用于HRSG的直流竖直管式超临界蒸发器盘管的利记博彩app

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年10月9日提交的美国临时专利申请序列no.62/062055的优先权，其内容通过引用的方式明确地包含于此。

背景技术：

天然气和燃油用作目前发的大部分电的能源。为此，天然气或燃油在对发电机供能的涡轮机中经历燃烧。燃烧产物作为温度非常高的废气离开涡轮机，使得废气本身作为一种能源。在产生对另一发电机供能的过热蒸汽的热回收蒸汽发生器(hrsg)中捕获此能量。

通常，hrsg包括壳体和一连串热交换器，壳体具有入口和出口，热交换器可包括以如下顺序在入口与出口之间布置在壳体内的过热器、蒸发器和节能器。

这种用于hrsg的热交换器可具有多排盘管，其中在气流方向上的最后一个盘管可以是给水加热器。给水加热器接收由蒸汽涡轮机排出的低压蒸汽得到的冷凝物，并升高水的温度。然后，来自给水加热器的更热的水例如流入一个或多个节能器、锅炉给水泵或蒸发器，这些装置将所述更热的水转化成饱和蒸汽。该饱和蒸汽流至将其转化成过热蒸汽的过热器。过热蒸汽可从这种过热器流至蒸汽涡轮机。

通常，在上述过程中，大多数hrsg产生三个压力级的过热蒸汽——低压(lp)、中压(ip)和高压(hp)。因此，hrsg可具有一个或多个过热器，也可具有叫做lp蒸发器、hp节能器和ip节能器的装置。

在美国专利no.6,508,206b1(在下文中叫做“’206专利”)中出现了以使用自然循环系统的hrsg为特征的系统的总体示意图，该’206专利通过引用的方式包含于此。’206专利的图4示出了具有位于最远位置上游的过热器18的布置。在内部hrsg流路中的过热器16的下游是至少一个蒸发器18，其与位于蒸发器顶部的所示汽包流体流动连接。该汽包位于hrsg内部废气流路的外部。’206专利中的hrsg还具有给水加热器20。

由hrsg产生的过热蒸汽通常低于蒸汽的临界点压力。建造更大规模和更高效率的发电站的行业趋势已经逐渐发展成对这种发电站在高于或刚刚低于水的临界压力下操作的需求。

在自然循环hrsg中，首先将水蒸发成饱和蒸汽。这发生在高压(hp)蒸发器盘管和汽包的组合中，其在这里简单地叫做“hp蒸发器段”(hpevap)。在这种hp蒸发器盘管和汽包的组合中，蒸发器盘管位于hrsg的内部废气流路内，而汽包位于hrsg的内部废气流路外，其中hp蒸发器盘管和汽包彼此流体流动连接。在hpevap中，饱和状态下的蒸汽和水的密度差是导致水和/或蒸汽从汽包通过降液管循环至hpevap盘管并通过升液管回到汽包的驱动力。饱和水在hpevap中的这种循环是自然循环hrsg与其他类型的hrsg的区别所在。

另一种类型的hrsg是使用直流蒸汽发生器的系统，在本领域中通常叫做“otsg”。在otsg中，工作流体不像自然循环hrsg系统一样通过加热表面再循环。相反，对于otsg来说，工作流体通过每个单独的并行hpevap管道，然后离开otsg。授予duffy的美国专利no.6,019,070(“duffy的’070专利”)公开了一种具有otsg的hrsg，该otsg带有在该专利中叫做回路组件的装置。duffy的’070专利中的那些回路组件各自包括位于hrsg内部气体流路内的蛇形的热交换管，其带有u形玩弯曲部分和竖直定向的直线部分。

授予wittchow等人的美国专利no.6,189,491(“wittchow的’491专利”)也公开了一种具有otsg的hrsg，该otsg在hrsg气体流路内带有竖直设置的蒸汽发生器管。授予berndt等人的美国专利no.8,959,917(“berndt的’917专利”)公开了一种使用otsg的hrsg，而公开号us2013/0180228a1的美国专利申请zhang公开了一种带有超临界蒸发器设备的hrsg(“zhang的‘228申请”)。所述duffy的‘070专利、wittchow的‘491专利、berndt的‘917专利和zhang的‘228申请包含于此，如同在这里充分阐述一样。

