CN101218426A - 燃气和蒸汽轮机装置及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括发电机(4)、燃气轮机(6)和蒸汽轮机(8)的燃气和蒸汽轮机装置(2)，它应在保持简单的结构方式和有高的总效率的同时，设计用于以不同蒸汽提取程度进行的运行方式。为此按照本发明，在一根包括一些轴段的轴(10)上安装发电机(4)、燃气轮机(6)和蒸汽轮机(8)；蒸汽轮机(8)包括分别与各轴段对应配设的高压级(8a)和低压级(8b)；与低压级(8c)对应的轴段装在所述轴(10)端侧；以及在所述高压级(8a)的轴段与低压级(8c)的轴段之间设至少一个联轴器(28、30)。

Description

燃气和蒸汽轮机装置及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种包括发电机、燃气轮机和蒸汽轮机的燃气和蒸汽轮机装置。此外，本发明还涉及运行这种装置的方法。

背景技术

在燃气和蒸汽轮机装置中，从燃气轮机流出的高温废气用于加热一台所谓废气锅炉，它通过使液态水汽化产生用于运行蒸汽轮机所需的蒸汽。燃气轮机和蒸汽轮机在这种情况下通常用于驱动一台或多台产生电能的发电机。通过充分利用在燃气轮机废气内所含的余热，可以在这种组合式燃气和蒸汽轮机装置中达到特别高的总效率并因而节省燃料，这不仅从纯经济的观点来看，而且在环境保护及爱护自然资源的意义上也起越来越重要的作用。

除了可以在一种按力-热耦合(KWK)运行的燃气和蒸汽电厂(GuD电厂)中生产电能外，还有一个设计目的是提供蒸汽用作远程供热用户的加热用蒸汽，或在化学或其他工业中用作工业用汽。为此从GuD过程抽取部分蒸汽，从而使储存在这部分蒸汽内的能量不再供蒸汽轮机用于运行或发电。对于热电厂人们在控制电流和控制热量的KWK装置之间加以区分，这取决于两种能量形式中哪一种占优势压倒另一种能量形式：控制电流的装置优化发电量，控制热量的装置优化发热量。

蒸汽轮机既可以按背压运行方式也可以按凝结运行方式运行。在凝结运行方式时，在蒸汽轮机的膨胀段下游连接凝汽器，在凝汽器内由于借助冷却水使流入的低压蒸汽冷却和凝结形成负压。蒸汽在膨胀做功后在出口侧一定程度地被从蒸汽轮机抽出。按这种运行方式，在蒸汽轮机流入区与流出区之间的蒸汽焓差应尽可能连续地被用于造成称为转子的涡轮转子的旋转运动，并因而最终用于赢得电能。反之，对于背压运行方式，并没有通过汽轮机降低全部可能的焓降。确切地说，出口侧保持一个压力和温度水平，这一水平相当于为了在连接在下游的工业设备内应用流出的蒸汽所期望的加热或工热用的蒸汽值。

在迄今常见的GuD装置的构型中，这种构型至少原则上既适用于凝结运行方式的蒸汽轮机也适用于背压运行方式的蒸汽轮机，并因而它能实现一种灵活地适应瞬时存在的对加热或工业用汽的需求和对电能需求的运行方式，在第一根轴上装一台燃气轮机和第一台发电机。在独立于该第一根轴的第二根轴上，按所谓“Cross-Compound”结构方式，作为一个蒸汽轮机装置的组成部分通常设一个高压级和必要时一个中压级，它们驱动与第二轴连接的第二台发电机。最后，还设独立于第一根和第二根轴的第三根轴，低压汽轮机段和第三台发电机与此轴接合。由于一个在高压或中压级出口侧连接在下游的调节阀，所以从高压或中压级流出并始终还处于较高压力状态下的蒸汽，按第一种运行方案可以直接，也就是说在设在第三轴系上并在这种情况下停止运转的低压级周围，作为加热或工业用汽供给工业设备(背压运行方式)。但也可以按第二种运行方案将从高压汽轮机段流出的蒸汽供给低压分汽轮机，蒸汽在那里最终通过输出附加的驱动功率完全膨胀，因此压力大约为零bar(凝结运行方式)。

