CN112154262A - 具有膨胀机的扩展的燃气轮机工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发电厂设施(1)，所述发电厂设施具有压缩机(2)、燃烧室(3)和涡轮机(4)，所述发电厂设施还包括：压缩机空气管线(5)，所述压缩机空气管线将所述压缩机(2)与所述燃烧室(3)连接；和第一热交换器(7)，所述第一热交换器接入所述压缩机空气管线(5)中并且接入到从所述涡轮机(4)分支的排气管线(6)中，其中，第一膨胀机(8)在所述压缩机空气管线(5)中设置在第一热交换器(7)和燃烧室(3)之间，并且其中所述第一膨胀机(8)和所述压缩机(2)设置在共同的轴上。本发明还涉及一种用于运行这种发电厂设施(1)的方法。

Description

具有膨胀机的扩展的燃气轮机工艺
技术领域
本发明涉及一种发电厂设施及其运行方法。
背景技术
由于在许多国家中市场需求的变化，因此将设施效率最大化看起来在未来并不能仅确保成功。在考虑对于德国或欧洲市场的需求时，能够假定，由于可再生能源产生的增长，常规的发电厂的运行时间明显减少，进而在建造新的发电厂时将面临巨大的成本压力。
在这种情况下，降低设施复杂性以及与此相关的成本降低和附加地改进尤其从冷态快速启动能力看起来是非常有前途的方法，即使从中会引起设施效率恶化。
至今为止，对于之前提及的问题仍不存在真正令人信服的答案。虽然基于燃气发动机的发电厂给出一种替选方案，所述替选方案尤其确保快速启动能力，但是与至今为止通常首选的燃气和蒸汽(GuD)发电厂相比，这种设施的投资成本相对较高，而且效率也明显较低。
在GuD设施中能够实现降低设施复杂性，其方式为：弃用发电厂的uD部分，即蒸汽轮机部分。然而，不具有蒸汽循环的简单的燃气轮机工艺引起该工艺的急剧的和经济上无法想象的恶化。
与GuD参考工艺相比，在工艺的最佳设计中，具有中间冷却压缩的回热式焦耳工艺会产生适度的效率下降。所述复杂性急剧降低，使得看起来显著降低成本是可行的。能够预期，在未来市场需求的情况下，该设计方案的经济性与当前的GuD设计方案以及燃气发动机发电厂相比明显有利。这种改进的经济性也归因于：扩展的燃气轮机工艺具有与简单的燃气轮机工艺类似的启动时间，进而比GuD工艺明显更快。此外，对于启动时间和组件使用寿命而言，在相应的设计中不重要的是，在启动之前是否已经具有较长的停机与对设施组件进行相应的冷却。尤其在较长的停机(冷启动条件)之后，与GuD工艺相比，扩展的燃气轮机工艺有利地显示出其特别好的快速启动能力。还能够预期的是，关于部分负荷特性方面将对效率和负荷变化速度方面进行改进。
发明内容
本发明的目的是，借助所描述的扩展的燃气轮机工艺来进一步改进发电厂设施。本发明的另一目的是，提供一种用于运行这种发电厂设施的相应改进的方法。
本发明实现针对发电厂设施的目的，其方式为：提供所述发电厂设施，使得在具有压缩机、燃烧室和涡轮机的这种发电厂设施中，所述发电厂设施还包括：压缩机空气管线，所述压缩机空气管线将所述压缩机与所述燃烧室连接；和第一热交换器，所述第一热交换器接入压缩机空气管线中并且接入到从所述涡轮机分支的排气管线中，所述第一膨胀机在第一热交换器和燃烧室之间设置在压缩机空气管线中，并且所述第一膨胀机和所述压缩机设置在共同的轴上。在此，“设置在共同的轴上”也能够表示：膨胀机和压缩机能够至少经由共同的传动装置耦联。
