冷凝餘熱回收蒸汽發生器的製作方法

2023-07-07 03:29:11

本發明涉及鍋爐領域，特別是涉及餘熱回收蒸汽發生器(HRSG)類型的鍋爐。

背景技術：

已知餘熱回收蒸汽發生器允許從燃氣輪機的熱廢氣流回收熱量以產生蒸汽，蒸汽可用於一種處理工藝(廢熱發電)或蒸汽循環(聯合循環)中。廢氣由不可冷凝的部分和可冷凝的部分構成，不可冷凝的部分大多數含有氮N2、氧O2、二氧化碳CO2和氬Ar，可冷凝的部分由水蒸汽構成。迄今為止，在現有技術中，主要由於有關的腐蝕問題，煙氣冷凝的想法已經不予考慮。

因此現有技術中已知的餘熱回收蒸汽發生器在其熱性能方面面臨兩種局限性。在如圖1和2所示例的餘熱回收蒸汽發生器提供壓力熱水流以進行廢熱發電應用的情況下，汽輪機產生的發電量(其與餘熱回收蒸汽發生器的蒸汽產生量直接相關)與熱功率量之間存在折衷。這種折衷示於圖3，在圖3中，點「現有技術1」涉及圖1中的餘熱回收蒸汽發生器布置，點「現有技術2」涉及圖2中的餘熱回收蒸汽發生器布置。另一方面，硫化合物的存在顯著地提高了廢氣的酸露點。因此，需要使用大的再循環迴路以將給水加熱到高於該酸露點。這導致預熱器出口溫度與低壓蒸汽的飽和溫度之間相當大的差異，如圖4所示。

一些現有技術文獻提出一種輔助/旁通排氣管，其中進行附加熱回收。在文獻WO 2015/039840A2中，回收的餘熱被用於預熱蒸汽循環的冷凝液。在文獻WO 2010/136795A2中，回收的餘熱被用於預熱鍋爐的燃燒空氣。但是，這兩個文獻尤其是針對被供以空氣和礦物燃料(例如煤、油)的鍋爐，並未涉及包括在聯合循環中的餘熱回收蒸汽發生器。這兩個專利文獻通過減少在規定的溫度與壓力條件下產生給定蒸汽量所需的燃料量，使得提高了循環效率。文獻CN101922821A公開了一種同時回收高溼度廢氣中的水和潛熱的方法、以及一種涉及節能設備技術的吸收式熱泵裝置。但是，該現有技術方案會產生酸性腐蝕沉積物。

技術實現要素：

本發明提供一種冷凝餘熱回收蒸汽發生器(cHRSG)，其克服了根據現有技術的餘熱回收蒸汽發生器的兩種性能局限性。特別是，冷凝餘熱回收蒸汽發生器布置成可以有效地和可靠地解決水蒸汽與酸性物質(例如H2SO4)的冷凝問題。

在本發明的一實施方式中，冷凝餘熱回收蒸汽發生器具有用於主熱廢氣流的主排氣管、用於允許一部分熱廢氣從主熱廢氣流分支出的旁通排氣管、以及熱泵。冷凝餘熱回收蒸汽發生器具有第一級循環水路、第二級循環水路和第三級循環水路，第一級循環水路包括帶有預熱器的再循環迴路，預熱器位於主熱廢氣流到主排氣管中的入口，第二級循環水路配有終端用戶熱應用裝置，第三級循環水路具有噴霧塔和熱泵的蒸發器，噴霧塔用於提供與在旁通排氣管中流通的所述熱廢氣部分相逆流而行的噴淋水流。冷凝餘熱回收蒸汽發生器還具有：給水管線，給水管線在第一端部被供以冷凝液，在第二端部物理連接到第一級循環水路，給水管線配有熱泵的冷凝器；用於提供給水管線與第二級循環水路之間熱交換的第一熱交換器；以及用於提供第一級循環水路與第三級循環水路之間熱交換的第二熱交換器。在冷凝餘熱回收蒸汽發生器中，在第一級循環水路的預熱器中進行的預熱，得益於通過第二熱交換器在第三級循環水路中從旁通排氣管中流通的所述熱廢氣部分回收的潛熱，及得益於通過所述熱泵在第三級循環水路中提取的附加熱量，這種附加潛熱通過第一熱交換器最後被輸送到第二級循環水路中的終端用戶熱應用裝置。第一級循環水路、第二級循環水路和第三級循環水路通過第一熱交換器和第二熱交換器進行熱接觸，但它們沒有流體上相互連通。

