專利名稱：熱交換器中檢測(cè)冷凝的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及熱交換器，更具體地，涉及在熱交換器中用于檢測(cè)冷凝的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在美國(guó)天然氣是電能的重要來(lái)源。其燃燒幾乎不產(chǎn)生排放物，并且在全國(guó)各地都能夠獲得。此外，將其轉(zhuǎn)化為電能的電站是高效的，并且與水電站項(xiàng)目和燃燒煤的電站相比，其較容易且建造成本更便宜。在普通的電站中，在燃?xì)鉁u輪中燃燒天然氣，從而為發(fā)電機(jī)提供能量。廢氣—主要是二氧化物和蒸汽—在約1200(649℃)下離開(kāi)燃?xì)鉁u輪，并且其自身也是一種重要的能源。為了利用這些能源，常規(guī)聯(lián)合循環(huán)燃?xì)獍l(fā)電站也具有熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)，熱的廢氣通過(guò)該熱回收蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，以向蒸汽渦輪提供動(dòng)力，從而向其它的發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。廢氣以約150(66℃)的溫度離開(kāi)HRSG。
HRSG基本上包括一系列容納于管道中的熱交換器。從蒸汽渦輪排放的冷凝蒸汽得到的水進(jìn)入給水加熱器的HRSG，在此水的溫度升高。接著較高溫度的水流入蒸發(fā)器，在其中將水轉(zhuǎn)化為蒸汽，大部分(如果不是全部的話)是飽和水蒸氣。蒸汽流入過(guò)熱器，其將水轉(zhuǎn)化為過(guò)熱蒸汽，接著過(guò)熱蒸汽繼續(xù)流到蒸汽渦輪并推動(dòng)該蒸汽渦輪。通過(guò)燃燒氣流得到的熱氣以相反的方向流入，經(jīng)過(guò)過(guò)熱器，然后經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器，最后經(jīng)過(guò)給水加熱器。
因此，在給水加熱器及之后的范圍，氣體處于其最低的溫度。天然氣包括微量的硫，并且在燃燒的過(guò)程中，硫與氧氣結(jié)合產(chǎn)生硫的氧化物。此外，燃燒產(chǎn)生大量的蒸汽形式的水。如果廢汽溫度保持在氣體的露點(diǎn)之上，即約107(42℃)，那么硫的氧化物通過(guò)HRSG然后進(jìn)入煙道。然而，低溫的給水具有將給水加熱器下游端處的管道的溫度降到廢氣中水的露點(diǎn)之下的能力，當(dāng)這個(gè)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，水凝結(jié)在管上。廢氣中硫的氧化物與所述水混合以形成硫酸，其具有高腐蝕性。也可能形成其它的酸。
為了阻止酸的形成，HRSG的操作者控制進(jìn)入給水加熱器的水的溫度，確保其保持在氣體的露點(diǎn)之上。這保證了在給水加熱器中不會(huì)發(fā)生冷凝。由于氣體的露點(diǎn)溫度是幾個(gè)參數(shù)的函數(shù)，所以很難預(yù)測(cè)，因此為了安全起見(jiàn)所進(jìn)入的水的溫度應(yīng)該較高。如果進(jìn)入的水的溫度降低，那么水將從氣體獲取更多的能量，并且氣體將以較低溫度通過(guò)給水加熱器。
給水加熱器或者廢氣預(yù)熱器(economizer)中的冷凝的問(wèn)題并不僅限于安裝在燃?xì)鉁u輪下游的HRSG。實(shí)際上，所述問(wèn)題幾乎可以發(fā)生在任何從流經(jīng)管的熱氣吸取能量以加熱鍋爐的給水的地方。例如，很多電站將從礦物燃料(如煤或者石油)的燃燒獲取的熱氣直接轉(zhuǎn)換為蒸汽，這種情況下轉(zhuǎn)換所需的有效工作的鍋爐應(yīng)具有給水加熱器—不會(huì)產(chǎn)生冷凝的加熱器。此外，還有從廢物的燃燒所獲得的熱氣產(chǎn)生蒸汽的系統(tǒng)，它們同樣具有鍋爐，其包括不應(yīng)形成冷凝的給水加熱器。


圖1是HRSG的示意剖視圖，其中HRSG具有根據(jù)本發(fā)明設(shè)置有監(jiān)控單元的給水加熱器；圖2是監(jiān)控單元的給水加熱器的局部剖視圖；圖3是監(jiān)控單元的工作端子的放大視圖。
具體實(shí)施例方式
