直流式锅炉制造技术

一种直流式锅炉（２），它有一个燃烧室（４），燃烧室垂直延伸的并在其内侧有一种表面结构（２６）的管（１２）可被一种流动介质（Ｓ）从下向上流过，按本发明专利技术在管（１２）内处于临界压力（Ｐ↓［临］）时的这种负载状态下，管（１２）内最佳的质量流量密度＊按下式求得：＊＝［ｑｉ／ｃ（Ｔｍａｘ－Ｔ↓［临］－ΔＴｗ）］ｋｇ／ｍ↑［２］ｓ。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种直流式锅炉，它有一个由互相气密连接的管构成的外壁围绕的燃烧室，其中垂直延伸并在其内侧有表面结构的管可被流动介质从下向上流过。由J.Franke、W.Koehler和E.Wittchow发表在VGB Kraftwerkstechnik73(1993)第4期352至360页上的论文“Verdampferkonzepte fuer Benson-Dampferzeuger”已知此类锅炉。在这样一类直流式锅炉中，构成燃烧室的蒸发管的加热，与自然循环锅炉或强制循环锅炉中参与循环的水/水蒸汽混合物只是部分蒸发正相反，它会导致流动介质在蒸发管内流动时完全蒸发。在自然循环锅炉中蒸发管原则上垂直排列，而直流式锅炉的蒸发管既可以垂直排列，也可以螺旋形并因而倾斜地排列。其燃烧室壁由垂直排列的蒸发管构成的直流式锅炉，与具有螺旋形管系的直流式锅炉相比生产成本低。此外，具有垂直管系的直流式锅炉与倾斜或螺旋形上升地排列蒸发管的直流式锅炉相比，水/蒸汽侧的压力损失较低。还有，与自然循环锅炉相反，直流式锅炉没有压力限制，所以新汽压力可以远高于水的临界压力(P临=221 bar)，在临界压力时似液体介质与似蒸汽介质之间只有微小的密度差。要求有高的新汽压力，以获得高的热效率并因而产生较低的CO2排放。在这种情况下一个特殊的问题是，考虑到那里所产生的管壁温度或材料温度来设计直流式锅炉的燃烧室壁或外壁。在约200 bar的亚临界压力范围内，若能保证蒸发区内加热面润湿，则燃烧室壁的温度基本上由水的饱和温度的大小决定。这例如通过使用有内肋的管达到。这类管和它们在锅炉中的应用例如由欧洲专利申请0503116已知。这些所谓的肋管，亦即具有一种制有肋的内表面的管，有从内壁向流动介质的非常好的热传导。在约200至221 bar的压力范围内从管内壁向流动介质的热传导大大降低，因而流动速度(作为流动速度的度量大多采用质量流量密度)必须相应地提高，以保证管的充分冷却。因此，以约200 bar及200 bar以上的压力运行的直流式锅炉的蒸发管内，质量流量密度以及因此的摩擦压力损失必须选得比用200 bar以下的压力运行的直流式锅炉中的大。鉴于较高的摩擦压力损失，尤其在管内径较小时会失去直立式管系的有利特性(即在各管更多加热时它们的流量也增大)。然而由于要求有大于200 bar的高蒸汽压力以便获得高的热效率并因而低的CO2排放量，所以有必要在此压力范围也能保证良好的热传导。因此，具有直立式管系的燃烧室壁的直流式锅炉通常以在管内较高的质量流量密度运行，以便能在约200至221 bar不利的压力范围内，始终获得从管壁向流动介质亦即向水/水蒸汽混合物足够高的热传导。为此，在出版物“Thermal Engineering”I.E.Semenovker，41卷，8号，1994,655至661页中说明了燃气和燃煤的锅炉在100％负载时它们一致地均具有约2000kg/m2s的质量流量密度。本专利技术的目的是，对于直流式锅炉外壁的管提出一种特别有利于管内质量流量密度的合适的设计准则。本专利技术的目的是这样实现的，即锅炉按这样的方式设计，在管内处于临界压力P临时的这种负载状态下，管内的质量流量密度 按下式 式中qi(kW/m2)是管内侧的热流密度，Tmax(℃)是管最大允许的材料温度，T临(℃)是在临界压力P临时流动介质的温度，ΔTw(K)是管外壁与内壁之间的温度差，以及C≥7.3·10-3kWs/kgK是一个常数。本专利技术以下列考虑为出发点，即对于内部制有助的管在有关于质量流量密度的流动技术方面的设计必须满足两个原则上自相矛盾的条件。一方面管内的平均质量流量密度应选得尽可能低。由此应能保证，由于不可避免的加热差别而比其他管供入更多热量的个别管，比一般加热的管有更多的质量流量流过。这种由转鼓式锅炉已知的自然循环特性，在锅炉加热面出口造成均衡的蒸汽温度并因而均衡的管壁温度。