CN102859147A - 清除联合循环发电系统中的夹带气体的方法 - Google Patents
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Abstract
一种联合循环发电系统(10)，包括：蒸汽轮机(14，16，18)；包括压缩机(24)、燃烧室(26)、燃气轮机(28)的燃烧系统(12)；以及利用来自燃烧轮机的能量产生蒸汽的HRSG(20)。流动管线(60，70)将过热蒸汽传送至所述燃烧室中。在相关联的方法中，通过燃烧过程提供第一功率源，所述燃烧过程在第一轮机中具有可变的反应温度。通过第二轮机提供第二功率源。所述系统的部件以利用来自所述HRSG产生的蒸汽增加功率输出的模式来设置，在此期间，所述蒸汽的一部分被提供到与所述第二轮机的操作相关联的燃烧室中。
Description
技术领域
本发明总体上涉及动力系统，以及更特别地，涉及一种兼具兰金循环和燃烧过程的联合循环发电系统。更特别地，本发明涉及一种系统和方法，以用于降低在这种联合循环发电系统中存在的不需要的气态物质的水平。
背景技术
联合循环发电厂已被普遍使用，原因是其具有热交换器，所述热交换器可从燃烧机的热气排气流中回收热。常规地，该被回收的热被用于产生蒸汽轮机的工作流体。这比使用仅仅燃气轮机或者仅仅蒸汽轮机能够实现的情况产生更多有效的动力。例如参见转让给本发明的受让人的通过引用并入本文的美国专利No.5,375,410。
通常，联合循环发电系统包括在兰金循环(例如蒸汽循环)上操作的第一功率源，以及基于燃烧过程的第二功率源，在该燃烧过程中，从燃烧过程的热排气气体回收的热被传送至所述兰金循环中的工作流体。这种系统使得整个设备效率大约为55％或者更高。为了减少不希望的大气排放和减小对复杂的高速机械部件的有害作用，系统操作受到很多约束。因此在发电系统中精确的监测和控制多个过程是有必要的。
例如，在常规的蒸汽循环中，强酸和弱酸的广泛使用随着时间而变化，且精确地监测成分如盐酸或醋酸的能力对于控制这些化学物以达到最大化机械部件的使用寿命的水平是关键的。然而，当基于阳离子传导性来监测强酸含量时，例如由于该蒸汽循环中的二氧化碳的低水平夹带所形成的弱酸含量可掩盖强酸的存在。该问题在基于大气侵入而定的二氧化碳浓度大约为小于0.03％时发生。例如，蒸汽循环冷凝器通常被保持在部分真空中，但是，当该系统被关闭时，该真空消失。因而，少量的二氧化碳可进入该系统，并被吸收进富氨的给水中。当该系统启动时，这种弱酸含量可伴随工作流体通过该循环。防止这种二氧化碳侵入的一个方法可以是：当蒸汽轮机被关闭时保持该真空，并向相关的密封装置提供连续的蒸汽供应。用于从工作流体中去除二氧化碳的一种方法是简单地排出该流体，但这会需要排放相当大量的热流体，导致不必要的热损耗。任一方案的相关费用应当被避免。
联合循环发电系统中的燃烧过程成分例如由于环境原因也必须被精确地监测和控制。由于化学排放物的水平根据操作状态而变化，因而该控制过程可能是复杂的。理想地，发电过程可以更简单地在稳态条件下进行控制，但是动态的和变化的功率输出通常是必要或者需要的。例如，在启动期间，特别地当功率输出水平小于最大稳态功率输出的75％时，燃烧轮机可排出不需要的高水平的被调节排放物。为了在燃烧过程启动期间减少NOx排放物(如NO2和NO3)，需要限制火焰(燃烧)温度。
通常，需要找到更有效和有效率的方法来降低在发电过程中的成分的不利影响。
附图说明
参考单独的附图在下文描述中解释本发明，附图示出了包括本发明一个实施例的联合循环发电系统的简化示意图。
具体实施方式
该附图示出了联合循环系统10的简化示例性实施例，该系统形成有燃烧轮机系统12、高压蒸汽轮机14、中压蒸汽轮机16、低压蒸汽轮机18、余热回收蒸汽发生器(HRSG)20(以虚线表示)、以及冷凝器22，其被联接用于从所述低压蒸汽轮机18接收工作流体。该燃烧轮机系统12包括示意性图示的空气压缩机部分24、燃烧室26、以及燃气轮机28。为了清楚起见，其它的常规部件和流体流动管线被省略。例如，应当理解的是，流体流动管线将所述轮机28的排气出口连接到HSRG 20的高温侧的入口。通常，根据本发明的联合循环系统可包括多个低、中和高压蒸汽轮机、多个燃气轮机和多个HRSG。
