CN1061643A - 蒸汽轮机和燃气轮机联合循环的再热蒸汽循环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合循环动力系统，其中来自 蒸汽涡轮的冷凝物在至少一个回热蒸汽发生器中，被 来自至少一个燃气涡轮的排气加热，其中至少一个回 热蒸汽发生器包括至少一个过热器和至少一个再热 器。在一个最佳实施例中，过热器的高温区被配置在 回热蒸汽发生器内，以便为自至少一个燃气涡轮进入 回热蒸汽发生器的排气提供基本的热交换表面，从而 降低再热器进口处的排气温度。

Description

本发明涉及到联合循环的热能和动力系统，尤其涉及到发电用的联合燃气涡轮、蒸汽发生器、回热蒸汽发生器、发电机以及辅助控制装置的系统。

本发明受让人目前现有的联合循环系统，包括单轴和多轴的结构。单轴结构由一个燃气涡轮，一个蒸汽涡轮，一个发电机和一个回热蒸汽发生器（HRSG）组成。燃气涡轮和蒸汽涡轮以单轴串联结构连接到单个发电机上。另一方面，多轴系统具有一个或多个燃气涡轮-发电机和回热蒸汽发生器，该蒸汽发生器通过公用的蒸汽集汽管道向单个蒸汽涡轮-发电机供给蒸汽。在每一种情况下，在一个或多个未燃的回热蒸汽发生器中产生蒸汽，以便输送到冷凝式蒸汽涡轮。

采用再热的再热蒸汽循环的通常做法一般是，使一个蒸汽涡轮与一个回热蒸汽发生器构成蒸汽系统。在单个燃气涡轮/蒸汽涡轮/回热蒸汽发生器系统中，来自冷凝器的冷凝液被直接输送到回热蒸汽发生器中，在那里由燃气涡轮的排气加热生成蒸汽，然后返回到蒸汽涡轮。

按照传统的习惯，流入蒸汽涡轮节流阀门的蒸汽温度即主蒸汽的温度，和再热蒸汽的温度是根据在锅炉过热器，蒸汽管道，阀门和蒸汽涡轮中所使用的材料能允许的最高温度所决定的。典型的温度范围为1000F°（538℃）到1050F°（566℃）。按照常规也设置一个回热蒸汽发生器再热器的高温区域，在这个区域中，即接近回热蒸汽发生器的燃气涡轮排气进口处燃气涡轮排气温度是最高的。虽然这种方案在单个的燃气涡轮/蒸汽涡轮/回热蒸汽发生器系统中是满意的，然而在复合燃气涡轮/回热蒸汽发生器、单个蒸汽涡轮系统中，则会产生问题，该系统在其他情况下是比较好的。

在相对于单个蒸汽涡轮复合回热蒸汽发生器的再热联合循环系统中，来自每个回热蒸汽发生器中的过热器的蒸汽混合在一起，然后流向蒸汽涡轮的高压区。蒸汽流过高压涡轮，在那里蒸汽被排出，以省略再加热。从高压涡轮中排出的蒸汽，必须均匀地分配到复合回热蒸汽发生器的每一个再热器，因为减少某一再热器中的流量，将导致该再热器工作温度较高，如果温度超过它的工作极限，由于再热器管道材料的热破坏而使再热器可能被破坏。因为以最低流量流经再热器的蒸汽增加温度将使蒸汽的比容和流速增加，因而这个过程本来不稳定，它进一步使压力降增大，这将进一步减少蒸汽流量，从而使再热器管壁温度更进一步升高。因此，要求控制系统包括有主蒸汽流量测量装置，冷的再热蒸汽流量控制阀门和主控制系统，以匹配主蒸汽流量和每个回热蒸汽发生器的再热蒸汽流量。

如上所述，对于一个成功的联合循环系统需要解决的第二个问题是，防止在系统起动期间，再热器过热。再热器的高温区暴露在最高排气温度中的系统需要一些装置，以便在回热蒸汽发生器起动时，在蒸汽进入到蒸汽涡轮之前，即当没有蒸汽流从蒸汽涡轮高压区流向再热器时，用于冷却再热器的一些装置。再热器可以采用传统蒸汽涡轮的方法进行冷却，即通过暂时（起动期间）将回热蒸汽发生器过热器的蒸汽与再热器连通，而后通入冷凝器。串连安装有再热器和过热器的起动旁路系统，增加了系统的复杂性和成本。

