一种直流式蒸发器及其设计方法与流程

本发明涉及一种直流式蒸发器及其设计方法。

背景技术：

随着燃气轮机技术的不断发展，与之配套的用于燃气-蒸汽联合循环机组的余热锅炉（hrsg）也不断朝着大容量、高参数方向提升。随着锅炉蒸汽压力和蒸汽温度的不断提升，经典的带汽包的自然循环将不再适应联合循环机组发展需求。

通过引入一次通过的直流式蒸发器，消除大壁厚的汽包，可以突破临界压力的限制，减小锅炉启停过程中的热应力，增强机组的快速启停和变负荷能力，进而提高联合循环机组的经济性和运行灵活性。由于余热锅炉的结构和受热条件与煤粉锅炉相比存在巨大的差异，其直流蒸发系统亦需采用全新的设计方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种易操作的适用于大型余热锅炉的直流蒸发器的设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种直流式蒸发器设计方法，该方法适用的蒸发器包含沿烟气方向串联布置的两级蒸发受热面，高温级蒸发器2在前，低温级蒸发器1在后；

所述设计方法具体实施步骤如下：

步骤一、根据常用管子规格和压力、温度参数预估蒸发器的材料和规格；

步骤二、根据传热计算选定一总换热面积a，使高温级蒸发器出口过热度在最大连续负荷下不低于30℃。该换热面积的选取应考虑鳍片密度或管子数量在布置上的可实施性；

步骤三、将选定的总换热面积a划分成两部分，高温级a1和低温级a2，作为初始值，一般可采用a1：a2＝1：2的比例进行划分；

步骤四、依次进行传热计算，确定低温级蒸发器出口含汽率x。

对x进行评判，若x≥55%，进入步骤五；否则返回步骤三，重新确定面积比例；

步骤五、进行最小稳定负荷下的热力计算，若高温级蒸发器出口过热度不低于15℃，进入步骤六；否则返回步骤二，重新选定总换热面积a；

步骤六、进行低温级蒸发器的流动稳定性核算；

步骤七、若低温级蒸发器管排存在脉动、停滞或倒流风险，则通过调整管径或增加节流圈的措施予以规避，并重新进行水动力计算，直至水动力稳定性风险消除；

根据设计调整情况，按需更新热力计算，返回步骤四；如不需要调整了，进入步骤八；

步骤八、逐排计算高温级蒸发器的热力和水动联算，确定每排管出口的温度和最高壁温；

若高温蒸发器每排管出口均为过热蒸汽，进入步骤九，否则返回步骤三，重新确定面积比例；

步骤九、计算低温级受热面壁温；

步骤十、结合设计压力进行强度计算；若不满足强度要求，返回步骤一、重新选取管子材料或壁厚；反之，设计完成。

一种直流式蒸发器设计方法，该方法适用的蒸发器包含沿烟气方向串联布置的两级蒸发受热面，高温级蒸发器（2）在前，低温级蒸发器（1）在后，如附图1所示。低温级蒸发器（1）进口为欠饱和水，出口为汽水混合物；高温级蒸发器（2）进口为汽水混合物，出口为过热蒸汽。欠饱和水从低温级蒸发器入口汇合集箱（3）引入，经过引入管（4）和节流装置（5,选配）流入蒸发器下部集箱（6），然后进入低温级蒸发器（1）吸热并部分蒸发后进入上部集箱（7），经上升管（8）汇入低温蒸发器上部汇合集箱（9）。汇合后的汽水混合物给下降管（10）流入分配器（11）。分配器中的流体经分配管（12）进入高温级蒸发器入口集箱（13），入口小集箱（13）出口进入主受热面之前装有吸收膨胀的弯管（14,选配）。汽水两相混合流体在高温级蒸发器（2）中进一步受热完成蒸发和过热过程，以过热蒸汽形态进行上部集箱（15），然后经上升管（16）汇入高温蒸发器上部汇合集箱（17）。在汇合集箱（17）出口布置有立式分离器（18），用于启动状态下的汽水分离。

