NL8201698A - Stoomgenerator voor het terugwinnen van warmte. - Google Patents

Description

S' * > N.0. 30970 1

Stoomgenerator voor het terugwinnen van warmte.

Deze uitvinding heeft in het algemeen betrekking op krachtinstal-laties met gecombineerde kringloop en in het bijzonder op dat deel van een krachtinstallatie met gecombineerde kringloop dat aangegeven wordt als een stoomgenerator voor het terugwinnen van warmte.

Een krachtinstallatie met gecombineerde kringloop omvat zowel een gasturbine als een stoomturbine, die thermisch door een stoomgenerator voor het terugwinnen van warmte (HRSG) gekoppeld worden.

De stoomgenerator voor het terugwinnen van warmte is een warmtewisselaar met gescheiden media, die uitlaatgassen van de gasturbine gebruikt die anders verloren zouden zijn gegaan, om voedingswater tot stoom te verhitten, welk stoom het aandrijffluldum in de stoomturbine wordt. De stoomgenerator kan in verschillende te onderscheiden verwar-mingsdelen gesplitst worden, in volgorde van de de stromingsrichting van het voedingswater achtereenvolgens omvattende een economizer, een verdamper en een oververhitter. Het verhoudingsgewijs koudste deel van de stoomgenerator is de economizer, terwijl het warmste deel de oververhitter is. De thermische energie hetgeen uit de gasturbine treedt kan in overeenstemming met de omgevingscondities wisselen en verder afhankelijk van de belasting gevormd door het opwekken van elektriciteit met de gasturbine variëren.

Het is uit het oogpunt van bedrijfsvoering wenselijk om de watertemperatuur in de economizer altijd onder de verzadigingstemperatuur te houden om het vormen van stoom in de buizen van de economizer te vermijden. Stoomvorming is ongewenst omdat dit instabiliteit van de stroming en/of het droogkoken van buizen kan veroorzaken, wat afzettingen of corrosie tot gevolg kan hebben hetgeen tot voortijdige falen van de buis kan leiden. Als het verband waterstroom gasstroom warmte-over-dracht constant zou zijn, zou de ontwerper van de stoomgenerator een ontwerp voor een economizer kunnen verschaffen waarbij het verschijnsel van stoomvorming nooit plaats zou vinden. Omdat echter de warmtecapaci-teit van het uitlaatmedium van de gasturbine wisselt met de belasting, kan de ontwerper slechts een ontwerp zodanig optimaliseren dat stoomvorming onder ongunstige gedeeltelijke belasting binnen bepaalde empirische grenzen gehouden wordt. Dit heeft een temperatuur van het water, dat de economizer verlaat, tot gevolg met een gegarandeerde waarde die iets onder de verzadigingstemperatuur ligt, met een daarbij behorende vermindering van het thermodymisch rendement va de stoomgenerator.

Een oplossing volgens de bekende stand der techniek voor het ver- 8201698 ♦ * 2 schijnsel van de stoomvorming, is om de aanwezige bedrijfsomstandigheden van de gasturbine of de stoomturbine, zoals respectievelijk belasting of uitlaatgastemperatuur te registreren, teneinde een ideale instelwaarde voor inlaattemperatuur bij de inlaat van de economizerbuis 5 te berekenen. Daarna wordt een werkelijke temperatuurmeting bij de inlaat van de economizerbuis uitgevoerd en een extra of verminderde stroom water wordt aan de economizer toegevoerd in overeenstemming met het temperatuurverschil tussen de gewenste waarde en de werkelijke watertemperatuur. Dit extra water kan stroomafwaarts van de circulatie-10 pomp die gebruikt wordt in combinatie met het stoomvat afgenomen worden. Deze oplossing is voldoende voor kleine wisselingen in de be-drijfsparameters van de stoomgenerator. Indien echter factoren als de verkrijgbaarheid van extra water en de doorstroomcapaciteit van de buis onderkend worden, is het duidelijk dat over een breed scala van be-15 drijfsomstandigheden deze inrichting volgens de stand der techniek zich zelf beperkingen zou opleggen.

