CN102900530A - 用于使带有废气再循环的燃气轮机动力设备运行的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使带有废气再循环的蒸汽轮机动力设备运行的方法，在该燃气轮机动力设备中，将废气(19)分成用于再循环到燃气轮机(6)的吸入流(3)中的第一废气流(21)和用于输出到环境处的第二废气流(20)，其中，在第一废气流(21)与环境空气(2)混合以用于形成吸入流(3)之前在再冷器(27)中冷却该第一废气流(21)。根据本发明，在再冷之后再次加热再循环流，以用于避免包含在再冷的废气中的蒸汽形态的水在由于与环境空气(2)混合而冷却时冷凝。此外，本发明涉及一种带有废气再循环的燃气轮机动力设备，其包括用于在再冷之后再次加热再循环流的热交换器(37)。

Description

用于使带有废气再循环的燃气轮机动力设备运行的方法
技术领域
本发明涉及一种用于使带有废气再循环的燃气轮机动力设备(Gasturbinenkraftwerk)运行的方法以及用于执行该方法的燃气轮机动力设备。
背景技术
废气的再循环为这样的技术，即在燃气轮机中可基本上应用该技术用于最不同的目的。因此，例如推荐废气再循环用于减少NOx排放或用于减少待导出的废气流。在燃气轮机中的废气再循环时，使废气的大部分份额从总的废气流中分支并且典型地在冷却和净化之后输送到燃气轮机的输入物质流处、确切地说输送到压缩机处，其中，使被引回的废气流与新鲜的环境空气混合，并且紧接着将该混合物输送到压缩机处。
有利地，可通过废气再循环提高在废气中的二氧化碳部分压力，以用于利用二氧化碳分离减小发电机的功率损失和效率损失。此外，提出以此为目的的废气再循环，即减小在燃气轮机的吸入气体中的氧气浓度，以使得由此减小NOx排放。
对于废气再循环，例如文件US 7536252 B1描述了一种用于控制涡轮机械的废气再循环流的方法，通过废气再循环系统将该废气再循环流引回到涡轮机械的进口(Eintritt)处。在该方法中，确定理论气体再循环份额，其中，该废气再循环份额限定成在涡轮机械的进入流处的废气流份额，并且将实际值调节到理论值。
从文件US2009/0145126中已知用于使带有废气再循环的燃气轮机运行的方法，在其中确定废气成分，并且取决于测得的废气成分利用控制机构进行废气再循环的调节。
即使在现有技术中描述了在再冷(Rückkühlung)之后分离冷凝物，再冷的再循环的废气与新鲜的环境空气的混合可导致重新冷凝并且形成液滴。根据环境条件(也就是说吸入的环境空气的温度和相对空气湿度)以及燃气轮机的运行状态，在这种混合情况下可导致显著的液滴形成。该液滴可与吸入流一起到达压缩机中并且导致腐蚀损坏。
发明内容
本发明提出的目的为，给出用于与环境空气的温度和相对空气湿度无关地使带有废气再循环的燃气轮机动力设备可靠运行的方法。
根据本发明通过独立权利要求的对象实现这些目的。本发明的核心为用于使带有废气再循环的蒸汽轮机运行的方法，在其中，在再冷之后且在与环境空气混合成吸入流之前再次加热再循环的废气。燃气轮机过程(Gasturbinenprozess)自身包括：这样的方法，即，在其中压缩机在输入侧吸取吸入空气并且压缩在输出侧可供使用的压缩机最终空气(Verdichterendluft)；燃烧室，在其中在使用压缩最终空气的情况下使燃料在形成热气的情况下燃烧；以及涡轮，在其中热气在做功(Arbeitsleistung)的情况下膨胀降压(entspannen)。
提出根据本发明的方法用于带有废气再循环的燃气轮机动力设备的运行，该燃气轮机动力设备包括：燃气轮机、废热蒸汽发生器和废气分配器(Abgasteiler)，该废气分配器将燃气轮机动力设备的废气分成用于再循环到燃气轮机的吸入流中的第一废气流和用于输出到环境处的第二废气流；用于调节第一废气流的调节元件；以及用于在第一废气流与环境空气混合成吸入流之前冷却第一废气流的再冷器(Rückkühler)。根据本发明的方法由此而出众，即在再冷器中再冷之后且在与环境空气混合之前再次加热该第一废气流。通过该再次加热避免包含在再冷的废气中的蒸汽形态的水在由于与环境空气混合而冷却时冷凝。可直接将该第二废气流输出到环境处，或者在再处理之后输出到环境处。例如，在将剩余流输出到环境处之前可从第二废气流中分离CO2。
