CN102383936B - 用于热回收锅炉的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于ORC热回收锅炉的惰性气体吹扫系统。在一实施例中，一种系统包括阀系统(60)，其可在废热回收位置与旁路位置之间切换，废热回收位置被配置成引导进来的排气(38)通过发动机(12)的排气区段(28)的内部体积(60)，旁路位置被配置成引导进来的排气(38)通过旁路管(46)以绕开设置于内部体积(60)内的热回收锅炉(40)。该系统还包括惰性气体吹扫系统(72)，其被配置成将惰性气体喷射到内部体积(60)内以使得残留排气(38)从内部体积(60)转移。

Description

用于热回收锅炉的系统和方法
技术领域
本文所公开的主题涉及采用锅炉的废热回收系统，且更具体而言，涉及用于热回收锅炉的惰性气体吹扫系统。
背景技术
废热回收系统可用于从工业和商业过程和操作回收低质热，诸如温度低于大约500℃的热。举例而言，废热回收系统可用于从燃气轮机所产生的热排气回收低质热。由于有机工作流体相对较低的相变焓，通过循环有机工作流体来实施有机郎肯循环(ORC)的废热回收系统在回收低质热时可特别高效。
发明内容
在第一实施例中，一种系统包括阀系统，其可在废热回收位置与旁路位置之间切换，废热回收位置被配置成引导进来的排气通过发动机的排气区段的内部体积，旁路位置被配置成引导进来的排气通过旁路管以绕开设置于内部体积内的热回收锅炉。该系统还包括惰性气体吹扫系统，其被配置成将惰性气体喷射到内部体积内以使得残留排气从内部体积转移。
在第二实施例中，一种系统包括：热回收锅炉，其被配置成直接从发动机的排气区段内的排气吸热以加热该热回收锅炉内的有机工作流体；膨胀机，其被配置成使得被加热的有机工作流体膨胀；冷凝器，其被配置成使得膨胀的有机工作流体冷凝；泵，其被配置成将冷凝的有机工作流体引导至热回收锅炉；传感器，其被配置成检测来自热回收锅炉的有机工作流体泄漏；以及惰性气体吹扫系统，其被配置成响应于检测到泄漏将惰性气体喷射到排气区段内。
在第三实施例中，一种方法包括：检测从热回收锅炉到发动机的排气区段的内部体积内的有机工作流体泄漏；响应于检测到泄漏将阀设置到旁路位置，以引导进来的排气绕开该排气区段的内部体积；以及，响应于检测到泄漏将惰性气体喷射到内部体积内以将残留排气从内部体积转移。
附图说明
当参看附图来阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它特点、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相似的符号在所有图中表示相似的部件，其中：
图1是动力生产系统的一个实施例的示意流程图，其可在废热回收系统内采用惰性气体吹扫系统；
图2是图1的废热回收系统的示意流程图，其描绘了惰性气体吹扫系统的一个实施例；
图3是以旁路模式操作的图2的废热回收系统的示意流程图；以及，
图4是描绘了用于从热回收锅炉吹扫排气的方法的一个实施例的流程图。
元件列表：
10.系统
12.燃气轮机发动机
14.第一负载
16.废热回收系统
18.第二负载
20.进气区段
22.压缩机
24.燃烧器区段
26.涡轮
28.排气区段
30.轴杆
32.空气
34.压缩空气
36.燃烧气体
38.排气
40.热回收锅炉
42.冷却的排气
43.管道
44.烟囱
46.旁路管
48.旁路排气
50.工作流体回路
52.膨胀机发电机组
54.冷凝器
56.泵
58.开口
60.内部体积
61.箭头
62.带翅片的管
63.入口
64.开口
65.箭头
66.阀
67.入口
68.传感器
69.风门片
70.控制器
72.惰性气体喷射/吹扫系统
74.惰性气体供应
76.管路
78.阀
79.喷嘴
80.内部
82.方法
84.方框
86.方框
88.方框
具体实施方式
