CN101939610B - 用于控制容器中的温度的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了用于容器预热系统的方法和系统。该系统包括包含过热区和欠热区的压力容器、限定在过热区和欠热区之间的腔室，以及构造成以便将来自容器外部的吹扫流体流联接到腔室中的导管，其中，来自过热区的热传递到腔室中的吹扫流体流，且该热被该吹扫流体流携带到欠热区中，使得该吹扫流体流吹扫欠热区。

Description

用于控制容器中的温度的方法和系统
背景
本发明大体涉及过程系统，且更具体地涉及用于改进在气化系统中使用的压力容器的操作的方法和系统。
至少一些已知的容器包括位于容器的竖直上半球形头部附近的环形空间。可使用该环形空间来将管线端部合并到集管中，集管将管路中的流体流引导到容器外部，以及从容器外部引导流体流。这种管线可导致降低有效地维护容器的能力的复杂的管路布局。特别地，由于位于头部中的管线的原因，可能难以维护将热流体从例如气化器运送到容器中的耐火的带衬套喉部。
另外，热流体可从喉部内部泄漏到环形空间中。泄漏流体可包含腐蚀性气体，随着时间的过去，腐蚀性气体可缩短头部中的构件的寿命。
此外，在制造容器、头部和/或容器和头部内的构件时可使用各种材料和材料的各种厚度。因为这样的材料与材料在暴露于容器内的变化的温度时可以以不同的比率膨胀和收缩。可产生超过容器、头部和/或构件的强度和/或循环疲劳定额的热应力。
概述
在一个实施例中，一种用于预热容器的系统包括包含过热区和欠热区的压力容器、限定在过热区和欠热区之间的腔室，以及构造成以便将来自容器外部的吹扫流体流联接到腔室中的导管，其中，来自过热区的热传递到腔室中的吹扫流体流，且该热被该吹扫流体流携带到欠热区中，使得吹扫流体流吹扫欠热区。
在另一个实施例中，一种控制容器中的温度的方法，该容器包括构造成以便将相对高温的流体引导到容器中的喉部，其中，该喉部包括从容器开口延伸到容器内部的导管。该喉部进一步构造成使得相对高温的流体的一部分漏过导管。该方法包括将吹扫气体流引导到邻近喉部的腔室，使用来自喉部的热使腔室中的吹扫气体的温度升高，以及将吹扫气体释放到容器的相对冷的容积中，使得该容积被释放的吹扫气体吹扫和加热。
在又一个实施例中，合成气冷却器系统包括压力容器，该压力容器包括具有通过其中的穿透部的外壳、与该穿透部基本轴向地对准的导管，以及将容器分成通过导管与穿透部流动连通的第一隔室和包围导管的第二隔室的平的底板。底板与导管基本垂直地对准，且包括与导管同心地对准的孔。该系统还包括密封组件，该密封组件包围导管且从底板延伸到壳，使得基本防止了来自导管的流体流通过该密封组件进入第二隔室。
附图简述
图1是根据本发明的一个实施例的示例性整体煤气化联合循环(IGCC)动力发生系统的示意图；
图2显示了图1所示的合成气冷却器的示意性截面图；
图3是根据本发明的另外又一个实施例的合成气冷却器的一部分的正视图；
图4是根据本发明的另一个实施例的合成气冷却器的一部分的正视图；
图5是可与图1所示的气化器一起使用的示例性穹室吹扫预热系统的示意图；
图6是可与图1所示的气化器一起使用的另一个示例性穹室吹扫预热系统的示意图；以及
图7是可与图1所示的气化器一起使用的又一个示例性穹室吹扫预热系统的示意图。
发明详细描述
下列详细描述以实例的方式而非限制的方式说明了本公开。该描述清楚地使本领域技术人员能够制造和使用本公开，该描述描述了若干个实施例、修改、变化、备选方案，以及本公开的使用，包括目前被认为是执行本公开的最佳模式的内容。将本公开描述为适用于优选实施例，即用于预热和吹扫压力容器空间的系统和方法。但是，构想了本公开具有用以控制商业和工业空间中的温度的一般应用。
图1是根据本发明的一个实施例的示例性整体煤气化联合循环(IGCC)动力发生系统10的示意图。在该示例性实施例中，IGCC系统10包括主空气压缩机12、以流动连通的方式联接到压缩机12上的空气分离单元(ASU)14、以流动连通的方式联接到ASU14上的气化器16、以流动连通的方式联接到气化器16上的合成气冷却器18、以流动连通的方式联接到合成气冷却器18上的燃气涡轮发动机20，以及以流动连通的方式联接到合成气冷却器18上的蒸汽涡轮22。
在操作中，压缩机12压缩环境空气，环境空气然后被引导到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，而非将来自压缩机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(有时称为“过程气体”)。将O2流引导到气化器16，以便于用来产生部分氧化的气体，在本文中称为用于由燃气涡轮发动机20用作燃料的“合成气”，如在下面更加详细地描述。
