TWI510744B - 操作一熱回收蒸氣發生器之方法、熱回收蒸氣發生器以及燃氣及蒸氣渦輪機設備 - Google Patents

Description

操作一熱回收蒸氣發生器之方法、熱回收蒸氣發生器以及燃氣及蒸氣渦輪機設備

本發明係一種操作熱回收蒸氣發生器之方法，該蒸氣發生器具有一蒸發器、一具有多個節熱器加熱面的節熱器、以及一與多個節熱器加熱面在流動介質側並聯的旁通管。

熱回收蒸氣發生器是一種熱交換器，其作用是回收熱氣流中的熱。例如熱回收蒸氣發生器可用於燃氣及蒸氣渦輪機發電設備，此種發電設備是將一或多個燃氣渦輪機排出高溫廢氣輸送至熱回收蒸氣發生器。接著再用熱回收蒸氣發生器產生的蒸氣驅動蒸氣渦輪機。這種組合的發電功率遠高於單獨使用燃氣渦輪機或蒸氣渦輪機的發電功率。

可以根據多種不同的標準將熱回收蒸氣發生器分類：例如根據氣流的流動方向可以將熱回收蒸氣發生器分類為垂直及水平式熱回收蒸氣發生器。此外，有的蒸氣發生器具有多個壓力級，以配合其所含之水及蒸氣的混合物的不同熱狀態。

一般可將蒸氣發生器分為自然循環蒸氣發生器、強制循環蒸氣發生器、以及連續蒸氣發生器。連續蒸氣發生器可以在一個通道內經由加熱蒸發器管將蒸發器管內的流動介質完全蒸發。流動介質(通常是水)在蒸發後會被送入接在蒸發器管後面的過熱器管，並在該處被過熱。蒸發終點的位置(也就是從含有剩餘水分的氣流過渡到純蒸氣流的位置)會隨著連續蒸氣發生器的運轉方式而改變。例如，當連續蒸氣發生器以全負載運轉時，蒸發終點位於蒸發器管的終端，因此蒸發的流動介質在蒸發器管內就已經開始進行過熱。

和自然循環蒸氣發生器或強制循環蒸氣發生器不同，連續蒸氣發生器並不受任何壓力限制，因此連續蒸氣發生器可用的新蒸氣壓力遠高於水的臨界壓力()，所謂水的臨界壓力是指在這個壓力下，水及蒸氣不會在任何一個溫度同時出現，因此也不可能有任何相分隔。

為了提高功率，熱回收蒸氣發生器通常具有一給水預熱器或節熱器。節熱器是由多個節熱器加熱面所構成，在煙道內這些節熱器加熱面構成在多個蒸發器加熱面、過熱加熱器加熱面、以及中間過熱器加熱面之後的最終加熱面。節熱器在流動介質側與蒸發器加熱面及過熱加熱器加熱面串接，並利用廢氣中的餘熱將給水預熱。經由上述的煙道配置，煙氣會以相當低的溫度流過節熱器。

在熱回收蒸氣發生器運轉期間，原則上需確保流動介質在蒸發器入口有足夠的再冷卻(也就是說，流動介質的溫度應與飽和溫度有夠大的差距)。這樣一方面可以確保在蒸發器的分配系統內僅存在單相流動介質，因此在各個蒸發器管的入口都不會發生水及蒸氣的分離過程，另一方面由於蒸發器入口有水及蒸氣的混合物的存在，因此要完美的調節蒸發器出口焓是一件很困難或甚至是不可能的事，其後果是在某些情況下將會無法控制蒸發器出口溫度。

基於這個原因，熱回收蒸氣發生器通常被設計成在全負載時，蒸發器入口會有足夠的再冷卻。但是在瞬變負載過程中，可能會因為物理條件的關係，使介質側在蒸發器入口的再冷卻出現或多或少的變化。

為了在這些變化存在的情況下仍能夠達到足夠的再冷卻，需在低負載範圍採取額外的措施。一般的作法是透過適當的配置使流動介質的一道分流在一條旁通管內流經一或多個節熱器加熱面，然後在最後一個節熱器的入口與流動介質的主流混合。經由這種使一部分流動介質從煙道旁邊通過的方式，可以降低給水在節熱器加熱面的總吸熱量，以確保在低負載範圍流動介質在蒸發器入口仍會有足夠的再冷卻。

