用于熱回收蒸汽發(fā)生器的熱交換系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于熱回收蒸汽發(fā)生器的熱交換系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請要求名為Daniel B.Kloeckener的發(fā)明人于2013年9月26日提出的美國臨時申請N0.61/882，911的優(yōu)選權(quán)，該申請通過參引結(jié)合到本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]天然氣用作大部分目前發(fā)電的能源。為此，燃氣在為發(fā)電機提供動力的燃氣輪機中經(jīng)歷燃燒。然而，燃燒產(chǎn)物作為溫度非常高的排氣離開燃氣輪機。換句話說，排氣表現(xiàn)為能源自身。該能源在熱回收蒸汽發(fā)生器(“HRSG”)中被捕獲，該熱回收蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生為另外的發(fā)電機提供動力的過熱蒸汽。
[0004]所述排氣包含二氧化碳和汽相的水，而且還包含極少量二氧化硫和三氧化硫形式的硫。如果與水結(jié)合，所述硫化物產(chǎn)生腐蝕性很強的硫酸。只要加熱表面的溫度保持高于排氣的酸露點溫度，則SOdPSO3在沒有有害影響的情況下穿過HRSG。但是如果任一表面跌至低于酸露點溫度的溫度，則硫酸將凝聚在該表面上并且腐蝕該表面。
[0005]露點溫度取決于所消耗的燃料而改變。對于天然氣，加熱表面的溫度不應(yīng)降到大約140°F之下。對于大多數(shù)燃油，加熱表面的溫度不應(yīng)降到大約235° F之下。
[0006]通常，HRSG包括具有進口及出口的外殼和一系列熱交換器一即，過熱器、蒸發(fā)器和給水加熱器，所述過熱器、蒸發(fā)器和給水加熱器在進口與出口之間按所述的順序設(shè)置在殼體中。
[0007]用于HRSG的所述熱交換器可以具有多排盤管，沿氣體流動方向的最后的那排盤管可以是給水加熱器。易受硫酸腐蝕損壞的表面設(shè)置于給水加熱器上。給水加熱器接收從由蒸汽輪機所排出的低壓蒸汽獲得的冷凝液，并且提高了水的溫度。然后，來自給水加熱器的較溫的水流入到將其轉(zhuǎn)換成飽和蒸汽的一個或多個蒸發(fā)器中。所述飽和蒸汽流到將其轉(zhuǎn)換成過熱蒸汽的過熱器上。過熱蒸汽從過熱器流到蒸汽輪機。
[0008]在該過程中，等到熱氣到達HRSG的后端處的給水加熱器時，其溫度非常低。然而，所述溫度不應(yīng)如此低以使得酸凝聚在給水加熱器的加熱表面上。
[0009]通常，在上述過程中，大多數(shù)HRSG產(chǎn)生處于低壓(LP)、中壓(IP)和高壓(HP)的三種壓力級的過熱蒸汽。此外，HRSG可以具有所謂的LP蒸發(fā)器、HP節(jié)熱器和IP節(jié)熱器。給水加熱器一般將一些加熱過的給水直接排入LP蒸發(fā)器中。
[0010]蒸汽發(fā)生器中的給水加熱器或者預(yù)熱器在冷凝物離開到達LP蒸發(fā)器、HP節(jié)熱器或者IP節(jié)熱器之前從低溫氣體中提取熱量來升高進入的冷凝物的溫度。在冷凝物進入氣體路徑(例如，循環(huán)栗、外置熱交換器)內(nèi)部的預(yù)熱器管的任一部分之前，已經(jīng)使用多種方法來升高冷凝物的溫度。這些方法用于防止排氣溫度降低到酸露點以下并且防止引起硫酸腐蝕。
[0011]先前的系統(tǒng)和方法在應(yīng)用方面是受限的，因為給水溫度不足夠高來防止所有燃料的露點腐蝕。傳熱盤管移動到更熱部位在熱交換器中提供了更高的溫差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]在本公開中，外置的水-水熱交換器利用熱源(該熱源為離開給水加熱器的第一級的熱水)來加熱更低溫度的進口冷凝物。冷凝物流首先進入外置熱交換器。此后，預(yù)加熱的冷凝物離開外置熱交換器并且進入給水加熱器。離開預(yù)熱器的水能被用于預(yù)加熱進入的冷凝物。本公開將預(yù)熱器表面的一部段布置到氣體流的LP蒸發(fā)器的上游處的較熱部段，以達到升高能源的進口溫度并且直接升高離開外置熱交換器的預(yù)加熱冷凝物的出口溫度的有益效果。該配置允許使用在冷端具有更高露點設(shè)計的外置熱交換器。因此，本系統(tǒng)和方法可以在外置的水-水熱交換器中產(chǎn)生了更大溫差。大于現(xiàn)有技術(shù)的該溫差產(chǎn)生了更高的出口溫度并且防止HRSG經(jīng)受由于具有較高酸露點的燃料引起的冷端的凝聚腐蝕。
[0013]本發(fā)明的上述及其他特征和優(yōu)點以及其目前的優(yōu)選實施例從結(jié)合附圖閱讀以下的說明中變得更加明顯了。
