CN1076785C - 一种发电设备 - Google Patents
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Abstract
一种发电设备包括一燃烧室(1)，一种可燃物质在其中发生燃烧，同时形成各种灼热的燃烧气体；燃气轮机装置(13、14、20、27、30)，设置得由各种燃烧气体驱动；以及顶部燃烧器(8、23)，该燃烧器设置得接收各种燃烧气体并把其温度增高到适合于燃气轮机装置的水平。其次，具有一气化反应器(10)，设置得可产生一种在顶部燃烧器(8、23)之中燃烧的可燃气体，以便实现所述的温度增高。气化器(10)连接于一导管元件(18)，此导管元件设置得可把气化所需的一种含氧气体供向气化器，并且该气化器包括一些装置(34、35、36、37)，它们设置得可把供向气化器(10)的所述含氧气体的流量控制到一所需的水平。
Description
发明背景和先有技术
本发明涉及一种发电设备，它包括一燃烧室，一种可燃物质可以在其中发生燃烧，同时形成多种灼热的燃烧气体；一燃气轮机装置，设置为由上述多种燃烧气体驱动；一顶部燃烧器，设置为可把各种燃烧气体的温度提高到某一适合于燃气轮机装置的温度；一气化器，设置为可产生一种可燃气体用于在顶部燃烧器中燃烧以便实现所述温度的提高；以及各导管元件，用于把空气供给气化器。
本发明现在将结合一种充压流化床，一种所谓PFBC发电设备(充压流化床燃烧式(perssumized fluidized bed combustion)发电设备)，通过各种不同应用予以讨论和说明。不过，本发明不局限于这些应用，而是可以用于所有类型的发电设备之中，比如与不同类型的燃气轮机设备结合。可燃物质意味着可以燃烧的各种燃料，比如烟煤、褐煤、泥煤、生物燃料、可燃性页岩、油焦、废弃物、油类、氢气和其他各种气体，等等。
在一种通常PFBC发电设备中，流化床经由床下的各流化喷咀被提供来自一压力容器的为压缩空气形式的燃烧空气，压力容器封围着一燃烧室，流化床设于燃烧室中。在燃烧过程期间产生的多种燃烧气体通过流化床表面上的一超出段，之后它们受到净化并被输往一燃气轮机。该多种燃烧气体驱动此燃气轮机，燃气轮机依次一方面驱动一发电机，另一方面又驱动一向压力容器提供压缩空气的压缩机。在流化床中，燃料在大约850℃的温度下燃烧。为了产生蒸汽，形为一组管子的蒸汽发生器设置在流化床中。能量是经由一蒸汽系统中的、蒸汽通入其中的各蒸汽轮机从流化床取得的。在最大负荷时，整组管子位于流化床里面。PFBC发电设备，与燃料在大气条件下在一流化床中燃烧的其他一些类型的设备相比，其特征在于，相对于利用的输出来说，设备体积较小。PFBC设备的效率也是较高的。其次，PFBC设备之中的燃烧从环境和经济观点来看是在很有利的条件之下发生的。
一项PFBC技术一直难以解决并妨碍其获得真正高效率的难题是，在一流化床中例如煤炭燃烧的温度上限取决于煤炭质量通常等于850℃-950℃，这意味着，装在PFBC发电设备之中的燃气轮机的驱动气体具有的温度大致如同流化床中的温度那么高。由于涡轮机效率随驱动气体温度的增高而急剧地增高，所以需要较高的高达1200℃-1500℃的气体温度，使得从设备的燃气涡轮部分输出的功率达到一最佳水平。为了弥补这种弱点，提议借助于一某种燃料在其中燃烧的顶部燃烧室来提高离开PFBC燃烧室的各种气体的温度。在各种驱动气体通过顶部燃烧室时，气体温度可以在其被供向燃气轮机之前予以提高。
