CN103666581B

CN103666581B - 用于适应合成气冷却器中的不均匀热膨胀的系统

Info

Publication number: CN103666581B
Application number: CN201310418291.1A
Authority: CN
Inventors: 陈联元; J.C.施莱歇尔
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2033-09-13
Also published as: US9688927B2; CN103666581A; US20140069612A1

Abstract

本发明涉及一种用于适应合成气冷却器中的不均匀热膨胀的系统。本发明公开一种系统，所述系统包括配置用于冷却合成气的合成气冷却器。所述合成气冷却器包括：容器，所述容器具有头部和第一开口；以及第一管，所述第一管延伸穿过所述第一开口。所述第一管配置用于将受热的流体输送到所述容器外。第一法兰连接设置在所述第一开口周围，其中所述第一管延伸穿过所述第一法兰连接并且连接到所述法兰连接。

Description

用于适应合成气冷却器中的不均匀热膨胀的系统

技术领域

本发明总体上涉及气化，确切地说，涉及适应诸如辐射合成气冷却器（RSC）、淬火气化器、对流冷却器、热交换器，或者内部管伸出压力容器的其他应用等应用中的不均匀热膨胀。

背景技术

通常，合成气冷却器用于冷却气化器中的合成气，所述气化器通过气化反应生成合成气。因此，合成气冷却器可以用于整体气化联合循环（IGCC）发电厂或者煤化工厂中，以冷却气化器中的合成气流，以便合成气下游进行进一步处理，同时产生可以用于工厂各处的高压蒸汽。合成气冷却器可以通过将至少一个合成气热量转移到冷却流体来冷却产物合成气。因此，为了实现合成气冷却，合成气冷却器内的部件可能要承受明显的热梯度，特别是在启动过程中。热梯度可能导致合成气冷却器内部件的热膨胀不均匀，从而对合成气冷却器的部件产生热应力。但是，为了避免对部件产生潜在损坏，合成气冷却器涉及可能包括高级组装方法以及管道布置，从而适应热膨胀。遗憾的是，这些高级组装方法可能会阻碍实现对管和容器连接进行完整的非破坏性检查的能力。此外，高级组装方法可能十分昂贵且耗时。

发明内容

在范围上与最初提出权利要求的发明匹配的特定实施例总结如下。这些实施例并不用于限定本发明的范围，相反，这些实施例仅用于提供本发明可能形式的简述。事实上，本发明可以包括各种形式，这些形式可能与下文提出的实施例类似或不同。

在第一实施例中，一种系统包括配置用于冷却合成气的合成气冷却器，其中所述合成气冷却器包括：容器，所述容器包括具有第一开口的壁；以及第一管，所述第一管延伸穿过所述壁中的第一开口。所述第一管配置用于输送流体，并且所述第一管配置用于沿第一管的第一轴经历热膨胀或热收缩。第一法兰连接设置在第一管与容器的壁之间，其中所述第一法兰连接包括通过至少一个可拆卸紧固件彼此相连的第一和第二法兰部分。

在第二实施例中，一种系统包括配置用于冷却合成气的合成气冷却器，其中所述合成气冷却器包括：容器，所述容器包括具有第一开口的壁；以及第一管，所述第一管延伸穿过所述壁中的第一开口。所述第一管配置用于输送流体，并且所述第一管配置用于沿第一管的第一轴经历热膨胀或热收缩。第一膨胀接头设置在第一管与容器的壁之间，其中所述第一膨胀接头包括第一波纹管。

在第三实施例中，一种系统包括热交换器，所述热交换器包括：容器，所述容器包括具有包括第一开口的壁；以及第一管，所述第一管延伸穿过所述壁中的第一开口。所述第一管配置用于输送流体，并且所述第一管配置用于沿第一管的第一轴经历热膨胀或热收缩。第一膨胀接头设置在第一管与容器的壁之间，其中所述第一膨胀接头包括第一波纹管。第一法兰连接设置在第一管与容器壁之间，其中所述第一法兰连接包括通过至少一个可拆卸紧固件彼此相连的第一和第二法兰部分。

