專利名稱：用于生成高壓蒸汽的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓蒸汽的生成。
背景技術(shù)：
當(dāng)今的過程工業(yè)一直被要求成本效率和能源效率更高，并且許多過程工業(yè)越來越關(guān)注節(jié)約能源。能源的節(jié)約通常使得工廠設(shè)備更環(huán)保、成本效率更高。一些工業(yè)運(yùn)行能量密集型過程或放熱型過程，這些過程在穩(wěn)態(tài)操作情況期間產(chǎn)生大量低等級(jí)蒸汽。產(chǎn)生的這種低等級(jí)低壓蒸汽用來進(jìn)行低價(jià)值作業(yè)(諸如但不限于使冷水流變曖之類)，但通常被排放到大氣中或被冷凝。然而，同樣在這些工廠設(shè)備中，一些高溫過程仍然需要通過專用高壓蒸汽鍋爐產(chǎn)生250psig以上的高壓蒸汽。在過去，人們把低壓蒸汽和低能量?jī)r(jià)值等同起來。過去都使用低壓蒸汽的電力蒸氣再壓縮以便從低壓蒸汽源生成高壓蒸汽。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及這樣的方法和系統(tǒng)，其通過壓縮低壓蒸汽使低壓蒸汽源產(chǎn)生高壓蒸汽，并且在穩(wěn)態(tài)情況下操作時(shí)基本無需任何電輸入或其它外部能源。低壓蒸汽源作為高壓蒸汽源以及生成高壓蒸汽的能量驅(qū)動(dòng)器。本發(fā)明使用了來自曾被看作價(jià)值甚微的低壓蒸汽源的低能量。因此，在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種從低壓蒸汽源生成具有期望流率和期望壓力的高壓蒸汽的方法，所述方法包括提供所述低壓蒸汽源，將所述低壓蒸汽源分成至少第一股流和第二股流；聯(lián)接所述第一股流以驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)/渦輪機(jī)，所述膨脹機(jī)/渦輪機(jī)與蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓縮機(jī)連接并驅(qū)動(dòng)該蒸汽壓縮機(jī)，和將所述第二股流供給所述蒸汽壓縮機(jī)，其中，所述蒸汽壓縮機(jī)生成高壓蒸汽，其中，所述第一股流具有一質(zhì)量流率，該質(zhì)量流率足以產(chǎn)生用來使所述第二股流的壓力升高至期望壓力的能量，并且其中，在所述蒸汽發(fā)生器的穩(wěn)態(tài)操作情況下，所述低壓蒸汽源用作生成所述高壓蒸汽的驅(qū)動(dòng)力和蒸汽輸入。因此，在本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于生成高壓蒸汽的系統(tǒng)，包括低壓蒸汽源，該低壓蒸汽源被分成至少第一股流和第二股流；和蒸汽發(fā)生器，該蒸汽發(fā)生器包括渦輪機(jī)/膨脹機(jī)，和由該渦輪機(jī)/膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)的蒸汽壓縮機(jī)，其中，所述第一股流與驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的渦輪機(jī)/膨脹機(jī)聯(lián)接，而所述第二股流是壓縮機(jī)的輸入，并且其中，所述第一股流具有第一質(zhì)量流率，而所述第二股流具有第二質(zhì)量流率，其中所述第一質(zhì)量流率足以使所述第二質(zhì)量流率的蒸汽壓力升高至所述高壓蒸汽的蒸汽壓力。


現(xiàn)在將參見以示例方式示出的本發(fā)明特定實(shí)施例的附圖，其中圖1是由高壓鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽生成系統(tǒng)的過程流程圖(現(xiàn)有技術(shù))；圖2是至少部分地通過用電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行低壓蒸氣再壓縮來產(chǎn)生的高壓蒸汽生成系統(tǒng)的過程流程圖(現(xiàn)有技術(shù))；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的高壓蒸汽生成系統(tǒng)的過程流程圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的高壓蒸汽生成系統(tǒng)的過程流程圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的包括有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine