專利名稱：用于產(chǎn)生飽和水蒸氣的蒸發(fā)器和蒸發(fā)法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及蒸汽發(fā)生器，尤其涉及用于蒸汽發(fā)生器的蒸發(fā)器和蒸發(fā)法。
背景技術(shù)：
用于產(chǎn)生電能的許多設(shè)備依賴水蒸氣，各種工業(yè)處理也是如此。兩種情況下，在許多實(shí)例中通過(guò)燃燒產(chǎn)生的熱氣流經(jīng)發(fā)生器，發(fā)生器將水轉(zhuǎn)換成過(guò)熱水蒸氣。這些典型的裝置是回?zé)嵴羝l(fā)生器(HRSGs)，它們從燃?xì)鉁u輪排放的熱氣中吸收熱量，燃?xì)鉁u輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。吸收的熱量產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣流過(guò)給另一發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力的蒸汽渦輪。
除了熱氣體流經(jīng)的管道之外，典型蒸汽發(fā)生器的最基本結(jié)構(gòu)包括三個(gè)其它部件—即過(guò)熱器、蒸發(fā)器、節(jié)熱器或給水加熱器，相對(duì)于氣流在管道中的流動(dòng)，它們按照這個(gè)順序排列。水在相反方向上流動(dòng)，即流過(guò)節(jié)熱器，在那里水得到加熱，但是保持液態(tài)，然后流過(guò)蒸發(fā)器，在那里水轉(zhuǎn)換成飽和水蒸氣，然后穿過(guò)過(guò)熱器，在那里飽和水蒸氣變成過(guò)熱蒸汽。
蒸發(fā)器分成兩種基本結(jié)構(gòu)—循環(huán)型和單程型，它們各自具有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。兩種都在管道中具有熱氣流經(jīng)的管陣列。
在循環(huán)型中，管位于帶有汽鼓的回路中，汽鼓在管上面。汽鼓容納水，水從汽鼓流經(jīng)下水管，然后進(jìn)入管中，在那里一些水轉(zhuǎn)化成水蒸氣，但是水蒸氣以氣泡的形式存在于水中，并且穿過(guò)立管返回到汽鼓中。這里，飽和水蒸氣與液態(tài)水分離，并且流到過(guò)熱器。提供給汽鼓的給水取代水蒸氣。循環(huán)蒸發(fā)器的管始終保持濕潤(rùn)—也就是說(shuō)，液態(tài)水存在于它們的整個(gè)內(nèi)表面—并且這促進(jìn)良好熱傳遞。而且，雜質(zhì)例如溶解鹽濃縮在汽鼓和循環(huán)回路剩余部分內(nèi)的水中，使得飽和水蒸氣大量逸出而無(wú)此雜質(zhì)。從汽鼓中抽出稱為排污的小水流量以控制雜質(zhì)的積累。雖然某些循環(huán)蒸發(fā)器具有泵協(xié)助，但是大部分循環(huán)蒸發(fā)器完全依賴下水管中的水和管中的水-汽混合物的密度變化來(lái)在蒸發(fā)器中循環(huán)水。而且，循環(huán)蒸發(fā)器包含儲(chǔ)存水的蓄水池。因此，泵的故障不會(huì)立即影響蒸發(fā)器的運(yùn)行，使蒸發(fā)器容易過(guò)熱。同樣，循環(huán)蒸發(fā)器在寬范圍負(fù)載條件下運(yùn)行非常好。最后，循環(huán)蒸發(fā)器是主流裝置，因而鍋爐操作工熟悉它們的操作。
但是循環(huán)蒸發(fā)器具有其缺點(diǎn)?；蛟S其中最大的缺點(diǎn)是給它們的費(fèi)用，這歸結(jié)于給管供水的汽鼓、大的下水管和總管。而且，容納水的蓄水池需要時(shí)間來(lái)達(dá)到沸騰溫度，因此延長(zhǎng)了循環(huán)蒸發(fā)器的啟動(dòng)時(shí)間。
單程蒸發(fā)器不需要下水管或汽鼓，因此在它們中保存的水位于它們自己的管中。這使得單程蒸發(fā)器比自然循環(huán)蒸發(fā)器更快地達(dá)到運(yùn)行條件。然而，單程蒸發(fā)器必須將水完全轉(zhuǎn)換成水蒸氣，因此只有飽和水蒸氣逸出并流到過(guò)熱器。沒(méi)有液態(tài)水流出蒸發(fā)器。因此，管區(qū)域干運(yùn)行，也就是說(shuō)，它們的內(nèi)部未用水濕潤(rùn)。即使這些區(qū)域在超過(guò)濕區(qū)域的溫度下運(yùn)行，熱傳遞在這些區(qū)域中明顯減少。單程蒸發(fā)器的某些制造采用高合金金屬以使這些管更好地承受提升的溫度。然而，循環(huán)蒸發(fā)器排放的水蒸氣很大程度上無(wú)雜質(zhì)，單程蒸發(fā)器要排放的水蒸氣中包含給水中存在的所有雜質(zhì)，給水是用泵抽到單程蒸發(fā)器中。因此，給水需要進(jìn)行處理以盡可能多地消除雜質(zhì)。
