CN103975143B - 燃气涡轮冷却系统及燃气涡轮冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使用由废热回收锅炉产生的高压蒸气或使高压蒸气的产生减少的情况不会出现而能高效率地利用蒸气对燃气涡轮进行冷却的燃气涡轮冷却系统及冷却方法。该冷却系统具备：燃气涡轮(3)；废热回收锅炉(2)，其具有与来自该燃气涡轮(3)的废热进行热交换而产生高压蒸气的高压系统(6)、向该高压系统(6)供给水及蒸气的高压锅筒(11)、与来自燃气涡轮(3)的废热进行热交换而产生中压蒸气的中压系统(7)、向该中压系统(7)供给水及蒸气的中压锅筒(12)；中压蒸气管(19)，其将中压系统(7)与燃气涡轮(3)的冷却系统连接，从中压系统(7)向冷却系统供给中压蒸气；蒸气供给管(20)，其将高压锅筒(11)与中压锅筒(12)连接，从高压锅筒(11)向中压锅筒(12)供给高压锅筒(11)内的饱和蒸气。

Description

燃气涡轮冷却系统及燃气涡轮冷却方法
技术领域
本发明涉及利用由废热回收锅炉产生的蒸气对燃气涡轮进行冷却的燃气涡轮冷却系统及燃气涡轮冷却方法。
背景技术
设于燃气涡轮复合循环发电(GTCC)、煤气化复合发电(IGCC)的废热回收锅炉利用来自燃气涡轮的废热来产生用于驱动蒸气涡轮的蒸气。但是，伴随着谋求高效率化的燃气涡轮的高温化，从设备保护的观点出发，需要在运转时对成为高温的燃气涡轮燃烧的尾筒以及其他部位等进行冷却。因此，在上述发电系统中，为了对燃气涡轮进行冷却，不仅使用空气作为冷却介质，而且有时使用由废热回收锅炉产生的蒸气作为冷却介质。
在专利文献1中公开了这样的技术：在运转时发生了异常的情况下，通过将废热回收锅炉的高压蒸气或中压蒸气导入蒸气冷却系统，来维持基于蒸气的冷却。
在专利文献2中公开了同时实现由蒸气进行的动叶片与叶片环部之间的间隙控制和由蒸气进行的燃烧器等高温部件的冷却控制的技术。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-37711号公报
专利文献2：日本特开2002-4807号公报
发明内容
发明要解决的课题
由于在废热回收锅炉中产生的4.0MPa到5.0MPa左右的中压蒸气与被冷却对象(燃气涡轮)所要求的冷却条件相符，因此，在使用由废热回收锅炉产生的蒸气作为冷却介质的情况下，多使用中压蒸气。
另一方面，为了改善设备效率，要求增加由废热回收锅炉产生的高压蒸气量，因此，要求尽量减小由废热回收锅炉产生的中压蒸气量与被冷却对象(燃气涡轮)的冷却所使用的必要蒸气量之差。但是，其结果是，根据发电负载、燃料条件的不同，可能产生中压蒸气量相对于被冷却对象的必要蒸气量发生不足的情况。
因此，考虑将在废热回收锅炉中产生的高压蒸气的一部分用作冷却介质，但是特意地对高温、高压的蒸气进行减温、减压，很有可能导致设备效率降低。
本发明是鉴于上述的情况而作出的，提供一种使用由废热回收锅炉产生的高压蒸气或者减少高压蒸气的产生的情况不会出现，而能高效率地利用蒸气对燃气涡轮进行冷却的燃气涡轮冷却系统及燃气涡轮冷却方法。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的燃气涡轮冷却系统及燃气涡轮冷却方法采用以下的手段。
本发明的第一方案的燃气涡轮冷却系统具备：燃气涡轮；废热回收锅炉，其具有与来自燃气涡轮的废热进行热交换而产生第一蒸气的第一系统、向第一系统供给水及蒸气的第一锅筒、与来自燃气涡轮的废热进行热交换而产生比第一蒸气低压的第二蒸气的第二系统、向第二系统供给水及蒸气的第二锅筒；第一流路，其将第二系统与燃气涡轮的冷却系统连接，从第二系统向冷却系统供给第二蒸气；第二流路，其将第一锅筒与第二锅筒连接，从第一锅筒向第二锅筒供给第一锅筒内的饱和蒸气。
