燃燒高爐煤氣燃氣輪機聯合循環方法及裝置的製作方法
2023-06-03 03:45:01
專利名稱：燃燒高爐煤氣燃氣輪機聯合循環方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及煉鋼技術領域，是一種燃燒高爐煤氣燃氣輪機聯合循環方法及裝置。
背景技術：
將燃燒天然氣的重型燃氣輪機改造成燃燒高爐煤氣的機組現在面臨著主要的技術瓶頸問題是壓氣機—燃燒室—透平的通流匹配出現了難於跨越的結構問題，主要表現在因為燃料氣的熱值達到了最低限，在原設計運行工況下，也就是保證燃燒室輸出相同熱量的前提下，數倍的增加燃料氣量，也就是進燃燒室的高爐氣量，這些量的增加幾乎達到壓氣機流入燃燒室的三分之一。如果機組不降低壓氣機的流量，後面透平噴嘴原來設計狀態下的通過能力就受到威脅，因此，在相同流量的前提下(也就是保證透平出力不變)就必須減少壓氣機的流量。而減少壓氣機的流量又面臨壓氣機進入不穩定工作狀態(喘振)，這就更危險。如果按這種思路來將燃燒天然氣的機組改造成燃燒高爐煤氣的機組必須重新考慮壓氣機和透平的設計，而我們國家還沒有建立重型燃氣輪機的設計體系。現在國際上採取的方法包括1)提高壓氣機空氣的進口溫度，採用壓氣機末級抽氣回注的方式；2)降低整個機組的出力；3)摻燒焦爐氣，目的是提高燃料氣的熱值；4)調整壓氣機的進口導葉的位置和靜葉的位置；5)為了避免壓氣機喘振，採用切頂的方式，減少壓氣機的通道橫截面積。另一方面，高爐煤氣在進燃氣輪機燃燒室前要加壓到與壓氣機進入燃燒室的壓力相同，同時也要將其高爐氣的溫度增加到與進入壓氣機空氣溫度的數量相同，這類煤氣壓縮機目前在濟南鋼鐵廠是採用電拖動大功率壓縮機的方式，並且是美國GE的技術支撐；日本三菱重工徹底改變了壓氣機—燃燒室—透平的通流設計，採取兩項技術1)為了燃燒低熱值高爐氣，在燃燒室內部採用值班火焰噴嘴維持燃燒室的穩定性；2)透平的輸出功的輸出分成了三部分，一部分提供給壓氣機，第二部分提供給發電機，第三部分提供給與電機並聯的煤氣壓縮機，實際上是一種新型的燃氣輪機。
我國大型鋼鐵企業是能耗大戶，單位鋼產量的耗能量遠比西方發達國家高，相關資料有詳細披露，這裡就不累贅了。另一方面，根據「十一五」發改委的規劃，今後大型鋼鐵企業要進一步降低能耗，充分利用好高爐煤氣，將原先排空燃燒的這股低熱值煤氣作為燃氣—蒸汽輪機的燃料氣，直接發電，所產生的經濟、環保的效應已在去年濟南鋼鐵廠獲得國家科技進步獎中體現出來。但另一方面，也在結構完整性和經濟效應最佳化方面暴露出一些問題1)我國至今沒有完全掌握重型燃氣輪機設計技術，而目前在我國大型鋼鐵企業運行的機組均是國外四大公司的產品，技術上這些公司對我們進行嚴密封鎖，這就要求我們在小範圍改變這些機組結構參數的前提下，進一步提高這些機組，乃至最近即將開工建設的機組的效率和運行的可靠性；2)目前在濟南鋼鐵廠運行的機組，為了提高燃料氣的熱值，摻燒了部分焦爐煤氣，而焦爐煤氣在鋼廠裡還有更廣闊的用途，另一方面，如果不摻燒高爐煤氣，透平的通過能力和壓氣機的喘振問題又會出現。
發明內容
本發明的目的是要從新的角度來構思一種全新的燃燒高爐煤氣燃氣輪機聯合循環方法，是在小範圍改變機組結構參數的前提下，對目前，乃至即將運行的燃燒極低熱值的燃氣輪機機組進行改造的方法。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種燃燒高爐煤氣燃氣輪機聯合循環方法，其將經過清潔處理後的高爐氣通過煤氣壓縮機，達到與多級軸流壓氣機末級出口空氣相同的壓力量級，作為燃料氣向兩個並聯的燃燒室主燃燒室和輔助燃燒室輸入，分別與多級軸流壓氣機提供的高壓空氣在主燃燒室和輔助燃燒室內燃燒，將燃氣溫度提高到1190～1210度；其中從輔助燃燒室輸出的高壓、高溫燃氣在向心透平內進行膨脹，推動向心透平做功，給煤氣壓縮機提供一部分動力；從向心透平排出的燃燒和膨脹後的煙氣還有540～550度的高溫，將這股煙氣引入到雙壓餘熱鍋爐中與蒸汽進行換熱，將其餘熱進一步提煉，將由雙壓餘熱鍋爐提供的一部分高溫、高壓蒸汽，輸入到第一蒸汽透平，在第一蒸汽透平中，蒸汽膨脹，並做功，給煤氣壓縮機提供第二部分動力。
