专利名称：循环流化床锅炉中再热蒸汽温度控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及包括二级蒸汽透平和蒸汽发生装置的发电站，该蒸汽发生装置具有流化床燃烧系统，该系统包括流化床燃烧器、至少一个分离器以及包括再热器和过热器的烟气烟道。
本发明还涉及在蒸汽发生器中控制再热器温度的方法，该发生器具有流化床燃烧系统，该系统包括流化床燃烧器、至少一个高温分离器以及在烟气烟道中的再热器。
目前已知有数种方法控制再热蒸汽温度。
再热器温度控制的方法之一是在该再热器两端使用烟气旁路系统。在锅炉的对流流路中提供两个分开的烟气流路(一个供过热器，一个供再热器)，并且在每一流路下游例如设置挡流板以改变烟气流过每一段的流量。再热器出口蒸汽温度的控制是改变各对流流路的烟气流量。这个系统的主要缺点是挡流板位于高温(260-371℃)的带粉尘烟气流路中，使它们易受磨蚀和发生损坏。此外，用此系统控制蒸汽温度的范围有限。
另一方法是使用外部热交换器。即将循环流化床系统内的一部分循环固体物分流到外部安装的流化床热交换器中，称之为外部热交换器(EHE)，并在其中设置部分或整个的再热器。改变流至EHE的固体物量，即可控制传递至再热器的热量以及再热器出口蒸汽温度。此系统的主要缺点是固体物流量控制阀需要大量维修工作，并且EHE内的再热管表面易受磨蚀，于是影响到这种装置的实施。
US4748940建议在循环流化床燃烧器的烟气流路中设置第一再热器的加热表面，并将这个第一再热器与位于外部热交换器(EHE)中的第二再热器相连接。与再热器加热表面呈并联方式来连接可调节的旁路管路。再热器出口温度的控制是通过控制EHE中的固体物流量，还通过由该旁路管路控制该两个再热器中的蒸汽流量。
控制再热器蒸汽出口温度的另一方法是使用喷淋式过热蒸汽降温器。此法是利用喷水来使过热蒸汽降温，从而控制再热器出口蒸汽温度。此法较简单，但因使循环的效率下降而未能普遍采用。
还有一种方法是使用过量空气。供应给锅炉的过量空气可用来控制再热的蒸汽温度。但因此法对锅炉效率有不利影响而不受欢迎。
还有一种方法是采用烟气再循环。即使用大量烟气再循环以达到再热器出口蒸汽温度的额定值。但此法需要使用烟气循环风机来输送高温含粉尘烟气并且要额外消耗动力，所以此法是有缺点的。
所以本发明的目的是提供再热蒸汽温度控制的改进方法和系统。
本发明的主要目的是为在循环流化床锅炉中控制再热器出口蒸汽温度提供改进的系统和方法。
按本发明的一个主要方面，在具有流化床燃烧系统的蒸汽发生器中，包括一个流化床燃烧器，至少一个分离器，以及在烟气流路中的一个再热器，其特征在于·在一个共用的烟气烟道中以串接方式设置再热器的第一段和第二或末段;
·将来自透平的低温蒸汽分流成为可选择的第一和第二部分并将所述第一部分导引通过该再热器第一段的装置;
·将所述第一和第二部分合并和将合并流导引通过该再热器第二段的装置。
在优选方案中，该蒸汽发生器包括用于控制该再热器第二或末段温度的装置，并包括将低温蒸汽的可选择部分导引并旁路所述再热器第一段而直接进入所述再热器第二或末段的装置。
按本发明的方法其特征在于·将再热器分为第一段和第二段或末段，并以串接方式将再热器第一和第二段设置于一个共同的烟气烟道中;
·将返回至该再热器的低温蒸汽分流为可选择的第一和第二部分，并将该第一部分导引通过该再热器第一段;
·将此第一部分和第二部分再合并和将合并流导引通过该再热器第二或末段。
本发明上述及其它目的由后述说明和附图加以阐明
图1是实施本发明的典型循环流化床锅炉系统流程;
图2是本发明另一方案的流程;
图3是两个典型锅炉连接至单一透平的布局流程。
参照图1，图中示出使用典型循环流化床锅炉的发电站，其中包括过热器和再热器并代表本发明的一个优选方案。该锅炉系统10包括流化床燃烧器12，其中有燃烧室14，向燃烧室中输入可燃物料、不可燃物料、还可能有添加剂或再循环的物料、一次空气以及二次空气。在此燃烧室中，借助于使床物料有正确存量和正确空气流量而使床保持在流化状态。该燃烧室有栅格状的底16，空气通过16而引入。燃烧室的壁最好由膜型管壁所构成，其上带有或不带耐热的覆盖层。
