CN106895383A - 冷凝余热回收蒸汽发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷凝余热回收蒸汽发生器(cHRSG)，其具有用于主热废气流的主排气管、用于允许一部分热废气从主热废气流分支出的旁通排气管以及热泵。cHRSG具有第一级循环水路、第二级循环水路及第三级循环水路。cHRSG还具有给水管线、用于给水管线与第二级循环水路之间热交换的第一热交换器及用于第一级循环水路与第三级循环水路之间热交换的第二热交换器。在cHRSG中，潜热通过第二热交换器从在旁通排气管中流通的所述热废气进行部分回收，附加热量在第三级循环水路中通过热泵提取，有助于在第一级循环水路的预热器中进行的预热。

Description

冷凝余热回收蒸汽发生器
技术领域
本发明涉及锅炉领域，特别是涉及余热回收蒸汽发生器(HRSG)类型的锅炉。
背景技术
已知余热回收蒸汽发生器允许从燃气轮机的热废气流回收热量以产生蒸汽，蒸汽可用于一种处理工艺(废热发电)或蒸汽循环(联合循环)中。废气由不可冷凝的部分和可冷凝的部分构成，不可冷凝的部分大多数含有氮N2、氧O2、二氧化碳CO2和氩Ar，可冷凝的部分由水蒸汽构成。迄今为止，在现有技术中，主要由于有关的腐蚀问题，烟气冷凝的想法已经不予考虑。
因此现有技术中已知的余热回收蒸汽发生器在其热性能方面面临两种局限性。在如图1和2所示例的余热回收蒸汽发生器提供压力热水流以进行废热发电应用的情况下，汽轮机产生的发电量(其与余热回收蒸汽发生器的蒸汽产生量直接相关)与热功率量之间存在折衷。这种折衷示于图3，在图3中，点“现有技术1”涉及图1中的余热回收蒸汽发生器布置，点“现有技术2”涉及图2中的余热回收蒸汽发生器布置。另一方面，硫化合物的存在显著地提高了废气的酸露点。因此，需要使用大的再循环回路以将给水加热到高于该酸露点。这导致预热器出口温度与低压蒸汽的饱和温度之间相当大的差异，如图4所示。
一些现有技术文献提出一种辅助/旁通排气管，其中进行附加热回收。在文献WO2015/039840A2中，回收的余热被用于预热蒸汽循环的冷凝液。在文献WO 2010/136795A2中，回收的余热被用于预热锅炉的燃烧空气。但是，这两个文献尤其是针对被供以空气和矿物燃料(例如煤、油)的锅炉，并未涉及包括在联合循环中的余热回收蒸汽发生器。这两个专利文献通过减少在规定的温度与压力条件下产生给定蒸汽量所需的燃料量，使得提高了循环效率。文献CN101922821A公开了一种同时回收高湿度废气中的水和潜热的方法、以及一种涉及节能设备技术的吸收式热泵装置。但是，该现有技术方案会产生酸性腐蚀沉积物。
发明内容
本发明提供一种冷凝余热回收蒸汽发生器(cHRSG)，其克服了根据现有技术的余热回收蒸汽发生器的两种性能局限性。特别是，冷凝余热回收蒸汽发生器布置成可以有效地和可靠地解决水蒸汽与酸性物质(例如H2SO4)的冷凝问题。
在本发明的一实施方式中，冷凝余热回收蒸汽发生器具有用于主热废气流的主排气管、用于允许一部分热废气从主热废气流分支出的旁通排气管、以及热泵。冷凝余热回收蒸汽发生器具有第一级循环水路、第二级循环水路和第三级循环水路，第一级循环水路包括带有预热器的再循环回路，预热器位于主热废气流到主排气管中的入口，第二级循环水路配有终端用户热应用装置，第三级循环水路具有喷雾塔和热泵的蒸发器，喷雾塔用于提供与在旁通排气管中流通的所述热废气部分相逆流而行的喷淋水流。冷凝余热回收蒸汽发生器还具有：给水管线，给水管线在第一端部被供以冷凝液，在第二端部物理连接到第一级循环水路，给水管线配有热泵的冷凝器；用于提供给水管线与第二级循环水路之间热交换的第一热交换器；以及用于提供第一级循环水路与第三级循环水路之间热交换的第二热交换器。在冷凝余热回收蒸汽发生器中，在第一级循环水路的预热器中进行的预热，得益于通过第二热交换器在第三级循环水路中从旁通排气管中流通的所述热废气部分回收的潜热，及得益于通过所述热泵在第三级循环水路中提取的附加热量，这种附加潜热通过第一热交换器最后被输送到第二级循环水路中的终端用户热应用装置。第一级循环水路、第二级循环水路和第三级循环水路通过第一热交换器和第二热交换器进行热接触，但它们没有流体上相互连通。
