用矿物燃料加热的蒸汽发生器 本发明涉及一种蒸汽发生器，它具有一个用于燃烧矿物燃料的燃烧室，该燃烧室在其热烟气侧通过一水平烟气通道后接有一垂直烟气通道。
蒸汽发生器通常被用于蒸发在一个蒸发循环内流动的介质，例如水-水/汽-混合物。为此蒸汽发生器具有一些蒸发管，通过它们的加热可蒸发其中流动的流体介质。
蒸汽发生器通常被设计成具有一个立式结构的燃烧室。这意味着，燃烧室要被设计成让加热介质或热烟气沿近似于垂直的方向流过。燃烧室在其热烟气侧之后连接有一个水平烟气通道，其中在从燃烧室到水平烟道的过渡段，热烟气流会转向到近似于水平的一个流向上。然而由于温度变化会造成燃烧室的长度发生变化，燃烧室的这种立式结构需要一个机架，燃烧室可悬挂在上面。这样，在生产和安装蒸汽发生器时，要求很大的技术投入。蒸汽发生器越大，它的结构高度也就越大。
本发明的目的在于，提供一种上述类型的用矿物燃料加热的蒸汽发生器，它在生产和安装成本上花费很少。
本发明的目的是这样来实现的，即，燃烧室具有一些燃烧器，这些燃烧器设置在水平烟道的高度上。
本发明基于如下构思：一个生产和安装成本特别低的蒸汽发生器应当具有一个可用简单手段实施的固定结构。用较低微的技术成本生产出来的供燃烧室悬挂用的机架与结构高度很低的蒸汽发生器相对应。通过将燃烧室设计为卧式结构，可使蒸汽发生器具有特别低的结构高度。为此，燃烧器设置在燃烧室壁中地水平烟道高度上。这样，在蒸汽发生器运行时，热烟气可沿近似于水平的方向流过燃烧室。
比较有利的是，燃烧器设置在燃烧室的端侧，亦即燃烧室中与通往水平烟道的流出口相对的侧壁。这样一种结构的蒸汽发生器可用一种简单的方式与燃料的燃尽长度匹配。所谓燃料的燃烧长度可以理解为在一定的平均烟气温度下，烟气沿水平方向的速度与燃料的燃烧时间tA的乘积。对于蒸汽发生器来说，最大的燃烧长度是在其满负荷运行时产生。燃烧时间tA是指中等尺寸的碳颗粒在一定的平均烟气温度下完全燃烧所需时间。
为了将材料损失和所不期望发生的对水平烟道的污染、例如烟灰堵塞保持在最低，比较有利的是，燃烧室的长度(由燃烧室的端侧到水平烟道的进口区的距离来定义)至少等于在蒸汽发生器满负荷运行时燃料的燃尽长度。
燃烧室的长度L(单位m)在本发明的一个有利的实施构型中是燃烧室的BMCR值W(单位为kg/s)、燃料的燃烧时间tA(单位为s)和工作介质从燃烧室流出的出口温度TBRK(单位为℃)的函数。BMCR是指锅炉的最大连续效率(Boiler maximum continuous rating),BMCR值是国际上常用的关于蒸汽发生器最高持续功率的概念。它也相当于蒸汽发生器满负荷运行时的设计功率。在对于燃烧室的长度L给定BMCR值W时，有近似于如下的函数关系：
L(W,tA)=(C1+C2·W)·tA 和
L(W,TBRK)=(C3·TBRK+C4)W+C5(TBRK)2+C6·TBRK+C7
其中
C1=8m/s
C2=0.0057m/kg
C3=-1.905·10-4(m·s)/(kg℃)
C4=0.2857(s·m)/kg
C5=3·10-4m/(℃)2
C6=-0.8421m/℃
C7=603.4125m
所谓“近似于”是指与各函数所确定的数值有允许的+20％/-10％的偏差。