过热器的第一和第二段是位于燃烧室中。燃烧室中的物料借助于烟气22而从燃烧室带入到高温分离器24中，在其中固体物与烟道气分开，并借助颗粒再循环系统26、28和30返回至燃烧室底部，完成再循环。它们在返回到该燃烧室之前先通过流化床冷却器或类似设备。
进料水的循环回路和主过热器并非本发明的重要部分，故未在图中示出。
来自高温分离器的烟气经由烟道32而进入对流流路34。在该对流流路中设有单级的过热器38，并在过热器38的下游和省热器44之上游设置再热器的第一段42和第二段40。再热器也可多于两段，并使末一段恰在过热器38的下游，即现在40的位置。这样的排布是逆流式热交换器，烟气是向下流，再热水蒸汽是向上流。在这一流路中设置过热器38有助于烟气流至再热器40的温度保持在低于该临界温度。这样的排布连同后文将说明的旁路特征能够对该再热器段内的温度进行独特和有效地控制。
当离开该特定段(在逆流式热交换器排布中)的蒸汽温度接近于进入该段的烟气温度时，减少进入该段的蒸汽流量的结果是大大减少吸热量。当该蒸汽温度达到该烟气温度，可用于热传递的有效热量减少。这就为按本发明的再热温度控制系统所用的原理提供了基础。
如图1所示的发电系统是向一台两级透平供应蒸汽。在图示的布局中，来自过热器38的蒸汽通过一个出口总管46和导管48和阀门50而进入高压透平(HPT)52的入口侧。离开透平52的低温蒸汽通过返回管53而返回到再热器42和40。在再热器处，由旁路管54在55处连接返回管53而将该低温蒸汽一部分旁路，低温蒸汽的其余部分通过差压控制阀56进入再热器第一段42的总管58。
通过再热器42的蒸汽流出到总管60，并于62与该低温蒸汽的旁路部分汇合。在旁路管54上设置流量控制阀64以控制再热器第一段进口总管与该旁路管之间的流量。在62汇合后的蒸汽流入再热器第二或末段40的总管66，在此被进一步加热，并经由出口总管68而流出，经供汽管70和阀门72而进入透平的低压级或第二级(IPT)。由于旁路管54和再热器第二段42之间的低温蒸汽比例可以选择，为各段中再热器控制温度提供了有效和高效的手段。
再热器第一段42在烟气流路中的位置是这样选择，当将所需部分的低温再热蒸汽旁路而直接进入再热器第二段40时，使离开再热器第一段的蒸汽温度升高不致超过该再热器管子金属材料的许可温度。在此处规定一个极限以便保护再热器第一段的金属材料不超过其许可温度。一般的极限值为566℃并可因实际设计条件而变化。这种系统的目的是外表面的最高温度不高于所选用金属材料的许可极限。
控制阀56和64的排布是这样选择，是使整个蒸汽温度控制范围均达到可控制程度，并许可全部再热器表面设置在该锅炉的对流流路中，使得不再需要采用在炉内的再热器表面。这样做法还可在多于一台锅炉连到同一透平系统的情况下，作到简化启动程序。在此排布情况下，这组阀门就能在不同操作条件下提供再热蒸汽流量均衡的手段。
在循环流化床锅炉中，燃烧是在惰性物料的流化床中进行。离开燃烧器的流化床物料是利用一台高温收集器(例如高温旋风分离器)通过适当的密封装置而返回。在操作时，将空气和燃料送入燃烧室14中，其中的床层物料是通过空气和床层物料的流量正确而保持在流化状态。流化用空气是通过位于室底部的栅格状结构16而送入。烟气、燃烧产物连同带过来的固体物首先向过热器18和20输送热量，然后经由烟道22而流至高温分离器24，在其中将固体物分离开并通过再循环装置26、28和30而返回至燃烧室。然后高温烟气从高温分离器出来，经由烟道32而进入对流流路段34，在这个段中设置过热器末段38和再热器的40及42各段。
在此系统中设有三个过热器段，即18、20和38，其中38是设置在烟气对流流路中。在需要时，可将过热蒸汽降温器设置在各段过热器之间，用于控制蒸汽温度。再热器的40和42两段是位于对流流路34中，并连接有控制阀和管路，以便精确控制再热器出口蒸汽温度。管路系统是使低温蒸汽在管53处再进入此系统，并在与旁路管54的接点55处选择性地将之分为两路。其中一路通至再热器第一段，是通过入口总管58分布后进入。另一路经由阀64和入口总管66进入再热器第二段。对于流路的选择分配是依从所需控制温度而成比例，并由阀56和64完成此分配。