上述也称为多轴结构的构型存在的一个缺点是，高压级和低压级分别需要一台自己的发电机，其结果是导致高的投资费用以及还可能导致高的保养或维修成本。此外，若在凝结运行方式的情况下通过接通低压系统将发电机产生的能量馈入一个公共电网，则鉴于低频需要采取附加的调整或转换措施。最后，按多轴结构的燃气和蒸汽轮机装置需要比较大的空间位置。

发明内容

因此本发明所要解决技术问题是，提供一种前言所述类型的燃气和蒸汽轮机装置，它在保持简单的结构方式和有高的总效率的同时，允许以不同蒸汽提取程度进行的运行方式。此外，本发明应提供一种适用于运行这种燃气和蒸汽轮机装置的方法。

有关燃气和蒸汽轮机装置的技术问题是这样解决的，将发电机、燃气轮机和蒸汽轮机安装在具有一些轴段的轴上；蒸汽轮机包括分别与一个轴段对应配设的高压级和低压级；与低压级对应的轴段装在所述轴的端侧；以及，在高压级的轴段与低压级的轴段之间设至少一个联轴器。

本发明考虑问题的出发点在于，单轴结构对于按力-热耦合运行的燃气和蒸汽轮机装置是有利的，因为以此方式避免了多轴结构上面所描述过的那些缺点。尤其是只需要单台发电机。在这种情况下GuD装置的蒸汽轮机设计为多级结构，为的是以结构简单和运行技术安全的方式在蒸汽轮机压力级之间提供具有规定蒸汽参数的加热用汽或工业用汽的抽取处。也就是说应设至少一个高压级和一个低压级，对于它们总是可以使用传统的且已证实可靠的设计。以此方式作为抽汽汽轮机不要求蒸汽轮机具有比较复杂的设计结构。更确切地说，在现在采用的这种系统中，加热用汽或工业用汽的一种可调式抽汽装置设置在蒸汽方面连接高压级与低压级的溢流管道内部。在这里，必要时也可以为这两个压力级之间的蒸汽再配设一个中压级和/或中间过热装置。若与高压级和低压级对应的轴段互相刚性连接，则低压级当然必须始终用与高压级相同的转速运行。此时为了安全运行，即使在蒸汽轮机装置抽汽运行状态下，为了冷却低压级也必须使蒸汽质量流的一个分流流过该低压级。因此冷却所需要的蒸汽对于期望的加热功率或其他具有工业用蒸汽需求的使用目的而言造成损失。为了尽管如此在现在采用的这种单轴结构中当抽汽或背压运行时在高压级后仍能达到最大可能的抽汽量，并因而能供应例如连接在下游的加热功率特别高的远程供热用户，在高压级的轴段与低压级的轴段之间设一个联轴器。因此低压级在需要时可以在机械方面与其余轴系脱开以及停止运转。因为在这种情况下在低压级内不必存在冷却用蒸汽，所以在蒸汽方面低压级也可以与其余汽轮机装置完全分离。由此也可以免除如在刚性接合的并强制性随同旋转的低压级中不可避免地存在的摩擦损失。另一方面，在需要时低压级也可以借助联轴器与驱动发电机的轴接合。因此，正是在这种亦即具有已接合的低压级和在蒸汽方面连接在低压级下游的凝汽器的凝结运行方式中，可以严生特别高的电功率和可以供用户或耗电器使用。

发电机可以装在燃气和蒸汽轮机装置的轴的端侧，从而使燃气轮机沿轴向处于发电机与蒸汽轮机之间。但按一种优选的方案，发电机沿轴向装在燃气轮机与蒸汽轮机之间。

优选地，燃气和蒸汽轮机装置除高压级和低压级外还有一个中压级，该中压级在流动介质方面有利地连接在高压级与低压级之间。在这种情况下按第一优选方案，中压级通过公共的轴段与高压级连接。因此通过这种刚性接合，高压级转子与中压级转子始终以相同的转速旋转。对于高压级与中压级可采用在空间上分离的外壳。但有利地它们也可以安装在一个公共的外壳内，并以此方式构成一个组合的高/中压汽轮机。

