专利名称：连续的垂直-角形管过渡的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种蒸气产生系统，更具体地说，涉及一种为将水转化为蒸气的亚临界或者超临界直流式蒸气产生系统。
通常，直流式蒸气产生器的运行，是使被增压的液体，一般是水，环流，经过蒸气产生单元和过热单元将水转化为蒸气。在这些装置中，进入装置的水单程流过通路，并从装置的过热单元出口排出，作为过热蒸气，用来驱动汽轮机，或者类似设备。
这些装置在通常圆筒式锅炉基础上提供一些改进，尽管在直流式产生器早期型号中还存在一些问题，例如过大的起动热损失，蒸气温度失配，在起动期间要求复杂的控制和附加阀门，这些问题在新近产生器系统中得到了有效的解决。
例如，美国Pat.NO4,099,384公布的并已转让给现行应用受让人的系统，包括许多隔离板，它们被配置在蒸气产生单元和过热单元之间的主流路中，用于在系统起动和满载运行期间接收来自蒸气产生单元的流体流量，这些装置以很少的控制功能和使用最少的昂贵阀门就能够快速地和有效地完成起动，同时，汽轮机能以最佳的压力和温度平滑地加载，其压力和温度可以连续不断地和逐渐地增加，而不需要锅炉分隔阀门或者外部旁通通路来放泄蒸气。此外，本系统可以在很低负载下连续运行，而冷却器热损失可至最小。
在新近的装置中，产生器的炉子单元的壁，由许多垂直延伸的管子组成，管子带有肋片，这些肋片从管子的径向向外延伸，相邻的管子通过肋片连接在一起形成一种气密结构。在起动期间，炉子以恒定压力运行，超临界水在多重通路中通过炉子边界壁，水的温度逐渐增加。这要求在多重通路之间使用集流管，以调合由于垂直延伸的管子对燃烧炉的闭塞器作用引起的外部热量不均衡，或者由于管子因本机炉渣敷层，燃烧炉停止使用，以及其它因素而承负着不均匀吸收作用，引起的外部热量的不均衡。这些中间集流管的使用，除了花费多以外，在可变压力下运行炉子也很不方便，因为在集流管中的蒸气和液体可能分离以及顺流通路中可能会不均衡分布。因此，这类装置要求在炉子出口和分离器之间加设一个减压站，按一预定量减少压力，除此以外，还需要相当大数量的下水管，以连接由炉子边界壁通路形成的多种通路。
美国Pat.NO，4,178,881也已转让给现在的受让人，公布了一种蒸气产生器，这种装置包括上面所讨论系统的性能，也不需要中间集流管、附加的下水管和减压站，至目前为止，最新蒸气产生器的炉子单元的边界壁是由许多内连在一起的管子组成的，管子的一部分相对于水平面以锐角延伸。在这种装置中，确定蒸气产生器炉子单元的上部和下部边界壁，是由垂直管子部分组成的，而炉子单元的中间部分是由角形管部分组成的。
这种角形结构的一个几何学上的结果是，对于一个水平面来说，一个角形管一般占有两个或三个垂直管的空间(取决于角形管的角度)。垂直管和角形管之间的转换，典型地是使用一个分叉状的配件(连结一个角形管和两个或三个垂直管)，一个中间的转接头，或者一个螺旋形的斗(在炉子的下部)。
虽然这些方法对于垂直和角形的管子部分之间的转换是有效的，但关于密封、两相流分布，热-水力学敏感度，结构的完整性以及在周期性运行中的热疲劳寿命方面，这些方法是有缺点的。
因此，本发明的一个目的，是提供一种具有上面所讨论的角形管装置的全部优点的蒸气产生器。
本发明更进一步的目的，是提供一种蒸气产生器，它可解决上述有关密封、两相流分配、热-水力学敏感度、结构的完整性以及周期性运行中的热疲劳寿命等问题。
本发明更进一步的目的，是提供一种带有炉子的蒸气产生器，炉子的壁由许多管子组成，其中每一根管子在炉子的中间部位具有角形部分，在炉子的下部位和/或上部位则有垂直部分，两个部位的垂直部分继续、平滑地延伸至角形部分。
