運行燃氣輪機的燃燒器的方法和發電廠設備的製作方法
2023-07-15 13:37:56 2
專利名稱：運行燃氣輪機的燃燒器的方法和發電廠設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種運行燃氣輪機燃燒器的方法，其中，礦物燃料在氣化裝置內被氣化以及該氣化的礦物燃料作為合成氣供給為燃氣輪機配設的燃燒器用於燃燒。本發明還涉及一種尤其用於實施該方法的發電廠設備，它包括一個燃氣輪機，為它配設一個帶有至少一個燃燒器的燃燒室。在該燃燒室上遊連接有一個燃料系統，它包括一個礦物燃料氣化裝置和一條從該氣化裝置分出並通入燃燒室的氣體管。
一個組合有礦物燃料氣化裝置的燃氣和蒸汽輪機設備通常包括一個燃料的氣化器，它在出口側通過一些規定用於氣體淨化的部件與燃氣輪機燃燒室連接。在該燃氣輪機的煙氣側下遊連接有一廢熱蒸汽發生器，其加熱面連接在一個汽輪機的水汽循環內。例如由GB-A2234984或由US 4697415已知此類裝置。
為了在燃燒氣化的礦物燃料或合成氣時降低有害物排放量，可在氣體管內連接一飽和器，在所述設備運行時合成氣在該飽和器內被加入水蒸氣。為此，氣化的燃料相對於一股水流逆流地流過該飽和器，這股水流在一個稱為飽和器迴路的水循環內導引。為了達到特別高的效率，在這裡規定在飽和器迴路內耦合入來自燃氣和蒸汽輪機設備水汽循環的熱量。
通過在飽和器內與在飽和器迴路內導引的加熱的水流接觸，氣化的燃料中水蒸氣飽和並在有限的範圍內被加熱。在這裡出自於熱技術以及運行方面的原因，要求燃料在其輸入燃氣輪機的燃燒室內之前進一步被加熱。
在DE 19 832 293 A1中介紹了一種燃氣和蒸汽輪機設備，它有一臺連接在燃氣輪機煙氣側下遊的廢熱蒸汽發生器。該廢熱蒸汽發生器的加熱面連接在汽輪機的水汽循環中。為了組合用於燃氣輪機燃燒室的礦物燃料的氣化裝置，在燃燒室上遊通過燃料管連接一個燃料的氣化裝置。為了達到特別高的效率，在該氣化裝置與飽和器之間的燃料管內，除了一個用於摻合氮氣的混合器外，還連接一個換熱器的一次側，該換熱器的二次側在飽和器與燃燒室之間同樣連接在燃料管內。
由WO 00/20728可知一種與在DE 19832293 A1中所介紹的類似的燃氣和蒸氣輪機設備。在那裡說明的燃氣和蒸汽輪機設備應在使用油作為礦物燃料時也能有特別高的設備效率地運行。
為此，在WO/20728中，在燃料管內沿氣化燃料的流動方向看，在一個將氮氣摻入氣化燃料的混合器上遊，連接一個換熱器的一次側，該換熱器的二次側設計為流動介質的汽化器。該換熱器的蒸汽側與燃氣輪機的燃燒室連接。
為了保證所述燃氣和蒸汽輪機設備特別可靠地運行，應隨時停止合成氣向燃氣輪機燃燒室的輸入。為此，通常在燃燒室前的氣體管內連接一快速鎖閉附件。該快速鎖閉附件在需要時在非常短的時間內阻斷氣體管，從而沒有任何合成氣能進入配屬於該燃氣輪機的燃燒室內。
基於有關的安全技術方面的規程，所述燃料系統通常包括一氣體鎖。該氣體鎖有兩個附件，例如球形開關，它們可打開或關閉氣體流路。在這兩個附件之間連接一中間卸載裝置或壓力管。該中間卸載裝置可以連接在一火焰上，通過它可以將多餘的氣體放出燒掉。作為中間卸載的替換方案可以連接壓力管，它保證沒有任何氣體能經由該氣體鎖閉附件流入。因此，該氣體鎖將燃料系統氣密地分隔為第一區或在該氣體鎖上遊的氣化系統以及第二區或在該氣體鎖下遊的所謂燃氣輪機燃料系統。
一個具有氣化裝置的燃氣和蒸汽輪機設備不僅可以用例如由煤、工業殘渣或垃圾生產的合成氣運行，而且可以用二次燃料，例如天然氣或油運行。在從合成氣變換為二次燃料或相反時，出自於安全技術方面的原因，要求用一種惰性介質如氮或蒸汽衝洗氣體鎖和燃燒室之間的區域，亦即衝洗燃氣輪機燃料系統。
為了按選擇用來自氣化裝置的合成氣或一種二次燃料或替代燃料運行一個燃氣和蒸汽輪機設備，在配屬於燃氣輪機的燃燒室內的燃燒器必須設計為雙燃料或多燃料式燃料器，它可以按需要加入合成氣或二次燃料，例如天然氣或燃油。在這裡各種燃料經一個燃料通道供入燃燒區的燃燒器內。
本發明的目的是提供一種運行燃氣輪機燃燒器的方法，用這種方法可達到更好的合成氣運行。本發明的另一個目的是提供一種尤其用於實施此方法的發電廠設備。
本發明的第一個目的通過一種運行燃氣輪機燃燒器的方法來實現，按此方法，一種礦物燃料被氣化以及該氣化的礦物燃料作為合成氣供給為燃氣輪機配設的燃燒器用於燃燒，其中，該合成氣分成第一分流和第二分流，以及這些分流分別獨立地供給燃料器用於燃燒。
按本發明也完全可以採用多於兩個的分流，它們分別獨立地供入燃燒器燃燒。