因此，循環(huán)和單程蒸發(fā)器各自具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及的蒸發(fā)器具有循環(huán)蒸發(fā)器和單程蒸發(fā)器的許多優(yōu)點(diǎn)，但是很少具有其缺點(diǎn)。為此目的，它包括第一管、第二管和容器，第一管位于熱氣流中，第二管也位于熱氣流中，容器連接到第一管和第二管，以便容器從第一管中接收水而且使得水從容器循環(huán)到第二管并返回到容器。本發(fā)明也涉及實(shí)施蒸發(fā)器運(yùn)行的方法。


圖1是蒸汽發(fā)生器的示意剖視圖，它裝有依據(jù)和實(shí)施本發(fā)明而構(gòu)造的蒸發(fā)器；圖2是蒸發(fā)器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考附圖，蒸汽發(fā)生器A(圖1)主要包括管道2，它有入口端4和排出端6。入口端4連接到熱氣源，例如燃?xì)鉁u輪或燃燒爐，并且那些氣體流經(jīng)管道2，在排出端6離開(kāi)。另外，蒸汽發(fā)生器A包括過(guò)熱器12、蒸發(fā)器14、給水加熱器或節(jié)熱器16，它們按照這個(gè)順序從入口端4到排出端6排列在管道2中。因此，熱氣首先流經(jīng)過(guò)熱器12、然后流經(jīng)蒸發(fā)器14，最后流經(jīng)節(jié)熱器16。水在相反方向上流動(dòng)。更具體地，節(jié)熱器16連接到給水泵18，它將液態(tài)給水輸送給節(jié)熱器16。節(jié)熱器16從熱氣中吸收熱量并把熱量傳遞給流經(jīng)它的液態(tài)水，由此提升水溫。液態(tài)水離開(kāi)節(jié)熱器16后流到蒸發(fā)器14，水流經(jīng)蒸發(fā)器。蒸發(fā)器14將液態(tài)水溫提升的更高—實(shí)際上，足夠高以至于將一些水轉(zhuǎn)換成飽和水蒸氣。飽和水蒸氣流入升高水蒸氣溫度的過(guò)熱器12，被轉(zhuǎn)換成過(guò)熱水蒸氣，可以用來(lái)給渦輪提供動(dòng)力，或用于某些工業(yè)處理，甚至用來(lái)加熱建筑物。過(guò)熱器12和節(jié)熱器16主要是管束。蒸發(fā)器14更復(fù)雜。
蒸發(fā)器14在某種程度上代表單程蒸發(fā)器和自然循環(huán)蒸發(fā)器的組合。它本身包括(圖2)單程部分22和自然循環(huán)部分24。來(lái)自節(jié)熱器16的液相熱水經(jīng)由給水管26引入單程部分22，在兩部分22和24中，熱水轉(zhuǎn)換成飽和水蒸氣，它從自然循環(huán)部分24中排入排出管28，排出管28將飽和水蒸氣輸送到過(guò)熱器12。
首先考慮單程部分22，它包括(圖2)位于管道2內(nèi)的管34，以便熱氣流經(jīng)它們。它也包括通向自然循環(huán)部分24的連接管36。節(jié)熱器16將溫水輸送到單程部分22的管34，其中一些水在管34中轉(zhuǎn)換成飽和水蒸氣。流量使得水蒸氣出口質(zhì)量保持較低，而管34內(nèi)部全部保持濕潤(rùn)，這個(gè)流量由給水泵18控制。因此，即使液態(tài)水可能包含飽和水蒸氣泡，但是在管34內(nèi)部存在液態(tài)水。與常規(guī)單程蒸發(fā)器相比，單程部分22的管34沒(méi)有干壁。實(shí)際上，這種排列是確保管34全部保持濕潤(rùn)，并且也確保連接管36中的水蒸氣質(zhì)量在20％和90％之間變化，優(yōu)選在40％和60％之間?！百|(zhì)量”意思是水和水蒸氣混合物中實(shí)際為水蒸氣的重量百分比。因此，帶有40％質(zhì)量水蒸氣的流量含有40％重量的水蒸氣和60％重量的液態(tài)水。
自然循環(huán)部分24包括(圖2)汽鼓42和管44，汽鼓42是位于管道2外面和上面的容器，而管44位于管道2內(nèi)。另外，自然循環(huán)部分24具有下水管46，下水管46在管道2外面從汽鼓42通向下方，在其下端通向分配總管48，分配總管48延伸穿過(guò)管道2，其中管44的下端連接到分配總管48。同樣，自然循環(huán)部分24具有收集總管50和立管52，管44的上端在管道2內(nèi)通向收集總管50，立管52從收集總管50通向汽鼓42。最后，汽鼓42具有連接到其上的排污管54。
