CN102287243A - 燃气和蒸汽轮机设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有集成的碳气化装置的燃气和蒸汽轮机设备，该设备包括燃气透平(1)、连接在燃气透平(1)的燃烧室(3)上游的燃料系统(8)，该燃料系统包括用于化石燃料的气化装置(10)和从所述气化装置(10)分支出并汇入所述燃气透平(1)的燃烧室(3)中的燃气导管(9)，其中，在所述燃烧室(3)的上游在所述燃气导管(9)中连接用于以蒸汽饱和燃料的饱和装置(21)，其中，设置喷淋导管(42)，该喷淋导管在所述气化装置(10)和所述饱和装置(21)之间汇入所述燃气导管(9)。

Description

燃气和蒸汽轮机设备
技术领域
本发明涉及一种燃气和蒸汽轮机设备，该燃气和蒸汽轮机设备带有用于化石燃料的气化装置和相应的合成气体燃料系统，以及涉及一种用于喷淋这种设备的合成气体燃料系统的方法。
背景技术
合成气体燃料系统所要解决的技术问题是提供由燃料(例如碳)气化获得并且接着清洁的合成气体，用于在燃气轮机中燃烧(符合燃气轮机要求)。为了使所述系统能够按规定运行以及为了能够在失效/故障之后能够进行维修，需要将系统钝化。
在已知的IGCC设备(IGCC是整体煤气化联合循环，亦即带有集成的气化装置的燃气和蒸汽轮机设备)中，借助于喷淋介质蒸汽实现钝化。然而，在此在较长的故障时间时会出现所谓的静腐蚀，这种静腐蚀通过燃料系统的管道内冷凝的蒸汽结合没能在脱硫设备中从合成气体流分离出的硫化物(ppm范围内)导致。
因此，为了避免这种问题，在燃气轮机的上游设置用氮气(N2)、尤其是纯氮气作为钝化剂的喷淋系统，通过该喷淋系统从气体锁开始向前喷淋到燃气轮机内。气体锁包括两个铠装件(例如球头)。在这两个铠装件之间连接有中间卸载装置或者压力导管。中间卸载装置可以连接在火焰上，通过该中间卸载装置可以燃烧掉多余的燃气。替代中间卸载装置可以连接一个压力导管，该压力导管用于使得没有气体能经由气体锁铠装件流入。因此，气体锁足以满足有关安全技术规定地将燃料系统气密地分为在气体锁上游的第一区域(气化系统)和在气体锁下游的第二区域(燃气轮机燃料系统)。
与结合硫化物及冷凝导致腐蚀的蒸汽相反，氮气的情况下不存在腐蚀的危险。氮气在空气分离设备中作为高纯度的氮气出现并且因此可以被用于钝化燃料系统。这种方案已经申请专利(专利DE10002084C2)。
燃料系统的前部区域(也就是气体锁和饱和系统的上游)在此没有被钝化。如果这些区域也被钝化，系统在正常启动或静止时由气化装置用高纯度的氮气钝化，并且使该区域保持在压力下。然而，在气化系统故障时，这种类型的钝化则不可能。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种上述类型的燃气和蒸汽轮机设备，其中，燃料系统可以被以特别可靠的方式喷淋。此外，应提供一种方法，该方法使得能够可靠并且以特别简单的方式喷淋燃气和蒸汽轮机设备的燃料系统。
按照本发明，带有集成的煤气化装置的所述燃气和蒸汽轮机设备包括燃气轮机、连接在燃气轮机的燃烧室上游的燃料系统，该燃料系统包括用于化石燃料的气化装置和从该气化装置分支出并且通入燃气轮机的燃烧室的燃气导管，其中，在燃烧室的上游在燃气导管中连接有用于通过蒸汽来饱和燃料的饱和器。通过在所述燃气和蒸汽轮机设备中设置在气化装置和饱和装置之间汇入燃气导管的喷淋导管将实现以下优点：
在通过气化装置用氮气钝化失效时，可以激活并且在一定的时间内进行设置在燃料系统下游的“紧急喷淋”。因此也可以在气体锁的上方实现燃料系统的钝化。