将在下文中描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简洁描述，在说明书中可能不会描述实际实施方式的所有特征。应了解在任何这样实际实施方式的发展中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多对实施方式而言特有的决策来实现开发者的具体目的，诸如符合系统相关和商务相关的约束，这些约束可在不同的实施方式之间有所不同。此外，应了解，这些开发努力可为复杂的且耗时的，但尽管如此，对于受益于本公开内容的本领域普通技术人员而言，其将是设计、制作和制造的常规任务。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在这些元件中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”意图是包括性的且意味着可存在除了所列出的元件之外的额外元件。
本公开涉及采用用于热回收锅炉的惰性气体吹扫系统的废热回收系统。废热回收系统可通过利用诸如烃流体或制冷剂的有机工作流体来实施有机郎肯循环(ORC)而从诸如燃气轮机的系统回收低质热。并非通过诸如油的中间流体将热传到有机工作流体，本系统可采用“直接”热回收锅炉，其直接从燃气轮机排气向工作流体传热。根据某些实施例，热回收锅炉可直接设置于燃气轮机的排气区段内的排气路径中，热回收锅炉可使工作流体循环。将热回收锅炉直接放置于排气路径中，而非使用二次回路在排气与废热回收系统之间传热，可提高废热回收系统的总效率以及降低资本和/或操作成本。
为了在热回收锅炉中有泄露的情况下保护该燃气轮机排气区段和废热回收系统，该动力生产系统可采用用于热回收锅炉的吹扫系统。根据某些实施例，该吹扫系统可在检测到热回收锅炉中的泄露时启用。该吹扫系统可使排气的流动改变方向，使得排气绕开热回收锅炉。另外，吹扫系统可将惰性气体喷射到排气管内以从排气管吹扫残留排气。惰性气体也可冷却热回收锅炉和稀释任何泄露的流体，从而熄灭和/或抑制在排气管内的火焰。
图1描绘了可采用热回收锅炉吹扫系统的动力生产系统10的实施例。该动力生产系统10包括发动机，诸如燃气轮机发动机12，其生成可由废热回收系统16回收的废热。如可以了解的，燃气轮机发动机12作为产生废热的发动机的一个实例来提供，且并不意图为限制性的。在其它实施例中，本文所述的废热回收系统可用于从其它类型的生成废热的发动机回收热。举例而言，在其它实施例中，废热回收系统16可从往复式发动机或产生废热的其它合适的发动机回收热。
如图1所示，燃气轮机发动机12燃烧燃料(例如，液体或气体燃料)来驱动第一负载14。动力生产系统10还包括废热回收系统16，其从燃气轮机回收低质热以驱动第二负载18。根据某些实施例，第一负载14和第二负载18可能是用于产生电功率的发电机。但是，在其它实施例中，由动力生产系统10驱动的负载的类型可不同。
燃气轮机发动机12包括进气区段20、压缩机22、燃烧器区段24、涡轮26和排气区段28。涡轮26经由轴杆30联接到压缩机22。空气32可通过进气区段20而进入燃气轮机发动机12且流入到压缩机22内，在压缩机22中，空气可被压缩以向燃烧器区段24提供压缩空气34。在燃烧器区段24内，压缩空气34可能以促进燃料燃烧来产生燃烧气体36的燃料与空气比来与燃料混合。根据某些实施例，燃烧器区段24可包括绕轴杆30呈环形设置的多个燃烧器。
从燃烧器区段24，热燃烧气体36可流动通过涡轮26来经由轴杆30驱动压缩机22和/或第一负载14。举例而言，燃烧气体36可向涡轮26内的涡轮转子叶片施加原动力以使轴杆30旋转。在流动经过涡轮26之后，热燃烧气体可作为排气38离开燃气轮机发动机12，排气38流过排气区段28而离开燃气轮机发动机12。
在排气38流过排气区段28时，排气38可流过热回收锅炉40，热回收锅炉40可从排气38吸热以产生冷却的排气42。热回收锅炉40直接位于排气38的流动路径中使得排气38可直接向流过热回收锅炉40的工作流体传热。然后冷却的排气42可离开排气区段28且可被引导通过管道43而到达烟囱44，在烟囱44，气体可通往大气。