比较有利的是，燃烧室的端侧和燃烧室、水平烟道和/或垂直烟道的侧壁由许多气密地焊接在一起的、垂直设置的、并同时可被加入流体介质的蒸发管或蒸汽发生器管构成。
为了让热量特别良好地从燃烧室传递到蒸发管内流动的流体介质中，比较有利的是，一些蒸发管在其内侧分别具有构成一个多线螺纹的肋片。在此，比较有利的是，在一个垂直于蒸发管轴线的平面和设置在蒸发管内侧的肋片的侧面之间的上升角α小于60°，优选小于55°。在一个被加热的设计成没有内部肋片的蒸发管、亦即一个所谓的光管中，不再能保证让管壁被一定的蒸汽含量润湿。在缺乏润湿时，管壁的某些部位是干的。在这种干的管壁段上的热过渡，其热过渡性能受到很大限制，这样的热过渡具有一定的危险。在该干管壁段上的管壁温度通常会升高很多。与光管相比，内部装有肋片的管只有在蒸汽质量含量大于0.9时、亦即在蒸发即将结束前才会发生热过渡危险。其原因是，流体介质流过螺旋状的肋片会产生涡流。基于不同的离心力，水与蒸汽部分分离，并被压向管壁。由此，在达到较高的蒸汽含量前，都能保持对管壁的润湿，从而使得在热过渡危险区会出现高流速。这会使热过渡特别良好，管壁温度也较低。
相邻的蒸发管或蒸汽发生管比较有利地通过金属带、所谓的鳍板相互气密地焊接在一起。鳍板的宽度会影响输入蒸发管中的热量。因此，鳍板的宽度优选根据各蒸发管在蒸汽发生器中的位置与一个烟气侧可预定的温度分布断面匹配。作为该温度分布断面，它可以是一个利用经验常数求得的典型的温度分布断面或者是一个粗略的估计温度分布断面、例如一个阶梯状断面。通过适当选择鳍板的宽度，即便在对不同蒸发管加热极不均匀的情况下，都可以使蒸发管出口处的温度差特别低。这样可以可靠地防止材料提前发生疲劳现象。蒸汽发生器由此具有特别长的使用寿命。
在本发明的另一个有利的设计构型中，燃烧室中蒸发管的内径根据各蒸发管在燃烧室中的位置来选择。这样，燃烧室中的所有蒸发管都可以与一个在烟气侧可预定的温度分布断面匹配。利用由此产生的对蒸发管通流的影响，可以特别可靠地将燃烧室中所有蒸发管出口处的温度差保持在很低的值上。
比较有利的是，在燃烧器的所有蒸发管前为流体介质连接一个公用的流入汇集系统，并在这些蒸发管后连接一个公用的流出汇集系统。如此设计的这样一个蒸汽发生器可以使并联的蒸发管之间可靠地保持压力平衡，进而在这些蒸发管内有特别均匀的通流。
处于燃烧室端侧的蒸发管比较有利地连接在燃烧室侧壁处的蒸发管前。从而保证了特别有利地充分利用燃烧器内产生的热量。
比较有利的是，在水平烟道内设置一些过热器加热面，这些加热面近似垂直于热烟气的主流向设置，其用于流体介质通流的管道也相互平行连接。以悬挂结构方式设置的过热器加热面(也称为舱壁式加热面)主要被对流加热，并且在其流体介质一侧连接在燃烧室的蒸发管的后面。从而保证了特别有利地充分利用燃烧器内产生的热量。
比较有利的是，垂直烟道具有一些对流加热面，这些对流加热面由一些近似垂直于热烟气的主流向设置的管道构成。这些管道平行连接，用于流体介质的通流。这些对流加热面也主要是被对流加热。
为了进一步特别有利地充分利用热烟气内的热量，比较有利的是，垂直烟道具有一个燃料节省器或高压预热器。
本发明实现的优点主要在于，通过将燃烧器设置在水平烟道的高度上，使蒸汽发生器的结构高度特别低。由此，可以利用一个特别短的从蒸汽发生器到蒸汽轮机的连接管实现蒸汽发生器到蒸汽轮机设备的连接。通过将燃烧室设计为让热烟气沿近似于水平的方向通流，蒸汽发生器可具有一个特别紧凑的结构。在此，可如此设计燃烧室的长度，亦即能保证特别有利地充分利用矿物燃料中的热量。