附图说明

在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的字符代表所有附图中类似的部分，其中：

图1是合成气冷却器的一项实施例的截面侧视图（例如，辐射合成气冷却器）；

图2是沿图1中的线2-2截取的合成气冷却器的头部的一项实施例的透视图；

图3是沿图2中的线3-3截取的合成气冷却器的头部上的出口组件的一项实施例的截面图；

图4是图3所示另一实施例的示意图；以及

图5是图3和4所示另一实施例的示意图。

具体实施方式

下文将介绍本发明的一项或多项具体实施例。为了简要描述这些实施例，可能不会在说明书中描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任意工程或设计项目中开发任意此类实际实施方案时，均应当做出与实施方案特定相关的各种决定，以实现开发人员的特定目标，例如，是否要遵守与系统相关以及与业务相关的限制，这些限制可能会因实施方案的不同而有所不同。此外，应了解，此类开发可能非常复杂耗时，但无论如何对受益于本揭示案的一般技术人员而言，此类开发仍是常规的设计、建造和制造操作。

在介绍本发明各种实施例的元件时，“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个该元件。术语“包含”、“包括”以及“具有”旨在表示包括性含义，且表示除了所列元件外，可能还有其他元件。

本发明涉及适应热交换器内的不均匀热膨胀，例如合成气冷却器（例如，辐射合成气冷却器或淬火冷却器）的头部，尤其是解决上升装置的热膨胀。合成气冷却器在IGCC发电厂或煤化工厂中换热，以便冷却气化器中的产品合成气流。因此，合成气冷却器内的部件（例如，管道）可能经受巨大的热梯度，从而导致部件（例如，上升装置）的热膨胀不均匀。在刚性固定（例如，焊接）的部件中，热膨胀可能导致变形甚至故障。此外，也可以采用高级组装方法（例如，复杂焊接程序和几何结构）来承受固定部件的不均匀热膨胀。所述高级方法和几何结构可以使用具有特殊资质的焊工，并且可能禁止对所得的焊接进行完整检查（例如，100%质量控制），导致费用、材料使用率和时间增加。

为了适应不均匀的热膨胀，伸出合成冷却器头部的管道可以包括设置在法兰连接内的膨胀接头。增加法兰连接可以简化焊接操作，从而无需特定资质的焊工。此外，法兰连接可以简化焊接几何结构，从而通过非破坏性测试（NDT）方法改进焊接检查。例如，可以在与法兰连接关联的焊接上进行超声传输或放射线照相传输测试。同时，膨胀接头可以适应具有波纹管特征的合成气冷却器头部内管道在轴向上的不均匀热膨胀。此外，膨胀接头可以提高合成气冷却器头部内所允许的温度差。由法兰连接与膨胀接头相结合而实现的提高的可操作性可以获得整体简化但稳健的设计，同时降低时间和成本。尽管相对于合成气冷却器进行描述，但是膨胀接头和法兰连接可以用于内部管伸出压力容器的任何应用中。

图1是用于IGCC系统中的辐射合成气冷却器10的一项实施例的截面侧视图。RSC10可以使用下文进一步描述的与图2和3相关的的不均匀的热膨胀管理组件（例如，法兰连接50具有带波纹管81的膨胀接头80）。RSC 10的各方面可以参考轴向或轴12以及径向或轴14进行描述。例如，轴12对应于纵向中心线或总线，而轴14对应于相对于纵向中心线的横向或径向。此外，RSC 10具有中心轴15，所述中心轴与轴向轴12平行。

