CN102245861A - 有透平单元和发电机的电厂 - Google Patents

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亨德里克.海特菲尔德
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Abstract

本发明涉及一种具有透平单元(4)的电厂(2、44)，透平单元(4)包括透平(10)、与透平(10)连接用于输电的发电机(24)和用于冷却发电机(24)的冷却装置(30、36)。本发明建议，冷却装置(30、36)设置用于将发电机(24)的废热传送给电厂(2、44)的一个装置。废热可以在电厂过程中利用，从而达到更高的效率。

Description

有透平单元和发电机的电厂
技术领域
本发明涉及一种有透平单元的电厂，透平单元包括透平、与透平连接用于输电的发电机和用于冷却发电机的冷却装置。
背景技术
已知不同电厂系统，其中原始能量借助发电机转变为电能。在这种电厂中，热量发生器的热量利用于驱动一种热力机械，它与发电机机械地连接。无论在原始能量发生器例如透平中从热能转换为机械能的能量转变过程中，还是在发电机中从机械能转换为电能的能量转变过程中，分别可供使用的能量都没有得到充分的利用。形式上为热量的剩余能量排入周围环境中。
在发电机中这种热量例如在闭式循环中通常通过冷却介质排出，以防发电机过热。因为这种热量以低的温度水平存在，一般低于100℃，所以这些热量不加利用地散放到周围环境中，并因而成为电厂过程的一种损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种有更高效率的电厂。
此技术问题通过一种前言所述类型的电厂得以解决，其中，冷却装置按本发明设置用于将发电机的废热传送给电厂的一个装置。通过将废热引回电厂过程中，使它没有脱离电厂过程并因而没有损失。以此方式电厂效率的可以提高对应于在工作过程中引回的热量份额。所述透平可以是燃气轮机或蒸汽轮机。
通过在例如有蒸汽轮机的电厂中利用发电机废热，或可以提高设计为蒸汽轮机的透平单元的最高蒸汽温度，或可以增大通过蒸汽轮机的质量流量。对于总功率为400至500MW的燃气与蒸汽轮机机组，例如得到如下印象：由发电机造成的损失热在3至5MW的数量范围内，其中约2至4MW可以回引到燃气与蒸汽过程中或蒸汽过程中用作功率的提高。当给水质量流量为约每秒80kg和返回3MW发电机损失功率时，使给水的温度提高约10℃。当总功率为400至500MW时，与之相应的功率提高约0.5％。因此在纯蒸汽动力过程时可以减少使用于给水预热并因而不再提供用于产能的蒸汽量。
按本发明一种有利的实施形式，透平单元包括燃料预热器，它与冷却装置热连接。通过将发电机的废热排放给燃料预热器，可以相应地减少要不然必须供给燃料预热器的原始能量的量。回引的推动力是温度差，因此热量只能传递给一种比发电机废热的温度低的介质。这通常涉及一种电厂的矿物燃料，它有大体上周围环境的温度。尤其气态或液态燃料可以通过热循环在技术上简单地预热。这些燃料尤其使用于燃气轮机。预热燃料可以减少为在热力学循环过程中达到过程最高温度所必要的燃料量，由此提高其效率。
有利地，燃料预热器具有换热器，它与冷却装置的冷却循环热连接。出于安全的原因，燃料在换热器内只与一种不氧化的介质组合，以避免漏泄可燃的混合物。发电机的废热主要通过水循环从发电机引出。通过水循环中的换热器可以预热燃料，此时氧化的介质漏泄时不与燃料接触。若例如利用氢直接冷却发电机，则可通过燃料预热器替代外部的水循环。