如关于图2进一步描述，排气区段28还可包括旁路管46，其允许排气38离开排气区段28而不流过热回收锅炉40。如果热回收锅炉40出现可能会使来自该热回收锅炉40的可燃有机工作流体向排气38暴露的泄漏，则可采用旁路管46来从排气区段28移除排气38。当启用旁路模式时，排气38可被引导通过旁路管46以作为绕开热回收锅炉40的旁路排气48离开排气区段28。旁路排气48可被引导至烟囱44，在烟囱44中，气体可通往大气。如图所示，旁路排气48和冷却的排气42两者可被引导至同一烟囱44。但是，在其它实施例中，旁路排气48和冷却的排气42可被引导至分开的烟囱。
随着排气38流过设置于排气区段28的排气路径内的热回收锅炉40，热排气38可向工作流体回路50内的流过热回收锅炉40的工作流体传热。根据某些实施例，热回收锅炉40可为翅片和管式热交换器，其允许工作流体在工作流体回路50内、直接在排气38的路径中循环。因此，排气38可向在废热回收系统16内循环的工作流体直接传热，而不是通过诸如油回路的中间回路传热。
根据某些实施例，废热回收系统16可在工作流体回路50内循环有机工作流体以从排气38回收废热。可采用任何合适的有机工作流体，诸如烃流体或制冷剂。由于有机工作流体相对较低的相变焓，使用有机工作流体可特别地适合于废热回收回路50。根据某些实施例，有机工作流体可为有机高分子量流体，其具有比水更高的蒸气压力和更低的临界温度。
随着工作流体通过热回收锅炉40流动，工作流体可从排气38吸热，使得所有或很大一部分工作流体从液相变成气相。被加热的工作流体然后可流到膨胀机发电机组52，其中工作流体可膨胀以驱动第二负载18。举例而言，膨胀机发电机组52可包括膨胀机，其可联接到发电机以从被加热的工作流体的膨胀产生电力。从膨胀机发电机组52起，工作流体可流到冷凝器54，其中工作流体可被冷凝。根据某些实施例，冷凝器54可为空气冷却的热交换器。但是，在其它实施例中，可采用任何合适类型的冷凝器。
冷凝的工作流体然后可流过泵56，泵56使工作流体返回到热回收锅炉40，在热回收锅炉40中可再次开始该过程。在其它实施例中，额外设备，诸如阀、温度和/或压力传感器或换能器、接收器等等，可包括于废热回收系统16中。举例而言，在某些实施例中，同流换热器或预热器可包括于热回收锅炉40上游以在工作流体进入到热回收锅炉40之前预热工作流体。另外，废热回收系统16可作为新动力生产系统10的部分安装和/或可改造到现有动力生产系统10内。举例而言，在某些实施例中，现有燃气轮机12可被改造为具有将热回收锅炉40设置于排气区段28中的废热回收系统16。
如图1所示，热回收锅炉40直接在热排气38的流动路径中位于排气区段28内。当与使用中间回路来从排气到废热回收系统间接传热的系统相比时，从排气到废热回收系统16的直接传热可提高废热回收系统16的总效率。另外，排除二次回路可降低资本和/或操作成本。但是，由于有机工作流体的潜在的易燃性，可能合乎需要的是在系统停顿期间和/或在热回收锅炉40中泄露的情况下从排气区段28移除排气38，热回收锅炉40中的泄露可能会允许工作流体从热回收锅炉向排气区段28泄露。因此，图2和图3描绘了惰性气体吹扫系统，其可用于从排气区段28移除排气38和/或稀释排气38。
如图2所示，排气38可通过开口58流动以进入到排气区段28的内部体积60，如大体上由箭头61所示。热回收锅炉40可位于内部体积60内、排气38的流动路径中。热回收锅炉40包括带翅片的管62，工作流体在其中循环。根据某些实施例，带翅片的管62可大体上垂直于排气38穿过内部体积60的流动而设置，以促进从排气38到在带翅片的管62内循环的工作流体的良好传热。
在排气38流过热回收锅炉40之后，冷却的排气42可离开排气区段28且通过入口63进入烟囱44。如上文所讨论，由于在带翅片的管62内循环的工作流体可能潜在地易燃，可能合乎需要的是在带翅片的管62中泄露的情况下从内部体积60移除排气38。因此，在泄露的情况下，并非引导排气38通过开口58而到达内部体积60，排气38可被引导通过开口64而通过旁路管46流动，如大体上由图3中的箭头65示出。
