CN102472120A - 热电联产设备和热电联产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热电联产设备和方法，包括：燃气涡轮机(GT)；热回收蒸汽发生器(HRSG)；蒸汽涡轮机(STT)；冷却器/冷凝器(CCON)；位于分离点(DIV)处的分离模块(DMOD)，使所述燃烧气体(CG)在冷却器/冷凝器(CCON)中冷却和除湿并且随后借助于在所述热回收蒸汽发生器(HRSG)下游的分离模块(DMOD)分成第一燃烧气体流(CB1)和第二燃烧气体流(CB2)；第二冷凝器(CON2)，该第二冷凝器(CON2)接收所述第二燃烧气体流(CB2)，以便通过水的冷凝将所含的二氧化碳(CO2)与所含的水分开；加热器(CHEAT)；压缩机(COMP)，该压缩机(COMP)接收所述第一燃烧气体流(CB1)，第一燃烧气体流(CB1)在进入燃烧室(COMB)之前被加热、压缩并被部分地被抽出以绕开燃烧室(COMB)来冷却所述燃气涡轮机(GT)，并且与将在所述燃气涡轮机(GT)中燃烧的氧气(O2)和燃料(F)流混合。

Description

热电联产设备和热电联产方法
技术领域
本发明涉及一种热电联产的设备和方法，通过在燃气涡轮机循环中燃烧燃料用于产生能够被利用用以在蒸汽循环中将水加热成蒸汽的燃烧气体，其中，
所述燃气涡轮循环包括：
燃气涡轮机，所述燃气涡轮机用以膨胀燃烧气体；
所述燃气涡轮机的燃烧室，所述燃烧室燃烧燃料、氧气和燃烧气体的再循环第一流的混合物，从而产生将进行膨胀的燃烧气体；
热回收蒸汽发生器，所述热回收蒸汽发生器设置在燃气涡轮机的下游、接收燃烧气体以加热液态水和蒸汽，从而产生蒸汽和/或过热蒸汽；
位于分离点处的分离模块，借助于在所述热回收蒸汽发生器下游的分离模块将所述燃烧气体分成所述再循环第一燃烧气体流和第二燃烧气体流；
压缩机，所述压缩机接收所述第一燃烧气体流，所述第一燃烧气体流被压缩以便进入燃烧室并与氧气和燃料流混合以在所述燃气涡轮机中燃烧，
所述蒸汽循环包括：
蒸汽涡轮机，借助于该蒸汽涡轮机使蒸汽膨胀；
第一冷凝器，所述第一冷凝器设置在蒸汽涡轮机的下游，膨胀的蒸汽借助于第一冷凝器至少部分地冷凝成液态水；
第一泵，其中所述第一泵将具有增加压力的所述液态水输送至所述热回收蒸汽发生器以通过与所述燃烧气体热交换而进行加热。
背景技术
由于逐渐地意识到气候与排放相关，因此进行了大量的努力以使二氧化碳的排放最小化，二氧化碳被认为是世界温度升高、即温室效应的最相关的原因之一。最新的发展导致了具有零排放和较高效率的热电联产(cogeneration)循环。在该循环内，化石燃料与纯氧气燃烧，这样使得能够通过冷凝燃烧气体的H2O成分而以节省成本的方式分离在氧化过程中产生的二氧化碳。增加的循环效率至少部分地补偿了在上游空气分离模块中进行供应纯氧的工作量。如果将所分离的二氧化碳储存在适当位置，则该循环变为零排放循环。
