CN105051456A - 热回收蒸汽发生器中的局部烟气稀释 - Google Patents

Abstract

一种热回收蒸汽发生器(HRSG)(10)，包括：配置成通过从烟气(20)流中提取热来加热工作流体的节热器(12)。HRSG包括配置成注入用于当与烟气流中的气态腐蚀物的未稀释浓度相比时稀释气态腐蚀物的浓度的稀释流体(50)的稀释流体注入器布置(60)。HRSG还包括配置成在注入之前对稀释流体预加热的预加热器(18)。

Description

热回收蒸汽发生器中的局部烟气稀释

技术领域

本发明涉及凭借热回收蒸汽发生器中的较大热交换使联合循环发电设备的热效率最大化。特别地，本发明消除了将进入节热器(economizer)的工作流体预加热的需要，由此使得节热器能够从烟气(fluegas)中提取更多热。

背景技术

在联合循环发电设备中，热回收蒸汽发生器(HRSG)可以用来回收由诸如燃气涡轮发动机的操作等的单独过程所排放的热。HRSG接收排放气体并且使用各种热交换组成部件将来自排放气体的热传递至工作流体。在某些操作中，如果烟气被冷却低于阈值水平，则排放气体可能含有可引起对热交换组成部件造成损坏的腐蚀性元素。例如，使用高硫燃料的燃气涡轮操作产生具有相当高浓度的包括二氧化硫和三氧化硫在内的硫氧化物的烟气。当二氧化硫被氧化时，形成三氧化硫。接着当三氧化硫与水蒸汽结合时形成气态硫酸。如果被冷却低于硫酸露点，则硫酸气体将在包括热交换元件外表面在内的HRSG内表面上形成液体硫酸，并且液体硫酸将损坏内表面、特别是热交换元件外表面。当进入HRSG时烟气处于高于硫酸露点的温度，并因此在该部位液体硫酸的形成不是问题。随着烟气横穿HRSG并且热被从烟气吸引，烟气的温度冷却。如果烟气流被冷却低于水蒸汽温度，则除腐蚀物之外，水蒸汽也可能会在热交换元件上凝结并形成液体水。该液体水可能会干扰热交换过程并以不期望的方式使流动过程加速。

在传统HRSG操作下，要小心防止在HRSG中的任何部位处烟气的温度下降低于硫酸露点和/或水露点。这可以例如通过将进入布置在烟气流内的热交换元件的工作流体加热来完成，使得热交换元件的外表面保持充分地温暖以防止不希望的凝结。然而，在HRSG的热力学最佳操作中，进入HRSG内的热交换元件中的至少一个的工作流体将会处于低于烟气的硫酸露点和/或水露点的温度。在该热力学最佳方案中，相对冷的工作流体将会引起热交换元件的外表面低于露点，直到被加热。当烟气遇到相对冷的表面或者烟道内的已被相对冷的表面冷却的局部体积(localvolume)时，烟气冷却到低于硫酸露点。液体硫酸接着形成在热交换元件的相对冷的表面。液体硫酸接着充当减轻从烟气至工作流体的热传递的热绝缘体。这导致相对冷的工作流体更长保持较冷，这进而使硫酸将形成在之上的热交换元件的相对冷的表面的尺寸扩大。随着时间的推移，该液体硫酸可以损坏和/或破坏热交换元件。

解决该问题的一个传统解决方案一直是将进入热交换元件的工作流体预加热至高于硫酸露点的温度。在该情况中，由于工作流体在进入热交换元件时已经高于硫酸露点，所以液体硫酸将不会形成在热交换元件上。然而，将工作流体加热必然地使可以从烟气传递至工作流体的热的量减少。热传递上的该减少使热回收蒸汽发生器的热效率降低。结果，在现有技术中有改进的空间。

