蒸汽发生系统被用在工厂和类似工业领域从而产生蒸汽，该蒸 汽将被用于多种不同目的。使用蒸汽作为能源的工厂通常被称为蒸 汽厂。
传统蒸汽发生器包括绕着携带水的管子产生热的蒸发器或燃 烧器系统，因此被携带的水从液相转化为气相。启动传统高输出热 发生系统需要一定时间。蒸汽发生系统的启动因而被定义为将蒸汽 发生系统从冷状态加热到允许蒸汽以所需的工业流速输出的温度。 如本领域已知，蒸汽发生系统的冷状态是这样的初始条件，即，燃 烧器没有工作且蒸发器管道不处于工作压力和工作温度值，或更一 般地，蒸汽发生系统还没有工作，即，不处于蒸汽产生模式。蒸汽 发生系统启动时间因此包括预热时间，可以是例如30到60分钟或 更多。如果蒸汽发生系统由于某些机械故障不起作用，则可提供另 一个备份或辅助蒸汽发生系统来承担蒸汽发生任务；然而，为启动 辅助蒸汽发生系统等待30到60分钟是不可接受的，因为工厂操作 不能等待这么久。一个替换方式是让辅助蒸汽发生系统以低燃烧速 率(低荷载)一直工作，这样做花费大且能效非常低(无用地消耗 资源)。
注意，启动传统蒸发器或热发生系统的时间30到60分钟通常 不涉及蒸汽输出流(流出(debit))速率。实际上，该启动延迟主 要涉及用于适应蒸发器结构中热诱导机械应力所需的时间。通过将 流经蒸发器管道的水加热高温，蒸发器管道受到非常显著的温度梯 度的影响，这会通过结构热膨胀而压迫结构；而且当水自身被蒸发 为蒸汽时，其成为体积显著增加的物质(object)。这两种物理现象 都要求温度梯度被严格控制，从而防止蒸发器的机械故障，且所述 控制包括在蒸发器能够以正常工业蒸汽生产模式工作前，延迟蒸汽 的产生，通常延迟大约一个小时。

本发明涉及在蒸汽发生系统中产生即时的且之后连续的蒸汽 的方法，该蒸汽发生系统包括蒸汽储蓄器(steam accumulator)、连 接到所述蒸汽储蓄器的蒸汽出口(outlet)、位于所述蒸汽出口的出 口阀、和连接到所述蒸汽储蓄器的快速响应蒸汽发生器单元，所述 方法包括以下步骤：
-在所述蒸汽储蓄器中提供潜在(latent)蒸汽；
-打开所述出口阀从而允许所述蒸汽储蓄器中的潜在蒸汽经所 述蒸汽出口而离开；
-将水馈送到所述蒸汽发生器单元中；
-加热被馈送到所述蒸汽发生器单元的水，与此同时所述潜在 蒸汽经所述蒸汽出口离开；以及
-在所述潜在蒸汽完全离开所述蒸汽储蓄器之前，利用所述蒸 汽发生器单元产生蒸汽，从而馈送到所述蒸汽储蓄器，并通过所述 蒸汽出口控制蒸汽流速，从而将流速维持在基本不大于从所述蒸汽 发生器单元到所述蒸汽储蓄器的蒸汽流速的值；
其中，所述蒸汽发生系统能够从初始蒸汽发生器单元冷状态开 始而产生即时的且之后连续的蒸汽，这是由于在所述蒸汽发生器单 元加热被馈入其中的水的同时所述蒸汽储蓄器在所述蒸汽出口提 供蒸汽。
在一个实施例中，在所述出口阀打开前，所述潜在蒸汽在所述 蒸汽储蓄器中被保持在限定好的空闲压力(idle pressure)和温度值， 因而液态水和气态蒸汽共存于所述蒸汽储蓄器中从而形成所述潜 在蒸汽，并且其中，在所述出口阀打开后，所述蒸汽储蓄器中的压 力将逐渐下降，因而部分液态水将逐渐变为蒸汽。
在一个实施例中，所述蒸汽储蓄器中的所述空闲压力和温度值 是通过经辅助蒸汽管线的输入蒸汽而保持的。
在一个实施例中，馈入所述蒸汽发生器单元的水是从所述蒸汽 储蓄器馈入的，并且其中，水注入管线进一步连接到所述蒸汽储蓄 器从而将水馈送到所述蒸汽储蓄器，因而被馈送到所述蒸汽发生器 单元的水通过流经所述蒸汽储蓄器而被预热。
在一个实施例中，所述蒸汽发生器单元包括至少一个螺旋管蒸 发器(coil boiler)，其中，水通过螺旋状的管道循环。
