用于操作蒸汽发生器的方法

专利名称：用于操作蒸汽发生器的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于操作具有燃烧室的蒸汽发生器(steam generator)的方法, 所述燃烧室具有多个蒸发器加热表面，所述蒸发器加热表面以并联方式在流动介质侧连 接。本发明还涉及这样的蒸汽发生器。
背景技术：
蒸汽发生器是封闭的、受热的容器或者压力管系统，其用来产生用于加热和操作 目的(例如，操作蒸汽轮机)的高压和高温蒸汽。在存在特别高的蒸汽输出和压力的情况下， 如例如在发电站产生能量的时候，使用水管锅炉，其中在蒸汽发生器管道中存在通常是水 的流动介质。水管锅炉还用于固体物质的燃烧，如在其中相应固体物质燃烧而产生热量的 燃烧室可以体现为管壁布置所必需的。
因此，具有水管锅炉结构的这样的蒸汽发生器包括燃烧室，所述燃烧室的围壁至 少部分地由管壁形成，换句话说，是由气密式焊接的蒸汽发生器管道形成。在流动介质侧， 这些蒸汽发生器管道首先以蒸发器加热表面的方式作用以形成蒸发器，其中未蒸发的介质 被引入并蒸发。蒸发器在此处通常设置在燃烧室的最热的区域中。如果需要，在流动介质 侧连接在蒸发器下游的是用于分离水和蒸汽的设施以及过热器，其中例如在蒸汽轮机中的 膨胀阶段，蒸汽被加热进一步超过它的蒸发温度以便实现在随后热机中的高效率度。预热 器(或节约装置)可以连接在流动介质侧的蒸发器的上游，以便利用水热或剩余热对供水预 热，由此还整体上提高了该装置的效率。
取决于蒸汽发生器的结构和几何布局，另外的蒸汽发生器管道可设置在燃烧室 内，并联于形成围壁的蒸汽发生器管道连接在流动介质侧。它们可结合或焊接在一起，例如 用于形成内壁。取决于蒸发器加热表面或内壁在燃烧室内的预期布置，可有必要在流动介 质侧使内壁前后交错，并且有必要经由中间收集器连接它们的蒸汽发生器管道。
这是例如具有所谓的裤腿式(pant-leg)设计的情况，该设计用于具有流化床燃烧 的蒸汽发生器。至少部分由另外的蒸汽发生器管道形成的并对称设置在燃烧室中的这两个 内壁连接在流动介质侧中间收集器的上游。来自上游内壁的介质流在中间收集器中合并， 并且它用作下游内壁的入口收集器。裤腿式设计提供了燃料混合物的更佳混合，因此提供 了在燃烧侧更少的可能的分布问题。
然而，在一些操作状态下，蒸汽含量大于零可能已经发生在中间收集器中。这样的 蒸汽含量致使不可能采用简单的收集器向下游内壁规则分布介质，从而水/蒸汽分离能够 发生。由此，下游内壁的各个管道在它们的入口处可具有高的蒸汽含量或焓值而使得所述 管道过热变得非常可能。这样的过热可导致在长期运行中的管道损坏。发明内容
因此，本发明的目的在于说明一种用于操作上述类型的蒸汽发生器的方法和一种 蒸汽发生器，其允许所述蒸汽发生器具有特别长的使用寿命和特别少的维修要求。
根据本发明， 通过将流体介质以比供给到第二蒸发器加热表面的入口更低的温度供给到第一蒸发器加热表面的入口来实现该目的。
本发明基于的考虑是，通过防止由于过高的蒸汽含量或焓造成的蒸汽发生器管道过热，蒸汽发生器中的蒸发器可以实现特别长的使用寿命和特别少的维修要求。在此这样的高蒸汽含量发生特别是因为，当收集器以中间的方式被连接时，已部分蒸发的流动介质以不规则的方式分布于下游蒸汽发生器管道。因此，应通过避免在中间收集器中水和蒸汽的两相混合来防止这样的不规则分布。如果中间收集器上游的内壁不具有管道特征，使得介质过冷并且在没有进一步预热的情况下进入所述中间收集器，则这是可以实现的。然而， 该解决方案具有结构缺陷。因此，流动介质的温度反倒应当在进入蒸汽发生器的入口处降低。
然而，降低流动介质的入口温度会使蒸汽过程效率较低，而这不是预期的。同样， 这样的降低在所述蒸汽发生器管道中不是必要的，所述蒸汽发生器管道较少被加热或者在没有中间收集器的管壁中--特别是在蒸汽发生器的围壁内中。因此为了改进效率，入口温度不应在这样的蒸汽发生器管道中降低。
