CN1116508C - 燃气涡轮机组工作方法 - Google Patents

Abstract

在采用运行燃气涡轮机组和冷却高热负载荷的机组的方法时，在第一燃烧室(2)前分流出一部分压缩空气并且该压缩空气流经一用于转换且作为换热器工作的发生器(14)。以逆流方向，天然气/水—或天然气/蒸气—混合物(15)流经同一发生器(14)。利用在发生器(14)内对压缩空气(18)的冷却释放出用于混合物(15)吸热反应必要的能量。

Description

燃气涡轮机组工作方法

本发明涉及一种运行燃气涡轮机组和冷却高热负荷机组的方法。

就新一代的燃气涡轮机组而言，对高热负荷的机组进行冷却起着核心关键作用。原则上人们努力实现的目标是，在适当的位置由流程中提取空气，并将该空气输送给待冷却的机组，并且在适当位置重新将其返回输送入涡轮机组的回路中。在采用此种冷却方式时势必将减弱设备的有效物料流量，因此，通常这将导致设备的效率损失。原则上此点的前提条件是，在这种燃气涡轮机组中通常不具有供使用的过剩的可以在不损失功率和效率的情况下进行分流的空气。当燃气涡轮机组与蒸气回路相结合，即作为组合设备工作时，有关对高热负荷的机组的输出状态的冷却将被加重，因为为了获得尽可能多的高质量的蒸汽，燃气涡轮机组最后一级的涡轮机输出的废气的温度将高于6000℃，该废气将为蒸气的形成提供固有的热势能。很明显，该废气温度将使在逆流方向燃烧室输出的热气产生相应的温度，因此必须相应强化对设备的冷却设计。综上所述，对这种冷却必须按规律进行折衷处理，该折衷的作用或者以冷却能力为基准，或者以设备的效率基准。

因此，本发明的目的在于提出补救措施，采用在本说明书引言部分所述方式的一种方法，用从流程中提取的最小份额的空气实现对燃气涡轮机组高热负荷的机组的最大的冷却效率。

利用相应的连接管路解决了此任务，该连接管路与天然气的转换相关。该转换以热化学回收为基础并且旨在通过添加能量制备出高于天然气燃烧值的燃料。为转换加入的混合物的组份进行如下吸热反应： ，其中Q表示添加的能量。该吸热反应利用了本发明，其中该能量是由压缩空气中提取的，即分流出一部分压缩空气用于转换并送入一被天然气/水-或天然气/蒸气-混合物流过的催化发生器。同时该发生器基本起着换热器的作用，从而使被提取的压缩空气在其中获得实质的冷却，以便它接着可以作为高质量的冷却空气在适当的位置用于对设备机组的冷却。

具体的，在本发明的运行燃气涡轮机组和冷却高热负荷机组的方法中，燃气涡轮机组主要由至少一台压缩机、至少一个燃烧室、至少一台涡轮机和至少一台电机构成，其特征在于：一部分不是用于燃烧的压缩空气通过至少一个用于转换的并作为换热器工作的发生器输送，天然气/水—或天然气/蒸气—混合物流经同一发生器，通过在发生器内对压缩空气的冷却释放出进行混合物吸热反应必要的能量，并且被冷却的压缩空气随后被用作需要冷却装置的高质量冷却空气。

本发明的主要优点在于，对吸热的反应过程不需要分流或添加能量，无论是对能量的分流或添加都会导致在任何情况下平衡中的设备的效率损失。同时在将压缩空气变成冷却空气的热处理对不必消耗附加的能量。最后由于该冷却空气是高质量的，因而仅用少量的冷却空气就足以实现涡轮机组的高热负荷机组的特定的冷却。

