CN102369396B - 氧/燃料燃烧系统中的工艺温度控制 - Google Patents

氧/燃料燃烧系统中的工艺温度控制 Download PDF

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Abstract

具有经安排和布置以燃烧燃料以形成燃烧流体的炉的氧/燃料燃烧系统。该系统进一步包括具有经安排和布置以在燃烧流体与用于蒸汽轮机的蒸汽之间交换热的至少一个热交换器的对流段。安排和布置烟道气再循环以使至少一部分燃烧流体作为再循环烟道气再循环，该烟道气再循环具有在一次燃烧区下游的至少两个驱动剂位置。该系统包括流量控制装置，其向所述至少两个驱动剂位置提供受控量的再循环烟道气以控制蒸汽温度。

Description

氧/燃料燃烧系统中的工艺温度控制
对相关申请的交叉引用
本申请与下列申请相关：申请No.12/238,612，名称为“OXY/FUEL COMBUSTION SYSTEM WITH LITTLE OR NO EXCESS OXYGEN”，代理人卷号No. 07228 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,632，名称为“COMBUSTION SYSTEM WITH STEAM OR WATER INJECTION”，代理人卷号No. 07238 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,644，名称为“COMBUSTION SYSTEM WITH PRECOMBUSTOR”，代理人卷号No. 07255 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,657，名称为“OXY/FUEL COMBUSTION SYSTEM WITH MINIMIZED FLUE GAS RECIRCULATION”，代理人卷号No. 07257 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,671，名称为“CONVECTIVE SECTION COMBUSTION”，代理人卷号No. 07254 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文；申请No. 12/238,695，名称为“OXY/FUEL COMBUSTION SYSTEM HAVNIG COMBINED CONVECTIVE SECTION AND RADIANT SECTION”，代理人卷号No. 07247 USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文，和申请No. 61/100,372，名称为“COMBUSTION SYSTEM WITH PRECOMBUSTOR”，代理人卷号No. 07262Z USA，在2008年9月26日与本申请同时提交，转让给本公开的受让人并全文经此引用并入本文。
技术领域
本公开涉及燃烧系统。特别地，本公开涉及具有受控烟道气再循环的氧/燃料燃烧系统。
背景技术
在现代动力锅炉中影响蒸汽温度变化的因素不断变化。驱动蒸汽温度变化的主要因素是锅炉污垢、负荷变化和燃料品质的变化。同时，现代动力锅炉中达到的最终蒸汽温度的精确控制从性能和可靠性角度看都是关键的。最终蒸汽温度中35°到40℉的偏差相当于汽轮机循环加热速率中大约1%的变化。偏离设计的蒸汽温度还会造成蒸汽发生器输出的降低。此外，在高于设计的蒸汽温度下的长期运行会导致超出锅炉和汽轮机循环金属部件中的设计应力极限，而在低于设计的蒸汽温度下的长期运行会导致最终低压阶段中的水分侵蚀破坏。
调节运行过程中的最终蒸汽温度的已知控制技术包括烟灰吹除、调节注入蒸汽导管的水喷雾的温度、烟道气在热交换器周围绕过和倾斜燃烧器。
已知的烟道气再循环能够直接控制仅一个蒸汽温度，同时造成其它蒸汽温度的控制中的不准确性。这种不准确性造成热效率、发电和/或装置可靠性的损失。在已知的烟道气再循环（FGR）中，烟道气在燃烧系统中的对流段（convective pass）的入口上游（可能在炉本身中）再循环以实现蒸汽温度调节。这种方法固有地不能同时控制主（即节流（throttle））蒸汽和再热蒸汽温度。已知的烟道气再循环能够直接控制仅一个蒸汽温度，同时造成其它蒸汽温度控制中的不准确性。这种不准确性造成热效率损失、发电损失和/或装置可靠性的损失。
