CN1297732C - 汽轮机装置的运行方法以及按此方法工作的汽轮机装置 - Google Patents

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Abstract

在运行一种汽轮机装置(1)时，通过燃烧矿物燃料(B)产生的烟气(RG)，首先被导引到高温换热器(3)内与在汽轮机(7)的水汽循环(6)内流动的水蒸汽(WD)热交换，该水蒸汽之后作为新汽温度(TFD)优选地高于800℃的新蒸汽(FD)供入汽轮机(7)。接着，在高温换热器(3)内被冷却的烟气(RG)被导引到废热锅炉(4)内，与在水汽循环中流动的给水(SW)热交换，并在此过程中产生水蒸汽(WD)。

Description

汽轮机装置的运行方法以及按此 方法工作的汽轮机装置
技术领域
本发明涉及一种汽轮机装置的运行方法，其中，通过燃烧矿物燃料产生的烟气被导引与在汽轮机水汽循环中流动的介质热交换。本发明还涉及一种按此方法工作的汽轮机装置。
背景技术
在用于发电的电厂设备中，其中作为原始能量载体使用矿物燃料，尤其是煤，可以采用各种所谓的组合过程，常见到组合使用燃气轮机装置和蒸汽轮机装置。例如在所谓的煤压力气化(Integrated Gasification CombinedCycle-IGCC)装置中，通过向该装置中供入在空气分解装置内产生的氧气，煤炭气化，并在完成气体净化后在燃烧室内燃烧所产生的此燃烧气体。燃烧时产生的热烟气在进口温度为1000℃至1400℃的情况下在燃气轮机内膨胀。经作功膨胀并冷却到约540℃的烟气被导引到废热锅炉内，与汽轮机的水汽循环中流动的形式上为水/水汽混合物的介质热交换。在此过程中产生的具有约540℃进口温度的新蒸汽在汽轮机内作功膨胀。
另一些组合过程是压力涡层燃烧(Pressurized Fuidzed BedConbustion-PFBC)和压力煤粉燃烧(Pressurized Pulverized CoalCombustion-PPCC)，其中同样将煤作为原始能量载体燃烧，以及经净化的燃烧产物作为热烟气直接供给燃气轮机。在这些组合过程中，在燃气轮机中膨胀作功并冷却到约500℃至550℃的烟气，被导引到废热锅炉或废气换热器中，与在汽轮机水汽循环内流动的介质热交换。在此过程中产生的水蒸汽要么在废热锅炉内要么在燃烧装置内过热，并重新作为新蒸汽供入汽轮机。
与在单纯燃烧矿物燃料的汽轮机装置中一样，在这些组合过程中，在汽轮机内作功膨胀的蒸汽也在一个连接在汽轮机下游的冷凝器内凝结，并作为给水重新供入水汽循环中。
除这些组合过程外，在论文“EFCC-Einzukuenftiges Konzept fuerKohle-Kombi-Kraftwerk”(发表在VGB Kraftwerkstechnik 77(1997)中，第7卷537至543页)中，介绍了所谓间接燃煤的燃气轮机(External FiredCombined Cycle-EFCC)。在此组合过程中使用一高温换热器，其中通过煤的燃烧产生的热烟气被导引到此高温换热器内与压缩空气热交换。在此过程中加热到温度约达1400℃的空气作为工质供入燃气轮机。通过与压缩空气热交换被冷却的烟气重新供入废热锅炉。接着在那里与在汽轮机水汽循环内流动的介质进行热交换，之后被冷却的烟气在其经烟囱排入周围环境之前在脱氮和/或脱硫装置(DENOX-，REA-Anlage)内净化。
在EFCC过程中在所谓的熔腔燃烧装置(Schmelzkammerfeuerung)内产生的热烟气，首先通过除灰器被净化，接着供入高温换热器。高温换热器承受高烟气温度的部分，例如流过压缩空气的和被热烟气环流的管束，用陶瓷材料或含特殊耐高温合金的金属材料制造。
