一种优化流场布置的自然循环分体管壳式余热锅炉的制作方法

本发明涉及余热回收领域，具体涉及一种优化流场布置的自然循环分体管壳式余热锅炉。

背景技术：

余热资源，又称废热资源，是指在目前条件下有可能回收和利用的，从能源利用设备或系统中排出的热能等能源。余热锅炉是回收高温烟气余热的重要设备，其本质是利用高温烟气作为热源产生蒸汽的换热器，产生的蒸汽可用作发电、供暖以及化工原料等。传统的管壳式余热锅炉采用的是单管壳结构，工质受热相变产生的蒸汽在同一空间分离。在石化行业中，烟气量较大，烟气温度高时，为保证管束受热面积，需要增加锅筒的尺寸，随之而来为保证结构的强度，需要更厚的锅筒壁厚，使得制造成本增大。为降低制造成本，石化行业开始使用一种分体管壳式的余热锅炉，主要包括利用余热产生蒸汽的锅筒以及锅筒上部用于汽液分离的汽包，锅筒与汽包通过上升管和下降管相连。锅炉下部锅筒内布满换热管束，高温烟气从管内流过，将热量通过换热管壁传递给锅筒内部的工质水使之汽化。水汽化产生的水蒸气在浮力作用下携带部分工质水向上流动，汽液两相流体流经上升管并进入锅炉上部的汽包，在汽包内实现汽液分离，最后蒸汽由蒸汽出口流出。

目前，对于这种新型分体管壳式余热锅炉的设计主要依靠经验，比较细致的研究工作开展较少。在实际运行过程中，烟气在换热管内沿流动方向，其热流密度逐渐减小，造成锅筒内工质水的气化并不均匀。管束间汽液两相分配不均势必导致流动紊乱，汽液两相除在重位压差作用下向上流动外，还会沿换热管的方向产生横向流动，使得换热管束产生震荡。由于锅筒内汽液两相分配不均，上升管中蒸汽的含汽率也因此出现差异，含汽率较高的上升管，其流速较高，而含汽率较低的上升管内工质的流速相应较低。而上升管的上端与汽包相连，当上升管内汽量小到一定程度后，汽量不足以克服汽包内的饱和水而向上流动时，便会产生流动滞止，甚至会产生倒流的现象，这无疑进一步促进了锅筒内汽液两相的流动紊乱程度。在锅筒换热管束间，流动与换热息息相关，汽液两相流体的紊乱流动也势必会造成局部区域的传热恶化，大大缩短换热管的使用寿命。

另外，锅筒的前后管板与壳体之间以及管板与换热管之间的焊接均为异种钢焊接，特别是在前管板处烟气温度较高，热流密度较大，极易发生管板开裂泄漏等安全事故，增加锅炉在运行过程中的非计划检修。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种优化流场布置的自然循环分体管壳式余热锅炉，解决分体管壳式余热锅炉中下部锅筒内汽液两相流动的紊乱状况，以及避免上升管内汽液两相流动滞止甚至倒流。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括从下往上依次布置的锅筒和汽包，其中锅筒包括壳体，壳体内安装竖直的前管板和后管板，前管板和后管板将壳体内部依次分隔成烟气入口、换热腔和烟气出口；

换热腔的下侧通过若干个并排的第一分水管与集水管相连；换热腔内布置有换热管束，且烟气入口、换热管束和烟气出口依次连通；换热腔内通过布置若干块竖直的支撑挡板分隔成若干个换热单元，每个换热单元均通过一根上升管与汽包相连，上升管的上端均伸入汽包中且始终位于汽包内的液面上方；支撑挡板上开设有用于换热管束穿过的管孔，支撑挡板下部的管孔之间开设有挡板孔；

汽包上设置有一个汽包补水口；汽包顶部设置有若干个蒸汽出口；汽包通过一个下降管与集水管相连。

进一步地，在前管板所在的换热单元内安装一块竖直的隔板，且该换热单元下侧开设一个锅筒入水口；其中换热管束密封穿过隔板，隔板的上端与换热腔顶部之间留有间隙；锅筒入水口位于隔板和前管板之间，且通过第二分水管与集水管相连；第二分水管的直径是第一分水管直径的1.2～1.5倍。