还建议，透平的燃料供给装置有利地为了加热燃料被导引通过发电机。燃料可以承担发电机中冷却剂的功能，从而可以取消为了从发电机排出热量单独的循环，例如水循环。
按本发明另一项有利的设计，透平单元包括空气供给装置，它与冷却装置热连接。进入燃气轮机压气机的新气进口温度是环境温度。因此它可以吸收来自发电机的废热。由此可以提高电厂的热效率。
在部分负荷范围内，在组合式燃气与蒸汽电厂中，若提高压气机进口温度，则功率不变时总效率提高。若在此功率范围为此目的利用发电机废热，则达到相应地提高电厂的热力学效率。将废热供给新气可以通过空气供给装置中的换热器进行，或使空气供给装置导引通过发电机来实现。
有利地，电厂包括控制装置，用于控制从发电机向电厂的装置供热。所述装置可例如是透平单元的空气供给装置。尤其规定，控制装置根据空气供给装置结冰的危险控制供热。在环境温度接近冰点以及大的空气湿度时，可以加热压气机进口前的空气以免结冰，否则会导致损坏部件。为此目的，通常将经过压缩并因而加热的空气向压气机进口回引，这对于压气机效率是不利因素。若代之以利用发电机的废热，则保持不影响压气机的效率，并有利地可以达到高的总效率。控制装置的控制可以包括一个调节过程。作为结冰的危险可以用冰冻的概率来表征。
按本发明另一种有利的实施形式，冷却装置具有开式冷却循环和用于透平单元空气供给装置的冷却空气供给装置。以此方式，在开式冷却循环中利用于冷却发电机的空气，可以直接用作透平单元的燃烧用空气。
此外建议，透平单元具有空气预热器，它在较冷的阶段与冷却装置热连接，而在较热的阶段与电厂另一个热源，例如与烟气换热器热连接。在蒸汽电厂中，燃烧用空气在锅炉火焰区进口前，典型地通过空气预热器加热。空气预热器通常供给烟气的热量。当然，烟气只允许冷却到露点以上，因为要不然导致含硫化物的水冷凝。其结果是严重腐蚀。因为发电机和烟气的热量以不同的温度水平存在，所以它们恰当地可以顺序利用于预热燃烧用空气。首先燃烧用空气通过利用发电机的废热或发电机的热废气进行预热，以及在第二步，燃烧用空气可以在例如另一个换热器内用烟气的热量进一步加热。
有利地，透平单元包括给水加热器，其中冷却装置与给水加热器热连接。以此方式可以利用发电机的废热，预热蒸汽过程或燃气与蒸汽过程的给水。在发电机冷却循环内加热的冷却剂例如达到温度约80℃。预热恰当地直接在给水泵后方进行，在那里蒸汽循环通常达到最低的温度水平。
原则上给水预热可通过两种方式达到：在直接连接时，给水直接流过发电机处的换热器。在间接连接时，在给水侧使用另一个换热器，以及一个单独的循环将热量从发电机传给给水。对于间接连接，冷却装置有利地包括一个冷却水循环，它是透平单元给水循环的组成部分。
大型电厂设备通常有大规模的建筑群，它除了厂房和调度室外还包括行政管理办公大楼。在各建筑物内必须根据类型和用途，并考虑到相关的劳动保护规则，提供适当的空调。为此在冬季需要供暖，而在夏季不仅在办公大楼而且在厂房冷却环境空气是有意义的。
若冷却装置与电厂的建筑物供暖设备热连接，则在冷却循环中附带产生的发电机热量可以提供用于建筑物供暖设备。
按另一种方案，发电机废热可使用于运行建筑物空调系统的吸收式制冷机。由此，发电机废热也可以引入制冷机中。电厂的总能量供应平衡通过减轻自用电网的负荷得以改善。发电机的再冷却循环可以减荷，由此通过提升电厂有效功率有助于进一步减少电厂自用量。
附图说明
下面借助附图表示的实施例详细说明本发明。
其中：
图1示意表示电厂，包括透平单元和发电机，它的废热用于燃料的预热；
图2表示与图1类示的示意图，其中燃料作为冷却剂被导引通过发电机导引；
图3示意表示电厂，其中发电机废热传入压气机进气流中；
图4示意表示电厂，其中蒸汽轮机的给水为了加热被导引通过发电机；
图5表示蒸汽轮机给水循环，它通过换热器与发电机冷却剂循环热连接；
