Перекрестная ссылка на родственную заявку
[001] Эта заявка является продолжением и выдвигает притязания на приоритет американской заявки № 13/798462, поданной 13 марта 2013 г. Все описание вышеупомянутого документа включено сюда посредством ссылки.
Предпосылки создания изобретения
1. Область техники, к которой относится изобретение
[002] Это изобретение в целом относится к газожидкостным теплообменным системам, а конкретнее - к системе, допускающей множество путей жидкости для обеспечения разных температур питательной жидкости, попадающей в систему.
2. Описание предшествующего уровня техники
[003] Природный газ представляет собой важный источник электрической энергии в Соединенных Штатах и других странах. Он горит с незначительными выбросами и доступен во многих регионах мира. Его цена резко упала за последние годы, поскольку недавно новые способы бурения, такие, как гидравлический разрыв (или прослеживание) пласта, позволили вскрыть ранее недоступные залежи. Электростанции, которые преобразуют природный газ в электрическую энергию, эффективны и - по сравнению с гидроэлектрическими проектами и электростанциями, работающими на угле, - относительно просты и недороги в сооружении.
[004] На типичной электростанции, как показано на фиг.1, природный газ горит в газовой турбине (11), вызывая вращение ротора турбины (11) и питая энергией электрической генератор (13), с которым соединен ротор. Выхлопные газы - главным образом диоксид углерода, определенные загрязняющие вещества и водяной пар - покидают газовую турбину при температуре примерно 648,89°С (1200°F). Поэтому тепло, содержащееся в этих газах, может представлять собой важный дополнительный источник энергии. Чтобы использовать эту энергию, типичная электростанция с комбинированным циклом, работающая на природном газе, включает в себя теплоутилизационный парогенератор (ТУПГ) (100), через который проходят горячие выхлопные газы. ТУПГ (100) действует как газожидкостной теплообменник, позволяющий улавливать тепло, присутствующее в выхлопном газе, и повторно использовать его в паровой турбине (301).
[005] ТУПГ (100) включает в себя всасывающий короб (101), куда на конце (103) попадают продукты сгорания из газовой турбины, и конец (105) для отвода выхлопного газа. Выхлопной газ течет из газовой турбины (11) в находящийся выше по течению конец (103) короба (101). Потом газ проходит по каналу пучков (200) труб с рабочим телом, которое включает в себя водяной пар, смесь водяного пара и воды, а также воду. Выхлопной газ нагревает рабочее тело, а сам при этом охлаждается. Сразу же после того, как он покидает пучки (200) труб, газ выходит из находящегося ниже по течению конца (105) в дымовую трубу, которая направляет выхлопные газы в атмосферу. ТУПГ согласно фиг. 1 представляет собой ТУПГ с двумя уровнями давления. А если так, то - подобно большинству ТУПГ - его пучки (200) труб состоят в основном из трех функциональных секций внутри короба (101). Первой является пароперегреватель (201), второй является испаритель, а третьей является экономайзер (называемый также подогревателем питательной воды). Поскольку имеем систему с двумя давлениями, в системе высокого давления используются пароперегреватель (201), испаритель (203) высокого давления и экономайзер (207) высокого давления. В системе низкого давления используются испаритель (206) низкого давления и экономайзер (205) низкого давления. Эти различия являются функциональными, поскольку пучки труб соединены друг с другом, а функциональные компоненты расположены в основном в указанном порядке от находящегося выше по течению конца (103) до находящегося ниже по течению конца (105).
[006] Жидкость, находящаяся в пучках труб (именуемая здесь питательной водой (407)), попадает в экономайзер (205) низкого давления в виде жидкости. Экономайзер (205) низкого давления повышает температуру питательной воды (407). После этого, высокотемпературная питательная вода (407) течет в испаритель (206) низкого давления, который преобразует часть питательной воды (407) в насыщенный водяной пар низкого давления. Часть питательной воды также течет в экономайзер (207) высокого давления. Затем испаритель (203) высокого давления преобразует эту поступающую воду в водяной пар высокого давления. Потом водяной пар из испарителя высокого давления течет в пароперегреватель (201), который преобразует насыщенный водяной пар в перегретый водяной пар. Поэтому поток питательной воды (407) беспрепятственно идет в противоход потоку газа в коробе (101).
[007] Сразу же после перегревания питательной воды (407), перегретый водяной пар течет к внешней паровой турбине (301), которая питает энергией еще один электрической генератор (13). После паровой турбины (301), рабочее тело (407) будет проходить в конденсатор (303), где водяной пар конденсируется в вакууме, превращаясь опять в жидкость для повторного использования посредством рассматриваемой системы. Насос (305) конденсата подает питательную воду (407) обратно в экономайзер (205).
[008] Поскольку природный газ обычно содержит очень малые количества серы в качестве загрязняющего вещества, которое нелегко удалить до сгорания, сгорание природного газа в газовой турбине (11) обычно вызывает соединение серы с кислородом, в результате чего получаются оксиды серы. Процесс горения в газовой турбине (11) также влечет за собой появление больших количеств воды, которая просто присутствует в атмосфере. При условии, что температура выхлопных газов в коробе (101) остается выше кислотной точки росы для газов, которую в промышленности обычно принимают составляющей, по меньшей мере, примерно 60°С (140°F) для серной кислоты при концентрации серы, ожидаемой в большинстве природного газа, оксиды серы выходят из ТУПГ в дымовую трубу.