附图说明

下面的描述中结合附图说明本发明，附图示出：

图1是具有这里所公开的浓度稀释布置的示例性实施例的热回收蒸汽发生器(HRSG)的示意性图。

图2是这里所公开的HRSG热交换布置和浓度稀释布置的示例性实施例的俯视图。

图3是图2的HRSG热交换布置和浓度稀释布置的示例性实施例的侧视图。

图4是图2的HRSG热交换布置的热交换元件和图2的浓度稀释布置的注入布置的示例性实施例的图。

图5示出根据图2的浓度稀释布置的示例性实施例布置的多个热交换元件。

具体实施方式

本发明人意识到：当液体硫酸或液体水可能在热交换元件的一部分上形成并引起对热传递过程和烟气流造成损害的可能性存在时，需要将进入热交换元件的工作流体预加热，导致诸如使用燃气涡轮发动机和HRSG的发电设备等的联合循环发电设备中所使用的HRSG的热效率被降低。他们进一步意识到：在没有预加热的情况下，液体硫酸或水将会在热交换元件的这些部分上形成，因为这些部分会被工作流体冷却至低于硫酸露点的温度。发明人已设计了利用硫酸露点随着烟气中的气态硫酸的浓度变化的事实来解决腐蚀问题的创新性可选解决方案。该解决方案也可以用来防止液体水的形成和减轻与之相关联的问题。

代替将工作流体预加热或者使用牺牲性的热交换元件，发明人提议允许较冷的工作流体进入热交换单元。为减少和/或防止会在现有技术的HRSG中预料的液体硫酸的形成，发明人使液体硫酸否则可能会形成所在的烟气流内的局部体积中的气态硫酸的浓度局部稀释。由于预料到液体硫酸会形成在通过工作流体被冷却至低于未稀释的烟气中的硫酸露点的温度的热交换元件的一部分上，所以发明人提议使将具有未稀释的气态硫酸的烟气与热交换外表面的相对冷的一部分分开的局部体积中的气态硫酸的浓度稀释。因此，热交换元件的一部分可以限定出该被稀释的局部体积的一部分。可选地，该一部分可以部分地或整个地在被稀释的局部体积内。换句话说，发明人提议通过使被保护的表面与具有未稀释的气态硫酸的烟气分开而使局部体积内的局部硫酸露点降低来减少/防止形成液体硫酸，其中局部体积保护否则将易于形成液体硫酸所在的表面。

图1是总体示出的包括了热交换布置12和稀释布置14的HRSG的示意性图。为清楚起见，未图示出的是HRSG的已知蒸发器部分。在示出的示例性实施例中，热交换布置12已知是通常位于HRSG的较冷端部处的凝结物预加热器。然而，本发明可以应用于在没有稀释的情况下可能会形成不期望的液体所在的任何热交换元件。例如，热交换元件可以是从烟气中提取热并将热传递至随后行进通过蒸发器的工作流体(即，第二流体)的任何节热器。此外，虽然这里描述的示例性实施例解决了液体硫酸的形成，但是概念和结构可以用来防止当烟气中存在气态形式的腐蚀物时的诸如液体腐蚀物等的任何其他液体的形成。可以看到的稀释布置14的主要组成部件包括稀释流体源16和选择性的预加热器18。稀释流体源16可以是引起稀释流体流动的风扇或其他部件。预加热器18可以是将稀释流体预加热至期望温度的任何布置。在示出的示例性实施例中，预加热器18被示出为将来自烟气20(即，第一流体)流的热传递至(即，准许热连通至)稀释流体的烟气空气热交换器。在可选实施例中，预加热器可以例如是接收来自HRSG10中的另一工作流体的布置，或者是电的或是气动的等等。在这样的示例性实施例中，预加热器可以布置在烟气20流的外部。在操作中工作流体流过预加热器18，在那里被加热至期望的温度。工作流体接着流入与热交换元件(未示出)相邻的附加注入布置(未示出)中，在附加注入布置处工作流体被注入到烟气20流内，以创建具有气态硫酸的减小了浓度的烟气的局部体积(或多个体积)。各体积可以包括在待保护的表面上的膜。稀释流体源16可以根据需要对稀释流体加压，或者这可以诸如利用强制通风风扇等单独地完成。可选地，当只希望局部稀释时，预加热器18可以免除。