从出口总管离开再热器第一段的高温蒸汽与来自流量控制阀64下游并经由旁路管54的低温蒸汽混合，混合后经由入口总管66进入再热器第二段。通过再热器第一段的流量是由控制阀56和64的恰当操纵来控制，从而进一步控制离开再热器第二段40的蒸汽温度。来自再热器第二或末段的高温蒸汽通过高温再热蒸汽管路70而返回至透平。
由压差响应控制装置80来控制阀56的调定位置，用以控制控制阀64所得到的压差。控制装置80是响应低温蒸汽管53与再热器42出口和旁路管54连接点62的压力之间的压差，由图1中的虚线84表示。控制装置80是调定到按照作为该锅炉负荷的函数来控制阀56。
旁路管54上的阀64是由温度响应控制装置82来控制，它对再热器第二或末段40出口蒸汽温度作出响应，由图1中虚线86表示。在所述方案中，再热器40的温度例如保持在约538±10℃。当离开再热器40的蒸汽温度上升至开始超过543℃，阀64开大使更多的低温蒸汽直接进入再热器40。当该温度下降至开始低于532℃，阀64就关小，减小流至第二段40的旁路低温蒸汽流量。
图2中所示系统与图1大部相同，不同之处只是过热器38设置于再热器40和42之间。在对流流路中设置单段的过热器38，再热器第二段40位于过热器上游，第一段42位于其下游;在过热器38的下游设置省热能器44，故与图1所示者不同。由于在过热器38的上游设置再热器第二段40，故可以在较小负荷时得到更多热量。这样就可以扩大蒸汽温度的控制范围，并且对过热器的控制范围就是有影响也是很小的。再热蒸汽温度控制范围扩大后，有利于将两台锅炉用于一台透平机，因为更容易作到温度配合。
由于本排布方式是再热器第二段40位于过热器38的上游，使再热器各段的控温范围可以更宽。由于烟气先经过再热器40，再经过过热器38，使得该锅炉负荷高达某一程度，都不会发生在再热器40烟气温度低于临界温度的情况。因此，由于过热器38在流路中是在再热器40之后，只有当达到25-30%负荷后，才会在再热器40烟气温度低于临界温度。在此时，可以按本发明得到低温蒸汽来控制温度。如果需要在高负荷点，可将管子金属材料提高等级而许可最大负荷为约35-40%。直到该装置达到25-40%负荷之前都不需要流过该再热器，这是本发明的另一优点。
图3所示的系统与图1大部相同，不同之处只是用两台锅炉。在此系统中，第一套锅炉设备的编号与图1相同，第二套锅炉设备的编号都带一个撇。所以在此布局中，所公开的锅炉透平系统是由两台锅炉供应一台透平。这种系统需具备的基本特征是提供控制流向每一锅炉蒸汽流量的装置，从而使再热器出口蒸汽温度完全是在可能的操作条件范围内。在图示的系统中，为两套锅炉配备双套控制装置和管路。
用于控制再热蒸汽温度的控制阀56和64可用于均衡流量，并保持再热器出口温度在正常和不正常操作条件下的范围内。在此布局中，减压阀80和82连同过热蒸汽降温器76和78在冷启动、热启动以及当第一套已在线时启动第二套的情况下提供了灵活性。有了这种简单系统即可不再需要高级、先进的蒸汽混合系统。从而提供了在变化的负荷条件下简单而有效的再热器出口蒸汽温度控制系统和方法。
进行冷启动操作时，向燃烧室14送入燃料和燃烧用空气，开始燃烧。由于燃烧产生热量后，燃烧的高温烟气在燃烧室中向上移动，将热量传递给燃烧室壁中的水以及过器18及20。来自燃烧室的高温烟气、燃烧产物以及固体物经由烟道22，进入高温分离器24，在此分出固体物并送回燃烧室。高温烟气由烟道32进入对流流路34，在此按序将热量传递给过热器38、再热器第二或末段40以及再热器第一段42。在低温蒸汽流动以前，高温烟气开始流经该系统。在发生蒸汽并启动透平之前，将锅炉点燃并使燃料燃烧一段时间，以提供热的烟气。直至透平启动之后，方才开始再热低温蒸汽。
