CN103097695B - 吹洗燃气轮机的废气再循环管线的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于不使用附加的吹送风扇而通过废气再循环可靠地净化燃气轮机(14)的废气再循环管线(8)的方法，并且还涉及一种用于实施该方法的燃气轮机(14)。为实现该目的，提出了一种其中使用压缩机(2)的吹送流净化废气再循环管线(8)的方法。另外提出了一种带有至少一个将压缩机吹送点与废气再循环管线(8)相连的净化管线(20)的燃气轮机(14)。
Description
技术领域
本发明涉及对具有废气再循环的燃气轮机的废气再循环管线的净化。其涉及用于净化废气再循环管线的方法以及涉及用于实施该方法的燃气轮机。
背景技术
为了降低燃气轮机和带有二氧化碳分离的联合循环发电厂的功率损失和效率损失，关于在分离之前增大二氧化碳分压已经提出了多种方式。
废气再循环是在燃气轮机中能够用于不同目的的技术。由此，其能够用于通过提供具有降低的反应性的输入气体来控制NOx排放，例如，也就是说该输入气体通常具有与新鲜空气相比降低的氧含量，或者能够被用于降低用于二氧化碳分离的废气体积。在燃气轮机中的废气再循环期间，重要比例的废气被从总的废气流分出，并且通常在冷却之后，并且如有必要，在洗刷之后被再次输送到气轮机的输入质量流或者燃气轮机的压缩机的输入质量流。由此，再循环的废气流与新鲜空气混合并且该混合物然后被输送到压缩机。例如，根据WO2010/072710已知具有燃气轮机和废气再循环的相应发电厂。
在HRSG（热回收蒸汽发生器或者废热锅炉）中以及在燃气轮机的下游的排气管道中，燃料残留物会在设备（发电厂）停止运转时累积。在设备重新开动之前，这些燃料残留物通过所谓的锅炉净化（蒸汽净化）而被从相关的容积去除。该安全措施的目的在于从废气管道和HRSG消除剩余燃料和爆炸性气体混合物，并且避免在开动期间的可能爆炸。该锅炉净化通过利用起动装置驱动轴系、以低速和低的质量流来进行，结果使得剩余燃料经由排气通道被驱逐出设备。
在带有废气再循环的燃气轮机的情况中，当设备停止运转时，剩余燃料还会累积在废气再循环系统的废气再循环管线和辅助系统中，诸如再循环式冷却器、脱水器等等。在重新开动之前，或者在这些管线和辅助系统用于检查或检修之前，同样必须净化这些剩余燃料，例如通过新鲜空气来净化。
废气再循环管线优选地在与正常运行期间的流向相反的方向上被净化。因此，净化空气能够经由通常的排气通道排出。而且，可能存在的可燃气体残留物可以确定无法从锅炉进入废气再循环管线，这将导致必须进一步延长的净化时长或者甚至必然形成的周期。
在EP2060772中提出了用于净化废气再循环管线的系统和方法。这里提出了附加的活叶和例如附加的风扇用于废气再循环，并且允许净化废气再循环管线。大量数目的活叶和附加的风扇导致增大的成本和净化过程期间增大的功率需求，结果使得具有CO2分离的这种发电厂的竞争性被折衷。
发明内容
因此，本发明的目的在于公开一种允许不使用附加的吹落风扇而可靠地净化废气再循环管线的方法。还公开了适于不使用附加的风扇执行废气再循环管线的可靠净化的燃气轮机。此外在本示例中，附加的活叶、阀和管的数目将被最小化。
该目的通过权利要求1和15的特征的总体而得以实现。根据本发明的方法的特征在于压缩机的吹送流被用来净化废气再循环管线。
在压缩机以略低于标称转速的转速（静止直到比标称转速低约20%）的操作期间，例如在开动、停止和锅炉净化期间，通过压缩机引入的空气的一部分必须被吹掉。为此，部分压缩的空气经由高压间（强制通风系统）从压缩机释放掉，并且例如被直接吹送到周围环境或者经由管线被导引到燃气轮机的排气管道然后经由排气通道被吹送。
