本发明一般涉及发电厂用的锅炉或蒸汽发生器，特别是有关一使用单螺距或多螺距加肋管的可调压力单循环（直流）锅炉的新的和实用的结构。 单循环锅沪从1926年开始已在动力设备领域中使用。单循环锅炉的结构包括一些适应超临界蒸汽压力的可调压力控制的装置，如图1所示，装置10的锅炉给水泵8设有迫使水流过一节热器11、一蒸发器12和一能与分离器13连同使用的过热器14的总驱动装置（驱动头）。水被连续地蒸发到干燥，然后加以过热而无任何蒸汽-水分离作用。这种环流方法适用于所有工作压力，即，超临界（大于3208psia）和亚临界（小于3208psia）压力。通常，装置10的蒸发器使用螺旋式炉内管路12，这是因为立管结构对加压和不均匀的管对管加热更敏感。不过，对于起动和低负荷工作而言，仍需要设有专门的旁路装置。
为了适应起动和低负荷工作条件的需要，已使用装有叠加再循环装置10a和10b的单循环锅炉结构且在图2和3中加以图解表示。这些再循环装置可使部分流体再循环到炉壁，以便通过加入装置中的环流泵15和流孔16来增加蒸发器管子中的流体速率。在许多应用场合中，设计可使炉12保持不变的压力（恒压），通常为超临界压力并且利用分离器或闪蒸箱13，使得在起动或低负荷情况下把超临界压力降低到亚临界压力，这些类型的单循环锅炉装置10a和10b一般使用立式炉管蒸发器结构。
单循环（直流）锅炉结构使用螺旋管和立管蒸发器已由许多锅炉制造厂加以销售。这些结构已发展到用于超临界和亚临界蒸汽压力。但是，最近，一可调压应用的立管单循环锅炉已投入运行。由于蒸发器的流量要求，这种立管单循环锅炉的可调压力控制被限制到约40%的最低负荷范围。除了螺旋管炉的特定燃料和尺寸外，螺旋管炉不受到这种限制。对于这些少量地例外，由于蒸发器的流量需要，而得出高于所需的最低流量的结果。螺旋管炉允许在配合炉管直径和炉的质量速度方面有较大灵活性，以确保管子冷却和炉内的平行蒸发器管中的流量稳定性。此外，它使炉子的每一管子穿过燃烧室中的所有不同的加热区，因此，可使管子之间的总热量输入的差异保持在最低程度。
与立式炉子构造相比较，因螺旋管炉结构具有较高成本，故立管可调压力单循环锅炉的发展是很需要的。强迫循环的单循环锅炉的构造需要使用很大数量的并联管，它们被焊接在一起形成隔膜壁板。隔膜壁的完整性的基本要求是在每一炉内高度上的所有管子中的液体和金属温度是均匀的。迄今为止，立管结构的主要问题是由于在炉内的各根管子之间有大量热量差异。在立管炉中，管子之间的热量差异比在螺旋炉结构的大2.5倍左右。用于现有单循环锅炉结构中的典型速度，即平均质量速度为1.500，000到2.000，0001b/hr-ft2。这些质量速度在经受典型的炉子外部热量吸收变化时（此变化可以是35%或大于平均值），会导致在数量上减低的速度变化。这种速度变化的倾向称之为锅炉管的单循环（直流）特性。在单循环模式中，由于热量的增加，速度的变化为如图4所示的负值。如果把过量的热输入作用于单一管子中，在此管子中就出现流体质量速度的降低，引起管子中流体出口温度的额外增加。
假如炉管通过降低质量速度进行操作，其结果是相对于任一暴露于过大热量的管子是质量速度的增加。这种类型的质量速度的变化叫做自然循环（环流）特性。为了能使用立管单循环锅炉的炉子结构的较低质量速度需要在燃烧区内使用加肋管以避免成核沸腾偏离（DNB）。