达到设计的主蒸汽和再热蒸汽温度对实现最佳热效率、更多发电和更高蒸汽轮机可靠性而言是重要的。装置负荷变化、燃料品质可变性和热交换器区段结垢之类的因素可影响常规空气/燃料锅炉中的蒸汽温度的管理。通常，主蒸汽和再热蒸汽温度对各种干扰的响应造成蒸汽温度与设定点数值的不同量级的偏差。在这种未来技术中精确预测热释放和结垢特性的经验数据的缺乏使维持氧/燃料锅炉中的独立蒸汽温度控制的挑战进一步复杂化。因此，有可能存在不小心并入锅炉设计中的显著蒸汽温度偏差（即偏离所需值）以及在正常运行过程中出现的更大偏差。
氧/煤燃烧技术（用氧气燃烧煤的燃烧技术）没有用于预测火焰和气体辐射系数、火焰长度、成渣和结垢等因素的变化对锅炉性能的影响的工业规模运行数据。为解决这一点，需要比现有空气/燃料设计更大的蒸汽温度控制范围以避免性能和可靠性问题。
需要利用烟道气再循环实现氧/燃料锅炉中的多个蒸汽温度的独立控制的装置和方法，通过这样做，基本避免上述损失。
发明概述
根据一个实施方案，具有经安排和布置以燃烧燃料以形成燃烧流体的炉的氧/燃料燃烧系统。该系统进一步包括具有经安排和布置以在燃烧流体与用于蒸汽轮机的蒸汽之间交换热的至少一个热交换器的对流段。安排和布置烟道气再循环以使至少一部分的燃烧流体作为再循环烟道气再循环，该烟道气再循环具有在一次燃烧区（primary combustion zone）下游的至少两个驱动剂（expellant）位置。安排和布置流量控制装置以向该燃烧流体选择性提供再循环烟道气，该流量控制装置具有多个导管并能够控制再循环烟道气的流量。该流量控制装置向所述至少两个驱动剂位置提供受控量的再循环烟道气以控制蒸汽温度。
根据另一实施方案，燃烧方法，其包括在炉中燃烧燃料以形成燃烧流体和在该燃烧流体与用于蒸汽轮机的蒸汽之间交换热。该方法进一步包括将燃烧流体输送至对流段和在该燃烧流体与用于蒸汽轮机的蒸汽之间交换热。使至少一部分燃烧流体作为再循环烟道气再循环。向至少两个驱动剂位置选择性提供再循环烟道气以独立控制多个蒸汽导管中的蒸汽的温度。
本公开的一个优点是能够控制氧/燃料锅炉中的多个蒸汽温度。
本公开的又一优点是改进的燃烧系统效率。
本公开的又一优点是可用的更宽温度控制范围。
本文中公开了该方法和系统的其它方面。本领域技术人员根据下列详述和附图将会认识和理解如上论述的特征以及本公开的其它特征和优点。
附图说明
图1显示具有蒸汽控制的燃烧系统的一个示例性实施方案的示意图。
图2显示具有蒸汽控制的燃烧系统的一个示例性实施方案的示意图。
图3显示具有蒸汽控制的燃烧系统的一个示例性实施方案的示意图。
图4显示具有蒸汽控制的燃烧系统的一个示例性实施方案的示意图。
图5显示具有蒸汽控制的燃烧系统的一个示例性实施方案的示意图。
图6显示贯穿导管分配烟道气的方式的示意性正视图。
图7显示贯穿导管分配烟道气的方式的示意性正视图。
图8显示贯穿导管分配烟道气的方式的示意性正视图。
图9显示贯穿导管分配烟道气的方式的示意性正视图。
图10图解随引入炉底的烟道气再循环，穿过空气/燃料锅炉的横截面的热吸收的典型变化。
图11图解在炉下游但在对流段上游引入烟道气时的热吸收的变化。
图12显示经过该系统的烟道气流程的示意图。
图13显示经过该系统的烟道气流程的示意图。
只要可能，在所有附图中使用相同标号代表相同部件。
发明详述
下面参照附图更充分描述本公开，其中显示了本公开的优选实施方案。但是，本公开可以具体体现为许多不同的形式且不应被解释为仅限于本文中阐明的实施方案；相反，提供这些实施方案以使本公开详尽完整并向本领域技术人员充分传达本公开的范围。
本公开的实施方案包括利用烟道气再循环控制氧/燃料锅炉中的蒸汽温度的装置和方法。具体而言，本公开包括利用烟道气再循环独立控制氧/燃料锅炉中的主蒸汽导管和再热蒸汽导管中的蒸汽温度的装置和方法。本公开包括用于实现双重（主蒸汽导管和再热蒸汽导管）温度控制的烟道气再循环注入构造和蒸汽温度控制系统。
本文所用的术语“固体燃料”及其语法变体是指适合燃烧用途的任何固体燃料。例如，本公开可用于许多类型的含碳固体燃料，包括但不限于：无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤；焦油；沥青；石油焦；造纸厂污泥固体物和下水道污泥固体物；木材；泥炭；草；和所有这些燃料的组合和混合物。本文所用的术语“氧气”及其语法变体是指O2浓度大于大气或环境条件的氧化剂。本文所用的术语“氧/煤燃烧”及其语法变体是指在氧气中的煤燃烧，术语“空气/煤燃烧”及其语法变体是指在空气中的煤燃烧，术语“氧/燃料燃烧”及其语法变体是指在氧气中的燃料燃烧，和术语“空气/燃料燃烧”及其语法变体是指在空气中的燃料燃烧。本文所用的术语“燃烧流体”及其语法变体是指由燃烧产物形成和/或与燃烧产物混合的流体，其可用于对流传热。该术语不限于燃烧产物并可包括与至少一部分燃烧系统混合或以其它方式行经至少一部分燃烧系统的流体。尽管不限于此，但一个这样的实例是烟道气。本文所用的术语“再循环烟道气”及其语法变体是指再循环到该系统任何部分的离开该系统的燃烧流体。本文所用的术语“烟道气再循环”及其语法变体是指允许燃烧流体再循环的构造。