現今的設備通常是利用節熱器的旁通管依據負載範圍調整分流量，以便在穩定運轉的狀態下，使蒸發器入口的再冷卻至少保持在3K。因此在蒸發器入口設有溫度計及壓力計，以便能夠測出每一個時間點的實際再冷卻。當額定值-實際值的比較顯示低於再冷卻的最低要求時，就會操縱節熱器旁通管內的閥，使這個閥獲得一打開脈衝(例如1秒)。此時一個新的閥門位置會經由閥門調節時間直接與這個斷開脈衝連結，例如使閥打開30秒。如果30秒後仍未達到再冷卻的最低要求，相同的過程就會重複一次，直到達到或超過再冷卻的最低要求或閥被完全打開為止。

如果再冷卻的測量結果與上述情況相反，例如大於6K，則閥會獲得一關閉脈衝(例如1秒)。如果蒸發器入口的再冷卻仍然大於6K，而且閥仍未完全被關閉，則在重新比較額定值及實際值並重複相同的過程之前，在關閥時的新閥門位置通常會比開閥時的閥門位置保持更長的時間(例如600秒)。各個調節脈衝之間應間隔夠長的時間，以避免節熱器內形成蒸氣。

但事實證明，當負載快速降低時，例如現今使用的GuD設備經常會發生負載快速降低的情況，以前面提及的控制方式將很難或甚至不可能達到對蒸發器入口的流體再冷卻的最低要求。因此當負載快速變化時，將無法完全排除蒸發器入口形成蒸氣的可能性，這可能造成蒸發器管的分工出現問題，因而無法調節蒸發器出口溫度。

本發明的目的是提出一種操作如前面所述之熱回收蒸氣發生器的方法，以及提出一種操作穩定性及控制可靠性均較高的熱回收蒸氣發生器。

為達到上述目的，本發明提出的方法是根據進入熱回收蒸氣發生器之熱能的特徵值控制或調節旁通管的流量。

本發明的基本構想是，只要在任何負載狀態都能夠確實避免在蒸發器入口形成水及蒸氣的混合，就可以使熱回收蒸氣發生器達到更高的操作穩定性及控制可靠性。尤其是負載快速變化時最可能導致蒸氣的形成，因為此時蒸發器入口的再冷卻會快速變化。在這種情況下，目前經由改變節熱器旁通管流量以調節再冷卻的方法的反應速度都過慢。因此應使用反應速度更快的控制或調節方法。

事實證明，目前常用之控制方式的反應時間是以再冷卻(也就是蒸發器入口溫度及蒸發器內飽和溫度的差)作為控制輸入端參數的結果。這表示要等到蒸發器入口的溫度冷卻發生變化時，才會開始控制節熱器旁通管的流量。因此一種可能的改良方法是利用在時間上先前出現的特徵值進行預先控制或調節。

由於蒸發器入口的再冷卻變化是因為進入熱回收蒸氣發生器的熱能發生變化造成的，因此可以利用一進入熱回收蒸氣發生器之熱能的特徵值控制或調節旁通管的流量。

根據一種有利的實施方式，當特徵值變大時就會降低旁通管的流量。這樣當進入熱回收蒸氣發生器的熱能提高時，就可以在測量蒸發器入口的溫度或再冷卻的實際變化之前，適當的改變旁通管的流量。如果目前熱回收蒸氣發生器的運轉方式會提高進入熱回收蒸氣發生器的熱能，則流動介質的其他熱力值(狀態值)(例如給水流量、壓力、介質溫度)也會跟著變大，根據物理規律性，這會直接導致入口再冷卻升高。在這種情況下，旁通管的流量會變小，這樣節熱器出口的溫度就會升高，因此蒸發器入口的再冷卻就會降低。

反之，當特徵值變小時，最好是提高旁通管的流量，以適度改變節熱器出口的溫度。

這種預先控制或調節節熱器之旁通管流量，以便在實際測量到蒸發器入口的溫度發生變化之前即可達到適當流量的方式，需要一個能夠具體且可靠的進入熱回收蒸氣發生器之熱能的特徵值。一種有利的實施方式是以在煙氣側與熱回收蒸氣發生器串接之燃氣渦輪機的功率作為進入熱回收蒸氣發生器之熱能的特徵值。在燃氣及蒸氣渦輪機發電設備中，煙氣是由一與熱回收蒸氣發生器串接之燃氣渦輪機產生，且煙氣的溫度或量會隨著燃氣渦輪機的瞬間功率而改變。因此串接之燃氣渦輪機的功率可以作為進入熱回收蒸氣發生器之熱能的特徵值，同時也可以作為一個易於讀出的訊號被輸入一相應之控制裝置。這樣就可以用很簡單的方式控制或調節節熱器之旁通管的流量。