下面借助于附图对本发明的一实施例予以详细说明，附图中：
图1为一个用矿物燃料加热并具有双烟道结构的蒸汽发生器的侧视简图；
图2为一个蒸发管或蒸汽发生器管的纵向剖面简图；
图3示出具有曲线K1至K6的坐标系统。
在所有附图中，相互对应的部件用相同的附图标记来标识。
图1所示用矿物燃料加热的蒸汽发生器2为卧式结构，并比较有利地设计为直通式蒸汽发生器。它包括一个燃烧室4，一个垂直烟道8通过一个水平烟道6沿热烟气的流向连接在该燃烧室4的后面。燃烧室4的端侧9和侧壁10a由一些相互气密地焊接在一起并垂直设置的蒸发管11构成，这些蒸发管内同时被充有流体介质S。此外，水平烟道6的侧壁10b或垂直烟道8的侧壁10c也可以由一些相互气密地焊接在一起并垂直设置的蒸发管12a或12b构成。在这种情况下，蒸发管12a,12b内同样同时被分别充有流体介质S。
如图2所示，蒸发管11在其内侧具有一些肋片40。这些肋片具有一种多头螺纹结构，其肋片高度为R。在一个垂直于管道轴线的平面41和设置在管道内侧的肋片40的侧面42之间的上升角度α小于55°。由此可以实现将燃烧室4内的热量特别好地传导到蒸发管11内流动的流体介质S中，同时使管壁具有特别低的温度。
相邻的蒸发管11或蒸汽发生器管12a,12b以图1中未进一步示出的方式通过鳍板相互气密地焊接在一起。因此，通过适当地选择鳍板宽度可以影响对蒸发管11或者蒸汽发生器管12a,12b的加热。故而，根据各蒸发管11或者蒸汽发生器管12a,12b在蒸汽发生器中位置，各鳍板宽度可与一个烟气侧可预定的温度分布断面相匹配。作为该温度分布断面，它可以是一个利用经验常数求得的典型的温度分布断面或者是一个粗略的估计温度分布断面。由此，即便在对不同蒸发管11或者蒸汽发生器管12a,12b加热极不均匀的情况下，都可以使蒸发管11或者蒸汽发生器管12a,12b出口处的温度差特别低。这样可以可靠地防止材料发生疲劳现象。蒸汽发生器2由此具有特别长的使用寿命。
燃烧室4中蒸发管11的内径D根据各蒸发管11在燃烧室4中的位置来选择。这样，在对各蒸发管11加热极不相同的情况下，蒸汽发生器2也可适配。对燃烧室4中所有蒸发管11的这种设计特别可靠地保证了流体介质流过蒸发管11后，在所有蒸发管11出口处的温度差保持在很低的值上。
在对燃烧室内的蒸发管进行布设时，必须考虑到在蒸汽发生器2工作时，各根相互气密地焊接在一起的蒸发管11会受到不相同的加热。因此在对蒸发管11进行设计时，要对其内部肋片、用于与相邻蒸发管11连接的鳍板以及其蒸发管内径D进行选择，使得所有蒸发管11尽管受热不同却具有近似相同的出口温度，并且在蒸汽发生器2的各种工作状态下都能保证对蒸发管11进行充分冷却。这一点尤其可以这样来保证，即针对流过蒸发管11的流体介质S具有较低的质量流量密度来设计。通过适当选择鳍板连接和蒸发管内径D，可以使摩擦压力损失在总的压力损失中所占分量很小，从而形成一种自然循环特性(Naturumlaufverhalten)：受热较多的蒸发管11内部流过的流体介质比受热较少的蒸发管更多。这样，对于相同质量的流体介质来说，无论是处于燃烧器附近受热较多的蒸发管11内，还是处于燃烧室尽头受热较少的蒸发管11内，都吸收了近似于同样的热量。在此，可以将内部肋片设计为，能保障蒸发管壁被充分冷却。由此，利用上述措施可以使所有的蒸发管11都具有近似相同的出口温度。对于一种具有垂直烟道的蒸发管来说，这样一种蒸发原理已由例如VGB-发电站技术75(1995)第4期，第353页到第359页中的内容所公开。
