CN109804140B - 蒸汽和燃气轮机装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括燃气轮机单元(A)和蒸汽轮机单元(B)的蒸汽和燃气轮机装置，其中，燃气轮机单元(A)部分地由至少以下部件组成：位于压缩机轴(4)上的气体压缩机(1)、燃烧室(2)和位于燃气轮机轴(5)上的燃气轮机(3)；并且其中，蒸汽轮机单元(B)部分地由以下部件组成：封闭的蒸汽管道(6)，在所述封闭的蒸汽管道(6)中容纳至少以下部件：泵(7)；蒸汽转换器(8；50)，所述蒸汽转换器(8；50)在操作时与来自燃气轮机(3)的气体(3b)进行热交换接触；位于蒸汽轮机轴(10)上的蒸汽轮机(9)；以及冷凝器(11)。

Description

蒸汽和燃气轮机装置
本发明涉及包括燃气轮机单元(A)和蒸汽轮机单元(B)的蒸汽和燃气轮机装置，其中，燃气轮机单元(A)部分地由至少以下部件组成：位于压缩机轴上的气体压缩机、燃烧室和位于燃气轮机轴上的燃气轮机；并且其中，蒸汽轮机单元(B)部分地由以下部件组成：封闭的蒸汽管道，其中容纳至少以下部件：泵；蒸汽转换器，所述蒸汽转换器在操作时与来自燃气轮机的气体进行热交换接触；位于蒸汽轮机轴上的蒸汽轮机；以及冷凝器。
蒸汽和燃气轮机装置是众所周知的，并且在工业上以各种不同的配置使用。例如，在荷兰专利第1028373C1号中公开了根据上述介绍的蒸汽和燃气轮机装置的示例。
上述已知的蒸汽和燃气轮机装置的已知变型是相对复杂的装置，在将产生的动力传递至负载方面具有许多结构缺陷和限制，因此这样的装置的总效率也受到限制。
根据权利要求1介绍的蒸汽和燃气轮机装置公开在例如德国专利公开第DE102010033659号或英国专利公开第GB671702号中。
本发明的目的是提供根据上述介绍的不具有与多轴变型和单轴变型相关联的缺点的蒸汽和燃气轮机装置。更具体地，本发明的目的是提供结构简单且没有各种复杂的附加部件的蒸汽和燃气轮机装置。
根据本发明，根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的特征在于如下事实：燃气轮机单元(A)还包括至少一个热交换器，该热交换器使来自燃烧室的可燃烟道气体与来自气体压缩机的气体进行热交换接触。
其结果是，可以以更加功能的方式部署该装置，并且还可以在仅具有燃烧室的操作条件下实现该装置。
更具体地，蒸汽转换器包括蒸汽发生器，该蒸汽发生器在操作时与来自燃烧室(2)的可燃烟道气体进行热交换接触。
通过另外的功能实施方式，该装置另外包括第一空气预热器，该第一空气预热器使蒸汽管道与来自气体压缩机的气体进行热交换接触。其结果是，来自气体压缩机的压缩气体被蒸汽管道中的蒸汽预热，这显著地提高了热交换器和燃气轮机的效率。
在这种情况下，第一空气预热器可以被容纳在装置的从蒸汽发生器观察的下游中并且在从至少一个热交换器观察的上游中。更具体地，第一空气预热器被容纳在装置的从蒸汽轮机观察的下游中。这具有以下优点：蒸汽管道中的蒸汽首先在高温下通过蒸汽轮机，这改善了向蒸汽轮机轴的动力传递。
此外，该装置包括第二空气预热器，该第二空气预热器使来自燃气轮机的气体与来自气体压缩机的气体进行热交换接触。同样，在这种情况下，可以经由从来自燃气轮机的气体(具有高温)至来自气体压缩机的气体(具有较低温度)进行热传递来实现装置的改进效率。
在该最后的实施方式中，第二空气预热器被容纳在装置的从至少一个热交换器观察的上游中，并且更具体地，第二空气预热器被容纳在装置的从第一空气预热器观察的下游中。
此外，蒸汽转换器可以包括蒸汽过热器，该蒸汽过热器在操作时与来自燃气轮机的气体进行热交换接触。在这种情况下，还可以实现在使该蒸汽通过蒸汽轮机之前进一步加热蒸汽管道中的蒸汽。其结果也是，提高了装置的效率。
更具体地，燃气轮机与燃烧室流动连接，以便将来自燃气轮机的气体传送至燃烧室。
