CN102292521A - 有第二种燃料添加装置的合成气燃料系统及合成气燃料系统的运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种合成气燃料系统(8)，包括一个从气化装置(10)分路出来的并在与燃烧器连接的交接点(40)内终止的主合成气导管(9)，其中，在主合成气导管(9)内设第二种燃料添加装置(33)和混合装置(34)，其中，混合装置(34)沿合成气流动方向设在第二种燃料添加装置(33)下游。此外，本发明还涉及一种针对用合成气工作时燃气轮机(2)的快速改变负荷的合成气燃料系统(8)的运行方法。

Description

有第二种燃料添加装置的合成气燃料系统及合成气燃料系统的运行方法
技术领域
本发明涉及一种尤其用于燃气和蒸汽轮机装置(GuD)的合成气燃料系统，以及涉及例如由于Forderung des britischen Grid Codes(英国网格编码要求)引起的燃气轮机快速改变负荷的问题。此外，本发明涉及一种针对用合成气工作时燃气轮机快速改变负荷的合成气燃料系统的运行方法。
背景技术
与传统的火电厂(DKW)不同，尤其与DKW相比鉴于应用GuD潜在的效率优势，考虑使用气化电厂(IGCC-Integrated Gasification Combined Cycle)，用于产生合成气和接着在GuD中使用。对于IGCC装置的运行，关键是连接在GuD上游的合成气燃料系统，它由各部件组成，亦即氮稀释装置、水/汽饱和装置、天然气添加装置、空气抽取装置和热交换器。
合成气燃料系统的目的是，根据处于下游的消耗器，亦即燃气轮机的温度和热值要求，制备一种经调节的合成气，以及在集成在空气侧的情况下，制备压缩空气用于集成使用在空气分解设备中。在合成气燃料系统内进口处存在的粗合成气的调节并因而热值调整，通过上述各部件/系统进行。经调节的合成气的温度在从合成气燃料系统排出前用热交换器调整。在(部分)集成的空气抽取装置中从燃气轮机压气机抽取压缩空气，在不集成空气抽取装置的情况下从单独的压气机抽取，以及借助集成的热交换器调整到空气分解设备要求的温度水平。DE10002084C2介绍了这种装置。
这种合成气燃料系统基于与IGCC参与的主系统(空气分解装置、气化装置，涤气器、GUD)相互作用，目前设计为全套设备的基本负荷能力分系统，其中不能借助提高热值实现燃气轮机陡的负荷梯度。
因为在IGCC构型内使用合成气运行时要求增加以燃气轮机陡的负荷梯度运行方式的可用性，所以合成气燃料系统必须尽可能独立地，以及对相邻的主系统仅有小量影响地，与其变化的边界条件相适应。
由EP1277920A1已知一种装置或一种方法，它有一个电厂设备，包括燃气轮机，为它配设一个有至少一个燃烧器的燃烧室，以及包括一个连接在燃烧室上游的燃料系统，它有一个化石燃料气化装置和一个从气化装置分路出来的并汇入燃烧室内的气体导管。GuD装置不仅可以用合成气运行，而且可以用第二种燃料，例如天然气或油运行。为此将燃烧器设计为两种或多种燃料燃烧器。通过添加天然气或蒸汽成为合成气可以调整热值。在燃气轮机燃烧器的运行方法中，气化化石燃料，以及气化的化石燃料作为合成气供给为燃气轮机配设的燃烧器进行燃烧。
在这里的缺点是，即使添加天然气成为合成气，在负荷提高的情况下，基于燃料质量流由所使用的器械及其装置的尺寸和长度造成的、直至到达燃气轮机的流动滞后，不可能满足对陡的负荷梯度提出的要求，或与负荷改变相关联的、短期添加也可能是大量的天然气，难以准确调整可燃气的热值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是进一步发展所述装置和所述方法，满足对陡的负荷梯度的要求。
按本发明上述技术问题通过按权利要求1的装置和按权利要求11的方法得以解决。各自的从属权利要求确定了本发明一些有利的扩展设计。