所述的聯合循環方法，其所述第一蒸汽透平，通過調節輸入其蒸汽的流量，改變提供給煤氣壓縮機第二部分動力功率的大小。
一種所述的聯合循環方法所使用的裝置，包括交流發電機、燃氣輪機循環中的多級軸流壓氣機、燃氣輪機循環中的燃燒室、燃氣輪機循環中的軸流透平、雙壓餘熱鍋爐、給水加熱器、凝汽器、多級軸流煤氣壓縮機、管道和蒸汽透平，各部件按常規連接；其特徵在於，還包括至少一個輔助燃燒室、向心透平和第一蒸汽透平；其中，至少一個輔助燃燒室輸入端通過管道與多級軸流壓氣機、多級軸流煤氣壓縮機相連通，輸出端通過管道與向心透平相連通；向心透平、第一蒸汽透平與多級軸流煤氣壓縮機共轉動軸連接，向心透平和第一蒸汽透平固裝於多級軸流煤氣壓縮機一側伸出的轉動軸上；向心透平輸入端通過管道與至少一個輔助燃燒室相連通，輸出端通過管道與雙壓餘熱鍋爐相連通；第一蒸汽透平輸入端通過管道與雙壓餘熱鍋爐相連通，輸出端通過管道與凝汽器相連通。
所述的裝置，其由多級軸流煤氣壓縮機、至少一個輔助燃燒室、向心透平和第一蒸汽透平部件構成的子循環與多級軸流壓氣機、主燃燒室和軸流透平部件構成的子循環按並聯方式布置。
所述的裝置，其所述雙壓餘熱鍋爐與第一蒸汽透平之間的管道上設有流量調節閥，調節進入第一蒸汽透平的蒸汽流量，控制提供給煤氣壓縮機第二部分動力功率的大小。
本發明的主要有益效果體現在兩個方面，1)在改變現有燃氣輪機組中多級軸流煤氣壓縮機和軸流透平通流部分結果，通過增加輔助燃燒室燃燒的方式，並對主燃燒室和輔助燃燒室進行技術改造，解決了由於改變了機組燃料氣流量引起的矛盾(透平堵塞和壓氣機喘振)。2)通過這種循環方式將原來採用電機拖動的煤氣壓縮機方式改變了，可節約大量的輔助系統，使整個高爐煤氣燃氣輪機組集成為一個完整的系統。
與目前日本三菱公司的技術區別體現在三菱公司是對燃氣輪機的三大部件進行了大幅度結構和運行參數的重新設計，並且從一個軸流透平中向交流發電機和高爐煤氣壓縮機並行輸出功，而本發明的新循環只需改變燃燒室，並增加向心透平和第一蒸汽透平，使目前在我國大型鋼廠進行的高爐煤氣利用的方式有了一條新的途徑。與美國GE公司的區別是美國GE公司在濟南鋼鐵廠的技術是高爐煤氣與焦爐煤氣在進煤氣壓縮機前進行摻混，然後煤氣壓縮機(功率由交流電動機提供)，將這部分燃料氣輸入到中熱值燃燒室進行燃燒，實質上，在GE技術方案中煤氣壓縮系統與燃氣輪機組系統是獨立運行的兩個系統，而我們提出的燃燒高爐煤氣燃氣輪機聯合循環將兩個系統合併為一個系統，而且結構上和循環布置方面與日本三菱公司和美國GE公司的循環布置有本質區別。
圖1本發明燃燒高爐煤氣燃氣輪機聯合循環方法及裝置示意圖。
具體實施例方式
採用中國科學院工程熱物理研究所燃氣輪機燃燒室低熱值燃燒室技術，將燃燒室的熱值下限鎖定在800Kcal/Nm3，以燃燒焦爐煤氣[佔燃料氣流量的1％]的噴嘴為值班火焰，極大的拓展了低負荷熄火極限並提高了絕熱火焰溫度使低熱值燃料高負荷下燃燒效率達到98％，同時考慮到壓氣機喘振和透平的通過能力，在原有燃燒室數量[主燃燒室]的基礎上，增加數個燃燒室[輔助燃燒室]，將輔助燃燒室燃燒的燃氣引到了低流量的向心透平，與雙壓餘熱鍋爐構成的第一蒸汽透平串聯在一起，直接拖動煤氣壓縮機，同時向心透平排出的高溫燃氣直接引人到雙壓餘熱鍋爐中去，實現熱量梯級利用的目的。這就是本發明的特點，採用本發明的技術，可以對我國目前，乃至國際上在運行的極低熱值的燃氣—蒸汽輪機聯合循環進行改造，使其熱效率和機組穩定運行可靠性有一個大幅度提高。由於是一種方法的發明，針對性較為普遍，這裡就不對某類特定機組進行熱力學和氣動力學分析。