本申请的图1示出了系统的总体布局，该系统示出了与’206专利的图3所示的hrsg类似的hrsg的使用。本申请的图1公开了一种燃气轮机g，其将热废气排入hrsg中，hrsg从废气中提取热量以产生蒸汽，从而对蒸汽轮机s供能。燃气轮机g和蒸汽轮机s对能够产生电能的发电机e供能。蒸汽轮机s将低温低压的蒸汽排入冷凝器cn中，蒸汽在那里冷凝成液态水。冷凝器cn与冷凝泵cp流动连接，冷凝泵cp引导水回到hrsg，作为给水。

通常，热交换器包括具有多个管子的盘管，这些管子通常竖直地定向且一个接一个地横向穿过壳体的内部布置。盘管也成行地布置，在本申请的图2至图7中箭头所示的热气流的方向上一行接一行地布置。不管其盘管被设计为适应何种阶段，管子都包含水。管子的长度可以大到约90’高。

技术实现要素：

如上所述，为了使循环效率最大化，hrsg通常包含多个压力级的过热蒸汽产生和蒸汽再热。本发明将允许增加工作压力范围，以包括超临界压力下的蒸汽产生。由于(对于设定工作流体而言)仅有一个压力系统(名义上是高压(hp)系统)可在超临界压力下运行，所以期望对其他压力级(通常是中压(ip)系统和低压(lp)系统)保持自然循环。可存在其他的压力系统和命名。此发明内容并不限制可使用的hrsg的类型。

在接近水的临界点的压力下，饱和状态下的水和蒸汽的密度差比其在更低压力下的密度差小得多。在这种状态下，在自然循环蒸发器中驱动流动的流体力学减小至需要另一种方法来对发电站发电需求最终产生流动的点。在此情况中，实际上将hpevap作为直流蒸汽发生器(otsg)设计并操作，其中，如上所述，工作流体不通过加热表面再循环，而是使其通过每个单独的并行hpevap管道，然后离开hpevap部段。如图2所示的otsg代替自然循环hrsg中的典型的hpevap。虽然otsg在hrsg领域中是已知的，但是需要通过使用otsg来处理稳定且机械上可接受的设计中的工况，从而产生亚临界蒸汽和超临界蒸汽。两相流的分层、临界热通量和不稳定性是otsg的设计师主要关心的问题。在超临界状态中，工作流体作为单相流体离开，并且，当其通过hpevap的并行回路时被明显地加热。

在本公开中，otsg配置为包括具有竖直管部段的一组单独的蛇形管，并且，otsg朝向与竖直管部段流动连接的顶部和底部弯曲。水可从hp节能器的出口经由来自hp给水泵的压力引入otsg管组的入口。然后，当水移动通过otsg盘管中的蛇形管时被加热，从废气吸收热量。在稍低于临界点的压力下，流体作为两相蒸汽或稍微过热的蒸汽离开。在处于或高于临界点的压力下，流体离开具有与温度一致的特性的otsg。otsg在高质量通量下操作。与其他hrsg一样，离开蒸发器盘管的超临界水/蒸汽流体可在气路上游的盘管部段中被进一步加热，从甚至更高温度的气体吸收热量并进一步增加温度，以使蒸汽循环效率最大化。

通过包含蛇形管的各个管道之间的相互关联，来提供可能存在于那些管道之间的压力差的适应，以帮助平衡压力。这种均衡促进了管路中的压力稳定性。相互关联管道的构造和位置利用自然力来在该过程中帮助使液体与蒸汽分离，以在各个蛇形管道部段的下u形弯曲部分下方促进两相分离。这有助于引导水进入均衡管道，这促进了流动稳定性。更特别地，本公开优选地提供在各个管道之间互相连接的集管(header)。集管优选地位于蛇形管的与内部废气流成横向的下u形弯曲部分的底部下方。而且，本公开优选地包括限流装置，其与各个蛇形管流动连接，定位为改进流动分布和流动稳定性，并且优选地朝向蛇形管的入口定位。而且，本公开优选地提供从蛇形管的排放。

