CN108138601A - 运行燃气和蒸汽联合发电站的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行燃气和蒸汽联合发电站(10)的方法，其中，由燃气轮机(12)提供废气，所述废气被输入蒸汽发生器(20)，其中，借助输入所述蒸汽发生器(20)的废气并且借助所述蒸汽发生器(20)产生热蒸汽，借助所述热蒸汽通过至少一个涡轮机装置(22)驱动至少一个用于提供电流的发电机(30)，并且其中，输入所述蒸汽发生器(20)的废气被从所述蒸汽发生器(20)排出，其中，包含在所述蒸汽发生器(20)下游的废气中的热量的至少部分热量被用于实现吸热的化学反应。

Description

运行燃气和蒸汽联合发电站的方法
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于运行燃气和蒸汽联合发电站的方法。
从一般的现有技术中充分已知这种用于运行燃气和蒸汽联合发电站的方法以及这种燃气和蒸汽联合发电站(GuD发电站)。燃气和蒸汽发电站也称为联合循环发电站(Combined Cycle Power Plant)，并且包括至少一个涡轮机装置、至少一个可由涡轮机装置驱动的用于提供电流的发电机以及至少一个燃气轮机。如果发电机由涡轮机装置驱动，则发电机可将机械能转换成电能或电流并且提供该电能或电流。然后电流例如可以馈送到电网中。
在此，燃气轮机提供废气，借助该废气产生热蒸汽。例如将燃料、尤其气态的燃料例如天然气输入燃气轮机，其中，燃料借助燃气轮机燃烧。尤其除了燃料还附加地向燃气轮机供应氧气或空气，从而由空气和燃料形成燃料-空气混合物。所述燃料-空气混合物燃烧，由此产生燃气轮机的废气。借助该废气例如加热液体尤其是水并且由此使其蒸发，由此产生热蒸汽。这意味着借助燃气轮机的废气如此产生热蒸汽，即借助燃气轮机的热废气使液体例如水蒸发。
该蒸汽被输入涡轮机装置，从而使涡轮机装置通过蒸汽被驱动。如已经描述的那样，通过涡轮机装置或借助涡轮机装置驱动发电机。燃气和蒸汽联合发电站也称为燃气蒸汽组合发电站，其是结合了燃气轮机发电站和蒸汽发电站的原理的发电站。燃气轮机或其废气在此用作连接在之后的蒸汽发生器的热源，借助该蒸汽发生器产生用于涡轮机装置的蒸汽或产生用于驱动涡轮机装置的蒸汽。因此，该涡轮机装置构造为蒸汽涡轮机。
这意味着，燃气轮机提供其废气，该废气被输入蒸汽发生器。由此，借助输入蒸汽发生器的废气并且借助蒸汽发生器产生热蒸汽，借助该热蒸汽驱动涡轮机装置并且通过涡轮机装置驱动用于提供电流的发电机。此外，输入蒸汽发生器的废气至少部分地又被从蒸汽发生器排出。
业已证明，这种燃气和蒸汽联合发电站(GuD发电站)必须尤其依据电流需求关机，以使发电机不提供电流并且例如不被驱动，并且使得没有电流借助GuD发电站输入电网中。关机可能导致燃气和蒸汽联合发电站冷却，结果是燃气和蒸汽联合发电站的重新启动或者开机需要特别长的时间和特别高的能量需求。因此通常规定，在燃气和蒸汽联合发电站关机期间使燃气和蒸汽联合发电站保温。在此，借助蒸汽使燃气和蒸汽联合发电站保温。这种用于保温的蒸汽通常借助锅炉、尤其燃气锅炉产生。借助锅炉使得液体例如水蒸发，其中，为此使用燃料。借助锅炉产生的蒸汽至少被导引通过燃气与蒸汽联合发电站的一部分，以使其保温或被加热。这样燃气和蒸汽联合发电站在其关机之后可以在热启动范畴内启动，因为燃气和蒸汽联合发电站在那时具有已经足够高的能够被启动的温度。但是，随着燃气和蒸汽联合发电站关机时间的增长，由于发电站逐渐冷却，用于保温或者加热燃气和蒸汽联合发电站所需的蒸汽的量也增加。