对于扩展的燃气轮机工艺具有重要意义的是，回热的热量的结合受到在进入燃烧室部分之前的最大允许的空气温度限制。这引起工艺效率的恶化。所提出的具有膨胀机的扩展的燃气轮机工艺正好在此设法解决。为了在全燃烧温度下进而在燃气轮机功率下实现最大的回热，在自由设计连接在上游的压缩机的情况下，将出口压力选择为高于所需的涡轮机入口压力(通过产品序列决定)。因此可用的压力梯度用于在燃烧之前在空气侧上的附加的膨胀。在此，能够借助于排气流将热量回收器中的压缩空气预热至最大允许的出口温度，并且随后输送给第一膨胀机。由于膨胀到涡轮机压力水平，在输出附加的功率的同时将所述温度降低到燃烧室部分的最大允许的值。所述压缩机的仍存在的驱动轴能够用于与第一个膨胀机耦联。
在一个有利的实施形式中，所述压缩机是多级中间冷却压缩机，其中第二热交换器作为压缩机中间冷却装置设置在压缩机级之间。因此能够减少用于压缩的功耗。
与扩展的燃气轮机工艺相比，通过这种改变产生以下优点：
1.)与扩展的燃气轮机工艺相比，最大的回热结合最大的工艺效率(与扩展的燃气轮机工艺相比+1.5％点)以及最大功率为4-7％，
2.)灵活地适配现有的燃气轮机产品系列，和
3.)通过以最佳转速机械联接于齿轮式压缩机，将第一膨胀机简单地集成。
这些改进方案面临着热空气涡轮机和所连接的管道的仅适度预期的额外成本。运行灵活性不应受到损害。
此外有利的是，所述第一热交换器包括两个热交换器模块，这两个热交换器模块依次地分别设置在压缩机空气管线和排气管线中，其中在热交换器模块之间，在压缩机空气管线中设置有注水装置。这对于能够传递的热的量以及后续的燃烧是有利的。
在本发明的一个有利的实施形式中，设置在压缩机级之间的第二热交换器接入远程加热回路中。以这种方式，能够对压缩的空气进行中间冷却，而用于远程加热回路的水同时被再次加热。
符合目的的是，对于在热交换器模块之间的燃料预热，在排气管线中设置有第三热交换器。在燃料预热时，燃料的显热增加，进而减少所需的燃料的量。
此外符合目的的是，第四热交换器设置在通向压缩机的空气供应管线中并且接入发电厂设施的冷却回路中。通过将第四热交换器设置在空气供应管线中，能够在压缩所述空气之前就已经使所述空气达到相对高的温度水平，这对于随后的热利用是有利的。
在本发明的关于将热量结合到远程供热网络中的发电厂设施的替选的实施形式中，所述发电厂设施还包括热驱动的制冷机，所述制冷机在其热输入侧上经由蒸汽发生器与排气管线以及与压缩机中间冷却装置的回流管线连接，并且在其制冷输出侧上与压缩机中间冷却装置的至少一部分的入流口连接。该变型方案具有改进的压缩空气中间冷却装置的重要优点。
在此符合目的的是，所述制冷机包括至少一个蒸汽喷嘴。由于缺少可移动的部件和驱动器，所述蒸汽喷射制冷机是特别简单和坚固的并且通常比其它制冷系统成本更低。
在此特别有利的是，所述制冷机包括两个蒸汽喷嘴，其混合流出口汇聚在一起并且相互连接为，使得闪蒸器(flash evaporator)连接在蒸汽喷嘴的相应的抽吸接头的上游，而一个闪蒸器的出水口与另一闪蒸器的进水口连接。以这种方式能够实现所使用的水的特别良好的冷却，进而也相应地对压缩的空气进行良好的冷却。
在发电厂设施的一个有利的实施形式中，第八热交换器沿排气的流动方向在第一热交换器的热交换器模块下游连接到排气管线中，并且在入口侧连接到压缩机中间冷却装置的回流管线中，并且在出口侧连接到闪蒸器29之一中。因此能够将排气的余热用于热驱动的制冷机。