附图说明

图1是可使用本发明的具有hrsg的组合式循环动力系统的总体示意图；

图2是带有hrsg的实施例的剖视图，并且示出了直流竖直管式超临界蒸发器盘管；

图3是本发明的第一实施例的剖视图，示出了hrsg的底部和顶部的一部分，以代表性高宽比例示出；

图4是本发明的优选实施例，示出了底部处的入口和奇数数量的管行；

图5是以交错管间距布置的本发明的优选第一实施例的平面图，其中朝向左端的长圆形框(123)指示一组单独的管道管部段的一行竖直部段的端部；该图下方的图示以交替方式表明，黑色的圆形区域代表通过单独管道的竖直管部段108的向上流动，而“x”表示通过相邻的竖直管部段108的向下流动；

图6是本发明的替代实施例的平面图，示出了对于各个管道的直列式管间距布置，其中朝向左端的长圆形框(123)指示一组单独的管道管部段的一行竖直部段的端部；与图5一样，该图下方的图示以交替方式表明，黑色的圆形区域代表通过单独管道90’的竖直管部段108’的向上流动，而“x”表示通过相邻的竖直管部段108’的向下流动；

图7是本发明的一个实施例，其中，各个中间管道包含膨胀环，以解决不同的管膨胀问题；

图8是本发明的一个实施例，示出了位于顶部的替代入口和偶数数量的管行；

图9是本发明的一个替代实施例，示出了逆流流动和并流流动的混合，其中入口集管朝向底部；以及

图10是本发明的一个替代实施例，示出了逆流流动和并流流动的混合，其中入口集管朝向顶部。

具体实施方式

以下详细描述通过示例以非限制性方式来说明所要求保护的本发明。该描述清楚地使得本领域技术人员能够形成并使用本公开，描述本公开的几个实施例、适应性改变、变化、替代方式和用途，包括目前据信是执行所要求保护的发明的最佳方式。另外，将理解，本公开的应用不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的部件的构造和布置的细节。本公开能够是其他实施例，并且能够以各种方式实践或执行。而且，将理解，本文使用的用语和术语是为了描述的目的，不应将其认为是限制性的。

对于以下描述，我们将超临界水/蒸汽混合物和亚临界水/蒸汽混合物叫做“流体”。这不应推论出，亚临界水和蒸汽的行为与超临界水/蒸汽相同。

参考图2，hrsg20具有壳体23，热交换器位于壳体内。热废气，例如从燃气轮机(例如图1的燃气轮机g)排出的热废气，进入壳体23并通过具有入口25和出口27的管道，例如在图1和图2中用箭头指示的。在这种处理的过程中，该气体通过热交换器。

hrsg壳体23具有底部30、顶部32，以及从底部30向上延伸至顶部32的侧壁。热交换器位于壳体23内。底部30和顶部32在侧壁之间延伸，使得底部30、侧壁和顶部32有助于形成hrsg壳体23的内部管道，废气通过该内部管道。

图2示出了带有示例性顺续布置的热交换器的hrsg壳体。在图2中，在从左到右的纵向方向上，沿着示出废气流的箭头的方向，是第一再热器36，之后是第一高压(hp)过热器39，然后在其下游是第二hp过热器42，之后是第二再热器44。

为了使对“典型”水平气流的破坏最小化，所公开的竖直管直流hp蒸发器(otsg)47在图2中示出为处于优选位置。如此，其代替了hrsg中的自然循环hpevap。为了如正常供应地保持hrsg的平衡，水平气路是优选的。

otsg47包括大盘管52，如图3所示。盘管52包括装配成方便运输的大小的模块的各个蛇形管，并将进一步描述。otsg47的下游可以是高压(hp)节能器系统56，在其下游是中压(ip)系统59，然后其之后可以是低压(lp)系统61。其下游可以是给水加热器系统63(例如在’206专利中所讨论和公开的)。

盘管52从其悬挂在钢架中的顶部结构42支撑，该钢架在图3中部分地示出为顶梁65和底梁67。通过通常在hrsg中发现的且在图2中部分地示出为顶部32和底部30的绝缘壳体和衬套系统，在钢架内包含废气。

现在从图2的描述转到otsg47及其盘管52的更详细的讨论，盘管52包括多个单独的热交换管道，示出为管子90。图3示出了管子90的子组70，其中为了示出目的，减少了各个管道的数量。图4示出了子组70的甚至更详细的正视图。