在一个实施例中，经过所述螺旋状管道而循环的大部分的水质 量(water mass)保持在液态，即使在所述螺旋管蒸发器产生蒸汽 时。
在一个实施例中，70％到97％的经所述螺旋状的管道循环的水 质量保持在液态，即使在所述螺旋管蒸发器产生生蒸汽时。
本发明进一步涉及用于产生蒸汽的蒸汽发生系统，其包括：
-具有蒸汽出口的蒸汽储蓄器；
-连接到所述储蓄器的快速响应蒸汽发生器单元，其中，由所 述蒸汽发生器单元生成的蒸汽被馈送到所述蒸汽储蓄器；
-位于所述蒸汽出口的蒸汽出口阀，其控制流出所述储蓄器的 蒸汽流速；以及
-连接到所述蒸汽发生器的蒸汽发生器单元水入口，
其中，所述蒸汽发生系统能够从初始蒸汽发生器单元冷状态产 生即时且之后连续的蒸汽，这是由于在所述蒸汽发生器单元加热被 馈入其中的水的同时所述蒸汽储蓄器在所述蒸汽出口提供蒸汽。
在一个实施例中，所述蒸汽储蓄器包括空闲压力/温度的保持设 备。
在一个实施例中，所述空闲压力/温度的保持设备包括连接到蒸 汽源的辅助蒸汽管线，所述辅助蒸汽管线具有连接到所述蒸汽储蓄 器的蒸汽入口，以便允许蒸汽注入到所述蒸汽储蓄器中。
在一个实施例中，所述蒸汽发生器单元包括至少一个螺旋管蒸 发器，该螺旋管蒸发器具有能够适应热诱导机械应力的螺旋状管 道。
在一个实施例中，所述蒸汽发生器单元水入口连接到所述蒸汽 储蓄器，且所述蒸汽发生系统包括系统水入口，该系统水入口连接 到所述蒸汽储蓄器，以便将水馈入其中，因而被馈入到所述蒸汽发 生器单元的水首先与来自所述蒸汽储蓄器的水混合。
附图说明
本发明唯一附图示出根据本发明的即时响应的蒸汽发生系统 的示意图，该系统连接到蒸汽工厂的水/蒸汽管线。

图1示出根据本发明的即时响应的蒸汽发生系统10，其用在所 需的地方，如蒸汽工厂。蒸汽发生系统10包括上游端10a，其中一 对选择性的(facultative)水入口泵12，14，其将来自蒸汽工厂的 馈送水泵送到蒸发器中，但可以理解，替换水源，如市政供水或来 自蒸汽工厂脱气器的水可连接在蒸汽发生系统10的上游端10a。通 常，蒸汽工厂中的水/蒸汽将在闭环中循环，其中，来自水处理设施 的补给水(make-up water)被添加到蒸汽冷凝线路，以补偿水和蒸 汽的损耗，但是，在提供了外部水输入的情况下生成蒸汽的其他开 放式的应用也包含在本发明的范畴内。
蒸汽发生系统10也定义了产生蒸汽的下游端10b，其用在蒸汽 工厂应用中或任何所需的能产生蒸汽的应用中。
系统上游端10a处的水流入速率是利用连接到入口阀控制器 18的系统水入口阀16控制的，从而选择性地允许水沿着水入口管 道26馈入蒸汽储蓄器24中。更具体地，蒸汽储蓄器24是热绝缘 槽(tank)形式的，并装配有储蓄器参数探测器28，该探测器28 检测蒸汽储蓄器24中的水位并被连接到入口阀控制器18，从而在 储蓄器中的水位达到预定的下阈值时自动允许水进入蒸汽储蓄器 24。储蓄器参数探测器28也检测储蓄器24中的压力和温度值。
蒸汽储蓄器24传统上装配有维护排水管30，该排水管30具有 由排水阀控制器34控制的排水阀32。
蒸汽储蓄器24连接到水出口管36，该水出口管36具有平行安 装的一对螺旋管蒸发器泵38，40(可使用单个泵)从而将水馈进到 蒸汽发生器单元46，该蒸汽发生器单元46包括大量螺旋管蒸发器 48，如所示的三个螺旋管蒸发器48。
装配有由再循环控制器44控制的再循环阀42的再循环管41 允许泵38，40在被致动的情况下的任何时候仅通过最小流量。因 此，即使从储蓄器24流出的水流速量低，可避免损坏泵38，40， 例如，如果系统故障出现，泵38，40似乎进行泵送但却是无供应 的。