本质上，这些循环由与低温兰金循环(Rankine Cycle)相结合的以高温操作的所谓闭式布莱顿循环(Brayton Cycle)组成。典型地，布莱顿循环由压缩机、燃烧腔室和高温燃气涡轮机组成。通常，兰金循环由蒸汽涡轮机、冷凝器和蒸汽发生器组成。蒸汽发生器可以是热回收蒸汽发生器。涡轮机可以是单缸涡轮机，或者是高压涡轮机、中间压力涡轮机和低压涡轮机的组合。优选地，燃料是连同近理论配比的氧气质量流一起的天然气或者其它碳氢基燃料气体，其被供应至燃烧腔室和相应的燃烧装置，该燃烧腔室根据布莱顿循环的所选设计参数——主要是涡轮机入口温度、涡轮机冷却原理和低压压缩机入口温度——优选地以20巴至60巴的压力操作。因此，高压涡轮机以高达1600℃的温度操作，并且涡轮机冷却系统利用来自压缩机的工作介质——其主要是二氧化碳和水的混合物——作为冷却剂。还利用来自压缩机的较冷的工作介质作为用于燃烧装置和相应的燃烧腔室以及暴露于来自燃烧的高温的所有其它部分的冷却介质。在布莱顿循环燃气涡轮机中膨胀之后，热排气在下游的热回收蒸汽发生器中冷却，热回收蒸汽发生器使水汽化以及使蒸汽过热以用于兰金循环高压蒸汽涡轮机。
本发明的一个目标是增加布莱顿循环的效率并且避免压缩机中的腐蚀。
发明内容
根据本发明，提供了一种先前提及类型的热电联产设备和方法，其具有如权利要求1以及相应的权利要求11所述的另外的特征。相应的从属权利要求指出本发明的优选实施方式。
参照本发明，离开热回收蒸汽发生器的冷却的排气进入冷却器/冷凝器模块，冷却器/冷凝器模块优选地利用与兰金循环分开的冷却介质操作。可以将该冷却器/冷凝器连接至外部冷却源，例如海水、周围空气、经由中间水系统的周围空气或者区域热格(district heating grid)。该冷却器/冷凝器模块的主要目的是减小燃烧气体中的含水量，以减小在再循环蒸汽的压缩中的压缩机做功。在冷却器/冷凝器之后，将脱水的燃烧气体蒸汽分成两个部分流，其中第一蒸汽在被压缩并供给至燃烧腔室和相应的燃烧装置之前进行再加热，而第二蒸汽是用于补偿注入的燃料和氧气的未在冷却器/冷凝器中分离的部分的排放蒸汽。将在主循环中进行再压缩的第一蒸汽在进入压缩机之前还经过再加热热交换器。该再加热的主要目的是减小烟道气体蒸汽中的相对湿度以避免由水滴造成的第一压缩机级的腐蚀。冷却器/冷凝器和再加热部一起可以设计成产生对于布莱顿循环来讲有利的循环条件以便使循环效率、设备净现值最优化，或者设计成适合压缩机高温部分的温度——其从材料的观点来看是有利的。由在冷却器/冷凝器模块中的冷凝产生的烟道气体中的含水量减小的量、和由加热器产生的进入压缩机中的工作介质的温度、连同所选择的压缩机压力比一起，使得可以减小压缩机做功，并且将循环设计成对于最大循环效率、或者对于最大设备净现值来讲具有最优压缩机出口温度。将系统设计成在压缩机之前产生一定温度的工作介质的可能性，也可以被用于使压缩机的高温部分中的介质温度保持在盘、叶轮、叶片的设计温度以下，即，将循环设计成最大压力比。来自分离点的第二工作介质蒸汽是排放蒸汽，其平衡燃料和氧气的未在冷却器/冷凝器模块中分离的剩余供给蒸汽、主要包括蒸汽和二氧化碳、并被供给至第二冷凝器，在第二冷凝器中，在从燃烧气体分离出更多水的第二阶段中继续燃烧气体蒸汽的除湿。将第二冷凝器的分离出的水供给至水净化系统中，该分离出的水在该水净化系统可以被认为是副产品。来自冷却器/冷凝器的冷凝水也被排放至相同的水净化系统。该循环由热回收蒸汽发生器提供动力，该热回收蒸汽发生器在初级侧上由高温涡轮机(燃气涡轮机循环)的排气加热并且在次级侧上相应地使水汽化和使蒸汽过热。
术语“燃气涡轮机”、“蒸汽涡轮机”和“压缩机”同义地用于可能以串联或并联的顺序设置并且用于膨胀或压缩基本上一个相应的工艺流体流的一个或多个相应的机器。