RSC 10接收气化器16中产生的合成气。RSC 10对合成气进行冷却，然后将其输送到IGCC发电厂或煤化工厂内的其他位置。冷却可以在封装RSC 10的内部部件的容器18内开始。容器18可以包含冷却管或管道20，这些管道平行于容器18延伸，所述容器可以对于合成气冷却器而言垂直取向，或者对于对流冷却器而言垂直取向（相对于轴向轴12）。诸如水等液体可以流过管20并用作冷却剂。因此，管20可以在RSC 10内促进管20中的冷却剂与进入容器18的合成气之间的热交换过程。管20可以将冷却剂循环到外部热交换器中，以去除所捕获的热量。气化器16中产生的合成气可以在容器18的腔中如箭头22所示平行于管20的方向总体上向下游流动。通过这种方式，合成气可以在RSC 10内与管20的外表面接触，并且流过管20的流体可以在流过RSC 10时去除合成气中的热量。冷却过程的一个结果可以是在管20中产生热的冷却剂。

例如，流过冷却管20的流体可以是水。所述流体可以为约330摄氏度。在另一项实施例中，水的温度可为230℃至355℃、200℃至400℃、260℃至340℃或更高温度，由加工工业需求决定。相反，穿过容器18的合成气可以在约425°至1530℃的范围内。例如，当初始化RSC 10时，穿过容器18的合成气的温度可以为约425℃。但是，随着RSC 10继续运作（例如，在初次启动之后），合成气可以达到约1100℃至1530℃。随着受热的合成气与管20相互作用，其可以将热量转移至管20内的流体，以及管20本身，从而实现合成气的冷却。受热的冷却流体（例如，水）可能经历相变（例如，变为蒸汽），并且如箭头24所示向上游流动。在离开容器18后，受热的流体/管20可能足够热到足以使管20内产生热膨胀。为防止因热膨胀而形成部件应力，管20可以包括膨胀接头80（参见图3），所述膨胀接头设置在出口组件26内。膨胀接头80可以实现管道20的轴向调整，以补偿热膨胀，同时出口组件26可以简化组装过程。

RSC 10的下部28可以分离炉渣（例如，气化废物副产物）与合成气。炉渣可以通过淬火锥体30排出RSC 10，而冷却的产物合成气通过传输管线32排出RSC 10。合成气可以用作IGCC系统的燃气涡轮机中的燃料，或者可以进一步处理以形成其他化学制品。

图2是沿图1中的线2-2截取的容器18的头部46的一项实施例的透视图。再次指出，图示的实施例可以采用包括带波纹管81的膨胀接头80的一个或多个法兰连接50，以通过头部46等实现各种管道的热膨胀和收缩。如图所示，头部46包括圆柱形（例如，扁圆形顶部）。在其他实施例中，头部46可以包括其他形状（例如，图1所示的圆顶形）。头部46可以包括多个开口47，以设置降液管48和管20。降液管48将冷却流体传输到RSC 10中。管20将已用的冷却流体（例如，受热的冷却剂）输出到RSC 10以外。冷却流体（例如，液体或气体）可以是水、空气、油，或其他合适的冷却剂流体。例如，当水用作冷却流体时，降液管48可以输送水，管20可以输送蒸汽。管20伸出头部46之后，管20即暴露于RSC 10外的环境条件下。由于管20中的流体与RSC 10外的环境条件之间存在巨大温度差，因此管20可能承受巨大的热梯度。此外，头部46的温度可以小于含有受热冷却剂的管20的温度，从而形成热差异。热梯度可能导致管20内的热膨胀不均匀。如下文详细所述，含有膨胀接头80的出口组件26可用于缓和管20的热膨胀。

出口组件26可以包括法兰连接50（例如，环形法兰连接），以简化用于将管20连接到RSC 10的头部46的焊接程序。法兰连接50可以包括环形的第一法兰部分52和环形的第二法兰部分54，这两个部分通过螺栓55或其他紧固件连接在一起。在一些实施例中，法兰连接50可以通过作为对螺栓55的附加或替代的焊接连接。每个法兰连接50可以设置在开口47周围。第一法兰连接52可以与具有一个法兰形端部53的简单管部分类似，并且具有大于管20的外径的均匀内径。第二法兰部分54可以与喷嘴类似，具有较大的带法兰的端部56。第二法兰部分54的法兰形端部56的内径可以大于管20的外径。第二法兰部分54的较小端部58（例如，喷嘴端）可以具有仅略大于管20的外径的内径。