在此，在再加热再循环的废气时如此选择温度提高，即，在再循环的废气与环境空气混合时产生的吸入流的相对空气湿度保持在100%之下。由于实际上难以实现再循环的废气和环境空气的均匀的混合，优选地应更大地选择温度提高，从而在再循环的废气与环境空气混合时得到这样的吸入流，即，其平均(gemittelt)具有小于95%的相对空气湿度。对于带有不良的混合的设备来说，可如此选择温度提高，即在再循环的废气与环境空气混合时得到这样的吸入流，即，其平均具有小于90%相对空气湿度、或甚至小于80%的相对空气湿度。
例如，可使用水蒸汽循环或散热器(例如发电机散热器、空气冷却散热器或油散热器)的余热用于再次加热。
根据方法的一种实施方案，取决于被吸入的环境空气的温度调节通过再次加热引起的温度提高。被吸入的环境空气的温度越低，越强地冷却在混合中的再循环的废气并且可越早地冷凝湿气。为了避免这种情况，被吸入的环境空气越冷，越强地再次加热再循环的废气。
此外，在混合时的冷凝风险与被吸入的环境空气的相对空气湿度相关。被吸入的环境空气的相对空气湿度越高，在混合时湿气可更轻易地冷凝。因此，根据方法的一种实施方案，取决于被吸入的环境空气的相对空气湿度调节通过再次加热引起的温度提高。
在方法的另一实施方案中，取决于被吸入的环境空气的温度和相对空气湿度调节再次加热。
混合和尤其地由于混合引起的可能的过度饱和强烈地与废气再循环率(也就是说再循环的废气流与整个废气流或整个的压缩机吸入流的比例)相关。因此，在另一实施方案中，取决于废气再循环率调节再次加热。在一种实施方案中，取决于废气再循环率和环境空气的温度和/或环境空气的相对空气湿度调节再次加热。
典型地，在再冷之后利用湿气使第一废气流饱和。因此，绝对的湿气含量和由此同样冷凝的风险也与在再冷之后第一废气流的温度相关。根据方法的一种实施方案，取决于在再冷之后第一废气流的温度调节通过再次加热引起的温度提高。
然而，根据运行条件和再冷，在再循环的废气中的相对湿度可在100%以下。为了在这些条件下可将再次加热限制在最小，根据方法的另一实施方案，取决于在再冷之后第一废气流的相对空气湿度调节通过再次加热引起的温度提高。
备选地或与被吸入的环境空气的和再循环的废气的温度和相对湿度组合地，可取决于在再冷的再循环的废气与新鲜的环境空气混合之后的压缩机吸入流的温度调节通过再次加热引起的温度提高。
此外，在方法的一种实施形式中，取决于压缩机吸入流的相对空气湿度调节通过再次加热引起的温度提高。
在一种实施方案中，如此调节通过再次加热引起的温度提高，即，压缩机吸入流的相对空气湿度小于100%。
在另一实施方案(其尤其地在非均匀的混合时提供更高的抗冷凝的安全性)中，如此调节通过再次加热引起的温度提高，即，压缩机吸入流的相对空气湿度小于95%。
由于在用于测量相对湿度的传感器处的冷凝风险，在实际中难以测量在几乎饱和的流中接近100%的相对空气湿度。因此，在方法的一种实施方案中，在再冷的再循环的废气与新鲜的环境空气混合之后从其它测量和/或运行参数中计算出在吸入流中的空气湿度。这例如为再冷的再循环的废气和新鲜的环境空气的温度和质量流。
此外，也可基于在压缩机中测得的过程参数计算出压缩机输入状态(Verdichtereintrittszustand)。为此，例如可测量在压缩机出口处的或者在从压缩机中分支的冷却空气流中的相对湿度、温度和压力，并且由此逼近输入条件。
典型地，在压缩时绝对的湿度不变。在压缩机或在压缩机的分支部中可容易地测量相对和绝对湿度，因为在压缩时由于加热和压缩相对空气湿度快速下降。由此，不出现在饱和的气体中出现的测量技术上的问题。
例如，如果在压缩机中输送水例如用于提高功率，则必须在计算绝对输入湿度时减去针对(beziehen)吸入质量流被输送的水流。
利用测量压缩机输入温度和绝对的湿度可计算出相对湿度。压缩机输入温度自身可通过压力比例和已知的压缩机特征曲线以压缩机中的状态参数为出发点进行逼近。当通过在温度测量部处的冷凝损害输入温度测量部的可靠性时，这可为有利的。此外，混匀空气直至压缩结束，从而可利用仅仅一个或少数测量部位可靠地测量混合温度。由于实际上在压缩机输入部处环境空气和典型的更热的循环的废气均匀的混合是不可能的，在压缩机输入部处仅仅可能利用多个测量部位和相应的高的成本测量混合温度。
