NO964455L

NO964455L - Fremgangsmåte og anordning for tilförsel av fjernvarme til kraftsystem

Info

Publication number: NO964455L
Application number: NO964455A
Authority: NO
Inventors: Alexander I Kalina; Mark D Mirolli
Original assignee: Exergy Inc
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 1997-04-21
Also published as: JP3017106B2; TR199600825A2; AR004043A1; MX9604941A; AU686958B2; KR100248699B1; EP0769654A1; MA23993A1; JPH09203503A; CA2188223A1; NO964455D0; US5588298A; CA2188223C; AU6815696A; ATE192222T1; ZA968699B; DK0769654T3; TW311167B; NZ299588A; IL119423A

Description

FREMGANGSMÅTE OG ANORDNING FOR TILFØRSEL AV FJERNVARME TIL

KRAFTSYSTEM

Oppfinnelsen angår tilførsel av fjernvarme til et kraftsystem.

I direktefyrte kraftverk blir brennstoff, f.eks. kullstøv, brent i et forbrenningskammer hvor det tilføres forbrenningsluft som typisk er forvarmet. Rør som omgir flammesonen inneholder et arbeidsfluid (f.eks. vann) som oppvarmes til koking og deretter avgis til et kraftsystem (f.eks. innbefattende en turbin) for omdanning til en anvend-bar energiform, såsom elektrisitet. U.S. patent 5450821 beskriver et flertrinns forbrenningssystem som anvender ad-skilte forbrenningskamre og varmevekslere og regulerer temperaturen til frigjort varme ved de forskjellige trinn for tilpasning til arbeidsfluidets termiske karakteristika og å holde temperaturer under temperaturer hvor det dannes NOx-gasser.

Oppfinnelsen skisserer generelt tilførsel av fjernvarme til et kraftsystem ved bruk av et flertrinns-system med to eller flere forbrenningssoner. Hver forbrenningssone har en tilknyttet varmeveksler som fremfører en respektiv fjern-arbeidsfluidstrøm fra kraftsystemet. Hver forbrenningssone mottar en andel av den totale mengde forbrenningsbrennstoff, og den mengde brennstoff og luft som tilføres hver forbrenningssone tilpasses for regulering av temperaturen til en forutbestemt verdi. Forbrenningssone-temperaturen kan derved reguleres for å hindre for høye rørmetall-temperaturer, slik at skade unngås. Dessuten kan de kalde partier av to eller flere uavhengige fluidstrømmer brukes til å avgrense ovngrensene, for ytterligere å muliggjøre lavere rørmetall-temperaturer, og temperaturene til de forskjellige arbeidsfluidstrømmer kan tilpasses kraftsystemets krav for å fremme virkningsgraden.

I foretrukkede utføringsformer er de forskjellige forbrenningssoner beliggende i samme ovn. Luften som tilføres en eller flere forbrenningssoner blir forvarmet ved bruk av varme fra pipegassen. Varmeveksler-rørene omgir forbrenningssonene. Det er også konvektive soner koplet for mottak av røykgassene fra forbrenningssonene og inneholdende varmevekslere for overføring av varme fra røykgassene til respektive arbeidsfluidstrømmer i varmeveksler-rør i de konvektive soner. Arbeidsfluidstrømmer fra varmevekslerne i forbrenningssonene kan være koplet i serie med arbeidsfluid-strømmene i de konvektive soner.

Kravene og følgende beskrivelse av en bestemt utførings-form vil vise andre fortrinn og egenskaper ved oppfinnelsen. Figur 1 er en skjematisk gjengivelse av en utføringsform av fremgangsmåten og anordningen ifølge foreliggende oppfin-nelse med to forbrenningssoner og to uavhengige arbeidsfluid-strømmer . Figur 2 er en oversiktstegning av ovnen og den konvektive gjennomløpsanordning for den skjematiske gjengivelse vist i Figur 1. Figur 1 viser et ovnsystem som innbefatter en luftforvarmer 100, to forbrenningssoner 101 og 102, som dannes av uavhengige arbeidsfluid-kjølte varmevekslere henholdsvis HEIA og HE2A, to konvektive gjennomløpssoner 103 og 104, som innbefatter arbeidsfluid-kjølte varmevekslere henholdsvis HE2B og HE1B, og et ytre kraftsystem 105. Brennstoffmengdene i brennstoffstrømmene 5 og 6 og luftmengdene i luftstrømmene 3 og 4 reguleres av passende reguleringsmekanismer, vist som mekanismene 203, 204, 205, 206 i Figur 1. Kraftsystemet 105 kan være et ytre direktefyrt kraftomdanningssystem. Forbrenningssystemet ifølge oppfinnelsen er særlig anvendelig i kraftsykluser og systemer hvor mye av varmen som kreves til

energiomdanningssykluser ikke brukes til fordampning av arbeidsfluid, men i stedet til overheting og gjenoppvarming.