每个螺旋管蒸发器48包括螺旋状管道50，水流经该管道。例 如，螺旋管蒸发器48受到燃烧形成的火焰造成的强热，如箭头52 示意示出，这是本领域传统已知的，但也可考虑替换的加热手段， 如从另一个高温流体加热，该高温流体允许贴着螺旋管蒸发器管道 50的外表面流动。
每个螺旋管蒸发器48的水入口连接到螺旋管蒸发器入口阀 54，该螺旋管蒸发器入口阀进而由螺旋管蒸发器水入口控制器56 控制，从而控制进入螺旋管蒸发器48的水流速，且因此控制流出 螺旋管蒸发器48的蒸汽出口流速。
螺旋管蒸发器48具有已知的构造，但很少用于生产量超过 50,000磅每小时的蒸发器。实际上，螺旋管蒸发器型的蒸汽发生器 是传统已知的低输出系统，并因此被认为是不适用于蒸汽工厂的系 统。然而，螺旋管蒸发器具有的优点是对于蒸汽的产生具有非常快 的响应时间，这是由于其管道具有螺旋管的构造。螺旋管构造允许 对于供热膨胀具有相当大的余地，这允许螺旋管蒸发器适应螺旋管 蒸发器48的螺旋管50中的相当大的热诱导机械应力。结果，螺旋 管50可受到由热源52产生的突变(sudden)的温度梯度，该温度 梯度比传统高输出蒸汽发生器中的显著得多。这些显著的温度梯度 允许螺旋管蒸发器48中显著更快地产生蒸汽，但在长时间段上可 能没有高输出蒸发器效率高。如上所述，蒸汽发生器在启动后通常 要30到60分钟的时间或更长时间才产生蒸汽，然而螺旋管蒸发器 可在启动后的5到10分钟内产生蒸汽(即，从冷状态到全操作蒸 汽生产模式)。螺旋管蒸发器48因此被当作是构成了快速响应的蒸 汽发生器单元，因为螺旋管蒸发器在启动后，发生蒸汽的时间明显 少于通常的30-60分钟或更长的时间。
每个螺旋管蒸发器48的出口与接到蒸汽储蓄器24的螺旋管蒸 发器出口管58连接。因此，蒸汽发生器单元46产生的蒸汽被馈送 到蒸汽储蓄器24，且流出蒸汽发生器单元46的水同样馈送到蒸汽 储蓄器24。注意，虽说螺旋管蒸发器48产生蒸汽，但不排除部分 馈入螺旋管蒸发器48的水将以液态形式离开螺旋管蒸发器48，如 下面讨论。换句话说，根据一个实施例，不是所有馈入螺旋管蒸发 器48的水都将变换为蒸汽。
系统蒸汽出口管60连接到蒸汽储蓄器24并装配有在系统下游 端10b的系统蒸汽出口阀62。系统蒸汽出口阀62由能量存储控制 器64控制，该能量存储控制器通过压力控制器66、68检测系统蒸 汽出口阀62上游和下游的压力值以及来自阀门62上游的流量控制 器70的体积流速值。
能量存储控制器64也将控制安装在较高压力辅助蒸汽管线74 上的阀门72，由此，辅助管线压力控制器76和辅助管线流量控制 器78可确定压力和体积流速值。辅助蒸汽管线74具有连接到外部 蒸汽源的上游端74a。辅助蒸汽管线74具有连接到蒸汽储蓄器74 的下游端74b。
在使用中，蒸汽发生系统10就是即时响应的蒸汽发生系统， 因为其根据需要即时地产生蒸汽。这在缺少蒸汽会导致不利后果的 情形中特别有利。例如，在某些蒸汽工厂中，如果主蒸汽发生器发 生故障，即，如果主蒸汽发生器由于某些原因停止工作，整个工厂 操作通常将完全停止几小时，且在某些情形中，需要连续蒸汽的工 厂工艺设备可能由于丧失蒸汽产生的原因而被损坏。因此，非常需 要具有能够即时产生蒸汽的辅助蒸汽发生系统作为备份系统。该辅 助蒸汽发生系统也应能够在启动时以连续方式产生蒸汽，从而馈送 蒸汽到蒸汽工厂，直到主蒸汽发生器重新工作。
在该特殊情形中，蒸汽发生系统10将用于辅助用途并能够即 使且之后连续地产生蒸汽。这是如下实现的。