本發明以下列認識為出發點在加入燃料以用於燃燒的燃燒器內的燃料側的壓力損失越大，所述發電廠設備、例如具有組合在內的礦物燃料氣化裝置的燃氣和蒸汽輪機設備的總效率就會越低。在這裡，壓力損失取決於燃燒器對於相應燃料氣體的流動阻力或導流值。
當燃料氣體流過一根管道時，在此過程中形成的壓差與氣體流量，例如與氣體質量流量成比例。該比例係數稱為流阻。該流阻的倒數值稱為導流值。由上述有關發電廠設備效率的考慮，存在必要性將這種燃燒器壓力損失在設計狀態，亦即例如在額定負荷，保持得儘可能低。但由此造成在燃氣輪機功率很低時或在燃氣輪機空載時會產生一個過低的燃燒器燃料側的壓力損失，以及面對火焰振蕩所形成的燃燒不再具有足夠的穩定性。因此對於這樣設計的設備來說，其按合成氣模式的負載運行，只允許在燃氣輪機的基本負荷與取決於具體情況的最小部分負荷之間進行。
現在，採用本發明意味著按一條完全新的途徑用合成氣運行燃氣輪機的燃燒器，其中，由礦物燃料氣化形成的、與天然氣相比含熱量低的燃燒氣體，分成至少兩個分流分別單獨地供給燃燒器用於燃燒。由此，顯著擴大了燃料質量流量在燃料側燃燒器壓力損失允許範圍內可調整的帶寬，尤其與傳統的燃燒器運行相比因而允許較低的燃料質量流量。通過將合成氣分成第一分流和第二單獨的分流或按選擇分出更多的分流，燃料可在相應地不同的空間位置輸入燃燒器燃燒。因此構成兩個或多個燃燒區，它們配屬於各自的合成氣分流。
因此比較有利地避免了在合成氣運行時基於過低的燃燒器燃料側壓力損失造成的燃燒不穩定性。此外，以後為了與合成氣運行適配，尤其為了避免燃燒器或燃燒室轟響而採取的可能的複雜結構改造便可以省去。與只用一個合成氣通道運行相比，分成至少兩個分流向燃燒器加入合成氣，通過調整和優化燃燒器運行方式，可以達到更好的可能性。在這裡業已證實突出的優點是，在燃燒器內合成氣的燃燒，通過調整這些分流，可以非常有效和目標準確地調整和優化為燃燒器期望的運行模式，例如基本負荷或部分負荷或空載運行模式。由於擴大了運行調整的可能性，所以系統易於與變化的燃料邊界條件相匹配。
通過這種新的運行方式，可以實施一種分級的合成氣運行。這一方面可以在所有分流尤其是第一和第二分流的質量流量均相當大時，在全負荷情況下使通過燃燒器只有足夠低的壓力損失產生，以及另一方面也允許在只有一個流量較可觀的合成氣分流時使配設該燃燒器的燃燒室實施最小負荷或空負荷運行。在這裡有利地第一分流或必要時另一些分流和第二分流，在分別流過燃燒器和流入各自的燃燒區時，有不同的導流值，因此在燃料質量流量預定的變化範圍內，在燃燒器內達到一種與只有一個合成氣流相比小得多的壓力損失變化範圍。因此，在燃燒器有相同設計時，由此設計的燃氣輪機在基本負荷下的壓力損失與其在最小負荷下(例如空轉運行時)的壓力損失的比值，要小於只有單個燃料氣體流道情況下的壓力損失比值。
按一項優選的設計，第一分流和第二分流經分別調整後輸入燃燒器。採用這種設計，分流可以彼此獨立調整，由此擴大燃燒器運行帶寬。例如可以選擇一種運行方式，其中，合成氣的總氣體質量流量保持常數，並且第一分流和第二分流鑑於要達到的燃燒功率和運行穩定性而彼此協調。
比較有利地是，往至少分流之一中摻入天然氣或蒸氣用於改變熱值。根據需要，一個分流的熱值可通過摻合天然氣或蒸汽提高或降低。有利地，兩個分流可彼此獨立地通過加入蒸汽或另一種惰性介質，例如氮氣惰性化。因此可針對合成氣的兩個分流調整熱值，尤其可將分流的熱值調整為不同的，由此可在各自的燃燒區通過燃燒實現相應地不同的熱量轉換。因此有利地提供了另一個自由度，亦即熱值，它對於合成氣的每一個分流可分別根據需要單獨進行調整。
優選地，這些分流根據燃氣輪機要產生的功率調整。在此用於用合成氣運行燃氣輪機燃燒器的方法中，業已證明特別有利的是，根據燃氣輪機要產生的功率來調整分流，亦即尤其是調整它們各自的氣體質量流量的大小或它們各自的單位熱值。在這裡，例如燃氣輪機的功率可以在對於所有燃料通道設有一個共同的額定流量值的基礎上預先予以確定，然後對於每個通道的燃料氣體流量獨立地在一個連接在下遊的調整迴路內根據上面早已說明的要求，例如在一閉合的調整迴路內，相應於該額定值再調整。
優選地，在燃氣輪機最小負荷或無負荷運行時，分流之一為零。因此這種運行模式可以通過阻斷該合成氣的一個分流供給燃燒器來實現。為此，有利地為燃氣輪機的最小負荷或無負荷運行選出其中一個分流，這一分流可在考慮到一個為此所需的最小壓力損失的情況下達到一個在流過燃燒器去燃燒區時相應的流動阻力。在流動阻力大時，即使選出的分流質量流量小，也能避免例如由於通過燃燒器的壓力梯度過低造成燃燒的不穩定。