这种方案的优点在于，即便在气化装置方面的钝化失效也能保证燃料系统处于流动上游的部分的钝化。因此，可以独立于气化装置或者连接在上游的系统实现燃料系统的钝化。这种优点可以在所谓的多代设备中实现。在此，除了发电之外，还通过燃气轮机生产附加的物质(例如SNG＝合成天然气或者代用天然气、天然气代用品)。如果在燃料系统的流动下游的部分出现故障，可以继续运行多代设备，也就是继续运行气化装置和燃气处理装置。在这种情况下，仅燃料系统的一部分不运行，在所述部分中燃料通常被调整，燃料系统的这一部分亦即位于下游的系统。如果没有所述的方案不可能为了维修目的等钝化燃料系统的这些部分，因为气化装置和燃气处理装置还在运行。即便在可能的启动过程中，该系统也是有利的。IGCC电站的气化装置的启动可能持续多个小时。反之，对于较短的维修位于下游的系统应当可以不切断气化装置。对于这种情况，燃料系统各部分中独立的钝化也是有利的。
喷淋导管在气化装置和混合装置之间有利地通入燃气导管，该混合装置为了将氮气输送到合成气体而在饱和装置上游连接在燃气导管中。
还有利的是，脱硫设备在喷淋导管汇入燃气导管的位置的上游连接在燃气导管中。
通过这样选择脱硫设备和混合装置之间的汇合可以实现对所有参与燃料调整的部件的喷淋，而不必中断燃料清洁的过程。
喷淋导管相宜地与空气分离设备(LZA)的纯氮气出口连接，该空气分离设备为气化装置提供氧气，其中也积聚氮气。喷淋导管与LZA的纯氮气出口的连接可以直接或者通过其它的导管实现。例如通过源自LZA的、用于氮气的输送导管，并且如果除了喷淋导管还设有其它的喷淋导管，可以通过主喷淋导管实现，从该主喷淋导管中分支出所述喷淋导管和其它喷淋导管。
有利地在输送导管和主喷淋导管之间连接氮气临时存储器。通过临时存储，即便在制备系统、例如空气分离设备故障时，也能保证钝化介质的喷淋。
还有利的是，保留导管汇入输送导管中，该保留导管在输入侧连接在氮气，尤其是纯氮气的紧急填充系统上。因此，即便在空气分离设备故障时也能特别可靠地保证用氮气、尤其是纯氮气喷淋燃料系统。
有利的是，在饱和装置和燃烧室之间在燃气导管中连接气体锁，并且另一喷淋导管在气体锁和燃烧室，尤其是直接在气体锁铠装件的下游汇入燃气导管中。以这种方式通过另一种措施确保了燃料系统在气体锁铠装件和燃烧室之间的可靠喷淋。如果仅要喷淋燃气导管最后的部分，则所需的喷淋量特别小，因此特别经济地设计设备的运行。
另外的喷淋导管相宜地从主喷淋导管分支出。
就用于喷淋燃气和蒸汽轮机设备的燃料系统的至少一部分的方法而言，所述技术问题按照本发明由此解决，即，通过在气化装置和饱和装置之间朝燃烧室将喷淋介质引入到燃气导管中来喷淋燃料系统。
喷淋介质有利地是纯氮气。由于要喷淋的体积较小，用氮气喷淋是经济的。在此，蒸汽轮机设备还不必为喷淋过程损失蒸汽，因此燃气和蒸汽轮机设备的总效率特别高。此外，省略了高合金钢的使用，因为不会或者仅稍微出现腐蚀现象。
相宜地从空气分离设备提取纯氮气，该空气分离设备不再需要为气化制备氧气。
喷淋介质有利地在连接在燃气导管中的、用于混合氮气和燃料的混合装置以及合成气体清洁装置之间输送，使得燃料调整装置可以与燃料清洁无关地被喷淋。如上所述，在多代设备中这是特别让人感兴趣的，其中，气化装置和燃气处理装置还可以运行，而燃料系统和位于下游的系统不运行。
附图说明
以下作为例子根据附图详细说明本发明。在附图中示意但不按比例地示出：
图1是燃气和蒸汽轮机设备的燃气轮机设备部分，其中，在燃气轮机的上游连接有气化装置。
具体实施方式