汽鼓42、下水管46、兩根總管48和50、以及它們之間的管44、立管52全部包含液態(tài)水，所述水來(lái)自單程部分22。為此，連接管36從單程部分22的管34通向汽鼓42。單程部分22給汽鼓42輸送充足的液態(tài)水以保持汽鼓42始終部分充滿液態(tài)水。如同立管52，連接管36在汽鼓42中的水位之下通向汽鼓42。下水管46和排污管54在汽鼓42中的水位之下離開(kāi)汽鼓42。
兩個(gè)部分22、24的管34、44分別可以并排構(gòu)成在管道2中，或者管34在管44之前，或者管44在管34之前，后者是優(yōu)選的。
在蒸汽發(fā)生器A的運(yùn)行中，給水泵18將相對(duì)冷的給水輸送給節(jié)熱器16，給水穿過(guò)節(jié)熱器16，并且當(dāng)穿過(guò)時(shí)得到加熱。被加熱的給水流入蒸發(fā)器14的單程部分22，其中至少20％的給水并且優(yōu)選為50％的給水轉(zhuǎn)換成飽和水蒸氣，其余的保持為水，穿過(guò)自然循環(huán)部分24以變成更多的飽和水蒸氣。在兩個(gè)部分22、24中產(chǎn)生的水蒸氣通過(guò)排出管28離開(kāi)蒸發(fā)器14，排出管28將水蒸氣引入過(guò)熱器12。在過(guò)熱器12內(nèi)，來(lái)自蒸發(fā)器14的飽和水蒸氣變成過(guò)熱水蒸氣。
更完整地考慮蒸發(fā)器14的運(yùn)行，給水泵18迫使水進(jìn)入單程部分22的管34，管34由管道2中的熱氣進(jìn)行加熱，將熱量傳遞給水。管34在稍微高于水沸點(diǎn)的溫度下運(yùn)行，所以管34中的一些水轉(zhuǎn)換成飽和水蒸氣—但不是全部。實(shí)際上，穿過(guò)管34的流量保持足夠大以產(chǎn)生20％和90％之間的水蒸氣質(zhì)量，優(yōu)選為40％和60％之間。由于質(zhì)量低于100％，管34內(nèi)部保持充分濕。在管34中產(chǎn)生的水蒸氣以氣泡形式存在于液態(tài)水中。水流出管34，進(jìn)入連接管36，連接管36將水引入自然循環(huán)部分24的汽鼓42。
自然循環(huán)部分24本身充滿液態(tài)水，實(shí)際上達(dá)到部分填充汽鼓42的水位，汽鼓42形成蒸發(fā)器14的最高部分。連接管36在汽鼓42中的液態(tài)水位之下將水和水蒸氣從單程部分22排入汽鼓42。剛一進(jìn)入汽鼓42，殘留蒸汽逸入汽鼓42的上部，并從那里流出汽鼓42進(jìn)入排出管28。來(lái)自單程部分22的液態(tài)水與汽鼓42中的水混合。它單獨(dú)為汽鼓42和整個(gè)自然循環(huán)部分24提供液態(tài)水。從單程部分22進(jìn)入汽鼓42的水中雜質(zhì)保留在汽鼓42的水中。如同在常規(guī)自然循環(huán)系統(tǒng)中，很少有雜質(zhì)存在于逸出的水蒸氣中。
輸送到自然循環(huán)部分24的汽鼓42的水代表用于該部分24的水源。收集在汽鼓42中的液態(tài)水流出汽鼓42，進(jìn)入下水管46，然后進(jìn)入分配總管48，在那里將水分配給該部分24中的管44。管道2中的熱氣流經(jīng)管44，加熱它們，因此，管44將氣體具有的熱量傳遞給管44中的水。一些水沸騰，但不是全部，所以管44的內(nèi)部照樣全部保持潮濕，因此，確保從氣體到水的有效熱傳遞。由于沸騰而產(chǎn)生的水蒸氣以氣泡形式存在于離開(kāi)管44的水中。存在水蒸氣的水流出管44，進(jìn)入總管50，并且從此進(jìn)入立管52，立管52將水引回汽鼓42。水蒸氣逸入汽鼓42上部，并且在飽和狀態(tài)下通過(guò)排出管28從那里排出。實(shí)際上，來(lái)自單程部分22的水和從循環(huán)部分的立管52中輸送的水在汽鼓42中混合。來(lái)自兩部分22和24的水在其中具有飽和水蒸氣，并且該水蒸氣逸入汽鼓42上部，并且通過(guò)排出管28流到過(guò)熱器12中。因此，向下流經(jīng)下水管46的水代表來(lái)自兩個(gè)水源的水—即來(lái)自單程部分22的管34和來(lái)自循環(huán)部分24的管44。
通過(guò)排污管54從汽鼓42中不時(shí)地排出液態(tài)水，這限制了在自然循環(huán)部分24中進(jìn)行循環(huán)的水中雜質(zhì)的積累。
