CN101660464A - 使用热管的用于动力设备启动的装置和方法 - Google Patents

使用热管的用于动力设备启动的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用热管的用于动力设备启动的装置和方法。具体而言，本发明提供了一种促进联合循环或兰金循环动力设备启动操作的包括多个热管(100)的装置，各热管分别包括与热源放出的排气热交换的第一部分(101)和与第一部分(101)热交换的第二部分(102)，该装置还包括冷却热管(100)的第二部分(102)的冷却单元和构造成控制冷却单元来冷却热管(100)的第二部分(102)从而经由热管(100)的第一部分(101)从排气中去除热量的控制器(50)。

Description

使用热管的用于动力设备启动的装置和方法
技术领域
本发明的方面针对于使用热管促进联合循环或兰金循环动力设备快速启动的装置、系统和方法。
背景技术
在联合循环或兰金循环动力设备启动操作期间，热回收蒸汽发生器(HRSG)可经历限制在启动操作可以在相对短时间段内完成的热应力程度。
一般，在启动操作中，动力设备的各种部件，如HRSG会遭受迅速的温度增加。这种温度增加，如果不控制，可以导致HRSG管道和联管箱的结构性破坏。为防止这种破坏，慢的燃气轮机启动操作已被尝试但是就降低的动力产出而言伴随花费。在其它情况下，用于HRSG管道中流体的减热器(temperator)的使用和高代价的可以经受住高的温度斜线上升率的HRSG系统的设计也被提出，但是是高代价的和难于实现的。
发明内容
根据本发明一方面，提供了一种促进联合循环或兰金循环动力设备启动操作的包括多个热管的装置，各热管分别包括与热源放出的排气热交换的第一部分和与第一部分热交换的第二部分，该装置还包括冷却热管的第二部分的冷却单元和构造成控制冷却单元来冷却热管的第二部分从而经由热管的第一部分从排气中去除热量的控制器。
根据本发明的另一方面，提供了一种促进联合循环或兰金循环动力设备启动操作的系统，其包括输出排气的产生热量的热源、流通地(fluidly)联接到热源上的热回收蒸汽发生器(HRSG)，此HRSG构造成接收输出的排气流，系统还包括多个热管，各热管分别包括延伸通过HRSG的第一部分和与从HRSG去除的第一部分连接一体的第二部分，还包括设置成紧接着热管的第二部分的在开和关位置之间占据或移开的闸门、构造成当闸门占据开位置时旋转从而产生对准和流过热管的第二部分的冷却气流的风机、以及控制器，此控制器构造成与风机和闸门联接并构造成在启动操作期间打开闸门和驱动风机以产生冷却气流来冷却热管从而从排气中去除热量。
根据本发明的另一方面，提供了一种在启动操作期间控制联合循环或兰金循环动力设备的方法，其包括操作热源输出排气，此排气被引导流过热管的部分，打开紧接着热管其它部分的闸门，以及操作风机产生冷却气流，此冷却气流流过热管的其它部分并通过闸门。
附图说明
本发明的主旨在说明书结论中的权利要求中被特别地指出并明确地要求保护。通过下文中结合附图的对本发明的详细描述，可以清楚本发明的上述以及其它方面、特征和优点，其中：
图1是促进联合循环或兰金循环动力设备启动操作的示例性的装置的示意图；
图2是图1中装置的部分的横截面图；
图3是显示了示例性的不被控制的燃气轮机排气情况和使用热管控制的示例性的燃气轮机排气情况的数据的图。
部件列表
1     装置
10    排气管
11    排气管入口
12    排气管主体
20    风机
31     外部凸缘
32     内部凸缘
40     闸门
41     铰链
50     控制器
51     热电偶
100    热管
101    热管的第一部分
102    热管的第二部分
具体实施方式
下文描述的装置1促进带有诸如热回收蒸汽发生器(HRSG)10的联合循环或兰金循环动力设备的快速启动。
参考图1和2，装置1包括多个热管100。各热管100分别包括与热源放出的排气流热交换的第一部分101。各热管100还包括第二部分102。各热管100的第二部分102与相应的热管100的第一部分101热交换并可以从排气流中去除，使得排气流不直接地影响第二部分102。
排气流从诸如燃气轮机的热源放出，排气流指的是从燃气轮机排放的气体(例如，GT排气，如图1中所示)。这种燃气轮机可联接到排气管10上，诸如热回收蒸汽发生器(HRSG)，包括入口11和主体12。入口11构造成流体地接收排气流并和主体12连接一体。热管100的第一部分101延伸通过主体12，通过这种方式，被引导至排气管10的主体12中的排气流因此还被引导流过热管100的第一部分101。
冷却单元，诸如风机20构造成产生对准热管100的第二部分102的冷却气流。控制器50构造成在装置1启动操作期间驱动风机20。风机20的驱动因此产生冷却热管100的冷却气流，结果，从排气流中去除热量。
