TWI373594B - Steam generator pipe, continuous steam generator and fabricating the same - Google Patents

Description

1373594 yy. 11. 2 3 年月曰修(更)正替換頁 九、發明說明： ' 【發明所屬之技術領域】 '' 本發明涉及一種蒸氣產生器管件，其具有一種可產生渦 流的內部輪廓。此外，本發明亦涉及一種連續式蒸氣產生 器，其具有上述之蒸氣產生器管件。本發明另外亦涉及一 種具有可產生渦流的內部輪廓之蒸氣產生器管件之製造方 法。 【先前技術】 • 在連續式蒸氣產生器之燃料室壁面中，通常使用互相藉 由條片而氣密地焊接的蒸氣產生器管件來形成一種圍繞火 室的氣流，各蒸氣產生器管件互相並聯以使流動媒體流 過。亦可使用多個管件，其在工作側設有已成形的的尾翼。 蒸氣產生器管件可垂直地或傾斜地配置著。就連續式蒸氣 產生器之可靠的操作特性而言，通常須對多個蒸氣產生器 管件進行配置，使得在流經蒸氣產生器管件之媒體之質量 流密度較小時亦可確保各蒸氣產生器管件可被充份地冷 •卻。 一種主要的設計標準是蒸氣產生器管件之傳熱導特性》 一種高的熱傳導可特別有效地對流經蒸氣產生器管件之媒 體加熱且同時可使蒸氣產生器管件可靠地冷卻。蒸氣產生 器管件之傳熱導特性在傳統之蒸氣產生器中會受到所謂沸 騰危機之發生所影響。於是，管壁不再由流動性的流動媒 體（通常是水）所沾濕且因此只不充份地冷卻。由於太早乾 燥，則管壁之各種與強固性有關的値會下降。 1373594 (Wirr^ns-- 年月曰修(更)正替換頁 就熱傳導特性之改良而言，通常所使用的蒸氣產生器管 件由於其內側上的一種變形過程（例如，冷壓延）而都具有一 ' 種表面結構或一種螺旋形捲繞之肋片形式的內部輪廓》藉 由肋片之造型，則一種渦流作用可施加至流經蒸氣產生器 管件之媒體上，使不易流動的相位由於有效的離心力而聚 • 集在管內壁上且在該處形成一種沾濕用的流體膜。因此， • 在較高的熱流密度和較低的質量流密度時，亦可確保熱量 能可靠地由管內壁傳導至流動媒體上。 • 習知的蒸氣產生器管件的缺點是：其由於管件材料之有 限的可變形性，因此在製造上較昂貴。特別是在鉻含量高 的具有高熱拉強度的鋼中，可變形性會大大地受到限制。 這些材料在目前的蒸氣產生器管件中扮演一種通常較重要 的角色，此乃因這些材料至少在原理上允許蒸氣產生器設 計一種特別高的蒸氣參數，特別是高的.新鮮蒸氣溫度，且 隨之而來的是特別高的效率。然而，在操作時由於與材料 有關的各種限制，則不可能或只能以很高的耗費在變形過 ® 程的範圍中由平滑管件來產生內部加上肋片之管件，其具 有所期望的有利於流動技術之肋片輪廓β特別是與大的肋 片管件結合時不易製成足夠陡峭之側面角度和邊緣尖銳之 接面。此外，肋片的高度只能在一狹窄的範圍中製成。又， 就沿著管件之輪廓形式而言只能造成一種小的可變化性。 另—方式是，已有各種不同的可產生渦流的嵌入件可在 事後嵌入至蒸氣產生器管件中。特別是所謂捲繞帶適合用 作嵌入件：其是由金屬條所構成的扭絞帶或捲繞帶。當然， 1373594 r____,

