专利名称：强制直流锅炉的制作方法
强制直流锅炉本发明涉及一种强制直流锅炉，具有一个由气密焊接、可沿垂直方向通流的锅炉管构成的外壁，其中，在外壁内部设直通收集器，就流动介质而言，所述直通收集器将多个并联的第一锅炉管的出口侧与串联在第一锅炉管下游的多个并联的第二锅炉管的进口侧连接起来。本发明还涉及一种发电站设备，它具有这种强制直流锅炉。所述锅炉是一种由流动介质产生蒸汽的设备。在这种设备中，加热流动介质，典型地水，并转换为蒸汽。然后蒸汽使用于驱动机器或用于产生电能。锅炉通常包括产生蒸汽的蒸发器和过热器，蒸汽在过热器内加热到用户要求的温度。往往在蒸发器上游连接用于利用废热的预热器，它进一步提高设备的总效率。工业锅炉如今通常设计为水管式锅炉，亦即流动介质在锅炉管内流动。锅炉管可以互相气密焊接，并由此构成外壁，供给热量的高温气体在该外壁围成的空腔内部流动。锅炉的结构方式可以或设计为立式或卧式，亦即高温气体沿垂直或水平方向流动。此外，锅炉可以设计为强制直流锅炉，其中，给水泵强制实现流动介质的直流或贯通流动。在这里，给水泵将流动介质输送到锅炉内，先后流过预热器、蒸发器和过热器。在直流或贯通流过时，给水被连续加热至饱和蒸汽温度、汽化和过热，从而，至少在满负荷运行时，不需要单独的水与蒸汽的分离装置。直流锅炉也可以在超临界压力时运行。预热器、蒸发器和过热器各加热面的严格界定对于这种运行方式不再有意义，因为发生连续的相变。按一种垂直管系直流锅炉的方案，外壁的管系分成下段和上段，其中，下段包括多个并联的第一锅炉管，以及上段包括串联在第一锅炉管下游的多个并联的第二锅炉管。下段与上段通过直通收集器互相连接。由此一方面达到并联的锅炉管之间压力平衡，另一方面还达到来自不同锅炉管的流动介质至少部分混合。现在，在这种具有可沿垂直方向通流的锅炉管和具有直通收集器的直流锅炉中发现，外壁上段的各管可能承受不允许的高温，这种高温尤其可导致破坏管壁。在这里，这种高温的出现与某些运行参数有关联。因此本发明的目的是，提供一种上述类型的强制直流锅炉，它与运行状态无关地有特别长的寿命和特别低的故障率。按本发明为达到上述目的采取的措施是，将连接在直通收集器下游的锅炉管的设计参数选择为，使在锅炉满负荷时，在外壁并联的锅炉管内的平均质量流密度不低于1200kg/m2s。本发明考虑问题的出发点在于，各锅炉管的过热归因于没有充分导出通过流动介质传入的热量。没有充分散热发生在所涉及的锅炉管有过小的质量流量时。在自然循环特性突出时，在很低的进口蒸汽含量和很小的供热量时，在这些管内的流体静压降便已经近似于如在锅炉管进口与出口之间的总压差那么大或与之同样大小。因此，余留的作为流动推进力的压差很小或完全消失，从而在最严重的情况下流动停滞。虽然直通收集器应促使连接在其下游的管之间一定程度的平衡，以减弱上述效果。但人们认识到，尽管直通收集器导致完全的压力平衡，然而这并未引起进入的流动介质彻底混合，这种彻底的混合可导致连接在其下游的锅炉管内水与蒸汽份额的平衡。因此，尽管如此，基于来自加热较弱的下段锅炉管低的蒸汽含量以及在收集器内附加的局部缺乏混合现象或局部分离现象，仍能在进入上部垂直管系的各管内的进口处，在某些运行状态蒸汽含量趋于零。由此应通过足够减弱自然循环特征避免所述现象。这可以通过恰当选择连接在直通收集器下游的锅炉管的设计参数特别简单地实现，无需对各管采取附加结构性措施。然而因为这些设计参数不能有针对性地适应某些运行状态，而是在锅炉总的负荷范围内保持不变，所以为了简化设计应找到满负荷时相应的准则。如发明者认识到的那样，足够减弱自然循环特征可这样达到将设计参数选择为，使在锅炉满负荷时，在外壁的并联的锅炉管内的平均质量流密度不低于1200kg/m2s。按各自有利的设计，在设计外壁质量流量密度时，锅炉管的数量和/或内径可考虑作为设计参数，因为这些参数显著地，并与此同时可以对锅炉结构无需特别花费的情况下影响外壁内部的流动特征。立式结构的锅炉外壁可以有不同的水平横截面。若横截面基本上是矩形，则可以是一种特别简单的结构。在这种锅炉中，尤其设在角部的锅炉管加热特别弱，因为它们离高温气体通道的中心最远，并与此同时供热面积特别小。其结果是，垂直管系下段各角部管的蒸汽含量趋于零，从而在这里不均匀分布的水汽混合物进入中间收集器内。