在燃烧室4的所有蒸发管11前为流体介质连接一个流入汇集系统16，并在这些蒸发管11后连接一个流出汇集系统18。由此，可以使平行连接的蒸发管11之间保持压力平衡，进而使这些蒸发管内有均匀的通流。
为了特别有利地充分利用矿物燃料B燃烧所产生的热量，处于燃烧室4端侧9的蒸发管11沿流体介质的流动方向连接在燃烧室4侧壁10a处的蒸发管11前。
水平烟道6具有一些设计为舱壁式加热面的过热器加热面22，这些以悬挂结构方式设置的加热面22近似垂直于热烟气H的主流向24，其用于流体介质S通流的管道也相互平行连接。这些过热器加热面22主要被对流加热，并且在其流体介质一侧连接在燃烧室4的蒸发管11的后面。
垂直烟道8具有一些主要可被对流加热的对流加热面26，这些对流加热面由一些近似垂直于热烟气H的主流向设置的管道构成。这些管道平行连接，用于流体介质S的通流。此外，在垂直烟道8内设有一个燃料节省器或高压预热器28。垂直烟道8的出口通入一个未进一步示出的烟气换热器中，并从那里通过一个滤尘器通入一烟囱中。
卧式蒸汽发生器2具有特别低的结构高度，因而其制造成本和安装成本也特别低。为此，蒸汽发生器2的燃烧室4具有一些燃烧矿物燃料B的燃烧器30，这些燃烧器在水平烟道6的高度上设置在燃烧室4的端侧14上。
为了使矿物燃料B完全燃烧，以实现特别高的效率，并为了防止水平烟道6沿热烟气的流向处于第一位的过热器加热面的材料被损害，以及因灰渣堵塞造成污染，选择燃烧室4的长度L，使之超过在蒸汽发生器2满负荷运行时燃料B的燃尽长度。燃烧室的长度L由燃烧室4的端侧14到水平烟道6的进口区32的距离来定义。所谓燃料B的燃烧长度L可以理解为在一定的平均烟气温度下，烟气沿水平方向的流速与燃料B的燃烧时间tA的乘积。对于蒸汽发生器2来说，最大的燃烧长度L是在其满负荷运行时产生。燃烧时间tA是指中等尺寸的碳颗粒在一定的平均烟气温度下完全燃烧所需时间。
为了保证特别有利地充分利用矿物燃料B燃烧产生的热量，燃烧室4的长度L(单位m)根据工作介质从燃烧室4流出的出口温度TBRK(单位为℃)、燃料B的燃尽时间tA(单位为s)、燃烧室4的BMCR值W(单位为kg/s)来适当选择。BMCR是指锅炉的最大连续效率(Boiler maximum continuousrating),BMCR值是国际上常用的关于蒸汽发生器最高持续功率的概念。它也相当于蒸汽发生器满负荷运行时的设计功率。在对于燃烧室4的长度L给定BMCR值W时，有近似于如下的函数关系：
L(W,tA)=(C1+C2·W)·tA (1)L(W,TBRK)=(C3·TBRK+C4)W+C5(TBRK)2+C6·TBRK+C7 (2)
其中
C1=8m/s
C2=0.0057m/kg
C3=-1.905·10-4(m·s)/(kg℃)
C4=0.2857(s·m)/kg