參考附圖，熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)A(圖1)具有露點(diǎn)監(jiān)控單元B(圖2)，其為HRSG A提供了檢測(cè)HRSG A中的冷凝并發(fā)出警報(bào)或者其它信號(hào)的系統(tǒng)。這使得HRSG A的操作員能夠控制進(jìn)入HRSGA的水的溫度，因此HRSG A中的表面保持在其上形成冷凝的溫度之上，但不會(huì)高于該溫度太多。
HRSG A包括具有進(jìn)氣端4和排氣端6的管道2，該排氣端6導(dǎo)向煙囪或者煙道。通過(guò)天然氣或者其它燃料的燃燒獲得的熱氣在進(jìn)氣端4進(jìn)入管道2，通過(guò)管道2，接著從排氣端6排出。該氣體包括二氧化碳、蒸汽和少量的化合物，其如果與液體混合會(huì)形成腐蝕性物質(zhì)，如酸。
除了管道2以外，HRSG A包括幾個(gè)熱交換器，其連續(xù)地容納于管道2(圖1)中。每個(gè)都具有由低碳鋼制成的管和圍繞管的翅片。首先，氣體流經(jīng)過(guò)熱器10，接著流經(jīng)蒸發(fā)器12，最后流經(jīng)給水加熱器14，有時(shí)叫做廢氣預(yù)熱器。水以反方向流經(jīng)這些熱交換器。水以液體狀態(tài)進(jìn)入給水加熱器14，在此其溫度被升高。更高溫度的水從給水加熱器14流入蒸發(fā)器12，在此水轉(zhuǎn)化為蒸汽，其大部分(如果不是全部的話)為飽和蒸汽。飽和蒸汽進(jìn)入過(guò)熱器10，在其中飽和蒸汽成為過(guò)熱蒸汽。隨著氣體通過(guò)過(guò)熱器10、蒸發(fā)器12和給水加熱器14，氣體的溫度下降，在給水加熱器14及之后范圍內(nèi)氣體處于最低溫度。為了阻止腐蝕性酸的生成，給水加熱器14內(nèi)的表面溫度必須保持在管道2中的氣體的露點(diǎn)之上。通常地，該溫度約為107(42℃)，但其也會(huì)變化。此外，由于氣體的露點(diǎn)是幾個(gè)參數(shù)的函數(shù)，所以很難預(yù)測(cè)。
HRSG A的操作員具有控制進(jìn)入給水加熱器14的給水的溫度的措施。優(yōu)選地，該溫度應(yīng)該較低，以從流經(jīng)管道2的氣體獲取最多的熱量，但還應(yīng)該保持在氣體的露點(diǎn)之上，以避免在給水加熱器14中出現(xiàn)冷凝。監(jiān)控單元B使得HRSG A的操作員可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。
給水加熱器14包括(圖1)總水管(header)20和集水管(collector)22，以及垂直穿過(guò)管道2的連續(xù)的管24，其大致占據(jù)管道2的整個(gè)橫截面積，因此熱氣必須流經(jīng)該管2。所有的部件都由金屬制成，如低碳鋼，當(dāng)然，它們都是導(dǎo)電的。總水管20在管道2的頂部貫穿管道2，集水管22也是如此，不過(guò)集水管22也可以位于管道2的底部。每個(gè)管道24的一端與總水管20相連接，而另一端與集水管22相連接。管24設(shè)置有翅片26(圖2)，其能將熱量從熱氣傳遞到管24本身，然后傳送到管24中的水。此外，給水加熱器14具有進(jìn)口30和出口32，進(jìn)口30與給水源相通并開(kāi)口在總水管20中，出口32從集水管22伸出并與蒸發(fā)器12連通。較冷的給水通過(guò)進(jìn)口30進(jìn)入總水管20，然后從總水管20流入管24，在此通過(guò)熱氣加熱從而溫度升高。加熱后的給水從管24流入集水管22，然后進(jìn)入出口32，其將給水傳送到蒸發(fā)器12。入口26和總水管20的表面具有給水加熱器14的表面中最低的溫度，對(duì)與總水管20連通的管24也是如此。管24中的一個(gè)，優(yōu)選是最靠近入口26的管，在其緊鄰與總水管20的連接處的下方具有沒(méi)有翅片26的裸面34(圖2)。實(shí)際上，該裸面34在總水管20和管24上的第一片翅片26之間垂直地延伸。
監(jiān)控單元B基本上包括(圖2)接地端子40和工作端子42，接地端子40位于金屬給水加熱器14上的某處，優(yōu)選位于入口30上，工作端子42位于管24中的一根的裸面34上。此外，監(jiān)控單元B包括電導(dǎo)率計(jì)44，其分別通過(guò)電線46和48連接在接地端子40和工作端子42之間。這種設(shè)置使得電導(dǎo)率計(jì)44可以檢測(cè)接地端子40和工作端子42之間的電路的形成。