在压缩机输入部处吸入空气强烈加速，从而其可在第一级中出现冷凝。在现代的燃气轮机中(其具有至少一个可调整的压缩机导叶)，该加速取决于在至少一个可调整的压缩机导叶中的转向。因此，根据本发明的实施方案，取决于可调整的压缩机导叶列(Verdichterleitreihe)的位置调节通过再次加热引起的温度提高。
例如，该方法可用于这样的燃气轮机，即，其包括一个或多个压缩机、燃烧室和涡轮，其中，压缩机压缩吸入气体，在燃烧室中使燃料与被压缩的气体一起燃烧成热气，在涡轮中在输出功的情况下使该热气降压，并且涡轮驱动压缩机并给出可用的功率。此外，该方法可用于带有连续的燃烧(sequentieller Verbrennung)的燃气轮机，也就是说这样的燃气轮机，即其包括一个或多个压缩机、第一燃烧室、高压涡轮、第二燃烧室(连续燃烧室)和低压涡轮。
除了该方法，用于执行该方法的带有废气再循环的燃气轮机动力设备也为本发明的对象。这种类型的动力设备包括：带有压缩机、燃烧室、涡轮、调节器的燃气轮机；废热蒸汽发生器；和废气分配器，其将废气分成用于再循环到燃气轮机的吸入流中的第一废气流和用于输出到环境处的第二废气流；以及用于调节废气质量流的分配的调节元件。根据本发明，这种类型的动力设备由此而出众，即，除了用于再冷再循环的废气的热交换器外，在再冷器和第一废气流混合到吸入流中的混合部之间的再循环管路中，动力设备还包括用于在再冷后再次加热再循环的废气的热交换器。
例如，可使用利用冷却水工作的热交换器、滴流式散热器(Rieselkühler)或飞溅散热器(Sprühkühler)作为再冷器。使用滴流式散热器或飞溅散热器具有的优点为，所需的温度差非常小，并且同时冲洗再循环的气体并且由此在将再循环的气体再次引入燃气轮机中之前从中分离可能有害的污物。
根据本发明的实施方案，燃气轮机动力设备包括至少一个用于测量在再冷器和第一废气流混合到吸入流中的混合部之间的温度和/或相对空气湿度的测量仪器。这可布置在用于再次加热第一废气流的热交换器之前或之后。
根据另一实施方案，根据本发明的燃气轮机动力设备包括用于测量在第一废气流混合到吸入流中的混合部和压缩机进口之间的温度和/或相对空气湿度的测量仪器。
此外，燃气轮机动力设备可包括用于测量从环境中吸入的环境空气的温度和/或相对空气湿度的测量仪器。
为了可利用余热以再次加热第一废气流，用于再次加热第一废气流的热交换器通过管路与水蒸气循环、发电机的、燃气轮机设备的空气冷却散热器的或油散热器的冷却循环相连接。
所有解释的优点不仅可使用在分别给出的组合中，而且在不离开本发明的范围的情况下也可以其它组合或单独地使用。例如，代替测量在再次加热之后的相对湿度，可测量在再冷器之前的相对湿度和温度、再循环的废气的质量流、在再冷器中分离的冷凝物量以及在再次加热之后的温度，并且由此计算出相对的湿度。
附图说明
下面根据图纸描述本发明的优选的实施形式，其仅仅用于解释目的并且不应理解为限制性的。在图纸中：
图1显示了带有废气的引回(Rückführen)的燃气轮机动力设备的示意性的图示；
图2显示了带有具有连续的燃烧和废气的引回的燃气轮机的燃气轮机动力设备的示意性的图示；以及
图3显示了带有具有连续的燃烧和废气的引回的燃气轮机以及二氧化碳分离系统的燃气轮机动力设备的示意性的图示。
参考标号列表
1 压缩机
2 环境空气
3 压缩机吸入流
4 燃烧室，第一燃烧室
5 燃料
6 燃气轮机
7 涡轮
8 燃气轮机的热废气
9 废热蒸汽发生器 (heat recovery steam generator,HRSG(废热回收蒸汽发生器))
10 用于第二部分的废气流(通到二氧化碳分离系统或烟囱)的废气鼓风机(Abgasgebläse)
11 用于第一废气部分流(废气再循环)的废气鼓风机
12 旁路节气门或阀
13 蒸汽轮机
14 冷凝器
15 用于二氧化碳分离系统的蒸汽提取部
16 给水管路
17 冷凝物引回管路
18 二氧化碳分离系统
19 废热蒸汽发生器的废气
20 第二废气部分流
21 第一废气部分流(废气再循环)
22 无二氧化碳的废气
23 废气再冷器(用于第二废气部分流)
24 到烟囱的废气旁路
25 第一发电机
26 第二发电机
27 废气再冷器(用于第一废气部分流)
29 废气分配器
30 新鲜蒸汽
31 被分离的二氧化碳
32 烟囱
33 高压涡轮
