具有多個(gè)液體流型的氣-液換熱系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】具有多個(gè)液體流型的氣-液換熱系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)案的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)案為2013年3月13日提交的美國申請(qǐng)案序列號(hào)13/798462的繼續(xù)申請(qǐng)，并且要求所述美國申請(qǐng)案序列號(hào)13/798462的優(yōu)先權(quán)。以上申請(qǐng)案的整體公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明大體上涉及氣-液換熱系統(tǒng)，并且更具體地涉及允許多個(gè)液體路徑提供進(jìn)入系統(tǒng)中的進(jìn)料液體的不同溫度的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]天然氣在美國以及其他國家代表著電能的重要來源。天然氣燃燒的排放物少，并在全世界大部分地區(qū)都可獲得。天然氣的價(jià)格近年來也顯著降低，因?yàn)樾滦豌@探技術(shù)(如水力壓裂(或開裂))開發(fā)出了以前不可獲得的沉積物。將天然氣轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電廠是有效的，并且與水電項(xiàng)目和燃煤工廠相比，建造起來相對(duì)容易和廉價(jià)。
[0005]在如圖1所示典型工廠中，天然氣在燃?xì)鉁u輪機(jī)(11)中燃燒，引起渦輪機(jī)(11)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并向連接有轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)(13)提供動(dòng)力。廢氣(基本上是二氧化碳、某些污染物及蒸汽)在約1200 °F下離開燃?xì)鉁u輪機(jī)。因此，這些氣體中含有的熱量可以代表著能量的另一重要來源。為了控制這種能量，典型聯(lián)合循環(huán)天然氣燃燒發(fā)電廠還包括了熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) (100)，熱的廢氣通過熱回收蒸汽發(fā)生器。HRSG(10)充當(dāng)氣-液換熱器，從而允許廢氣中的熱量被捕獲并在蒸汽渦輪機(jī)(301)中再次使用。
[0006]HRSG(10)包括供燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒產(chǎn)物進(jìn)入(103)的進(jìn)口管道(101)和出口排氣端(105)。來自燃?xì)鉁u輪機(jī)(11)的廢氣流入管道(101)的上游端(103)。隨后，氣體會(huì)與工作流體一起通過管束(200)的通道，所述工作流體包括蒸汽、蒸汽/水混合物以及水。廢氣加熱工作流體，同時(shí)冷卻自身。一旦氣體脫離管束(200)，所述氣體傳出下游端(105)而進(jìn)入將廢氣引導(dǎo)至大氣的煙囪。圖1的HRSG是雙壓力級(jí)HRSG。因此，如同大多數(shù)HRSG —樣，所述HRSG的管束(200)大體上由管道(101)內(nèi)的三個(gè)功能區(qū)段構(gòu)成。第一個(gè)是過熱器
(201)，第二個(gè)是蒸發(fā)器并且第三個(gè)是省煤器(economizer)(也稱為給水加熱器)。作為雙壓力系統(tǒng)，高壓系統(tǒng)使用過熱器(201)、高壓蒸發(fā)器(203)以及高壓省煤器(207)。低壓系統(tǒng)使用低壓蒸發(fā)器(206)和低壓省煤器(205)。由于管束彼此連接，所以這些區(qū)段是功能上的區(qū)別，但功能部件基本上是以所述順序從上游端(103)至下游端(105)加以布置。
