CN101981373A - 带有均衡室的连续蒸汽发生器 - Google Patents

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Abstract

一种用于蒸发液体的蒸发器(10)包括多个设置在管道或室内的竖琴状件(20)使得已加热的流体流(22)(例如，已加热的气体或烟道气)经过蒸发器(10)的连续的各排竖琴状件(20)。各竖琴状件(20)包括下集管(24)、多个下管(26)、中间均衡室(28)、多个上管(30)以及上集管(32)。下管(30)与下集管(24)处于流体连通并从下集管竖向向上延伸。下管(26)的上端与均衡室(28)处于流体连通。上管(30)与均衡室(28)处于流体连通并从均衡室竖向向上延伸。上管(30)的上端与上集管(32)处于流体连通。

Description

带有均衡室的连续蒸汽发生器
相关申请的交叉引用
本发明要求题为“CONTINUOUS STEAM GENERATOR WITH EQUALIZING CHAMBER(带有均衡室的连续蒸汽发生器)”的共同未决美国临时专利申请序号61/039,965的权益，其通过引用结合到本文中。
技术领域
本发明一般地涉及在大型热回收蒸汽发生器(HRSG)上使用的直通式蒸发器(once-through evaporator)，并且更具体地涉及在具有均衡室的大型HRSG上使用的直通式蒸发器。
背景技术
目前的直通式蒸发器技术可与大型HRSG一起使用来提供两级热交换。第一级产生蒸汽/水混合物。第二级蒸发水至干燥并过热蒸汽。一般而言，HRSG的各级包括并联排列的传热管，其中，内部质量流率通过浮力来控制，并与到各单独的管的热量输入成比例。一种类型的蒸发器使用布置成相继(sequential)排列的单独管束的竖向管，其中，各管束(或竖琴状件(harp))具有横向于热气流的一排管。单独的竖琴状件布置在气流的方向上，使得相比于直接在上游的竖琴状件，各下游的竖琴状件吸收来自较低温度的气体的热量。这样，由各竖琴状件在气流方向上所吸收的热量比上游竖琴状件所吸收的热量少。此类蒸发器类似于1999年6月14日提交的题为“Steam Generator(蒸汽发生器)”的美国专利号6,189,491中公开的蒸发器，其通过引用结合到本文中。
利用此原理的HRSG要求将水/蒸汽混合物(两相流)从初级蒸发器的出口分配到其中发生干燥和过热的次级蒸发器中。次级蒸发器由在底部集管上带有多个进口的一个或多个竖琴状管束形成。各进口提供经分支连接部进入下集管的两相流。通向次级蒸发器的集管的各进口接收来自初级蒸发器下游的混合装置的两相流。
来自一个进口连接部的两相流沿着集管的一部分的长度被分配给集管上部分中的出口管。各出口管是相应排的次级蒸发器中的单独的蒸发器管。
本领域的技术人员公知，两相流的分离可发生在次级蒸发器的底部集管中，导致水/蒸汽混合物不均匀地分配到特定管排(或竖琴状件)内的次级蒸发器热交换器管内。对于相等的质量流率而言，在接收较高蒸汽份额(fraction)的管中，水/蒸汽混合物将更快地蒸发至干燥，导致在单独的管的出口处的较高程度的过热。在接收较高水份额的管中，水/蒸汽混合物将较晚蒸发至干燥，导致在单独的管的出口处的较低程度的过热。单独的蒸发器管的热膨胀由内部流体沿着管长度的温升的积分(integral)确定。
在出口处带有较高过热的管的积分平均温度将比在出口处带有较低过热的管的积分平均温度高。当单独的竖琴状进口集管中相邻的管接收不同的水/蒸汽份额时，对于每个管而言管温积分平均将不同。由于通过在两端连结到共用的集管上而在上端和下端处对管进行约束，所以相邻或靠近的管的温差将导致在管中形成差热应力。在起动和加载斜坡(load ramp)期间，次级蒸发器的进口集管中的不均匀流量分布将在位置和程度方面有变化。已表明在这些状态期间高差热应力的位置将发生改变。在起动或加载斜坡期间，单独的管可从无差热应力的状态过渡到高应力状态。已表明这种应力变化导致在分支连接部处的管接头处的交变应力。当这种应力的量级足够高时，以及当发生次数达到可预测的量时，管接头容易由于低循环疲劳而失效。
本发明的蒸发器采用第一和/或第二级蒸发器内的均衡室的原理来减轻在蒸发器的第二级的进口处的两相流分离的效应，如下面将更详细地描述的那样。