在从属权利要求中解决对本发明的任务的方案是有益的并相宜的进一步设计做了表述。

下面将对照附图对本发明的实施例做进一步的说明。图中省略了所有对直接理解本发明不必要的器件。介质的流向用箭头标示出。

附图示出一种燃气涡轮机组，带有一热化学处理过程，该过程用于制备高能量值的燃料和高质量的冷却空气。

实施本发明的途径，工业实用性

本燃气涡轮机组建立在连续燃烧基础之上。被视为独立单元的该燃气涡轮机组由一压缩机

1.一接在压缩机后面的第一燃烧室2，一接在该燃烧室2后面的第一涡轮机3、一接在该涡轮机3后面的第二燃烧室4和一接在该燃烧室4后面的第二涡轮机5构成。所述叶片机械1、3、5具有一单一的转子轴12。该转子轴12本身较好是固定在两个图中未示出的轴承上，这两个轴承分别位于压缩机1的端侧和第二涡轮机5的顺流侧。压缩机1视设计的不同例如可以提高比功率，分成两个图中未示出的分压缩机。在采用这样一种结构时，在第一压缩机的顺流侧和第二压缩机的逆流侧接有一个中间冷却器。在此同样图中未示出的中间冷却器中产生的热被最佳地，即有效地利用，例如反馈到流程中。作为压缩空气7吸入的空气充入一未详细示出的机壳内，该机壳内有压缩机出口和第一涡轮机3。在该机壳内还设置有第一燃烧室2，该燃烧室优选为连贯的环形燃烧室结构。当然，压缩空气7由一图中未示出的储气室被送入第一燃烧室2。环形燃烧室2在端侧具有大量的分布在圆周上的图中未详细示出的燃烧器，该些燃烧器优选为预混合燃烧器设计。在此处也可以采用扩散燃烧器。就减少由此燃烧造成的有害放排物质，尤其是涉及的NOx排放而言，同时有益的是，设置-如EP-A1-0321809中所述的预混合燃烧器装置，其中所述文献的发明主题是本说明书的一个组成部分；此外本说明书的一个组成部分也是上述文献中所述方式的燃烧供给。至于在环形燃烧室2的圆周上设置的预混合燃烧器，该设置可以在必要时与相同燃烧器的通用结构有所不同，可以采用不同规格的预混合燃烧器替代相同的燃烧器。此点最好通过在两个大型的预混合燃烧器中设置一相同结构的小型预混合燃烧器加以实现。具有主燃烧器功能的大型预混合燃烧器与作为该燃烧室的辅助燃烧器的小型预混合燃烧器根据流过它们的燃烧用空气量，即根据压缩机1输出压缩空气量，有一定的尺寸比例，该比例视情况而定。在燃烧室的整个负荷范围，辅助燃烧器作为自动预混合燃烧器工作，其中空气量几乎保持不变。根据预先设定的具体数据，主燃烧器接通或断开。鉴于辅助燃烧器在整个负荷范围都可以以理想的混合物运行，故在部分负载时NOx的排放也是很微弱的。在这种结构时，环形燃烧室2前侧范围内的环流流线非常贴近辅助燃烧器的涡流中心，因而仅能用该辅助燃烧器进行点火。在提速运行时，通过辅助燃烧器加入的燃料量增大到该辅助燃烧器受到调控的程度，即直到提供指定的满负荷燃料量为止。选择的结构应使此点符合燃气涡轮机组的卸载条件。然后通过主燃烧器继续增大功率。在燃气涡轮机组峰值负荷时，主燃烧器也完全受到调整。由于由辅助燃烧器引发的“小”热涡流中心的结构在由主燃烧器产生的“大”低温涡流中心间极其不稳定地中断，所以甚至在部分负荷范围使主燃烧器以稀薄气运行时，也可以实现充分的燃烧，同时除NOx排放外，CO和UHC排放也很低，即辅助燃烧器的热涡流立刻进入重燃烧器的小涡流。当然环形燃烧室2可以由一定数量的管状燃烧腔构成，该燃烧腔同样为斜环形，有时甚至是螺旋形的，围绕转子轴设置。该环形燃烧室2，不受设计之约束，其几何设置应使其长度对燃气涡轮机组的转子总长度没有影响。由该环形燃烧室2输出的热气8输入到直接接在其后的第一涡轮机3，该涡轮机对热气的散热降压作用有意识地被保持在最低限度，即该涡轮机3由至多2排工作叶片组构成。在这种涡轮机3中有必要备有旨在稳定轴向力的端面上的压力补偿。在涡轮机3中被部分降压的热气9直接流入第二燃烧室4内，该热气由于所述原因具有相当高的温度，该涡轮机优选的具体运行温度可靠地仍在1000℃左右。该第二燃烧室4基本为连贯的环形轴向或准轴向圆柱形；它当然也可以由一定数量的轴向、准轴向或螺旋设置的并自我闭合的燃烧室构成。就环形的由唯一一个燃烧腔构成的燃烧室4而言，则要在该环形圆柱体的圆周并径向上配置多根燃烧喷管17。燃烧室4本身并没有燃烧器：喷入涡轮机3输出的并被降压的热气9内的燃料，其燃烧是通过这里的自动点火实现的，只要上述温高允许这种工作方式即可。在燃烧室4用气体燃烧，即例如用天然气运行时，为自动点火，由涡轮机3输出的部分降压的热气9的温度应在1000℃左右，并且当然甚至在部分负荷工作时也是如此，此点对应涡轮机3的设计起着因果作用。为了保证自动点火设计的燃烧室的工作稳定性和高效率，非常重要的一点是，焰锋的位置保持稳定。为此在该燃烧室4内，最好在内壁和外壁的圆周上，设置图中未进一步示出的一系列器件，该器件在轴向上最好位于燃烧喷管的逆流侧。这些器件的任务在于产生涡流，该涡流将导致与依照EP-A1-0321809所述的预混合燃烧器类同的回流区。由于基于轴向设置和结构长度需要，该燃烧室4是一个高速燃烧室，在该燃烧室中工作气体的平均速度大于约60米/秒，故产生涡流的器件应为符合流动的结构。该器件在入流侧优选地由一个带有入流倾斜面的四面体构成。产生涡流的器件或者设置在外侧面和、或设置在内侧面。当然，产生涡流的器件也可以相互轴向移位。该产生的涡流的器件的顺流侧的面基本径向地，即垂直于对面的燃烧室壁伸展，从而从此处开始产生回流区。同时还必须可靠地保持甚至在燃气涡轮机组瞬时负荷范围及部分负载范围时的燃烧室4内的自动点火，即必须备有甚至当由于任何原因使涡轮机3输出的部分降压的热气9的温度在燃料喷入范围内变低时，也能保证燃烧室4的自动点火的辅助准备措施。为了即使在此情况下也能保证对喷入燃烧室4的气体燃料的可靠的自动点火，对该燃料添加少量的其点火温度较低的其它燃料。在燃烧室4内的制备的热气接着加入到接在后面的第二涡轮机5。燃气涡轮机组的热力参数的设计应使第二涡轮机5输出的废气11尚还具有如此多的热势能，以便驱动在图中未示出的并接在后面的蒸气回路。第二燃烧室4优选地，设置在第一涡轮机3的顺流端与第二涡轮机5的入流端之间。此外由于所述原因，在第一涡轮机3内的热气的减压是通过少量的工作叶片组实现的，因而可以准备一燃气涡轮机组，其转子轴12由于其长度尽可能的短，因而在技术上可以毫无疑问地固定在两个轴承上。叶片机械的功率输出通过相连的发电机15进行，该发电机也起着启动电机作用。在涡轮机5内减压后，仍带有高的热势能的废气11流过一在图中未进一步示出的废热蒸气发生器，在该发生器内采用换热方法产生蒸`气，该蒸气然后优选地作为同样在图中未进一步示出的蒸气涡轮机的工作介质加以应用。在流入第一燃烧室2前分流出一部分压缩空气，该压缩空气流经一用于转换的催化发生器14。该发生器14被由天然气和水或蒸气构成的混合物15逆向流过。发生器配备一催化转化涂层，该催化涂层在低温下可能触发试图实现的过程。当温度在800-850℃时，采用镍涂层的催化剂可实现百分之百的天然气转换。因此，在温度较低时仅能完成部分转换，但在大多数情况下这种部分转换已足够了。通过在催化发生器14内进行的吸热过程，压缩空气分量18被冷却到约400℃，其中在这里提取的能量可以实现混合物15向高燃烧值的转换。由催化发生器14流出的冷却空气19然后被用于冷却燃气的轮机组的至少一台高热负荷的设备。对附图中，冷却空气19例如被分成3个分流，该分流分别用于冷却第一燃烧室2、第一涡轮机3和第二燃烧室4。在这里对设备的冷却是同时进行的。当然也可按顺序进行该冷却。在此所制备冷却空气19可以有效地进行设备的冷却，从而可大大提高效率。也可以以上述方式为第二燃烧室4配备燃料的转换，或者利用一单独的催化发生器，或者为两个燃烧室准备一共同的催化发生器。