这可以通过以将流动介质比供给到其他蒸发器加热表面更低的温度供给到具有下游中间收集器的蒸发器加热表面--例如是裤腿式设计情形下的内壁--来实现。
为了改进效率并优化加热表面布置，预热器有利地连接在蒸汽发生器的内壁和围壁的入口的上游。这使用废热来预热流动介质。当使用废热时产生的较低的废气温度使蒸汽发生器更有效率。蒸汽发生器可具有特别简单的结构，如蒸汽发生器的内壁和围壁处的不同温度通过预热设施处的构造措施来实现，换句话说，通过以不同预热程度来供给介质而实现。为此，流动介质的第一部分被有利地导过预热器。这可以使用旁通线路来完成。由此，可以以结构上简单的方式绕过预热设施的预热器，使得较少的热量被输入所述流动介质的旁通部分中。然后，这可以被供给到较低的温度下的第一蒸发器加热表面的入口。
为了实现在承受较冷的流动介质的所述蒸发器加热表面中不会过度降低的温度， 有利地，所述流动介质的第一部分应与所述流动介质侧预热器之后分支的第二部分混合。 由此，实现了供给到第一蒸发器加热表面的流动介质的特别适合的温度降低。
有利地，第二部分流的质量通流在此具有上限。经由用于设定第二控制流的量限度的手动式调节或控制阀可施加该上限。基于方向的限制也应由止回阀提供，以便不会冷却预热器出口流体的主流，第二部分流从所述预热器以非期望方式分支。
为了实现供给到第一蒸发器加热表面的流动介质的特别简单的温度适应，有利地，应基于第一蒸发器加热表面的入口下游的测量点处的热力学特性来调节第一部分流的质量通流。为此目的，调节阀可设置在所述预热器的旁通线路中。如果在超临界压力下操作所述装置，在所述压力下，水和蒸汽在任何温度下不能同时出现且因此相分离也是不可能的，则没有上述分离的风险以及流动介质的被导过所述预热器的部分可降为零。例如在新式可变压力锅炉的部分载荷运行模式期间，如果蒸汽发生器在所述蒸发器中以亚临界压力运行，则必须遵循一定水平的过冷以防止两种介质的分离，这使用所述第一蒸发器加热表面后的测量点处的热力学特性来限定。
为了用上述的裤腿式设计蒸汽发生器实现在所述内壁的中间收集器中的热力学状态的具体针对性考虑，其中蒸汽和水组分的分离问题引起后续管道的不规则分布，有利地，测量点在此应设置在连接在第一蒸发器加热表面下游的中间收集器中。
在一个有利的实施例中，热力学特征以这样的方式被考虑压力和温度用作热力 学特征，其中饱和蒸汽温度由测量的压力确定，而实际过冷值基于测量的温度来确定。由 此，过冷度可直接确定为讨论中的问题的决定性变量。
对于特别简单的调节，有利地，针对过冷度的设定点值被预先定义，并且第一部分 流的质量通流基于过冷度的实际值和设定点值间的偏差而被调节。如果过冷度的实际值低 于设定点值，则第一部分流的质量通流有利地增加。由此，如果过冷度不足，则在预热器之 前移走的部分流中的调节阀再次打开，使得供给到入口的流体介质的温度降低且因此过冷 度增加。如果过冷度过大，则调节阀关闭。
当蒸汽发生器的载荷下降或升高时，更多或更少的流体介质经由主给水调节回路 供给到蒸发器。供给到不同的并联蒸发器加热表面的流动介质质量流的组分在载荷上几乎 保持不变。因此可以使用设计计算来计算用于第一蒸发器加热表面的质量流的设定点值。 为了实现要承受较冷流动介质的所述蒸发器加热表面的特别精确的质量流调节，有利地， 第二部分流的质量通流基于供给到所述第一蒸发器加热表面的流动介质的质量通流而被 调节。
考虑到蒸发器加热表面下游的水/蒸汽分离设施，供给到第一蒸发器加热表面的 流动介质的质量通流的其他调控可以发生。在一个有利的实施例中，供给到第一蒸发器加 热表面的介质流基于所述蒸发器的出口焓而被调节。
有利地，在此基于连接在流动介质侧第一蒸发器加热表面的下游的最后蒸发器加 热表面处的流动介质的温度和所述水/蒸汽分离设施中的压力来确定出口焓。在所述分离 器中将出口焓向平均流体焓的调节在此是有适宜的。所述蒸发器出口焓的设定点值在此应 存储为主调节回路中载荷的函数。在任何情况下，所述流体的出口温度应被限制使得不超 过最大可允许材料温度。