在空闲状态，当不需要蒸汽时且系统蒸汽出口阀62关闭时， 蒸汽储蓄器24被加载有处于确定空闲压力和温度值的饱和蒸汽和 水的混合物。更具体地，空闲储蓄器压力被设定为高数值，以便保 持储蓄器24中大部分的水处于液态，以便允许以较小体积存储更 大的容量。虽然在绝热和压力控制的理想条件下这些空闲参数可保 持稳定，但实际上，需要用到辅助蒸汽管线74从而允许蒸汽经蒸 汽出口歧管80进入储蓄器24以补偿不可避免的随时间出现的压力 /温度损耗。储蓄器24中该压力值在任何时候都被储蓄器参数探测 器28监视，能量存储控制器64(连接到储蓄器参数探测器28)能 够控制储蓄器24所需要的蒸汽输入，从而在储蓄器内保持确定的 空闲压力值。在系统10的空闲状态中，螺旋管蒸发器48不工作且 蒸汽发生器单元处于冷状态。而且，没有水循环通过水入口管道26 或水出口管道36。
当需要即时的且之后连续的蒸汽时，系统蒸汽出口阀62由能 量存储控制器64控制打开。储蓄器24中出现的蒸汽立即耗尽，导 致储蓄器24中压力立即下降。这导致储蓄器24中水变为蒸汽，因 为压力降低导致沸点温度也降低。这意味着蒸汽是在储蓄器24中 由其中水生成，该蒸汽被允许经蒸汽出口管60离开。注意，在系 统蒸汽出口阀62打开前储蓄器24中出现的蒸汽可能表示的是蒸汽 中的最低限度(marginal)或甚至可忽略的那部分，该部分蒸汽在 系统蒸汽出口阀62打开时将被排出；但其角色是重要的，因为其 对保持储蓄器24中空闲压力和温度值有贡献。
储蓄器24中在空闲条件下出现的蒸汽和在系统蒸汽阀62打开 后储蓄器24中压力减小时将变为蒸汽的液态水的组合这里被称为 潜在蒸汽。实际上，虽然液态水通常不称为蒸汽，但在此情形中， 将其称为潜在蒸汽是适当的，因为只要在蒸汽发生系统10正常工 作时储蓄器24中压力减小，该液态水中的一部分将变为蒸汽。由 水生成蒸汽的比例取决于初始储蓄器压力、最终储蓄器压力和存储 在储蓄器中的初始饱和水量。
与蒸汽出口阀62的打开同时地，在系统10请求蒸汽时，蒸汽 发生器单元46将从其初始冷状态被启动。更具体地，液态水将从 水入口管线26馈送到蒸汽储蓄器24，且液态水也将从储蓄器24循 环进入到螺旋管蒸发器48中，在螺旋管蒸发器48处，液态水将经 历强热条件，从而部分水变换为蒸汽。例如，在螺旋管蒸发器48 中循环的水质量的约3％到30％将作为蒸汽而离开螺旋管蒸发器 48，余下的部分保持为液态水；但可以理解，该百分数可以比上面 指出的更高或更少。虽然螺旋管蒸发器48中的加热温度很重要， 但通过使螺旋管蒸发器48中具有高压力值以将大多水保持在液态， 可以获得该液体/蒸汽比。在螺旋管蒸发器48的管道中保持高比例 质量的液态水时所允许的螺旋管蒸发器受到的热诱导机械应力比 如果允许较高比例的水变换为低密度蒸汽时更小，其中，对于同样 质量的水分子，低密度蒸汽占据的体积大。然而，注意，可以获得 任何可替换的所需液体/蒸汽比。
进一步指出，馈送到螺旋管蒸发器48的水来自储蓄器24，而 非直接从水入口管26馈送。这对减小螺旋管蒸发器管道50中机械 应力是理想的。实际上，与来自管道26的冷入口水相比，储蓄器 24中的那部分液态水是通过在螺旋管蒸发器48中循环而预热的， 因此，比起来自入口管26的冷水用于被直接馈送到螺旋管蒸发器 48的情形来说，输入的水和输出的水/蒸汽之间的温度梯度将不那 么重要。