如图1中所示，作为氧/煤燃烧系统102描绘该装置的一个实施方案。本文所用的术语“燃烧系统”无意将该系统限制于发生燃烧的区域。燃烧系统102包括炉104、对流段106和烟道气再循环108。炉104内的传热主要（但非完全）通过辐射传热进行。如所示，炉104包括一次燃烧区110。在该所示实施方案中，炉104进一步包括二次燃烧区112。在另一实施方案中，该炉不包括二次燃烧区112。本文所用的术语“总燃烧区”包括一次燃烧区110、二次燃烧区112或一次燃烧区110和二次燃烧区112。在图1所示的实施方案中，安排和布置一次燃烧区110以允许将大部分燃料103和氧化剂 105注入其中。一次燃烧区110基本控制炉104内的热释放分布。炉104中的燃料燃烧形成燃烧流体402或烟道气。
在图1中所示的实施方案中，二次燃烧区112经安排和布置以仅允许将氧化剂注入其中。二次燃烧区112通常用于“分级”燃料和/或氧化剂注入，常常以降低NOx排放或改变热释放分布为目的。在一个实施方案中，将剩余燃料和氧化剂注入二次燃烧区112。一次燃烧区110和二次燃烧区112之间的燃料分配的控制根据参数确定，例如：在一次燃烧区110内测得的热通量或管温度、在炉104出口处测得的燃烧气体温度、或蒸汽压、或基于燃烧系统102的具体特性测得的其它蒸汽和/或燃烧气体参数。
在图1所示的实施方案中，对流段106紧邻炉104的下游侧。如所示，对流段106与炉104流体连通。对流段106包括用于将能量从燃烧流体402转移至一个或多个水或蒸汽流的多个热交换器（未显示），其中对流是主要（尽管不是唯一）的传热模式。
图1中所示的实施方案进一步在对流段106中包括四个热交换器。如所示，所述热交换器是二级过热器114、再热过热器116、一级过热器118和省热器120。此外，图1中所示的实施方案包括蒸汽轮机115。该蒸汽轮机115包含多个区段，各自具有单独的蒸汽入口和出口。在图1中所示的实施方案中，蒸汽轮机具有三个区段。蒸汽从二级过热器114进入高压汽轮机区段（higher pressure turbine section）117，其经安排和布置以在蒸汽进入汽轮机的高压区段之前将主蒸汽导管（或节流蒸汽）加热至其最终值。在离开高压汽轮机区段117后，将部分膨胀（expanded）和冷却的蒸汽输往再热过热器116，其经安排和布置以在来自高压汽轮机117的排料再进入该汽轮机的中压段119之前再热该排料。在离开再热过热器116后，该蒸汽经中压汽轮机段119膨胀，随后立即进入低压汽轮机区段121并经其膨胀，接着将其输送至冷凝器123。必须认识到，可能沿蒸汽路径在一个或多个位置取出蒸汽并用于图1中未显示的一个或多个用途。此类用途包括，但不限于，烟灰吹除、脱过热和锅炉进料水的加热。由于这些提取，离开低压汽轮机121的蒸汽流量可能低于进入高压汽轮机117的蒸汽流量。安排和布置一级过热器118以使主蒸汽导管的第一阶段过热。安排和布置省热器120以在水进入炉104之前加热来自冷凝器123的水。本领域技术人员会认识到，可并入系统102中的热交换器有许多其它构造。因此，本公开不限于图1中所示的构造。
在图1中所示的实施方案中，至少一部分燃烧流体402在经过位于对流段106下游的冷却和清整（cleanup）装置122后从系统102中取出。冷却和清整装置122可以是选自氧化剂预热器、静电集尘器、湿洗器、其它类似装置及其组合的任何装置。通常，离开冷却和清整装置122的烟道气温度大致低于400℉。提取出的燃烧流体 402或再循环烟道气进入再循环鼓风机124并送往通向燃烧系统102中的不同位置的四个导管中的一个或多个：炉驱动剂位置126、中间驱动剂位置128、对流驱动剂位置130或旁通导管125。尽管显示了三个驱动剂位置126、128和130，但本公开可包括附加驱动剂位置或等于或大于2的任何数量的驱动剂位置，它们提供蒸汽导管中的蒸汽的独立蒸汽温度控制。此外，可以将剩余部分的燃烧流体供应至CO2提纯单元137，其中可从燃烧流体402中除去CO2。尽管本公开包括CO2提纯单元137，但也可能省略CO2提纯单元137和/或可利用其它部件和/或操作处理和/或处置燃烧流体。
如图1中所示，安排和布置炉驱动剂位置126以便在风箱132或正压风室（plenum）中实现再循环烟道气与氧气的混合。安排和布置风箱132以便将再循环烟道气输送到一次燃烧区110、二次燃烧区112或两者中。这种布置可用于调节（moderate）燃烧器火焰特性、控制热释放型式和炉排出气体温度、以及使用再循环烟道气作为注入二次燃烧区112中的氧气的稀释剂/载气。在另一实施方案中，在风箱132内发生氧气的混合。在又一实施方案中，在氧气到达风箱132之前发生氧气的混合。在又一实施方案中，在炉驱动剂位置126中发生氧气的混合。在再一实施方案中，可以将氧气输送至一个或多个燃料燃烧器。