熱回收蒸氣發生器之節熱器通常並不是在每一個加熱面上都具有一條旁通管，而是有一條平行於多個節熱器加熱面的旁通管，並在旁通管與流量的混合位置之後經由這些節熱器加熱面銜接一或多個其他的節熱器加熱面。目前為止用於控制旁通管之流量的溫度訊號是在最後一個節熱器加熱面的出口及蒸發器的入口被測得。這個反應旁通管之流量改變而產生之溫差的訊號一方面會使流動介質流過最後一個未帶有旁通管之節熱器加熱面所需的時間變長，另一方面還可以經由熱能儲存到加熱量之管壁的儲存過程將加熱面的熱容量考量進去。因此可以用旁通管之出口在混合位置的溫度控制或調節旁通管的流量，以進一步提高控制或調節的速度。這樣就可以達到更可靠及更快速的控制或調節效果，以及防止蒸發器的入口形成蒸氣。

除了節熱器之出口的溫度變化外，蒸發器內飽和溫度的變化也會對蒸發器入口的再冷卻造成很大的影響。由於蒸發器內的飽和溫度主要受管路系統內的壓力影響，因此當系統壓力發生快速變化(例如打開備用節流閥)，入口再冷卻就會出現強烈的倒退。入口再冷卻的這種變化與進入熱回收蒸氣發生器熱能無關。為了將這種情況也納入考量，一種有利的方式是以蒸發器內的飽和溫度控制或調節旁通管的流量。這樣就可以進一步改善蒸發器內的壓力出現快速變化時，對節熱器旁通管的調節品質。

如果能以一個更能夠進入熱回收蒸氣發生器之熱能的特徵值進行控制或調節，則還可以再進一步提高對旁通管之流量的調節品質。在某些情況下，串接之燃氣渦輪機的功率可能無法提供足夠的調節品質，因為這個訊號有時與進入熱回收蒸氣發生器的熱能並無足夠的相關性，另一方面在沒有串接燃氣渦輪機時就沒有這個訊號可供使用。

因此一種有利的實施方式是以蒸發器平衡煙氣熱作為進入熱回收蒸氣發生器之熱能的特徵值。主要是從煙氣的質量流及煙氣側入口及蒸發器出口之溫差求出平衡煙氣熱，其作法是測量入口溫度，並以蒸發器的飽和溫度作為近似之出口溫度。因此實際上可以直接測量進入蒸發器及熱回收蒸氣發生器的熱流。此外，這個訊號通常已存在於熱回收蒸氣發生器的調節裝置內，因為這個訊號亦可用於給水調節。使用這個訊號可以進一步提高控制或調節的品質，以及更加確保蒸發器入口能夠得到足夠的再冷卻。

本發明提出的熱回收蒸氣發生器具有一蒸發器、一具有多個節熱器加熱面的節熱器、以及一與多個節熱器加熱面在流動介質側並聯且具有一流量控制閥或流量調節閥的旁通管、一位於蒸發器入口的溫度及壓力測量裝置、以及必要時還具有一位於旁通管出口之混合位置的溫度測量裝置、以及一與上述測量裝置及流量控制閥或流量調節閥之間有數據連接的控制裝置，其中該控制裝置是用於執行本發明之操作方法。

這種熱回收蒸氣發生器最適於應用在燃氣及蒸氣渦輪機發電設備。

本發明的主要優點是利用一進入熱回收蒸氣發生器之熱能的特徵值控制或調節熱回收蒸氣發生器之節熱器之旁通管的流量，因此可經由更可靠的調整蒸發器入口的再冷卻，達到操作熱回收蒸氣發生器的可預測性及更好的穩定性。此外還可以避免蒸發器出口出現太大的溫度變化，例如這有利於連接在蒸發器之後的水蒸氣分離器的厚壁構件。本發明的方法特別適用於現代化的燃氣及蒸氣渦輪機發電設備，因為此種發電設備經常需要快速改變負載。

以下配合圖式對本發明的內容做進一步的說明。其中：

在以下的圖式中，相同元件均以相同的元件符號標示。

第1圖是以示意方式顯示一熱回收蒸氣發生器1的若干構件。流動介質首先在入口2被一未詳繪繪出的幫浦推動流入循環系統，且在該處會先分出一條旁通管4。為了調節旁通管的流量，故設置一可由馬達8驅動的流量調節閥6。當然也可以用一個簡單的控制閥來取代此調節閥，但仍以此能夠快速反應的調節閥較利於調節蒸發器入口的再冷卻。