这里，注意到冷却单元可以包括风机20和/或其它冷却装置。这种冷却装置可以包括，但不限于，散热片、致冷单元、环境空气进气阀和/或任何其它的合适的装置。这里，各种部件可以单独地或者相互结合地使用以达到各种类型的冷却效果。
根据不同的实施例，热管100可包括液体热管或者固态热管。在液体热管中，管被工作液体或散热剂，诸如，但不限于，水、乙醇、丙酮、钠或者汞密封其中。当液体热管的一部分被加热时，热源的一些热量被去除并传输到液体，然后液体蒸发并在液体热管的另一部分上凝结。此过程释放热量到与液体热管的部分热接触的介质中。同样，介质越冷，则越多的热量相应地被从热源去除。固态热管包括真空密封的在其内部表面附着有Qu材料的管道。Qu材料传导热量，同样，固态热管采取如上所述的液体热管类似的方式操作。
尤其参考图2，其未按比例画出，注意到热管100可以相对于彼此设置成不同构成和结构以促进在热管100的外部表面同排气管10的主体12内的排气流和风机20产生的冷却气流之间的热交换。这些构成可包括圆形的构成，如显示的，或者，备选地，矩形的构成。在构成本身内，热管100可以构造成相互顺列(in-line)的，如显示的，或者，备选地，相对于彼此错列的(staggered)。
装置1可以进一步包括至少一个外部凸缘31和至少一个内部凸缘32以在它们相应的位置上支撑至少热管100的第二部分102。在一个实施例中，内部凸缘32可以邻接排气管10的主体12的一侧，外部凸缘31可以与此侧分开预先选定的距离。同样，内部凸缘32和外部凸缘31可以作为热管100的第二部分102的支挡物(bookend)。另外，内部凸缘32和外部凸缘31还可以在装置1的某个联合循环操作期间支撑热管100的第二部分102上的用于热源中的可燃气体通道。
控制器50构造成传输控制信号以驱动风机20旋转从而产生被引导流过热管100的第二部分102的冷却气流。在不同的实施例中，控制器50根据一定的预先选定的条件驱动风机20。例如，控制器50可以驱动风机20根据启动操作的完成程度以不同的速度旋转，启动操作的完成程度基于启动操作计时或者例如排气流和/或热管100的第二部分102的测量温度决定。这里，温度测量装置51，诸如热电偶，可以联接到控制器50上并定位在入口11或排气管10的主体12中，或沿热管100的第二部分102。当被热电偶51测量的排气流或热管100确定要比预先选定的温度更热或更冷时，控制器50可以驱动风机20加快或减慢旋转使得冷却效果上升或降低。
在另一个实施例中，控制器50可以在确定启动操作完成时停止风机20的运转。当装置1达到热平衡时可以做出这样的确定。这里，排气管10的暴露表面达到与排气流基本上相似的温度，使得排气管10中的热应力充分地降低。此时，热管100的第二部分102可以应用于，例如可燃气体的加热操作。
装置1可以进一步包括经由铰链41联接到内部凸缘32或外部凸缘31并联接到控制器50上的闸门40。控制器50构造成传输控制信号给闸门40以驱动闸门40在冷却气流被阻塞的关位置和风机20产生的冷却气流的至少一部分被允许流过热管100的第二部分102的开位置之间占据或移开。
在一个实施例中，闸门40在装置1的启动操作的初始化中占据开位置，而闸门40可以在启动操作的结尾时占据关位置。进一步地，应该理解，闸门40在开位置的方向角θ可以通过控制器50改变，使得允许更多或更少的冷却气流通过热管100的第二部分102。当闸门40占据关位置时，闸门40可以与内部和外部凸缘32、31协同操作以提供装置1的某个联合循环操作。也就是说，闸门40可以与内部凸缘32和外部凸缘协同操作以形成可燃气体通道，由此可燃气体通道使热源中使用的可燃气体在注入热源之前被热管100加热。
在另一个实施例中，还应该理解闸门40的铰链41可以设置在内部凸缘32上或者外部凸缘31上，或者在两者上。在铰链41设置在内部凸缘32和外部凸缘31两者上时，闸门40可构造成带有在相反方向上开和关的多个部件。另外，如图1显示的，热管100的第二部分102可以设置在排气管10上的任一侧。在这种情况下，风机20、外部凸缘31、内部凸缘32、闸门40和铰链41可以类似地设置在排气管10的任一侧。
根据本发明的另一方面，提供了一种促进联合循环或兰金循环动力设备启动操作的系统，其包括排气从其中输出的、产生热量的热源(例如，燃气轮机，图1中的GT排气从其中放出)，还包括排气管10，诸如热回收蒸汽发生器(HRSG)，其流通地联接至热源，其构造成接收输出的排气流。多个热管100各分别包括延伸通过排气管10的第一部分101和与从排气管10去除(remove)的第一部分101连接一体的第二部分102。闸门40设置为紧接热管100的第二部分102以在开和关位置之间占据或移开。当闸门40占据开位置时，风机20构造成旋转从而产生对准和流过热管100的第二部分102的冷却气流。控制器50联接到风机20和闸门40上并构造成在启动操作期间打开闸门40和驱动风机20。如上所述，这产生冷却气流来冷却热管100从而从排气流中去除热量。