随着高温烟气将热量输给水壁、过热器和再热器中的水和蒸汽，其温度经过每一段后都相应下降。应指出，在满负荷时离开燃烧室的烟气温度在843-927℃范围。在烟气和水之间的温差越大，热传递越快，并且烟气从相应加热器经过后其温度就越低。
因此，当烟气经过了过热器38，其温度将低于当锅炉为某个负荷以下时在再热器40的临界温度。所以，由于在烟气流路中过热器38是在再热器40之前，其烟气温度将会低于达到约40-50%负荷之前在再热器40的临界温度。此时，可以按本发明用低温蒸汽来控制温度。由于直到该装置达到50%负荷之前不需流经该再热器，成为本发明的另一项优点。大多数已有的系统在启动(热或冷启动)的早期阶段都要求流经该再热器以防止发生烧毁，因此必须采用昂贵的旁路系统。但是，采用本系统的布局方式，就不需要旁路，并可以缩短系统的启动时间。
对于前文公开的方案还可以作出其它修改或变动，并且在某些情况下，可以在并非相应采用某些特征的情况下采用其它一些特征。因此，尽管本发明是由一个具体方案加以阐示和说明，不讲自明的是，在不背离本发明权利要求的精神实质和不超出其范围的情况下，可以对本发明作出多种变动和修改。
权利要求
1.一种用于发电站的蒸汽发生器，所述电站中包括一个两级蒸汽透平和一个具有流化床燃烧系统的蒸汽发生器，所述燃烧系统中包括一个流化床燃烧器(12)，至少一个分离器(24)，以及一个烟气烟道(34)，在烟道中设有一个再热器和过热器(38)，其特征在于·在一个共用的烟气烟道中以串接方式设置再热器的第一段(42)和再热器的第二或末段(40)；·将来自透平(52)的低温蒸汽分流成为可选择的第一和第二部分并将所述第一部分导引通过该再热器第一段(42)的装置；·将所述第一和第二部分合并和将合并流导引通过该再热器第二段(40)的装置。
2.按权利要求1的蒸汽发生器，其特征在于所述过热器(38)是设置在所述再热器第二段(40)的下游。
3.按权利要求1的蒸汽发生器，其特征在于所述将低温蒸汽分流的装置包括一条旁路管路(54)并连同至少一个流量控制阀，用于将来自透平的低温蒸汽旁路绕过再热器第一段，直接进入再热器第二或末段。
4.按权利要求1的蒸汽发生器，其特征在于在通至再热器第一段(42)的入口处至少有一个压力控制阀，该阀门是响应回返蒸汽压力和再热器第一段出口蒸汽压力之间的压力差。
5.按权利要求1的蒸汽发生器，其特征在于所述用于低温蒸汽分流的装置是响应所述再热器第二段的出口温度。
6.按权利要求1的蒸汽发生器，其特征在于所述再热器第二段(40)的温度是保持在约538±10℃。
7.一种控制蒸汽发生器中再热器温度的方法，所述发生器具有流化床燃烧系统，所述燃烧系统包括一个流化床燃烧器，至少一个高温分离器，以及一个再热器，其特征在于·将再热器分为第一段和第二或末段，并以串接方式将再热器第一和第二段设置于一个共同的烟气烟道中;·将返回至该再热器的低温蒸汽分流为可选择的第一和第二部分，并将该第一部分导引通过该再热器第一段;·将此第一部分和第二部分再合并和将合并流导引通过该再热器第二或末段。
8.按权利要求7的方法，其特征在于所述分流的低温蒸汽的第二部是导引并通过连通所述再热器第一段入口和出口之间的旁路管路。
9.按权利要求7的方法，其特征在于为控制所述再热器第二或末段的蒸汽温度而在响应该温度条件下将所述低温蒸汽分流成为第一和第二部分。
10.按权利要求7的方法，其特征在于为控制所述回返蒸汽压力和所述再热器第一段出口蒸汽压力之间的压力差而在响应该压力差条件下将所述低温蒸汽分流成为第一和第二部分。
全文摘要
一种具有流化床燃烧系统的蒸汽发生器，包括一个流化床燃烧室和至少一个高温分离器，以及一个过热器和一个再热器。再热器的第一段和第二段或末段是以串接方式置于共同烟道中。来自透平的低温蒸汽分为一、二两部分，第一部分通过再热器第一段然后与低温蒸汽的第二部分合并，合并后通过再热器的第二段。
文档编号F22B1/02GK1045168SQ9010042
公开日1990年9月5日 申请日期1990年1月23日 优先权日1989年1月24日
发明者庞奴沙米·K·戈昂达, 蒂莫·M·考兰伦, 尼尔·R·拉斯金 申请人:阿尔斯特罗姆公司