本發明針對發電廠設備的目的通過一種尤其用於實施上述方法的發電廠設備達到，此設備包括一個燃氣輪機，為它配設一個具有至少一個燃燒器的燃燒室，該設備還包括一個連接在燃燒室上遊的燃料系統，該燃料系統包括一個礦物燃料的氣化裝置和一條從氣化裝置分出並通入燃燒室的氣體管，其中，在燃燒室上遊從該氣體管分出另一條氣體管，以及，前述第一條氣體管連接在燃燒室的第一燃料通道上，而另一條氣體管連接在燃燒器的一個在流動技術上與第一燃料通道分開的第二燃料通道上。
現在，可有利地利用一個在燃燒器上已存在的通常設計為具有典型地40000kJ/kg的高熱值天然氣的通道的第二燃料通道，附加地作為第二個在流動技術上與第一燃料通道分開設置的合成氣通道。因此，發電廠設備的燃燒器有兩個合成氣的燃料通道，該合成氣在氣化裝置中通過氣化礦物燃料製備，以及可通過這條氣體管和另一條氣體管分別供入各與之連接的燃料通道。第一燃料通道和第二燃料通道的合成氣導流值可以是不同的，因此通過有目的地將合成氣各個分流加入燃料通道，實現一種分級的，尤其是兩級的燃料供給。此發電廠設備以特殊的方式設計用於燃燒含熱量低的，例如來自作為礦物燃料的煤的氣化裝置的燃燒氣體。通過分級的合成氣供給，有利地擴大了在合成氣運行時燃料質量流量在燃料側燃燒器壓力損失允許範圍內可調整的帶寬，並因而可以使燃燒器壓力損失在全負荷運行時最小化或至少大大減少。
按一項優選的設計，在該第一氣體管和另一氣體管內分別設一調節附件，通過它們可分別調整在所屬燃料通道內的燃料流量。在這裡，這些具有合成氣調節附件的氣體管相互並行，所以每個附件分別調整各個去往與之配屬的燃料通道的燃料氣體分流。
優選地，在該第一氣體管內連接一氣體鎖，它設在另一氣體管從第一氣體管分叉點的上遊。
由此，一方面保證氣體鎖的功能，另一方面減少阻斷和調節附件的數量。在另一氣體管從該第一氣體管分叉點的上遊，在第一氣體管內有利地設一快速鎖閉附件或密封地關閉的附件。
所述具有氣化裝置的發電廠設備，不僅可以用例如由煤或殘油製成的合成氣運行，而且可以用二次燃料，例如天然氣運行。在從合成氣轉換成二次燃料或相反時，出自於安全技術方面的原因，要求用惰性介質如氮氣或蒸汽衝洗氣體鎖與燃燒室之間的區域，亦即衝洗燃氣輪機燃料系統。這一要求在發電廠設備中例如可採取這樣的措施達到，即，所述設在燃燒室上遊連接在氣體管內的氣體鎖包括一個快速鎖閉附件、一個卸壓或過壓系統、以及一個氣體鎖附件。由此，在要供入燃燒室燃燒器的氣體轉換時，以特別可靠的方式保證將合成氣或二次燃料以及必要時煙氣從燃料系統中排擠出，因為有待衝洗的體積比較小。此外，在有待衝洗小的體積時，業已證明僅沿一個方向通過兩個燃料通道衝洗便足夠了，由此可取消衝洗過程複雜的調整機構。在轉換為二次燃料，例如天然氣時，另一氣體管和附屬的燃料通道的衝洗取消。只有在燃氣輪機快速鎖閉時才衝洗兩個燃料通道，也許衝洗多個燃料通道。
有利地，衝洗只沿前進方向，亦即朝燃燒室或燃氣輪機燃燒器的方向進行。衝洗過程可選擇用蒸汽或氮氣，例如純氮實施。用氮氣衝洗由於要衝洗的體積小所以特別經濟。此外不必為了衝洗過程從設在發電廠設備中的汽輪機裝置抽取任何蒸汽，由此可以大大提高發電廠設備的總效率。附加地可以取消使用高合金鋼，因為不會產生腐蝕現象或只出現輕度的腐蝕現象。在發電廠設備中使要衝洗體積小可通過部件的緊湊布置達到。若氣體鎖和快速鎖閉附件例如彼此並列，則快速鎖閉附件可以承擔設在氣體鎖內的附件之一的功能，從而可以取消此附件，以及燃氣輪機燃料系統要衝洗的體積特別小。此外，由於燃料系統比較小的體積，可以使在超速時的減負荷大大簡化，這尤其是基於在導引氣體的部件內較小的慣性效果。
作為尤其設在另一氣體管從原始氣體管分叉點的上遊並連接在該原始氣體管內的氣體鎖的附件，通常使用球形開關或球閥。快速鎖閉附件可例如設計為快速鎖閉活門。但在這裡取決於附件的結構尺寸可以使用任何一種快速關閉的附件，如適用的快速鎖閉閥。由此，具有氣化裝置的發電廠設備在合成氣運行時或在燃料轉換為二次燃料時能特別可靠地工作。
按發電廠設備的一種優選的設計，可向另一氣體管通過一個輸送裝置供入天然氣或蒸汽。此另一條連接在燃燒器第二燃料通道上的氣體管，可通過向該合成氣內摻入天然氣或蒸汽，調整用於第二燃料通道工作的熱值。通過向合成氣摻入天然氣可提高熱值。與之相反，通過向合成氣摻入蒸汽則會降低熱值。藉助該輸入裝置，通過有目的地摻入天然氣或蒸汽，可以使熱值非常準確地與燃燒器期望的運行模式相匹配。
優選地，可向另一氣體管輸入合成氣，該合成氣尤其在氣化裝置內通過礦物燃料的氣化形成。因此，另一氣體管按需要可有目的地供入合成氣、天然氣、蒸汽或由不同燃料組成的混合氣。
優選地，發電廠設備設計為燃氣和蒸汽輪機設備，它包括一個連接在燃氣輪機煙氣側下遊的廢熱蒸汽發生器，它的加熱面連接在一個汽輪機的水汽循環中。
發電廠設備的其他優點以與上述用於運行燃氣輪機燃燒器的方法的優點類似的方式得出。
