專利名稱：用于控制煙道溫度的系統和方法
技術領域：
本發明大體涉及發電系統，且更具體地，涉及用于控制聯
合循環電廠的煙道中排氣的溫度的系統和組件。
背景技術：
至少一些已知的聯合循環發電系統包括相互結合來發電的 燃氣輪機和蒸汽輪機。電廠設置成使得燃氣輪機通過熱回收蒸汽發生 器("HRSG")而熱學地連接到蒸汽輪機上。HRSG為非接觸式熱交換 器，其允許用于蒸汽產生過程的給水由否則將會被浪費掉的燃氣輪機 排氣來加熱。HRSG為較大的管道，在該管道中置入了管束，從而使 得在排氣通過管道時水被加熱成蒸汽。聯合循環設置的主要效果是利 用了否則將會被浪費掉的燃氣輪機排氣。當代聯合循環通常采用兩種或三種蒸汽發生壓力，以從燃 氣輪機排氣中最大程度地回收能量。HRSG熱交換過程為逆流過程， 因為當熱的排氣通過HRSG運動到煙道時該熱排氣的溫度下降，而當 逆著熱的排氣流朝向HRSG氣體入口來導引管中的蒸汽水混合物時該 混合物的溫度升高。優化聯合循環效率中的一個關鍵參數是以排氣煙道的出口 端處的最低煙道氣體溫度獲得最高的效率。煙道氣體溫度的更低的限 值通常由于燃氣輪機燃料中的硫含量而被阻止。這是因為在某些較低 的溫度下，硫化合物在管束上凝結，從而在管束上造成嚴重的腐蝕。 同樣已知的是，腐蝕性硫化合物的露點隨著燃料中的硫的濃度的增加 而升高。用于優化聯合循環電廠效率的至少 一些已知方法包括在一
4定煙道氣體溫度下運行的HRSG和蒸汽系統設計，該煙道氣體溫度將 防止與預期用于在特定應用中燃燒的燃料中的硫含量的最高水平相 稱的低溫熱傳遞表面的腐蝕。如果在燃料辟u含量更低的情況下燃燒燃 料，則不能降低HRSG煙道氣體溫度以提高效率，盡管硫化合物濃度 將允許其(發生)。相反，如果HRSG設計成具有與所期望的最低燃料 硫含量相匹配的煙道氣體溫度，則電廠效率將得到改善；但是，如果 燃燒具有更高硫含量的燃料，則HRSG熱傳遞表面將發生腐蝕。但是， 這種方法限窄了燃料的硫含量且因此縮窄了能夠被燃燒的燃料的類 型。
發明內容
在一個實施例中，用于控制排氣煙道的溫度的系統包括 第一熱交換器，其與通向煙道的排氣入口處于排氣流連通而定位在上 游；第二熱交換器，其與第一熱交換器處于排氣流連通而定位在上游； 以及水側導管，其構造成以便將較熱的水流從第二熱交換器引導到第 一熱交換器，從而使得流過第一交換器的排氣流的溫度保持在預定范 圍內。在另一個實施例中，控制排氣煙道的溫度的方法包括在第 一熱交換器中將熱從排氣流傳遞到水流，以及使用在排氣流的方向上 處于第一熱交換器的下游的第二熱交換器將熱從水流傳遞到排氣流。在又一個實施例中，聯合循環發電系統包括通過至少一個 熱回收蒸汽發生器熱學地互連的至少一個燃氣輪機和至少一個蒸汽
輪機。該聯合循環發電系統進一步包括第一熱交換器，其與熱回收 蒸汽發生器排氣出口處于排氣流連通而定位在上游；第二熱交換器， 其與第一熱交換器處于排氣流連通而定位在上游；以及水側導管，其 構造成以便將較熱的水流從第二熱交換器引導到第 一熱交換器，從而 有助于提高流過笫 一熱交換器的排氣流的溫度。
圖1 -4顯示了本文所述的系統和方法的示例性實施例。 [OOIO]圖1為根據本發明的一個示例性實施例的示例性聯合循環
發電系統的示意圖。圖2為根據本發明的一個示例性實施例的整體氣化聯合循 環(IGCC)發電系統的示意圖；圖3為根據本發明的一個示例性實施例的天然氣燃燒聯合 循環發電系統的示意圖；以及圖4為控制排氣煙道的溫度的一種示例性方法的流程圖。
部件列表
5 聯合循環發電系統 7 燃氣輪機發動機組件
10壓縮枳i
12燃燒器
13燃氣輪機發動機
14發電機
15導管
16熱回收蒸氣發生器(HRSG)
17線路
18蒸氣輪機
19發生器
21導管
24高壓(HP)區段
26中間壓力(IP)區段
30低壓(LP)區段
31排出管道
34煙道溫度控制系統36 加熱燃料的水 38燃料加熱器
40 燃料
200 發電系統
202 合成氣
203 氣化器
204 節熱器水 206燃料加熱器 208 減壓閥 210 (LP)節熱器 212 流旁路線路 242 處理器