公开的热电联产方法可以通过发电循环执行，下文将其称为低压双循环。低压双循环是具有为蒸汽循环产生蒸汽的热回收蒸汽发生器的再循环燃料增氧循环。该燃料增氧循环利用燃料增氧涡轮机单元——其本质上是设计成利用燃料增氧操作的燃气涡轮机，其包括压缩机、燃烧室和涡轮机单元。优选地，借助于在纯氧中碳氢化合物的接近理论配比的燃烧，在燃烧室中产生H2O-CO2混合物。然后，该混合物在进入热回收蒸汽发生器单元之前在燃气涡轮机中膨胀。在热回收蒸汽发生器的下游，排出的所述混合物得到冷却，并且在冷却器/冷凝器模块中部分脱水。在冷却的气体通过压缩机再加热及再循环之前，所述冷却器/冷凝器模块优选地将冷却水或区域加热水用作冷却介质。优选地，压缩机包括多个单元，例如低压单元和高压单元。
在压缩之后，所述混合物进入燃烧室，该燃烧室包括混合腔室和燃烧室。燃烧室可以设有用于高效稳定燃烧的多个离心式喷嘴和燃烧装置。在热回收蒸汽发生器的下游，所述燃烧气体得到冷却，所述燃烧气体的含湿量被部分冷凝，而在气体流被分成第一燃烧气体流和第二燃烧气体流之前将液相从燃烧气体流分离出。所述第一燃烧气体流在进入压缩机之前被传送至所述再加热热交换器以减小烟道气体蒸汽中的相对湿度，从而避免第一压缩机级的腐蚀，并且还可以在不降低进入燃烧部的燃烧气体流的温度的情况下更大程度地减小燃烧气体的含湿量。然后将所述第一燃烧气体流传送至所述压缩部以进入燃气涡轮机的燃烧室的下游。所述第二燃烧气体流被进一步冷却以便将燃烧气体流的更多含湿量冷凝成液态水，从而将汽化的水与二氧化碳分离开，之后优选地将二氧化碳压缩并从循环中抽出，以便最终储存该压缩气体。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例来描述本发明，附图中：
图1示出了根据本发明的循环的示意性概略图。
具体实施方式
图1示出了低压双循环LPTC，其本质上通过热回收蒸汽发生器HRSG将燃气涡轮机GT和蒸汽涡轮机STT结合在一个热力循环中。燃气涡轮机GT包括燃烧室COMB、第一燃气涡轮机GT1和第二燃气涡轮机GT2，其中第一燃气涡轮机GT1驱动压缩机单元COMP，而第二燃气涡轮机GT2借助于第二传动齿轮GR2驱动第一发电机G1。压缩机单元COMP包括低压压缩机COMP1和高压压缩机COMP2，两者借助于传动齿轮GR1相互联接。传动齿轮GR1具有小于1的齿轮齿数比，从而给予低压压缩机COMP1较低的速度。
燃烧室COMB被供以氧气O2和燃料F，氧气O2和燃料F在未进一步示出的混合腔室中混合为接近理论配比的混合物，在燃烧室COMB的燃烧装置BUR中燃烧，并且作为燃烧气体CG在燃烧室COMB的下游进入第一燃气涡轮机GT1和第二燃气涡轮机GT2中膨胀。氧气O2和燃料F与第一燃烧气体流CG1在燃烧室COMB的燃烧装置的上游混合，该第一燃烧气体流CG1在燃烧室COMB的上游通过压缩机COMP压缩。
在燃气涡轮机GT中的膨胀部的下游，将燃烧气体CG传送至热回收蒸汽发生器HRSG，以便通过将液态水LQ加热成蒸汽ST而获得过热蒸汽ST的方式进行冷却。热回收蒸汽发生器HRSG包括多个热交换器HEX，热交换器HEX将能量从燃烧气体CG传递至液态水LQ和相应的蒸汽ST。
在热回收蒸汽发生器HRSG中的热交换的下游，燃烧气体CG进入冷却器/冷凝器模块CCON，冷却器/冷凝器模块CCON利用与兰金循环分开的冷却介质CM操作。该冷却器/冷凝器可以连接至如海水、通过水系统的周围空气或区域热格的外部冷却源。在冷却器/冷凝器CCON中，将燃烧气体的潮湿成分部分地冷凝成液态水，将液态水与循环CG的工作介质分离。将来自冷却器/冷凝器的冷却水排放至水净化系统。该冷凝的主要原因是为了减少再循环到压缩机的脱水燃烧气体CGDH中的H2O成分，以减少该循环中的压缩做功量。
