CN105556068B - 具有废热蒸汽发生器的联合循环燃气涡轮发电厂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种联合循环燃气涡轮发电厂并涉及用于操作这种联合循环燃气涡轮发电厂的相应方法，其中，在联合循环燃气涡轮发电厂的负载操作期间，根据强制流动原理被供应到废热蒸汽发生器的水体流被调节成使得中压级的蒸发器加热面(6)被过度供应，从而在蒸发器加热表面(6)中加热但是未蒸发的限定量的过量的水经由水‑蒸汽分离器(11)被排放到用于对燃气涡轮的燃料进行预热的热交换线路。

Description

具有废热蒸汽发生器的联合循环燃气涡轮发电厂
技术领域
本发明涉及一种具有废热蒸汽发生器的联合循环发电厂，并涉及一种用于操作这种联合循环发电厂的相应方法。
背景技术
联合循环发电厂是结合燃气涡轮发电厂和蒸汽涡轮发电厂的原理的设备。在废热蒸汽发生器(waste heat steam generator)中，离开燃气涡轮的热烟道气被用于产生用于蒸汽涡轮的蒸汽。在那种情况下，热传递通过在废热蒸汽发生器中以管或管束的形式布置的多个加热面而发生。这些进而在包括至少一个压力级的蒸汽涡轮的水-蒸汽线路中被连接。在那种情况下，每个压力级通常具有作为加热面的预热器或节能器(economizer)、蒸发器和过热器。
当前，废热蒸汽发生器的构造严格受到经济方面的控制。特别地，当前，对由废热蒸汽发生器和废热蒸汽发生器中的多个加热面产生的蒸汽的压力和温度的过程参数的选择是至关重要的，并且取决于燃气涡轮出口温度和联合循环电力发电厂的操作的边界条件两者。在那种情况下，针对废热蒸汽发生器中的每一点处产生的蒸汽质量的一个测量是那一点处的烟道气和蒸汽之间的温差。由于对联合循环电力发电厂的经济可行性的不断增长的要求，类似于燃烧式蒸汽发生器，到目前为止已经越发努力致力于引入具有超临界工艺参数的废热蒸汽发生器。由于人们发现在两级范围之上的压力范围中的情况下，特别是具有相关联的桶(drum)的自然循环系统不能再用于混合物的分离，因为不存在具有不同密度的水相和蒸汽相的混合物。于是这里可以使用强制流原理(once-through principle)，也就是说，水-蒸汽线路中的高压泵以受控的方式将恰好量的水精确地输送到废热蒸汽发生器中(也称作给水)，以使得在后者的出口处，以与加热的预定的气体侧供应配合的方式，相应量的蒸汽(也叫一次蒸汽)与需要的超临界蒸汽参数一起出现。具有根据强制流原理操作的至少一个压力级的这种废热蒸汽发生器例如从WO99/01697A1中已知。
由于根据强制流原理操作的废热蒸汽发生器不需要要求较厚的壁以便足够结实来应对系统压力的大体积的桶，所以这种蒸汽发电机的特征在于短的启动时间。然而，在这种废热蒸汽发生器的构造的情况下的关键变量仍然是在联合循环发电厂的整个负载范围内的蒸发器加热面的稳定的强制流。
为了提高热效率，当前已知的联合循环发电厂通常具有燃料预热。这涉及从水-蒸汽线路中、在大约220℃-240℃的温度下、在废热蒸汽发生器的中压级的预热器的出口处受控地提取预热器中加热的给水的部分，该给水被供给到用于燃料预热的换热器线路。在那种情况下，中压级的适当的压力控制策略进一步确保在整个负载范围内的在该提取点处的在水-蒸汽线路中循环的介质的足够的温度。
