热回收蒸汽发生器中的局部烟气稀释的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及凭借热回收蒸汽发生器中的较大热交换使联合循环发电设备的热效率最大化。特别地，本发明消除了将进入节热器(economizer)的工作流体预加热的需要，由此使得节热器能够从烟气(flue gas)中提取更多热。
【背景技术】
[0002]在联合循环发电设备中，热回收蒸汽发生器(HRSG)可以用来回收由诸如燃气涡轮发动机的操作等的单独过程所排放的热。HRSG接收排放气体并且使用各种热交换组成部件将来自排放气体的热传递至工作流体。在某些操作中，如果烟气被冷却低于阈值水平，则排放气体可能含有可引起对热交换组成部件造成损坏的腐蚀性元素。例如，使用高硫燃料的燃气涡轮操作产生具有相当高浓度的包括二氧化硫和三氧化硫在内的硫氧化物的烟气。当二氧化硫被氧化时，形成三氧化硫。接着当三氧化硫与水蒸汽结合时形成气态硫酸。如果被冷却低于硫酸露点，则硫酸气体将在包括热交换元件外表面在内的HRSG内表面上形成液体硫酸，并且液体硫酸将损坏内表面、特别是热交换元件外表面。当进入HRSG时烟气处于高于硫酸露点的温度，并因此在该部位液体硫酸的形成不是问题。随着烟气横穿HRSG并且热被从烟气吸引，烟气的温度冷却。如果烟气流被冷却低于水蒸汽温度，则除腐蚀物之夕卜，水蒸汽也可能会在热交换元件上凝结并形成液体水。该液体水可能会干扰热交换过程并以不期望的方式使流动过程加速。
[0003]在传统HRSG操作下，要小心防止在HRSG中的任何部位处烟气的温度下降低于硫酸露点和/或水露点。这可以例如通过将进入布置在烟气流内的热交换元件的工作流体加热来完成，使得热交换元件的外表面保持充分地温暖以防止不希望的凝结。然而，在HRSG的热力学最佳操作中，进入HRSG内的热交换元件中的至少一个的工作流体将会处于低于烟气的硫酸露点和/或水露点的温度。在该热力学最佳方案中，相对冷的工作流体将会引起热交换元件的外表面低于露点，直到被加热。当烟气遇到相对冷的表面或者烟道内的已被相对冷的表面冷却的局部体积(local volume)时，烟气冷却到低于硫酸露点。液体硫酸接着形成在热交换元件的相对冷的表面。液体硫酸接着充当减轻从烟气至工作流体的热传递的热绝缘体。这导致相对冷的工作流体更长保持较冷，这进而使硫酸将形成在之上的热交换元件的相对冷的表面的尺寸扩大。随着时间的推移，该液体硫酸可以损坏和/或破坏热交换元件。
[0004]解决该问题的一个传统解决方案一直是将进入热交换元件的工作流体预加热至高于硫酸露点的温度。在该情况中，由于工作流体在进入热交换元件时已经高于硫酸露点，所以液体硫酸将不会形成在热交换元件上。然而，将工作流体加热必然地使可以从烟气传递至工作流体的热的量减少。热传递上的该减少使热回收蒸汽发生器的热效率降低。结果，在现有技术中有改进的空间。
【附图说明】
[0005]下面的描述中结合【附图说明】本发明，附图示出:
[0006]图1是具有这里所公开的浓度稀释布置的示例性实施例的热回收蒸汽发生器(HRSG)的示意性图。
[0007]图2是这里所公开的HRSG热交换布置和浓度稀释布置的示例性实施例的俯视图。
[0008]图3是图2的HRSG热交换布置和浓度稀释布置的示例性实施例的侧视图。
[0009]图4是图2的HRSG热交换布置的热交换元件和图2的浓度稀释布置的注入布置的示例性实施例的图。
[0010]图5示出根据图2的浓度稀释布置的示例性实施例布置的多个热交换元件。
【具体实施方式】
[0011]本发明人意识到:当液体硫酸或液体水可能在热交换元件的一部分上形成并引起对热传递过程和烟气流造成损害的可能性存在时，需要将进入热交换元件的工作流体预加热，导致诸如使用燃气涡轮发动机和HRSG的发电设备等的联合循环发电设备中所使用的HRSG的热效率被降低。他们进一步意识到:在没有预加热的情况下，液体硫酸或水将会在热交换元件的这些部分上形成，因为这些部分会被工作流体冷却至低于硫酸露点的温度。发明人已设计了利用硫酸露点随着烟气中的气态硫酸的浓度变化的事实来解决腐蚀问题的创新性可选解决方案。该解决方案也可以用来防止液体水的形成和减轻与之相关联的问题。
[0012]代替将工作流体预加热或者使用牺牲性的热交换元件，发明人提议允许较冷的工作流体进入热交换单元。为减少和/或防止会在现有技术的HRSG中预料的液体硫酸的形成，发明人使液体硫酸否则可能会形成所在的烟气流内的局部体积中的气态硫酸的浓度局部稀释。由于预料到液体硫酸会形成在通过工作流体被冷却至低于未稀释的烟气中的硫酸露点的温度的热交换元件的一部分上，所以发明人提议使将具有未稀释的气态硫酸的烟气与热交换外表面的相对冷的一部分分开的局部体积中的气态硫酸的浓度稀释。因此，热交换元件的一部分可以限定出该被稀释的局部体积的一部分。可选地，该一部分可以部分地或整个地在被稀释的局部体积内。换句话说，发明人提议通过使被保护的表面与具有未稀释的气态硫酸的烟气分开而使局部体积内的局部硫酸露点降低来减少/防止形成液体硫酸，其中局部体积保护否则将易于形成液体硫酸所在的表面。