工作端子42包括(圖3)介電帶50，其圍繞在一根管24的裸面34上，略高于該管的第一片翅片26，并在下方與總水管20隔開(kāi)。實(shí)際上，總水管20的下表面和介電帶50的上邊之間的距離不應(yīng)大于約24英寸(62cm)。此外，介電帶40由無(wú)孔的物質(zhì)形成，因此其不會(huì)吸收冷凝物，當(dāng)然其可承受給水加熱器14所經(jīng)受的溫度。除了介電帶50以外，工作端子42包括導(dǎo)電帶52，其圍繞介電帶50，緊緊地包圍介電帶50，并將其本身和介電帶50保持在圍繞管24的固定位置，但并不與管24接觸。導(dǎo)電帶52由可抗腐蝕當(dāng)然也可導(dǎo)電的金屬形成，優(yōu)選為一種金屬，如不銹鋼。其可采取管夾(pipe clamp)的形式。電線46連接于導(dǎo)電帶52，從而與管24和給水加熱器14的其余部分電絕緣。實(shí)際上，可簡(jiǎn)單地將其被剝離絕緣材料的端部插入到導(dǎo)電帶52之下，并通過(guò)導(dǎo)電帶52將其與介電帶50夾緊。
在HRSG A工作時(shí)，燃燒燃料(如天然氣)產(chǎn)生的熱氣在進(jìn)氣端4進(jìn)入管道2。這里氣體處于極高的溫度，約為1200(649℃)。氣體通過(guò)過(guò)熱器10，在此從氣體提取熱量，然后通過(guò)蒸發(fā)器12，在此提取更多的熱量。氣體的溫度明顯地降低。當(dāng)氣體遇到給水加熱器14時(shí)，溫度降低到300(149℃)到200(93℃)之間。盡管很難預(yù)測(cè)，氣體的露點(diǎn)約為107(42℃)，因此給水加熱器14的表面溫度應(yīng)該保持在露點(diǎn)之上。然而，給水加熱器14還應(yīng)使其表面保持在稍稍高于氣體露點(diǎn)的溫度，大約為露點(diǎn)之上5(2.8℃)。這使得HRSG A從氣體獲取最大量的熱量，且不會(huì)產(chǎn)生冷凝和由此導(dǎo)致的腐蝕。HRSG A的操作員具有控制進(jìn)入給水加熱器14的水的溫度的措施。
因此，為了保證HRSG A最有效地工作，操作員在監(jiān)控電導(dǎo)率計(jì)44時(shí)將給水的溫度降低。只要在聯(lián)集器20上或管24附近的區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)冷凝，電導(dǎo)率計(jì)44就不會(huì)指示警報(bào)或者其它信號(hào)。然而，如果給水將總水管20和管24附近的區(qū)域冷卻到氣體的露點(diǎn)之下的溫度，氣體內(nèi)的水汽將在總水管20和一個(gè)管24的裸面34上冷凝，并且會(huì)向下流過(guò)介電帶50的上緣，并沿著帶50的表面流到導(dǎo)電帶52。這在管24的裸段34與導(dǎo)電帶52之間形成了電路連接。電導(dǎo)率計(jì)44指示電路的形成，從而提示HRSG A的操作員給水的溫度過(guò)低。操作員可逐步增加給水的溫度，直到電導(dǎo)率計(jì)44不再指示電路的形成。當(dāng)然這表示了冷凝的消失。
也可做出改變。例如，工作端子42不必位于管24上，也可以在其它表面上，如總水管20的側(cè)面，在此也會(huì)出現(xiàn)冷凝。無(wú)論工作端子的位置如何，其介電和導(dǎo)電元件不必完全圍繞其安裝表面。此外，以其最簡(jiǎn)單的形式圖示HRSG A。其還可包括另外的過(guò)熱器、蒸發(fā)器和給水加熱器。監(jiān)控單元B可用于HRSG中的給水加熱器以外的熱交換器。任何能夠檢測(cè)傳導(dǎo)性的設(shè)備或傳感器都能作為電導(dǎo)率計(jì)44。此外，監(jiān)控單元B可以安裝在蒸發(fā)器上，如蒸發(fā)器12。當(dāng)這樣安裝監(jiān)控單元B時(shí)，如果其檢測(cè)到冷凝，操作員可升高蒸發(fā)器沸騰溫度。
權(quán)利要求
1.一種組合，包括熱交換器，具有露點(diǎn)的氣體從其中通過(guò)，所述熱交換器由導(dǎo)電材料形成，并具有一表面，在所述表面溫度下降到所述氣體的露點(diǎn)之下時(shí)，沿著所述表面會(huì)形成導(dǎo)電的冷凝物；與所述表面相鄰的介電元件；導(dǎo)電元件，其在所述介電元件之上，且通常通過(guò)所述介電元件與所述熱交換器電絕緣；和監(jiān)控裝置，其用于檢測(cè)所述熱交換器和所述導(dǎo)電元件之間的電導(dǎo)率；其中當(dāng)導(dǎo)電冷凝物流過(guò)所述介電元件，并接通所述熱交換器的所述表面和所述導(dǎo)電元件之間的間隔時(shí)，通過(guò)所述冷凝物所述監(jiān)控裝置會(huì)感應(yīng)到電導(dǎo)率，從而感應(yīng)到所述冷凝物的出現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的組合，其中所述表面是在管子上。
