CN1086292A - 一种燃气及蒸汽涡轮机设备及其工作方法 - Google Patents

一种燃气及蒸汽涡轮机设备及其工作方法 Download PDF

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Abstract

在一种燃气及蒸汽涡轮机设备(1a，1b)中，利用 一个通过烟气通道(9)连接到燃气涡轮机(2)后方的 蒸汽发生器(15)使包含在燃气涡轮机(2)的减压烟气 (RG)中的热量被用来产生蒸汽涡轮机(10)用的蒸 汽。为了达到一种保养的工作方式，根据本发明在出 现一种设备(1a，1b)的严重运行状况时，通过在减压 烟气(RG)中加入水(W)来减小减压烟气(RG)的温 度(T)。为此该设备(1a，1b)最好包括设在烟气通道 (9)中的喷入装置(60)，该喷入装置与一个储水池 (12，94；96)相连接，最好是与蒸汽涡轮机(10)的水- 蒸汽循环路线(12)相连接。

Description

本发明涉及一种燃气及蒸汽涡轮机设备的工作方法，其中在燃气涡轮机的减压烟气中含有的热量被利用来产生蒸汽涡轮机的蒸汽。本发明还涉及根据这种方法工作的燃气及蒸汽涡轮机设备。
在一种燃气及蒸汽涡轮机设备中，在燃气涡轮机的减压烟气中含有的热量被利用来产生蒸汽涡轮机的蒸汽。其热的传递是在连接到燃气涡轮机后面的一个蒸汽发生器中进行的，其中热交换面设置成管子或管束的形式并且连接到蒸汽涡轮机的水-蒸汽循环路线中。该水-蒸汽循环路线通常包括两个压力级，其中每个压力级的热交换面被划分成一个预热器，一个蒸发器及一个过热器。这样一种燃气及蒸汽涡轮机设备例如已由欧洲专利文献0148973公开了。
在进入到蒸汽发生器中的减压烟气的高温下及在可提供到水-蒸汽循环路线中大的总水流量情况下，离开蒸汽发生器的烟气温度可达到非常地低。这意味着在满负载运行中该设备的效率特别高。因此，通常减压烟气所供给到的设备部件、也即蒸汽发生器或余热锅炉及它的内部结构是设计用于满负载或额定负载工作的。
在这样一种设备运行时，不过，在不同的运行状态下被带到蒸汽发生器中的热量是不同的。由于该设备部件的不同动力特性，也即与燃气涡轮机设备相比较蒸汽涡轮机设备具有大的延迟时间或反应时间，因此经常出现严重的工作状态。这样，例如在起动或负载变换运行时，尤其是在所谓快速起动或快速负载改变时，就出现了大的温度梯度和/或温度随时间的变化及减压烟气质流的跳跃性改变。这些变化在超过确定的最大值的情况下，随着时间的进程会导致设备部件的损害或减少其寿命。该蒸汽发生器也可能由于这样一种工况而遭损害。
因此燃气涡轮机设备通常在起动及负载变化工况时要进行节流。这个节流一般是这样实现的，即单位时间内供给到燃气涡轮机燃烧室的燃料量需与减压烟气每次元件的温度变化相关地受到控制。在极端情况下，减压的烟气将经过蒸气发生器前方的一个旁路烟道被导走。这对于一个燃气及蒸气涡轮机设备来说却意味着设备的可利用性能受到限制。
在一种没有旁路烟道的燃气及蒸汽涡轮机设备中会出现严重的工作情况，尤其是当设备工作在所谓单循环工况时。在这种工况时燃气涡轮机仅被利用来产生气流。而在蒸汽发生器中被产生出来的蒸汽必须在蒸气涡轮机中无能量转换地被直接导入到水-蒸汽循环路线中。在蒸汽发生器中另外产生的蒸汽是为了避免由于允许的热交换面的较高温度形成的热交换管的干燥所必须的。
虽然通过采用专门的、高质量的并由此是昂贵的材料来制作所涉及的设备部件可使其损害保持在很小范围，但是由于在设备部件上出现的高热负荷，至今使得燃气涡轮机的快速起动及急剧负载变化的可能性受到极端的限制。在这些工况时不能使用烟气净化用的催化剂。
本发明的任务因此在于：开发一种燃气及蒸气涡轮机设备的工作方法及这样一种设备，其在所有的工作状态中，也包括在起动或负载变化的工况中，当出现严重的运行状况时，能实现尽可能保养的工作方式并同时地达到高的总效率。
对于这个方法根据本发明将这样来解决这个任务：在达到燃气及蒸汽涡轮机设备的严重工作状态时，利用将水加入到减压烟气中来减少减压烟气的温度。
