用於操作蒸汽發生器的方法
2023-07-15 10:00:56 3
專利名稱：用於操作蒸汽發生器的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於操作具有燃燒室的蒸汽發生器(steam generator)的方法, 所述燃燒室具有多個蒸發器加熱表面，所述蒸發器加熱表面以並聯方式在流動介質側連 接。本發明還涉及這樣的蒸汽發生器。
背景技術：
蒸汽發生器是封閉的、受熱的容器或者壓力管系統，其用來產生用於加熱和操作 目的(例如，操作蒸汽輪機)的高壓和高溫蒸汽。在存在特別高的蒸汽輸出和壓力的情況下， 如例如在發電站產生能量的時候，使用水管鍋爐，其中在蒸汽發生器管道中存在通常是水 的流動介質。水管鍋爐還用於固體物質的燃燒，如在其中相應固體物質燃燒而產生熱量的 燃燒室可以體現為管壁布置所必需的。
因此，具有水管鍋爐結構的這樣的蒸汽發生器包括燃燒室，所述燃燒室的圍壁至 少部分地由管壁形成，換句話說，是由氣密式焊接的蒸汽發生器管道形成。在流動介質側， 這些蒸汽發生器管道首先以蒸發器加熱表面的方式作用以形成蒸發器，其中未蒸發的介質 被引入並蒸發。蒸發器在此處通常設置在燃燒室的最熱的區域中。如果需要，在流動介質 側連接在蒸發器下遊的是用於分離水和蒸汽的設施以及過熱器，其中例如在蒸汽輪機中的 膨脹階段，蒸汽被加熱進一步超過它的蒸發溫度以便實現在隨後熱機中的高效率度。預熱 器(或節約裝置)可以連接在流動介質側的蒸發器的上遊，以便利用水熱或剩餘熱對供水預 熱，由此還整體上提高了該裝置的效率。
取決於蒸汽發生器的結構和幾何布局，另外的蒸汽發生器管道可設置在燃燒室 內，並聯於形成圍壁的蒸汽發生器管道連接在流動介質側。它們可結合或焊接在一起，例如 用於形成內壁。取決於蒸發器加熱表面或內壁在燃燒室內的預期布置，可有必要在流動介 質側使內壁前後交錯，並且有必要經由中間收集器連接它們的蒸汽發生器管道。
這是例如具有所謂的褲腿式(pant-leg)設計的情況，該設計用於具有流化床燃燒 的蒸汽發生器。至少部分由另外的蒸汽發生器管道形成的並對稱設置在燃燒室中的這兩個 內壁連接在流動介質側中間收集器的上遊。來自上遊內壁的介質流在中間收集器中合併， 並且它用作下遊內壁的入口收集器。褲腿式設計提供了燃料混合物的更佳混合，因此提供 了在燃燒側更少的可能的分布問題。
然而，在一些操作狀態下，蒸汽含量大於零可能已經發生在中間收集器中。這樣的 蒸汽含量致使不可能採用簡單的收集器向下遊內壁規則分布介質，從而水/蒸汽分離能夠 發生。由此，下遊內壁的各個管道在它們的入口處可具有高的蒸汽含量或焓值而使得所述 管道過熱變得非常可能。這樣的過熱可導致在長期運行中的管道損壞。發明內容
因此，本發明的目的在於說明一種用於操作上述類型的蒸汽發生器的方法和一種 蒸汽發生器，其允許所述蒸汽發生器具有特別長的使用壽命和特別少的維修要求。
根據本發明， 通過將流體介質以比供給到第二蒸發器加熱表面的入口更低的溫度供給到第一蒸發器加熱表面的入口來實現該目的。
本發明基於的考慮是，通過防止由於過高的蒸汽含量或焓造成的蒸汽發生器管道過熱，蒸汽發生器中的蒸發器可以實現特別長的使用壽命和特別少的維修要求。在此這樣的高蒸汽含量發生特別是因為，當收集器以中間的方式被連接時，已部分蒸發的流動介質以不規則的方式分布於下遊蒸汽發生器管道。因此，應通過避免在中間收集器中水和蒸汽的兩相混合來防止這樣的不規則分布。如果中間收集器上遊的內壁不具有管道特徵，使得介質過冷並且在沒有進一步預熱的情況下進入所述中間收集器，則這是可以實現的。然而， 該解決方案具有結構缺陷。因此，流動介質的溫度反倒應當在進入蒸汽發生器的入口處降低。
然而，降低流動介質的入口溫度會使蒸汽過程效率較低，而這不是預期的。同樣， 這樣的降低在所述蒸汽發生器管道中不是必要的，所述蒸汽發生器管道較少被加熱或者在沒有中間收集器的管壁中--特別是在蒸汽發生器的圍壁內中。因此為了改進效率，入口溫度不應在這樣的蒸汽發生器管道中降低。
