CN101298933A - 用于气体增湿控制的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于气体增湿控制的方法及系统，具体地，涉及一种增湿系统，该系统包括：构造成可将气体流供应给多个气体负载的多个气源(102、104)，构造成可将能量添加给再循环水的多个热源(226、228)，以流动连通的方式与多个气源和多个气体负载联接的单台气体增湿器(112)，单台气体增湿器构造成可将具有预定含湿量的气体流供应给多个气体负载，和构造成可维持预定的含湿量的控制系统。

Description

用于气体增湿控制的方法及系统
发明背景
[0001]本发明大致涉及联合循环发生系统，更详细地，涉及用于控制联合循环发生系统中气流含湿量的方法及系统。
[0002]至少一些已知的联合循环发生系统包括增湿(moisturization)子系统，该子系统构造成可为相对干燥的气体加入增湿流体。通常，气体包括碳基或氢基燃料气，而增湿流体一般为水或水蒸汽。一般，增湿塔或饱和器在为燃气轮机供应燃料气体的生产气体吸收装置(process gas train)之间排成一列。控制单气源与单气体负载之间的气流的水分是一项相对较容易的任务。然而，其它构造可能节省材料及运行费用的成本。当使用其它构造的气源、增湿器及气体负载(gas load)时，供应给气体负载的气体仍然必须满足预定的规格。对于这些构造的所有运行条件，例如开机、停机过程中，或涉及一种或多种气源和/或供应的过渡过程中，简单的湿度控制方法可能是不够的。
[0003]所需要的是一种控制系统，该控制系统构造成可控制包括从多个气源到多个气体负载的一个或多个增湿器的系统的气流中的湿度，并控制来自多个热源的热量输入。
发明内容
[0004]在一个实施例中，增湿系统包括构造成可将气体流供应给多个气体负载的多个气源，以及以流动连通的方式与多个气源和多个气体负载联接的单台气体增湿器(gas moisturizer)。该单台气体增湿器构造成可将具有预定含湿量的气体流供应给多个气体负载，并且控制系统构造成可维持预定的含湿量。
[0005]在另一个实施例中，在使用增湿器的气流供应系统中控制湿度的方法包括：确定增湿器的目标出口温度——该温度对应于增湿器出口中的预定的目标含湿量，使用基于增湿器热平衡的前馈控制来预测增湿器进水口的目标温度——该温度对应于所确定的增湿器目标出口温度。该方法还包括反馈控制，其确定增湿器目标出口温度与增湿器实际出口温度之间的差异，并且使用反馈控制器修正由前馈控制所计算的增湿器进水口的目标温度。
[0006]在又一个实施例中，在气体增湿器系统中控制湿度的方法包括：确定增湿器的目标出口温度——该温度对应于增湿器出口中的预定的目标含湿量，使用增湿器的热平衡来预测增湿器进水口的温度，以获得预定的离开气体的含湿量。所预测的温度由反馈控制器进行修正，该反馈控制器对增湿器的实际出口温度与对应于预定含湿量的出口温度之间的差异进行处理。使用第一热源和第二热源将入口水温控制到修正目标，并在必要时更改水气比，以在第二热源达到热量输入极限时增加从第一热源输入增湿器的热量。在该实施例中，水气比的升高引起水的目标温度的调整，使得当第一热源设计有额外的传热能力时可降低对第二热源的传热要求。
附图说明
[0007]图1是示例性的联合循环发电系统的一部分的示意图。
[0008]图2是图1所示的增湿器子系统的示例性实施例的示意图。
[0009]图3是图2所示的温度控制子系统和水气比控制子系统的示例性实施例的示意性流程框图。
[0010]图4是图2所示的温度控制子系统和水气比控制子系统的示例性实施例的控制图。
部件列表
  100   循环发电系统
  102   气源
  104   气源
  106   管道
  108   管道
  110   集管
  112   增湿器子系统
  114   集管
  116   进口
  118   进口
  120   燃气涡轮发动机
  122   涡轮发动机
  202   增湿塔
  204   水再循环子系统
  206   干气进口
  208   湿气出口
  210   再循环泵
  212   塔底部
  214   液体分配器
  216   塔顶部
  218   加热支线
  220   加热支线
  222   流量控制阀
  224   控制阀
  226   第一热交换器或热源
  228   热交换器或热源
  230   第二热交换器
  232   热交换器
  234   旁通阀
  236   旁通阀
  238   温度控制子系统
  240   控制子系统
  242   干气流量
  244   气体流量
  246   干气温度
  248   底部水流量
  250   底部水温度
  252   再循环流量
  254   水流量
  260   湿气出口压力
  262   温度
  264   阀门位置指示
  266   位置指示