关于锅炉净化，燃气轮机通常以略低于标称转速的转速运行。也就是说，燃气轮机在空气被从压缩机吹送的转速范围内操作。这是在标称转速的20%至50%的范围，例如，其中在大型燃气轮机的情况中，标称转速等于工业频率。对于锅炉净化，发电机通常在变频器即通常所称的SFC（静止变频器）的协助下操作作为驱动燃气轮机的马达。
依赖于压缩机设计和转速，在锅炉净化过程中，压缩机吸入流中的大部分经由吹送阀被吹送。吹送的量能够直至压缩机吸入流的60%-在具体情况中更高。要吹出的质量流通常与压缩机在满载操作期间的压力比成比例，而压缩机吸入流与吹出质量流时的转速成比例。因为压缩机的高压间中的压力高于环境压力，所以该质量流可全部地或部分地用于净化废气再循环管线。为此，从压缩机高压间至废气再循环管线设置带有控制元件的至少一个连接管线。
在优选实施方式中，吹送空气引入到废气再循环管线的端部区域并且在废气再循环管线的另一端排出。由于实际的原因，可能难以将吹送空气直接引入到废气再循环管线的端部中。在端部区域中的引入，即通常引入到从管线的一端相距至多10-20%的一段距离的部分中，是优选的，以避免管线端部处的较大无效空间，并确保清楚地限定流动方向。
在一个实施方式中，吹送空气在废气再循环管线的通入燃气轮机的压缩机的进气管道中的第二端处被引入。吹送空气从那里沿着与燃气轮机的正常运行期间再循环流的方向相反的方向流过废气再循环管线，并且在废气再循环管线的第一端处排出。废气再循环管线的第一端是废气再循环管线在此端处与燃气轮机的排气管道相连的端部。该连接与控制元件组合，例如，诸如控制活叶（风门）。
在净化期间，在流过废气再循环管线之后，吹送空气被从废气再循环管线的第一端直接或者间接地导引到排气通道中。
吹送空气从再循环管线到压缩机的吸入流中的流动通过控制元件控制，控制元件布置在吹送空气进入废气再循环管线的位置和废气再循环管线的第二端之间。该控制元件通常是活叶或者阀。
该控制元件还允许调整流到废气再循环管线的第二端的吹送空气与流到废气再循环管线的第一端的吹送空气的比率。例如，在短时间内，吹送空气被净化通过废气再循环管线的第二端、进入压缩机进气管道中，然后沿着第一端的方向净化废气再循环管线。由若干秒直到几分钟构成的时间段在本示例中被理解为短时间，通常是锅炉净化时间的约1/10至1/5。
在进一步的实施方式中，吹送空气的第一部分被引入废气再循环管线中用于净化，吹送空气的第二部分经由吹送管线被输送到排气管道并且通常输送到HRSG。
在又一实施方式中，来自压缩机的第一吹送点的吹送空气被引入废气再循环管线用于净化，来自压缩机的第二吹送点的吹送空气经由吹送管线输送到排气管道并且因此通常输送到HRSG。
在所述方法之外，本发明的主题在于带有再循环的、允许通过压缩机吹送空气净化废气再循环管线的燃气轮机。
带有废气再循环管线的根据本发明的燃气轮机具有至少一个净化管线，所述废气再循环管线将燃气轮机的排气管道连接到压缩机进气管道用于废气到压缩机吸入流中的再循环，所述至少一个净化管线将压缩机吹送点连接到废气再循环管线。
在该净化管线中通常设置放气阀，用于控制净化质量流。这允许控制吹送流，其中废气再循环管线利用该吹送流通过吹送空气被净化。该放气阀能够与常规的吹送阀串联布置，或者代替这些吹送阀及它们的功能，也就是说能够执行燃气轮机正常运行期间吹送设备的关闭以及吹送设备的打开，以用于燃气轮机的启动和停止。