更具体地，蒸汽轮机和气体压缩机位于同一轴上。
此外，燃气轮机单元(A)包括布置在至少一个热交换器的上游用于以受控的方式吹出来自气体压缩机的气体的吹泄阀。
在这种情况下，吹泄阀可以被容纳在燃气轮机单元(A)的从第一空气预热器观察的下游中、或者在燃气轮机单元(A)的从第二空气预热器观察的上游中、或者燃气轮机单元(A)的从燃气轮机观察的上游中。
此外，压缩机可以包括彼此平行和/或串联布置的若干个压缩机，以及轮机可以包括彼此平行和/或串联布置的若干个轮机，以及蒸汽轮机可以包括彼此平行和/或串联布置的若干个蒸汽轮机。
通过以下事实可以进一步提高蒸汽轮机单元的效率：根据本发明的具体实施方式在操作时流经蒸汽管道的水与流经冷凝器下游的中间冷却器的空气进行热交换接触。更具体地，热交换接触根据并流原理或根据逆流原理发生。
在根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的其他实施方式的情况下，蒸汽轮机可以是脉冲蒸汽轮机或径向蒸汽轮机，气体压缩机可以是离心式气体压缩机或轴向气体压缩机，以及蒸汽发生器可以是直流式废热锅炉。
现在将参照附图对本发明进行说明，其中：
图1a-图1b-图2-图3-图4-图5-图6-图7-图8-图9依次示出了根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的各种实施方式。
为了帮助理解本发明，在附图的以下描述中，各个附图中示出的类似部件将由相同的附图标记表示。
在图1a和图1b中示出的根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的实施方式中，气体压缩机1被示出为与蒸汽轮机9一起位于一个轴4、10上。借助于根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的这种配置，由蒸汽轮机单元(B)产生的动力经由轴4、10和气体压缩机1传递至燃气轮机3，使得由该装置产生的所有动力传递至一个轴5，以便驱动负载12。
在此处描述的根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的所有实施方式的情况下，蒸汽轮机可以是脉冲蒸汽轮机或径向蒸汽轮机，气体压缩机可以是离心式气体压缩机或轴向气体压缩机，以及蒸汽发生器可以是直流式废热锅炉。
蒸汽和燃气轮机装置的特性特征是气体压缩机1和燃气轮机3的机械分离，气体压缩机1和燃气轮机3不位于同一轴上而是分别位于不同的轴4和轴5上。气体压缩机1和燃气轮机3的这种机械分离使得使用附加的、复杂的联接机构变得无用(obsolete)。
在该实施方式中，附图标记2表示任意的燃烧室/炉，该燃烧室/炉被供给由经由入口2a提供的燃料。实际上，燃烧室/炉2可以用于具有热(废)流作为输出的任何工厂过程。燃烧室2可以具有任何期望的设计，并且依据根据本发明的蒸汽和燃气装置中使用的技术装置，可以是例如内燃机或焚烧炉。
附图标记20表示热交换器，该热交换器使来自燃烧室2的热(废)流(例如可燃烟道气体)与经由出口1b以压缩的形式来自气体压缩机的气体进行热交换接触。
在来自燃烧室2的可燃烟道气体与来自气体压缩机1的压缩气体之间进行热交换接触之后，来自气体压缩机1的压缩气体经由入口3a传送入燃气轮机3。已经通过热交换器10中的热交换接触被加热的压缩气体驱动燃气轮机3，其结果是，燃气轮机3将与燃气轮机轴5一起开始转动，从而将驱动负载，负载在附图中由附图标记12表示。
经加热的气体经由出口3b离开燃气轮机3并且被传送至蒸汽发生器8。类似地，可燃烟道气体从热交换器20经由出口2b传送通过蒸汽发生器8。
在蒸汽发生器8中，热的燃气轮机气体和热的可燃烟道气体与流经封闭的蒸汽管道6的水进行热交换接触，从而产生蒸汽，通过该蒸汽驱动蒸汽轮机9。
