CN1066799C - 燃气轮机组受热部件的冷却方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于冷却燃气轮机组(1)的受热部件(8，10)的方法，该燃气轮机组是一种联合装置的一部分，该联合装置还包括一个废热蒸汽发生器(2)和一个蒸汽循环回路(3)。在所述的方法中，从蒸汽循环回路(3)的一个汽包(15)中取出一定量的饱和蒸汽(25)，用来按顺序地冷却所述的部件，即燃烧室(8)和涡轮(10)，接着将该蒸汽在适当的位置(28)处送回到蒸汽循环回路(3)的一个蒸汽涡轮(18)中。从蒸汽涡轮(18)中来的用于冷却的蒸汽(25)在需要时在要冷却部件(8，10)的上游混入一部分来自废热蒸汽发生器(2)的水(30)，使其适中。

Description

燃气轮机组受热部件的冷却方法
本发明涉及一种燃气轮机组受热部件的冷却方法。
在热电站的联合装置中，通常从工作过程中抽取空气供到承受热负荷的部件中，以冷却这些部件。这种冷却方法减少了装置中的有效质量流，从而使装置的效率受到损失。就涡轮机组而言，上述情况主要在于在新一代的联合装置中一般没有额外的空气能够在不损失装置的功率和效率下分流出来。
对此，本发明将在这方面给予帮助。本发明的目的是对于文首所述的那种方法提出对装置中受热部件进行冷却的一些措施，这些措施可以提高效率和比功率。
本发明提供一种燃气轮机和废热蒸汽涡轮的联合装置中的燃气轮机组的受热部件的冷却方法，所述燃气轮机组包括至少一个燃气轮机、至少一个压气机和至少一个燃烧室，而废热蒸汽涡轮装置包括至少一个废热蒸汽发生器和至少一个蒸汽涡轮，其特征是：用从废热蒸汽发生器取出的饱和蒸汽来冷却燃气轮机组的一个或多个受热部件，并且将用于冷却的蒸汽送回到蒸汽循环回路的一个蒸汽涡轮中。
一种具有例如三级压力废热蒸汽发生器的联合装置中的中级蒸汽压力尤其能很好地适用于涡轮定子和燃烧室的冷却。为此目的，从具有适当压力的锅炉汽包来的新鲜蒸汽通过吸收要冷却部件的热量而过热并在适当的位置处供给蒸汽涡轮。如果上述过热程度太高，则可以在适当的位置通过喷水来控制。反之，如果过热程度太低，则可以利用一定量的烟气对其再加热。就受热部件的冷却方式而言，可以串联和/或并联地进行冷却。用于冷却的蒸汽不仅限于从中压锅炉汽包中抽取，同样也可以从低压和/或高压锅炉汽包中抽取。
此外还可以在适当的位置处从蒸汽涡轮中抽取冷却蒸汽，并在一个低压位置处将冷却蒸汽送回到蒸汽涡轮中。按照需要，这样抽取的冷却蒸汽可以通过喷水而部分地或完全地得到过热冷却，这些水最好在节热器后面抽取。
在具有设置在不同压力区中的多个涡轮和燃烧室的燃气轮机装置中，在适当的锅炉汽包上和/或蒸汽涡轮的适当部位上开孔以提供所需的冷却蒸汽。
在起动过程期间，可向需冷却的相关部件提供冷却介质，冷却介质可是常用的空气或是外部蒸汽源。
本发明的主要优点在于，与用空气冷却相比，由于蒸汽的温度较低并且比热较高(几乎加倍)，在相同的金属温度下允许有高得多的热燃气温度。如果冷却是按照一种封闭回路构思进行的，那么与在用空气冷却时通常采用的开式回路构思相比，这种冷却方式会产生更好的多变涡轮效率。对受热部件进行闭式蒸汽冷却大大提高了联合装置的功率和效率。
实现本发明目的的技术方案的一些有利的适宜的细节特征还在于：
在冷却燃气轮机组的一个或多个受热部件之前，在从废热蒸汽发生器取出的饱和蒸汽中混入以一预定压力从蒸汽涡轮取出的过热蒸汽；
将被取出的蒸汽分成第一支流和第二支流；将第一支流中的被取出的蒸汽输入燃气轮机中而将第二支流中的被取出的蒸汽输入燃烧室中，以冷却燃气轮机和燃烧室，其中蒸汽被加热；以及将被加热的蒸汽送回到蒸汽涡轮中具有低于在取出步骤中的预定压力的工作蒸汽流中；
在被取出的蒸汽被输入到至少一个受热部件之前，将一定量的水引入至蒸汽中，以冷却蒸汽的温度；
该水包括来自废热蒸汽发生器的冷凝水；