[009] Вместе с тем, до того, как она станет перегретой, питательная вода (407), попадающая в пучки (200) труб внутри короба (101), в общем случае будет иметь температуру лишь от примерно 32,22°С (90°F) до примерно 37,78°С (100°F), и поэтому возможна ситуация, в которой пучки (200) труб, расположенные ближе к находящемуся ниже по течению концу (553) экономайзера (205) низкого давления, обычно называемые «холодными рядами», будут иметь температуру ниже точки росы выхлопных газов (примерно 60°С (140°F) для выхлопных газов, получаемых в результате сгорания природного газа, как отмечалось выше). Если это должно произойти, то на трубах (200), расположенных ближе к находящемуся ниже по течению концу, может концентрироваться серная кислота, получающаяся из оксидов серы в отходящем газе, соединяющемся с упомянутой водой, образуя серную кислоту. Поскольку серная кислота оказывает сильное коррозионное воздействие на материал труб (200), такое образование может причинять повреждение трубам (200), которое, в конце концов, потребует отключения и ремонта ТУПГ (100) со всеми сопутствующими этому затратами.
[010] Чтобы воспрепятствовать образованию серной кислоты, фирмы-изготовители ТУПГ (100) попытались придавать ТУПГ (100) такую конфигурацию, что питательная вода (407) попадает в короб (101) при температуре выше кислотной точки росы для выхлопных газов. В частности, для операций с природным газом желательно повышение температуры до примерно 60°С (140°F) перед тем, как вода попадает в канал (200). Хотя есть ряд способов, чтобы добиться этого, включая использование рециркуляционных насосов, на фиг.1 представлена более сложная конфигурация, в которой питательная вода (407) подается на холодный вход жидкостно-жидкостного теплообменника (307), внешнего по отношению к коробу (101), до того, как она попадает в трубы (200) внутри короба (101). Чтобы обеспечить горячую жидкость для теплообменника (307), питательную воду (407), которая уже нагрета в коробе (101), направляют из короба (101) на горячий вход теплообменника (307).
[011] Направление частично нагретой питательной воды (407) осуществляют посредством использования экономайзера (205) низкого давления, который включает в себя две секции (205a) и (205b), как показано на фиг. 2 и 3. Эти секции (205a) и (205b) позволяют посылать частично нагретую воду, находящуюся внутри экономайзера (205) низкого давления, во внешний теплообменник (307), а потом - обратно в экономайзер (205) низкого давления. Секции (205a) и (205b) можно размещать во множестве разных конфигураций внутри короба (101), а в целом секции (205a) и (205b) исключают потребность в рециркуляционном насосе для подогрева питательной воды (407), вследствие чего оказывается возможным упрощение работы и сокращение компонентов на одну механическую часть, которая, в конце концов, могла бы выйти из строя.
[012] На фиг. 2 представлен экономайзер (205), в котором секции (205a) и (205b) размещены последовательно (одна за другой) по отношению к потоку (591) газа, а на фиг. 3 представлен экономайзер (205), в котором секции (205a) и (205b) размещены параллельно (рядом друг с другом) по отношению к потоку (591) газа. Между этими двумя секциями (205a) и (205b) питательная вода (407) протекает через горячий вход теплообменника (307), являющегося внешним по отношению к потоку (591) газа. Питательная вода (407) сразу же из конденсатора (303) протекает через холодный вход теплообменника (307) до того, как попадает в экономайзер (205). Таким образом, теплообменник (307) повышает температуру питательной воды (407) из конденсатора (303), которая составляет от примерно 32,22°С (90°F) до примерно 37,78°С (100°F), доводя ее, по меньшей мере, до 60°С (140°F) перед тем, как вода (407) попадает в находящиеся ниже по течению ряды (553) труб секции (205a) экономайзера. Вообще говоря, это означает, что конденсация кислоты на находящихся ниже по течению рядах (553) труб этой секции (205a) не происходит.
[013] Системы согласно фиг. 1-3 очень хорошо работают в случаях газовых турбин, работающих на природном газе, с системами теплоутилизационных парогенераторов (ТУПГ). Вместе с тем, многие электростанции, работающие на природном газе, рассчитаны на работоспособность в аварийных ситуациях, чтобы обеспечить работу в отсутствие природного газа. Хотя природный газ всегда является предпочтительным топливом, иногда его просто недостаточно на электростанции. Большинство электростанций, работающих на природном газе и рассчитанных на работоспособность в аварийных ситуациях, рассчитаны на горение альтернативного нефтехимического продукта в случае аварии. Аналогичным образом, если стоимость природного газа резко увеличивается, эти электростанции также оказываются более универсальными, поскольку они могут полностью перейти на работу, предусматривающую горение альтернативных материалов. Альтернативным материалом зачастую оказывается мазут №2, который в общем случае имеет значительно большее содержание серы, чем природный газ.
[014] Когда во время эксплуатации электростанции согласно фиг. 1-3 горит мазут №2, выхлопные газы, попадающие в короб (101), в общем случае включают в себя большее процентное содержание серы, чем при использовании природного газа. Этот увеличенное процентное содержание серы означает, что температура, при которой на трубах, размещенных на пути (200) выхлопных газов, будет конденсироваться серная кислота, возрастает свыше температуры 60°С (140°F), при которой в пучки (200) труб подается питательная вода (407). Когда используют рециркуляционный насос, это вообще не проблема. Однако при таких конструкциях, как показанные на фиг. 2 и фиг. 3, где используется внешний теплообменник, система зачастую не способна подвести избыточное тепло к питательной воде (407), чтобы поднять температуру существенно выше 60°С (140°F), ввиду использования другого топлива, и поэтому серная кислота будет конденсироваться на трубах холодного конца пучка (200) труб, рассчитанного на питательную воду (407), которая должна иметь на входе температуру 60°С (140°F), но больше не имеет температуру, достаточную для того, чтобы воспрепятствовать конденсации, и поэтому для предотвращения коррозии пучков (200) труб потребовался бы полный обход всей секции экономайзера (205).
Краткое изложение существа изобретения
Ввиду вышеупомянутых проблем в известных технических решениях, здесь описываются системы и способы проектирования теплоутилизационного парогенератора (ТУПГ) или аналогичной системы, которая предназначена для отбора тепла из горячих газов, текущих по коробу, и в которой используется внешний жидкостно-жидкостный теплообменник для подогрева питательной воды. Предлагаемые системы и способы допускают изменяемый режим потока воды для обеспечения подогретой воды с множеством разных температур.