本发明要解决的技术问题在于，改进开头所述类型的方法，使得能够实现特别高效的运行。
所述技术问题通过具有权利要求1的特征的方法解决。在其余的权利要求中给出具有本发明的适宜扩展设计的有利设计方案。
为了改进在权利要求1的前序部分中给出的类型的方法，使得能够实现特别高效的运行，按照本发明规定，包含在所述蒸汽发生器下游的燃气轮机废气中的热量的至少部分热量被用于实现吸热的化学反应、也就是吸收化学热的反应。这意味着例如从蒸汽发生器中流出的废气沿燃气轮机的废气流动方向在蒸汽发生器下游具有温度，从而在蒸汽发生器下游的燃气轮机废气中、也就是说在产生蒸汽后，在燃气轮机废气中包含有热量。包含在蒸汽发生器下游或者在蒸汽发生器之后的废气中的热量被用于实现吸热的化学反应。为此，将包含在废气中的热量输入吸热的化学反应或吸热化学反应的反应物。由此，输入吸热化学反应的热量的至少一部分热量储存在吸热化学反应的生成物中，从而能够实现一种热化学的存储器、尤其是热化学的蓄热器。
包含在蒸汽发生器下游的燃气轮机废气中的热量能够至少部分地储存在吸热化学反应的生成物中，其中，储存在生成物中的热量例如可以在稍后的时间点被利用和/或用于其它目的。
本发明的基础构思尤其在于，利用包含在蒸汽发生器之后的燃气轮机废气中的、通常未经利用就流失的热量，以便将包含在蒸汽发生器下游废气中的热量的至少一部分尤其储存在吸热化学反应的生成物中。
尤其可以储存热量用于远程加热。例如可以实现放热的化学反应、也就是说释放化学热的反应，其中，吸热化学反应的生成物是放热化学反应的反应物或者说用作放热反应的反应物。借助在放热化学反应的范畴内释放的热量可以高效地加热介质、尤其水。放热反应的生成物例如可以用作吸热反应的反应物。
能够利用热化学的蓄热器，以便在实现远程加热方面获得特别高的灵活性。尤其可以将热量或能量储存在热化学的蓄热器中，从而尤其当热量需求较高时能够借助储存在热化学蓄热器中的热量有效加热介质、尤其水。由于为此利用包含在蒸汽发生器下游的废气中的能量，所以可以实现特别高的效率。在吸热反应的生成物中储存并且在放热反应中释放的热量例如传递至介质，以便加热介质。这样，该介质例如可以用于加热目的、尤其用于实现远程加热。
在本发明的有利的实施方式中规定，包含在蒸汽发生器下游的废气中的热量的至少部分热量通过热交换器传导至吸热化学反应的反应物。
在本发明的有利的实施方式中规定，借助蒸汽发生器产生的蒸汽的至少一部分蒸汽被分支出来并且储存在蒸汽存储器中。此外，储存在蒸汽存储器中的蒸汽的至少一部分蒸汽被从蒸汽存储器中排出。借助在放热化学反应中释放的热量加热从蒸汽存储器中排出的蒸汽。此外，加热过的蒸汽被导引至涡轮机装置，借助所输入的加热过的蒸汽驱动、尤其加速该涡轮机装置。
在本发明的有利的实施方式中规定，吸热化学反应的生成物用作放热化学反应的反应物。
在本发明的有利的实施方式中规定，用于驱动涡轮机装置的加热过的蒸汽被输入所述涡轮机装置，以便将燃气和蒸汽联合发电站从第一负荷范围提高至相较第一负荷范围更高的第二负荷范围。
在本发明的有利的实施方式中规定，吸热化学反应在第二负荷范围中实现。
本发明也包括一种燃气和蒸汽联合发电站，所述燃气和蒸汽联合发电站设计用于实施按照本发明的方法。按照本发明的方法的有利设计方案被视为按照本发明的燃气和蒸汽联合发电站的有利设计方案，并且按照本发明的燃气和蒸汽联合发电站的有利设计方案也被视为按照本发明的方法的有利设计方案。
