专利名称：用于控制烟道温度的系统和方法
技术领域：
本发明大体涉及发电系统，且更具体地，涉及用于控制联
合循环电厂的烟道中排气的温度的系统和组件。
背景技术：
至少一些已知的联合循环发电系统包括相互结合来发电的 燃气轮机和蒸汽轮机。电厂设置成使得燃气轮机通过热回收蒸汽发生 器("HRSG")而热学地连接到蒸汽轮机上。HRSG为非接触式热交换 器，其允许用于蒸汽产生过程的给水由否则将会被浪费掉的燃气轮机 排气来加热。HRSG为较大的管道，在该管道中置入了管束，从而使 得在排气通过管道时水被加热成蒸汽。联合循环设置的主要效果是利 用了否则将会被浪费掉的燃气轮机排气。当代联合循环通常采用两种或三种蒸汽发生压力，以从燃 气轮机排气中最大程度地回收能量。HRSG热交换过程为逆流过程， 因为当热的排气通过HRSG运动到烟道时该热排气的温度下降，而当 逆着热的排气流朝向HRSG气体入口来导引管中的蒸汽水混合物时该 混合物的温度升高。优化联合循环效率中的一个关键参数是以排气烟道的出口 端处的最低烟道气体温度获得最高的效率。烟道气体温度的更低的限 值通常由于燃气轮机燃料中的硫含量而被阻止。这是因为在某些较低 的温度下，硫化合物在管束上凝结，从而在管束上造成严重的腐蚀。 同样已知的是，腐蚀性硫化合物的露点随着燃料中的硫的浓度的增加 而升高。用于优化联合循环电厂效率的至少 一些已知方法包括在一
4定烟道气体温度下运行的HRSG和蒸汽系统设计，该烟道气体温度将 防止与预期用于在特定应用中燃烧的燃料中的硫含量的最高水平相 称的低温热传递表面的腐蚀。如果在燃料辟u含量更低的情况下燃烧燃 料，则不能降低HRSG烟道气体温度以提高效率，尽管硫化合物浓度 将允许其(发生)。相反，如果HRSG设计成具有与所期望的最低燃料 硫含量相匹配的烟道气体温度，则电厂效率将得到改善；但是，如果 燃烧具有更高硫含量的燃料，则HRSG热传递表面将发生腐蚀。但是， 这种方法限窄了燃料的硫含量且因此缩窄了能够被燃烧的燃料的类 型。
发明内容
在一个实施例中，用于控制排气烟道的温度的系统包括 第一热交换器，其与通向烟道的排气入口处于排气流连通而定位在上 游；第二热交换器，其与第一热交换器处于排气流连通而定位在上游； 以及水侧导管，其构造成以便将较热的水流从第二热交换器引导到第 一热交换器，从而使得流过第一交换器的排气流的温度保持在预定范 围内。在另一个实施例中，控制排气烟道的温度的方法包括在第 一热交换器中将热从排气流传递到水流，以及使用在排气流的方向上 处于第一热交换器的下游的第二热交换器将热从水流传递到排气流。在又一个实施例中，联合循环发电系统包括通过至少一个 热回收蒸汽发生器热学地互连的至少一个燃气轮机和至少一个蒸汽
轮机。该联合循环发电系统进一步包括第一热交换器，其与热回收 蒸汽发生器排气出口处于排气流连通而定位在上游；第二热交换器， 其与第一热交换器处于排气流连通而定位在上游；以及水侧导管，其 构造成以便将较热的水流从第二热交换器引导到第 一热交换器，从而 有助于提高流过笫 一热交换器的排气流的温度。
图1 -4显示了本文所述的系统和方法的示例性实施例。 [OOIO]图1为根据本发明的一个示例性实施例的示例性联合循环
发电系统的示意图。图2为根据本发明的一个示例性实施例的整体气化联合循 环(IGCC)发电系统的示意图；图3为根据本发明的一个示例性实施例的天然气燃烧联合 循环发电系统的示意图；以及图4为控制排气烟道的温度的一种示例性方法的流程图。
部件列表
5 联合循环发电系统 7 燃气轮机发动机组件
10压缩枳i
12燃烧器
13燃气轮机发动机
14发电机
15导管
16热回收蒸气发生器(HRSG)
17线路
18蒸气轮机
19发生器
21导管
24高压(HP)区段
26中间压力(IP)区段
30低压(LP)区段
31排出管道
34烟道温度控制系统36 加热燃料的水 38燃料加热器
40 燃料
200 发电系统
202 合成气
203 气化器
204 节热器水 206燃料加热器 208 减压阀 210 (LP)节热器 212 流旁路线路 242 处理器