Het is een doel van de uitvinding om een pijpenbundel voor een stoomgenerator te verschaffen, met middelen om stoomvorming in de pijpenbundel tijdens verschillende veranderingen in bedrijfsomstandigheden 20 te verhinderen.

Het is een ander doel van de uitvinding om een pijpenbundel voor een stoomgenerator te verschaffen met middelen om stoomvorming in de pijpenbundel te voorkomen zonder extra water in het systeem toe te voegen.

25 De uitvinding bestaat erin dat een pijpenbundel verdeeld is in twee afzonderlijke delen voor warmte-overdracht, die in serie met elkaar verbonden zijn. Een omloopleiding met een regelafsluiter verdeelt de ingaande waterstroom tussen een bovenste (stroomafwaarts) economi-zerdeel en een benedenste (stroomopwaarts) economizerdeel afhankelijk 30 van de watertemperatuur bij de uitlaat van het benedenste economizerdeel. Het bovenste economizerdeel is zo ontworpen dat onder alle omstandigheden van de stroming geen stoomvorming in dat deel plaats zal vinden. In het benedenste economizerdeel, kan, als de thermische energie van het uitlaatgas toeneemt, rechtstreeks water geleid worden naar 35 het benedenste deel om stoomvorming te vermijden. Bovendien kan de re-gelafsluiter automatisch door een regelinrichting ingesteld worden, welke inrichting de regelafsluiter in overeenstemming met een gewenste waarde van de temperatuur vereist, welke waarde gebaseerd is op de omstandigheden in het stoomvat.

40 De uitvinding zelf kan echter, samen met andere doeleinden en 8201698 s * * 3 voordelen daarvan het.best begrepen worden met behulp van onderstaande beschrijving aan de hand van de bijgevoegde tekeningen.

In de figuren zijn:

Figuur 1 een vereenvoudigde schets van een krachtinstallatie met 5 gecombineerde kringloop, welke schets gebruikt wordt om de toepassing van de onderhavige uitvinding te tonen.

Figuur 2 een schema van de economizer en verdamperdelen van de stoomgenerator en het stoomvat.

Figuur 3 een schema van het leidingsysteem van de economizer bij 10 een voorkeursuitvoering van de uitvinding, in welk figuur verder automatische middelen voor het regelen van de omloopafsluiter getoond zijn.

Een elementaire krachtinstallatie met gecombineerde kringloop 10 die in figuur 1 afgeheeld is, kan een krachtinstallatie bestaande uit 15 een gasturbine 12 en een krachtinstallatie bestaande uit een stoomturbine 14, omvatten. Een stoomgenerator voor het terugwinnen van warmte 16, verschaft een thermische koppeling tussen de krachtinstallatie bestaande uit de gasturbine en de krachtinstallatie bestaande uit de stoomturbine, doordat de warmte van het uitlaatgas van de gasturbine 20 die anders verloren zou gaan, gebruikt wordt om voedingswater dat aangevoerd wordt door de pijp 18 naar de stoomgenerator te verwarmen, om oververhitte stoom te produceren die aan de stoomkrachtinstallatie door pijp 20 en inlaatafsluiter 21 toegevoerd wordt. De krachtinstallatie bestaande uit de gasturbine 12 omvat een gasturbine 22 en een aangedre-25 ven compressor 24, die gekoppeld worden door een ring verbrandingska-mers 26, waarvan er slechts een afgeheeld is. De krachtinstallatie bestaande uit de gasturbine kan ook een elektrische generator 28 omvatten, die eveneens aangedreven wordt door de gasturbine om elektriciteit op te wekken.

30 De krachtinstallatie bestaande uit de stoomturbine omvat een stoomturbine 32, die een elektrische generator 34 aandrijft. Stoom die uit de stoomturbine treedt, wordt in een condensor 36 gebracht om voedingswater te worden, wat dan naar de stoomgenerator terug gebracht wordt door de pijp 18 en de condensaatpomp 38.