  300   流程图
  302   目标湿度值
  304   塔的目标温度
  306   塔的热平衡
  308   反馈控制器
  309   前馈控制部分
  310   再循环水的温度目标
  312   温度反馈修正或输出
  314   求和函数
  316   再循环水的目标温度
  318   水速率信号或比较器
  319   钳位器
  320   乘法器
  400   控制图
  401   控制图
  402   可选择的湿度设定点
  404   当前湿度输入
  406   斜坡器
  410   功能块
 412   功能块
具体实施方式
[0011]图1是示例性的联合循环发电系统100、例如整体煤气化联合循环(IGCC))发电系统的一部分的示意图。发电系统100通常包括多个气源102、104，诸如气化系统，其中各气源均产生相对干燥的合成气。虽然系统100在图1中显示只有两个气源102、104，但是，备选实施例可包括任何数目的气源。每个气源102和104产生的合成气经由各自的管道106和108被引入公共集管(common header)110，然后进入单一的气体增湿器子系统112。在备选实施例中利用了气源与增湿器的其它组合。例如，在一个实施例中，三个气源以流动连通的方式联接到两个增湿器上。在另一个实施例中，五个气源以流动连通的方式联接到三个增湿器上。增湿后的合成气从增湿器子系统112经由公共集管114被引入燃气涡轮发动机120和122各自的进口116及118。在另外的实施例中，增湿器子系统112将增湿后的合成气供应给燃气涡轮发动机的其它组合。
[0012]图2是增湿器子系统112(图1中所示)的示例性实施例的示意图。在示例性的实施例中，增湿器子系统112包括增湿塔202、水再循环子系统204、干气进口206和湿气出口208。水再循环子系统204包括再循环泵210，其从塔底部212吸入加热的水并将其排出到位于塔顶部216的液体分配器214。底部的水经由再循环子系统204的一条或多条加热支线218和220被引导。各支线分别包括流量控制阀222和224，第一热交换器226和228、第二热交换器230和232及旁通阀234和236。虽然在本文中所描述的是热交换器，但是，第一热交换器226和228及第二热交换器230和232可代之以加热器的形式来实现，例如但并非局限于电加热器和/或加注燃料的加热器，或者可以是加热器和热交换器的组合。
[0013]增湿器子系统112包括温度控制子系统238和水气比控制子系统240。在示例性的实施例中，温度控制子系统238接收以下输入：干气流量242和244及温度246、底部水流量248和温度250、再循环流量252和254，以及来自增湿塔202的湿气出口压力260和温度262(本文也称为顶部压力和顶部温度)。水气比控制子系统240接收来自干气流量242和244的输入及分别来自每个旁通阀234和236的阀门位置指示264和266的输入。
[0014]操作过程中，在加压塔(诸如增湿塔202)内部一系列的平衡阶段通过接触气体和水而用水将干气增湿。当气体离开增湿塔202时，几个因素影响气体的增湿程度。这些因素包括塔压力、气体和水的进口的温度、水气流量比以及进入增湿塔202的干气的成分。
[0015]可能需要对非冷凝气的含湿量进行精确地控制，以在使用该气体的设备中获得可接受的设计特性。来自两个或多个独立生产单元(例如气化系统)的干气供给气流汇合并由单台增湿塔202增湿。然后，增湿后的气体分开并供给下游的使用单元或气体负载。增湿后的气体的规格被维持在紧公差(close tolerances)范围内，例如预定目标的±1.0％(摩尔)(在上游单元或下游单元操作的过渡过程中)。在可获得的热量受限制的阶段中，系统同样能够对湿度进行控制。
[0016]当进料条件变化时，温度控制子系统238预期顶部湿度的变化，并恰当地调节进入增湿塔202顶部的再循环水的回流温度。如果需要，控制策略可提高水气比以将湿度变化降低到最小程度。这种操作使得单台增湿塔202能够增湿两股或多股独立的气体供给气流，并且能够供给两个或多个独立的下游单元操作。在快速变化的操作条件下，仅有反馈的控制策略可能响应得过于缓慢以至于不能实现精密的湿度控制公差。温度控制子系统238和水气比控制子系统240将水温控制及水气流量比控制结合，以在所有的操作阶段实现可接受的湿度控制。
[0017]图3是温度控制子系统238和水气比控制子系统240(图2中所示)的示例性实施例的示意性数据流程框图300。
[0018]在示例性的实施例中，为增湿塔202的出口规定了目标湿度值302。目标湿度值302被用来确定塔的目标温度304。增湿后离开增湿塔202的气体的湿度由增湿塔202的顶部压力和顶部温度来确定。在一个实施例中，使用目标湿度相对于塔温度的相关曲线来确定塔的目标温度304。所确定的塔的目标温度304被传送到塔的热平衡计算步骤306及反馈控制器308。塔的热平衡步骤306计算温度控制子系统238的前馈控制部分309。塔的热平衡306使用多个输入之间可确定的关系来预测到受控参数的输出，以快速地获得所需的控制响应。反馈控制部分使用实际测量温度262来调节控制参数，以精确地将温度262维持在塔的目标温度304上。
