CN106170659A - 低负载条件下运转燃气轮机发电装置 - Google Patents

低负载条件下运转燃气轮机发电装置 Download PDF

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乔治·派烙斯
安东尼·布拉瓦托
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Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机发电装置的设备及方法，通过独特地配置排放控制装置，使得该发电装置的合规排放工作范围扩大，该设备包括复数连续设置的氧化(CO)催化剂、用于高NO2还原的优化的SCR催化剂、具有额外的低压降性能的控制阀门、以及其他特征。

Description

低负载条件下运转燃气轮机发电装置
相关申请的交叉引用
本申请是于2014年9月25日提交的14/496,835号美国申请的部分延续申请。该美国申请根据美国法典第35卷第119条e款，要求了于2014年1月17日提交的61/928897号临时申请的优先权。上述美国临时申请的全部内容通过引用的方式并入本文。
发明领域
在低于特定负载(一般低于50％)时，燃气轮机的废气排放量显著提高(可达到300倍)，以至于传统的排放控制系统不能充分地消除产生的NOX、CO和VOC。这将使得装置的排放超过允许的合规水平，迫使设备关机或提高负载。这一决策将会妨碍电网的运行、并显著降低运行设备的经济效益。通过在关键区域使用额外的排放控制装置增大排放合规的工作范围，有利于电网的稳定性和装置运行的灵活性，还可以降低装置在稳态运行和开机关机时的排放总量。
这些问题的解决，随着间歇性的可再生能源的引入使得电网运营商要求燃气轮机发电装置更高的灵活性、低负载的要求以及更频繁的开机关机，将越发困难。
发明背景
图1是一个常规的联合循环装置，该装置含有燃气轮机循环1和水/蒸汽循环2。在燃气循环1中，空气进入空气压缩机10、在燃烧室11中与燃料F混合并燃烧。然后，燃烧产物被送至涡轮段13驱动轮机轴14带动发电机15发电。
从燃气轮机13排出的废气E进入通向HRSG 20的过渡管道19，随着其通过水/蒸汽回路而降温，将水加热沸腾为蒸汽。当废气向水/蒸汽循环输出一定量的能量后(冷却)，就会从HRSG的排气管21排出。排放量就是在这里——在排气管中——被测量以汇报给环境保护局(EPA)确定排放是否合规。
水/蒸汽循环2由HRSG 20、蒸汽轮机(ST)70、发电机75和凝汽器76组成。ST 70由高压(“HP”)段71、中压(“IP”)段72和低压(“LP”)段73组成。图中所示为三压再热系统，但也可配置三压非再热、双压和单压的HRSG和锅炉。IP段有时会被称为再热轮机。ST的三个段70和发电机75全部都安装在一个共同的轴74上。蒸汽流经ST 70时会驱使轴74转动使得发电机75发电。这些蒸汽离开ST 70并流至凝汽器76。
图1还显示了，一个常规的联合循环发电机组通常含有额外的常规元件，比如，低压冷凝水22、低压(LP)省煤器23、LP蒸汽包31、LP下降管32、LP蒸发器33、LP过热器34、导向ST的LP段(73)的管道35、LP旁通阀和去过热器37、IP省煤器40、IP蒸汽包41、IP下降管42、IP蒸发器43、IP过热器44、导向冷再热管道(61)的管道45、HP省煤器50、HP省煤器51、P下降管53、导向ST的HP段(71)的管道56、HP旁通阀和去过热器58、冷再热管道61、导向ST的IP段(72)的热再热管道63、RH旁通阀和去过热器65、以及锅炉给水泵81。上述元件的运作是现有技术，因此不再详述。