进一步地，汽包内部中间设置一水平的多孔平板，汽包内还设置有用于控制液位在多孔平板以下的液位控制装置；汽包补水口位于汽包顶部。

进一步地，上升管的顶部均设置有汽水分离器；汽水分离器包括底部套在上升管顶部外侧的套筒，套筒的内径大于上升管的外径，套筒的顶部和上升管顶端之间留有间隙；套筒的底部开孔且侧壁上开设倾斜度为30～45°的倾斜口，倾斜口内侧放置有一层铁丝网。

进一步地，汽包顶部的蒸汽出口处均安装有蒸汽出口管，蒸汽出口管的入口安装有铁丝滤网蒸汽干燥器。

进一步地，汽包补水口和下降管的入口分别位于汽包两端。

进一步地，换热管束包括若干根换热管，换热管为若干层且错排布置；锅筒内第一分水管出口正对处留有能够安装1～3根换热管的间隙，锅筒顶部留有能够安装1～2层换热管(18)的间隙。

进一步地，换热管采用内肋管。

进一步地，换热腔下侧开设有排污口；汽包上设置有安全阀，汽包两端分别设置人孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过在锅筒内部加装支撑挡板，在支撑挡板的下半部管孔间隙开设挡板孔，便于锅炉热负荷变化时均匀补水；支撑挡板上半部密封，防止不同区域因蒸汽量不同而造成整个锅筒内汽液两相流动紊乱，从而避免不同上升管内蒸汽量出现较大的差异，造成流场恶化及震荡；通过将上升管伸入汽包内部液面之上，可以有效避免汽包内液体水对上升管内汽液两相流动的阻碍，防止上升管内由于分配的汽量不足而出现流动滞止甚至倒流现象；本发明不但可以有效解决分体管壳式余热锅炉中下部锅筒内汽液两相流动的紊乱状况，而且有效解决上升管内汽液两相流动滞止甚至倒流的问题。

进一步地，本发明通过靠近前管板处加装隔板，隔板与前管板之间形成一个较窄的流动空间，同时在该空间底部设置一锅筒入水口，由于前管板及换热管入口段热流密度较大，产生的蒸汽较多，在该空间便会产生较大的重位压差，提高局部流速，改善前管板处的流场及传热，避免发生传热恶化，增加前管板的使用寿命。

进一步地，本发明通过在汽包中间部位加装多孔平板，可以有效减小锅炉运行过程中汽包内液位的波动，同时还可以缓解补水时对汽包内的工质水造成扰动。

进一步地，本发明通过在上升管顶部出口处安装汽水分离器，对上升管内蒸汽携带的饱和水进行粗分离，同时还可以防止汽包内的液态水由于波动进入上升管内，对向上流动的汽液两相流体造成压迫。

进一步地，本发明通过在汽包蒸汽出口加装铁丝滤网蒸汽干燥器，对蒸汽中携带的液滴进行细分离，过滤出的液滴向下流出铁丝滤网蒸汽干燥器，流入汽包底部的液空间。

进一步地，本发明通过将下降管入口与汽包补水口分设汽包两端，可以促进汽包补水与上升管内蒸汽携带的饱和水混合均匀，避免部分过冷水直接由下降管进入锅筒，在下层换热管束间形成过冷沸腾，造成换热管的应力循环疲劳而缩短使用寿命。

进一步地，本发明通过将换热管束错排布置，在自然循环条件下可以优化锅筒内部汽液两相流场与传热。本发明通过在第一分水管出口正对处留有能够安装1～3根换热管的间隙，避免正对第一分水管的换热管对入口水流造成较大的流动阻力，同时避免汽泡无法及时脱离换热管管壁造成传热恶化；通过在锅筒顶部留有能够安装1～2层换热管的间隙，避免顶层换热管暴露于聚集的蒸汽空间而发生传热恶化的同时，也更有利于尽快疏散聚集于锅筒顶部的蒸汽，使之进入上升管，防止出现较为严重的气塞。