[0019]塔的热平衡306根据包括以下内容的输入确定再循环水的温度目标310：干气流量242和244及温度246、底部温度250、再循环水流量252和254，以及利用压力260和温度262所预测的当前离开的气体的含湿量。
[0020]塔的热平衡306使用温度、流量及压力输入来确定再循环水的温度目标310。在示例性的实施例中，在增湿塔202的平衡条件下，热量流入增湿塔202的速率等于热量流出增湿塔202的速率，
Q · IN = Q · OUT , - - - ( 1 )
其中，
Figure A20081009563900102
表示热量进入增湿塔202的速率，
Figure A20081009563900103
表示热量离开增湿塔202的速率。
[0021]可表示为输入增湿塔202的热源之和：
Q · IN = m · g C Pg T g + m · H 2 O C P H 2 O T H 2 O , - - - ( 2 )
其中，
Figure A20081009563900106
表示进入增湿塔202的相对干燥的气体输入的热量，
Figure A20081009563900107
表示干气的流量(以质量计)，CPg是干气的比热，以及Tg表示气体的温度；
Figure A20081009563900108
表示由进入增湿塔202的再循环水输入的热量，
Figure A20081009563900109
表示再循环水的流量，
Figure A20081009563900111
是再循环水的比热，以及
Figure A20081009563900112
表示再循环水的温度。在补充用水被加入再循环水回路中之后，对再循环水流量进行测量。
[0022]
Figure A20081009563900113
可表示为离开增湿塔202的热源之和：
Q · OUT = m · OH C POH T OH + m · B C PB T B , - - - ( 3 )
其中，
Figure A20081009563900115
表示由于湿气离开增湿塔202而离开的热量，
Figure A20081009563900116
表示湿气流量，CPOH是湿气的比热，以及TOH表示湿气的温度；
Figure A20081009563900117
表示离开塔底部212的水中的热量。
Figure A20081009563900118
离开塔的底部流量，CPB是底部水的比热，以及TB表示底部水的温度。
[0023]将等式(2)中的
Figure A20081009563900119
项及等式(3)中的
Figure A200810095639001110
项代入等式(1)：
m · g C Pg T g + m · H 2 O C P H 2 O T H 2 O = m · OH C OH T OH + m · B C PB T B - - - ( 4 )
[0024]然后，解等式(4)求出
Figure A200810095639001112
，其中
Figure A200810095639001113
是进入增湿塔202的再循环水的温度，并且是受控于温度控制子系统238的参数。
T H 2 O = m · g C POH T OH m · H 2 O C P H 2 O ( 1 - T arg et ) + m · B m · H 2 O C PB C P H 2 O T B - m · g m · H 2 O C Pg C P H 2 O T g - - - ( 5 )
[0025]
Figure A200810095639001115
是图3中所示的再循环水的温度目标310。所确定的再循环水的温度目标310在求和函数314中与反馈控制器308的输出312结合，以确定修正的再循环水的温度目标316。修正的再循环水的温度目标316被用来控制再循环旁通阀234和236，以将温度维持在大约所确定的塔的目标温度304。在可获得热量较低的阶段，或其它过渡条件下，可给出指令使再循环旁通阀234和236关闭，以从热交换器230和232中抽取更多的热量。在可获得的热量受限的情况下，再循环旁通阀234和236可能沿关闭方向达到动程的终点，以至于可能失去温度控制。然而，在本发明的多种实施例中，对再循环旁通阀234和236的位置进行监控，以使得动程超过预定的位置(例如10％的冲程)后传送增加水速率的信号318，以使水气比成斜线上升。提高水气比可降低由前馈热平衡306所计算的再循环水温度的要求。如果两个热源226与228中的第一个热源过大，并且具有额外的传热能力，则增加再循环水流量并降低温度要求将会打开再循环旁通阀234和236，并使再循环旁通阀234和236处于阀门更可控的范围内。