在另一有利的发电厂设施中，第八热交换器在第一热交换器的热交换器模块之间连接到排气管线中，并且在入口侧被连接到压缩机中间冷却装置的回流管线中以及闪蒸器的回流管线中，所述第八热交换器在出口侧也连接到其中。借助第八热交换器的这种布置，与在排气管线中的位于下游的布置相比，能够具有更高的蒸汽压力水平，这引起蒸汽喷射制冷机(热运行的制冷机)的效率提升。此外，从通过中间连接的外部的热传递装置引起的高温回热中获得压缩空气出口温度的更好的部分负荷特性。
最后有利的是，在第一膨胀机的下游设置有另一第二膨胀机，并且在入口侧在第一膨胀机下游的位置处与压缩机空气管线连接，并且在出口侧通入排气管线中。从而产生发电厂设施的改进的效率。尤其，因此能够充分利用“干式”工艺(意即不具有水-蒸汽回路)的最大效率潜力。第二膨胀机的涡轮机设计能够对于在进气口处的低于480℃的温度进行，因为所述线路被设计为串联连接，意即第二膨胀机不是并联连接的，而是以串联的方式连接在第一膨胀机之后。最后，通过将第二膨胀机经由传动装置联接到空气压缩机上(如在第一膨胀机的情况下一样)，能够获得低成本的设计方案。
针对方法的目的通过一种用于运行发电厂设施的方法来实现，所述发电厂设施具有压缩机、燃烧室和涡轮机，其中将压缩机的出口压力选择为高于所需的涡轮机入口压力，并且其中与所谓的压缩空气能量储存设施不同，在燃烧之前使压缩机空气膨胀，并且在此将其用于驱动压缩机，在所述压缩空气能量储存设施中虽然也将空气压缩并且使其再次膨胀，其中这两个过程在该处在时间上解耦并且在其间接入相应的压缩空气储存器。在本发明中，不是将压缩的空气暂存以供稍后使用，而是在压缩之后就立即用于燃气轮机工艺中。
有利的是，压缩机空气在其膨胀之前在与发电厂设施的排气进行热交换时预热到材料方面所允许的最大出口温度，使得所述膨胀机出口空气对于燃烧室入口而言不会过热。
此外有利的是，通过膨胀到涡轮机压力水平和对于燃烧室所允许的最大温度来减少压缩机空气。因此实现在最佳地设定用于燃烧的空气参数的同时，利用在压缩的空气中的多余的能量。
此外有利的是，来自排气的和来自压缩机中间冷却装置的废热被用于驱动利用热量的制冷机，以改进压缩机的中间冷却装置。
尤其有利的是，将水在与排气和压缩的空气进行热交换时进行加热，并且随后将其至少部分地蒸发，并且如下对水进行进一步冷却：为至少一个闪蒸器接入至少一个蒸汽喷嘴，以抽吸所述蒸汽，在所述闪蒸器中将加热的水蒸发，其中将在蒸发时被冷却的水输送给压缩机中间冷却装置的至少一部分。
附图说明
根据附图示例性地详细地阐述本发明。附图示意性地并且不按比例地示出：
图1示出根据现有技术的扩展的燃气轮机工艺；
图2示出根据本发明的具有第一膨胀机的扩展的燃气轮机工艺；
图3示出具有单级低压蒸汽、蒸汽喷嘴和喷射冷凝器的扩展的燃气轮机工艺，
图4示出具有用于热驱动的制冷机的热交换器的扩展的燃气轮机工艺，其中所述热交换器相对于图3中的实施例改变定位；
图5示出具有双级低压蒸汽和喷射冷凝器的扩展的燃气轮机工艺；
图6示出具有双级低压蒸汽和低压蒸发器的扩展的燃气轮机工艺；
图7示出如在图4中的扩展的燃气轮机工艺，所述扩展的燃气轮机工艺具有表面冷凝器代替喷射冷凝器；和
图8示出具有第二膨胀机的扩展的燃气轮机工艺。
具体实施方式
图1示意性地并且示例性地示出根据现有技术的扩展的燃气轮机工艺。所述发电厂设施1包括压缩机2、燃烧室3和涡轮机4。压缩机空气管线5将压缩机2与燃烧室3连接。第一热交换器7接入压缩机空气管线5和从涡轮机4分支的排气管线6中。在图1中，所述第一热交换器7包括两个热交换器模块13，这两个热交换器模块依次地分别设置在压缩机空气管线5和排气管线6中，其中在所述热交换器模块13之间将注水装置14设置在压缩机空气管线5中。