因为在这里中间收集器也没有造成充分的混合，所以可能导致连接在下游的角部管内的质量流休止并因而热量不能充分传出。因此，正是在这种锅炉中特别有利的是，将连接在直通收集器下游的锅炉管的设计参数选择为，使得锅炉满负荷时，在外壁的并联的锅炉管内的平均质量流密度不低于1200kg/m2s。直通收集器可以水平贯通地环形设置，也就是说，它将外壁的所有设在下部或上部的锅炉管互相连接在一起。尽管在所有管内压力完全平衡，但仍会发生水与蒸汽部分分离。因此，即使在这种强制直流锅炉中，有利的是仍将连接在直通收集器下游的锅炉管设计为，使得锅炉满负荷时，在外壁的并联的锅炉管内的平均质量流密度不低于1200kg/m2s。在直通收集器下方的管系可以螺旋形环绕地配置。因此这些管围绕整个外壁环形延伸。虽然这造成复杂的结构和在下部区内数量较少的锅炉管，但由此当然可基本补偿外壁不同区域内加热的差别。尽管如此仍认识到，即使在这种结构中也会导致在直通收集器中不规则的局部分离，其结果是带来上述在连接在直通收集器下游的管内质量流量过小的问题。因此，即使在这种结构中，仍将连接在直通收集器下游的锅炉管设计为，使得锅炉满负荷时，在外壁的并联的锅炉管内的平均质量流密度不低于1200kg/m2s。在燃烧矿物燃料的锅炉中，热量输入燃烧室的锅炉管内不仅仅通过对流进行，而是将大部分热量通过热辐射加入锅炉管内。因此尤其在这种锅炉中，在各锅炉管加热方面的差别特别大。因此有利地，包括一个具有一定数量矿物燃料燃烧器的燃烧室的锅炉，在满负荷时外壁锅炉管的质量流密度有相应的设计。按有利的设计，就流动介质而言在强制直流锅炉下游连接汽轮机，例如用于发电。此外，发电站设备有利地具有这种强制直流锅炉。采用本发明获得的优点尤其在于，通过适当选择外壁的连接在直通收集器下游的锅炉管的设计参数，保证在每个管内充分的热量输出，并由此避免不允许的会导致管壁损坏的高温。在这里，所述措施基于以下认识即使在强制直流锅炉内也存在不可忽略的自然循环特征，在满负荷时这种自然循环特征通过规定的最低质量流密度减弱。由此最终避免限制发电站设备的运行。下面借助附图详细说明本发明。其中
图1示意表示具有直通收集器的垂直管系强制直流锅炉；以及图2表示在满负荷时有不同质量流密度设计的强制直流锅炉加热较弱的角部管的质量流密度和其在出口处的流体温度曲线图。在所有的图中相同的部分采用同样的附图标记。图1示意表示按本发明燃烧矿物燃料的垂直管系的强制直流锅炉I。所述强制直流锅炉I包括由气密的锅炉管2构成的外壁4。在这里外壁4有基本上矩形的水平横截面6。在强制直流锅炉I的下部区内设燃烧室8，该燃烧室有一些没有详细表示的用于燃烧矿物燃料的燃烧器，这些燃烧器为锅炉管4提供热量。外壁4分成上段10和下段12，其中，上段10和下段12通过直通收集器14互相连接。在下段12内的管系在这里垂直排列，但也可以螺旋形围绕外壁环形排列或设置。直通收集器14收集所有从下段12的锅炉管2流出的流动介质，并因而在并联的锅炉管2之间实现压力平衡。接着，将来自直通收集器14的流动介质引入上段10的锅炉管2内，流动介质在那里进一步被加热并必要时被过热。在图中未表示的加热面内进一步过热后，将过热蒸汽输入发电站设备图中未详细表不的汽轮机中。借助燃烧器产生的热量基本上通过热辐射由锅炉管2吸收。尤其在下段12的角部管16内，基于它们的位置离强制直流锅炉I中心有最远的距离，以及基于受热表面特别小的几何布局，所以输入的热量小到，使从下段12角部管16进入直通收集器14中的流动介质有比较小的蒸汽含量。现在，直通收集器14虽然实现完全的压力平衡，但并没有招致进入的流动介质完全混合。基于下段12角部管16出口处所述低的蒸汽含量以及在直通收集器14中附加的局部分离现象，在上段10的个别锅炉管2进口处的蒸汽含量可能很小。根据强制直流锅炉I的运行状态，在不利地设计上段10管系时，这可能导致个别锅炉管2通流的明显间断，直至停滞。其结果又会造成未将热量充分传出和导致不允许的高流体温度，从而最终使管壁承受不允许的高温而破坏。为避免这种损坏，将上段10内连接在直通收集器14下游的锅炉管2，针对平均质量流密度为每平方米和每秒1230 (kg/m2s)设计。由此提高所有并联管总的压力损失。