由于蒸發(fā)器14產(chǎn)生的大量飽和水蒸氣來(lái)自單程部分22，所以與能力相當(dāng)于整個(gè)蒸發(fā)器14的單個(gè)常規(guī)自然循環(huán)蒸發(fā)器相比，自然循環(huán)部分24可以相當(dāng)小。較小尺寸意味著較小下水管46和較小總管48、50，以及更少的管44。它也使得循環(huán)部分24在更少時(shí)間里達(dá)到運(yùn)行條件，因此使啟動(dòng)最小化。雖然如此，蒸發(fā)器14已經(jīng)保存了水，這些水給干運(yùn)行提供了保護(hù)措施。蒸發(fā)器14中不存在干壁情況，因此蒸發(fā)器14不遭受與這些情況相關(guān)的熱傳遞損害。循環(huán)部分24在其管44內(nèi)自然避免了干壁，而通過(guò)單程部分22的管34抽吸的過(guò)量水避免了該部分22中的干壁情況。由于汽鼓42自然消除雜質(zhì)，并且防止它們流出蒸發(fā)器14并進(jìn)入排出管28，因此無(wú)需任何特殊措施來(lái)從經(jīng)由給水管26進(jìn)入蒸發(fā)器14的水中消除雜質(zhì)。
可以利用泵來(lái)代替完全依賴密度變化在部分24中使水循環(huán)。因此，措詞“循環(huán)部分”指的是依賴自然循環(huán)或泵輔助循環(huán)的蒸發(fā)器部分。并且，在單程部分22的管34中產(chǎn)生的水蒸氣可以在汽鼓42之前與液態(tài)水分離，但是來(lái)自該部分22的液態(tài)水應(yīng)該流到汽鼓42。
在某些利用自然循環(huán)蒸發(fā)器的常規(guī)蒸汽發(fā)生器中，節(jié)熱器進(jìn)行過(guò)熱和產(chǎn)生飽和水蒸氣已經(jīng)是公知的。但是通過(guò)這些蒸發(fā)式節(jié)熱器產(chǎn)生的水蒸氣質(zhì)量不能接近通過(guò)蒸發(fā)器14的單程部分22產(chǎn)生的水蒸氣質(zhì)量，因此，與耦合到蒸發(fā)式節(jié)熱器的自然循環(huán)蒸發(fā)器相比，蒸發(fā)器14在這一點(diǎn)有很大不同。
權(quán)利要求
1.一種蒸發(fā)器，用于從熱氣的水蒸氣中吸收熱量以使液態(tài)水轉(zhuǎn)換成飽和水蒸氣，所述蒸發(fā)器包含第一管，其位于水蒸氣中并且連接到液態(tài)水源，以便液態(tài)水在第一管中以一個(gè)流速循環(huán)，所述流速使第一管能把水轉(zhuǎn)換成水和水蒸氣混合物，其中水蒸氣的質(zhì)量至少約20％；與第一管導(dǎo)通的容器，用于從第一管中接收液態(tài)水；第二管，其位于熱氣的水蒸氣中并且連接到所述容器，以便來(lái)自容器的水將循環(huán)進(jìn)入第二管中，然后流回容器；和容器上的排出管，用于使飽和水蒸氣逸出容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)器，進(jìn)一步包含下水管，其將容器與第二管連接在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的蒸發(fā)器，其中第二管具有上端和下端；并且其中下水管連接到下端，而上端與容器連接在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)器，進(jìn)一步包含連接到容器的排污管，其用于從容器中抽出水以減少容器、下水管和第二管中的雜質(zhì)濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)器，進(jìn)一步包含立管，其位于所述管的上端和所述容器之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)器，其中容器接收從第一管中排出的水和水蒸氣混合物，并且混合物包含至少40％質(zhì)量的水蒸氣。