附圖說明

將在下面基於示例性附圖更加詳細地描述本發明。本發明不局限於示例性實施方式。這裡所描述和/或所示出的所有特徵在本發明的實施方式中可單獨採用或者可以不同組合進行結合。通過閱讀下面參照附圖所作的詳細說明，本發明的各種實施方式的特徵和優點將體現出來，附圖中：

已經述及的圖1示意地示出根據現有技術的用於廢熱發電的第一種餘熱回收蒸汽發生器布置。

已經述及的圖2示意地示出根據現有技術的用於廢熱發電的第二種餘熱回收蒸汽發生器布置。

已經述及的圖3是比較了現有技術方案與本發明方案的用於廢熱發電的餘熱回收蒸汽發生器的發電量對發熱量的樣圖。

已經述及的圖4是根據現有技術的一種單壓力級蒸汽發生器的交換熱量對溫度的概念圖。

圖5示意地示出根據本發明的冷凝餘熱回收蒸汽發生器的一般原理。

圖6示意地示出根據本發明第一實施方式的冷凝餘熱回收蒸汽發生器的原理。

圖7示意地示出根據本發明第二實施方式的冷凝餘熱回收蒸汽發生器的原理。

圖8示意地示出根據本發明第三實施方式的冷凝餘熱回收蒸汽發生器的原理。

圖9示意地示出根據本發明第四實施方式的冷凝餘熱回收蒸汽發生器的原理。

具體實施方式

本發明涉及在廢熱發電即聯合「熱」(包括冷卻)與功率、以及僅產生功率的兩種情況下都提高餘熱回收蒸汽發生器的熱性能。因此，在餘熱回收蒸汽發生器的冷端，對於主熱氣流回收於旁通排氣管中的熱量、即通過冷凝煙氣中含有的部分水蒸汽回收的熱量，被傳遞給蒸汽循環的給水，使得所述給水在預熱器入口被提高到高於煙氣露點的溫度。根據現有技術，該功能由再循環迴路操縱。

根據本發明的冷凝餘熱回收蒸汽發生器通過使再循環迴路載送的熱量可用於其他目的，克服了上述局限性。在廢熱發電的情況下，對於在餘熱回收蒸汽發生器熱端的給定焓流來說，冷凝餘熱回收蒸汽發生器允許使發電與發熱兩者最大化。

如圖3所示，如果冷凝餘熱回收蒸汽發生器的輔助組成件的耗電量忽略不計，則冷凝餘熱回收蒸汽發生器的電功率與現有技術2的電功率相當，且同時產生的熱功率與現有技術1的熱功率相等。若將輔助組成件的耗電量包含在內，則會略微減小來自蒸汽循環的淨電功率，從而使代表點略微移動到圖左側。

在酸露點問題方面，本發明可使再循環迴路的尺寸顯著減小，甚至可將這種再循環迴路去除。因此可增大蒸汽發生量(從而增大汽輪機的發電量)。

燃氣輪機燃燒產物中存在的水蒸汽載有大量能量，該大量能量目前被排放到大氣中，但原則上可通過冷凝廢氣中含有的水汽，部分地進行回收。這種補充的熱量回收意味著潛熱交換，所述潛熱即為不通過溫度變化、而是通過氣體介質相變傳遞的熱，所述相變在本情況下是廢氣中含有的水蒸汽的冷凝。