[016] Помимо прочих, здесь описывается система труб для передачи тепла из потока выхлопного газа питательной воде, содержащая: экономайзер, включающий в себя: первую секцию; вторую секцию; третью секцию; и четвертую секцию, причем первая секция, вторая секция, третья секция и четвертая секция находятся в пределах потока газа; теплообменник, который не находится в пределах потока выхлопного газа и имеет холодный вход и горячий вход; и множество клапанов, причем клапаны могут быть расположены в первой конфигурации таким образом, что питательная вода проходит через систему в следующем порядке:
a) холодный вход теплообменника;
b) первая секция экономайзера;
c) горячий вход теплообменника;
d) вторая секция экономайзера; и
e) третья секция и четвертая секция экономайзера в любом порядке; и
при этом клапаны могут быть расположены во второй конфигурации таким образом, что питательная вода проходит через систему в следующем порядке:
a) холодный вход теплообменника;
b) первая секция экономайзера;
c) третья секция экономайзера;
d) горячий вход теплообменника;
e) вторая секция экономайзера; и
f) четвертая секция экономайзера.
[017] В варианте осуществления системы, поток выхлопного газа выбран из группы, состоящей из: выхлопного газа, получаемого в результате сгорания природного газа, и выхлопного газа, получаемого в результате сгорания мазута №2.
[018] В варианте осуществления системы, клапаны могут быть расположены в первой конфигурации, когда выхлопной газ имеет относительно более низкое содержание серы, и во второй конфигурации, когда выхлопной газ имеет относительно более высокое содержание серы.
[019] В варианте осуществления системы, первая секция экономайзера и вторая секция экономайзера расположены параллельно по отношению к потоку выхлопного газа.
[020] В варианте осуществления системы, первая секция экономайзера и вторая секция экономайзера расположены последовательно по отношению к потоку выхлопного газа.
[021] В варианте осуществления системы, третья секция экономайзера и четвертая секция экономайзера расположены параллельно по отношению к потоку выхлопного газа.
[022] В варианте осуществления системы, третья секция экономайзера и четвертую секция экономайзера расположены последовательно по отношению к потоку выхлопного газа.
[023] В варианте осуществления системы, множество клапанов включает в себя: первый трехходовой клапан, расположенный между находящейся выше по течению поверхностью первой секции экономайзера, находящейся выше по течению поверхностью третьей секции экономайзера и горячим входом теплообменника; второй трехходовой клапан, расположенный между находящейся выше по течению поверхностью первой секции экономайзера, находящейся выше по течению поверхностью второй секции экономайзера, и находящейся ниже по течению поверхностью третьей секции экономайзера; и первый двухходовой клапан, расположенный между находящейся выше по течению поверхностью третьей секции экономайзера и находящейся выше по течению поверхностью четвертой секции экономайзера.
[024] В варианте осуществления системы, множество клапанов дополнительно включает в себя обходной клапан, который позволяет питательной воде либо: попадать на холодный вход теплообменника; либо идти в обход экономайзера.
[025] В варианте осуществления системы, питательная вода, попадающая на холодный вход, имеет температуру между примерно 32,22°С (90°F) и примерно 37,78°С (100°F).
[026] В варианте осуществления системы, когда клапаны расположены в первой конфигурации, питательная вода, попадающая в первую секцию экономайзера, имеет температуру примерно 60°С (140°F).
[027] В варианте осуществления системы, эта система является частью теплоутилизационного парогенератора (ТУПГ).
[028] В варианте осуществления системы, после того, как питательная вода прошла либо через первую конфигурацию, либо через вторую конфигурацию, эта питательная вода пропускается в испаритель низкого давления.
[029] Здесь также описан способ управления потоком жидкости через устройство для обмена теплом между газом и жидкостью, заключающийся в том, что: обеспечивают устройство для обмена теплом между газом и жидкостью, включающее в себя: экономайзер включающий в себя: первую секцию; вторую секцию; третью секцию; и четвертую секцию, причем первая секция, вторая секция, третья секция и четвертая секция находятся в пределах потока газа; теплообменник, который не находится в пределах потока выхлопного газа и имеет холодный вход и горячий вход; используют упомянутое устройство в первой конфигурации, в которой жидкость проходит через компоненты устройства в следующем порядке:
a) холодный вход теплообменника;
b) первая секция экономайзера;
c) горячий вход теплообменника;
d) вторая секция экономайзера; и
e) третья и четвертая секция экономайзера в любом порядке,
когда первый выхлопной газ образует поток выхлопного газа; и
используют упомянутое устройство во второй конфигурации, в которой жидкость проходит через компоненты устройства в следующем порядке:
a) холодный вход теплообменника;
b) первая секция экономайзера;
c) третья секция экономайзера;
d) горячий вход теплообменника;
e) вторая секция экономайзера; и
f) четвертая секция экономайзера,
когда второй выхлопной газ, отличающийся от первого выхлопного газа, образует поток выхлопного газа.
[030] В варианте осуществления способа, первый выхлопной газ - это выхлопной газ, получаемый в результате сгорания природного газа, а второй выхлопной газ - это выхлопной газ, получаемый в результате сгорания мазута №2.
[031] В варианте осуществления способа, первый выхлопной газ имеет относительно более низкое содержание серы, чем второй выхлопной газ.
[032] В варианте осуществления способа, первая секция экономайзера и вторая секция экономайзера расположены параллельно по отношению к потоку выхлопного газа.
[033] В варианте осуществления способа, первая секция экономайзера и вторая секция экономайзера расположены последовательно по отношению к потоку выхлопного газа.
[034] В варианте осуществления способа, третья секция экономайзера и четвертая секция экономайзера расположены параллельно по отношению к потоку выхлопного газа.
[035] В варианте осуществления способа, третья секция экономайзера и четвертая секция экономайзера расположены последовательно по отношению к потоку выхлопного газа.