下面藉助附圖進一步說明本發明的實施方式。附圖局部示意和未按尺寸比例地表示
圖1表示發電廠設備，其中在燃氣輪機上遊連接有一個具有氣化裝置的燃料系統；以及圖2表示圖1的局部，它包括所屬的燃氣輪機燃燒器。
按圖1的發電廠設備3設計為燃氣和蒸汽輪機設備1，其包括一個燃氣輪機裝置1a和一個蒸汽輪機裝置1b。該燃氣輪機裝置1a包括一個燃氣渦輪2和連接的壓氣機4以及連接在燃氣渦輪2上遊的燃燒室6，燃燒室與壓氣機4的壓縮空氣管8相連。燃燒室6有一燃燒器7。燃氣渦輪2和壓氣機4以及發電機10裝在一公共的軸12上。
汽輪機裝置1b包括汽輪機20和與之連接的發電機22，以及在水汽循環24內包括連接在汽輪20下遊的凝汽器26和廢熱蒸汽發生器30。汽輪機20由第一壓力級或高壓部分20a和第二壓力級或中壓部分20b組成。此外設第三壓力級或汽輪機20的低壓部分20c，這些壓力級20a、20b、20c通過一公共的軸32驅動發電機22。
為了將在燃氣渦輪2內膨脹後的工質AM或煙氣輸入廢熱蒸汽發生器30，在廢熱蒸汽發生器30的進口30a連接廢氣管34。來自燃氣渦輪2經膨脹的工質AM，經由廢熱蒸汽發生器30的出口30b，朝圖中未進一步表示的煙囪的方向離開廢熱蒸汽發生器30。
廢熱蒸汽發生器30包括一個冷凝水預熱器40，它的進口側通過冷凝水管42連接在一個冷凝水泵裝置44內，可供給來自凝汽器26的冷凝水K。冷凝水預熱器40在出口側通過一管道45與給水箱46連接。此外，為了按需要迂迴繞過冷凝水預熱器40，冷凝水管42可經一條圖中未表示的旁路管直接與給水箱46連接。該給水箱46通過一管道47連接在一臺有中壓抽汽點的高壓給水泵48上。
高壓給水泵48將從給水箱46流出的給水S置於一個適用於水汽循環24內為汽輪機20高壓部分20a配設的高壓級50的壓力水平。處於高壓下的給水S可通過給水預熱器52供給高壓級50，給水預熱器52出口側通過一條可用閥54截止的給水管56連接在高壓汽包58上。高壓汽包58與設在廢熱蒸汽發生器30內的高壓汽化器60連接以構成水汽循環62。為了排出新蒸汽F，高壓汽包58連接在一個設在廢熱蒸汽發生器30中的高壓過熱器64上，後者的出口側與汽輪機20高壓部分20a的蒸汽進口66連接。
汽輪機20高壓部分20a的蒸汽出口68，通過一個中間過熱器70連接在汽輪機20中壓部分20b的蒸汽進口72上。中壓部分20b的蒸汽出口74，通過一聯通管76與汽輪機20低壓部分20c的蒸汽進口78連接。汽輪機20低壓部分20c的蒸汽出口80，通過一根蒸汽管82與凝汽器26連接，由此形成一個閉合的水汽循環24。
此外，從高壓給水泵48在一個冷凝水K已達到中間壓力的抽汽點分出一條支管84。此支管通過另一個給水預熱器86或中壓省煤器與水汽循環中為汽輪機20中壓部分20b配設的中壓級90連接。為此，第二給水預熱器86在出口側通過一條可用閥92截止的給水管94連接在中壓級90的中壓汽包96上。中壓汽包96與一個設在廢熱蒸汽發生器30內設計為中壓汽化器的加熱面98連接以形成水汽循環100。為了排出中壓新蒸汽F′，中壓汽包96通過蒸汽管102連接在中間過熱器70上，並因而與汽輪機20中壓部分20b的蒸汽進口72連接。
從管道47分出另一條設有低壓給水泵107和可用閥108截止的管道110，它連接在水汽循環24中為汽輪機20低壓部分20c配設的低壓級120上。該低壓級120包括一低壓汽包122，它與一個設在廢熱蒸汽發生器30內設計為低壓汽化器的加熱面124連接以構成水汽循環126。為了排出低壓新蒸汽F″，低壓汽包122通過其中連接一低壓過熱器128的蒸汽管127連接在聯通管76上。因此燃氣和蒸汽輪機設備1的水汽循環24在本實施例中包括三個壓力級50、90、120。但作為替換方案也可以設較少的尤其兩個壓力級。
燃氣輪機裝置1a針對用原煤氣或通過氣化礦物燃料產生的氣化的合成氣SG運行設計。作為合成氣SG可例如採用氣化的煤或氣化的油。為此，燃氣輪機裝置1a包括一個燃料系統129，通過它可向在為燃氣渦輪2配設的燃燒室6內的燃燒器7供入合成氣SG。燃料系統129包括一氣體管130，它將氣化裝置132與燃氣輪機的燃燒室6連接起來。該氣化裝置132可通過一個加料系統134供入煤、天然氣或油作為礦物燃料B。此外，汽化系統129還包括一些部件，它們在氣化裝置132與燃氣輪機2的燃燒室6之間連接在氣體管130內。