通过SE-B458955可以了解这一技术。其中也说明了如何借助于一气化反应器产生输往顶部燃烧室的燃料，在气化器中，煤炭在低于各种化学计量配比条件之下，在产生供向顶部燃烧室的可燃性气体期间被气化。所示的气化反应器构成一PFBC燃烧室的一个集合组成部分，并且因而位于封围PFBC燃烧室的容器内部。希望的是，这样一种气化反应器所排送的气体的气流比抵达顶部燃烧室的燃烧气体的气流具有较高的压力，使得它们可以被供向顶部燃烧室。目前，已经证明，无损失地调节发生在顶部燃烧室中的燃烧是很困难的。
JP-A-5/87315示出一种发电设备，包括一具有一流化床的气体反应器、一具有一流化床的燃烧室，以及一顶部燃烧室。出自气化器和燃烧室的各种排放气体经过净化并供向顶部燃烧室，在该处发生燃烧。出自顶部燃烧器的各种燃烧气体驱动一燃气轮机，而燃轮机依次又驱动一发电机和一压缩机，后者可压缩供向气化反应器，燃烧室和顶部燃烧室的空气。供向顶部燃烧室的燃烧空气借助于设置在燃烧室的流化床中的各空气管道进行热交换。
JP-A-5/93513显示一具有一气化反应器的发电设备，用于产生某种可燃气体。此可燃气体被净化处理并供向一顶部燃烧室。在气化器中形成的固态余渣产物被供向包括一流化床的一燃烧室，在其中它们被燃烧。同样，出自燃烧室的各种燃烧气体被净化并供向顶部燃烧室。顶部燃烧室还从外面供以氧气并发生燃烧，在顶部燃烧室中形成的各种燃烧气体用以驱动一燃气轮机。
发明概要
本发明的目的是，解决以上的难题，更加准确地说，找到调节供向气化器的含氧气体流量的一些途径，以便按此途径使所产生的可燃气体的数量适应顶部燃烧器的需要。
针对此目的，本发明提供一种发电设备，它包括：一燃烧室，一种可燃物质在其中发生燃烧，同时形成各种灼热的燃烧气体；燃气轮机装置，设置得由各种燃烧气体驱动；一顶部燃烧器，设置得可把各种燃烧气体的温度增高到某种适合燃气轮机装置的温度；一气化器，设置得可产生一种可燃气体，用于在顶部燃烧器中燃烧以实现所述的温度增高；以及各导管元件，用于把气化所需的一种含氧气体供向气化器；此导管元件包括一压缩机，由一驱动装置驱动并设置得可压缩供向气化器的所述含氧气体；其特征在于，此导管元件还包括一器件，设置得可调节压缩机驱动装置的转速，用于把供向气化器的所述含氧气体的流量控制到某一所需要的水平。
按照本发明的一实施例，此装置包括一压缩机，由一驱动装置驱动，并设置得可压缩供向气化器的所述含氧气体。其次，此装置可以包括一用于调节所述含氧气体流量的元件。
按照一有利的实施例，调节部件配置得可实现压缩机驱动装置的转速调节。这样一种流量调节易于实现，且使得损失较小。为此，驱动装置可以包括一电动马达。
按照另一有利的实施例，压缩机包括一带有一些叶片的转子，而调节部件配置得可以调节通过压缩机的流量。为此，调节部件可以包括至少一排可转动的导向叶片，设置在压缩机一或多个转子梯级的上游。这样一种实施例也使得损失较少。
按照另一实施例，燃气轮机装置包括至少一部涡轮机和一部压缩机，后者由涡轮机驱动，并且设置得可在燃烧室中燃烧所需的含氧气体被供向燃烧室之前压缩它。因而，由涡轮机驱动的压缩机可以有利地设置得在顶部燃烧器中的燃烧所需含氧气体被供向顶部燃烧器之前压缩此含氧气体。按照一有利的实施例，并且为了实现供向气化器的含氧气体的第一次压力增高，导管元件可以连接由涡轮机驱动的压缩机出口一端，并设置得使所述含氧气体(此气体已经在由涡轮机驱动的压缩机中被压缩)供向气化器。
本发明的发电设备的一些其他有利的实施例定义在各项独立的专利权利要求11-14之中。因此，应当特别指出，顶部燃烧器可以包括一顶部燃烧室，设置在燃烧室与燃气轮机之间。其次，燃气轮机装置可以包括至少一第一涡轮机和一第二涡轮机，而顶部燃烧器也可以包括一再加热器，设置在第一涡轮机与第二涡轮机之间，并设置得可在已经通过第一涡轮机的各种燃烧气体输进第二涡轮机之前提高它们的温度。