根据上述第一方案的燃气涡轮冷却系统，第二锅筒的水及蒸气向废热回收锅炉的第二系统供给，在第二系统中与来自燃气涡轮的废热进行热交换而产生第二蒸气。第二蒸气经由第一流路从第二系统向燃气涡轮的冷却系统供给，从而对燃气涡轮进行冷却。另外，第一锅筒内的饱和蒸气经由第二流路从第一锅筒向第二锅筒供给。其结果是，能使从第二锅筒向第二系统供给的蒸气的蒸气量增加，因此，也能使从第二系统向燃气涡轮的冷却系统供给的蒸气的蒸气量增加。
上述第一方案的燃气涡轮冷却系统也可以为，还具备蒸气量调整机构，该蒸气量调整机构基于燃气涡轮的冷却状态来调整在第二流路中流动 的饱和蒸气的蒸气量。
根据该结构，对应于燃气涡轮的冷却状况，经由第二流路从第一锅筒向第二锅筒供给的饱和蒸气的蒸气量发生变化，因此，能向第二锅筒供给对燃气涡轮进行冷却所需的适当量的饱和蒸气。可以通过在燃气涡轮侧对燃气涡轮的出口温度进行监控、管理、例如基于从燃气涡轮的冷却系统排出的燃气涡轮冷却后的蒸气的蒸气量等，间接地判断燃气涡轮的冷却状况。
上述第一方案的燃气涡轮冷却系统也可以为，在第二流路的下游、且在第二锅筒的上游或第二锅筒内设有汽水分离装置。
根据该结构，由于经由第二流路从第一锅筒向第二锅筒供给的饱和蒸气利用汽水分离装置分离为水与蒸气，因此，能将分离出的蒸气向燃气涡轮冷却系统供给，能利用不含水的蒸气对燃气涡轮进行冷却。其结果是，能防止由蒸气所含有的水引起的冷却系统的腐蚀、破损。另外，没有因蒸气冷凝而第二锅筒内在短时间内水位上升的情况，因此，能抑制第二锅筒的水位变动。
本发明的第二方案的燃气涡轮冷却方法是燃气涡轮冷却系统的燃气涡轮冷却方法，该燃气涡轮冷却系统具备：燃气涡轮；废热回收锅炉，其具有与来自燃气涡轮的废热进行热交换而产生第一蒸气的第一系统、向第一系统供给水及蒸气的第一锅筒、与来自燃气涡轮的废热进行热交换而产生比第一蒸气低压的第二蒸气的第二系统、向第二系统供给水及蒸气的第二锅筒，该燃气涡轮冷却方法具备：从第二系统向燃气涡轮的冷却系统供给第二蒸气的步骤；从第一锅筒向第二锅筒供给第一锅筒内的饱和蒸气的步骤。
发明效果
根据上述第二方案的燃气涡轮冷却方法，使用由废热回收锅炉产生的高压蒸气或使高压蒸气的产生减少的情况不会出现而能高效率地利用蒸气对燃气涡轮进行冷却。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的废热回收系统及燃气涡轮冷却系统的概略结构图。
图2是表示该实施方式的燃气涡轮冷却系统的概略结构图。
图3是表示以往的废热回收系统及燃气涡轮冷却系统的概略结构图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
本发明的一实施方式的废热回收系统及燃气涡轮冷却系统例如应用于具有废热回收锅炉2和燃气涡轮3的燃气涡轮复合循环发电(GTCC)、煤气化复合发电(IGCC)等的设备1。
燃气涡轮冷却系统例如由废热回收锅炉2、燃气涡轮3、从废热回收锅炉2的中压系统7向燃气涡轮3供给中压蒸气的中压蒸气管19(第一流路)、从高压锅筒11向中压锅筒12供给饱和蒸气的蒸气供给管20(第二流路)等构成。
废热回收锅炉2经由废气供给路14被供给从燃气涡轮3排出的废气。而且，废热回收锅炉2与废气的热量(废热)进行热交换而生成蒸气。如图1所示，在废热回收锅炉2设有例如再热系统5、高压系统6、中压系统7、低压系统8、高压锅筒11、中压锅筒12及低压锅筒13等。