但按另一种有利的方案，中压级也可以通过公共的轴段与低压级连接以及与低压级在旋转运动方面构成一个单元。在这种情况下由于联轴器使得由中压级与低压级构成的单元在需要时作为整体与高压级的与发电机连接的轴段脱开。因此，在燃气和蒸汽轮机装置抽汽运行期间不仅低压级而且中压级均停止运转以及没有蒸汽流过。类似于第一方案，中压级与低压级可以由装在分离的外壳中的汽轮机段构成，或也可以安装在一个公共的外壳内。若为中压级和低压级采用分离的外壳，则低压级有利地设计为双流道的低压汽轮机段的形式。

无论按第一方案，其中中压级与低压级构成一个单元，还是按第二方案，其中中压级通过公共的轴段与低压级连接，就在蒸汽方面设在各压力级之间的溢流管道和供应管道的布局而言特别有利的是，中压级沿轴向设在高压级与低压级之间。

按此设计方案的一种有利的扩展设计，其中，中压级沿轴向设在高压级与中压级之间，因此不仅在与高压级对应的轴段和与中压级对应的轴段之间，而且在中压级的轴段与低压级的轴段之间，分别设一个联轴器。以此方式可以逐步地首先将装在轴系端侧上的低压级和接着再将中压级与驱动发电机的轴脱开。因此可以根据期望的压力和温度水平，或直接在高压级的流出处或在中压级的流出处，实施特别符合实际需要的抽汽，在这种情况下，各个不再需要的压力级可以暂时停止运转并与此同时完全不需要冷却用蒸汽。

按燃气和蒸汽轮机装置的一种特别优选的可以与所有至此已说明的构型兼容的设计，在高压级的轴段与发电机之间或(取决于布局的顺序)在高压级的轴段与燃气轮机之间加设一个联轴器。因此在需要时整个蒸汽轮机装置可以与其余轴系脱开，从而使发电机仅还被燃气轮机单独驱动。连接在燃气轮机下游的废气锅炉产生的蒸汽因而可以直接和事先未在汽轮机的一个压力级内膨胀地供给另一个用户作为加热用汽或工业用汽。

有利地，所述每一个联轴器是一种操纵联轴器。尤其是它有利地可以在燃气和蒸汽轮机装置运行期间操纵。因此，燃气和蒸汽轮机装置为了接合或脱开各个压力级，无需首先减速运行和接着重新加速运行。由此可以特别迅速和经济地与变化的需求量相适应。

有关运行方法的技术问题是这样解决的，即，取决于对加热用汽与工业用汽的需求和/或对电能的需求，将蒸汽轮机的一个或多个压力级与发电机脱开或与发电机接合。在这种情况下特别有利的是，针对凝结运行方式设计的低压级由于联轴器可根据需求与驱动轴连接或与其分离。有利地为此将联轴器设计为操纵联轴器。但此方法原则上也可以应用在一种在压力级之间没有可操纵的联轴器(例如螺栓联轴节等)的燃气和蒸汽轮机装置中，尤其当只是比较少见地通过断开或闭合联轴器来变换运行方式时。例如在只应在冬季月份期间才提供加热用汽的热电厂中便可能是这种情况。

有利地，在低压级与发电机脱开时，提取从高压级或从中压级流出的蒸汽轮机废汽，以及废汽不流过低压级直接作为加热用汽或工业用汽供给技术设备。反之，在低压级与发电机接合时，从高压级或从中压级流出的蒸汽轮机废汽有利地供给低压级。取决于压力级的设计，可以在每两个在蒸汽方面彼此相继的压力级之间设一个蒸汽的中间过热装置。

采用本发明获得的优点尤其在于，借助设在按单轴构型的GuD装置的两个汽轮机压力级之间的联轴器，汽轮机不仅可以按凝结运行方式也可以按背压运行方式运行，在这种情况下避免了迄今常见的多轴结构的缺点。在通过闭合联轴器按凝结运行方式时，全部蒸汽质量流量通过低压汽轮机段，以及此时产生最大电功率。若部分汽轮机，亦即或仅仅低压汽轮机段脱开和停止运转或低压级与中压级共同脱开和停止运转，则对于脱开的部分不需要供应冷却用蒸汽。在最后的压力级投入使用后，全部蒸汽可以从GuD过程提取并用作加热用汽或工业用汽。因此，燃气和蒸汽轮机装置无需加工改建便可以在旨在最大发电量的运行方式与旨在抽取最大蒸汽量的运行方式之间迅速转换。