进一步地，本发明通过采用内肋管作为换热管，可以增大烟气在换热管内的换热面积以及增强流体的扰动程度，强化其换热效果。

【附图说明】

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A-A向的剖面示意图；

图3为支撑挡板的示意图；

图4为隔板的示意图；

图5为锅筒内换热管布置方式示意图；

图6为锅筒内布置的内肋换热管示意图；

图7为上升管顶端装设的汽水分离器示意图；

图8为汽包内蒸汽出口管入口处装设的铁丝滤网蒸汽干燥器示意图。

图中，1-烟气入口；2-锅筒；3-下降管；4-汽包；5-安全阀；6-蒸汽出口；7-液位计；8-铁丝滤网蒸汽干燥器；9-汽水分离器；10-汽包补水口；11-人孔；12-上升管；13-后管板；14-烟气出口；15-排污口；16-支撑挡板；17-第一分水管；18-换热管；19-集水管；20-隔板；21-前管板；22-多孔平板；23-挡板孔；24-锅炉支座。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1和图2，本发明包括从下往上依次布置的锅筒2和汽包4，锅筒2安装在锅炉支座24上；其中锅筒2包括壳体，壳体内安装竖直的前管板21和后管板13，前管板21和后管板13将壳体内部依次分隔成烟气入口1、换热腔和烟气出口14。

换热腔的下侧通过若干个并排的第一分水管17与集水管19相连；换热腔内布置有换热管束，换热管束两端分别与前管板21和后管板13胀焊角接，且烟气入口1、换热管束和烟气出口14依次连通；换热腔内通过布置若干块竖直的支撑挡板16分隔成若干个换热单元，每个换热单元均通过一根上升管12与汽包4相连。

参见图3，支撑挡板16上开设有用于换热管束穿过的管孔，支撑挡板16下半部区域的管孔之间均开设有挡板孔23，目的在于使锅炉运行过程中局部热负荷发生变动时，换热腔底部可以均匀补水，同时支撑挡板16上半部区域管孔间并不开孔，挡板孔23均始终位于换热腔内的液面下方，避免蒸汽穿过挡板孔23进入其它换热单元，避免产生蒸汽横向流动。支撑挡板16起到固定换热管束，减小汽液两相流体冲刷管束时产生的震动的作用，同时将换热腔隔成多个换热单元，以平衡上升管的蒸汽量。

支撑挡板16呈圆形，与换热管束以及锅筒2内壁面均密封处理，有效防止不同换热单元内汽液两相流动的相互干扰，均衡上升管12内的蒸汽量。

本发明上升管12优选为3根，在三根上升管12之间的空间位置插入两块支撑挡板16，2块支撑挡板16将锅筒2内部分成3个换热单元，每个换热单元底部中间开设入水口，分别与集水管19分出的三个第一分水管17相连；隔板20将第一个换热单元分为两个区域，其中靠近前管板21的锅筒2底部连接直径相对较大的第二分水管，因为前管板21处热负荷较高，由前段设置的半块隔板20与前管板21可以形成一个相对封闭的小空间，产汽量大，可以增大局部循环压头，提高前管板21处的流速，为了保证补水及时，所以第二分水管直径稍大一些，是三根第一分水管17直径的1.2～1.5倍；根据实验实际观察到的情况，靠近前管板21、后管板13处工质水汽化量较大，因此为均匀分配三个上升管12中的蒸汽量，将前面的支撑挡板16靠近第一个上升管12布置，后面的支撑挡板16靠近第二个上升管12布置或者直接位于第二上升管12和第三个上升管12正中间，如图1所示，使得三个换热单元的长度比为1:2：(2～3)，即第二个换热单元的长度基本为第一个换热单元的两倍，第三个换热单元是第二个换热单元的1～1.5倍，后续如果继续增加换热单元，则后一个换热单元基本是前一个换热单元长度的1.5倍左右，以均衡蒸汽量。