由以下对优选实施例的说明以及根据附图得到本发明的其它优点、特征和细节。以上在说明书中提到的特征和特征组合以及以下在对附图的描述中提及的和/或在唯一的附图中单独示出的特征和特征组合不仅能以相应给出的组合应用，也能以其它组合或单独地应用，而不超出本发明的范围。
在唯一的附图中示出燃气和蒸汽联合发电站的示意图，其中，使用热化学的蓄热器以便实现特别高的效率。
唯一的附图以示意图示出整体标记为10的燃气和蒸汽联合发电站，其也称为GuD发电站或发电站(以实现更好的可读性)。发电站包括至少一个燃气轮机12，例如在用于运行所述发电站的方法的范围内向燃气轮机12输送燃料。燃料向燃气轮机12的输送在图中通过方向箭头14表示。燃料尤其是气态的燃料、例如天然气。此外，如图中方向箭头16所示，将空气输入燃气轮机12。燃料借助燃气轮机12燃烧，由此产生燃气轮机12的废气。燃气轮机12由此提供废气，这在图中通过方向箭头18表示。在燃气轮机12中例如构成燃料和空气的混合物，其中，该混合物被燃烧。由此产生燃气轮机12的废气。
根据方向箭头18可见，废气被输入发电站的蒸汽发生器20。所述蒸汽发生器20也称为锅炉或蒸发器。此外，将尤其形式为水的液体输入蒸汽发生器20。在此进行从燃气轮机12的废气向水的热量转移，水以此被加热和蒸发。由此，由水产生蒸汽。这意味着借助燃气轮机12的废气和借助蒸汽发生器20由输入蒸汽发生器20的水(液体)产生蒸汽。由于从废气向水的热量转移，废气被冷却，因此废气例如以第一温度T1从蒸汽发生器20排出。第一温度T1例如至少基本上为90℃(摄氏度)。
所述发电站还包括涡轮机装置，该涡轮机装置整体标记为22，其在此包括第一涡轮机24和第二涡轮机26。涡轮机24例如设计为高压涡轮机，其中，涡轮机26设计为中压和低压涡轮机。借助燃气轮机12的废气和借助蒸汽发生器20产生的蒸汽输入涡轮机装置22，使得涡轮机装置22、尤其是涡轮机24和26借助产生的热蒸汽被驱动。借助涡轮机装置22将包含在热蒸汽中的能量转换成机械能，其中，机械能通过轴28提供。涡轮机装置22例如包括图中未详细示出的涡轮机轮，蒸汽被输送至涡轮机轮。以此借助蒸汽驱动涡轮机轮。涡轮机轮例如与轴28抗扭地连接，因此在借助蒸汽驱动涡轮机轮时，轴28被涡轮机轮驱动。
发电站还包括至少一个发电机30，该发电机30通过轴28由涡轮机装置22驱动或者能够由其驱动。由此，通过轴28提供的机械能输入发电机30，其中，借助发电机30将所输入的机械能的至少一部分转换为电能或电流。发电机30能够提供例如可馈送到电网中的电流。
蒸汽从涡轮机装置22排出并且输入起冷凝器作用或设计为冷凝器的热交换器32。蒸汽借助热交换器32冷却，以此使得蒸汽冷凝。蒸汽以此再次变成前述的水，其可以重新输入蒸汽发生器20。
为了借助热交换器32冷却蒸汽，例如将冷却介质、尤其是冷却液输入热交换器32。在此，可以进行从蒸汽向冷却液的热量转移，蒸汽以此被冷却并且接着冷凝。
所述发电站具有图中未详细示出的多个管路，借助燃气涡轮机12的废气产生的蒸汽的各个蒸汽流通过管路流动。这些蒸汽流可以具有不同的温度。在图中示出借助燃气轮机12的废气产生的蒸汽的不同温度T2、T3和T4，其中，温度T2例如为595℃、温度T3为360℃、以及温度T4为240℃。水例如以温度T5离开冷凝器，温度T5例如为40℃。
根据电力需求，即根据需由电网提供的电流的量使发电站启用、即开机，和停用、即关机。例如在只有较低的电力需求时，发电站关机。如果电力需求增加，则发电站在关机后再开机。时间上在发电站关机之后的这种开机优选地以热启动进行，以便能够快速地和节能地使发电站开机。为了实现这种热启动，尤其为了实现特别节能的热启动，发电站在关机后和在发电站关机的时间期间被保温或加热，以避免发电站过度变冷或冷却。