图6表示给水循环，其中给水作为冷却剂被导引通过发电机的中间冷却循环；
图7示意表示发电机，它的废热在锅炉的空气预热器前输入空气供给装置；以及
图8表示与图7类示的示意图，其中去空气预热器的空气流作为冷却剂流被导引通过发电机。
具体实施方式
图1示意表示有一个透平单元4的电厂2结构，透平单元4通过轴6与发电机单元8的发电机24连接。透平单元4包括透平10，它设计为燃气轮机以及通过轴6驱动在空气供给装置14中的通向透平单元4燃烧室16的压气机12。在燃烧室16内来自燃料管18的燃料与压缩空气混合并燃烧。为了驱动透平10将高温排气供给透平10。此外，透平单元4在燃气管18内还包括燃料预热器20，用于预热气态燃料。
在电厂2运行期间，透平10通过轴6驱动压气机12以及通过离合器22驱动发电机24。在运行时发电机24生热，热量通过冷却循环26从发电机24排出。冷却循环26和换热器28是发电机单元8的冷却装置30的组成部分，用于冷却发电机24。冷却循环26的冷却剂，例如水，将从发电机24吸收的热量在换热器28内传入加热循环32中，通过它再将热量在燃料预燃器20中，传给燃料管18中的燃料。由此将发电机废热利用于燃料预热。其结果是减小为达到透平单元4内过程最高温度所必要的燃料量，以及提高电厂2的热力学效率。
取代将发电机24的废热通过燃料预燃器20传给燃料管18中的燃料，发电机24的废热也可以类似于图1所示的实施例利用于建筑物采暖。为此取代燃料预燃器20使用一个换热器，它将废热在加热循环32中，传给建筑物供暖循环。同样可以设想，加热循环32直接导引通过建筑物以及通过例如用于建筑物加热的相应加热体。
图2示意表示电厂2，它有另外一种可选用的冷却装置36。下面的说明主要限于与前面各种实施例的区别，涉及保持相同的那些特征和功能，可以参见前面的各种实施例。基本上保持相同的构件原则上用同样的附图标记表示，没有提及的特征包含在后面的那些实施例中，不重新说明。
与图1的区别在于燃料管18设计有穿过发电机24的分路。借助阀38可以通过控制装置34调节流过发电机24或燃料预热器40的燃料量。与前面的实施例相反，燃料预热器40供给的不是发电机24的废热，而是另一个热源的热量。通过给流过燃料预热器40和冷却装置36的燃料这种组合式传热，在燃料管18内的燃料也可以加热到期望的温度，而与在发电机24中同时产生的热量无关。
当然，在图18所示的燃料管18内附加地配置燃料预热器40也是可能和有利的。例如它可以沿燃料流设置在燃料预热器20的下游，作为用于加热燃料的附加热源。
在图3所示的实施例中，发电机24的废热通过冷却循环26和冷却装置30的换热器28，借助换热器42传给空气供给装置14中的燃烧用空气。因为尤其在部分负荷范围内，在功率固定时，提高燃烧用空气的压气机进口温度，可以提高组合式燃气与蒸汽电厂的总效率，所以预热燃烧用空气对于提高电厂2的效率有重要意义。为此目的尤其在部分负荷范围内利用发电机废热，达到相应地提高热力学效率。
加热燃烧用空气的另一个优点在于，可以抵御空气过滤器、压气机扩压器和压气机前几级结冰的危险。通过这种所谓的防冰，恰当地，在压气机进气的温度在冰点附近时，亦即例如在+5℃与-5℃之间时，以及存在的空气湿度超过80％时，加热压气机进气。适当加热压气机进气，由控制装置34和没有表示的冷却装置30排热用的装置控制。
图4示意表示有透平单元46的电厂44，透平单元46包括蒸气轮机48。蒸汽轮机48通过透平单元46的给水循环50供给驱动蒸汽轮机48的新汽。膨胀后的蒸汽在凝汽器52中冷凝，并借助给水泵54导向发电机单元8，以便带走发电机单元8冷却装置中的热量，用于预热给水。在锅炉56中，用发电机废热预热的给水处于其最高的温度和压力水平，接着作为新汽导向蒸汽轮机48。