为了确立单位时间中引入水量的调节参数可以测量减压烟气的温度或温度的变化。有利的是与路径有关的和/或与时间有关的烟气温度变化相关地引入水量。
为了避免低于减压烟气的露点，在本方法的进一步构型中可这样导入水，即使得从燃气涡轮机后面所连接的蒸汽发生器中出来时的烟气温度不低于一个预定的最小值。在一种相应的调节或控制方面这个最小值可以作为输入参数预先给出;此外也可以测量燃气涡轮机燃烧室中燃烧时燃料的含硫量及燃料与空气的比例，以及烟气的湿度。
带进到烟气中的水可用合适的方式从蒸汽涡轮机的水-蒸汽循环路线中取出。并且也可使水从燃气涡轮机燃烧室的水通路或水源中被分出。在该水源中所提供的水通常用作在燃气涡轮机燃烧室中燃料燃烧时减少氧化氮的形成。
对于这种燃气及蒸汽涡轮机设备，其包括一个通过烟气通道连接在燃气涡轮机后面的蒸汽发生器，用来在蒸汽涡轮机的水-蒸汽循环路线中产生蒸汽，根据本发明对所述任务的解决是通过在烟气通道中引入水的装置来实现的。
这种引入水的装置可包括一个设在烟气通道内的喷入装置，该喷入装置与储水池相连接。
在其有利的构型中，该喷入装置至少与一个可依赖烟气温度调节的调节机构相连接。
为了检测与路径有关的和/或与时间有关的温度变化，以合适的方式沿烟气路径设有至少两个温度传感器。这两个温度传感器可用有利的方式设置在烟气通道内，也即在燃气涡轮机与蒸汽发生器之间的区域中。另一个温度传感器可设置在蒸气发生器内。此外，在蒸汽发生器的输出端可设置一个温度传感器，该传感器与监测一最小值的装置相连接。利用该传感器可以保证从蒸汽发生器输出时的烟气温度不会降低到酸露点以下。
喷入装置在其有利的构型中包括一定数目的喷嘴。对此可以设置集中在烟气通道中的一个喷嘴网。也可以将具有相应尺寸的喷嘴设置在烟气通道的周围，例如在一个烟道壁或多个烟道壁上。这种变型具有的优点是，喷嘴可以自保护并且不引起任何烟道中的实质附加压力的损耗。
以下将借助于一个附图来说明本发明的实施例。该图概要地表示具有一个在烟道中的水喷入装置的燃气及蒸汽涡轮机设备。
图示的这个燃气及蒸汽涡轮机设备包括一个燃气涡轮机设备1a及一个蒸汽涡轮机设备1b。该燃气涡轮机设备1a包括一个燃气涡轮机2和与其连接的空气压缩机3与发电机4，以及一个连接在燃气涡轮机前方的燃烧室5，该燃烧室5与空压机3的新鲜空气导管6相连接。烟气导管用标号8表示，而燃气涡轮机2的烟气通道用标号9表示。
该蒸汽涡轮机设备1b包括一个蒸汽涡轮机10及与其连接的发电机11，并在一个水-蒸汽循环路线12中包括一个连接在蒸汽涡轮机10后方的冷凝器13及一个连接在该冷凝器13后方的储水容器14及一个蒸汽发生器15。
为了将减压烟气或废气RG从燃气涡轮机2导入到蒸汽发生器15中，在蒸汽发生器15的输入端15a处连接了一个烟气通道9。减压烟气RG通过它的输出端15b在一个（未示出）烟筒的方向上离开该蒸汽发生器15。
该蒸汽发生器15包括属于低压级的作为热变换面的一个冷凝水预热器20，一个蒸发器22及一个过热器24，以及属于高压级的一个节能器26，一个蒸发器28及一个过热器30。过热器30及24各与蒸汽涡轮机10的高压部件10a或低压部件10b相连接。
预热器20不但在输入侧通过一个连接有一个循环泵34及一个阀36的导管32，而且在输出侧通过一个连有阀40的导管38与储水容器14相连接。冷凝器13通过一个连接有冷凝水泵44的导管42同样地与储水容器14相连接。
一个与蒸发器22及过热器24相连接的低压级中的水-蒸气分离器46通过连接有一个阀50及一个低压泵52的导管48同样地在输出端与储水容器14相连接。
高压级的节能器26在其输入侧通过连接有一个高压泵54及一个阀56的导管53与储水容器14相连接，并在输出侧与一个水-蒸汽分离器58相连接。在该水-蒸汽分离器58上还连接有高压级的蒸发器28及过热器30。
在烟气通道9中设置了一个喷入装置60，它通过一个管道62与一调节机构64相连接。该非常简化地图示出的喷入装置60包括一定数目的喷嘴66，它们集中地设置在烟气通道9中或设置在烟道9的周围。这些喷嘴66例如可以是通过烟道9的横截面以网状分布设置的。为了避免烟道9中的压力损失，该喷嘴66也可直接地设置在烟道9的壁上。
