CN101886701B - 用于密封环状部的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于密封环状部的方法和系统。提供了一种用于环形空间的吹扫的密封系统，环形空间包括径向外部容器的内表面、径向内部容器的外表面，以及它们之间的密封通道，环形空间由吹扫的密封装置分成上部环形空间和下部环形空间。该系统包括：相对于内表面以一定的倾角从内表面延伸到密封通道中的第一隔板元件；从外表面起、在第一隔板元件上方沿与重力流相对的方向延伸到密封通道中的第二隔板元件，该第二隔板元件相对于外表面以一定的倾角延伸；以及从内表面起、在第一隔板元件上方沿与重力流相对的方向延伸到密封通道中的第三隔板元件，该第三隔板元件相对于内表面以一定的倾角延伸，第三隔板元件的远端定位在第二隔板元件的远端附近。

Description

用于密封环状部的方法和系统
技术领域
本发明的领域大体涉及环形容器，且更具体而言涉及用于密封辐射式合成气冷却器内部的环形空间的方法和系统。
背景技术
在急冷气化器中，合成气穿过水槽，合成气在水槽中冷却到可由下游系统处理的温度。急冷水还保留由合成气携带的一些固体，且协助使传送到碎渣机的炉渣凝固。在穿过急冷水之后，合成气从辐射式合成气冷却器(RSC)起流动通过合成气传送线路。在作为热气路径边界的热传递表面(管壳)与RSC的外壳(容器)之间存在环状部。用氮气持续地吹扫此环形空间，以防止在此区域中积聚合成气，合成气积聚可导致重大腐蚀。
在不稳定事件期间，合成气可迁移到管壳和容器之间的环状部中。这种情况可由于露点腐蚀(可存在于合成气中的H2S和HCl是非常有腐蚀性的，且趋向于在约450°华氏度至约600°华氏度(230°-320°摄氏度)的温度处冷凝)而导致对管壳造成损害。在通过RSC的流的剧烈翻转期间，例如在点火期间，合成气和水可到达环形空间。水大大提高了腐蚀环形空间的风险。为了减轻这些风险和消除其它危害，用诸如氮气的吹扫流体持续地吹扫RSC环状部。氮气在环状部的顶部处排出，流动通过管壳和容器之间的环形空间，且与合成气混合，以稀释合成气的腐蚀性成分。然后吹扫流体在其流动通过合成气传送线路时与合成气混合。在点火之前启动吹扫流，以确保在合成气生产开始之前移除了氧气(空气)。许多形式的密封装置都未能对环形空间提供足够的保护以及提供足够的热膨胀余量。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于环形空间的吹扫的密封系统(purged seal system)。环形空间包括径向外部容器的内表面、径向内部容器的外表面以及在内表面和外表面之间的密封通道，环形空间由吹扫的密封装置分成上部环形空间和下部环形空间。吹扫的密封系统包括相对于内表面以一定的倾角从内表面延伸到密封通道中的第一隔板元件，以及从外表面起、在第一隔板元件上方沿吹扫流的方向延伸到密封通道中的第二隔板元件，第二隔板元件相对于外表面以一定的倾角延伸。吹扫的密封系统还包括从内表面起、在第一隔板元件上方沿吹扫流的方向延伸到密封通道中的第三隔板元件，第三隔板元件相对于内表面以一定的倾角延伸，第三隔板元件的端部定位成紧邻第二隔板元件的端部。
在另一个实施例中，一种密封环形空间的方法包括：使用倾斜地延伸到环形空间中的第一隔板元件来形成第一间隙，以及使用倾斜地延伸到环形空间中的第二隔板元件来形成第二间隙，使得第一间隙和第二间隙在环形空间上偏离。
在又一个实施例中，一种辐射式合成气冷却器系统包括径向外部容器，其中，该容器的形状大致为圆柱形，且具有纵向轴线。该辐射式合成气冷却器系统包括由容器包围的管壳，其中，管壳和容器在它们之间限定了环状部。该辐射式合成气冷却器系统进一步包括围绕环状部中的管壳的吹扫的环形密封装置。吹扫的环形密封装置将环状部分成上部环形空间和下部环形空间，其中，吹扫的环形密封装置包括由以一定的倾角延伸到环状部中的第一隔板元件形成的第一通道，以及由以一定的倾角延伸到环状部中的至少第二隔板元件形成的第二通道，该至少第二隔板元件沿重力流的方向从第一隔板元件轴向地偏置开，且第一隔板元件和至少第二隔板元件在其间限定了密封容积。
附图说明
图1是根据本发明的一个示例性实施例的一个示例性整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统的示意图；
图2是根据本发明的一个示例性实施例的、包括环形密封组件的合成气冷却器的正视图；
