CN101551121A - 多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧方法及系统，将燃料气的完全燃烧分成若干级，所有的高压燃料气全部送入第一级燃烧室并依次通过后面各级燃气轮机和燃烧室，在最后一级之前的所有燃烧室内分别送入一定量的氧化剂，控制燃烧室中的气氛为还原性气氛并使送入氧化剂和部分燃料气反应释放的热量造成燃料气升温至特定的高温；在末级燃烧室内，补充足够的化学计量比的氧化剂完成全部的燃料气燃烧并使之达到某一特定温度值后送入末级燃气轮机做功。可实现高的发电效率和优良的环保性能，适用于以煤气化为基础的多联产系统、整体煤气化燃气蒸汽联合循环系统、天然气、焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气和煤层气等气体燃料的利用系统等。
Description
技术领域
本发明内容属于动力设备领域，涉及包括气体燃料燃烧的燃气轮机发电装置，尤其是用于提高重型燃气轮机电力发电效率和降低重型燃气轮机电力发电污染物排放的装置。具体地说，本发明涉及到这样一种多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧方法及系统，在这种燃气轮机循环系统中，氧化剂(空气、富氧空气或氧气)分级送入各级燃烧室，燃料气逐级氧化或燃烧，分别进入各级燃气轮机做功。从第一级至最后一级，可燃气体浓度和压力逐级减小。
背景技术
一个最简单的燃气轮机装置包括一个压缩机、一个燃烧室和一个涡轮。吸入的空气经过压缩机的压缩后与一燃料混合，这一混合物在燃烧室中燃烧，所生成的烟气流入涡轮，由涡轮将烟气中的部分能量转化为机械能。
简单循环燃气轮机的排气温度高达450℃～600℃，如果在燃气轮机中加装回热器，利用这高温排气来加热压气机出口的空气，提高它进入燃烧室的温度，可以减少加入燃烧室中的燃料量，从而提高了热效率，这就是回热循环。由于回热器的体积和尺寸较大，设备投资和运行费用较高，随着燃气-蒸汽联合循环技术的迅速发展，目前在大型燃气轮机中实际应用回热循环并不多见。
在气体压缩过程中，气体会升温而导致压缩机功耗增加。因此在压缩过程中，把工质引至冷却器冷却后，再回到压气机中继续压缩的中间冷却、逐渐压缩的过程，这称为间冷循环。理论上，间冷次数无穷多时，压缩过程就变为等温压缩，压缩耗功降至最低，循环比功增加最多。
在膨胀过程中间，把工质引出至再热燃烧室中加热后，再回到燃气透平中继续膨胀以完成膨胀过程，这称为再热循环。理论上，再热次数无穷多时，燃气轮机中的膨胀过程就变为等温膨胀，膨胀功达到最大，循环比功增加最多。实际上，无穷多次间冷循环和无穷多次再热循环是做不到的。
法律及环境方面的要求对发电装置的氧化氮(NOx)排放量采取了严格的限制。通常，在燃气轮机中，要求燃烧室有较低的燃烧温度以降低氧化氮(NOx)排放量。先有技术采用相当极端的措施来降低氧化氮的排放。例如，常规办法是给燃气轮机燃烧室内加入过量的空气、水或水蒸气以降低其中的反应温度。虽然这种方法至少在降低燃烧温度方面是部分有效的，但过多的空气、水或水蒸气的使用增添了计量燃烧室合适供给量的复杂性和降低了燃烧效率，并且增加了可用能的损失，从而限制了整个燃气轮机循环的发电效率提高。
另一种可能的方法是催化燃烧的办法，使用一种催化剂以促使燃烧能在比常规可能情况更低的浓度下进行。但是总的来说，催化剂是很昂贵的，并且依靠它们来得到有效的完全反应的技术是很复杂的。再就是在余热锅炉中安装选择性催化还原反应器来减少NOx的最终排放。