Eksempler på slike kraftsystemer er f.eks. beskrevet i U.S. patentene 4732005 og 4889545 som det herved henvises til. Det henvises herved også til U.S. patentene 3346561, 4489563, 5548043, 4586340, 4604867, 4732005, 4763480, 4899545, 4982568, 5029444, 5095708, 5450821 og 5440882 for redegjørelse for energiomdanningssystemer. Arbeidsfluidstrømmene kan være underkjølt væske, mettet væske, tofase-væske, mettet damp eller overhetet damp.

Med henvisning til Figur 1 blir forbrenningsluft ved punkt 1 matet til en luftforvarmer 100 hvor den forvarmes til en temperatur på 500-600° F (260-315° C) ved punkt 2. Brenn-stoffmengden i brennstoffstrømmen 5 som tilføres forbrenningssonen 101 representerer bare en andel av alt brennstoffet som skal forbrennes. Forbrenningssonen 101 er dannet i varmevekslerens HEIA arbeidsfluidkjølte rør. En første arbeidsfluidstrøm kommer inn i varmeveksleren ved punkt 11 og kommer ut av varmeveksleren med øket temperatur ved punkt 12. Varmen fra røykgass-strømmen overføres primært som strålingsenergi. Mengden av brennstoff og forvarmet luft som tilføres forbrenningskammeret er valgt for å regulere forbrenningssone-temperaturen til en forutbestemt verdi på grunnlag av varmeabsorbsjonskravene til de omgivende ovnvegger. Særlig reguleres forbrenningssone-temperaturen i den første forbrenningssone101 for å hindre for høye ovnvegg-temperaturer i varmeveksleren HEIA for å unngå at varmeveksleren skades.

Røykgass fra den første forbrenningssone 101 føres ved punkt 7 inn i den andre forbrenningssone 102. Røykgassen blandes med en forbrenningsluftstrøm 4 og en brennstoffstrøm 6. Forbrenningssone-temperaturen i forbrenningssonen 102 reguleres for å hindre for høye ovnvegg-temperaturer i varmeveksleren HE2A for å unngå at varmeveksleren skades. Forbrenningssonen 102 er dannet i varmevekslerens HE2A arbeidsfluid-kjølte rør. En andre arbeidsfluidstrøm kommer inn i varmeveksleren HE2A ved punkt 13 og kommer ut med varmeveksleren med øket temperatur ved punkt 14.

Røykgass fra den andre forbrenningssone 102 føres til ovnens konvektive gjennomløp ved å komme inn i den første konvektive sone 103, hvor røykgassen avkjøles i varmeveksleren HE2B. En tredje arbeidsfluidstrøm, i dette tilfelle koplet i serie med den andre arbeidsfluidstrøm, kommer inn i varmeveksleren HE2B ved punkt 15 og kommer ut av varmeveksleren HE2B med øket temperatur ved punkt 16, og blir deretter tilbakeført til kraftsystemet 105. Røykgass forlater den konvektive sone 103 med senket temperatur ved punkt 9 sammenliknet med punkt 8 og føres til den andre

konvektive sone 104.

Likeledes blir røykgassen ytterligere avkjølt i den andre konvektive sone 104 ved å avgi varme til varmeveksleren HE2B. En fjerde arbeidsfluidstrøm, i dette tilfelle koplet i serie med den første arbeidsfluidstrøm, kommer inn i varmeveksleren HE1B ved punkt 17 og kommer ut av varmeveksleren HE1B med øket temperatur ved punkt 18, og blir deretter tilbakeført til kraftsystemet 105. Røykgass ved punkt 10 kommer ut av det konvektive gjennomløp og strømmer til luftforvarmeren 100. I luftforvarmeren 100 blir røykgassen ytterligere avkjølt, idet varme avgis til forbrenningsluftstrømmen, og føres til pipen med redusert temperatur ved punkt 11.

Det er et vesentlig fortrinn ved flertrinns-ovnkonstruk-sjonen at de forbrenningstemperaturer som blir nådd i de individuelle fyringssoner kan reguleres individuelt gjennom styring av brennstoff- og luftstrømmene. Det kan enten benyttes understøkiometrisk eller overstøkiometrisk forbrenning for å regulere fyringssone-temperaturen i første trinn. Ved å benytte uavhengige arbeidsfluidstrømmer til å danne ovn-omslutningen, er det dessuten mulig å utnytte kaldt arbeidsfluid i ovnens varmeste soner. Endelig oppvarming av arbeidsfluidstrømmene finner sted i ovnens konvektive gjennomløp. Oppfinnelsen tilfører varme til et direktefyrt ovnsystem på en måte som muliggjør regulering av forbrenningssone-temperaturene, for derved å hindre for høye rørmetall-temperaturer.