附图说明

下面借助附图对本发明不同的实施例予以详细说明。其中：

图1至6分别示意性表示出按照本发明的燃气和蒸汽轮机装置的第一种至第六种方案的方框图。

在所有图中相同的部分采用相同的附图标记。

具体实施方式

图1所示的燃气和蒸汽轮机装置2是GuD电厂的一个组成部分。为了特别有效地利用矿物质原发能量，采用按热力偶合的GuD装置。为此目的燃气和蒸汽轮机装置2有一台发电机4、一台燃气轮机6和一台蒸汽轮机8。蒸汽轮机8在这里包括高压级8a、中压级8b和低压级8c。它们各自在运行期间存在的压力状态在图1中还用字母HD、MD或ND标注。在燃气轮机6内燃烧一种矿物燃料时形成的热废气用于加热在图中没有表示的废汽锅炉，在废汽锅炉内通过水的汽化产生用于运行汽轮机8的蒸汽。燃气轮机6、蒸汽轮机8和发电机4按所谓的单轴式布设结构前后相继地连接在一根沿公共轴线定向的轴10上，在本例中，发电机4沿轴向布置在燃气轮机6与蒸汽轮机8之间。由燃气轮机6和蒸汽轮机8在轴10上输出的扭矩用于驱动发电机4。在发电机4内产生的电流馈入到一个图中没有详细表示的电网中。

蒸汽轮机8的高压级8a在运行情况下通过新蒸汽管道12供入新蒸汽，新蒸汽由图中未表示的在烟气方面连接在燃气轮机6下游的废汽锅炉提供。新蒸汽在进入高压级8a后流过高压膨胀段，在那里它膨胀做功并借助冲量传输给透平叶片，驱动作为与高压级8a对应的部分轴段的转子。从高压级8a排出后已部分膨胀的蒸汽通过溢流管道14供给一个在这里仅示意性表示出的中间过热器16，在那里在大体恒定的压力下它的温度升高。接着，蒸汽供给中压级8b，在本例中它与高压级8a一起装在一个公共的轴段上并与该高压级8a一起构成一个安装在公共外壳内沿反方向流过膨胀段的组合式HD/MD汽轮机段。在这里HD段8a面朝发电机4以及MD段8b面朝低压级8c。从中压级8b流出后，已经膨胀到低的压力及温度水平的蒸汽，可以经过另一根溢流管18供给低压级8c。

溢流管道18在这里具有一个用于抽取加热用汽或工业用汽的支线20，两个以此方式造成的质量分流之比可以通过两个设在各自管道支线中的阀22、24调节。在支线20内可根据需求抽取的加热用汽或工业用汽通过蒸汽管道26供给图中未表示的工业设备或工业企业。因此当不需要加热用汽或工业用汽时关闭阀24，使离开中压级8b的全部蒸汽质量流在阀22打开时供给低压级8c。低压级8c出口侧在下游连接一个图中未表示的凝汽器，排出的蒸汽在那里压力接近零bar的情况下几乎完全膨胀，并同时凝结为液态水，液态水接着重新供入到蒸汽轮机装置的水-汽循环中。在蒸汽轮机8处于凝结运行方式时，低压级8c在轴10上施加一个附加的扭矩，从而优化整个GuD过程以用于产生高的电功率。

但燃气和蒸汽轮机装置2也可以在另一种情况下，亦即从中压级8b流出后为用作加热用汽或工业用汽应抽取尽可能大的蒸汽质量流量的情况下，提供特别高的效率。为此目的，与低压级8c对应的轴段借助操纵联轴器28与与组合式HD/MD汽轮机8a、8b对应的轴段脱开并因而也与发电机4脱开并停止运转。因为在低压级8c停止运转时不再必须有蒸汽的质量分流作为冷却用蒸汽流过低压级8c，所以在这种情况下阀22可以并应当完全关闭。由此，从中压级8b流出的全部蒸汽质量流量提供用于加热的目的或其他用途。此外，完全排除了如在与其余轴系刚性连接并强制性随同“空转”的低压级8c中产生的摩擦损失。