如以前所指出的，目前的一种做法是采用单个蒸汽涡轮和单个回热蒸汽发生器。这种方案排除了主蒸汽流量与再热流量不匹配的可能，并且也能够使回热蒸汽透平方便地起动。另外，它的缺点是，每个联合循环中的每一个燃气涡轮需要一个蒸汽涡轮，这又增加了装置的成本。

因此对于联合循环，需要将复合燃气涡轮和回热蒸汽发生器及单个蒸汽涡轮构成蒸汽循环。因此，本发明的主要目的在于提供一种蒸汽循环方案，它允许主蒸汽流量与再热蒸汽流量不匹配，也就是说所出现的任何不匹配在再热器中不会引起极高的温度。另外，本发明试图在复合燃气涡轮/回热蒸汽发生器系统中，在回热蒸汽发生器起动期间，免除了自过热器经再热器旁通主蒸汽的现有的需要。

根据本发明的一个实施例，过热器的高温区和再热器的非高温区（如在现有设计中那样），是暴露在最高燃气涡轮排气温度中的回热蒸汽发生器的组成部分。过热器的传热功能足够用于减小再热器进口处的燃气涡轮排气温度，以致使再热器在高于它的规定温度下运行的可能性减小，因而破坏的可能性减小。同时，这种蒸汽循环方案允许起动回热蒸汽发生器而无需经过再热器转送到过热器蒸汽。在本发明的简化系统中，使来自复合回热蒸汽发生器的过热器蒸汽，围绕蒸汽涡轮流转送到冷凝器，而温度调节水则输送到再热器。由于过热器后面，即沿燃气涡轮排气方向下游的再热器的高温区重新配置，足以防止在起动期间再热器过热。

因此按照本发明的一个观点，提供了一个联合循环动力系统，其中来自蒸汽涡轮的冷凝物在至少一个回热蒸汽发生器中被来自至少一个燃气涡轮的排气加热，其中至少一个回热蒸汽发生器包括至少一个过热器和至少一个再热器。这种改进包括回热蒸汽发生器中配置至少一个过热器高温区，以便为自至少一个燃气涡轮流入回热蒸汽发生器的排气的提供基本的换热表面。

按照本发明的另外一观点，提供了蒸汽涡轮和燃气涡轮联合循环系统的再热蒸汽循环结构，它包括：与负载相连的蒸汽涡轮;用于回收平自蒸汽涡轮排汽并将其排汽冷凝成水的冷凝器;至少一个用于从冷凝器中回收水，并将水转换成返回蒸汽涡轮的蒸汽的回热蒸汽发生器;至少一个以排气形式向回热蒸汽发生器提供热量的燃气涡轮;其中至少一个口热蒸汽发生器包括：一个用于从蒸汽涡轮接收冷的再热蒸汽的再热器和一个用于从回热蒸汽发生器的高压蒸发器中接收高压蒸汽的过热器，其中冷的再热蒸汽和高压蒸汽，与燃气涡轮的排气流动方向相反，过热器的高温区被配置在那果燃气涡轮排气温度最高的回热蒸汽发生器的内部。

按照本发明的再一个观点，提供了一种从若干回热蒸汽发生器向单个蒸汽涡轮供给蒸汽的方法，每一个回热蒸汽发生器包括若干蒸发器，一个再热器和一个过热器，其中至少再热器和过热器跟燃气涡轮的热排气配置成热交换关系，该方法包括以下步骤：

a.在接近把接近燃气涡轮排气进口的过热器高温区配置于所述回热蒸汽发生器;

b.接近所述过热器的再热器高温区域沿燃气涡轮排气方向配置在过热器高温区下游;

c.使来自蒸汽涡轮的冷凝物和蒸汽沿与燃气涡轮排气流动方向相反的方向流动，这样当燃气排气通过再热器时，它的温度降低，因而减小了再热器过热的可能性。

本发明的其他目的和优点由于下面的详细说明而变得明显。

图1  为用于已知的蒸汽和燃气涡轮联合循环系统中的传统的蒸汽循环图;

图2  为用于回热蒸汽发生器起动的已知旁路结构图;

图3  为按照本发明的一个示范实施例，采用复合燃气涡轮和带有单个蒸汽涡轮的回热蒸汽发生器的联合循环系统的蒸汽循环图;