由直流煤粉锅炉和循环流化床锅炉的设计和运行经验可知，机组以高于最小稳定的负荷运行时，蒸发器出口应始终保持过热状态。最小稳定负荷状态下，蒸发器出口的过热度宜控制在15℃以上。两相流分配容易引起分配偏差。由超（超）临界煤粉炉和超临界循环流化床锅炉的设计和实验研究可知，通过分配器对两相流体再分配时，流体的干度（含汽率）应不低于50%，最好控制在60%以上。对过热度和含汽率指标的控制是通过调整两级蒸发器的管径、数量和（或）鳍片密度来改变受热面积来实现的。

优选地，高温级蒸发器入口应布置有汽水混合物分配器。为减少两相流体的分配偏差，分配管在分配器高度方向上的布置应不超过2层。

与煤粉锅炉或循环流化床锅炉相比，由于余热锅炉蒸发器为纯对流状态，其热负荷要低得多，因此其工作条件要好得多，高温级蒸发器配之以较高等级的受热面管材（如15crmog、12cr1movg、sa213-t12、sa213-t22或同等级合金钢材料），以及合适的结构设计（如膨胀弯管），将保证其具有足够高的安全性和可靠性。

余热锅炉直流蒸发器的设计是混合了传热计算和水动力计算的复杂迭代过程。本发明根据余热锅炉蒸发器的工作特点及其控制要素对设计过程进行了简化。

可选地，低温级蒸发器入口可增设节流装置以提高低温级蒸发器管内流动稳定性。

可选地，高温级蒸发器入口可增设膨胀弯管装置以提高高温组蒸发器抗热偏差的能力。

本专利提供了一种易操作的适用于大型余热锅炉的直流蒸发器的设计方法，可适应燃气机组的运行条件，并具有很高的安全性和可靠性。相对应的，本专利还提供了一种易操作的适用于大型余热锅炉的直流蒸发器。

附图说明

图1为直流式蒸发器示意图。

附图标记说明

低温级蒸发器1，高温级蒸发器2，入口汇合集箱3，引入管4，节流装置5，下部集箱6，上部集箱7，上升管8，低温蒸发器上部汇合集箱9，下降管10，分配器11，分配管12，入口集箱13，弯管14，上部集箱15，上升管16，高温蒸发器上部汇合集箱17，立式分离器18。

图2为设计方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本专利涉及的设计方法具体实施步骤如下：

1、根据常用管子规格和压力、温度参数预估蒸发器的材料和规格；

2、根据传热计算选定一总换热面积a，使高温级蒸发器出口过热度在最大连续负荷下不低于30℃。该换热面积的选取应考虑鳍片密度或管子数量在布置上的可实施性；

3、将选定的总换热面积a划分成两部分，高温级a1和低温级a2，作为初始值，一般可采用a1：a2＝1：2的比例进行划分；

4、依次进行传热计算，确定低温级蒸发器出口含汽率x。

对x进行评判，若x≥55%，进入步骤5；否则返回第3步，重新确定面积比例；

5、进行最小稳定负荷下的热力计算，若高温级蒸发器出口过热度不低于15℃，进入步骤6；否则返回第2步，重新选定总换热面积a；

6、进行低温级蒸发器的流动稳定性核算；

7、若低温级蒸发器管排存在脉动、停滞或倒流风险，则通过调整管径或增加节流圈的措施予以规避，并重新进行水动力计算，直至水动力稳定性风险消除；

根据设计调整情况，按需更新热力计算，返回第4步；如不需要调整了，进入第8步；

8、逐排计算高温级蒸发器的热力和水动联算，确定每排管出口的温度和最高壁温；

若高温蒸发器每排管出口均为过热蒸汽，进入第9步，否则返回第3步，重新确定面积比例；

9、计算低温级受热面壁温；

10、结合设计压力进行强度计算；若不满足强度要求，返回第1步，重新选取管子材料或壁厚；反之，设计完成。