CN1025877C

CN1025877C - 正压流态床锅炉动力设备

Info

Publication number: CN1025877C
Application number: CN91111181A
Authority: CN
Inventors: 衫田成久; 野口芳树; 池内和雄; 坂田太郎; 川野滋详
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1991-11-30
Publication date: 1994-09-07
Anticipated expiration: 2006-11-30
Also published as: DE69117451T2; JP2624891B2; US5251434A; DE69117451D1; CN1062779A; JPH04203326A; EP0488579A1; EP0488579B1

Abstract

一种正压流态床锅炉动力设备含有：带有一流态床锅炉体和一承装该锅炉体的压力容器的正压流态床锅炉；一个含有一燃气涡轮、一压气机和一发电机的单轴燃气轮机和一个由锅炉产生的蒸汽推动发电的汽轮机。该装置的空气冷却器位于将来自压气机的压缩空气输送到锅炉里的管道上或位于压气机入口。它还可带有能将压缩空气经空气冷却器送到由锅炉和压力容器形成的空间里的装置。工作时，压缩空气在送入锅炉前先冷却至压力容器允许的温度。

Description

本发明涉及一种带有一个正压流态床锅炉和一个为锅炉供气用的压气机的正压流态床锅炉动力设备，更具体地说，本发明涉及一种采用单轴燃气轮机的正压流态床锅炉动力设备的设计和控制方法。

现在正在研究用一种烧煤的正压流态床锅炉动力设备来代替普通的燃烧煤粉的蒸汽动力设备。在正压流态床锅炉动力设备中，为锅炉供气的压气机一般采用双轴燃气轮机来控制在锅炉只有部分负载时的空气流，例如在EPRI，GS-6478（1989）P3-1-1～P3-1-14中所述的设备。这种类型的设备，在低压和高压压气机间设置了一个中间冷却器以便减少驱动压气机所需的动力。因此，这种结构能够降低高压压气机的出口、也就是正压流态床锅炉的入口处的空气温度。

但是，由于双轴燃气轮机的结构复杂，而且需要有防止负载是不连续时常会出现的超速转动现象的装置，故它的发展需要时间和费用。因此，考虑到在正压流态床锅炉动力设备中采用普通而可靠的单轴燃气轮机。

采用单轴燃气轮机的普通正压流态床锅炉动力设备没有防止压气机出口或锅炉进口处温度升得太高的装置，因此，当锅炉入口处的空气温度升高到320℃以上时，压力容器（也是锅炉的一个组成部分）的温度可达到350℃以上。为了使压力容器能承受这样的高温，它必须用昂贵的合金钢而不能用便宜的碳钢制造，或者使它的壁厚增加20%。在后一种情况下对压力容器进行X射线检验所需的时间将增加一倍，因为压力容器的检验时间是与其厚度的四次幂成正比的。因此，不单增加了生产成本，而且工作时的热应力也增高。

本发明的第一个目的是提供一种含有单轴燃气轮机的正压流态床锅炉动力设备。

本发明的第二个目的是提供一种正压流态床锅炉动力设备，其压力容器在工作时的温度不会超过允许值。

为了达到第一个目的，本发明的正压流态床锅炉动力设备含有一个正压流态床锅炉和一个设置在将燃烧用空气从压气机输送到锅炉里的管道上的空气冷却器。

而且，空气冷却器的冷却剂采用外冷却水或者是含有供给锅炉的水和煤的混合介质，或者是供给锅炉的水。

在本发明的另一个实施例中，空气冷却器设置在对锅炉供给燃烧用空气的压气机的入口处。

在本发明的又一个实施例中，压气机的壳体至少有一部分是被冷却的。

为了达到第二个目的，本发明的正压流态床锅炉动力设备含有一个设置在把来自压气机的燃烧用空气输送到正压流态床锅炉里的管道上的空气冷却器，并由空气冷却器的冷却剂控制锅炉入口处的气温。

而且下列任一种因素都可用来控制锅炉入口处的空气温度;锅炉压力容器的温度;压力容器入口处空气的温度以及动力设备的负载量。

被压气机加热了的空气在进入正压流态床锅炉前在空气冷却器里被冷却剂冷却。压气机出口处已增压的空气的温度T₂℃可用下式计算：

T₂＝（T₁+273）×（P₂/P₁）（K-1）/Kηcp-273……（1）

式中，T₁＝大气的温度（℃）

P₁＝大气的压力（kg/Cm²a）

P₂＝压气机出口处的压力（kg/Cm²a）

ηcp＝压气机的多变效率（%）

K＝空气的比热值

压气机出口处的空气温度T₂随压力比R＝P₂/P₁的变化而变化，而多变效率的变化如下表所示。

ηcp 0.86 0.88 0.90

R

8 311℃ 302℃ 294℃

10 356 346 336

12 396 383 371

14 431 417 404

（T，＝20℃，K＝1.40）

现有动力设备用大尺寸的单轴燃气轮机的压力比R为10或更高，其多变效率ηcp为0.88左右。压气机出口处的空气温度T₂可达到340℃以上，而且当气温升高时还会更高。

