CN1143993A - 燃气和蒸汽轮机设备的运行方法及按此方法工作的设备 - Google Patents

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Abstract

一种燃气及蒸汽轮机设备的运行方法及按此方法工作的设备，在该设备中，从燃气轮机排出的工作介质中所含的热量在连接在燃气轮机排气侧后面的一余热蒸汽发生器内被用来产生蒸汽，供与一个水-蒸汽循环回路接通的蒸汽轮机使用，为提高设备效率，本发明建议，所产生的蒸汽在引入蒸汽轮机之前借助在一氢-氧燃烧过程中产生的热量被过热。该设备还包括一个位于余热蒸汽发生器和蒸汽轮机之间并与水-蒸汽循环回路接通的燃烧器。

Description

燃气和蒸汽轮机设备的运行方法 及按此方法工作的设备
本发明涉及一种燃气和蒸汽轮机设备的运行方法，在该设备中，从燃气轮机中排出的降低了压力的工作介质中所含的热量用来产生蒸汽，供接入一水-蒸汽循环回路的蒸汽轮机使用。在此，供燃气轮机使用的工作介质通过在加入压缩空气条件下燃烧燃料而获得。本发明还涉及一种按照此方法进行工作的燃气和蒸汽轮机设备。
在这样一种类型的燃气和蒸汽轮机设备中，从燃气轮机中排出的降低了压力的工作介质中所含的热量用来产生蒸汽并供蒸汽轮机使用。热交换在一个串接在燃气轮机之后的蒸汽发生器或余热锅炉内完成，其内设有管子或管束形式的加热面。它们再次接入蒸汽轮机的水-蒸汽循环回路。水-蒸汽循环回路包括多个，例如两个压力级，其中，每个压力级都具有一个预热加热面、一个蒸发器加热面和一个过热器加热面。利用这样一种，例如由欧洲专利0148973所公开的燃气及蒸汽轮机设备，依据在蒸汽涡轮机的水-蒸汽循环回路内呈现的压力比可达到一个50％-55％的热力学效率。
本发明的目的在于，提供一上述种类的燃气及蒸汽轮机设备的运行方法，利用该方法来提高效率。在一适合的燃气及蒸汽涡轮机设备中、上述目的可采用特别简单的手段来达到。
对本方法而言，上述目的按照本发明将通过下面方式来达到，即所产生的蒸汽在进入蒸汽轮机之前借助在氢-氧燃烧过程中产生的热量被过度加热，其中，氢气是从燃料中在其燃烧过程中分离而得。
本发明基于这样的考虑，使在原燃气及蒸汽轮机作业中产生的被过热的蒸汽以特别有效的方式被连续过热到一个800-1100℃高的温度并同时送入一个已知的氢-氧蒸汽发生器内。
在一个例如由VDI-报告第602期(1987年，第231-245页)公开的氢-氧蒸汽发生器中，氢和氧被送入一个燃烧室并在此借助一个点火火焰被点火。所产生的高于3000℃的热燃气通过加水被冷却到所希望的蒸汽温度，在此，蒸汽温度可通过喷入的水与燃气的比例来调节。以这种方式产生的蒸汽在蒸汽轮机中以秒储备(瞬时储备)或短时间覆盖高峰负荷的形式被利用。
作为本发明方法的具有优点的拓展，燃烧所需的氢和氧均在工作过程中产生，其中，供给氢-氧燃烧过程的氢通过对输入到燃气及蒸汽轮机设备中的燃料进行适当处理而获得。这种处理可以是供给燃气轮机的一种气体燃料的部分或预燃烧(部分氧化)或是另外一种适合的方法。
氧是通过对空气适当分解而获得。其中，最好采用为燃气轮机设备所配设的压缩机压缩的空气。在带有一体的煤碳气化装置的燃气及蒸汽轮机设备中，已有一种空气分解装置，用来产生煤碳气化所需的氧。在这样一种类型的设备中，氢也已在工作过程中产生。
在有利的设计中，那些在蒸汽轮机的水-蒸汽循环回路的高压级中所产生的并在那里已被过热到约500到550℃的蒸汽均被输送到氢-氧燃烧过程。
供燃气轮机用的燃料最好分两级燃烧。其中，在第一级的燃料部分燃烧时形成的热量用来产生蒸汽。这样获得的蒸汽最好与借助氢-氧燃烧过程要受高度过热的蒸汽混合。