Cycle)的高壓蒸汽生成系統(tǒng)的過程流程圖；和圖6是圖5所示有機(jī)朗肯循環(huán)的溫度對(duì)比熵的示意圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)參照附圖，圖1示出了在現(xiàn)有的過程工廠設(shè)備中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)，其產(chǎn)生出至少250psig的高壓蒸汽?？s寫詞"psig"定義為磅/平方英寸(表壓力)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，將"psig"中的壓力值加14. 7psi可以使"psig"轉(zhuǎn)換為"psia"——磅/平方英寸(絕對(duì)壓力)。高壓蒸汽系統(tǒng)1包括多個(gè)構(gòu)件，例如至少一個(gè)高壓鍋爐50。鍋爐50通過至少一個(gè)高壓供給線路或管道52與高壓集管60連接。高壓蒸汽集管60通過由72表示的一個(gè)或多個(gè)蒸汽線路或管道與工廠設(shè)備中的過程單元或用戶70連接。盡管線路72僅表示出了一個(gè)管道，但是應(yīng)當(dāng)理解，它還可以表示出許多個(gè)可能的供給管道，每個(gè)供給管道將高壓蒸汽輸送給工廠設(shè)備中的各個(gè)用戶70。圖1所示流程圖包括低壓蒸汽系統(tǒng)5，其包括通過至少一個(gè)過程線路或管道12與低壓蒸汽集管20連接的低壓蒸汽發(fā)生器10?？梢韵氲饺魏晤愋偷牡蛪赫羝l(fā)生器10，包括但不限于在此引入作為參考的PCT/CA2007/00874中所描述的快速蒸汽發(fā)生器。由32表示的管道將低壓蒸汽輸送至過程工廠設(shè)備中的各個(gè)過程用戶30。在現(xiàn)有技術(shù)的過程工廠設(shè)備中，還有許多個(gè)低壓蒸汽排放管道42，用來在許多個(gè)排放口 40中的任意一個(gè)排放口或者蒸汽冷凝器處排出低壓蒸汽。盡管這些排放口 40被示為從低壓集管20直接引出，但是它們?cè)谑褂弥筮€會(huì)在各個(gè)過程用戶30中的任一用戶的下游。排放口還被理解為散熱器。雖然圖1沒有顯示，但是排放管道42可以包括諸如壓力調(diào)節(jié)閥或凝汽閥之類的壓力調(diào)節(jié)裝置。在一些過程工廠設(shè)備中，低壓蒸汽用戶30的蒸汽需求量小于低壓蒸汽產(chǎn)生器10的產(chǎn)生量。此外，來自集管60(或其它用戶70)的高壓蒸汽會(huì)借助壓力調(diào)節(jié)閥80來使其壓力逐步降低。這樣，低壓蒸汽在較高的溫度下提供給系統(tǒng)5。圖2顯示了本領(lǐng)域已知的進(jìn)一步發(fā)展，其包括電力蒸氣/蒸汽再壓縮。圖2所示高壓蒸汽系統(tǒng)101可以進(jìn)一步包括高壓蒸汽鍋爐150，該鍋爐通過一個(gè)或多個(gè)高壓蒸汽線路或管道152與高壓集管160連接。高壓蒸汽過程用戶170通過一個(gè)或多個(gè)高壓蒸汽管道172與高壓蒸汽集管160連接。圖2所示低壓蒸汽系統(tǒng)105包括低壓蒸汽發(fā)生器110，其通過一個(gè)或多個(gè)低壓蒸汽管道112與低壓蒸汽集管120連接。還有各個(gè)低壓蒸汽過程用戶130和排放口 140，它們分別通過管道132和管道142與低壓蒸汽集管120連接。圖2所示系統(tǒng)還可以包括蒸汽減壓閥180，該減壓閥降低高壓蒸汽的壓力以產(chǎn)生低壓蒸汽。圖2所示蒸汽系統(tǒng)還包括通過電動(dòng)機(jī)191操作的壓縮機(jī)190。低壓蒸汽經(jīng)入口管道192供給壓縮機(jī)190。壓縮機(jī)190使蒸汽壓力從集管120的低壓增大至蒸汽集管160的高壓。壓縮機(jī)將使蒸汽的溫度升高，而且必須通過添加冷卻水198來控制線路193中的過熱量。