专利名称：热交换器中检测冷凝的装置和方法
技术领域：
本发明大体涉及热交换器，更具体地，涉及在热交换器中用于检测冷凝的方法和装置。
背景技术：
在美国天然气是电能的重要来源。其燃烧几乎不产生排放物，并且在全国各地都能够获得。此外，将其转化为电能的电站是高效的，并且与水电站项目和燃烧煤的电站相比，其较容易且建造成本更便宜。在普通的电站中，在燃气涡轮中燃烧天然气，从而为发电机提供能量。废气—主要是二氧化物和蒸汽—在约1200(649℃)下离开燃气涡轮，并且其自身也是一种重要的能源。为了利用这些能源，常规联合循环燃气发电站也具有热回收蒸汽发生器(HRSG)，热的废气通过该热回收蒸汽发生器产生蒸汽，以向蒸汽涡轮提供动力，从而向其它的发电机提供动力。废气以约150(66℃)的温度离开HRSG。
HRSG基本上包括一系列容纳于管道中的热交换器。从蒸汽涡轮排放的冷凝蒸汽得到的水进入给水加热器的HRSG，在此水的温度升高。接着较高温度的水流入蒸发器，在其中将水转化为蒸汽，大部分(如果不是全部的话)是饱和水蒸气。蒸汽流入过热器，其将水转化为过热蒸汽，接着过热蒸汽继续流到蒸汽涡轮并推动该蒸汽涡轮。通过燃烧气流得到的热气以相反的方向流入，经过过热器，然后经过蒸发器，最后经过给水加热器。
因此，在给水加热器及之后的范围，气体处于其最低的温度。天然气包括微量的硫，并且在燃烧的过程中，硫与氧气结合产生硫的氧化物。此外，燃烧产生大量的蒸汽形式的水。如果废汽温度保持在气体的露点之上，即约107(42℃)，那么硫的氧化物通过HRSG然后进入烟道。然而，低温的给水具有将给水加热器下游端处的管道的温度降到废气中水的露点之下的能力，当这个现象发生时，水凝结在管上。废气中硫的氧化物与所述水混合以形成硫酸，其具有高腐蚀性。也可能形成其它的酸。
为了阻止酸的形成，HRSG的操作者控制进入给水加热器的水的温度，确保其保持在气体的露点之上。这保证了在给水加热器中不会发生冷凝。由于气体的露点温度是几个参数的函数，所以很难预测，因此为了安全起见所进入的水的温度应该较高。如果进入的水的温度降低，那么水将从气体获取更多的能量，并且气体将以较低温度通过给水加热器。
给水加热器或者废气预热器(economizer)中的冷凝的问题并不仅限于安装在燃气涡轮下游的HRSG。实际上，所述问题几乎可以发生在任何从流经管的热气吸取能量以加热锅炉的给水的地方。例如，很多电站将从矿物燃料(如煤或者石油)的燃烧获取的热气直接转换为蒸汽，这种情况下转换所需的有效工作的锅炉应具有给水加热器—不会产生冷凝的加热器。此外，还有从废物的燃烧所获得的热气产生蒸汽的系统，它们同样具有锅炉，其包括不应形成冷凝的给水加热器。
图1是HRSG的示意剖视图，其中HRSG具有根据本发明设置有监控单元的给水加热器；图2是监控单元的给水加热器的局部剖视图；图3是监控单元的工作端子的放大视图。
具体实施例方式
参考附图，热回收蒸汽发生器(HRSG)A(图1)具有露点监控单元B(图2)，其为HRSG A提供了检测HRSG A中的冷凝并发出警报或者其它信号的系统。这使得HRSG A的操作员能够控制进入HRSGA的水的温度，因此HRSG A中的表面保持在其上形成冷凝的温度之上，但不会高于该温度太多。
HRSG A包括具有进气端4和排气端6的管道2，该排气端6导向烟囱或者烟道。通过天然气或者其它燃料的燃烧获得的热气在进气端4进入管道2，通过管道2，接着从排气端6排出。该气体包括二氧化碳、蒸汽和少量的化合物，其如果与液体混合会形成腐蚀性物质，如酸。
除了管道2以外，HRSG A包括几个热交换器，其连续地容纳于管道2(图1)中。每个都具有由低碳钢制成的管和围绕管的翅片。首先，气体流经过热器10，接着流经蒸发器12，最后流经给水加热器14，有时叫做废气预热器。水以反方向流经这些热交换器。水以液体状态进入给水加热器14，在此其温度被升高。更高温度的水从给水加热器14流入蒸发器12，在此水转化为蒸汽，其大部分(如果不是全部的话)为饱和蒸汽。饱和蒸汽进入过热器10，在其中饱和蒸汽成为过热蒸汽。随着气体通过过热器10、蒸发器12和给水加热器14，气体的温度下降，在给水加热器14及之后范围内气体处于最低温度。为了阻止腐蚀性酸的生成，给水加热器14内的表面温度必须保持在管道2中的气体的露点之上。通常地，该温度约为107(42℃)，但其也会变化。此外，由于气体的露点是几个参数的函数，所以很难预测。
