用於寬範圍的運行溫度的直通式豎向蒸發器的製作方法

2023-09-17 03:29:45

專利名稱：用於寬範圍的運行溫度的直通式豎向蒸發器的製作方法
技術領域：
本公開大體涉及直通式蒸發器，並且更具體而言，涉及最大程度地降低流不穩定性以在寬範圍的運行狀況下有改進的可靠性和性能的直通式蒸發器。
背景技術：
一般來說，在發生系統(諸如例如蒸汽發生系統)中可採用直通式蒸發器技術，並且直通式蒸發器技術包括多個熱交換區段或級。典型地，存在兩個熱交換級。在第一蒸發器級或主蒸發器級中，流體(諸如例如給水)部分地蒸發而產生蒸汽/水混合物。在第二蒸發器級或次蒸發器級中，流體進一步蒸發至乾燥，並且蒸汽被過度加熱。如圖I中顯示的那樣，傳統的直通式蒸發器10包括熱交換級，例如，各自分別包括成並行陣列的熱傳遞管22和32的主蒸發器級20和次蒸發器級30。管22和32的內部部分內的質量流率由浮力(例如由對管中的流體的熱傳遞引起的密度差)控制，使得質量流 率與對管陣列22和32內的各個單獨的管的熱輸入成比例。一種類型的蒸發器使用布置成順序陣列的單獨管束的豎向管。各個管束(例如圖I的束32A)(也稱為豎管(harp))具有橫向於熱氣流40(例如煙道氣)的一排或多排管。單獨的豎管32A布置在氣體流的方向上，使得下遊豎管(例如豎管32B)比上遊豎管32A從溫度更低的氣體中吸收熱。照這樣，在氣體流的方向上的各個豎管吸收的熱比上遊豎管所吸收的熱更少。如圖I中顯示的那樣，主蒸發器級20 (例如管陣列22)在入口歧管24處接收流體12 (例如給水)，並且將水/蒸汽混合物14 (例如兩相流)從主蒸發器級22的出口歧管26分配到次蒸發器級30 (例如管陣列32)中，在次蒸發器級30中進行乾燥和過熱。次蒸發器級30包括多個入口 34，在次級30的各個豎管束處有一個或多個入口。因而，兩相流14傳送通過次級30的各個分支，例如，豎管32A和32B，以及設置在它們之間的豎管。運行經驗顯示，在主蒸發器級20中可出現流不穩定性，這可導致次蒸發器級30的管32內有波動的溫度。波動的溫度可導致管內有波動的熱應力，並且可引起各種管故障，諸如例如管破裂。已知有技術最大程度地降低主蒸發器級中的流不穩定性。例如，已知通過增加跨過管陣列22內的單獨的豎管的壓降，可克服通常由浮力控制的流率。所採用的技術包括在各排管22的入口中安裝孔口，或者減小入口或管本身的內徑。計算顯示，主蒸發器中的各排管的阻力的不同的分布會在一定範圍的運行狀況下保持穩定性。但是，這會限制給定的主蒸發器構造的穩定運行範圍。例如，設計成在滿負荷運行下提供穩定性的一組孔口在部分負荷運行中可能無效。因而，在部分負荷下運行期間可發生不穩定性。此外，可限制蒸發器在低負荷下的運行的另外的問題在於，在低質量流率下，將兩相流14從主蒸發器級20的出口歧管26傳送到次蒸發器級30中的下導管(例如圖I的管道28)中的速度可變得太低，以至於無法向下帶走蒸汽泡以及將蒸汽泡帶離出口歧管26。因此，或者在下導管(管道28)的頂部部分中以及/或者在主蒸發器出口歧管26處或者在兩者處可能有蒸汽聚集。蒸汽聚集可弓I起額外的流不穩定性。因此，需要開發用於減輕流不穩定性和波動熱應力，由此可最大程度地減少管故障的系統和方法。

發明內容