附图的简要说明
本发明现在将借助于范例所确定的各不同实施例更为详细地予以说明，这些实施例之一图示于所附图纸，此实施例的唯一图1示意性地表明一具有组合的一种气体与蒸汽循环(后者未画出)的PFBC发电设备。
不同的实施例的详细描述
一种PFBC发电设备，即一种在一加压流化床中燃烧颗粒燃烧的设备，示意性地示于图1。此设备包括一燃烧室1，装在一容器2之中，容器2可以具有数量级约为104立方米的容积，并可以加压至高达比如大约16巴。经过压缩的含氧气体3，在图示范例中为空气，被供向压力容器2，用于为燃烧室1充压并用于使燃烧室1之中的一床4流化，压缩空气经由布置在燃烧室1底部的、简略图示的各流化喷咀5供向燃烧室1，用于流化封装在燃烧室1中的床4。床4由床材料、粒状吸附剂和一种颗粒燃料，最好是粉碎的煤炭构成，后者在供向床4的流化空气中燃烧。出自床4的各种燃烧气体随后经由一净化装置6被进一步输导至一顶部燃烧室8，净化装置在此范例中是由一陶瓷类型并适用于高压的高温过滤器以及一截止阀7构成的。经由一出自已知类型的气化反应器10的导管9和经由另一高温过滤器11，一种可燃气体也输至顶部燃烧室8。气化反应器10是独立的，亦即配置得使它与燃烧室1分离并处在压力容器2之外。通往顶部燃烧室8的可燃气体的流量可由调节阀9a调节。在顶部燃烧室8中，各种可燃气体，通过一燃烧器(未画出)的作用，与经由一根来自一高压压缩机13的导管12供给的压缩空气结合发生燃烧，并且与来自燃烧室1的各种燃烧气体混合以便提高其温度，使得离开顶部燃烧室8的各种气体具有大约1200℃-1500℃的温度，这就使它们非常适合作为驱动气体，用于驱动形式为一种高压涡轮机的一部第一燃气轮机14。借助于顶部燃烧室8，所述各种燃烧气体的温度因而已从大约850℃-950℃增加到1200℃-1500℃。高压涡轮机14和高压压缩机13与一发电机15配置在同一转轴上，从发电机15可以获得有用的电能。高压压缩机13还把压缩空气经由导管16送至PFBC燃烧室1，导管12则是从导管16分支出来的。在此，一截止阀17配置在高压压缩机13与燃烧室1之间。高压压缩机13还经由导管18送出空气，用于气化反应器10中的气化。在产生可燃气体期间在气化反应器10中生成的其余燃料可以经由燃料导管19供向燃烧室1中的流化床4。
示于图中的PFBC发电设备属于先进的一类，因为它还具有一种为中压涡轮机方式的另一燃气轮机20，与高压涡轮机14和高压压缩机13安装在同一转轴21上。在高压涡轮机14之中膨胀并降低温度的气体经由一条导管22送往一再加热器23，它包括一所谓再加热燃烧室或再加热式燃烧室。再加热燃烧室23获得所述各种可燃气体的气流。此气流可由调节阀96调节并源自气化反应器10，还以与顶部燃烧室8同样的方式从高压压缩机13获得压缩空气，如图1所示，这是分别通过导管24和25获得的，从而这些可燃气体通过一燃烧器(未画出)燃烧，而这样生成的各种灼热的气体与来自高压涡轮机14的各种燃烧气体混合，以便在它们进一步通过导管26被送往中压涡轮机20之前再次增高它们的温度。以这样方式，从中压涡轮机20获取的出力可以显著地增大。
在中压涡轮机20中膨胀的各种燃烧气体被引向一低压涡轮机27。离开低压涡轮机27的各种燃烧气体仍然含有可以在一节热器28中加以利用的能量。低压涡轮机27装在一转轴29上，在此转轴29上还装有一低压压缩机30。低压压缩机30经由一过滤器31被供以大气空气。低压压缩机30因而由低压涡轮机驱动，并且从其出口处向高压压缩机13提供已经初步经过压缩的空气。低压涡轮机27的入口最好是以在一排导向叶片上的各个可控制的导向叶片的方式配有一流量调节装置(未画出)，这样第二转轴的转速可以改变。一中间冷却器32配置在低压压缩机30与高压压缩机13之间，以便降低供向高压压缩机13入口处的空气温度。