本发明的受让人、巴布科克和威尔科克斯公司（B＆W）已经在单循环、立管亚临界压力锅炉中使用了单螺距加肋（SLR）管。多螺距加肋（MLR）也已经由（B＆M）公司使用于单循环、立管超临界压力锅炉和可在亚临界和超临界压力情况下工作的单循环、螺旋管锅炉的若干应用中。这些SLR和MLR管的几何形状的实例示于本文的图6到8中。科奇等人的美国专利号3.088，494和3.289，451分别揭示了亚临界压力蒸汽发生器用的加肋蒸汽发生器以及在美国专利号3.088，494所公开的在这种类型管子内形成内螺纹加肋的方法和装置。
就这种类型的加肋管而言，即使通过管子的是低质量速度的流体，加肋管的传热特性是极好（优越）的。通常，在同一质量速度下，SLR管的热通量高于MLR管的。SLR管的传热性能已在公开文献中加以叙述，参见下述文献，例如：
（1）美国机械工程师协会会刊、动力工程杂志，1962年10月，第365-371页，H.S.斯威森（Swenson）、J.R.卡弗、G.斯佐伊克的“在发电厂锅炉管中有关传热的成核沸腾与薄膜状沸腾的效应”;
（2）第五届国际传热会议的会刊，1994年第六卷，第270-274页，由K.Nishikawa、T.Fajii、S.Yoshida和M.Ohno所述的“槽式锅炉管中的流动沸腾转换”。
（3）巴布科克和威尔科克斯公司1992第40次编辑板权中叙述的“蒸汽：其产生和应用”;
MLE管的传热性能也已在公开文献中加以记载。例如，请参见以上参考材料（3），以及下列参考材料;
（4）第五届国际传热会议，1974年，卷Ⅳ，由G.W.Watson、R.A.李和M.Wiener所发表的“倾斜式和立式光滑管和加肋管中的临界热通量;
（5）美国动力会议会刊，1977年4月18-20日。M.Wiener所发表的“自然循环锅炉结构的最新发展”;
（6）由J.B.Kitto和M.J.Alberecht提供给北大西洋公约组织先进学术研究所介绍的有关两相流动热交换器的热-液压技术基础和设计的“在燃煤锅炉中的两相流动的原理”;葡萄牙，Porto，1987年7月6日～16日;
（7）在John Wiley和Sons公司的锅炉、蒸发器和冷凝器的第六章，第179-275页，所发表的J.B.Kitto和M.J.Albercht的“燃煤锅炉：基础和原理”;
（8）第七届国际传热会议会刊，1982年，卷5，第313-318页上发表的“Makio Iwabuchi、Mikio Tateiwa、Hisao Haneda的“近临界压力区的内螺纹（带助）管的传热特性”。
在单循环立式可调压力锅炉结构中，使用上述的MLR管未能充分发挥最优的炉内蒸发器的结构。主要原因在于必须使用较高质量速度以避免成核沸腾（DNB）的偏移，因而会丧失自然循环特性的优点。此外，较高质量速度要求较大的给水泵和使用较大功率，这是一种经济上的损失。在或十分接近临界压力点（3208 psia）上的传热问题随着MLE管的使用而出现。如上述参考文献8所述，在或接近临界压力点时，在MLR管中的旋涡效应由于蒸汽和水之间的小的密度差异而减小，导致在高于SLR管的质量速度时出现的临界热通量（CHF）状态，管中的临界热通量会引起过高的金属温度，这是必须加以避免的。这个问题导致在低质量速度情况下难于设计一可调压力控制的锅炉蒸发器，对可调压力控制而言，将出现某一负荷点，在这一负荷点施加于管子上的热通量是足够高的，而通过MLR管壁给予流体的热传导是不足的且使管子温度升高。这将引起炉管受损坏的可能性。
