CN1086773C - 电站设备的工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的电站设备工作方法，其中该设备主要由一台压缩机(4)、一个燃烧单元和一台涡轮机(12)构成，其中燃烧单元由一用于至少一部分燃烧用空气的准备级和一燃烧室构成，压缩机(4)输出的压缩空气(13)的一部分(13a)流经准备级并在此处首先与一定量的燃料(14a)混合。该混合气然后到达一发生器(8)，在该发生器中至少分馏出氢，该氢然后在燃烧室中得以应用。燃烧室由一点火燃烧器(1)、一催化级(2)和一后置的第二燃烧级(3)构成。不管是在发生器(8)中分馏的空气/燃料混合气(16a)，还是其它的压缩空气(13)都进入燃烧室，在燃烧室中，在此处工作的燃烧设备组都与设备的温度提升有关，为了最大限度的降低有害物质的污染将实现相互依赖的燃烧。
Description
本发明涉及一种至少由压缩机，燃烧单元和涡轮机构成的电站设备的工作方法。
就电站设备具有宽负载范围的燃烧室而言，总会反复地提出这样的问题，即怎么样才能实现高效、低有害物质的燃烧。其中虽然大多数NOx污染放在首位加以考虑，然而在未来还必须大幅度减少未燃尽的碳和氢物质及CO的污染。尤其是当涉及的是采用不同种类的燃烧时，总是表明，针对一种燃烧，例如油，及针对减少特定有害物质，例如NOx污染的设计不可能令人满意地转换成适合于其它种类的燃料和其它有害物质污染。就多级燃烧室而言，一直努力实现第二级的贫化运行。然而，只有在第二级的入口处充分高的温度占主导地位时，才能在低燃烧量情况下也可以实现在第二级的充分的燃烧，要实现此点，这就是说，必须保持在第一级的燃料/空气的混合恒定不变，对此点，虽然利用公知的扩散燃烧器进行燃烧时是可以实现的，但要承受不允许高的有害物质污染的负担。
对此，已知有一些建议，这些建议都针对在多级燃烧中设置一催化级。其中，催化作用可以针对燃烧前采用燃烧的转化，例如就气体燃烧而言，在CO2、H2O或H2、CO中的部分反应来实现。采用此方法时总是以相同的问题为基础，该问题一方面涉及针对投入使用的燃烧而设置的催化剂的起用和工作能力，另一方面涉及低污染燃烧混合物的正确的组份。
此外，还已知设有一催化中间燃烧级，该燃烧级位于第一燃烧级顺流侧。该前置的第一燃烧级的任务在于，为后置的催化燃烧建立条件，其中在该催化燃烧级，形成的整个燃烧/空气一混合物都应实现燃烧。很显然，由于在前置于催化级的燃烧中不可避免的有温度波动，因而很容易造成对催化剂的损伤或热损坏。
而且就有害物质污染而言，所述建议并不能令人信服：前置于催化剂的燃烧在其整个工作过程中产生出有害物质，所以始终存在一个有害物质污染的所谓的基本负载，该污染然后与通常由后续的燃烧产生的污染累加在一起，所以出于此原因减少有害物质的污染是不可能的。
此外，不应忽视的是，来自前置燃烧的废气在催化剂中的转化会产生新的有害物质，显然，其与有害物质有关的结论就所有细节而言尚未澄清，故与此有关地还存在着不确定性的问题。
本发明将提出补救措施。本发明的任务在于，采用本说明书引言部分中所述方式的方法，结合采用催化级减少在产生热燃气时的有害物质污染。
本发明提出一种连接，其基本由一助燃空气准备级，该燃烧用空气可以是纯空气或燃料/空气混合气，并由一后置的燃烧级构成。在该连接中，决定运行方案的准备措施是最重要的。通过一燃烧器进行点火，该燃烧器位于催化剂的顺流侧，下面将对其详述，其最高温度保持在限定范围。利用此点火燃烧器，电站设备的负载被提升到约20％。然后切换到燃烧供给，该燃烧供给仅向催化级馈送燃烧；在此的燃烧在温度高达约1000℃的情况下进行。接着接通第二燃烧级，该燃烧级在点火燃烧器的顺流侧，并且在该燃烧级制备出在标称温度上的热燃气。基本上是这样，为形成混合气对点火燃烧器和第二级直接馈送燃料。如上所述，就催化级而言，设有一单独的燃烧/空气混合气准备装置。为此，从主气流中提取出一部分压缩空气并首先预热。然后该空气与相应份额的燃料混合，根据预给定实现富化混合气。该混合气然后被引入发生器，在该发生器被分成不同的气体成份，其中有氢。最好此分馏通过催化剂实施，其中不用催化分馏也是可以的。接着，此分馏出的燃烧用空气在催化级的逆流侧与剩余的压缩空气和相应量燃料被准备成单一的混合气。只有在点火燃烧器用一部分压缩空气和燃料投入工作并且设备的负载如上所述被提升到约20％之后，催化级才开始工作。接着催化级和第二燃烧级投入运作，然后设备无论是温度还是负载都被提升到标称工作状态。