换热腔下侧开设有排污口15。

如图4所示，在前管板21所在的换热单元内安装一块竖直的隔板20，且该换热单元下侧开设一个锅筒入水口；其中隔板20上只开设管孔，换热管束密封穿过隔板20的管孔，隔板20的上端与换热腔顶部之间留有间隙，隔板20的圆弧边缘与锅筒2壳侧密封；锅筒入水口位于隔板20和前管板21之间，且通过第二分水管与集水管19相连。隔板20与前管板21之间形成一个较窄的流动区域，在其底部同时设置一锅筒入水口。利用前管板21处热负荷较高，蒸汽量较大的特点，可有效提升该局部流动区域内的重位压头，从而保证前管板21处工质有较高的流速，改善前管板21的换热条件，减少发生过冷沸腾等问题的影响，增加其使用寿命。

如图5所示，换热管束包括若干根换热管18，换热管18为若干层且按正三角错排布置；根据对顺排管束和错排管束在自然循环流动条件下的数值模拟结果，采用错排布置时，锅筒2内汽液两相工质在不同区域的流动较为均匀，可防止换热管18局部热负荷较高时出现第一类传热恶化(换热管18管壁附近产生汽泡速度较快，周围工质流速较低而无法及时脱离，造成管壁温升较大)。根据对锅筒2内流场的数值模拟结果分析，当锅筒入水口处流速较大时，管束最底层正对锅筒入水口处的换热管18，对入口流体的阻碍作用较为剧烈。因此在锅筒2底部管束的最底一层，正对锅筒2底部锅筒入水口处应减少布置1到3根换热管18，也就是在锅筒2内第一分水管17出口正对处留出能够安装1～3根换热管18的间隙；当锅炉热负荷较大时，锅筒入水口处流速相应较高，避免正对锅筒入水口处的换热管18对入口水流造成较大的流动阻力。根据数值模拟对锅筒2含汽率的结果分析，在锅筒2顶部至上升管12入口处，通常会有大量的蒸汽聚集，而且热负荷越高时越为明显。蒸汽大量聚集严重时，必定使上层换热管束的部分换热区域暴露于蒸汽空间，造成换热管18的第二类传热恶化(换热管18金属壁面暴露于蒸汽空间，造成管壁较大的温升)，大大减小顶层换热管束的使用寿命。同时，最上层换热管束由于靠近上升管12的入口，对锅筒2顶部聚集的蒸汽流动也造成了一定的阻碍，因此在锅筒2顶部应预留一定空间，少布置一到二层换热管18，也就是留出能够安装1～2层换热管18的间隙，避免顶层换热管18暴露于聚集的蒸汽空间而发生传热恶化的同时，也更有利于尽快疏散聚集于锅筒2顶部的蒸汽，使之进入上升管12，防止出现较为严重的气塞。

如图6所示，本发明锅筒2内换热管18采用内肋管，高温烟气通过换热管18将热量传递给锅筒2内的工质水，并使之气化，在该传热过程中，换热管18由内向外分别为对流换热、金属壁面导热、蒸发换热，相比而言，管内侧的对流换热热阻较大，换热管18外由于涉及到相变换热，传热热阻很小，对于合理的强化传热方式而言，应对换热薄弱的一侧进行强化，即换热管18的内侧换热，换热管18采用内肋管不仅可以增大管内烟气的换热面积，同时也促进了烟气流动时的扰动，增强对流换热效果。

汽包4上设置有1个安全阀5、若干个蒸汽出口6和1个汽包补水口10，汽包4两端分别设置人孔11。汽包4通过一根下降管3绕过锅筒2与锅筒2底部的集水管19相连，本发明中汽包补水口10与下降管入口分设两端，更加有利于补水与上升管12中蒸汽携带出的饱和水混合均匀，降低进入下降管3的工质水的欠饱和度，减小部分工质水由于过大的过冷度而引起的过冷沸腾对锅筒2底部换热管束的影响。本发明中蒸汽出口6优选为两个，且对称设置，防止震动。

汽包4内部中间设置一水平的多孔平板22，多孔平板22贴近汽包4液位水面之上；汽包4内还设置有用于控制液位在多孔平板22以下的液位控制装置。其中液位控制装置包括设置在汽包内的液位计7，液位计7与汽包4底部相连；可以根据液位计7进行手动控制，也可以根据液位计7和其它必要的控制器控制液位，锅炉运行过程中保证液位始终控制在多孔平板22以下，可以有效防止汽包4内液位的波动。汽包4的汽包补水口10设置在汽包4顶部，多孔平板22的设置对于补水也是一种缓冲，减缓补水时对汽包4内饱和水的影响。