本发明的动力设备中含有能与空气进行热交换的介质，例如锅炉给水以及含煤和水的混合介质。这种介质直接或间接地带走了要供给锅炉的空气的热量，因此，空气的温度可降至320℃，甚至更低。另一种方法是用动力设备外的冷却水来降低进入锅炉的空气温度。

如果在压气机的入口处设置一个空气冷却器也可降低压气机出口处的空气温度。

再者，如果冷却剂至少冷却一部分压气机机匣，也能降低空气的温度。

设置在把来自压气机的燃气输送到锅炉里的管道上的空气冷却器出口处的空气温度由改变冷却剂的流量来控制，而不是根据承装锅炉体的压力容器的温度进行控制，因为压力容器的温度随锅炉体温度的变化而变化，而锅炉体的温度又随工作条件的不同而不同。因此压力容器的温度能保持在材料允许的极限值之下，与工作条件无关。

下面结合附图说明本发明的最佳实施例。

图1和图3～12为本发明的几个实施例。

图2示出一种普通正压流态床锅炉的内部简况。

下面参见图1说明本发明的一个实施例。

压气机1的出口和正压流态床锅炉3与带有空气冷却器15的供气管16相连。锅炉3通过一个旋风除尘器4和一个微尘除尘器5并由管道与燃气轮机2相连。燃气轮机2的出口又由管道连接到一个利用废热的热水器13上。

压气机1和燃气轮机2在传动上是互相连接的，并位于同一轴线上，位于同一轴线上的还有燃气涡轮发电机14。

汽轮机系统由一个高压汽轮机6、一个再热式汽轮机7和一个低压汽轮机8组成，并与一个汽轮机发电机9相连接。低压汽轮机的出口由导管与冷凝器10相连。

由冷凝器10出来的供水110被送入除气器11中，在这里由来自低压汽轮机8的蒸汽对锅炉供水进行除气，然后，由供水泵12对供水加压。供水管105中的水一部分由供水管106送入利用废热的热水器13中，在该处由燃烧废气104对其加热，然后流入正压流态床锅炉3中。另一部分水则由供水管107送到空气冷却器15中，并在该处对从压气机1中排出的、通过供气管16进来的空气进行冷却。在对空气进行冷却后，这一部分水也被送入正压流态床锅炉3中。冷凝器10出口处的水温一般约为110℃，这样低的温度足以使空气冷却器15出口处的空气温度降到320℃，甚至更低。

另外，供应燃料和流态化介质的管道101也与正压流态床锅炉3相连接。

由于在锅炉3入口处水冷却空气而得到的显热被再循环入蒸气系统中，故这种实施例保持了高的热效率。

下面结合图2详细说明正压流态床锅炉的结构。

锅炉3含有一个流态床锅炉体25和一个容纳锅炉体25的压力容器20。在锅炉体25的内部，由燃料（即石灰石）和流态化介质形成流态床24（石灰石通常也用作去硫化剂）。在流态床24中，设置有一个供水加热器-蒸发器-过热器22和一个重热器23。锅炉体25由供水加热器-蒸发器21围绕住。从管道101来的燃料和流态化介质通过压力容器20送入锅炉体25的内部。来自供气管16的空气进入压力容器20中，并从压力容器20的容器壁与锅炉体25间流过，然后进入锅炉体25中，使燃料燃烧，燃气102从压力容器20中排出并进入旋风除尘器4中。另一方面，水进入水加热器-蒸发器21中，由燃烧热使其加热并蒸发。水加热器-蒸发器21围绕锅炉体25，减少它与压力容器20间的热交换，也就是说，防止压力容器20过热。进入压力容器20的空气在流进锅炉体25之前也对压力容器20起冷却作用。

图3示出本发明的另一个实施例。这一实施例与图1所示实施例不同之处在于：在供水管107上设置有控制阀32;在空气冷却器15与流态床锅炉3间的供气管16上设置有温度传感器30;以及控制阀32的控制器31接受来自温度传感器30的信号。