为了使排气38的流动改变方向而通过旁路管46，可采用一个或多个阀66的系统，其可在如图2所示的废热回收位置与如图3所示的旁路位置之间切换。阀66可包括任何类型的流动引导、切换和/或节流装置，其可在位置之间切换，以便在一个位置上允许流动且在另一位置上限制流动。根据某些实施例，该阀66可包括挡板或气闸；但是，在其它实施例中，可采用任何合适类型的阀。
在废热回收位置上，阀66可定位成引导排气38通过内部体积60，如图2所示。在旁路位置上，阀66可定位成引导排气38通过旁道管46，如图3所示。尽管阀66在图2和图3中被示出为单个挡板，在其它实施例中，可采用两个或更多个挡板和/或气闸的系统，以便在内部体积60与旁路管46之间切换排气流动。
在图2所示的废热回收模式中，阀66定位于开口64上以允许排气38通过开口58流入到内部体积60，在内部体积60中，排气38可流动经过热回收锅炉40。风门片(flap)69可在入口63内打开以允许排气从内部体积60通过入口63流入到烟囱44内。另外，风门片71可在旁路管46内关闭以阻碍排气从烟囱44流到旁路管46内。风门片69和71可定位于管道43内，烟囱入口63和67内或旁路管46和排气区段28内。另外，在某些实施例中，可省略风门片69和71。
当如图3所示启用旁路模式时，阀66可定位于开口58上以允许排气38通过开口64流入到旁路管46内。因此，在旁路模式中，排气38可通过流过旁路管46且通过入口67流入到烟囱44内而绕开热回收锅炉40。在旁路模式中，风门片71可打开以允许排气从旁路管46通过入口67流到烟囱44。另外，风门片69可关闭以阻碍排气从烟囱44通过入口63流入到内部体积60内。
当在热回收锅炉40的带翅片的管62中检测到泄漏时可采用旁路管46。因此，可采用一个或多个传感器68来检测带翅片的管62中的泄漏。举例而言，在工作流体为烃流体的实施例中，传感器68可测量离开内部体积60的排气中的烃水平。增加的烃水平可指示带翅片的管62内的泄漏。在另一实例中，传感器68可被设计成检测热回收锅炉40中或周围的火焰的存在(诸如通过测量紫外光)。火焰存在可指示带翅片的管62内的泄漏。在又一实例中，可采用多个传感器68，诸如多个烃传感器，多个火焰检测传感器或其组合。另外，在其它实施例中，传感器68可被设计成测量指示排气38组成的其它参数。根据某些实施例，传感器68可位于通向烟囱44的入口63中。但是，在其它实施例中，传感器68可位于内部体积60内。
传感器68可通信地联接到控制器70，控制器70可用于改变阀66的位置。举例而言，控制器70可从传感器68接收指示带翅片的管62中存在泄漏的输入，诸如烃水平。响应于接收到该输入，控制器70可向阀66发送控制信号以移动阀来关闭开口58，如图3所示，从而引导排气38通过开口64且进入到旁路管46内。根据某些实施例，控制器70可包括模拟-数字(A/D)转换器，微处理器、非易失性存储器和接口板以及其它构件(amongcomponents)。但是，在其它实施例中，并非由控制器70电子地控制，阀66可机械地和/或手动地控制。举例而言，在某些实施例中，控制器70可产生输出，诸如警报，其指示阀66应(例如)由操作者移动以关闭该开口58。
控制器70也可操控惰性气体喷射系统72的操作，惰性气体喷射系统72可用于在阀66移动到旁路位置之后从内部体积60吹扫残留排气38。惰性气体喷射系统72可包括惰性气体供应74，诸如向惰性气体喷射系统72供应惰性气体的一个或多个高压气缸。如本文所用的术语“惰性气体”应表示适合于抑制燃烧、防止爆炸或熄灭火焰(主要是通过稀释和/或转移排气中的氧来进行)的任何气体或气体的混合物。根据某些实施例，惰性气体可包括氮气和/或二氧化碳。
