給水預加熱系統旁通的製作方法

2023-05-15 23:21:21 3

本發明涉及燃氣渦輪發電廠，具體涉及用於燃氣渦輪發電廠的給水預加熱系統。

背景技術：

在傳統的聯合循環發電廠(ccpp)中，例如從hrsg堆或發電機/潤滑冷卻能夠獲得低等級(低溫度水平)熱，但是沒有開發利用。

提高ccpp的效率的一種方法是從ccpp回收廢熱。例如可以通過降低lp(低壓)蒸發器溫差並由此整合來自hrsg的更多的低等級熱，來回收廢熱。這將增加lp蒸汽生產，由此增加lp蒸汽渦輪中的電力生產，並且提高ccpp的總體效率。

當前，在設計條件下，使用至少5k的lp蒸發器溫差。然而，即使對於設計點下的該lp蒸發器溫差，lp蒸發器溫差在非設計操作期間可以達到0k，在該點處，在lp給水控制閥中可能出現不期望的泛水和氣穴。這在條件不處於ccpp已經設計的條件範圍內時(例如在部分載荷期間)尤其存在問題。

現有設計的另一個限制在於，在hrsg入口處需要高給水溫度水平的操作條件期間(例如當在燃料氣或燃料油操作期間在煙氣中存在硫時)，當前的設計完全繞過了給水預加熱線圈，而直接將冷給水傳送到lp鼓。這導致ccpp中的性能降低。

技術實現要素：

本發明限定在所附的獨立權利要求中，現在應當參考這些獨立權利要求。從屬權利要求中列出了本發明的有利的特徵。

根據本發明的第一個方面，提供一種操作用於餘熱蒸汽發生器(hrsg)的給水預加熱系統的方法，所述給水預加熱系統包括水分離單元、蒸發器和給水預加熱器(fwph)，所述給水預加熱器附接到fwph入口管線和fwph出口管線，所述方法包括：沿著所述fwph入口管線將水從冷凝器進給到所述fwph，在所述fwph中加熱水；沿著fwph出口管線將水從所述fwph進給到所述蒸發器；在所述蒸發器中使水沸騰，並且將所得到的蒸汽和水的混合物進給到所述水分離單元；監測所述水分離單元的lp溫差(δt)；設定所述lp溫差的設定值；當所述lp溫差低於所述設定值時，將一些水繞過所述fwph從所述fwph入口管線引導到所述fwph出口管線。該方法提高了發電廠效率和功率輸出。當操作參數改變時，例如當載荷水平降低時，lp溫差可以保持在適當的水平。此外，在lp給水控制閥中，可以最小化或避免出現泛水。

在一個實施例中，通過監測水分離單元水入口溫度和水分離單元蒸汽出口溫度，來監測所述lp溫差。優選地，利用至少一個電阻式溫度檢測器(rtd)測量所述水分離單元水入口溫度和所述水分離單元蒸汽出口溫度中的至少一者。這可以提高測量精度，並且多個rtd還可以提供部件的冗餘度，從而即使在一個或多個傳感器失效的情況下也能夠繼續進行操作。

在另一個實施例中，所述設定值小於5k，優選地小於2k，最優選地小於1k。較低的設定值是優選的，原因在於提高了效率。

在另一個實施例中，所述fwph包括fwph入口，所述方法還包括以下步驟：監測fwph入口溫度；和當所述fwph入口溫度低於設定值時，使水從所述fwph入口的下遊再循環到所述fwph入口，和/或引導一些水繞過所述fwph。優選地，所述fwph另外包括fwph出口，並且使水從所述fwph出口的上遊進行再循環。這允許較佳的效率(由於較少的火用損失)，更易於控制用於泛水蒸汽(因此用於lp蒸汽渦輪的另外的蒸汽)和用於燃氣渦輪空氣預加熱的hrsg煙氣離開溫度和較高的給水提取溫度。

在另一個實施例中，所述水分離單元是lp鼓，從所述fwph進給水包括：將水進給到所述lp鼓，然後進給到所述蒸發器。

根據本發明的第二個方面，提供一種用於包括餘熱蒸汽發生器(hrsg)的聯合循環發電廠(ccpp)的給水預加熱系統，其包括：fwph和蒸發器；水分離單元，所述水分離單元連接到所述蒸發器和所述fwph；fwph入口管線，所述fwph入口管線用於冷凝器和所述fwph之間的連接；fwph出口管線，所述fwph出口管線用於所述fwph和所述蒸發器之間的連接；旁通連接管線，所述旁通連接管線處於所述fwph入口管線和所述fwph出口管線之間；旁通控制閥，所述旁通控制閥用於控制通過所述旁通連接管線的給水流；用於監測所述水分離單元的lp溫差(δt)的裝置；控制系統，所述控制系統被構造和布置成用以控制所述旁通控制閥並且在所述lp溫差下降到低於設定值時至少部分地打開所述旁通控制閥。該設備可以提高發電廠效率和功率輸出。