发明内容
根据本文说明的方面，提供一种用于蒸发液体的蒸发器。该蒸发器包括下集管以及具有上端和下端的多个下管。下管的下端与下集管处于流体连通，并且下管的上端与中间室处于流体连通。多个上管具有上端和下端。上管的下端与中间室处于流体连通。上集管与上管的上端处于流体连通。
附图说明
现参照附图，其为示例性实施例，且其中同样的元件以同样的方式标号：
图1a是具有设置在管道中的初级蒸发器和次级蒸发器的两级蒸发器的侧视图，其中，各蒸发器包括多个与根据本发明的在图1b中所示的竖琴状件类似的竖琴状件。
图1b是根据本发明的蒸发器的竖琴状件的正视图，该竖琴状件包括在上集管和中间均衡室之间互相连接的多个上管以及在中间均衡室和下集管之间互相连接的多个下管。
图2a是具有设置在管道中的初级蒸发器和次级蒸发器的两级蒸发器的另一实施例的侧视图，其中，各蒸发器包括多个与根据本发明的在图2b中所示的竖琴状件类似的竖琴状件。
图2b是根据本发明的蒸发器的竖琴状件的正视图，该竖琴状件包括在上集管和中间均衡室之间互相连接的多个上管以及在中间均衡室和下集管之间互相连接的多个下管。
图3a是具有设置在管道中的初级蒸发器和次级蒸发器的两级蒸发器的另一实施例的侧视图，其中，各蒸发器包括多个与根据本发明的在图3b中所示的竖琴状件类似的竖琴状件。
图3b是根据本发明的蒸发器的竖琴状件的正视图，该竖琴状件包括在上集管和中间均衡室之间互相连接的多个上管以及在中间均衡室和下集管之间互相连接的多个下管。
图4a是具有设置在管道中的初级蒸发器和次级蒸发器的两级蒸发器的另一实施例的侧视图，其中，各蒸发器包括多个与根据本发明的在图4b中所示的竖琴状件类似的竖琴状件。
图4b是根据本发明的蒸发器的竖琴状件的正视图，该竖琴状件包括在上集管和上中间均衡室之间互相连接的多个上管以及在下中间均衡室和下集管之间互相连接的多个下管，其中，上均衡室和下均衡室通过中间管互相连接。
图5a是具有设置在管道中的初级蒸发器和次级蒸发器的两级蒸发器的另一实施例的侧视图，其中，各蒸发器包括多个与根据本发明的在图5b中所示的竖琴状件类似的竖琴状件。
图5b是根据本发明的蒸发器的竖琴状件的正视图，该竖琴状件包括在上集管和中间均衡室之间互相连接的多个上管以及在中间均衡室和下集管之间互相连接的多个下管。
具体实施方式
为了方便描述本发明，下文将本发明描述为结合锅炉使用或用于发电装置内的蒸发器。但是，本领域的技术人员应该理解的是，该蒸发器可用于任何需要蒸发液体或过热气体的应用。
如图1a中最好地示出的那样，两级蒸发器10具有用于将液体蒸发成气体(例如，将水蒸发成蒸汽)的初级蒸发器12，以及用于过热由初级蒸发器所提供的气体或气体/液体混合物的次级蒸发器14。各蒸发器12，14包括至少一个竖琴状件20，但通常包括多个竖琴状件，其设置在管道或室15内使得已加热的流体流22(例如，已加热的气体或烟道气)经过蒸发器10的相继的各排竖琴状件20。图1b示出在图1a中示出的单个竖琴状件20。
参照图1a和图1b，各竖琴状件20包括下集管24、多个下管26、中间均衡室28、多个上管30以及上集管32。如图1b中最好地示出的那样，下管26与下集管24处于流体连通并从下集管竖向向上延伸。下管26的上端与均衡室28处于流体连通。上管30与均衡室28处于流体连通并从均衡室竖向向上延伸。上管30的上端与上集管32处于流体连通。(多个)输入管15将来自初级蒸发器12的上集管32的液体和/或蒸汽提供给次级蒸发器14的下集管24。蒸汽和/或液体通过各蒸发器12，14的多个输出管36离开上集管32。如图1b中最好地示出的那样，各竖琴状件20的下管26与相应的上管30竖向对齐。
如图1a中最好地示出的那样，均衡室28设置在下集管24和上集管32中间以提供各竖琴状件20的下初级级16和上次级级18。下初级级16包括竖琴状件20的下管26，其也被称为竖琴状件的管的下两相区段。同样，上次级级18包括竖琴状件的上管30，其也被称为竖琴状件的管的上区段。虽然将均衡室示为在上集管32和下集管24之间大致等距，但应该理解的是，均衡室28可设置在集管之间的任何位置处。均衡室的位置可取决于管子中两相液体的期望的量或液位(level)。例如，均衡室可设置在竖琴状件20中两相流体液位的期望液位处或上方。