[0007]管束中的液體(本文稱為給水(407))作為液體進(jìn)入低壓省煤器(205)。低壓省煤器(205)將給水(407)的溫度升高。高溫給水(407)隨后流入低壓蒸發(fā)器(206)，所述低壓蒸發(fā)器將給水(407)的一部分轉(zhuǎn)換成低壓飽和蒸汽。給水的一部分還會(huì)去往高壓省煤器(207)。隨后，高壓蒸發(fā)器(203)將進(jìn)入的水轉(zhuǎn)換成高壓蒸汽。隨后，蒸汽從高壓蒸發(fā)器流向過熱器(201)，所述過熱器將飽和蒸汽轉(zhuǎn)換成過熱蒸汽。給水(407)的流動(dòng)因此與管道
(101)中氣體的流動(dòng)大致相反。
[0008]一旦已使給水(407)過熱，過熱蒸汽就會(huì)流向外部蒸汽渦輪機(jī)(301)，所述外部蒸汽渦輪機(jī)向另一個(gè)發(fā)電機(jī)(13)提供動(dòng)力。在蒸汽渦輪機(jī)(301)之后，工作流體(407)將傳入冷凝器(303)中，在所述冷凝器中，蒸汽在真空下冷凝回液體以供由系統(tǒng)再使用。冷凝栗(305)將給水(407)遞送回省煤器(205)。
[0009]由于天然氣普遍都含有在燃燒之前不易除去的作為污染物的痕量硫，所以天然氣在燃?xì)鉁u輪機(jī)(11)中的燃燒通常引起硫與氧化合來產(chǎn)生硫氧化物。燃?xì)鉁u輪機(jī)(11)的燃燒過程還涉及大量的只是存在于大氣中的水。只要管道(101)中的廢氣保持高于氣體的酸露點(diǎn)，硫氧化物就被傳出HRSG并進(jìn)入排氣煙囪中，對(duì)于大多數(shù)天然氣中預(yù)期的硫的濃度來說，行業(yè)中通常接受的關(guān)于硫酸的酸露點(diǎn)為約至少140 °F。
[0010]然而，除非預(yù)熱給水(407)，否則進(jìn)入管道(101)內(nèi)的管束(200)的所述給水將通常僅處于約90 °?至100 °F，并且因此可能的是，朝向低壓省煤器(205)的下游端(553)的管束(200)(普遍稱為“冷排”)將處于低于廢氣的露點(diǎn)(如以上所指出，針對(duì)來自天然氣的廢氣為約140 °F )的溫度下。如果這種情況將發(fā)生，那么硫酸會(huì)由煙道氣中的硫氧化物冷凝在朝向下游端的管(200)上，并且聯(lián)合用水一起形成硫酸。由于硫酸對(duì)管(200)的材料是高腐蝕性的，所以這種形成會(huì)造成對(duì)管(200)損壞，從而最終需要停機(jī)并且花費(fèi)相關(guān)費(fèi)用來維修HRSG(10)。
[0011]為了阻止硫酸的形成，HRSG(10)的制造商已嘗試配置HRSG(10)以使得給水(407)在高于廢氣的酸露點(diǎn)的溫度下進(jìn)入管道(101)。確切來說，對(duì)于天然氣操作來說，需要在水進(jìn)入通道(200)之前將溫度升高至約140 °F。雖然存在進(jìn)行這個(gè)操作的許多方式，包括使用再循環(huán)栗，但圖1提供了更精細(xì)的配置，其中給水(407)在進(jìn)入管道(101)內(nèi)的管(200)之前被進(jìn)料至管道(101)外部的液-液換熱器(307)的冷輸入端中。為了將熱的液體提供至換熱器(307)，已在管道(101)中被加熱的給水(407)被選路傳送出管道(101)而到達(dá)換熱器(307)的熱輸入端。
[0012]部分加熱的給水(407)的選路通過使用低壓省煤器(205)來實(shí)現(xiàn)，所述低壓省煤器包括如圖2和圖3所示的兩個(gè)區(qū)段(205a)和(205b)。這些區(qū)段(205a)和(205b)允許低壓省煤器(205)內(nèi)的部分加熱的水被送往外部換熱器(307)，并且隨后返回到低壓省煤器(205)中。區(qū)段(205a)和(205b)可以各種不同配置位于管道(101)內(nèi)，但總體來說，區(qū)段(205a)和(205b)消除了對(duì)預(yù)熱給水(407)的再循環(huán)栗的需要，從而可簡(jiǎn)化操作并且少提供一個(gè)可能故障的機(jī)械零件。