图3是根据本发明的一个示例性实施例的、在图2中显示的密封组件的展开正视图；
图4是向下看根据本发明的一个示例性实施例的在图2中显示的密封组件的俯视图；以及
图5A-E是根据本发明的一个示例性实施例的、在图2中显示的密封组件的正视图。
部件列表
10整体气化联合循环(IGCC)系统
12压缩机
14空气分离单元(ASU)
16气化器
18合成气冷却器
20燃气涡轮发动机
22蒸汽涡轮发动机
24燃气涡轮发动机压缩机
26燃气涡轮发动机燃烧器
28氮气过程气体(NPG)压缩机
30燃料供应
32清洁装置
34第一发电机
36热回收蒸汽发生器(HRSG)
38第二发电机
40泵
200密封组件
202容器壁
204纵向轴线
206管壳
208外表面
210内表面
212环形空间
214上部环形空间
216下部环形空间
217合成气传送喷嘴
218第一隔板元件
219第一间隙
220角度
221远端
222第二隔板元件
223密封容积
224方向
226角度
228第三隔板元件
230角度
232远端
234远端
235第二间隙
236吹扫流体
302方向
304距离
306宽度
308容积
402多个段
502第一流径
504吹扫流
506流
508路径线路
具体实施方式
以下详细描述以实例的方式而非以限制的方式示出了本发明的实施例。构想了本发明在其它工业或商业应用中对于密封环形空间具有一般性的应用。
如本文所用，以单数叙述的且前面有词语“一个”或“一种”的元件或步骤应理解为不排除复数元件或步骤，除非明确叙述了这种排除。此外，对本发明的“一个实施例”的参照不意图解释为排除同样结合了所叙述的特征的额外的实施例的存在。
图1是一个示例性整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统10的示意图。IGCC系统10大体包括主空气压缩机12、流动连通地联接到压缩机12上的空气分离单元(ASU)14、流动连通地联接到ASU14上的气化器16、流动连通地联接到气化器16上的合成气冷却器18、与合成气冷却器18流动连通地联接的燃气涡轮发动机20，以及与合成气冷却器18流动连通地联接的蒸汽涡轮发动机22。
在操作中，压缩机12压缩环境空气，然后环境空气被输送到ASU14。在该示例性实施例中，除了来自压缩机12的压缩空气之外，还将来自燃气涡轮发动机压缩机24的压缩空气供应到ASU14。或者，将来自燃气涡轮发动机压缩机24的压缩空气供应到ASU14，而将非来自压缩机12的压缩空气供应到ASU14。在该示例性实施例中，ASU14使用压缩空气来产生用于由气化器16使用的氧气。更具体地，ASU14将压缩空气分离成单独的氧气(O2)流和气体副产物流，其有时称为“过程气体”。O2流被输送到气化器16，以用于产生合成气体，其在本文中称为被燃气涡轮发动机20用作燃料的“合成气”，下文会更加详细地描述。
由ASU14产生的过程气体包括氮气，且将在本文中称为“氮气过程气体”(NPG)。NPG也可包括其它气体，例如但不限于氧气和/或氩气。例如，在该示例性实施例中，NPG包括介于约95％和约100％之间的氮气。在该示例性实施例中，至少一些NPG流从ASU14排到大气中，且至少一些NPG流被喷射到燃气涡轮发动机燃烧器26内的燃烧区(未显示)中，以有利于控制燃气涡轮发动机20的排放，且更具体而言，以有利于降低燃烧温度以及降低来自燃气涡轮发动机20的氮的氧化物的排放。在该示例性实施例中，IGCC系统10包括NPG压缩机28，以在将氮气过程气体流喷射到燃气涡轮发动机燃烧器26的燃烧区(未显示)中之前压缩该氮气过程气体流。
在该示例性实施例中，气化器16将从燃料供应30供应的燃料、由ASU14供应的O2、蒸汽和/或液态水和/或炉渣添加剂的混合物转化成被燃气涡轮发动机20用作燃料的合成气的输出。虽然气化器16可使用任何燃料，但是在该示例性实施例中，气化器16使用煤、石油焦、残油、油乳胶、焦油砂和/或其它类似的燃料。此外，在该示例性实施例中，由气化器16产生的合成气包括一氧化碳、氢气和二氧化碳。在该示例性实施例中，气化器16是构造成以便将合成气、炉渣和飞尘竖直地向下排到合成气冷却器18中的夹带流气化器。或者，气化器16可为如本文所描述的那样有利于合成气冷却器18操作的任何类型和构造。