管路76可用于将来自惰性气体供应74的惰性气体引导到内部体积60内。阀78可包括于管路76内以调节自储罐74到内部体积60的惰性气体流量。举例而言，在系统以废热回收模式操作时，阀78可关闭以防止惰性气体进入内部体积60，且在该系统以旁路模式操作时可打开以允许惰性气体进入内部体积60。另外，在某些实施例中，可采用阀78来增加和降低进入到内部体积60内的惰性气体的流率。尽管在图2和图3中示出仅一个阀78，但在其它实施例中，多个阀78的系统可包括于管路76内。
控制器70可通过阀78来操控惰性气体喷射系统72的操作。根据某些实施例，控制器70可响应于检测到泄漏而打开阀78以允许惰性气体进入内部体积60。惰性气体可通过一个或多个喷嘴79进入内部体积，一个或多个喷嘴79可从管路76将惰性气体喷入内部体积60内。根据某些实施例，喷嘴79可允许惰性气体以相对较高的流率喷射到内部体积60内。另外，喷嘴79可沿着内部体积60的顶部、底部和/或侧部以及在内部体积60的排气入口区周围定位。
随着惰性气体进入内部体积60，惰性气体可转移内部体积60内的残留排气38，使得残留排气离开内部体积60且通过入口63进入烟囱44。因此，当启用旁路模式时，风门片69可保持打开而持续某一时间段，以允许残留排气通过入口63离开内部体积60。在残留排气离开内部体积60之后，风门片69可关闭，如图3所示，以抑制排气从烟囱44通过入口63流到内部体积60中。惰性气体还可冷却带翅片的管62和内部体积60，从而降低内部体积60内的压力和温度。另外，惰性气体可在内部体积60内稀释氧气和烃蒸气，从而熄灭存在于内部体积60内的任何火焰和/或抑制排气区段28内的火焰和/或爆炸。
在阀78打开以允许惰性气体进入内部体积60之后，控制器70可停止泵56的操作，该泵56使工作流体通过热回收锅炉40循环。当泵56被停止时，工作流体可从热回收锅炉40蒸发且在工作流体回路50内收集。因此，可抑制额外工作流体通过热回收锅炉40泄漏到内部体积60。
图3描绘了当该系统处于旁路模式以引导排气38通过旁路管46时的排气区段28。如图3所示，阀66定位于开口58上以关闭开口58，且允许排气38通过开口64流到旁路管46。因此，进来的排气38将被引导到旁路管46而不是到容纳热回收锅炉40的内部体积60。如图2和图3所示，单个阀66可移动以关闭开口58且允许通过开口64流动。但是，在其它实施例中，可采用多个阀66(诸如多个挡板或气闸，以及其它部件)的系统来使系统在废热回收模式与旁路模式之间切换，在废热回收模式中，排气进入内部体积60，在旁路模式中，排气进入旁路管46。
图4是描绘了可用于对内部体积60吹扫排气38的方法82的流程图。该方法82可始于检测(方框84)热回收锅炉40中的泄漏。举例而言，如图2所示，传感器68可检测增加的烃水平和/或火焰的存在。传感器68可向控制器70(图2)提供指示烃水平的信号。控制器70然后可比较该水平与预定阈值或变化率来判断是否存在泄漏。在其它实施例中，传感器68可判断是否存在泄漏且可向控制器70提供指示泄漏的控制输入。
响应于检测到泄漏，控制器70可将阀设置(方框86)到旁路位置。举例而言，如图3所示，控制器70可切换阀以关闭开口58且通过开口64将排气38引导到旁路管46内。在另一实施例中，可使用两个或更多个挡板，且在这些实施例中，控制器70可移动一个挡板以关闭开口58且可移动另一挡板以打开开口64。
在将阀66设置到旁路位置之后，控制器70然后可将吹扫气体喷射(方框88)到内部体积60内。举例而言，控制器70可通过打开阀78以允许惰性气体通过喷嘴79流入到内部体积60内而启动惰性气体吹扫系统。惰性气体然后可通过经由入口63将残留排气38从内部体积60转移到烟囱44来从内部体积60吹扫残留排气38。如在上文关于图2所提到的那样，惰性气体还可降低内部体积60内的温度，从而减少火的发生率和/或熄灭可存在于内部体积60内的任何火焰。控制器70也可停止(方框90)泵56(图1)的操作，泵56使工作流体通过热回收锅炉62循环。停止泵可抑制额外工作流体通过热回收锅炉40进入内部体积60。