這可以通過以將流動介質比供給到其他蒸發器加熱表面更低的溫度供給到具有下遊中間收集器的蒸發器加熱表面--例如是褲腿式設計情形下的內壁--來實現。
為了改進效率並優化加熱表面布置，預熱器有利地連接在蒸汽發生器的內壁和圍壁的入口的上遊。這使用廢熱來預熱流動介質。當使用廢熱時產生的較低的廢氣溫度使蒸汽發生器更有效率。蒸汽發生器可具有特別簡單的結構，如蒸汽發生器的內壁和圍壁處的不同溫度通過預熱設施處的構造措施來實現，換句話說，通過以不同預熱程度來供給介質而實現。為此，流動介質的第一部分被有利地導過預熱器。這可以使用旁通線路來完成。由此，可以以結構上簡單的方式繞過預熱設施的預熱器，使得較少的熱量被輸入所述流動介質的旁通部分中。然後，這可以被供給到較低的溫度下的第一蒸發器加熱表面的入口。
為了實現在承受較冷的流動介質的所述蒸發器加熱表面中不會過度降低的溫度， 有利地，所述流動介質的第一部分應與所述流動介質側預熱器之後分支的第二部分混合。 由此，實現了供給到第一蒸發器加熱表面的流動介質的特別適合的溫度降低。
有利地，第二部分流的質量通流在此具有上限。經由用於設定第二控制流的量限度的手動式調節或控制閥可施加該上限。基於方向的限制也應由止回閥提供，以便不會冷卻預熱器出口流體的主流，第二部分流從所述預熱器以非期望方式分支。
為了實現供給到第一蒸發器加熱表面的流動介質的特別簡單的溫度適應，有利地，應基於第一蒸發器加熱表面的入口下遊的測量點處的熱力學特性來調節第一部分流的質量通流。為此目的，調節閥可設置在所述預熱器的旁通線路中。如果在超臨界壓力下操作所述裝置，在所述壓力下，水和蒸汽在任何溫度下不能同時出現且因此相分離也是不可能的，則沒有上述分離的風險以及流動介質的被導過所述預熱器的部分可降為零。例如在新式可變壓力鍋爐的部分載荷運行模式期間，如果蒸汽發生器在所述蒸發器中以亞臨界壓力運行，則必須遵循一定水平的過冷以防止兩種介質的分離，這使用所述第一蒸發器加熱表面後的測量點處的熱力學特性來限定。
為了用上述的褲腿式設計蒸汽發生器實現在所述內壁的中間收集器中的熱力學狀態的具體針對性考慮，其中蒸汽和水組分的分離問題引起後續管道的不規則分布，有利地，測量點在此應設置在連接在第一蒸發器加熱表面下遊的中間收集器中。
在一個有利的實施例中，熱力學特徵以這樣的方式被考慮壓力和溫度用作熱力 學特徵，其中飽和蒸汽溫度由測量的壓力確定，而實際過冷值基於測量的溫度來確定。由 此，過冷度可直接確定為討論中的問題的決定性變量。
對於特別簡單的調節，有利地，針對過冷度的設定點值被預先定義，並且第一部分 流的質量通流基於過冷度的實際值和設定點值間的偏差而被調節。如果過冷度的實際值低 於設定點值，則第一部分流的質量通流有利地增加。由此，如果過冷度不足，則在預熱器之 前移走的部分流中的調節閥再次打開，使得供給到入口的流體介質的溫度降低且因此過冷 度增加。如果過冷度過大，則調節閥關閉。
當蒸汽發生器的載荷下降或升高時，更多或更少的流體介質經由主給水調節迴路 供給到蒸發器。供給到不同的並聯蒸發器加熱表面的流動介質質量流的組分在載荷上幾乎 保持不變。因此可以使用設計計算來計算用於第一蒸發器加熱表面的質量流的設定點值。 為了實現要承受較冷流動介質的所述蒸發器加熱表面的特別精確的質量流調節，有利地， 第二部分流的質量通流基於供給到所述第一蒸發器加熱表面的流動介質的質量通流而被 調節。
考慮到蒸發器加熱表面下遊的水/蒸汽分離設施，供給到第一蒸發器加熱表面的 流動介質的質量通流的其他調控可以發生。在一個有利的實施例中，供給到第一蒸發器加 熱表面的介質流基於所述蒸發器的出口焓而被調節。