通过在主合成气导管内设第二种燃料添加装置和混合装置，其中，混合装置沿合成气流动方向设在第二种燃料添加装置下游，可以达到下述目的：
基于气化器有限的负荷梯度，在瞬时合成气不足时可以为快速增大负荷提供必要的热值和可燃气质量流，此时混合装置保证特别均匀和不成绺地混合第二种燃料与合成气，由此可目标准确地调整合成气/第二种燃料混合物的热值。
按一种有利的实施形式，在主合成气导管内，若第二种燃料添加装置没有甚至直接设在用于与燃烧器连接的交接点前，则至少设在交接点区域内。全套IGCC设备快速增大负荷，在有足够热值的同时，与可使用的燃料质量流(合成气加上第二种燃料)快速的可利用率相结合。在为了提高燃料质量流及热值而利用第二种燃料时，在快速增大负荷的情况下，基于燃料质量流直至达到燃气轮机的流动滞后，必须注意，供给装置应处于尽可能靠近燃气轮机的地方。
在这方面恰当的是，燃料导管汇入第二种燃料添加装置，以及在燃料导管内连接调整附件。调整附件保证根据预定的第二种燃料/合成气之比和允许的热值，准确调整天然气流量和压力。
在这方面有利的是，为了遵守可燃气混合物预定的热值，沿合成气流动方向在混合装置下游设检测用的热值测量仪。
有利地设一些装置，借助它们将由热值测量仪测定的热值传给调整附件，从而可以再调整第二种燃料的添加量。
此外有利的是，在燃料导管内连接热交换器，使第二种燃料在第二种燃料添加前可预热到一个与合成气饱和线有足够差异的温度水平。
恰当的是，混合装置是一个过滤器。在主合成气导管内反正需要的过滤器，可有利地也利用于混合合成气/第二种燃料混合物，为此它不是设在其他某个位置，而是在主合成气导管内设在沿合成气流动方向第二种燃料添加装置的下游。
恰当地，第二种燃料添加装置是一个天然气添加装置。基于高的热值，采用天然气可以实施特别迅速的负荷变换。
有利地，在一种包括燃气轮机、燃烧室和合成气燃料系统的燃气和蒸汽轮机装置中，燃料系统的交接点与燃烧室的燃烧器连接。
在按本发明的一种针对用合成气工作时燃气轮机快速改变负荷的合成气燃料系统运行方法中，在合成气中添加第二种燃料，以及，混合合成气/第二种燃料混合物并供给燃气轮机的燃烧室。
有利地，所述添加和混合直接在燃烧室上游进行。
有利地，调整第二种燃料的添加。恰当地，这根据合成气/第二种燃料混合物的热值进行，为此目的测量此热值。
有利的是，预热第二种燃料。
此外有利的是，在添加第二种燃料前，调节合成气。
附图说明
下面借助附图作为范例详细说明本发明。附图示意性地和未按尺寸比例地表示，其中：
图1表示已知的合成气燃料系统；
图2表示按本发明有第二种燃料添加装置的合成气燃料系统；以及
图3表示在负荷增大时，功率、合成气质量流量和第二种燃料质量流量随时间的变化曲线。
具体实施方式
按图1，已知的合成气燃料系统包括一个燃气轮机装置1和一个没有详细表示的蒸汽轮机装置。燃气轮机装置1包括燃气轮机2和与之结合的压气机3，以及包括连接在燃气轮机2上游的燃烧室4，它与压气机3的压缩空气导管5连接。燃气轮机2和压气机3以及发电机6安装在公共的轴7上。
燃气轮机装置1设计用于用气化的粗煤气或合成气SG运行，它通过气化一种化石燃料B产生。作为合成气可例如采用气化的煤或气化的油。为此，燃气轮机装置1包括一个合成气燃料系统8，通过它可向燃气轮机2的燃烧室4供给合成气。合成气燃料系统8包括一个主合成气导管9，它连接气化装置10与燃气轮机2的燃烧室4。通过进料系统11可将例如煤、天然气、油或生物物质作为化石燃料B供给气化装置10。此外，合成气燃料系统8还包括一些部件，它们在主合成气导管9内连接在气化装置10与燃气轮机2燃烧室4之间。