控制器31先预调到锅炉3允许的供气温度的上限值，再由控制器对来自温度传感器30的信号与预调值进行比较，并据此来控制控制阀32的打开程度，也就是控制流入空气冷却器15中的水流量从而使锅炉3的供气温度总是不超过其上限值。

因此，这一实施例的优点是：尽管压气机出口处的气温可能会随大气温度等而改变，但流态床锅炉入口处的气温总能保持在允许的范围内。

图4示出本发明的又一个实施例。这一实施例与图3所示实施例不同点是：在压气机1的入口处设置了一个入口温度传感器40和一个入口压气传感器41以代替上述的温度传感器30，并且在压气机1的出口处设置了一个出口压力传感器43。

入口温度传感器40和入口压力传感器41用于测量大气的温度和压力，一般说来，压力传感器的测量速度比温度传感器快。因此，控制器31能够根据上述三个测量值按上面提到的公式（1）计算出压气机1出口处的空气温度。

T₂＝（T₁+273）×（P₂/P₁）^{（K-1）/Kηcp}

-273……（1）

控制器31则根据计算值来控制控制阀32。

这一实施例的优点之一在于它能快速地对压气机出口处的温度变化作出反应。

代替供气温度，还可以测量锅炉压力容器的温度并将这一信号输进控制器中。这样便能直接控制压力容器（保护它是控制的主要目的）的温度。因此，这种实施例可以根据锅炉内局部的温度变化而进行可靠的控制。

另外，还可以测量动力设备的负载量并作为信号输入控制器中。在一个正压流态床锅炉动力装置中，锅炉内的压力是与锅炉的负载量成正比的，因此，锅炉内压力的变化与动力设备的负载量成正比。这样，便可简化控制系统。

图5示出本发明的又一个实施例。这一实施例与图1所示实施例的不同是：在图1所示的实施例中，一部分锅炉供水被分流进空气冷却器15中，而在本实施例中则专门由一个外部水冷却器50并通过供水管51将冷却水供入空气冷却器15中，再由回水管52回收对供入锅炉3的空气进行冷却后的水。

外部水冷却器50与正压流态床锅炉动力设备的工作条件无关。因此，这种实施例能够可靠地或稳定地冷却空气。当冷却水的压力较低时，空气冷却器的结构可以简化。而且，这种实施例还可产生可用到其它的目的的热量。

另一实施例是使用一个燃气涡轮电动发电机或类似的能为动力设备提供动力的装置来代替图5中的燃气涡轮发电机。在该实施例中，当蒸汽系统有时出故障并且锅炉必须用其它方法进行冷却时，可用一外部电源驱动燃气涡轮电动发电机而使压气机工作，并由来自外部冷却器的水冷却空气。在这种方法中，被冷却的空气可用来冷却正压流态床锅炉。

图6示出本发明的又一个实施例。这种实施例与图1所示实施例的不同点在于：在供水泵12的出口处设置有水加热器60和61;在燃气轮机2的出口处设有废热回收锅炉65;在燃气涡轮发电机62的轴上还安装有一个辅助的汽轮机63;在废热回收锅炉65和辅助的汽轮机63之间设有蒸汽管道67;在辅助的汽轮机63的出口与废热回收锅炉65之间带有供水管68;辅助蒸汽系统的冷凝器64设在供水管68上;在废热回收锅炉65上设置有供水泵66;以及供水泵66的出口由供水管69连接到空气冷却器15上。

从燃气轮机2出来的燃气104流入废热锅炉里使其产生蒸汽，蒸汽通过蒸汽管道67流入辅助的汽轮机63并使其转动，然后由冷凝器64使蒸汽冷凝成水，水再通过供水管68回到废热回收锅炉65中。而后，由供水泵66对水加压，一部分由供水管69送入空气冷却器15中，对来自压气机1的空气进行冷却。这样便可使温度处于允许范围内的空气送入正压流态床锅炉3中。在空气冷却器15中与高温空气进行热交换而升温的水又回流入废热回收锅炉中，并在锅炉里蒸发和过热。

在设置在主汽轮机的管系中的水加热器60和61中，水由从主汽轮机中排出的蒸汽加热，然后再送入正压流态床锅炉3中。

因此，从主汽轮机中排出的蒸汽提高了主汽轮机的供水温度，从而减少了在主汽轮机系统的冷凝器处的热损失。从空气中交换出来的热由辅助的汽轮机所利用，从而提高了动力装置的热效率。