300 循环发电系统
302 水路
304 中间压力节热器
306 LP节热器
308 循环泵
310 水-水热交换器
312 减压阀
314 旁路线路
316 第一出口
318 第二出口 322燃料 324控制器
326 处理器
400 方法
402在第一热交换器中将热从排气流传递到水流
404使用在排气流方向上处于第 一热交换器下游的第二热交换
7器将热从水流传递到排气流
具体实施例方式以下详细描述作为实例而非作为限制说明了本发明的实施 例。构思了本发明具有用以通过使用级别逐渐升高的热来预热流向工 业、商业和住宅应用中的燃烧器的燃料流来改善燃烧和发电系统的效 率的一般性应用。如本文所用，高级别的热是指在较高的温度下的热， 低级别的热是指在较低的温度下的热，而中间级别的热是指在低级别 的热的温度与高级别的热的温度之间的温度下的热。如本文所使用的、以单数形式陈述和以词语"一"开头的 元件或步骤应当理解为不排除复数形式的元件或步骤，除非对这种排 除作出了明确的陈述。此外，对本发明的"一个实施例"的引用不意 图被理解为排除了也结合所陈述的特征的其它实施例的存在。图1为根据本发明的一个示例性实施例的示例性联合循环 发电系统5的示意图。发电系统5包括燃气轮机发动机组件7，该燃 气轮机发动机组件7包括压缩机10，燃烧器12以及用于驱动发电机 14的通过使燃烧器12中产生的热气体膨胀来供以动力的涡轮机13。 来自燃气轮机13的排气通过导管15供应到热回收蒸汽发生器 (HRSG)16，以从排气中回收废热。在该示例性实施例中，HRSG 16 包括高压(HP)区段24、中间压力(IP)区段26以及低压(LP)区段30。然 而，在其它实施例中，HRSG 16 ^&分成其它数量和压力范围。HRSG 16 构造成以便将级别逐渐降低的热从排气传递到循环通过各个压力逐 渐降低的区段的水。HP区段24、 IP区段26和LP区段30中的各个 可包括节热器(economizer)、蒸发器、过热器和/或给水或与相应的区 段相关联的其它预热器，例如但不限于可分成多个热交换器的高压区 段预热器，该多个热交换器就定位在区段(HP、 IP、 LP)中的一个或多 个中。该区段节热器通常用于在水于例如蒸发器中^皮转化成蒸汽之前 对水进行预热。
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水通过导管21而供应给HRSG 16以产生蒸汽。从供应到 HRSG 16的排气中回收的热在HRSG 16中#皮传递到水/蒸汽，以产生 蒸汽，该蒸汽通过线路17供应到蒸汽轮机18，以驱动发生器19。线 路17表示在HRSG 16和蒸汽轮机18之间的、用于在不同压力水平下 产生的蒸汽的多条蒸汽线路。来自HRSG 16的经冷却的气体经由出口 管道31和烟道(未示出)排入大气。在该示例性实施例中，联合循环电厂5进一步包括作为与 HRSG 16分开的单独的装置而设置的烟道温度控制系统34。在一个备 选实施例中，烟道温度控制系统34定位在HRSG16内。水和/或蒸汽 从HRSG的 一个或多个区段中抽出且被导引到烟道温度控制系统34 。 将加热燃料的水流36从HP区段24中的热交换器导引通过燃料加热 器38，在燃料加热器38中，流过燃料加热器38的燃料流的温度升高， 且来自HP区段24中的热交换器的水流降低。引导燃料流40通过燃 料加热器38,在燃料加热器38中，燃料流40接收从燃料加热水流 36传递的热。将经加热的燃料导引到燃烧器12。将经冷却的加热燃 料的水流36引导到烟道温度控制系统34。图2为根据本发明的一个示例性实施例的整体气化联合循 环(IGCC)发电系统200的示意图。在该示例性实施例中，使用供应到 燃料加热器206的高压(HP)节热器水流204,将来自气化器203的合 成气流202从约360° F的温度加热到约570° F。燃料加热器206下 游的水被冷却到约310° F的温度，且处于较高的压力。在部分负荷 运行期间，将经冷却的水从燃料加热器206通过减压阀208而导引到 HRSG16出口处的低压(LP)节热器210，以调节被引导到排气烟道(未 示出)的排气流的温度。