DK172461B1 - Fremgangsmåde og indretning til varmegenvinding fra varme gasser i en røggaskedel - Google Patents

Description

i DK PR 172461 B1

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde og et apparat til varmegenvinding fra varme gasser i en afgangs -gaskedel, som har en indløbsåbning for varme gasser og en udløbsåbning for afkølede gasser, og i hvilken der er anbragt 5 en kedelvandsforvarmer til forvarmning af kedelvand og varme-, flader til fordampning af det forvarmede vand og/eller til overhedning af damp.

Fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen egner sig specielt til anvendelse i kombinerede gas- og dampkraftvær-10 ker, i hvilke gasturbinens afgangsgassers varme genvindes som højtryksdamp i en afgangsgaskedel og udnyttes i en dampturbine. Brændselet forbrændes ved hjælp af luft under tryk, og de dannede varme forbrændingsgasser kan ekspandere i en gasturbine. I dampsystemet genvindes varmen fra gasturbinens af-15 gangsgasser i en afgangsgaskedel ved hjælp af varmeflader, fra hvilke dannet overhedet damp ledes til en dampturbine.

Med en gasturbine alene kan man normalt kun opnå en virkningsgrad på ca. 30%, højst 35-40%, beroende på afgangsgassernes store varmemængde. Med en afgangsgaskedel, i hvilken 20 afgangsgassernes varme genvindes som under tryk stående overhedet damp, kan anlæggets totale virkningsgrad forøges betydeligt. Højtryksdamp produceres da i den røggasstrøm, der følger efter gasturbinen, ved hjælp af varmeflader tii for- . varmning, fordampning (kogning) og overhedning. Normalt 25 anbringes varmefladerne i afgangsgaskedlen således, at overhede- og evaporatorfladerne (fordampningsfladerne) anbringes i kedlens forreste del, og restvarmen genvindes ved hjælp af kedelvandsforvarmere. Endvidere kan vand fx til et fjernvarmenet forvarmes ved hjælp af afgangsgassernes restvarme, 30 idet varmefladerne for fjernvarmevand anbringes i afgangsgaskedlen efter kedelvandsforvarmeren. Flere dampkedler kan anbringes efter hinanden i afgangsgasstrømmen, hvorved virkningsgraden stiger yderligere.

Varmeovergangen fra turbinens afgangsgasser til vand kan 35 beskrives ved hjælp af kedlens temperaturprofil ifølge fig.

2 DK PR 172461 B1 l, i hvilken den øverste kurve angår afkøling af afgangs-gasser, og den nederste kurve angår opvarmning og fordampning af vand samt overhedning af damp. Fordampning af vand kræver, som det fremgår af figurerne, den største andel af den til 5 rådighed stående varme. Varmebalancen for forvarmning, fordampning og overhedning bestemmer mængden af produceret damp.

For at opnå en god virkningsgrad tilstræber man at dimensionere afgangskedlerne således, at gas- og vandkurverne i fig. 1 forløber så nær hinanden som muligt. Temperaturfor-10 skellen mellem gas og damp og temperaturunderskuddet i det såkaldte "pinch point", dvs. punktet p i fig. 1, begrænser den dampstrøm, som maksimalt kan opnås.

Temperaturen af gasturbinens afgangsgasser forandres mere end gassens massestrøm med belastningen. Af dette følger, at 15 tyngdepunktet for varmeoverføringen i en kedel, der er anbragt efter en gasturbine, forandres temmelig stærkt med belastningen.