7.一種用于將節(jié)熱器中的液態(tài)水轉(zhuǎn)換成水蒸氣的蒸發(fā)器，其與管道和節(jié)熱器組合，其中熱氣流經(jīng)所述管道，所述節(jié)熱器位于管道中用于提高液態(tài)水溫，所述蒸發(fā)器包含位于所述管道中的第一管；位于所述管道中的第二管；泵，用于迫使液態(tài)水以充分的速度穿過(guò)第一管，以便讓水使第一管的內(nèi)部全部濕潤(rùn)，同時(shí)在水中產(chǎn)生水蒸氣，由此存在水蒸氣的液態(tài)水從第一管中排出；和汽鼓，其與第一管連接以便它從第一管中接收液態(tài)水，汽鼓也與第二管連接以便來(lái)自汽鼓的水在第二管中循環(huán)并流回汽鼓，水在第二管中產(chǎn)生水蒸氣，同時(shí)第二管的內(nèi)部用水全部保持濕潤(rùn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的組合，其中從第一管中排出的水和水蒸氣混合物的水蒸氣重量在20％和90％之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的組合，進(jìn)一步包含連接到汽鼓的排污管，用于從汽鼓中抽出水以減少在第二管中循環(huán)的水中的雜質(zhì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的組合，其中第二管在管道中位于第一管的上游。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的組合，進(jìn)一步包含過(guò)熱器，其在管道中位于蒸發(fā)器的上游，并且連接到蒸發(fā)器用于從蒸發(fā)器中接收飽和水蒸氣。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合，其中節(jié)熱器在管道中位于蒸發(fā)器的下游。
13.一種用于從熱氣流中產(chǎn)生飽和水蒸氣的方法，所述方法包含將液態(tài)水引入位于氣流中的第一管，迫使液態(tài)水以充分的速度穿過(guò)所述管，以便讓水使所述管的內(nèi)部全部濕潤(rùn)，同時(shí)在水中產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣的質(zhì)量至少為20％，由此剛離開(kāi)第一管的水在其中存在水蒸氣；將攜帶的水蒸氣從離開(kāi)第一管的液態(tài)水中分離；將液態(tài)水從第一管中引入容器；將來(lái)自容器的液態(tài)水在位于氣流中的第二管中循環(huán)，然后使水流回容器，所述循環(huán)使得第二管的內(nèi)部用水全部保持濕潤(rùn)，在水中還產(chǎn)生水蒸氣，使得從第二管進(jìn)入容器的水在其中存在水蒸氣；以及在容器中將攜帶的水蒸氣從離開(kāi)第二管的水中分離。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中存在于來(lái)自第一管的液態(tài)水中的水蒸氣與容器中的液態(tài)水分離。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中從第一管中排出的水和水蒸氣混合物的水蒸氣重量在約20％和約90％之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中從第一管中排出的水和水蒸氣混合物的水蒸氣重量在約40％和約60％之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中容器位于第二管上方。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包含從容器中抽出液態(tài)水以提高在容器和第二管中循環(huán)的水的純度。
全文摘要
一種蒸發(fā)器包括兩部分—單程部分(22)和循環(huán)部分(24)，它們兩個(gè)包括位于熱氣流中的管(34，44)。熱水以充分的速度流經(jīng)單程部分的管(34)，以使它的管內(nèi)部充分保持濕潤(rùn)，同時(shí)使得在水中能產(chǎn)生水蒸氣。循環(huán)部分包括汽鼓(42)，它連接到該部分的管(44)以便來(lái)自汽鼓的水在管中循環(huán)，然后流回汽鼓，所述循環(huán)使得循環(huán)部分的管中的水讓管全部保持濕潤(rùn)，同時(shí)在水中產(chǎn)生水蒸氣。來(lái)自單程部分的管中的水排入汽鼓，從循環(huán)部分的管中循環(huán)回來(lái)的水也是如此。
文檔編號(hào)F22B1/00GK1599853SQ02824136
公開(kāi)日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2002年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月5日
發(fā)明者J·E·施羅德 申請(qǐng)人:努特埃里克森公司