C5=3·10-4m/(℃)2
C6=-0.8421m/℃
C7=603.4125m
所谓“近似于”是指与各函数所确定的数值有允许的+20％/-10％的偏差。在此，当燃烧室4有任意一个固定BMCR值时，燃烧室4的长度值L都有一个较大值。
作为根据BMCR值W来计算燃烧室4的长度L的示例，在图3所示坐标系统中示出了六条曲线K1至K6，其中，对于这些曲线分别有下列参数：K1:tA=3s 按照公式(1)，K2:tA=2.5s 按照公式(1)，K3:tA=2s 按照公式(1)，K4:tBRK=1200℃ 按照公式(2)，K5:tBRK=1300℃ 按照公式(2)和K6:tBRK=1400℃ 按照公式(2)。
这样，为了计算燃烧室4的长度L，例如当燃尽时间tA=3s，从燃烧室4流出的工作介质的出口温度TBRK=1200℃时，采用曲线K1和K4。由此，当燃烧室的BMCR值W具有一预定值时，可得出：
按照曲线K4，当W=80kg/s时，L=29m，
按照曲线K4，当W=160kg/s时，L=34m，
按照曲线K4，当W=560kg/s时，L=57m。
当燃尽时间tA=2.5s，从燃烧室4流出的工作介质的出口温度TBRK=1300℃时，采用曲线K2和K5。由此，当燃烧室的BMCR值W具有一预定值时，可得出：
按照曲线K2，当W=80kg/s时，L=21m，
按照曲线K2和K5，当W=180kg/s时，L=23m，
按照曲线K5，当W=560kg/s时，L=37m。
当燃尽时间tA=2s，从燃烧室4流出的工作介质的出口温度TBRK=1400℃时，采用曲线K3和K6。由此，当燃烧室的BMCR值W具有一预定值时，可得出：
按照曲线K3，当W=80kg/s时，L=18m，
按照曲线K3和K6，当W=465kg/s时，L=21m，
按照曲线K6，当W=560kg/s时，L=23m。
当蒸汽发生器2运行时，向燃烧器30提供矿物燃料B。燃烧器30的火焰F为水平朝向。由于燃烧室4的构造，使得燃烧产生的热烟气H沿近似于水平的总流向24流动。热烟气通过水平烟道6流入近似于垂直朝向地面的垂直烟道8，随后离开该垂直烟道8流入一个图中未进一步示出的烟囱中。
流体介质S进入燃料节省器28以后，通过设置在垂直烟道8中的对流加热面流入蒸汽发生器2的燃烧室4的流入汇集系统16中。在蒸汽发生器2的燃烧室4中，垂直设置有一些相互气密焊接在一起的蒸发管11，蒸发过程在这些蒸发管内进行，有时候流体介质S还会被局部过热。由此产生的蒸汽或者是水汽混合物在流体介质S的出口汇集系统18中汇聚。蒸汽或水汽混合物从这里到达水平烟道6和垂直烟道8的壁上，并从那儿又到达水平烟道6的过热加热面22上。蒸汽在过热加热面22上会被进一步过热，随后可被输送去驱动蒸汽轮机。
由于蒸汽发生器2具有特别低的结构高度和紧凑的构造，可保证其生产成本和安装成本都特别低。尤其是通过在燃烧室4内设置与水平烟道6处于同一高度的燃烧器30，保证了用较低的技术成本制造出基本构架。该燃烧器使热烟气H以近似于水平的流向24流过燃烧室4。在此，通过根据燃烧室4的BMCR值W来选择燃烧室4的长度L，保证了特别可靠地充分利用矿物燃料B燃烧产生的热量。此外，当这种低结构高度的蒸汽发生器2用在一台蒸汽轮机设备上时，从蒸汽发生器2到蒸汽轮机的连接管可以设计得特别短。