在该蒸汽和燃气轮机装置中，气体压缩机1与蒸汽轮机9一起位于一个轴4、10上。使用这种配置，由蒸汽轮机单元(B)产生的动力经由轴4、10和气体压缩机1传递至燃气轮机3，使得由该装置产生的所有动力传递至一个轴5，以便驱动负载12。
通过在根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的该实施方式中使用热交换器20，整个单元可以容易地联接至已经包括燃烧单元的装置。其结果是，蒸汽和燃气轮机装置几乎不需要修改，因为热交换器20可以容易地连接至已经存在的燃烧室2的热(废)流出口。
在如图1a和图1b中示出的实施方式中，蒸汽转换器包括蒸汽发生器8，蒸汽发生器8在操作时经由出口2b使蒸汽/水管道6与来自热交换器20的可燃烟道气体进行热交换接触，并且还经由出口3b使蒸汽/水管道6与来自燃气轮机3的气体进行热交换接触。
图2中示出了蒸汽和燃气轮机装置的一个其他更有效的实施方式，其中，附图标记30包括第一空气预热器，该第一空气预热器使来自气体压缩机1的压缩气体所通过的蒸汽管道6与出口1b进行热交换接触。在此，通过蒸汽/水管道6的蒸汽的废热被排放至由气体压缩机1压缩并且流经出口1b的气体，使得这些气体经由出口1b以预热和压缩的形式传送至热交换器20。
如图2所示，第一空气预热器30被容纳在装置的从蒸汽发生器8观察的下游中并且在从热交换器20观察的上游中。更具体地，如图2所示，第一空气预热器30使气体压缩机的出口1b与从蒸汽轮机9观察的下游的蒸汽/水管道6进行热交换接触。
在图3中，示出了图2中所示的根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的实施方式的特定形式。在该图3中，附图标记40表示第二空气预热器，该第二空气预热器使来自燃气轮机3的气体与来自气体压缩机1的气体并且更具体地与来自第一空气预热器30的气体进行热交换接触。在该实施方式中，来自燃气轮机3的气体在它们已经通过第二空气预热器40之后被传送至蒸汽转换器/蒸汽发生器8(参见出口3b)。因为从气体压缩机1经由出口1b释放的压缩气体由于来自燃气轮机3的气体的能量传递而被预热的事实，在这种情况下以热回收的形式也实现了改进的能量效率。
图4中的实施方式源于来自图1的实施方式，虽然除了蒸汽发生器8之外，蒸汽转换器还包括蒸汽过热器50，因此在操作时，蒸汽/水管道6与来自燃气轮机3的气体进行热交换接触。在该实施方式中，这些气体经由出口3b被吹出。
以这种方式，通过蒸汽/水管道6并在蒸汽发生器8中产生的蒸汽的进一步加热是以超临界方式进行进一步加热的，以便实现在蒸汽轮机9中的更有效的能量转换。可选地，可以为该蒸汽过热器50设置附加的喷水喷射器，以便将水雾引入蒸汽/水管道6中，从而产生可以传送至蒸汽轮机9的额外的蒸汽。
图5中示出了来自图2和图4的实施方式的组合。在该组合实施方式中，实现了第一空气预热器30和蒸汽过热器50两者，其中来自燃气轮机3的气体经由出口3b被吹出。在该实施方式中，仅通过来自燃烧室2和热交换器20的可燃烟道气体(出口2b)与经由泵7传送至蒸汽发生器8的水之间的热传递发生蒸汽发生器8中的蒸汽转化。
图6返回参照根据图1的实施方式，在图6中，来自燃气轮机3的气体没有首先传送至蒸汽转换器8，而是首先传送至燃烧室2，在燃烧室2气体被供给到燃烧过程。因此，经由燃气轮机3供给至燃烧室2的气体也经由出口2b作为可燃烟道气体通过蒸汽发生器8。在该实施方式中，蒸汽发生器因此仅经由出口2b被提供可燃烟道气体，该可燃烟道气体由经由入口2a传送至燃烧室2的气体或经由燃气轮机3的出口3b传送至燃烧室2的气体组成。
图7中示出了来自图2和图6的实施方式的组合。同样，在该实施方式中，来自燃气轮机3的气体经由出口3b传送至燃烧室2，并且蒸汽/水管道6与从蒸汽轮机9观察的下游的出口1b进行热交换接触，来自气体压缩机1的压缩气体通过该出口1b传送。