如上所述，螺旋管蒸发器48可具有约5-10分钟的启动时间， 这意味着一旦从冷状态激活，螺旋管蒸发器48需要约5-10分钟就 能够以满蒸汽生产模式产生蒸汽。在该螺旋管蒸发器启动期间，系 统10从储蓄器24中存在的潜在蒸汽获得蒸汽。因此，快速响应蒸 汽发生器单元46和蒸汽储蓄器24被组合了，其允许在系统10开 始请求蒸汽时立即且连续地产生蒸汽。注意，蒸汽发生系统10能 够从蒸汽发生器单元46初始冷状态条件产生即时且之后连续的蒸 汽，这是由于蒸汽储蓄器在蒸汽发生器单元46加热馈入其中的水 的同时在系统蒸汽出口10b处提供蒸汽。进一步指出，在保持蒸汽 出口管60闭合以便在不需要蒸汽时在储蓄器24中维持空闲压力/ 温度值的方面，系统蒸汽出口阀62具有重要作用。蒸汽出口阀62 进一步控制输出蒸汽流速从而确保在蒸汽生产模式中，经蒸汽出口 10b的蒸汽流速将基本不大于从蒸汽发生器单元46到蒸汽储蓄器 24的蒸汽流速。这是重要的，因为如果不这样的话，储蓄器24中 的压力会降低，直到蒸汽储蓄器24中剩余蒸汽太少或根本没有， 这会显著防止下游端10b产生蒸汽。
而且，本申请旨在指出经蒸汽出口10b的蒸汽流速将基本不大 于从蒸汽发生器单元46到蒸汽储蓄器24的蒸汽流速，这意味着从 蒸汽出口10b流出储蓄器24的蒸汽流速可实际上大于从蒸汽发生 器单元46流出的蒸汽流速，但这仅是临时的。这是理想的，例如， 为适应蒸汽需求的临时增加。这将导致储蓄器24中压力降低，因 为蒸汽输入将不补偿蒸汽输出。只要储蓄器24内压力保持在工作 阈值以上从而允许蒸汽输出，则该压力降是可接受的。因此，虽然 在蒸汽出口10b的蒸汽流速通常不大于流出蒸汽发生器单元46的 蒸汽流速，但实际上可能会暂时比后者大，因此可以说经蒸汽出口 10b的蒸汽流速将基本不大于从蒸汽发生器单元46到蒸汽储蓄器 24的蒸汽流速。
系统下游端10b与蒸汽发生器单元出口的蒸汽产生比将总是等 于1.0或更低。如果在系统下游端10b和蒸汽发生器单元46的蒸汽 流速相等，则在储蓄器24中没有蒸汽储蓄。然而，可以通过控制 蒸汽发生器单元46出口和系统出口10b的相对蒸汽流速，逐渐利 用蒸汽加载储蓄器24，从而在蒸汽发生器单元46出口具有更大蒸 汽流速。因此，通过在储蓄器24内储蓄蒸汽，一旦系统10不再需 要蒸汽，则系统蒸汽出口阀62再次闭合，储蓄器10再次加载潜在 蒸汽并处于备用状态以便产生即时的且之后连续的蒸汽。当然，也 可以在系统蒸汽出口阀62闭合后部分地或全部地加载储蓄器24。
其中所述蒸汽发生系统能够从初始蒸汽发生器单元冷状态产 生即时的且之后连续的蒸汽，这是由于所述蒸汽储蓄器在所述蒸汽 发生器单元加热馈入其中的水的同时在所述蒸汽出口处提供蒸汽。
本发明的对本领域技术人员显而易见的任何修改都被当作包 含在本发明权利要求限定的范围内。
例如，可以直接将水馈进螺旋管蒸发器48而不用从储蓄器24 馈送。换句话说，水入口管26可直接连接到螺旋管蒸发器48而非 储蓄器24。然而这不是最优的，因为在生产模式中，优选以来自储 蓄器24的预热水馈入螺旋管蒸发器48，而非来自水入口管26的冷 水，从而减少螺旋管蒸发器管道50中的机械应力。
而且，虽然螺旋管蒸发器是以最有效的快速响应蒸汽发生器设 备的形式出现，同样地，它们在本发明的蒸汽发生系统中的使用本 质上也被当作是创造性的，它们可由另一个快速响应蒸汽发生器单 元取代，例如，电气蒸发器，其中电流通过水在阳极和阴极之间循 环，而水自身产生蒸汽。
一个可替换的压力/温度保持设备可提供在蒸汽储蓄器24上， 而非辅助蒸汽管线74。例如，加热电阻可在储蓄器24内运行，或 一个或所有螺旋管蒸发器48可在低输出条件中使用，从而保持空 闲条件中的储蓄器24内具有所需的空闲温度/压力。
虽然这里所述的本发明是从液态水产生蒸汽，但可替换地，其 可用来由非水液体产生气态流体。