圖5示意地示出根據本發明的餘熱回收蒸汽發生器的總體布置，其中，關鍵點設在餘熱回收蒸汽發生器的冷側。因此，為餘熱回收蒸汽發生器增加在餘熱回收蒸汽發生器主殼外的「冷凝區域」21，冷凝區域配有附加設備，用於從餘熱回收蒸汽發生器的廢氣中回收潛熱，和用於有效處理所產生的廢液流8。這裡於是提供了一種「冷凝餘熱回收蒸汽發生器」，其通過冷凝廢氣來附加回收廢氣中的潛熱。這裡也還提供了一種相對於功率輸出成本降低的餘熱回收蒸汽發生器。

在本發明的實施方式中，由鼓風機控制通過冷凝區域的廢氣流部分。

根據本發明的一實施方式，潛熱由所謂直接接觸式熱交換器回收。直接接觸式熱交換器可具有、但不局限於噴霧塔、擋板塔、和填料塔。

在本發明的一些實施方式中，噴霧塔被選擇作為直接接觸式熱交換器，因為噴霧塔提供良好的總傳熱係數，在氣體側產生適度壓降並且成本較低。噴霧塔可被視為急冷系統，布置在餘熱回收蒸汽發生器的旁通排氣管中，提供噴淋，在噴淋中，冷水以逆流分布方式噴灑通過一部分廢氣流，使該部分廢氣流冷卻下來。然後，煙氣飽吸水汽，這種水汽將冷凝並釋放出煙氣的汽化能。混合從旁通排氣管排放的飽和煙氣與主排氣管的煙氣，則減小了形成煙羽/煙雲的危險。

在本發明的另外可選實施方式中，使用可替換的直接接觸式熱交換器來代替噴霧塔。

圖6示意地示出根據本發明的冷凝餘熱回收蒸汽發生器的一實施方式。臥式布置的餘熱回收蒸汽發生器由主排氣管1和旁通排氣管2組成，主排氣管1用於熱氣流，旁通排氣管2用於允許一部分廢氣流從主氣流分支出。在該特殊的實施方式中，冷凝餘熱回收蒸汽發生器基於直接接觸式熱交換器。

配置三個封閉的循環水路，它們物理上分開(即沒有流體上相互連通)，但通過熱交換器進行熱接觸(下面將予以詳述)。第一級循環水路(PWC)是再循環迴路10，再循環迴路10具有餘熱回收蒸汽發生器的第一熱交換器(或稱預熱器/節熱器6)，該第一熱交換器基本上位於熱氣到主排氣管中的入口。第一級循環水路物理連接到給水管線13，及配有低壓鼓式容器19。給水管線13在給水入口7處進行供給，給水管線配有熱泵冷凝器17(HPC)(下面將予以詳述)。

第三級循環水路(TWC)是再循環迴路11，再循環迴路11具有噴霧塔3，用以提供與上升廢氣逆流而行的噴淋水流。噴霧塔3在其下端配有水池5和熱泵蒸發器16(HPE)(下面將予以詳述)。

第二級循環水路(SWC)具有再循環迴路12和終端用戶熱應用裝置9。給水管線13/第一級循環水路10與第三級循環水路11通過第二熱交換器14進行熱接觸，而第一級循環水路10和第二級循環水路12通過第一熱交換器15進行熱接觸。

第一級、第二級和第三級循環水路與給水管線有利地分別配有第一泵、第二泵、第三泵和第四泵(未示出)。這些泵確保相應迴路中的適當壓力級，補償根據本發明引入的補充設備所引起的附加壓降。

在現有技術的餘熱回收蒸汽發生器中，將給水加熱通常通過布置在預熱器上的再循環迴路進行，預熱器使優選在20℃至50℃範圍的輸入的外部冷凝液冷流與迴路中再加熱的、優選在160℃至190℃範圍的壓力水熱流混合，以在餘熱回收蒸汽發生器的入口產生所需的優選在55℃至80℃範圍的溫度級。圖6所示的本發明的實施方式利用上述回收的潛熱來輔助進行這種冷凝液流加熱，另外還利用/交換在再循環迴路10中向多種可能的熱應用裝置9傳遞的熱量。