燃气和蒸汽轮机设备包括按图1所示的燃气轮机设备和蒸汽轮机设备(未示出)。燃气轮机设备包括带有耦连的空气压缩机2的燃气透平1和连接在该燃气透平1上游的燃烧室3，该燃烧室连接在压缩机2的压缩空气导管4上。燃气透平1和空气压缩机2以及发电机5位于同一根轴上。为将在燃气透平1中膨胀的工作介质或者烟气输送到燃气轮机设备的废热蒸汽发生器，在燃气透平1的出口连接有废气导管7。
燃气轮机设备针对用气化的原气(Rohgas)或者合成气体SG的运行而设计，所述原气或合成气体通过化石燃料B的气化产生。例如气化的煤或者气化的石油作为合成气体提供。为此，燃气轮机设备包括燃料系统8，通过该燃料系统可向燃气透平1的燃烧室3输送合成气体。燃料系统8包括燃气导管9，该燃气导管将气化装置10与燃气透平1的燃烧室3连接。气化装置10可通过进料系统11供应作为化石燃料B的煤、天然气或石油。燃料系统8还包括在气化装置10和燃气透平1的燃烧室3之间连接在燃气导管9中的若干部件。
为制备化石燃料B气化所需的氧气O2，气化装置10通过氧气导管12连接在属于燃料系统8的空气分离设备13的上游。空气分离设备13可在输入侧加载空气。为此，空气分离设备13在输入侧连接在空气抽取导管14上，该空气抽取导管在分支位置15从压缩空气导管4分出。
在空气分离设备13中在空气流分离时在氧气O2之外额外获得的氮气N2的一部分，所谓的不纯的氮气U-N2，通过连接在空气分离设备13上的氮气导管16输送到混合装置17。在混合装置17中，不纯的氮气U-N2为减小燃气透平的NOx排放被与合成气体SG混合。在此，混合装置17设计用于特别均匀并且不成束地
Figure BDA0000068326340000051
将氮气N2与合成气体SG混合。
从气化装置13流出的合成气体SG经由燃气导管9首先到达合成气体废热蒸汽发生器18，在该废热蒸汽发生器中通过与流动介质的热交换实现合成气体SG的冷却。
沿合成气体SG的流动方向看，在合成气体废气蒸汽发生器18之后和在混合装置17之前在燃气导管9中连接有用于合成气体SG的除尘装置19以及脱硫设备20。在可选的设计构造中，尤其是在石油作为燃料的气化时，可以替代除尘装置19设置洗尘装置。
为了使气化的燃料在燃烧室3中燃烧时的有害物排放特别少，规定在进入燃烧室3之前向气化的燃料添加水蒸汽。这可以以热技术上特别有利的方式在饱和系统中实施。为此，在燃气导管9中连接有饱和装置21，气化的燃料在饱和装置中与加热的饱和水相反地导引。在此，饱和水在连接在饱和装置21上的饱和装置回路22中循环，在该饱和装置回路中连接有循环泵23以及用于预热饱和水的热交换器24。为了补偿饱和水在使气化的燃料饱和时出现的损失，在饱和装置回路22上连接供应导管25。
沿合成气体SG的流动方向看，在饱和装置21后面在燃气导管9的次级侧连接起合成气体-混合气热交换器作用的热交换器26。在此，热交换器26在初级侧在除尘装置19之前的一个位置同样连接在燃气导管9中，使得流入除尘装置19的合成气体将其一部分热量传递到从饱和装置21流出的合成气体SG上。在此，合成气体SG在进入脱硫设备20之前经过热交换器26的导引也可以设置在其它部件方面发生改变的连接方案中。尤其在接入洗尘装置时，热交换器优选可以在合成气体方面设在洗尘装置的下游。
在饱和装置21和热交换器26之间，在燃气导管9的次级侧连接另一热交换器27，该热交换器的初级侧可以用供水加热或者由蒸汽加热。在此，通过设计为合成气体-纯气体热交换器的热交换器26和热交换器27即便在燃气和蒸汽轮机设备的各种运行情况下也保证了对流入燃气透平1的燃烧室3的合成气体SG特别可靠的预热。