此外，此发电设备具有一蒸汽涡轮机侧，在此未画出，但借助于一组管子33表示出来了，它们埋设在流化床4里面，水在这组管子里流通循环，并通过在各管子与床层材料之间的热交换被汽化和过热，以便吸收在流化床4中进行的燃烧生成的热量。
用于把压缩空气供向气化反应器10并来自高压压缩机13的导管18包括一压缩装置34，在图示范例中，该装置是由一所谓增压压缩机构成的。此压缩机最好是由一电动机35驱动，但也可以由一蒸汽涡轮机驱动，此蒸汽涡轮机由一组管33供以蒸汽。借助于这一压缩机34，供向气化反应器10的空气气压，在需要由气化反应器10排送的气流具有的压力高于到达顶部燃烧室8和/或再加热燃烧室23的燃烧气流的压力时，可以进一步提高。因此，各种可燃性气体在每一给定压力状况下可以简单方式供向顶部燃烧室8和/或再加热燃烧室23。在气化反应器10中，液态或固态燃料被气化，在此范例中，颗粒煤炭在一低化学计量配比过程中以一种已知方式生成各种可燃气体。之所以以这种方式设置一部以高于PFBC流化床4的压力操作的独立式气化器，只不过是因为气化反应器10之中的气体压力必须高于燃烧室8、23之中的压力，以便能够调节燃烧的流量并把燃烧的流量均匀地分配在这些燃烧室之中。因而，在PFBC燃烧室1中的压力可能为16巴的情况下，在气化反应器10中可以达到大约26巴的压力。不过，为了能够更加精确地调节通向气化反应器10的空气流量，电机35可以连接于一图示的控制装置36，以便调节电机的转速。作为对于转速调节的一种代换或补充，还可以设置一图示的导向叶片装置37，比如为一排导向叶片上的一些导向叶片的方式，这些导向叶片可由一操纵部件控制并位于压缩机34里面或前面，亦即压缩机34的一或多个转子梯级的上游。以这样方式，有可能精确地调节通过压缩机34的空气流的大小，并因此精确地调节供向气化反应器10的空气数量。操纵部件因此可以连接于控制装置36。
依靠本发明的设备，就有可能借助于转速调节式压缩机34迅速提高气化反应器10之中的压力，从而导致更重要的各种可燃性气体流向顶部燃烧室8和再加热燃烧室23。因此，在这些燃烧室8、23中获得了比较剧烈的燃烧，而各种燃烧气体的温度可以迅速提高，这就使得可能从设备取得较大的出力。借助于转速调节装置35、36或导向叶片装置37来减小流量，气化反应器10之中的压力可以迅速降低，因而设备可以以相应的方式迅速地适应于较低的电力需求。
其次，来自高压压缩机13的导管18可以包括一换热器38，配置在压缩装置34的下游。来自气化反应器10的导管9也可以穿过换热器38延伸。因而，这意味着，供向气化反应器10的较冷的压缩空气将与离开气化反应器10的很热的可燃气体(800℃-1000℃)进行热交换。因而，通过换热器38的气体的温度可以降低到600℃以下的很低温度，这意味着，在较高温度下处于熔化的灰尘颗粒将在通过换热器38之后变成固态。从而，这些气体和熔化的灰尘颗粒会堵塞高温过滤器11的风险就大大地减少了。其次，过滤器11可以用通常的工艺制造，亦即不需使用烧结陶瓷热气过滤器，因为可燃气体的温度已经降低了。这样降低温度的另一优点是，调节阀9a、9b可以是通常的结构，亦即不需通过水的汽化和蒸汽过热以任何高级的冷却处理来确保这些调节阀9a、9b的功能。这种冷却处理是很昂贵的，并且要求其它的调节和安全设备。
本发明无论如何不局限于上述实施例，多种改型的可能性在以下各项专利权利要求的框架之内都是可能的，而且对于一位本技术领域中的熟练人员来说，显然的是，这些改型不偏离本发明的基本设想。
