組合設備的運行方法

2023-09-17 09:46:35

專利名稱：組合設備的運行方法
技術領域：
本發明涉及一種組合設備的運行方法。
現有技術中的現代組合設備通常採取下列調節措施進行工作由功率或轉速調節器控制的調節機構，亦即壓縮機導流排調整裝置、進氣預熱裝置和來自餘熱蒸汽發生器的蒸汽量的蒸汽注入裝置，引起循環的熱力學改變，諸如質量流量和壓力比變化。這些改變本身又要求有適配的燃料量。這通過相應的調節機構來實現，調節機構促使燃料計量。當壓縮機系統中存在中間冷卻器時，為了優化壓縮機分部的空氣動力學狀況，冷卻水量可以通過冷卻水計量裝置加以改變。
因此，例如局部關閉壓縮機導流排和/或預熱進氣，導致減少循環空氣流量，基於渦輪的通流原理，這種減少使得壓比下降。為了在這時防止在兩個燃燒室中溫度上升，必須減少燃料量。實現這一點最好藉助於使用兩個能方便和可靠測量的參數，即渦輪出口溫度和壓縮機系統的出口壓力。然而，直接測量高溫氣體溫度和高壓渦輪的出口溫度是有困難的，因為那裡的溫度水平很高。
反之，當進一步打開壓縮機導流排時，必須增加供給燃燒室的兩個燃料量，這通過前面所述的同一個調節機構實現。由此獲得的功率增加，是基於提高了燃燒室和渦輪的質量流量，與此同時也提高了壓力比。由此引起的低壓端渦輪出口溫度的下降，只是在一定程度上減少因提高質量流量而增加了的蒸汽產量，所以有效功率大體上與壓縮機輸送的空氣流量的增加成正比提高。由此可見，不可能大量提高蒸汽輪機的使用功率。
本發明將提供在這方面的補救辦法。本發明的目的是，在前言所述類型的方法中建議了一種調節方法，按這種調節方法促使提高使用功率，與此同時它還使效率最高以及有害物質的排放降到最低程度。
通過在壓力恰當的部位從蒸汽輪機抽取一定量的蒸汽並將這一蒸汽量注入燃氣輪機過程中適當的地方，使燃氣輪機功率的提高遠大於蒸汽輪機功率的下降。因此在總體上可以使功率增加10-15％。
蒸汽的注入最好在高壓燃燒室燒嘴上遊進行，在這種情況下，將這些蒸汽摻混在燃料中在熱力學方面是等效的。因為注入的蒸汽要被置於在燃燒室中製備的高溫氣體的溫度水平，這當然需要附加的燃料量，所以在餘熱蒸汽發生器中產生附加的蒸汽。儘管這種功率增加確定包含有此組合設備的效率略有下降，因為潛熱在煙囪中的損失比在蒸汽輪機冷凝器中的量更大，但因為注入燃氣輪機的蒸汽是在壓力適當的部位從蒸汽輪機抽取的，所以它不會成比例地降低整個蒸汽輪機的功率。
上面提到的效率略有下降可以按以下所述加以彌補插入一個中間冷卻器，通過將壓縮機至少再分為兩個壓縮機分部，提高燃氣輪機的功率，並因而也提高了此組合設備的功率。在恰當地選擇循環壓力比以及按壓力恰當分配壓縮機分部的兩個分壓力比時燃氣輪機的效率增加了，但就組合系統而言效率卻略有下降。這是因為在中間冷卻器中損失的燃料能量部分沒有在餘熱蒸汽發生器中用於生產蒸汽。不過，這一效率下降可通過在中間冷卻器中保持儘可能小的冷卻水量加以抑制，由此形成的高溫的壓力水在一個階式蒸發器中轉變為蒸汽，然後引入蒸汽輪機並在那裡作功。
因此通過改變冷卻水量，可以影響在第二個壓縮機分部的進口溫度，所以，當工作點偏離額定點時這兩個壓縮機分部可加以校正，使它們的效率最大，這又會對組合設備的總效率產生影響。
下面藉助於附圖表示本發明的一種實施例並詳細說明。所有對於直接理解本發明無關的部分均省略。介質的流動方向用箭頭表示。
