控制锅炉压力器皿中的变量的制作方法

本申请大体涉及用于控制锅炉压力器皿中的变量的系统和方法。更详细地说，本申请涉及用于降低在锅炉压力器皿的壁中的应力的系统和方法。

背景技术

锅炉压力器皿(在下文中称为“锅炉”)是封闭的器皿，包括壳且容纳可在受控制的条件下用燃料或热气加热的液体。壳是通过一个或多个壁限定的筒(drum)(在下文中称为“筒”或“锅炉筒”)。燃料中包含的化学能转换成热能，其加热锅炉中的液体并使它气化。液体和蒸气的混合物进入筒。筒的壁设计成以便承受通过气化的液体施加的压力。气化的液体可从筒获得，并且被用来提供功，或者用作热源。

启动最初处于环境条件的锅炉通常引起筒壁上将要经受的快速的温度变化。这些温度变化可在壁内产生热应力。这样的应力可在壁的材料中引起裂纹的产生和延伸。在某些情况下，这样的应力还可引起形成于容纳水的筒的壁内部上的磁铁体(magnetite)层中的裂纹的产生和延伸。

在其中水被加热并且被气化成蒸汽的自然循环锅炉和辅助循环锅炉两者中，筒是用来从水中分离蒸汽的蒸汽筒。在以高压操作和/或具有大的筒直径的锅炉中，壁的厚度更大(与以较低的压力操作和/或具有小的筒直径的锅炉相比)，以便保持可接受的压力应力水平。增加的壁的厚度导致在壁的内部增加的热应力。在筒壁内部的高的应力还发生在不同的部位或延伸穿过壁的穿透处。典型的穿透包括喷嘴等。因为穿透是筒壁中的薄弱点，由于欧洲标准(en)规范强加于锅炉中(并且更详细地说，在锅炉的筒中)的最大应力范围上的限制，锅炉的最大操作压力被有效地限定。应力的范围还限制了锅炉可经历的快速启动的数量，以及在锅炉的寿命期间的启动总数量。

厚壁的锅炉筒通常只在它们的内部表面上被加热，这导致壁中暂时的和不均匀的温度，特别是在启动时期期间。随着壁的厚度增加，穿过壁的温度梯度也增加。对于内部温度变化的给定速率，因为筒的壁的厚度增加，诱发的热应力增加。随着时间的推移，壁加热到均匀的温度，由此消除了这种类型的热应力。压力应力然后处于支配地位。由于热梯度和内部压力(当重复地应用和去除的时候)引起的这样的应力可引起构件材料中裂纹的产生和延伸。限制应力以便防止这样的裂纹的需要可有效地限制筒中温度变化的速率。通过限制温度变化的速率，锅炉的操作柔性(例如，可得到的最大压力)被降低。该柔性对提供快速启动以便响应能量需求的变化而言是所希望的。

锅炉筒上的符合en规范要求的附加约束是限制应力的范围以便避免磁铁体开裂。为了避免磁铁体开裂，最高的压应力和最高的拉应力之间的差应不超过600兆帕(mpa)。在图1中说明了该应力范围，图1说明了在锅炉启动期间蒸汽筒的典型的应力历程。当筒壁的温度随着接近稳定状态的操作条件而变得更均匀时，早期在启动过程中发生的热应力显示为逐渐减小。当接近稳定状态的条件时，由于内部压力引起的应力相比于热应力占优。对于给定的筒直径，正环向应力(hoopstress)(张力)可通过增加筒壁的厚度降低，但这会由于在启动时穿过壁的温度而增加负应力，并且限制了启动的速率或数量。

技术实现要素：

根据本文说明的方面，提供有一种控制锅炉压力器皿中的应力的方法。该方法包括限制锅炉压力器皿的筒的直径和预热筒的壁的至少一部分。对于给定的机械应力，限制筒的直径允许增加筒中的压力。此外，预热筒的壁减少了制成筒的材料中的最高热诱导应力。

根据本文说明的其它方面，提供有一种操作锅炉压力器皿的方法。该方法包括在锅炉压力器皿的启动操作之前，在锅炉压力器皿的操作期间，和/或在锅炉压力器皿的停止运转操作期间，把局部加热应用于锅炉压力器皿的一部分。在把局部加热应用于锅炉压力器皿时，锅炉压力器皿中的热诱导应力降低。

根据本文说明的其它方面，提供有一种控制锅炉压力器皿中的变量的方法。该方法包括：提供锅炉的蒸汽筒；通过限制蒸汽筒的直径控制蒸汽筒的壁中的机械应力；以及通过加热蒸汽筒的至少一部分控制蒸汽筒的壁中的热应力。在锅炉压力器皿的启动时期和停止运转时期中的至少一个期间通过预热蒸汽筒中的穿透和/或包围蒸汽筒中的穿透的区域来实现蒸汽筒的一部分的加热。

通过以下的附图和详细的描述举例说明上面所描述的和其它的特征。

附图说明

现在参考附图，它们是示范性实施例，并且其中，同样的元件用同样的方式编号。

图1是用于蒸汽筒的典型的应力历程的图示。

图2是锅炉的蒸汽筒的纵截面的示意性说明。

图3是锅炉的蒸汽筒的纵截面的透视图。

具体实施方式

现在参考图2，在10处大体示出了锅炉的蒸汽筒的一个示范性实施例，并且其在下文中称为“筒10”或“蒸汽筒10”。筒10可来自自然循环锅炉、辅助循环锅炉或者任何其它类型的锅炉。筒10具有细长的圆柱形形状，并且具有被喷嘴14穿透的壁12，喷嘴14接收高温蒸汽/液体混合物并且将该混合物排放到筒的衬套或隔板18和壁12的内表面15之间的环形空间16中。壁12还具有外表面17。喷嘴14可延伸超过壁的内表面15(图2)或者它们可在内表面15处终止(图3)。液体26，例如，诸如水，蓄积在筒10的底部中。一个或多个蒸汽分离单元24位于由隔板18封闭的体积的外部。来自蒸汽/液体混合物34和来自水26的气化的蒸汽穿过干燥组件32，并且通过出口30被去除。图2的结构不限于所示出的结构，因为其它的结构是可能的。