附图说明
将在下面基于示例性附图更加详细地描述本发明。本发明不局限于示例性实施方式。这里所描述和/或所示出的所有特征在本发明的实施方式中可单独采用或者可以不同组合进行结合。通过阅读下面参照附图所作的详细说明，本发明的各种实施方式的特征和优点将体现出来，附图中：
已经述及的图1示意地示出根据现有技术的用于废热发电的第一种余热回收蒸汽发生器布置。
已经述及的图2示意地示出根据现有技术的用于废热发电的第二种余热回收蒸汽发生器布置。
已经述及的图3是比较了现有技术方案与本发明方案的用于废热发电的余热回收蒸汽发生器的发电量对发热量的样图。
已经述及的图4是根据现有技术的一种单压力级蒸汽发生器的交换热量对温度的概念图。
图5示意地示出根据本发明的冷凝余热回收蒸汽发生器的一般原理。
图6示意地示出根据本发明第一实施方式的冷凝余热回收蒸汽发生器的原理。
图7示意地示出根据本发明第二实施方式的冷凝余热回收蒸汽发生器的原理。
图8示意地示出根据本发明第三实施方式的冷凝余热回收蒸汽发生器的原理。
图9示意地示出根据本发明第四实施方式的冷凝余热回收蒸汽发生器的原理。
具体实施方式
本发明涉及在废热发电即联合“热”(包括冷却)与功率、以及仅产生功率的两种情况下都提高余热回收蒸汽发生器的热性能。因此，在余热回收蒸汽发生器的冷端，对于主热气流回收于旁通排气管中的热量、即通过冷凝烟气中含有的部分水蒸汽回收的热量，被传递给蒸汽循环的给水，使得所述给水在预热器入口被提高到高于烟气露点的温度。根据现有技术，该功能由再循环回路操纵。
根据本发明的冷凝余热回收蒸汽发生器通过使再循环回路载送的热量可用于其他目的，克服了上述局限性。在废热发电的情况下，对于在余热回收蒸汽发生器热端的给定焓流来说，冷凝余热回收蒸汽发生器允许使发电与发热两者最大化。
如图3所示，如果冷凝余热回收蒸汽发生器的辅助组成件的耗电量忽略不计，则冷凝余热回收蒸汽发生器的电功率与现有技术2的电功率相当，且同时产生的热功率与现有技术1的热功率相等。若将辅助组成件的耗电量包含在内，则会略微减小来自蒸汽循环的净电功率，从而使代表点略微移动到图左侧。
在酸露点问题方面，本发明可使再循环回路的尺寸显著减小，甚至可将这种再循环回路去除。因此可增大蒸汽发生量(从而增大汽轮机的发电量)。
燃气轮机燃烧产物中存在的水蒸汽载有大量能量，该大量能量目前被排放到大气中，但原则上可通过冷凝废气中含有的水汽，部分地进行回收。这种补充的热量回收意味着潜热交换，所述潜热即为不通过温度变化、而是通过气体介质相变传递的热，所述相变在本情况下是废气中含有的水蒸汽的冷凝。
图5示意地示出根据本发明的余热回收蒸汽发生器的总体布置，其中，关键点设在余热回收蒸汽发生器的冷侧。因此，为余热回收蒸汽发生器增加在余热回收蒸汽发生器主壳外的“冷凝区域”21，冷凝区域配有附加设备，用于从余热回收蒸汽发生器的废气中回收潜热，和用于有效处理所产生的废液流8。这里于是提供了一种“冷凝余热回收蒸汽发生器”，其通过冷凝废气来附加回收废气中的潜热。这里也还提供了一种相对于功率输出成本降低的余热回收蒸汽发生器。
在本发明的实施方式中，由鼓风机控制通过冷凝区域的废气流部分。
根据本发明的一实施方式，潜热由所谓直接接触式热交换器回收。直接接触式热交换器可具有、但不局限于喷雾塔、挡板塔、和填料塔。