98年11月2 B修(更)正替換S 目前已知的管嵌入件通常都有以下的缺點，即，其一方面 會在管件的中央阻礙（原來是）空著的橫切面且因此會成一 '* 種很高的壓力損耗，另一方面其會使整個流動大大地轉向 且因此有一部份會”過（over)渦旋”。一種單純的扭絞帶在二 相流動中蒸氣含量高時例如會在管壁和帶之間的楔形構件 " 中造成水相的聚集，且同時在該帶的背風面會使內壁區域 * 乾燥且因此不能使內壁區域充份地冷卻。具有扭絞帶形式 之嵌入件的蒸氣產生器管件因此不能穩定地適用於蒸氣產 # 生器中通常會產生的各種操作條件中。 【發明內容】 本發明的目的是供一種上述形式的蒸氣產生器管件，其 在簡單-且成本有利之製程中以及在不同的操作條件之大的 帶寬下具有一種特別有利的熱傳導特性。此外，本發^月提 供一種適合用來製造上述蒸氣產生器管件的方法以及一種 連續式蒸氣產生器，其在高的操作安全性及高的效率下具 有一特別簡單的構造。 ® 本發明中就蒸氣產生器管件而言上述目的藉由在管內部 中配置至少一種插入件以形成一種可產生渦流的內部輪廓 來達成’其中該插入件包含多條線，這些線以多條螺紋形 式形成螺旋方式以沿著管件內壁而捲繞著。 本發明由以下的構想開始，即，蒸氣產生器管件內部中 多相流動應具有一種渦流現象以改良熱傳導，使流動相位 由於渦流而被導引至管件內壁上且儘可能均勻地沾濕該管 件內壁。就適當地形成·及保持著此種渦流式流動而言，管 1373594 「98. li. 2 3 年月31(更)正替換頁 件內部中應配置適當地導引該流動用的元件。已證實的事 * 實是，當一方面沿著流動路徑既未發生”過渦旋”亦未發生 "* 太大的壓力損耗，且另一方面該渦流作用之強度足以使流 動媒體之流動相位經由整個管件周圍而導引至該管件內壁 時，則該流動式導引作用特別有利。 * 高的壓力損耗會使給水泵需要高的特定能量，爲了防止 * 高的壓力損耗以及確保管件內部中可使蒸氣排出，則應在 管件內壁上配置多個具有內部輪廓形式的流動導引用的元 # 件且在管件橫切面之中央不會-或只稍微對管件橫切面造成 阻礙。此外，爲了排除各種與傳統式構造形式之肋片管件 有關的製程上的限制，則產生渦流用的內部輪廓應藉由管 插入件或部件來作成，其可作成所期望的形式而與蒸氣產 生器管件無關且可事後才裝入至該管件中。爲了達成此一 目的，則在此處建議的新的槪念中可設有多條線或多個 帶，其在安裝在蒸氣產生器管件中之後以螺旋形式沿著管 件內壁而捲繞著，使該管件橫切面之大部份（超過50%)保持 ® 著空著的狀態且可使蒸氣聚集在管件內部中而流出。 此外，一種簡單（即，單一螺紋）之螺旋式彈簧通常只會產 生一種輕微的渦流。因此，該流動現象會受到該施加在管 件內壁上的線所影響。由於較小的渦流，則沸騰之危機會 較早產生。此效應例如可藉由一種較大的線直徑（類似於較 大的肋片高度）來補償，但這樣會在單純之螺旋式彈簧形式 的線配置中輕易地使水相位聚集-或堵塞在管壁和線部件之 間的楔形構件中，且同時使線的背風側之內壁區域變成乾 1373594 98年 ％2 丨i修(¾正替換頁 ________ 燥，即，使相對應的壁區未充份地冷卻。這些缺點在此處 ' 所建議的槪念中都可避免，其方式是使多條螺紋之螺紋形 - 式的多條線分別以螺旋形式施加在管件內壁上。在此種形 式中，在適當的渦流強度及較小的壓力損耗下可以該流動 性的流動媒體使管件內壁均勻地沾濕；另一方面是可完全 避免該流動的過渦旋現象。 此外，傳統構造形式之肋片管件是在使用由平滑管件所 造成的巨大的變形力之下藉由一種變形過程來製成。相較 • 於傳統之肋片管件而言，特別有利的是使與流動有關的參 數，例如，輪廓高度、螺紋條數、爬升角度、側面角度和 邊緣尖銳性等，存在著大的可變性。