具有多个液体流型的气-液换热系统的制作方法
【专利说明】具有多个液体流型的气-液换热系统
[0001]相关申请案的交叉引用
[0002]本申请案为2013年3月13日提交的美国申请案序列号13/798462的继续申请，并且要求所述美国申请案序列号13/798462的优先权。以上申请案的整体公开内容以引用的方式并入本文。
发明领域
[0003]本发明大体上涉及气-液换热系统，并且更具体地涉及允许多个液体路径提供进入系统中的进料液体的不同温度的系统。
【背景技术】
[0004]天然气在美国以及其他国家代表着电能的重要来源。天然气燃烧的排放物少，并在全世界大部分地区都可获得。天然气的价格近年来也显著降低，因为新型钻探技术(如水力压裂(或开裂))开发出了以前不可获得的沉积物。将天然气转换成电能的发电厂是有效的，并且与水电项目和燃煤工厂相比，建造起来相对容易和廉价。
[0005]在如图1所示典型工厂中，天然气在燃气涡轮机(11)中燃烧，引起涡轮机(11)的转子旋转并向连接有转子的发电机(13)提供动力。废气(基本上是二氧化碳、某些污染物及蒸汽)在约1200 °F下离开燃气涡轮机。因此，这些气体中含有的热量可以代表着能量的另一重要来源。为了控制这种能量，典型联合循环天然气燃烧发电厂还包括了热回收蒸汽发生器(HRSG) (100)，热的废气通过热回收蒸汽发生器。HRSG(10)充当气-液换热器，从而允许废气中的热量被捕获并在蒸汽涡轮机(301)中再次使用。
[0006]HRSG(10)包括供燃气涡轮机燃烧产物进入(103)的进口管道(101)和出口排气端(105)。来自燃气涡轮机(11)的废气流入管道(101)的上游端(103)。随后，气体会与工作流体一起通过管束(200)的通道，所述工作流体包括蒸汽、蒸汽/水混合物以及水。废气加热工作流体，同时冷却自身。一旦气体脱离管束(200)，所述气体传出下游端(105)而进入将废气引导至大气的烟囱。图1的HRSG是双压力级HRSG。因此，如同大多数HRSG —样，所述HRSG的管束(200)大体上由管道(101)内的三个功能区段构成。第一个是过热器
(201)，第二个是蒸发器并且第三个是省煤器(economizer)(也称为给水加热器)。作为双压力系统，高压系统使用过热器(201)、高压蒸发器(203)以及高压省煤器(207)。低压系统使用低压蒸发器(206)和低压省煤器(205)。由于管束彼此连接，所以这些区段是功能上的区别，但功能部件基本上是以所述顺序从上游端(103)至下游端(105)加以布置。
[0007]管束中的液体(本文称为给水(407))作为液体进入低压省煤器(205)。低压省煤器(205)将给水(407)的温度升高。高温给水(407)随后流入低压蒸发器(206)，所述低压蒸发器将给水(407)的一部分转换成低压饱和蒸汽。给水的一部分还会去往高压省煤器(207)。随后，高压蒸发器(203)将进入的水转换成高压蒸汽。随后，蒸汽从高压蒸发器流向过热器(201)，所述过热器将饱和蒸汽转换成过热蒸汽。给水(407)的流动因此与管道
(101)中气体的流动大致相反。
[0008]一旦已使给水(407)过热，过热蒸汽就会流向外部蒸汽涡轮机(301)，所述外部蒸汽涡轮机向另一个发电机(13)提供动力。在蒸汽涡轮机(301)之后，工作流体(407)将传入冷凝器(303)中，在所述冷凝器中，蒸汽在真空下冷凝回液体以供由系统再使用。冷凝栗(305)将给水(407)递送回省煤器(205)。
[0009]由于天然气普遍都含有在燃烧之前不易除去的作为污染物的痕量硫，所以天然气在燃气涡轮机(11)中的燃烧通常引起硫与氧化合来产生硫氧化物。燃气涡轮机(11)的燃烧过程还涉及大量的只是存在于大气中的水。只要管道(101)中的废气保持高于气体的酸露点，硫氧化物就被传出HRSG并进入排气烟囱中，对于大多数天然气中预期的硫的浓度来说，行业中通常接受的关于硫酸的酸露点为约至少140 °F。
[0010]然而，除非预热给水(407)，否则进入管道(101)内的管束(200)的所述给水将通常仅处于约90 °?至100 °F，并且因此可能的是，朝向低压省煤器(205)的下游端(553)的管束(200)(普遍称为“冷排”)将处于低于废气的露点(如以上所指出，针对来自天然气的废气为约140 °F )的温度下。如果这种情况将发生，那么硫酸会由烟道气中的硫氧化物冷凝在朝向下游端的管(200)上，并且联合用水一起形成硫酸。由于硫酸对管(200)的材料是高腐蚀性的，所以这种形成会造成对管(200)损坏，从而最终需要停机并且花费相关费用来维修HRSG(10)。