如果添加了冷卻水198，則冷卻水198的流率為使得離開壓縮機(jī)190的蒸汽在出口193中的溫度降低至高壓蒸汽集管160的溫度。在壓縮機(jī)190的出口處典型地以細(xì)霧或噴霧的形式可選地添加冷卻水198。蒸汽壓縮機(jī)190還可以是多級(jí)壓縮機(jī)，其中在各壓縮級(jí)之間發(fā)生以熱交換或直接水噴霧添加形式的蒸汽冷卻。調(diào)節(jié)水198的添加以便在高壓蒸汽系統(tǒng)101中獲得期望的過熱程度。應(yīng)當(dāng)注意，在圖1、圖2、圖3和圖4中相似或相當(dāng)?shù)臉?gòu)件的附圖標(biāo)記均具有相同的后兩位數(shù)字，但分別在圖2、圖3和圖4中，附圖標(biāo)記包括開頭的第一個(gè)數(shù)字前綴1XX、2XX和3XX，S卩，圖2和圖4中的高壓蒸汽集管分別用160和360表示。圖3示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的生成高壓蒸汽的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括在圖1和圖2中出現(xiàn)的特征。具體而言，有高壓蒸汽系統(tǒng)201，該高壓蒸汽系統(tǒng)可以包括高壓鍋爐250，其帶有通入高壓蒸汽集管沈0的至少一個(gè)出口線路或管道252。有高壓蒸汽過程用戶270，經(jīng)高壓蒸汽線路272供給這些高壓蒸汽過程用戶。高壓蒸汽被理解為至少35psig，并且更優(yōu)選地為至少400psig。雖然示出了高壓蒸汽鍋爐250，但是對(duì)過程而言它是可選的。低壓蒸汽系統(tǒng)205包括低壓蒸汽發(fā)生器或源210，其可以是任何類型的鍋爐，并且在優(yōu)選實(shí)施例中其為在此引入作為參考的PCT/CA2007/00874描述的快速蒸汽發(fā)生器。低壓蒸汽為至少15psig，并且更優(yōu)選地為至少120psig。低壓蒸汽源210可以具有在各種壓力下的低壓蒸汽。低壓蒸汽從低壓蒸汽鍋爐210經(jīng)傳輸線路或管道212輸送至低壓集管220。該系統(tǒng)包括分別由管道232和管道242供給的許多個(gè)不同用戶230和各個(gè)出口 M0。還可以存在借助壓力調(diào)節(jié)閥180來從高壓蒸汽產(chǎn)生低壓蒸汽的系統(tǒng)。圖3所示系統(tǒng)通過蒸汽驅(qū)動(dòng)發(fā)生器297來更高效地使用低壓蒸汽源210。高壓蒸汽發(fā)生器297包括蒸汽渦輪機(jī)四1，蒸汽渦輪機(jī)與蒸汽壓縮機(jī)290聯(lián)接并驅(qū)動(dòng)該蒸汽壓縮機(jī)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，渦輪機(jī)可以由產(chǎn)生基本上相同結(jié)果的膨脹機(jī)來代替。在穩(wěn)態(tài)操作情況下，被理解為具有低能量的低壓蒸汽源210用作蒸汽渦輪機(jī)291的原動(dòng)力，并因此是主要的、可能唯一的能量產(chǎn)生器。穩(wěn)態(tài)操作情況被認(rèn)為是在常規(guī)操作期間的操作情況，并且不包括起動(dòng)和關(guān)斷操作。應(yīng)當(dāng)理解，低壓蒸汽源210可以是一個(gè)低壓源或多個(gè)相似的低壓源，這些低壓源具有可以匯入集管220或儲(chǔ)罐中的可能不同的壓力。理想地，低壓蒸汽源210分成至少兩股流292和四4。第一股流294與蒸汽渦輪機(jī)/膨脹機(jī)291聯(lián)接并作為用來推動(dòng)該蒸汽渦輪機(jī)/膨脹機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。第二股低壓蒸汽流292為供給輸入，該供給輸入將去產(chǎn)生在期望壓力下的高壓蒸汽，并且被供給至蒸汽壓縮機(jī)四0的入口。蒸汽渦輪機(jī)291被設(shè)計(jì)成將通常是來自管道292的入口流率的至少一半的來自管道四4的入口蒸汽流率引入蒸汽壓縮機(jī)四0。經(jīng)過蒸汽渦輪機(jī)的質(zhì)量流率是經(jīng)過蒸汽壓縮機(jī)四0的質(zhì)量流率的至少0. 5倍。優(yōu)選地，經(jīng)過蒸汽渦輪機(jī)的質(zhì)量流率是經(jīng)過蒸汽壓縮機(jī)四0的質(zhì)量流率的至少0. 75倍。最優(yōu)選地，經(jīng)過蒸汽渦輪機(jī)的質(zhì)量流率是經(jīng)過蒸汽壓縮機(jī)四0的質(zhì)量流率的至少1. 0倍。圖3所示系統(tǒng)和方法利用了低壓蒸汽的壓力