被取出的蒸汽的预定压力是高于在至少一个受热部件的燃气压力。
以下对照附图对本发明的一些实施例做详细说明。附图中省去了对直接理解本发明所不需要的部件。各种介质的流动方向用箭头表示。相同的部件在各图中都采用相同的标号。
附图中，
图1是一种联合装置，其中冷却蒸汽从锅炉汽包中取出，
图2是一种具有封闭蒸汽冷却回路的联合装置，其中主要蒸汽从蒸汽涡轮中取出，
图3是一种联合装置，其中在燃气轮机组内燃烧是按顺序进行的。
图1示出了一种由一个燃气轮机组1，一个废热蒸汽发生器2和一个蒸汽循环回路3组成的联合装置，燃气轮机组1，废热蒸汽发生器2和蒸汽循环回路3都是以它们的最主要的部件表示出来的。燃气轮机组1包括一个压气机4，该压气机与一个发电机5联结在一起。吸入的新空气6在压气机4中受压缩而升压，然后该被压缩的空气7送到一个后接的燃烧室8中形成热燃气9，该热燃气9接着被引到后面的涡轮10中，释放出的能量则在所述的发电机5中转换成电流。发电机5设计成具有电动机的功能，在起动燃气轮机组1时就是这种情况。燃烧室8用气态的和/或液压的燃料进行工作。燃气在涡轮10中膨胀后，仍然还具有很高的热能的废气11流过废热锅炉12，在废热锅炉12中通过热交换产生蒸汽，该蒸汽则构成后继的蒸汽循环回路3的工作介质。被充分利用了热能后的废气则作为烟气13排向大气中。此处所示的废热锅炉12是一种多级型式的，它有三个汽包14,15,16。在废热锅炉12中由释放出的热能产生高压蒸汽17，该高压蒸汽经过一个未示出的中间过热器引入到蒸汽涡轮18中。当然，蒸汽在经过第一次部分膨胀后，可以在一个再热器中再加热，接着再引入到一个中压和低压涡轮中。蒸汽涡轮18产生的能量由一个相联的发电机19转换成电流。膨胀后的蒸汽20在一个由水或空气冷却的冷凝器21中冷凝。通过一个在冷凝器21下游工作的冷凝水泵22将冷凝水23输送到一个未示出的供水箱和除气器中。接着由另一个未示出的泵将这些水泵入废热锅炉12中。水首先流过一个节热器31，接着流过具有汽包16,15,14的废热锅炉12的各个压力级，水的流动导向由各个泵32来维持。从汽包16中取出低压蒸汽24，向蒸汽涡轮18提供附加的蒸汽。从中压汽包15中取出一定量的饱和蒸汽25，这种用于冷却目的的饱和蒸汽25首先通过涡轮10的定子26，接着通过燃烧室8的要冷却的壁。饱和蒸汽25在此处受到过热，然后作为具有增加了相应的做功潜力的工作蒸汽27在一个适当的位置28处供入蒸汽涡轮18。为了将产生的过热保持在一个允许的范围内，可以在一个适当的位置29处将作为节热器31中预热的冷凝水30供到冷却蒸汽中。为了简明起见，图中省去了中压和高压级的节热器。对于涡轮端的定子26来说，当然可以取用汽包16中的低压蒸汽作为冷却介质，以及在具有大压力比的燃气轮机中至少对燃烧室和高压涡轮的区域取用汽包14中的蒸汽。将冷却蒸汽供到处于一个低压位置的蒸汽涡轮18中的这种可能性使之可以选择一个便于完成冷却任务的合适的压力降。当汽包15中产生的蒸汽量没有全部用于冷却时，可以将多余的部分输送给蒸汽涡轮18。
图2基本上示出了按照图1的线路。尤其在具有单级或两级压力锅炉的联合线路中，在某些情况下可以没有适于抽取冷却蒸汽的压力水平上的锅炉汽包。图2中示出了一个单级压力锅炉40。要冷却的部件中的蒸汽压力应该总是稍大于部件的燃气压力，以防燃气进入蒸汽回路中。但超压过多则意味着有不必要的能量损失。此时可以在一个取气位置33处将冷却蒸汽从蒸汽涡轮18中取出。在某些情况下，该蒸汽的温度可能会太高而必须对其采取措施。为此，在节热器31下游和汽包35上游取出一定量的水，经装有阀的管道36在位置34处将水供入取气管道37中。冷却蒸汽37经管道37一方向通到涡轮10的定子36，另一方向通到燃烧室8。该蒸汽对受热部件进行冷却后而被过热，然后作为具有相应提高了做功潜力的工作蒸汽经管道38从适当的位置39处送入蒸汽涡轮18中。在这种情况下，管道37在涡轮10和燃烧室8的上游分支，对这些部件进行单独冷却，受到过热的蒸汽则再经过单一的管道38返回。相应的阀41,42保证各个部件具有各自一定的蒸汽量。为了使部分负荷工作时的能量损失尽可能地小，可以在较低或较高压力的位置处取出蒸汽和返回蒸汽。如由位置43,44所表示的，其转换由未示出的阀来进行。