该调节机构64例如是一个阀，它与一个调节装置或测量值给出装置68相连接。装置68在输入侧与温度传感器70至73相连接，这些传感器沿着烟气路径分布地设置。其中传感器70及71设在烟气通道9中，而传感器72设置在蒸汽发生器15中。传感器73位于蒸汽发生器15的输出端15b附近。
在燃气及蒸汽涡轮机设备1a，1b运行时，将燃料B输出到燃烧室5中。该燃料B将用来自空压机3的压缩空气L进行燃烧。在燃烧时形成的热烟气RG′经由烟气导管8被导入到燃气涡轮机2中。在那里热烟气被减压并驱动燃气涡轮机2。后者又使空压机3及发电机4驱动。由该燃气涡轮机2输出的减压的且仍是热的烟气RG经由烟气通道9导入到蒸气发生器15中，并在那里被用于产生蒸汽涡轮机10用的蒸汽。
由蒸汽涡轮机10的低压部件10b出来的蒸汽通过蒸汽导管80输送到冷凝器13，并在那种里进行冷凝。该冷凝水经过泵44被泵到储水容器14中。为了对储水预热，通过循环泵34将可由阀36和40调节的储水部分量经由预热器20导入到一个环路中。
被预热的储水通过低压泵52被压到低压级的水-蒸汽分离器46中以及通过高压泵54及节能器26被压到高压级的水-蒸汽分离器58中。单位时间中相应的储水量借助于阀50及56进行调节。
在低压级中，储水通过循环泵82并经由蒸发器22被又泵回到水-蒸汽分离器46中。由此所产生的蒸汽与水相分离并在过热器24中进行过加热。该过热的蒸汽在蒸汽涡轮机10的低压部件10b中被减压，并且通过导管80流到冷凝器13中。
在高压级中，处于高压下的储水首先在节能器26中被加热并在蒸发器28中被蒸发，蒸发器28通过循环泵84与水-蒸汽分离器58相连接。蒸汽将在过热器30中过加热，并被输送到蒸汽涡轮机10的高压部件10a中。从那里被减压的蒸汽与在低压级中产生出的蒸汽一道被导入到蒸汽涡轮机10的低压部件10b中。
由热的减压烟气RG加载的设备部件，也就是蒸汽发生器15的壁及它的内部结构，尤其是热交换面20至30，通常是为了实现满载时设备的高效率而设计的。在部分负载的情况下首先经常是燃气涡轮机2的功率下降并带来了减压烟气RG温度T下降的后果。这又引起了产生出的蒸汽量的减少及可提供的总水量或储水流的超正比例下降的后果。在一次重新的负载变化时，亦或在燃气涡轮机起动时，由于烟气温度T的急剧上升或由于减压烟气RG较大的温度变化和/或质流变化，在同时地提供较小的储水量时就会达到严重的运行状况，在进入到这样一种严重的运行状态时，减压烟气RG的温度T通过在该减压烟气RG中引入水W来使其下降。
水W将通过喷入装置60的导管62输入，并借助于喷嘴66喷入到烟气RG中，也就是到烟气流中。如图中虚线100及101所示地，喷入装置60的水源可来自于不同的储水池。合适的作法是水W取自于水-蒸汽循环路线12。为此，在导管32上连接了一个具有阀92的支管90，后者与一容器94相连接。该容器94也作为蒸汽涡轮机10的水-蒸汽循环路线12的储水池。水W也可以通过阀98取自于用于燃气涡轮机2的燃烧室5的一个水通路96。
为了调节单位时间中被带入到烟气通道9中的水量，在装置68中构成的调节参数S需提供给调节机构64。为此，借助于温度传感器70，71，72来测量减压烟气RG的随时间变化的温度曲线T及在可能情况下测量减压烟气RG的空间温度分布△T。此外，减压烟气RG在从蒸汽发生器15中输出时的温度T′利用温度传感器73进行测量。该温度T′在装置68中与一个预给定最小值或参照值Ts相比较。由此就可以避免烟气温度T′低于酸露点。此外燃料B的含硫量S，燃烧室5中燃烧时燃料B与空气L的比例BL以及烟气的温度F也作为装置68的其它输入参数。
通过在出现严重的运行情况时在减压烟气RG中加入水W使得燃气涡轮机设备相对于蒸汽涡轮机设备的不同动力特性在一定程度上得到平衡，这样就在一方面达到了保养的工作方式并在另一方面达到了高的设备可支配性能。