当处于满负载和某些最小负载之间的正常运作时，在一个从泵80处开始的水/蒸汽循环2中，在HRSG中生成的蒸汽会在没有压力控制(滑压)的情况下通入ST，然后从ST的LP段排出，进入凝汽器76并在其中凝结成水从而形成一个循环。
排出HRSG的蒸汽，流经指向ST的阀门(ST进气阀，HP：57、RH：64、LP：36)从而如上所述地产生电能。在某些运转条件下如有必要，这些阀门可以用于在各自的压力级别下调节水/蒸汽循环中的压力。
常规的布局为，将所有的这些排放控制装置，设置在废气流中的HP锅炉汽包的下游处。图1中显示的是中温CO催化剂130、然后是喷氨格栅120、最后是用于控制NOX的SCR催化剂110。
然而，典型的燃气轮机发电装置(GTPP)——比如——如图1所示的常规的联合循环装置，通常被设计成在50％至100％的负载下运行产生电力并维持允许的排放水平。有时候，这些装置包含管道燃烧器以获得高于正常的100％负载范围的功率。上述排放水平通过利用工业标准的排放控制装置来控制。当低于约50％的负载时，燃气轮机(GT)的排放量会显著提高，达到300倍以上。表1A显示了局部最小值。需要注意的是在这个例子中，排放量的局部最小值出现在17％的GT负载时。
表1A：GT废气排放量-GT负载
GT负载(％) NOX CO VOC NO/NOX(％)
100 15 10 2 79
50 15 10 2 72
40 27 850 100 5
20 35 3000 1200 5
17 30 1200 280 5
5 40 2800 1500 5
注：除特别注明，上述数值的单位为ppmvd@15％O2
上述数据转换为NOX、CO和VOC的常规的排气管处排放量，如表1B所示。从100％负载到大约50％负载的较高的负载范围内，排放是符合规定的。在50％的负载下，GT的排放处于一个足够低的水平，使得常规的后燃烧净化装置可以消除足够的排放物、从而使排气管处的排放水平符合规定。50％负载这一点，通常被称为燃气轮机的排放合规最小负载(MECL)。GT负载在大约50％负载以下时，排放就不符合规定了。较低GT负载下的发动机特性导致了：废气排放的大幅提高、NOX中NO2比例的大幅提高。
表1B：排气管废气排放量-GT负载，现有技术
GT负载(％) NOX CO VOC
100 2 2 2
50 2 2 2
40 13 45 60
20 16 150 650
17 13 60 160
5 18 150 830
注：除特别注明，上述数值的单位为ppmvd@15％O2
NOX排放物包括NO和NO2。随着GT负载下降到50％以下，NOX的组成由NO转变为更难以消除的NO2。选择性催化还原(SCR)脱硝反应——在这个反应中NOX被NH3还原——通常按照如下的反应(1)进行。在NO2与NO共存的情况下，会发生反应(2)和(3)。如果NO2在NOX中的比例低于50％(GT负载≥50％)，NO2和NO会通过反应(2)被消除，剩余的NO则通过反应(1)被消除。如果NO2在NOX中的比例高于50％(GT负载＜大约50％)，随着反应(2)的进行，剩余的NOX组成中的NO2含量会越来越高。在这种情况下，因为反应(3)进行缓慢，脱硝反应将明显变弱。
4NO+4NH3+O2＝>4N2+6H2O (1)
NO+NO2+2NH3＝>2N2+3H2O (2)
6NO2+8NH3＝>7N2+12H2O (3)
常规的GTPP可以含有氧化(CO)催化剂130、喷氨格栅120、和SCR(NOX)催化剂110，用于控制GT排气通道中的排放量，而该处的温度一般在500℉至700℉(虽然在燃气轮机简单循环装置中略高的温度是常见的)。在联合循环的应用中，这个装置一般设置在HP蒸发器管道的下游侧，其中废气的温度有利于这些化学反应的有效进行。常规的SCR催化剂110则用于消除较高浓度的NO和较低量的NO2。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的一个特征是，使得燃气轮机发电装置(简单循环、联合循环或者联合发电)，在维持排气管处的排放量符合法规的同时，可以连续地从100％负载下降到大约40％负载运行、也可以在一个非常低的负载设定值(该处为GT排放量的一个局部最小值)运行、或者从100％负载连续地下降到局部最小值处运行。
