驅動發電站設備的方法

2023-06-11 04:50:31

專利名稱：驅動發電站設備的方法
技術領域：
本發明涉及一種驅動發電站設備的方法。
EP-0462458A1是一種已公開的發電站設備，它基本上由一個燃氣蝸輪機組、一個尾部附接的餘熱發生爐和一個注入系統構成。這種燃氣渦輪機組屬於獨立的成套設備，其組成部分為發電機，壓縮機，燃燒室和渦輪機。渦輪機輸出的廢氣送入餘熱發生爐中，以便能源回收。從廢氣中釋放的熱能在餘熱發生爐的高壓區內產生高壓蒸汽，繼而送入所述注入系統，提供給那裡的噴嘴。在這個注入系統的收集噴嘴內導入來自壓縮機的壓縮空氣，這些氣體將由吹風噴嘴進行處理得到進一步壓縮。這個餘熱發生爐採用雙壓鍋爐，所以低壓區的蒸汽供給燃燒室。這一措施有利於使有害物質發射，尤其是NOx發射最小化。同時，該設備的功率得以提高，而效率收益卻相對保持不變，於是，對於一個整體的聯合設備而言，會遇到效率和功率只能選擇提高其中之一的矛盾。
本發明致力於解決這個矛盾，其任務是提供一種方法，通過有效地全面回收燃氣渦輪機中的蒸汽量，同時提高所述效率和功率。
這種燃氣渦輪機的基本電路是基於一種串行燃燒原理。這個燃氣渦輪機組以前所未有的特殊方式將在串接的餘熱發生器中產生的蒸汽注入該迴路內。如此循環布置所獲得的功率高於無蒸汽注入的同類機組功率的2-3個功率因子。並且這種用注入蒸汽帶動的燃氣渦輪機組的效率非常接近這類聯合設備能實現的最佳值。
本發明的主要優點在於，相對於聯合設備而言，這種具有蒸汽噴入的燃氣渦輪機組所花費的投入要低得多，因此提供了一種非常經濟有益的方案。
本發明的又一優點是這個機組的耗水量只是現代流行的溼冷凝蒸汽迴路耗水量的三分之二；與具有相同功率的同類聯合設備的耗水量相同。此外重要的是，部分回收的水所需費用是微不足道的，它實際上對於發電成本並無多大影響。
本發明的方法特別適用於降低單位設備造價，提高效率和快速啟動和帶負載性能，這裡包括平均負載和滿載運行。其基本應用範圍要求在基荷下長期工作。
本發明的優越性和其餘方案體現在權利要求的內容中。
下面將參照附圖所示的本發明的實施例進一步加以說明。所有從本發明的直接教導能理解的非必要部件這裡不再贅述。所述的物質的流動方向均用箭頭示出。在各圖中用相同的標號代表同樣的元件。
附圖為

圖1是一個燃氣渦輪機組的電路圖，包括串行的燃燒室，一個餘熱發生器和一個向該機組內適當位置噴吹的蒸汽噴吹裝置，圖2是另一圖1的改進電路，帶有不同的蒸汽噴吹裝置，圖3是與圖1有關的又一電路，帶有一接在電路中的汽輪機，以及圖4是與圖3有關的又一電路，其中由汽輪機輸出的反壓蒸汽被二次加熱。
圖1表示一個燃氣渦輪機組，包括一個共同作用的餘熱發生器14，這個餘熱發生器14中儲存的蒸汽噴吹到該燃氣渦輪機組內的適當位置上。接著我們將談到要使用的燃料與燃氣渦輪機組共同作用的煤氣化過程需要消耗燃料。當然，也可以採用由一個一次網得到的燃料。將已成為氣態的燃料通過管線供給機組，驅動該燃氣渦輪機組，因此從一次網和供應網之間的壓力差和/或溫差所得到的潛能可實現餘熱利用，這對該燃氣渦輪機組或整個設備而言是具有重要意義的。這個燃氣渦輪機組是一個獨立的設備，包括一個壓縮機1，一個與壓縮機1尾部附接的第一燃燒室4，一個位於第一燃燒室4之後的第一汽輪機7，在第一汽輪機7之後的是第二燃燒室9，接在第二燃燒室9之後的是第二汽輪機12。這些渦輪機1，7，12具有一個共同的轉軸24，它通過一個圖中未示出的聯軸器與發電機19的軸相連接。