[0013]圖2提供省煤器(205)，其中區(qū)段(205a)和(205b)相對(duì)氣流(591)串聯(lián)(相繼地)定位，而圖3提供省煤器(205)，其中區(qū)段(205a)和(205b)相對(duì)氣流(591)并聯(lián)(彼此相鄰)定位。在兩個(gè)區(qū)段(205a)與(205b)之間，給水(407)流過在氣流(591)外部的換熱器(307)上的熱輸入端。給水(407)在進(jìn)入省煤器(205)之前從冷凝器(303)直接流過換熱器(307)的冷輸入端。換熱器(307)因而在水(407)進(jìn)入省煤器區(qū)段(205a)的下游管排(553)之前，將來自冷凝器(303)的給水(407)的約90 °F至約100 °F的溫度升高至至少140 °F。這意味著所述區(qū)段(205a)的下游管排(553)上的酸冷凝通常不會(huì)發(fā)生。
[0014]圖1至圖3的系統(tǒng)對(duì)于具有熱回收蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)(HRSG)的天然氣燃燒燃?xì)怏w渦輪機(jī)來說工作極佳。然而，許多天然氣燃燒發(fā)電廠被設(shè)計(jì)來具有應(yīng)急能力，以便允許在天然氣不可用時(shí)的操作。雖然天然氣一直是優(yōu)選的燃料，但有時(shí)在發(fā)電廠可利用的天然氣根本不夠。大多數(shù)能夠應(yīng)急生產(chǎn)的天然氣燃燒發(fā)電廠被設(shè)計(jì)來在緊急情況下燃燒替代的石化制品。類似地，如果天然氣的成本顯著增加，那么這些發(fā)電廠也更具靈活性，因?yàn)樗霭l(fā)電廠可轉(zhuǎn)換成全時(shí)燃燒替代的材料。替代的材料往往是#2燃油，所述#2燃油通常含有比天然氣顯著更高的硫含量。
[0015]當(dāng)在圖1至圖3的發(fā)電廠的操作中燃燒#2燃油時(shí)，進(jìn)入管道(101)的廢氣通常包括比使用天然氣時(shí)更高的硫百分比。硫的這種百分比增加意味著:硫酸將在排氣路徑(200)中的管上冷凝的溫度被增加到高于給水(407)進(jìn)料至管束(200)所處的140°F溫度。當(dāng)使用再循環(huán)栗時(shí)，這通常不成問題。然而，對(duì)于如利用外部換熱器的圖2和圖3的那些設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)來說，由于不同燃料的使用，系統(tǒng)往往不能夠?qū)㈩~外的熱提供至給水(407)來將它大致上升高到高于140 °F，并且因而，硫酸可在針對(duì)140 °?輸入給水(407)來設(shè)計(jì)的管束
(200)的冷端管上冷凝，所述140 °?輸入給水將不再具有足夠的溫度來防止冷凝，并且將需要完全繞過省煤器(205)的所有區(qū)段來防止管束(200)腐蝕。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]由于本領(lǐng)域的上述問題，本文描述用于熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)或類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和方法，所述熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)或類似系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成從流過管道的熱氣提取熱量，所述管道利用外部液-液換熱器以用于預(yù)熱給水。所述系統(tǒng)和方法允許可變的水流型來提供處于各種不同溫度下的預(yù)熱水。
[0017]本文尤其描述了用于將熱從廢氣流轉(zhuǎn)移至給水的管道系統(tǒng)，所述管道系統(tǒng)包括:省煤器，所述省煤器包括:第一區(qū)段；第二區(qū)段；第三區(qū)段；以及第四區(qū)段；其中第一區(qū)段、第二區(qū)段、第三區(qū)段以及第四區(qū)段在氣流內(nèi)；換熱器，所述換熱器不在廢氣流內(nèi)且具有冷輸入端和熱輸入端；以及多個(gè)閥；其中所述閥可以第一配置布置，使得給水按照以下順序通