在以插入件構成的形 式中，相對應的設計預設値可特別容易且準確地轉換，此 乃因通常只有具有適當的橫切面輪廓之線或金屬帶可供使 用且需作成所期望之配置，這例如藉由鑽孔及/或彎曲來達 成。 在具有一般維度和尺寸之蒸氣產生器管件中，一種二條 • 螺紋或三條螺紋之螺紋形式的線所構成的配置是特別適當 的。然而，四或六條螺紋之形式亦是有利的；在直徑特別 大的蒸氣產生器管件中，甚至可使用八條螺紋之形式。各 別的線相對於一種垂直於管軸而定向的參考面所達成的爬 升角度至少爲30度時是有利的且較佳是最多爲70度。整體 上特別有利的是該爬升角度之區間爲40度至55度。 就一特別簡單且成本有利的可製造性而言，各別的線具 有一種圓形-或矩形之橫切面。在上述最後所提及的實施形 1373594 9δ Γΐ 2 3 年月曰修ν更)正替換頁 ’ L - _ 式中，特別是各邊緣須再加工，以便可製成較陡峭之側面 * 角度及尖銳邊緣之接面。各線可依據蒸氣產生器管件之直 徑且依據預設的流動特性和溫度特性來改變直徑。通常， 線直徑或平均之橫切面大小是平滑管件之內直徑之5%至 15%時較有利。 在蒸氣產生管件之預定的操作溫度時，各別的線或由各 線所形成的管插入件由於其特定之應力而不能滑動地位於 管件內部空間時是有利的。線材料和該特定應力須依據幾 # 何比例來調整，使各別線圈相互之間的蠕變或滑動可受到 抑制。 若有需要時，則施加至管件內壁上的線可經由徑向之強 化支柱而互相連接及/或與沿著管軸而延伸的中央線相連 接。藉由此種支撐核心，則在線應力或彈簧應力放鬆時各 別的彈簧行程中之滑動亦不會發生，使管插入件在蒸氣產 生器管件中可持續地保持著其原來的形式和位置。此外， 可設置多個在管軸之方向中延伸的固持線，其分別在螺旋 ® 式捲繞的線之指向管件內部空間的此側上固定在該線上。 以此方式，可產生一種類似於具有徑向強化支柱之形式中 所具有的作用。包含著上述強化支柱及/或固持線及/或中央 線之支撐核心可由一種較產生渦流用之施加在管件內壁上 的線還低價之材料來製成，此乃因該支撐核心只針對腐蝕 或點燃而受到保護，但管件內壁之很高的溫度未直接造成 該支撐核心的負載。 雖然管插入件已由於其線之特定應力而較固定地且安全 -10- 1373594 y». li. ^ 3 --- 年月曰修(更)正替換頁; 地坐立在蒸氣產生器管件中，但較佳是設有另一種固定作 用，其中各別形成輪廓用的線至少在一位置上，較佳是在 該線的二端之附近，與管件內壁固定地相連接著。此種固 定的連接有利的方式是一種以高熱形成的固定式焊接。另 一種以較昂方式製成的形式可確保一種特別安全的固定作 用，此種形式包含多個在各別的線之長度範圍上所劃分的 點焊位置。當至少該插入件之施加在管件內壁上的線由一 種具有類似於管件材料之成份之材料來製成時，此種焊接 • 固定作用可特別良好地形成， 此外，在經由蒸氣鍋爐之整個高度而延伸之較長的蒸氣 產生器管件中，値得沿著其長度範圍以依據位置而在管件 內部中設置不同的導引輪廓，其須考慮該蒸氣成份-和加熱 輪廓之空間上的發展或改變。此種槪念可有利地以下述方 式來實現，即，多個插入件安裝在蒸氣產生器管件中，各 插入件配置在各別分開的管件區段中，其中各別插入件之 幾何參數須依據操作時所設定的局部性加熱作用及/或局部 性流動特性來調整。由於另外已顯示的事實是：在二相位 的流動中在產生一次渦流之後該渦流在至少五個管件直徑 長之流.動路徑中仍保持著，則不需配備完全無空隙的管 件。反之，各插入件可藉由中間區而互相隔開地安裝在蒸 氣產生器管件中。 