在本发明的一些实施方式中，喷雾塔被选择作为直接接触式热交换器，因为喷雾塔提供良好的总传热系数，在气体侧产生适度压降并且成本较低。喷雾塔可被视为急冷系统，布置在余热回收蒸汽发生器的旁通排气管中，提供喷淋，在喷淋中，冷水以逆流分布方式喷洒通过一部分废气流，使该部分废气流冷却下来。然后，烟气饱吸水汽，这种水汽将冷凝并释放出烟气的汽化能。混合从旁通排气管排放的饱和烟气与主排气管的烟气，则减小了形成烟羽/烟云的危险。
在本发明的另外可选实施方式中，使用可替换的直接接触式热交换器来代替喷雾塔。
图6示意地示出根据本发明的冷凝余热回收蒸汽发生器的一实施方式。卧式布置的余热回收蒸汽发生器由主排气管1和旁通排气管2组成，主排气管1用于热气流，旁通排气管2用于允许一部分废气流从主气流分支出。在该特殊的实施方式中，冷凝余热回收蒸汽发生器基于直接接触式热交换器。
配置三个封闭的循环水路，它们物理上分开(即没有流体上相互连通)，但通过热交换器进行热接触(下面将予以详述)。第一级循环水路(PWC)是再循环回路10，再循环回路10具有余热回收蒸汽发生器的第一热交换器(或称预热器/节热器6)，该第一热交换器基本上位于热气到主排气管中的入口。第一级循环水路物理连接到给水管线13，及配有低压鼓式容器19。给水管线13在给水入口7处进行供给，给水管线配有热泵冷凝器17(HPC)(下面将予以详述)。
第三级循环水路(TWC)是再循环回路11，再循环回路11具有喷雾塔3，用以提供与上升废气逆流而行的喷淋水流。喷雾塔3在其下端配有水池5和热泵蒸发器16(HPE)(下面将予以详述)。
第二级循环水路(SWC)具有再循环回路12和终端用户热应用装置9。给水管线13/第一级循环水路10与第三级循环水路11通过第二热交换器14进行热接触，而第一级循环水路10和第二级循环水路12通过第一热交换器15进行热接触。
第一级、第二级和第三级循环水路与给水管线有利地分别配有第一泵、第二泵、第三泵和第四泵(未示出)。这些泵确保相应回路中的适当压力级，补偿根据本发明引入的补充设备所引起的附加压降。
在现有技术的余热回收蒸汽发生器中，将给水加热通常通过布置在预热器上的再循环回路进行，预热器使优选在20℃至50℃范围的输入的外部冷凝液冷流与回路中再加热的、优选在160℃至190℃范围的压力水热流混合，以在余热回收蒸汽发生器的入口产生所需的优选在55℃至80℃范围的温度级。图6所示的本发明的实施方式利用上述回收的潜热来辅助进行这种冷凝液流加热，另外还利用/交换在再循环回路10中向多种可能的热应用装置9传递的热量。
但是，在图6所示的实施方式中，潜热可在较低温度下回收。喷雾塔3的水池5中的水温可等于在该位置的废气的露点，即对于典型环境条件和天然气燃烧来说，为40℃至50℃的范围。因此，该低级热的仅一部分可以通过热交换器、例如热交换器14被动地传递给冷凝液流，所述热交换器通常是一种薄片式热交换器。
在本发明的各种实施方式中，使用薄片式热交换器，以利用其高热传递系数、低收缩要求和有限的体积尺寸。
将冷凝液流进一步加热至其所需温度，这意味着热能从冷点移动到较热点，由于第二热力学定律，这不会自然发生。因此，根据本发明的一实施方式，工业热泵18用于进行这种热传递。热量由热泵蒸发器(HPE)16获取的热源是通过喷雾塔的水流，而热量从热泵冷凝器(HPC)17释放的散热体是冷凝液流。提供热泵运转所需的电功率的装置在图中未示出。可选地，工业热泵可用现有技术中任何已知的系统取代，以从急冷再循环流中回收能量，从而降低喷淋入口温度。
再循环回路10(第一级循环水路)中载送的热量于是可用于其他目的，特别是用于需要低至中等温度的热能的多种应用装置9。为了不混合不同品质的水流即流经余热回收蒸汽发生器的水、和所述热应用装置9中使用的水，热量通过第一热交换器15传递给辅助回路12(第二级循环水路)，第一热交换器15例如也可以是薄片式热交换器。