根据本发明的另一个特征，燃气轮机发电装置的开机和关机过程中的累计排放量也会显著减少。这主要是通过，在排气通道加入一系列氧化(CO)催化剂(两个或以上)——若有需要还可以加入高效NO2还原SCR催化剂——以及其他主要特征比如控制系统改造和蒸汽循环管理策略。
根据本发明的一个特征，一个用于燃气轮机发电装置的设备，通过独特地配置排放控制装置使得该发电装置的合规排放工作范围扩大，所述设备包括复数连续设置的氧化(CO)催化剂。根据本发明的另一个特征，提供了一种使用该设备运转燃气轮机发电装置的方法，使得该发电装置的合规排放工作范围扩大。根据本发明的另一个特征，该设备还可以包括设置于所述复数个氧化催化剂下游侧的NOX催化剂，可减少NOX的排放量，以使得在低负载时可以和在正常运行负载时一样，排放量维持在合规的水平。根据本发明的另一个特征，该设备还可以包括至少一个具有高NO2转化率的NOX催化剂，可减少NOX的排放量，以使得在低负载时可以和在正常运行负载时一样，排放量维持在合规的水平。根据本发明的另一个特征，现有的发电装置使用所述设备改进。
根据本发明的一个特征，一个用于燃气轮机发电装置的设备，通过独特地配置排放控制装置，使得该发电装置——在低于MECL(在该处燃气轮机的排放处于或接近局部最小值)的特定负载下、或者从100％负载连续地下降至局部最小值处——运行时排放符合法规，所述设备包括复数连续设置的氧化(CO)催化剂。根据本发明的另一个特征，提供了一种使用该设备运转燃气轮机发电装置的方法，使得该发电装置——在低于MECL(在该处燃气轮机的排放处于或接近局部最小值)的特定负载下、或者从100％负载连续地下降至局部最小值处——运行时排放符合法规。根据本发明的另一个特征，该设备还可以包括设置于所述复数个氧化催化剂下游侧的NOX催化剂，可减少NOX的排放量，以使得在低负载时可以和在正常运行负载时一样，排放量维持在合规的水平。根据本发明的另一个特征，该设备还可以包括至少一个具有高NO2转化率的NOX催化剂，可减少NOX的排放量，以使得在低负载时可以和在正常运行负载时一样，排放量维持在合规的水平。根据本发明的另一个特征，现有的发电装置使用所述设备改进。
根据本发明的一个特征，一个用于燃气轮机发电装置的设备，通过独特地配置排放控制装置，使得在开机和关机过程中的排放量显著减少，所述设备包括复数连续设置的氧化(CO)催化剂。根据本发明的另一个特征，提供了一种使用该设备运转燃气轮机发电装置的方法，使得开机和关机过程中的排放量显著减少。根据本发明的另一个特征，该设备还可以包括设置于所述复数个氧化催化剂下游侧的NOX催化剂，可减少NOX的排放量，以使得在低负载时可以和在正常运行负载时一样，排放量维持在合规的水平。根据本发明的另一个特征，该设备还可以包括至少一个具有高NO2转化率的NOX催化剂，可减少NOX的排放量，以使得在低负载时可以和在正常运行负载时一样，排放量维持在合规的水平。根据本发明的另一个特征，现有的发电装置使用所述设备改进。
根据本发明的一个特征，一个用于燃气轮机发电装置的设备，通过独特地配置排放控制装置使得该发电装置的合规排放工作范围扩大，所述设备包括至少一个具有高NO2转化率的NOX催化剂，可减少NOX的排放量以维持排放符合法规。根据本发明的另一个特征，提供了一种使用该设备运转燃气轮机发电装置的方法，使得该发电装置的合规排放工作范围扩大和/或显著降低开机和关机时的排放。根据本发明的另一个特征，现有的发电装置使用所述设备改进。
附图说明