在该示例性实施例中，将由气化器16产生的合成气输送到合成气冷却器18，以有利于冷却合成气，下文会更加详细地描述。将经冷却的合成气从合成气冷却器18输送到清洁装置32，清洁装置32有利于在合成气被输送到燃气涡轮发动机燃烧器26以在其中进行燃烧之前清洁该合成气。可在清洁期间从合成气中分离出二氧化碳(CO2)，而且在该示例性实施例中，可将二氧化碳排到大气中。燃气涡轮发动机20驱动将电功率供应到电网(未显示)的第一发电机34。来自燃气涡轮发动机20的排气被输送到热回收蒸汽发生器(HRSG)36，热回收蒸汽发生器36产生蒸汽，以驱动蒸汽涡轮发动机22。由蒸汽涡轮发动机22产生的动力驱动也将电功率提供给电网的第二发电机38。在该示例性实施例中，可将来自热回收蒸汽发生器36的蒸汽供应到气化器16，以产生合成气。
此外，该在示例性实施例中，系统10包括泵40，泵40将来自HRSG36的经加热的水供应到合成气冷却器18，以有利于冷却从气化器16中输送的合成气。经加热的水被输送通过合成气冷却器18，在合成气冷却器18中，水被转化成蒸汽。然后，来自合成气冷却器18的蒸汽返回到HRSG36，以便在气化器16、合成气冷却器18和/或蒸汽涡轮发动机22内使用。
图2是根据本发明的一个示例性实施例的、包括环形密封组件200的辐射式合成气冷却器18的正视图。在该示例性实施例中，辐射式合成气冷却器18被示为包括环形密封组件200的特定的容器，但是，在本发明的其它实施例中，环形密封组件200可与各种各样的其它类型的容器一起使用。在该示例性实施例中，合成气冷却器18包括关于纵向轴线204基本为圆柱形的容器壁202和基本同心的管壳206。在其它实施例中，管壳206可为合成气冷却器18或其它容器内的防溅锥(splash cone)或其它结构。管壳206的外表面208和容器壁202的内表面210在它们之间限定了环状部或环形空间212。环形空间212被密封组件200分成上部环形空间214和下部环形空间216。辐射式合成气冷却器18包括容许将辐射式合成气冷却器18的合成气出口联接到下游构件上的合成气传送喷嘴217。
在该示例性实施例中，密封组件200包括相对于内表面210以预定的角度220从内表面210延伸到环形空间212中的第一隔板元件218。第一间隙219形成于第一隔板元件218的远端221和外表面208之间。在一个备选实施例中，相对于纵向轴线204来测量角度220。密封组件200包括从外表面208起、在第一隔板元件218上方沿重力流的方向224延伸的第二隔板元件222。第二隔板元件222相对于外表面208以预定的角度226延伸。在一个备选实施例中，相对于纵向轴线204来测量角度226。密封组件200还包括从内表面210起、在第一隔板元件218上方沿方向224延伸的第三隔板元件228。第三隔板元件228相对于内表面210以预定的角度230延伸。在一个备选实施例中，相对于纵向轴线204来测量角度230。第三隔板元件228的远端232定位在第二隔板元件222的远端234的附近，使得在它们之间形成第二间隙235。
在该示例性实施例中，第一隔板元件218、第二隔板元件222和第三隔板元件228包括在环形空间212周围周向地隔开的多个段(未在图2中显示)。通过密封组件200来保持吹扫流体236的流，以帮助防止合成气流入上部环形空间214中。
图3是根据本发明的一个示例性实施例的密封组件200(在图2中显示)的展开正视图。密封组件200的密封特性取决于隔板元件相对于彼此的具体相对位置以及第一间隙219和第二间隙235的大小和位置。在该示例性实施例中，第一隔板元件218附连到内表面210上，且沿重力流的方向302向下定向，以有利于排出可溅到第一隔板元件218上或者可从第一隔板元件218向上游(方向224)流动的水。第一隔板元件218延伸跨过环形空间212，从而在远端221和外表面208之间形成小的开口，间隙219。在翻转状态期间，当合成气和/或水的流被间歇地从下部环形空间216向上驱动时，大部分合成气流和/或水流被阻挡且被重新向下引导。间隙219对从上部环形空间214向下流动的吹扫流体236(例如氮气)流起排放区域的作用，且间隙219容许在操作期间内表面210和外表面208之间的差异性热膨胀。与间隙219对准的水和/或合成气的泼溅可穿过间隙219而进入密封容积223中。通过间隙219离开下部环形空间216的水流和/或合成气流被第二隔板元件222阻挡，第二隔板元件222延伸到环形空间212中达大于间隙219的宽度306的距离304，从而使得不存在供合成气流和/或水流向上游运行的直接路径。距离304大小设置成足够长，以不仅覆盖宽度306，而且也还解决了膨胀到第一隔板元件218和第二隔板元件222之间的容积308中的射流(未在图3中显示)。对于在某些条件期间可能会撞击到第二隔板元件222上的相对高速的流，第二隔板元件222还起引导件的作用。第二隔板元件222趋向于在撞击之后使相对高速的流转向，且将其向下引导向第一隔板元件218。