有利地，在此基於連接在流動介質側第一蒸發器加熱表面的下遊的最後蒸發器加 熱表面處的流動介質的溫度和所述水/蒸汽分離設施中的壓力來確定出口焓。在所述分離 器中將出口焓向平均流體焓的調節在此是有適宜的。所述蒸發器出口焓的設定點值在此應 存儲為主調節迴路中載荷的函數。在任何情況下，所述流體的出口溫度應被限制使得不超 過最大可允許材料溫度。
本發明所實現的優點具體地由以下事實組成使用具有不同水平過冷度的兩種介 質供給不同蒸發器部件(圍壁和內壁)意味著可靠地避免了中間收集器中的水/蒸汽分離問 題。與所有蒸發器部件有減少的入口焓的解決方案形成對比，該蒸發器不必擴大或只要稍 微擴大以確保所述蒸發器處足夠高的出口焓。
作為強制循環鍋爐的蒸汽發生器的實施例具有多個優點。強制循環蒸汽發生器可 用於亞臨界壓力和超臨界壓力兩者，無需改變方法技術。只是收集器和管道的壁厚度必需 依規定壓力設定尺寸。因此，循環原理是整個領域所認同的趨勢的一部分，用於通過增強蒸 汽狀態提高效率。
以可變壓力整體上操作所述裝置的也是可行的。在可變壓力模式下，渦輪高壓部 件中的溫度在整個載荷範圍上保持不變。關於部件的壁厚度和直徑的大尺寸意味著所述渦 輪要承受比鍋爐部件大得多的載荷。因此，可變壓力模式關於載荷變化速度、載荷變化數和 啟動具有優勢。
下面參照附圖更加詳細地描述了本發明的示例性實施例，在圖中
圖1示出了具有流化床燃燒的強制循環蒸汽發生器的燃燒室的下部示意圖，所述蒸汽發生器具有部分旁通的預熱設施，
圖2示出了來自圖1的帶有向內壁通流調控的循環蒸汽發生器，
圖3示出了來自圖1的帶有內壁的出口焓調控的循環蒸汽發生器，以及
圖4示出了一曲線圖，示出了具有不同載荷的循環蒸汽發生器的不同區域中的流 動介質的具體焓和壓力。
在所有圖中，同樣的部件以相同的標號不出。
具體實施方式
圖1中示意性示出的蒸汽發生器I體現為強制循環蒸汽發生器。它包括多個管 壁，所述管壁由蒸汽發生器管形成並包含向上的流體，具體地是牆壁2和對稱設置的、成角 度的內壁4，經由在流動介質側內壁4的中間收集器6連接到內壁4下遊的是另一內壁8。 由此，循環蒸汽發生器I以所謂的褲腿式設計體現。
流動介質穿過分別分配給圍壁2和內壁4的入口 10、12進入管壁中。在內部4中， 固體燃料以流化床燃燒的方式進行燃燒，其結果是熱量輸入管壁中，引起了流動介質的加 熱和蒸發。如果介質以相同的焓進入所有的管壁，在中間收集器6中的蒸汽含量可以較高 而對於內壁8的管道存在不規則分布，其結果是具有高的蒸汽含量的管道過熱。
為了避免會發生不利，諸如較短的使用壽命或較多的維修要求，流動介質以比供 給圍壁2更低的溫度在收集器6的上遊供給中間內壁4。因此，首先在蒸汽發生器I中對預 熱器16的改動進行了規定，這確保不同的熱量輸入不同的介質流中。
為此，根據圖1，分支點18設置在流動介質側上的預熱器16的上遊。由此，流動介 質的一部分在旁通線路20中在預熱器16周圍轉向。另一分支點22初始地設置為沿流動 介質側方向在預熱器16的下遊，一線路從分支點22穿過通向圍壁2的入口 10。由此，預熱 的流動介質的一部分供給圍壁2。預熱的流動介質的另一部分在線路24中傳輸，其在混合 點26處與旁通線路20相遇。介質流的混合在此處產生了更低溫度的介質，其然後供給內 壁4的入口 12。
止回閥30設置在線路24中，以防止由進入分支點22中的回流造成的不期望的冷 卻。還設置了手動式通流調節閥32，所述通流調節閥32限制預熱介質的分支質量流向上。 在旁通線路20中的自動通流調節閥28允許旁通的流動介質的量並因此供給內壁4的流動 介質的溫度被容易地調節。
在中間收集器6中的壓力P和溫度T用作通流調節閥28中自動調節的輸入變量。 飽和蒸汽溫度首先由被確定的壓力確定，其關於被確定的溫度T的差值給出了實際過冷度 (subcooling)。為了防止在中間收集器6中的水和蒸汽的分離,預先定義了中間收集器6 中的設定點過冷度。如果實際過冷度低於設定點過冷度，自動通流調節閥28進一步關閉， 使得入口 12處的溫度上升。相反地，通流調節閥28進一步打開。如果壓力和溫度高於流 動介質的臨界點，通流調節閥28完全關閉，這是由於在超臨界壓力下水和蒸汽在任何溫度 下不能同時出現，且因此在中間收集器6中分離不能再發生。