现有的燃气轮机装置一般都配有多级燃烧室，其上有多个可并行运行的燃烧器级，这些燃烧器级根据燃气轮机装置的负载情况可以单个运行或联合运行。中国专利申请(申请号：200480028655.4)提及了一种采用在燃烧之前把气态燃料和空气精确地预混起来的方法，使燃烧在较低的温度下进行从而使氧化氮及一氧化碳的排放量降低。中国专利申请(申请号：97120031.9)提出了一种具有顺序燃烧的燃气轮机，属于上面所述的一种常规的再热循环，即在二级燃烧室中喷入燃料。但总体上看，上述诸技术的多级燃烧室内的燃烧仍然是在贫燃料的条件下所进行的，并未明确提出本发明所说的分级燃烧。
上述燃气轮机循环和已有的再热循环不足之处在于：燃料(或者燃料与氧化剂一起)喷入再热燃烧室中定压下完全燃烧；其特点是燃料的燃烧是在氧化性气氛甚至高过量氧的氧化性气氛下进行的，因此不得不靠降低燃烧温度来减少NOx排放。而且由于燃烧的温度降低，必然限制整个燃气轮机装置效率的提高。
发明内容
针对上述背景技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种可以降低NOx排放并实现高效率发电的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧方法，并按该方法产生了多级燃烧的燃气轮机循环系统。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧方法，其特征在于，将燃料气的完全燃烧分成若干级，即将所有的高压燃料气全部送入第一级燃烧室并依次通过后面各级燃气轮机和燃烧室，适合于各类高压燃料气的燃气轮机循环，尤其适合高压的气化炉排出的高温高压可燃气体的燃气轮机循环，而对于温度和压力较低的其他气体燃料可另外配置压气机和回热器将其升温升压；在最后一级之前的所有燃烧室内分别送入一定量的氧化剂，控制燃烧室中的气氛为还原性气氛并使之达到某一特定的温度，通常可选择为燃气透平所能承受的最高温度，从而避免了NOx的生成，且有高的可用能利用效率；在末级燃烧室内，补充入足够的化学计量比的氧化剂完成全部的燃料气燃烧并使之达到某一特定温度值后送入末级燃气轮机做功。
所述的氧化剂为空气、富氧空气或氧气，氧化剂和燃料气量有控制的偏离化学当量比，保证每一级燃烧室中燃料和氧化剂在还原性气氛下进行燃烧，即燃料气逐级氧化或燃烧，每级燃气轮机只完成部分燃料气的燃烧，然后进入这一级的燃气轮机做功，在末级燃烧室中，补充入足够的化学计量比的氧化剂完成全部燃料气的燃烧，进入末级燃气轮机做功。
实现上述方法的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧系统，其特征在于，该系统包括：
多级压气机，用于分级压缩和分级供给氧化剂，一级压气机上有氧化剂进口，压气机按相应的燃气轮机燃烧所需氧化剂的压力和流量分成若干级，压气机各级之间设置间冷器，也可不设置间冷器；不同级的压缩气体根据压力分别送入对应的燃烧室内，供给燃料气的燃烧所需氧化剂，还可设置用排气余热加热氧化剂回热器，将燃气轮机排气的余热回送到各级燃烧室；压气机可由燃气透平驱动或者单独驱动。
多级燃气轮机，它被来自该级的燃烧室的高温高压燃气所驱动，用于带动发电机发电，并可带动压气机工作；
多级燃烧室，用于分级燃烧燃料气，以便生成高温燃气，它的第一级燃烧室连接在末级压气机和第一级燃气轮机之间；其它级燃烧室设置在两级燃气轮机之间，第一级燃烧室上有高压燃气进口，前一级燃气轮机的排气作为下一级燃烧室的燃料；
空气、富氧空气或纯氧由氧化剂进口进入一级压气机，被压缩到一定的压力后，一部分送入末级燃烧室供燃料气的燃烧需要，其余部分经过一级间冷器后进入二级压气机进一步压缩到更高压力，然后再分出一部分送入倒数第二级燃烧室供燃料气燃烧所需，其余部分经过二级间冷器后进入三级压气机进一步压缩到更高压力，经过若干级后，直至进入末级压气机进一步压缩后再送入一级燃烧室供燃料气的燃烧；