另外，吹送管线能够将压缩机吹送点-净化管线与之相连-连接到燃气轮机的排气管道。这使得吹送空气的一部分被用于废气再循环管线的回扫并且使得另一部分通过吹送管线通往到排气管道中。另外，因此能够阻止来自压缩机的处于高压和高温下的气体在燃气轮机停机期间或在气轮机行程中进入废气再循环管线中。在本示例中，如常规燃气轮机在停止运转的情况下，放气阀维持关闭并且吹送阀打开。在启动期间在净化之后关闭放气阀并且在等变率上升期间仅经由吹送管线吹送所述吹送空气也能够是有利的。为独立地控制吹送设备，在一个实施方式中，吹送阀布置在吹送管线中。
在另一实施方式中，从第二压缩机吹送点设置至少一个第二吹送管线，其将第二压缩机吹送点连接到燃气轮机的排气管道。
通常在带有废气再循环的燃气轮机的废气再循环管线中设置有助于废气到压缩机吸入流中的再循环的再循环风扇。在净化过程期间，流动方向与正常运行的流动方向相反并且再循环风扇引起增大的压降。为避免该附加的降压，在一个实施方式，再循环风扇经由离合器连接到其驱动器。该离合器允许再循环风扇在净化过程期间断开，使得其能够在与其正常转向相反的方向上凭惯性前进，由此降低其压力损失。
在另一实施方式中，再循环风扇设计有可变几何形状的导向叶片和/或可变几何形状的叶轮片。这些能够打开以降低流动阻力。替代地，他们能够重置，以使得再循环风扇沿着与其正常流向相反的方向操作并且辅助净化。
大型再循环风扇通常借助于可控马达驱动。在另一可供选择的实施方式中，控制设备允许马达沿着其正常转向的相反方向被驱动，以使得再循环风扇降低净化期间的流动阻力或者辅助所述净化。
本发明的另一实施方式的特征在于，净化过程通过再循环风扇进行。对于废气再循环管线的净化，可变几何形状的导向叶片和/或叶轮片被重置，以使得再循环风扇以沿着与其正常流向相反的方向操作，且因此利用从压缩机的进气管道分出的空气来净化废气再循环管线。替代地，再循环风扇的马达能够沿着与其正常转向相反的方向以受控方式被驱动，以使得废气再循环管线利用从压缩机的进气管道分出的空气沿着与其正常转向相反的方向被净化。对于这些实施方式，能够省去从压缩机到废气再循环管线中的净化管线和吹送设备。
附图说明
本发明随后将基于示例性实施方式连同示意图进行更为详细的说明。在图中：
图1示出了带有HRSG和废气再循环的燃气轮机，该燃气轮机具有到废气再循环管线中的吹送管线用于废气再循环管线的净化，
图2示出了带有HRSG和废气再循环的燃气轮机，该燃气轮机具有到废气再循环管线中的吹送管线用于废气再循环管线的和到HRSG的吹送管线的净化。
具体实施方式
带着HRSG和废气再循环的燃气轮机示意性地示出在图1中。另外示出了用于将压缩机空气吹送到废气再循环管线中用于净化该管线的管线和控制元件。
燃气轮机包括压缩机2、燃烧室3和气轮机4。在压缩机2中压缩的燃烧空气被输送到燃烧室3并且在那儿燃烧，并且该热的燃料空气然后在气轮机4中膨胀。在气轮机中产生的有用能量由例如布置在同一轴上的发电机5转换成为电能。从气轮机4流出的废气被用在HRSG23（余热回收蒸汽发生器）或者废热锅炉（蒸发器）中，用于产生用于汽轮机或者其它的设备的蒸汽，以最佳地利用其中仍含有能量。
用于压缩机2的吸入流1通常经由进气管道来输送。新鲜的吸入空气在本示例中首先经由布置在入口处的空气过滤器被导引。在该空气过滤器的下游，能够在压缩机吸入流1的输送管道中布置消音器。带有过滤器和消音器的空气输送管道以下被简称为压缩机进气管道。
在这种设备中，废气的一部分在HRSG23的下游在分流器11-其能够受控-被引入到废气再循环管线8的第一端16中，并且经由该废气再循环管线8被再循环到压缩机吸入流1中。为此，再循环废气从废气再循环管线8的第二端17流到压缩机吸入流1中，并且与新鲜的吸入空气混合并且由此被输送回到压缩机2的吸入侧。废气中的未被分出的部分通常被导引到二氧化碳分离单元或者经由排气通道12排出到周围环境。