在冷却器/冷凝器模块CCON中的热交换的下游，燃烧气体CG在分离点DIV处分成第一燃烧气体流CB1和第二燃烧气体流CB2，其中第一燃烧气体流CB1在进入压缩机COMP之前在加热器CHEAT中进行再加热。
将第二燃烧气体流CB2传送至第二冷凝器CON2以便冷却该水和二氧化碳的混合物。在第二冷凝器CON2中，将燃烧气体CB2的一部分潮湿成分冷凝成水H2O，将水H2O与剩余的气体混合分离。借助于多个压缩机COC1-COC3和中间冷却器C001-C003，二氧化碳CO2被压缩，含湿量减小，并且将二氧化碳冷却至液相以便运输和储存。图中通过示例示出了三个压缩机和中间冷却，但是实际上可以将级数变成更多级或者更少级。
在第二冷凝器CON2中以及再多个中间冷却器中冷凝并分离的水H2O在汇合点COM处汇合并被传送至第四泵PU4，并且被输送至较高的压力水平。
离开热回收蒸汽发生器HRSG的过热蒸汽ST向下游进入蒸汽涡轮机STT的高压蒸汽涡轮机STT1以进行膨胀。高压蒸汽涡轮机STT1借助于第三齿轮GR3联接至中压蒸汽涡轮机STT2，第三齿轮GR3使得两个蒸汽涡轮机能够具有不同的速度。第二发电机G2联接至中压蒸汽涡轮机STT2以进行发电。在蒸汽涡轮机STT的下游，蒸汽ST进入第一冷凝器CON1以被冷凝成液态水LQ。
在泵PU1的下游，液态水LQ在进入第一分离器SEP1之前在第一热交换器EX1中交换热能，这样使液态水LQ脱气。在进入第一热交换器EX1的冷部位之后，脱气的液态水LQ通过第二泵PU2输送至较高的压力水平以进入热回收蒸汽发生器HRSG的冷部位。液态水LQ经过多个热交换器HEX在热回收蒸汽发生器HRSG中逐步增温，通过与从燃气涡轮机GT排出的燃烧气体CG进行热交换而汽化和过热。
过热的蒸汽ST在热回收蒸汽发生器HRSG的下游被传送至蒸汽涡轮机ST的高压涡轮机STT1中以进行膨胀。
在蒸汽涡轮机ST的该膨胀过程内，借助于抽出模块EXT在抽出点处从高压蒸汽涡轮机STT1抽出冷却蒸汽STCO，以冷却第一燃气涡轮机GT1的热气体路径HGP的部分。在35％的冷却蒸汽STCO注入至热气体路径HGP中以用于薄膜冷却的同时，65％的冷却蒸汽STCO以较高的温度离开燃气涡轮机GT的冷却系统CS。剩余的65％的冷却蒸汽STCO借助于位于低压蒸气涡轮机STT2的入口处的供给模块IN与主蒸汽ST流再汇合，低压蒸气涡轮机STT2的入口还接收离开高压蒸汽涡轮机的蒸汽ST。可以将一部分冷却蒸汽STCO注入到燃气涡轮机GT的热气体路径HGP中。优选地，该部分STGTCO至少部分地用于燃气涡轮机GT的旋转部分的薄膜冷却。
另一实施方式提供了针对燃气涡轮机GT的热气体路径HGP而言作为闭合系统的冷却系统CS，并且冷却蒸汽STCO以全部量与蒸汽ST再汇合。当将要注入至热气体路径HGP中的部分STGTCO在所述冷却蒸汽STCO流的20％至40％之间时，获得良好的结果。当冷却蒸汽STCO仅用于冷却燃气涡轮机GT的固定部分时，可以优选地实施这种实施方式。另一优选实施方式为旋转部分提供冷却，其中旋转部分利用绕开燃烧室以注入至热气体路径HGP中的所述压缩的燃烧气体CG进行冷却。