当前，根据强制流原理设计的废热蒸汽发生器的较新的研究已示出：在预热器和蒸发器的管在一个通路中实现的情况下(也就是没有额外的压力均衡的情况下)，可以甚至在低压占主导的情况下，实现通过中压级的蒸发器的稳定的流动，并且在该组合的加热面的预热区域中产生足够高的压降。这可以通过在入口区域中设计具有小内径的该加热面的管来确保，在管中仅仅过冷水(subcooled water)在整个负载范围内流动，以实现针对通过中压蒸发器的稳定流动需要的节流压降。然而，为此，需要通过预热器的出口处的出口集电器和随后的蒸发器入口处的入口分电器进行分配。然而，这远离通常设置在该点处用于转移用于预热燃料的加热的水的分支线。在当前的联合循环发电厂中，从作为整体的发电厂的操作的观点来看，省略该燃料预热是不被期望的。为了将预热的给水部分地转移到燃料预热的换热器线路中，从中压级的预热器的出口到高压力级的预热器的出口重新设置分支线的结果将是换热器线路的组件将必须被配置和被确保为针对显著高的压力，其反过来将导致成本大幅增加。转换到低压级是不可能的，因为在低压级，无法提供燃料预热所需的热和温度的量。
发明内容
因此，本发明具有以下目标：识别针对具有在联合循环发电厂的燃料预热的废热蒸汽发生器的连接方案，以及用于操作适用于根据强制流原理配置的废热蒸汽发生器的这种联合循环发电厂的相应的方法。
该目标通过根据本发明各种实施例的联合循环发电厂和具有用于操作联合发电厂从而设计的方法而实现。
鉴于以下事实：在具有废热蒸汽发生器的联合循环发电厂中，其中，废热蒸汽发生器具有布置在燃气涡轮的排气管道中并且连接到彼此以形成三级压力系统的多个加热面，三级压力系统包括针对蒸汽涡轮的水-蒸汽线路的低压级、中压级和高压级，并且每个压力级具有在每个情况下用于预热的至少一个加热面、用于蒸发的至少一个加热面和用于过热的至少一个加热面，水-蒸汽分离器被布置在中压级的蒸发器加热面的出口和过热器加热面的入口之间并且其中过量的水可以从蒸汽中被分离，其中水-蒸汽分离器被设置有用于转移过量的水的分支线，并且该分支线被连接到对用于燃气涡轮的燃料进行预热的换热器线路，以使得水-蒸汽分离器中分离的限定量的过量的水的被引入换热器线路中，并且在联合循环发电厂的负载操作期间，被供给到废热蒸汽发生器的水体流被设置为使得中压级的蒸发器加热面被过度供应，从而在蒸发器加热面中被加热但是未蒸发的限定量的过量的水经由水-蒸汽分离器被转移到用于预热燃气涡轮的燃料的换热器线路；在这种线路中还可以在整个负载范围内实现中压级的蒸发器加热面的静态和动态稳定的强制流。
从作为整体的发电厂的操作的观点看并且考虑经济方面两者，根据本发明设计的这种联合循环发电厂从而可以有效地操作。因此，鉴于根据本发明的连接方案和根据本发明的方法，现在可以有效地使用根据强制流原理操作的废热蒸汽发生器的优势和燃料预热的优势。因此例如可以省略可能对于根据自然循环原理操作的蒸发器所必需的桶。燃料预热所需要的过度供应额外地确保蒸发器的进一步的稳定性，因为水体流密度在蒸发器中并且特别在节能器加热面中均增加，这产生流动稳定性所需要的压降。因此，可以扩大有利于增加整体发电厂灵活性的中压级的允许的负载范围，或者在给定相同的所需要的负载范围的情况下，可以减小中压级节能器加热面管的产生压降所需的内径，其导致在材料方面从而在成本方面的节约。此外，在这种操作的情况下，蒸发器加热面中的相邻的加热面管的温度不平衡以及由其导致的应力不会出于系统相关的原因而被进一步假定，这是因为所有的蒸发器管处于相同的沸点水平。
由于根据本发明的过度供应的中压级的蒸发器，水在下游水-蒸汽分离器中不断地积累。在水-蒸汽分离器中，过量的水从蒸汽中分离。蒸汽继续流动到中压级的过热器中，而被分离的、被加热的水现在被供给到燃料预热器中。在那种情况下，在联合循环发电厂的负载操作中，蒸发器通过对供给到废热蒸汽发生器的给水的水体流的相应控制而被过度供给，以使得分离的水足够燃料预热。因此，尤其根据燃料预热器所需要的热量而控制待被控制的分离器强制流。