因而很明显，为了克服上述的缺陷需要一单循环可调压力蒸汽发生器的新结构。特别是由于螺旋管式炉子结构比立管式炉子结构的成本高，在这方面，需要一单循环立管可调压力锅炉或蒸汽发生器。
本发明涉及具有炉内壁管定向的单循环可调压力锅炉或蒸汽发生器，该壁管取向可以各自地为立式的、卧式的或螺旋式的（即水平和垂直取向之间的一夹角）或是上述的任一组合。本发明的一方面是提出含有一围壁的单循环可调压力蒸汽发生器，围壁具有一出口和由特定布置的平滑孔径管、单螺距加肋（SLR）管和多螺距加肋（MLR）管构成的热交换表面。所有这些管子最好被构成为薄膜式管板。
本发明通过若在炉内使用MLR管会使热传导变弱的那些地方（位置）使用SLR管来克服上述缺陷。SLR管以不同于旋涡发生的原理作业，因此，不取决于蒸汽和水的密度差。它们的临界热通量（CHF）的性能适用于在本发明中所提议的在接近低质量速度范围内的临界压力。
蒸汽发生器包含若干燃烧围壁内的燃料和空气的燃烧器，燃烧器的燃烧依次产生蒸汽发生器的低热流（热通量）区、中热流区和高热流区。水和/或蒸汽（或，在超临界压力下，使用术语“流体”）流经壁板的管子，这些管子提供了有效的热交换。光滑（平滑）孔径管位于蒸汽发生器的低热流区，而单螺距加肋（SLR）管和多螺距加肋（MLR）管安置在蒸汽发生器的中和高热流区。
即使本发明可在采用立式、卧式或螺旋式管子的各种布置的蒸汽发生器加以使用，但本发明的主要目的是为了提供一适用于在广泛负荷范围内控制可调压力的单循环立管可调压力锅炉或蒸汽发生器，这种锅炉或蒸发器具有在最低负荷下工作的能力并具有低的压力降。
描述本发明的新颖性的各种特征在所附和构成这一揭示内容的一部分的权利要求书中详细地加以指出。为了更好地理解本发明、其作业的优点和通过其应用所达到的特有的效益可参考诸附图和描述本发明的最佳实施例的说明性内容。
图1表示一已知单循环锅炉装置的示意图;
图2表示一第二已知单循环锅炉装置的示意图;
图3表示一第三已知单循环锅炉装置的示意图;
图4表示立管炉的质量特性变化的曲线图;
图5是一具有光滑孔径的管子的纵剖面视图;
图6是一具有单一连续内螺纹肋的单螺距加肋（SLR）管的纵剖面视图;
图7是一具有多条连续内螺纹肋的多螺距加肋（MLR）管的纵剖面视图;
图8是一另一MLR管的纵剖面视图;
图9是一根据本发明的第一实施例的、适合于可调压力控制的单循环立管式蒸汽发生器的示意侧视图;
图10是一根据本发明的第二实施例的、适合于可调压力控制的单循环立管式蒸汽发生器的示意侧视图;
图11是一根据本发明的第三实施例的、适合于可调压力控制的单循环螺旋管式蒸汽发生器的示意侧视图;
图12是一根据本发明的第四实施例的、适合于可调压力控制的单循环螺旋管式蒸汽发生器的示意侧视图;
图13是一沿图9的13-13线所作的使用光滑径管的壁板的径向剖面示意图;
图14是一沿图9的14-14线所作的使用SLR管的壁板的径向剖面示意图;
图15是一沿图9的15-15线所作的使用MLR管的壁板的径向剖面示意图;
请参阅诸附图，其中，在所有各附图中同样参考号表示同一或同类部件，尤其是图5-8示出了在本发明中所使用的各种类型管子的纵向剖面视图。图5显示具有一光滑孔径22的管子20。图6显示一单螺距加肋（SLR）管24，加肋管内表面26具有一单一连续的内螺纹槽28，它位于连续的螺旋槽脊或凸缘30中间。图7示出了一多螺距加肋（MLR）管32，该加肋管内表面34具有一对连续的螺纹槽28，它位于连续的螺纹槽脊或凸缘30中间。图8还显示了另一型式的多螺距加肋（MLR）管36，该管具有多个位于连续的螺旋槽脊或凸缘30中间的连续的内螺纹槽28。在SLR或MLR管中所采用的槽28和槽脊30的具体几何排列应当如选择管子外径和最小壁厚那样按需要达到所需性能和力学要求来选取。当然，适用的锅炉和压力容器规则，对应用本领域普通工程技术人员而言也是熟知的。