图2示出图1的热交换布置12和稀释布置14的俯视图和部分剖视图。在热交换布置12或凝结物预加热器内，可以有多排的热交换元件30，包括相对于流过其中布置有热交换元件30的管道36的烟气20的上游排32和下游排34。随着烟气20流行进通过热交换布置，烟气20流遇到了这些排的热交换元件30的外部/壳侧38。热从烟气20流传递至热交换元件30的第二侧40(即内部)上的工作流体。因此，随着烟气20流从热交换布置12的上游端42行进至下游端44，烟气20流冷却。工作流体从下游端44开始并且朝向上游端42工作地进入热交换元件30，在此期间来自烟气20流的热将工作流体加热。

从前述流动描述可以看出：在下游端44处，烟气20流将处于其最冷的温度并且工作流体也将处于其最冷的温度。在该示例性实施例中，在下游端处，烟气20流可以遇到具有外部侧38的热交换元件30，其中外部侧38的一部分可能会处于低于烟气20流中的未稀释的气态硫酸的露点的温度。因此，在下游端44处，将会创建具有气态硫酸的稀释了浓度的烟气20流内的体积46。该体积46将用来至少保护外部侧38的可能会处于低于未稀释的气态硫酸的露点的温度的一部分。

体积46可以通过经由可以包括注入器48的注入布置将稀释流体50、例如空气或其他非腐蚀性流体注入外部侧38的待保护的一部分的附近。这也可以在图3中看出，其中下游排34的一部分52横跨管道36内的热交换元件30的整个长度。然而，上游排32的一部分54横跨小于管道36内的热交换元件30的整个长度。这可以在当工作流体在行进通过下游排34的同时加热并继续在行进通过上游排32的同时加热时的示例性实施例中发生。到工作流体到达上游排32的一部分54的端部56时，工作流体已经被充分地加热使得处于高于烟气20流中的未稀释的气态硫酸的硫的露点的温度。处于或高于该温度，不再需要稀释，因为未稀释的气态硫酸将不会凝结在热交换元件30的外部侧38上。因此，如上所述，热交换元件30的易于处于会引起未稀释的气态硫酸凝结在其上的温度的一部分52、54由具有气态硫酸的稀释了浓度的体积46保护。这些部分52、54于是用来限定体积46的一部分。在示例性实施例中，稀释布置14可以仅保护需要保护的那些部分52、54。这些部分52、54可以例如占热交换布置12中的暴露于烟气20流的所有热交换表面的大约20％。然而，可以想象到其他因素可以影响设计考虑并因此外部侧38中或因此与易于凝结硫酸相比或多或少外部侧38可以被保护。

在该示例性实施例中示出为在烟气20流外部的预加热器18可以被配置成将稀释流体加温至接近注入点处的烟气20流的温度或与之相同的温度。对于上游排32上的注入器48，该温度将会是上游排32的紧接着的上游的烟气20流的温度。同样，对于下游排34上的注入器48，该温度可以是下游排34的紧接着的上游的烟气20流的温度。这可以是防止在烟气20流与热交换元件30的外部侧38之间形成不利热层所期望的，该不利热层可能会抑制热从烟气20流交换至工作流体。该增加的热中的一些可以在热交换过程期间经由传递至工作流体而被重新捕获。

图4公开了图2和图3的热交换元件30中的一个热交换元件及注入布置60的示例性实施例的特写视图。注入布置可以包括注入器48，其具有一个或多个注入歧管62、例如导管通道等，各歧管具有一个或多个出口64(即，孔)。稀释流体50可以沿纵向68行进通过注入歧管62并从出口64离开。出口64可以被形成为使得稀释流体50的流70快速合并以使体积46均匀。在示出的示例性实施例中，注入歧管62可以相对于烟气20流的行进方向布置在热交换元件30的上游侧72。出口64将稀释流体50基本上与外部侧38相切地注入。在该配置中，体积46包括覆盖外部侧38的膜74。这样的注入配置不会干扰热交换率。在该体积46内，可以是空气的稀释流体将气态硫酸的浓度稀释。这使体积内的硫酸露点降低。与外部侧38相邻的体积46中露点较低，工作流体的入口温度可以被减小至处于或稍微高于体积46中的气态硫酸的被稀释的浓度的露点的温度。使工作流体的入口温度降低允许了从烟气20流传递更多的热。因此，HRSG更加高效地操作。