其结果是，在各自锅炉管2内，尤其在角部管16内，静液压降相对而言减少。因此始终保持存在足够的作为流动推动力的压差。借助图2说明这一效果图2用曲线图表示在满负荷时，确切地说，在比较小的供热时和锅炉I部分负荷运行，上段10管系平均质量流密度不同设计的上段10角部管16内流动介质的参数。左标度表示角部管16内质量流密度，按kg/m2s，右标度表示角部管16出口处流体温度，按摄氏度(V )，并由此分别描绘出它们与管进口处流动介质蒸汽含量的关系。曲线轨迹20表示为满负荷时平均质量流密度为870kg/m2s设计的管系中角部管16内的质量流密度。曲线20朝曲线图左侧的下降，清楚表明角部管16内质量流密度是如何随蒸汽含量的减少而减小的。当蒸汽含量为O时，质量流密度降为值40kg/m2s，这实际上等同于管内流动停滞。不再保证管内的热量充分传出，以及相应地流动介质并因而角部管16的温度，从蒸汽含量约O. 2起显著提高，如曲线22所示。
然而，当针对满负荷时平均质量流密度超过1200kg/m2s，在本实施例中为1230kg/m2s来设计上段10的锅炉管2时，如上所述减小自然循环特性以及减少角部管16内过度的相对静液压降。虽然曲线24也表示角部管16内质量流密度朝低的蒸汽含量方向减小。但其中质量流密度的值，即使在蒸汽含量为O时，仍保持为比在针对满负荷时平均质量流密度为870kg/m2s设计的结构中高得多的值(在这里是330kg/m2s)。如曲线26所示，这导致在任何蒸汽含量时均保证角部管16内充分的热量传出，也就是说，温度仅小量升高或保持不变。由此避免因温度过高而损坏上部区10内的外壁4，以及达到总体上延长强制直流锅炉I的使用寿命。
权利要求
1.一种强制直流锅炉(I)，具有由气密焊接、可沿垂直方向通流的锅炉管(2)构成的外壁(4)，其中，在外壁(4)内部设直通收集器(14)，就流动介质而言，所述直通收集器(14)将多个并联的第一锅炉管(2)的出口侧与串联在第一锅炉管(2)下游的多个并联的第二锅炉管(2)的进口侧连接起来，其中，连接在直通收集器(14)下游的锅炉管(2)的设计参数选择为，使得锅炉(I)满负荷时，在外壁(4)的并联的锅炉管(2)内的平均质量流密度不低于 1200kg/m2s。
2.按照权利要求1所述的强制直流锅炉(I)，其中，并联的锅炉管(2)的数量是一个设计参数。
3.按照上述权利要求之一所述的强制直流锅炉(I)，其中，锅炉管(2)的内径是一个设计参数。
4.按照上述权利要求之一所述的强制直流锅炉(I)，其中，外壁(4)有基本上矩形的水平横截面(6)。
5.按照上述权利要求之一所述的强制直流锅炉(I)，其中，直通收集器(14)水平地围绕外壁(4)环形设置，以及包括全部在下方设在外壁(4)内的多个并联的第一锅炉管(2)，以及包括全部在上方设在外壁(4)内的多个并联的第二锅炉管(2)。
6.按照上述权利要求之一所述的强制直流锅炉，其中，连接在直通收集器(14)上游的锅炉管(2)螺旋形环绕地排列在外壁(4)内。
7.按照上述权利要求之一所述的强制直流锅炉，具有包括一定数量矿物燃料燃烧器的燃烧室。
8.按照上述权利要求之一所述的强制直流锅炉，具有就流动介质而言连接在下游的汽轮机。
9.一种发电站设备，它具有按照上述权利要求之一所述的强制直流锅炉。
全文摘要
本发明涉及一种强制直流锅炉(1)，具有由气密焊接、可沿垂直方向通流的锅炉管(2)构成的外壁(4)，其中，在外壁(4)内部设直通收集器(14)，就流动介质而言，所述直通收集器(14)将多个并联的第一锅炉管(2)的出口侧与串联在第一锅炉管(2)下游的多个并联的第二锅炉管(2)的进口侧连接起来，为了与运行状态无关地有特别长的寿命和特别低的故障率，按照本发明，连接在直通收集器(14)下游的锅炉管(2)的设计参数选择为，使得锅炉(1)满负荷时，在外壁(4)的并联的锅炉管(16)内的平均质量流密度不低于1200kg/m2s。
文档编号F22B37/22GK103052848SQ201180038297
公开日2013年4月17日 申请日期2011年6月16日 优先权日2010年8月4日
发明者J.布罗德瑟, J.布鲁克纳, M.埃弗特, J.弗兰克, T.舒尔策 申请人:西门子公司