根據本文示出的各方面，提供一種用於蒸汽發生的蒸發器。該蒸發器包括多個主蒸發器級和次蒸發器級。多個主蒸發器級中的各個包括一個或多個主熱傳遞管陣列、聯接到一個或多個主管陣列上的出口歧管，以及聯接到出口歧管上的下導管。各個主管陣列具有用於接收流體的入口，並且布置成橫向於通過蒸發器的氣體流。該氣體流加熱流過主管陣列的流體，以形成兩相流。出口歧管接收來自主管陣列的兩相流。下導管將來自出口歧管的兩相流作為主級流的分量來進行分配。多個主蒸發器級中的一個或多個用兩相流的相應的分量選擇性地形成主級流，並且將主級流提供給次蒸發器級。次蒸發器級包括一個或多個次熱傳遞管陣列。各個次管陣列聯接到入口上，並且布置成橫向於通過蒸發器的氣體流。在一個實施例中，各個次管陣列的入口由用於所有次管陣列的共同的入口構成，使得跨過所有次管陣列並行地接收主級流。在另一個實施例中，各個次管陣列的入口由用 於各個次管陣列的單獨的入口構成。單獨的入口聯接到多個主蒸發器級中的相應的一個的下導管上，使得單獨的入口從下導管接收主級流的分量。在又一個實施例中，蒸發器進一步包括聯接到各個主管陣列的入口上的至少一個閥。選擇性地控制閥，以關閉選擇的主管陣列。例如，閥調整主管陣列中的一個或多個之間的壓降和質量流率中的至少一個，以最大程度地減少主蒸發器級中的蒸汽聚集。


現在參照附圖，附圖是示例性實施例，並且其中，以類似的方式對類似元件編號 圖I是傳統的兩級直通式蒸發器的簡化框 圖2是根據一個實施例來構造和運行的直通式蒸發器的簡化框 圖3是根據另一個實施例來構造和運行的直通式蒸發器的簡化框圖；以及 圖4是根據另一個實施例來構造和運行的直通式蒸發器的簡化框圖。
具體實施例方式本文公開用於控制和優化蒸發器(諸如例如在例如發生裝置中採用的直通式蒸發器)內的壓力、質量流率和溫差中的至少一個的系統和方法。控制和優化系統選擇性地調節蒸發器流的管內的壓力、質量流量和/或溫度，以消除和/或基本最大程度地降低不穩定性和波動的熱應力，以改進和/或延長例如管的使用壽命。在圖2中示出的一個實施例中，直通式蒸發器100包括兩個熱交換級，S卩，主蒸發器級Iio和次蒸發器級150。各個級包括多個並行的熱傳遞管陣列，大體在120和160處顯示。各個陣列120和160包括一個或多個豎管。例如，主蒸發器級110包括具有豎管122、124、126、128、130、132、134、136和138的陣列120。次蒸發器級150包括具有豎管162、164、166和168的陣列160。各個豎管包括橫向於通過蒸發器100的氣體流180 (例如熱氣、煙道氣等)的一排或多排管。例如，豎管122包括一個或多個下部管122a、一個或多個下部集管122b、一個或多個中間管122c、一個或多個上部集管122d以及一個或多個上部管122e，它們處於流體連通，並且從下部管122a沿豎向向上一直延伸到上部管122e。在一個實施例中，各個豎管 124、126、128、130、132、134、136、138、162、164、166 和 168 類似於豎管 122 而構造。應當理解，為了清楚以及不作為對本公開的限制，圖2-4示出了各個豎管陣列120、160、210、250、310和320包括一個下部管、一個下部集管、一個中間管、一個上部集管和一
個上部管。在蒸發器100中，主蒸發器級110接收流體112 (例如給水)。流體112在主蒸發器級110中至少部分地蒸發，並且作為兩相流139 (例如水/蒸汽混合物)通過管道137 (例如下導管)從主蒸發器級110的出口歧管135分配到次蒸發器級150中。在次蒸發器級150中，流139進行乾燥和過熱。如上面參照圖I所描述的那樣，蒸發器的管的內部部分內的質量流率典型地由浮力(例如，對管中的流體的熱傳遞所引起的密度差)控制。在圖2中，使用一個或多個閥140來對主蒸發器級110中的管陣列120中的一個或多個提供可變壓降。例如，閥 122f、124f、126f、128f、130f、132f、134f、136f 和 138f 分別聯接到豎管 122、124、126、128、130、132、134、136和138的下部管上。選擇性地控制閥140，以單獨地、共同地 或以它們的組合的方式調整主蒸發器級110中的管陣列120內的壓力和/或質量流量中的至少一個。例如，在低流率下，閥140受控制而完全停止主蒸發器級110的陣列120中的一個或多個中的液體流(例如給水)。