這樣一部分流動介質就會視流量調節閥6的位置而定流入旁通管4，另外一部分則流入第一個節熱器加熱面10。也可以在平行於旁通管4的位置設置其他的節熱器加熱面。從旁通管4的出口及節熱器加熱面10流出的流動介質會在節熱器加熱面10之出口的混合位置12混合。

在混合位置12的後面有連接另外一個節熱器加熱面14。流動介質通過節熱器加熱面14後，會在蒸發器入口18流入連接在後面的蒸發器16。蒸發器16也是由多個加熱面構成，且在其後面有連接其他的構件，例如水-蒸氣分離裝置及其他的過熱器加熱面。

可以將節熱器加熱面10，14及蒸發器16的不同構件設置於煙氣側。但通常是在煙氣側將節熱器加熱面10，14連接在蒸發器16的後面，因為節熱器應引導相對而言溫度最低的介質並利用煙道內的餘熱。為了確保熱回收蒸氣發生器1能夠順利運轉，蒸發器入口18需有足夠的再冷卻，也就是說目前的溫度與蒸發器內的飽和溫度的差異要夠大，以使此處完全是液態流動介質。只有這樣才能確保可靠的調節蒸發器16內各個蒸發器管的流動介質。

為了調節蒸發器入口18的再冷卻，在此位置設有一壓力測量裝置20及一溫度測量裝置22。位於混合位置12的另外一個溫度測量裝置24能夠提供另外一個溫度訊號，此溫度訊號不但反應速度更快，而且不會被流動介質通過節熱器加熱面14的時間延遲。

調節側會被預先給定一個在蒸發器入口18的再冷卻額定值26，例如3K，也就是說，蒸發器入口18的溫度應比蒸發器16內的飽和溫度低3K。

首先根據壓力測量裝置20測得的壓力求出蒸發器16內的飽和溫度28，因為飽和溫度28是蒸發器16內壓力的一個直接函數。接著在加法器30內將飽和溫度28加到負的再冷卻額定值26中。然後在另外一個加法器32內將所獲得的值減去溫度測量裝置22在蒸發器入口18測得的溫度。這樣就可以算出一個控制流量調節閥6的適當的調節值。

如果進入熱回收蒸氣發生器1的熱能快速改變，可能會導致旁通管4的流量調節變得過慢，因而無法確保蒸發器入口18能夠獲得足夠的再冷卻。為了能夠進行預先調節，因此以與熱回收蒸氣發生器1串接的燃氣渦輪機的功率34作為輸入訊號。功率34是作為一DT1元件36的輸入訊號，當功率34改變時，DT1元件36會產生一相應的溫度輸出訊號。這個輸出訊號會在另外一個加法器38內與蒸發器入口測得之再冷卻與額定值之差相加。這樣在燃氣渦輪機的負載開始發生變化時，就可以作出相應的反應，並產生一流量調節閥6調節脈衝(不必等到測得實際值低於或高於再冷卻的最低要求，即可產生此調節脈衝)。視參與元件之結構而定，在負載發生快速變化時，可以利用這個額外產生的預控制訊號確保蒸發器入口18能夠獲得足夠的最低要求的再冷卻。

雖然這個額外措施估計可以在大多數情況下確保蒸發器入口18能夠達到最低要求的再冷卻，但由控制的慣性時間特性，因此必須將蒸發器入口再冷卻的相應變動考慮進去，這對於給水流量的調節會造成不利影響，因而使注入蒸發器出口的給水會有或多或少的溫度變化。

對此位於混合位置12之後的另外一個溫度測量裝置24可以提供幫助。如果流過旁通管4的分流因為調節動作而發生改變，則流動介質因此而產生的溫度變化在混合位置12就已經被測得，也就是在流入另外一個節熱器加熱面14之前就已經被測得，而如果只有在蒸發器入口18或節熱器加熱面14的出口有一個溫度測量裝置22，則只能在有一相應的時間延遲的情況下測得通過節熱器加熱面14的時間。這個測量資料會在加法器44內被加到負的調節值中。

必須將節熱器加熱面14的時間延遲特性納入考量，以避免在已執行的調節動作(因節熱器加熱面14之入口的流量調節溫度改變而引發的調節動作)上又加上另外一個調節動作(在節熱器加熱面14之出口發生溫度變化進行的調節動作)。經過相加後，溫度測量裝置24的溫度訊號會在PTn元件40內被處理，以模擬節熱器加熱面14的時間延遲特性。處理後產生的輸出訊號會在另外一個加法器42內被加到目前的調節值上，並再度平衡一雙重考量。