当离开冷却器/冷凝器模块CCON的燃烧气体CG具有55℃至75℃、优选地为65℃的温度时，可以获得良好的效率。取决于热交换，冷却器/冷凝器模块CCON的单独的冷却介质CM可以在冷却器/冷凝器模块CCON中加热直至约95℃，然后该温度水平可以用于加热热交换器CHEAT，以便使第一燃烧气体流CB1的温度从65℃增加至70℃，这样导致较低的相对湿度。

Claims (13)

1.一种热电联产设备，所述热电联产设备在燃气涡轮机循环中燃烧燃料用于产生能够被利用用以在蒸汽循环中将水加热成蒸汽的燃烧气体(CG)，其中，
所述燃气涡轮机循环包括：燃气涡轮机(GT)，所述燃气涡轮机(GT)用以膨胀燃烧气体(CB)；所述燃气涡轮机(GT)的燃烧室(COMB)，所述燃烧室(COMB)燃烧燃料(F)、氧气(O2)和燃烧气体(CG)的再循环第一流的混合物，从而产生将进行膨胀的燃烧气体(CG)；热回收蒸汽发生器(HRSG)，所述热回收蒸汽发生器(HRSG)设置在所述燃气涡轮机(GT)的下游、接收燃烧气体(CG)以加热液态水(LQ)和蒸汽(ST)，从而产生蒸汽(ST)和/或过热蒸汽(ST)；位于分离点(DIV)处的分离模块(DMOD)，借助于所述分离模块(DMOD)在所述热回收蒸汽发生器(HRSG)下游将所述燃烧气体(CG)分成所述再循环第一燃烧气体流(CB1)和第二燃烧气体流(CB2)；压缩机(COMP)，所述压缩机(COMP)接收所述第一燃烧气体流(CB1)，所述第一燃烧气体流(CB1)被压缩以进入所述燃烧室(COMB)并与所述氧气(O2)和燃料(F)的流混合以在所述燃气涡轮机(GT)中燃烧，
所述蒸汽循环包括：蒸汽涡轮机(STT)，借助于所述蒸汽涡轮机(STT)使所述蒸汽(ST)膨胀；第一冷凝器(CON1)，所述第一冷凝器(CON1)设置在所述蒸汽涡轮机(STT)的下游，膨胀的蒸汽借助于所述第一冷凝器(CON1)至少部分地冷凝成液态水(LQ)；第一泵(PU1)，其中所述第一泵(PU1)将具有增加压力的所述液态水(LQ)输送至所述热回收蒸汽发生器(HRSG)以通过与所述燃烧气体(CG)热交换而进行加热，
其特征在于，
接收燃烧气体(CG)的冷却器/冷凝器(CCON)设置在所述热回收蒸汽发生器(HRSG)的下游，所述冷却器/冷凝器(CCON)冷却所述燃烧气体流(CG)；并且
用于加热燃烧气体(CB1)并使其去液化的加热器(CHEAT)设置在所述分离模块(DMOD)的下游并且设置在所述压缩机(COMP)的上游，以便在将所述燃烧气体的所述部分(CB1)供应至所述压缩机(COMP)之前加热所述燃烧气体的所述部分(CB1)并使其去液化。
2.如权利要求1所述的热电联产设备，其中，所述冷却器/冷凝器模块(CCON)将所述燃烧气体(CG)的水汽成分部分地冷凝成液相(H2O)。
3.如权利要求1或2所述的热电联产设备，其中，所述冷却器/冷凝器(CCON)通过与所述蒸汽循环分开的冷却介质冷却。
4.如权利要求3所述的热电联产设备，其中，所述冷却介质是如下其中之一：海水、周围空气、经由中间水系统的周围空气、来自区域热格的水。
5.如前述权利要求中任一项所述的热电联产设备，其中，在所述分离模块(DMOD)的下游设置第二冷凝器(CON2)，所述第二冷凝器(CON2)接收所述第二燃烧气体流(CB2)以便进一步冷却所述第二燃烧气体流(CB2)。