本发明的主要优点在于，催化级并不用热燃气或来自前置燃烧的废气加载，并因此没有大量有害物质的起始荷载。所以在催化级是用最佳混合物工作的，该混合物与在催化级中采用的催化剂的不同的工作参数相适配。就燃烧技术而言，来自催化级的热燃气在恒温条件下有害物质含量很少。
本发明的另一主要优点在于，来自设备级发生器的氢气的份额，该份额的氢气将辅助燃烧，尤其是辅助在催化级的燃烧。
仅用或主要用来自催化燃烧级的低有害物质的热燃气对第二燃烧级供料，这样就使所有情况的有害物质污染仅由接着的温度升高造成的。当然对第二燃烧级还要输入一定量的压缩空气，该压缩空气的计量应使随后调节的火焰温度不会导致设备的效率损失。
在下面的从属权利要求中对根据本发明的任务解决方案的有益的和相宜的进一步设计做了表述。
下面将对照附图对本发明的实施例做进一步的说明。所有对直接理解本发明不必要的器件在图中做了省略。相同的器件在不同的图中用相同的附图标记表示。介质的流向用箭头加以说明。
图1表示带有两级燃烧和一燃烧级间的催化级的燃气涡轮机的连接；
图2表示图1的连接组成部分的燃烧室；
图3表示作为燃烧室工作时的温度和负载曲线。
图1示出燃气涡轮机的连接，所涉及的涡轮机的机组为常规结构。一压缩机4用于提供压缩空气13，该压缩空气经温度处理作为热燃气15对涡轮机12加载。该涡轮机12输出的废气例如可以用于保持作为通用设备组成部分的蒸气回路的工作。在压缩机4的顺流侧有一部分13a的压缩空气13被分流并导入辅助压缩机5，在该辅助压缩机中进行附加压缩。此后，该空气流入热反应器6，由热源17对该热反应器6供热。同时还附加将水喷入该热反应器6，从而产生空气/蒸气混合气。在该热反应器6的顺流侧，对该混合气加入来自燃料总管14的燃料14a，该燃料预先流经换热器9。在后面的混合器7中制备成均匀的混合气，在该混合器中混合气的温度约为400℃左右。采用此方法形成或组成的混合气13b然后被送至后置的氢发生器8，在该发生器，起着燃烧用空气作用的混合气被分馏成多种气体成份，尤其是H2、CO、N2。为了减弱此处预给定的温度，这些气体成分流经已提及的换热器9，该换热器以换交热方式被同样已被提及的燃料14a穿流。采用此方式，经温度处理并分馏的燃烧用空气16a接着流入混合室10，在该混合室空气16a与另一燃料量14b配制成主混合气16b。该混合气16b接着流经催化级2。在该催化级2的出口侧设置有一个涡旋发生器11，该涡旋发生器11在点火燃烧器1的逆流侧起作用。在该点火燃烧器1的流向上接有第二个燃烧级3，在该点火燃烧器进行热燃气15的最终准备，接着热燃气对后面的涡轮机12加载。无论是点火燃烧器1，还是第二燃烧级3都分别通过加入相应的燃烧量14c或14d工作，这两个燃气料量同样是燃料总管的分流。涡轮机12输出的废气例如可以顺序燃烧的方式重新被制备成热燃气，或者如上所述，该废气可以用于制备蒸气，制备出的蒸气被用于驱动蒸气涡轮机。在下述的附图说明中将对点火燃烧器1，催化级2和第二燃烧级3以及各级间相互依赖的燃烧过程做进一步的说明。还有一点要加以说明的是，对压缩空气13和燃料总管14的各分流由配置的针对功能的调节机构19a、19b、19c、19d、19e、19f加以调整。
图2示出的以耦合燃烧室的形式的各燃烧级的实际结构，该燃烧室由一根单独的管或环室构成。在燃烧室为环形结构时，该燃烧室也可以由围绕轴设置的各管子构成。压缩空气13流入一混合室10，该混合室在图1中已经以相同位置做了示意表述，并且该混合室用于制备驱动催化级2的燃料/空气混合气。在混合室10和点火燃烧器1的燃烧室25之间有一个伸展的燃料总喷管24，该喷管一方面接受用于催化级2的总燃烧用空气13和16a燃料总管14b，并且另一方面接受用于驱动点火燃烧器1的燃烧用空气的供料。为了继续驱动该点火燃烧器1，最好设有供入所需空气的直接通路。此供料同样可通过燃料总喷管24或通过喷孔22由外部加入点燃烧器1的燃烧区25得以实现。催化级2位于混合室10的顺流侧，其燃烧是通过在该处设有的催化涂层以及设有的催化级实现的。构成催化级2的各催化剂级为针对透流的相应结构并涂覆有不同的催化材料，其结构应能实现所用燃料的最佳氧化和/或转化。此外，应保证有针对性的设计，应使即使就在催化级2产生的最高温度或最终温度而言也不得超过一定的极限。