[036] В варианте осуществления способа, жидкость, попадающая на холодный вход, имеет температуру между примерно 32,22°С (90°F) и примерно 37,78°С (100°F).
[037] В варианте осуществления способа, в первой конфигурации, жидкость, попадающая в первую секцию экономайзера, имеет температуру примерно 60°С (140°F).
[038] В варианте осуществления способа, во второй конфигурации, жидкость, попадающая в первую секцию экономайзера, имеет температуру более 110°С (230°F).
[039] В варианте осуществления способа, этот способ осуществляют в теплоутилизационном парогенераторе (ТУПГ).
Краткое описание чертежей
[040] На фиг. 1 представлена гибридная блок-схема электростанции, включающей в себя известный теплоутилизационный парогенератор (ТУПГ).
[041] На фиг. 2 представлена блок-схема известного экономайзера с внешним теплообменником, имеющего две секции, расположенные последовательно, для использования в таком ТУПГ, как тот, который показан на фиг. 1.
[042] На фиг. 3 представлена блок-схема известного экономайзера с внешним теплообменником, имеющего две секции, расположенные параллельно, для использования в таком ТУПГ, как тот, который показан на фиг. 1.
[043] На фиг. 4 представлена блок-схема компоновки экономайзера, который предназначен для использования в таком ТУПГ, как тот, который показан на фиг. 1, и включает в себя систему клапанов для переключаемой работы.
[044] На фиг. 5 показано сочетание компоновки согласно фиг. 4 с клапанами, скомпонованными для работы на природном газе.
[045] На фиг. 6 показано сочетание компоновки согласно фиг. 4 с клапанами, скомпонованными для работы на мазуте.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
[046] В этом описании будут рассмотрены системы и способы проектирования теплоутилизационного парогенератора (ТУПГ) (100), в котором используется внешней жидкостно-жидкостный теплообменник (307) для подогрева конденсата (407) и который допускает изменяемый режим потока воды для изменения температуры, с которой конденсат (407) попадает в пучки (200) труб внутри короба (101), на основании состава газа, из которого ТУПГ (100) утилизирует тепло. Таким образом, температура конденсата (407) на входе является изменяемой, и эту температуру можно выбирать путем изменения выбираемого пути.
[047] Следует признать, что, хотя в этом описании будет конкретно охарактеризована компоновка (500) труб экономайзера (205) в связи с ТУПГ (100), предназначенным главным образом для отбора тепла из выхлопа (591a) природного газа, описываемые компоновка (500) труб и методология применимы с тем же успехом и к ТУПГ (100), используемым для других основных форм теплообмена газа с жидкостью и других систем отбора тепла у нагретых газов. Эти возможности включают в себя - но не в ограничительном смысле - системы, используемые для отбора тепла, получаемого главным образом в результате сгорания ископаемых топлив, таких, как уголь и нефть, сжигания отходов, или из других систем, которые вырабатывают тепло. Кроме того, поскольку термин «экономайзер» в сущности представляет собой функциональное определение, компоненты именуемые здесь частями секции экономайзера, не следует считать ограничительными признаками, и в разных вариантах осуществления предусматривается возможность, в соответствии с которой функции экономайзера (205) могут выполняться другими компонентами. Аналогичным образом, существующая относительно позиции частей (например, (205a) и (205c)) возможность также заменять их другими функциональными позициями по сравнению с теплообменником (307) в общем случае важнее, чем изменение позиции частей (например, (205a) и (205c)) друг относительно друга.
[048] На фиг. 4 представлен вариант осуществления системы (50), включающей в себя компоновку (500) труб, проходящих через ТУПГ (100), обеспечивающую альтернативный путь на основании композиции потока (591) газа. Количество компонентов ТУПГ (100), показанных на фиг. 4, сокращено по сравнению с теми, которые показаны на фиг. 1, чтобы проиллюстрировать конкретный путь текучей среды через экономайзер (205). Остальные компоненты будут в общем случае располагаться как обычно, что будет понятно обычному специалисту. На фиг. 4 видно, что экономайзер (205) скомпонован имеющим две секции (205a) и (205b), которые показаны расположенными параллельно, как говорилось выше в связи с фиг. 3. Вместе с тем, как будет понятно обычному специалисту, эта компоновка никоим образом не является обязательной и приводится лишь в иллюстративных целях. В альтернативном варианте осуществления, экономайзер (205) можно скомпоновать с последовательными секциями, как говорилось в связи с фиг. 2.
[049] Компоновка (500) труб в общем случае включает в себя, по меньшей мере, три, а обычно - четыре клапана (501), (503), (505) и (507). Вместе с тем, можно использовать другие количества клапанов, в зависимости от предпочтительной организации и универсальности желаемых различных потоков. Клапан (501) - это трехходовой обходной клапан, который можно использовать во избежание посылки воды в компоновку (500) труб, если в связи с компоновкой (500) труб возникла проблема, например - если требуется техническое обслуживание потому, что превышена пропускная способность компоновки (500) труб, или по какой-либо иной причине. Клапаны (503), (505) и (507) предназначены для обеспечения прохождения потока воды через компоновку (500) труб по двум разным путям, в зависимости от типа потока (591) газа, используемого для нагревания воды в компоновке (500) труб. Клапаны (503) и (505) в общем случае являются трехходовыми клапанами, а клапан (507) может быть двухходовым клапаном.
[050] В варианте осуществления согласно фиг.4, первый трехходовой клапан (503) расположен между находящейся выше по течению поверхностью (551) первой секции (205a) экономайзера (205), находящейся выше по течению поверхностью (531) третьей секции (205c) экономайзера (205) и горячим входом (703) теплообменника (307). Отметим, что формулировки положений «находящаяся выше по течению» и «находящаяся ниже по течению» относятся здесь к потоку газа, а не к питательной воде (407). Второй трехходовой клапан (505) расположен между находящейся выше по течению поверхностью (551) первой секции (205a) экономайзера (205), находящейся выше по течению поверхностью (551) второй секции (205b) экономайзера (205) и находящейся ниже по течению поверхностью (533) третьей секции (205c) экономайзера (205). Двухходовой клапан (507) также расположен между находящейся выше по течению поверхностью (531) третьей секции (205c) экономайзера (205) и находящейся выше по течению поверхностью (531) четвертой секции (205d) экономайзера (205).