本发明更进一步的目的，是提供一种蒸气产生器，它在炉子的下部位使用第一系列垂直的管子，在炉子的上部位使用第二系列垂直的管子，其中第一系列管子和第二系列管子，与从角形管子延伸来的垂直管子是共面的、平行的，并均匀布置和交替分布于其中，此外，第一系列管子和第二系列管子分别在炉子的下部位和上部位，与从角形管子延伸来的垂直管子有流体连通。
为了达到这些和别的目的，本发明蒸气产生器包含一个直立式炉子单元，它有边界壁，被分配为下部、中部和上部。炉壁包含第一系列垂直管，在炉壁的下部；第二系列管子，在下部和上部有垂直的部分，在中部有角形的部分；第三系列垂直管在上部。第一系列管子和第三系列管子，与第二系列管子的相应垂直部分是共面的、平行的，并均匀布置和交替分布于其中。第一系列管子与第二系列管子连通，第二系列管子与第三系列管子连通，使流体可以经过管子流动，向流体提供热量。
上述简要说明，以及本发明进一步的目的、特征和优点，可以从下面对根据本发明优选的，然而只是一个具体装置的说明，并结合附图，得以更充分的理解，其中
图1是本发明蒸气产生器的示意剖视图；图2是沿图1中的2-2线所切的剖视图；图3是图1的蒸气产生器的局部透视图；图4是图1的边界壁下部和中部之间装设的管子的局部放大的正视图；图5是沿图4中的5-5线所视的图；图6是图1的边界壁上部和中部之间装设的管子的局部放大的正视图；图7是沿图6中的7-7线所视的图；图8是流体沿图1所示蒸气产生器的炉子的边界壁流动的通路的示意图。
本发明系统中所用的蒸气产生器一般地以标号10表示，具体参照附图的图1，该蒸气产生器包括炉子的下部12，炉子的中间部14，以及炉子的上部16。确定炉子部段12、14和16的边界壁，包括前壁18、后壁20、处于前壁和后壁之间的两个侧壁，每一侧壁都以标号22表示。前壁18和后壁20的下面部分都向内倾斜，在炉子的下部形成一个斗形区23，以便于以常规方式收集灰渣和类似物。
如图2所示，壁18，20和22中的每一面壁都是由许多管子形成的，一般以标号24表示，这些管子有沿径向向外延伸的肋片，相邻的管子通过肋片连结在一起，形成气密结构。尽管图中未示，但可以理解，壁18、20和22的外表部分以常规方式隔热并装入外壳。
参照图1-3，管子24包括炉子下部12的管子24a，连续经过炉子部段12、14和16的管子24b，炉子上部16的管子24c。管子24a和24b形成壁18、20和22的下部12，这些管子垂直地延伸至斗形区23的上端的水平面p1。管子24b形成壁18、20和22的中部14，这些管子从平面P1延伸至蒸气产生器上部所设定的平面P2，且相对于平面P1和P2以锐角延伸。管子24b和24c形成炉子上部16壁18、20和22，从平面P2垂直地延伸至后者的顶端。显然可知，管子24b在炉子的整个范围内延伸，具有两个垂直部分，一个角形部分，以及两个弯曲部分。管子24b在中部14的延伸，是从平面P1开始，在它们到达平面P2之前，在炉子的周围环绕，形成壁18、20和22。中部14的管子24b也有许多肋片26，这些肋片的安排和作用，与炉子下部12和炉子上部16的管子的肋片的方式是相同的。
如下面将要详细叙述的，在炉子的下部12，垂直管子24a的上端与管子24b的下端有流体连通的关系，以同样的方式，管子24b的上端与管子24c的下端是流体连通的。
也如图1-3所示，上部16的后壁20的上部有一个分岔壁20a，这个分岔壁是由管子24b和24c中的可选数目的管子从后壁20向外弯曲而形成的，其形成方式是设定后壁20余下的管子24b和24c之间的空间，以及形成分岔壁20a的管子之间的空间，使得废气能够从炉子的上部16排出，这一点下面将要叙述。
在炉子中部14的前壁和后壁18和20，配置许多燃烧器28，在本例中燃烧器的安排是垂直方向上有三行，每行有四个燃烧器。燃烧器28只是大略示意，因为它们可用常规方法设计。