但是，在圖6所示的實施方式中，潛熱可在較低溫度下回收。噴霧塔3的水池5中的水溫可等於在該位置的廢氣的露點，即對於典型環境條件和天然氣燃燒來說，為40℃至50℃的範圍。因此，該低級熱的僅一部分可以通過熱交換器、例如熱交換器14被動地傳遞給冷凝液流，所述熱交換器通常是一種薄片式熱交換器。

在本發明的各種實施方式中，使用薄片式熱交換器，以利用其高熱傳遞係數、低收縮要求和有限的體積尺寸。

將冷凝液流進一步加熱至其所需溫度，這意味著熱能從冷點移動到較熱點，由於第二熱力學定律，這不會自然發生。因此，根據本發明的一實施方式，工業熱泵18用於進行這種熱傳遞。熱量由熱泵蒸發器(HPE)16獲取的熱源是通過噴霧塔的水流，而熱量從熱泵冷凝器(HPC)17釋放的散熱體是冷凝液流。提供熱泵運轉所需的電功率的裝置在圖中未示出。可選地，工業熱泵可用現有技術中任何已知的系統取代，以從急冷再循環流中回收能量，從而降低噴淋入口溫度。

再循環迴路10(第一級循環水路)中載送的熱量於是可用於其他目的，特別是用於需要低至中等溫度的熱能的多種應用裝置9。為了不混合不同品質的水流即流經餘熱回收蒸汽發生器的水、和所述熱應用裝置9中使用的水，熱量通過第一熱交換器15傳遞給輔助迴路12(第二級循環水路)，第一熱交換器15例如也可以是薄片式熱交換器。

本發明產生的熱水流例如可用於以下的終端用戶熱應用的非限制性列表中：直接使用熱水流來供給區域供熱網，在熱驅動冷卻器中使用熱水流(吸收和吸附式冷卻器是三源熱機，從熱水或蒸汽產生冷卻水)，及使用冷卻水以供給區域冷卻網，使用熱水流以通過熱力工藝例如多效蒸餾(MED)由海水生產淡水(水淡化)。

在本發明的可選實施方式中，兩種或甚至三種以上的應用可組合以提供三聯生成或甚至多聯生成(電、熱、冷及淡水)。

在本發明的仍可選的實施方式中，再循環迴路的熱載荷可用於增大餘熱回收蒸汽發生器的蒸汽產生量，從而增大汽輪機的發電量。

在穩態運轉中，煙氣部分冷凝所產生的廢液流8需要釋放到環境中，以保持噴霧塔水池中的穩定水位。

噴霧水與煙氣的密切接致使噴霧水變為酸性。煙氣中含有的二氧化碳可溶於水。根據一實施方式，水處理單元WTU(未示出)可用於在將廢液8釋放到環境中之前使這種酸化水的pH值增大到6.0--8.0pH值範圍。一種可行的處理方法是依靠鹼性物質例如碳酸鈣來中和水的酸化。

圖7示意地示出根據本發明的冷凝餘熱回收蒸汽發生器的又一實施方式。其與圖6所示實施方式的不同之處在於沒有熱泵。該實施方式可適於煙氣的水蒸汽濃度較高的情況(例如，餘熱回收蒸汽發生器位於溼潤燃氣輪機循環之後)。

圖8示意地示出根據本發明的冷凝餘熱回收蒸汽發生器的又一實施方式。對在旁通排氣管2中流通的所述廢氣部分內含有的潛熱的部分回收由具有給水管線13一部段的間接接觸裝置進行，間接接觸裝置配有間接接觸式熱交換器20，間接接觸式熱交換器20位於在旁通排氣管2中流通的所述廢氣部分內，以致由於廢氣在間接接觸式熱交換器20的表面上的冷凝，因而廢氣中含有的潛熱如上所述被傳遞給第一級循環水路10。