由ASU14产生的过程气体包括氮气，且将在本文中被称为“氮过程气体”(NPG)。NPG也可包含其它气体，例如但不限于氧气和/或氩气。例如，在该示例性实施例中，NPG包含在约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，且一些NPG流被注入到燃气涡轮发动机燃烧器26内的燃烧区(未显示)中，以有利于控制发动机20的排放，且更具体地有利于降低燃烧温度以及减少来自发动机20的氮氧化物排放。在该示例性实施例中，IGCC系统10包括用于在氮过程气体流被注入到燃气涡轮发动机燃烧器26的燃烧区中之前压缩该氮过程气体流的压缩机28。
在该示例性实施例中，气化器16将供应自燃料供应30的燃料、由ASU14供应的O2、蒸汽和/或石灰石的混合物转化成合成气的输出，以便于由燃气涡轮发动机20用作燃料。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、油品乳化液、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产生的合成气包含二氧化碳。
在该示例性实施例中，将由气化器16产生的合成气引导到合成气冷却器18，以有利于冷却合成气，如在下面更加详细地描述。将经冷却的合成气从冷却器18引导到清洁装置32，以便于在合成气被引导到燃气涡轮发动机燃烧器26以使其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(CO2)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)的发电机34。将来自燃气涡轮发动机20的排气引导到产生用于驱动蒸汽涡轮22的蒸汽的热回收蒸汽发生器36。由蒸汽涡轮22产生的动力驱动将电功率提供给电网的发电机38。在该示例性实施例中，将来自热回收蒸汽发生器36的蒸汽供应到气化器16，以便于产生合成气。
此外，在该示例性实施例中，系统10包括泵40，泵40将沸水从蒸汽发生器36供应到合成气冷却器18，以有利于冷却从气化器16引导来的合成气。将沸水引导通过合成气冷却器18，其中，水转化成蒸汽。然后来自冷却器18的蒸汽返回到蒸汽发生器36，以便于在气化器16、合成气冷却器18和/或蒸汽涡轮22内使用。
图2显示了合成气冷却器18(在图1中显示)的示意性截面图。在该示例性实施例中，合成气冷却器18是辐射式合成气冷却器。合成气冷却器18包括具有顶部开口204和底部开口(未显示)的压力容器壳202，顶部开口204和底部开口彼此沿着合成气冷却器18的中心线206大体同心地对准。如本文所指，“轴向”方向是基本平行于中心线206的方向，“向上”方向是大体朝向顶部开口204的方向，而“向下”方向是大体朝向底部开口的方向。合成气冷却器18包括从中心线206到壳202的外表面208测量到的半径R。此外，在该示例性实施例中，冷却器18的穹室210包括穹室底板211，穹室底板211包括围绕顶部开口的多个下降管开口213和多个上升管开口(未显示)。在该示例性实施例中，壳202由压力容器品质的钢(例如但不限于铬钼铸钢)制成。这样，就有利于使壳202经受住流过合成气冷却器18的合成气的操作压力。另外，在该示例性实施例中，壳顶部开口以流动连通的方式与气化器16联接，以便于接收从气化器16排放出的合成气。在该示例性实施例中，壳202的底部开口以流动连通的方式与炉渣收集单元(未显示)联接，以使得能够收集在气化和/或冷却期间形成的固体颗粒。
在该示例性实施例中，在壳202内有多个传热介质供应线路(在本文也称为“下降管”)212、传热壁(在本文也称为“管壁”)214和多个传热面板(在本文也称为“管屏”)216。更具体地，在该示例性实施例中，下降管212定位在壳202的径向内侧，管壁214在下降管212的径向内侧，而管屏216则布置在管壁214内，使得管壁214基本围绕管屏216。
在该示例性实施例中，下降管212将传热介质218(例如，诸如来自蒸汽发生器36的水)供应到合成气冷却器18，如本文所描述。下降管212通过下歧管220将传热介质218供应到管壁214和管屏216。在该示例性实施例中，下歧管220联接成紧邻冷却器底部开口，且因而，下歧管220在冷却器顶部开口204(合成气通过该冷却器顶部开口204进入冷却器18)的下游。在该示例性实施例中，下降管212包括由使得冷却器18和/或系统10能够如本文所描述的那样起作用的材料制成的管道222。此外，在该示例性实施例中，可对限定在壳202和管壁214之间的间隙224加压，以有利于降低对管壁214引起的应力。