300 循環發電系統
302 水路
304 中間壓力節熱器
306 LP節熱器
308 循環泵
310 水-水熱交換器
312 減壓閥
314 旁路線路
316 第一出口
318 第二出口 322燃料 324控制器
326 處理器
400 方法
402在第一熱交換器中將熱從排氣流傳遞到水流
404使用在排氣流方向上處于第 一熱交換器下游的第二熱交換
7器將熱從水流傳遞到排氣流
具體實施例方式以下詳細描述作為實例而非作為限制說明了本發明的實施 例。構思了本發明具有用以通過使用級別逐漸升高的熱來預熱流向工 業、商業和住宅應用中的燃燒器的燃料流來改善燃燒和發電系統的效 率的一般性應用。如本文所用，高級別的熱是指在較高的溫度下的熱， 低級別的熱是指在較低的溫度下的熱，而中間級別的熱是指在低級別 的熱的溫度與高級別的熱的溫度之間的溫度下的熱。如本文所使用的、以單數形式陳述和以詞語"一"開頭的 元件或步驟應當理解為不排除復數形式的元件或步驟，除非對這種排 除作出了明確的陳述。此外，對本發明的"一個實施例"的引用不意 圖被理解為排除了也結合所陳述的特征的其它實施例的存在。圖1為根據本發明的一個示例性實施例的示例性聯合循環 發電系統5的示意圖。發電系統5包括燃氣輪機發動機組件7，該燃 氣輪機發動機組件7包括壓縮機10，燃燒器12以及用于驅動發電機 14的通過使燃燒器12中產生的熱氣體膨脹來供以動力的渦輪機13。 來自燃氣輪機13的排氣通過導管15供應到熱回收蒸汽發生器 (HRSG)16，以從排氣中回收廢熱。在該示例性實施例中，HRSG 16 包括高壓(HP)區段24、中間壓力(IP)區段26以及低壓(LP)區段30。然 而，在其它實施例中，HRSG 16 ^&分成其它數量和壓力范圍。HRSG 16 構造成以便將級別逐漸降低的熱從排氣傳遞到循環通過各個壓力逐 漸降低的區段的水。HP區段24、 IP區段26和LP區段30中的各個 可包括節熱器(economizer)、蒸發器、過熱器和/或給水或與相應的區 段相關聯的其它預熱器，例如但不限于可分成多個熱交換器的高壓區 段預熱器，該多個熱交換器就定位在區段(HP、 IP、 LP)中的一個或多 個中。該區段節熱器通常用于在水于例如蒸發器中^皮轉化成蒸汽之前 對水進行預熱。
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水通過導管21而供應給HRSG 16以產生蒸汽。從供應到 HRSG 16的排氣中回收的熱在HRSG 16中#皮傳遞到水/蒸汽，以產生 蒸汽，該蒸汽通過線路17供應到蒸汽輪機18，以驅動發生器19。線 路17表示在HRSG 16和蒸汽輪機18之間的、用于在不同壓力水平下 產生的蒸汽的多條蒸汽線路。來自HRSG 16的經冷卻的氣體經由出口 管道31和煙道(未示出)排入大氣。在該示例性實施例中，聯合循環電廠5進一步包括作為與 HRSG 16分開的單獨的裝置而設置的煙道溫度控制系統34。在一個備 選實施例中，煙道溫度控制系統34定位在HRSG16內。水和/或蒸汽 從HRSG的 一個或多個區段中抽出且被導引到煙道溫度控制系統34 。 將加熱燃料的水流36從HP區段24中的熱交換器導引通過燃料加熱 器38，在燃料加熱器38中，流過燃料加熱器38的燃料流的溫度升高， 且來自HP區段24中的熱交換器的水流降低。引導燃料流40通過燃 料加熱器38,在燃料加熱器38中，燃料流40接收從燃料加熱水流 36傳遞的熱。將經加熱的燃料導引到燃燒器12。將經冷卻的加熱燃 料的水流36引導到煙道溫度控制系統34。圖2為根據本發明的一個示例性實施例的整體氣化聯合循 環(IGCC)發電系統200的示意圖。在該示例性實施例中，使用供應到 燃料加熱器206的高壓(HP)節熱器水流204,將來自氣化器203的合 成氣流202從約360° F的溫度加熱到約570° F。燃料加熱器206下 游的水被冷卻到約310° F的溫度，且處于較高的壓力。