蒸汽發生器管、其製造方法以及直通式蒸汽發生器的製作方法

2023-04-27 06:32:26 2

專利名稱：蒸汽發生器管、其製造方法以及直通式蒸汽發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種帶有形成旋流的內型面的蒸汽發生器管。另外本發明 還涉及一種用於製造設有形成旋流的內型面的蒸汽發生器管的方法。
背景技術：
在直通式蒸汽發生器的燃燒室壁中通常採用相互通過接片氣密地焊接 的蒸汽發生器管以形成圍繞火焰空間的氣道，這些氣道並聯以使流動介質
廠家裝備了成形的冷卻片的管件。在這種情況下蒸汽發生器管可以垂直或 者可以傾斜地布設。為了使該直通式蒸汽發生器具有可靠的運行特性通常 將蒸汽發生器管設計為，即便在流經蒸汽發生器管的介質的質量流密度很 低時也能保證充分地冷卻該蒸汽發生器管。
一個重要的設計原則是蒸汽發生器管的導熱性能。導熱性能高就能夠 極其有效地加熱流經蒸汽發生器管的介質並同時使蒸汽發生器管本身得以 可靠地冷卻。在傳統的可在低臨界點壓力下運行的蒸汽發生器中蒸汽發生 器管的導熱性能會受到所謂的沸騰危機的不利影響。在這種情況下管壁不 再被液態的流動介質(通常是水)沾溼並因此不能被充分冷卻。由於過早 乾燥，因此可能會降低管壁的強度值。
為了改善導熱性能通常採用通過變形工序(例如冷拉)而在蒸汽發生 器管的內側具有表面結構或螺旋形延伸肋形式的內型面。通過這種肋的造 型使流經蒸汽發生器管的介質扭轉，從而使較重的液相由於有效的離心力 聚集在管內壁上並在那裡形成沾溼的液膜。由此在熱流密度相對高而質量 流密度較低時也可以確保從管內壁到流動介質的可靠導熱。
所述已知的蒸汽發生器管的缺點是，由於管材的有限的可變形性而使 製造相當費時。尤其對於鉻含量高的耐高溫的鋼而言所述的可變形性受到 強烈限制。這類材料在目前對於蒸汽發生器管起著越來越重要的作用，因 為這類材料至少原則上能夠針對特別高的蒸汽參數、尤其針對高的新鮮蒸
汽溫度以及進而為了達到隨之而來的高效率來設計蒸汽發生器。但是在加 工時由於材料引起的限制在實踐中根本不能或只能以高成本用平滑管件在 變形工序的範疇內製造帶有所期望的在流動技術上有利的帶肋型面的內側
加肋的管件。只有足夠傾斜的側面角和與大的肋高相關的尖稜過渡區才是 不難製造的。此外肋的高度僅能在狹義的範圍內是可以製造的。此外關於 沿管件的型面設計結構僅能達到低的靈活性。
與之不同地，業已有人建議一些不同類型的用於事後安裝到蒸汽發生
器管中的形成旋流的內構件。這類內構件尤其包括所謂的"螺旋帶(Twisted Tapes)"即由金屬帶製成的本身扭轉或巻繞的帶材。但是這些迄今公知的管 內構件的共同缺點是，其一方面阻擋管中央的(原)自由橫截面，以及另 一方面明顯強烈地使總的流動轉向並且在這種情況下局部出現"過旋流 (iiberdmllen )"。簡單的螺旋帶例如在兩相流中蒸汽含量更高時導致水相在 乾燥的同時聚集在管壁與螺旋帶之間的三角區內並進而導致螺旋帶庇陰側 的內壁區域得不到充分的冷卻。因此帶有螺旋帶形式內構件的蒸汽發生器 管同樣不適用於所有通常在蒸汽發生器中出現的運行條件。

發明內容
因此，本發明所要解決的技術問題是，提供一種本文開頭所述類型的 蒸汽發生器管，其在達到簡單且經濟地製造以及不同運行條件的大的帶寬 的情況下具有特別有利的導熱特性。另外要提供一種適合於製造這類蒸汽 發生器管的製造方法以及一種直通式蒸汽發生器，該直通式蒸汽發生器在 保持高的運行安全性及高效率的同時具有特別簡單的結構。