見圖1，本發明燃燒高爐煤氣燃氣輪機聯合循環方法所使用的裝置，由交流發電機1；燃氣輪機循環中的多級軸流壓氣機2；燃氣輪機循環中的燃燒室[主燃燒室]3；燃氣輪機循環中的軸流透平4；雙壓餘熱鍋爐5；給水加熱器6；凝汽器7；多級軸流煤氣壓縮機8；輔助燃燒室9；向心透平10；第一蒸汽透平11；第二蒸汽透平12；交流發電機13和管道組成。其中，至少一個輔助燃燒室9輸入端通過管道與多級軸流壓氣機2、多級軸流煤氣壓縮機8相連通，輸出端通過管道與向心透平10相連通；向心透平10、第一蒸汽透平11與多級軸流煤氣壓縮機8共轉動軸16連接，向心透平10和第一蒸汽透平11固裝於多級軸流煤氣壓縮機8一側伸出的轉動軸16上；向心透平10輸入端通過管道與至少一個輔助燃燒室9相連通，輸出端通過管道與雙壓餘熱鍋爐5相連通；第一蒸汽透平11輸入端通過管道與雙壓餘熱鍋爐5相連通，輸出端通過管道與凝汽器7相連通。其餘部件按常規連接。
在雙壓餘熱鍋爐5與第一蒸汽透平11之間的管道上設有流量調節閥(這類調節閥在各類熱力循環中均採用，是公認的裝置，因此在圖1中未表示出來)，可調節進入第一蒸汽透平11的蒸汽流量，以便控制提供給煤氣壓縮機8第二部分動力功率的大小。
輔助燃燒室9、向心透平10和第一蒸汽透平11都為IET型。
本發明燃燒高爐煤氣燃氣輪機聯合循環方法的特點，主要表現在由多級軸流煤氣壓縮機8—輔助燃燒室9—向心透平10—雙壓餘熱鍋爐5—第一蒸汽透平11等部件組建構成的工藝循環，其他循環部件的部署可在機械工業出版社2003年6月出版「燃氣—蒸汽聯合循環」(作者焦樹建)中的第16章「燃用低熱值煤氣的聯合循環」中可見，這裡不再累贅。這裡重點介紹多級軸流煤氣壓縮機8—輔助燃燒室9—向心透平10—雙壓餘熱鍋爐5—第一蒸汽透平11等部件組建構成的流程功能。多級軸流煤氣壓縮機8的耗功量，佔據了整個燃氣輪機和蒸汽輪機總發電量的20％左右，將其安排在整個循環體內與燃氣輪機部件組(包括燃氣輪機循環中的多級軸流壓氣機2；燃氣輪機循環中的燃燒室[主燃燒室]3和燃氣輪機循環中的軸流透平4)並行布置，輔助燃燒室9將燃氣輪機循環中的多級軸流壓氣機2提供的高壓空氣和煤氣壓縮機8提供的高爐煤氣混合燃燒，產生出高溫、高壓燃氣輸進向心透平10；向心透平10，將輔助燃燒室9提供的這股燃氣引到這裡發出功，與通過雙壓餘熱鍋爐5推動的第一蒸汽透平11串聯在一起，構成為煤氣壓縮機8提供動力的動力裝置。
多級軸流煤氣壓縮機8—輔助燃燒室9—向心透平10—雙壓餘熱鍋爐5—第一蒸汽透平11流程與整個循環的連接關係是，將經過清潔處理後的高爐氣通過煤氣壓縮機8(由向心透平10和第一蒸汽透平11兩臺動力裝置帶動)，達到與多級、軸流壓氣機末級出口空氣相同的壓力量級，作為燃料氣向兩個並聯的燃燒室(主燃燒室3和輔助燃燒室9)輸入，分別與多級軸流壓氣機2提供的高壓空氣在主燃燒室3和輔助燃燒室9內燃燒，將溫度提高到1200度左右，其中從輔助燃燒室9輸出的高壓、高溫燃氣在向心透平10內進行膨脹，推動向心透平10做功，給煤氣壓縮機8提供一部分動力，從向心透平10排出的燃燒和膨脹後的煙氣還有550度左右的高溫，將這股煙氣引入到雙壓餘熱鍋爐5中與蒸汽進行換熱，將其餘熱進一步提煉，將由雙壓餘熱鍋爐5提供的一部分高溫、高壓蒸汽輸入到第一蒸汽透平11，在第一蒸汽透平11中，蒸汽膨脹，並做功，這部分是煤氣壓縮機8需要的第二部分動力，並且這一部分通過調節蒸汽的流量可以改變提供給煤氣壓縮機8第二部分動力功率的大小，由多級軸流煤氣壓縮機8—輔助燃燒室9—向心透平10—第一蒸汽透平11部件構成的子循環15與多級軸流壓氣機2—主燃燒室3—軸流透平4部件構成的子循環14按並聯方式布置，通過這種循環的布置方式解決了壓氣機喘振、單燒高爐煤氣、和透平通過能力不足的問題。