一个前庭对流区，一般用标号30表示，被提供用于与炉子上部16的气流连通，它包括前庭底面32，该底面部分地由形成分岔20a的那部分管子24b和24c确定。可以理解，前庭底面32是气密的。对流区30包括一个前壁34，一个后壁36，以及两个侧壁38(图1中可以看到一个侧壁)，这些壁是由许多垂直延伸的带有以前述方式连结的肋片26的管子24形成的。
在前庭对流区30，置有间隔壁44，也是由许多互相连结的管子24形成的，用于将前庭对流区分隔为前气流通路46和后气流通路48。在后气流通路48的下部置有加温器50，紧接在加温器的上方，置有主过热器52，一排再热管54被设置于前气流通路46中。
炉子的上部16置有板式过热器56，热回收区30的前庭部分置有最终过热器57，直接与板式热器56流体连通。
置有许多间隔壁58，每一个壁都有一段靠近前壁18。间隔壁58在炉子的中部14贯穿前壁的一部分管子24，并在炉子的上部16向上延伸，如图1和图3所示。间隔壁58也可以安排为非疏水型悬置板设于炉子的上部16。
壁18、20和22的上端部，分岔壁20a，间隔壁58，以及前庭对流区30的间隔壁44，侧壁38，前壁34和后壁36，在实际上全都归结于蒸气产生器单元10上部的通用区。
单元10的上部设置顶部60，由许多带有肋片26的管子24以前面叙述过的方式连结而成，但从炉子的前壁18至前庭对流区30的后壁36作水平延展。
由上所述可知，从炉子中部14的燃烧器28来的已燃烧的废气，向上经过炉子的上部16，并在从前气流通路46和后气流通路48排出之前，经过前庭对流区30。结果，热气绕经板式过热器56，最终过热器57和主过热器52，以及再热管54和加温器50，给流经这些通路的流体添加热量。
在前庭对流区30的后壁36附近，设有许多分离器64，它们被直接装置在顶部60和主过热器52之间的流体主通路上。这些分离器64和前面提到的专利中所述相同，其作用是将从顶部60排出的两相流分离为液体和气体。从分离器64出来的蒸气直接送至主过热器52，液体送至排泄集流管和热回收回路作进一步处理，这也与前面提到的专利所揭示的相同。
图4和图5有更清楚的说明，图中描绘了炉子单元的下部12的壁22的一部分，管子24a和24b基本上是平行的、共面的，管子24b在管子24a当中交替布置并均匀分布。在现行的具体装置中，例如，每两根管子24a配置一根管子24b。参照图4，管子24b贴近水平面P1弯曲，从平面P1以下的垂直取向，到平面P1上方为角形取向。管子24b以角形延伸，形成炉子单元的中部14的壁18、20和22。参照图5，管子24a的上端弯曲壁22的外面并连接到水平集流管72，以实现那里的管子之间的流体连通。
图6和图7描绘炉子单元的上部16的壁22的部分。管子24b与管子24c基本上是平行的、共面的，并在其中交替布置和均匀分布。在现行的具体装置中，例如，每两根管子24c配置一根管子24b。参照图6，管子24b贴近水平面P2弯曲，从平面P2以下的角形取向(结合参照图4和图5)，到平面P2上方为垂直取向。管子24b在平面P2以上垂直延伸，形成炉子单元的上部16的壁18、20和22。参照图7，管子24c的下端弯曲到壁22的外面，并连接到水平集流管82，以实现那里的管子之间的流体连通。
参照描述本发明蒸气产生器的侧壁22的图8，流体通路的建立，是从管子24a的下端到管子24c的上端。在这种端头处，置有水平集流管，包括一个进口集流管70，与管子24a的下端有流体连通；一个进口集流管76，与管子24b的下端有流体连通；一个出口集流管78，与管子24b的上端有流体连通；一个出口集流管84，与管子24c的上端有流体连通。尽管图中未示，但可以理解，管子24c的下端和管子24c是弯曲至壁22之外的，如以上所述，同一个管子的相对端也是以相同的方式安置，所以，集流管70和84与集流管72和82同样，都设置在侧壁22的外侧。设置在侧壁22外侧的垂直下水管74，在管子24a的上端和管子24b的下端之间提供流体的通路；同样的，也设置在侧壁22外侧的垂直下水管80，在管子24b的上端和管子24c的下端之间提供流体的通路。