按照本發明上述有關蒸汽發生器管的技術問題這樣得以解決，即，在 該蒸汽發生器管中為了構成形成旋流的內型面在管內腔中至少布設一個內 置件，其中該內置件包括多根線材，這些線材按多頭螺紋的形式螺旋形地 沿管內壁巻繞。
在此本發明基於以下考慮在蒸汽發生器內的多相流動為了改善導熱 應該具有旋流，從而液相基於旋轉被導引到管內壁上並儘可能均勻地沾溼 管內壁。因此為了相宜地形成和保持這種旋流應該在管內腔中布設適合的 導流元件。如已闡明的那樣，若一方面沿流程出現"過旋流"或太大壓力 損失，另一方面旋流作用仍然足夠強烈，以便將流動介質的液相沿整個管
周面引導到管內壁上，則這種流動導引是特別有利的。
為了避免導致對蓄水泵高自身能量需求的高壓力損失，以及為了確保 管內腔中的蒸汽排出應該在管內壁上布設基本上內型面形式的導流元件並 且管橫截面在中央不要或僅略微被堵塞。此外為了繞開與傳統結構形式的 加肋管相關的加工局限性，形成旋流的內型面要通過管內構件或內置件實 現，該管內構件或內置件可以與蒸汽發生器管無關地按期望的形狀製造並 且事後可以添加到管件中。為此目的在此處所介紹的新方案中採用線材或 帶材，其在裝入到蒸汽發生器管內後螺旋狀地沿管內壁巻繞，使得管橫截 面的大部分(大於50%)保持開放並且因此蒸汽可以在管內腔中聚集和流 動。
另外業已得知，單一的、亦即單頭螺旋彈簧通常僅產生弱的旋流。在 這種情況下流動可能會被貼靠在管內壁上的線材切斷。那麼由於較小的旋 轉導致過早出現汽化危險。這種效應儘管可以通過更大的線材直徑(類似 於更大的肋高)得以補償，但是這在按單一螺旋彈簧的形式布設線材時導 致水相聚集或堵塞在管壁與線材內置件之間的三角區內，與此同時乾燥線 材庇蔭側的內壁區域，也就是說，導致不能充分地冷卻相應的管壁區域。 這類缺點按照在此所建議的方案得以避免，為此將多根線材按多頭螺紋的 形式分別螺旋形地貼靠在管內壁上。對於這種設計即便在適當旋流強度和
相對較小的壓力損失情況下也能達到用液態流動介質均勻沾溼管內壁；另 一方面徹底避免流動的過^走流。
另外特別有利的是，與通過變形工序在施加巨大變形力的條件下用光 滑管制成的傳統結構的加肋管相反，在與流動密切相關的參數(諸如內型 面高度、頭數、上升角、側面角以及尖銳稜角度方面存在較大的靈活性。 相應的設計指標在設計成內置構件的情況下能夠特別簡單和精確地轉變， 因為為此僅需要提供一些具有適配橫截面輪廓的線材或帶材並將它們設置 成所期望的布局結構，例如通過旋扭和/或彎曲。
在具有通常尺寸的蒸汽發生器管中按兩頭或三頭螺紋形式布設線材是 特別適宜的。但是也可以優選四頭至六頭的設計。對於特別大直徑的蒸汽 發生器管甚至可以設想八頭方案。所述各線材相對於與管軸線垂直定向的 基準面的上升角有利地最小為30°且優選最大為70° 。特別有利的是，該 上升角處於40。至55°區間內。
為了達到特別簡單且經濟的可製造性，所述各線材具有圓形或基本上 為矩形的橫截面。對於後一種實施方式尤其可以事後再加工稜邊，從而可 以實現相對傾斜的側面角和尖銳稜邊的過渡區。線材的直徑可以根據蒸汽 發生器管的直徑以及根據規定的流動和溫度狀況改變。通常優選線材直徑
或平均的橫截面尺寸為光滑管內直徑的5%至15%。
所述各線材或由線材構成的管內置件有利地基於其自身應力在規定的 運行溫度下防滑地位於管內腔中。這樣的話，線材材料以及自身應力與幾 何比例相協調，使得防止各匝圈相對蠕動或滑動。