HRSG A的操作员具有控制进入给水加热器14的给水的温度的措施。优选地，该温度应该较低，以从流经管道2的气体获取最多的热量，但还应该保持在气体的露点之上，以避免在给水加热器14中出现冷凝。监控单元B使得HRSG A的操作员可实现上述目标。
给水加热器14包括(图1)总水管(header)20和集水管(collector)22，以及垂直穿过管道2的连续的管24，其大致占据管道2的整个横截面积，因此热气必须流经该管2。所有的部件都由金属制成，如低碳钢，当然，它们都是导电的。总水管20在管道2的顶部贯穿管道2，集水管22也是如此，不过集水管22也可以位于管道2的底部。每个管道24的一端与总水管20相连接，而另一端与集水管22相连接。管24设置有翅片26(图2)，其能将热量从热气传递到管24本身，然后传送到管24中的水。此外，给水加热器14具有进口30和出口32，进口30与给水源相通并开口在总水管20中，出口32从集水管22伸出并与蒸发器12连通。较冷的给水通过进口30进入总水管20，然后从总水管20流入管24，在此通过热气加热从而温度升高。加热后的给水从管24流入集水管22，然后进入出口32，其将给水传送到蒸发器12。入口26和总水管20的表面具有给水加热器14的表面中最低的温度，对与总水管20连通的管24也是如此。管24中的一个，优选是最靠近入口26的管，在其紧邻与总水管20的连接处的下方具有没有翅片26的裸面34(图2)。实际上，该裸面34在总水管20和管24上的第一片翅片26之间垂直地延伸。
监控单元B基本上包括(图2)接地端子40和工作端子42，接地端子40位于金属给水加热器14上的某处，优选位于入口30上，工作端子42位于管24中的一根的裸面34上。此外，监控单元B包括电导率计44，其分别通过电线46和48连接在接地端子40和工作端子42之间。这种设置使得电导率计44可以检测接地端子40和工作端子42之间的电路的形成。
工作端子42包括(图3)介电带50，其围绕在一根管24的裸面34上，略高于该管的第一片翅片26，并在下方与总水管20隔开。实际上，总水管20的下表面和介电带50的上边之间的距离不应大于约24英寸(62cm)。此外，介电带40由无孔的物质形成，因此其不会吸收冷凝物，当然其可承受给水加热器14所经受的温度。除了介电带50以外，工作端子42包括导电带52，其围绕介电带50，紧紧地包围介电带50，并将其本身和介电带50保持在围绕管24的固定位置，但并不与管24接触。导电带52由可抗腐蚀当然也可导电的金属形成，优选为一种金属，如不锈钢。其可采取管夹(pipe clamp)的形式。电线46连接于导电带52，从而与管24和给水加热器14的其余部分电绝缘。实际上，可简单地将其被剥离绝缘材料的端部插入到导电带52之下，并通过导电带52将其与介电带50夹紧。
在HRSG A工作时，燃烧燃料(如天然气)产生的热气在进气端4进入管道2。这里气体处于极高的温度，约为1200(649℃)。气体通过过热器10，在此从气体提取热量，然后通过蒸发器12，在此提取更多的热量。气体的温度明显地降低。当气体遇到给水加热器14时，温度降低到300(149℃)到200(93℃)之间。尽管很难预测，气体的露点约为107(42℃)，因此给水加热器14的表面温度应该保持在露点之上。然而，给水加热器14还应使其表面保持在稍稍高于气体露点的温度，大约为露点之上5(2.8℃)。这使得HRSG A从气体获取最大量的热量，且不会产生冷凝和由此导致的腐蚀。HRSG A的操作员具有控制进入给水加热器14的水的温度的措施。
因此，为了保证HRSG A最有效地工作，操作员在监控电导率计44时将给水的温度降低。只要在联集器20上或管24附近的区域没有出现冷凝，电导率计44就不会指示警报或者其它信号。然而，如果给水将总水管20和管24附近的区域冷却到气体的露点之下的温度，气体内的水汽将在总水管20和一个管24的裸面34上冷凝，并且会向下流过介电带50的上缘，并沿着带50的表面流到导电带52。这在管24的裸段34与导电带52之间形成了电路连接。电导率计44指示电路的形成，从而提示HRSG A的操作员给水的温度过低。操作员可逐步增加给水的温度，直到电导率计44不再指示电路的形成。当然这表示了冷凝的消失。
