CN105339603A - 用于调控水到蒸汽和燃气轮机设施的烟气通道中的喷入的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于调控水到蒸汽和燃气轮机设施的烟气通道中的喷入的设备和方法。本发明涉及一种用于运行蒸汽和燃气轮机设施(1)的方法，其中将包含在燃气轮机的减压的烟气中的热量用来产生用于蒸汽轮机的蒸汽，在出现临界的运行状态时，通过将水(W)引入到燃气轮机和流动方面连接在下游的废热蒸汽发生器之间的烟气通道中的减压的烟气(RG)中来降低减压的烟气(RG)的温度(T)，其中根据烟气温度确定待引入的水(W)的量。根据本发明，在将水引入烟气(RG)中之前测量烟气温度，从烟气温度中确定燃气轮机的燃烧室的平均的燃烧温度，并且根据燃烧温度设置待引入的水的量。

Description

用于调控水到蒸汽和燃气轮机设施的烟气通道中的喷入的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种借助于将水喷入到蒸汽和燃气轮机设施(GUD)的烟气通道中以调控废气和蒸汽温度的方法，其中包含在燃气轮机的减压的烟气(废气)中的热量用来产生用于蒸汽轮机的蒸汽。此外，本发明针对该方法运行的蒸汽和燃气轮机设施。

背景技术

在蒸汽和燃气轮机设施中，包含在燃气轮机的减压的烟气中的热量用来产生用于蒸汽轮机的蒸汽。在连接在燃气轮机下游的废热蒸汽发生器(AHDE)中进行热传递，在所述废热蒸汽发生器中呈加热管或管形式的加热面设置成管束并且接入到蒸汽轮机的水-蒸汽循环中。

废热蒸汽发生器和蒸汽轮机形成蒸汽和燃气轮机设施的蒸汽部件。燃气轮机通常设计成，使得其废气参数(温度、质量流、过压)在宽的运行范围中匹配于连接在下游的系统的入口参数。

而在这种设施运行时，在不同的运行状态下引入到蒸汽发生器中的热功率是不同的。在此，由于设施部件不同的动态特性通常出现临界的运行状态。这些运行状态由于蒸汽轮机设施相对于燃气轮机设施的不同的灵敏度以及相对大的延迟或反应时间而产生。因此例如在起动或负载变动运行时，尤其在所谓的快速启动或急速负载变化的情况下出现大的温度梯度和/或温度的时间变化以及减压的烟气的质量流的显著的变化。因此，燃气轮机设施通常在起动和负载变动运行时在温度和功率方面受限。

用于燃气轮机的热气温度的调控装置和温度测量装置在EP1462633中描述。EP1442203B1描述了一种用于控制燃气轮机组的冷却空气质量流的方法。然而，在这些文献中没有克服在快速启动或急剧的负载变化时出现大的温度梯度的问题。

为了抵消该问题，能够通过在燃气轮机和废热蒸汽发生器之间接入的旁通排气管将燃气轮机和蒸汽部件脱耦。因此，在对于蒸汽发生器而言表示临界状态的运行情况中，减压的烟气经由蒸汽发生器上游的旁通排气管导出。对于蒸汽和燃气轮机设施而言，这表示功率下降以及效率减小。

如果不存在旁通排气管，那么燃气轮机和废热蒸汽发生器不能够彼此脱耦。尤其当所述设施在环境温度高的情况下主要在部分负荷范围中运行时，在没有旁通排气管的蒸汽和燃气轮机设施中出现临界的运行状态。因为不存在旁通排气管，所以迫使蒸汽发生器一起运行。为了将蒸汽发生器中的温度保持在蒸汽管路、蒸汽轮机和/或旁路站所允许的设计界限之下，必须冷却在蒸汽发生器中产生的蒸汽。因此，发电厂设施的调度技术必须在蒸汽发生器中蒸汽产生不可避免地降低时确保避免换热管和收集器的材料温度由于加热面处的不允许高的温度所引起的不允许的提高。这要求人为地降低燃气轮机的烟气温度。这种运行方式与整个设施的效率损失关联，因为存在于烟气中的热量下降进而部分地保持不被使用。