Ved drift med tillægsforbrænding og med medfølgende høje afgangsgastemperaturer forskydes tyngdepunktet for varme-20 overførselen til overhedere og evaporatorer i kedlens forreste del, medens temperaturen efter evaporatoren forbliver næsten konstant. Fødevandstemperaturen forøges derved, medens man med samme evaporator- og overhederflader kan producere en større mængde damp. Temperaturunderskuddet i forvarmeren, 25 dvs. "Approach Temperature" (AT), som viser forskellen mellem temperaturen af vandet fra forvarmeren og fordampningstemperaturen, forøges på grund af den forøgede fødevandsmængde. Temperaturunderskuddet TH-TV er vist i fig. 1. Med udgangspunkt i processens virkningsgrad er et stort temperaturunder-30 skud mindre ønskeligt, idet man da bliver tvunget til at anvende evaporatoren også som forvarmer. Ved dimensionering af kedler stræber man efter mindst muligt temperaturunderskud, hvilket kunne opnås ved at dimensionere vandforvarmeren forholdsvis stor. Dette begrænses dog af, at vandet så har 35 tilbøjelighed til at blive fordampet.

DK PR 172461 B1 3

Den relative varmeoverførsel tiltager i vandforvarmeren med delbelastning af gasturbinen, medens afgangsgassernes temperatur og kedlens dampmængde da synker. Når den relative varmeovergang stiger i en sparsomt dimensioneret forvarmer, i 5 hvilken man har tilstræbt det mindst mulige temperaturunder-* skud, stiger temperaturen let til fordampningstemperaturen, og vandet begynder at fordampe i forvarmeren.

Dimensioneringen af forvarmere bliver på grund af det ovenfor anførte traditionelt et kompromis, ved hvilket man tilstræber 10 det bedst mulige slutresultat ved alle belastninger. Traditionelt dimensioneres en forvarmer således, at man som dimensioneringspunkt anvender gasturbinedrift uden tillægsbrændsel. Derved bliver temperaturunderskuddet mindst muligt, dvs.

l-5°C. Ved stigende belastning med tillægsforbrænding stiger 15 temperaturunderskuddet til 10-20°C. Hvis man til processen kobler en ekstern evaporator, fx en separat gaskøler, forringes situationen. Ved delbelastning får forvarmeren tilbøjelighed til at fordampe vand.

En ubehersket fordampning forårsager problemer i forvarmeren 20 og i hele processen. Fordampning kan delvis eller totalt stoppe for vandcirkulation i forvarmerens rør, hvilket fører til en ujævn vandtilførsel til dampdomen. Hvis der foregår fordampning i længere tid i samme rør, kan hele røret tørre, hvorved røret på grund af varmen hurtigt beskadiges. For-25 dampning i forvarmerrør forårsager også støj skader og trykstød i rørene.

Tidligere har man tilstræbt at forhindre fordampning i forvarmerrør, som det bl.a. er vist i US 4.582.027, ved at ordne den indre vandcirkulation i forvarmeren således, at man i 30 forvarmeren opnår en større vandcirkulation end andetsteds.

Den foreliggende opfindelse har til formål at tilvejebringe en forbedring af den ovenfor beskrevne varmegenvindingsfremgangsmåde .

DK PR 172461 B1 4

Opfindelsen har specielt til formål ved forskellig belastning af muliggøre en minimering af temperaturunderskuddet for det vand, der kommer fra forvarmeren.

Opfindelsen har desuden til formål at tilvejebringe en frem-5 gangsmåde og et apparat, ved hvilken fordampning i forvarmere kan undgås.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen til varmegenvinding fra varme gasser i en afgangsgaskedel er for opnåelse af de ovenfor beskrevne formål kendetegnet ved, at man i kedlen til 10 kedelvandsforvarmeren kobler en anden separat vandcirkulation, fra hvilken ledes vand til kedelvandsforvarmeren således, at man i kedelvandsforvarmeren cirkulerer en mængde vand, der er større end den normale kedelvandsmængde for optimal regulering af kedelvandets temperatur.

15 Apparatet ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved, at afgangsgaskedlens kedelvandsforvarmer er koblet til en anden separat vandcirkulation.

Man kan til kedelvandsforvarmeren fx koble en vandcirkulation, som også omfatter en i afgangskedlen anbragt vandfor-20 varmer. Denne anden vandforvarmer anbringes i kedlens slut-ende efter kedelvandsforvarmeren.