比如，本发电设备可能只具有两台燃气轮机，亦即不包括示于图1的中压涡轮机。为此，再加热燃烧室23增高了来自高压涡轮机14抵达低压涡轮机27的各种燃烧气体的温度，在这样一种情况下，此低压涡轮机27将接收压力高于上述的各种气体，并可以称为中压涡轮机。
虽然最好是，但并非必需是，本发明的PFBC发电设备具有一顶部燃烧室8；即使再加热燃烧室23的这些优点只有首先在有这样的顶部燃烧室8时才能发挥它们的作用。
当然，同样可能的是，在多于两台燃气轮机的情况下，如果需要，可在第二与第三燃气轮机之间的各种燃烧气体的路径之中配置一再加热燃烧室。
来自压缩机34的空气不需经由换热器38引导，而可以直接供向气化反应器。
并非必需从高压压缩机13取得到达独立的气化反应器10的空气，而是可以直接从大气取得。因此，本发明的可调节的压缩机34可以把大气空气在一或多个阶段中压缩到一所需的压力。
Claims (11)
1.一种发电设备，它包括：一燃烧室(1)，一种可燃物质在其中发生燃烧，同时形成各种灼热的燃烧气体；燃气轮机装置(14、20、27)，设置得由各种燃烧气体驱动；一顶部燃烧器(8、23)，设置得可把各种燃烧气体的温度增高到某种适合燃气轮机装置的温度；一气化器(10)，设置得可产生一种可燃气体，用于在顶部燃烧器中燃烧以实现所述的温度增高；以及各导管元件(18)，用于把气化所需的一种含氧气体供向气化器；此导管元件包括一压缩机(34)，由一驱动装置驱动并设置得可压缩供向气化器(10)的所述含氧气体；其特征在于，此导管元件还包括一器件(35、36、37)，设置得可调节压缩机驱动装置的转速，用于把供向气化器(10)的所述含氧气体的流量控制到某一所需要的水平。
2.按照权利要求1所述的一种发电设备，其特征在于，驱动装置包括一电动机(35)。
3.按照权利要求1或2所述的一种发电设备，其特征在于，压缩机(34)包括一带有一些叶片的转子，而且调节器件(97)设置得可调节通过压缩机的流量。
4.按照权利要求1所述的一种发电设备，其特征在于，调节器件(37)包括至少一排可转动的导向叶片，设置在压缩机(34)的一或多个转子梯级的上游。
5.按照权利要求1所述的一种发电设备，其特征在于，燃气轮机装置包括至少一台涡轮机(14、20、27)和一部压缩机(30、13)，后者由涡轮机驱动并设置得可在燃烧室(1)中燃烧所需的含氧气体被供向燃烧室之前压缩此气体。
6.按照权利要求5所述的一种发电设备，其特征在于，由涡轮机(14、20)驱动的压缩机(13)设置得可在顶部燃烧器(8、23)中燃烧所需的含氧气体被供向顶部燃烧室之前压缩此气体。
7.按照权利要求5所述的一种发电设备，其特征在于，导管元件(18)连接于由涡轮机(14、20)驱动的压缩机(13)的出口端，并且设置得能使已经在由涡轮机驱动的压缩机中被压缩的所述含氧气体供向气化器(10)。
8.按照权利要求1所述的一种发电设备，其特征在于，顶部燃烧器包括一顶部燃烧室(8)，设置在燃烧室(1)与燃气轮机装置(14、20)之间。
9.按照权利要求1所述的一种发电设备，其特征在于，燃气轮机装置包括至少一台第一涡轮机(14)和一第二涡轮机(20、27)，以及，顶部燃烧室包括一再加热器(23)，它设置在第一与第二涡轮机之间，并设置得可在已经通过第一涡轮机(14)的各种燃烧气体被导入第二涡轮机(20、27)之前增高它们的温度。
10.按照权利要求1所述的一种发电设备，其特征在于，燃烧室(1)属于一种包括一流化床(4)的类型。
11.按照权利要求10所述的一种发电设备，其特征在于，流化床(4)是充压式的。
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