该强制运行通过燃气轮机和蒸汽部件的强烈的耦联和相关性通常对所述设施的灵活性有负面的影响，因为蒸汽部件仅以明显的延迟且极其复杂地对通过燃气轮机提供的废热做出反应。

为了应对该问题，在欧洲专利文献EP0579061A1中描述了一种用于运行蒸汽和燃气轮机设施的设备和方法，所述方法在全部运行状态下、即也在起动或负载变换运行时的临界状态下，实现尽可能平和的运行同时实现高的总效率。为此，公开如下方法，其中在达到蒸汽和燃气轮机设施的临界的运行状态的情况下通过将水引入到减压的烟气中降低减压的烟气的温度。在此，水通过喷入设备喷入到烟气通道中。待引入的水量根据烟气温度来设定。为此，在烟气通道中设有执行元件、控制元件两个温度传感器。温度传感器在烟气通道中设置在喷入设备下游。因此，温度传感器检测烟气的温度，所述烟气已经通过喷入的水降温冷却。控制元件将所测量的实际温度与预设的理论温度比较并且在理论温度和实际温度之间存在偏差时调控待引入的水量。

现有技术的缺点主要是：由于在测量部位上游喷入水而使得测量结果歪曲，这在燃气轮机的静态的运行方式中，但是尤其即使在非静态的运行方式中也引起有误差地确定燃气轮机中的燃烧温度，进而在其调控中实行强烈负面的干预。其造成强烈歪曲的测量值，因为由于所喷入的水引起温度分布中的强烈的波动。

发明内容

本发明的目的是：提出一种方法和一种设备，经由其不仅能够相对于现有技术提高没有旁通排气管的蒸汽和燃气轮机设施的无干扰的运行还能够提高灵活性，使得在蒸汽和燃气轮机设施平和运行的同时提供改进的设施可用性。

针对方法的目的通过一种用于运行蒸汽和燃气轮机设施的方法实现，其中通过如下方式将包含在燃气轮机的减压的烟气中的热量用来产生用于蒸汽轮机的蒸汽：在出现临界的运行状态时，通过将水引入到燃气轮机和在流动方面连接在下游的废热蒸汽发生器之间的烟气通道中的减压的烟气中来降低减压的烟气的温度。在此，根据本发明，在将水引入到烟气中之前测量烟气的至少一个第一烟气温度，并且从这个被测量的烟气温度中确定燃气轮机的平均燃烧温度，并且根据调控函数调节设置待喷入的水量，所述调控函数以平均燃烧温度为基础。

本发明利用现有技术中的知识并且通过将水喷入到燃气轮机和蒸汽发生器之间的烟气通道中实现烟气温度的降低。然而与现有技术不同，待引入的水量不仅根据在水喷嘴下游测量的烟气温度来确定，而且根据出自燃气轮机的平均燃烧温度的复杂的调控函数来确定。

将喷入到燃气轮机的烟气通道中的水质量流用作为用于调控的控制变量。借助该控制变量能够极其快速地且有效地调节调控变量。在将该控制变量结合到模块控制级中时，将燃气轮机和蒸汽轮机在宽的范围中(可能几乎在整个运行范围中)热脱耦。这引起：不再提供并且取消当前存在的调控和运行限制以及不危害所述设施的可用性。

通过燃气温度的此时显著更加精确的、与水喷入不相关的测量进而通过平均的燃烧温度的极其精确的可确定性以及用于废气的注射水系统在调节方面结合到蒸汽温度控制装置的调控回路中，解决一系列通过至今为止的方法没有被解决的问题：

因此，在现有的设施中通过本发明消除如下问题：当通过装入升级装置改变燃气轮机的参数时，蒸汽部件通常不再在最佳的运行范围中工作或者甚至不再能够确保水-蒸汽循环的各个组成部分的可靠且温度的运行。

通过本发明也能够降低发射排放。因此，至今为止在具有深度部分负荷的运行类型中必须将燃气轮机的废气温度降低至使得不超过蒸汽发生器的负荷界限。这在燃气轮机中引起提高的CO排放。为了使燃气轮机的CO排放不过高并且不超过所述设施的相应的限制，尽管存在燃气轮机能够运行到更深度的负荷中的潜在性，但是在达到CO限制时提升燃气轮机的最小功率。该状态对于设施的灵活性具有极其负面的影响。