流在選擇性的陣列120 (例如豎管122、124、126、128、130、132、134、136和138中的一個或多個)中停止會容許(例如)通過陣列120中的其餘陣列的流增加。這種平衡通過主蒸發器級110的液體流的能力防止或至少基本最大程度地減少主蒸發器級110中的汽化(steaming)或離開液體的品質太高。在一個實施例中，在主蒸發器110的後部部分(例如後部是遠離氣體流180的方向的方向)處的豎管(例如，在豎管138處開始，前進到豎管136，接下來到豎管134，然後到豎管132等)接收溫度較低的氣體流180。可在沒有流體的情況下選擇性地運行後部部分處的豎管中的一個或多個。另夕卜，選擇性地控制閥142，以調整和平衡進入到次蒸發器級150的豎管162、164、166和168中的流(例如兩相流139的部分)，以保持較均勻的離開品質和/或溫度，以控制管-管溫差。此外，應當理解，主蒸發器級110 的閥 122f、124f、126f、128f、130f、132f、134f、136f和138f和/或次蒸發器級150的閥142可選擇性地控制進入到各個豎管中的流率，使得離開一個或多個豎管(例如通過上部管，諸如豎管122的上部管122e)的流被加熱到需要的或預先確定的溫度值或品質值。這樣選擇地控制通過豎管的流率的至少一個認識到的優點是消除或基本最大程度地減少流在所有運行狀況下的不穩定性。在圖3中示出的另一個實施例中，直通式蒸發器200包括多個主蒸發器級210 (例如，為了說明而顯示了三個級210A、210B和210C)，以及次蒸發器級250。多個主蒸發器級210接收流體112。流體112在主蒸發器級210中的一個或多個中至少部分地蒸發，並且作為兩相流239 (例如水和蒸汽的流)而從主蒸發器級210分配。例如，多個主蒸發器級210選擇性地協作，以將兩相流239提供給次蒸發器級250。如圖3中顯示的那樣，第一主蒸發器級210A從出口歧管235A通過第一管道或下導管237A提供流239的第一分量239A，第二主蒸發器級210B從出口歧管235B通過第二管道或下導管237B提供流239的第二分量239B,並且第三主蒸發器級210C從出口歧管235通過第三管道或下導管237C提供流239的第三分量239C。兩相流的分量239A、239B和239C中的一個或多個可組合起來形成來自多個主蒸發器級210的兩相流239，兩相流239被提供給用於次蒸發器級250的共同的入口234。應當理解，使用多個主蒸發器級210提供下者例如，在低負荷狀況(例如蒸發器200的滿負荷的大約百分之四十(40%))下，可關閉主蒸發器級210A、210B和210C中的一個或多個。通過關閉主蒸發器級210A、210B和210C中的一個或多個，其餘下導管(例如下導管237A、237B和237C中的一個或多個)中的速度可保持在合適的或合乎需要的幅度處，以消除或至少基本最大程度地減少蒸汽泡增加和聚集的問題。在一個實施例中，蒸發器200可包括閥(諸如圖2的閥140和142)，閥用來控制通往多個主蒸發器級210A、210B和2IOC的單獨的豎管以及次蒸發器級250的豎管的流。可使用閥來關閉一個或多個選擇的主蒸發器級。在一個實施例中，在例如主蒸發器級的「後面」開始，可停用蒸發器級，其中，級210的前面和後面由通過蒸發器200的氣體流的方向限定。在其中形成不穩定性(如由例如次蒸發器250的出口處的波動的溫度所確定)的狀況下，可停用級。這種不穩定性可能是由於例如主蒸發器出口歧管235A-235C中的蒸汽聚集和/或通過下導管237A-237C的流的較低速度引起的。