采用这种新的设计方案，人们期望与具有煤炭压力气化装置(IGCC)、具有压力涡层燃烧装置(PFBC)或压力煤粉燃烧装置(PPCC)的组合过程相比，将装置效率提高到51％至53％。但是这种具有间接燃煤的燃气轮机(EFCC)的组合过程的缺点是，用作燃汽轮机工质的空气必须机械地压缩。为此所需的压缩能，尽管一部分在燃气轮机内通过膨胀被重新利用。然而总过程有损失，尤其是所需要的机械能只是以不利的方式被利用来发电。
此外由DE 69316634T2已知，例如在垃圾燃烧装置中燃烧困难的燃料时所产生的热废气，通过使用高温换热器被用于产生蒸汽。当然，在这里高温换热器和废热锅炉废气侧并联，以及在蒸汽侧连接在废热锅炉下游的一过热器和高温换热器，在一个闭合的回路内被例如作为附加的能量载体的空气流过。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种汽轮机装置的运行方法，采用这种方法可按简单的方式，通过使得用于汽轮机的新蒸汽有尽可能高的进口温度，达到尽可能高的装置效率。此外，应提供一种用于实施此方法的特别适用的汽轮机装置。
按本发明有关方法的技术问题通过一种汽轮机装置的运行方法来解决，其中，通过燃烧矿物燃料产生的烟气被导引与在汽轮机水汽循环内流动的介质热交换，其中，
-热的烟气首先在一次侧供入一高温换热器，并在那里与在其二次侧供入的在水汽循环内流动的水蒸汽进行热交换，在此过程中被加热且优选加热到800℃的水蒸汽作为新蒸汽供入汽轮机；以及
-接着，在高温换热器中被冷却的烟气被导引到废热锅炉内，与在水汽循环中流动的给水热交换并在此过程中产生水蒸汽。
在这方面本发明考虑问题的出发点在于，当取代空气压缩一种液体并接着加热使之蒸发时，可以为了发电有利地利用在EFCC过程中所需的机械压缩能。特别有利的是加热从传统的汽轮机水汽循环抽取的水蒸汽。这种水蒸汽然后可以在高温换热器内一直加热到温度为1200℃至1400℃，并接着在有冷却的高温汽轮机内膨胀。从而由高温汽轮机驱动一发电机或给水泵。
以此方式，与EFCC过程相比，可在放能方面(exergetisch)更好地利用从高温换热器提取的能量。甚至在效率相同时，加热用于汽轮机的水蒸汽所需要的装置结构尺寸，在相同的有效机械能的情况下可小于在EFCC过程中所需要的结构尺寸。其原因在于，一方面在传递相同的高温热时，投入的燃料比EFCC过程的大，因为在EFCC过程中燃气轮机废热供入燃烧装置。另一方面高温换热器与EFCC过程相比设计得较小，因为在效率相同时对于相同的有效机械能必须投入同样的燃料。此外，通过汽轮机有效利用高温热，在电功率相同时与EFCC过程相比可以减少传统蒸汽的份额。除此之外取消了在EFCC过程中需要的压气机。
为了采用高于或等于800℃的这种高新汽温度，相宜地对汽轮机进行冷却。为此有利地使用从水汽循环抽取的水蒸汽。
按一种有利的设计，在废热锅炉中产生的水蒸汽首先在一(常规的)单独汽轮机内作功膨胀，然后该膨胀后的水蒸汽在高温换热器内被加热到连接在此高温换热器蒸汽侧下游的汽轮机所需的新汽温度。在这里这两台汽轮机可以与发电机一起装在一公共的轴上(单轴式设计)并用一公共的冷凝器工作，此冷凝器在水汽循环内连接在废热锅炉加热面上游。因此连接在高温换热器蒸汽侧下游的汽轮机，可以说是构成了连接在高温换热器蒸汽侧上游的汽轮机的高温部分。
本发明有关汽轮机装置方面的技术问题通过一种具有用于产生烟气的矿物燃料燃烧装置的汽轮机装置来解决，其中：
-所述烟气首先在一高温换热器内与在其二次侧供入的在一汽轮机的水汽循环内流动的水蒸汽进行热交换，接着在一个烟气侧连接在该高温换热器下游的废热锅炉内，与在该汽轮机水汽循环中流动的给水热交换；以及
