CN102767431B - 带有废气再循环的燃气轮机发电装置及其运行方法 - Google Patents

带有废气再循环的燃气轮机发电装置及其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于运行带有废气再循环的燃气轮机发电装置的方法，其中，废气再循环在燃气轮机(6)启动或关闭时断开，根据燃气轮机(6)的运行状态接通或关断废气再循环。本发明此外还涉及带有废气再循环的燃气轮机发电装置，该发电装置为执行本方法包括调整元件(29、36)，该调整元件的关闭速度快到足以让调整元件(36)能够在一定时间内关闭，该时间小于废气从涡轮机(7、35)流经HRSG(9)的时间。

Description

带有废气再循环的燃气轮机发电装置及其运行方法
技术领域
本发明涉及调节带有废气再循环的燃气轮机启动的方法和系统以及用于执行此方法的燃气轮机发电装置。
背景技术
废气的再循环是一种原则上可用于实现燃气轮机不同目的的技术。建议废气再循环用于例如减少NOX排放或减少排出的废气。在燃气轮机的废气再循环的情况下，废气的主要部分从总的废气流中分流，并典型地在冷却和净化后输送至燃气轮机的输入质量流或压缩机，其中，回输的废气流与新鲜空气混合，而混合物随后输送给压缩机。
有利的是，可以通过废气再循环提高废气的二氧化碳-分压力，由此降低带有二氧化碳分离功能的发电装置的功率损耗和效率损耗。此外建议使用以减小燃气轮机内吸入气体氧浓度为目的的燃气轮机，以便由此减小NOX排放。
为了废气再循环，例如US 7536252B1描述了调整涡轮机的废气再循环气流的方法，该废气再循环气流通过废气再循环系统被引回至涡轮机的进口。在这一方法中确定额定废气再循环的份额，其中，废气再循环份额定义为废气流在进入涡轮机的气流中所占的比重，并且将实际值调节至额定值。
由US 2009/0145126公知了用于运行带有废气再循环的燃气轮机的方法，其中，确定废气组分，而且检验机构允许根据被测量的废气组分调节废气再循环。尤其在启动该燃气轮机或燃气轮机运行时，快速地短暂处于低负荷范围时，这种调节可能导致不稳定的调节，这是因为废气组分在很大程度上取决于其在经过再循环的废气中的份额。此外，废气组分，或者燃气轮机的进入气体的允许组分的份额在很大程度上取决于燃气轮机的工作点，从而使得对于特定的运行状态来说，具有废气再循环的燃气轮机的可靠运行难度增大。
为确保没有可以燃烧的或易爆炸的燃料混合空气残留在再循环管道中，典型地建议在启动燃气轮机前清洗再循环管道，该再循环管道为此需要附加的阀门和管道。例如EP2060772公开了用于清洗废气再循环系统的净化系统。
发明内容
本发明的任务是提供一种具有废气再循环的燃气轮机低负荷情况下可靠运行的方法以及用于启动和停止燃气轮机以及废气再循环的方法。
依据本发明，本发明的任务通过独立权利要求的主题得以解决。本发明的核心是用于运行具有废气再循环的燃气轮机的方法，在该方法中，在启动和关停燃气轮机时切断废气再循环，并且在该方法中，根据燃气轮机的运行状态开启或切断废气再循环。
尤其是根据本方法，在具有废气再循环的燃气轮机发电装置中，该燃气轮机发电装置包括燃气轮机、余热蒸汽发生器和废气分配器(该废气分配器将燃气轮机发电装置的废气分为用于再循环到燃气轮机吸入流中的第一废气流和用于排放至周围环境的第二废气流)以及调整第一废气流的调整元件，所述调整元件在超过接通负荷之前都保持在闭合位置，这样就没有废气进入再循环管道并且燃气轮机发电装置的全部废气流作为第二废气流排放至周围环境。只有在达到释放条件后——例如在超过开启负荷后，根据本方法打开调整元件，以便将废气的一部分作为第一废气流再循环到吸入流中。根据本发明的其他实施方式，规定压力极限值(尤其是燃烧室或压缩机最终压力的极限值)、热气温度的极限值或燃料质量流或者燃料调节阀位置的限度作为释放条件。