如图2所示（图3中更详细地图示），第一法兰部分52可以在各自的法兰形端部53和56处通过螺栓55或其他紧固件连接到第二法兰部分54以形成法兰连接50。第一法兰部分52的管部分（例如，非法兰形端部）可以直接连接（例如，焊接）到容器18的开口47。但是，可以基于具体的设计意图而使用其他连接方法（例如，紧固件、粘合剂、铜焊、干涉配件等）。管20可以延伸穿过容器18和出口组件26。在伸出第二法兰部分54的较小端部58（例如，喷嘴端）之后，管20可以在其较小端部58处连接（例如，焊接）到第二法兰部分54。

图2示出了容器18的头端46，所述头端具有多个降液管48和出口组件26。在图示的实施例中，降液管48和出口组件26在容器18的上表面62上设置于开口47中，并且被布置成使其中心轴63平行于轴向12取向。此外，降液管48和出口组件26同心布置于围绕RSC 10的中心轴15的环中（例如，围绕中心轴15的周向64）。在图示的实施例中，降液管48在径向14上（例如，朝向上表面62的外边缘）与RSC 10的中心轴15之间的距离相对于出口组件26而言较远。但是，图2仅用于示例，并不限制降液管48和出口组件26的布置。可以使用任何合适数量的降液管48和出口组件26，例如，约2个至40个，6个至30个，8个至20个，或者其他数量。此外，降液管48和/或出口组件26与RSC 10中心轴15的径向14距离可以沿容器18的上表面62不同。此外，降液管48和/或出口组件26可以位于容器18的圆柱形表面66上。

图3是沿图2中的线3-3截取的具有伸出RSC 10头部46的管20出口组件26的一项实施例的截面图。管20包括膨胀接头80的一项实施例，膨胀接头80能够沿轴向12膨胀和收缩，同时保留管20的受热冷却剂。膨胀接头80可以由与管20相同的材料构成，以便具有持续的传热特性。或者，膨胀接头80可以基于设计目标，由与热性质与管20不同的材料构成。膨胀接头80可以包括至少一个波纹管81，所述波纹管具有围绕出口组件26的轴63周向64延伸的一个或多个弯曲、转向或皱褶82。弯曲82可以界定弧形或成角度环形部分的曲折、波浪或振荡结构，从而能够响应于管20的热膨胀或收缩而展开或折叠。波纹管81可以实现沿其中心轴63调整管20在轴向12上的长度。图示的波纹管81包括四个弯曲82，而其他实施例可以包括1个至100个弯曲82。例如，波纹管81中可以使用约1个至100个，5个至50个，10个至30个，或者其他数量的弯曲82。增加弯曲82的数量能够实现更大程度的轴向12调整。轴向12调整可以减小由因管20内输送的热流体所施加的温度梯度而引起的不均匀热膨胀导致的潜在应力。此外，相对于RSC 10中不具有膨胀接头80的管而言，具有膨胀接头80的管20可以适应较大的温差，从而提高RSC 10的冷却可操作性。

如图3所示，膨胀接头80可以设置在出口组件26内，以便膨胀接头80的底部与法兰连接50对准。所述对准能够简化接入操作，是组装和维护操作所需的。但是，根据具体的实施标准，膨胀接头80可以位于沿管20的长度的各种位置。此外，膨胀接头80还可以用于法兰部分52和54中的任一部分或这两部分中。法兰连接50可以包括形成于第一法兰部分52和第二法兰部分54的法兰形端部53和56之间的接口86。接口86可以包括密封焊接88和/或环形垫片89，以阻挡容器18的腔中的合成气从容器18中泄漏。