现在参阅图9-12，图中示出了本发明的若干实施例。图9和10涉及一种适用于根据本发明的第一和第二实施例的可调压力操作的单循环立式蒸汽发生器。图11和12涉及有关一种适用于根据本发明的第三和第四实施例的可调压力操作的单循环螺旋管蒸汽发生器。
现在参阅图9和10，其中揭示了一一般以40所表示的立管式单循环蒸汽发生器。以42所示意地表示的燃料燃烧器提供燃料和空气混合物，此混合物在炉膛46的燃烧区44中进行燃烧。炉膛46通过围壁48部分地加以限定，一围壁含有通过隔膜49（见图13-15）而互相连接的管子以形成气密封闭。燃烧产物50（热废气）以箭头50的方向向上经炉膛46横向流过各悬架和水平的热传导表面（图中未画出）且经出口52离开蒸汽发生器40。燃烧产物50把其热量传导到周围的围壁48中，从而加热含有这些围壁的管子内流动的流体。
通常，含有围壁48的管子在工厂中被预制成若干壁板，然后经现场焊接而把它们装配成炉膛围壁48。图9和10显示一种围壁布置，在这种布置中，蒸汽发生器40的侧壁51包括五个基本上垂直配置的这样的预制壁板54。相当数量的壁板54还应包括蒸汽发生器40的各个前后壁56、58且仍将以基本上垂直方式来装配，而每一壁板54的最大宽度受装运和/或其他装备的各种局限性，最值得注意的，由燃料燃烧器42的特定开口部位所限制。
膜式水冷壁的完整性的基本要求是在每一炉膛水平面上的所有管子中具有均匀的流体和金属的温度。迄今为止，装有立管结构的炉膛的主要问题是炉膛的各个管子之间存在大的温度差异。
正如早先所指出，在立管炉中，管子之间的温度差异比在螺旋管炉结构中大2.5倍左右，平均质量速度为1.500，000到2.000，0001b/hr-ft2是通用单循环锅炉结构中所使用的典型速度。当经受到周围炉膛吸热作用的变化时，这些质量速度可以是35%平均值或大于平均值，会导致在数量上减少的速度变化。这种趋向称之为锅炉管的单循环（直流）特性。在单循环形式中，由于热量的增加，速度的变化是如图4的负值。若把过量热量的输入施加于单一管子，那么管中就会发生流体质量速度的降低，引起管中流体的出口温度的额外增加。
假如炉管按降低质量速率来运行，对于经受到过高热量的任何单一管子而言，其结果是质量速率的增加。这种类型的质量速率变化称作为自然环流特性。为了能使用立式单循环锅炉的炉膛结构的较低质量速率，就需要在围壁48中使用加肋管，以避免成核沸腾（DNB）转移，而形成较高金属温度。
在本发明中，这一问题是通过在围壁48中的平滑，SLR和/或MLR管的特定布置来解决的。在炉膛46中SLR管24被安置在假如使用MLR管32、36的位置上，就会削弱热传导作用。SLR管24依靠不同于涡流产生的原理来工作，因此，不取决于蒸汽和水之间的密度（比重）差。在本发明所提议的较低质量速率的范围中，它们的CHF（临界热流）性能在接近临界压力时是适当的。
