本发明专利技术涉及一种优化流场布置的自然循环分体管壳式余热锅炉，包括锅筒和汽包，锅筒分隔成烟气入口、换热腔和烟气出口；换热腔通过第一分水管与集水管相连；换热腔内布置有换热管束；换热腔内通过布置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和若干个蒸汽出口；汽包通过下降管与集水管相连。本发明专利技术可以解决分体管壳式余热锅炉中下部锅筒内汽液两相流动紊乱和上升管内汽液两相流动滞止甚至倒流的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及余热回收领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术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；本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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为本专利技术的结构示意图；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为锅筒内布本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种优化流场布置的自然循环分体管壳式余热锅炉，其特征在于：包括从下往上依次布置的锅筒(2)和汽包(4)，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，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，上升管(12)的上端均伸入汽包(4)中且始终位于汽包(4)内的液面上方；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)下部的管孔之间开设有挡板孔(23)；汽包(4)上设置有一个汽包补水口(10)；汽包(4)顶部设置有若干个蒸汽出口(6)；汽包(4)通过一个下降管(3)与集水管(19)相连。
【技术特征摘要】
1.一种优化流场布置的自然循环分体管壳式余热锅炉，其特征在于：包括从下往上依次布置的锅筒(2)和汽包(4)，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，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，上升管(12)的上端均伸入汽包(4)中且始终位于汽包(4)内的液面上方；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)下部的管孔之间开设有挡板孔(23)；汽包(4)上设置有一个汽包补水口(10)；汽包(4)顶部设置有若干个蒸汽出口(6)；汽包(4)通过一个下降管(3)与集水管(19)相连。2.根据权利要求1所述的一种优化流场布置的自然循环分体管壳式余热锅炉，其特征在于：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；其中换热管束密封穿过隔板(20)，隔板(20)的上端与换热腔顶部之间留有间隙；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；第二分水管的直径是第一分水管(17)直径的1.2～1.5倍。3.根据权利要求1所述的一种优化流场布置的自然循环分体管壳式余热锅炉，其特征在于：汽包(4)内部中间设置一水平的多孔平板(...
【专利技术属性】
技术研发人员：邵怀爽，梁志远，赵钦新，魏玉伟，王云刚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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