[051] Эта компоновка обеспечивает, по меньшей мере, две разные конфигурации клапанов, как показано на фиг. 5 и 6. В общем случае, клапаны (503), (505) и (507) системы (50) будут регулируемыми в целом одновременно, так что система (50) может работать либо в конфигурации согласно фиг. 5, либо в конфигурации согласно фиг. 6, и ни в каких других конфигурациях. Вместе с тем, обычный специалист в данной области техники поймет, что в некоторых обстоятельствах могут оказаться выгодными альтернативные компоновки и что конфигурации согласно фиг. 5 и 6 не следует рассматривать как ограничительные, потому что можно использовать другие альтернативные конфигурации.
[052] Следует признать, что, хотя в варианте осуществления согласно фиг. 4 для экономайзера (205) показаны четыре секции (205), можно использовать и больше секций, в зависимости от размеров и желаемой универсальности системы (50). В частности, в большей системе (50), экономайзер (205) может быть скомпонован с любым количеством дополнительных секций, работающих в соответствии с принципами построения секций, о которых речь пойдет ниже в связи с фиг. 5 и 6. Кроме того, в качестве компонента, экономайзер (205) низкого давления чаще всего характеризуется сущностью функции, а секции (205a), (205b), (205c) и (205d) можно было бы также рассмотреть на предмет использования в любой другой части (например, в экономайзере (207) высокого давления, испарителе низкого давления (203), испарителе высокого давления (206) или пароперегревателе (201)) в другом варианте осуществления. В общем случае, для экономайзера (205) будет предусмотрено четное количество секций, так что каждая пара сможет работать вышеописанным образом, но это, вероятно, тоже не потребуется.
[053] На фиг. 5 показана компоновка клапанов, которую можно было бы использовать, если бы потребовался меньший подогрев питательной воды (407). Это обычно компоновка, которую можно было бы использовать в потоке (591а), получаемом в результате горения природного газа или другого подаваемого материала, в котором относительно мало серы. Таким образом, поток (591а) газа в общем случае будет содержать относительно меньшее количество серы по сравнению с потоком (591b) газа согласно фиг. 6. Это означает, что желаемая температура питательной воды (407) в момент, когда вода попадает в короб (101) (т.е., покидает теплообменник (307) и попадает в секцию (205a) или (205b)) в общем случае будет составлять примерно 60°С (140°F).
[054] На фиг. 5 показано, что поток жидкости в общем случае будет таким, как показано стрелками на трубах (500). Кроме того, участки с «зачерненными» клапанами закрыты, предотвращая протекание воды через них. Питательная вода (407) будет поступать из конденсатора (303) через обходной клапан (501) без установки обходного клапана (501) в обход системы (50). Таким образом, питательная вода (407) будет течь на холодный вход (701) теплообменника (307), где она будет подогреваться теплообменником (307). Сразу же после подогрева, питательная вода (407) будет попадать в короб (101) и течь к находящейся ниже по течению поверхности (553) первой секции (205a) экономайзера (205). Питательная вода (407) нагревается в первой секции (205a), а потом покидает находящуюся выше по течению поверхность (551), откуда она проходит через клапан (503) на горячий вход (703) теплообменника (307).
[055] Теплообмен с поступающей питательной водой (407) будет происходить на холодном входе, и питательная вода (407) потечет к находящейся ниже по течению поверхности (553) второй секции (205b) экономайзера (205). В общем случае, питательная вода, текущая к находящимся ниже по течению поверхностям (553) обеих - первой и второй - секций (205a) и (205b), будет иметь температуру, превышающую и относительно близкую к 60°С (140°F). Затем питательная вода (407) будет течь от находящейся выше по течению поверхности (551) второй секции (205b) экономайзера (205) через секции (205c) и (205d) в испаритель.
[056] Как должно быть ясно из вышеизложенного описания, путь питательной воды вплоть до этого места совпадает с путем через оба экономайзера (205) согласно фиг. 2 и 3, где питательная вода (407) течет через холодный вход (701) теплообменника (703), через одну секцию (205a) экономайзера (205), на горячий вход (703) теплообменника (307) и через другую секцию (205b) экономайзера (205). Следовательно, это такая же общая компоновка, как и рассмотренная для тех устройств, что показывает достаточность этой компоновки клапанов общем случае для превращения питательной воды, имеющей температуру от примерно 32,22°С (90°F) до примерно 37,78°С (100°F) в конденсаторе (303), в имеющую температуру, по меньшей мере, примерно 60°С (140°F), которая подходит для работы компоновки (500) труб в выхлопном потоке (591a) с более низким содержанием серы (например, в потоке продукта сгорания природного газа).
[057] Как только она пройдет через секции (205a) и (205b) экономайзера, питательная вода (407) будет распределяться посредством клапана (505) по двум путям, по которым она независимо потечет к находящимся ниже по течению поверхностям (533) и покинет находящиеся выше по течению поверхности (531) последних двух секций (205c) и (205d) экономайзера. В общем случае, через каждую секцию (205c) и (205d) будет проходить примерно половина потока питательной воды (407). Потоки питательной воды (407) можно воссоединять посредством клапана (507) и посылать в испаритель (206) для испарения любым известным методом, известным обычному специалисту.