可以看出，在侧壁22中流体的流动顺序是经过进口集流管70，管子24a，出口集流管72，下水管74，进口集流管76，管子24b，出口集流管78，下水管80，进口集流管82，管子24c，以及出口集流管84。进一步可以看出，流体在炉子单元的下部12和炉子单元的上部16分成两个通路流动。虽然在图8中上述通路只和一个侧壁22相连，但可以理解，对前壁18，后壁20和另一个侧壁22来说，是同样的通路，当然，炉子下部12的壁18和20的管子24a和24b向内倾斜所形成的斗形区除外。
尽管为使描绘清晰而在图中未加显示，可以理解的是，除了上述的设置以外，提供有适当的进口和出口集流管，下水管和管道，以便安置流体连通中的每一面壁的管子24和热交换器以及顶部60，建立流通通路，这一点将在下面详述。
参照图1，在运行时，外部水源的给水，在经过设在炉壁18、20和22的下部的进口集流管70(图8)以前，先经过加温器管子50，提高水的温度。全部的水向上流动，同时经过壁18、20和22，如图8更具体表示的，在它汇集至设在蒸气产生器10的上部的集流管84(图8)之前，经过形成壁的管子24a、24b和24c，进一步提高水的温度，至少使一部分水转化为蒸气。炉子的相邻的垂直管之间的温度差至少应超过100°F。此后，流体向下流经适当的下水管或类似装置(未示)，再向上流过间隔壁58(图2)，给流体添加附加的热量。然后，流体直接流过前庭对流区30的壁34、36、38和44，再往后，流体汇集并经过顶部60。从顶部60，流体通过适当的集流管或类似装置流向分离器64，该分离器64将流体中的气体部分和其中的液体部分分离。液体部分从分离器流向排流管和热回收通路(未示)作进一步处理，而分离器64中的流体的蒸气部分直接进入主过热器52。在其中流体进行喷雾调节温度，此后，流体通向板式过热器56和最终过热器57，再以干燥蒸气状态流向汽轮机或类似设备。
由前所述可见几个优点。例如，使用缠绕形成炉子单元的中部14的角形管，能使流体匀和炉子热量的不均衡，且流体流过炉子单元的边界壁18、20和22是一个完整的通路，因此，不必使用多重通路以及它们连带的集流管和下水管。另外，作为角形管的结果，可使用相对高的质量流速率和大的管子尺寸，这些是垂直管装置所不能及的。
利用这里所说的管子24b的垂直部分和角形部分的转换，还有进一步的优点。例如，对比二分岔配件，结构的完整性和周期性运行中的热疲劳寿命有所提高。两相流也可被消除或者有更均匀的分布。减少管子24b的总热负荷的结果是，在管子24b的满负载下输出焓的不均衡性减小。管子24b的进口处的过冷减小，使得管子24b在亚临界压力下运行时的热-水力学敏感度有所改善。炉子单元下部12的管子中的流体的质量流速率比使用二分岔配件或一个中间集流管所能达到的流速率高50％。由于向内倾斜的壁18和20吸收热量比壁22吸收得多，引起斗形区23的管子24b进口处的热吸收不均衡，比起使用二分岔配件或中间集流管所引起的不均衡，可以至少三分之一。如果在管子24b的垂直部分和角形部分之间使用分立弯头零件，那末，可以用焊封来代替耐火的密封。
可以理解，尽管上述优选具体装置包含的炉子具有大体上是矩形的横截面，其它的横截面形状例如具有圆形或椭圆形状，也是可以用的，只要保持角形管装置。例如，炉子的型式是根据炉子的横截面形状，而炉子可以有螺旋形的外形。(由于这个原因，这里应该注意本发明所涉及的锅炉型式，其中炉子的边界壁的管子是按角形配置的，这通常被熟悉这方面技术的人赋以“螺旋管锅炉”的名称，尽管事实上锅炉是不会有纯数学上的螺旋结构的，实际上它有矩形的横截面。)。