[0013]图1是总体示出的包括了热交换布置12和稀释布置14的HRSG的示意性图。为清楚起见，未图示出的是HRSG的已知蒸发器部分。在示出的示例性实施例中，热交换布置12已知是通常位于HRSG的较冷端部处的凝结物预加热器。然而，本发明可以应用于在没有稀释的情况下可能会形成不期望的液体所在的任何热交换元件。例如，热交换元件可以是从烟气中提取热并将热传递至随后行进通过蒸发器的工作流体(即，第二流体)的任何节热器。此外，虽然这里描述的示例性实施例解决了液体硫酸的形成，但是概念和结构可以用来防止当烟气中存在气态形式的腐蚀物时的诸如液体腐蚀物等的任何其他液体的形成。可以看到的稀释布置14的主要组成部件包括稀释流体源16和选择性的预加热器18。稀释流体源16可以是引起稀释流体流动的风扇或其他部件。预加热器18可以是将稀释流体预加热至期望温度的任何布置。在示出的示例性实施例中，预加热器18被示出为将来自烟气20 (即，第一流体)流的热传递至(即，准许热连通至)稀释流体的烟气空气热交换器。在可选实施例中，预加热器可以例如是接收来自HRSGlO中的另一工作流体的布置，或者是电的或是气动的等等。在这样的示例性实施例中，预加热器可以布置在烟气20流的外部。在操作中工作流体流过预加热器18，在那里被加热至期望的温度。工作流体接着流入与热交换元件(未示出)相邻的附加注入布置(未示出)中，在附加注入布置处工作流体被注入到烟气20流内，以创建具有气态硫酸的减小了浓度的烟气的局部体积(或多个体积)。各体积可以包括在待保护的表面上的膜。稀释流体源16可以根据需要对稀释流体加压，或者这可以诸如利用强制通风风扇等单独地完成。可选地，当只希望局部稀释时，预加热器18可以免除。
[0014]图2示出图1的热交换布置12和稀释布置14的俯视图和部分剖视图。在热交换布置12或凝结物预加热器内，可以有多排的热交换元件30，包括相对于流过其中布置有热交换元件30的管道36的烟气20的上游排32和下游排34。随着烟气20流行进通过热交换布置，烟气20流遇到了这些排的热交换元件30的外部/壳侧38。热从烟气20流传递至热交换元件30的第二侧40 (即内部)上的工作流体。因此，随着烟气20流从热交换布置12的上游端42行进至下游端44，烟气20流冷却。工作流体从下游端44开始并且朝向上游端42工作地进入热交换元件30，在此期间来自烟气20流的热将工作流体加热。
[0015]从前述流动描述可以看出:在下游端44处，烟气20流将处于其最冷的温度并且工作流体也将处于其最冷的温度。在该示例性实施例中，在下游端处，烟气20流可以遇到具有外部侧38的热交换元件30，其中外部侧38的一部分可能会处于低于烟气20流中的未稀释的气态硫酸的露点的温度。因此，在下游端44处，将会创建具有气态硫酸的稀释了浓度的烟气20流内的体积46。该体积46将用来至少保护外部侧38的可能会处于低于未稀释的气态硫酸的露点的温度的一部分。
[0016]体积46可以通过经由可以包括注入器48的注入布置将稀释流体50、例如空气或其他非腐蚀性流体注入外部侧38的待保护的一部分的附近。这也可以在图3中看出，其中下游排34的一部分52横跨管道36内的热交换元件30的整个长度。然而，上游排32的一部分54横跨小于管道36内的热交换元件30的整个长度。这可以在当工作流体在行进通过下游排34的同时加热并继续在行进通过上游排32的同时加热时的示例性实施例中发生。到工作流体到达上游排32的一部分54的端部56时，工作流体已经被充分地加热使得处于高于烟气20流中的未稀释的气态硫酸的硫的露点的温度。处于或高于该温度，不再需要稀释，因为未稀释的气态硫酸将不会凝结在热交换元件30的外部侧38上。因此，如上所述，热交换元件30的易于处于会引起未稀释的气态硫酸凝结在其上的温度的一部分52、54由具有气态硫酸的稀释了浓度的体积46保护。这些部分52、54于是用来限定体积46的一部分。在示例性实施例中，稀释布置14可以仅保护需要保护的那些部分52、54。这些部分52、54可以例如占热交换布置12中的暴露于烟气20流的所有热交换表面的大约20%。然而，可以想象到其他因素可以影响设计考虑并因此外部侧38中或因此与易于凝结硫酸相比或多或少外部侧38可以被保护。
[0017]在该示例性实施例中示出为在烟气20流外部的预加热器18可以被配置成将稀释流体加温至接近注入点处的烟气20流的温度或与之相同的温度。对于上游排32上的注入器48，该温度将会是上游排32的紧接着的上游的烟气20流的温度。同样，对于下游排34上的注入器48，该温度可以是下游排34的紧接着的上游的烟气20流的温度。这可以是防止在烟气20流与热交换元件30的外部侧38之间形成不利热层所期望的，该不利热层可能会抑制热从烟气20流交换至工作流体。该增加的热中的一些可以在