此處所描述的蒸氣產生器管件可適當地用在燃煤之連續 式蒸氣產生器中。藉由該管件之渦流產生用之內部輪廓和 熱傳導特性中與此有關的各種改良，則在具有垂直式管件 -11- 1373594 ssnr年月 日渗(更)正替換頁 配置（垂直式配管）之鍋爐構造中亦可確保熱量可 送至該流動媒體上或確保管壁的冷卻。管件數目 • 線長度較短的垂直式配管由於相對於傾斜的管件 配置而成的管件有一種較小的流動速率和較小的 度，則該蒸氣產生器操作時壓力損耗較少且最小 下降。因此，包含該蒸氣產生器之發電廠可用於 的最小負載中。由傾斜式蒸氣產生器管件中已爲 分離效應在垂直式配管中不會發生。該分離效應 ® 氣在低於一最小流動速率時或低於一最小負載時 的形式而流動著，管壁的一部份區域因此不會被 外，蒸氣鍋爐不需昂貴的承載構造，此乃因鍋爐 以自我承載的方式設有垂直式配管。該承載構造 廣大且成本高的焊接操作有關。 此外，上述之管嵌入件在對流式加熱時，例如 發電廠之加熱鍋爐中進行對流式加熱時，由於已 傳導作用而會使熱交換器面積下降且因此可使成 就製造方法而言，上述目的以”多條受到應力 一種平滑管件中”來達成，其中須配置著多條螺 式的多條線，且這些線在安裝之後須放鬆直至 管件內壁爲止。換言之，由預先對準的線所形 紋之螺旋式彈簧會受到應力，此時該彈簧被拉 孔。在此種直徑已變小的狀態下，該插入件被拉 在該彈簧已一部份放鬆之後，該彈簧自動地壓 充份地傳 較多且管 或螺旋式 質量流密 流通量可 —種較小 人所知的 中水和蒸 只能以層 沾濕。此 壁面通常 是與範圍 * 在 G u D · 改良的熱 本大大地 線安裝在 之螺紋形 線圈位於 的多條螺 或形成鑽 、管件中。 管件內壁 -12- 1373594 98牟1i2 曰 上》因此，須選取該線之仍存在的特定應力，使得在該蒸 發器管件之預定的操作溫度中不會發生蠕變現象。此外， 各線在其一部份已放鬆之後可有利地至少在一端上與管件 內壁相焊接。 以本發明所可達成的優點特別是，藉由新的管插入件， 則可在管件內部空間中達成一種對全部之管件材料都適用 之可變化的流動導引性，其可對應於熱傳導性之改良需求 來調整。由於藉由可自由形成之參數，例如，線直徑、線 • 配置的螺紋條數、爬升角度、側面角度和邊緣尖銳性，等 所造成的設計上的可變性，則可設定一種在該蒸發器管件 之長度上可變化的渦流輪廓，其可準確地依據各別的局部 性加熱狀態來調整。因此，可避免傳統式肋片管件之製程 上的限制。在發電廠之新的硏發過程中主要是蒸氣參數具 有較高的設計値，肋片管件之製造由於高溫和高壓所需之 新的材料之鉻含量較高而較昂貴。此處，渦流產生用之新 的嵌入件可取代該肋片管件或只能用於上述的應用中。 ® 本發明之不同的實施例以下將依據圖式來詳述。 【實施方式】 全部之圖式中相同的組件設有相同的參考符號》 第1圖中顯示一種連續式蒸氣產生器2,其具有矩形的橫 切面且其垂直的氣流是藉由周圍壁面或燃料室壁4來形 成，此燃料室壁4在下端上轉變成一種漏斗形式的底部6。 在氣流之燃燒區V中，在由蒸氣產生器管件10所組成的 燃料室壁4中分別在一種開口 8中設有多個用於燃料之燃 -13- 1373594 98 II- 23 -- 年月3修(更)正替換頁 燒室，圖中只可看到二個。垂直配置的蒸氣產生器管件10 在燃燒區V中以氣密方式互相焊接成一種蒸發器加熱面 * 12 ° 該氣流之燃燒區V的上方存在著多個對流用加熱面14, 其上方存在著一種煙道氣出口通道16，藉由化石燃料之燃 燒所產生的煙道氣RG經由此出口通道16而離開該垂直的 氣流。