如图1中所示，中间驱动剂位置128位于一次燃烧区110和二次燃烧区112下游但对流段106上游的区段。安排和布置该中间驱动剂位置128以控制从总燃烧区流向对流段106的燃烧流体402，其中来自中间驱动剂位置128的再循环烟道气与离开炉104的燃烧流体402混合，由此调节当燃烧流体402到达二级过热器114时的温度和流速，这又可控地调节二级过热器114内的传热量。这种控制能够控制进入高压汽轮机117的主蒸汽导管中的最终蒸汽温度。在一个实施方案中，借助位于二级过热器114出口内的热电偶、RTD或其它温度变送器实现这种控制作用，以将主蒸汽温度值传送给主控制器，这又将信号送至在中间驱动剂位置128之前的控制阀131，从而指示控制阀131逐渐（incrementally）打开或关闭，直至通过热电偶测得的实际主蒸汽温度之差令人满意地接近主蒸汽温度设定点。在另一实施方案中，实现这种控制的方法是利用热电偶将信号送至在炉驱动剂位置126之前的流量控制阀131，从而改变炉104排出气体温度。但是，必须认识到，这种作用也可能直接影响燃烧器火焰性质和热释放特性，这是不合意的。
如图1中所示，对流驱动剂位置130在对流段106的紧邻再热过热器116上游的区域中。安排和布置对流驱动剂位置130以控制燃烧流体402，由此调节进入对流段106的燃烧流体402的温度和流速，同时控制离开再热过热器116和进入中压汽轮机119的蒸汽温度。要认识到，由此进行的烟道气再循环和再注入能够以基本独立于主蒸汽导管中的蒸汽的温度控制的方式控制在再热蒸汽导管中的蒸汽的最终温度。在一个实施方案中，主控制系统从位于再热过热器116出口内的热电偶、RTD或其它温度变送器接收信号，并利用该信号逐渐打开或关闭在对流驱动剂位置130之前的流量控制阀131。要认识到，位于对流驱动剂位置130内的流量控制阀131的调节也可用于（间接）控制再热蒸汽温度. 但是，这样做时，主蒸汽温度提高或降低，这可能是不合意的后果。也要认识到，该主控制系统可监测超出该蒸汽温度的工艺信号以确保以安全方式实施蒸汽温度控制。这些变量可包括，但不限于，进入对流段106的燃烧流体402温度、离开对流段106的燃烧流体402温度、蒸汽压、锅炉管金属温度和热通量。尽管驱动剂位置126、128和130被显示为各自具有流量控制阀131，但本公开不限于此。可以以任何合适的方式，包括允许控制流量的喷嘴设备、泵、鼓风机或任何其它设备控制到驱动剂位置126、128和130的流量。
如图1中所示，可以使用旁通导管125将再循环烟道气从再循环鼓风机124的出口传输到再循环鼓风机124的入口。可以使用无流量控制阀或其它流量控制器件的旁通导管125。但是，在另一些实施方案中，可以控制经过旁路125的再循环烟道气的量。经这样构造，旁通导管125允许位于其余驱动剂位置126、128和130上的控制阀131独立实现由该控制系统的要求规定的流量，而不调节经过再循环鼓风机124的总流量。
在图2所示的实施方案中，燃烧系统102包括两个再热过热阶段。这一实施方案具有紧邻第二再热过热器116并在其上游的附加驱动剂位置。对这一实例而言，据估计，第二再热过热器116从中压汽轮机119接收蒸汽并将蒸汽输送至低压汽轮机121。如上文的描述那样，会认识到，可以在各种汽轮机区段之间提取蒸汽。
如图1中所示，通过流量控制装置控制流向和流经驱动剂位置126、128和130的再循环烟道气的流量。在一个实施方案中，该流量控制装置是流量控制阀131。但是，在另一些实施方案中，该流量控制装置可以是再循环鼓风机124（带有或没有集成的（intergral）流量控制）、控制阀、喷嘴、导管本身、完全没有、或其组合。在该流量控制装置为集成的实施方案中，流量控制装置再循环鼓风机124可包括变速传动装置、入口挡板、出口挡板、其它装置或其组合。图1中的图示包括带有流量控制阀131作为流量控制装置的驱动剂位置126、128和130。在一个实施方案中，驱动剂位置126、128或130之一可能省略流量控制装置131。在此实施方案中，通过由再循环鼓风机124输送的总流量减去经过各个其余导管中的控制阀的流量，测定经过无流量控制装置131的驱动剂位置126、128或130的烟道气再循环流量。在另一实施方案中，可包括多个再循环鼓风机124。在又一实施方案中，各驱动剂位置126、128和130包括各自的鼓风机124。