参考图4，一般，otsg47具有入口集管75，其可以是可从入口管道78接收流体的管道，入口管道连接到hp节能器56(图2所示)的出口。otsg47还具有出口集管82，其与出口管道86流体流动连接。管道86可导致与外部分离器88的入口87的流体流动连接，外部分离器的出口89可导致与hp过热器44(图2所示)的入口的流动连接。

位于入口集管75与出口集管82之间的是一组单独的热交换管道90。图4的正视图示出了一个这样的管道90。图5的俯视平面图示出了，管道子组70包括多个这样的在图4的正视图中示出的单独管道90。

每个单独的管道90可以是具有入口端94和出口端98的管子。入口集管75和出口集管82优选地是与废气流垂直地布置的圆柱体，沿着其长度具有开口，管子90的入口端94和出口端98分别固定至所述开口，例如通过焊接。

如图4所示，从入口管道端94，管道90可优选地包括限流装置100，流体流过该限流装置。与限流装置100相关联的压力降改进了流动分布和流动稳定性。从限流装置100，管道90通常延伸成蛇形管部段104(图4和图5)。蛇形管部段104通常包括一系列的竖直管部段108，其包括中间部分109。如本领域已知的，那些竖直部段108可包括部分111和部分113，部分111具有热交换翅片(在图4中放大地示出该部分111)，部分113没有翅片。翅片部分111示出为与中间部分109重叠。

管道90还具有一系列的非直线部段，其是弧形的或弯曲的，例如示出为多个上u形弯曲部段115和下u形弯曲部段120。在图4中，管道90的第一个竖直部段108标示为121。限流装置100包含在第一部段121的流路中，优选地在流动进入部段121的中间部分109之前。

因此，在优选实施例中，单独管道90内的流动包括通过竖直管部段108到达上u形弯曲部段115的向上流动，然后是随后的通过相邻的竖直管部段108到达下u形弯曲部段120的向下流动。在一系列竖直管部段108中的最后一个处，流体向上流过管道出口端98进入出口集管82。因此，通过管道90的流动是交替的向上和向下流路的连续回路，直到通过出口端98的流动到达出口集管82。

如在图5的平面图中看到的，在子组70中，许多单独的管道90与内部纵向废气流路大致对齐地并行布置。竖直管部段108在与纵向废气流路大致垂直的横向平面中对齐，以组成管部段108的“行”123。因此，行123布置为与热废气的流路垂直。图5示出了通过位于图5底部处的示例性管道90的向上流体流动和向下流动的方向。如在图5的描述中指出的，黑色的圆形区域表明通过竖直管部段108的向上流动，而“x”示出了通过管部段108的向下流体流动。

在图5的优选实施例中，图4中示出的竖直管部段108以交错方式布置，其中，管行123中的每个管部段108定位在上游和/或下游管行的横向间隔的中点处。因此，管部段108在废气流路中沿纵向方向以交替偏置图案交错。在此布置中，纵向地位于相邻竖直部段下游的竖直部段以交替图案与其纵向地偏置，使得竖直部段不纵向对齐。在图5的特定实施例中，第一组竖直部段108彼此纵向对齐，并且第二组竖直部段108彼此纵向对齐，使得第一组和第二组本身相对于彼此纵向地偏置。这种偏置和交错布置在本领域中叫做“交错间距”。

图6示出了蛇形布置的替代实施例，其中，竖直管部段108’以直列式间距布置，使得每个单独管道90’中的管部段108’、上u形弯曲部分115’和下u形弯曲部分120’从每个管道90’的前部向后部纵向地对齐。这种对齐在本领域中叫做“直列式间距”。

参考图4，限流装置100本质上可以是孔或收缩管。基于所需的压力降和流速来构造孔的尺寸。装置100优选地放置在入口集管75下游的第一管行123的第一管部段121中，如图4所示。限流装置100的位置优选地在入口集管75与第一管部段121的翅片部分111之间。与限流装置相关联的压力降改进了流动分布和流动稳定性。