-所述高温换热器在蒸汽侧连接在所述废热锅炉与汽轮机之间。
在烟气侧连接在废热锅炉上游和在蒸汽侧连接在废热锅炉下游的具有例如用陶瓷材料制的换热器加热面的高温换热器，在蒸汽侧连接在优选地蒸汽冷却的高温汽轮机上游。为了冷却此汽轮机，有一条冷却蒸汽管道与之相连，从水汽循环抽取的水蒸汽作为冷却蒸汽可通过此冷却蒸汽管道供入此汽轮机。在这里，冷却蒸汽管道相宜地与一条将高温换热器与废热锅炉连接起来的蒸汽管道相连。在具有一单独的汽轮机的实施例中，冷却蒸汽管道相宜地连接在一条将此单独的汽轮机与高温换热器连接起来的蒸汽管道上，通过这一管道也导引要加热或要过热的水蒸汽。
附图说明
下面借助附图进一步说明本发明的实施例，附图中：
图1示意表示一个汽轮机装置，它包括一个高温换热器，用于为一个被冷却的高温汽轮机产生新蒸汽；以及
图2在按图1的视图中表示一个汽轮机装置，它包括两台按单轴式结构设计的汽轮机。
在两个附图彼此对应的部分采用相同的附图标记。
具体实施方式
图1中表示的汽轮机装置包括一个形式上例如为常压(atmosphaerische)煤粉燃烧装置的燃烧装置1，以及一个高温换热器3和一个在烟气侧连接在高温换热器下游的废热锅炉4。所述煤粉燃烧装置还有通入一分离器2(熔腔燃烧)中的液态灰渣排出口。废热锅炉4的加热面5连接在汽轮机7的水汽循环6内。高温换热器3连接在废热锅炉4蒸汽侧下游，但在蒸汽轮机7上游。为此，高温换热器3的例如用陶瓷材料或用耐高温特殊合金，例如氧化物弥散强化合金(Oxide-Dispersion-Strengthened(ODS-)Legierung)制的加热面8，在其烟气侧下游通过一根蒸汽管道9连接在废热锅炉4加热面5上，以及在其烟气侧上游通过高温蒸汽管道10连接在汽轮机7上。
在汽轮机装置运行时，燃料B，尤其是煤，在燃烧装置1内在有空气L供入的条件下燃烧。在此过程产生的热燃烧产物在灰分离器2内净化后，在一次侧作为烟气温度TRG例如为800℃至1400℃的烟气RG供入高温换热器3。在高温换热器3内，热烟气RG与二次侧在高温换热器加热面8上流动的水蒸汽WD进行热交换。在此过程中被加热的水蒸汽，作为新汽温度或进口温度TFD高于或等于800℃的新蒸汽FD供入汽轮机7。通过新蒸汽FD在其中作功膨胀，汽轮机7驱动发电机11发电。
在汽轮机7内作功膨胀的新蒸汽FD在连接在汽轮机7下游的冷凝器12内凝结。在此过程中形成的凝结水或给水SW，借助给水泵13供给形式上例如为预热器和连接在该预热器下游的蒸发器的废热锅炉4的加热面5。在废热锅炉4内产生的水蒸汽WD在蒸汽侧通过蒸汽管道9供入高温换热器3。
汽轮机7借助冷却蒸汽KD冷却并因而优选地设计为高温汽轮机。在本实施例中，冷却蒸汽KD从蒸汽管道9由水汽循环6中抽取。为此，冷却蒸汽管道14与将高温换热器3与废热锅炉4连接起来的蒸汽管道9相连。
在按图2的实施例中，汽轮机装置除高温汽轮机7外还包括另一台汽轮机15，它通过一根公共轴16(单根轴)驱动发电机11。热烟气RG的产生类似于按图1的实施例中那样进行。在这里，热烟气RG仍被导引到高温换热器3中与水蒸汽WD进行热交换，水蒸汽在这里是从另一台汽轮机15抽取的。为此，汽轮机15蒸汽侧连接在废热锅炉4与高温换热器3之间。此另一台汽轮机15仍在排汽侧与冷凝器12连接，高温汽轮机7的排汽侧同样通入此冷凝器12中。
因此，在按图2的实施例中，单独的汽轮机15真正的高温部分设计为高温汽轮机7的形式，而在按图1的实施例中这一高温部分组合在汽轮机7内。在按图2的汽轮机装置中，作为高温部分工作的汽轮机7仍借助冷却蒸汽KD被冷却。冷却蒸汽从蒸汽管道17抽取，该蒸汽管道17将另一台或单独的汽轮机15与高温换热器3的加热面8连接起来，以及冷却蒸汽通过连接在此蒸汽管道17上的冷却蒸汽管道18引向高温汽轮机7。