本发明产生的热水流例如可用于以下的终端用户热应用的非限制性列表中：直接使用热水流来供给区域供热网，在热驱动冷却器中使用热水流(吸收和吸附式冷却器是三源热机，从热水或蒸汽产生冷却水)，及使用冷却水以供给区域冷却网，使用热水流以通过热力工艺例如多效蒸馏(MED)由海水生产淡水(水淡化)。
在本发明的可选实施方式中，两种或甚至三种以上的应用可组合以提供三联生成或甚至多联生成(电、热、冷及淡水)。
在本发明的仍可选的实施方式中，再循环回路的热载荷可用于增大余热回收蒸汽发生器的蒸汽产生量，从而增大汽轮机的发电量。
在稳态运转中，烟气部分冷凝所产生的废液流8需要释放到环境中，以保持喷雾塔水池中的稳定水位。
喷雾水与烟气的密切接致使喷雾水变为酸性。烟气中含有的二氧化碳可溶于水。根据一实施方式，水处理单元WTU(未示出)可用于在将废液8释放到环境中之前使这种酸化水的pH值增大到6.0--8.0pH值范围。一种可行的处理方法是依靠碱性物质例如碳酸钙来中和水的酸化。
图7示意地示出根据本发明的冷凝余热回收蒸汽发生器的又一实施方式。其与图6所示实施方式的不同之处在于没有热泵。该实施方式可适于烟气的水蒸汽浓度较高的情况(例如，余热回收蒸汽发生器位于湿润燃气轮机循环之后)。
图8示意地示出根据本发明的冷凝余热回收蒸汽发生器的又一实施方式。对在旁通排气管2中流通的所述废气部分内含有的潜热的部分回收由具有给水管线13一部段的间接接触装置进行，间接接触装置配有间接接触式热交换器20，间接接触式热交换器20位于在旁通排气管2中流通的所述废气部分内，以致由于废气在间接接触式热交换器20的表面上的冷凝，因而废气中含有的潜热如上所述被传递给第一级循环水路10。
废气在间接接触式热交换器的交换区域的外表面上的部分冷凝还产生多余废液流8，其如上所述需要在适当处理之后被释放到环境中。
图9示意地示出根据本发明的冷凝余热回收蒸汽发生器的又一实施方式。相对于图8所示的实施方式来说，冷凝余热回收蒸汽发生器还具有热泵。给水管线13的配有位于在旁通排气管2中流通的废气部分内的间接接触式热交换器20的部段具有热泵18的蒸发器16，给水管线13的再循环部分具有热泵18的冷凝器17，以致附加热量由所述热泵18在给水管线13的配有间接接触式热交换器20的所述部段中被提取并传递给第一级循环水路10。因此，能量传递能力增强，因为进入间接接触式热交换器的冷凝液的温度较低。
本申请中揭示的原理并不局限于其中提出的示例性实施方式。特别是，系统可根据能量需求连续地或间断地进行工作，系统可适应于立式和卧式余热回收蒸汽发生器这两种发生器。
此外，本发明的一种实施方式为现存或现有技术的(非冷凝)余热回收蒸汽发生器提供附加设备，可在给定范围内集成以下特征：具有在压力、温度和质量流量方面规定的蒸汽产生量(到低压(LP)鼓式容器的水的温度、压力和质量流量可相对于基准余热回收蒸汽发生器来说不改变)；在余热回收蒸汽发生器入口对于给水温度具有要求的最小值，以免在第一翅片管换热器上冷凝(在余热回收蒸汽发生器入口的给水温度可相对于基准余热回收蒸汽发生器来说不改变)；在废气侧允许最大级别的压降，以确保上游燃气轮机正常运行。
在另外的实施方式中，被处理的废液流8有利地可用于向联合循环的各个位点进行供给，如蒸汽循环用的补给水、冷却系统用的补给水、或者燃气轮机循环中最适合于现有运行条件的注水。最后的这种用途期待会增大出自燃气轮机的废气中的水蒸汽含量。这将导致“滚雪球效应”，具有附加的废气冷凝和附加的潜热回收。
尽管本发明已经在附图和前面的说明中予以详示和详述，但这种详示和详述应被视为是说明性的或示例性的，而非限制性的。可理解的是，普通技术人员可在下面权利要求书的范围内进行改变和修改。特别是，本发明涵盖将上述和下述不同实施方式的特征进行任意组合的另外的实施方式。