根据作为平均的燃烧温度的函数的极其精确确定的调控变量，通过根据本发明以调控的方式干预水喷入，在深度部分负荷的情况下不必降低燃气轮机的废气温度，以便保护蒸汽发生器。如果废气温度保持恒定，或者如果该废气温度能够被提高，那么CO发射也保持在预设的限制之内。该运行方式的优点不仅是降低CO发射，而且也是如下可行性：将所述设施稳定地在极其深度的部分负荷下且最佳地以相对高的效率运行进而能够可靠且灵活地进行反应并且显著节约燃料。

在所述设施的起动过程中(尤其在冷启动时)，燃气轮机必须缓慢地加热蒸汽发生器并且等待水蒸汽循环的可用性。为此，燃气轮机相对长地运行到部分负荷(大约1小时或更长)上。在该时间期间中，燃气轮机不仅在功率极其小的情况下产生相对高的发射，而且其功率、效率和灵活性也强烈地受损。此外，需要相对更多的燃料，所述燃料不能够极其有益地转换成电功率。

如果在根据本发明的启动过程中以调控的方式引入水，那么尽管蒸汽发生器和水-蒸汽循环尚未预热进而还不能够运行，但是由此能够将锅炉入口温度设置为，使得燃气轮机能够运行到全负荷上。因此，经由水喷入以根据本发明的方式调控蒸汽发生器的入口温度能够用于：缓慢地(即根据运行预定参数)预热蒸汽发生器并且能够逐渐地吸收功率。通过根据本发明的调控实现的优点不仅在于在燃气轮机完全起动时显著的时间节约，而且也在于显著的燃料节约以及显著地节省发射、尤其CO发射。当燃气轮机应短暂地运行时，可以提供所述调控的另外的应用，以便例如覆盖峰值负荷。在这种情况下，可以将蒸汽部件简单地与燃气轮机脱耦。因此，通过根据本发明的调控显著扩展所述设施的整体灵活性。

在环境温度高的情况下，在全负荷还有在部分负荷下，迄今为止通常达到或超过蒸汽发生器的限制。为了在环境温度高的情况下确保设施的运行，迄今为止在极端情况下必须降低燃气轮机的废气温度，这引起功率和效率损失。根据本发明，此时通过在环境温度高的情况下精确调控水喷入，燃气轮机废气温度以及其他的参数(例如蒸汽温度)能够与锅炉和蒸汽轮机限制相匹配。因此，燃气轮机还能够在其最佳运行中运行并且不引起功率和效率的降低。

在将升级装置装入到燃气轮机中的情况下关于提高的燃气轮机火焰温度，至今为止通常达到并且在宽的范围中超过蒸汽发生器的限制。根据本发明来调控的水喷入的组合实现升级装置的装入并且实现燃气轮机中关于提高的火焰温度的进一步改进，因为现在蒸汽发生器的限制不再是限制。

燃气轮机和蒸汽发生器的调控至今为止彼此极其强烈地相关并且在没有旁通排气管的情况下不能够分开地执行。通过根据本发明精确地调控水喷入并且将该调控集成到模块线路中，燃气轮机和蒸汽部件在极其宽的运行范围中彼此脱耦。由此能够更优化且灵活地运行整个设施。燃气轮机和蒸汽轮机的相应的优点能够几乎完全被利用。

烟气通道中的温度传感器是如下测量部位，所述测量部位对于确定燃气轮机中的燃烧温度总归是需要的。第一测量部位用于测量燃气通道的入口处的烟气温度。该第一测量部位位于燃气轮机的出口下游。刚好在燃气轮机非静态运行时，由于烟气流动中的波动引起第一测量部位的大的测量不确定性。因此，通过第二测量部位附加地测量烟气通道的端部处的温度，在那里燃气的流动中的波动变得较小。在非静态的状态下，通过第二测量值修正第一测量值。

优选地，在温度测量部位下游进行根据本发明的水喷入。但是当允许燃气轮机调控时，也能够有利的是：在第一和第二温度测量部位之间进行水的喷入。这具有下述优点：燃料轮机扩散器同样被冷却，所述燃气轮机扩散器的最大设计温度通常在600℃和630℃之间。因此不需要附加的在调节方面复杂的校正。

