[发明专利]快速启动余热蒸汽发生器

说明书

相关申请案

本专利申请主张2012年8月13日提交的且标题为“快速启动余热蒸汽发生器”(Rapid Startup Heat Recovery Steam Generator)的第61/682,470号美国临时专利申请的优先权。所述申请的全部文本在此以引用的方式并入，如同在本文中充分地阐述其全部内容一样。

技术领域

本发明总体来说涉及发电领域。更确切地说，本发明涉及一种包含一或多个竖直蒸汽分离器的快速启动余热蒸汽发生器(HRSG)。HRSG可以例如用作快速启动锅炉以迅速产生蒸汽，所述蒸汽可以用来非常有效地驱动涡轮机并且产生电力。

背景技术

HRSG是用以从热气流中提取或回收热能的设备，所述热气流例如来自燃气涡轮机的热废气流。所提取的能量用以将水转化成蒸汽，所述蒸汽可用于发电。HRSG也可以被称为废热回收锅炉或涡轮机废气锅炉。HRSG可以在联合循环发电厂中用来提高整体效率。

HRSG可以是未点燃的(即，仅使用了所供应的气体的显热)，或者可以包含补充燃料燃烧以使气体温度升高，从而降低传热表面要求、增加蒸汽产出、控制过热蒸汽温度或满足工艺用蒸汽温度要求。

HRSG包含一个或多个传热表面，例如换热器管，所述换热器管可以被称为锅炉管排。当热气在锅炉管排的管之间并且围绕所述管通过时，根据水或蒸汽是否流过锅炉管排，将水转化成蒸汽或使蒸汽过热。

HRSG可以多种方式来分组，例如根据废气流的方向(即，竖直或水平)或通过压力级的数目(即，单压或多压)。在竖直类型的HRSG中，废气在水平管上方竖直地流动。在水平类型的HRSG中，废气在竖直管上方水平地流动。

在单压HRSG中，以单压级通过蒸汽锅筒产生蒸汽，而多压HRSG采用两个蒸汽锅筒(双压)、三个蒸汽锅筒(三压)或更多蒸汽锅筒。三压HRSG由三段构成，即，HP(高压)段、IP(中压)段以及LP(低压)段。还可以使用再热段来提高效率。每一段一般具有蒸汽锅筒以及蒸发器段，水在蒸发器段转化成蒸汽。随后此蒸汽穿过过热器，以使温度升高超过饱和点。

如所提及，HRSG可以包含一或多个蒸汽锅筒。蒸汽锅筒是较大的圆筒形容器，其设计成允许饱和蒸汽与离开沸腾的传热表面的汽水混合物分离。在自然循环HRSG中，蒸汽锅筒水平地定向。饱和蒸汽通过一或多个出口喷嘴排出以用于直接使用、加热和/或发电。无蒸汽的水与给水一起再循环到锅炉管排以用于进一步产生蒸汽。

蒸汽锅筒通常使用离心力，该离心力通过两相流体切向进入旋流器中或者通过固定螺旋桨型或曲折路径装置产生。离心作用确实地将蒸汽“挤压”出汽水混合物。

典型HRSG的启动升温速率(ramp rate)的限制因素之一是蒸汽锅筒浸泡时间。由于蒸汽锅筒的厚度，HRSG供应商规定了在低负载启动时的最小保持时间，以允许蒸汽锅筒缓慢地升温并且均衡顶部与底部之间的金属温度。不能使蒸汽锅筒均衡温度会导致沿着底部的、水湿润的表面的金属温度较低而沿着上部的、蒸汽湿润的表面的金属温度较高。此温度差导致锅筒弯成弓形，即，锅筒弓起。

锅筒弓起在蒸汽锅筒的重型上升管以及下降管连接部上施加极大的应力，并且还可能导致超出蒸汽锅筒的壳体的应力极限。为了确定对连接部和/或壳体材料的损坏的量，HRSG供应商通常推荐监控快速启动事件的数目以便控制对组件发生的损坏。

然而，由于风力以及太阳能等可再生能源的吸引力，快速启动锅炉已经并且将继续变得更加流行。风力以及太阳能发电通常不稳定并且因此需要快速负载转移来取代电网上的功率以避免灯火管制以及停电。

将需要开发用于快速启动锅炉的新的HRSG设计。

发明内容

本发明在各种实施例中涉及包含一或多个竖直蒸汽分离器的快速启动余热蒸汽发生器。

在一些实施例中所公开的是如下一种快速启动余热蒸汽发生器(HRSG)，所述HRSG包括气体入口、高压段、任选的再热段、任选的中压段、任选的低压段以及气体出口。高压段包括高压汽水分离器以及与高压汽水分离器处于流体联通的多个高压蒸发器管。任选的中压段包括中压汽水分离器以及与中压汽水分离器处于流体联通的多个中压蒸发器管。任选的低压段包括低压汽水分离器以及与低压汽水分离器处于流体联通的多个低压蒸发器管。高压汽水分离器、中压汽水分离器以及低压汽水分离器中的至少一者是竖直蒸汽分离器。

在一些其它实施例中，中压汽水分离器和/或低压汽水分离器是竖直蒸汽分离器。在其它实施例中，中压汽水分离器和/或低压汽水分离器是蒸汽锅筒。