在不需要燃料预热的情况下，例如在油操作的情况下，相比之下，通过供给水体流的相应的设置可能在例如10-15K的蒸发器出口处操作具有最小过热的中压级的蒸发器，以使得没有额外的水在水-蒸汽分离器中积累，如果必要的话，该水然后将必须作为废水排放。在水-蒸汽分离器的分支线中具有额外的集成的再循环泵的中压级的情况下，相比之下，在油操作中还可能使得在水-蒸汽分离器中分离的剩余水分通过过度供给的中压蒸发器而被适当地返回到冷凝预热器的入口，这将减少冷凝循环的再循环量，并且在这种情况下，视情况而定，可以使用较小的冷凝循环泵(在油操作中，系统需要最大的冷凝再循环)。因此在该背景下还可以设想实现进一步潜在的成本节约，或可以减少用于中压循环泵的额外的成本支出。
因此，通过根据本发明的方法，理论上可以对联合循环发电厂的不同操作状态做出灵活反应。
附图说明
现在将参照下面的附图以示例的方式解释本发明。在附图中：
图1示意性地示出了用于废热蒸汽发生器的已知结构，
图2示意性地示出了用于废热蒸汽发生器的发明性线路图。
具体实施方式
以直立构造示出的废热蒸汽发生器1被热烟道气RG从燃气涡轮流过。冷却的气RG在烟囱(未详细示出)的方向上离开废热蒸汽发生器1。在废热蒸汽发生器中，热气被用于产生用于蒸汽涡轮的蒸汽。在那种情况下，热传递通过在废热蒸汽发生器中以管或管束的形式布置的多个加热面而发生。这些加热面进而在蒸汽涡轮的包括至少一个压力级的水-蒸汽线路中被连接。这里示出的废热蒸汽发生器的加热面形成三级压力系统，包括高压级、中压级和低压级。在那种情况下，每一个压力级具有加热面，其作为预热器或节能器、蒸发器和过热器，其中来自联合循环发电厂的蒸汽涡轮(未详细示出)的水-蒸汽线路的给水在这些级中被加热和蒸发，并且该蒸汽可被供应至蒸汽涡轮。另外，这里示出的废热蒸汽发生器还具有冷凝预热器2。
因此，在中压级中，给水以受控的方式经由给水线SM供应到预热器4。在出口侧上，预热器4的管通向共同出口集电器12，集电器12连接到蒸发器6的入口分电器13，蒸发器6连接到预热器4的下游。在出口侧，蒸发器6的加热面管经由蒸汽线路通向水-蒸汽分离器11。蒸汽线路的连接被设置在水-蒸汽分离器11的蒸汽侧头部端，另一蒸汽线路连接到该蒸汽侧头部端。该蒸汽线路通向过热器8的加热面。在本示例中，还在过热器8的出口和主蒸汽线路DM之间设置中间过热器表面10。水-蒸汽分离器11在其水侧底部端处具有用于转移过量的水的分支线。废热蒸汽发生器1的中压级的加热面4、6、8、10从而经由给水线路SM和主蒸汽线路DM以未更详细示出的方式连接到蒸汽涡轮的水-蒸汽线路中。低压级和高压级的加热面以相应的方式连接。在低压级中，在给水作为低压蒸汽离开废热蒸汽发生器1并且被供给到低压主蒸汽线DN之前，给水从给水线路SN直接流动到蒸发器3并且然后流入过热器5中。在高压级中，来自给水线SH的给水流入预热器4中，从该处流入另外的节能器7中，从该处流入到蒸发器9中并且经由预热器10作为高压蒸汽返回到蒸汽涡轮的水-蒸汽线路的高压主蒸汽线路DH中。关于结构，在本实施例中，高压级的第一节能器加热面管和中压级的节能器加热面管被合并为共同的加热面4，并且高压级的过热器加热面管与中压级的中间过热器级的加热面管合并到共同加热面10。