在燃燒室6的上遊，從氣體管130分出另一氣體管131，此氣體管130與另一氣體管13 1分別連接在燃燒室6的燃燒器7上。合成氣SG可通過氣體管130和另一氣體管131分成第一分流SG1和第二分流SG2。合成氣SG的分流SG1、SG2因而可分別供給燃燒器7用於燃燒。其中第一分流SG1可通過氣體管130供入，而第二分流SG2通過另一氣體管131供入。在這裡，另一氣體管131在一個圖2中詳細表示的區域236內從氣體管130分出。在此區域236的下遊，氣體管130和另一氣體管131按流動技術基本上並聯並連接在燃燒器7上不同的連接位置上，所以分流SG1、SG2在流動技術上彼此分開以及可彼此獨立地供入燃燒器7。
為了製備礦物燃料B氣化所需的氧O2，在氣化裝置132上遊通過氧氣管136連接一個屬於燃料系統129的空氣分解裝置138。該空氣分解裝置138在進口側可加入空氣流L，它由第一空氣分流L1和第二空氣分流L2組成。第一空氣分流L1可以從壓氣機4內經壓縮的空氣中抽取。為此，空氣分解裝置138在進口側連接在抽氣管140上，抽氣管140在分叉點142從壓縮空氣管8分出。此外在抽氣管140中匯入另一空氣管143，其中連接一附加的空氣壓縮機144以及通過空氣管143可將第二空氣分流L2供入空氣分解裝置138。因此在本實施例中，流入空氣分解裝置138的總空氣流L由從壓縮空氣管A分出的空氣分流L2和由附加的空氣壓縮機144輸送的空氣分流L2組成。這樣一種線路方案也稱為部分組合式設備結構方案(teilintegriertes Anlagenkonzept)。按一種作為其替換形式的設計，亦即所謂的全組合式設備結構方案(vollintegrierten Anlagenkonzept)，可以取消另一空氣管143連同附加的空氣壓縮機144，所以空氣分解裝置138的供氣完全通過從壓縮空氣管8抽取的空氣分流L1進行。
在空氣分解裝置138內，在空氣流L分解時除氧氣O2外獲得的氮氣N2，通過連接在空氣分解裝置138上的氮輸送管230輸入混合器146，以及在那裡與合成氣SG摻合。在這裡，混合器146設計用於氮N2與合成氣特別均勻並因此無縷束地混合。混合器146按選擇和在氮內有較低氧含量時的其他設計方案中，必要時也可以取消。
從氣化裝置132流出的合成氣SG通過氣體管130首先進入合成氣廢熱蒸汽發生器147，在那裡通過與一種流動介質熱交換進行合成氣SG的冷卻。在此熱交換時產生的高壓蒸汽以圖中未進一步表示的方式供入水汽循環24的高壓級50內。
沿合成氣SG的流動方向看，在合成氣廢熱蒸汽發生器147下遊和混合器146上遊，氣體管130連接一合成氣SG除塵裝置148和一除硫裝置149。在另一種設計中，尤其在氣化的油作為燃料的情況下，也可設一煤煙清洗裝置取代除塵裝置148。
為了在設在燃燒室6內的燃燒器7中燃燒氣化的燃料B時有害物排放量特別小，規定在進入燃燒室之前在氣化的燃料B中加入水蒸汽。這可按熱技術方面特別有利的方式在一飽和器系統中進行。為此，在氣體管130內連接一飽和器150，要氣化成合成氣SG的燃料B在其中與要加熱的飽和器水W逆流導引。飽和器水W在一個連接在飽和器150上的飽和器循環152內循環，在此飽和器循環152內連接一循環泵154以及一個換熱器156用於預熱給水W。換熱器156在一次側加入在水汽循環24中壓級90經預熱的給水。為了補償在氣化的燃料飽和時產生的飽和器水W的損失，在飽和器循環152上連接一輸入管158。
沿合成氣SG流動方向看在飽和器150下遊，在氣體管130內連接一個起合成氣-混合氣換熱器作用的換熱器159二次側。換熱器159一次側在除塵裝置148前的一個地點同樣連接在氣體管130內，所以流入除塵裝置148的合成氣SG將其一部分熱量傳遞給從飽和器150流出的合成氣SG。合成氣SG在進入除硫裝置149前通過換熱器159的這種導引，即使另一些部件在線路設計方面改變時也能採用。尤其在接入一個煤煙清洗裝置時，換熱器159優選地可在合成氣側設在煤煙清洗裝置的下遊。
在飽和器150與換熱器159之間，在氣體管130內連接另一換熱器160的二次側，它的一次側可給水加熱或蒸汽加熱。通過設計為合成氣-純燃氣換熱器的換熱器159和換熱器160，即使在燃氣和蒸汽輪機設備1不同的運行狀態下，也能保證流入燃氣輪機2燃燒室6燃燒器7內的合成氣特別可靠地預熱。為了冷卻壓縮空氣供入空氣分解裝置138內也稱為抽氣的分流L1，在抽氣管140內連接換熱器162一次側，它的二次側設計為流動介質S′的中壓汽化器。換熱器162為構成汽化器循環163與設計為中壓汽包的水汽汽包146連接。此水汽汽包164通過管道166、168與配屬於水汽循環100的中壓汽包96連接。作為替換方式，換熱器162二次側也可以直接連接在中壓汽包96上。也就是說，在本實施例中，水汽汽包1 64間接地與設計為中壓汽化器的加熱面98連接。為了補給已汽化的流動介質S′，在水汽汽包164上還連接一給水管170。