[058] Как должно быть ясно из вышеизложенного, компоновка согласно фиг. 5, по существу, идентична компоновке согласно фиг. 2 или 3, за исключением того, что в компоновке согласно фиг. 5 используются две секции (205c) и (205d) экономайзера (205) с равномерным разбиением потока между ними, в отличие от единственной секции. Эти две секции (205c) и (205d) в общем случае будут расположены параллельно, просто дублируя функцию традиционного односекционного экономайзера (205), но это ни в коем случае не является обязательным, и в альтернативных вариантах осуществления можно было бы использовать альтернативные конструкции с секциями (205c) и (205d), сдвинутыми друг от друга или расположенными последовательно, если это желательно.
[059] Хотя компоновка согласно фиг. 5 достаточна для подогрева питательной воды (407) с помощью теплообменника (307) для потока (591а) газа с относительно низким содержанием серы, обычно этой компоновки будет недостаточно, если поток (591b) газа имеет более высокое содержание серы. Это могло бы произойти в варианте осуществления, где электростанцию, работающую в основном на природном газе, переключают на альтернативное топливо, такое - но не в ограничительном смысле, - как мазут (включая - но не в ограничительном смысле - мазут №2 или мазут №6), в аварийной ситуации или в случае роста цены природного газа. В еще одном дополнительном варианте осуществления, это могло бы произойти, если бы произошел перевод с выхлопного газа (591a) с относительно низким содержанием серы, генерируемого в результате сгорания в основном органических муниципальных отходов, на выхлопной газ (591b) с более высоким содержанием серы, такой, как получаемый в результате сжигания угля. В еще одном дополнительном варианте осуществления, выхлопной газ (591a) с низким содержанием серы может быть получен из подаваемой партии угля с относительно низким содержанием серы, а выхлопной газ (591b) с более высоким содержанием серы может быть получен из подаваемой партии (более низкокачественного) угля с более высоким содержанием серы.
[060] Независимо от причины, по которой в выхлопном потоке (591) увеличивается количество серы, когда оператор знает, что надвигается существенно увеличение содержания серы в выхлопном потоке (591), система (50) согласно фиг. 4 будет переключена с компоновки согласно фиг. 5 на компоновку согласно фиг. 6. В общем случае, увеличение будет считаться достаточным для переключения, если температура питательной воды (407), попадающей на находящиеся ниже по течению поверхности (553) одной из или обеих секций (205a) и (205b) оказывается ниже точки росы выхлопного газа (591), когда система (50) работает в конфигурации согласно фиг. 5. И опять, на фиг. 6, стрелки на компоновке (500) труб обозначают поток питательной воды (407), а зачерненные указатели на клапанах (501), (503), (505) и (507) указывают, что протекание через это плечо клапана запрещено.
[061] При работе согласно фиг. 6, питательная вода (407) опять поступает из конденсатора (303) и проходит через обходной клапан (501) в систему (50). Как должно быть очевидно, обходной клапан (501) находится в одном и том же положении в компоновках согласно и фиг. 5, и фиг. 6, поскольку обходной клапан (501) используется не для изменения режима потока через экономайзер (205), а для обхода его полностью. Поскольку операция обхода (на которой поток питательной воды (407) должен идти из конденсатор (303) через клапан (501) непосредственно в испаритель (206) (или - точнее - в еще один обходной клапан)) является обычной, она далее здесь не рассматривается.
[062] Питательная вода (407) опять проходит на холодный вход (701) теплообменника (307) к находящейся ниже по течению поверхности (553) первой секции (205a) экономайзера (205). Питательная вода (407) проходит от находящейся выше по течению поверхности (551) секции (205a), но теперь возврат этой воды в теплообменник (307) блокируется закрытым участком клапана (503). Вместо этого, питательная вода (407) теперь попадает на находящуюся ниже по течению поверхность (533) секции (205c) экономайзера. Потом она проходит от находящейся выше по течению поверхностью (531) секции (205c), а закрытый клапан (507) посылает ее через открытый участок клапана (503) на горячий вход (703) теплообменника (307), где она будет обмениваться теплом с поступающей холодной водой.
[063] Должно быть ясно, что питательная вода (407), попадающая на горячий вход (703) теплообменника (307) на фиг.6, значительно горячее, чем питательная вода (407), попадающая на горячий вход (703) теплообменника (307) на фиг. 5, поскольку питательной воде (407) придется пройти и через секцию (205a), и через секцию (205c), в отличие от прохождения только через секцию (205a). Таким образом, питательная вода (407), поступающая на холодный вход (701) теплообменника (307), на фиг.6 будет нагреваться до значительно большей температуры, чем на фиг. 5, до подачи питательной воды (407) в секцию (205а) экономайзера. Аналогичным образом, поскольку питательная вода (407) на горячем входе (703) теплообменника (307) горячее на фиг. 6, чем на фиг. 5, питательная вода (407), выходящая из теплообменника (307) в секцию (205b) экономайзера также горячее на фиг.6 по сравнению с фиг. 5.
[064] В зависимости от варианта осуществления и желаемой температуры на входе, питательная вода (407), покидающая теплообменник (307) согласно фиг.6, может иметь столь высокую температуру, как 110°С (230°F), 115,56°С (240°F), 137,78°С (280°F), или более высокую. Эти температуры можно было бы изменять, если бы выхлопной газ (591b) был получен из мазута №2. В другом варианте осуществления, питательная вода (407), покидающая теплообменник (307), может иметь температуру всего 71,11°С (160°F) или более высокую, которая могла бы оказаться подходящей, если бы использовались другие исходные продукты, но в общем случае эта вода горячее, чем было бы необходимо в противном случае - при использовании природного газа. Должно быть ясно, что конкретную температуру, с которой питательная вода (407) покидает теплообменник (307), можно выбрать в обеих компоновках, предусматривающих более низкую температуру и более высокую температуру, на основании размеров и расположения секций (205c) и (205a). Таким образом, хотя температура питательной воды (407), покидающей теплообменник (307) на фиг.6, будет всегда выше, чем упомянутая температура согласно фиг.5, точную величину температуры или разность между ее величинами можно изменять в зависимости от ожидаемого состава выхлопных газов (591a) и (591b) или других факторов, известных обычному специалисту.