温度的升高应优选成适应在催化级2的各级逐渐升高，其中应逐级针对燃烧用空气的不同气体成份与相应催化材料的放热反应进行。该配合的最终目的在于，一方面力求实现减少有害物质的污染，另一方面由该催化级2制备出热均匀的热燃气，该热燃气在后置的第二燃烧级3应优选实现无燃烧器的燃烧，即通过在该处喷入的燃料量14d的自动点火实现燃烧。为此还需要在燃烧区25的四周相应径向设置用于引入相应燃料14d的燃料喷管20。分别视燃料的组份的不同，对此必要的温度约为800℃或800℃以上。鉴于设备的负载经点火燃烧器1仅提升到约20％，所以剩余的燃烧用空气量必须强制通过催化级2。如上所述，在该催化级的顺流侧连接有涡旋发生器11，该涡旋发生器11可引发涡流，该涡流将根据最佳标准感生混合和在第二燃烧级3的燃烧，此点就限定较窄的温高而言，将用于确保最大限度的降低有害物质的污染和最大限度的提高燃烧效率。在径向设置的燃料喷管20的顺流侧，为加入触发自燃的燃料14d，利用一截面跃阶21使对应于前置的燃烧区25的对后置燃烧室23的透流截面得到增大。在此级形成一回流区，该回流区起着稳定在此范围内焰锋的作用，从而避免了在逆流侧的回火，因此该回流区起着无形的火焰稳定器的作用。
图3示出在构成燃烧室的不同设备中取决于温度y变化的负载X的增大曲线。曲线26为从点火燃烧器1开始工作时的温度变化曲线。在负载为零时，用于点火燃烧器1的燃烧用空气的温度约为300℃。通过启动点火燃烧器1，由该燃烧实现的温度约为950℃，该温度与约20％负载相符。由于催化级2可以在来自发生器8的H2量的支持F从此点开始自己对燃烧用空气加热到950℃，故从20％负载开始可以把点火燃烧器1断开。从该图可以看出，在图1中表述的氢分量的形成构成对催化级2燃烧工作的支持。此外，该燃烧工作在很大程度上是由CH4保持的。如曲线27所示，在该催化级2出口处的温度保持在上述的约950℃的水平。如曲线28所示，后面的第二燃烧级3将热燃气温度提高到标称值，同时负载也相应增大。从95％负载开始进行向上的最后温度调整，其中为了在满负载时可以省去发生器8的辅助，压缩机出口温度可以充分的高。从图中还可以看出，在三个燃烧级间存在相互依赖关系，该关系的设计将最大限度地降低有害物质的污染和最大限度地提高设备的效率。
附图标记对照表1 点火燃烧器2 催化级3 第二燃烧级4 压缩机5 辅助压缩机6 热反应器7 混合器8 氢发生器9 换热器10 混合室11 旋涡发生器12 涡轮机13 压缩空气13a 压缩空气的分量13b 混合物14 燃料总管14a 14的分量，压缩空气中流经换热器的流体14b 14的分量，混合至中的流体14c 14的分量，点火燃烧器中的流体14d 14的分量，在第二燃烧级中的流体15 热燃气16 经分馏的燃烧用空气16a 经预热并分馏的燃烧用空气16b 混合物17 热源18 水19a-f 调节机构20 径向燃料喷管21 截面跃阶22 空气喷孔23 燃烧室24 燃料总管25 点火燃烧器1的燃烧区26 点火燃烧器1的温度变化曲线27 催化级2出口处温度变化曲线28 第二燃烧级中温度变化曲线X 设备负载变化曲线Y 设备温度变化曲线
Claims (3)
1.一种电站设备工作方法，该设备包括至少一台压缩机，至少一个燃烧单元和至少一台涡轮机，其中燃烧单元由一燃烧室和一接在燃烧室逆流侧的用于至少一部分燃烧用空气的准备级构成，其特征在于：压缩空气(13)的一部分(13a)流经准备级，与一定量的燃料(14a)混合并在氢发生器(8)中被分馏，并且接着流入燃烧室，余剩的压缩空气(13)同样流入燃烧室，用其中的一部分单独驱动属于燃烧室的点火燃烧器(1)并且用另一部分与来自准备级的经分馏的燃烧用空气(16a)有效结合驱动一位于点火燃烧器(1)逆流侧的并同样属于燃烧室的催化级(2)，并且经由催化级(2)和点火燃烧器(1)进行温度处理的总燃烧用空气流入一后置的第二燃烧级(3)，在该燃烧级进行制备热燃气的继续燃烧。
2.依照权利要求1的方法，其特征在于：分馏的燃烧用空气(16a)至少含有一定份额的氢，该份额的氢至少用于驱动催化级(2)。
3.依照权利要求1的方法，其特征在于：流入第二燃烧级(2)的经过温度处理的燃烧用空气应使通过的喷入燃料(14a)触发自燃。
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