35 De stoomgenerator omvat van boven naar beneden drie hoofddelen: een economizer 42, een verdamper 44 en een oververhitter 46. De stoomgenerator is in hoofdzaak een tegenstroomwarmtewisselaar met gescheiden media, waarbij de watertemperatuur toeneemt als het water naar beneden door de warmtewisselaarkast stroomt en waarbij de gastemperatuur af-40 neemt als het gas in de kast opstijgt.

8201698 to 4

Alle drie delen van de stoomgenerator zijn zodanig aan een stoom-vat 48 verbonden, zodanig dat de economizer verwarmd water aan het i stoomvat toevoert, welk verwarmd water dan in de verdamper door pomp 50 gepompt wordt en vervolgens terugkeert naar het stoomvat waar het water 5 door leiding 54 aan de oververhitter toegevoerd wordt. Het bovenstaande dient slechts als achtergrondinformatie en maakt noch deel uit van, noch beperkt, de omvang van de onderhavige uitvinding.

In het geval dat de stoomgenerator in horizontale richting geplaatst is, worden de bovenste delen geacht stroomafwaarts te liggen 10 ten aanzien van de richting van de gasstroom, terwijl de benedenste delen geacht worden stroomopwaarts te liggen ten opzichte van de richting van de gasstroom.

Aan de hand van figuur 2 zullen de details van de onderhavige uitvinding nu beschreven worden. Overeenkomstige onderdelen van de belang-15 rijkste delen van de stoomgenerator en het vat zijn zoals bij figuur 1 beschreven, aangeduid. De stippellijnen 56 geven de weg van de stroom warm gas in de stoomgenerator aan. De temperatuur van vloeistof die in de stoomgenerator aanwezig is, neemt in het algemeen toe als de vloeistof naar beneden door de stoomgenerator stroomt. De gastemperatuur in 20 het kanaal voor warm gas zal afnemen als het gas opstijgt en warmtewis-seling door de buizen plaats vindt. De totale thermische energie van de stroomgas is afhankelijk van de belasting van de gasturbine. Tijdens perioden van geringe belasting, bevat het gas dat uit het verdampings-deel 44 komt, meer thermische energie dan nodig is in het economizer-25 deel. Dit verschijnsel is een beperkende factor bij het ontwerp van delen van de economizer geweest, aangezien het doel wat nagestreefd wordt het zoveel mogelijk terugwinnen van warmte tijdens perioden met zware belasting is. Een ongewenst gevolg is het verschijnsel van de vorming van stoom in de buizen van de economizer. De praktijk van het ontwerpen 30 is een compromis geweest tussen het rendement van het terugwinnen van warmte en het vermijden van stoomvorming onder bepaalde uitwendige omstandigheden en andere toestanden.

De onderhavige uitvinding beoogt twee economizerdelen te verschaffen; namelijk een bovenste of stroomafwaarts economizerdeel A en een 35 benedenste of stroomopwaarts economizerdeel B. Een omloopleiding 58 is aanwezig voor het direct leiden van het voedingswater in het benedenste deel van de economizer, waardoor het bovenste deel van de economizer omlopen wordt en dientengevolge warmte-overdracht bij lage belasting of andere omstandigheden waarbij het gas warm is, daar belet wordt. De 40 hoeveelheid vloeistof die omloopt, wordt geregeld door de stand van een 8201698 * c 5 mengafsluiter 60. Het bovenste deel van de economizer A is zo ontworpen dat onder de ongunstigste te verwachten omstandigheid geen stoomvorming in dat deel plaats zal vinden. Het water dat om het bovenste deel van de economizer A loopt zal niet verwarmd worden en zo zal het verschijn-5 sel van stoomvorming in het benedenste deel van de economizer B vermeden worden. Het benedenste deel van de economizer B eindigt bij het stoomvat.

In figuur 3 wordt een meer gedetailleerde afbeelding van een voorkeursuitvoering van de onderhavige uitvinding getoond, waarin een mid-10 del voor het regelen van de stand van de afsluiter van de mengafsluiter 60 wordt getoond. De economizerdelen A en B zijn dezelfde delen als in figuur 2. De stroom water in het bovenste deel van de economizer A wordt verdeeld tussen de inlaatkamer 62 van de bovenste economizer en de omloopleiding 58 afhankelijk van de stand van de afsluiterplug 61 15 van de mengafsluiter 60. De inlaatkamer 62 verdeelt het binnenkomende voedingswater over andere evenwijdige buizen (niet afgebeeld) die deel uitmaken van het bovenste economizerdeel.