圖2示出了本發明的替代實施例。除通流調節閥32之外，蒸汽發生器I在此處與 圖1是一樣的。通流調節閥32在此處像通流調節閥28 —樣自動操作。這也允許供給內壁 4的介質的量被調節。用於調節的輸入變量在此處是至入口 12的總流(overall flow) F,其在測量點34處被確定。在此處基於依靠設計計算確定的設定點值來傳輸總流F。
圖3中示出了本發明的另一實施例。蒸汽發生器I在此處與圖2是一樣的，但示出 了另外部件，具體是內壁8的出口 36和圍壁2的出口 38。來自出口 36、38的介質流合併， 並傳輸至水/蒸汽分離器40。在此處還示出了主調節迴路，該主調節迴路調節依靠通流調 節閥42供給到蒸汽發生器I的流動介質的整個量。水/蒸汽分離器40的蒸汽側出口處的 壓力P和溫度T在此處用作用於調節在此處的總介質流的輸入變量。
在圖3中，藉助入口 12供給內壁4的流動介質的量依據內壁8的出口焓而被調節。 這基於內壁8的出口 36處的溫度T和水/蒸汽分離器40中的壓力來確定。在水/蒸汽分 離器40中的平均流體焓在此處規定為內壁8中的出口焓的設定點值。出口 40處的出口溫 度還限制在最大可允許材料溫度之上。
最後，圖4示出了水/蒸汽的狀態圖，其中流動介質的狀態示出在蒸汽發生器的不 同區域。該圖示出了針對以巴為單位的壓力P的以kj/kg為單位的具體焓值h。首先示出 了相同溫度T的線，即等溫線44，它們各自溫度值指示在曲線圖的右軸線上，以攝氏度為單 位。在曲線圖左側的隆起狀結構46顯示了水/蒸汽混合物的蒸汽含量。在結構46之外介 質是單相的，換句話說僅聚集態的介質存在。結構46的大約2100kJ/kg和221巴的頂點在 此處標記為臨界點48。當壓力升高到221巴之上時，水和蒸汽在任何溫度下都不會同時出 現。
水/蒸汽混合物存在於結構46之內。水和蒸汽的比例在此處用以10%間隔的特 徵線50示出，從特徵線52處的0%的蒸汽含量到特徵線54處的100%的蒸汽含量。特徵線 50、52、54在此處會和於臨界點48處。在結構46內，等溫線44垂直於壓力軸線延伸，因此 它們也是等壓線。因此，在恆壓下進入到介質中的能量輸入不引起更高的溫度，卻會引起水 /蒸汽組分向更多蒸汽的轉換。
取決於蒸汽發生器I的載荷狀態，在蒸汽發生器I內的蒸汽過程在不同的載荷特 徵線56、58、60上延伸，所述特徵線56、58、60不是等壓線，因為示出了加熱表面的壓力損 失。載荷基本上在整體上確定了系統內的壓力。載荷特徵線56代表100%載荷下的蒸汽過 程，載荷特徵線58代表70%載荷下的蒸汽過程，而載荷特徵線60代表40%載荷下的蒸汽過 程。點A、B、C、D在此處分別代表蒸汽發生器I的不同點處的流動介質狀態，初始地仍沒有 內壁4的入口 12處的創造性的單獨溫度調控點A是預熱器16的入口處的狀態，點B是內 壁4的入口 12處的狀態，點C是中間收集器6中的狀態，而點D是蒸發器的出口處的狀態。
如圖4所示，100%載荷下蒸汽發生器完全在超臨界區域中操作。在載荷特徵線56 上的點A、B、C、D處不可能區分水和蒸汽，因此分離不能發生。70%載荷下已經到達亞臨界 區域，但只有載荷特徵線58的一小部分位於結構46內。載荷特徵線58的點A、B、C仍在結 構46之下且單相的水存在。在此處分離也不會發生在中間收集器6中。