Claims (10)

1、一种燃气及蒸汽涡轮机设备的工作方法，其中在燃气涡轮机减压烟气中含有热量被利用来产生蒸汽涡轮机的蒸汽，其特征在于：在达到一种严重的工作状态时，利用将水(W)加入到减压烟气(RG)中来减少减压烟气(RG)的温度(T)。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于：与路径和/或时间有关的烟气温度（T）的变化相关地引入水（W）。
3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于：这样地输入水（W），即从燃气涡轮机（2）后面所连接的蒸汽发生器（15）中出来时的烟气（RG）的温度（T′）不低于一个预定的最小值（Ts）。
4、根据权利要求1至3的方法，其特征在于：带进到烟气（RG）中的水（W）从蒸汽涡轮机（10）的水-蒸汽循环路线（12）中取出或是从燃气涡轮机（2）的燃烧室（5）的水通路（96）中取出。
5、燃气及蒸汽涡轮机设备，它利用一个通过烟气通道（9）连接在燃气涡轮机（2）后方的蒸汽发生器（15）产生用于蒸汽涡轮机（10）的水-蒸汽循环路线（12）中的蒸汽，尤其是实施根据权利要求1至4方法的设备，其特征在于：将水（W）带入到烟气通道（9）中的装置（60，66）。
6、根据权利要求5的设备，其特征在于：这种引入水（W）的装置包括一个设在烟气通道（9）内的喷入装置（60），该喷入装置与一储水池（12，94，96）相连接。
7、根据权利要求6的设备，其特征在于：该喷入装置（60）至少与一个可依赖烟气温度（T）调节的调节机构（64）相连接。
8、根据权利要求5至7中一项的设备，其特征在于：为了与路径有关地测量温度，沿烟气路径设置了两个温度传感器（70，71）。
9、根据权利要求5至8中一项的设备，其特征在于：为了监测蒸汽发生器（15）输出端（15b）处的烟气温度（T′）设置了一个温度传感器（73），该传感器（73）与监测一最小值（Ts）的装置（68）相连接。
10、根据权利要求6至9中一项的设备，其特征在于：喷入装置（60）包括一定数目的喷嘴（66），它们集中地设置在烟气通道（9）中或设置在烟气通道的周围。
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