图4  为按照本发明用于回热蒸汽发生器起动的简化旁路方案图。

图1  中给出了一种典型用于发电和工业联合发电用的传统的联合循环蒸汽系统。

该系统包括单个与负载如发电机4相连的燃气涡轮2，和单个与负载例如发电机8相连的蒸汽涡轮6。虽然，图1所示的系统为多轴结构，然而可以理解可以采用单轴结构。类似的系统。另外，图1中所示的蒸汽循环方案类似于应用于传统的复合燃气涡轮/回热蒸汽发生器和单个蒸汽涡轮系统中的那些方案。

来自涡轮2的热排气流向单个（最好未燃的）回热蒸汽发生器10，该发生器10向蒸汽涡轮6提供蒸汽。图中所给出的回热蒸汽发生器10是一种三压力再热，回热供水蒸汽循环，该循环一般包括一高压（HP）蒸发器12，一中压（IP）蒸发器14和低压（LP）蒸发器16，它们将来自蒸汽涡轮6的冷凝物变换成蒸汽，然后再将其引入到同一蒸汽涡轮中。本系统可以自商标为STAG的产品线上，从本发明的受让人那里得到。

更准确地说，燃气涡轮2包括一个涡轮18，一个压气机20，和一个经管路26供以燃料的燃烧室22。空气经管道26进入到压气机20。燃气涡轮2的排气流经管道28，并经管道30流到回热蒸汽发生器10。在蒸汽涡轮6起动前，燃气涡轮2的排气直接流到相对于图3下面更加详细说明的回热蒸汽发生器的旁路通道中。

回热蒸汽发生器10设有再热器和过热器的装散热片的管的传热面（未示），并具有三个自然或强制的循环蒸发器12、14和16（鼓式，“单程”式，或其他传统型式的蒸发器）及相关的控制元件。一般情况下，蒸汽涡轮6的将蒸汽经管道34排到冷凝器32，冷凝物借助于泵36经管道38流向低压蒸发器16。低压蒸发器在其上游设有一整体除气器40，以保证除去冷凝物中的空气。

来自低压蒸发器16的低压蒸汽，经过管道42供给蒸汽涡轮6的复合低压/中压区44。

来自低压蒸发器16的冷凝物（即水）经过管道46，给水输送泵48以及管道50、52，也输入中压蒸发器14。同时，冷凝物经管道46，泵48和管道54，也输入到高压蒸发器12。

来自中压蒸发器14的中压蒸汽经管道56流动，并在管道58中与来自蒸汽涡轮6的高压区60的冷再热蒸汽结合。然后该蒸汽流入再热器62及温度调节器63位于再热器的低温区与高温区之间的（按蒸汽的流动方向，低温区处于温度调节器63的上游，高温区处于温度调节器的下游），在流经再热器62（经管道64）以后，热的再热蒸汽被输入涡轮区44。

来自高压蒸发器12的高压蒸汽，流经管道66，在流入过热器70和温度调节器71之前，与来自管道68的冷凝物相结合。然后，该蒸汽流入到蒸汽涡轮6的高压区60。如在有再热器情况下，温度调节器71处于过热器的低压与高压区之间。

按照传统的方法在整个回路中，采用适当的流动旁路和/或控制阀门72、马达执行机构M和类似的装置，在这里不需要进一步详细说明。

经靠近再热器62和过热器70的管道30进入回热蒸汽发生器10的燃气涡轮2的排气，经靠近中压蒸发器16的管道72，排到回热蒸汽发生器10，可以理解，燃气涡轮2的排气及与蒸汽涡轮6相关的冷凝物/蒸汽按逆流方位配置。

从上述的蒸汽循环可以看出，再热器62的高温区直接暴露在燃气涡轮18的温度最高的排气中。这种方案存在一个问题，在采用复合燃气涡轮、复合回热蒸汽发生器10和单个蒸汽涡轮的系统中，自蒸汽涡轮6的高压区60的排出的蒸汽，被均匀地分配到复合回热蒸汽发生器的各个再热器62中是很重要的，因为减少任一个再热器的流量，可能使再热器的温度超过规定的运行温度，因而增加了损坏再热器的可能性。

而且，因为在回热蒸汽发生器10起动时，没有流体经再热器62，在蒸汽供给蒸汽涡轮16之前，在回热蒸汽发生器的最初运行期间，必须时再热器进行冷却。

可以看到，再热器62的高温区，可以暴露在温度约为1140F°的燃气涡轮排气中。在这些情况下，如果主蒸汽出现不匹配，由于在复合燃气涡轮/回热蒸汽发生器系统中的各个再热器内的蒸汽分配不均匀，那么一个或几个再热器的高温区的温度很可能超过1000F°，存在因过热而损坏的实际可能。