在圖4中示出的另一個實施例中，直通式蒸發器300包括多個主蒸發器級310 (例如，為了說明而顯示了四個主蒸發器級310A、310B、310C和310D)，以及次蒸發器級320。各個主蒸發器級310接收流體112。流體112在主蒸發器級310中的一個或多個中至少部分地蒸發，並且作為兩相流339 (例如水和蒸汽的流)分配到次蒸發器級320。例如，多個主蒸發器級310A、310B、310C和310D協作，以通過相應的管道或下導管337A-337D將流339的分量339A-339D從相應的出口歧管335A-335D供應到次蒸發器級320的單獨的入口334A-334D(例如多個次熱傳遞管陣列320A、320B、320C和320D的入口 334A-334D)。如圖4中顯示的那樣，第一主蒸發器級310A通過第一管道或下導管337A將流339的第一分量339A從出口歧管335A提供給第四個次管陣列320A的入口 334A，第二主蒸發器級310B通過第二管道或下導管337B將流339的第二分量339B從出口歧管335B提供給第三個次管陣列320B的入口 334B，第三主蒸發器級310C通過第三管道或下導管337C將流339的第三分量339C從出口歧管335C提供給第二個次管陣列320C的入口 334C，並且第四主蒸發器級3IOD通過第四管道或下導管337D將流339的第四分量339D從出口歧管33 提供給第一個次管陣列320D的入口 334D。應當理解，上面描述的主-次蒸發器級布置在次蒸發器320的外部提供較均勻的出口溫度，因為來自最後面的主蒸發器(例如第四主蒸發器級310D)的(例如)品質最低的流傳送到次蒸發器級的最前面的陣列(例如第一個次管陣列320D)，該處氣體溫度最高。以類似的方式，隨著品質沿氣體流的方向從主蒸發器級向前逐漸增加，來自這些級的兩相流339的分量傳送到次管陣列320A-320C中的相應的一個，氣體溫度逐漸降低。應當理解，使用多個主蒸發器級310提供下者例如，在低負荷狀況下，可關閉主蒸發器級310A、310B、310C和310D中的一個或多個，以調整其餘下導管(例如下導管337A-337D中的一個或多個)中的速度。在一個實施例中，蒸發器300可包括閥(諸如圖2的閥140和142)，閥用來控制通往多個主蒸發器級310的單獨的豎管以及次蒸發器級320的豎管的流。如應理解的那樣，選擇各個蒸發器級(例如主蒸發器級210、310和次蒸發器級250,320)中的管(例如豎管)的數量，以避免主蒸發器級中汽化，在各個次蒸發器級中實現最佳或優選的過熱，以及實現通往對應的次蒸發器級的最佳或優選的質量流量，以最大程度地提聞熱傳遞。雖然參照多種示例性實施例對本公開進行了描述，但本領域技術人員將理解，可 在不偏離本發明的範圍的情況下作出各種改變，而且等效物可代替本公開的元件。另外，可在不偏離本發明的實質範圍的情況下作出許多修改，以使具體情況或內容適於本公開的教導。因此，意圖的是本發明不限於被公開為為了執行本發明而構想的最佳模式的特定實施例，相反，本發明將包括落在所附權利要求的範圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種用於蒸汽發生的蒸發器，包括 多個主蒸發器級，所述多個主蒸發器級中的各個包括一個或多個主熱傳遞管陣列，所述主管陣列中的各個具有用於接收流體的入口，並且布置成橫向於通過所述蒸發器的氣體流，所述氣體流加熱流過所述一個或多個主管陣列的流體，以形成兩相流；出口歧管，其聯接到所述一個或多個主管陣列上，並且接收來自所述一個或多個主管陣列的兩相流；以及聯接到所述出口歧管上的下導管，所述下導管將來自所述出口歧管的兩相流作為主級流的分量來進行分配；並且 所述多個主蒸發器級中的一個或多個用所述兩相流的相應的分量選擇性地形成所述主級流；以及 包括一個或多個次熱傳遞管陣列的次蒸發器級，所述次管陣列中的各個聯接到入口上，並且布置成橫向於通過所述蒸發器的氣體流，所述一個或多個次管陣列接收所述主級流。