En vandcirkulation, fx en vandcirkulation til opvarmning af vand til et fjernvarmenet, kan med fordel udnyttes til ovennævnte formål. Vandet, som skal fødes til fjernvarmenettet, 25 kan opvarmes direkte i afgangsgaskedlen eller indirekte i en separat varmeveksler ved hjælp af vand opvarmet i afgangs-gaskedlen.

Ifølge en udførelsesform for opfindelsen kan en kontrolleret del af dette opvarmede vand ledes til kedelvandsforvarmeren, 30 den såkaldte kedeleconomiser, til regulering af kedelvandstemperaturen og temperaturunderskud.

DK PR 172461 B1 5

Ifølge opfindelsen stræber man efter et temperaturunderskud på <10°C, fordelagtigt <5°C.

Ifølge en udførelsesform for opfindelsen kobles altså en i i afgangsgaskedlens bageste del anbragt anden forvarmer, den j * 5 såkaldte fjernvarme-economiser, helt eller delvis indirekte j via en varmeveksler til fjernvarmenettet. Indirekte kobling i anvendes bl.a., fordi man på denne måde i afgangskedlen kan ® forøge vandets temperatur i fjernvarme-economiseren så meget, at gassens temperatur ikke synker under syredugpunktet. I 10 fjernvarmenettet slår trykket nødvendigvis ikke til for den forhøjede temperatur.

Ved konventionel indirekte kobling af fjernvarmevand behøves en varmeveksler, en cirkulationspumpe for varmt vand og overtrykspumper samt til disse hørende ekspansionsbeholdere 15 og trykreguleringssystemer på den varmende vandside. I et ; anlæg ifølge opfindelsen kobles den varmende cirkulation til kedelvandsforvarmeren, hvorved dampkedlen sætter den varmende cirkulation under tryk. I dette tilfælde behøves der ikke noget overtrykssystem.

20 Ved udførelsesformen ifølge opfindelsen kan en kedelecono-miser dimensioneres maksimalt stor, idet fordampning i economiseren kan hindres ved at cirkulere afkølet vand fra fjernvarmecirkulationen gennem kedelvandsforvarmeren. Ved en optimal regulering af den cirkulerende vandmængde kan ud-25 løbstemperaturen for kedelvandsforvarmeren holdes så nær ved kogepunktet som muligt, dvs., at temperaturunderskuddet er så lille som muligt, hvorved dampkedlens virkningsgrad kan maksimeres for hver enkelt situation i processen.

I det følgende beskrives opfindelsen i detaljer, idet der 30 henvises til tegningen, på hvilken fig. 1 viser en temperaturprofil i en afgangsgaskedel, og fig. 2 viser en afgangsgaskedel ifølge opfindelsen.

6 DK PR 172461 B1 I fig. 1 vises en temperaturprofil for en afgangsgaskedel, som er dimensioneret således, at kedlens temperaturunderskud uden tillægsforbrænding bliver ca. 2°C. Figuren viser temperaturprofilen for en kedel med fuld tillægsforbrænding, 5 både med konventionel forvarmecirkulation for kedelvand og med cirkulation ifølge opfindelsen. I figuren refererer den øverste kurve a til gassens afkøling i kedlen, den første del b af den nederste kurve til vandets opvarmning, den mellemste del c til vandets fordampning ved 302°C og den sidste del d 10 til dampens overhedning. Vandets fordampning optager, som det er vist på figuren, den største del af varmen.

Af kurven b i figuren kan det ses, at det forvarmede vands temperatur i dette tilfælde ved konventionel kedelvandsforvarmercirkulation kommer op på 284°C, og temperaturunder-15 skuddet vokser til 18°C.

På tilsvarende måde kan man af kurven b' se, at vandets temperatur ved hjælp af en forvarmercirkulation ifølge opfindelsen når op til 300°C, og at temperaturunderskuddet da kun bliver 2°C. Man kan altså ved at tilpasse opfindelsen 20 selv med til lægs forbrænding nå samme temperaturunderskud, som når man driver kedlen, som den er dimensioneret uden tillægsforbrænding.