另外，由于在回热蒸汽发生器10的起动期间，没有流体流过再热器62，燃气涡轮2的排气可以很容易地使再热器62过热。这种有问题的情况，需要一个如图2所示类型的旁路方案，可以理解，图2表示了一个用于单个回热蒸汽发器110的典型旁路系统，并且一种类似的方案被用于复合燃气涡轮/回热蒸汽发生器系统中的每个回热蒸汽发生器。这种方案为熟悉本领域的人员都称为“欧洲旁路”。对于本申请的目的，指出旁路方案包括自过热器170经管道76和相关的马达操作机构78流经再热器162（即再热器和过热器成串连接）的蒸汽分流是足够的。这样，流体流过再热器62就防止了再热器的过热直到再热器接收其正常流量为止。在蒸汽由再热器162排出后，绕过蒸汽涡轮6，经管道80直接转向冷凝器32。

上述旁路方案，增加了系统的复杂性和成本。本发明提供一种简单和成本低的旁路方案，

现在看图3，它表示了一种采用了复合燃气涡轮，回热蒸汽发生器，和单个蒸汽涡轮的联合循环系统，其中结合有本发明的特有的蒸汽循环方案。共同的部分件表有相同的标号，但是为了清晰，带有撇号或双撇号。

具体地说，图4所示的系统采用了一对燃气涡轮2′和2″，它们分别将热排气供给回热蒸汽发牛器10′和10″，它们两者为单个蒸汽涡轮6′提供蒸汽。然而很清楚，本发明可以适用于任何采用了多于一个燃气涡轮和多于一个回热蒸汽发生器的联合循环系统。

来自低压蒸发器16′的低压蒸汽，经管道82由回热蒸汽发生器10′排出，在管道84中与来自回热蒸汽发生器10″中的低压蒸发器16″内的低压蒸汽相结合，然后经管道86流回到蒸汽涡轮6′的低压区44′中。

中压蒸汽经管道88流出回热蒸汽发生器10′的中压蒸发器14′，流过再热器62′之后，流经管道90，并在管道92中与来自再热器62″的中压蒸汽相结合，以便经管道94输4的到涡轮区44′。

来自回热蒸汽发生器10′的高压蒸发器12′的高压蒸汽，经管道96排出，流经热器70′之后，流经管道98，并与管道00中来自过热器70″的高压蒸汽相结合，以便经管道102流入到涡轮6′的高压区60′。

来自蒸汽涡轮6′的冷凝物，分别流经管道104和106，被引入回热蒸汽发生器10′和10″中。

从图1和图4的比较中可以看出，回热蒸汽发生器10，10′和10″，除了一个方面以外，其他方面都相同。过热器70′和70″的高温区分别已重新配置，以便为来自燃气涡轮2′和2″的高温排气提供基本热交换表面。如图1所示，与传统作法不同的是，其中再热器62的高温区为高温燃气涡轮排气提供基本换热表面。

由于传统回热蒸汽发生器结构的上述另外的改进，过热器70′和70″两端的温度减小，因此燃气涡轮排气温度减小例如约100F°。结果，再热器62′和62″不承领象现有结构那样高的温度。这保证再热器62′和62″能更多地忍受由于冷的再热蒸汽对各回热蒸汽发生器分配不均匀而可能引起的不匹配。然而同时希望调整再热器和过热器部件的表面积，以便使再热器和过热器的排出蒸汽具有大体相同的温度。

可以理解，通过在过热器中提供足够多的热交换表面以使燃气涡轮排气温度有较大的温度降，同时，调整再热器中的热交换面积，以保证再热器和过热器的出口处的温度基本相同，甚至可以进一步提高本发明的有利效果。

另外，因为甚至在回热蒸汽发生器起动之前，在过热器70′和70″中存在蒸汽流（从而能与燃气涡轮排气进行热交换），再热器62′和62″不易出现在回热蒸汽发生器起动时，再热器62所经受的同样的过热问题，因此避免了对于图2中所示昂贵的和复杂的旁路系统的需求。