在图8中示出了来自图2、图5和图6的实施方式的组合。在该实施方式中，实现了蒸汽过热器50，蒸汽过热器50与来自燃气轮机3的气体进行热交换接触，来自燃气轮机3的气体经由出口3b传送入燃烧室2并且来自燃气轮机3的气体中仅可燃烟道气体然后在蒸汽发生器8中与蒸汽/水管道6进行热交换接触。在蒸汽过热器50中加热之后并且在蒸汽轮机9之后，从蒸汽发生器8传送至蒸汽过热器50的蒸汽在第一空气预热器30中再次与经由出口1b离开气体压缩机1的压缩气体进行热交换接触。
因此，仍然存在于蒸汽中的最后的废热在通过热交换器20之前被有效地传递至压缩气体。
明显的是，在根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置示出的实施方式的情况下，通过实现热交换器20，整个装置可以容易地与在外部燃烧过程或任何其他过程中产生热(废)流的任何装置一起使用。
还应当注意，根据并流原理或根据逆流原理，可能发生以下热交换接触：在来自气体压缩机1的压缩气体与蒸汽/水管道6中的蒸汽之间的分别在第一空气预热器30和第二空气预热器40中的热交换接触，或者在蒸汽/水管道6中的蒸汽与来自燃气轮机3的气体/来自热交换器20的可燃烟道气体之间的分别在蒸汽发生器8和蒸汽过热器50中的热交换接触。
在附图中，附图标记21表示吹泄阀，该吹泄阀在所有实施方式中在任何情况下被布置在燃气轮机3的上游(参见所有附图，并且具体参见图1a)并且优选地布置在至少一个热交换器20的上游(参见所有附图，并且具体地参见图1b和图9)，并且用于经由出口1c吹出来自气体压缩机1的气体。优选地，吹泄阀21被容纳在燃气轮机单元(A)的从第一空气预热器30观察的下游中(图2、图3、图5、图7、图8)，然而，如图3所示，吹泄阀21被容纳在燃气轮机单元(A)的从第二空气预热器40观察的上游中。可选地，该装置可以包括布置在燃气轮机3的上游以便吹出来自气体压缩机1的气体的吹泄阀21。
除了图1a-图1b-图2-图3-图4-图5-图6-图7-图8-图9中所示的根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的各种变型之外，所示出的变型可以补充有附加的有利方面，其中，吹泄阀21和出口1c与燃烧室2流动连接。在该实施方式情况下，该实施方式可以应用于图1至图9中的每一个，吹泄阀21经由出口1c返回至燃烧室2。因此，来自气体压缩机1并且通常经由吹泄阀21和出口1c被吹出的气体现在返回至燃烧室2。这些附加的实施方式提供了在燃烧室2中并且最终也在热交换器20中附加的更有效的燃烧并因此提供能量转换。
另外，图9示出了如下实施方式：燃烧室2和热交换器20已经彼此集成在一起使得它们形成单个实体，从而产生更有效的能量转换。燃烧室2和热交换器20彼此集成以形成单个实体还可以用于图1a-图1b-图2-图3-图4-图5-图6-图7-图8中所示的其他实施方式中。

Claims (14)

1.一种包括燃气轮机单元(A)和蒸汽轮机单元(B)的蒸汽和燃气轮机装置，其中，所述燃气轮机单元(A)部分地由至少以下部件组成：
位于压缩机轴(4)上的气体压缩机(1)、燃烧室(2)和位于燃气轮机轴(5)上的燃气轮机(3)；并且
其中，所述蒸汽轮机单元(B)部分地由以下部件组成：
封闭的蒸汽管道(6)，在所述封闭的蒸汽管道(6)中容纳至少以下部件：
泵(7)；蒸汽转换器(8；50)，所述蒸汽转换器(8；50)在操作时与来自所述燃气轮机(3)的气体(3b)进行热交换接触；位于蒸汽轮机轴(10)上的蒸汽轮机(9)；以及冷凝器(11)，并且其中，在操作时，所述蒸汽轮机(9)驱动所述燃气轮机单元(A)的所述气体压缩机(1)，其中，所述燃气轮机单元(A)还包括至少一个热交换器(20)，所述至少一个热交换器(20)使来自所述燃烧室(2)的可燃烟道气体与来自所述气体压缩机(1)的气体进行热交换接触，其特征在于，所述燃气轮机单元(A)包括吹泄阀(21)，所述吹泄阀(21)布置在所述燃气轮机(3)的上游并且在所述至少一个热交换器(20)的上游用于吹出来自所述气体压缩机(1)的气体。