如上所述，出口组件26的一个优势是使用简化的焊接程序和几何结构，以便降低焊接过程的成本和/或缩短时间。此外，简化的焊接程序和几何结构能够改进NDT检查方法，从而增加对RSC 10上焊接的质量控制（例如，更接近100%）。与法兰连接50一起，两个简单的焊接90可以用来将出口组件26固定到RSC 10的容器18和管20。简单焊接90可以用于将第一法兰部分52（在非法兰形端部上）连接到容器18的上表面62上的开口47，并且将第二法兰部分54的较小端部58（例如，喷嘴端）连接到管20。这些简单焊接90可以是全熔透的焊接，并且可以由具有标准资质的焊工设计，所用的时间短于具有复杂几何结构或程序的焊接。因此，可以使用诸如超声传输和/或放射线照相传输等NDT方法来检查简单焊接90，从而降低在未充分焊接的情况下操作RSC 10的可能性。能够100%检查的焊接可以简化检查（例如，针对裂痕/变形）和维护过程，从而节省时间和/或成本。

如上所述，具有波纹管81的膨胀接头80可以设置在出口组件26各处。在图3中，一个膨胀接头80沿管20设置在法兰连接50内，并且一个膨胀接头80沿第二法兰部分54设置。这种布置可以增大由沿轴63的热膨胀和收缩引起的调整。但是，图4和5提供了膨胀接头80位置的替代性实施例。图4示出了仅在出口组件26内沿管20设置的膨胀接头80。图5示出了作为第二法兰部分54的一部分，设置在出口组件26外部的膨胀接头80。在进一步的实施例中，具有波纹管81的膨胀接头80可以沿管20设置，作为第一法兰部分52的一部分、作为第二法兰部分54的一部分，或者其任何组合。

所公开实施例的技术效果包括适应合成气冷却器或具有伸出外部的内部管道的其他容器内的不均匀热膨胀。此类系统可以包括刚性固定的部件（例如，焊接）。固定部件内的热膨胀可能导致变形甚至故障。此外，可能需要结合使用高级组装方法（例如，焊接），以承受不均匀的热膨胀。高级焊接方法和几何结构可能使用具有特殊资质的焊工，并且可能无法对所得焊接进行透彻地检查（例如，100%质量控制）。为了适应不均匀的热膨胀而不使用复杂的焊接，伸出容器18的管道20（例如，上升装置）可以具有设置在法兰连接50内的膨胀接头80。添加法兰连接50可以简化焊接操作，从而无需特殊资质的焊工。此外，法兰连接50可以简化所使用的焊接几何结构，以便使用简单焊接90，同时通过非破坏性测试方法改进对焊接90的检查（更接近100%的质量保证）。设置在管道20内的膨胀接头80可以适应管道20在径向12上沿其中心轴63的不均匀热膨胀。例如，膨胀接头80可以包括弹性膨胀接头，所述弹性膨胀接头可以包括具有一个或多个弯曲82的波纹管81，所述波纹管可以随管20的热膨胀和收缩轴向膨胀和收缩。此外，膨胀接头80可以增加容器18与伸出管20之间的允许温差。法兰连接50与膨胀接头80相结合能够节省构建和/或操作合成气冷却器或其他压力容器系统的时间和成本。

本说明书使用各个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何器件或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也在权利要求书的范围内。

Claims

1.一种用于合成气冷却器的系统，包括：

配置用于冷却合成气的合成气冷却器，其中所述合成气冷却器包括：

容器，所述容器包括具有第一开口的外壁；

第一管，所述第一管延伸穿过所述外壁中的所述第一开口，其中所述第一管配置用于输送流体，并且所述第一管配置用于沿所述第一管的第一轴和所述容器的纵轴进行轴向热膨胀或轴向热收缩；