还可以理解，管子24b缠绕炉子可以少于一个完整的循环或者多于一个完整的循环，这依赖于炉子的全面的物理尺度。角形管24b相对于水平面可以有各种偏向角度，对每一根管子24b而言，可以设有一根或更多的垂直管子24a和24c。管子24b的垂直管部分和角形管部分之间，也可以使用分立的弯曲零件，弯曲零件的进口和出口直径也可以不同。管子24b可以有平滑内径或螺旋内径，更进一步，可以使用多导入肋条或者内部的长条扰流发生器。
参照图8，可以进一步理解，下水管80可以连接到热回收区的小孔径侧壁缓冲器86，使角形管24b的上端和缓冲器之间流体连通。为在热回收区使用缓冲通路，流体可以从管子24b的上端通过，因此可减少小孔径/热回收区和炉子围壁之间的焊接界面的热应力。
可以进一步理解，为便于介绍，省略了蒸气产生器的一些部分。例如，在蒸气产生器的边界壁的周围，可提供支持系统，在燃烧器28的附近，可提供风箱或类似物，以常规方式向燃烧器供应空气。还可以理解，形成炉子单元上部16的管子24的上端部分和前庭对流区30，可以从蒸气产生器单元10的上方某个位置悬挂起来，以便按常规方式适应顶部支架和热损耗。
前面的揭示意指修改，变化和替代的范围，在某些实例中本发明的某些特征将被使用而不必有其余特征的相应使用。因此，恰当地指出附加的权利要求被认为是广泛的，在某种意义上是与本发明的精神和范围一致的。
权利要求
1.蒸气产生器系统，包括第一部分管子，这些管子基本上垂直地延伸，形成炉子下壁部分的一部分；第二部分管子，这些管子基本上垂直地延伸，形成所述炉子上壁部分的一部分；第三部分管子，它们在所述下壁部分基本上垂直地延伸，形成所述下壁部分的一部分，基本上成角形的部分形成所述炉子的中壁部分，在所述上壁基本上是垂直的，形成所述上壁部分的一部分；所述第三部分管子与所述下壁部分的所述第一部分管子和所述上壁的所述第二部分管子的关系，基本上是交替的、共面的和平行的关系；以及使流体流经所述管子以便向所述流体供应热量的装置。
2.如权利要求1所述蒸气产生器，其特征在于所述第三部分所述管子，形成所述下壁和上壁部分的一部分，以及所述中壁部分的全部。
3.如权利要求1所述蒸气产生器，还包括许多肋片，这些肋片处于相邻的管子之间，对所述炉子起气密作用。
4.如权利要求1所述蒸气产生器，其特征在于所述第三部分管子中的每一根所述管子，形成基本上是单程的、连续的、平滑的流体流通通路。
5.如权利要求1所述蒸气产生器，其特征在于所述第三部分管子中的每一根管子包括处于所述下壁和中壁部分之间的第一单程通路弯曲部分，和处于所述中壁和上壁部分之间的第二单程通路弯曲部分。
6.如权利要求1所述蒸气产生器还包括过热单元、流体分离装置和流体流通通路，该通路连接所述流体分离装置，使所述炉子与所述过热单元之间形成连贯流动关系。
7.如权利要求6所述蒸气产生器，其特征在于所述流体分离装置，在所述系统起动和满载工作期间，接收来自所述炉子的流体，并将所述流体分离为液体和蒸气，所述流体流通通路在所述系统和满载工作期间，将来自所述流体分离装置的蒸气输送到所述过热单元。
8.如权利要求1所述蒸气产生器还包括一个具有小的开口边壁缓冲器的热回收区，所述缓冲器与第三部分管子有流体连通。
9.蒸气产生器系统，包括一个立式炉子单元，其边界壁由许多管子形成；所述管子的第一部分，这些管子在所述壁的下部基本上垂直地延伸；所述管子的第二部分，这些管子在所述壁的上部基本上垂直地延伸；所述管子的第三部分，这些管子在所述下壁部分基本上垂直地延伸，在所述壁的中间部分基本上成角形延伸，以及在所述上壁部分基本上垂直地延伸；所述第三部分管子，与所述下壁部分的所述第一部分管子和所述上壁部分的所述第二部分管子的关系，基本上是交替的、共面的和平行的关系；以及使流体流经所述管子以便向所述流体供应由所述炉子产生的热量的装置。
10.如权利要求9所述蒸气产生器，其特征在于所述管子的所述第三部分，形成所述下壁和上壁部分的一部分，以及所述中壁部分的全部。
11.如权利要求9所述蒸气产生器，还包括许多肋片，这些肋片处于相邻的管子之间，对所述炉子起气密作用。