本发明进一步的特征和优点，将通过发电装置和方法的优选但非排他的实施例的描述，而变得更加明显。该描述通过下列附图中的非限制性的例子说明：
图1显示了基于燃气轮机(“GT”)、热能回收蒸汽发生器(“HRSG”)和蒸汽轮机(“ST”)的常规的三压再热联合循环装置的配置。HRSG有时候也会被称为余热蒸汽发生器。
图2显示了根据本发明实施例的联合循环装置的配置。
在图1和图2中，相同的编号用于标识类似的单元。
优选实施例的的详细说明
下文将参照图2描述本发明的一个实施例，在该实施例中，独特地设计和配置排放控制装置、并将其优化以获得更宽的工作范围和低负载下更低的排放。即，设计中带有或没有管道燃烧器、并根据本发明实施例运转的GTPP，通过独特地利用排放控制装置和其他主要特征，可以在低于50％的负载下运转而维持排气管的排放量在符合法规的低水平。
具体地，如图2所示，排放控制装置包括复数CO催化剂130、140和150。在气体通道中的第一催化剂是高温CO催化剂140。这个上游侧的氧化(CO)催化剂140(通常设置在排气通道的高温区域(>～800℉))位于一个或多个下游侧的CO催化剂130、150的上游侧，用于初步减少废气气流中的CO排放物。这些连续的CO催化剂显著地提高了不完全燃烧产物的总减少量。
CO和VOC的减少量，通过表1A的GT的初始值和下文的表2B中的值(这个例子中，在17％GT负载时有一个排放局部最小值)的差值来显示。取决于特定的装置设计/工作条件，这个催化剂140可以设置于HP汽包的上游和GT排气管(13)的下游的任意位置。
表2B：高温CO催化后排放量-GT负载，新工艺
注：除特别注明，上述数值的单位为ppmvd@15％O2
一个或多个下游氧化(CO)催化剂130、150被设置在排气通道的较低温度的区域(<～800℉)，用于进一步减少废气气流中CO的排放量。
如图2所示，一个特别的高效NO2还原SCR催化剂160被设置于CO催化剂130、140、150的下游侧，一般位于排气通道中的中温区域(大约500℉至750℉)，以减少可能含有大浓度NO2的NOx的排放。然而，如果没有高浓度的NO2，则可以使用工业标准的SCR催化剂110。SCR催化剂160是为了低负载下运转所要求的高NO2还原而设计的。通过使用特别的高效NO2SCR催化剂160，来达到高NO2还原的效果。美国专利7,749,938阐述了这个设计，这个美国专利的全部内容通过引用的方式并入本文。
图2还显示了，一个设置于SCR催化剂160的上游侧的喷氨格栅120，设计用于高负载和低负载两种情况下的流动条件。另外，虽然没有在图2中显示，如果没有高浓度的NO2，可以使用常规的SCR催化剂110来控制NOX，以代替上述的特别的高NO2还原SCR催化剂160。除了上述新工艺，还可能需要额外的设计和控制方面的改善以获得理想的排放量，比如增强的装置控制系统、末级调温等。这些装置和系统是为人熟知的，因此不再详述。
在运转诸如如图2所示的联合循环装置的配置的方法中，在正常运转期间，GT排出的废气首先接触高温CO催化剂140，根据设计，在此处CO被初步减少至一个较低的水平。当气体经过后，气体通过HP过热器55和再热器62冷却，然后再通过HP锅炉汽包管道54进一步冷却。催化剂130、140、150和160是为了在这个废气温度范围内运转以维持排气管21的排放在所需的水平而设计的。中温CO催化剂130会减少气体中剩余的CO至允许的限度(或者可以安装第三个CO催化剂150)。随后，喷氨格栅120往气流中流喷射氨气，然后混合物被输送至SCR催化剂160处，在此处NOX的量被减少至允许的合规水平。
在较低的负载下，CO的排放量显著提高以至于单独一个CO催化剂无法消除足够的CO来维持排气管的排放在合规的水平；另外，NOX的水平会提高、NO2与NO的比值会提高，以至于在常规方法下氨气和SCR催化剂的所需用量变得没有经济性。