I fig. 2 vises en afgangsgaskedel 10, i hvilken der ved hjælp af en kedelvandsforvarmer 14 eller kedeleconomiser, en eva-25 porator 16 og en overheder 18 genvinder varme af afgangs- gasser, der er frembragt i en gasturbine 12. Ifølge opfindelsen er der i kedlen 10 desuden anbragt en anden vandforvarmer 20 eller en fjernvarme-economiser i en anden vandcirkulation 21, i hvilken vand opvarmes til opvarmning af fjernvarmevand.

3 0 En luftkompressor li er anbragt på samme aksel 13 som gasturbinen.

Gasturbinen er koblet til kedlen ved hjælp af en ledning 22, gennem hvilken gas på 450-550eC føres til varmegenvindingen.

I ledningen 22 er der desuden anbragt en tillægsbrænder 24, DK PR 172461 B1 7 med hvilken gassens temperatur kan forøges til fx 700-750°C ved øget belastning. Tillægsbrænderen kan tilføres brændsel via en ledning 26 og kan efter behov tilføres luft eller anden oxygenholdig gas via en ledning 28. Afgangsgasser fra 5 gasturbineanlæg indeholder almindeligvis ca. 15% oxygen, • hvorfor tilførsel af tillægsluft eller oxygen sædvanligvis ikke behøves. Tillægsbrænderen er ved hjælp af en kanal 30 koblet til kedlens indløbsåbning 32. Brænderen kan også drives med frisk luft ved hjælp af en separat luftblæser, 10 hvis gasturbinen ikke er i brug.

Tilløbsledningen 34 for kedelvand er koblet til kedelvands-forvarmeren 14 eller den såkaldte kedeleconomiser, som er anbragt i afgangsgaskedlens bageste ende. Udløbsledningen 36 for kedelvand er koblet til kedlens dampdom 38. Vandforvar-15 meren er via dampdomen koblet til evaporatoren 16, som ved den i figuren viste udførelsesform omfatter et vertikalt rørbatteri, som strækker sig gennem kedlens gaskanal, et faldrør 42 og et stigerør 44 til dampdomen.

Dampdomen er ved hjælp af en ledning 46 koblet til en over-20 heder 18, der er anbragt i kedlens forreste del. Fra overhederen går en ledning 48 til gasturbinen 50, som er anbragt på samme aksel 13 som kompressoren, gasturbinen og generatoren 52.

En separat evaporator 56 til fordampning af forvarmet vand, 25 som ledes fra forvarmeren via en ledning 58, er koblet til dampdomen 38 med en ledning 54. Evaporatoren er anbragt i gaskøleren 60.

Den anden vandforvarmer 20, den såkaldte fjernvarmeeconomi-ser, som er anbragt i afgangsgaskedlen, er ved hjælp af et 30 indløbsrør 62 og et udløbsrør 64 koblet til en varmeveksler 66 til opvarmning af vand til fjernvarmenettet. I indløbet er der anbragt en cirkulationspumpe 68 til cirkulering af vand i den anden vandcirkulation.

DK PR 172461 B1 8

Mellem indløbsrøret 63 og udløbsrøret 64 er der desuden anbragt en ledning 70, ved hjælp af hvilken varmeveksleren kan forbikobles til regulering af temperaturen af det vand, der kommer til fjernvarme-economiseren 20.

5 Ifølge opfindelsen er indløbsrøret 34 for fødevand ved hjælp af en ledning 72 koblet til indløbsrøret 62 i den anden forvarmer. På tilsvarende måde er udløbsrøret 36 for fødevand ved hjælp af en ledning 74 koblet til udløbsrøret 64 i den anden forvarmer. Derved kan man lede vand til kedeleconomi-10 seren 14 fra en anden vandcirkulation, hvorved dette vand passerer fjernvarme-economiseren. En reguleringsventil 76 er anbragt i ledningen 72 for optimal regulering af den cirkulerende vandmængde eller én eller anden anden parameter, fx udløbstemperaturen i kedeleconomiseren.