[065] Сразу же после того, как питательная вода (407) прошла через горячий вход (703) теплообменника (307), она попадет во вторую секцию (205b) экономайзера (205), проходя от находящейся ниже по течению поверхности (553) к находящейся выше по течению поверхности (551), а потом - из-за того, что клапан (505) закрыт, - питательная вода (407) пройдет к находящейся ниже по течению поверхности (533) четвертой секции (205d) экономайзера (205). Потом питательная вода (407) пойдет от находящейся выше по течению поверхности (531) секции (205d) и будет направлена за счет закрытого клапана (507) в испаритель (206). Таким образом, на фиг.6 питательная вода (407) проходит через обе секции (205c) и (205d) в разные моменты времени, в отличие от в целом одновременного прохождения на фиг. 5.
[066] Должно быть ясно, что в компоновке согласно фиг. 4, где две секции (205a) и (205b) экономайзера параллельны и секции (205c) и (205d) экономайзера параллельны, упомянутую секцию (205c) или (205d) экономайзера (205) и упомянутые секции (205a) и (205b) экономайзера (205) можно использовать для ответвления прохождения питательной воды (407) в общем случае взаимозаменяемо. В компоновке, где секции экономайзера (205) расположены последовательно, компоновки клапанов будут в общем случае воплощены так, что питательная вода (407) будет проходить через находящуюся выше по течению секцию (205d) и (205b), вторую в обеих компоновках. Это согласуется с обозначением здесь позиций между фиг. 2 и 4. Таким образом, секции (205d) и (205b) будут в общем случае находящимися выше по течению от связанных с ними секций (205c) и (205a) при непараллельной компоновке.
[067] Как должно быть ясно из вышеизложенного, когда система (50) выполнена в компоновке согласно фиг.6, питательная вода (407) из конденсатора (303) подогревается до значительно более высокой температуры, чем в компоновке согласно фиг. 5. Таким образом, имеется сниженная вероятность конденсации серной кислоты, образующейся на находящихся ниже по течению трубах (553) различных секций экономайзера (205), даже в присутствии выхлопных газов (591b) с более высоким содержанием серы, или если есть другая причина, по которой точка росы в выхлопных газах (591b) выше, чем точка росы выхлопных газов (591a). Таким образом, систему (50) можно переключать от компоновки согласно фиг. 5 к компоновке согласно фиг. 6, когда используют исходный продукт, который имеет большее содержание серы, что характерно, когда электростанция работает на мазуте №2 в отличие от природного газа.
[068] Хотя изобретение описано в связи с определенными предпочтительными вариантами осуществления, это не следует считать ограничением, накладываемым всеми представленными подробностями. В рамках существа и объема притязаний изобретения, в описанных вариантах осуществления возможны модификации и изменения, а данное описание следует считать охватывающим другие варианты осуществления, как должно быть ясно обычным специалистам в данной области техники.
[069] Также следует понять, что любые из диапазонов, значений или характеристик, приводимых для любого одиночного компонента данного изобретения, можно использовать взаимозаменяемо с любыми диапазонами, значениями или характеристиками, приводимыми для любых других компонентов изобретения, если они совместимы, с образованием варианта осуществления, предусматривающего определенные значения для каждого из компонентов, упоминаемых по всему тексту описания.
Изобретение относится к энергетике. Система труб для передачи тепла из потока выхлопного газа питательной воде, содержащая экономайзер, который включает в себя четыре секции, а также теплообменник и множество клапанов. При этом секции экономайзера находятся в пределах упомянутого потока газа, а теплообменник, в свою очередь, находится за пределами данного потока. Причём клапаны могут быть расположены в различных конфигурациях, что позволяет обеспечить множество режимов потока воды для регулирования температуры питательной воды, поступающей в газовый короб. Также представлен способ управления потоком жидкости. Изобретение позволяет избежать повреждения труб теплоутилизационного парогенератора, вызванного сильным коррозионным воздействием на материал труб серной кислоты, содержащейся в воде, за счёт повышения температуры питательной воды в теплообменнике, внешнем по отношению к потоку выхлопного газа. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 6 ил.
1. Система труб для передачи тепла из потока выхлопного газа питательной воде, содержащая:
экономайзер, включающий в себя:
первую секцию;
вторую секцию;
третью секцию; и
четвертую секцию,
причем первая секция, вторая секция, третья секция и четвертая секция находятся в пределах упомянутого потока газа;
теплообменник, который не находится в пределах упомянутого потока выхлопного газа и имеет холодный вход и горячий вход; и
множество клапанов,
причем клапаны могут быть расположены в первой конфигурации таким образом, что питательная вода проходит через систему в следующем порядке:
a) холодный вход теплообменника;
b) первая секция экономайзера;
c) горячий вход теплообменника;
d) вторая секция экономайзера; и
e) третья секция и четвертая секция экономайзера в любом порядке; и
при этом клапаны могут быть расположены во второй конфигурации таким образом, что питательная вода проходит через систему в следующем порядке:
a) холодный вход теплообменника;
b) первая секция экономайзера;
c) третья секция экономайзера;
d) горячий вход теплообменника;
e) вторая секция экономайзера; и
f) четвертая секция экономайзера.
2. Система по п. 1, в которой упомянутый поток выхлопного газа выбран из группы, состоящей из: выхлопного газа, получаемого в результате сгорания природного газа, и выхлопного газа, получаемого в результате сгорания мазута № 2.
3. Система по п. 1, в которой упомянутые клапаны расположены в упомянутой первой конфигурации, когда упомянутый выхлопной газ имеет относительно более низкое содержание серы, и в упомянутой второй конфигурации, когда упомянутый выхлопной газ имеет относительно более высокое содержание серы.
4. Система по п. 1, в которой упомянутая первая секция упомянутого экономайзера и упомянутая вторая секция упомянутого экономайзера расположены параллельно по отношению к упомянутому потоку выхлопного газа.