压缩机2是多级中间冷却压缩机2，其中在压缩机级9之间设置有第二热交换器10作为压缩机中间冷却装置11。
此外，所述压缩机2在压缩机级9之间具有抽头33，以用于冷却燃烧室3和/或涡轮机4。
最后，图1的发电厂设施1包括发电机34，所述发电机经由传动装置35与涡轮机4连接。
图2示出根据本发明的具有第一膨胀机8的扩展的燃气轮机工艺。所述第一膨胀机8在第一热交换器7与燃烧室3之间设置在压缩机空气管线5中，并且能够经由共同的传动装置12与压缩机2耦联。
所述第二热交换器10接入远程加热回路15中，以更好地利用在压缩时产生的热量。对远程加热回路15提供热量如下进行。来自远程加热回路15的冷的回流水流被分开。第一部分流被输送给用于压缩机2的中间冷却装置11的第二热交换器10，而第二部分流被输送给设置在排气管线6中的第五热交换器36。在加热之后，这两个部分流汇聚在一起并且被输送给第六热交换器37，所述第六热交换器同样沿排气的流动方向在排气管线6中设置在第五热交换器36的上游。在那里被进一步加热的水流被再次输送给远程加热回路15。
如果不需要远程加热，则在压缩时产生的热量例如经由翅片式冷却装置或者还有冷却塔排出到周围环境中。为了该目的，在图2的发电厂设施1中设有带有第七热交换器39的旁路管线。
图2还示出用于燃料预热的第三热交换器17，所述第三热交换器在热交换器模块13之间设置在排气管线6中。
最后，还将第四热交换器18设置在通向压缩机2的空气供应管线19中，并且接入发电厂设施1的冷却回路20中。
图3的实施形式包括热驱动的制冷机21，所述制冷机在其入口侧22经由第八热交换器42与排气管线6连接，以及与压缩机中间冷却装置11的回流管线24连接。
来自压缩机中间冷却装置11的回流管线24的水流被分开。第一部分流穿过所述热交换器42并且从排气管线6中吸收热量。在加热之后，将所述第一部分流输送给闪蒸器29(flash evaporator)，其中所产生的蒸汽被输送给蒸汽喷嘴27的推进剂接头43，而剩余的水从压缩机中间冷却装置11的回流管线24被输送给水的第二部分流。在第七热交换器39中进行冷却之后，该重新合并的流被再次分开，其中第一部分流将输送给最后的压缩机级9的空气冷却，而第二部分流被输送给闪蒸器29(flash evaporator)。所产生的蒸汽被输送给蒸汽喷嘴27的抽吸接头30，残留的水被输送给压缩机中间冷却装置11的入流口，所述压缩机中间冷却装置向除最后的压缩机级9之外的所有其余的压缩机级9供应冷却水。
从蒸汽喷嘴27的混合流出口射出的蒸汽借助喷射冷却装置输送给喷射冷凝器40。所产生的冷凝液被混入来自第七热交换器39上游的压缩机冷却装置11的水流。从在第七热交换器39下游的管线中获得对于喷射冷凝器40所需的水。
图4示出一个实施例，其中与图3的实施例相比，所述热交换器42关于其在排气管线6中的布置方面在热交换器模块13之间向上移动。通过在该处与图3的实施形式相比更高的排气温度，更高的蒸汽压力水平是可行的，进而可提高热运行的蒸汽喷射制冷机的效率。此外，从通过中间接入的外部的热传递装置引起的高温回热中获得压缩空气出口温度的更好的部分负荷调节特性。
所述冷却工艺不一定必须要借助蒸汽喷射进行。吸收或吸附工艺同样是可行的。