根据燃气轮机的启动过程，加速至额定转数的过程中的燃烧不稳定并且不希望出现边界条件的额外变化。因此根据本方法的设计方案，废气再循环只有在达到额定转数后才接通。
根据本发明的另一个设计方案，为了避免废气再循环管道被燃料残渣污染，要在燃气轮机停止运行前或停止时切断废气再循环。
根据一个设计方案，废气再循环在关断条件被低于后减小负荷时被关断。这在另一个实施方式中是关断负荷。
根据其他实施方式，规定压力极限值(尤其是燃烧室或压缩机最终压力的极限值)、热气温度的界限值或燃料质量流或者燃料调节阀位置的限度作为释放条件。
尤其是如果废气再循环管道从废气管分岔出来，则设计一个调整元件，该调整元件在燃料残渣进入废气再循环管道前关闭。
由于废气再循环通过风扇和冷却器消耗辅助能量，因此在一个实施方式中， 规定只有在发电机同步起或自某一个特定负荷点起开始废气再循环。与之相适应的是，在确定的负荷点之下，也就是在低于关断负荷时，废气再循环被切断。如果减小负荷，低于该关断负荷时，燃气轮机发电装置的全部废气流作为第二废气流排放至周围环境。根据一个实施方式，只有在开启发电机开关时才关断废气再循环。
在本方法的一个设计方案中，关断条件小于接通条件。例如关断负荷小于接通负荷，由此避免在低部分负荷的情况下，废气再循环被经常地接通和切断。
根据本方法的另一个实施方式，接通负荷小于或等于燃气轮机的最小负荷。一旦燃气轮机的发电机与电网同步，而且发电机开关关闭，则在本方法中，废气再循环的调整元件才被打开，由此将废气的一部分作为第一废气流再循环到吸入流中。
根据另一个实施方式，废气再循环的调整元件在打开发电机开关时关闭。在此，一旦发电机开关打开，就将燃气轮机发电装置的全部废气流作为第二废气流被排放至周围环境。
在燃气轮机发电装置低负荷的情况下，低的热气温度可能导致不完全燃烧，而CO排放(一氧化碳排放)增多。为了避免通过废气再循环进一步增大CO排放，而CO排放增大导致缺氧的燃料气体，则在一个实施方式中，只有自某个负荷起才激活废气再循环，而在此废气再循环过程中，发电装置更长时间地稳定运行。典型地，这大约是20％至30％的相对负荷。在这种负荷下，发电装置能够以足够的效率工作，热气温度也足够高到允许通过废气再循环进行干净地燃烧。
根据燃气轮机的类型，用于激活废气再循环的极限值最多是50％或60％的相对负荷，其中，相对负荷是在相应环境条件下，释放出的功率与可能的全负荷功率之间的比例。
在燃气轮机关断时，燃料残留物可能进入废气。如果废气再循环开启，那么燃料残留物也可以进入再循环管道，从而在新启动燃气轮机前必须通过空气或其他气体费事地清洗该管道。为避免这种污染以及清洗过程，依据本发明的实施方法，与废气所需要的从涡轮机流经HRSG并进入废气分配器的速度相比，要更快地关闭调整元件。通过这种相应地快速闭合避免燃料残留物进入废气再循环系统。因此也就不需要为新启动该系统而清理该系统。
燃气轮机典型地包括压缩机、燃烧室和驱动压缩机并释放有用功率的涡轮机。在本方法的另一种实施方式(该实施方式应用在带有连续燃烧的燃气轮机，也就 是燃气轮机设有压缩机、第一燃烧室、高压涡轮机、第二燃烧室(连续燃烧室)和低压涡轮机)中，在断开第二燃烧室时或之前要关闭所述用于调整再循环气流的调整元件。第二燃烧室典型地在部分负荷时关断，而第一燃烧室为保证稳定且干净的燃烧而继续运行。如果部分负荷低，进入第二燃烧室的进气温度较低，那么关闭第二燃烧室时，没有燃烧的燃料可离开燃烧室以及由此离开低压涡轮机。如果关断燃烧室后还冲洗燃烧器中的燃料管道，那么例如在减少负荷时，可以使用液体燃料驱动完成上述过程。为了防止燃料残渣通过再循环管道进入燃气轮机的压缩机入口，再循环的调整元件要在第二燃烧室关断前关闭。作为可供选择的另一种方案，调整元件可以在第二燃烧室关断时或关断后不久这样迅速关闭，使得可能的燃料残渣在关闭前还不能走完从燃烧室到调整元件的路程。