在一個實施例中，用於監測lp溫差的裝置包括：傳感器，其用於測量所述fwph出口管線中的溫度；和傳感器，其用於測量所述水分離單元中的蒸汽的溫度，並且用於監測lp溫差的裝置被構造和布置成用以基於所述fwph出口管線中的溫度和所述水分離單元中的蒸汽的溫度來監測所述lp溫差。優選地，用於測量所述水分離單元中的蒸汽的溫度的傳感器處於蒸發器出口管線中。

在另一個實施例中，所述旁通控制閥是處於所述fwph入口管線上的三通閥。

在另一個實施例中，所述給水預加熱系統還包括再循環泵，所述再循環泵附接在所述fwph入口管線下遊的點和所述fwph入口管線之間的管線上。這可以提供進一步的效率增益，並且可以在使用含硫燃料時避免硫冷凝在fwph上。

在另一個實施例中，所述傳感器中的至少一者是電阻式溫度檢測器(rtd)。優選地，每個傳感器包括三個rtd。這可以提高測量精度，並且多個rtd還可以提供部件的冗餘度，從而即使在一個或多個傳感器失效的情況下也能夠繼續進行操作。

在另一個實施例中，所述水分離單元是lp鼓，所述lp鼓在所述fwph和所述蒸發器之間插置在所述fwph出口管線上。

根據本發明的第三個方面，提供一種聯合循環發電廠，其包括上述給水預加熱系統之一。

附圖說明

現在將參考附圖，藉助僅僅實例描述本發明的實施例，其中：

圖1示出了根據本發明的給水預加熱系統；

圖2示出了根據本發明的可供選擇的給水預加熱系統；以及

圖3示出了根據本發明的可供選擇的給水預加熱系統，其中rtd(電阻式溫度檢測器)用來監測溫度。

具體實施方式

圖1示出了用於聯合循環發電廠(ccpp)的餘熱蒸汽發生器(hrsg)12的給水預加熱系統10。系統包圍給水預加熱器(fwph)14和蒸發器16(在這個例子中為低壓蒸發器)。蒸發器入口管線48和蒸發器出口管線50通向蒸發器和從蒸發器延伸。fwph入口管線18用於冷凝器(未示出)和給水預加熱器14之間的連接，fwph出口管線20用於給水預加熱器14和水分離單元之間的連接，在該例子中，水分離單元為低壓(lp)鼓22。旁通連接管線24用於fwph出口管線20和fwph入口管線18之間的連接，旁通控制閥(cv)(在這種情況下為三通控制閥26)設置在fwph出口管線20和fwph入口管線18之間的連接點處。

可任選地，再循環泵30(在該例子中包括泵、止回閥和控制閥)連接在從給水預加熱器的出口處的分接點到給水預加熱器的入口處的點的管線上。

在該例子中，水溫度傳感器t1和飽和度溫度傳感器tsat(測量lp鼓中的飽和蒸汽溫度)，水溫度傳感器t1設置在fwph出口管線20上。飽和度溫度傳感器tsat設置在從lp鼓延伸到低壓過熱器(lpsh)的蒸汽管線34上。控制系統(未示出)可以基於傳感器t1和tsat的輸出來控制該控制閥26，這兩個輸出之間的差稱為lp溫差。更正式地，lp溫差是離開lp鼓的飽和蒸汽與進入lp鼓的水之間的溫度差(δt)。

用於控制lp鼓水位的另一個控制閥32(lp鼓控制閥)設置在fwph出口管線20上。

通過再循環泵30中的控制閥的控制，沿著fwph出口管線20通過的加熱的一些給水可以返回到fwph入口管線18，在這裡其接著再次穿過fwph。這可以用來增加fwph的入口處的給水的溫度。

圖2示出了可供選擇的給水預加熱系統，並且許多部件如圖1所述。在圖2中，設有給水預加熱器14，並且再循環泵30的分接點連接到fwph的兩個部件之間的管線41。

不採用三通控制閥26，圖2的實施例提供(雙向)控制閥40。這在旁通連接管線24上設置在冷凝器(未示出)和fwph出口管線20之間。

圖2中示出了控制系統42。水溫度傳感器t等同於圖1中的水溫度傳感器t1，壓力傳感器p用來獲得飽和度溫度(替換圖1中的飽和度溫度傳感器tsat)。還示出了控制單元44；該控制單元監測壓力傳感器p和水溫度傳感器t，並且基於這些輸入調節控制閥40。以下提供圖1和2中所述的系統的使用方法的進一步的細節。