可以在图5中以更细节看出上游排32和下游排34。在该示例性实施例中，稀释流体在围绕各热交换元件30的多个出口80处被注入。出口80形成上游体积82，在该示例性实施例中，该上游体积82包括在具有诸如气态硫酸等的腐蚀物的未稀释的浓度的烟气20流与上游排32(即第一热交换元件)的因为可能处于相对冷的温度而需要被保护的一部分54之间的第一膜84。下游排34(即第二热交换元件)可以具有通过其多个出口80被注入的它自己的稀释流体以形成下游体积86，在该示例性实施例中，该下游体积86包括在具有诸如气态硫酸等的腐蚀物的未稀释的浓度的烟气20流与下游排34的需要被保护的一部分52之间的第二膜88。

在示例性实施例中，上游排32和下游排34可以在烟气20流中被排列成使得注入上游体积82(即第一体积)内的稀释流体与烟气20流一起行进以对下游体积86(即第二体积)有贡献。与上游排32相关联的注入器48和出口80(即第一注入器和第一出口)可以注入和与下游排34相关联的注入器及出口80(即第二注入器和第二出口)相比相同量的稀释流体、更多的稀释流体或者较少的稀释流体。当设计期望的布置时可以考虑很多因素。例如，随着烟气20流从上游排32行进至下游排34，烟气20流冷却，同样使工作流体的温度冷却。因此，在下游体积86中可能需要较大量的稀释。这可以通过例如使更多的稀释流体流过下游排34以创建较大的下游体积86(和较厚的第二膜88)来实现。可选地或另外地，较厚的第二膜88可以通过具有如所示出的的布置来造成，其中用来形成上游体积82的稀释流体被允许对下游体积86有贡献。这可以准许使下游排34处注入的稀释空气的流减少的选项。具有从一个热交换元件30到下一个都相同的注入器48可以使制造简化。另一方面，具有变化的注入器可以准许可以期望的微调的自由度。另外，可以有注入空气控制系统90以准许被注入的稀释空气的量的主动控制。

含有这里所公开的概念的模型已经被预测使气态硫酸的浓度降低多达25％。这将使得通向凝结物预加热器的工作流体的入口温度能够被降低差不多20摄氏度。虽然到底多少取决于很多因素，但该降低的入口温度可以产生显著超过实施并维持稀释布置的成本的大量节约。结果，这里所公开的HRSG代表现有技术中的改进。

虽然在这里已经示出并公开了本发明的各种实施例，但显而易见的是，这样的实施例仅以示例的方式提供。可以在不脱离这里的发明的情况下做出改变和替换。于是，意在发明仅由随附权利要求的精神和范围限制。

Claims (19)

1.一种HRSG，包括：

被配置成通过从烟气流中提取热来加热工作流体的节热器，所述节热器包括稀释流体注入器布置，所述稀释流体注入器布置被配置成注入稀释流体用以有效创建在所述烟气流内的被稀释的体积，所述被稀释的体积包括当与所述烟气流中的气态腐蚀物的未稀释的浓度相比时气态腐蚀物被稀释的浓度；和

被配置成在注入之前将所述稀释流体预加热的预加热器。

2.根据权利要求1所述的HRSG，所述节热器进一步包括热交换器管，所述热交换器管包括以低于所述烟气中的未稀释的气态腐蚀物的露点的温度为特征的表面部分，所述表面部分通过所述被稀释的体积与包括所述未稀释的气态腐蚀物的所述烟气流至少部分地分开，其中所述被稀释的体积的所述气态腐蚀物以露点低于所述表面部分的温度为特征。

3.根据权利要求1所述的HRSG，其中所述预加热器包括布置在所述烟气流中且用于将热从所述烟气流传递至所述稀释流体的烟气空气热交换器。

4.根据权利要求1所述的HRSG，其中所述节热器包括：

上游热交换管的至少一部分，通过包括所述被稀释的气态腐蚀物的被稀释的上游体积与包括所述未稀释的气态腐蚀物的所述烟气流分开，和

下游热交换管的至少一部分，通过包括所述被稀释的气态腐蚀物的被稀释的下游体积与包括所述未稀释的气态腐蚀物的所述烟气流分开，

其中所述上游热交换管与所述下游热交换管对齐排列在所述烟气流内。

5.一种联合循环发电设备，包括根据权利要求1所述的HRSG。

6.一种HRSG，包括：

烟道；

热交换器，布置在所述烟道中并包括第一热交换元件，所述第一热交换元件配置成提供在所述烟道中且在所述第一热交换元件的壳侧上流动的第一流体与在所述第一热交换元件的第二侧上流动的第二流体之间的热连通；和