也可做出改变。例如，工作端子42不必位于管24上，也可以在其它表面上，如总水管20的侧面，在此也会出现冷凝。无论工作端子的位置如何，其介电和导电元件不必完全围绕其安装表面。此外，以其最简单的形式图示HRSG A。其还可包括另外的过热器、蒸发器和给水加热器。监控单元B可用于HRSG中的给水加热器以外的热交换器。任何能够检测传导性的设备或传感器都能作为电导率计44。此外，监控单元B可以安装在蒸发器上，如蒸发器12。当这样安装监控单元B时，如果其检测到冷凝，操作员可升高蒸发器沸腾温度。
权利要求
1.一种组合，包括热交换器，具有露点的气体从其中通过，所述热交换器由导电材料形成，并具有一表面，在所述表面温度下降到所述气体的露点之下时，沿着所述表面会形成导电的冷凝物；与所述表面相邻的介电元件；导电元件，其在所述介电元件之上，且通常通过所述介电元件与所述热交换器电绝缘；和监控装置，其用于检测所述热交换器和所述导电元件之间的电导率；其中当导电冷凝物流过所述介电元件，并接通所述热交换器的所述表面和所述导电元件之间的间隔时，通过所述冷凝物所述监控装置会感应到电导率，从而感应到所述冷凝物的出现。
2.如权利要求1所述的组合，其中所述表面是在管子上。
3.如权利要求2所述的组合，其中所述管子垂直地延伸，且所述表面在所述介电和导电元件上方。
4.如权利要求3所述的组合，其中所述导电元件围绕所述管子而延伸，且所述导电元件围绕所述介电元件而延伸。
5.如权利要求4所述的组合，其中所述监控装置为电导率计。
6.与HRSG的一种组合，所述HRSG包括管道，具有露点的气体流过所述管道，其中所述气体能够生成导电的冷凝物；设置在所述管道中的过热器；蒸发器，其在所述管道中位于所述过热器的下游；和，给水加热器，其在所述管道中位于所述蒸发器的下游；监控系统，包括位于所述给水加热器上的一表面，所述冷凝物会流经其上；设置在所述表面之上的介电元件；导电元件，其设置在所述介电元件之上，且通常由所述介电元件与所述表面隔离开；和监控装置，用于检测所述给水加热器和所述导电元件之间的电路的形成。
7.如权利要求6所述的组合，其中所述给水加热器具有进口，给水通过该进口被引入所述给水加热器，且所述表面靠近所述进口。
8.如权利要求6所述的组合，其中所述给水加热器具有将给水引入到其中的总水管和将从所述总水管引出的管子，且其中所述表面在从所述总水管引出的所述管子中的一个上。
9.如权利要求8所述的组合，其中所述给水加热器的管子大体垂直地延伸。
10.如权利要求9所述的组合，其中所述总水管位于所述管子上方。
11.如权利要求10所述的组合，其中所述总水管和所述介电元件之间的距离不大于24英寸。
12.如权利要求9所述的组合，其中所述介电元件围绕所述管子而延伸，而所述导电元件围绕所述介电元件而延伸。
13.如权利要求9所述的组合，其中所述监控装置是电导率计和将所述电导率计与所述给水加热器上的接地端子及所述导电元件相连接的导线。
14.一种用于检测给水加热器中的导电冷凝物的方法，所述方法包括将介电元件安装在所述给水加热器的表面上靠近易于形成冷凝的位置；将导电元件安装在所述介电元件上，使得所述介电元件通常将所述导电元件与所述表面隔离开；监控所述表面和所述导电元件之间的电导率。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述表面在所述介电元件和所述导电元件上方。
全文摘要
一种用于HRSG(A)的给水加热器(14)设置有监控单元(B)，其用于检测在给水加热器中形成的冷凝。该监控单元包括介电带(50)和导电带(52)，介电带围绕给水加热器的管(26)中的一根，该管靠近给水进入加热器的位置，导电带设置为围绕介电带。该单元还包括导电传感器(44)，其安装在给水加热器的接地端(40)和导电元件之间。包含水汽的热气通过给水加热器，如果介电带和导电带所围绕延伸的管的区域的表面温度下降到气体的露点之下，那么导电冷凝物会出现在该表面和管上，并会流经导电带，在管和导电带之间形成电路。导电传感器检测到该电路，从而检测到冷凝物的形成。
文档编号F24H9/00GK1842676SQ200580000904
公开日2006年10月4日 申请日期2005年3月25日 优先权日2004年3月30日
发明者J·E·施罗德 申请人:努特埃里克森公司