上升管12的上端均伸入汽包4中且始终位于多孔平板22上方，在锅炉运行过程中，上升管12内出现汽液两相流动滞止甚至倒流的现象，这主要是由于锅筒2内汽液两相流场混乱而导致的不同上升管12内所流过的蒸汽量不同，当某一上升管12内蒸汽量较少时，便不足以克服上升管12以及汽包4内的饱和水而向上流动，造成工质流动滞止甚至倒流的问题。因此本发明将上升管12伸入汽包4内部的液面之上，使得上升管12的出口区域为水蒸气而非水空间，可以有效杜绝上升管12内出现流动滞止以及工质倒流的问题。配合锅筒2内所设置的两个支撑挡板16，可以均衡三个上升管12内的蒸汽量，减小不同上升管12内因流过的汽量差异而引发工质流速不同的问题，防止上升管组出现较为剧烈的震荡。

如图7所示，上升管12上端均设置有汽水分离器9，汽水分离器9对上升管12内汽液两相分离的同时，也可起到防止汽包4内工质水由于波动而进入上升管12内；汽水分离器9包括底部焊接套在上升管12顶部外侧的圆形套筒，套筒的内径大于上升管12的外径，套筒的顶部和上升管12顶端之间留有间隙；套筒的底部开孔且侧壁上开设倾斜向上的的倾斜口，倾斜度为30～45°，倾斜口内侧放置有一层铁丝网。经过这种汽水分离器9对上升管12内蒸汽携带出的饱和水进行粗分离，保证蒸汽进入上方的汽空间，饱和水向下流入多孔平板22下方的液空间。

如图8所示，汽包4顶部的蒸汽出口6处均安装有蒸汽出口管，蒸汽出口管的入口安装有铁丝滤网蒸汽干燥器8，铁丝滤网环向倾斜布置于蒸汽出口管的入口端，靠近蒸汽出口管的入口处留有一定的空间。汽包4上部的蒸汽进入蒸汽出口6时，需先流过该铁丝滤网蒸汽干燥器8，对蒸汽中携带的液滴进行细分离，铁丝滤网周向倾斜布置，方便过滤出的液滴向下流出铁丝滤网蒸汽干燥器8，流入汽包4底部的液空间。

本发明主要的工作过程及原理：汽包4通过一根下降管3将工质水向下输送到集水管19，再经四根分水管管组对锅筒2进行补水，高温余热烟气通过布置在锅筒2内部的换热管束对工质水进行加热，产生的蒸汽携带饱和水由锅筒2顶部的三根上升管12进入汽包4，三根上升管12伸入汽包4内部的液位上方，汽液混合物经上升管12顶端安装的汽水分离器9进行汽液分离，蒸汽由蒸汽出口6流出进行利用。

本发明通过设置支撑挡板16和隔板20、合理布置换热管束、将上升管12伸入汽包4内部液面之上并加装简易气液分离器等方式，对锅筒2和上升管12内的汽液两相流场进行优化，防止上升管12内出现流动滞止甚至倒流的现象；为减轻汽包4内液位波动和过冷沸腾对换热管束的影响，提高蒸汽干度，分别提出了在汽包4内设置一多孔平板22、将汽包补水口10与下降管3入口分设汽包4两端以及在蒸汽出口6加装铁丝滤网蒸汽干燥器8等技术手段。本发明能有效防止上升管12出现流动滞止甚至倒流的水循环故障。

本发明不但可以有效解决分体管壳式余热锅炉中下部锅筒2内汽液两相流动的紊乱状况，避免锅筒2局部区域换热管18发生传热恶化，完全依靠锅炉内工质的自然循环改善锅筒2前管板21区域工质流动与传热状况，而且更为重要的，提出将上升管12伸入汽包4内部液面以上，同时在上升管12顶部加装汽水分离器9，避免汽包4内的水流入上升管12内阻碍蒸汽向上流动，有效解决上升管12内汽液两相流动滞止甚至倒流的问题。本发明适用于工业大流量烟气余热回收利用。