根据本发明的又一方面，提供了一种在启动操作期间控制联合循环或兰金循环动力设备的方法，其包括操作热源(例如，燃气轮机，图1中的GT排气从其中放出)，其输出排气，此排气被引导流过热管100的部分，打开紧接着热管100的其它部分的闸门40，操作风机20产生冷却气流流过热管100的其它部分并通过闸门40。此方法可以进一步包括不断地操作风机20直至启动操作完成，如上所述。也就是说，当风机20被操作时，此方法可以包括测量至少排气和/或热管100的温度并基于测量的温度确定启动操作完成。一旦启动操作完成，闸门40关闭，停止风机20。
参考图3，在装置1的一个特定操作中，贯穿启动操作，相比不被控制的燃气轮机排气温度，被流过热管100的第二部分102的冷却气流冷却的燃气轮机排气始终被维持在更低的温度。特别地，启动后的大概60秒，闸门40为开，风机20在旋转，燃气轮机排气的温度大概比别的方式的燃气轮机排气低200°F(93.3℃)。同样，排气管10中的热应力可以充分地降低。此温度差增加大概200至300秒，然后减少直至大概启动后660秒，在此点，冷却气流的使用不再有可观的影响(例如，装置1达到平衡)。此时，闸门40关闭，风机20停止以节省能量。
尽管对本公开参考示例性实施例进行了描述，本领域技术人员应该理解，在不脱离本公开范围情况下，可以进行各种改变和等同替代在其中的元件。另外，在不脱离本公开的本质范围情况下，可以根据本公开的教导做出许多更改以适合用于特定的情况或材料。因此，注意到本公开不限于作为可构思出的实现本公开的最佳方式被公开的特定的示例性实施例，本公开将包括落在附带的权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种促进联合循环或兰金循环动力设备启动操作的装置(1)，所述装置包括：
多个热管(100)，各所述热管分别包括与热源放出的排气热交换的第一部分(101)和与所述第一部分(101)热交换的第二部分(102)；
冷却所述热管的所述第二部分(102)的冷却单元；以及
控制器(50)，其构造成控制所述冷却单元来冷却所述热管(100)的所述第二部分(102)，从而经由所述热管(100)的所述第一部分(101)从排气中去除热量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个热管(100)包括液体热管。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个热管(100)包括固态热管。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷却单元包括构造成产生对准所述热管(100)的所述第二部分(102)的冷却气流的风机(20)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制器(50)根据启动操作的完成程度来驱动所述风机(20)以不同速度旋转。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制器(50)根据排气的温度来驱动所述风机(20)以不同速度旋转。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制器(50)在启动操作结束时停止对所述风机(20)的驱动。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与所述控制器(50)联接的闸门(40)，所述闸门(40)构造成从所述控制器(50)接收控制信号从而在：
冷却气流被阻塞的关位置，和
冷却气流的至少一部分被允许流过所述热管(100)的所述第二部分(102)的开位置之间占据或移开。
9.一种促进联合循环或兰金循环动力设备启动操作的系统，包括：
产生热量的热源，排气从所述热源输出；
热回收蒸汽发生器(HRSG)，其流通地联接到所述热源上，所述热回收蒸汽发生器构造成接收输出排气流；
多个热管(100)，各所述热管分别包括延伸通过所述HRSG的第一部分(101)和与从所述HRSG去除的所述第一部分(101)热交换的第二部分(102)；
设置成紧接着所述热管(100)的所述第二部分(102)并在开和关位置之间占据或移开的闸门(40)；
风机(20)，其构造成当所述闸门(40)占据开位置时旋转从而产生对准和流过所述热管(100)的所述第二部分(102)的冷却气流；和
控制器(50)，其联接到所述风机(20)和所述闸门(40)上并构造成在启动操作期间打开所述闸门(40)和驱动所述风机(20)以产生冷却气流来冷却所述热管(100)从而从排气中去除热量。
10.一种在启动操作期间控制联合循环或兰金循环动力设备的方法，所述方法包括：
操作热源输出排气，所述排气被引导流过所述热管(100)的部分；
打开紧接着所述热管(100)的其它部分的闸门(40)；和
操作风机(20)产生冷却气流流过所述热管(100)的其它部分并通过闸门(40)。
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