本发明所实现的优点具体地由以下事实组成使用具有不同水平过冷度的两种介 质供给不同蒸发器部件(围壁和内壁)意味着可靠地避免了中间收集器中的水/蒸汽分离问 题。与所有蒸发器部件有减少的入口焓的解决方案形成对比，该蒸发器不必扩大或只要稍 微扩大以确保所述蒸发器处足够高的出口焓。
作为强制循环锅炉的蒸汽发生器的实施例具有多个优点。强制循环蒸汽发生器可 用于亚临界压力和超临界压力两者，无需改变方法技术。只是收集器和管道的壁厚度必需 依规定压力设定尺寸。因此，循环原理是整个领域所认同的趋势的一部分，用于通过增强蒸 汽状态提高效率。
以可变压力整体上操作所述装置的也是可行的。在可变压力模式下，涡轮高压部 件中的温度在整个载荷范围上保持不变。关于部件的壁厚度和直径的大尺寸意味着所述涡 轮要承受比锅炉部件大得多的载荷。因此，可变压力模式关于载荷变化速度、载荷变化数和 启动具有优势。


下面参照附图更加详细地描述了本发明的示例性实施例，在图中
图1示出了具有流化床燃烧的强制循环蒸汽发生器的燃烧室的下部示意图，所述蒸汽发生器具有部分旁通的预热设施，
图2示出了来自图1的带有向内壁通流调控的循环蒸汽发生器，
图3示出了来自图1的带有内壁的出口焓调控的循环蒸汽发生器，以及
图4示出了一曲线图，示出了具有不同载荷的循环蒸汽发生器的不同区域中的流 动介质的具体焓和压力。
在所有图中，同样的部件以相同的标号不出。
具体实施方式
图1中示意性示出的蒸汽发生器I体现为强制循环蒸汽发生器。它包括多个管 壁，所述管壁由蒸汽发生器管形成并包含向上的流体，具体地是墙壁2和对称设置的、成角 度的内壁4，经由在流动介质侧内壁4的中间收集器6连接到内壁4下游的是另一内壁8。 由此，循环蒸汽发生器I以所谓的裤腿式设计体现。
流动介质穿过分别分配给围壁2和内壁4的入口 10、12进入管壁中。在内部4中， 固体燃料以流化床燃烧的方式进行燃烧，其结果是热量输入管壁中，引起了流动介质的加 热和蒸发。如果介质以相同的焓进入所有的管壁，在中间收集器6中的蒸汽含量可以较高 而对于内壁8的管道存在不规则分布，其结果是具有高的蒸汽含量的管道过热。
为了避免会发生不利，诸如较短的使用寿命或较多的维修要求，流动介质以比供 给围壁2更低的温度在收集器6的上游供给中间内壁4。因此，首先在蒸汽发生器I中对预 热器16的改动进行了规定，这确保不同的热量输入不同的介质流中。
为此，根据图1，分支点18设置在流动介质侧上的预热器16的上游。由此，流动介 质的一部分在旁通线路20中在预热器16周围转向。另一分支点22初始地设置为沿流动 介质侧方向在预热器16的下游，一线路从分支点22穿过通向围壁2的入口 10。由此，预热 的流动介质的一部分供给围壁2。预热的流动介质的另一部分在线路24中传输，其在混合 点26处与旁通线路20相遇。介质流的混合在此处产生了更低温度的介质，其然后供给内 壁4的入口 12。
止回阀30设置在线路24中，以防止由进入分支点22中的回流造成的不期望的冷 却。还设置了手动式通流调节阀32，所述通流调节阀32限制预热介质的分支质量流向上。 在旁通线路20中的自动通流调节阀28允许旁通的流动介质的量并因此供给内壁4的流动 介质的温度被容易地调节。
在中间收集器6中的压力P和温度T用作通流调节阀28中自动调节的输入变量。 饱和蒸汽温度首先由被确定的压力确定，其关于被确定的温度T的差值给出了实际过冷度 (subcooling)。为了防止在中间收集器6中的水和蒸汽的分离,预先定义了中间收集器6 中的设定点过冷度。如果实际过冷度低于设定点过冷度，自动通流调节阀28进一步关闭， 使得入口 12处的温度上升。相反地，通流调节阀28进一步打开。如果压力和温度高于流 动介质的临界点，通流调节阀28完全关闭，这是由于在超临界压力下水和蒸汽在任何温度 下不能同时出现，且因此在中间收集器6中分离不能再发生。