有一定温度的高压燃料气由高压燃气进口进入一级燃烧室与末级压缩机送来的氧化剂混合，部分燃烧后生成高温高压的气体进入一级燃气轮机膨胀做功，压力和温度降低到一定值后进入二级燃烧室与倒数第二级压气机送来的补充氧化剂混合并部分燃烧，生成高温和一定压力的气体进入二级燃气轮机膨胀做功，经过若干级后，直至气体降温降压到一定值后排入末级燃烧室，与一级压气机送入的补充气体完成燃烧进入末级燃气轮机做功然后经排气出口排出。
另外，末级燃烧室和末级燃气轮机也可以由常规的烧气体燃料的燃气轮机或注汽燃气轮机组成。如有特殊需要，末级燃烧室和末级燃气轮机可以不采用，而以前一级燃气轮机直接排气，从而增大了该燃气轮机气体燃料的分级燃烧方法和系统设计的灵活性。
本发明的方法及其多级燃烧的燃气轮机循环系统可提高燃气轮机循环的发电效率和降低NOx的排放。
附图说明
图1是本发明方法实现的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧系统的一个实施例的示意图，为一个分为三级燃烧的高效环保型同轴燃气轮机系统。其他级数(包括二级)的分级燃烧高效环保型燃气轮机也在本发明的范围之内。图中的标号分别表示：1、氧化剂进口，2、一级压气机，3、二级压气机，4、末级压气机，5、一级燃气轮机，6、二级燃气轮机，7、末级燃气轮机，8、一级间冷器，9、二级间冷器，10、高压燃气进口，11、一级燃烧室，12、二级燃烧室，13、末级燃烧室，14、二级燃烧室补氧调节阀，15、末级燃烧室补氧调节阀，16、排气出口，17、发电机，18、一级燃烧室回热器，19、二级燃烧室回热器，20、末级燃烧室回热器。
下面借助附图和发明人给出的一个实例对本发明的其他特征、特性和优点进行进一步的详细说明。
具体实施方式
本发明的方法实现的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧系统，燃烧室和燃气轮机至少分成两级，高压燃料气全部由第一级燃烧室进入燃气轮机，前一级燃气轮机的排气作为下一级燃烧室的燃料；在末级之前的燃烧室中，分别送入一定量的氧化剂，氧化剂可以为空气、富氧空气或氧气，氧化剂和燃料气量有控制的偏离化学当量比，保证每一级燃烧室中燃料和氧化剂在还原性气氛下进行燃烧，并使送入氧化剂和部分燃料气反应释放的热量造成燃料气升温至特定的高温，这一高温一般为燃气轮机的最高承受温度，即燃料气逐级氧化或燃烧，每级燃气轮机只完成部分燃料气的燃烧，然后进入这一级的燃气轮机做功，显然还原性的气氛将有效抑制污染物的生成；在末级燃烧室中，补充入足够的化学计量比的氧化剂完成全部燃料气的燃烧，进入末级燃气轮机做功。这就是氧化剂分级送入的分级燃烧技术，可以清楚的看出，这个燃气轮机循环没有过量的空气、水或者蒸汽的掺混，因此可以提高可用能的利用效率。
压气机按相应的燃气轮机燃烧所需氧化剂的压力和流量分成若干级，压气机各级之间可设置间冷器；由于不同级的压缩气体根据压力分别送入对应的燃烧室内，供给燃料气的燃烧所需氧化剂，并不是所有的氧化剂都压缩到最高压力，这可有效降低压气机的功耗，提高燃气轮机的净效率。
末级燃烧室和末级燃气轮机由常规的烧气体燃料的燃气轮机或注汽燃气轮机组成，或者不设置末级燃烧室和末级燃气轮机，由前一级燃气轮机直接排气。
各级燃烧室前还根据需要还设置有回热器，用于将燃气轮机的余热加热氧化剂再送入燃烧室中。
本发明的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧系统还可以成为一种能提高电站效率的燃气轮机。