对于具有一个串接在燃气轮机前面并与一个压缩机相连的第一燃烧室及一个连接在蒸汽轮机的水-蒸汽循环回路中的、其内部设有一些连接在水-蒸汽循环回路中的加热面的余热蒸汽发生器的燃气及蒸汽轮机设备而言，上述发明目的通过一个在余热蒸汽发生器和蒸汽轮机之间连接在水-蒸汽循环回路中的氢-氧燃烧器或蒸汽发生器来达到，其中，设有一个第二燃烧室用于在工作过程中产生所需要的氢。在该第二燃烧室中，对用来产生供燃气轮机使用的工作介质的燃料进行处理，以产生氢组份。在此，第二燃烧室通过一燃气管与第一燃烧室相连通，通过该管，在第二燃烧室内处理过的燃料作为燃气被输送到第一、其实为燃气轮机燃烧室中。此外，第二燃烧室通过一根氢管道与氢-氧燃烧器相连通。
为了在燃料处理过程中，即在燃料部分燃烧时在第二燃烧室内所产生的热量能够用于产生蒸汽，最好设置一个热交换器，它主要连接在与第二燃烧室相连的燃气管道中，其次也连接在水-蒸汽循环回路中。在此，最好从水-蒸汽循环回路中向热交换器供水，其中，这些供水在热交换器中首先被蒸发并接着被过热。因此，热交换器被设计成带有一个高压蒸发器和一个高压过热器的废热锅炉形式。
为从通过燃料的部分燃烧而形成的燃气中分离出氢，设有一个分离装置，它同通入氢-氧燃烧器的氢气管道相连。
燃料在第二燃烧室中部分燃烧所需的空气最好从与第一燃烧室相连的压缩机中取出。
下面借助附图对本发明实施例作进一步详细说明。
图1所示为一个带有一用于对所产生的蒸汽进行过热的氢-氧燃烧器的燃气及蒸汽轮机设备。
按照图1，燃气及蒸汽轮机设备1包括一个具有一个与空气压缩机3连接在一起的燃气轮机2的燃气轮机装置和一个串接在燃气轮机2前面的燃烧室4，该燃烧室同空气压缩机3的一根新鲜空气管道5相连接。一根燃料或燃气管道6通入燃气轮机2的燃烧室4中。燃气轮机2和空气压缩机3及发电机7处在一根共同的轴8上。
燃气及蒸汽轮机设备1还包括一个具有一个与发电机11连接在一起的蒸汽轮机10的蒸汽轮机装置和在一水-蒸汽循环回路12内的一个串接在蒸汽轮机10后面的冷凝器13以及一个余热蒸汽发生器14。
蒸汽轮机10由一个高压部分10a和一个低压部分10b组成，它们通过一根共同的轴15驱动发电机11。
为将从燃气轮机2中排出的降低了压力的工作介质A′或烟气输送到余热蒸汽发生器14内，一根废气管道17接入余热蒸汽发生器14的一个入口14a。从燃气轮机2排出的降低了压力的工作介质A′离开余热蒸汽发生器14并通过其出口14b而流向一个(未示出的)烟囱。
余热蒸汽发生器14在作为加热面的水-蒸汽循环回路12的一个低压级内包括一个预热器20和一个低压蒸发器22及一个低压过热器24。此外，它在作为加热面的水-蒸汽循环回路12的一个高压级内包括一个高压蒸发器26和一个高压过热器28。低压过热器24是通过一根蒸汽管道30与蒸汽轮机10的低压部分10b相连。高压过热器28是通过一根蒸汽管道31与蒸汽轮机10的高压部分10a相连。蒸汽轮机10的低压部分10b在其出口一侧通过一根蒸汽管道32接入冷凝器13。
图中所示的水-蒸汽循环回路12因此由两个压力级构成。不过它也可由三个压力级构成。在这种情况下，余热蒸汽发生器14以图中未进一步示出的方式和方法额外具有一个中压蒸发器和一个中压过热器，它接入水-蒸汽循环回路12中并与蒸汽轮机10的一个中压部分相连。
冷凝器13通过一根接入一冷凝泵36的冷凝管道34与预热器20相连。此外，冷凝管道34通过由三个热交换器38、40和42组成的一串联线路而与一个给水箱44相连。预热器20在其出口侧通过一根在热交换器38和40之间的管道同冷凝管道34相连接。