在燃料系统8启动时要求喷淋。这按照现有技术以这样的方式实现，即，在一个或多个步骤中单独用氮气喷淋燃料气化系统8的第一和第二区域。在此，气化系统(第一区域)和燃气透平燃料系统(第二区域)通过气体锁28相互分隔。气化系统在此包括气化装置10直至气体锁28，而燃气透平-燃料系统包括气体锁28和连接在下游的部件直至燃气透平1的燃烧室3。
气体锁28在热交换器26之后设置在燃气导管9中。气体锁28包括设置在燃气导管9中的快速封闭铠装件29，该快速封闭铠装件直接连接在设计为球头的气体锁铠装件30的下游。在气化装置断开后的喷淋或者在喷淋饱和装置和连接在下游的热交换器时，剩余气体通过气体锁铠装件29上游的排气导管31排到火焰中。排气导管31以及所属的铠装件用作气体锁28的压力卸载系统32。燃气导管9可通过气体锁28气密地闭锁，并且在需要时通过快速封闭铠装件29在特别短的时间内关闭。
在气体锁28的下游直接连接有连接在燃气导管9中的调节铠装件33，通过该调节铠装件在所有的负载情况下调节燃气透平的燃料流。
为了用氮气N2喷淋气化系统或者燃料系统的第一区域，也就是从气化装置10到气体锁28，使用来自空气分离设备13的纯氮气R-N2。为此，在空气分离设备13中在空气流L分离时在氧气O2之外产生的氮气N2作为纯氮气R-N2通过输送导管34从空气分离设备13排出。可用阀35封闭的支管36从输送导管34分支出，该支管为喷淋燃料系统8的第一区域而汇入用于化石燃料B的气化装置10中。
已知的是，为了用氮气N2喷淋第二区域或者燃气透平燃料系统8，同样使用纯氮气R-N2作为喷淋介质。因此，输送导管34汇入氮气存储装置37中。另一可用阀38封闭的保留导管39汇入输送导管34中，该保留导管在输入侧连接在用于纯氮气R-N2的紧急填充系统40中。因此，氮气存储器37既连接在空气分离设备13上，也连接在紧急填充系统40上，其既可以用来自空气分离设备13的纯氮气R-N2也可以用来自紧急填充系统40的纯氮气R-N2填充。因此，即便在空气分离设备13失效时，也能特别可靠地保证气化系统8的喷淋。在此，氮气存储器37这样地确定尺寸，使得其满足喷淋过程对纯氮气R-N2的要求以及有足够高的保留容量。氮气存储器37在出口侧通过主喷淋导管41和另一喷淋导管44连接在燃气导管9上。另外的喷淋导管44沿合成气体SG的流动方向直接在气体锁28之后、也就是在气体锁铠装件30之后汇入到燃气导管9中。
在燃气透平1从合成气体SG每次向第二燃料转换时(这对应于输送到燃烧室6的燃气的变化)，提供用氮气对燃气透平燃料系统8进行的喷淋。由于喷淋过程，位于燃气透平燃料系统中的合成气体SG出于安全技术上的原因几乎完全被挤出。
为了用纯氮气R-N2喷淋燃料系统8的第一区域或者气化系统，通过输送导管34和支管36向气化装置10供应纯氮气R-N2。在此，通常规定以足够大量的纯氮气R-N2作为喷淋介质在较长的时间内向前喷淋在气化装置10和气体锁28之间的区域，以便确保将合成气体SG从燃料系统8的该区域挤出。喷淋过程的废气通过气体锁28上游的排气导管31从燃料系统8排出。
燃料系统在气体锁28和燃气透平1的燃烧室3之间用纯氮气R-N2向前喷淋。为此，在空气分离设备3中产生的纯氮气R-N2通过氮气导管41和另一喷淋导管44输送到燃气导管9。由于该系统较小的体积，用纯氮气R-N2向前喷淋是足够的。
如果气化装置和燃气处理装置(还)在运行，例如因为设备是多代设备或者气化装置刚好被启动，这种启动可能持续多个小时，或者为了较短的维修不关闭位于下游的气化装置系统，则省去了在气化装置上喷淋的可能性。
按照本发明，然后激活设置在气化装置下游的燃料系统的“紧急喷淋”，并且在一定的时间内进行“紧急喷淋”，通过该紧急喷淋实现燃料系统在气体锁上方的钝化。