如图3中所示，在一个实施方案中，包括流量测量元件和/或流量变送器133（下文称作“流量元件/变送器”）。流量元件包括，但不限于，文丘里管、流量喷嘴（flow nozzle）、孔板、热线风速计和超声波测量仪。流量变送器将该元件产生的流量测量值转化成控制系统311可以理解和遵守的信号，通常电信号。在图3中所示的实施方案中，流量元件/变送器133仅用在总燃烧区中的炉驱动剂位置126。在另一些实施方案中，可以包括多个流量元件/变送器133。要认识到，可以有利地在任何或所有驱动剂位置126、128、130或其组合中放置和使用附加流量元件/变送器133。在图3所示的实施方案中，构造流量元件/变送器133以与流量控制阀131一起用在炉驱动剂位置126中以维持经过炉驱动剂位置126的恒定再循环流量，同时调节流向导管128和130的流量以维持所需主蒸汽温度和再热蒸汽温度。此类构造的优点在于，火焰性质在正常运行过程中不受干扰，这造成燃烧系统102的更平稳、更稳定、更有效和更安全的运行。
在一个实施方案中，可以提供控制系统311以控制经过驱动剂位置126、128和130的再循环烟道气的流量。如图3中所示，可以构造控制系统311以利用来自主蒸汽导管和再热蒸汽导管中的温度测量元件和/或温度变送器135（下文称作“温度元件/变送器”）的反馈调节经过导管128和130的烟道气再循环流量。同时，控制系统311利用来自炉驱动剂位置126中的流量元件/变送器133的反馈来调节流向总燃烧区的再循环烟道气流量。在一个实施方案中，构造控制系统311以利用来自位于或邻近总燃烧区末端的温度元件/变送器135的反馈以提供对经过炉驱动剂位置126的再循环烟道气流量的控制的额外限制。在该实施方案中，在总燃烧区出口处的温度元件/变送器135可指示何时达到炉104出口温度的温度上限。在这种情况下，再循环驱动剂位置126中的流量控制阀131会打开以向燃烧区提供附加的稀释剂以逐渐降低总燃烧区出口温度。在该实施方案中，驱动剂位置 126、128和130中不需要的由再循环鼓风机124输送的过量再循环烟道气流流向旁通导管125，并由此再循环至鼓风机入口。与已知方法相比，再循环烟道气流量的这种控制为发电和汽轮机循环效率两者提供了增益。本领域普通技术人员会认识到，可以根据燃烧系统特有的运行要求使用许多其它工艺测量和控制方针，同时仍在本公开内。
图4显示燃烧系统102的一个示例性实施方案。具体而言，图4显示其中在冷却和清整装置122的上游提取燃烧流体402的燃烧系统102。如图2中所示，安排和布置燃烧系统102以使气体在燃烧流体402或烟道气离开省热器120后立即再循环，可能在700°至800℉的温度下。
图5显示燃烧系统102的一个示例性实施方案。具体而言，图5显示具有来自较热来源302（其依赖于离开省热器120的燃烧流体402）和较冷来源304（其依赖于离开附加气体和冷却清整装置122的燃烧流体402）两者的再循环烟道气的燃烧系统102，由此能够实现比用来自单一位置的再循环可实现的扩大的蒸汽温度控制范围。在图5中所示的实施方案中，较冷来源304通往再循环鼓风机124、炉驱动剂位置126、中间驱动剂位置128、对流驱动剂位置130和旁通导管125。也如图5中所示的实施方案中那样，较热来源302通往第二再循环鼓风机306、第二炉驱动剂位置308、第二中间驱动剂位置310、第二对流驱动剂位置312和第二旁通导管314。如图5中所示，由较热来源302供料的驱动剂位置 308、310和312配置成由与分别在驱动剂位置126、128和130上游的驱动剂位置308、310和312对应的流量控制装置131控制。
如图5中所示，驱动剂位置126包括流量元件/变送器133，且驱动剂位置126、128和130包括温度元件/变送器135。配置温度元件/变送器135以提供控制信息，从而使流量控制装置131改变来自较热来源302和较冷来源304的流量，由此实现温度控制。驱动剂位置126中的流量元件/变送器133配置成能够独立测量和控制该混合的再循环流的总流速和温度两者。在该实施方案中，配置流量元件/变送器133以通过驱动剂位置126中来自较热来源302和较冷来源304的流量的相对比例来控制再循环流的温度，同时可通过在提高或降低各（即较热/较冷）流的总流量的同时使较热/较冷比例保持恒定来独立地控制该总流量。要认识到，有利地位于较热或较冷（或两者）再循环导管中的附加流量和温度测量进一步增加该控制系统的功能性。此外，要认识到，提供来自较热来源302和较冷来源304的流量的构造是示例性的并可以以许多其它方式实现。