图2示出了本发明的替代实施例。除通流调节阀32之外，蒸汽发生器I在此处与 图1是一样的。通流调节阀32在此处像通流调节阀28 —样自动操作。这也允许供给内壁 4的介质的量被调节。用于调节的输入变量在此处是至入口 12的总流(overall flow) F,其在测量点34处被确定。在此处基于依靠设计计算确定的设定点值来传输总流F。
图3中示出了本发明的另一实施例。蒸汽发生器I在此处与图2是一样的，但示出 了另外部件，具体是内壁8的出口 36和围壁2的出口 38。来自出口 36、38的介质流合并， 并传输至水/蒸汽分离器40。在此处还示出了主调节回路，该主调节回路调节依靠通流调 节阀42供给到蒸汽发生器I的流动介质的整个量。水/蒸汽分离器40的蒸汽侧出口处的 压力P和温度T在此处用作用于调节在此处的总介质流的输入变量。
在图3中，借助入口 12供给内壁4的流动介质的量依据内壁8的出口焓而被调节。 这基于内壁8的出口 36处的温度T和水/蒸汽分离器40中的压力来确定。在水/蒸汽分 离器40中的平均流体焓在此处规定为内壁8中的出口焓的设定点值。出口 40处的出口温 度还限制在最大可允许材料温度之上。
最后，图4示出了水/蒸汽的状态图，其中流动介质的状态示出在蒸汽发生器的不 同区域。该图示出了针对以巴为单位的压力P的以kj/kg为单位的具体焓值h。首先示出 了相同温度T的线，即等温线44，它们各自温度值指示在曲线图的右轴线上，以摄氏度为单 位。在曲线图左侧的隆起状结构46显示了水/蒸汽混合物的蒸汽含量。在结构46之外介 质是单相的，换句话说仅聚集态的介质存在。结构46的大约2100kJ/kg和221巴的顶点在 此处标记为临界点48。当压力升高到221巴之上时，水和蒸汽在任何温度下都不会同时出 现。
水/蒸汽混合物存在于结构46之内。水和蒸汽的比例在此处用以10%间隔的特 征线50示出，从特征线52处的0%的蒸汽含量到特征线54处的100%的蒸汽含量。特征线 50、52、54在此处会和于临界点48处。在结构46内，等温线44垂直于压力轴线延伸，因此 它们也是等压线。因此，在恒压下进入到介质中的能量输入不引起更高的温度，却会引起水 /蒸汽组分向更多蒸汽的转换。
取决于蒸汽发生器I的载荷状态，在蒸汽发生器I内的蒸汽过程在不同的载荷特 征线56、58、60上延伸，所述特征线56、58、60不是等压线，因为示出了加热表面的压力损 失。载荷基本上在整体上确定了系统内的压力。载荷特征线56代表100%载荷下的蒸汽过 程，载荷特征线58代表70%载荷下的蒸汽过程，而载荷特征线60代表40%载荷下的蒸汽过 程。点A、B、C、D在此处分别代表蒸汽发生器I的不同点处的流动介质状态，初始地仍没有 内壁4的入口 12处的创造性的单独温度调控点A是预热器16的入口处的状态，点B是内 壁4的入口 12处的状态，点C是中间收集器6中的状态，而点D是蒸发器的出口处的状态。
如图4所示，100%载荷下蒸汽发生器完全在超临界区域中操作。在载荷特征线56 上的点A、B、C、D处不可能区分水和蒸汽，因此分离不能发生。70%载荷下已经到达亚临界 区域，但只有载荷特征线58的一小部分位于结构46内。载荷特征线58的点A、B、C仍在结 构46之下且单相的水存在。在此处分离也不会发生在中间收集器6中。
然而，40%载荷下载荷特征线60的相当大一部分位于结构46内。载荷特征线60 上的点A和B仍在结构46之下，因此单相的水仍存在于此处。然而，载荷特征线60的点C 位于结构46内具有10%的蒸汽组分。所描述的在中间收集器6中的分离可发生在此处。 然而，如果流动介质的一部分被传送过预热器16(这通过打开通流调节阀28在载荷特征线 62之下的压力区中实现)，则明确地降低了流动介质的温度以及因此能量含量。在载荷特征 线60上，点E然后显示了具有降低的温度的内壁4的入口 12处的流动介质的状态。这也减小了中间收集器6中的能量含量,如由载荷特征线60上点F所示的。该点F目前在结构 46之外，因此单相的水存在于此处并可靠地防止了分离。