6以及低壓蒸汽源210的質(zhì)量流率來移動(dòng)與蒸汽壓縮機(jī)290聯(lián)接的蒸汽渦輪機(jī)四1。應(yīng)當(dāng)注意到，由于內(nèi)部蒸汽減壓和相對(duì)高的內(nèi)部蒸汽流率，蒸汽渦輪機(jī)四1典型地是比蒸汽壓縮機(jī)290大的單元。壓縮機(jī)290會(huì)使出口蒸汽293過熱，并要求添加冷卻水2980如果添加了冷卻水四8，則所添加的冷卻水具有讓離開壓縮機(jī)四0的蒸汽在出口 293中的溫度降低至高壓蒸汽集管260的溫度的流率。在壓縮機(jī)四0的出口處添加冷卻水298是可選的，并且典型地以細(xì)霧的形式來添加冷卻水。蒸汽壓縮機(jī)290可以是多級(jí)壓縮機(jī)，其中冷卻水298可以以細(xì)霧的形式在多個(gè)壓縮級(jí)之間添加。這種設(shè)置降低了在壓縮機(jī)290的第一級(jí)之后的溫度，并且通過使要用于壓縮機(jī)四0的高溫合金材料最少化來幫助降低成本。在優(yōu)選實(shí)施例中，蒸汽壓縮機(jī)290是多級(jí)蒸汽壓縮機(jī)，并且更優(yōu)選地為兩級(jí)蒸汽壓縮機(jī)。在流向蒸汽渦輪機(jī)的入口低壓流294具有20klbs/hr的質(zhì)量流率和200psia的入口壓力(其在渦輪機(jī)內(nèi)允許降低至15psia)的情況下，850BTU/sec被輸送。在這些情況下，蒸汽壓縮機(jī)290能夠產(chǎn)生具有各種流率和各種壓力的高壓蒸汽流四8。三種可能的場(chǎng)景在以下表1中示出。表 1對(duì)于具有20klbs/hr、在入口處為200psia而在渦輪機(jī)出口處降至15psia的蒸汽
渦輪機(jī)而言，能夠想到下列高壓蒸汽場(chǎng)景
權(quán)利要求
1.一種從低壓蒸汽源生成具有期望流率和期望壓力的高壓蒸汽的方法，所述方法包括提供所述低壓蒸汽源，將所述低壓蒸汽源分成至少第一股流和第二股流，聯(lián)接所述第一股流以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)與蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓縮機(jī)連接，并且驅(qū)動(dòng)該蒸汽壓縮機(jī)，和將所述第二股流供給所述蒸汽壓縮機(jī)，其中所述蒸汽壓縮機(jī)生成所述高壓蒸汽，其中，所述第一股流具有足以使所述第二股流的壓力升高至所述期望壓力的質(zhì)量流率，并且其中，在所述蒸汽發(fā)生器的穩(wěn)態(tài)操作情況下，所述低壓蒸汽源用作生成所述高壓蒸汽的驅(qū)動(dòng)力和蒸汽輸入。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述蒸汽壓縮機(jī)為至少兩級(jí)蒸汽壓縮機(jī)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述低壓蒸汽源能夠由多個(gè)低壓蒸汽源組成。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述低壓蒸汽源由快速蒸汽鍋爐產(chǎn)生。
5.如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的方法，還包括給所述高壓蒸汽添加水，以便獲得處于期望的過熱程度的高壓蒸汽流。
6.如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，將所述第一股流與所述渦輪機(jī)聯(lián)接的步驟包括將所述第一股流供給所述渦輪機(jī)以便驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)。