本发明的各级燃烧室内补充氧化剂量的确定方法，使得该系统的每级燃烧室中只完成部分燃烧过程，从而控制燃烧后生成烟气的温度在特定值，通常可选择为燃气轮机所能承受的最高温度，以实现高效低NOx燃烧以及高的循环效率。
参见图1，本发明的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧系统，包括：多级压气机，它用于分级压缩和分级供给氧化剂(空气、富氧空气或氧气)，压气机各级之间可设置间冷器，以降低压气机功耗而提高净发电效率；多级燃烧室，它用于分级燃烧燃料气，以便生成高温燃气；多级燃气轮机，它被来自该级的燃烧室的高温高压燃气所驱动；连接各级压缩机出口、各级燃烧室和各级燃气轮机的管道等等。所述燃烧室内可产生诸如1350℃～1650℃之类的1400℃级别上或更高温度的燃气。燃气的温度越高，燃气轮机输出的功率就越大。
本发明的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧系统循环如下：
空气、富氧空气或纯氧由氧化剂进口1进入一级压气机2，被压缩到一定的压力后，一部分送入末级燃烧室13供燃料气的燃烧需要，其余部分经过一级间冷器8后进入二级压气机3进一步压缩到更高压力，然后再分出一部分送入二级燃烧室12供燃料气燃烧所需，其余部分经过二级间冷器9后进入末级压气机进一步压缩后再送入一级燃烧室11供燃料气的燃烧。
有一定温度的高压燃料气由高压燃气进口10进入一级燃烧室11与末级压缩机4送来的氧化剂混合，部分燃烧后生成高温高压的气体进入一级燃气轮机5膨胀做功，压力和温度降低到一定值后进入二级燃烧室12与二级压气机3送来的补充氧化剂混合并部分燃烧，生成高温和一定压力的气体进入二级燃气轮机6膨胀做功，气体降温降压到一定值后排入末级燃烧室13，与一级压气机2送入的补充气体完成燃烧进入末级燃气轮机7做功然后经排气出口16排出燃气轮机装置。三个级的压气机2、3、4和发电机17由三个级的燃气轮机5、6、7带动。回热器18、19、20分别由从排气中抽取部分加热氧化剂至一定的高温。
图中二级燃烧室补氧调节阀14，末级燃烧室补氧调节阀15可用来分别调节进入各级燃烧室的补充氧化剂量，完成一定程度的调节作用。
下面给出附图中的实例参考的主要工作参数：
高压煤气入口参数：体积含量46％CO，54％CO2，压力12.25MPa，温度600℃，流量Q NM3/min；
一级燃烧室送入空气：压力12.25MPa，温度600℃，流量0.41Q Nm3/min；
一级燃气轮机压比3.5，进气温度：1400℃，排气温度：950℃；
二级燃烧室送入空气：压力3.5MPa，温度600℃，流量0.32QNm3/min；
二级燃气轮机压比3.5，进气温度：1400℃，排气温度：950℃。
三级燃烧室送入空气：压力1.0MPa，温度600℃，流量0.37QNm3/min。
末级燃气轮机压比10，进气温度：1400℃，排气温度667℃。
排气16：压力0.1MPa，流量1.86QNm3/min。
一级压气机2的压比：10，空气流量1.1Q Nm3/min。
二级压气机3的压比：3.5，空气流量0.73Q Nm3/min。
末级压气机4的压比：3.5，空气流量0.41Q Nm3/min。
Claims (8)