唯一的圖表示了一種組合設備的線路，它的燃氣輪機組按順序燃燒設計。


圖1中表示了一種組合設備，它由一個主要包括地點1a-12、16、53的燃氣輪機組、一臺餘熱蒸汽發生器14和一個蒸汽循環組成。可作為自主單元工作的燃氣輪機組包括一個壓縮機部件，下面對它還要詳細說明；在壓縮機部件下遊的第一燃燒室4；在此燃燒室4下遊的第一渦輪7；在此渦輪7下遊的第二燃燒室9；以及，在此燃燒室9下遊的第二渦輪12。上升流體機械1、7、12有一根統一的轉子軸53，它通過一個圖中看不到的離合器與發電機16連接。此轉子軸53最好支承在圖中沒有表示的兩個軸承上，軸承最好安排在壓縮機部件的前端和第二渦輪12的下遊。在這裡的壓縮機部件，例如為了提高單位功率，再分為兩個壓縮機分部1a、1b，在它們之間連接有一個中間冷卻器37，其中，第一個壓縮機分部1a配備有壓縮機導流排調整裝置52。吸入的空氣2在第一壓縮機分部1a中進行預壓縮之前流過進氣預熱器34。接著，經預壓縮的空氣2a流過已提及的中間冷卻器37，然後作為經過中間冷卻的預壓縮空氣2b流入第二壓縮機分部1b。經它最終壓縮後，壓縮空氣3最好流入一個圖中沒有表示的機殼中，此機殼圍繞壓縮機出口和第一渦輪7。在此機殼內還裝有第一燃燒室4，它最好設計為連接在一起的環形燃燒室，其中流入壓縮空氣3。當然，用於第一燃燒室4工作的壓縮空氣也可以由圖中沒有表示的儲氣設備提供。環形燃燒室4的頭部沿圓周分布有一些圖中沒有表示的燒嘴，這些燒嘴負責燃燒。燃料5的供應最好通過一根圖中沒有表示的環形管道進行，其中在這裡至少設有一個調節機構5a。在這裡可以使用擴散式燒嘴。為了減少有害物的排放，尤其是NOx的排放，以及為了提高效率，最好採用按EP-0321809B1的預混燒嘴的結構，這一出版物中的專利對象是本說明書整體的組成部分；此外，這一說法也適用於那裡所介紹的燃料供入裝置型式以及燃燒空氣的成分，這種燃燒空氣例如可以用再循環的煙氣加濃。有關燃燒空氣的供入裝置型式及成分，這一考慮也適用於第二燃燒室9。就預混燒嘴沿環形燃燒室4圓周方向的排列而言，如果需要這種排列可以採用不同於傳統的相同尺寸燒嘴的結構，而可代之以使用相同或不同結構的尺寸不同的預混燒嘴，這最好為了區分副燒嘴和主燒嘴。當然，環形燃燒室4可由一些單管燃燒腔組成，它們圍繞著轉子軸53同樣也可以排列成斜管狀的，有時也可以是螺旋狀的。這一環形燃燒室4與它的設計無關，幾何上可以安排成實際上它對於轉子長度沒有任何影響。由這種配置得到的優點在下面還要詳細說明。由此環形燃燒室4排出的高溫氣體6進入緊接在它後面的第一渦輪7，第一渦輪7給予高溫氣體6的熱膨脹作用有意識地保持為最小，也就是說，此渦輪7由不超過一至兩個工作葉片排組成。對於這樣一種渦輪7，為了穩定軸向推力，有必要在斷面提供壓力平衡。在渦輪7中部分膨脹並直接流入第二燃燒室9的熱排氣8，出自於所說明的原因而具有相當高的溫度，最好按具體工作設計這一溫度，使它肯定仍在1000℃左右。此第二燃燒室9最好具有連接在一起的環形的、軸向或準軸向圓筒的形式；當然它也可以由一些軸向、準軸向或螺旋形排列的本身獨立的燃燒腔組成。當涉及的是由一個個燃燒腔組成的環形燃燒室9的構型時，則沿此環形圓筒周圍方向設置多根燃料管10，在這種情況下，它們當然還可以通過一根圖中沒有表示的環形管道互相連接。