喷嘴应装入到烟气通道中，使得其从废气扩散器的环周向废气扩散器的中央进行喷入。将去离子水等供给给喷嘴，其方式是：喷嘴要么直接地连接到蒸汽部件的水系统(水蒸汽循环，例如凝结物)上。将水喷嘴安置在烟气通道中，使得进入第一加热面中的废气区关于温度和速度保持尽可能均匀。

在一个特别的改进方案中，为了进一步提高燃气和蒸汽轮机设施的可用性和灵活性，除了在调控方面将水注射装置结合到燃起轮机废气中，还将水注射装置引入到水-蒸汽循环的、尤其蒸汽发生器的引导蒸汽的蒸汽管中。

进入蒸汽发生器的引导蒸汽的蒸汽管中的水注射装置作为用于调控蒸汽温度的单一措施是已经是已知的。然而在与根据本发明的调控共同作用时，由此能够相对于蒸汽温度调控的已知的方法显著地提高蒸汽和燃气发电厂设施的可用性和灵活性。此外，提高GuD(主要是燃气轮机)的各个组成部分的改进可行性。进入水-蒸汽循环中的水注射装置通过根据本发明的调控减负，优化并且在全部注射装置共同作用时(废气中的水喷入和水-蒸汽循环中的水注射)更好地与所述设施的运行方式相配合。由此，操作者获得更多的调控可行性，以便即使在复杂的物理过程(例如起动、负载变化)的情况下也借助于现有的调度技术快速且有效地运行水-蒸汽循环中的所期望的参数。根据本发明调控进入燃气轮机废气中的水注射和进入水-蒸汽循环的引导蒸汽的蒸汽管中的水注射彼此联接并且结合到总设施的调度技术中。

为了在该扩展中确定待引入到烟气通道中的水量，除了燃气轮机的平均的燃烧温度之外，附加地在调控函数中一起考虑进入水-蒸汽循环中的相应的水注射冷却器上游和下游的蒸汽温度和至部分蒸汽轮机的新鲜蒸汽温度。此外，也能够在调节函数中一起考虑对燃气或蒸汽轮机的负荷瞬态的其它要求、对所述循环的不同的组成部分的起动要求或对模块的频率调控的专门的要求以及操作者的干预。在此，此外确保计算燃气轮机中的燃烧温度的精确性和不相关性。

基本上，本发明相对于现有技术所描述的改进方案提供如下优点：在进入蒸汽发生器管中的水喷入和水-蒸汽循环中的注射冷却装置之间存在调控方面的连接。在没有这两个系统的这种连接的情况下，设施运行是高度复杂的，极其易受干扰影响的并且极其可能无法没有干扰。这主要基于：具有每个系统对于温度调控具有受限制的使用领域，所述使用领域在单独受控时快速地达到界限。仅这两个系统的彼此组合和彼此配合实现总设施的应用领域和在调控方面的能力显著的扩展。系统的连接显著地放松各个界限，或者将其设置得高，使得通过设施运行完全不再达到所述界限。该范围中的干扰情况和损害显著被最小化并且所述设施的动力显著地提高。

本发明的针对设备的目的通过如下蒸汽和燃气轮机设施来实现，所述蒸汽和燃气轮机设施具有蒸汽发生器和喷嘴，所述蒸汽发生器经由烟气通道连接在燃气轮机下游用于在蒸汽轮机的水-蒸汽循环中产生蒸汽，所述喷嘴用于将水引入到烟气通道中，其中在烟气的流动方向上设置在用于确定燃烧温度的至少一个第一温度测量部位的下游。

根据本发明的设备的优点类似地从根据本发明的方法中得出。

附图说明

下面，根据附图详细阐述本发明。

图1示出蒸汽和燃气轮机设施1和改进方案，所述蒸汽和燃气轮机具有进入烟气通道中的根据本发明来调控的水喷入和进入水-蒸汽循环中的水注射，所述改进方案具有进入蒸汽发生器的管中的水注射。

具体实施方式

示出烟气通道6，所述烟气通道从左向右可由烟气穿流。在此未示出在流动方面连接在烟气通道6上游的燃气轮机。

燃气通道6包括蒸汽发生发生器20，所述蒸汽发生器具有多个压力级21、22、23，所述压力级又分别具有多个加热面7。在烟气通道6中沿着流动方向设置有第一温度传感器2、喷嘴装置24和第二温度传感器3，使得第一温度传感器定位在喷嘴装置24上游，并且第二温度传感器定位在喷嘴装置下游。