图4是向下看根据本发明的一个示例性实施例的密封组件200(在图2中显示)的俯视图。在该示例性实施例中，合成气冷却器18包括关于纵向轴线204基本为圆柱形的容器壁202和基本同心的管壳206。管壳206的外表面208和容器壁202的内表面210在其间限定了环形空间212。在该示例性实施例中，第一隔板元件218、第二隔板元件222和第三隔板元件228中的至少一个包括在环形空间212周围周向地隔开的多个段402。
图5A-E是根据本发明的一个示例性实施例的密封组件200(在图2中显示)的正视图。在操作期间，针对元件218、222和228以及间隙219和235的大小设置和定位考虑了四种翻转情况。第一种情况(在图5A中显示)构想了微弱地撞击在第一隔板元件218上的水流和/或合成气流。第一流径502示出了流将朝向第一隔板元件218转向，这将进一步有助于向下引导流。吹扫流504趋向于稀释合成气，且增加通过间隙219离开密封容积223的向下移动的流的动量。
图5B示出了第二种情况中的合成气流和/或水流，其中撞击在第二隔板元件222上的合成气流和/或水流非常强烈。撞击在第二隔板元件222上的流506发展成强烈的壁射流，且沿着第一隔板元件218被向上引导。使用第三隔板元件228来阻挡这个流，且将该流重新向下引导向间隙219，该流从间隙219离开密封容积223。
在该示例性实施例中，第三隔板元件228以比第一隔板元件218更浅的角度安装在容器上，且第三隔板元件228的远端边缘与第二隔板元件222的远端大致对准，以建立受控制的开口(间隙235)。如图5B所示，第一隔板元件218和第三隔板元件228的相对位置建立了高速合成气流和/或水流可在被第三隔板元件228阻挡以及向下转向之前在其中自由地膨胀的容积。如果合成气流和/或水流损失了其整个动量，则其不再能比得上吹扫流，且环形空间212被有效地吹扫。如果合成气流保持足够的动量，则其将附着到第三隔板元件228上，且将对吹扫流504赋予喷射作用，这再次将会阻止合成气离开密封组件200。
图5C示出了第三种情况中的合成气流和/或水流，其中撞击在第二隔板元件222上的合成气流和/或水流不如以上关于图5B所描述的那么强烈。在此情况中，流的发展遵从路径线路508，且容纳在密封容积223内。
图5D示出了第四种情况中的合成气流和/或水流，其中撞击在第一隔板元件218上的合成气流和/或水流向上转向成大致与间隙235对准。根据以上论述，此合成气流和/或水流将具有低的动量，且吹扫流504将阻止此合成气流和/或水流运动到间隙235的上游。如果一些合成气流和/或水流向上穿过间隙235，则其将迅速地被吹扫流504稀释。同时，向上运动的流将被第二隔板元件222和第三隔板元件228的逐渐分开的壁限制，这使合成气流和/或水流有效地扩散，从而降低流速，且减小向上运动的流动的趋势。
图5A-D示出了在各种操作情况下密封组件200的主要功能。密封装置200的密封有效性取决于以上描述的特征，且尤其取决于隔板元件222和228之间的间隙。操作期间的温度变化将产生可变的热膨胀。为了在操作中在隔板元件222和228之间保持恒定的间隙，将滴水槽檐添加到隔板元件222和228上。这个重要的设计特征在图5E中例示。而且，滴水槽檐有助于防止夹带液体。这是通过为液体提供以粘附的方式(从其上)流下的表面来实现的。图5E所示的滴水槽檐可向上、向下或沿这两个方向延伸。另外，滴水槽檐可按需要包括排出孔。
本发明的实施例使用隔板型元件的具体布置来控制合成气和吹扫流体的流动型式，以防止合成气运行到密封装置的上游。与已知的密封装置设计相比，此设计需要有利于防止流夹带的、相对来说非常低的压降。
控制合成气和吹扫流体的流动型式以防止合成气在环状部中向上游运行的方法和系统的上述实施例提供了用于最小化用于环状部吹扫的吹扫流体的量的成本有效且可靠的方式。更具体地，本文描述的方法和系统有利于降低设备的操作成本，以及减少在输送到下游构件的合成气中的吹扫流体容纳物的量。另外，上述方法和系统通过阻止合成气和水在环状部空间中向上游运行而有助于最小化腐蚀容器壁和容器构件的风险。因此，本文描述的方法和系统有利于使用非常低的压降来最小化密封装置上游的流，以便以成本有效且可靠的方式来防止流夹带。