沿壓縮空氣分流L1流動方向看在換熱器162下遊在抽氣管140內連接另一個換熱器172，它的二次側設計為流動介質S″的低壓汽化器。在這裡為構成汽化器循環174，換熱器172連接在設計為低壓汽包的水汽汽包176上。在本實施例中，水汽汽包176通過管道178、180連接在為水汽循環126配設的低壓汽包122上，並因而間接地與設計為低壓汽化器的加熱面124連接。作為替換方式，水汽汽包176也可以按其他恰當的方式連接，此時，從水汽汽包176提取的蒸汽可作為工業用汽和/或作為加熱用蒸汽供給輔助消耗器。按再一種作為替換方式的設計，換熱器172也可以在二次側直接連接在低壓汽包122上。此外，水汽汽包176連接一給水管182。
汽化器循環163、174可分別設計為強制循環，其中，流動介質S′或S″的循環通過循環泵保證，以及流動介質S′、S″在設計為汽化器的換熱器162或172中至少部分汽化。但在本實施例中不僅汽化器循環163而且汽化器循環174均分別設計為自然循環，在這種情況下流動介質S′或S″的循環通過在氣化過程中形成的壓差和/或通過各自換熱器162或172及各自水汽汽包164或176的地理學配置保證。在此設計中，在汽化器循環163或在汽化器循環174內，分別僅連接一臺未在圖中進一步表示的尺寸比較小的循環泵用於系統的起動。
為了在飽和器循環152內耦合入熱量，除了可加入在給水預熱器86下遊分出的已加熱的給水S的換熱器156外還設一飽和器水換熱器184，它的一次側可加入來自給水箱46的給水S。為此，飽和器水換熱器184一次側在進口端通過管道186與支管84連接，以及在出口端通過管道88與給水箱46連接。為了重新加熱從給水換熱器184流出的已冷卻的給水S，在管道188內連接一附加的換熱器190，它的一次側在抽氣管140內連接在換熱器172下遊。通過這樣的布局，可達到從抽氣中回收特別大的熱量並因而可達到燃氣和蒸汽輪機設備1特別高的效率。沿空氣分流L1的流動方向看，在換熱器172與換熱器190之間從抽氣管140分出一條冷卻空氣管192，通過它可向燃氣輪機2供入經冷卻的分流L的一個分量L′，作為冷卻空氣用於葉片冷卻。這一實施形式偶然見到使用。
在燃氣和蒸汽輪機設備1運行時向燃氣輪機2的燃燒器7供入合成氣SG，它通過在氣化裝置132內氣化礦物燃料B獲得。在這裡，合成氣SG在區域236內分成第一分流SG1和第二分流SG2，以及分流SG1、SG2分別供入燃燒器7用於燃燒。第一分流SG和第二分流SG2可分別經調整供給燃燒器7。
在圖2中詳細表示了以燃氣輪機2燃燒器7的合成氣運行為基礎的線路方案。圖2主要表示按圖1的區域236的放大圖和與放大表示的燃燒器7相應的連接。燃燒器7設在燃燒室6內，燃燒室6配屬於燃氣輪機2(見圖1)。在區域236內，在分叉點242從氣體管130分出另一氣體管131。燃燒器7有一燃燒器軸線252，沿此軸線延伸第一燃料通道238和在流動技術上與第一燃料通道238分開的第二燃料通道240。此外，燃燒器有一燃燒腔246，在其中形成第一燃燒區248a和第二燃燒區248b。第一燃燒區248a配屬於第一燃料通道238，以及第二燃燒區248b配屬於第二燃料通道240。在這裡，這些燃燒區248a、248b在空間上可以至少部分重疊。燃料通道238、240沿徑向彼此隔開間距地繞燃燒器7的燃燒器軸線252布置，其中，燃燒通道238、240分別構成一圓柱形環腔。在燃燒器7運行時給它加入燃燒空氣Lv，它通過壓縮空氣管8從壓氣機4提取(見圖1)。此外，氣體管130與第一燃料通道238連接，以及另一氣體管131連接在第二燃料通道240上，所以合成氣SG的第一分流SG1供入第一燃料通道238，而合成氣SG的第二分流SG2供入第二燃料通道240用於燃燒。其中，在第一燃燒區248a內的第一分流SG1和在第二燃燒區248b內的第二分流SG2中加入燃燒用空氣L並燃燒，在此過程中形成熱燃氣，將熱燃氣輸入燃氣渦輪2。
在按圖1A的燃料系統129起動時需要衝洗。這按下列方式進行在一個或多個步驟中，燃料-氣化系統129的第一和第二區分別用氮氣N2衝洗。氣化系統或第一區及燃氣輪機燃料系統或第二區，在這裡通過圖2中表示的在區域236中的氣體鎖200彼此分開。氣體鎖200連接在氣體管130中，其中此氣體鎖200設在另一氣體管131從氣體管130分叉點242的上遊。氣化系統本身包括氣化裝置132直至氣體鎖200，以及燃氣輪機燃料系統包括氣體鎖200和連接在下遊的部件直至燃氣輪機2具有燃燒器7的燃燒室6。
氣體鎖200包括一個設在氣體管130內的快速鎖閉附件202，在它下遊直接連接設計為球形開關的氣體鎖閉附件204。通過廢氣管207將關閉氣化裝置132後衝洗時的餘氣或在衝洗飽和器150和連接在下遊的換熱器時的餘氣向一個火焰排出。有附屬的附件的廢氣管207起氣體鎖200的卸壓系統206的作用。氣體管130可藉助氣體鎖200氣密地截止，並在需要時可藉助快速鎖閉附件202在特別短的時間內關閉。