为此，纯氮气通过主喷淋导管41和可用阀43封闭的喷淋导管42输送到混合装置17和脱硫设备20之间的燃气导管9。通过氮气导管16直接向混合装置17喷淋不纯的氮气由于不纯的氮气过高的氧气份额而不满足这一要求。从空气分离设备10起，直接在氮气导管16中供入纯氮气对于不纯的氮气是没有意义的，因为不经济。这种改进实施例耗费时间并且需要较多的纯氮气，因为整个氮气导管16必须一次被喷淋。

Claims (12)

1.一种燃气和蒸汽轮机设备，带有集成的碳气化装置，该燃气和蒸汽轮机设备包括燃气透平(1)、连接在燃气透平(1)的燃烧室(3)上游的燃料系统(8)，所述燃料系统包括用于化石燃料的气化装置(10)和从所述气化装置(10)分支出并且汇入所述燃气透平(1)的燃烧室(3)中的燃气导管(9)，其中，在所述燃烧室(3)的上游在所述燃气导管(9)中连接用于以蒸汽饱和燃料的饱和装置(21)，其特征在于，设置喷淋导管(42)，该喷淋导管在所述气化装置(10)和所述饱和装置(21)之间汇入所述燃气导管(9)。
2.如权利要求1所述的燃气和蒸汽轮机设备，其中，在所述饱和装置(21)的上游在所述燃气导管(9)中连接用于将氮气输送到合成气体的混合装置(17)，其中，所述喷淋导管(42)在气化装置(10)和混合装置(17)之间汇入所述燃气导管(9)。
3.如权利要求1或2所述的燃气和蒸汽轮机设备，其中，脱硫设备(20)在所述燃气导管(9)中连接在这样一个位置的上游，所述喷淋导管(42)在所述位置汇入所述燃气导管(9)。
4.如权利要求1至3之一所述的燃气和蒸汽轮机设备，其中，所述喷淋导管(42)通过主喷淋导管(42)和和输送导管(34)与空气分离设备(13)的纯氮气出口连接。
5.如权利要求4所述的燃气和蒸汽轮机设备，其中，在所述输送导管(34)和所述主喷淋导管(41)之间连接有氮气临时存储器(37)。
6.如权利要求4或5所述的燃气和蒸汽轮机设备，其中，一保留导管(39)汇入所述输送导管(34)中，该保留导管在输入侧连接在用于氮气、尤其是用于纯氮气的紧急填充系统(40)上。
7.如权利要求1至6之一所述的燃气和蒸汽轮机设备，其中，在所述饱和装置(21)和燃烧室(3)之间在所述燃气导管(9)中连接气体锁(28)，并且，另一喷淋导管(44)在气体锁(28)和燃烧室(3)之间汇入所述燃气导管(9)。
8.如权利要求7所述的燃气和蒸汽轮机设备，其中，所述另一喷淋导管(44)从所述主喷淋导管(41)分支出。
9.一种用于喷淋带有集成的气化装置的燃气和蒸汽轮机设备的燃料系统(8)的至少一部分的方法，其中，所述燃料系统(8)包括气化装置(10)，从该气化装置分支出燃气导管(9)，该燃气导管汇入燃烧室(3)，并且所述燃料系统(8)还包括饱和装置(21)，该饱和装置连接在所述燃气导管(9)中，其特征在于，所述燃料系统(8)通过在所述气化装置(10)和所述饱和装置(21)之间朝所述燃烧室(3)方向引入喷淋介质到所述燃气导管(9)内而被喷淋。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述喷淋介质是纯氮气。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述纯氮气从空气分离设备(13)提取。
12.如权利要求9至11之一所述的方法，其中，所述喷淋介质被输送到连接在所述燃气导管(9)中的混合装置和脱硫装置(20)之间，该混合装置用于将氮气混合到燃料中。
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