图4表示了一种用于图4所示型式的复合燃气涡轮/回热蒸汽发生器系统中的简化蒸汽旁路系统。从图4所示的旁路系统中可以看出，在回热蒸汽发生器210中，免除了从过热器270向再热器262转送蒸汽的需要，这样在回热蒸汽发生器起动期间，它只要求来自过热器270的蒸汽绕过蒸汽涡轮206，并直接流入到冷凝器232。图4还表示了来自其它复合回热蒸汽发生器的过热器的蒸汽如何也被导向蒸汽透平206周围的冷凝器232的。因此该方案不需要现有技术旁路系统中所要求的许多阈门和马达操作机构。

除了上述的再热蒸汽循环之外，本发明也测及到从若干回热蒸汽发生器向一个蒸汽涡轮输送蒸汽的方法，其中每一个发生器从相关的燃气涡轮的排气中传递热量，以使从蒸汽涡轮中排出的冷凝物重新转换成蒸汽，使其再次进入到蒸汽涡轮。上述系统每个件的运行方法在本技术领域中是很清楚的，本发明所述的方法从大的方面来说，包括下列步骤：

a.把接近燃气涡轮排气进口的过热器（70′或70″）的高温区配置于回热蒸汽发生器10′或10″。

b.把接近过热器（70′或70″）的再热器（62′或62″）的高温区沿燃气涡轮排气流动方向，配置于过热器（70′或70″）的高温区下游。

c.使来自蒸汽涡轮6′的冷凝物和蒸汽，沿着与燃气涡轮排气流动相反的方向流动，这样当燃气涡轮排气流过再热器（62′或62″）时，它的温度降低，因此减小了再热器过热的可能性。

进一步结合上述系统的运行方法，在蒸汽涡轮6′起动之前，使来自过热器70′或70″的蒸汽在蒸汽涡轮6′周围绕过，进入到冷凝器32′。一旦蒸汽涡轮和复合燃气涡轮以及回热蒸汽发生器正常运行，来自过热器的蒸汽再进入到蒸汽涡轮。

从上述说明可以看出，本发明以简单但仍然是独特的以低的成本提高系统总体效果的方法解决了在回热蒸汽发生器起动期间，跟复合回热蒸汽发生器的冷凝物分配不均匀和再热器中蒸汽流量不足有关的可能过热问题。

虽然本发明结合该目前来说认为是最实际和最佳的方案予以说明，然而应当理解，本发明并不限于所公开的方案、而却却相反，而要覆盖在附加的权利要求的精神和范围内所包括的各种变型及其等同方案。

Claims (7)

1、在一种联合循环动力系统中，其中来自蒸汽涡轮的冷凝物，至少在一个回热蒸汽发生器中被来自至少一个燃气涡轮的排气加热，其特征在于：所述至少一个回热蒸汽发生器包括至少一个过热器和至少一个再热器，其改进包括在回热蒸汽发生器中，配置至少一个过热器的高温区，以便对自所述至少一个燃气涡轮进入回热蒸汽发生器的排气提供基本的换热表面。

2、根据权利要求1所述的联合循环动力系统，其特征是所述过热器接收来自高压蒸发器的蒸汽。

3、根据权利要求1所述的联合循环动力系统，其特征是所述过热器，而所述蒸汽涡轮的高压区提供蒸汽。

4、根据权利要求1所述的联合循环动力系统，其特征是所述再热器向蒸汽涡轮的联合的中压/低压区提供蒸汽。

5、根据权利要求1所述的联合循环动力系统，其特征是所述系统包括复合燃气涡轮和复合回热蒸汽发生器。

6、一种用于若干回热蒸汽发生器向蒸汽涡轮提供蒸汽的方法，每个回热蒸汽发生器包括若干蒸发器，一个再热器和一个过热器，其中至少所述再热器和过热器和一个过热器，其中至少所述再热器和过热器跟来自燃气涡轮的热排气配置成热交换关系，该方法包括如下步骤：

a.把接近燃气涡轮排气进口的过热高温区配置于所述回热蒸汽发生器。

b.把接近所述过热器的再热器高温区沿所述燃气涡轮排气方向，配置在所述过热器高温区下游。

c.使来自所述蒸汽涡轮的冷凝物和蒸汽沿与所述燃气涡轮排气的流动方向相反的方向流动，这样，当它通过所述再热器时，所述燃气涡轮的排气温度下降，从而减小所述再热器过热的可能性。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征是在蒸汽涡轮起动之前，来自过热器的蒸汽涡轮的周围，被旁通到冷凝器。

Images