3.如權(quán)利要求2所述的組合，其中所述管子垂直地延伸，且所述表面在所述介電和導(dǎo)電元件上方。
4.如權(quán)利要求3所述的組合，其中所述導(dǎo)電元件圍繞所述管子而延伸，且所述導(dǎo)電元件圍繞所述介電元件而延伸。
5.如權(quán)利要求4所述的組合，其中所述監(jiān)控裝置為電導(dǎo)率計(jì)。
6.與HRSG的一種組合，所述HRSG包括管道，具有露點(diǎn)的氣體流過(guò)所述管道，其中所述氣體能夠生成導(dǎo)電的冷凝物；設(shè)置在所述管道中的過(guò)熱器；蒸發(fā)器，其在所述管道中位于所述過(guò)熱器的下游；和，給水加熱器，其在所述管道中位于所述蒸發(fā)器的下游；監(jiān)控系統(tǒng)，包括位于所述給水加熱器上的一表面，所述冷凝物會(huì)流經(jīng)其上；設(shè)置在所述表面之上的介電元件；導(dǎo)電元件，其設(shè)置在所述介電元件之上，且通常由所述介電元件與所述表面隔離開(kāi)；和監(jiān)控裝置，用于檢測(cè)所述給水加熱器和所述導(dǎo)電元件之間的電路的形成。
7.如權(quán)利要求6所述的組合，其中所述給水加熱器具有進(jìn)口，給水通過(guò)該進(jìn)口被引入所述給水加熱器，且所述表面靠近所述進(jìn)口。
8.如權(quán)利要求6所述的組合，其中所述給水加熱器具有將給水引入到其中的總水管和將從所述總水管引出的管子，且其中所述表面在從所述總水管引出的所述管子中的一個(gè)上。
9.如權(quán)利要求8所述的組合，其中所述給水加熱器的管子大體垂直地延伸。
10.如權(quán)利要求9所述的組合，其中所述總水管位于所述管子上方。
11.如權(quán)利要求10所述的組合，其中所述總水管和所述介電元件之間的距離不大于24英寸。
12.如權(quán)利要求9所述的組合，其中所述介電元件圍繞所述管子而延伸，而所述導(dǎo)電元件圍繞所述介電元件而延伸。
13.如權(quán)利要求9所述的組合，其中所述監(jiān)控裝置是電導(dǎo)率計(jì)和將所述電導(dǎo)率計(jì)與所述給水加熱器上的接地端子及所述導(dǎo)電元件相連接的導(dǎo)線。
14.一種用于檢測(cè)給水加熱器中的導(dǎo)電冷凝物的方法，所述方法包括將介電元件安裝在所述給水加熱器的表面上靠近易于形成冷凝的位置；將導(dǎo)電元件安裝在所述介電元件上，使得所述介電元件通常將所述導(dǎo)電元件與所述表面隔離開(kāi)；監(jiān)控所述表面和所述導(dǎo)電元件之間的電導(dǎo)率。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述表面在所述介電元件和所述導(dǎo)電元件上方。
全文摘要
一種用于HRSG(A)的給水加熱器(14)設(shè)置有監(jiān)控單元(B)，其用于檢測(cè)在給水加熱器中形成的冷凝。該監(jiān)控單元包括介電帶(50)和導(dǎo)電帶(52)，介電帶圍繞給水加熱器的管(26)中的一根，該管靠近給水進(jìn)入加熱器的位置，導(dǎo)電帶設(shè)置為圍繞介電帶。該單元還包括導(dǎo)電傳感器(44)，其安裝在給水加熱器的接地端(40)和導(dǎo)電元件之間。包含水汽的熱氣通過(guò)給水加熱器，如果介電帶和導(dǎo)電帶所圍繞延伸的管的區(qū)域的表面溫度下降到氣體的露點(diǎn)之下，那么導(dǎo)電冷凝物會(huì)出現(xiàn)在該表面和管上，并會(huì)流經(jīng)導(dǎo)電帶，在管和導(dǎo)電帶之間形成電路。導(dǎo)電傳感器檢測(cè)到該電路，從而檢測(cè)到冷凝物的形成。
文檔編號(hào)F24H9/00GK1842676SQ200580000904
公開(kāi)日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2005年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者J·E·施羅德 申請(qǐng)人:努特埃里克森公司