Hetgeen uit de mengafsluiter 60 stroomt, is de samenloop van de stroom uit de bovenste economizer en de omloop. Het is het doel van de-20 ze uitvinding om tijdens perioden tijdens welke het waarschijnlijk is dat stoomvorming optreedt, de stroom door het bovenste economizerdeel te verminderen, terwijl de stroom door de omloop toeneemt. Het is niet het doel om het hele systeem in verhoogde mate te doorstromen, zodat het watemiveau in het stoomvat onbelnvloed blijft, waardoor de rege-25 ling in het niveau van het vat vergemakkelijkt wordt. Hetgeen uit de mengafsluiter stroomt, wordt dan in het benedenste economizerdeel B ingébracht, welk deel inlaatkamer 64 omvat. De stroom uit het bovenste economizerdeel wordt verzameld in een uitlaatkamer 66 stroomopwaarts van de mengafsluiter, terwijl de stroom uit het benedenste economizer-30 deel verzameld wordt in een uitlaatkamer 68 stroomopwaarts van het stoomvat zoals in figuur 2 afgebeeld is.

Er is een regelsysteem voor het verdelen van de stroom water tussen het bovenste economizerdeel en de omloop aanwezig. Het regelsysteem omvat de regelafsluiter 60 en een regelinrichting 70 voor de stand van 35 de afsluiter. Aan de hand van figuur 2 en 3 samen blijkt dat een tempe-ratuursignaal in leiding 72 afkomstig is van thermokoppel 64 bij het uitlaateind van het benedenste economizerdeel B. Het temperatuursignaal in leiding 72 is een weergave, in de vorm van een signaal, van de watertemperatuur bij het uitlaateind van het benedenste economizerdeel B 40 en is een terugkoppelsignaal voor de regelinrichting 70. Het instel- 8201698 ♦ 6 waardesignaal wat door pijl 78 aangegeven wordt, is gebaseerd op de druk in het stoomvat gemeten met de drukzender 75, welke druk gebruikt wordt om overeenkomstig de stoomtabellen, een instelwaarde aan de func-tiegenerator 77 te ontlenen die gelijk aan de verzadigingstemperatuur 5 plus een verschuiving van een paar graden is, om te verzekeren dat verdamping of stoomvorming niet plaats vindt bij de uitlaat van de benedenste economizer pijpenbundel B. De regelinrichting zal de uitlaattem-peratuur 72.op de ingestelde temperatuur 78 handhaven door de stand van de plug van de mengafsluiter in te stellen afhankelijk van elk ver-10 schilsignaal of een signaal voor het verstellen van de afsluiter wat op leiding 79 verschijnt. De aanwijsinrichting 80 kan een temperatuuraan-wijzer zijn, die de watertemperatuur bij de benedenste economizeruit-laat weergeeft, zoals die gemeten wordt door het thermokoppel 84 en naar de aanwijsrichting gestuurd wordt door leiding 82.