這種燃料供入裝置還至少設有一個調節機構10a。此燃燒室9按傳統本身沒有燒嘴在來自渦輪7的熱排氣8中噴入的燃料10的燃燒，在這裡通過自燃實現，但條件是溫度水平允許按這種工作方式進行。以此為出發點，燃燒室9通過氣態燃料亦即例如天然氣工作，為了自燃，來自渦輪7的熱排氣8的溫度必須約為1000℃，當然在部分負荷工作的情況下也必須如此，這對於此渦輪7的設計起一種因果關係的作用。為了保證設計用於自燃的燃燒室能可靠工作和有高的效率，極為重要的是火焰前鋒保持地點穩定。為此目的，在燃燒室9中，最好在內壁和外壁上，沿圓周方向設一系列在圖中沒有表示的渦流發生器，它們最好設在沿流動方向燃料管10的上遊。此渦流發生器的任務是產生渦流，然後在渦流中供入燃料，在進一步的下遊，渦流誘導出一個穩定的回流區，類似於在環形燃燒4中預混燒嘴後的那種。因為燃燒室9鑑於軸向排列和其結構長度涉及的是一種高速燃燒室，它的平均速度大於約60米/秒，所以渦流發生元件亦即渦流發生器必須設計為適合流動的。它們的入流側最好應由帶入流斜面的四邊形的形狀構成。如已提及的，渦流發生元件可以或定位在燃燒室9外表面上，或定位在其內表面上，或作用在兩處。在外面和裡面的渦流發生元件之間的斜面最好排列成對映形態，使得在燃料10噴入區的下遊在燃燒室9中的流通橫截面受到一個產生回流的擴張。當然，這些渦流發生元件也可以沿軸向彼此錯移。渦流發生元件流出側的表面定向為基本上垂直於內壁，所以從這裡起可以出現所企求的回流區。有關渦流發生器的具體結構可參見EP-0619133A1，它是本說明書整體的一部分。同時，對於各種燃料在燃氣輪機組的過渡的負荷區和局部負荷區都能保證在燃燒室9中的自燃，這意味著必須採取輔助措施，以保證，即使在燃料10噴入區內熱排氣8的溫度可能發生變化，在燃燒室9內仍能自燃。為了確保做到這一點，可以在主燃料中添加少量具有低自燃溫度的另一種燃料。在這裡作為「輔助燃料」例如燃油是極為合適的。當從第一渦輪7排出的熱排氣8的溫度在企求的最佳水平以下時，適當噴入液態輔助燃料來完成所謂起導火索作用的任務，並引發在燃燒室9中的自燃。若燃氣輪機組以降低了的負荷運行，這一提供燃油保證自燃的措施業已證明總是特別恰當的。此外，這一措施對於使燃燒室9能具有最小的軸向長度起決定性的作用。燃燒室9短的結構長度、用於形成混合和使火焰穩定的重要的渦流發生器的作用以及持續地保證自燃，這些都是造成燃燒能非常快速地進行以及燃料在熾熱的火焰前鋒區保持最少停留時間的原因。由此直接從燃燒狀況可測得的一個具體效果是有關NOx排放，由於NOx排放量減到了最低程度，以致它不再構成任何話題。此外，這一起始狀況使得有可能明確確定燃燒位置，這對於此燃燒室9的結構最佳地冷卻有影響。在燃燒室9內準備好的熱氣體11接著進入在其下遊的第二渦輪12。燃氣輪機組的熱力學特徵參數可以設計為，使從第二渦輪12排出的排氣13中仍有相當高的熱勢，以便使下遊的餘熱蒸汽發生器14工作。如在說明環形燃燒室4時已指出的那樣，它的幾何尺寸設計為實際上對轉子長度沒有任何影響。此外可以規定，在第一渦輪7出口平面與第二渦輪12入流平面之間的第二燃燒室9佔最小長度。還有，熱氣體6在第一渦輪7中的膨脹，出自於已闡明的理由，通過少量工作葉片排完成，所以可以製成單軸式結構緊湊的燃氣輪機組。