流入至蒸氣產生器管件10中的流動媒體藉由燃燒之 火焰之輻射熱以及藉由煙道氣RG之對流式之熱傳導而被 ® 加熱且因此蒸發。本實施例中可以水或水-蒸氣-混合物來作 爲流動媒體。 除了第1圖所示的單路鍋爐（所謂塔形鍋爐）之外，當然亦 可使用其它形式之鍋爐組態，例如，雙路鍋爐。以下所述 的蒸氣產生器管件都可用在上述之這些形式中，且甚至可 用在燃燒區以及其餘之煙道氣通道中。一種插入件亦可用 在廢熱蒸氣產生器中。 第2圖是連續式蒸氣產生器2之燃料室壁4之配管用之 ® 蒸氣產生器管件10之切面圖。在平滑管件20之管件內部空 間18中安裝一種插入件22,其形成一種渦流產生用之內部 輪廓以使熱傳導特性獲得改良。此插入件22包括三條線 24，其以三條螺紋之螺紋形式（其具有定値之爬升角度且因 . 此具有定値的螺距高度）沿著管件內壁26而捲繞著。由於線 24之特定應力，線24可固定在管件內壁26上。此外，各 線24藉由點焊在管件內壁26上而分別固定在多個位置上， 特別是固定在其二個末端之附近。 -14- 1373594 -- 年月曰修(更)正替換頁 本實施例中各線24和容納各線之平滑管件20之管壁28 都是由一種鉻含量高之耐高熱之金屬材料所構成。此外， * 當然亦存在著其它適當的材料，其已爲此行的專家所知 悉，例如，13CrMo44。除了線24之數目（螺旋式彈簧之螺紋 條數）和爬升角度之外，各線24之橫切面輪廓是一種主要的 設計準則。特別是與平滑管件20分開地製造各別的線24， 則該線相對於管件內壁26之高度和寬度以及側面角度以及 各邊緣的尖銳性都可任意地預設。在最接近的情況下，幾 ® 何參數通常都以與傳統式肋片管件之肋片中相類似的方式 來選取。此外，亦可進行一種與位置有關的調整和最佳化， 其須考慮到沿著燃料室壁4之加熱輪廓之外形。 第3圖是第2圖中已爲人所知的蒸氣產生器管件10之另 一種形式，其中施加在管件內壁26上的線24經由已焊接的 徑向之強化支柱30而與沿著管軸而延伸之中央線32相連 接，以有效地使各別的彈簧行程-或線捲繞現象在彈簧作用 已放開時仍不致於發生滑動現象。由於包括各強化支柱30 ® 和中央線32之支撐核心不會受到像施加在管件內壁26上之 渦流產生用之線24那樣高的溫度，則該支撐核心可由價値 較低的材料來製成。 第3圖之實施例中，分別以三個薄的徑向之強化支柱30 組合成一種在共同的橫切面中藉由蒸氣產生器管件10來定 位的規則的星狀物。多個此種星狀物以規則的間距依序配 置在蒸氣產生器管件10之縱向中。由第3圖右上方所示的 蒸氣產生器管件10之橫切面可知，全部之星狀物以相同方 1373594 - _ 98年42¾修(更)正替換頁 .. 式對準，使依序配置之星狀物之互相對應的強化支柱30在 » 橫切面中互相疊合。因此，管件內部空間18中之渦流式流 • Λ ' 動只受到些微的干擾。 最後，第4圖顯示另一實施例，其亦可與第3圖中已爲 人所知的形式相組合。設有三條平行於管軸而延伸之固持 線34,其可使渦流產生用之成螺旋形捲繞之線24不致於滑 動。各固持線34在橫切面中觀看時均勻地分佈於內部之管 件周圍且分別固定在形成輪廓用之線24之面向管件內部空 ®間1 8之此側上。 【圖式簡單說明】 第1圖一種連續式蒸氣產生器之圖解，其燃料室壁具有 垂直式配管。 第2圖 蒸氣產生器管件之切面圖，其具有一種插入件以 形成一種渦流產生用的內部輪廓。 第3圖 另一實施形式之蒸氣產生器管件之切面圖及橫切 面。