该再循环废气流在废气再循环冷却器13或者配置有冷凝器的热交换器中被冷却到刚刚高于周围温度。该废气再循环冷却器13的下游可布置再循环风扇9，该再循环风扇9例如经由离合器24由驱动器25驱动。该驱动器通常是电动机。
在正常运行期间，吸入空气在压缩机2的上游与再循环废气混合。在本示例中，第一吹送阀6和放气阀7在正常运行期间关闭。另外，控制元件10打开，其中废气再循环管线8的出口利用该控制元件10能够被连接到压缩机进气管道中。
为了能够净化废气再循环管线8，从压缩机2的吹送点到废气再循环管线8的第二端17设置有净化管线20。其并不直接引入到废气再循环管线8的第二端中，而是通过控制元件10与压缩机进气管道隔离。为控制净化气流本身，设置放气阀7。通过第一吹送管线18可以吹送到燃气轮机14的排气管道21中。为控制到排气管道21中的吹送，设置第一吹送阀6。
对于净化，使燃气轮机14达到净化速度。为此，其通常由作为马达操作的发电机5来驱动。为净化废气再循环管线8，放气阀7打开。经由放气阀7，来自压缩机2的吹送空气通过废气再循环管线8被吹入到排气通道12中，且由此净化所述废气再循环管线8。控制元件10至少在一部分净化时间段内被关闭，以确保吹送空气不能流入到压缩机吸入流中。
第一吹送阀6允许将吹送流分流为净化废气再循环管线的一部分和被输送到排气管道21的一部分。另外，第一吹送阀6允许吹出大量的热空气，例如在设备的行程中。如果经由废气再循环管线8提供吹送，则这必须针对相应的热空气来设计。
根据废气再循环管线8的容积和吹送空气量的容积，仅需要吹送空气中的一部分来净化废气再循环管线8。
例如，来自第一气室（第一高压间）、即压缩机2的低压段下游的空气被用于净化废气再循环管线8。另一方面，来自第二气室（第二高压间）的、例如压缩机2的中间压力段下游的空气经由第二吹送阀15和第二吹送管线19直接输送回到燃气轮机14的排气管道21。在图2中示意性地示出了相应的布置。
所阐述的全部优点不仅能够在所公开的相应组合来应用，而且在不偏离本发明范围的情况下，能够以其它组合来应用或者单独地应用。例如，代替使用来自一个吹送点的吹送空气，如图1和2中所示，来自压缩机2的多个吹送点的吹送空气可被集中在一起并且用于净化废气再循环管线8。
以简化方式描述阀或者活叶的控制。该控制表示闭环控制或开环控制。另外，本领域技术人员已知多种适当的控制元件，诸如活叶或者阀。
压缩机的吹送点通常是这样的点，用于气轮机和/或用于燃烧室冷却的冷却空气也在该点处从压缩机引出。净化管线20不必从压缩机直接伸出，而可以从常规的吹送管线或者冷却空气管线分出。该示例示出了具有单个燃烧室的燃气轮机14。本发明相应地能够应用于具有二次燃烧（再热式）的燃气轮机，例如根据EP0718470已知的。
附图标记列表
1压缩机吸入流
2压缩机
3燃烧室
4气轮机
5发电机
6第一吹送阀
7放气阀
8废气再循环管线
9再循环风扇
10控制元件
11分流器
12排气通道/用于二氧化碳分离的管线
13废气再循环冷却器
14燃气轮机
15第二吹送阀
16第一端
17第二端
18第一吹送管线
19第二吹送管线
20净化管线
21,22排气管道
23HRSG（热蒸汽发生器）
24离合器
25驱动器
Claims (12)
1.一种用于净化燃气轮机(14)的废气再循环管线(8)的方法，其特征在于，所述燃气轮机(14)以净化速度操作，吹送空气从压缩机(2)排出，并且该吹送空气被引入所述废气再循环管线(8)用于净化；
所述吹送空气的第一部分流沿着所述废气再循环管线(8)的第二端(17)的方向导引，并且所述吹送空气的第二部分流沿着所述废气再循环管线(8)的第一端(16)的方向导引；