权利要求
1.一种用于操作具有燃烧室的蒸汽发生器(I)的方法，所述燃烧室具有多个蒸发器加热表面(2，4，8)，所述蒸发器加热表面(2，4，8)在流动介质侧以平行的方式连接，其中，流动介质以比供给到第二蒸发器加热表面(2)的入口(10)的更低温度供给到第一蒸发器加热表面⑷的入口(12)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，预热器(16)连接在所述流动介质侧的入口(10，12)的上游，且其中所述流动介质的第一部分被导过所述预热器(16)。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述流动介质的第一部分与在所述流动介质侧的预热器(16)下游分支的第二部分混合。
4.如权利要求3所述的方法，其中，第二部分流的质量通流具有上限。
5.如权利要求2至4中的任一项所述的方法，其中，所述第一部分流的质量通流基于所述在第一蒸发器加热表面(4)的入口(12)下游的测量点处的热力学特性而被调节。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述测量点设置在中间收集器￠)中，所述中间收集器(6)连接在所述第一蒸发器加热表面的下游。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中，压力(P)和温度⑴被用作热力学特征，其中饱和蒸汽温度由测量的压力(P)确定，并且实际过冷值基于测量温度(T)确定。
8.如权利要求7所述的方法，其中，设定点值针对过冷度被预先定义，且其中，所述第一部分流的质量通流基于过冷度的实际值和设定点值之间的偏差而被调节。
9.如权利要求8所述的方法，其中，如果过冷度的实际值低于设定点值，则增加所述第一部分流的质量通流。
10.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第二部分流的质量通流基于供给到所述第一蒸发器加热表面(4)的流动介质的质量通流而被调节。
11.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，供给到所述第一蒸发器加热表面(4)的介质流基于最后蒸发器加热表面(8)的出口焓而被调节，所述最后蒸发器加热表面(8)连接在所述流动介质侧的第一蒸发器加热表面(4)的下游。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述蒸发器加热表面(8)的出口焓基于连接在所述流动介质侧的第一蒸发器加热表面(4)下游的所述最后蒸发器加热表面(8)处的流动介质的出口(36)处的温度和水/蒸汽分离器(40)中的压力而被确定，所述水/蒸汽分离器(40)连接在所述流动介质侧的蒸发器加热表面(2，4，8)的下游。
13.一种蒸汽发生器(I)，具有用于执行如权利要求1至12中的任一项所述的方法的>j-U ρ α装直。
全文摘要
本发明涉及一种用于操作包含燃烧室的蒸汽发生器(1)的方法，所述燃烧室具有多个在流动介质侧并联连接的蒸发器加热表面(2,4,8)。本发明的目的在于提供一种拥有特别长的使用寿命并且特别可靠的蒸汽发生器。为此目的，流动介质比向第二蒸发器加热表面(2)入口(10)所导入的流动介质温度更低的温度导入第一蒸发器加热表面(4)的入口(12)。
文档编号F22B29/00GK103026136SQ201180022925
公开日2013年4月3日 申请日期2011年4月7日 优先权日2010年5月7日
发明者J.布吕克纳, J.布罗德瑟, M.埃弗特 申请人:西门子公司