在低负载和极低负载运转期间，HP汽包52的压力维持在较高负载范围(压力)，以维持排放物催化剂的高反应速率。针对联合循环和联合发电装置，HP蒸汽回路被设计和调整，以使得可以通过关小HP ST进气控制阀，将HP汽包52的压力控制在可以使在中温区域、低负载时的催化剂效果最优化的水平。
CO催化剂的复合还原，获得了一个非常高的复合的CO还原率，并可以在非常低负载的运转下维持排气管低排放量。在需要时，具有增强的NO2破坏能力的专用的NOX催化剂160，可以将排出排气管的NOX中的高浓度的NO2减少至可接受的水平。
以下的表3B显示的例子中，通过引入本发明使排气管的排放量符合法规(在这个例子的17％GT负载处有一个局部最小排放量)。添加的多层催化剂可以使从100％负载开始连续下降至局部最小值处时的排放均达到保证水平。
表3B：排气管废气排放量-GT负载，新工艺
GT负载(％) NOX CO VOC
100 2 2 2
50 2 2 2
40 2 2 5
20 6 10 360
17 4 4 10
5 6 8 460
注：除特别注明，上述数值的单位为ppmvd@15％O2
根据本发明的另一个实施例，虽然前面提到，上游侧的氧化(CO)催化剂140设置于一个或多个下游侧的CO催化剂130、150的上游侧，用于对废气气流中的CO排放物进行初步减少；但如果需要，还可以在高温CO催化剂140的上游侧设置一个额外的CO催化剂150，对废气气流中的CO排放物作进一步的减少。
根据本发明的另一个实施例，可以通过加入上述的额外的催化剂140、150，和/或在需要时用高效NO2SCR催化剂160替换现有的SCR(NOX)催化剂，来改进现有的GTPP。
根据本发明的另一个实施例，燃气轮机发电装置的开机和关机过程中的累计排放量也会显著减少。这主要是通过，在排气通道加入一系列氧化(CO)催化剂130、140、150(两个或以上)——若有需要还可以加入高NO2还原SCR催化剂160——以及其他主要特征比如控制系统改造和蒸汽循环管理策略。
另外，虽然本发明的实施例是以联合循环装置的配置为参照来描述，但容易理解的是，本发明的上述特征可以用于其他装置的配置中，包括但不限于ST全旁路或部分旁路运转、简单循环运转、单压或双压联合循环、以及联合发电循环。
从上述的本发明优选实施例的描述中，本领域技术人员会想到改进、改变或修正。这些改进、改变或修正应被所附的权利要求所覆盖。进一步地，显而易见地，上文所提到的仅仅涉及本申请的实施例，在不偏离由以下权利要求及其等同变换所定义的本申请的精神和范围内，可以作出许多改变和修正。
单元标记清单
过渡管道19
HRSG外壳20
HRSG排气管21
低压(LP)
低压冷凝水22
低压(LP)省煤器23
LP锅炉汽包31
LP下降管32
LP蒸发器33
LP过热器34
导向ST的LP段(73)的管道35
LP阀门36：图2中部件添加了调整的运转范围
LP旁通阀和去过热器37
中压(IP)/再热
IP省煤器40
IP蒸汽包41
IP下降管42
IP蒸发器43
IP过热器44
导向冷再热管道(61)的管道45
高压(HP)
HP省煤器50
HP省煤器51
HP蒸汽包52
HP下降管53
HP蒸发器54
HP过热器55
导向ST的HP段(71)的管道56
阀门(HP)57：图2中部件添加了调整的运转范围
HP旁通阀和去过热器58
热再热(HRH)
冷再热管道61
再热段62
导向ST的IP段(72)的热再热管道63
RH阀门64：图2中部件添加了调整的运转范围
RH旁通阀和去过热器65
ST和冷凝水
ST联合段70
HP蒸汽轮机71
IP蒸汽轮机72
LP蒸汽轮机73
共同轮机轴74
发电机75
凝汽器76
凝结水泵80
锅炉给水泵81
选择性催化还原(脱NOX)110
喷氨格栅120
中温氧化催化剂位置130
高温氧化催化剂140
高温氧化催化剂的可选位置范围150