如果需要，所述貼靠在管內壁上的線材可以通過徑向的加強杆相互連 接和/或與沿管軸線延伸的中央線材連接。利用這種支承芯即便在所述線材 應力或彈性應力可能降低時也能防止各路彈簧的滑動，從而使管內置件在 蒸汽發生器管內長久地保持其原始形狀和位置。作為補充或替代方式也可 以採用 一定數量的沿管軸線的方向延伸的支承線材，它們分別固定在所述 螺旋形巻繞的線材的面朝管內腔的側面上。以此方式達到與具有徑向的加 強杆的設計類似的效果。包括加強杆和/或支承線材和/或中央線材的支承芯 可以用與形成旋流的、貼靠在管內壁上的線材相當的低值材料製成，因為 該材料僅需防腐蝕及防起氧化皮，而不直接承受管內壁的極高溫度。
儘管管內置件基於其線材的自身應力已經穩固且可靠地位於蒸汽發生 器管內，但是優選還採用附加的固定，在這種情況下所述相應構型的線材 至少在一個位置、優選在其兩端附近與管內壁固定連接。所述固定連接在 此優選為耐高溫的焊接連接。 一種略微費事但保證特別可靠固定的製造方 案，包括多個分布在各線材的縱向長度上的點焊點。若所述內置件的至少 貼靠在管內壁上的線材用具有類似於管材的成分的材料製成，則焊接固定 可以特別好地建立。
另外恰恰在相對長的沿蒸汽爐整個高度延伸的蒸汽發生器管中期望， 沿其縱向長度在管內腔中視位置情況設有不同的導引型面，這些導引型面 用於在空間上擴展或改變蒸汽份額和加熱斷面。這種方案可以有利地通過 在蒸汽發生器管內裝入多個內置件實現，這些內置件布設在各分開的管部 段內，其中各內置件的幾何參數與在運行中規定的局部受熱和/或局部的流 動狀況適配。另外在那裡強調的是，旋流在一次產生後即便在雙相流動時 也要至少在五個管直徑的流動行程中保持存在，不需要完全、無空隙地裝
備所述管。確切地說，可以將內置件利用間隙相互間隔距離地裝入到蒸汽 發生器管內。
在此所描述的蒸汽發生器管適宜應用於礦物加熱的直通式蒸汽發生器 中。利用管的形成旋流的內型面和與之相關的到熱性能的改善確保了即便 在具有垂直管布局(垂直管系)的鍋爐結構也能達到向流動介質的足夠熱 傳遞以及對管壁的冷卻。具有更多管數量且具有相對短的管道長度的垂直 管系由於相對於傾斜或螺旋形布設的管而言更小的流動速度和更小的質量 流密度能夠使蒸汽發生器以更小的壓力損失和更小的最低通流量運行。因 此包括該蒸汽發生器的電力廠可以設計為更小的最低負荷。由傾斜的蒸汽 發生器管已知的分離效應在垂直管系中不會出現，而在發生分離效應時水 和蒸汽在低於最小流動速度或最小負荷時分層流動，從而使管壁的部分區 域不再被沾溼。此外也取消了用於蒸汽爐的複雜的、與大範圍且成本巨大 的焊接工作相關的支承結構，因為通常具有垂直管系的爐壁可以設計為自 支承式的。
此外所述管內構件即便對於例如在燃氣輪機和蒸汽輪機發電廠的加熱 爐中出現的對流加熱而言基於導熱的改善也能導致減小換熱面並進而明顯 節約開支。
與製造方法相關的技術問題是這樣解決的，即，將多根處於應力作用 下的線材置入光滑管內，在此線材按多頭螺紋的形式布設，以及所述線材 在置入後舒張，直至其匝圈貼靠在管內壁上。換言之，將由事先定向的線 材構成的多頭螺旋彈簧預緊，為此例如將其抻拉開或向一起扭合。在直徑 減小的這種狀態下將該內置件裝入到管件中。其在局部舒張後自動地貼靠 到管內壁上。在此這樣選擇線材所保留的自身應力，即，使得線材在蒸汽 發生器管規定的運行溫度下不會發生蠕動。另外所述線材在其不完全舒張 後優選至少在一端與管內壁焊接。
利用本發明達到的優點尤其在於，利用所述新型的管內置件獲得在管 內腔中可靈活地適用於所有管材的導流結構，該導流結構可相應地適應於 改善導熱的需求。基於由可自由制定的參數、諸如線材直徑、線材布設的 頭數、上升角、側面角以及尖銳稜角度形成的設計靈活性可以調整在蒸發 器管的長度上變化的旋流斷面，該旋流斷面與相應的局部受熱相適配。在 這種情況下繞開了傳統的加肋管在製造上的局限性。首先在發電廠以蒸汽