在对内部体积60吹扫了排气38之后，可进行维修以维修热回收锅炉40内的任何泄露。举例而言，可维修或替换带翅片的管62。在完成维修之后，阀66可复位到废热回收位置，如图2所示，其允许进来的排气38再次进入内部体积60。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还能使本领域任何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。本发明的专利保护范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元素，则这样的其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于热回收锅炉的系统，包括：
能够在废热回收位置与旁路位置之间切换的阀系统(66)，该废热回收位置被配置成引导进来的排气(38)通过发动机(12)的排气区段(28)的内部体积(60)，该旁路位置被配置成引导进来的排气(38)通过旁路管(46)以绕开设置于所述内部体积(60)内的所述热回收锅炉(40)；以及
惰性气体吹扫系统(72)，其被配置成将惰性气体喷射到所述内部体积(60)内，以从所述内部体积(60)转移残留排气(38)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述惰性气体吹扫系统(72)包括被配置成选择性地允许和禁止惰性气体从惰性气体供应(74)流到所述内部体积(60)的惰性气体阀系统(78)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述惰性气体吹扫系统(72)包括流喷嘴(79)，该流喷嘴(79)被配置成安装于所述内部体积(60)内以将惰性气体喷射到所述内部体积(60)中。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括控制器(70)，其被配置成响应于检测到所述热回收锅炉(40)中的泄漏将所述阀系统(66)移动到旁路位置以及启动所述惰性气体吹扫系统(72)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，包括传感器(68)，其被配置成检测在所述内部体积(60)内的有机工作流体的量，以检测所述热回收锅炉(40)中的泄漏。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热回收锅炉(40)被配置成循环来自废热回收系统(16)的有机工作流体。
7.一种用于热回收锅炉的方法(82)，包括：
检测(84)从所述热回收锅炉(40)到发动机(12)的排气区段(28)的内部体积(60)内的有机工作流体泄漏；
响应于检测到泄漏将阀设置(86)到旁路位置，以引导进来的排气(38)绕开所述排气区段(28)的内部体积(60)；以及，
响应于检测到泄漏将惰性气体喷射(88)到所述内部体积(60)内，以从所述内部体积(60)转移残留排气(38)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，检测(84)泄漏包括检测离开所述内部体积(60)的烃水平的提高。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将阀设置(86)到旁路位置包括移动所述阀以打开通向旁路管(46)的入口(64)以及关闭通向所述内部体积(60)的入口(58)。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包括响应于检测到所述泄漏而停止(90)使有机工作流体循环通过所述热回收锅炉(40)的泵。
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