给水箱44在其出口侧通过一根给水管道48与低压级的一个水-蒸汽分离容器50相连。低压过热器24和低压蒸发器22连接在该容器50上。此外，供水箱44在其出口侧通过一根接入有一个高压泵52的给水管道51与一个高压级水-蒸汽分离容器54相连。高压过热器28及高压蒸发器26与容器54接通。此外，一根与蒸汽管30接通的蒸汽管道56接入也起除气器作用的给水箱44内。
在余热蒸汽发生器14和蒸汽轮机10之间，一个氢-氧燃烧器58连接在水-蒸汽循环回路12中。为此，燃烧器58在其入口侧与高压过热器28的出口连通并在其出口侧与蒸汽轮机10的高压部分10a的入口连通。此外，一根氧气管道60及一根氢气管道62通入氢-氧燃烧室58。氧气管道60穿过热交换器42和40而与空气分解装置64连接。在热交换器42和40之间以及在热交换器40和空气分解装置64之间各有一个泵66及68连接在氧气管道60中。一管道69通入空气分解装置64以用来输送压缩空气L，它穿过热交换器38并与压缩机3相连。氢气管道62穿过一个泵70和一个分离装置72及一个余热锅炉74而接入另一个燃烧室76。该燃烧室通过新鲜空气管道5的一个支路78重新与压缩机3相连。一根燃料管道80通过燃烧室76中。
在燃气及蒸汽轮机设备工作时，通过燃料管道80将液态，气态或固态的燃料B、例如燃料油、天然气或由一个未示出的煤碳气化装置输出的煤被输送到燃烧室76。燃料B在燃烧室76内在加入来自压缩机3的压缩空气L条件下被部分燃烧并在此被处理，使之除产生燃气B′外也产生氢组份。在部分燃烧过程中产生的热量在余热锅炉或热交换器74内被用来产生蒸汽。为此，余热锅炉74以加热面或热交换面的形式具有一个蒸发器84和一个过热器86，它们与一个水-蒸汽分离容器88相连。借助一供水管道90，该管道在高压泵52的压力侧与给水管道51接通，在高压下形成的供应水从给水箱44中被输送到水-蒸汽分离容器88内。在蒸发器84内产生、并紧接着在过热器86内被过热的蒸汽借助一蒸汽管道92与从高压过热器28输出的蒸汽在其输入氢-氧燃烧器58之前混合。在此，通过与燃气B′热交换产生的蒸汽的压力应与从高压过热器28中输出的蒸汽的压力pH相符合。
借助分离装置72，在燃烧室76内对燃料处理时产生的氢H2从被冷却的燃气B′中分离出来并通过氢气管道62被送入氢-氧燃烧器58。燃气B′被送入燃气轮机2的燃烧室4内并在那里同来自空气压缩机3的新鲜压缩空气一起被燃烧。在燃烧时产生的高温高压工作介质A在燃气轮机2内被降低压力并因此驱动该燃气轮机2和空气压缩机3及发电机7。从燃气轮机2中出来的、具有约600℃的一个温度TA′的被降低了压力的烟气或工作介质A′通过废气管道17输入到余热蒸汽发生器14中，并在那里产生供蒸汽轮机10使用的蒸汽。出于这一目的，烟气流和水-蒸汽循环回路12相互呈逆向结合在一起。
为了实现对热量充分利用，在此，在不同的压力等级下产生蒸汽，其热含量用于在蒸汽轮机10内发电。因此，在低压级能产生压力pN约为7.5巴和温度TN为230℃的蒸汽。在高压级能产生温度TH为530℃，压力pH为80巴的蒸汽。
供燃烧器58内的燃烧过程所需的氢H2从燃料B中获得，而氧O2则在空气分解装置64内产生。其中，氧O2从借助压缩机3被压缩的新鲜空气L中分离出。对于燃烧室58内的燃烧过程所不需要的氧O2成份及在空气分解装置64中空气分解时产生的氮N2例如可送入燃气轮机2的燃烧室4中。
从高压级的高压过热器28中排出的被过热的蒸汽，在进入蒸汽轮机10之前，借助在氢H2和氧O2燃烧过程中产生的热量被过热到高于600℃、最好约为1100℃的高温T′H。在此，被输送到燃烧室58的蒸汽使得在氢-氧燃烧过程中产生的高温燃烧气体降温。被过热的高温蒸汽的压力还有约80巴。