6.如权利要求5所述的热电联产设备，其中，在所述第二冷凝器(CON2)的下游设置压缩机和中间冷却器系统(COC1-COCn，COO1-COOm)，所述压缩机和中间冷却器系统(COC1-COCn，COO1-COOm)接收所述第二燃烧气体流(CB2)，以便通过从所述第二燃烧气体流(CB2)分离出水来减小含湿量，其中剩余的二氧化碳被压缩并冷却成液相。
7.如前述权利要求中任一项所述的热电联产设备，其中，所述压缩机(COMP)将所述燃烧气体(CG)压缩直至所述燃烧室(COMB)中的压力(P_OUT_CO)处于25巴至55巴之间。
8.如前述权利要求中任一项所述的热电联产设备，其中，所述热回收蒸汽发生器(HRSG)将所述燃烧气体(CG)冷却到55℃至85℃之间、优选地65℃至75℃之间的温度(T_OUT_HRSG)。
9.如前述权利要求中任一项所述的热电联产设备，其中，抽出模块(EXT)在所述蒸汽(ST)于所述蒸汽涡轮机(SST)中的膨胀内在抽出点处抽出冷却蒸汽(STCO)流以作为冷却流体供应至所述气体涡轮机(GT)的冷却系统(CS)，在所述蒸汽(ST)于所述蒸汽涡轮机(STT)中膨胀的过程中或之后、借助于供给模块(IN)在所述抽出点的下游，所述冷却蒸汽(STCO)至少部分地与主蒸汽(ST)流再汇合。
10.如权利要求1所述的热电联产设备，其中，所述冷却蒸汽(STCO)的一部分(STGTCO)部分地注入到所述燃气涡轮机(GT)的热气体路径(HGP)中以用于冷却。
11.一种在热电联产设备的燃气涡轮机循环中燃烧燃料(F)用于产生能够被利用用以在蒸汽循环中将水加热成蒸汽的燃烧气体(CG)的方法，所述方法包括如下步骤：
在所述燃气涡轮机循环中：通过在燃烧室(COMB)中燃烧所述燃料(F)、氧气(O2)和再循环燃烧气体(CB1)的混合物产生所述燃烧气体(CG)；使所述燃烧气体(CG)在燃气涡轮机(GT)中膨胀；在利用所述燃烧气体(CG)作为加热介质的热回收蒸汽发生器(HRSG)中将水加热成所述蒸汽循环中的蒸汽(ST)；压缩所述燃烧气体(CG)的一部分(CB1)，其中所述燃烧气体(CG)的所述一部分(CB1)从所述热回收蒸汽发生器(HRSG)再循环；将所述再循环燃烧气体(CB1)的大部分供应至所述燃烧室(COMB)，
以及在所述蒸汽循环中：在所述热回收蒸汽发生器(HRSG)中产生所述蒸汽(ST)；在蒸汽涡轮机(STT)中使所述蒸汽(ST)膨胀；将所述膨胀的蒸汽冷凝成水；将所述水再循环至所述热回收蒸汽发生器(HRSG)，
所述方法的特征在于如下步骤：
在所述热回收蒸汽发生器(HRSG)的下游在冷凝器(CCON)中冷却和/或冷凝所述燃烧气体(CG)；
将构成所述再循环燃烧气体(CB1)的至少一部分所述冷却和/或冷凝的燃烧气体(CG)供应至加热器(CHEAT)；
在所述压缩之前加热所述再循环燃烧气体(CB1)并使其去液化。
12.如权利要求11所述的方法，还包括如下步骤：
在所述冷凝器(CCON)中将所述燃烧气体(CG)的潮湿成分至少部分地冷凝成液相(H2O)；
使所述液相与所述燃烧气体(CG)分离。
13.如权利要求11和12中任一项所述的方法，其中，
所述冷凝器(CCON)设计成使所述燃烧气体(CG)的潮湿成分最小化；以及
所述加热器(CHEAT)设计成增加所述再循环燃烧气体(CB1)的温度，使得在所述压缩之后达到最大温度T_OUT_CO从而达到预定的最大压力P_OUT_CO，以便使燃气涡轮机循环效率最大化。
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