图6至9显示分配烟道气的方式。如图6至9中所示，驱动剂位置130可包括专门构造成提高再循环烟道气和燃烧流体402的混合的混合装置。尽管作为驱动剂位置130描绘该所示驱动剂位置，但可以在驱动剂位置126、128、130、308、310和/或312使用该混合装置。分配再循环烟道气和快速混合对提高效率和控制精度而言是合意的。如图6中所示，在一个实施方案中，可以在驱动剂位置130插入喷枪（lance）404以在整个横截面各处分配烟道气。图7显示在驱动剂位置130分配烟道气的另一方式。在图7中，在驱动剂位置130或其附近安装多个喷嘴502。要认识到，圆形或非圆形横截面的喷嘴502可如图7中所示与输入的气流呈90度角取向，或以不同角度取向。图8显示在烟道气流向中呈非90度角的喷嘴502。图9显示在烟道气流动的相反方向中呈非90度角的喷嘴502。
图10显示随引入炉底的烟道气再循环，穿过空气/燃料锅炉的横截面的气体温度和热吸收的示例性变化。图8显示炉104、二级过热器114、再热过热器116、一级过热器118和省热器120的不同响应量级。要认识到，这种响应通常导致随着再循环烟道气的速率递增，主蒸汽导管和再热蒸汽导管中的蒸汽温度的不同响应。
图11显示在炉104下游但在对流段106上游引入烟道气时的气体温度和热吸收的示例性变化（被称作气体调节）。尽管具体响应不同于图10中所示的构造，但再热过热器116响应仍不同于一级过热器118和二级过热器114，并通常造成主蒸汽导管和再热蒸汽导管中的蒸汽温度之间的差异。
在一个实施方案中，本公开适用于以与本文对氧/燃料燃烧系统公开的相同的修改改造现有的空气/燃料燃烧系统。对空气/燃料燃烧系统使用本公开应导致相同或类似的性能。因此，本公开另外旨在涵盖对用氧/燃料燃烧技术改造的空气/燃料燃烧系统采用这些修改。
在下列实施例中部分举例说明与已知方法相比，本发明的利用烟道气再循环及其控制以同时控制主蒸汽温度和再热蒸汽温度的益处。
实施例
已知燃烧系统，尤其是锅炉蒸汽控制系统，包括燃烧烟煤的氧/燃料锅炉，其使用汽轮机的单再热兰金（Rankine）循环在亚临界条件下产生蒸汽，以产生大约593 MW的总电力。图12显示经过已知系统的一部分的燃烧流体402的流程的示意图。如图12中所示，已知系统的该部分包括炉104、二级过热器114和再热过热器116（也称作再热器）。为简化分析，二级过热器114和再热过热器116各自假定存在于单传热区段中。安排和布置炉104以接收燃料、氧化剂和再循环烟道气。具体而言，将第一再循环烟道气流902添加到炉104的总燃烧区中。
此外，紧邻二级过热器114的上游包括第二再循环烟道气流904。响应在位置910处测得的主蒸汽温度，该控制系统通过提高第二流904的流量来降低主蒸汽温度和通过降低第二流体904的流量来提高主蒸汽温度，从而能够测量离开过热器的蒸汽温度。针对在大约1000℉的蒸汽温度和大约2400 psia的蒸汽压力两者设计主蒸汽导管和再热蒸汽导管。
使用脱过热喷雾装置906控制再热蒸汽温度。配置脱过热喷雾装置906以通过将一定流速的相对低温的水或蒸汽以一定的量引入到再热过热器116的出口（discharge）中来运行，该量能将在允许测量离开再热器的蒸汽温度的第二位置912处测得的混合的再热蒸汽温度被冷却至大约1000℉。在第二位置912处测得的温度低于1000℉的情况下，没有任何已知（本公开的现有技术）手段可用于独立地将再热蒸汽温度提高至其所需值。
在另一燃烧系统中，蒸汽控制系统包括被认为由本公开的氧/燃料锅炉供以动力的相同类型的汽轮机循环，其中在三个位置包括再循环烟道气的再循环。图13显示经过这一实施方案的锅炉的再循环烟道气流程的示意图。这一系统包括本领域中已知的部件的布置，但进一步包括第三再循环烟道气流908，并且不包括脱过热喷雾装置906。第三流908位于再热过热器116的上游。第三流908的流速在量级上可通过控制系统降低以提高在第二位置912测得的最终再热蒸汽温度，和通过控制系统提高以降低在第二位置912测得的温度。类似地，在另一些实施方案中，可通过在测量离开过热器的气体温度的第三位置914、在测量离开再热器的气体温度的第四位置916、在测量进入过热器的气体温度的第五位置918、在测量进入过热器的蒸汽温度的第六位置920、在测量进入再热器的蒸汽温度的第七位置922和/或在测量进入再热器的气体温度的第八位置924监测测量来实现进一步控制。
表1显示已知系统和本公开的系统共有的汽轮机循环和锅炉数据。假定进入过热器114和再热过热器116的蒸汽在各自的入口压力下处于饱和态。调节两个锅炉之间的对流表面积以实现设计的蒸汽温度。在本公开中，可以监测和调节表1中指定的任何或所有变量以控制该系统。
表1
参数 单位 值
总发电 MW 593
主蒸汽温度 Deg F 1000
再热蒸汽温度 Deg F 1000
主蒸汽流速 Lb/hr 4011300
再热蒸汽流速 Lb/hr 3586115
鼓压力（drum pressure） Psia 2400
再热器入处的蒸汽压力 Psia 607
二次燃烧区出口气体温度 Deg F 2750
烟道气再循环温度 Deg F 300