以上详细地描述了用于控制合成气和吹扫流体的流动型式以阻止合成气在环状部中向上游运行的示例性方法和系统。所示设备不限于本文描述的具体实施例，而是相反，各个实施例的构件可独立于本文描述的其它构件来使用，或者与本文描述的其它构件分开使用。各系统构件还可结合其它系统构件一起使用。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。特别地，可使用不止三个或不到三个隔板元件来形成密封组件。如果这样的其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于环形空间(212)的吹扫的密封系统，所述环形空间(212)包括径向外部容器的内表面(210)、径向内部容器的外表面(208)，以及在所述内表面(210)和外表面(208)之间的密封通道，所述环形空间被所述吹扫的密封装置分成上部环形空间(214)和下部环形空间(216)，所述系统包括：
相对于所述内表面以第一倾角从所述内表面延伸到所述密封通道中的第一隔板元件(218)；
从所述外表面起、在所述第一隔板元件上方沿与重力流相对的方向延伸到所述密封通道中的第二隔板元件(222)，所述第二隔板元件相对于所述外表面以第二倾角延伸；以及
从所述内表面起、在所述第一隔板元件上方沿与重力流相对的方向延伸到所述密封通道中的第三隔板元件(228)，所述第三隔板元件相对于所述内表面以第三倾角延伸，所述第三倾角小于所述第一倾角，所述第三隔板元件的远端边缘与所述第二隔板元件的远端大致对准，并且所述第三隔板元件的远端定位在所述第二隔板元件的远端附近。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一隔板元件(218)、所述第二隔板元件(222)和所述第三隔板元件(228)中的至少一个包括在所述环形空间(212)周围周向地隔开的多个段(402)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一隔板元件朝向外表面(208)延伸，使得在所述第一隔板元件(218)的远端和所述外表面之间形成第一间隙(219)。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一隔板元件沿重力流的方向向下延伸。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括进入所述上部环形空间(214)中的吹扫流体(236)流。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二隔板元件(222)延伸到所述密封通道中达大于所述第一隔板元件(218)的远端(221)与所述外表面(208)之间的第一间隙(219)的距离。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二隔板元件(218)延伸到所述密封通道中达大于通过所述第一隔板元件的远端(221)与所述外表面(208)之间的第一间隙(219)而膨胀到所述密封通道中的射流的距离。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二隔板元件(222)的远端(221)和所述第三隔板元件(228)的远端形成第二间隙(235)。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二隔板元件(222)和所述第三隔板元件(228)沿重力流的方向朝向彼此会聚。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一隔板元件朝向外表面(208)延伸，使得在所述第一隔板元件(218)的远端(221)和所述外表面之间形成第一间隙(219)，并且其中，所述第二隔板元件(222)的远端(232)和所述第三隔板元件(228)的远端(234)形成第二间隙(235)，所述第二间隙自所述第一间隙径向地偏离。
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