根据本发明，通过喷嘴装置24进入烟气通道6中的水喷射首先通过调控函数控制，所述调控函数作为控制算法存储在控制柜4中。为了执行调控信号设有多个呈阀形式的调控元件5。喷嘴装置24包括多个喷嘴，所述喷嘴分别借助自身相应的调控元件5调控。

调节算法根据外部参数16还有内部信号的确定的分析来确定。

内部信号包括：第一温度传感器2和第二温度传感器3的温度，以及出自压力级21、22、23(尤其高压级、中间过热器和最终和中间注射冷却器)的调控输出的信号。

通过在控制中应用温度信号2和3并且在烟气通道6中将水喷入设置在温度测量部位2下游，使得燃气轮机调控不受影响。

图1还示出本发明的实施方式的特征，所述实施方式具有进入蒸汽发生器的管中的附加的水注射装置。水注射进入到压力级21的蒸汽管中。水注射装置设置在高压部件8上游，水注射装置设置在高压部件12下游，水注射装置设置在中间过热器15上游并且水注射装置设置在中间过热器17下游。

水注射设备8、12、15和17中的每个经由相应的执行元件控制，其中每个执行元件都具有与之相应的调控元件。调控元件分别获得受控制柜4影响的信号。为此，全部调控元件都与控制柜4连接。

用于控制相应的执行元件的调控元件中的每个还分别具有在相应的注射部位上游的温度传感器和在相应的注射部位下游的温度传感器。

因此，高压部件8上游的水注射装置例如在水注射装置8上游具有温度传感器9并且在水注射装置8下游具有温度传感器10。高压部件12下游的水注射装置在水注射装置12上游具有温度传感器13并且在水注射装置12下游具有温度传感器14。

烟气通道6中的水喷嘴的数量、设计和设置以及最大的和最小的注射水量、温度和压强被选择为，使得第一压力级21的第一加热面上的烟气高在温度、速度和浓度方面尽可能均匀。

Claims (5)

1.一种用于运行蒸汽和燃气轮机设施(1)的方法，其中将包含在燃气轮机的减压的烟气中的热量用来产生用于蒸汽轮机的蒸汽，其中为了避免临界的运行状态，通过将水引入到减压的所述烟气中来降低减压的所述烟气的温度，其中减压的所述烟气位于所述燃气轮机和在流动方面连接在下游的废热蒸汽发生器(20)之间的烟气通道(6)中，其中根据所述烟气温度确定待引入的水的量，

其特征在于，在流动方面，在将水引入到所述烟气中之前测量至少一个第一烟气温度，从所述烟气温度中确定所述燃气轮机的燃烧室的平均的燃烧温度，并且根据平均的所述燃烧温度设置待引入的水的量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中根据如下函数设置所述燃烧温度，所述函数从所述烟气通道中的平均的烟气温度、从所述废热蒸汽发生器(20)的不同的压力级中的蒸汽的一个或多个温度、从所述蒸汽和燃气轮机设施(1)的旋转机器的负载瞬态中以及从所述蒸汽轮机的调节方面的要求中得出。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中为了进一步提高所述蒸汽和燃气轮机设施(1)的可用性和灵活性，除了将水引入到所述烟气通道(6)中之外，还将水引入到水-蒸气循环的引导蒸汽的蒸汽管中。

4.一种用于执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法的蒸汽和燃气轮机设施(1)，所述蒸汽和燃气轮机设施具有蒸汽发生器(20)和喷嘴装置(24)，所述蒸汽发生器经由烟气通道(6)连接在燃气轮机下游用于在蒸汽轮机的水-蒸汽循环中产生蒸汽，所述喷嘴装置用于将水引入到所述烟气通道(6)中，

其特征在于，所述喷嘴装置(24)在所述烟气的流动方向上设置在用于确定燃烧温度的温度测量部位(2)和用于所述烟气通道(6)的保护装置的下游。

5.根据权利要求4所述的蒸汽和燃气轮机设施(1)，其特征在于，所述喷嘴装置(24)构成用于在全部运行状态下完全地蒸发能喷入的水并且避免沉淀。