2.根据权利要求1所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述蒸汽转换器(8；50)包括蒸汽发生器(8)，所述蒸汽发生器(8)在操作时与来自所述燃烧室(2)的所述可燃烟道气体进行热交换接触。
3.根据权利要求1或2所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述装置还包括第一空气预热器(30)，所述第一空气预热器(30)使所述蒸汽管道(6)与来自所述气体压缩机(1)的气体进行热交换接触。
4.根据权利要求3所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述第一空气预热器(30)被容纳在所述装置的从蒸汽发生器(8)观察的下游中和从所述至少一个热交换器(20)观察的上游中。
5.根据权利要求4所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述吹泄阀(21)被容纳在所述燃气轮机单元(A)的从所述第一空气预热器(30)观察的下游中。
6.根据权利要求3所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述第一空气预热器(30)被容纳在所述装置的从所述蒸汽轮机(9)观察的下游中。
7.根据权利要求3所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述装置还包括第二空气预热器(40)，所述第二空气预热器(40)使来自所述燃气轮机(3)的气体与来自所述气体压缩机(1)的气体进行热交换接触。
8.根据权利要求7所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述吹泄阀(21)被容纳在所述燃气轮机单元(A)的从所述第二空气预热器(40)观察的上游中。
9.根据权利要求7所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述第二空气预热器(40)被容纳在所述装置的从所述至少一个热交换器(20)观察的上游中。
10.根据权利要求9所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述第二空气预热器(40)被容纳在所述装置的从所述第一空气预热器(30)观察的下游中。
11.根据权利要求1或2所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述蒸汽转换器(8；50)包括蒸汽过热器(50)，所述蒸汽过热器(50)在操作时与来自所述燃气轮机(3)的气体(3b)进行热交换接触。
12.根据权利要求1或2所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述燃气轮机(3)与所述燃烧室(2)流动连接，以便将来自所述燃气轮机的气体(3b)传送至所述燃烧室(2)。
13.根据权利要求1或2所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述气体压缩机(1)和所述蒸汽轮机(9)位于同一轴(4，10)上。
14.根据权利要求1或2所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于，所述吹泄阀(21)连接至所述燃烧室(2)。
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