在图2所示的方案中，高压级8a和中压级8b安装在单独分开的外壳中，在这种情况下这两个压力级之间设有附加的操纵联轴器30。除了仅仅低压级8c外，在这里还可以附加地使中压级8b与其余作用在发电机4上的传动线路脱开并停止运转，这取决于是否要求工业用汽的抽取处处于中等或低的压力水平。在图中没有详细表示压力级8a、8b、8c在蒸汽方面的管道布设，它基本上与图1所示的构型一致，但在高压级8a与中压级8b之间还有另一些工业用汽提取处或抽出处以及相应的控制质量分流的阀。

在图3所示的方案中，中压级8b和低压级8c装在公共的轴段上，因此只能共同与高压级8a脱开并停止运转。这种方案尤其在外部对低压蒸汽没有需求时是有利的。因此可以取消中压级8b与低压级8c之间的由图1已知的联轴器28。

最后，在图4至6中分别表示的构型相应于由图1至3已知的构型，存在的差别是在高压级8a与发电机4之间还各设有另一个操纵联轴器32。因此在需要时整个蒸汽轮机8可以与发电机4脱开，从而使发电机4仅仅还由燃气轮机6驱动。

Claims (14)

1.一种燃气和蒸汽轮机装置(2)，其中，在一根包括一些轴段的轴(10)上安装发电机(4)、燃气轮机(6)和蒸汽轮机(8)；蒸汽轮机(8)包括分别与各轴段对应配设的高压级(8a)和低压级(8b)；与低压级(8c)对应的轴段装在所述轴(10)端侧；以及在所述高压级(8a)的轴段与低压级(8c)的轴段之间设至少一个联轴器(28、30)。

2.按照权利要求1所述的燃气和蒸汽轮机装置(2)，其中，所述发电机(4)沿轴向装在燃气轮机(6)与蒸汽轮机(8)之间。

3.按照权利要求1或2所述的燃气和蒸汽轮机装置(2)，其中，所述高压级(8a)通过公共的轴段与中压级(8b)连接。

4.按照权利要求3所述的燃气和蒸汽轮机装置(2)，其中，所述高压级(8a)和中压级(8b)安装在一个公共的外壳内。

5.按照权利要求1或2所述的燃气和蒸汽轮机装置(2)，其中，所述低压级(8c)通过公共的轴段与中压级(8b)连接。

6.按照权利要求5所述的燃气和蒸汽轮机装置(2)，其中，所述低压级(8c)和中压级(8b)安装在一个公共的外壳内。

7.按照权利要求1或2所述的燃气和蒸汽轮机装置(2)，其中，在所述高压级(8a)与低压级(8c)之间设中压级(8b)，该中压级(8b)包括一个可分别通过一个联轴器(28、30)与两个相邻的轴段连接的轴段。

8.按照权利要求1至7之一所述的燃气和蒸汽轮机装置(2)，其中，在所述高压级(8a)的轴段与所述发电机(4)之间或在该高压级(8a)的轴段与所述燃气轮机(6)之间设一个联轴器(32)。

9.按照权利要求1至8之一所述的燃气和蒸汽轮机装置(2)，其中，所述每一个联轴器(28、30、32)是一种操纵联轴器。

10.按照权利要求9所述的燃气和蒸汽轮机装置(2)，其中，在运行期间所述每一个联轴器(28、30、32)都是可操纵的。

11.一种用于按力-热耦合运行按照权利要求1至10中任一项所述的燃气和蒸汽轮机装置(2)的方法，其中，取决于对加热用汽与工业用汽的需求和/或对电能的需求，将蒸汽轮机(8)的一个或多个压力级(8a，8b，8c)与发电机(4)脱开或与发电机(4)接合。

12.按照权利要求11所述的方法，其中，接合或脱开低压级(8c)。

13.按照权利要求11或12所述的方法，其中，在低压级(8c)与发电机(4)脱开时，提取从高压级(8a)或从中压级(8b)流出的蒸汽轮机(8)废汽，以及所述废汽在不流过低压级(8c)的情况下作为加热用汽或工业用汽供给技术设备。

14.按照权利要求11或12所述的方法，其中，在低压级(8c)与发电机(4)接合时，从高压级(8a)或从中压级(8b)流出的蒸汽轮机(8)废汽在中间过热后供给低压级(8c)。

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