汽轮机装置1的工作压力实际上受高温换热器强度的限制，在工作温度为1400℃时被限制为约15bar至30bar。在水汽循环6内的工作压力P为30bar，因而与传统的水汽循环约250bar相比较更小。在工作温度为1000℃时，工作压力可以提高到150bar。

Claims (13)

1.一种汽轮机装置的运行方法，其中，通过燃烧矿物燃料(B)产生的烟气(RG)被导引与在汽轮机(7)水汽循环(6)内流动的介质(SW、WD)热交换，其特征在于：
-热的烟气(RG)首先在一次侧供入一高温换热器(3)，并在那里与在其二次侧供入的在水汽循环(6)内流动的水蒸汽(WD)进行热交换，在此过程中被加热的水蒸汽作为新蒸汽(FD)供入汽轮机(7)；以及
-接着，在高温换热器(3)中被冷却的烟气(RG)被导引到废热锅炉(4)内，与在水汽循环(6)中流动的给水(SW)热交换并在此过程中产生水蒸汽(WD)。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，水蒸汽(WD)在高温换热器(3)中被加热到新汽温度(TFD)大于或等于800℃。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其中，汽轮机(7)用从水汽循环(6)中抽取的水蒸汽(WD)冷却。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其中，在废热锅炉(4)中产生的水蒸汽(WD)供入一单独的汽轮机(15)，在那里作功膨胀后的水蒸汽(WD)供入高温换热器(3)。
5.按照权利要求3所述的方法，其中，在废热锅炉(4)中产生的水蒸汽(WD)供入一单独的汽轮机(15)，在那里作功膨胀后的水蒸汽(WD)供入高温换热器(3)。
6.一种具有用于产生烟气(RG)的矿物燃料(B)燃烧装置(1)的汽轮机装置，其特征在于：
-所述烟气(RG)首先在一高温换热器(3)内与在其二次侧供入的在一汽轮机(7)的水汽循环(6)内流动的水蒸汽(WD)进行热交换，接着在一个烟气侧连接在该高温换热器(3)下游的废热锅炉(4)内，与在该汽轮机(7)水汽循环(6)中流动的给水(SW、WD)热交换；以及
-所述高温换热器(3)在蒸汽侧连接在所述废热锅炉(4)与汽轮机(7)之间。
7.按照权利要求6所述的汽轮机装置，其特征在于：汽轮机(7)与冷却蒸汽管道(14)连接，从水汽循环(6)抽取的水蒸汽(WD)可通过该冷却蒸汽管道作为冷却蒸汽(KD)供入汽轮机(7)。
8.按照权利要求7所述的汽轮机装置，其特征在于：所述冷却蒸汽管道(14)连接在一条将高温换热器(3)与废热锅炉(4)连接起来的蒸汽管道(9)上。
9.按照权利要求6至8之一所述的汽轮机装置，其特征在于有另一台单独的汽轮机(15)，它在蒸汽侧连接在废热锅炉(4)与高温换热器(3)之间。
10.按照权利要求9所述的汽轮机装置，其特征在于一条将此单独的汽轮机(15)与高温换热器(3)的加热面(8)连接起来的蒸汽管道(17)，一根用于将冷却蒸汽(KD)供给在蒸汽侧连接在高温换热器(3)下游的汽轮机(7)的冷却蒸汽管道(18)与此蒸汽管道(17)连接。
11.按照权利要求6至8之一所述的汽轮机装置，其特征在于：在燃烧装置(1)下游连接一除灰器(2)。
12.按照权利要求9所述的汽轮机装置，其特征在于：在燃烧装置(1)下游连接一除灰器(2)。
13.按照权利要求10所述的汽轮机装置，其特征在于：在燃烧装置(1)下游连接一除灰器(2)。
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