15 De werking van de inrichting volgens de uitvinding is als volgt.

Onder normale bedrijfsomstandigheden kunnen de bovenste en benedenste economizerdelen zo werken dat deze de volledige stroom water over de hele lengte van de economizer omvatten, terwijl de omloopmengafsluiter 60 naar de omloopzijde toe gesloten blijft. Op deze wijze wordt een 20 maximale hoeveelheid warmte geabsorbeerd uit de stroom uitlaatgas onder omstandigheden waarbij stoomvorming in het economizerdeel niet plaats kan vinden. Als de thermische energie in het uitlaatgas dat de economizer binnentreedt toeneemt, stijgt de watertemperatuur bij de uitlaat van de economizer totdat deze de verzadigingstemperatuur van de stoom 25 in het stoomvat nadert. Op dit moment zou, indien niets gedaan werd, stoomvorming beginnen plaats te vinden in het benedenste economizerdeel. Het thermokoppel 74 zal echter vöör een dergelijke conditie een waarschuwing verschaffen indien de temperatuur vergeleken wordt met de verzadigingstemperatuur van de stoom in het stoomvat, en er de oorzaak 30 van zijn dat de mengafsluiter 60 opent, waardoor voedingswater direct in het benedenste economizerdeel loopt, terwijl het bovenste economizerdeel omlopen wordt zodat het warmte-overdrachtoppervlak water-uit-laatgas voor die hoeveelheid water verminderd wordt, wat het mogelijk zal maken om de gewenste uitgangtemperatuur te handhaven. Op deze wijze 35 wordt de watertemperatuur in de economizer op een niveau gehandhaafd dat onder de verzadigingstemperatuur ligt, zodat stoomvorming onder alle omstandigheden vermeden wordt en waarbij een maximaal rendement van het warmtewisselproces verkregen wordt.

Hoewel datgene wat getoond is, beschouwd wordt als een voorkeurs-40 uitvoering van de uitvinding, kunnen andere variaties bedacht worden 8201698 7 y> j «* door vaklieden die bekend zijn met de stand der techniek. Al dergelijke variaties vallen echter binnen het kader van de uitvinding.

8201698

Claims (12)

1. Tegenstroom-warmtewisselaar met gescheiden media, omvattende een kanaal voor het geleiden van warme gassen langs een aantal vloeistof bevattende buizen, waarbij warmte-overdracht plaats vindt tussen 5 het warme gas en de vloeistof, met het kenmerk, dat de warmtewisselaar omvat: een inlaatdeel van de warmtewisselaar, ten opzichte van de stroom gas aangebracht in stroomafwaartse richting; een uitlaatdeel van de warmtewisselaar ten opzichte van de stroom 10 gas aangebracht in stroomopwaartse richting; en middelen voor het regelen van de stroom vloeistof tussen het stroomafwaartse warmtewisselaardeel en het stroomopwaartse warmtewisse-laardeel waardoor indien de thermische energie van het warme gas toeneemt, meer vloeistof om het stroomafwaartse warmtewisselaardeel om-15 loopt en rechtstreeks in het stroomopwaartse warmtewisselaardeelgeleid wordt.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het middel voor het regelen van de stroom omvat: een omloopleiding, die verbonden is aan het inlaateind van het 20 stroomafwaartse warmtewisselaardeel; een afsluiter voor het onttrekken van de stroom vloeistof uit het stroomafwaartse warmtewisselaardeel naar het stroomopwaartse warmtewisselaardeel .

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat deze 25 verder een regelinrichting voor de afsluiter omvat voor het automatisch instellen van de afsluiter voor het onttrekken van de stroom afhankelijk van de vloeistoftemperatuur bij de uitlaat van de warmtewisselaar.

4. Warmtewisselaar volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat deze 30 verder omvat: een stoomvat bij het uitlaateind van het stroomopwaartse warmtewisselaardeel; middelen voor het meten van de druk in het stoomvat; middelen voor het berekenen van de verzadigingstemperatuur afhan-35 kelijk van de druk in het stoomvat; middelen voor het meten van de vloeistoftemperatuur bij de uitlaat van de warmtewisselaar, waarbij de regelinrichting voor de afsluiter een signaal voor het regelen van de afsluiter verschaft, waardoor de vloeistoftemperatuur bij de uitlaat van de warmtewisselaar op niet ho-40 ger dan de verzadigingstemperatuur gehouden wordt. 8201698

5. Warmtewisselaar volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat deze verder een verschuiving omvat, die ingebracht is bij de berekening van de verzadigingstemperatuur, waardoor de temperatuur van de uitlaat-vloeistof lager is dan de verzadigingstemperatuur.