选择性催化还原(高NO2)160
工作流体
A：大气
D：排气管排出物
E：GT废气
F：燃料

Claims (24)

1.一种用于燃气轮机发电装置的设备，通过独特地配置排放控制装置，使得该发电装置的合规排放工作范围扩展至常规的GT MECL以下，所述设备包括：连续设置的复数氧化(CO)催化剂。
2.一种使用如权利要求1所述的设备运转燃气轮机发电装置的方法，使得该发电装置的合规排放工作范围扩展至常规的GT MECL以下。
3.如权利要求1所述的设备，还包括：设置于所述复数氧化催化剂下游侧的NOX催化剂，减少NOX的排放量，以使得在低负载时可以和在正常运行负载时一样，排放量维持在合规的水平。
4.如权利要求1所述的设备，还包括：至少一个具有高NO2转化率的NOX催化剂，减少NOX的排放量，以使得在低负载时可以和在正常运行负载时一样，排放量维持在合规的水平。
5.一种使用根据权利要求1所述的设备改进的现有的发电装置。
6.一种使用根据权利要求3所述的设备改进的现有的发电装置。
7.一种使用根据权利要求4所述的设备改进的现有的发电装置。
8.一种用于燃气轮机发电装置的设备，通过独特地配置排放控制装置，使得该发电装置在低于MECL的特定负载下运行时排放符合法规；MECL为燃气轮机的排放处于或下降至局部最小值之处；所述设备包括：连续设置的复数氧化(CO)催化剂。
9.一种使用如权利要求8所述的设备运转燃气轮机发电装置的方法，使得该发电装置在低于MECL的特定负载下运行时排放符合法规；MECL为燃气轮机的排放处于或接近局部最小值之处、或者从100％负载连续地下降至局部最小值之处。
10.如权利要求8所述的设备，还包括：设置于所述复数氧化催化剂下游侧的NOX催化剂，减少NOX的排放量，以使得在低负载时可以和在正常运行负载时一样，排放量维持在合规的水平。
11.如权利要求8所述的设备，还包括：至少一个具有高NO2转化率的NOX催化剂，减少NOX的排放量，以使得在低负载时可以和在正常运行负载时一样，排放量维持在合规的水平。
12.一种使用根据权利要求8所述的设备改进的现有的发电装置。
13.一种使用根据权利要求10所述的设备改进的现有的发电装置。
14.一种使用根据权利要求11所述的设备改进的现有的发电装置。
15.一种用于燃气轮机发电装置的设备，通过独特地配置排放控制装置，使得在开机和关机过程中的排放量显著减少，所述设备包括：连续设置的复数氧化(CO)催化剂。
16.一种使用如权利要求15所述的设备运转燃气轮机发电装置的方法，使得在开机和关机过程中的排放量显著减少。
17.如权利要求15所述的设备，还包括：设置于所述复数氧化催化剂下游侧的NOX催化剂，减少NOX的排放量，以使得在低负载时可以和在正常运行负载时一样，排放量维持在合规的水平。
18.如权利要求15所述的设备，还包括：至少一个具有高NO2转化率的NOX催化剂，减少NOX的排放量，以使得在低负载时可以和在正常运行负载时一样，排放量维持在合规的水平。
19.一种使用根据权利要求15所述的设备改进的现有的发电装置。
20.一种使用根据权利要求17所述的设备改进的现有的发电装置。
21.一种使用根据权利要求18所述的设备改进的现有的发电装置。
22.一种用于燃气轮机发电装置的设备，通过独特地配置排放控制装置，使得该发电装置的合规排放工作范围扩展至常规的GT MECL以下，所述设备包括：至少一个具有高NO2转化率的NOX催化剂，减少NOX的排放量以维持排放符合法规。
23.一种使用如权利要求22所述的设备运转燃气轮机发电装置的方法，使得该发电装置的合规排放工作范围扩大和/或显著降低开机和关机时的排放。
24.一种使用根据权利要求22所述的设备改进的现有的发电装置。
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