在氣體鎖200下遊直接連接一個連接在氣體管130內的調節附件208a，通過它可調整合成氣SG去燃燒器7的第一分流SG1。另一個調節附件208b連接在從氣體管130分出的另一氣體管131內。通過調節附件208b可調整合成氣SG去燃燒器7的第二分流SG2。
為了用氮氣N2衝洗氣化系統或燃料系統第一區，亦即從氣化裝置132至氣體鎖200，採用來自空氣分解裝置138的純氮氣R-N2。為此，在空氣分解裝置138內在分解空氣流L時除了氧O2以外產生的氮，作為純氮氣R-N2通過輸入管210從空氣分解裝置138排出。從第一輸入管210分出一條可用閥212截止的支管214，它為了衝洗燃料系統129的第一區匯入礦物燃料的氣化裝置132。
為了用氮氣N2作為衝洗劑衝洗燃氣輪機燃料系統第二區，同樣採用純氮氣R-N2。為此，輸入管210匯入氮貯罐220。除此之外還在輸入管210內匯入一條可用閥222截止的備用管224，它的進口端與一個純氮氣R-N2的應急充填系統226連接。通過使氮貯罐220不僅與空氣分解裝置138而且與應急充填系統226連接，使它既可裝填來自空氣分解裝置的純氮R-N2，也可裝填來自應急充填系統226的純氮R-N2。因此，即使在空氣分解裝置138故障時，仍能特別可靠地保證衝洗氣化系統129。在這裡應如此確定氮貯罐226的尺寸它能滿足衝洗過程對純氮R-N2的要求和包括足夠大的備用容積。氮貯罐226出口側通過衝洗管228與氣體管130連接。衝洗管228在氣體管130內的入口設在合成氣SG下遊直接在氣體鎖200後面，亦即在氣體鎖附件204後面的區域內。
為了輸入在空氣分解裝置138內產生的不純的氮氣U-N2，從空氣分解裝置138(圖1)分出第二輸入管230，它匯入混合器146內。為了降低燃氣輪機NOx排放，在混合器146中在合成氣SG內摻入不純的氮氣U-N2。在這裡，混合器146設計用於氮氣N2與合成氣SG特別均勻和無縷束地混合。
在燃氣輪機2每一次從合成氣SG轉換為二次燃料時，這相應於輸入燃燒室6燃燒器7的燃燒氣體的一次轉換，規定用氮氣衝洗燃氣輪機燃料系統129。通過此衝洗過程，出自於安全技術方面的原因，必須將處於燃氣輪機燃料系統129內的合成氣SG基本上完全排擠掉。
在合成氣運行時，亦即在燃燒合成氣SG時，合成氣按分流SG1和SG2輸入圖2中表示的配屬的燃料通道240、238用於燃燒，此時可在第二分流SG2中摻入天然氣EG或蒸汽D。由此可按照要求提高或降低用於運行第二燃料通道240的第一分流SG1的熱值。為此設一輸入裝置244，它包括天然氣輸入系統244a和另一個用於蒸汽D或純氮R-N2的輸入系統244b。輸入裝置244在區域236內的連接點250處連接在另一氣體管131上，所以可以按需要通過輸入裝置244在另一氣體管131內並向第二燃料通道240加入一種相應的流體。在這裡有利的是第二燃料通道240獨立於第一燃料通道238供給合成氣SG。此外，分流SG1、SG2可通過衝洗管228或輸入裝置244的另一個輸入系統244b彼此獨立地加入純氮R-N2或蒸汽D並因而可衝洗。因此兩個合成氣分流SG1、SG2可以具有可調整的不同的熱值地運行。為第二燃料通道240配設的輸入系統244在這裡完成兩個任務，亦即，在天然氣運行時降低NOx以及在合成氣運行時有目的地調整熱值並在工作中控制燃燒。
採用這種用於運行燃燒器7的新方法和所說明的結構設計方案，可以實施用合成氣SG分級式運行一個發電廠設備3。這種合成氣運行的特點一方面在於在滿負荷情況下，當兩個燃料通道238、240各自流過分流SG1、SG2時足夠低的壓力損失。另一方面在於，即使燃氣輪機2用合成氣SG在最小負荷或空負荷下運行，所要求的最低壓力損失仍能通過在需要時僅僅利用例如第二燃料通道240保證。為此，通過第二燃料通道240相應的結構設計和確定尺寸，第二燃料通道240有比第一燃料通道238更大的流動阻力。可以有不同流阻的兩個燃料通道238、240的同時利用，可以在輸入燃燒器7的整個燃料質量流量預定的變化範圍內，使壓力損失有一個與迄今已知的系統相比小得多的變化範圍。因此，與單燃料通道設計方案的情況相比，燃氣輪機2在其基本負荷時的壓力損失與其最小負荷例如空負荷時的壓力損失的比值更小，在單通道方案中只有一個合成氣流輸入燃燒器7用於燃燒。