【附圖說明】
[0014]圖1是使用設(shè)有本發(fā)明特征的熱回收蒸汽發(fā)生器(“HRSG”)的能量系統(tǒng)的示意圖；
[0015]圖2是新穎的HRSG的剖視圖；
[0016]圖3是新穎的HRSG的元件的示意圖；
[00?7]圖4是新穎的HRSG的另一實施例的兀件的不意圖；以及
[0018]圖5是新穎的HRSG的另一實施例的元件的示意圖。
[0019]貫穿幾個附圖，相應(yīng)的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)部分。
【具體實施方式】
[0020]以下詳細說明通過實例和非限制性方式闡明了所請求保護的本發(fā)明。本說明使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠清楚地制造和使用公開內(nèi)容，描述了本公開的幾個實施例、改進、變化、備選方案和用途，其包含目前被認為是執(zhí)行所請求保護的本發(fā)明的最佳方式。另外，應(yīng)當(dāng)理解，本公開在其應(yīng)用方面不限于以下說明中所闡明的或者在附圖中所圖解的構(gòu)件的詳細構(gòu)造和配置。本公開能夠有其他實施例并且能按多種方式來實踐或者實施。此外，將理解的是，本文所使用的措辭和術(shù)語是用于說明目的并且將不被認為是限制。
[0021]本發(fā)明的公開內(nèi)容現(xiàn)在提供了一種在HRSG中使用的熱交換系統(tǒng)和方法。一種其特征用于熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)中的系統(tǒng)的整個說明呈現(xiàn)在美國專利N0.6，508，206B1(下文中的“’206專利”)中。因此，“’206”專利通過引用被結(jié)合到本申請中，如同在本文中充分闡明了一樣。本申請的圖1顯示了類似于’206專利的圖3中所示的布局。在本文中，圖1公開了一種將熱的排出氣體排放到HRSG 50中的燃氣輪機G，該HRSG從氣體中提取熱量以產(chǎn)生蒸汽來為蒸汽輪機S提供動力。燃氣輪機G和蒸汽輪機S為能夠產(chǎn)生電能的發(fā)電機E提供動力。蒸汽輪機S將低溫和低壓的蒸汽排出到冷凝器51中，蒸汽在冷凝器中被冷凝成液態(tài)水。冷凝器51與冷凝栗52流體聯(lián)通，該冷凝栗將水作為給水引導(dǎo)回HRSG 50中。
[0022]本申請的本發(fā)明性特征的公開內(nèi)容顯示了一種在現(xiàn)有技術(shù)上提供了改進的、具有熱交換器和流動通路的配置的HRSG 50。
[0023]參見本申請的圖1和圖2，HRSG50具有外殼53，熱交換器位于外殼內(nèi)。諸如從燃氣輪機排出的熱氣進入外殼53中并且穿過具有進口 56和出口 59的通道54。在所述過程中，氣體穿過熱交換器。
[0024]外殼53通常具有其上支承熱交換器的底板61和自底板61向上延伸的側(cè)壁。典型地，外殼53的頂部由頂板63封閉。底板61和頂板63在側(cè)壁之間延伸，以使得底板61、側(cè)壁和頂板63有助于形成通道54。從出口 59處，氣體可以流過氣道(flu)67。
[0025]通常，熱交換器包括具有大量管子的盤管，所述管子通常被豎直地定向并且一根接一根地橫過外殼53的內(nèi)部設(shè)置。盤管還被按沿由本申請的圖3中的箭頭所描繪的熱氣流的方向一根接一根成排設(shè)置。管子容納其盤管被設(shè)計成能容納的任何相的水。管子的長度大至80 ’尚ο
[0026]現(xiàn)在，注意力放在圖2中所示的熱交換器的配置上。將按從進口56移動至出口 59或者在圖2中從左向右看的定向給出圖2的總體說明。通常，附圖標(biāo)記70表示HRSG中的所謂“上游盤管”。例如，所述上游盤管可以包括在’206專利中被稱為由’206專利中的附圖標(biāo)記16所標(biāo)示出的、將飽和蒸汽轉(zhuǎn)換成過熱蒸汽的過熱器；后面跟有至少一個諸如在’ 206專利中顯示為18的高壓蒸發(fā)器(“HP蒸發(fā)器”)的蒸發(fā)器；從那里起后面跟有高壓節(jié)熱器(“HP節(jié)熱器”)。即節(jié)熱器被顯示為緊靠由18標(biāo)示出的蒸發(fā)器的右側(cè)的一組盤管并且在’206專利的圖4中示出。因此，術(shù)語“上游盤管70”通常是指所有的過熱器、HP蒸發(fā)器和HP節(jié)熱器。HRSG中專用于所述構(gòu)件的空間量可以取決于HRSG 50的所期望的特征和性能。
[0027]自上游盤管70的下游，新穎的配置具有預(yù)熱器增壓器74。如將論述的，預(yù)熱器增壓器74保證了使給水加熱器處于HRSG的更熱部位中，以便于使給水