廢氣在間接接觸式熱交換器的交換區域的外表面上的部分冷凝還產生多餘廢液流8，其如上所述需要在適當處理之後被釋放到環境中。

圖9示意地示出根據本發明的冷凝餘熱回收蒸汽發生器的又一實施方式。相對於圖8所示的實施方式來說，冷凝餘熱回收蒸汽發生器還具有熱泵。給水管線13的配有位於在旁通排氣管2中流通的廢氣部分內的間接接觸式熱交換器20的部段具有熱泵18的蒸發器16，給水管線13的再循環部分具有熱泵18的冷凝器17，以致附加熱量由所述熱泵18在給水管線13的配有間接接觸式熱交換器20的所述部段中被提取並傳遞給第一級循環水路10。因此，能量傳遞能力增強，因為進入間接接觸式熱交換器的冷凝液的溫度較低。

本申請中揭示的原理並不局限於其中提出的示例性實施方式。特別是，系統可根據能量需求連續地或間斷地進行工作，系統可適應於立式和臥式餘熱回收蒸汽發生器這兩種發生器。

此外，本發明的一種實施方式為現存或現有技術的(非冷凝)餘熱回收蒸汽發生器提供附加設備，可在給定範圍內集成以下特徵：具有在壓力、溫度和質量流量方面規定的蒸汽產生量(到低壓(LP)鼓式容器的水的溫度、壓力和質量流量可相對於基準餘熱回收蒸汽發生器來說不改變)；在餘熱回收蒸汽發生器入口對於給水溫度具有要求的最小值，以免在第一翅片管換熱器上冷凝(在餘熱回收蒸汽發生器入口的給水溫度可相對於基準餘熱回收蒸汽發生器來說不改變)；在廢氣側允許最大級別的壓降，以確保上遊燃氣輪機正常運行。

在另外的實施方式中，被處理的廢液流8有利地可用於向聯合循環的各個位點進行供給，如蒸汽循環用的補給水、冷卻系統用的補給水、或者燃氣輪機循環中最適合於現有運行條件的注水。最後的這種用途期待會增大出自燃氣輪機的廢氣中的水蒸汽含量。這將導致「滾雪球效應」，具有附加的廢氣冷凝和附加的潛熱回收。

儘管本發明已經在附圖和前面的說明中予以詳示和詳述，但這種詳示和詳述應被視為是說明性的或示例性的，而非限制性的。可理解的是，普通技術人員可在下面權利要求書的範圍內進行改變和修改。特別是，本發明涵蓋將上述和下述不同實施方式的特徵進行任意組合的另外的實施方式。

權利要求書中使用的術語應該理解為具有與上文一致的最寬泛的合理詮釋。例如，引入一構件的冠詞「一(個/種)」或定冠詞「所述」的使用不應理解為排除多個構件。類似地，「或(或者)」的表述應被理解為包括在內，使得表述「A或B」不排除「A和B」，除非從上下文或前文中明確說明A和B中的僅一個。另外，「A、B和C中的至少一個」應被理解為由A、B和C組成的一組構件中的一個或多個構件，不應被理解為要求每個所列構件A、B和C中的至少一個，而無論A、B和C是否作為類別或其它相關聯。此外，表述「A、B和/或C」或者「A、B或C中的至少一個」應被理解為包括所列構件的任意單一構件例如A、所列構件的任何子組例如A和B、或者全部所列構件A、B和C。

術語表：

1 餘熱回收蒸汽發生器

2 用於分流一部分廢氣流的排氣管

3 噴霧塔

4 鼓風機

5 水池

6 預熱器/節熱器

7 給水入口(來自蒸汽循環的冷凝液)

8 排放到環境中或進行有效應用的廢液

9 終端用戶熱應用裝置

10 第一級循環水路(預熱器再循環迴路)，或稱PWC

11 第三級循環水路(噴霧塔再循環迴路)，或稱TWC

12 第二級循環水路(熱應用裝置再循環迴路)，或稱SWC

13 給水管線(低溫冷凝液)

14 第二熱交換器(布置在給水管線與第三級循環水路之間)

15 第一熱交換器(布置在第一級與第二級循環水路之間)

16 熱泵蒸發器(HPE)

17 熱泵冷凝器(HPC)

18 熱泵

19 低壓鼓式容器

20 間接接觸式熱交換器

21 冷凝區域

22 廢熱發電用的熱交換器