本发明介绍了处于初级蒸发器12和/或次级蒸发器14的竖直的管26，30中的最佳位置处以减小相应竖琴状件20的相邻管的温差的均衡室28。在蒸发器管的下两相区段16(即，初级级)或上区段18(即，次级级)中均可实现这种有利效果。均衡室28可为截面面积大于一个管截面面积的圆柱形室以有利于来自单独的管的流的混合。
在两级蒸发器10的操作中，对初级蒸发器12的输入管子34提供液体(例如，水)。经由输入集管24对下两相区段16的管提供水。然后加热水以在其中形成水/蒸汽混合物，该混合物被提供给均衡室28，在该均衡室28中从各管26离开的混合物混合在一起。竖琴状件的均衡室28混和从竖琴状件20的下两相区段16离开的来自相邻管26的不同蒸汽/水份额。这种不同蒸汽/水份额的混和促进了离开均衡室28到达竖琴状件20的上区段18的管30的更均匀的混和质量。在竖琴状件20的上区段18中，中间均衡室28中带有不同蒸汽温度的流动流(flow stream)的混合将促使更均匀的温度进入竖琴状件的上区段18的管30。因此，进入竖琴状件20的上集管32的被加热或过热的气体的温度更均匀。
两级蒸发器10的初级蒸发器12中的均衡室28的优点与在次级蒸发器14中提供均衡室28一样。最终，增加(多个)均衡室28导致当均衡室28被引入到蒸发器管流路中时在次级蒸发器14的到上集管32的进口处的最终过热气体的温度将更加均匀。结果，在起动和加载斜坡期间减小了差热应力，延长了蒸发器管与集管连接部的寿命。
图2a和图2b示出根据本发明的两级蒸发器210的另一实施例。具有相同参考标号的不同实施例的构件与前文所述相同。参照图2a，两级蒸发器210与图1a的两级蒸发器10相似，其包括初级蒸发器12和次级蒸发器14。图2b示出蒸发器12，14的竖琴状件220，其中，竖琴状件220与图1a和图1b的蒸发器10的竖琴状件20相似，除了下管26和上管30竖向偏移(未对齐)之外。下管和上管的这种不对齐促进了均衡室28中的流体和蒸汽在经过上管30之前的混合。
图3a和图3b示出根据本发明的蒸发器310的另一实施例。如图3a中最好地示出的那样，具有多个竖琴状件320的蒸发器310与图2a和图2b的蒸发器210相似，除了图2b的各下管和各上管由多个相应的下管26a，26b，26c和上管30a，30b，30c(例如，三(3)个管)代替之外，其中，相应的上管26和下管30在已加热的气流22的方向上对齐。虽然示出每排管具有三个管，但应该理解的是，可使用两(2)个或更多个管。此外，虽然示出上管和下管在流体流22的方向上对齐，但本发明预期上管和下管可在给定竖琴状件220上彼此水平偏移，使得在上游的管不会阻挡在流体流下游的管。这种偏移设置具有增加传热的优点。
图4a和图4b示出根据本发明的蒸发器410的另一实施例。蒸发器410具有与如图2a和图2b中所示的蒸发器210相似的多个竖琴状件420，除图2b的中间均衡室28由上均衡室412和下均衡室414代替之外。此外，下均衡室414和上均衡室412通过多个中间管416处于流体连通，其中，中间管将设置在不同竖向平面中的上均衡室412和下均衡室414互相连接。例如，参照图4a，前下均衡室通过多个中间管416与后上均衡室互相连接，而前上均衡室通过不同的多个中间管416与后下均衡室互相连接。这不仅通过单个竖琴状件而且通过多个竖琴状件促进了均匀的温度。虽然示出通过中间管416在上均衡室412与下均衡室414之间互相连接的特别设置，但应该理解的是，该互相连接可采用任何构造。
图5a和图5b示出按照本发明的蒸发器510的另一实施例。蒸发器510与图1a和图1b的蒸发器10相似，除了图1a的多个均衡室28由单个均衡室28所替代之外，藉此单个均衡室起用于多个上管30和下管26的作用。虽然示出三组上管和下管与单个均衡室28互相连接，但任意数量(例如，两(2)个或更多个)竖琴状件520可与均衡室互相连接。这不仅通过单个竖琴状件而且通过多个竖琴状件促进了均匀的温度。
虽然在各实施例中将集管示为设置在管道外部，但本发明预期上集管和/或下集管可设置在管道内。