根据另一个实施方式，在清洗第二燃烧室的燃料分配系统的油管前关闭调整再循环的调整元件，由此在清洗过程中，燃气轮机发电装置的所有废气流作为第二废气流被排到周围环境。清洗过程结束后，可以重新开启调整元件，并且使废气的一部分再循环到燃气轮机的进口中。
除了所述方法之外，用于执行所述方法并且具有废气再循环的燃气轮机发电装置是本发明的主题。这种发电装置包括带有调整器的燃气轮机、余热蒸汽发生器和废气分配器，该废气分配器将废气分为用于再循环到燃气轮机的吸入流中的第一废气流以及用于排入周围环境的第二废气流，该发电装置还包括调整第一废气流的调整元件。这种发电装置的特征是调整第一废气流的调整元件能够在一个时间内关闭，所述时间比废气从涡轮机出口经过HRSG到达调整元件所需的时间短。典型的是，调整元件为此必须能够在30秒内关闭。所需的关闭时间由废气体积流和容器容积以及涡轮机与废气分配器之间的废气管道给出。关闭时间例如甚至可以少于10秒钟。
在一个实施例中，为保证再循环管道的快速关闭，除调整第一废气流的调整元件外，在再循环管道的进入区域内设置快关阀或快关活瓣。这对于横截面大的再循环管道有利，这是因为可用的调整元件典型地只能慢速开动，单独的快关阀可能比需要一定关闭速度的调整元件更为有利。典型的是，快关活瓣或快关阀可在30秒内关闭。例如甚至可在10秒内关闭。再循环管道的进入区域可理解为直接连接在流体分配器上的区域。优选应将快关阀与分配器之间的距离设置为小于再循环管道直径的二倍至三倍。
如果没有单独的快关阀，那么调整元件优选设置在再循环管道的进入区域内。
上述所有优点不仅存在于分别给出的组合中，而且适用于其他组合或单独使用，而不超出本发明的范围。例如为替代允许再循环管道闭合的调整元件(例如可控的活瓣或阀)，也可以设计使用可控的废气风扇或升压器作为调整元件与快关阀组合起来。简化地一般性描述了调整元件的调整。这当然也可以理解为调整或控制。本领域技术人员熟知不同的调整方式，例如两点调整、用比例调节器、积分控制器或IP控制器进行调整。此外本领域技术人员还熟知不同的经过再循环的废气的净化和制备方法，例如洗气法。
附图说明
下面借助于附图进一步说明本发明的优选实施例，实施例只是用于解释本发明，但本发明不局限于所述实施例。图示：
图1：带有废气回输的燃气轮机发电装置的示意图；
图2：带有燃气轮机的燃气轮机发电装置的示意图，具有废气连续燃烧和回输；
图3：带有燃气轮机的燃气轮机发电装置的示意图，具有废气连续燃烧和回输以及二氧化碳分离系统。
具体实施方式
图1以示意图的方式示出依据本发明的燃气轮机发电装置的主要部件。燃气轮机6包括压缩机1(压缩器)，在压缩机内经过压缩的燃烧用空气被输送给燃烧室2并在那里通过燃料5燃烧。随后，热的燃烧后气体在涡轮机7内膨胀。涡轮机7内产生的有用能量然后例如通过一个设置在同一根轴上的第一发电机25转化为电能。
为了在余热蒸汽发生器9(Heat recovery steam generator，HRSG)中最优地使用热废气中还保留的能量，使用自涡轮机7中排出的热废气8产生用于蒸汽涡轮机13或其他设备的新鲜蒸汽30。蒸汽涡轮机13内产生的有用能量例如通过一个设置在同一根轴上的第二发电机25转化为电能。水蒸汽循环回路39在本实施例中简化，只示意性地通过冷凝器14和给水管线16给予表示。不同的压力级、给水泵等没有表示，因为这些都不是本发明的主题。
余热蒸汽发生器19的废气在余热蒸汽发生器9下游在分配器29内分为第一废气支流21和第二废气支流24。第一废气支流21回输至燃气轮机6的吸入管道并在那里与环境空气2混合。没有回输的第二废气支流24通过烟囱32输出至周围 环境。为了消除废气管道的压力损耗并作为废气流分流的其他调控可能性，可以选择性地设置一个废气风扇11或可调控的废气风扇11。