来自燃烧轮机28的排气(未示出)被传送通过HRSG 20，并在随后被排出(也未示出)。该HRSG 20包括示意性图示的低、中和高压级。该低压级包括节约器42、低压鼓30、低压蒸发器121以及低压过热器123。该节约器42加热水30，该水30源于离开所述低压蒸汽轮机18的蒸汽并以液体形式从冷凝器22流出。该节约器42产生在低压级中接近沸点的热水50，其一部分被提供给低压鼓30，以在所述蒸发器121中再循环从而产生蒸汽51，所述蒸汽穿过该鼓30、穿过LP过热器123并穿过该轮机18。从节约器42排出的所述热水50的一部分被输入该HRSG 20的中压级，其包括第二节约器44、中压蒸汽鼓32、中压蒸发器125以及过热器130。输入该中压级的水50循环通过第二节约器44，在此其被加热至接近IP级的饱和温度，然后被传送到中压蒸汽鼓32中并且随后传送通过中压蒸发器125以产生中压蒸汽52。离开该鼓32的蒸汽是饱和的。来自中压鼓32的中压蒸汽52穿过中压过热器130(其形成HRSG 20的中间级的高温加热部件)以在进入中压蒸汽轮机16之前进一步提高工作流体的温度。
从节约器42输出的热水50的大部分被输入HRSG 20的高压级，其包括第三节约器48、高压蒸汽鼓34、高压蒸发器127以及高压过热器132。最初，该热水50循环通过该第三节约器48，随后流至该高压蒸汽鼓34中。所述水从该高压蒸汽鼓34流进该高压蒸发器127中以产生高压蒸汽54。
在该示例性实施例中，由该高压蒸发器127产生的高压蒸汽54是饱和的。该高压蒸发器与所述高压蒸汽鼓34联接，该高压蒸汽鼓34与高压过热器132联接，该高压过热器132形成HRSG 20的高压级的高温加热部件。该高压蒸汽54穿过高压鼓34和高压过热器132以进一步提高提供给高压蒸汽轮机14的工作流体的温度。
尽管这些细节未在附图中示出，但示出的HRSG 20可包括用于多种压力回路的流路，该每种压力回路均包括节约器、蒸发器和过热器。
中压鼓32和高压鼓34中的每一个包括直接连接进入燃烧室26的流动管线。高压饱和蒸汽流动管线60将高压饱和蒸汽54从鼓34传送至燃烧室26。通过管线60的流动由阀64来控制。该流动管线60还包括冷凝器66和过热器67。该过热器67可在该HRSG 20的燃气通路中，或者可为电加热的热交换器。中压过热蒸汽流动管线70将中压饱和蒸汽52从该鼓32传送至燃烧室26。通过管线70的流动由阀74来控制。该流动管线70还包括冷凝器76和过热器77。该过热器77可在HRSG 20的燃气通路中，或者可为电加热的热交换器。
在该系统10启动期间，一旦该HRSG 20的高压级和中压级中的每一个产生足够压力的蒸汽54或52，相应的和独立的阀64或74就被打开，以允许过热蒸汽流进燃烧室26中。该过程的第一特点是，几乎立即在该蒸汽54或52产生时先前溶解在给水中的大部分二氧化碳就被挥发并与蒸汽混合。因此，需要用于清除工作流体中存在的大部分二氧化碳的蒸汽注入量相对较小。因此，与二氧化碳的清除相关的热损耗相对较小。在包括冷凝器66和76的情况下，净化水的损耗被进一步减少，所述冷凝器的设计与通过引用并入本文的美国专利No.7,306,653中描述的排气冷凝器的设计类似。
从功能上说，该冷凝器66和76可减少蒸汽量，当从流动管线60或70传送二氧化碳时，所述蒸汽必须被传送至所述燃烧室26中。该冷凝器66和76以非水平的取向设置于系统10中，以使得所述蒸汽向上运动，并使形成于其中的冷凝物的重力流向下运动。当该蒸汽沿着该冷凝器向上前行时，该蒸汽的大部分被冷凝以产生朝向相关联的鼓32或34的水流。通过在冷凝器中包括蒸馏填料82或者提供散热片84可有助于冷凝物的产生，所述散热片84有助于沿着所述冷凝器的外部与较冷环境的热交换。再次参照美国专利No.7,306,653。该冷凝器66和76的尺寸取决于多种因素，包括是否包括蒸馏填料，以及进入所述室26中的蒸汽的最大允许流率。在该冷凝器66或76中的二氧化碳的浓度根据位置而增加，即，当燃气流向所述燃烧室26时，原因在于蒸汽被转换为沿该冷凝器行进的液体。较冷的水源(例如来自冷凝器22的水源)也可在冷凝器66或76的上部附近被注入以被上方流动的蒸汽加热，从而冷却该冷凝物并有助于冷凝器66或76中的冷凝。冷却水的加入减少了与二氧化碳一起被传送至燃烧轮机的蒸汽量，从而减少在蒸汽进入所述燃烧室26之前使蒸汽过热至所需的例如50°F(10℃)所需的能量。
另外在系统10启动期间，该过程的第二个特征是：当阀64或74中的一个或两个打开，并向满功率发电递增时，该过热蒸汽的注入降低火焰(燃烧)温度，使得在峰值火焰温度时不会发生燃烧反应。从而，NOx排放的水平被抑制。当发电机在75％容量以下操作时，这是特别有利的。