为了制备用于化石燃料B的气化所需要的氧O2，在气化装置10上游通过氧气导管12连接一个空气分解装置13。空气分解装置13可在进口侧加入空气流L，它由第一分流T1和第二分流T2组成。第一分流T1可抽取在压气机3内压缩后的空气。为此，空气分解装置13在进口侧与抽气导管14连接，后者在分支点15从压缩空气导管5分路。此外，在抽气导管14内汇入另一个空气导管16，其中连接一个附加的压气机17并可通过它将第二个分流T2供给空气分解装置13。因此在本实施例中，流入空气分解装置13中的总空气流L为从压缩空气导管5分路的分流T1(减去一个下面说明的分量T′)和由附加的压气机17输送的空气流T2组成。这种线路布置方案也称为部分集成的设备设计方案。按另一种设计，所谓的全集成的设备设计方案，另一个空气导管16连同附加的压气机17都可以取消，所以给空气分解装置13供给空气，完全通过从压缩空气导管5抽取的分流T1进行。
在抽气导管14内连接热交换器31，为的是从抽取的空气重新回收热量，由此可以达到燃气和蒸汽轮机装置特别高的效率。
沿分流T1的流动方向看，在热交换器31下游，从抽气导管14分出冷却空气导管32，通过它可以给燃气轮机2供给冷却分流T1的一个分量T′，作为叶片冷却用的冷却空气。
在空气分解装置13中，在分解空气流L时除了氧O2外获得的氮N2，通过与空气分解装置13连接的氮气导管18供给混合装置19，以及在那里向合成气SG添加。在这里，混合装置19设计用于特别均匀和不成绺地与合成气SG混合氮N2。
从气化装置10流出的合成气SG，通过主合成气导管9首先进入合成气废热锅炉20，在其中通过与流动介质的热交换，进行合成气SG的冷却。在换热时产生的高压蒸汽，可以通过没有详细说明的方式供给汽轮机装置水汽循环的高压级。
在主合成气导管9内，沿合成气SG的流动方向看，在合成气废热锅炉20下游和混合装置19上游，连接一个用于合成气SG的除尘装置21和一个脱硫装置22。按另一种设计，取代除尘装置21，尤其在气化油作为燃料时，也可以设一个涤烟装置。
为了在燃烧室4内燃烧气化燃料的情况下保持特别小的有害物排放量，规定在气化燃料进入燃烧室4前加入水蒸气。这可以通过热力学方面特别有利的方式在一个饱和系统内进行。为此在主合成气导管9内连接饱和器23，在饱和器23内沿要加热的饱和水的逆流导入气化燃料。在这种情况下，饱和水在一个与饱和器23连接的饱和回路24内循环，在此饱和回路中连接循环泵25和为了预热饱和水而连接热交换器26。为了补偿在气化的燃料饱和时产生的饱和水损失，在饱和回路24上连接进料导管27。
沿合成气SG的流动方向看，在饱和器23下游，起合成气-混合气热交换器作用的热交换器28在二次侧连接在主合成气导管9内。以及，热交换器28在一次侧，在除尘装置21前的一个位置，同样连接在主合成气导管9内，从而流入除尘装置21的合成气SG，将其部分热量传给从饱和器23流出的合成气。在这里，也可以在其他部件的线路布置设计变更时，规定在进入脱硫装置22前经热交换器28导引合成气SG。尤其在接通涤烟装置的情况下，热交换器优选地就合成气而言布置在涤烟装置的下游。
在主合成气导管9内，在二次侧，在饱和器23与热交换器28之间连接另一个热交换器29，它在一次侧可以给水加热或蒸汽加热。通过设计为合成气-纯可燃气热交换器的热交换器28和热交换器29，在这种情况下，即使在燃气和蒸汽轮机运行状态不同时，也能保证特别可靠地预热流入燃气轮机2燃烧室4的合成气SG。
为了将热量耦合在饱和回路24内，除了例如可以施加在给水预热器后面分路出来的热给水的热交换器26外，还设有饱和水热交换器30，它在一次侧可加入来自没有表示的给水箱的给水。
图2表示按本发明的合成气燃料系统8，在主合成气导管9端头有一个交接点40，用于连接燃气轮机2燃烧室4的燃烧器，其中，在混合装置34和燃气轮机2的主调整附件(未表示)前，为了调节合成气设第二种燃料添加装置33用于添加天然气。
混合装置34是一个过滤器，它除了其过滤功能外还起经调节的合成气与添加的第二种燃料(天然气)之间混合器的作用。
天然气添加的接通，在这里通过燃料导管35进行，燃料导管35汇入第二种燃料添加装置33中并在其中连接调整附件36，它保证根据预定的天然气/经调节的合成气之比和允许的热值，准确调整天然气的量和压力。