权利要求书中使用的术语应该理解为具有与上文一致的最宽泛的合理诠释。例如，引入一构件的冠词“一(个/种)”或定冠词“所述”的使用不应理解为排除多个构件。类似地，“或(或者)”的表述应被理解为包括在内，使得表述“A或B”不排除“A和B”，除非从上下文或前文中明确说明A和B中的仅一个。另外，“A、B和C中的至少一个”应被理解为由A、B和C组成的一组构件中的一个或多个构件，不应被理解为要求每个所列构件A、B和C中的至少一个，而无论A、B和C是否作为类别或其它相关联。此外，表述“A、B和/或C”或者“A、B或C中的至少一个”应被理解为包括所列构件的任意单一构件例如A、所列构件的任何子组例如A和B、或者全部所列构件A、B和C。
术语表：
1 余热回收蒸汽发生器
2 用于分流一部分废气流的排气管
3 喷雾塔
4 鼓风机
5 水池
6 预热器/节热器
7 给水入口(来自蒸汽循环的冷凝液)
8 排放到环境中或进行有效应用的废液
9 终端用户热应用装置
10 第一级循环水路(预热器再循环回路)，或称PWC
11 第三级循环水路(喷雾塔再循环回路)，或称TWC
12 第二级循环水路(热应用装置再循环回路)，或称SWC
13 给水管线(低温冷凝液)
14 第二热交换器(布置在给水管线与第三级循环水路之间)
15 第一热交换器(布置在第一级与第二级循环水路之间)
16 热泵蒸发器(HPE)
17 热泵冷凝器(HPC)
18 热泵
19 低压鼓式容器
20 间接接触式热交换器
21 冷凝区域
22 废热发电用的热交换器

Claims (14)

1.一种冷凝余热回收蒸汽发生器(cHRSG)，其具有：
--主排气管(1)，用于主热废气流；
--旁通排气管(2)，用于允许一部分热废气从主热废气流分支出，在旁通排气管(2)中流通；
--第一级循环水路(10)和第二级循环水路(12)，第一级循环水路包括带有预热器(6)的再循环回路，预热器位于主热废气流到主排气管(1)中的入口，第二级循环水路配有终端用户热应用装置(9)；
--第一热交换器(15)，用于提供第一级循环水路(10)与第二级循环水路(12)之间的热交换，以致第一级循环水路和第二级循环水路通过第一热交换器(15)进行热接触，但第一级循环水路和第二级循环水路没有流体上相互连通；
--给水管线(13)，给水管线在第一端部被供以冷凝液，在第二端部物理连接到第一级循环水路(10)；
--潜热回收装置，用于至少部分地回收在旁通排气管(2)中流通的热废气部分内含有的潜热及用于将所述潜热传递给第一级循环水路(10)；
其中，用于至少部分地回收在旁通排气管(2)中流通的所述热废气部分内含有的潜热及用于将所述潜热传递给第一级循环水路(10)的所述潜热回收装置具有冷凝区域(21)，所述潜热回收装置布置成首先有助于在第一级循环水路(10)的预热器(6)中进行的水预热，其次有助于通过第一热交换器(15)传热给第二级循环水路(12)中的终端用户热应用装置(9)。
2.根据权利要求1所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，其中，酸性冷凝尤其发生在冷凝区域(21)中。
3.根据权利要求1或2所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，其中，用于至少部分地回收在旁通排气管(2)中流通的所述热废气部分内含有的潜热及用于将所述潜热传递给第一级循环水路(10)的所述潜热回收装置是直接接触装置，包括第三级循环水路(11)，第三级循环水路具有喷雾塔(3)，喷雾塔在下端配有水池(5)和第二热交换器(14)，水池用于输送以逆流方式与在旁通排气管(2)中流通的所述热废气部分直接热交换的水喷淋流，第二热交换器用于提供第三级循环水路(11)与给水管线(13)、和进一步第一级循环水路(10)之间的热交换。