通過藉助為第二燃料通道240配設的輸入裝置244調整合成氣SG的稀釋比，可以使第一燃料通道238穩定化，第一燃料通道可以起合成氣SG主通道的作用。在合成氣SG的第二分流SG2通過第二燃料通道240較少稀釋時，第二燃燒通道240可起必要時大大稀釋的第一燃料通道238的先導火焰的作用。此外，通過有目的地對稀釋比施加影響存在著這樣的可能性在不複雜地改變燃燒器7幾何結構的情況僅通過分流SG1、SG2的輪流調整非常有效地影響火焰振蕩。採用按本發明的方法運行的燃燒器7的雙流道設計方案，可以特別有利的方式調整燃燒特性。因此在燃燒振蕩和燃燒器溫度方面優化燃燒特性的可能性，可通過適應相關的運行調整顯著改善。本發明的特點尤其在於，燃燒器7的至少一個燃料通道，例如第二燃料通道240，可按雙重功能利用，亦即在合成氣運行時作為合成氣通道或在以另一種氣態燃料B例如天然氣運行時作為該另一種氣態燃料，例如天然氣的燃料通道。也可以向燃料通道輸入由合成氣和天然氣以及必要時添加蒸汽組成的混合氣，以實現一種新型的混合運行。
權利要求
1.一種運行燃氣輪機(2)燃燒器(7)的方法，其中，礦物燃料(B)被氣化以及該氣化的礦物燃料(B)作為合成氣(SG)供給為燃氣輪機(2)配設的燃燒器(7)用於燃燒，其特徵在於該合成氣(SG)分成第一分流(SG1)和第二分流(SG2)，以及這些分流(SG1、SG2)分別獨立地供給該燃燒器(7)用於燃燒。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所述第一分流(SG1)和第二分流(SG2)經分別調整後輸入所述燃燒器(7)。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特徵在於在至少分流(SG1、SG2)之一中摻入天然氣(EG)或蒸汽(D)用於改變熱值。
4.按照權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於所述分流(SG1、SG2)根據燃氣輪機(2)要產生的功率調整。
5.按照權利要求1至4之一所述的方法，其特徵在於在燃氣輪機(2)最小負荷或無負荷運行時，所述分流(SG1、SG2)之一為零。
6.一種尤其用於實施按照權利要求1至5之一所述方法的發電廠設備(3)，其包括一個燃氣輪機(2)，為它配設一個帶有至少一個燃燒器(7)的燃燒室(6)，以及一個連接在燃燒室(6)上遊的燃料系統(129)，該燃料系統包括一個礦物燃料(B)的氣化裝置(132)和一條從該氣化裝置(132)分出並通入燃燒室(6)的氣體管(130)，其特徵在於在該燃燒室(6)上遊從該氣體管(130)分出另一條氣體管(131)，其中，所述氣體管(130)連接在燃燒器(7)的第一燃料通道(238)上，以及另一氣體管(131)連接在燃燒器(7)的一個在流動技術上與第一燃料通道(238)分開的第二燃料通道(240)上。
7.按照權利要求6所述的發電廠設備(3)，其特徵在於在所述氣體管(130)和另一氣體管(131)內分別設一調節附件(208a、208b)，通過它們可分別調整在所屬燃料通道(238、240)內的燃料流量。
8.按照權利要求6或7所述的發電廠設備(3)，其特徵在於在所述氣體管(130)內連接一氣體鎖(200)，它設在另一氣體管(131)從該氣體管(130)分叉點(242)的上遊。
9.按照權利要求6、7或8所述的發電廠設備(3)，其特徵在於可通過一個輸入裝置(244)向另一氣體管(131)供入天然氣(EG)或蒸汽(D)。
10.按照權利要求6至9之一所述的發電廠設備(3)，其特徵在於可向另一氣體管(131)輸入在所述氣化裝置(32)中產生的合成氣(SG)。
11.按照權利要求6至10之一所述的發電廠設備(3)，其特徵在於，該發電廠設備被設計為燃氣和蒸汽輪機設備(1)，其包括一個連接在燃氣輪機(2)煙氣側下遊的廢熱蒸汽發生器(30)，該廢熱蒸汽發生器的加熱面連接在一個汽輪機(20)的水汽循環(24)內。
全文摘要
本發明涉及一種運行燃氣輪機(2)燃燒器(7)的方法，在此方法中，一種礦物燃料(B)被氣化以及該氣化的礦物燃料(B)作為合成氣(SG)供給為燃氣輪機(2)配設的燃燒器(7)用於燃燒。在這裡該合成氣(SG)分成第一分流(SG1)和第二分流(SG2)，這些分流(SG1、SG2)分別供給燃燒器(7)燃燒。本發明還涉及一種發電廠設備(3)，尤其是燃氣和蒸汽輪機設備(1)，它包括礦物燃料(B)的氣化裝置(132)。
文檔編號F23L7/00GK1526050SQ02813871
公開日2004年9月1日 申請日期2002年7月8日 優先權日2001年7月19日
發明者弗蘭克·漢尼曼, 安德烈亞斯·海洛斯, 麥可·胡思, 伯索爾德·科斯特林, 胡思, 亞斯 海洛斯, 弗蘭克 漢尼曼, 德 科斯特林 申請人:西門子公司