根据本发明，SLR管24和MLR管32、36可选择地应用于含有立管壁板的单循环蒸汽发生器40以使该蒸发器更适合于可调压力控制，如图9和10所示且可应用于含有壁板的螺旋管，单循环蒸汽发生器70以使该蒸发器更适合于可调压力控制，如图11和12所示。在蒸汽发生器40或70中各类管道的布置基于供所有负荷用的诸管子的热传导和流量特性所确定，在操作过程中要求蒸汽发生器40和70经受得住这些负荷。这将基本上涉及从约15%至30%的最大连续额定（MLR）蒸汽流量的最小荷载到最大连续额定（MCR）蒸汽流量的负荷的范围。
图9-12的左手侧大致地确定在蒸汽发生器40和70的炉膛46内的低、中和高热流（热通量）区（分别为QLQM和QH）的垂直限度。应该了解一个区域末端和另一个区域始端的实际垂直高度将取决于下面所要讨论的各种参数。这些热流范围的近似数值可大致按如下规定加以确定：
QL0至40，000BTU/hr-ft2
QM30，000至80，000BTU/hr-ft2
QH50，000至大于100，000BTU/hr-ft2
在炉膛46内发生的燃烧过程主要决定了由燃料燃烧器42和特定燃料所产生的按热流速率的这种垂直变化。这种变化对单循环蒸汽发生器结构的技术上熟练的普通技术人员会意识到的，这些区域（区间）的数值上的重叠是构成参数的原因，而不是可影响临界热流（热通量）或CHF的发生的热流。供给于炉膛围壁管48的实际热流构成了确定CHF状态是否出现的主要参数。不过，诸如流体压力、流速、流体性质、管径、管子倾斜度和管子表面光洁度也影响围壁管48的CHF状态。因此，作用于蒸汽发生器40和70的炉膛46内的诸区域的低、中和高热流区（分别为QL、QM和QH）的命名是有关需要一定类型管子的区域的更简化方式。在某些情况下，在“高”热流区QH以上的区域中的热流值不会充分降低到“低”热流区、QL值。使用术语“中”热流区代之且在围壁48的那些相应部分上使用MLR管32、36（不是光滑管20）。在另一些情况下，的确，热流值充分地降低到了“低”热流区的QL程度，此时，又可采用光滑管20。
如图9和10所示，立管单循环可调压力蒸汽发生器40设有新型炉膛结构，这种炉膛结构包括一些被放入位于炉膛46的低热流区QL的光滑管围壁板60中的光滑管20和一种位于高和中热流区QH和QM的SLR管24的围壁壁板62和MLR管32、36的围壁壁板64的组合，以避免成核沸腾转移（DMB）和临界热流（CHF）状态，而符合诸管子金属温度限制。请参见作为这种壁板剖面视图的图13-15。
如图11和12所示，螺旋管式单循环可调压力蒸汽发生器70设有新型炉膛结构，它包括一些被装入位于炉膛46的低热流区QL的螺旋形（盘旋上升的）平滑管围壁壁板60的平滑孔径管20和一种位于高和中热流区QH和QM的SLR管24的围壁壁板62和MLR管32、36的围壁壁板64的组合，以便避免成核沸腾转移和临界热流现象，而符合管子金属温度限制。如图11和12所示，诸形成围壁48的管子与水平面成锐角倾斜，一般5-10°且从炉膛46的下部开始围绕炉膛46的整个周边盘绕。在由本领域普通技术人员所已知的各种参数确定的一些上部位置，取管子的垂直定向以简化结构和保证（满足）各种条件。