第一注入器布置，被配置成将稀释流体与所述第一热交换元件的所述壳侧相邻地注入烟道内。

7.根据权利要求6所述的HRSG，进一步包括被配置成在将所述稀释流体注入所述烟道内之前加热所述稀释流体的稀释流体预加热器。

8.根据权利要求7所述的HRSG，其中所述稀释流体预加热器包括用于将热从所述第一流体传递至所述稀释流体的烟气空气热交换器。

9.根据权利要求6所述的HRSG，其中所述第一注入器布置被配置成将所述稀释流体跨越所述第一热交换元件的所述壳侧注入，用于有效形成包括所述第一流体和在所述壳侧与所述第一流体之间的所述稀释流体的第一膜。

10.根据权利要求9所述的HRSG，其中所述第一热交换元件包括管，并且其中所述第一注入器布置包括导管，所述导管包括出口，其中所述导管布置在所述管的所述壳侧并且所述出口配置成将所述稀释流体跨越所述管的所述壳侧注入。

11.根据权利要求6所述的HRSG，进一步包括：

第二热交换元件，相对于所述第一流体布置在所述第一热交换元件的下游，并且被配置成提供在所述第二热交换元件的壳侧上的所述第一流体与在所述第二热交换元件的第二侧上流动的所述第二流体之间的热连通；

第二注入器布置，被配置成将所述稀释流体与所述第二热交换元件的所述壳侧相邻地注入所述烟道内；

其中所述第一热交换元件和所述第二热交换元件被定位成使得与所述第一热交换元件的所述第一侧相邻地被注入的所述稀释流体与所述第一流体一起流动，接着与所述第二热交换元件的所述壳侧相邻地流动。

12.一种操作HRSG的方法，包括：

使包括未稀释的气态腐蚀物的烟气流动通过管道；

使工作流体流动通过所述管道中的热交换器，所述热交换器用于准许所述烟气与所述工作流体之间的热传递；和

将所述未稀释的气态腐蚀物稀释以形成在包括被稀释的气态腐蚀物的所述烟气内的第一体积，其中所述第一体积使所述热交换器的表面的第一部分至少部分地与包括所述未稀释的气态腐蚀物的所述烟气分开，所述第一部分以温度低于所述未稀释的气态腐蚀物的露点为特征。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括注入稀释空气以形成第一体积。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述稀释空气与所述未稀释的气态腐蚀物混合以形成所述第一体积，所述第一体积包括布置在所述热交换器的所述表面的所述第一部分上的第一保护膜。

15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将所述稀释空气在所述烟气流的方向上以与所述热交换器的所述表面的所述第一部分相切的方向上注入。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述热交换器包括包含所述第一部分的第一管，并且其中所述方法进一步包括从相对于所述烟气的行进的方向布置在所述第一管的上游侧的稀释空气通道注入所述稀释空气。

17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：

将所述未稀释的气态腐蚀物稀释以形成在包括被稀释的气态腐蚀物的所述烟气内的下游体积，其中所述下游体积使所述热交换器的所述表面的下游部分与包括所述未稀释的气态腐蚀物的所述烟气至少部分地分开，所述下游部分以温度低于所述未稀释的气态腐蚀物的腐蚀性酸的露点为特征，

其中所述稀释用于有效减小所述管道的所述下游体积中的腐蚀物露点。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：

注入所述稀释空气以在所述热交换器的所述表面的所述第一部分上形成包括所述被稀释的气态腐蚀物的第一保护膜的所述第一体积；

注入稀释空气以在所述热交换器的所述表面的所述下游部分上形成包括了被稀释的气态腐蚀物的下游保护膜；

其中所述表面的所述下游部分相对于所述烟气的行进的方向位于所述热交换器的所述表面的所述第一部分的下游，和

其中所述第一体积对所述下游保护膜有贡献。

19.根据权利要求12所述的方法，其中所述腐蚀物是硫酸。