可以看到的是，燃气轮机12提供其废气，该废气被输入蒸汽发生器20。此外，水也被输入蒸汽发生器20。借助燃气轮机12的输入蒸汽发生器的废气并且借助蒸汽发生器20至少部分加热水并且使水蒸发，由此产生蒸汽。此外，燃气轮机12的输入蒸汽发生器20的废气至少部分被从蒸汽发生器20中排出。
现在，为了实现特别高的效率或特别高效的运行，所述发电站包括热化学的蓄热器34，该蓄热器34例如由至少一个反应器构成或者说包括至少一个反应器。由于燃气轮机12的废气参照燃气轮机12的废气的流动方向在蒸汽发生器20的下游、即在蒸汽发生器20之后具有温度T1，因此在燃气轮机12的处于蒸汽发生器20下游的废气中包含热量。
如图中通过方向箭头36所示，在燃气轮机12的处于蒸汽发生器20下游的废气中包含的热量的至少一部分热量被输入热化学的蓄热器34(反应器)。输入热化学蓄热器34的热量被用于实现吸热的化学反应。换言之，借助源自从蒸汽发生器20排出的废气并且被输入热化学蓄热器34的热量实现吸热的化学反应。由此，输入热化学蓄热器34的热量或者输入热化学蓄热器34的热量的至少一部分热量储存在吸热化学反应的生成物中，其中，储存的热量可以按需使用。
在燃气轮机12的处于蒸汽发生器20下游的废气中包含的热量的至少一部分热量例如通过至少一个热交换器38输入热化学蓄热器34、尤其是吸热化学反应或吸热化学反应的反应物，至少一部分废气流经热交换器38。在此进行从废气经由热交换器38至吸热化学反应的反应物的热传递。参照废气的流动方向，热交换器38布置在蒸汽发生器20的下游。
由于所述热传导，蒸汽变冷。如图中通过方向箭头40所示，输入热交换器38的废气例如从热交换器38排出并且在热交换器的下游例如具有温度T6，温度T6为70℃并且低于温度T1。此外，废气可以具有884kg/s的质量流和1bar的压力。此外，从蒸汽发生器20中流出的废气的至少一部分被输入热交换器38或热化学的蓄热器34。
吸热的化学反应例如是化学平衡反应的正反应。在正反应的范畴内，由吸热化学反应的反应物产生吸热化学反应的生成物(正反应)。
化学平衡反应也包括逆反应，该逆反应设计为放热的化学反应。在此，正反应的生成物是逆反应的反应物，其中，逆反应的生成物是正反应的反应物。正反应和/或逆反应例如在反应器、也就是说在热化学的蓄热器34中进行。
在逆反应的范畴内，热量被释放。在逆反应范畴内释放的热量能用于加热目的、尤其远程加热。例如可以考虑的是，借助在逆反应范畴内释放的热量产生蒸汽和/或对制备好的蒸汽进行加热、尤其是过热，以便借助所产生或加热的蒸汽加热例如发电站的至少一部分，或者驱动、尤其加速涡轮机装置22，从而例如能够将发电站的功率从第一负荷范围提高至相较第一负荷范围更高的第二负荷范围。
然而当前，在逆反应中释放的热量被用于加热目的、尤其远程加热。借助在逆反应中释放的热量例如加热尤其形式为水的流体。水被输入热化学蓄热器的另一热交换器42，这在图中通过方向箭头44示出。在逆反应中释放的热量通过热交换器42输入流过热交换器42的水，由此使水被加热。加热后的水被从热交换器42排出，这在图中通过方向箭头46示出。水例如具有1100kg/s(千克每秒)的质量流。水例如以温度T7被提供，其中，水以温度T7输入热交换器42。借助热交换器42将水加热至温度T8，其中，温度T7例如为65℃(摄氏度)并且温度T8例如为100℃。因此温度T8高于温度T7，其中，水在热交换器42的上游具有温度T7并且在热交换器42的下游具有温度T8。此外例如规定，水具有14.5bar的压力，其中，水以该压力和温度T7被提供并且输入热交换器42。