壳202包括可用来将冷却器18联接到气化器16(在图1中显示)上的凸缘226，喉部228从壳202竖直向上地延伸到凸缘226。耐火衬套230使喉部228从壳202延伸到穹室底板211。从气化器16中接收到的合成气穿过喉部228和耐火衬套230。因此，喉部228和耐火衬套230经受合成气流的高温。在一个备选实施例中，耐火衬套230从喉部228竖直向上且沿径向向内延伸。在该示例性实施例中，耐火衬套230包括多个可堆叠的耐火材料砖。在一个备选实施例中，耐火衬套包括形成为以便通过开口204装配的可铸造的耐火材料。
在操作期间，流过喉部228的合成气的一部分可穿过耐火衬套230的单独的砖234之间的间隙232，或者可穿过可在砖234中或在可铸造的耐火(衬套)230中产生的裂缝236。从喉部228泄漏到穹室210中的合成气可导致壳202或位于穹室210内的构件(为了清楚起见未显示)的腐蚀或高温退化。在该示例性实施例中，穹室210可被气体流238(例如氮气)吹扫和/或加压。可在比穹室210内的构件或壳202更低的温度处供应气体流238。这种温差可在暴露于流238的构件或壳202上导致温度应力。为了在不使用来自系统10的其它部分的宝贵的热的情况下预热流238，可使用裙部240来围绕喉部228。可将流238供应到形成于耐火衬套230和裙部240之间的环状空间242。裙部240从邻近开口204的壳202竖直向下地朝向穹室底板211延伸。间隙244容许流238离开环状空间242且进入穹室210。当流238经过耐火衬套230时，流238吸收来自流过喉部228的高温合成气的通过耐火衬套230传递的热。被流238吸收的热使流238的温度升高，所以在进入穹室210中时，流238处于有利于降低穹室构件和壳202中的温差应力的温度。流238通过间隙224离开穹室210。在该示例性实施例中，流238由阀239控制，可基于预定流率来手动地设置阀239，或者阀239可由控制系统(未显示)调节。
图3是根据本发明的另一个实施例的合成气冷却器18的一部分的正视图。在该示例性实施例中，喉部密封件300包括围绕耐火衬套230的圆筒302。喉部密封件300还包括弯曲冠部304，该弯曲冠部304朝向穹室210内凹，以接受热膨胀移置。冠部304可焊接到圆筒302上，以在它们之间提供密封。冠部304的顶部边缘305可焊接或以别的方式联接到壳202上，或者可以以摩擦的方式接合到耐火衬套230的一部分上，以提供密封，或者可构造有间隙306，以容许预定的冷却介质流从形成于耐火衬套230和圆筒302之间的环状空间308离开。圆筒302的底部边缘310可联接到上水墙307上，以在穹室210和环状空间308之间提供支承和密封。特别地，圆筒302可连续地绕着底部边缘310的周边焊接到上水墙307上，或者可间歇地焊接，使得间隙312形成于底部边缘310和上水墙307之间。间隙312和/或间隙306可大小设置成以便容许预定的冷却介质流冷却耐火衬套230，同时预热该冷却介质，以有利于降低穹室210内的与温度有关的疲劳和/或腐蚀。可通过导管316从冷却器18外部的源314提供冷却介质供应，例如但不限于氮气，导管316穿透壳202和密封件300，且将冷却介质流引导到环状空间308中。
图4是根据本发明的另一个实施例的合成气冷却器18的一部分的正视图。在该示例性实施例中，喉部密封件400包括柔性波纹管402，柔性波纹管402包括径向内部部分404、隔离部分406，以及围绕耐火衬套230的径向外部部分408。内部部分404和外部部分408各自包括上边缘410和412、下边缘414和416，以及在它们之间延伸的波浪形主体418和420。在该示例性实施例中，通过焊接将上边缘410和412联接到壳202上，且通过焊接将下边缘414和416联接到上水墙307上。在一个备选实施例中，边缘410和412焊接到环件(未显示)上，以形成密封子组件，以有利于安装和移除，其中，子组件使用例如法兰密封件来栓接到壳202和上水墙307上。隔离部分406可基本填充空隙422，或者可足够薄，以在内部部分404和隔离部分406之间限定间隙424，以及/或者在隔离部分406和外部部分408之间限定间隙426。在一个备选实施例中，喉部密封件400可包括交替的波浪形波纹管部分和隔离部分的另外的层。另外，多个波纹管部分和/或隔离部分可邻近地隔开。喉部密封件400进一步包括围绕柔性波纹管402且从壳202向下延伸的上鼓(drum)428。喉部密封件400还包括下鼓430，下鼓430从上水墙307向上延伸，且围绕上鼓428，以有利于将冷却介质流432引导通过曲折路径，该路径提供接近柔性波纹管402的预定驻留时间。在操作期间，将冷却介质流432引导通过限定在柔性波纹管402和上鼓428之间的第一通道434，且引导通过限定在上鼓428和下鼓430之间的第二通道436。冷却介质流432通过限定在壳202和下鼓430的上边缘440之间的间隙438离开第二通道436。