为了控制被引导到节热器210的水的质量流 量，流旁路线路212以及流量调节阀允许流旁路掉调整可用于节热器 210的热的量和离开HRSG 16的气体的节热器210。通过控制旁路流 量和/或^^皮引导到节热器210的水流的温度，可将烟道温度控制在系统 200的宽泛的运行范围中。例如，在低负荷情况下，可对节热器210增加热，以升高HRSG16的出口温度。在较高负荷的情况下，可使热 旁路绕过节热器210而到达HRSG 16中的其它热交换器，以提高系统 200的效率。将烟道温度控制到满足气体露点考虑所需的最低温度允 许系统200更高效地运行。图3为根据本发明的一个示例性实施例的天然气燃烧联合 循环发电系统300的示意图。在该示例性实施例中，水路302用于将 热从等级相对更高的热交换器(例如但不限于中间压力节热器304)传 递到等级相对更低的热交换器(例如但不限于低压节热器306)。水路 302包括低压节热器306、循环泵308、水一水热交换器310或闪蒸箱 (flashtank)混合装置、减压阀312,以及旁路线路314。在运行期间，在循环泵308中将LP节热器水泵压成高压， 且使用水一水热交换器310中的IP节热器水对之加热。将在水一水热 交换器310的第一出口 316处的IP水导引到燃料加热器310,以加热 燃料。在水一水热交换器310的第二出口 318处的LP水处于约310F 的温度及约750 psig的压力下，且该LP水-故导引到LP节热器306入 口，以调节烟气烟道温度。使用来自中间压力节热器304的水，在燃 料加热器304中将燃料(例如但不限于天然气)流322从约80° F的温 度加热到约365° F。图4为控制排气烟道的温度的一种示例性方法400的流程 图。在该示例性实施例中，方法400包括402在第一热交换器中将 热从排气流传递到水流，以及404使用在排气流的方向上处于第一热 交换器下游的第二热交换器将热从水流传递到排气流。如本文所用，闪蒸箱混合容器是指这样一种容器，该容器 构造成以便接收处于不同热级别的流体流，且结合该流，从而使得来 自闪蒸箱混合容器的出口的流处于由结合和混合所接收到的流而产 生的温度和压力下。因此，在该示例性实施例中，系统300包括控制 器324，该控制器324配置成以便使用入口流的任何组合来控制烟道 温度，且可基于系统300的运行;f莫式控制出口温度和压力。如本文所用，运行模式是指燃气轮机发动机13和/或蒸汽轮机18的特定设备序 列和/或功率水平输出。在该示例性实施例中，控制器324包括处理器 326，可对该处理器326编程，以包括用于执行本文所述的动作的指 令。在一个实施例中，控制器324为单独的控制器。在一个备选实施 例中，控制器324为更大的控制器系统(诸如，例如^f旦不限于分布式控 制系统(DCS))的子部件或模块。如本文所使用的用语"处理器"是指中央处理单元、微处 理器、微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻 辑电路，以及能够执行本文所述的功能的任何其它电路或处理器。如本文所使用的用语"软件"和"固件"是可互换的，且 包括存储在存储器(包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、 EEPROM存储器和非易失性RAM(NVRAM)存储器)中以便由处理器 242执行的任何计算机程序。上述存储器类型仅为示例性的，并且因 此对于可用于存储计算机程序的存储器的类型而言不是限制性的。如基于上述说明书将理解的，可使用包括计算机软件、固 件、硬件或其任何组合或子集的计算机编程或工程技术来实施本公开 的上述实施例，其中技术效果为控制燃料加热器水，以调节烟气烟道