图7为本发明的又一个实施例。这一实施例与图1所示实施例不同之处在于空气冷却器17的冷却剂是燃料（煤）和流态化介质。

煤料斗70和流态化介质料斗71由供煤管道73连接到正压流态床锅炉3上。在供煤管道73上设置有供料泵72和空气冷却器17。

储存在煤料斗70和流态化介质料斗71中的地层煤和流态化介质与水混合，所得混合物由供料泵72加压并由供煤管道73送到空气冷却器17中，并在冷却器中接受由压气机1出来的热空气的热量。因此，供应到锅炉3中的空气被冷却而煤以及流态化介质的混合物和供应到锅炉3中的水的温度则升高。换句话说，从空气中获得的显热又回到燃料系统中。因此，本实施例的装置能保持高的热效率。

图8示出了本发明的又一个实施例。这一实施例与图1所示实施例的不同之处在于：设置在供气管道16上的空气冷却器80是一种直接接触式热交换器。空气冷却器80由冷却水供水管81连接到供水管105上。

来自压气机1的热空气被送到空气冷却器80中，而由供水泵12加压后的水则从供水管105流到冷却水供水管81中再进入空气冷却器80内。在空气冷却器80中，已加压的水喷入热空气中，使空气冷却，同时，喷出的水转变成蒸汽。所得到的空气和蒸汽的混合物再供入锅炉3中。

由于水是喷出、蒸发而与助燃的空气相混合后所得的混合物才送入正压流态床锅炉中的，因此，本实施例具有下列的优点：减少了燃烧时产生的NO_X;增加了燃气轮机中的燃气流、即提高了它的功率;通过增加喷雾的供水量，可使锅炉中的温度快速下降。

图9是本发明的又一实施例。在这一实施例中，连接压气机1和锅炉3的供气管道16含有与锅炉3和燃气轮机2相连的另一个管道103而形成了一个双层管道90，其外管输送空气而内管输送清洁的燃气。带有冷却水供水管91的空气冷却器17位于压气机1和双层管90间的管道16上。

在双层管90中，传送高温（约850℃）高压气体的燃气管（即内管）由流经外管的空气、即在空气冷却器17中冷却了的空气充分冷却。双层管90也可以设计成外管传送稍微冷却的、和加较高压力的空气，以便降低空气与流经内管的燃气流间的压力差。在这种双层管中，燃气管不需要很高的强度或者很耐用，因此，可用不太贵的材料来制造。

图10示出本发明的又一个实施例。这一实施例与图9所示实施例不同之处除了空气冷却器95（图9为17）位于压气机1和双层管90之间外，在双层管90和锅炉3之间还设置有第二空气冷却器96。

上述第二空气冷却器96对双层管90中因与燃气进行热交换而升温的空气进行冷却，因此，能使流进锅炉3中的空气温度保持在允许的范围内。

因此这一实施例在把锅炉入口处的气温保持在允许范围内这一方面具有很高的可靠程度。

在本发明的另一种实施例中，空气冷却器设置在正压流态床锅炉内。

这种设计可减小设备的尺寸，特别是当供应到锅炉中的水被用作冷却剂时，更可简化输送冷却剂的管道系统。

在本发明的又一个实施例中，在压气机和正压流态床锅炉间设置有一组供气管，并且其中至少有一根管道上设置有空气冷却器。在空气冷却器中冷却了的空气与来自其它管道的空气混合，从而使锅炉入口处的气温保持在允许的范围内。

通过改变带有空气冷却器的管道中的气流速度，便可控制锅炉入口处的气温，并使气温迅速发生变化。

在本发明的又一个实施例中，空气冷却器设置在一个压气机的入口处。由于空气在由压气机加压前先在空气冷却器中冷却，故压气机出口处的温度所降低的量与它在空气冷却器中所降低的温度一样多。

由于空气的温度降低了，故可节约驱动压气机所需的动力，从而增加燃气涡轮发电机的功率。

在本发明的再一个实施例中，至少有一部分压气机的机匣被冷却。和上述实施例一样，压气机出口处的空气温度所降低的量与它在压气机中所降低的量一样多。

除了降低驱动压气机所需的动力外，本实施例还有一个优点，那就是。由于空气在加压过程中被冷却，因此，动力设备中的介质例如进入锅炉中的水可用作冷却剂。

图11示出了本发明的又一个实施例。这一实施例与图1所示实施例的不同之处在于：在锅炉3的压力容器内设置有隔热层200，包着锅炉体25。

压气机1和锅炉的压力容器20间由带有空气冷却器15的供气管16互相连接起来，如图1所示实施例一样。在隔热层200和压力容器20的内壁间形成了冷却空气通道202。隔热层202上设有孔201。