當在第二燃燒室9前設圖中沒有表示的小型擴壓器時，則對於提高燃氣輪機組的效率是有利的。因此減小了整個系統的總壓損失。藉助於傳統的擴壓器設計曲線可以證明，在擴壓器為最小長度時就已經可以獲得大的總壓恢復係數。如上所述，壓縮機分部1a、1b可配備中間冷卻。為了在這種情況下不改變如圖中所表示的燃氣輪機組的基本幾何方案，中間冷卻器37可與靜子機殼組合在一起，最好直接沿壓縮機分部的流動方向。在此中間冷卻器37中的冷卻間接或直接地進行。在直接式中間冷卻時，這例如可以通過一個裝置來實現，這一裝置的工作設計為汽化注入的水。於是獲得了這樣一種構型，它完全取消了傳統的裝在靜子機殼外面的中間冷卻器的連接管道，以及從此中間冷卻器通過靜子機殼至下一個壓縮機分部的連接管道。
如已說明的那樣，從第二渦輪12排出的排氣13流過餘熱蒸汽發生器14，然後作為煙氣15經煙囪排出。在這裡所表示的餘熱蒸汽發生器14產生新鮮蒸汽31。當然也可以設這樣的餘熱蒸汽發生器，它可按混壓式系統工作，相應地可提供多種品質的蒸汽。
在餘熱蒸汽發生器14中生產的新鮮蒸汽31經調節機構32流入蒸汽輪機17，它的軸也與曾提及的發電機16連接。從蒸汽輪機17排出的經膨脹的蒸汽18流過冷凝器19，冷凝器19用一種適用的冷卻劑20工作。由此形成的冷凝水21按需要添加補充水22，因此基本上形成冷卻水21a，此冷卻水21a然後通過輸送泵23輸送，朝壓縮機系統的中間冷卻器37的方向流動，此時冷卻水21a的第一部分量24首先引入混合預熱器26。其餘的冷卻水接著通過另一臺輸送泵25引入上述中間冷卻器37。從混合預熱器26排出的蒸汽27經調節機構28流入蒸汽輪機17並在那裡作功。由此混合預熱器26還製備給水29，給水29通過輸送泵30流入餘熱蒸汽發生器14，在那裡通過熱交換過程轉變為用於供入蒸汽輪機17的蒸汽31。由於在中間冷卻器37中冷卻了預壓縮空氣2a，通過適當的流量控制，從冷卻水21a形成熱的壓力水38，它在配備有調節機構39、42的階式蒸發器40、41、43中部分轉變為蒸汽48、49，蒸汽48、49在適當的位置通入蒸汽輪機17。通過上述階式蒸發器的第三次汽化在第二蒸發器43的下遊進行管道44經調節機構47將仍然熱的壓力水送入混合預熱器26，在此混合預熱器26的上遊，具有調節機構46的支管45將一部分冷卻水量送入另一根冷卻水管道21a。從上述混合預熱器26中排出蒸汽前面早已說明。在壓力恰當的位置處從蒸汽輪機17抽取一個蒸汽量33，用於預熱進氣2。流過此進氣預熱器34後，冷凝水35經調節機構36流入冷卻水管道21a。從蒸汽輪機17抽出的第二個蒸汽量50經調節機構51流往燃氣輪機組第一燃燒室4的上遊，參與熱氣體的生產，這種蒸汽的注入大大提高了組合設備的使用功率，這在本說明書的發明概述中已詳細闡述。
設備的調節至少通過下列要控制的調節機構來實現功率和轉速調整通過壓縮機導流排調整裝置A、調節機構36處的進氣預熱裝置B和調節機構51處的向燃氣輪機組的蒸汽注入裝置C來完成。由此引發的循環熱力學方面的改變，如質量流量和壓力比，本身又要求燃料量D和E與之適配，燃料量D和E的適配通過調節機構5a、10a來完成。此外，在功率低於額定功率的約50％的情況下，當調節壓縮機導流排調整裝置A和進氣預熱裝置B時，燃料的計量D和E起初級調節方法的作用。為了優化壓縮機分部1a、1b的空氣動力學狀況，在中間冷卻器37上遊對調節機構25處的冷卻水進行計量F。