[0026]图4是温度控制子系统238和水气比控制子系统240(图2中所示)的示例性实施例的控制图400和401。在示例性的实施例中，使用来自(例如)增湿塔202中可选择的湿度设定点402及当前压力260的输入来产生塔的目标温度。塔的目标温度304被传送到塔的热平衡306及反馈控制器308。塔的热平衡使用塔的目标温度304、干气流量242和244、干气温度246、底部水流量248、底部水温度250、再循环流量252和254，湿气出口压力260和湿气出口温度262。以摩尔百分比表示的当前的湿度输入404通过考察塔顶部温度262和塔顶部压力260产生，并利用相关性转换成含湿量。
[0027]塔的热平衡306产生再循环水的目标温度310，其通过与温度反馈修正312结合被修正到再循环水的目标温度316。为了在任何热平衡输入的快速变化过程中防止控制扰动，使用斜坡器(ramper)406使预测温度310沿斜线上升到其预测值。修正后的再循环水的目标温度316用来控制旁通阀234和236的位置。如果控制图401中旁通阀234或236的位置达到预定的位置极限(例如10％开启)，则比较器318、钳位器(clamp)319及乘法器320产生水气比偏差，该偏差沿斜线上升到其最终值并加到基础水气比之上。该增加的比例被施加到阀门输出下降到阈值极限之下的支线。利用干气速率242及244将所需的水设定点发送到流量阀222和224。增加的水气比送入塔的热平衡306，使得再循环水的目标温度310被降低。这一点允许旁通阀234和236能够控制到更低的目标温度，因此，旁通阀234和236可开启到超过预定的位置极限的位置。为了防止控制器终结(windup)，整个功能块(block)410和412要求对控制逻辑进行恰当地初始化。
[0028]上述气体增湿系统及方法经济有效并且非常可靠。在瞬态及稳态条件下，该方法允许对多个气体负载以精密的公差进行湿度控制。通过提供可预测的前馈元件并且提供基于水温度和水气比的控制，该系统和方法保证了维持精确的湿度控制。该系统和方法使得单台增湿塔能够增湿供应两台独立燃气轮机的两股独立的气流。因此，本文所述的系统和方法以经济有效并且可靠的方式促进了联合循环系统的操作。
[0029]尽管本发明以多种具体实施例的形式来阐述，然而，本领域技术人员应当认识到，本发明可以在权利要求的精神和范围内进行修改。

Claims (10)

1.一种增湿系统，包括：
构造成将气体流供应给多个气体负载的多个气源(102，104)；
构造成将能量添加给再循环水的多个热源(226，228)；
以流动连通的方式与所述多个气源和所述多个气体负载联接的单台气体增湿器(112)，所述单台气体增湿器(112)构造成将具有预定含湿量的气体流供应给所述多个气体负载；和
构造成维持所述预定含湿量的控制系统。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体增湿器(112)包括再循环子系统，其中，所述再循环子系统包括串联地流动连通的泵(210)、第一热交换器(226)和第二热交换器(230)。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一热交换器(226)和所述第二热交换器(230)包括气体流道及非接触的增湿流体流道。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一热交换器(226)和所述第二热交换器(230)包括气体流道及非接触的增湿流体流道。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，就所述气体流道而言，所述第一热交换器(226)位于所述第二热交换器(230)的下游。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，就所述增湿流体流道而言，所述第二热交换器(230)位于所述第一热交换器(226)的下游。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，来自所述第二热交换器(230)的所述增湿流体流的出口温度通过使一定量的所述增湿流体流沿旁路绕所述第二热交换器流动来确定。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，沿所述第二热交换器(230)的旁路流动的增湿流体流的流率由旁通阀(234，236)控制。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述旁通阀(234，236)的位置由所述控制系统确定，以维持所述预定含湿量。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制系统包括前馈反馈控制。
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