经压气机1加压的空气在空气冷却器15中被冷却，然后进入压力容器20中并穿过冷却空气通道202。通过适当成形该隔热层可使通道202的形状变得能有效地冷却压力容器的内壁。流过通道202的空气流在对压力容器20进行冷却后由隔热层200上的孔201进入隔热层200与流态床锅炉体25之间的空间。最后，空气再进入锅炉体25内供燃料燃烧用。

根据孔201的尺寸、数量和位置，可以利用如冲击冷却法等有效冷却锅炉体25的高温部位的措施。

由于这一实施例设置了隔热层200，故压力容器被流经冷却空气通道的低温空气有效地冷却，并且，来自锅炉体的热辐射也被隔热层挡住，故压力容器的温度能保持较低。

图12示出了本发明的又一个实施例。这一实施例与图11所示实施例的不同之处在于：隔热层200将其内部与外部隔绝起来，而没有设置沟通隔绝层200的外部和内部的孔201。

连接到压气机1的供气管道16分成两路管道：一路是供气管205，另一路是供气管206。供气管205带有空气冷却器15并且与由压力容器20和隔热层200形成的冷却空气通道202相通;供气管206则与由隔热层200和锅炉体25形成的空间相通。冷却空气通道202与热气管207相通，而热气管207又连接到位于锅炉体25和燃气轮机2之间的管道103上。

在从压气机1出来的空气流过供气管16之后，一部分空气进入供气管205并在空气冷却器15处被冷却，然后进入压力容器20 中、穿过压力容器20和隔热层200之间的通道202而冷却压力容器20。与压力容器20和隔热层200进行热交换后被加热的空气则经热气道207流到燃气轮机2的入口，并在此处膨胀而给予燃气轮机2以动力。

另一方面，流过供气管16的另一部分空气则通过供气管206而进入隔热层200与锅炉体25间的空间，在冷却隔热层200和锅炉体25后进入锅炉体25中供燃烧用。

按照这一实施例，供入锅炉的冷却空气量减少了，故可减少在空气冷却器处回收进入蒸汽系统的热量，因此可保持高的热效率。而且一部分空气绕过锅炉体并送入燃气轮机中，故可改善在部分负载时的工作性能。燃气在燃气轮机入口处被空气稀释，故降低了管道浓度，从而提高了轮机的可靠性。

因此，本发明提供了一种含有单轴燃气轮机的正压流态床锅炉动力设备，在这种设备中，供入正压流态床锅炉中的空气温度可保持在锅炉允许的一定范围内，故可使锅炉压力容器的温度也保持在允许的范围内，与锅炉的工作条件无关。

Claims

1、一种正压流态床锅炉动力设备，含有：

一个带有装在一压力容器的一个流态床锅炉体的压力流态床锅炉；

一个用单轴连接的含有一个压气机，一个燃气涡轮和一个燃气发生器的燃气涡轮系统；

一个把在所述压气机中产生的压缩空气供入到所述的压力容器中的供气管道；

一个把在所述的锅炉体中产生的燃气输送到所述的燃气涡轮中的燃气供应管；和

一个由所述的锅炉体产生的蒸汽驱动的蒸汽涡轮发生器；

所述的供到所述的压力容器的压缩空气用来对所述的压力容器的内部加压，并且压缩空气导入所述的锅炉体用于燃烧，

其特征在于在所述的供气管中设置了一个空气冷却器。

2、根据权利要求1的正压流态床锅炉动力设备，其特征在于，上述空气冷却器出口处的空气温度由上述空气冷却器的冷却剂流所控制。

3、根据权利要求1的正压流态床锅炉动力设备，其特征在于，上述空气冷却器的冷却剂是供给上述正压流态床锅炉的水。

4、根据权利要求1的正压流态床锅炉动力设备，其特征在于，上述空气冷却器的冷却剂是一种含有供给上述正压流态床锅炉的水和煤的混合介质。

5、根据权利要求1的正压流态床锅炉动力设备，其特征在于，还包括将来自上述压气机的空气经由空气冷却器输送到由上述流态床锅炉和上述正压流床锅炉的上述压力容器形成的空间里。

6、根据权利要求1的正压流床锅炉动力设备，其特征在于还包括一位于上述压气机入口处空气冷却器。

7、根据权利要求1的正压流态床锅炉动力设备，其特征在于还包括使上述压气机出口处的空气温度降低到上述压力容器所允许的水平、以及而后将上述空气输送到上述正压流态床锅炉里的装置。