流到所述废气再循环管线(8)的所述第二端(17)的吹送空气与流到所述废气再循环管线(8)的所述第一端(16)的吹送空气的比率通过控制元件(10)控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吹送空气在所述废气再循环管线(8)的一端被引入该废气再循环管线(8)并且在另一端排出。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述吹送空气在所述废气再循环管线(8)的对所述燃气轮机的进气管道敞开的第二端(17)引入，沿着与在所述燃气轮机的正常运行期间再循环流的方向相反的方向流经所述废气再循环管线(8)，并且从所述废气再循环管线(8)的第一端(16)排出。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述吹送空气在流经所述废气再循环管线(8)之后被直接或间接地从所述废气再循环管线(8)的所述第一端(16)导引到排气通道。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述吹送空气的第一部分被引入所述废气再循环管线(8)用于净化，并且所述吹送空气的第二部分经由第二吹送管线(19)被输送到HRSG(23)。
6.一种具有废气再循环管线(8)的燃气轮机(14)，所述废气再循环管线将所述燃气轮机的排气管道(21、22)连接到压缩机进气管道，用于废气到压缩机吸入流(1)的再循环，其特征在于，至少一个净化管线(20)从压缩机吹送点通向所述废气再循环管线(8)；
控制元件(10)布置在所述废气再循环管线(8)中，位于所述净化管线(20)到所述废气再循环管线(8)中的孔口与所述废气再循环管线(8)到所述压缩机进气管道中的孔口之间，以控制或防止所述吹送空气到压缩器进口中的回扫；
所述控制元件(10)控制流到所述废气再循环管线(8)的第二端(17)的吹送空气与流到所述废气再循环管线(8)的第一端(16)的吹送空气的比率。
7.根据权利要求6所述的燃气轮机(14)，其特征在于，放气阀(7)布置在所述净化管线(20)中用于控制净化质量流，所述废气再循环管线(8)通过吹送空气利用所述净化质量流被净化。
8.根据权利要求6或7所述的燃气轮机(14)，其特征在于，第一吹送管线(18)将所述压缩机吹送点连接到所述燃气轮机(14)的所述排气管道(21、22)，所述净化管线(20)连接到所述压缩机吹送点。
9.根据权利要求8所述的燃气轮机(14)，其特征在于，第一吹送阀(6)布置在所述第一吹送管线(18)中。
10.根据权利要求6或7所述的燃气轮机(14)，其特征在于，第二吹送管线(19)将第二压缩机吹送点连接到所述燃气轮机(14)的所述排气管道(21、22)。
11.根据权利要求6或7所述的燃气轮机(14)，其特征在于，在所述废气再循环管线(8)中设有以可拆方式布置到其驱动器(25)的再循环风扇，以便在吹送期间，所述再循环风扇(9)能够在其正常转向的相反方向上凭惯性前进。
12.根据权利要求6或7所述的燃气轮机(14)，其特征在于，具有可变几何形状的导向叶片和/或叶轮片的再循环风扇(9)布置在所述废气再循环管线(8)中，或者再循环风扇(9)被连接到驱动器(25)，所述驱动器(25)的旋转方向是可换向的，以便在吹送期间，所述再循环风扇(9)提供降低的流动阻力或者辅助净化。
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