7.如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，將所述第一股流與所述渦輪機(jī)聯(lián)接的步驟包括將所述第一股流供給蒸發(fā)器，在所述蒸發(fā)器內(nèi)使熱流體氣化，將氣化的所述熱流體供給所述渦輪機(jī)以驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括使所述熱流體再循環(huán)至冷凝器，將所述熱流體冷凝成液體，將冷凝后的所述熱流體泵送至所述蒸發(fā)器。
9.一種用于生成高壓蒸汽的系統(tǒng)，包括低壓蒸汽源，該低壓蒸汽源被分成至少第一股流和第二股流，以及蒸汽發(fā)生器，該蒸汽發(fā)生器包括渦輪機(jī)/膨脹機(jī)，以及由所述渦輪機(jī)/膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)的蒸汽壓縮機(jī)，其中，所述第一股流與所述渦輪機(jī)/膨脹機(jī)聯(lián)接來驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)，而所述第二股流為所述壓縮機(jī)的輸入，并且其中，所述第一股流具有第一質(zhì)量流率，而所述第二股流具有第二質(zhì)量流率，其中所述第一質(zhì)量流率足以使所述第二質(zhì)量流率的蒸汽壓力升高至所述高壓蒸汽的蒸汽壓力。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述蒸汽壓縮機(jī)為至少兩級(jí)蒸汽壓縮機(jī)。
11.如權(quán)利要求9或10所述的系統(tǒng)，還包括快速蒸汽發(fā)生器。
12.如權(quán)利要求9至11中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括與所述低壓源連接的多個(gè)低壓蒸汽源。
13.如權(quán)利要求9至12中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括在高壓蒸汽壓縮機(jī)的出口處的水源。
14.如權(quán)利要求9至13中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述第一股流通過蒸發(fā)器與所述渦輪機(jī)聯(lián)接，所述蒸發(fā)器將氣化的熱流體供給所述渦輪機(jī)以驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，還包括與所述渦輪機(jī)的出口連接的熱流體冷凝器，與所述冷凝器連接使所述熱流體返回到所述蒸發(fā)器的泵。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述蒸汽發(fā)生器包括熱壓縮機(jī)，該熱壓縮機(jī)使用來自所述蒸汽壓縮機(jī)的高壓蒸汽作為原動(dòng)力。
17.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述蒸汽發(fā)生器包括熱壓縮機(jī)，該熱壓縮機(jī)使用來自所述蒸汽壓縮機(jī)的高壓蒸汽作為原動(dòng)力。
全文摘要
一種從低壓低能量蒸汽生成高壓蒸汽的方法和系統(tǒng)，其包括提供低壓蒸汽源；將所述源分成至少兩股流。第一股流驅(qū)動(dòng)與蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓縮機(jī)聯(lián)接的渦輪機(jī)/膨脹機(jī)。由低壓蒸汽源的第二股流供給蒸汽壓縮機(jī)，并且第一股流的質(zhì)量流率足以使第二股流的壓力升高至期望壓力。在穩(wěn)態(tài)操作情況下，第一股流和第二股流分別作為蒸汽壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)力和生成高壓蒸汽的蒸汽壓縮機(jī)的入口供應(yīng)。在另一實(shí)施例中，蒸汽驅(qū)動(dòng)發(fā)生器包括熱壓縮機(jī)并且可以包括有機(jī)熱流體朗肯循環(huán)。
文檔編號(hào)F01K27/02GK102575531SQ201080045760
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月24日
發(fā)明者貝努瓦·詹維爾 申請(qǐng)人:貝努瓦·詹維爾