由于当废气为90℃时发生正反应，因此在90℃时热反应的蓄热器被装载。由于借助热化学的蓄热器34将水加热至130℃，因此在130℃时热化学的蓄热器34被卸载。
通过使用热交换器38能够实现在空间上将正反应的反应物与废气隔开，从而使废气不会直接接触正反应的反应物。备选地可以考虑，废气直接接触正反应的反应物，并且在此迎流或绕流正反应的反应物。那么例如就取消热交换器38。这也可以转用在逆反应上：通过使用热交换器42实现在空间上将逆反应的反应物和/或生成物与借助释放的热量被加热的水隔开，从而使水不直接接触逆反应的反应物和/或生成物。备选地可以考虑，水直接接触逆反应的反应物和/或生成物，并且在此迎流或绕流逆反应的反应物和/或生成物。那么例如就取消热交换器42。
例如可以利用通过热化学蓄热器34加热的水向家庭供应热水和/或向家庭供暖。由此，总体上能够实现特别高效的过程。此外可以实现特别高的供热灵活性。尤其可以考虑通过热化学蓄热器34以节能的方式覆盖峰值负荷或较高的热量需求，这是由于包含在蒸汽发生器20下游的废气中的能量的至少一部分能量至少间接地用于加热水。根据废气和水的质量流，可以考虑只将蒸汽发生器20下游废气的一部分废气输入热交换器38和/或仅将一部分水输入热交换器42，以便能够借助热化学的蓄热器34尤其确保至少基本上持续地加热水。

Claims (7)

1.一种用于运行燃气和蒸汽联合发电站(10)的方法，其中，由燃气轮机(12)提供废气，将所述废气输入蒸汽发生器(20)，其中，借助输入所述蒸汽发生器(20)的废气并且借助所述蒸汽发生器(20)产生热蒸汽，借助所述热蒸汽通过至少一个涡轮机装置(22)驱动至少一个用于提供电流的发电机(30)，并且其中，输入所述蒸汽发生器(20)的废气被从所述蒸汽发生器(20)排出，
其特征在于，
包含在所述蒸汽发生器(20)下游的废气中的热量的至少部分热量被用于实现吸热的化学反应。
2.按照权利要求1所述的方法，
其特征在于，
包含在所述蒸汽发生器(20)下游的废气中的热量的至少所述部分热量通过热交换器(38)传导至吸热化学反应的反应物。
3.按照权利要求1或2所述的方法，
其特征在于以下步骤：
-将借助所述蒸汽发生器(20)产生的蒸汽的至少部分蒸汽分支出来并且将分支出来的蒸汽储存在蒸汽存储器(34)中；
-将储存在所述蒸汽存储器(34)中的蒸汽的至少部分蒸汽从所述蒸汽存储器(34)中排出；
-借助在放热化学反应中释放的热量加热从所述蒸汽存储器(34)中排出的蒸汽；并且
-将加热过的蒸汽导引至所述涡轮机装置(22)，借助所输入的加热过的蒸汽驱动所述涡轮机装置(22)。
4.按照权利要求3所述的方法，
其特征在于，
吸热化学反应的生成物用作放热化学反应的反应物。
5.按照权利要求3或4所述的方法，
其特征在于，
将加热过的蒸汽输入所述涡轮机装置(22)以驱动所述涡轮机装置(22)，以便将所述燃气和蒸汽联合发电站(10)从第一负荷范围提高至相对第一负荷范围更高的第二负荷范围。
6.按照权利要求5所述的方法，
其特征在于，
吸热化学反应在第二负荷范围中实现。
7.一种燃气和蒸汽联合发电站(10)，设计用于实施按照前述权利要求之一所述的方法。
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