             附图标记对照表1                压缩机2                第一燃烧室3                第一涡轮机4                第二燃烧室5                第二涡轮机6                吸入空气7                压缩空气8                热气9                部分降压的热气10               热气11               废气12               转子轴13               电机14               作为换热器工作的催化发生器15               天然气/水—混合物16               高值燃料17               第二燃烧室4的燃料18               部分压缩空气19               冷却空气19a-c            压缩空气的分路

Claims (5)

1.运行燃气涡轮机组和冷却高热负荷机组的方法，其中燃气涡轮机组主要由至少一台压缩机、至少一个燃烧室、至少一台涡轮机和至少一台电机构成，其特征在于：一部分不是用于燃烧的压缩空气(18)通过至少一个用于转换的并作为换热器工作的发生器(14)输送，天然气/水—或天然气/蒸气—混合物(15)流经同一发生器，通过在发生器(14)内对压缩空气(18)的冷却释放出进行混合物(15)吸热反应必要的能量，并且被冷却的压缩空气(19)随后被用作需要冷却装置的高质量冷却空气。

2.依照权利要求1的方法，其特征在于：利用部分的或百分之百的吸热反应在发生器(14)内对压缩空气(19)冷却。

3.依照权利要求1的方法，其特征在于：在发生器内的催化覆层作用下，在发生器(14)内进行转换。

4.依照权利要求1的方法，其特征在于：利用连续燃烧驱动涡轮机组。

5.依照权利要求1的方法，其特征在于：燃气涡轮机组与废热蒸气发生器和蒸气回路配合工作。