单循环锅炉或蒸汽发生器得益于在较低负荷下的自然环流特性，这是因为由于热量变化而引起的在形成围壁48的管子中的流量改变将以保护管子免于受到可能的临界热流状态的影响加以补偿。如果由管子吸收的热量增加，那未流量成比例地增加。在较低负荷，例如约低于70%负荷下，穿过炉膛壁的热量变化可能在约大于70%负荷下的变化还要大。此外，管中的流量是与负荷成正比的，因此，在较低负荷下，例如在近似50%负荷下，流量将大致为在全荷下的流量的一半。为此，在设计上必须考虑在所有可能负荷下存在的热流和可能的流量变化。在较低负荷下，使用自然环流特性有助于通过增加作用在管中的热流而增加流量，从而减少临界热流状态的可能性。假如锅炉或蒸汽发生器以单循环流量特征在减小的负荷下工作，那么装置（就）会在热流增加时流量应减小的这个事实而受到恶化，导致从临界热流观点来看是最坏的情况。自然环流特性在较低锅炉或蒸汽发生器负荷（≤70%负荷）情况下是所需要的，而单循环流量特性往往会在较高负荷情况下出现。
在立管单循环可调压力蒸汽发生器40和螺旋盘管式单循环可调压力蒸汽发生器70中，MLR和SLR组合的长度和位置是相对于每一壁板64、62加以调整，以便在SLR管24和MLR管32、36内达到最佳自然环流特性。为了得到最佳自然环流特性，在螺旋管蒸汽发生器70中除了应对每一壁板64和62作调整外，将采用同样的工艺规程。由于SLR管24的流阻比MLR管32、36或光滑管20的要高，SLR管的应用必须仅限制于绝对需要它们的位置，因为较高流阻具有降低所需的自然环流特性作用的可能性。不过，围绕单和多螺距周面的SLR管24和MLR管32、36的适当位置和正确配合会使在任何高度情况下所有立式膜壁管板之间或所有螺旋式膜壁管板之间的流体和金属温差减至最小，以便在全负荷下保持低于100°F的可允许范围。
就自然环流特性而言，尽管不同的热特性随所用的管子结构而变化、不管炉膛管子的取向是立式或者是螺旋式的，在蒸汽发生器40，70的蒸发器中的诸管子具有类似的出口温度。每种类型的管子位置的实际结构是随炉膛的几何尺寸、燃料的品种和类型以及装置（单元）的负荷变化要求而改变。对于各种类型的蒸汽发生器40、70中的炉膛46的各立式或螺旋式壁板，上述的这一概念的应用可以是不同的。在一个壁板中的诸类型的管子之间的过渡（换接）位置可以在同一或不同高度，或高于或低于邻近壁板中的诸类型管子之间的过渡（换接）位置。
为了进一步说明蒸汽发生器40和70，在各种类型中的光滑孔径管20，SLR管24和MLR管32所处的位置，图9-12包括一垂直图例80。垂直图例80大致地确定/标出几个炉膛的区域。从炉膛46的下部开始且一直垂直向上移动按照顺序是下部82、第一中间部84、第二中间部86和其上部88。对于图10和12，上部88还细分成第一部分90和以直接垂直方式位于第一部分90以上的第二部分92。于是各种类型的管子20、24和32可被描述为一般位于前述区域，以及按照早先的说明，其中，某些类型的管子是基于各管子所受到的热液压（力）条件来确定的。
本发明解决了与在已知的立管式单循环可调压力蒸汽发生器以及螺旋管式、甚至水平管式，可调压力单循环蒸汽发生器中使用MLR管和光滑孔径管有关的诸热液压问题。在水平管式单循环蒸汽发生器中，锐角θ应是0°;当诸管子完成围绕炉膛的外周面的一圈盘绕后，它们最后在一短矩离内朝着垂直方向弯曲，因而得以按垂直方向偏离早先的水平面，并且通常以与它们初始水平方向相反的方向重新开始它们的水平缠绕。在利用本发明的立管炉比利用已知螺旋炉结构有明显成本上的好处。本发明容许最低的负荷并具有穿过炉膛管路的较低压力降，因此，只需要使用较少功率来驱动的较小的给水泵。使用这种改进的可调压力单循环锅炉的结构比起使用已知的单循环锅炉和亚临界汽包锅炉来;在全负荷和部分负荷下具有提高效率的作用。
尽管为了表明本发明申请已示出和详细地描述了本发明的具体实施例，但是，应该理解本发明可不脱离这些原理而另行加以补充。