4.根据权利要求3所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，冷凝余热回收蒸汽发生器还具有热泵(18)，其中，第三级循环水路(11)具有热泵(18)的蒸发器(16)，给水管线(13)具有热泵(18)的冷凝器(17)，以致附加热量由所述热泵(18)在第三级循环水路(11)中被提取并传递给第一级循环水路(10)。
5.根据权利要求1或2所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，其中，用于至少部分地回收在旁通排气管(2)中流通的所述热废气部分内含有的潜热及用于将所述潜热传递给第一级循环水路(10)的所述潜热回收装置是间接接触装置，具有给水管线(13)的一部段，该部段配有间接接触式热交换器(20)，间接接触式热交换器位于在旁通排气管(2)中流通的所述热废气部分内，以致由于热废气在间接接触式热交换器(20)的表面上冷凝，因而热废气中含有的潜热被传递给第一级循环水路(10)。
6.根据权利要求5所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，冷凝余热回收蒸汽发生器还具有热泵(18)，其中，所述给水管线(13)的配有位于在旁通排气管(2)中流通的所述热废气部分内的间接接触式热交换器(20)的部段具有热泵(18)的蒸发器(16)，给水管线(13)的再循环部分具有热泵(18)的冷凝器(17)，以致附加热量由所述热泵(18)在给水管线(13)的配有间接接触式热交换器(20)的所述部段中被提取并传递给第一级循环水路(10)。
7.根据权利要求1或2所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，其中，终端用户热应用装置(9)被构造成直接使用第二级循环水路(12)中的热水流，以供给区域供热网。
8.根据权利要求1或2所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，其中，终端用户热应用装置(9)被构造成在热驱动冷却器中使用第二级循环水路(12)中的热水流，以产生冷却水来供给区域冷却网。
9.根据权利要求1或2所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，其中，终端用户热应用装置(9)被构造成使用第二级循环水路(12)中的热水流，以进行水淡化。
10.根据权利要求1或2所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，其中，至少两种不同的终端用户热应用装置(9)被组合以提供能量多联生成。
11.根据权利要求1或2所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，其中，终端用户热应用装置(9)由附加蒸汽生产装置取代或补充。
12.根据权利要求11所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，其中，终端用户热应用装置(9)与附加蒸汽生产装置结合，以便根据需要确定终端用户热应用装置与附加蒸汽生产装置之间的特定分流。
13.根据权利要求1或2所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，其中，冷凝余热回收蒸汽发生器具有用于将热废气部分冷凝所产生的废气流(8)释放到环境中或用作任何潜在用途的装置。
14.根据权利要求13所述的冷凝余热回收蒸汽发生器，其中，冷凝余热回收蒸汽发生器具有将废气流(8)注入到燃气轮机循环中最适合的部位以增大燃气轮机所产生的废气的水汽含量的装置。
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