通常，通过蒸发所述工作流体的第一部分以例如导致蒸汽52或54，在所述系统中存在的一部分夹带气体立即与汽状工作流体混合而形成气态混合物，在适当时间将所述气态混合物注入所述燃烧室26中以清除部分夹带气体(举例来说，减少所述工作流体的二氧化碳含量)或者调节燃烧温度，从而控制NOx排放水平。
虽然本发明的各种实施例在此已经被示出和说明，但明显的是，这些实施例仅通过举例来提供。在不脱离本发明的前提下，本发明可以进行多种修改、变化和替换。因此，本发明旨在仅由所附权利要求的精神和范围来限定。
Claims (17)
1.一种联合循环发电系统，包括：
蒸汽轮机系统；
燃烧轮机系统，其包括压缩机、燃烧室和燃气轮机；
HRSG，其联接在燃烧轮机和蒸汽轮机之间以利用从所述燃烧轮机接收的热能量产生蒸汽，该HRSG包括第一级、第二级和第三级，所述第一级被设置为提供高压蒸汽，所述第二级被设置为提供中压蒸汽，所述第三级被设置为提供低压蒸汽；
流动管线，其被设置成将HRSG中产生的过热蒸汽传送到轮机系统的燃烧室中。
2.如权利要求1所述的联合循环发电系统，其中，所述流动管线被连接在所述HRSG的第一级和所述燃烧室之间。
3.如权利要求1所述的联合循环发电系统，还包括：阀，其被设置为在所述系统启动期间选择性地输入一定量的过热蒸汽至所述燃烧室中。
4.如权利要求3所述的联合循环发电系统，其中，该系统被设置为控制所述阀的操作，以将蒸汽注入所述室中，从而使燃烧室中的燃烧温度降低。
5.如权利要求3所述的联合循环发电系统，其中，该系统被设置为使得，在启动期间，所述流动管线将与过热蒸汽混合的二氧化碳传送至所述燃烧轮机中。
6.如权利要求5所述的联合循环发电系统，其中，该系统被设置为使得，一旦所述蒸汽被产生，所述阀就使得能够注入与所述蒸汽混合的二氧化碳。
7.如权利要求1所述的联合循环发电系统，其中，该系统被设置为使得，所述过热蒸汽的注入减少所述燃烧轮机以部分负载输出水平操作时的NOx排放。
8.如权利要求7所述的联合循环发电系统，其中，所述过热蒸汽的注入减少所述燃烧轮机以小于满负载输出水平的75％操作时的NOx排放。
9.一种用于操作联合循环发电系统的方法，所述系统具有兰金循环和燃烧过程，所述兰金循环通过第一轮机提供第一功率源，所述燃烧过程具有可变的反应温度，并通过第二轮机提供第二功率源，该方法包括以下步骤：
在启动模式中设置该系统的部件，在该启动模式中，所述轮机相对于最大值产生逐渐增大的功率输出，从而在所述兰金循环中通过利用从所述燃烧过程回收的热使液体状态的工作流体蒸发来产生蒸汽；
在启动模式期间，将所述蒸汽的一部分提供至与所述第二轮机的操作相关联的燃烧室中。
10.如权利要求9所述的方法，其中，在所述启动模式期间将蒸汽提供至所述燃烧室中的过程从与所述兰金循环的操作相关联的所述系统的部件清除夹带气体。
11.如权利要求9所述的方法，其中，在所述启动模式期间将蒸汽提供至所述燃烧室中的过程降低所述燃烧过程的反应温度。
12.如权利要求9所述的方法，其中，在所述启动模式期间将蒸汽提供至所述燃烧室中的过程减少由所述燃烧过程产生的排气气体的NOx含量。
13.如权利要求9所述的方法，其中，流动管线将二氧化碳与过热流体混合的组合物传送至所述燃烧室中，从而清除来自与兰金循环相关联的部件的二氧化碳。
14.如权利要求9所述的方法，其中，将气态混合物的一部分注入所述燃烧室中降低所述燃烧过程的反应温度。
15.一种用于操作联合循环发电系统的方法，所述系统具有兰金循环和燃烧过程，所述兰金循环提供第一功率分量，所述燃烧过程提供第二功率分量，该方法包括：
提供工作流体源，该工作流体源的一种组分在兰金循环的一部分期间处于液体状态；
蒸发所述工作流体的第一部分，使得存在于所述系统中的一部分夹带气体与所述第一部分混合，从而形成气态混合物；
将所述气态混合物注入所述燃烧过程的室中，从而清除所述一部分夹带气体并且降低燃烧过程温度。
16.如权利要求15所述的方法，其中，将所述气态混合物注入所述室中减少由燃烧过程产生的排气气体的NOx含量。
17.如权利要求15所述的方法，其中，将所述气态混合物注入所述室中减少所述工作流体中的二氧化碳含量。
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