在所示的实施例中，分配器29实施为调整元件，其允许关闭进入再循环管道的进口，由此阻止燃料残渣进入再循环管道。
在带有再循环的运行过程中，回送的废气流21在废气再冷却器27内冷却至稍高于环境温度，该废气再冷却器27可以配有冷凝器。在废气再冷却器27下游，可以设置用于再循环气流21的升压器或废气风扇11。在混合气体作为吸入流经由压缩机进口3供应给燃气轮机6前，回输的废气流21与环境空气2混合。
图1所示实施例示出带有简单燃烧室4的燃气轮机6。本发明也可以不受限制地在带有连续燃烧的燃气轮机中应用，例如就像EP0718470所公开的那样。图2示意性表示了带有废气连续燃烧和再循环的燃气轮机发电装置的实施例。在这种燃气轮机中，高压涡轮机33跟随在燃烧室4后面。燃料5再一次在第二燃烧室34内输送至高压涡轮机33的在做功的情况下部分膨胀的排出气体并燃烧。第二燃烧室34的热的燃烧气体在输出功的情况下在低压涡轮机35内进一步膨胀。余热的利用以及再循环与图1所示实施例相似。为了调整和阻截再循环气流，除废气分配器29(该废气分配器28不可移动地实施)外，还可以设置调整元件36。
图3所示实施例以图1为基础，另外还示出二氧化碳分离系统18。没有回输的第二废气支流20典型地在废气再冷却器23内继续冷却并供应给二氧化碳分离系统18。从此处，缺乏二氧化碳的废气22通过烟囱32被排放至周围环境。为消除二氧化碳分离系统18和废气管道的压力损耗，可以设置废气风扇11。二氧化碳分离系统18内分离出的二氧化碳31典型地在压缩机(未示出)内压缩并被排出用于储藏或进一步的处理。二氧化碳分离系统18通过蒸汽萃取装置15供应蒸汽，典型的是中压蒸汽或低压蒸汽，该蒸汽是从蒸汽涡轮机13中分出来的。在二氧化碳分离系统18内释放能量后，蒸汽再次回输至水蒸汽循环回路。在所示的实施例中，蒸汽冷凝并且通过冷凝物回输管路17供应至给水装置。
第二废气支流也可以直接通过包括旁通活瓣或阀门的废气旁通装置24输送至烟囱32。
除了图1所示实施例之外，图3所示实施例的废气再循环系统还包括一个用于调整再循环气流的单独的调整元件36和一个快关阀或快关活瓣37。
附图标记列表
1 压缩机
2 环境空气
3 压缩机-进口
4 燃烧室，第一燃烧室
5 燃料
6 燃气轮机
7 涡轮机
8 燃气轮机的热的废气
9 余热蒸汽发生器(HRSG)
10 用于第二部分废气流的废气风扇(通向二氧化碳分离系统或烟囱)
11 用于第一废气支流的废气风扇(废气再循环)
12 旁通活瓣或阀门
13 蒸汽涡轮机
14 冷凝器
15 用于二氧化碳分离系统的蒸汽萃取
16 给水管道
17 回流物冷凝管道
18 二氧化碳分离系统
19 余热蒸汽发生器的废气
20 第二废气支流(通往二氧化碳分离系统的废气管道)
21 第一废气支流(废气再循环)
22 缺少二氧化碳的废气
23 废气再冷却器(用于第二废气支流)
24 通向烟囱的废气旁通装置
25 第一发电机
26 第二发电机
27 废气再冷却器(用于第一废气支流)
28 发电机开关
29 废气分配器
30 新鲜蒸汽
31 分离出的二氧化碳
32 烟囱
33 高压涡轮机
34 第二燃烧室
35 低压涡轮机
36 调整元件
37 快关阀或快关活瓣
Pon 接通负荷
Poff 关断负荷

Claims (12)

1.用于运行带有废气再循环的燃气轮机发电装置的方法，该燃气轮机发电装置包括燃气轮机（6）、余热蒸汽发生器（9）和废气分配器以及用于调整第一废气流（21）的调整元件（29、36），该废气分配器将燃气轮机发电装置的废气（19）分为用于再循环到燃气轮机（6）的吸入流中的第一废气流（21）和用于排放到周围环境的第二废气流（24），其特征在于，
在达到释放条件之前，调整元件（29、36）都保持在闭合位置，在该闭合位置中，燃气轮机发电装置的所有废气（19）作为第二废气流（24）被排放至周围环境，