34 第二燃烧室
35 低压涡轮
36 调节元件
37 热交换器
38 可调整的压缩机导叶列
T1 在再次加热之后的温度
T2 吸入的环境空气的温度
T3 压缩机吸入流的温度
R1 在再次加热之后的相对空气湿度
R2 吸入的环境空气的相对空气湿度
R3 压缩机吸入流的相对空气湿度。
具体实施方式
图1以示意性的图示显示了根据本发明的燃气轮机动力设备的重要的元件。燃气轮机6包括压缩机1(Kompressor)，在其中被压缩的燃烧用空气被输送到燃烧室4处并且在该处与燃料5一起燃烧。紧接着，在涡轮7中使热的燃烧气体降压膨胀。之后，例如利用布置在相同的轴上的第一发电机25将在涡轮7中产生的可用能(Nutzenergie)转换成电能。通过可调整的导叶38调节压缩机1的压缩机吸入流3。
为了最优地利用仍然包含在其中的能量，在废热蒸汽发生器9(Heat recovery steam generator、HRSG(废热回收蒸汽发生器))中使用从涡轮7中离开的热的废气8以用于产生用于蒸汽轮机13或其它设备的新鲜蒸汽30。例如，利用布置在相同的轴上的第二发电机26将在蒸汽轮机13中产生的可用能转化成电能。在该示例中，简化了水蒸汽循环39并且仅仅示意性地利用冷凝器14和给水管路16示出。未显示不同的压力级、给水泵等，因为其不为本发明的对象。
废热蒸汽发生器9的废气19在废气蒸汽发生器9下游在流动分配器29中被分成第一废气部分流21和第二废气部分流20。第一废气部分流被引回燃气轮机6的吸入管路中，并且在该处与环境空气2混合。通过烟囱32将未被引回的第二废气部分流20输出到环境处。为了克服废气管路的压力损失并且作为废气流的分配的另一调节可能性，可选地可设置废气鼓风机11或可调节的废气鼓风机11。
在所显示的示例中，流动分配器29实施成调节元件，其允许调节再循环流。
在利用再循环运行时，在可配备有冷凝器的废气再冷器27中将被引回的废气流21冷却到典型地稍微高于环境温度。在该废气再冷器27下游可布置升压器或废气鼓风机11用于再循环流21。在热交换器37中再次加热该被引回的废气流21，以用于在其与环境空气2混合并且作为压缩机吸入流3被输送到燃气轮机6之前减小其相对湿度。
在图1中的示例显示了带有单一燃烧室4的燃气轮机6。如例如从文件EP0718470中已知的那样，本发明也可无限制地用于带有连续的燃烧的燃气轮机。在图2中示意性地显示了用于带有连续的燃烧和废气再循环的燃气轮机动力设备的示例。在该燃气轮机中，高压涡轮33紧随燃烧室4。在第二燃烧室34中再次将燃料5输送到在输出功的情况下部分降压的高压涡轮33的排出气体处，并且使燃料5燃烧。在低压涡轮35中，使该第二燃烧室34的热的燃烧气体在输出功的情况下再次降压膨胀。与图1中的实施例相似地进行余热的利用以及再循环和再次加热。在再循环管路中仅仅设置一个附加的调节元件36以用于调节再循环流。在该布置方案中，流动分配器29可实施成不带调节功能。
以图1为基础，在图3中还示出了二氧化碳分离系统18。典型地，在废气再冷器23中进一步冷却未被引回的第二废气部分流20，并且将其输送到二氧化碳分离系统18。由该二氧化碳分离系统18将无二氧化碳的废气22通过烟囱给出到环境处。为了克服二氧化碳分离系统18和废气管路的压力损失，可设置废气鼓风机10。典型地，在压缩机(未显示)中压缩在二氧化碳分离系统18中被分离的二氧化碳31，并且将其导出到储存部(Lagerung)或其它处理部。通过蒸汽提取部15给二氧化碳分离系统18供应从蒸汽轮机13中被分支出的蒸汽(典型地中压或低压蒸汽)。在二氧化碳分离系统18中给出能量之后，该蒸汽以液态的水的形式或作为蒸汽、确切地说水蒸汽混合物再次被输送到水蒸汽循环。在所显示的示例中，使蒸汽冷凝并且通过冷凝物引回管路17将其输送到给水部。
也可直接通过包括旁路节气门或阀12的废气旁路24将第二废气部分流引导到烟囱32。

Claims (15)