以此種方式求得的調節值會被送到調節器46，以控制旁通管4之流量調節閥6的馬達8。

第2圖是以示意方式顯示一不同於第1圖之調節回路。與第1圖不同的是，此處是以平衡煙氣熱48取代渦輪機的功率34作為DT1元件36的輸入訊號。平衡煙氣熱48是從蒸發器入口18的煙氣溫度及蒸發器出口的煙氣溫度的差(參見前面的說明)及通過煙氣質量流的煙氣溫度求得。對進入熱回收蒸氣發生器1之熱能而言，平衡煙氣熱48是一個比串接之燃氣渦輪機的功率34更直接的指標，因此能夠對蒸發器入口18的溫度提供更好的調節效果。

此外，第2圖還顯示另外一個DT1元件50，其作用是在蒸發器16內的飽和溫度發生時產生一個輸出訊號。這個輸出訊號會在加法器38內被送入調節回路。這樣在熱能穩定的輸入熱回收蒸氣發生器1的情況下，即使蒸發器16內的壓力及飽和溫度28發生快速變化，也能確保蒸發器入口18能夠獲得足夠的再冷卻。

以上的調節方法能夠確保熱回收蒸氣發生器1以十分穩定及可靠的方式運轉。

1．．．熱回收蒸氣發生器

2．．．入口

4．．．旁通管

6．．．流量控制閥或流量調節閥

8．．．馬達

10．．．節熱器加熱面

12．．．混合位置

14．．．節熱器加熱面

16．．．蒸發器

18．．．蒸發器入口

20．．．壓力測量裝置

22,24．．．溫度測量裝置

26．．．再冷卻額定值

28．．．飽和溫度

30,32．．．加法器

34．．．功率

36．．．DT1元件

38．．．加法器

40．．．PTn元件

42,44．．．加法器

46．．．調節器

48．．．平衡煙氣熱

50．．．DT1元件

第1圖：考量一與熱回收蒸氣發生器串接之燃氣渦輪機之功率的調節方法示意圖。

第2圖：考量蒸發器之平衡煙氣熱及蒸發器內飽和溫度之變化的調節方法示意圖。

1．．．熱回收蒸氣發生器

2．．．入口

4．．．旁通管

6．．．流量控制閥或流量調節閥

8．．．馬達

10．．．節熱器加熱面

12．．．混合位置

14．．．節熱器加熱面

16．．．蒸發器

18．．．蒸發器入口

20．．．壓力測量裝置

22,24．．．溫度測量裝置

26．．．再冷卻額定值

28．．．飽和溫度

30,32．．．加法器

36．．．DT1元件

38．．．加法器

40．．．PTn元件

42,44．．．加法器

46．．．調節器

48．．．平衡煙氣熱

50．．．DT1元件

Claims (7)

1. 一種操作熱回收蒸氣發生器(1)的方法，該蒸氣發生器具有一蒸發器(16)、一具有多個節熱器加熱面(10，14)的節熱器、以及一與多個節熱器加熱面(10)在流動介質側並聯的旁通管(4)，燃氣渦輪機的煙氣係透過煙氣側來導引至熱回收蒸氣發生器(1)，該方法的特徵為：利用一進入熱回收蒸氣發生器(1)之熱能的特徵值控制或調節旁通管(4)的流量；其中以在熱回收蒸氣發生器(1)之燃氣渦輪機的功率(34)作為進入熱回收蒸氣發生器(1)之熱能的特徵值。
2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中當特徵值變大時，調節旁通管(4)的流量會變小。
3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中當特徵值變小時，調節旁通管(4)的流量會變大。
4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中利用旁通管(4)之出口在混合位置(12)的溫度控制或調節旁通管(4)的流量。
5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中利用蒸發器(16)內的飽和溫度(28)控制或調節旁通管(4)的流量。
6. 一種熱回收蒸氣發生器(1)，具有一蒸發器(16)、一具有多個節熱器加熱面(10，14)的節熱器、以及一與多個節熱器加熱面(10)在流動介質側並聯且具有一流量控制閥或流量調節閥(6)的旁通管(4)、一位於蒸發器入口(18)的溫度及壓力測量裝置(20，22)、或具有一位於旁通管(4)出口之混合位置(12)的溫度測量裝置(24)、以及一與上述測 量裝置(24)及流量控制閥或流量調節閥(6)之間有數據連接的控制裝置，其中該控制裝置是用於執行如申請專利範圍第1項至第5項中任一項的方法。
7. 一種燃氣及蒸氣渦輪機設備，其具有如申請專利範圍第6項之熱回收蒸氣發生器(1)。