5. Система по п. 1, в которой упомянутая первая секция упомянутого экономайзера и упомянутая вторая секция упомянутого экономайзера расположены последовательно по отношению к упомянутому потоку выхлопного газа.
6. Система по п. 1, в которой упомянутая третья секция упомянутого экономайзера и упомянутая четвертая секция упомянутого экономайзера расположены параллельно по отношению к упомянутому потоку выхлопного газа.
7. Система по п. 1, в которой упомянутая третья секция упомянутого экономайзера и упомянутая четвертая секция упомянутого экономайзера расположены последовательно по отношению к упомянутому потоку выхлопного газа.
8. Система по п. 1, в которой упомянутое множество клапанов включает в себя:
первый трехходовой клапан, расположенный между находящейся выше по потоку поверхностью упомянутой первой секции упомянутого экономайзера, находящейся выше по потоку поверхностью упомянутой третьей секции упомянутого экономайзера и упомянутым горячим входом упомянутого теплообменника;
второй трехходовой клапан, расположенный между находящейся выше по потоку поверхностью упомянутой первой секции упомянутого экономайзера, находящейся выше по потоку поверхностью упомянутой второй секции упомянутого экономайзера и находящейся ниже по потоку поверхностью упомянутой третьей секции упомянутого экономайзера; и
первый двухходовой клапан, расположенный между находящейся выше по потоку поверхностью упомянутой третьей секции упомянутого экономайзера и находящейся выше по потоку
поверхностью упомянутой четвертой секции упомянутого экономайзера.
9. Система по п. 8, в которой упомянутое множество клапанов дополнительно включает в себя обходной клапан, который позволяет упомянутой питательной воде либо:
поступать на холодный вход упомянутого теплообменника; либо
идти в обход упомянутого экономайзера.
10. Система по п. 1, в которой упомянутая питательная вода, поступающая на упомянутый холодный вход, имеет температуру между примерно 32,22°С (90°F) и примерно 37,78°С (100°F).
11. Система по п. 10, в которой, когда упомянутые клапаны расположены в упомянутой первой конфигурации, упомянутая питательная вода, поступающая в упомянутую первую секцию упомянутого экономайзера, имеет температуру выше 60°С (140°F).
12. Система по п. 1, являющаяся частью теплоутилизационного парогенератора (ТУПГ).
13. Система по п. 1, в которой после того, как упомянутая питательная вода прошла либо через упомянутую первую конфигурацию, либо через упомянутую вторую конфигурацию, упомянутая питательная вода пропускается в испаритель низкого давления.
14. Способ управления потоком жидкости через устройство для обмена теплом между газом и жидкостью, включающий этапы, на которых:
обеспечивают устройство для обмена теплом между газом и жидкостью, включающее в себя:
экономайзер, включающий в себя:
первую секцию;
вторую секцию;
третью секцию; и
четвертую секцию, причем первая секция, вторая секция, третья секция и четвертая секция находятся в пределах упомянутого потока газа;
теплообменник, который не находится в пределах упомянутого потока выхлопного газа и имеет холодный вход и горячий вход;
используют упомянутое устройство в первой конфигурации, в которой жидкость проходит через компоненты устройства в следующем порядке:
a) холодный вход теплообменника;
b) первая секция экономайзера;
c) горячий вход теплообменника;
d) вторая секция экономайзера; и
e) третья и четвертая секция экономайзера в любом порядке,
когда первый выхлопной газ образует поток выхлопного газа; и
используют упомянутое устройство во второй конфигурации, в которой жидкость проходит через компоненты устройства в следующем порядке:
a) холодный вход теплообменника;
b) первая секция экономайзера;
c) третья секция экономайзера;
d) горячий вход теплообменника;
e) вторая секция экономайзера; и
f) четвертая секция экономайзера,
когда второй выхлопной газ, отличающийся от упомянутого первого выхлопного газа, образует упомянутый поток выхлопного газа.
15. Способ по п. 14, в котором упомянутый первый выхлопной газ - это выхлопной газ, получаемый в результате сгорания природного газа, а упомянутый второй выхлопной газ - это выхлопной газ, получаемый в результате сгорания мазута №2.
16. Способ по п. 14, в котором упомянутый первый выхлопной газ имеет относительно более низкое содержание серы, чем упомянутый второй выхлопной газ.
17. Способ по п. 14, в котором упомянутая первая секция экономайзера и упомянутая вторая секция экономайзера расположены параллельно по отношению к упомянутому потоку выхлопного газа.
18. Способ по п. 14, в котором упомянутая первая секция экономайзера и упомянутая вторая секция экономайзера расположены последовательно по отношению к упомянутому потоку выхлопного газа.
19. Способ по п. 14, в котором упомянутая третья секция экономайзера и упомянутая четвертая секция экономайзера расположены параллельно по отношению к упомянутому потоку выхлопного газа.
20. Способ по п. 14, в котором упомянутая третья секция экономайзера и упомянутая четвертая секция экономайзера расположены последовательно по отношению к упомянутому потоку выхлопного газа.
21. Способ по п. 14, в котором упомянутая жидкость, поступающая на упомянутый холодный вход, имеет температуру между примерно 32,22°С (90°F) и примерно 37,78°С (100°F).
22. Способ по п. 14, в котором в упомянутой первой конфигурации упомянутая жидкость, попадающая в упомянутую первую секцию упомянутого экономайзера, имеет температуру выше 60°С (140°F).
23. Способ по п. 14, в котором в упомянутой второй конфигурации упомянутая жидкость, поступающая в упомянутую первую секцию упомянутого экономайзера, имеет температуру более 110°С (230°F).
24. Способ по п. 14, осуществляемый в теплоутилизационном парогенераторе (ТУПГ).
| US 6508206 B1, 21.01.2003 | |||
| US 6813888 B2, 09.11.2004 | |||
| EA 200901106 A1, 30.06.2010 | |||
| US 4470449 A, 11.09.1984. |