置在一个或多个计算机可读介质内，从而制造根据本公开的所述实施 例的计算机程序产品，即制造物。计算机可读介质可为例如但不限于， 固定(硬)驱动器、软盘、光盘、磁带、诸如只读存储器(ROM)的半导 体存储器，和/或诸如互联网或其它通讯网络或链接的任何传送/接收 媒介。包含计算机代码的制造物可通过执行直接来自 一种媒介的代 码、通过将代码从一种i某介中复制到另一种々某介，或通过在网络上传 送该代码来制造和/或使用。用于控制HRSG热交换器水以调节烟气烟道温度的系统和 方法的上述实施例提供了在联合循环发电系统的较低负荷运行期期 间，通过将热从级别相对更高的热交换器传递到级别相对更低的热交
ii换器来提高发电系统效率的节省成本且可靠的方法。因此，本文所述 的系统和方法有利于以节省成本且可靠的方式提高发电系统的效率。以上对用于控制燃料加热器水以调节烟气烟道温度的示例 性系统和方法进行了详细的描述。所说明的系统不限于本文所述的具 体实施例，相反，各个系统的构件均可与本文所述的其它构件独立地 和分开地使用。各个系统构件还可与其它系统构件结合使用。虽然已经关于多个具体的实施例对本公开进行了描述，但 将了解的是，在权利要求的精神和范围内，可对本公开进行修改。
权利要求
1.一种烟道温度控制系统(34)，包括第一热交换器，其与通向所述烟道的排气入口处于排气流连通而定位在上游；第二热交换器，其与所述第一热交换器处于排气流连通而定位在上游；以及水侧导管(21)，其构造成以便将较热的水流从所述第二热交换器引导到所述第一热交换器，从而使得流过所述第一交换器的排气流的温度保持在预定范围内。
2. 根据权利要求1所述的系统(34),其特征在于，流过所述第一 交换器的所述排气流被保持为大于硫露点温度和酸露点温度中的至 少一个。
3. 根据权利要求1所述的系统(34)，其特征在于，所述第二热交 换器包括热回收蒸汽发生器(16)的高压节热器。
4. 根据权利要求3所述的系统(34)，其特征在于，所述水侧导管 (21)包括燃料加热器(206)和减压阀(208)。
5. 根据权利要求1所述的系统(34)，其特征在于，所述第二热交 换器包括热回收蒸汽发生器(16)的中间压力节热器(304)。
6. 根据权利要求5所述的系统(34)，其特征在于，所述水侧导管 (21)包括减压阀(208)以及水一水热交换器(310)与闪蒸箱混合容器中 的至少一个。
7. 根据权利要求5所述的系统(34),其特征在于，所述水侧导管 (21)包括用于控制通过所述第一热交换器的水的质量流率的旁路。
8. —种联合循环发电系统(5)，其包括通过至少一个热回收蒸汽 发生器(16)以热的方式互连的至少一个燃气轮机(13)和至少一个蒸汽 轮机(18);所述联合循环发电系统包括第一热交换器，其与热回收蒸汽发生器排气出口处于排气流连通而定位在上游；第二热交换器，其与所述第一热交换器处于排气流连通而定位在 上游；以及水侧导管(21),其构造成以便将较热的水流从所述第二热交换器 引导到所述第一热交换器，从而便于提高流过所述第一交换器的排气 流的温度。
9. 根据权利要求8所述的系统(5)，其特征在于，所述系统(5)进 一步包括控制器(324),所述控制器(324)配置成以便接收所述热回收蒸汽发生器(16)排气出口附近的所述排气的温度值；将接收到的所述温度值与预定的容许的值范围进行比较； 控制较热的水流的流率和所述较热的水流的温度中的至少一个，从而使得离开所述热回收蒸汽发生器排气出口的排气流被保持在预定的容许的值范围内。
10. 根据权利要求8所述的系统(5)，其特征在于，所述控制器(324) 配置成以便控制绕过所述第一热交换器的旁路流，以控制通过所述第 一热交换器的水的质量流率。
全文摘要
本发明涉及用于控制烟道温度的系统和方法。提供了一种烟道温度控制系统(34)。该烟道温度控制系统包括第一热交换器，其与通向烟道的排气入口处于排气流连通而定位在上游；第二热交换器，其与第一热交换器处于排气流连通而定位在上游；以及水侧导管(21)，其构造成以便将较热的水流从第二热交换器引导到第一热交换器，从而使得流过第一交换器的排气流的温度保持在预定范围内。
文档编号F01K23/10GK101644178SQ20091016388
公开日2010年2月10日 申请日期2009年8月5日 优先权日2008年8月5日
发明者B·佩米, P·纳拉延, S·V·钱德拉波斯 申请人:通用电气公司