1. 一种用于使带有废气再循环的蒸汽轮机动力设备运行的方法，所述燃气轮机动力设备包括：燃气轮机(6)、废热蒸汽发生器(9)和废气分配器(29)，所述废气分配器(29)将所述燃气轮机动力设备的废气(19)分成用于再循环到所述燃气轮机(6)的吸入流(3)中的第一废气流(21)和用于输出到环境处的第二废气流(20,24)；用于调节所述第一废气流(21)的调节元件(11,29,36)；以及用于在所述第一废气流(21)与环境空气(2)混合成所述吸入流(3)之前冷却所述第一废气流(21)的再冷器(27)，其特征在于，在所述再冷器(27)中再冷之后且在与所述环境空气(2)混合之前再次加热所述第一废气流(21)，以用于避免包含在再冷的废气中的蒸汽形态的水在由于与所述环境空气(2)混合而冷却时冷凝。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，取决于被吸入的环境空气(2)的温度(T2)调节所述通过再次加热引起的温度提高。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，取决于被吸入的环境空气的相对空气湿度(R2)调节通过再次加热引起的温度提高。
4. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，取决于再循环的废气质量流与整个废气质量流的比例调节通过再次加热引起的温度提高。
5. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，取决于在再冷之后所述第一废气流(21)的温度调节通过再次加热引起的温度提高。
6. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，取决于在再冷之后所述第一废气流(21)的相对空气湿度调节通过再次加热引起的温度提高。
7. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，取决于所述压缩机吸入流(3)的温度(T3)调节通过再次加热引起的温度提高。
8. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，取决于所述压缩机吸入流(3)的相对空气湿度(R3)调节通过再次加热引起的温度提高。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，如此调节通过再次加热引起的温度提高，即使得所述压缩机吸入流(3)的相对空气湿度(R3)小于100%。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，如此调节通过再次加热引起的温度提高，即使得所述压缩机吸入流(3)的相对空气湿度(R3)小于95%。
11. 根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，从在压缩机出口处或压缩机的中间级处的压力、温度及湿度测量中计算出所述压缩机输入温度和/或相对湿度。
12. 根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，取决于可调整的压缩机导叶列(38)的位置调节通过再次加热引起的温度提高。
13. 一种带有废气再循环的燃气轮机动力设备，该燃气轮机动力设备包括：带有调节器的燃气轮机(6)；废热蒸汽发生器(9)和废气分配器(29)，该废气分配器(29)将废气(19)分成用于再循环到所述燃气轮机(6)的吸入流中的第一废气流(21)和用于输出到环境处的第二废气流(20,24)；用于调节所述第一废气流(21)的调节元件(29,36)；以及用于在所述第一废气流(21)与环境空气(2)混合成所述吸入流(3)之前冷却所述第一废气流(21)的再冷器(27)，其特征在于，在所述再冷器(27)和所述第一废气流(21)混合到所述吸入流(3)中的混合部之间的再循环管路中布置有热交换器(37)以用于再次加热所述第一废气流(21)。
14. 根据权利要求13所述的带有废气再循环的燃气轮机动力设备，其特征在于，所述燃气轮机动力设备包括用于测量在所述用于再次加热所述第一废气流(21)的热交换器(37)之后的温度(T1)和相对空气湿度(R1)的测量仪器。
15. 根据权利要求13所述的带有废气再循环的燃气轮机动力设备，其特征在于，所述用于再次加热所述第一废气流(21)的热交换器(37)与水蒸气循环、发电机的、空气冷却散热器的或油散热器的冷却循环相连接。
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