为了能附加地冷却发电机单元8，冷却装置30包括一个二次冷却循环58，它有一个二次冷却器60和一个冷却水泵62。通过二次冷却循环58，可以借助控制装置34和阀64附加地从发电机24排热，即使暂时不需要加热给水以及通过关闭阀66使给水循环停顿时。
发电机24有用耐腐蚀的钢，例如V2A制造的用水冷却的定子和一些冷却通道，所以给水可直接流动通过定子并因而可使用于冷却定子绕组。
与纯蒸汽动力过程相比，可以减少通常使用于预热给水并因而不再提供用于产能的蒸汽量。
在图5和图6所示的实施例中，给水循环50的给水同样用发电机废热加热。按图5所示的结构，给水直接在发电机24换热器72中加热。相比之下，在图6所示的实施例中实现一种间接的连接，其中，在给水一侧置入另一个换热器74，以及发电机24的废热在单独的循环76中传给给水。
图7和图8表示类似于图1和图2的电厂结构的局部，其中，发电机废热借助加热循环32(图7)或直接加热用于燃烧矿物燃料的电厂2的新气(图8)。为此在例如电厂2的蒸汽发生器或锅炉的空气供给装置14内设置换热器42，用发电机废热加热环境空气。为了附加地加热燃烧用空气，提供另一个供给烟气热量的换热器68。在图8所示的实施例中，燃烧用空气借助压气机70作为冷却剂直接流过发电机24，并因而将发电机24的废热直接带出。
因为发电机24并因而加热循环32的温度水平低于烟气并因而低于换热器68的温度水平，所以发电机单元8的废热使用于第一次预热燃烧用空气。后续第二次预热到较高的温度水平在换热器68中实现。

Claims (11)

1.一种具有透平单元(4)的电厂(2、44)，透平单元(4)包括透平(10)、与透平(10)连接用于输电的发电机(24)和用于冷却发电机(24)的冷却装置(30、36)，其特征为：冷却装置(30、36)设置用于将发电机(24)的废热传送给电厂(2、44)的一个装置。
2.按照权利要求1所述的电厂(2)，其特征为，透平单元(4)包括与冷却装置(30)热连接的燃料预热器(20)。
3.按照权利要求2所述的电厂(2)，其特征为，燃料预热器(20)具有与冷却装置(30)的冷却循环(26)热连接的换热器。
4.按照前列诸权利要求之一所述的电厂(2)，其特征为，透平(10)的燃料供给装置(18)为了加热燃料而导引通过发电机(24)。
5.按照前列诸权利要求之一所述的电厂(2、44)，其特征为，透平单元(4)具有空气供给装置(14)，它与冷却装置(30、36)热连接。
6.按照前列诸权利要求之一所述的电厂(2、44)，其特征在于控制装置(34)，用于根据空气供给装置(14)结冰的危险来控制从发电机(24)向透平单元(4)得到空气供给装置(14)的供热。
7.按照前列诸权利要求之一所述的电厂(2、44)，其特征为，冷却装置(30、36)具有开式冷却循环和用于透平单元(4)空气供给装置(14)的冷却空气供给装置。
8.按照前列诸权利要求之一所述的电厂(2)，其特征为，透平单元(4)具有空气预热器，它在较冷的阶段与冷却装置(30)热连接，而在较热的阶段与烟气供给装置热连接。
9.按照前列诸权利要求之一所述的电厂(44)，其特征为，冷却装置(36)与透平单元(4)的给水循环(50)热连接。
10.按照前列诸权利要求之一所述的电厂(44)，其特征为，冷却装置(36)包括冷却水循环，它是透平单元(4)给水循环(50)的组成部分。
11.按照前列诸权利要求之一所述的电厂(2)，其特征为，冷却装置(30、36)与电厂(2)的建筑物供暖设备热连接。
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