(shù)值對(duì)的工作點(diǎn)在曲線B上d1＝10毫米， d2＝25毫米， 以及d3＝40毫米，
2.實(shí)施按權(quán)利要求1所述方法的連續(xù)式蒸汽發(fā)生器，它有一個(gè)由互相氣密焊接的管(10)構(gòu)成的直立式煙道(4)，礦物燃料的燒嘴設(shè)在此煙道(4)上，其中，煙道(4)的管(10)基本上垂直排列，為了獲得高的流動(dòng)紊流度和/或在流動(dòng)介質(zhì)中形成縱向渦旋，在管(10)內(nèi)側(cè)具有一種通過逆向重疊的筋(22、24)構(gòu)成的表面結(jié)構(gòu)，以及，為了流過流動(dòng)介質(zhì)，管(10)是并聯(lián)的；其中，逆向的筋(22、22′、24、24′)與管子軸線(M)形成相同的夾角(a、b、a′、b′)，其特征在于以筋(22′、24′)為邊界的凸臺(tái)(26′)是錐角形的。
3.實(shí)施按權(quán)利要求1所述方法的連續(xù)式蒸汽發(fā)生器，它有一個(gè)由互相氣密焊接的管(10)構(gòu)成的直立式煙道(4)，礦物燃料的燒嘴設(shè)在此煙道(4)上，其中，煙道(4)的管(10)基本上垂直排列，為了獲得高的流動(dòng)紊流度和/或在流動(dòng)介質(zhì)中形成縱向渦旋，在管(10)內(nèi)側(cè)具有一種通過逆向重疊的筋(22、24)構(gòu)成的表面結(jié)構(gòu)，以及為了流過流動(dòng)介質(zhì)，管(10)是并聯(lián)的；以及，其中第一筋(22″)與管子軸線(M)形成一個(gè)銳角(a″)，而反向的第二筋(24″)的走向平行于管子軸線(M)，其特征在于由第一筋(22″)與管壁(42)構(gòu)成的坡口角(c、f)，在入流側(cè)(36″)比在流出側(cè)(38″)的平緩。
4.按照權(quán)利要求2或3所述的蒸汽發(fā)生器，其特征在于管壁(42)上以筋(22、22′、22″、24、24′、24″)為邊界的凸臺(tái)(26、26′、26″)高度至少為H＝0.7毫米。
全文摘要
為了在一種具有垂直排列的燃燒室(4)管的蒸汽發(fā)生器(2)中，避免因個(gè)別管(10)加熱故障帶來的缺點(diǎn)，建議，在管(10)中的質(zhì)量流量密度m調(diào)整為在預(yù)定的最大值(曲線B)下方，此最大值取決于所使用的管子內(nèi)徑d。為了在這種情況下也能避免在臨界壓力約200至221巴附近產(chǎn)生不可允許的管壁高溫，還建議，在每根管(10)的內(nèi)側(cè)設(shè)有一種表面結(jié)構(gòu)，從而在流動(dòng)介質(zhì)中形成一種高的紊流度和/或縱向渦旋。由此，流動(dòng)介質(zhì)的各個(gè)組分得到充分混合，并因而獲得良好的熱傳導(dǎo)。
文檔編號(hào)F22B37/12GK1132548SQ9419359
公開日1996年10月2日 申請(qǐng)日期1994年9月19日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月30日
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