這個轉軸24最好由兩個軸承支承，它們安置在壓縮機1的上遊處和第二汽輪機12的下遊處。壓縮機級可根據設計參數分為兩個子壓縮機，以提高其功率。被吸入的空氣2經壓縮機壓縮後進入一個圖中未示出的腔室內，它將壓縮機出口與第一汽輪機7相連通。第一燃燒室4也處於這個腔室內部。該燃燒室最好採用環式燃燒室，其內流入被壓縮的氣體3。不過，送入燃燒室4的壓縮氣體也可來自一個未畫出的蓄氣罐。在環式燃燒室4的頂側上，圍繞其圓周分布有多個圖中未示出的噴嘴，以維持燃燒狀態。本實施例中可採用擴散噴射的噴嘴。如果考慮減小有害材料的發射，特別是產生NOx發射時，為提高機組的效率，最好採用由EP-0321809B1所推薦的一種預混燃燒器裝置，這個文獻的專利主題是說明書中各組件的組合，包括說明書中所描述的燃料供應和燃燒氣體的合成方式，例如對返回的廢氣的積聚，在圖1中用箭頭5表示。燃氣的這種供應和合成方式也適用於第二燃燒室9。這個預混燃燒裝置沿環形燃燒室4的圓周方向布置，因此在需要常規尺寸和外形的同類噴嘴的安裝位置處會產生偏差和不匹配，這完全可以通過採用不同大小的預混噴嘴來代替。簡單的作法是，在每兩個大的預混噴嘴之間插入一個具有相同輪廓的較小的預混噴嘴。大的預混噴嘴起到主燃燒器的作用，而小的預混噴嘴在環形燃燒室4內起到導向作用，它引導通過的燃燒氣體，也引導來自壓縮機1的壓縮空氣了，它們的比例視具體情況而確定。在環形燃燒室4的整個負載區域內工作的導向噴嘴就象一個獨立的預混燃燒器，它保持氣量基本恆定。而主燃燒噴嘴的開與關是與所用的確定的設備特性有關的。如果導向燃燒器在滿負載區域上能實現理想的混合，可使NOx發射現象很弱，即使在局部負載區域上也同樣。在這樣的噴嘴布置情況下，在環形燃燒室4的前部範圍上的環繞的流線產生非常靠近該導向噴嘴的渦動中心，使得只有通過這些導向噴嘴才能實現點火。若要加速，則應儘可能加大通過該導向噴嘴供應的燃料量5，直到調節導向噴嘴達到全部燃料量得到利用的程度。這種結構設計應使這個點與燃氣渦輪機組的各退載條件相符合。進一步提高功率則由主噴嘴實現，當該燃氣渦輪機組達到尖峰負載時，主燃燒噴嘴也已調到最大位置。由於觸發較小結構的導向噴嘴起燃的渦動中心在由較大的主噴嘴冷卻的渦動中心之間很不穩定，在局部負載區域內工作的主噴嘴具有低配合比，可實現良好的燃盡性能，同時使NOx發射、CO-和UHC發射極小，也就是說，導向噴嘴的渦流立刻壓入主噴嘴的小渦流內。此外，環形燃燒室4也可由若干單獨的管形燃燒室組成，它們呈斜面環形和間或螺紋形地圍繞轉軸安裝。這些環形燃燒室4在幾何上的布置原則與其設計參數無關，但應對轉軸長度方向不產生影響。這種布置方案的優越性將在後面進一步說明。從這個環形燃燒室4輸出的熱氣6向緊接其後的第一汽輪機供氣，它使熱氣6的熱膨脹效應有意地保持到最小，即，這個汽輪機7是由不超過一至兩個的工作輪葉片系列構成。這種汽輪機7必須在其端面上具有壓力平衡，以滿足軸向推力穩定的要求。經汽輪機7部分卸壓的熱廢氣8直接進入第二燃燒室9內，它具有相當高的溫度，最好將該燃燒室的設計參數設計為能可靠承受1000℃的高溫。第二燃燒室9的基本構形在軸向上為環形，在徑向上為圓筒形；這個燃燒室9也可由若干個軸向上、徑向上或螺紋形布置的自身封閉的燃燒室構成。環形構形是抬由一單個燃燒腔構成的燃燒室9，因此在這個環形圓筒的圓周上布置有多個燃料噴管，在圖1中用箭頭10表示，這些噴管可用一根導環相互連接在一起。