用於測量lp溫差的一種選擇是，利用熱電偶(在t，t1處)測量給水的溫度，並且計算與測量的壓力相關的飽和度溫度(tsat，p)來測量鼓的溫度。另一個選擇如圖3所示。為了測量lp鼓的入口溫度，在lp鼓之前，在fwph出口管線20中設置有三個電阻式溫度檢測器(rtd)。為了獲得溫度，這三個裝置取平均值。為了測量lp鼓蒸汽溫度，三個rtd設置在從蒸發器返回延伸到lp鼓的蒸發器出口管線50上(例如在來自蒸發器的回流集管中)，並且再次取三個rtd的平均溫度。

多個rtd的優點在於，在一個甚至兩個rtd失效的情況下，仍然能夠測量溫度，並且系統能夠繼續操作。在這種情況下，lp溫差可能由於溫度讀取的精度降低而增大。

壓力傳感器p的輸入還可以用於控制單元44，作為用於溫度和/或壓力控制的交叉檢查。

在附圖所示的設備的使用方法中，給水從冷凝器(未示出)進入。給水沿著fwph入口管線18穿過三通控制閥26而進入fwph14。在fwph14中，其通過來自hrsg12中的廢氣流的熱傳遞而被加熱。然後，加熱的給水沿著fwph出口管線20穿過控制閥32而進入lp鼓。從lp鼓，蒸汽沿著蒸汽管線34傳遞到lpsh(未示出)。lp鼓中的任何水通過蒸發器入口管線48進給到蒸發器16，與hrsg12中的流的熱傳遞將水加熱，以進一步產生蒸汽，該蒸汽經由蒸發器出口管線50進給到lp鼓。

利用水溫度傳感器t1和飽和度溫度傳感器tsat可以監測lp溫差。lp溫差是進入lp鼓的給水和鼓壓力下的飽和度溫度之間的溫度差(δt)，其中給水溫度具有較低的值。基於該lp溫差溫度，改變旁通cv的狀態。如果lp溫差下降到低於設定值(即最小lp溫差)，那麼旁通cv(圖1中的三通cv26)將打開並噴射冷水，以降低fwph出口管線20中的溫度t1。該設定值是小於5k、優選地小於2k且最優選地小於1k的lp溫差。

控制溫度t1降低了lp鼓控制閥32中泛水的風險，即使在極少部分載荷(低載荷或極低載荷)操作期間。

優選地，持續地監測lp溫差(例如每秒監測一次)。在持續監測的情況下，隨著和當條件改變時，可以改變旁通cv打開的量。

lp溫差的監測是有價值的情形的例子包括渦輪載荷變化期間，以及部分載荷期間，尤其是極少部分載荷期間。在部分載荷情況下，熱轉移到鍋爐(在該例子中為hrsg)的冷端部，因此與正常情況相比無需調節旁通控制閥以允許更多的水穿過旁通連接管線，在該正常情況下，lp溫差通常將下降並且在lp鼓控制閥中將出現泛水。

附圖中描述的給水預加熱系統10的實施例可以結合到燃氣渦輪系統中。具體地，它們可以結合到蒸汽渦輪上遊的系統中。所示的例子處於低壓蒸汽渦輪的上遊，但是給水預加熱系統也可以用於中等或高壓力蒸汽渦輪。在水分離單元的下遊，給水預加熱系統可以進給到過熱器(sh)或者直接進給到蒸汽渦輪(st)。

為了能夠更多地加熱給水，hrsg12可以具有比此前的給水系統中設置的更大的表面(更大的熱傳遞面積)。

旁通連接管線24在一個端部處連接到fwph出口管線20。旁通連接管線可以連接在fwph的出口和水分離單元入口溫度傳感器之間的任何點處。在另一個端部處，旁通連接管線可以在冷凝器和fwph之間的任何點處連接到fwph入口管線。儘管再循環泵在圖中示出為連接成比旁通連接管線更靠近fwph，但是旁通連接管線可以在一個或兩個端部處比再循環泵管線更靠近。具有控制閥(例如控制閥26、40)，以控制旁通連接管線中的水流。圖2所示的控制閥也可以用於圖1和3所示的實施例，圖1和3的控制閥也可以用於圖2的實施例。

溫度傳感器可以放置成靠近fwph入口管線與fwph連接的入口點。該傳感器監測fwph入口流。在燃料包含硫的實施例中(例如在油或燃料氣操作期間)，fwph入口流溫度應當優選地保持較高，理想地高於硫的冷凝溫度，以最小化或避免硫堆積在fwph的外側上。可以基於該溫度傳感器的輸出控制再循環泵30，以將用於fwph的給水入口溫度保持高於設定值。設定值可以為硫的冷凝溫度。