另一方面管内的质量流量密度应选得这么高，使得能保证管壁可靠冷却和不会超过许用的材料温度。以此方式避免管材料高的局部过热并因而避免与之相关连的损坏(管断裂)。影响材料温度的重要参数，除流动介质的温度外，还有对管壁外部的加热和从管内壁向流动介质(流体)的热传导。因此，在受质量流量密度影响的内部热传导与管壁外部加热之间存在着一种关系。现在，本专利技术以下列认识为出发点，即，在内部最小传热系数αmin与质量流量密度 之间的关系，可以按允许的简化形式用下式描述αmin=C·m·------(1)]]>式中αmin(kW/m2K)是传热系数， (kg/m2s)是有肋管内的质量流量密度，以及C是一常数，对于商业上惯用的管其平均值C=7.3·10-3kWs/kgK。根据管内表面的结构，此常数C也可以在7.3·10-3kWs/kgK与12·10-3kWs/kgK之间的范围内选择。采用所述的关系式给出了管内的最佳质量流量密度，它既造成有利的流量特性曲线(自然循环特性曲线)，同时保证管壁可靠冷却并因而保证遵守许用的材料温度。推导上述管内质量流量密度关系式时的基本考虑在于，当对管壁的外部进行预定加热时(下面对此采用所谓热流密度(kW/m2)，亦即每单位面积的加热量)，管壁的材料温度仅略低于但肯定低于许用值。在这种情况下可以观察到这种物理现象，即，在从约200至221 bar的临界压力区内，从内管壁向流动介质的热传导最为不利。大量试验表明，当蒸发区内在约200至221 bar的情况下较低的质量流量密度与发生的最大热流密度相结合时达到最大的材料应力。这例如在燃烧室安装燃烧器的区域内便是这种情况。之后当蒸发结束和蒸汽过热开始时，燃烧室壁的管的材料应力重新降低。其原因在于，按一般的燃烧器布局和在一般的燃烧过程中热流密度也下降。此外已经确认，当采用有肋的管压力在上述从200至221 bar范围内并保证管壁有充分的冷却时，在其他的压力区同样不产生热传导的问题。所以在压力较低时，也就是低于约200 bar，由于管的内部肋促使沸腾循环在蒸发区末端亦即在具有最小热流密度的区域内才开始。在超临界压力范围内不再出现沸腾循环。现在热传导是如此强烈，从而保证了管壁的充分冷却。为了确定在管墙的管内既保证最佳的流量特性曲线又保证管壁可靠冷却的最佳质量流量密度 ，可按以下步骤进行步骤1以热工学的计算为基础，在管墙的管内处于210 bar压力时的这种负载状态下确定管外侧处的热流密度qa。如此确定的热流密度应提高1.1至1.5倍，以便考虑到热传导方面的局部不均匀性。步骤2计算管壁加热侧管顶处最大许用的材料温度Tmax。若以外壁或燃烧室壁有等于Tmax和T临的平均值的平均温度为出发点，则可以计算最大热应力为 式中σmax最大热应力(N/mm2)Tmax最大材料温度(℃)T临临界点的流体温度(℃)β 热膨胀系数(1/K)E弹性模量(N/mm2)因为在此处给出的应力涉及的是热应力，所以按照ASME规则作为二次应力它们可以用许用应力σ许的三倍值保险。由此得出温度Tmax为 许用应力可取自管子生产厂的数据资料。步骤3将预定的(涉及管壁外侧)的热流密度qa换算为涉及管内壁的热流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流式锅炉，其具有一个由互相气密连接的管（１２）构成的外壁围绕的燃烧室（４），其中垂直延伸并在其内侧具有表面结构（２６）的管（１２）可被流动介质（ｓ）从下向上流过，其特征在于：在管（１２）内处于临界压力Ｐ↓［临］时的这种负载状态下，管（１２）内的质量流量密度＊按下式求得：＊＝ｑ↓［ｉ］／Ｃ（Ｔ↓［ｍａｘ］－Ｔ↓［临］－ΔＴ↓［Ｗ］）（ｋｇ／ｍ↑［２］ｓ）式中ｑ↓［ｉ］（ｋＷ／ｍ↑［２］）是管（１２）内侧的热流密度，Ｔ↓［ｍａｘ］（℃）是管（１２）最大允许的材料 温度，Ｔ↓［临］（℃）是在临界压力（Ｐ↓［临］）时流动介质（Ｓ）的温度，ΔＴ↓［ｗ］（Ｋ）是管（１２）外壁与内壁之间的温度差，以及Ｃ≥７．３.１０↑［－３］ｋＷｓ／ｋｇＫ是一个常数。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：沃尔夫冈卡斯特纳，沃尔夫冈凯勒，埃伯哈德威特乔，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]