在部分負荷 運行期間，將經冷卻的水從燃料加熱器206通過減壓閥208而導引到 HRSG16出口處的低壓(LP)節熱器210，以調節被引導到排氣煙道(未 示出)的排氣流的溫度。為了控制被引導到節熱器210的水的質量流 量，流旁路線路212以及流量調節閥允許流旁路掉調整可用于節熱器 210的熱的量和離開HRSG 16的氣體的節熱器210。通過控制旁路流 量和/或^^皮引導到節熱器210的水流的溫度，可將煙道溫度控制在系統 200的寬泛的運行范圍中。例如，在低負荷情況下，可對節熱器210增加熱，以升高HRSG16的出口溫度。在較高負荷的情況下，可使熱 旁路繞過節熱器210而到達HRSG 16中的其它熱交換器，以提高系統 200的效率。將煙道溫度控制到滿足氣體露點考慮所需的最低溫度允 許系統200更高效地運行。圖3為根據本發明的一個示例性實施例的天然氣燃燒聯合 循環發電系統300的示意圖。在該示例性實施例中，水路302用于將 熱從等級相對更高的熱交換器(例如但不限于中間壓力節熱器304)傳 遞到等級相對更低的熱交換器(例如但不限于低壓節熱器306)。水路 302包括低壓節熱器306、循環泵308、水一水熱交換器310或閃蒸箱 (flashtank)混合裝置、減壓閥312,以及旁路線路314。在運行期間，在循環泵308中將LP節熱器水泵壓成高壓， 且使用水一水熱交換器310中的IP節熱器水對之加熱。將在水一水熱 交換器310的第一出口 316處的IP水導引到燃料加熱器310,以加熱 燃料。在水一水熱交換器310的第二出口 318處的LP水處于約310F 的溫度及約750 psig的壓力下，且該LP水-故導引到LP節熱器306入 口，以調節煙氣煙道溫度。使用來自中間壓力節熱器304的水，在燃 料加熱器304中將燃料(例如但不限于天然氣)流322從約80° F的溫 度加熱到約365° F。圖4為控制排氣煙道的溫度的一種示例性方法400的流程 圖。在該示例性實施例中，方法400包括402在第一熱交換器中將 熱從排氣流傳遞到水流，以及404使用在排氣流的方向上處于第一熱 交換器下游的第二熱交換器將熱從水流傳遞到排氣流。如本文所用，閃蒸箱混合容器是指這樣一種容器，該容器 構造成以便接收處于不同熱級別的流體流，且結合該流，從而使得來 自閃蒸箱混合容器的出口的流處于由結合和混合所接收到的流而產 生的溫度和壓力下。因此，在該示例性實施例中，系統300包括控制 器324，該控制器324配置成以便使用入口流的任何組合來控制煙道 溫度，且可基于系統300的運行;f莫式控制出口溫度和壓力。如本文所用，運行模式是指燃氣輪機發動機13和/或蒸汽輪機18的特定設備序 列和/或功率水平輸出。在該示例性實施例中，控制器324包括處理器 326，可對該處理器326編程，以包括用于執行本文所述的動作的指 令。在一個實施例中，控制器324為單獨的控制器。在一個備選實施 例中，控制器324為更大的控制器系統(諸如，例如^f旦不限于分布式控 制系統(DCS))的子部件或模塊。如本文所使用的用語"處理器"是指中央處理單元、微處 理器、微控制器、精簡指令集電路(RISC)、專用集成電路(ASIC)、邏 輯電路，以及能夠執行本文所述的功能的任何其它電路或處理器。如本文所使用的用語"軟件"和"固件"是可互換的，且 包括存儲在存儲器(包括RAM存儲器、ROM存儲器、EPROM存儲器、 EEPROM存儲器和非易失性RAM(NVRAM)存儲器)中以便由處理器 242執行的任何計算機程序。上述存儲器類型僅為示例性的，并且因 此對于可用于存儲計算機程序的存儲器的類型而言不是限制性的。如基于上述說明書將理解的，可使用包括計算機軟件、固 件、硬件或其任何組合或子集的計算機編程或工程技術來實施本公開 的上述實施例，其中技術效果為控制燃料加熱器水，以調節煙氣煙道
置在一個或多個計算機可讀介質內，從而制造根據本公開的所述實施 例的計算機程序產品，即制造物。計算機可讀介質可為例如但不限于， 固定(硬)驅動器、軟盤、光盤、磁帶、諸如只讀存儲器(ROM)的半導 體存儲器，和/或諸如互聯網或其它通訊網絡或鏈接的任何傳送/接收 媒介。包含計算機代碼的制造物可通過執行直接來自 一種媒介的代 碼、通過將代碼從一種i某介中復制到另一種々某介，或通過在網絡上傳 送該代碼來制造和/或使用。用于控制HRSG熱交換器水以調節煙氣煙道溫度的系統和 方法的上述實施例提供了在聯合循環發電系統的較低負荷運行期期 間，通過將熱從級別相對更高的熱交換器傳遞到級別相對更低的熱交