为了例证本公开的益处，对各个锅炉在三种条件下进行质量和能量平衡：1) 基线条件，其中热交换器基本清洁（即无结垢）并在它们的设计效率水平下运行，2) 二级过热器114结垢至将总过热器传热系数降低7.5%的程度，和3) 再热过热器116结垢至将总再热器传热系数降低7.5%的程度。总传热系数，U在本文中通过下列公式定义：
Q = U*A*LMTD (1)
其中Q是以Btu/hr为单位的从气体到蒸汽的传热速率；U是以Btu/hr/ft2/deg F为单位的总传热系数；A是传热面积，例如蒸汽管的外表面积，单位为ft2，且LMTD是烟道气与蒸汽之间的对数平均温度差，以℉为单位表示。通过下列公式定义各热交换器的LMTD：
LMTD = [ΔT热, - ΔT冷] / In[ΔT热/ΔT冷]   (2)
其中；ΔT热 = T烟道气进入 – T蒸汽离开   (3)
和；ΔT冷 = T烟道气离开 – T蒸汽进入   (4)
如此推导，各传热区段的相对清洁系数Fcl是指U实际/U清洁的比率并可以由易得的工艺运行数据如下约计：
Fcl = [(T蒸汽离开 - T蒸汽进入)实际*LMTD清洁]/[( T蒸汽离开 - T蒸汽进入)清洁*LMTD实际]   (5)
如所示，上文表示的尺寸单位是示例性的并可以换成表示相同尺寸关系的任何其它单位或单位组；例如华氏度可以换成摄氏度等。在进行上述分析时，假定表1中给出的所有参数不受结垢影响且第一烟道气再循环流902的流速保持不变以防止燃烧器火焰的干扰。
应用于已知蒸汽温度控制方法的上述分析（排除本公开的实施方案）产生表2中所示的结果。在过热器114结垢情况下，第二烟道气再循环流904减少了等于烟囱流量的大约60%的量，从而使热得多的气体进入过热器114（+263℉），其由此能够恢复本该由于结垢的过热器而已降低的主蒸汽温度。
但是，由于过热器114结垢和第二烟道气再循环流904的流速的变化，进入再热器的烟道气温度提高大约200℉，这造成再热蒸汽温度不受控制地提高至大约1036℉。将再热温度降回1000℉所需的脱过热喷雾流速（假定脱过热喷雾焓为324.3 Btu/lb）等于主蒸汽流速的大约1.65%。从热性能的角度看，这种控制作用是不合意的，因为脱过热喷雾的使用造成发电和热效率损失。
表2
参数 单位 基线 过热器结垢 再热器结垢
过热器的相对清洁度系数 无 100 92.5 100
再热器的相对清洁度系数 无 100 100 92.5
FGR 1 %烟囱流量 180 180 180
FGR 2 %烟囱流量 120 63 120
FGR 3 %烟囱流量 0 0 0
Δ进入过热器的烟道气温度 Deg F 0 263 0
Δ进入再热器的烟道气温度 Deg F 0 195 0
主蒸汽温度 Deg F 1000 1000 1000
未受控的再热蒸汽温度 Deg F 1000 1036 974
为实现1000℉的再热Desup流量 主蒸汽流量的% 0.0 1.65 N/A
在再热再热器116结垢的情况下，与基线相比，过热器114不受影响。但是，在没有用于提高再热器传热的实用或有效机制（除对连续应用而言不经济的烟灰吹除之外）情况下，再热蒸汽温度降低26℉，仍造成显著的热性能损失。
表3概括依据本公开运行的燃烧系统102的结果。如表3中所示，甚至在基线情况下，通过加入第一烟道气再循环流902、第二烟道气再循环流904和第三烟道气再循环流908，运行燃烧系统102。在过热器14结垢情况下，类似于已知系统，第二烟道气再循环流904减少大致相同量（烟囱流量的60%）以提高过热器114入口气体温度和保持所需主蒸汽温度。但是，为了平衡这种作用，第三烟道气再循环流908增加了烟囱流量的大约60%以补偿较低的出口气体流速和较高的离开过热器114的烟道气温度，从而达到再热蒸汽导管中大约1000℉的所需蒸汽温度。
表3
参数 单位 基线 过热器结垢 再热器结垢
过热器的相对清洁度系数 无 100 92.5 100
再热器的相对清洁度系数 无 100 100 92.5
FGR 1 %烟囱流量 180 180 180
FGR 2 %烟囱流量 60 0.8 60
FGR 3 %烟囱流量 60 119 16
Δ进入过热器的烟道气温度 Deg F 0 385 0
Δ进入再热器的烟道气温度 Deg F 0 1 147
主蒸汽温度 Deg F 1000 1000 1000
未受控的再热蒸汽温度 Deg F 1000 1000 1000
为实现1000℉的再热Desup流量 主蒸汽流量的% 0.0 0.0 0.0
在再热器116结垢情况下，在过热器温度和流速与基线情况相比保持不变的同时，减少第三烟道气再循环流908以提高再热入口气体温度，由此使再热蒸汽温度恢复至其基线值。