Det er beskrevet et totrinns-system med avkjøling av forbrenningssonene og det konvektive gjennomløp v.h.a. to uavhengige strømmer av arbeidsfluid som er koplet i serie mellom forbrenningssonen og det konvektive gjennomløp. En røykgass-strøm innbefatter i hvert tilfelle røykgass-strømmene fra alle foregående trinn. Andre varianter kan innbefatte tretrinns og firetrinns-systemer av liknende beskaffenhet. Dessuten kan uavhengige arbeidsfluidstrømmer utnyttes til bare å avkjøle seksjoner i ovnen eller seksjoner i det konvektive gjennomløp.

Claims

1. Fremgangsmåte for tilførsel av fjernvarme til et kraftsystem, karakterisert ved at den omfatter trinnene tilførsel av en første luftstrøm og en første andel av den totale mengde forbrenningsbrennstoff til en første forbrenningssone, forbrenning av den første andel av brennstoff i den første forbrenningssone for tildanning av en første røykgass-strøm, overføring av fjernvarme fra den første forbrenningssone til en første arbeidsfluidstrøm fra et kraftsystem i første varmeveksler-rør utsatt for den første forbrenningssone, idet mengden av brennstoff og luft som tilføres den første forbrenningssone tilpasses for regulering av temperaturen i den første forbrenningssone til en første forutbestemt verdi, tilførsel av den første røykgass-strøm, en andre luftstrøm og en andre andel av den totale mengde forbrenningsbrennstoff til en andre forbrenningssone, forbrenning av den andre andel av brennstoff i den andre forbrenningssone for tildanning av en andre røykgass-strøm, og overføring av fjernvarme fra den andre forbrenningssone til en arbeidsfluidstrøm fra et kraftsystem i andre varmeveksler-rør utsatt for den andre forbrenningssone, idet mengden av brennstoff og luft som tilføres den andre forbrenningssone tilpasses for regulering av temperaturen i den andre forbrenningssone til en andre forutbestemt verdi.

2. Fremgangsmåte ifølge krav lkarakterisert ved at den første og andre sone er i samme ovn.

3. Fremgangsmåte ifølge krav lkarakterisert ved at den første luftstrøm blir forvarmet ved bruk av varme fra den andre røykgass-strøm.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3 karakterisert ved at den andre luftstrøm blir forvarmet ved bruk av varme fra den andre røykgass-strøm.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 2 karakterisert ved at de første varmeveksler-rør omgir den første forbrenningssone, og at de andre varmeveksler-rør omgir den andre forbrenningssone.

6. Fremgangsmåte ifølge krav lkarakterisert ved at den ytterligere omfatter føring av den andre røykgass gjennom en første konvektiv sone og overføring av fjernvarme fra den første konvektive sone til en tredje arbeidsfluidstrøm fra et kraftsystem i tredje varmeveksler-rør utsatt for den første konvektive sone.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6 karakterisert ved at den ytterligere omfatter føring av den andre røykgass fra den første konvektiv sone gjennom en andre konvektiv sone og overføring av fjernvarme fra den andre konvektive sone til en fjerde arbeidsfluidstrøm fra et kraftsystem i fjerde varmeveksler-rør utsatt for den andre konvektive sone.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6 karakterisert ved at den tredje arbeidsfluidstrøm er koplet i serie med den første eller andre arbeidsfluidstrøm.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7 karakterisert ved at den tredje arbeidsfluidstrøm er koplet i serie med den første eller andre arbeidsfluidstrøm, og at den fjerde arbeidsfluidstrøm er koplet i serie med den resterende av den første og andre arbeidsfluidstrøm.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 7 karakterisert ved at den første og andre luftstrøm blir forvarmet ved bruk av varme fra den andre røykgass-strøm mottatt fra den andre konvektive sone.

