[发明专利]直通式锅炉的工作方法与采用该方法的直通式锅炉

说明书

本发明涉及一种直通式锅炉的工作方法，这种直通式锅炉具有一燃烧室，其外壁由彼此气密性熔焊、垂直布置的蒸发管构成，该蒸发管内有流体介质流过。另外，本发明还涉及一种采用该方法的直通式锅炉。

这类型式的锅炉，在J.Franke、W.Koehler和E.Wittchow发表在VGB电厂技术73(1993)之第4期、第352～360页的“本生锅炉的蒸发器设计方案”一文中公开。与自然循环锅炉或强制循环锅炉仅使循环中的水-蒸汽混合物部分汽化所不同，在直通式锅炉中，构成燃烧室或烟道的蒸发管的加热，使得蒸发管内的流动介质，在唯一一次流过时汽化。在此，直通式锅炉的蒸发管可垂直布置，或者螺旋状倾斜布置。

直通式锅炉与自然循环锅炉相反，它不受压力限制，因而新鲜蒸汽的压力可以远高于水的临界压力(P_临＝221bar)(此时，在液态类和汽态类介质之间仅有很小的密度差别)。高的新鲜蒸汽压力有利于提高热效率，进而有利于采用矿物燃料的电厂降低CO₂的排放。与螺旋状制式相比，烟道由垂直蒸发管构成的直通式锅炉，在生产成本上更低廉。此外，采用垂直管道的直通式锅炉，与那些采用倾斜或螺旋状上升蒸发管的直通式锅炉相比，具有较低的水蒸汽方面的压力损失。

DE 43 33 404 A1公开了一种直通式锅炉，它具有一燃烧室，其外壁由彼此气密性熔焊、垂直布置的蒸发管构成。

在对直通式锅炉的烟道壁或燃烧室壁的设计中，主要的问题是要考虑到该烟道壁上出现的管壁温度或材质温度。在可达200bar的亚临界压力范围内，当确保汽化区内的加热面被浸润时，燃烧室壁的温度基本上由水的饱和温度的高低来确定，这例如可通过采用内侧具有表面结构的蒸发管来实现。为此可以考虑采用具有内助片的蒸发管，它在直通式锅炉中的应用例如由欧洲专利0 503 116公开。在这种所谓的肋片管，也就是内表面具有肋片的管道中，由管内壁向流动介质的传热特别好。

在约200～221bar的压力范围内，由管内壁向流动介质的传热急剧下降，因此，流动介质的质流密度必须相应选择较高，以保证蒸发管足够的冷却。为此，在以约200bar和超过200bar的压力工作的直通式锅炉的蒸发管中，质流密度必须选择得比以低于200bar的压力工作的直通式锅炉(的质流密度)大。然而，这样增大的质流密度会导致蒸发管内摩擦压力损失的升高。鉴于较高的摩擦压力损失，特别是在管道内径很小的情况下，丧失了垂直管系有利的特性(即在对单根蒸发管加热更多时可提高其通流能力)。然而由于为实现电厂高的热效率和低的CO₂排放，蒸汽压力需要超过200bar，因此有必要确保即使在这个压力范围内，管道内壁向流动介质的传热也很好。因此，凡燃烧室壁采用垂直管系的直通式锅炉，通常都以较高的质流密度工作。为此，在I.E.Sememovker 1994年第41卷第8期“热能工程”一书的第655～661页中，对既可烧燃气又可烧煤的直通式锅炉，在100％负荷下，质流密度统一给定为约2000kg/m²s。

本发明的目的在于，提供一种用于上述类型的直通式锅炉的工作方法，按该方法，在蒸发管安全可靠地冷却的情况下，可以实现特别低的摩擦压力损失，进而达到特别高的效率。本发明的另外一个目的是提供一种特别适于采用这种方法的直通式锅炉。

本发明有关方法方面的目的是这样来实现的，即流动介质的质流密度m，根据作用在蒸发管上的热流密度q，按照公式：

m＝200＋8.42·10¹²·q³·[d/(d-2s)]s²·T_max^-5近似地保持在一个调节值上。在此，作用在管外侧的热流密度q以kw/m²为单位，以便使质流密度的单位为kg/m²·s。另外：

d表示蒸发管的外径，单位为米，

s表示蒸发管的壁厚，单位为米，

T_max表示管材的特征最高许用温度，单位为℃。

在此，本发明出于这种考虑，即在直通式锅炉工作时，在摩擦压力损失特别低的情况下，要确保蒸发管安全、可靠地被冷却，这要通过以适宜的方法满足两个在原理上相矛盾的条件。一方面，蒸发管内的平均质流密度应选择尽可能低。由于不可避免地存在加热差别，由此对个别管的更多加热能使其中的通流量比受平均加热的蒸发管内的通流量更高。因筒式锅炉而公知的自然循环特性，使得蒸发管出口的蒸汽温度均匀，并进而使管壁温度均匀。