2.根據權利要求I所述的蒸發器，其特徵在於，所述蒸發器進一步包括 聯接到所述主管陣列中的各個的入口上的至少一個閥，所述至少一個閥被選擇性地控制，以關閉選擇的主管陣列。
3.根據權利要求2所述的蒸發器，其特徵在於，所述至少一個閥調整所述主管陣列中的一個或多個之間的壓降和質量流率中的至少一個，以最大程度地減少所述主蒸發器級中的蒸汽聚集。
4.根據權利要求I所述的蒸發器，其特徵在於，所述次管陣列中的各個的入口由用於所有所述次管陣列的共同的入口構成，使得跨過所有所述次管陣列並行地接收所述主級流。
5.根據權利要求I所述的蒸發器，其特徵在於，所述次管陣列中的各個的入口由用於所述次管陣列中的各個的單獨的入口構成，所述單獨的入口聯接到所述多個主蒸發器級中的相應的一個的下導管上，所述單獨的入口從所述下導管接收所述主級流的分量。
6.一種用於蒸汽發生的蒸發器，包括 多個主蒸發器級，所述多個主蒸發器級中的各個包括一個或多個主熱傳遞管陣列，所述主管陣列中的各個具有用於接收流體的入口，並且布置成橫向於通過所述蒸發器的氣體流，所述氣體流加熱流過所述一個或多個主管陣列的流體，以形成兩相流；出口歧管，其聯接到所述一個或多個主管陣列上，並且接收來自所述一個或多個主管陣列的兩相流；以及聯接到所述出口歧管上的下導管，所述下導管將來自所述出口歧管的兩相流作為主級流的分量來進行分配；並且 所述多個主蒸發器級中的一個或多個用所述兩相流的相應的分量選擇性地形成所述主級流；以及 包括一個或多個次熱傳遞管陣列的次蒸發器級，所述次管陣列中的各個聯接到共同的入口上，並且布置成橫向於通過所述蒸發器的氣體流，所述一個或多個次管陣列跨過所有所述次管陣列並行地接收所述主級流。
7.根據權利要求6所述的蒸發器，其特徵在於，所述蒸發器進一步包括 聯接到所述主管陣列中的各個的入口上的閥，所述閥被選擇性地控制，以關閉選擇的主管陣列。
8.一種用於蒸汽發生的蒸發器，包括 多個主蒸發器級，所述多個主蒸發器級中的各個包括一個或多個主熱傳遞管陣列，所述主管陣列中的各個具有接收流體的入口且布置成橫向於通過所述蒸發器的氣體流，所述氣體流加熱流過所述一個或多個主管陣列的流體，以形成兩相流；出口歧管，其聯接到所述一個或多個主管陣列上，並且接收來自所述一個或多個主管陣列的兩相流；以及聯接到所述出口歧管上的下導管，所述下導管將來自所述出口歧管的兩相流作為主級流的分量來進行分配；並且 所述多個主蒸發器級中的一個或多個用所述兩相流的相應的分量選擇性地形成所述主級流；以及 包括一個或多個次熱傳遞管陣列的次蒸發器級，所述次管陣列中的各個具有入口，並且布置成橫向於通過所述蒸發器的氣體流，所述一個或多個次陣列的入口中的各個從所述多個主蒸發器中的一個的所述下導管接收所述兩相流的分量中的一個。
全文摘要
提出一種用於蒸汽發生的蒸發器100。蒸發器100包括多個主蒸發器級110，以及次蒸發器級150。各個主級110包括一個或多個主熱傳遞管陣列120、160、聯接到陣列120、160上的出口歧管135，以及聯接到歧管135上的下導管137。主陣列120中的各個具有用於接收流體的入口，並且布置成橫向於通過蒸發器110的氣體流。氣體加熱流過陣列120、160的流體，以形成兩相流。出口歧管135接收來自陣列120、160的兩相流，並且下導管137將該流作為主級流的分量來進行分配。多個主蒸發器級110中的一個或多個用兩相流的相應的分量選擇性地形成主級流，並且將主級流提供給次蒸發器級150的入口。
文檔編號F22D5/34GK102906498SQ201180026955
公開日2013年1月30日 申請日期2011年2月8日 優先權日2010年3月31日
發明者W.P.鮑弗二世, I.J.佩蘭 申請人:阿爾斯通技術有限公司