符號表1a壓縮機分部1b壓縮機分部2 進氣2a預壓縮空氣2b經中間冷卻的預壓縮空氣3 壓縮空氣4 第一燃燒室5 燃料，對4的燃料供入裝置6 第一燃燒室4的熱氣體7 第一渦輪8 從7的熱排氣9 第二燃燒室10燃料，對9的燃料供入裝置11第二燃燒室的熱氣體12第二渦輪13排氣14餘熱蒸汽發生器15煙氣16發電機17蒸汽輪機18膨脹後的蒸汽19冷凝器20冷凝器的冷卻介質21冷凝水21a 冷卻水22補充水23輸送泵24一部分冷卻水21a25輸送泵26混合預熱器27混合預熱器出口的蒸汽28調節機構29來自26的給水30給水泵31新鮮蒸汽3231的調節機構33從17的抽汽34進氣預熱器35冷凝水36調節機構37中間冷卻器38壓力水39調節機構40階式蒸發器41來自40的壓力水管道42調節機構43階式蒸發器44來自43的壓力水管道45冷卻水支管46調節機構47調節機構48閃蒸蒸汽49閃蒸蒸汽50從17的抽汽5150的調節機構52導流排調整裝置C蒸汽注入裝置53轉子軸D4的燃料計量裝置A 壓縮機導流排調整 E9的燃料計量裝置裝置B 進氣預熱裝置 F21a的冷卻水計量裝置
權利要求
1.一種組合設備的運行方法，這種組合設備主要由一個燃氣輪機組、一臺餘熱蒸汽發生器和一個至少配備一臺蒸汽輪機的蒸汽循環組成，其中，燃氣輪機組由一個壓縮機部件以及總是由至少一個燃燒室、一個渦輪和一臺發電機組成，其特徵為為了提高蒸汽輪機(17)的使用功率，在壓力恰當的位置，至少抽取一個通過調節器(C)確定的蒸汽量(50)，將它在適當的位置輸入燃氣輪機組；以及，為了保持如此誘導的功率，至少對至少一個燃燒室(4、9)的燃料量(5、10)的計量裝置(D、E)施加影響。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵為當在壓縮機部件(1a、1b)中設有中間冷卻器(37)時，蒸汽量(50)的調節器(C)附加地與壓縮機導流排調整裝置(A)、進氣(2)預熱調節器(B)和在中間冷卻器(37)中冷卻水(21a)的計量裝置(F)一起工作。
3.按照權利要求1所述的方法，其特徵為蒸汽量(50)在壓縮機部件(1a、1b)的下遊供入燃氣輪機組。
4.按照權利要求1所述的方法，其特徵為燃氣輪機組按順序點火運行。
5.按照權利要求4所述的方法，其特徵為進入第二燃燒室(9)的來自第一渦輪(7)的排氣(8)所具有的溫度水平，高於噴入第二燃燒室(9)的燃料(10)的自燃溫度。
全文摘要
本發明涉及一種組合設備的運行方法，這種設備主要由一個燃氣輪機組、一臺餘熱蒸汽發生器和一個配備蒸汽輪機的蒸汽循環組成，其中，燃氣輪機組按順序點火運行，為了提高蒸汽輪機的使用功率，在壓力恰當的位置，至少抽取一個通過調節器確定的蒸汽量。然後，將這一蒸汽量在適當的位置輸入燃氣輪機組，為了保持如此誘導的功率，至少對在至少一個燃燒室處的燃料量的計量裝置施加影響。
文檔編號F01K23/10GK1165238SQ97110568
公開日1997年11月19日 申請日期1997年4月22日 優先權日1996年4月22日
發明者H·弗魯茲徹 申請人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司