只有达到释放条件后才开启调整元件，由此使得废气（19）的一部分作为第一废气流（21）再循环到吸入流中；
其中，所述释放条件根据燃气轮机的运行状态，所述释放条件包括：
超过接通负荷；
超过压力极限值；
超过热气温度的极限值；
超过燃料质量流的限度；或者
超过燃料调节阀位置的限度；
其中，调整元件（29、36）关闭的速度比从涡轮机（7）排出的废气流经余热蒸汽发生器（9）所需的速度快。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用于调整第一废气流（21）的调整元件（29、36）只有在接通负荷被超过后才打开，以便将废气（19）的一部分作为第一废气流（21）再循环到吸入流中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在超过关断条件时，调整元件（29、36）关闭，燃气轮机发电装置的所有废气（19）作为第二废气流（24）被排放至周围环境。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，关断条件是超过关断负荷。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，关断负荷小于接通负荷。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，接通负荷小于或等于燃气轮机（6）的最小负荷，只要燃气轮机（6）的发电机（25）和电网同步并且发电机开关（28）闭合，则调整元件（29、36）打开，以便将废气（19）的一部分作为第一废气流（21）再循环到吸入流中。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，调整元件（29、36）在发电机开关（28）断开时关闭，燃气轮机发电装置的所有废气（19）作为第二废气流（24）被排放至周围环境。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，燃气轮机包括第一燃烧室和第二燃烧室，调整元件（29、36）在第二燃烧室关断前或关断时关闭，由此将燃气轮机发电装置的所有废气（19）作为第二废气流（24）排放至周围环境。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在燃气轮机使用液体燃料运行时，调整元件（29、36）在清洗燃烧室（4）的燃料分配系统的油管之前关闭，由此在清洗过程中，燃气轮机发电装置的所有废气（19）作为第二废气流（24）被排放至周围环境。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，燃气轮机包括第一燃烧室和第二燃烧室，在燃气轮机使用液体燃料运行时，调整元件（29、36）在清洗燃烧室（4）的燃料分配系统的油管前关闭，由此在清洗过程中，燃气轮机发电装置的所有废气（19）作为第二废气流（24）被排放至周围环境。
11.带有废气再循环的燃气轮机发电装置，该燃气轮机发电装置包括具有调整器的燃气轮机（6）、余热蒸汽发生器（9）和废气分配器以及用于调整第一废气流（21）的调整元件（29、36），该废气分配器将废气（19）分为用于再循环到燃气轮机（6）的吸入流的第一废气流（21）和用于排放到周围环境的第二废气流（24），其特征在于，调整元件（29、36）的关闭速度快到足以让调整元件（29、36）能够在一定时间内关闭，该时间小于废气从涡轮机（7、35）流经余热蒸汽发生器（9）并到达废气分配器的时间。
12.根据权利要求11所述的燃气轮机发电装置，在废气再循环管道的接头区域内设置快关阀或快关活瓣（37）。
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