6. Stoomgenerator voor het terugwinnen van warmte die een overver- hitter, een verdamper en een economizer omvat, die in de richting van de gasstroom van stroomopwaarts naar stroomafwaarts aangebracht zijn, met het kenmerk, dat deze de volgende verbeteringen omvat: de economizer omvat tenminste twee gescheiden maar aan elkaar ge-10 koppelde delen; een ten opzichte van de stromingsrichting van het gas stroomafwaarts economizerdeel, en een stroomopwaarts economizerdeel; een omloop, die verbonden is aan de inlaat van de economizer voor het doen omlopen van de stroomafwaartse of stroomopwaartse economizer; en, 15 afsluitermiddelen voor het regelen van de stroom water door de om loop, waardoor de stroom door de omloop toeneemt als het thermisch vermogen van de gasstroom in de economizer toeneemt.

7. Stoomgenerator voor het terugwinnen van water volgens conclusie 6, welke verder een stoomvat omvat, dat verbonden is aan de oververhit-20 ter, de verdamper en de economizer, met het kenmerk, dat een regelin- richting voor de afsluiter verschaft is, voor het stellen van de afsluitermiddelen als reaktie op het verschil tussen de uitlaattempera-tuur van de stroomopwaartse economizer en tenminste de verzadigingstemperatuur van de stoom in het stoomvat.

8. Stoomgenerator voor het terugwinnen van water volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat deze verder middelen omvat voor het meten van de druk in het stoomvat; en, middelen omvat voor het omzetten van de stoomdruk in het vat in een verzadigingstemperatuur.

9. Stoomgenerator voor het terugwinnen van warmte volgens conclu sie 6 voor een krachtinstallatie met gecombineerde ringloop die tenminste een gasturbine, een stoomturbine en een stoomgenerator voor het terugwinnen van warmte omvat, waarbij het warme afvalgas voedingswater tot stoom verhit voor het aandrijven van de stoomturbine met het ken-35 merk, dat middelen aanwezig zijn voor het doen omlopen om het bovenste economizerdeel en welke inrichting een omloopleiding en afsluiter omvat, waardoor voedingswater naar keuze onttrokken kan worden aan de inlaat van de economizer naar het benedenste economizerdeel; en, middelen voor het regelen van de stroom voedingswater door de om-40 loop om het optreden van stoomvorming in de economizer te verhinderen. 8201698

10. Stoomgenerator voor het terugwinnen van warmte volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de middelen voor het regelen van de stroom voedingswater door de omloop, een afsluiter omvatten, die de omloopuit-laat koppelt aan het verbindingsdeel van de twee aan elkaar gekoppelde 5 economizerdelen.

11. Stoomgenerator voor het terugwinnen van warmte volgens conclusie 9, die verder een stoomvat omvat dat gekoppeld is aan het uitlaat-eind van het benedenste economizerdeel met het kenmerk, dat de middelen voor het regelen van de stroom voedingswater door de omloop omvatten: 10 een afsluiter die verbonden is aan de omloop, het uitlaateind van de bovenste economizer en het inlaateind van de benedenste economizer gekoppeld is; en, middelen voor het regelen van de stand van de afsluiterplug afhankelijk van de verzadigingstemperatuur van de stoom in het stoomvat.

12. Werkwijze voor het bedrijven van een warmtewisselaar met ge scheiden media omvattende water bevattende pijpenbundels waardoor een naar beneden stromende vloeistof verwarmd wordt door een kanaal wat opstijgend gas dat in een kanaal ingesloten is en waarin tenminste een deel een verdeeld__economizerdeel omvat, dat een omloop om een bovenste 20 economizerdeel direct in een'benedenste economizerdeel omvat, waardoor het warmte-overdrachtoppervlak van de economizer wezenlijk verminderd kan worden; afsluitermiddelen voor het regelen van de stroom vloeistof door het bovenste economizerdeel, met het kenmerk, dat deze werkwijze de volgende stappen omvat: 25 het meten van de vloeistoftemperatuur bij het uitlaateind van de economizer; het bepalen van een verzadigingstemperatuur van genoemde vloeistof; en, regelen van de omloopstroom om het bovenste economizerdeel, zodat 30 de vloeistoftemperatuur niet hoger wordt dan de verzadigingstemperatuur. ************* 8201698