然而，40%載荷下載荷特徵線60的相當大一部分位於結構46內。載荷特徵線60 上的點A和B仍在結構46之下，因此單相的水仍存在於此處。然而，載荷特徵線60的點C 位於結構46內具有10%的蒸汽組分。所描述的在中間收集器6中的分離可發生在此處。 然而，如果流動介質的一部分被傳送過預熱器16(這通過打開通流調節閥28在載荷特徵線 62之下的壓力區中實現)，則明確地降低了流動介質的溫度以及因此能量含量。在載荷特徵 線60上，點E然後顯示了具有降低的溫度的內壁4的入口 12處的流動介質的狀態。這也減小了中間收集器6中的能量含量,如由載荷特徵線60上點F所示的。該點F目前在結構 46之外，因此單相的水存在於此處並可靠地防止了分離。
權利要求
1.一種用於操作具有燃燒室的蒸汽發生器(I)的方法，所述燃燒室具有多個蒸發器加熱表面(2，4，8)，所述蒸發器加熱表面(2，4，8)在流動介質側以平行的方式連接，其中，流動介質以比供給到第二蒸發器加熱表面(2)的入口(10)的更低溫度供給到第一蒸發器加熱表面⑷的入口(12)。
2.如權利要求1所述的方法，其中，預熱器(16)連接在所述流動介質側的入口(10，12)的上遊，且其中所述流動介質的第一部分被導過所述預熱器(16)。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述流動介質的第一部分與在所述流動介質側的預熱器(16)下遊分支的第二部分混合。
4.如權利要求3所述的方法，其中，第二部分流的質量通流具有上限。
5.如權利要求2至4中的任一項所述的方法，其中，所述第一部分流的質量通流基於所述在第一蒸發器加熱表面(4)的入口(12)下遊的測量點處的熱力學特性而被調節。
6.如權利要求5所述的方法，其中，所述測量點設置在中間收集器￠)中，所述中間收集器(6)連接在所述第一蒸發器加熱表面的下遊。
7.如權利要求5或6所述的方法，其中，壓力(P)和溫度⑴被用作熱力學特徵，其中飽和蒸汽溫度由測量的壓力(P)確定，並且實際過冷值基於測量溫度(T)確定。
8.如權利要求7所述的方法，其中，設定點值針對過冷度被預先定義，且其中，所述第一部分流的質量通流基於過冷度的實際值和設定點值之間的偏差而被調節。
9.如權利要求8所述的方法，其中，如果過冷度的實際值低於設定點值，則增加所述第一部分流的質量通流。
10.如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，所述第二部分流的質量通流基於供給到所述第一蒸發器加熱表面(4)的流動介質的質量通流而被調節。
11.如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，供給到所述第一蒸發器加熱表面(4)的介質流基於最後蒸發器加熱表面(8)的出口焓而被調節，所述最後蒸發器加熱表面(8)連接在所述流動介質側的第一蒸發器加熱表面(4)的下遊。
12.如權利要求11所述的方法，其中，所述蒸發器加熱表面(8)的出口焓基於連接在所述流動介質側的第一蒸發器加熱表面(4)下遊的所述最後蒸發器加熱表面(8)處的流動介質的出口(36)處的溫度和水/蒸汽分離器(40)中的壓力而被確定，所述水/蒸汽分離器(40)連接在所述流動介質側的蒸發器加熱表面(2，4，8)的下遊。
13.一種蒸汽發生器(I)，具有用於執行如權利要求1至12中的任一項所述的方法的>j-U ρ α裝直。
全文摘要
本發明涉及一種用於操作包含燃燒室的蒸汽發生器(1)的方法，所述燃燒室具有多個在流動介質側並聯連接的蒸發器加熱表面(2,4,8)。本發明的目的在於提供一種擁有特別長的使用壽命並且特別可靠的蒸汽發生器。為此目的，流動介質比向第二蒸發器加熱表面(2)入口(10)所導入的流動介質溫度更低的溫度導入第一蒸發器加熱表面(4)的入口(12)。
文檔編號F22B29/00GK103026136SQ201180022925
公開日2013年4月3日 申請日期2011年4月7日 優先權日2010年5月7日
發明者J.布呂克納, J.布羅德瑟, M.埃弗特 申請人:西門子公司