虽然已参照各种示例性实施例描述本发明，但本领域的技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的前提下，可做出各种改变并且可用等同物代替本发明的元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的前提下，可做出许多改型以使具体情形或材料适合本发明的教导。因此，本发明并非旨在限于作为用于执行本发明而预设的最佳模式而公开的具体实施例，相反，本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种用于蒸发液体的蒸发器，所述蒸发器包括：
下集管；
具有上端和下端的多个下管，所述下管的下端与所述下集管处于流体连通；
与所述下管的上端处于流体连通的中间室；
具有上端和下端的多个上管，所述上管的下端与所述中间室处于流体连通；以及
与所述上管的上端处于流体连通的上集管。
2.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，所述下管大致竖向设置在所述下集管和所述中间室之间。
3.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，所述上管大致竖向设置在所述中间室和所述上集管之间。
4.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，所述上管和相应的下管竖向对齐。
5.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，所述上管和相应的下管竖向偏移。
6.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，各上管和/或下管包括一组管，其中，各相应组的管中的管相继设置在热流的下游。
7.根据权利要求6所述的蒸发器，其特征在于，处于相继布置中的管在流的方向上对齐和/或错开。
8.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，所述中间室接纳相继设置在热流下游的多个上管和下管。
9.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，所述中间室包括中间室对，该中间室对通过多个中间管互相连接以提供所述中间室对之间的流体连通。
10.一种用于蒸发液体的蒸发器，所述蒸发器包括：
多个相继设置在管道中的竖琴状件，其中，经过所述管道的已加热的流相继通过所述竖琴状件，各竖琴状件包括：
下集管；
具有上端和下端的多个下管，所述下管的下端与所述下集管处于流体连通；
与所述下管的上端处于流体连通的中间室；
具有上端和下端的多个上管，所述上管的下端与所述中间室处于流体连通；以及
与所述上管的上端处于流体连通的上集管。
11.根据权利要求10所述的蒸发器，其特征在于，各竖琴状件的下管大致竖向设置在各相应的下集管和所述中间室之间。
12.根据权利要求10所述的蒸发器，其特征在于，各竖琴状件的上管大致竖向设置在各相应的中间室和所述上集管之间。
13.根据权利要求10所述的蒸发器，其特征在于，各竖琴状件的上管和相应的下管竖向对齐。
14.根据权利要求10所述的蒸发器，其特征在于，各竖琴状件的上管和相应的下管竖向偏移。
15.根据权利要求10所述的蒸发器，其特征在于，各竖琴状件的各上管和/或下管包括一组管，其中，各相应组的管中的管相继设置在热流的下游。
16.根据权利要求15所述的蒸发器，其特征在于，处于相继布置中的各竖琴状件的管关于流的方向对齐和/或错开。
17.根据权利要求10所述的蒸发器，其特征在于，所述多个竖琴状件具有共用的中间室，藉此各竖琴状件的上管和下管与所述共用的中间室处于流体连通。
18.根据权利要求10所述的蒸发器，其特征在于，各竖琴状件的中间室包括中间室对，该中间室对通过多个中间管互相连接以在其它竖琴状件的中间室中的一个之间提供流体连通。
19.根据权利要求10所述的蒸发器，其特征在于，所述多个竖琴状件以流体的方式并联地相互连接。
20.根据权利要求10所述的蒸发器，其特征在于，所述多个竖琴状件以流体的方式串联地相互连接。
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