1.一种多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧方法，其特征在于，将燃料气的完全燃烧分成若干级，即将所有的高压燃料气全部送入第一级燃烧室并依次通过后面各级燃气轮机和燃烧室，在最后一级之前的所有燃烧室内分别送入一定量的氧化剂，控制燃烧室中的气氛为还原性气氛并使送入氧化剂和部分燃料气反应释放的热量造成燃料气升温至特定的高温，一般该温度选择燃气透平所能承受的最高温度；在末级燃烧室内，补充入足够的化学计量比的氧化剂完成全部的燃料气燃烧并使之达到某一特定温度值后送入末级燃气轮机做功，实现高效低NOx燃烧以及高的循环效率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述的燃烧室和燃气轮机至少分成两级。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述的氧化剂为空气、富氧空气或氧气，氧化剂和燃料气量有控制的偏离化学当量比，保证每一级燃烧室中燃料和氧化剂在还原性气氛下进行燃烧，即燃料气逐级氧化或燃烧，每级燃气轮机只完成部分燃料气的燃烧，然后进入这一级的燃气轮机做功，在末级燃烧室中，补充入足够的化学计量比的氧化剂完成全部燃料气的燃烧，进入末级燃气轮机做功。
4.如权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述的末级燃烧室和末级燃气轮机由常规的烧气体燃料的燃气轮机或注汽燃气汽轮机组成，如有特殊需要，不采用末级燃烧室和末级燃气轮机，由前一级燃气轮机直接排气。
5.实现权利要求1所述方法的多级高效环保型燃气轮机气体燃料分级燃烧系统，其特征在于，该系统包括：
多级压气机，用于分级压缩和分级供给氧化剂，一级压气机上有氧化剂进口，压气机按相应的燃气轮机燃烧所需氧化剂的压力和流量分成若干级，压气机各级之间设置间冷器或不设置间冷器；不同级的压缩气体根据压力分别送入对应的燃烧室内，供给燃料气的燃烧所需氧化剂；
多级燃气轮机，它被来自该级的燃烧室的高温高压燃气所驱动，用于带动发电机发电，还可驱动压气机压气；
多级燃烧室，用于分级燃烧燃料气，以便生成高温燃气，它的第一级燃烧室连接在末级压气机和燃气轮机之间；其它级燃烧室设置在两级燃气轮机之间，第一级燃烧室上有高压燃气进口，前一级燃气轮机的排气作为下一级燃烧室的燃料；
空气、富氧空气或纯氧由氧化剂进口进入一级压气机，被压缩到一定的压力后，一部分送入末级燃烧室供燃料气的燃烧需要，其余部分经过一级间冷器后进入二级压气机进一步压缩到更高压力，然后再分出一部分送入倒数第二级燃烧室供燃料气燃烧所需，其余部分经过二级间冷器后进入三级压气机进一步压缩到更高压力，经过若干级后，直至进入末级压气机进一步压缩后再送入一级燃烧室供燃料气的燃烧；
有一定温度的高压燃料气由高压燃气进口进入一级燃烧室与末级压缩机送来的氧化剂混合，部分燃烧后生成高温高压的气体进入一级燃气轮机膨胀做功，压力和温度降低到一定值后进入二级燃烧室与倒数第二级压气机送来的补充氧化剂混合并部分燃烧，生成高温和一定压力的气体进入二级燃气轮机膨胀做功，经过若干级后，直至气体降温降压到一定值后排入末级燃烧室，与一级压气机送入的补充气体完成燃烧进入末级燃气轮机做功然后经排气出口排出。
6.如权利要求5中所述的系统，其特征在于，所述的氧化剂量按下述方法确定：送入氧化剂和部分燃料气反应释放的热量造成生成燃料气升温至特定的高温，一般该高温为燃气轮机循环系统的最高承受温度。
7.如权利要求5中所述的系统，其特征在于，所述的末级燃烧室和末级燃气轮机由常规的烧气体燃料的燃气轮机或注汽燃气汽轮机组成，或者不设置末级燃烧室和末级燃气轮机，由前一级燃气轮机直接排气。
8.如权利要求7中所述的系统，其特征在于，所述的各级燃烧室前还根据需要还设置有回热器，用于将燃气轮机的余热加热氧化剂再送入燃烧室中。
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