12.如权利要求9所述蒸气产生器，其特征在于所述第三部分管子中的每一根所述管子，包括处于所述下壁和中壁部分之间的第一单程通路弯曲部分，和处于所述中壁和上壁部分之间的第二单程通路弯曲部分，因此，所述第三部分管子中的每一根管子，在炉子单元的整个范围内，基本上形成单程的、连续的、平滑的流体流通通路。
13.如权利要求12所述蒸气产生器，其特征在于所述第一和第二弯曲部分，有一个入口和一个出口，所述入口和所述出口的直径是不相等的。
14.如权利要求9所述蒸气产生器，还包括过热单元，流体分离装置和流体流通通路，该通路连接所述流体分离装置，使所述炉子单元与所述过热单元之间形成连贯流动关系。
15.如权利要求14所述蒸气产生器，其特征在于所述流体分离装置，在所述系统起动和满载工作期间，接收来自所述炉子单元的流体，并将所述流体分离为液体和蒸气，所述流体流通通路在所述系统起动和满载工作期间，将来自所述流体分离装置的蒸气输送到所述过热单元。
16.如权利要求9所述蒸气产生器，还包括一个具有小的开口边壁缓冲器的热回收区，所述缓冲器用于接收来自所述第三部分管子的流体。
17.一种蒸气产生器系统，包括一个立式炉子单元，其边界壁由许多管子形成，所述壁被排列为下部、中部和上部，所述的许多管子被分配为第一系列管子、第二系列管子和第三系列管子，所述第一和第三系列管子基本上是垂直延伸的，所述第二系列管子中的所述每一根管子具有按紧邻的顺序说，基本上垂直延伸的第一部分，第一弯曲部分，一个相对于水平面成锐角的延伸部分，第二个弯曲部分和基本上垂直延伸的第二部分，因此，所述第二系列管子中的所述每一根管子，在所述炉子单元的整个范围内，基本上形成单程的、连续的、平滑的流体流通通路。所述壁的所述下部包括所述管子的所述第一系列，它们是均匀分布的，与所述管子的第二系列的所述第一垂直部分的关系，基本上是交替的、共面的和平行的。所述壁的所述中部分包括所述管子的所述第二系列的所述角形部分，以及所述壁的所述上部包括所述管子的所述第三系列，它们是均匀分布的，与所述管子的第二系列的所述第二垂直部分的关系，基本上是交替的、共面的和平行的，以及使流体通过所述管子以便向所述流体供应热量的装置，所述流体通过所述管子的所述第一系列，然后通过所述管子的所述第二系列，再经过所述管子的所述第三系列。
18.如权利要求17所述蒸气产生器，其特征在于所述蒸气产生器还包括许多肋片，这些肋片处于相邻的管子之间，对所述炉子单元起气密作用。
19.如权利要求17所述蒸气产生器，包括一个过热单元；流体分离装置；流体流通通路，该通路连接所述流体分离装置，使所述炉子单元和过热单元之间形成连贯流动关系，其特征是所述分离装置，在所述系统起动和满载工作期间，接收来自所述炉子单元的流体，并将所述流体分离为液体和蒸气，所述流体流通通路，在所述系统起动和满载工作期间，将来自所述流体分离装置的蒸气，输送到所述过热单元。一个具有小的开口边壁缓冲器的热回收区，所述缓冲器接收来自所述第二系列管子的流体。
20.如权利要求17所述蒸气产生器，其特征在于所述第一和第二弯曲部分，有一个入口和一个出口，所述入口和所述出口的直径是不相等的。
全文摘要
一种蒸气产生器系统，包括由许多管子形成的立式炉子单元，一部分管子具有上管端和下管端并相对于水平面成锐角延伸，一部分管子从下管端垂直向下延伸，以及一部分管子从上管端向上垂直延伸。所提供的附加的下垂直管子和上垂直管子，与分别从下端和上端垂直延伸的管子是共面的、平行的，并在其中交替安置和均匀分布的。提供的装置使流体通过炉子单元区域，并将流体的一部分转化为蒸气，或者对流体加热。
文档编号F22B29/00GK1127340SQ95115538
公开日1996年7月24日 申请日期1995年8月11日 优先权日1994年8月11日
发明者弗朗西斯·戴维·费茨格拉德 申请人:福斯特·惠勒能源公司