图3示出了另一种联合装置，相对于前述装置而言，其主要区别在于燃气轮机组1有一个在两个涡轮中进行的顺序燃烧过程，而蒸汽循环回路3中增加了一个除气器58和一个相属的泵55。来自压气机4的压缩空气7先进入一个第一燃烧室56，该燃烧室56中用一种液体燃料和/或气体燃料工作，并且最好是环形燃烧室结构。在该燃烧室中形成的热燃气57引入到一个高压涡轮45中，它具有相对较小的膨胀比，使得废气46仍具有相当高的温度。废气46流入一个最好是环管式燃烧室结构的第二燃烧室47中，在该燃烧室中燃烧最好是由自燃着火进行的。这些热气继后进入到一个低压涡轮49中，然后废气11按照通常的方式流过废热锅炉40。由于要冷却的受热部件增加了一倍，因此要求增加冷却蒸汽量。第一燃烧室56和高压涡轮45用汽包35的蒸汽50进行串联地冷却。在这种冷却中产生的过热蒸汽则经返回管道51在适当的位置处引入蒸汽涡轮18中。第二燃烧室47和低压涡轮49用蒸汽涡轮18的蒸汽52同样是串联地进行冷却。这里产生的过热蒸汽也经一个返回管道53在适当的位置引到蒸汽涡轮18中。另一个装有阀的并汇入冷却蒸汽流52中的管道54用于在需要时将冷却蒸汽混入到过热蒸汽中。各个部件的冷却也可以并联地进行，如图2中已述的那样。原则上要注意，来自蒸汽涡轮18的冷却蒸汽相对于来自汽包35的饱和蒸汽具有较弱的效果。对于后者来说，冷却效果较强，但必须考虑所产生的热应力情况。最后，此时也可以考虑采用按照高压原理工作的废热蒸汽系统，可以最佳的方式从锅炉汽包和蒸汽涡轮中抽取冷却蒸汽。
由于经验表明冷却系统不可能完全密封，在冷却运行过程中会有一定的蒸汽在燃气轮机循环回路中损失掉，虽然这增加了比功率，但是减少了由蒸汽冷却所获取的效率上的增益。原则上来说，涡轮10,45,49的旋转部件同样可以用封闭系统中的蒸汽来冷却。此时要特别注意泄漏损失。当然在需要时也可以用从锅炉汽包35中分支出来的蒸汽来冷却蒸汽涡轮，该蒸汽可以在利用过热压力降的条件下正好从入口处输回到蒸汽涡轮18中。同样也可以用蒸汽来冷却阀杆和高压密封套。

Claims (6)

1．对作为一种燃气轮机和废热蒸汽涡轮的联合装置中的燃气轮机组的受热部件进行冷却的方法，所述燃气轮机组包括至少一个燃气轮机、至少一个压气机和至少一个燃烧室，而废热蒸汽涡轮装置包括至少一个废热蒸汽发生器和至少一个蒸汽涡轮，其特征是：用从废热蒸汽发生器取出的饱和蒸汽来冷却燃气轮机组的一个或多个受热部件，并且将用于冷却的蒸汽送回到蒸汽循环回路的一个蒸汽涡轮中。
2．按照权利要求1的方法，其特征是，在冷却燃气轮机组的一个或多个受热部件之前，在从废热蒸汽发生器取出的饱和蒸汽中混入以一预定压力从蒸汽涡轮取出的过热蒸汽。
3．按照权利要求2的方法，其特征是：
将被取出的蒸汽分成第一支流和第二支流；
将第一支流中的被取出的蒸汽输入燃气轮机中而将第二支流中的被取出的蒸汽输入燃烧室中，以冷却燃气轮机和燃烧室，其中蒸汽被加热；以及
将被加热的蒸汽送回到蒸汽涡轮中具有低于在取出步骤中的预定压力的工作蒸汽流中。
4．按照权利要求1至3之一的方法，其特征是，在被取出的蒸汽被输入到至少一个受热部件之前，将一定量的水引入至蒸汽中，以冷却蒸汽的温度。
5．按照权利要求4的方法，其特征是，该水包括来自废热蒸汽发生器的冷凝水。
6．按照权利要求1至3之一的方法，其特征是，被取出的蒸汽的预定压力是高于在至少一个受热部件的燃气压力。
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