在锅炉操作时,特别是在从环境条件启动时，喷嘴14和围绕喷嘴14的壁12的内表面15的区域15a就被蒸汽/液体混合物34影响。穿过喷嘴14和壁12的材料的温度瞬变(例如，热从一区域到另一区域的运动)产生热应力。相应地，喷嘴14和围绕喷嘴的区域15a，即筒壁12－且特别是在内表面15处，经受来自高温的蒸汽/液体混合物34的应力。由于压力，还遇到机械应力，诸如在筒10的壁12中的环向应力。

壁12中的机械应力是各种过程变量-即：筒10的半径、壁12的厚度以及筒10的内部压力-的函数。这可通过如下等式描述：

σm=f(pr/t)

其中：

σm是筒的环向应力；

p是内部压力；

r是筒半径；以及

t是筒壁厚度。

对于给定的内部压力和应力，减小筒的半径或者直径导致筒10的壁12的厚度被减小。

适应机械应力的一种方法(其对带有大于50千克每秒(kg/s)的蒸汽生产的自然循环锅炉和辅助循环锅炉两者都可适用,以便使得能够在更高的压力下操作，由于作为结果发生的更高的循环效率，这是合乎期望的)是限制筒10的壁12的厚度。壁12的厚度通过使用相对小的直径的蒸汽筒-例如，具有在大约1000毫米(mm)和大约1775mm之间的内径的蒸汽筒-来限制。当筒10的直径被减小，并且壁12的厚度被限制到与具有大于大约1775mm的内径的筒一致的值时，p的值对于给定的环向应力可增加。典型的壁厚度可在从大约70mm到大约150mm的范围中。

筒10的壁12内的热应力还发生在穿过壁12到达内表面15的喷嘴14或其它穿透处，以及在邻近喷嘴14的内表面15a处。参考图3，局部高应力范围区域在20处示出。该局部高应力范围区域20位于内表面15上－接近喷嘴14穿透壁所在的区域。在该局部高应力范围区域20中的应力是筒其余部分中任何其它区域中的应力的至少2倍。

已经发现，以受控制的方式把局部加热应用于筒10的至少一些部分可降低筒10内的温度瞬变和热应力。

应用局部加热以便适应热应力的一种方法是当筒10在环境压力条件下时，在锅炉启动之前预热喷嘴14和邻近喷嘴14的区域15a(例如，在喷嘴14的区域中的壁12的内表面区域15a)。在一个实施例中，局部加热可应用在筒10的外表面17上、接近喷嘴14进入筒10所在的区域(例如区域17a)。这将会降低制成筒10的壁12的材料中的最高热诱导应力，其否则将会限制从环境条件启动的数量，或者由于应力范围的en规范限制而甚至防止筒型锅炉以高于一定的压力范围来使用。局部地预热喷嘴14和/或壁12可用作限制筒10的直径的备选方案或结合限制筒10的直径来使用。

还应理解的是,不局限于在锅炉启动时采用该方法，因为喷嘴14和壁12可在停止运转操作期间被加热。这样做时，热从喷嘴14和壁12消散的速率将会降低，因此降低了喷嘴14和壁12的材料中的热诱导应力。

除了通过使用局部加热降低热诱导应力以外，构思了局部加热使用比加热整个筒10(例如，整个内表面15)和它包含的流体26将需要的(能量)少得多的能量，因此降低了操作成本。在没有任何类别的预加热的特征在场的情况下，与带有预加热的冷启动的基本上无限制的数量相比，冷启动的数量可能(potentially)会被限制为规格中的绝对最大值(例如300)。

针对温度的给定斜坡上升(rampup)(温度瞬变)的最大可能热应力也是各种过程变量的函数，并且随着壁的厚度的平方近似地改变。对于温度变化的同样速率，减小的厚度会导致减小的热应力。这通过以下公式描述：

σt=f(trt²)

其中：

σt是热应力；

tr是温度变化的速率；以及

t是筒壁厚度。

启动最初处于环境条件的锅炉导致筒10中以及筒10的其它构件(例如喷嘴14等)中的快速的温度变化。这些温度变化可在这些构件内产生热应力。这样的应力可在制成构件的材料中和在某些情况下在形成于容纳水26的这种筒10的内表面15上的磁铁体层中引起裂纹的产生和延伸。以受控制的方式预热筒10的至少一些部分或压力器皿的其它构件可降低温度变化的速率，因此降低了构件内的热应力。通过电阻加热或其它容易可用的方式实现筒10的预热。

尽管本发明已关于其详细的实施例被示出和描述，本领域技术人员将理解的是，在不背离本发明的范围的情况下可做出不同的更改，并且等效物可替代其元件。另外，在不背离本发明的本质范围的情况下，可做出修改以便使特定的情况或材料适用于本发明的教导。因此，意图是，本发明不限于在上面的描述中公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附的权利要求的范围内的所有实施例。