這個燃燒室9本身不裝設噴嘴在從汽輪機7饋入的熱廢氣8中噴射的燃料10的燃燒在這裡是通過自點火實現的，因此這種工作方式允許處於任意的溫度水平。由此，燃燒室9由氣態燃料所驅動，也可採用天然煤氣燃料，為實現上述自點火過程，由汽輪機7供給的熱廢氣8的溫度大約為1000℃。這也就是說，為保證在燃燒室9內的煤氣能自點火，從汽輪機7輸出的熱廢氣8的出口溫度必須高於上述的1000℃，在部分負載工作方式時也要求如此，這一點在設計汽輪機7的基本參數時必須予以考慮。對於以自點火方式工作的燃燒室而言，其焰峰在各點應保持穩定，這對於提高運行可靠性和提高效率提供了重要的保證。為此，在這個燃燒室9內的內壁和外壁的圓周方向上最好安裝一排圖中未示出的渦流發生器，它們沿軸向布置在燃料噴管10的上遊。這些渦流發生器的任務是產生渦流，這些渦流導致一個回流區，道理同環形燃燒室4的預混噴嘴。這個燃燒室9屬於一種高速燃燒室，其速度與軸向布置和組件長度有關，它的平均速度約為60m/秒，因此所有產生渦流的元件，包括渦流發生器的構形採用射流正形。其進汽側最好採用帶有進汽傾斜面的四面體形式。產生渦流的器件可以裝在燃燒室的外表面上或內表面上，或者裝在上述兩面上。處於外部的和內部的產生渦流的器件之間的傾斜面最好以對映形態布置，使得在吹入燃料10之處下遊的燃燒室9的通流有鏟斷面獲得更大的渦流產生效應。此外，產生渦流的器件也可以軸向相互移動。這些產生渦流的器件的下遊側表面基本上為徑向輻射狀，以便自那裡形成一個回流區。渦流發生器的特殊結構可參考EP-0619133A1說明書，它是該文獻中描述的一個組件。燃燒室9內的自點火過程必須在燃氣渦輪機的瞬態負載區及局部負載區可靠地維持，也就是說，它必須能輔助流通，當熱廢氣8的溫度在噴射燃料10的區域內得到變動調節時，燃燒室9內的自點火過程應可靠維持。為了確保噴射氣態燃料10時燃燒室9內能可靠地自點火，將在該燃料內加入少量具有低點火溫度的其他燃料。本例中推薦採用石油類燃料作為輔助燃料。液體輔助燃料也被射入，它起到點火索的作用，並且當由第一汽輪機7供給的熱廢氣8的溫度低於應達到的最佳溫度水平時，釋放燃燒室9的自點火。這種採用液體燃料輔助自點火可靠進行的辦法尤其適用於該燃氣渦輪機組以下降的負載運行的情況。這種輔助設置的貢獻還在於，使這個燃燒室9的軸向轉動能達到最小。燃燒室9的構件長度較短、保持火焰穩定的渦流發生器的作用和上述的保證自點火無疑都是重要的，使燃燒能非常快速地實現，並用使燃料在熱焰峰的區域內的停留時間儘可能短。有關的NOx發射通過直接測量燃燒特性可測知，這種發射可最小化，以致達到可以忽略的程度。這個輸出位置能夠較遠，離開清楚限定燃燒點的區域，實現燃燒室9結構的最佳冷凝化。在燃燒室9內擴散的熱氣11又送入接在其後的第二汽輪機12。這個燃氣渦輪機組的勢力學特性值可以這樣獲得，由汽輪機12輸出的廢氣13具有相當多的卡路裡熱能，這些熱能應足以驅動接在其後的餘熱發生器14。正如在環形燃燒室4的有關說明所述，其幾何尺寸應使其在軸長度方向上不產生影響。另一個確定的因素是第一汽輪機7的排氣級和第二汽輪機12的進汽級之間的第二燃燒室9的長度應儘可能短。此外，熱氣體從第一汽輪機7中排出，通過少量工作葉片系列減壓，由於燃氣渦輪機組的轉軸24具有最短的長度，因此它只依靠兩個圖中未示出的軸承支承即可。靠壓縮機側的轉軸24帶有一個聯軸器，它用於功率輸出。如果在第二燃燒室9之前加裝一個小型擴壓器，可以提高該燃氣渦輪機的效率。這樣可以避免在整個系統中產生失壓。