本文描述的分层构造提供渐近的温度梯度，其中，邻近柔性波纹管402的温度均保持在合成气的露点以上，且加热氮气，以对穹室210进行环形吹扫。第一层允许热(传递)到冷却介质流432，同时保持径向内部部分404是热的。第二层对冷却介质流432提供加热，其中，邻近第二层的相对冷的金属不暴露于合成气。使用最终层来将加热了的冷却介质流432注入到穹室210中。
图5是可与气化器16(在图1中显示)一起使用的示例性穹室吹扫预热系统500的示意图。在系统10变暖期间，可通过使来自辅助源的蒸汽循环来预热合成气冷却器18。流过管屏的蒸汽/水混合物通过辐射、传导和对流使管屏管和合成气冷却器18内的其它构件变暖。但是，容器壳温度与蒸汽管相比有所滞后。这个温差在合成气冷却器管和容器壳的界面处产生热应力。
另外，在操作期间对合成气冷却器18使用在约655psig的升高的压力处的氮气注射。高压氮气由气化装置中的空气分离单元(ASU)以约100°F的相对低的温度供应。但是，合成气冷却器内部的金属表面在操作期间处于相对较高的温度，例如约700-1200°F。如果以比容器壳的内部上的金属表面更低的温度将相对冷的氮气注射到合成气冷却器18中，则会发生限制寿命的热应力。
穹室吹扫预热系统500提供另外的热源来使合成气冷却器18的内部构件变暖，且在变暖过程期间降低合成气冷却器管和容器壳之间的温差，以及在操作期间预热注入到穹室210中的吹扫氮气。
在该示例性实施例中，穹室吹扫预热系统500包括冷却介质流502，典型地是供应自ASU14的氮气，但是在一个备选实施例中，可从具有实现本文描述的功能的能力的任何便利的源中供应冷却介质流502。在变暖期间，将冷却介质流502引导通过热交换器504，在热交换器504中，冷却介质流502从排放水(blowdown water)506或来自与蒸汽发生器36相关联的主蒸汽鼓508的其它持续加热的水源接收热。将冷却介质流502进一步引导到与耐火衬套230传热连通的腔室510。在已经由排放水506或其它持续加热的水源使其变暖之后，将冷却介质流502排到的穹室210中，以将热添加到穹室210，以有利于变暖过程。在操作期间，来自气化器16的合成气流512经过耐火衬套230，放出其一些热，然后合成气流512被引导到腔室510，且一些热传递到冷却介质流502。将变暖的冷却介质502排放到穹室210中，以有利于吹扫穹室210以及使穹室210变暖。可使用定位在旁路线路516中的旁路阀514来旁路掉冷却介质流502的一部分。调节旁路冷却介质流518，以有利于控制冷却介质流502的温度，从而保持精确的冷却介质502温度。通过穿透壳202的上升管520和将蒸汽/水混合物引导到鼓508的导管522从合成气冷却器18中接收提供给排放水506的至少一些热。水和蒸汽在鼓508中分离，其中，蒸汽通过主蒸汽集管524离开鼓508，而水离开鼓508，并通过穿透壳202的下降管穿透部526返回到合成气冷却器508。
图6是可与气化器18(在图1中显示)一起使用的另一个示例性穹室吹扫预热系统600的示意图。在该示例性实施例中，从鼓泄料槽602中接收用于预热冷却介质流502的热。
图7是可与气化器18(在图1中显示)一起使用的另一个示例性穹室吹扫预热系统700的示意图。在该示例性实施例中，从定位在鼓508内的热交换器线圈702接收用于预热冷却介质流502的热。
以上详细描述了用于预热和吹扫压力容器空间的系统和方法的示例性实施例。所示系统和方法不限于本文描述的具体实施例，而是相反，可独立地以及与本文描述的其它构件分开来使用系统的构件。另外，可独立地以及与本文描述的其它步骤分开来使用方法中的所描述的步骤。
虽然已经根据各具体实施例对本公开的实施例进行了描述，但将认可的是可用在权利要求书的精神和范围内的修改来实践本公开的实施例。

Claims (16)

1.一种用于预热容器的系统，包括：
包括过热区和欠热区的压力容器，其中所述过热区包括构造成以便将部分氧化的产物引导到所述容器中的喉部，并且所述喉部包括耐火材料基衬套；
限定在所述过热区和所述欠热区之间的腔室；以及