ii換器來提高發電系統效率的節省成本且可靠的方法。因此，本文所述 的系統和方法有利于以節省成本且可靠的方式提高發電系統的效率。以上對用于控制燃料加熱器水以調節煙氣煙道溫度的示例 性系統和方法進行了詳細的描述。所說明的系統不限于本文所述的具 體實施例，相反，各個系統的構件均可與本文所述的其它構件獨立地 和分開地使用。各個系統構件還可與其它系統構件結合使用。雖然已經關于多個具體的實施例對本公開進行了描述，但 將了解的是，在權利要求的精神和范圍內，可對本公開進行修改。
權利要求
1.一種煙道溫度控制系統(34)，包括第一熱交換器，其與通向所述煙道的排氣入口處于排氣流連通而定位在上游；第二熱交換器，其與所述第一熱交換器處于排氣流連通而定位在上游；以及水側導管(21)，其構造成以便將較熱的水流從所述第二熱交換器引導到所述第一熱交換器，從而使得流過所述第一交換器的排氣流的溫度保持在預定范圍內。
2. 根據權利要求1所述的系統(34),其特征在于，流過所述第一 交換器的所述排氣流被保持為大于硫露點溫度和酸露點溫度中的至 少一個。
3. 根據權利要求1所述的系統(34)，其特征在于，所述第二熱交 換器包括熱回收蒸汽發生器(16)的高壓節熱器。
4. 根據權利要求3所述的系統(34)，其特征在于，所述水側導管 (21)包括燃料加熱器(206)和減壓閥(208)。
5. 根據權利要求1所述的系統(34)，其特征在于，所述第二熱交 換器包括熱回收蒸汽發生器(16)的中間壓力節熱器(304)。
6. 根據權利要求5所述的系統(34)，其特征在于，所述水側導管 (21)包括減壓閥(208)以及水一水熱交換器(310)與閃蒸箱混合容器中 的至少一個。
7. 根據權利要求5所述的系統(34),其特征在于，所述水側導管 (21)包括用于控制通過所述第一熱交換器的水的質量流率的旁路。
8. —種聯合循環發電系統(5)，其包括通過至少一個熱回收蒸汽 發生器(16)以熱的方式互連的至少一個燃氣輪機(13)和至少一個蒸汽 輪機(18);所述聯合循環發電系統包括第一熱交換器，其與熱回收蒸汽發生器排氣出口處于排氣流連通而定位在上游；第二熱交換器，其與所述第一熱交換器處于排氣流連通而定位在 上游；以及水側導管(21),其構造成以便將較熱的水流從所述第二熱交換器 引導到所述第一熱交換器，從而便于提高流過所述第一交換器的排氣 流的溫度。
9. 根據權利要求8所述的系統(5)，其特征在于，所述系統(5)進 一步包括控制器(324),所述控制器(324)配置成以便接收所述熱回收蒸汽發生器(16)排氣出口附近的所述排氣的溫度值；將接收到的所述溫度值與預定的容許的值范圍進行比較； 控制較熱的水流的流率和所述較熱的水流的溫度中的至少一個，從而使得離開所述熱回收蒸汽發生器排氣出口的排氣流被保持在預定的容許的值范圍內。
10. 根據權利要求8所述的系統(5)，其特征在于，所述控制器(324) 配置成以便控制繞過所述第一熱交換器的旁路流，以控制通過所述第 一熱交換器的水的質量流率。
全文摘要
本發明涉及用于控制煙道溫度的系統和方法。提供了一種煙道溫度控制系統(34)。該煙道溫度控制系統包括第一熱交換器，其與通向煙道的排氣入口處于排氣流連通而定位在上游；第二熱交換器，其與第一熱交換器處于排氣流連通而定位在上游；以及水側導管(21)，其構造成以便將較熱的水流從第二熱交換器引導到第一熱交換器，從而使得流過第一交換器的排氣流的溫度保持在預定范圍內。
文檔編號F01K23/10GK101644178SQ20091016388
公開日2010年2月10日 申請日期2009年8月5日 優先權日2008年8月5日
發明者B·佩米, P·納拉延, S·V·錢德拉波斯 申請人:通用電氣公司