根據常規的擴壓器設計圖可知，在最短的擴壓器長度的情況下，可獲得較高的動壓增益率。如上所述，壓縮機級可設計成帶有中間冷卻。為此不必改變圖1中所示的燃氣渦輪機組的基本設計結構和布置關係，這個圖中看不見的中間冷卻器建議安裝在定子腔內，並且沿著壓縮機級的氣流方向布置。這個中間冷卻器中可實現間接冷卻或直接冷卻。在直接式冷卻方式中，這一過程是用一成套設備完成的，它負責將噴射的水霧化。於是其結構為用常規的連接管路接到一個位於定子腔外面的中間冷卻器上，然後從該中間冷卻器返回經過定子腔接到下一個壓縮機級。第二汽輪機12排出的廢氣13穿過餘熱發生器14，它帶有至少一個鍋胴20和一個存水泵21。在餘熱發生器14內回收熱能的廢氣13變成煙氣22排出。在低臨界點工作的餘熱發生器14提供兩種形式的蒸汽一部分高熱的蒸汽15直接噴入第二燃燒室9的較窄或稍寬區域，或如圖2所示送入第一燃燒室4。另一部分是取自鍋胴20的已蒸發的飽和蒸汽16，它光送入一熱交換器17中。根據逆流原理，由壓縮機1排出的一部分壓縮氣體18會經過這個熱交換器17流到另一側。飽和蒸汽16在熱交換器17中通過壓縮加熱變成高熱氣體，從而獲得100％的能量回收。另一方面，可以說利用熱交換器17中的溫差可實現完全的能量回收。在這個電路圖中，考慮到只有一部分到達熱交換器17的飽和蒸汽能被加熱，也就是說，從餘熱發生器14輸出的約70％的蒸汽用作高熱蒸汽15，還有約30％用作飽和蒸汽16。在熱交換器17內加熱的蒸汽15流入第二燃燒室9，用於提高該設備的動力和效率。而在熱交換器17內冷卻的壓縮氣體可繼續用作設備的高熱負載組件的高質冷卻氣體26。圖1中可看出這個冷卻氣體26送入第一汽輪機7中。在圖中還示出了又一壓縮氣體輸出23，它用作第二汽輪機12的冷卻氣體，根據上述熱交換原則，在這個壓縮氣體23中也會發生一種熱交換，其作用同上述熱交換器17類似。這個機組的功率根據其迴路布置方案一般高於沒有吹入蒸汽的燃氣渦輪機組的功率2-2.5個因子(Faktor)。因此它能實現由最好的組合設備構成的系統的最佳值。由於與常規組合設備系統的造價相比，這種具有蒸汽吹入的燃氣渦輪機組的造價相當低，因此具有顯著的經濟效益。這種優越性歸功於機組串行燃燒過程的緊湊連繫，特別是與傳統的機組相反，蒸汽首先可由於具有一很大的蒸汽落差產生膨脹，接著迫使吹入的蒸汽二次加熱，最後利用第二汽輪機12輸出的廢氣13的高溫產生高溫和高熱值的蒸汽量。
圖2與圖1的電路的區別在於，在餘熱發生器14中產生的高熱蒸汽27直接噴射入第一燃燒室4的窄的或寬的區域內。其他的區別細節圖中未給出。
圖3是圖1的又一改型，其中蒸汽壓力最好具有高臨界值。從第二汽輪機12輸出的廢氣13送入餘熱發生器28內，這個餘熱發生器沒有鍋胴裝置，再加熱的蒸汽29首先供給一個蒸汽機30，它通過一個傳動裝置33與轉軸24相連接。由蒸汽機30輸出的逆壓蒸汽31的一部分直接送入第一燃燒室4的窄或寬的區域內，而逆壓蒸汽的另一部分32按圖1或圖2的同樣原理得到二次加熱，然後從熱交換器17的排氣側噴入第一燃燒室4內。這個裝置比圖2的裝置能顯著提高功率，使該燃氣渦輪機組的功率因子最大達到了，而效率保持在同樣水平。
圖4表示又一實施例，它可在降低額外附加工作的同時，顯著提高效率。來自蒸汽機的逆壓蒸汽32的一部分34返回一個具有相應構造的餘熱發生器36中，然後在其內經過二次加熱，再變成蒸汽35噴射到燃氣渦輪機組內的一適當位置上。其餘的逆壓蒸汽32將以常規方式被加熱(比較圖1-3)，然後噴射到該燃氣渦輪機組的適當位置上。