在添加后遵守可燃气混合物预定热值的检测，借助快速热值测量仪37进行，以便将快速的热值改变传送给天然气添加装置的控制系统39。
根据可供过热合成气使用的一次传热介质和经调节的合成气内的含水量，天然气添加前借助热交换器38预热到一个与合成气饱和线有足够差异的温度水平。
图3表示在增大负荷时，功率P、合成气质量流量
Figure BDA0000078141040000061
和第二种燃料质量流量
Figure BDA0000078141040000062
随时问的变化曲线。在时间段A内，负荷或功率P是常数。因此合成气质量流量同样是常数，以及第二种燃料质量流量
Figure BDA0000078141040000064
为零。在负荷快速增大时，功率P在规定的时间范围B内提高到一个较大的值。当合成气质量流量
Figure BDA0000078141040000065
的增大不能足够迅速地进行时，给合成气添加第二种燃料，因此第二种燃料质量流量不等于零。若达到功率P的目标水平，在时间段C第二种燃料的添加可以缓慢地节制，也就是说，使二种燃料质量流量
Figure BDA0000078141040000067
重新趋于零，而合成气质量流量
Figure BDA0000078141040000068
重新增大，直至完全由合成气满足燃料需求(时间段D)。

Claims (16)

1.一种合成气燃料系统(8)，包括一个从气化装置(10)分路出来的并在与燃烧器连接的交接点(40)内终止的主合成气导管(9)，其特征为：在主合成气导管(9)内设第二种燃料添加装置(33)和混合装置(34)，其中，混合装置(34)沿合成气流动方向设在第二种燃料添加装置(33)下游。
2.按照权利要求1所述的合成气燃料系统，其中，第二种燃料添加装置(33)设在交接点区域内。
3.按照权利要求1或2所述的合成气燃料系统，其中，第二种燃料添加装置(33)沿合成气流动方向直接设在交接点(40)前。
4.按照前列诸权利要求之一所述的合成气燃料系统，其中，燃料导管(35)汇入第二种燃料添加装置(33)，以及在燃料导管(35)内连接调整附件(36)。
5.按照前列诸权利要求之一所述的合成气燃料系统，其中，沿合成气流动方向在混合装置(34)下游设热值测量仪(37)。
6.按照权利要求4和5所述的合成气燃料系统，其中，设一些装置(39)，借助它们将由热值测量仪(37)测定的热值传给调整附件(36)。
7.按照权利要求4所述的合成气燃料系统，其中，在燃料导管(35)内连接热交换器(38)。
8.按照前列诸权利要求之一所述的合成气燃料系统，其中，混合装置(34)是一个过滤器。
9.按照前列诸权利要求之一所述的合成气燃料系统，其中，第二种燃料添加装置(33)是一个天然气添加装置。
10.一种燃气和蒸汽轮机装置，包括燃气轮机(2)、燃烧室(4)和按照前列诸权利要求之一所述的合成气燃料系统(8)，其中，交接点(40)与燃烧室(4)的燃烧器连接。
11.一种针对用合成气工作时燃气轮机(2)的快速改变负荷的合成气燃料系统(8)的运行方法，其特征为：在合成气中添加第二种燃料，以及，混合合成气/第二种燃料混合物并将其供给燃气轮机(2)的燃烧室。
12.按照权利要求11所述的方法，其中，添加和混合直接在燃烧室(4)上游进行。
13.按照权利要求11和12之一所述的方法，其中，调整第二种燃料的添加。
14.按照权利要求11至13之一所述的方法，其中，为了调整第二种燃料的添加，测量合成气/第二种燃料混合物的热值。
15.按照权利要求11至14之一所述的方法，其中，预热第二种燃料。
16.按照权利要求11至15之一所述的方法，其中，在添加第二种燃料前，调节合成气。
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