在废热回收锅炉2中，沿废气的流动方向依次配置有再热系统5、高压系统6、中压系统7、低压系统8。再热系统5包括再热器，从蒸气涡轮4抽出的蒸气经由低温再热蒸气管15向再热系统5供给，由再热系统5的再热器加热。由再热系统5加热了的蒸气经由高温再热蒸气管16向蒸气涡轮4供给，从而对蒸气涡轮4进行驱动。
高压系统6包括高压过热器、高压蒸发器，高压系统6的高压蒸发器被从高压锅筒11供给水。从高压锅筒11供给的水由高压系统6的高压蒸发器加热，从而生成蒸气。生成的蒸气由高压过热器过热，从而生成高压蒸气。生成的高压蒸气经由高压蒸气管17向蒸气涡轮4供给，从而对蒸气涡轮4进行驱动。
低压系统8包括低压蒸发器、低压过热器，低压系统8的低压蒸发器被从低压锅筒13供给水。从低压锅筒13供给的水由低压系统8的低压蒸发器加热，从而生成蒸气。生成的蒸气由低压过热器过热，从而生成低压 蒸气。生成的低压蒸气经由低压蒸气管18向蒸气涡轮4供给，从而对蒸气涡轮4进行驱动。
中压系统7包括中压蒸发器、中压过热器，中压系统7的中压蒸发器被从中压锅筒12供给水。从中压锅筒12供给的水由中压系统7的中压蒸发器加热，从而生成蒸气。生成的蒸气由中压过热器过热，从而生成中压蒸气。生成的中压蒸气的全部或一部分经由中压蒸气管19向燃气涡轮3的冷却系统供给，从而对相应部位进行冷却。燃气涡轮3的冷却系统例如设于在燃气涡轮3设置的燃烧器的尾筒、机室等的高温部分。经由中压蒸气管19从中压锅筒12向燃气涡轮3供给的中压蒸气的必要蒸气量基于燃气涡轮3的冷却状态来调整。在中压蒸气管19设有控制阀25，对蒸气量进行调整。
在燃气涡轮3侧对燃气涡轮3的出口温度进行监控、管理、例如基于从燃气涡轮3的冷却系统排出的燃气涡轮3冷却后的蒸气的蒸气量、温度、压力等，间接地判断燃气涡轮3的冷却状态。例如，在判断为燃气涡轮3冷却不足的情况下，将控制阀25向开放侧调整，从而增加向燃气涡轮3的冷却系统供给的中压蒸气的蒸气量。另一方面，在判断为燃气涡轮3过度地冷却的情况下，将控制阀25向闭锁侧调整，从而减少中压蒸气的蒸气量。
蒸气供给管20从高压锅筒11向中压锅筒12供给饱和蒸气。在判断为仅凭借基于从中压锅筒12供给的水在中压系统7中生成的中压蒸气相对于燃气涡轮3的冷却所需要的蒸气量而言不足的情况下，经由蒸气供给管20从高压锅筒11向中压锅筒12供给饱和蒸气。由此，能利用从高压锅筒11向中压锅筒12供给的蒸气来弥补向涡轮3的冷却系统供给的中压蒸气。
燃气涡轮3的冷却所使用的蒸气例如向高温再热蒸气管16供给而被再使用于蒸气涡轮4的驱动。
燃气涡轮3通过使燃料气体燃烧而驱动涡轮、并使与发电机连结的主轴与涡轮一起旋转，从而使发电机驱动而进行发电。在燃气涡轮3中燃烧后的燃料气体作为废气排出。燃气涡轮3由于燃料气体的燃烧而成为高温，因此，为了降低热量产生的影响，而利用冷却介质进行冷却。冷却介质例 如使用由废热回收锅炉2生成的蒸气。
蒸气涡轮4被供给由废热回收锅炉2生成的蒸气，对涡轮进行驱动。蒸气涡轮4的主轴与发电机连结，通过与涡轮一起旋转而使发电机驱动进行发电。需要说明的是，就发电机而言，可以将一台发电机与燃气涡轮3和蒸气涡轮4这两者连结，也可以在燃气涡轮3和蒸气涡轮4上分别连结不同的发电机。
在图1所示的例子中，蒸气涡轮4从废热回收锅炉2的再热系统5、高压系统6、低压系统8分别被供给再热蒸气、高压蒸气、低压蒸气，从而对涡轮进行驱动。
接下来，参照图2，说明本实施方式的燃气涡轮冷却系统。