作為另外一種選擇或除此之外，由控制閥控制的旁通連接管線流可以根據fwph入口(hrsg入口，fwph進入hrsg的點)處的溫度而改變。當fwph入口的溫度下降到低於設定值(例如硫的冷凝溫度)時，來自冷凝器的一些給水流通過旁通連接管線改道。這減少了通過fwph的給水流。再一次，當需要高fwph入口溫度時可以使用該方法，例如以緩和硫冷凝的問題。如果通過旁通連接管線提供的給水意味著進入lp鼓的水不夠熱，那麼lp蒸汽生產和/或額外的蒸汽(啟停備用蒸汽)可以用來增加水的溫度。另外，蒸汽冷凝器、冷凝物熱交換器、直接蒸汽注射(dsi)或電加熱器可以用來在水進給到hrsg之前進一步增加lp給水的溫度。

再循環泵30可以連接(分接)在給水預加熱器的下遊(例如圖1)(也就是在fwph出口之後，即fwph離開hrsg的點)，或者其也可以部分地通過給水預加熱器連接(例如圖2)。在給水預加熱器出口的上遊出現分接(中間分接)(最後一個給水預加熱器出口的上遊，當設有多個給水預加熱器時)的情況下，與在給水預加熱器出口處或下遊進行分接相比，相對較高質量流的較低溫度的預加熱水進行再循環。然後，分接點下遊剩餘的水被加熱到比沒有水進行再循環的情況相對更高的溫度，這提供了較佳的效率(由於較少的火用損失)，並且更易於控制hrsg煙氣離開溫度。其還可以提供用於泛水蒸汽(因此用於lp蒸汽渦輪的另外的蒸汽)和/或用於燃氣渦輪空氣預加熱的較高的給水提取溫度。

控制閥32在旁通管線和水分離單元之間設置在fwph出口管線上。lpcv32、lp鼓和它們之間的管道都可以設計成用於泛水狀況，例如通過用硬化鋼製造它們。這將能夠進一步提高效率(進一步降低lp溫差)，原因在於泛水對這些部件的損害較小。作為另外一種選擇，泛水硬化部件可以作為備用件，使得這些部件在由於溫度測量或控制元件故障而導致泛水的情況下抵抗損壞。

飽和度溫度傳感器tsat可以是壓力傳感器，其中蒸汽參考表用來由壓力計算溫度。

在圖3中，三個rtd示出為處於蒸發器出口管線上，但是它們也可以設置在蒸汽管線(lp出口管線)或lp鼓上，如圖1和2中的傳感器所示。相似地，圖1中的傳感器tsat和圖2中的傳感器p可以設置在蒸發器出口管線上，在lp鼓出口處，或者在lp鼓中水位以上。這些蒸汽溫度測量傳感器放置在它們僅僅測量lp鼓中的蒸汽的溫度而不直接受lp鼓中的水的溫度的影響的位置中。

在圖3中，針對每次測量，三個rtd用於更高的精度，但是通常可以使用一個或多個rtd，使用的數量例如取決於成本考慮和所需的精度水平。

可以在冷凝器(例如水冷冷凝器)中執行給水的脫氣，和/或可以在lp鼓中執行脫氣。設定值可以進行調節，以允許足夠的lp溫差用於lp鼓中的脫氣。這提供了額外的脫氣能力。

在不脫離由以下的權利要求限定的本發明的情況下，本領域技術人員可以對所述的實施例進行各種修改。

附圖標記

10聯合循環發電廠(ccpp)

12餘熱蒸汽發生器(hrsg)

14給水預加熱器(fwph)

16蒸發器

18fwph入口管線(給水管線)

20fwph出口管線(出口管線)

22低壓(lp)鼓

24旁通連接管線

26旁通控制閥

30再循環泵

32控制閥(lp鼓控制閥)

34蒸汽管線

40控制閥

41管線

42控制系統

44控制單元

48蒸發器入口管線(入口管線)

50蒸發器出口管線(出口管線)

p壓力傳感器

t水溫度傳感器

t1水溫度傳感器

tsat飽和度溫度傳感器

lp蒸發器＝低壓蒸發器

lpcv＝低壓控制閥

lpst＝低壓蒸汽渦輪

lpsh＝低壓過熱器

fwph＝給水預加熱器

hrsg＝餘熱蒸汽發生器

ccpp＝聯合循環燃氣渦輪

rtd＝電阻式溫度檢測器