第一法兰连接，所述第一法兰连接在所述容器的所述外壁外围绕所述第一开口设置、并且连接到所述第一管和所述容器的所述外壁，其中所述第一法兰连接包括通过至少一个可拆卸紧固件彼此相连的第一法兰部分和第二法兰部分，所述第一法兰部分具有第一端和第二端，所述第二法兰部分具有第三端和第四端，所述第一端直接接触、并连接到所述外壁，并且所述第二端和所述第三端相互交界且相互连接；以及

第一波纹管，所述第一波纹管具有第五端和第六端，所述第五端直接接触并连接到所述第二法兰部分的所述第四端，所述第六端直接接触并在所述外壁外的第一位置处连接到所述第一管，其中所述第一波纹管构造为补偿所述第一管的所述轴向热膨胀和所述轴向热收缩。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个可拆卸紧固件包括螺纹紧固件。

3.根据权利要求2所述的系统，包括设置在所述第一法兰部分与所述第二法兰部分之间的密封件。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一法兰连接沿所述合成气冷却器的头部设置。

5.根据权利要求1所述的系统，包括第一膨胀接头，所述第一膨胀接头设置在所述第一管与所述容器的所述外壁之间。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述系统进一步包括在所述外壁外和所述第一法兰部分内的第二位置处设置于所述第一管的管壁中的第二波纹管，并且所述第二波纹管构造为补偿所述第一管的所述轴向热膨胀和所述轴向热收缩。

7.根据权利要求1所述的系统，包括连接到所述合成气冷却器的气化器。

8.一种用于合成气冷却器的系统，包括：

容器，所述容器包括具有第一开口的外壁；

第一管，所述第一管延伸穿过所述外壁中的所述第一开口，其中所述第一管配置用于输送流体，并且所述第一管配置用于沿所述第一管的第一轴和所述容器的纵轴进行轴向热膨胀或轴向热收缩；以及

第一膨胀接头，所述第一膨胀接头连接到所述第一管，其中所述第一膨胀接头包括用于补偿所述第一管的所述轴向热膨胀和所述轴向热收缩的第一波纹管，其中所述第一波纹管在所述外壁外的第一位置处设于所述第一管的管壁内。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一膨胀接头具有设置于中间壁内的第二波纹管，所述中间壁在所述第一管与所述容器的所述外壁之间延伸。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述中间壁包括法兰连接，所述法兰连接具有通过至少一个可拆卸紧固件彼此相连的第一法兰部分和第二法兰部分。

11.根据权利要求8所述的系统，包括设置在所述第一管与所述容器的所述外壁之间的法兰连接，其中所述法兰连接包括通过至少一个可拆卸紧固件彼此相连的第一法兰部分和第二法兰部分。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个可拆卸紧固件包括螺纹紧固件、焊接连接，或者其组合。

13.根据权利要求11所述的系统，包括设置在所述第一法兰部分与所述第二法兰部分之间的密封件。

14.根据权利要求8所述的系统，包括连接到所述合成气冷却器的气化器。

15.一种用于热交换器的系统，包括：

热交换器，所述热交换器包括：

容器，所述容器包括具有第一开口的外壁；

第一膨胀接头，所述第一膨胀接头设置在所述第一管与所述容器的所述外壁之间，其中所述第一膨胀接头包括用于补偿所述第一管的所述轴向热膨胀和所述轴向热收缩的第一波纹管；以及

第一法兰连接，所述第一法兰连接设置在所述第一管与所述容器的所述外壁之间，其中所述第一法兰连接包括通过至少一个可拆卸紧固件彼此相连的第一法兰部分和第二法兰部分；其中，所述第一膨胀接头和所述第一法兰连接都设置在所述外壁外，所述第一波纹管具有第一端和第二端，所述第一端直接接触、并连接到所述第一法兰连接的所述第二法兰部分，并且所述第二端直接接触和连接到所述第一管。

16.根据权利要求15所述的系统，包括具有所述热交换器的合成气冷却器。

17.根据权利要求16所述的系统，包括连接到所述合成气冷却器的气化器。