在本实施方式中，设有将高压锅筒11(第一锅筒)与中压锅筒12(第二锅筒)连结的蒸气供给管20。如图2所示，蒸气供给管20包括控制阀21、流量计22、节流孔23、汽水分离装置24等。
蒸气供给管20的控制阀21按照中压蒸气管19的控制阀25的指令进行开闭动作。在燃气涡轮3的冷却中，在利用由中压系统7生成的蒸气不足的情况下，经由蒸气供给管20向中压锅筒12供给高压锅筒11内的饱和蒸气。从高压锅筒11向中压锅筒12供给的饱和蒸气的蒸气量基于在中压蒸气管19中流动的蒸气量来决定。
例如，在判断为仅凭借基于从中压锅筒12供给的水在中压系统7中生成的中压蒸气相对于燃气涡轮3的冷却所需要的蒸气量而言不足的情况下，将控制阀21向开放侧调整，从而使饱和蒸气的蒸气量增加。另一方面，在判断为对燃气涡轮3过度地冷却时，将控制阀21向闭锁侧调整，从而使饱和蒸气的蒸气量减少。
流量计22设于蒸气供给管20，用于测定在蒸气供给管20中流动的饱和蒸气的蒸气量。节流孔23设于蒸气供给管20中的控制阀21的后段。节流孔23能抑制控制阀21的压力的急剧的下降，能减少由在蒸气供给管20中流动的蒸气产生的向控制阀21的饱和水的冲撞。其结果是，能防止控制阀21的破损、腐蚀。需要说明的是，为了防止在利用节流孔23对饱和蒸气减压时产生的水引起的故障，也可以在节流孔23的后段设置干扰板。
汽水分离装置24设于蒸气供给管20的下游侧、且设置在中压锅筒12的上游侧或中压锅筒12内。汽水分离装置24从在蒸气供给管20中流动的饱和蒸气中将蒸气与液体分离。汽水分离装置24可以是使流体通过金属网或波纹板而使蒸气与液体分离的方式、利用离心力而使蒸气与液体分离的方式等任意方式。分离得到的蒸气直接向中压系统7供给，分离得到的液体暂时贮存在中压锅筒12内。
在未设置汽水分离装置24的情况下，经由蒸气供给管20供给的饱和蒸气的一部分在中压锅筒12中冷凝，其结果是，在最差的条件下，由于供给的饱和蒸气量而可能发生中压锅筒12的水位急剧上升的情况。另一方面，通过设置汽水分离装置24，使得中压锅筒12内的水位仅受由汽水分离装置24分离出的液体的影响。因此，能使中压锅筒12内的水位变动最小化。
另外，中压锅筒12内的水位通常由三要素(水位、供水量、产生蒸气量)来控制，但在本实施方式中，通过测定从高压锅筒11向中压锅筒12供给的饱和蒸气的蒸气量，能对高压锅筒11、中压锅筒12均与通常同样地进行锅筒水位控制。另外，如上述那样，通过将汽水分离装置24设于中压锅筒12的上游侧或中压锅筒12内，能使中压锅筒12内的水位变动最小化，因此，也能使向中压锅筒12的饱和蒸气的供给的有无引起的中压锅筒12的运转变动最小化。
以下，说明本实施方式的作用效果。
为了增加向面向燃气涡轮3的冷却系统供给的蒸气总量，与本实施方式不同的是，如图3的关联技术的设备10所示，考虑使用由高压系统6产生的高压蒸气。即，将从高压系统6到蒸气涡轮4的高压蒸气管17分支，而将高压蒸气向减温器31引导，对高压蒸气进行减温、减压。而且，被减温、减压后的高压蒸气经由蒸气管32及中压蒸气管19向燃气涡轮3的冷却系统供给。但是，根据该方法，虽然可以不使从中压系统7向燃气涡轮3的冷却系统供给的蒸气增加，但要特意对高温、高压的蒸气进行减温、减压，这样的减温工艺很有可能导致设备效率的降低。
另外，也考虑不从需要减温工艺的高压系统6而从高压锅筒11抽出低温的饱和蒸气作为燃气涡轮3的冷却水的情况。但是，从高压锅筒11 抽出饱和蒸气并进行减压后产生饱和水，该产生的水可能对后段的设备、配管造成损伤，难以采用。