构造成以便将来自所述容器外部的吹扫流体流联接到所述腔室中的导管；
其中，来自所述过热区的热传递到所述腔室中的所述吹扫流体流，且该热被所述吹扫流体流携带到所述欠热区中，使得所述吹扫流体流吹扫所述欠热区。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述喉部包括围绕所述喉部的喉部密封件。
3.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具有以流动连通的方式与所述腔室联接的第一流径的补充热交换器，所述热交换器构造成以便将补充热添加到所述吹扫流体流。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述补充热交换器包括与所述第一流径热连通的第二流径，所述第二流径以流动连通的方式与补充热源联接，所述热交换器构造成以便将补充热从所述补充热源添加到所述吹扫流体流。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述补充热源包括蒸汽鼓。
6.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构造成以便调节通过所述导管的吹扫流体流的控制阀。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述欠热区包括所述容器的第一隔室，所述第一隔室包括使所述第一隔室与所述容器的第二隔室隔开的底板。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，来自所述过热区的热传递到所述腔室中的吹扫流体流，且该热被所述吹扫流体流携带到所述欠热区中，使得所述吹扫流体流同时吹扫所述欠热区。
9.一种控制容器中的温度的方法，所述容器包括构造成以便将相对高温的流体引导到所述容器中的喉部，所述喉部包括从容器开口延伸到容器内部的导管，所述喉部构造成使得所述相对高温的流体的一部分漏过所述导管，所述方法包括：
将吹扫气体流引导到邻近所述喉部的腔室；
使用来自所述喉部的热使所述腔室中的吹扫气体的温度升高；以及
将所述吹扫气体释放到所述容器的相对冷的容积中，从而使得所述容积被所述释放的吹扫气体吹扫和加热。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，引导吹扫气体流包括将所述吹扫气体流引导通过以热连通的方式与补充热源联接的补充热交换器。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使用构造成以便因为跨越所述容积的温差而膨胀和收缩的密封组件来相对所述容积密封所述导管。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在所述密封组件的径向外侧形成所述腔室。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述相对高温的流体包含部分氧化的产物，并且其中，将所述吹扫气体释放到所述容积中包括稀释所述容积中的所述部分氧化的产物的浓度。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述吹扫气体释放到所述容器的相对冷的容积中包括将所述吹扫气体释放到所述容积中，使得所述容积基本同时被所述释放的吹扫气体吹扫和加热。
15.一种合成气冷却器系统，包括：
包括外壳的压力容器，所述外壳具有通过该外壳的穿透部；
与所述穿透部基本轴向地对准的导管；
将所述容器分成通过所述导管与所述穿透部流动连通的第一隔室和包围所述导管的第二隔室的平的底板，所述底板与所述导管基本垂直地对准，所述底板包括与所述导管同心地对准的孔；
密封组件，所述密封组件包围所述导管，且从所述底板延伸到所述壳，使得基本防止了来自所述导管的流体流通过所述密封组件进入所述第二隔室；
所述密封组件包括：
围绕所述导管的多个基本圆柱形的波纹管；
定位在多个基本圆柱形的波纹管中的至少一些之间的隔离层；以及
定位在所述多个波纹管的径向外侧的迷宫式腔室，所述腔室供有吹扫气体流，所述吹扫气体流接收来自最外面的波纹管的热并且被引导到所述第二隔室。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述吹扫气体流由所述合成气冷却器外部的热源预热。
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