權利要求
1.驅動發電站設備的方法，該設備主要由一燃氣渦輪機組和一接在其後的餘熱發生器構成，燃氣渦輪機組排出的廢氣穿過該餘熱發生器，該燃氣渦輪機組主要包括一壓縮機，一在壓縮機下遊工作的第一燃燒室，一在第一燃燒室下遊工作的第一渦輪機，一在第一渦輪機之後的第二燃燒室和一個接在第二燃燒室之後的第二渦輪機，這些燃燒室由氣態和/或液態燃料激發工作，其特徵在於，在餘熱發生器(14，28，36)中產生的一部高熱蒸汽(15，27，35)噴射入該燃氣渦輪機組內的一適當位置上，而在餘熱發生器(14，28，36)中積聚的另一部分飽和蒸汽(16)和/或逆壓蒸汽(32)引導至至少一個流過壓縮氣體(18)的熱交換器(17)中，經過熱交換器(17)處理的高熱蒸汽(25)也噴射到該燃氣渦輪機內的合適位置上。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於，由余熱發生器再加熱的至少一部分高熱蒸汽(15，27，35)與至少一個燃燒室(7，12)中的燃料(5，10)相混合。
3.根據權利要求1的方法，其特徵在於，在餘熱發生器中再加熱的至少一部分高熱蒸汽(15，27，35)被引入至少一個燃燒室(7，12)內。
4.根據權利要求1的方法，其特徵在於，在餘熱發生器中再加熱的至少一部分高熱蒸汽(15，27，35)或飽和蒸汽(16)或逆壓蒸汽(32)用作燃氣渦輪機的過熱機構的冷卻介質。
5.根據權利要求1的方法，其特徵在於，高熱蒸汽(15，27，35)或飽和蒸汽(16)或逆壓蒸汽(32)中的至少一部分用作向有關燃燒室(7，12)內噴注燃料(5，10)的推動介質。
6.根據權利要求1的方法，其特徵在於，逆壓蒸汽(32)從處於餘熱發生器(28，36)下遊的蒸汽機(30)流出，該蒸汽機是由余熱發生器(26，36)中積聚的至少一部分高熱蒸汽(29)所驅動的。
7.根據權利要求1和6的方法，其特徵在於，由蒸汽機(30)流出的一部分逆壓蒸汽(31)注入該燃氣渦輪機的一適當位置上。
8.根據權利要求1和6的方法，其特徵在於，蒸汽機(30)作為燃氣渦輪機組的一個組成部分，位於串行蒸汽迴路之後，這個蒸汽迴路的蒸汽來源於該餘熱發生器，該發生器是由燃氣渦輪機組的排出廢氣所驅動的。
9.根據權利要求1的方法，其特徵在於，由第一熱交換器(17)提供的高熱蒸汽(25)導入第一燃燒室(7)中，並且由第二熱交換器提供的高熱蒸汽導入第二燃燒室(12)中。
10.根據權利要求1的方法，其特徵在於，第二燃燒室(9)是通過自點火激發的。
全文摘要
一種驅動發電站設備的方法，該電站主要由燃氣渦輪機和串接在其後的餘熱發生器(14)構成，由所述燃氣渦輪機組排出廢氣到上述發生器，該機組主要包括壓縮機(1)，第一燃燒室(4)，第一渦輪機(7)，第二燃燒室(9)，第二渦輪機(12)和發生機(19)。發生器處理後的高熱蒸汽(15)噴注到燃氣渦輪機組內的某合適位置。而發生器中的飽和蒸汽(16)送入熱交換器(17)中與一部分壓縮空氣(18)相作用。飽和蒸汽(16)轉變成過熱蒸汽(25)，繼而噴入燃氣渦輪機組內。這些措施提高了整個設備的效率和使設備的功率倍增。
文檔編號F01K23/10GK1138137SQ9610606
公開日1996年12月18日 申請日期1996年3月7日 優先權日1995年3月7日
發明者H·U·弗盧希 申請人:Abb管理有限公司