參數的更高設計值的研發過程中製造加肋管由於較高溫度和壓力要求的新 材料鉻含量更高，所以成本一直較高。在此該新的形成旋流的內構件能夠 替代所述加肋管並且才真正能夠這樣的用途。


以下藉助附圖對本發明的不同實施方式予以詳細說明。其中
圖1以簡化示意圖示出了直通式蒸汽發生器和垂直的由管組成的燃燒
室壁；
圖2示出了蒸汽發生器管和構成形成旋流的內型面的內置件的剖切視
圖3示出了按照另一種不同的實施方式的蒸汽發生器管的剖切視圖和 橫截面圖4示出了按照另一種實施方式的蒸汽發生器管的剖切視圖和橫截面圖。
在所有附圖中相同的部分以相同的附圖標記標註。
具體實施例方式
在圖1中簡略地示出了具有矩形橫截面的直通式蒸汽發生器2，其垂直 氣道由圍壁或燃燒室壁4構成，該燃燒室壁在下端過渡到鬥形的底部6。
在氣道的點火區域V在由蒸汽發生器管10組合而成的燃燒室壁4中安 置一定數量的用於各開口 8(圖中只能看到兩個)內燃料的燃燒器。垂直布 設的蒸汽發生器管IO在點火區域V內為了形成蒸發器加熱面12氣密地相 互焊接。
在氣道的點火區域V上方是對流加熱面14。煙氣流出通道16位於其 上方，通過燃燒礦物燃料產生的煙氣RG通過該煙氣流出通道離開該垂直煙 道。在蒸汽發生器管10內流動的流動介質通過燃燒器火焰的輻射熱以及通 過煙氣RG對流的熱傳導被加熱並且同時蒸發。在本實施例採用水或水-水 蒸氣混合物作為流動介質。
除了圖1所示的單道鍋爐外當然其他鍋爐構型也可以，例如雙道鍋爐。 下面所描述的蒸汽發生器管可以應用於所有這些方案中，確切地說不僅在 點火區域而且在其餘的煙氣通道內。也可以設想應用於餘熱蒸汽發生器。
圖2以剖切視圖示出了一段用於直通式蒸汽發生器2的燃燒室壁4管 系的蒸汽發生器管IO。在光滑管20的管內腔18中安裝內置件22，其構成 形成旋流的內型面以改善導熱性能。在本實施例中該內置件22包括三條按 具有恆定上升角(以及進而具有恆定螺距)的三路螺紋形式沿管內壁巻繞 的線材24。線材24由於其自身應力固定貼靠在管內壁26上。另外線材24 分別在多個位置、尤其在其兩端附近通過點焊固定在管內壁26上。
在本實施例中線材24以及承接這些線材的光滑管件20的管壁28均由 含有鉻成分的耐高溫金屬材料製成。此外當然也存在專業人員熟知的其他 適合的材料、例如13CrMo44。除了線材24的數量(螺旋彈簧的螺紋線數) 和上升角之外線材24的橫截面形狀也是重要的設計標準。尤其是由於獨立 於光滑管件20地製造各線材24，所以可以任意預先規定線材的高度和寬度 以及相對於管內壁26的側面角和稜邊的尖銳度。在一階近似情況下通常幾 何參數的選擇與傳統加肋管的肋類似。但是此外也還要進行與位置相關的 匹配和優化，這在受熱剖面沿燃燒室壁4的變化過程中是要考慮的。
圖3示出了由圖2已知的蒸汽發生器管10實施方式的一種擴展設計， 其中貼靠在管內壁26上的線材24通過焊接的徑向加強杆30與沿管軸線延 伸的中央線材32相連，從而即便在彈簧作用減低時也能有效地防止各彈簧 線路(Federg組ge)或線匝彼此相對滑動。因為包括加強杆30和中央線材 32的支承芯不能承受象貼靠在管內壁26上的用於形成旋流的線材24那樣 高的溫度，因此它要用較少的高值材料製成。
在按照圖3的實施例中每三個細的徑向加強杆30組成一個位於蒸汽發 生器管10的公共橫截面平面內的規則星形。這星形中的多個以一定的間距 沿蒸汽發生器管10的縱向相繼地分布。如同從圖3的右上部所示的蒸汽發 生器管IO橫截面圖中可看到的那樣，所有星形定向相同，從而使前後相繼 分布的星形的相互對應的加強杆30在橫截面圖中看重疊。由此僅微不足道 地影響在管內腔18內的旋流。