11. Fremgangsmåte ifølge krav lkarakterisert ved at den ytterligere omfatter anordning av en eller flere ytterligere forbrenningssoner koplet i serie for mottak av den andre røykgass-strøm, ytterligere respektive luftstrømmer og ytterligere respektive andeler av den totale mengde forbrenningsbrennstoff, forbrenning av de ytterligere respektive andeler av den totale mengde brennstoff i de ytterligere forbrenningssoner for tildanning av ytterligere respektive røykgass-strømmer, og overføring av fjernvarme fra de ytterligere forbrenningssoner til respektive ytterligere arbeidsfluidstrømmer fra et kraftsystem i ytterligere varmeveksler-rør utsatt for de ytterligere forbrenningssoner, idet mengdene av brennstoff og luft som tilføres de ytterligere forbrenningssoner tilpasses for regulering av temperaturene i de ytterligere forbrenningssoner til respektive forutbestemte verdier.

12. Anordning for tilførsel av fjernvarme til et kraftsystem, karakterisert ved at den omfatter en første forbrenningssone koplet for mottak av en første luftstrøm og en første andel av den totale mengde forbrenningsbrennstoff og tildanning av en første røykgass-strøm innbefattende produktene fra forbrenning av den første andel av brennstoff i den første forbrenningssone, første varmeveksler-rør som er utsatt for den første forbrenningssone og som fremfører en første fjern-arbeidsfluidstrøm fra et kraftsystem, reguleringsmekanismer for regulering av mengden av brennstoff og luft som tilføres den første forbrenningssone for regulering av temperaturen i den første forbrenningssone til en første forutbestemt verdi, en andre forbrenningssone koplet for mottak av den første røykgass-strøm, en andre luftstrøm og en andre andel av den totale mengde forbrenningsbrennstoff og tildanning av en andre røykgass-strøm innbefattende produktene fra forbrenning av den andre andel av brennstoff i den andre forbrenningssone andre varmeveksler-rør som er utsatt for den andre forbrenningssone og som fremfører en andre fjern-arbeidsfluidstrøm fra et kraftsystem, og reguleringsmekanismer for regulering av mengden av brennstoff og luft som tilføres den andre forbrenningssone for regulering av temperaturen i den andre forbrenningssone til en andre forutbestemt verdi.

13. Anordning ifølge krav 12 karakterisert ved at den første og andre sone er i samme ovn.

14. Anordning ifølge krav 12 karakterisert ved at den ytterligere omfatter en forvarmer for forvarming av den første luftstrøm ved bruk av varme fra den andre røykgass-strøm.

15. Anordning ifølge krav 14 karakterisert ved at forvarmeren forvarmer den andre luftstrøm ved bruk av varme fra den andre røykgass-strøm.

16. Anordning ifølge krav 13 karakterisert ved at de første varmeveksler-rør omgir den første forbrenningssone, og at de andre varmeveksler-rør omgir den andre forbrenningssone.

17. Anordning ifølge krav 12 karakterisert ved at den ytterligere omfatter en første konvektiv sone koplet for mottak av den andre røykgass-strøm fra den andre forbrenningssone, og tredje varmeveksler-rør som er utsatt for den første konvektive sone og som fremfører en tredje fjern-arbeidsfluidstrøm fra et kraftsystem.

18. Anordning ifølge krav 17 karakterisert ved at den ytterligere omfatter en andre konvektiv sone koplet for mottak av den andre røykgass-strøm fra den første konvektive sone, og fjerde varmeveksler-rør som er utsatt for den andre konvektive sone og som fremfører en fjerde fjern- arbeidsfluidstrøm fra et kraftsystem.

19. Anordning ifølge krav 17 karakterisert ved at den tredje arbeidsfluidstrøm er koplet i serie med den første eller andre arbeidsfluidstrøm.

20. Anordning ifølge krav 18 karakterisert ved at den tredje arbeidsfluidstrøm er koplet i serie med den første eller andre arbeidsfluidstrøm, og at den fjerde arbeidsfluidstrøm er koplet i serie med den resterende av den første og andre arbeidsfluidstrøm.

21. Anordning ifølge krav 18 karakterisert ved at den ytterligere omfatter en forvarmer for forvarming av den første og andre luftstrøm ved bruk av varme fra den andre røykgass-strøm mottatt fra den andre konvektive sone.

22. Anordning ifølge krav 12 karakterisert ved at den ytterligere omfatter en eller flere ytterligere forbrenningssoner koplet i serie for mottak av den andre røykgass-strøm, ytterligere respektive luftstrømmer og ytterligere respektive andeler av den totale mengde forbrenningsbrennstoff, ytterligere varmeveksler-rør som er utsatt for de respektive ytterligere forbrenningssoner og som fremfører ytterligere respektive fjern-arbeidsfluidstrømmer fra et kraftsystem, og ytterligere reguleringsmekanismer for regulering av mengdene av brennstoff og luft som tilføres de ytterligere forbrenningssoner for regulering av temperaturene i de ytterligere forbrenningssoner til ytterligere forutbestemte verdier .