另一方面，根据本实施方式，将高压锅筒11的饱和蒸气减压后向中压锅筒12供给，在中压锅筒12内进行汽水分离。而且，与以往方法相比未改变中压锅筒12自身的控制，使用中压蒸气作为燃气涡轮的冷却蒸气。此时，不采用抑制高压蒸气量且使中压蒸气量增加的设计，而能使对燃气涡轮3进行冷却的蒸气增加。因此，使中压蒸气量增加而不抑制对设备性能的贡献度较高的高压蒸气量，能形成较为经济的废热回收锅炉2。另外，能减少冷却用蒸气中所含有的水滴、雾状的水，因此，在暴露于高热负载下的尾筒冷却系统等中，能避免由热冲击等引起的故障。
需要说明的是，在本实施方式中，说明了将高压锅筒11与中压锅筒12连结而从高压锅筒11向中压锅筒12供给饱和蒸气、使用该蒸气来使由中压系统7生成的蒸气量增加的情况，但本发明不限定于此。例如，在从低压锅筒13向其他设备类供给蒸气的系统中也能应用本发明。在此情况下，通过将高压锅筒11与低压锅筒13连结或将中压锅筒12与低压锅筒13连结、从高压锅筒11或中压锅筒12向低压锅筒13供给饱和蒸气，从而使由低压系统8生成的蒸气量增加。
符号说明
1、10 设备
2 废热回收锅炉
3 燃气涡轮
4 蒸气涡轮
5 再热系统
6 高压系统(第一系统)
7 中压系统(第二系统)
8 低压系统
11 高压锅筒(第一锅筒)
12 中压锅筒(第二锅筒)
13 低压锅筒
14 废气供给路
15 低温再热蒸气管
16 高温再热蒸气管
17 高压蒸气管
18 低压蒸气管
19 中压蒸气管(第一流路)
20 蒸气供给管(第二流路)
21 控制阀(蒸气量调整机构)
22 流量计
23 节流孔
24 汽水分离装置
25 控制阀
31 减温器
32 蒸气管

Claims (3)

1.一种燃气涡轮冷却系统，其具备：
燃气涡轮；
废热回收锅炉，其具有与来自所述燃气涡轮的废热进行热交换而产生第一蒸气的第一系统、向所述第一系统供给水的第一锅筒、与来自所述燃气涡轮的废热进行热交换而产生比所述第一蒸气低压的第二蒸气的第二系统、向所述第二系统供给水的第二锅筒；
第一流路，其将所述第二系统与所述燃气涡轮的冷却系统连接，从所述第二系统向所述冷却系统供给所述第二蒸气；
第二流路，其将所述第一锅筒与所述第二锅筒连接，从所述第一锅筒向所述第二锅筒供给所述第一锅筒内的饱和蒸气，
在所述第二流路的下游、且在所述第二锅筒的上游或所述第二锅筒内设有汽水分离装置。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮冷却系统，其中，
所述燃气涡轮冷却系统还具备蒸气量调整机构，该蒸气量调整机构基于所述燃气涡轮的冷却状态来调整在所述第二流路中流动的所述饱和蒸气的蒸气量。
3.一种燃气涡轮冷却方法，是燃气涡轮冷却系统的燃气涡轮冷却方法，
所述燃气涡轮冷却系统具备：
燃气涡轮；
废热回收锅炉，其具有与来自所述燃气涡轮的废热进行热交换而产生第一蒸气的第一系统、向所述第一系统供给水的第一锅筒、与来自所述燃气涡轮的废热进行热交换而产生比所述第一蒸气低压的第二蒸气的第二系统、向所述第二系统供给水的第二锅筒；
第一流路，其将所述第二系统与所述燃气涡轮的冷却系统连接，从所述第二系统向所述冷却系统供给所述第二蒸气；
第二流路，其将所述第一锅筒与所述第二锅筒连接，从所述第一锅筒向所述第二锅筒供给所述第一锅筒内的饱和蒸气，
在所述第二流路的下游、且在所述第二锅筒的上游或所述第二锅筒内设有汽水分离装置，
所述燃气涡轮冷却方法具备：
从所述第二系统经由所述第一流路向所述燃气涡轮的所述冷却系统供给所述第二蒸气的步骤；
从所述第一锅筒经由所述第二流路向所述第二锅筒供给所述第一锅筒内的饱和蒸气的步骤。
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