[0011]为了阻止硫酸的形成，HRSG(10)的制造商已尝试配置HRSG(10)以使得给水(407)在高于废气的酸露点的温度下进入管道(101)。确切来说，对于天然气操作来说，需要在水进入通道(200)之前将温度升高至约140 °F。虽然存在进行这个操作的许多方式，包括使用再循环栗，但图1提供了更精细的配置，其中给水(407)在进入管道(101)内的管(200)之前被进料至管道(101)外部的液-液换热器(307)的冷输入端中。为了将热的液体提供至换热器(307)，已在管道(101)中被加热的给水(407)被选路传送出管道(101)而到达换热器(307)的热输入端。
[0012]部分加热的给水(407)的选路通过使用低压省煤器(205)来实现，所述低压省煤器包括如图2和图3所示的两个区段(205a)和(205b)。这些区段(205a)和(205b)允许低压省煤器(205)内的部分加热的水被送往外部换热器(307)，并且随后返回到低压省煤器(205)中。区段(205a)和(205b)可以各种不同配置位于管道(101)内，但总体来说，区段(205a)和(205b)消除了对预热给水(407)的再循环栗的需要，从而可简化操作并且少提供一个可能故障的机械零件。
[0013]图2提供省煤器(205)，其中区段(205a)和(205b)相对气流(591)串联(相继地)定位，而图3提供省煤器(205)，其中区段(205a)和(205b)相对气流(591)并联(彼此相邻)定位。在两个区段(205a)与(205b)之间，给水(407)流过在气流(591)外部的换热器(307)上的热输入端。给水(407)在进入省煤器(205)之前从冷凝器(303)直接流过换热器(307)的冷输入端。换热器(307)因而在水(407)进入省煤器区段(205a)的下游管排(553)之前，将来自冷凝器(303)的给水(407)的约90 °F至约100 °F的温度升高至至少140 °F。这意味着所述区段(205a)的下游管排(553)上的酸冷凝通常不会发生。
[0014]图1至图3的系统对于具有热回收蒸汽发生器系统(HRSG)的天然气燃烧燃气体涡轮机来说工作极佳。然而，许多天然气燃烧发电厂被设计来具有应急能力，以便允许在天然气不可用时的操作。虽然天然气一直是优选的燃料，但有时在发电厂可利用的天然气根本不够。大多数能够应急生产的天然气燃烧发电厂被设计来在紧急情况下燃烧替代的石化制品。类似地，如果天然气的成本显著增加，那么这些发电厂也更具灵活性，因为所述发电厂可转换成全时燃烧替代的材料。替代的材料往往是#2燃油，所述#2燃油通常含有比天然气显著更高的硫含量。
[0015]当在图1至图3的发电厂的操作中燃烧#2燃油时，进入管道(101)的废气通常包括比使用天然气时更高的硫百分比。硫的这种百分比增加意味着:硫酸将在排气路径(200)中的管上冷凝的温度被增加到高于给水(407)进料至管束(200)所处的140°F温度。当使用再循环栗时，这通常不成问题。然而，对于如利用外部换热器的图2和图3的那些设计的设计来说，由于不同燃料的使用，系统往往不能够将额外的热提供至给水(407)来将它大致上升高到高于140 °F，并且因而，硫酸可在针对140 °?输入给水(407)来设计的管束
(200)的冷端管上冷凝，所述140 °?输入给水将不再具有足够的温度来防止冷凝，并且将需要完全绕过省煤器(205)的所有区段来防止管束(200)腐蚀。
【发明内容】
[0016]由于本领域的上述问题，本文描述用于热回收蒸汽发生器(HRSG)或类似系统的设计的系统和方法，所述热回收蒸汽发生器(HRSG)或类似系统被设计成从流过管道的热气提取热量，所述管道利用外部液-液换热器以用于预热给水。所述系统和方法允许可变的水流型来提供处于各种不同温度下的预热水。
[0017]本文尤其描述了用于将热从废气流转移至给水的管道系统，所述管道系统包括:省煤器，所述省煤器包括:第一区段；第二区段；第三区段；以及第四区段；其中第一区段、第二区段、第三区段以及第四区段在气流内；换热器，所述换热器不在废气流内且具有冷输入端和热输入端；以及多个阀；其中所述阀可以第一配置布置，使得给水按照以下顺序通