被输送到燃烧器58内的氧O2，借助泵68和66分两级从一个约2巴的压力p1首先压缩到约20巴的压力p2并接着被压缩到80巴的压力p3。在压缩时产生的热量用于在第二和第三级中借助热交换器40及42对从冷凝器13中输送到给水箱44的冷凝水K进行预热。热交换器38也用作第一级的冷凝水预热，在该热交换器内，来自压缩机3的新鲜压缩空气L中所含的热量被传输给冷凝水K。
与氧O2相同，氢H2在输入燃烧器58之前借助泵70也被加压到约80巴的压力p4。
在带有一体的煤碳气化装置的燃气及蒸汽轮机设备中采用一氢-氧燃烧器58来产生过热的高温蒸汽是特别有利的，因为不仅氢H2、而且氧O2通常已在工作过程中产生。通过借助氢-氧燃烧过程产生的过热的高温蒸汽，使燃气及蒸汽轮机设备达到一个特别高的效率。

Claims (10)

1、一种燃气和蒸汽轮机设备的运行方法，在该设备中，从燃气轮机(2)中排出的降低了压力的工作介质(A′)中所含的热量用来产生蒸汽，供与一连接在水-蒸汽循环回路(12)中的蒸汽轮机(10)使用，其中，供燃气轮机(2)使用的工作介质(A)通过在导入压缩空气(L)条件下燃烧燃料(B、B′)产生，其特征在于，所产生的蒸汽在引入蒸汽轮机(10)之前借助在一氢-氧燃烧过程中产生的热量被过热，其中，氢(H2)是在工作过程中从燃料(B、B′)分离而获得。
2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于，氧(O2)是在工作过程中从压缩空气中分离而获得。
3、按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，供燃气轮机(2)使用的燃料(B、B′)分两级(76、4)燃烧，其中，在第一阶段(76)内的部分燃烧(部分氧化)中产生的热量被附加地用于产生蒸汽。
4、按照权利要求3所述的方法，其特征在于，在部分燃烧中产生的蒸汽与要借助氢-氧燃烧过程受继续过热的蒸汽混合。
5、按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，具有一个由一个低压级(20、22、24)和一个高压级(26、28)组成的水-蒸汽循环回路(12)，其中，在高压级(26、28)产生的蒸汽借助氢-氧燃烧过程被过热到一个高于600℃的温度(TH′)。
6、一种燃气及蒸汽轮机设备，其具有一个连接在燃气轮机(2)前面并与一个压缩机(3)相连的第一燃烧室(4)及一个与蒸汽轮机(10)的一个水-蒸汽循环回路(12)接通的余热蒸汽发生器(14)，在该发生器内设有一些与水-蒸汽循环回路(12)接通的加热面(20至28)，其特征在于，一个位于余热蒸汽发生器(14)和蒸汽轮机(10)之间并与水-蒸汽循环回路(12)接通的，可输入氢(H2)和氧(O2)的燃烧器(58)以及一个第二燃烧室(76)，该第二燃烧室通过一根燃气管道(6)与第一燃烧室(4)连接并通过一根氢气管道(62)与燃烧器(58)相连接。
7、按照权利要求6所述的设备，其特征在于，一个热交换器(74、84、86)，该热交换器主要与燃气管道(6)，其次与水-蒸汽循环回路(12)接通。
8、按照权利要求7所述的设备，其特征在于，热交换器(74)设计成余热锅炉的形式，它具有一些加热面(84、86)，周来产生过热的并具有高压(PH)的蒸汽。
9、按照权利要求6至8中任一项所述的设备，其特征在于，一个同氢气管道(62)相连的装置(72)接入燃气管道(6)内，以用来使氢(H2)从导入第一燃烧室(4)的燃气(B′)中分离出来。
10、按照权利要求6至9中任一项所述的设备，其特征在于，第二燃烧室(76)与压缩机(3)相连。
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