15 En udførelsesform ifølge fig. 2 gør det muligt yderligere at afkøle afgangsgasser ved at lede en del af det kolde vand ud af fjernvarmenettet fra en ledning 80 til en i kedlens bageste ende anbragt forvarmer 82, i hvilken fjernvarmenettets vand opvarmes, inden det ledes ind i varmeveksleren 66. Det 20 varme fjernvarmevand ledes ved hjælp af en ledning 84 fra varmeveksleren til fjernvarmenettet.

. Opfindelsen skal ikke begrænses til det ovenfor angivne udførelseseksempel, men den kan varieres og tilpasses inden for det i patentkravene definerede beskyttelsesomfang. Op-25 findelsen kan således tilpasses en afgangsgaskedel, i hvilken man afkøler røggasser fra en dieselmotor eller forbrændingsmotor eller varme afgangsgasser fra én eller anden industriel proces.

Claims (10)

1. Fremgangsmåde til genvinding af varme fra varme gasser i en afgangsgaskedel, som har en indløbsåbning for varme gasser og en udløbsåbning for afkølede gasser, og i hvilken der er ' 5 anbragt en kedelvandsforvarmer til forvarmning af kedelvand og varmeflader til fordampning af det forvarmede vand og/el-ler overhedning af damp, kendetegnet ved, at der til kedelvandsforvarmeren kobles en anden separat vandcirkulation, fra hvilken vand 10 ledes til kedelvandsforvarmeren således, at der i kedelvands-forvarmeren cirkuleres en mængde vand, der er større end mængden af kedelvand, for optimal regulering af kedelvandets temperatur.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, 15 kendetegnet ved, at vand fra den anden vandcirkulation opvarmes i den anden vandcirkulations vandforvarmer, som er anbragt i afgangsgaskedlen efter kedelvandsforvarmeren .

3. Fremgangsmåde ifølge krav l eller 2, 20 kendetegnet ved, at en del af vandet fra den anden vandcirkulation ledes til kedelvandsforvarmeren således, at denne del passerer vandforvarmeren i den anden vandcirkulation.

4. Fremgangsmåde ifølge krav l, 2 eller 3, 25 kendetegnet ved, at vandet som er blevet opvarmet i kedelvandsforvarmeren, ledes til den anden vandcirkulation.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at kedelvand, som er blevet opvarmet i vandforvarmeren i den anden vandcirkulation, 30 anvendes til opvarmning af et fjernvarmenets vand. DK PR 172461 B1 ίο

6. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at vand, som er blevet opvarmet i kedelvandsforvarmeren, fordampes i en evaporator, som er anbragt i afgangsgaskedlen.

7. Apparat til genvinding af varme fra varme gasser i en afgangsgaskedel, som omfatter en kedel (10), der har en indløbsåbning (32) for varme gasser og en udløbsåbning (33) for afkølede gasser, og i hvilken der er anbragt en kedelvands forvarmer (14) og en evaporator (16) og/eller en over-10 heder (18), kendetegnet ved, at kedelvandsforvarmeren er forenet med en anden separat vandcirkulation (21).

8. Apparat ifølge krav 7, kendetegnet ved, at der i den anden vandeirkula-15 tion er anbragt en vandforvarmer (20), hvis indløbsrør (62) er koblet til kedelvandsforvarmerens indløbsrør (34) , og hvis udløbsrør (64) er koblet til kedelvandsforvarmerens udløbsrør (36) .

9. Apparat ifølge krav 7, 20 kendetegnet ved, at den anden vandcirkulations vandforvarmer (20) er anbragt i kedlen efter kedelvandsforvarmeren (14) .

10. Apparat ifølge krav 8, kendetegnet ved, at der i en ledning (72), som 25 forbinder vandindløbsrøret (62) i den anden vandcirkulation med indløbsrøret (34), er anbragt en ventil (76) til regulering af den vandmængde, der strømmer fra den anden vandcirkulation (21) til kedelvandsforvarmeren. t