现在关注点转向用于各个管道90之间的均衡的布置。朝向每个下u形弯曲部段120的底部的是中间均衡管道125。中间管道125可以是一段相对短的管道或管子，其上入口端朝向u形弯曲部段120的底部连接，优选地在其中间连接。中间管道125允许流体从每个下u形弯曲部分120的底部中心流动，流入集管130形式的均衡管道中。每个均衡集管130优选地是与hrsg的废气流垂直定向的圆柱形管子，并在一个盘管52内跨越一个管行123的宽度。中间管道125的出口端连接到集管均衡管道130，优选地朝向其顶部。优选地，中间管道125的出口端与集管管道130的连接通常直接位于中间管道125的入口端与其相应的下u形弯曲部分120的连接处的下方。

如图4所示，每个均衡集管130在其下侧连接到待与其流体流动连接的排水管133，例如管道。排水管133延伸穿过壳体底部30。波纹管膨胀接头136与排水管133连接，以在操作过程中适应管子的膨胀，同时将废气密封在底部30内。排水管133可通过阀134打开和关闭，例如通过示出的闸阀134、球阀或本领域已知的其他阀。可操作阀134，使得在otsg盘管52可能需要排空流体时的过程中，排水管133可将流体运送至处理点。

排水旁路管道140(其可以是管道或管子)与期望的相邻排水管133连接。旁路140允许相对少量的流动在旁路140所连接的一对排水管133之间循环。通过排水管133内的流体运动来刺激流体通过旁路140的运动，从而减少流体在分开的排水管133内的停滞，并在排水管133上产生冷却效果。这种冷却对于以下情况来说是有利的：排水管133的工艺条件和冶金状态要求在操作过程中对其进行冷却。

系统流体力学和不同的单独管道90的差异热吸收会在各个管道90之间产生不稳定和压力差。这种压力差导致发生通过均衡中间管道125和均衡集管130的流动，以使那些压力差平衡。这种压力平衡对通过管道90的流动具有稳定效果。

当流体向下流过竖直管部段108进入每个下u形弯曲部段120时，由于流体转到下u形弯曲部段120中，流体受到流体的重力和离心力。离心力和重力迫使水(其具有比蒸汽更高的密度)到达u形弯曲部段120的拱背的内表面。特别是在两相流的情况中，希望仅重新分布水流通过均衡集管130。通过每个管行123的流体的高质量通量加上下u形弯曲部段120中的更高密度的流体上的力，确保均衡中间管道125和均衡集管130中在亚临界操作的过程中仅存在水。

形成各个管道90的管道的内径根据特定设计细节而定，例如可以是约0.5”(英寸)至约2”。u形弯曲部分120的弯弧的形状优选地是大致半圆形形状。u形弯曲部分120的弯曲中心线半径可以是例如中心线管道直径的约1.5倍至约3.0倍。各个管道90的壁厚可以基于材料类型、直径、操作温度和压力。

均衡中间管道125优选地是具有约0.25”至约1.0”范围内的公称直径的管道。均衡管道125的内径优选地小于各个管道90的内径。与通过下u形弯曲部段120的流动的量相比，均衡中间管道125相对于其相应各个管子的内径具有更小的内径，便于仅相对少量的流动通过中间均衡管道，以对均衡集管130加压。在亚临界操作中，通过中间管道125的流动将包括液态水，这促进了系统的稳定性。在优选实施例中，均衡管道125的内径明显小于其相应各个管道90的内径。在优选实施例中，均衡管道125的内径与其相应各个管道90的内径的比值是约1/3至约1/2。

排水管133优选地是具有约1.5”至约2”的公称直径的管道。波纹管膨胀接头140与排水管133一起使用，以在操作过程中吸收膨胀，同时将废气密封在底部30内。在管子90可能需要排空流体时的过程中，排水管133将流体运送至处理点。排水旁路144连接相邻的排水管133，并且，对于排水管133的工艺条件和冶金状态要求在操作过程中对其进行冷却的情况，允许少量的流动循环通过排水管133。