仅用于举例说明的前述实施例表明，本公开能够仅用烟道气再循环（除使用脱过热喷雾外）独立控制主蒸汽导管和再热蒸汽导管中的蒸汽温度。由于避免脱过热喷雾和/或蒸汽温度不足而对汽轮机循环效率和总发电产生的益处是本领域普通技术人员显而易见的。在本文中没有量化依赖于汽轮机循环的细节的这种益处。
本领域技术人员会认识到，可以考虑许多其它情况，其中本公开与现有技术的蒸汽温度控制技术相比可提供性能益处。这些包括，但不限于，总燃烧区的结垢、燃料品质变化、燃料负荷波动和设计缺陷（例如由对流表面积的不恰当规格造成）的补偿。前述实施例因此不应被视为限制本公开的范围。
尽管已参照优选实施方案描述本公开，但本领域技术人员会理解，可以在不脱离本公开的范围的情况下作出各种变动并可将其要素换成对等物。此外，可以在不脱离其基本范围的情况下对本公开的教导作出许多修改以适应特定情况或材料。因此，本公开无意局限于作为本发明的最佳实施方式公开的具体实施方案，但本公开包括落在所附权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (21)

1.氧/燃料燃烧系统，其包含：
炉，其经安排和布置以燃烧燃料以形成燃烧流体；
对流段，该对流段具有经安排和布置以在该燃烧流体与用于蒸汽轮机中的蒸汽之间交换热的至少一个第一热交换器，包括经安排和布置以加热主蒸汽导管的二级过热器和经安排和布置以加热再热蒸汽导管的再热过热器；
烟道气再循环，其经安排和布置以使至少一部分的该燃烧流体作为再循环烟道气再循环，该烟道气再循环具有在一次燃烧区下游的两个驱动剂位置；其中至少一个驱动剂位置在至少一个热交换器的下游；和
流量控制装置，其经安排和布置以向该燃烧流体选择性提供该再循环烟道气，该流量控制装置具有多个导管并能够控制再循环烟道气的流量；
其中所述驱动剂位置之一紧邻所述二级过热器的上游，并且另外的驱动剂位置紧邻所述再热过热器的上游；和
其中该流量控制装置向该两个驱动剂位置提供受控量的该再循环烟道气并且独立地控制在所述主蒸汽导管和所述再热蒸汽导管中的蒸汽的温度。
2.权利要求1的燃烧系统，其中该燃料是固体燃料。
3.权利要求1的燃烧系统，进一步包含在一次燃烧区中的附加驱动剂位置。
4.权利要求1的燃烧系统，其中该炉包含二次燃烧区。
5.权利要求4的燃烧系统，其中该二次燃烧区经安排和布置以接收氧化剂。
6.权利要求4的燃烧系统，其中该二次燃烧区经安排和布置以接收固体燃料和氧化剂。
7.权利要求1的燃烧系统，其中配置风箱以使该再循环烟道气可控输送至总燃烧区；其中配置送入该风箱的该再循环烟道气的控制以调节燃烧器火焰动量和温度。
8.权利要求1的燃烧系统，其中至少一个该流量控制装置经安排和布置以利用来自该主蒸汽导管和该再热蒸汽导管的反馈来调节烟道气的流量。
9.权利要求1的燃烧系统，其中该烟道气再循环经安排和布置以从较热来源和较冷来源传送该再循环烟道气，由此实现扩大范围的蒸汽温度控制。
10.权利要求1的燃烧系统，其中该流量控制装置通过流量控制阀、再循环鼓风机输出及其组合中的一项或多项提供再循环烟道气的流量的控制。
11.权利要求1的燃烧系统，其中该烟道气再循环具有在总燃烧区下游的至少两个驱动剂位置。
12.权利要求11的燃烧系统，进一步包含在总燃烧区中的附加驱动剂位置。
13.燃烧方法，包括下列步骤：
在炉中燃烧固体燃料和O2浓度大于空气的氧化剂以形成燃烧流体和在该燃烧流体与用于蒸汽轮机中的蒸汽之间交换热；
将该燃烧流体输送至具有经安排和布置以加热主蒸汽导管的二级过热器和经安排和布置以加热再热蒸汽导管的再热过热器的对流段；
供应所述用于蒸汽轮机中的蒸汽；
使至少一部分燃烧流体作为再循环烟道气再循环至一次燃烧区下游的两个驱动剂位置，一个驱动剂位置紧邻所述二级过热器的上游，并且另外的驱动剂位置紧邻所述再热过热器的上游；和
向所述两个驱动剂位置选择性提供再循环烟道气以独立控制在所述主蒸汽导管和所述再热蒸汽导管中的蒸汽的温度。
14.权利要求13的方法，其中该燃料是固体燃料。
15.权利要求13的方法，进一步包括在一次燃烧区中的附加驱动剂位置。
16.权利要求13的方法，其中该烟道气再循环具有在总燃烧区下游的至少两个驱动剂位置。
17.权利要求16的方法，进一步包括在总燃烧区中的附加驱动剂位置。
18.权利要求17的方法，进一步包括通过控制向风箱提供的再循环烟道气的流量来调节火焰动量。
19.权利要求18的方法，进一步包括通过控制向该风箱提供的再循环烟道气的流量来调节火焰温度。
20.权利要求19的方法，利用来自该主蒸汽导管和该再热蒸汽导管的反馈调节该再循环烟道气的流量。
21.权利要求20的方法，进一步包括通过调节来自较热来源和较冷来源的该再循环烟道气的流量来控制该燃烧流体温度。
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