第4圖 又另一實施形式之蒸氣產生器管件之切面圖及橫 切面。 【元件符號說明】 2 連續式蒸氣產生器 4 燃料室壁 6 底部 8 開口 10 蒸氣產生器管件 -16- 1373594 ρννϊ^ϊ 12 * « 蒸發器加熱面 1 14 對流用加熱面 ' 16 煙道氣出口通道 18 管件內部空間 20 平滑管件 22 插入件 " 24 線 26 管件內壁 籲28 管壁 30 強化支柱 32 中央線 34 固持線 RG 煙道氣 V 燃燒區 • -17-

Claims (1)

1373594 第 095144956 號 造方法」專利案 lom 更^ 修正本 蒸氣產生器管線、連續蒸氣產生器及其製 (2012年3月13日修正） 十、申請專利範圍： 1·—種蒸氣產生器管件（10)，在管件內部空間（18)中配置至少 ~插入件（22)以形成一種渦捲之內部輪廓，其特徵爲：該 插入件（22)包含多條線（24)，其以多條螺紋之螺紋形式沿著 管件內壁（26)以螺旋形式捲繞在此管件內壁（26)上：各線 (24)在預定的操作溫度時之特定應力而不可滑動地坐在管 件內部空間（18)中。 2. 如申請專利範圍第1項之蒸氣產生器管件（10)，其中各線 (24)相對於垂直於管軸而定向之參考面之爬升角度在30度 與70度之間。 3. 如申請專利範圍第1或2項之蒸氣產生器管件（10)，其中 各線（24)具有一種圓形之橫切面。 4. 如申請專利範圍第1或2項之蒸氣產生器管件（10)，其中 各線（24)具有一種矩形之橫切面。 5. 如申請專利範圍第1項之蒸氣產生器管件（1〇)，其中施加 在管件內壁（26)上的線（24)經由徑向之強化支柱（30)而互 相連接及/或與一種沿著管軸而延伸之中央線（32)相連接。 6. 如申請專利範圍第5項之蒸氣產生器管件（10)，其中設有 多條在管軸之方向中延伸的固持線，其分別在各線（24)之 面向該管件內部空間（18)之此側上固定在線（24)上。 1373594 ， 101 ^ 13 ， +月日修(更)正替換頁 修正本 . 7.如申請專利範圍第6項之蒸氣產生器管件（10)，其中線（24) . 是在該線之二端之附近，固定地與管件內壁（26)相連接。 8.如申請專利範圍第7項之蒸氣產生器管件（1〇)，其中該固 定之連接是一熔接式的連接。 • 9·如申請專利範圍第8項之蒸氣產生器管件（10)，其中該插入 件（22)之至少該施加在管件內壁（2 6)上的部份是由一種成 份類似於管件材料的材料所製成。 10. 如申請專利範圍第9項之蒸氣產生器管件（10)，其中設有 多個插入件（22)，其配厚在各別相分開之管件區段中，其 中各別的插入件（22)之幾何參數依據操作期間預設之局部 性加熱狀態及/或局部性流動狀況來調整。 11. 一種連續式蒸氣產生器（2)，其特徵爲具有多個依據申請專 利範圍第1至10項中任一項所形成之蒸氣產生器管件（10) 1373594 i —11. 2 3 年月曰修(更)正替換頁 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第2圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 10 蒸 18 管 20 平 22 插 24 線 26 管 28 管 氣產生器管件 件內部空間 滑管件 入件 件內壁 壁

八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：