现在，图2示出根据强制流原理的用于废热蒸汽发生器1的中压级的加热面的发明性连接方案的实施例。用于低压和高压级的加热面的连接方案保持不变。对于中压级，分开的在中压节能器加热面4的出口处的出口集电器和在中压力蒸发器加热面6的入口集电器被省略。在这些情况下，中压力蒸发器加热面4的管在没有物理分离的情况下直接过渡到中压力蒸发器加热面6的那些管。连接中压力节能器和中压力蒸发器的这种方式具有用于保证蒸发器的静态和动态流动稳定性两者的实质优势，因为对于产生蒸发器稳定性所需要的过冷的入口介质的压降可以通过已在中压节能器加热面4中的合适的措施产生而没有显著缺点。考虑这种
类型的连接方案，从而在中压级的情况下，用于将加热的水转移到用于对燃气涡轮的燃料进行预热的换热器线路的分支线没有设置在如图1中示出的12和13之间，而是设置在水-蒸汽分离器11处。根据本发明，因此可以在联合循环发电厂的负载操作期间使得被供给到废热蒸汽发生器的水体流被设置为使得中压级的蒸发器加热面6被过度供给，从而在蒸发器加热面6中被加热但是未蒸发的限定量的过量的水经由水-蒸汽分离器11和分支线被转移到用于对燃气涡轮的燃料进行预热的换热器线路。在本示例性实施例中，在分支线15中设置了再循环泵14，以防燃料预热的换热器线路中的压力比率需要该再循环泵14的情况。鉴于如下事实，即在这些情况下，可以在节能器加热面和蒸发器加热面之间使用具有没有物理分离(例如通过额外的集电器或分电器)并且从而包含节能器的蒸发器连接的中压级，流动介质在整个负载范围内在加热面入口处总是足够的过冷。在这些情况下，节能器旁路连接还可以被省略，这表明了进一步的潜在成本节约。

Claims (5)

1.一种联合循环发电厂，所述联合循环发电厂包括废热蒸汽发生器(1)，所述废热蒸汽发生器(1)具有多个加热面(2-10)，所述多个加热面布置在燃气涡轮的排气管道中并且连接到彼此以形成三级压力系统，所述废热蒸汽发生器包括针对蒸汽涡轮的水-蒸汽线路的低压级、中压级和高压级，
其中，所述级中的每一个分别包括用于预热、用于蒸发和用于过热的至少一个加热面，
其中所述中压级被配置为根据强制流原理操作，其中中压蒸发器在单次通过中产生蒸汽而无需蒸汽桶，
其中，水-蒸汽分离器(11)被布置在所述中压蒸发器的蒸发器加热面(6)的出口与所述中压级的过热器的过热器加热面(8)的入口之间并且在所述水-蒸汽分离器(11)中过量的水能够被从蒸汽中分离，所述水-蒸汽分离器(11)被设置有用于转移过量的水的分支线(15)，其特征在于，
所述分支线(15)被连接到用于对所述燃气涡轮的燃料进行预热的换热器线路，以使得在所述水-蒸汽分离器(11)中分离的限定量的过量的水被引入到所述换热器线路中。
2.根据权利要求1所述的联合循环发电厂，其特征在于，所述分支线(15)包括再循环泵(14)。
3.根据权利要求1所述的联合循环发电厂，其中中间压力节能器的管在没有物理分离的情况下直接过渡到所述中压蒸发器的管中。
4.一种用于操作根据权利要求1或2所述的联合循环发电厂的方法，包括：
在所述联合循环发电厂的负载操作期间，将水体流供给到所述废热蒸汽发生器，使得所述中压级的蒸发器加热面(6)被过度供给，从而在所述蒸发器加热面(6)中被加热但是未蒸发的限定量的过量的水经由水-蒸汽分离器(11)被转移至用于对所述燃气涡轮的所述燃料进行预热的所述换热器线路。
5.根据权利要求4所述的方法，其中给水流速被控制以控制所述水体流，并且控制所述给水流速来确保所述限定量的过量的水足够对所述燃料进行预热。
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