權利要求
1.一種燃燒高爐煤氣燃氣輪機聯合循環方法，其特徵在於，將經過清潔處理後的高爐氣通過煤氣壓縮機，達到與多級軸流壓氣機末級出口空氣相同的壓力量級，作為燃料氣向兩個並聯的燃燒室主燃燒室和輔助燃燒室輸入，分別與多級軸流壓氣機提供的高壓空氣在主燃燒室和輔助燃燒室內燃燒，將燃氣溫度提高到1190～1210度；其中從輔助燃燒室輸出的高壓、高溫燃氣在向心透平內進行膨脹，推動向心透平做功，給煤氣壓縮機提供一部分動力；從向心透平排出的燃燒和膨脹後的煙氣還有540～550度的高溫，將這股煙氣引入到雙壓餘熱鍋爐中與蒸汽進行換熱，將其餘熱進一步提煉，將由雙壓餘熱鍋爐提供的一部分高溫、高壓蒸汽，輸入到第一蒸汽透平，在第一蒸汽透平中，蒸汽膨脹，並做功，給煤氣壓縮機提供第二部分動力。
2.如權利要求1所述的聯合循環方法，其特徵在於，所述第一蒸汽透平，通過調節輸入其蒸汽的流量，改變提供給煤氣壓縮機第二部分動力功率的大小。
3.一種如權利要求1所述的聯合循環方法所使用的裝置，包括交流發電機、燃氣輪機循環中的多級軸流壓氣機、燃氣輪機循環中的燃燒室、燃氣輪機循環中的軸流透平、雙壓餘熱鍋爐、給水加熱器、凝汽器、多級軸流煤氣壓縮機、管道和蒸汽透平，各部件按常規連接；其特徵在於，還包括至少一個輔助燃燒室、向心透平和第一蒸汽透平；其中，至少一個輔助燃燒室輸入端通過管道與多級軸流壓氣機、多級軸流煤氣壓縮機相連通，輸出端通過管道與向心透平相連通；向心透平、第一蒸汽透平與多級軸流煤氣壓縮機共轉動軸連接，向心透平和第一蒸汽透平固裝於多級軸流煤氣壓縮機一側伸出的轉動軸上；向心透平輸入端通過管道與至少一個輔助燃燒室相連通，輸出端通過管道與雙壓餘熱鍋爐相連通；第一蒸汽透平輸入端通過管道與雙壓餘熱鍋爐相連通，輸出端通過管道與凝汽器相連通。
4.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，由多級軸流煤氣壓縮機、至少一個輔助燃燒室、向心透平和第一蒸汽透平部件構成的子循環與多級軸流壓氣機、主燃燒室和軸流透平部件構成的子循環按並聯方式布置。
5.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述雙壓餘熱鍋爐與第一蒸汽透平之間的管道上設有流量調節閥，調節進入第一蒸汽透平的蒸汽流量，控制提供給煤氣壓縮機第二部分動力功率的大小。
全文摘要
本發明一種燃燒高爐煤氣燃氣輪機聯合循環方法，是將經過清潔處理後的高爐氣通過煤氣壓縮機，達到與多級、軸流壓氣機末級出口空氣相同的壓力量級，作為燃料氣向兩個並聯的燃燒室主燃燒室和輔助燃燒室輸入，分別與多級軸流壓氣機提供的高壓空氣在主燃燒室和輔助燃燒室內燃燒；其中從輔助燃燒室輸出的高壓、高溫燃氣在向心透平內進行膨脹，推動向心透平做功，給煤氣壓縮機提供一部分動力；從向心透平排出的燃燒和膨脹後的高溫煙氣，將引入到雙壓餘熱鍋爐中與蒸汽進行換熱，將其餘熱進一步提煉，將由雙壓餘熱鍋爐提供的一部分高溫、高壓蒸汽輸入到第一蒸汽透平，在第一蒸汽透平，蒸汽膨脹，並做功，給煤氣壓縮機提供第二部分動力。
文檔編號F02C7/22GK1959084SQ200610011660
公開日2007年5月9日 申請日期2006年4月13日 優先權日2006年4月13日
發明者聶超群, 徐綱, 肖雲漢, 黃偉光 申請人:中國科學院工程熱物理研究所