图7描绘了这样一个实施例，其中，每个均衡中间管道125”形成为膨胀环形状的或弓形的部段127”。期望这种类型的盘管由于热输入的外部变化而在同一管行123中的相邻竖直管部段108之间具有温度变化。温度的较大变化会在各个管道90、中间管道125和集管130之间的连接处中引起应力。均衡集管130有效地锚固下u形弯曲部段120，并限制相邻的单独管道90中的差异生长。部段127”的环状或弓形构造允许其在膨胀和收缩过程中屈曲，使得直接连接到中间管道125”的每对竖直管部段108”可独立于其管行123”中的其他相邻竖直管部段108”移动。在图7中，膨胀环部段127”可包括多种构造，包括例如“c”、“v”、“u”或“l”形状，并可具有不在同一平面中的竖直部段和水平部段。这种构造可允许每个竖直管部段108-108”’的独立生长或收缩。取决于流体流的热-机械分析、几何形状和所使用的材料，相邻管道90中的温度变化量将决定是否采用图7的实施例。膨胀环形状的构造127”在操作过程中屈曲和弯曲，从而在调节可能存在于不同的单独管道90”之间的温度变化时提供灵活性，从而减少并避免由于蠕变应力和疲劳应力引起的损坏或故障。

图8描绘了替代实施例，其中，入口集管75”’定位为朝向盘管52”’的顶部。流体以与之前所描述的相同的方式移动通过盘管52”’的蛇形部分，但是第一行123”’以向下方向的流体流开始。在图8的实施例中，限流装置100”’位于入口集管75”’下方且位于第一竖直部段121”’的中间部分109”’上方。

优选地，整个蛇形流体流路与废气逆流地流动。替代地，该构造可以是与废气并流流动的蛇形流路。在这种逆流的情况中，入口集管75、75’、75”和75”’与出口集管82、82’、82”和82”’的位置彼此切换。第一竖直管部段121、121’、121”或121”’的位置，并不是距hrsg入口极右的或最远离的位置，将位于竖直管部段的更靠近hrsg入口25的最远上游处。入口集管75、75’、75”或75”’的重新定位可以在这种对应重新定位的第一竖直部段121、121’、121”或121”’的上方或下方。还可存在具有并流部段和逆流部段的混合流动实施例。

替代地，在同一蛇形流路中可存在逆流流动和并流流动的混合。图9和图10示出了以这种混合流动为特征的两个替代实施例。不管入口集管的位置处于流路的底部还是顶部，这种混合都会出现。图9示出了处于流路底部的入口集管75””，而图10示出了处于流路顶部的入口集管75””’。作为一般示例性的描述，前三个或四个管行113””(图9)或113””’(图10)可在改变分别通过返回部段150””(图9)或150””’(图10)的方向之前与内部废气流并流地流动，以与该流路逆流地流动。分别通过各个管道90””或90””’的流动分别终止于出口集管82””或82””’。这种混合流路的好处包括在并流流路中在亚临界状态下更有效的相变，然后改变至逆流流动，以根据需要完成流体的加热。

管行123”’的数量以及入口78”’和出口86”’的相对位置，根据废气状态和加热流体所需的加热表面的大小而定。本发明不限于图中描绘的管行123的数量或者入口78和出口86的相对位置。本发明既不限于横向方向上的各个管道或蛇形部段的数量，也不限于这些蛇形管可形成的且位于hrsg废气路径中的盘管52的数量。

在操作中，为了实现启动和低负载操作，系统可在亚临界状态下操作。在所有操作模式期间，进入入口集管75的流动被低温冷却，使得入口水温低于饱和温度。该系统被设计为，通过使用节能器-入口接近温度控制来保持此需求。为了避免重力控制的流态，期望采用最小的管质量通量。该流动优选地是至少约400kg/ms²。在某些具体设计和/或操作模式中，较低的质量通量可能是可接受的。在启动和低负载状态期间的流动稳定性是特别重要的，并优选地应保持高于约400kg/ms²。如所指出的，包含限流装置和压力均衡集管可用来使流动稳定并减小盘管中的局部温度和压力差。

为了在亚临界操作中实现启动和低负载，带有otsg(例如图2的otsg47)的hrsg可设置在流动控制模式。出口蒸汽/水混合物可在外部分离器中分离，例如图2的外部分离器88，其中，水可再循环至例如工厂冷凝器，或再循环至系统中的另一点，例如，大气排污罐、节能器连接处、专用闪蒸罐，或诸如本领域中已知的其他位置。一旦可对otsg47提供足够的热量以产生过热蒸汽，优选地流动控制改变为基于蒸汽出口温度和其他参数。然后，可将压力增大到超临界操作。

在不背离本公开范围的情况下，可在以上构造中进行改变。目的是，包含在以上描述中或在附图中示出的所有内容都应解释为是说明性的而不是限制性意义上的。