最後，圖4示出了另一種也可以與由圖3已知的方案組合的實施方案。 在此採用三條平行於管軸線延伸的支承線材34,它們防止形成旋流的螺旋 形巻繞的線材24滑動。支承線材34從橫截面圖中觀察沿管內周面均勻分 布並且本身固定在成型的線材24的面朝管內腔18的側面上。
權利要求
1. 一種蒸汽發生器管(10)，其中在管內腔(18)中至少布設一個內置件(22)以構成形成旋流的內型面，其中該內置件(22)包括多根線材(24)，這些線材按多頭螺紋的形式螺旋形地沿管內壁(26)卷繞。
2. 如權利要求1所述的蒸汽發生器管(IO)，其中，所述各線材(24)相對 於與管軸線垂直定向的基準面的上升角最小為30°且優選最大為70。。
3. 如權利要求1或2所述的蒸汽發生器管(10),其中，所述各線材 (24)具有圓形橫截面。
4. 如權利要求1或2所述的蒸汽發生器管(10),其中，所述各線材 (24)具有基本上為矩形的橫截面。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的蒸汽發生器管(10),其中，所述各線材(24)基於其自身應力載規定德運行溫度下防滑地位於管腔(18)中。
6. 如權利要求1至5中任一項所述的蒸汽發生器管(10),其中，貼靠在管內壁(26)上的線材(24)通過徑向的加強杆(30)相互連接和/或與沿管軸線延伸的中央線材(32)連接。
7. 如權利要求1至6中任一項所述的蒸汽發生器管(10)，其中，設有多根沿管軸線方向延伸的支承線材，它們分別固定在所述線材(24)的 面朝管內腔(18)的側面上。
8. 如權利要求1至7中任一項所述的蒸汽發生器管(10)，其中，所述各線材(24)至少在一個位置、尤其是在其兩端附近與管內壁(26)固定連接。
9. 如權利要求8所述的蒸汽發生器管(10)，其中，所述固定連接為焊接連接。
10. 如權利要求1至9中任一項所述的蒸汽發生器管(10),其中，所述內置件(22)的至少貼靠在管內壁(26)上的部分用具有類似於管材的 成分的材料製成。
11. 如權利要求1至10中任一項所述的蒸汽發生器管(10)，具有多個內置件(22)，這些內置件布設在各分開的管部段內，其中各內置件(22) 的幾何參數與在運行中規定的局部受熱和/或局部的流動狀況相適配。
12. —種直通式蒸汽發生器(2)，其包括多個按照權利要求1至11中 任一項構造的蒸汽發生器管(10)。
13. —種用於製造設有形成旋流的內型面的蒸汽發生器管(10)的方 法，其中，將多根在處於應力作用下的線材(24)置入光滑管件(20)內， 在此線材(24)按多頭螺紋的形式布設，以及所述線材(24)在置入後舒 張，直至其匝圈貼靠在管內壁(26)上。
14. 如權利要求13所述的方法，其中，所述線材(24)在部分舒張後 至少在一端與管內壁(26)焊接。
全文摘要
本發明涉及一種蒸汽發生器管(10)，其在達到簡單且經濟地製造以及不同運行條件的大的帶寬的情況下具有特別有利的導熱特性。為此按照本發明在管內腔(18)中至少布設一個內置件(22)以構成形成旋流的內型面，其中該內置件(22)包括多根線材(24)，這些線材按多頭螺紋的形式螺旋形地沿管內壁(26)卷繞。
文檔編號F22B29/06GK101389904SQ200680045751
公開日2009年3月18日 申請日期2006年11月22日 優先權日2005年12月5日
發明者喬基姆·弗蘭克, 奧利弗·赫布斯特, 霍爾格·施米特 申請人:西門子公司