图5示出具有两级低压蒸汽和喷射冷凝器的扩展的燃气轮机工艺。在此，所述制冷机21包括两个蒸汽喷嘴27，所述蒸汽喷嘴的混合流出口28汇聚到一起并且相互连接，使得闪蒸器29连接在蒸汽喷嘴27的相应的抽吸接头30的上游，并且一个闪蒸器29的出水口31与另一闪蒸器29的进水口32连接。以这种方式，与图3的实施例相比，能够实现用于压缩机中间冷却装置11的水的更强的冷却。
图6示出另一变型方案，其中蒸汽，至少部分地，不在闪蒸器29中产生，而是其中在排气管线6中设置有低压蒸发器44。
最后，图7示出作为关于图4的喷射冷凝器40的替选方案的表面冷凝器41。然后，如第七热交换器39一样，必须通过外部的冷却装置对所述表面冷凝器41进行供给。
最后，图8示出本发明的具有第二膨胀机的实施形式，所述第二膨胀机设置在与第一膨胀机8相同的轴线46上，并且在第一膨胀机8下游的位置处在入口侧与压缩机空气管线5连接，并且在出口侧通入排气管线6中。在轴线46上的布置不是强制性的。第二膨胀机也能够位于自身的轴线上，所述轴线结合到传动装置中。
膨胀机8、45的线路被设计为串联线路，意即第二膨胀机45不是并联连接的，而是以串联方式接在第一膨胀机8之后。
此外，与第一膨胀机8一样，第二膨胀机经由传动装置联接到压缩机2上。

Claims (17)

1.一种发电厂设施(1)，所述发电厂设施具有压缩机(2)、燃烧室(3)和涡轮机(4)，所述发电厂设施还包括：压缩机空气管线(5)，所述压缩机空气管线将所述压缩机(2)与所述燃烧室(3)连接；和第一热交换器(7)，所述第一热交换器接入所述压缩机空气管线(5)中并且接入到从所述涡轮机(4)分支的排气管线(6)中，其特征在于，第一膨胀机(8)在所述压缩机空气管线(5)中设置在第一热交换器(7)和燃烧室(3)之间，并且所述第一膨胀机(8)和所述压缩机(2)设置在共同的轴上。
2.根据权利要求1所述的发电厂设施(1)，其中所述压缩机(2)是多级中间冷却压缩机(2)，其中第二热交换器(10)作为压缩机中间冷却装置(11)设置在压缩机级(9)之间。
3.根据上述权利要求中任一项所述的发电厂设施(1)，其中所述第一热交换器(7)包括两个热交换器模块(13)，这两个热交换器模块依次地分别设置在压缩机空气管线(5)和排气管线(6)中，其中在所述热交换器模块(12)之间，在所述压缩机空气管线(5)中设置有注水装置(14)。
4.根据权利要求2所述的发电厂设施(1)，其中所述第二热交换器(10)接入远程加热回路(15)中。
5.根据权利要求3所述的发电厂设施(1)，其中对于在所述热交换器模块(13)之间的燃料预热，在所述排气管线(6)中设置有第三热交换器(17)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的发电厂设施(1)，其中第四热交换器(18)设置在通向所述压缩机(2)的空气供应管线(19)中并且接入所述发电厂设施(1)的冷却回路(20)中。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的发电厂设施(1)，其中所述发电厂设施还包括热驱动的制冷机(21)，所述制冷机在其制冷输出侧(25)上与所述压缩机中间冷却装置(11)的至少一部分的入流口(26)连接。
8.根据权利要求7所述的发电厂设施(1)，其中所述制冷机(21)包括至少一个蒸汽喷嘴(27)。
9.根据权利要求8所述的发电厂设施(1)，其中所述制冷机(21)包括两个蒸汽喷嘴(27)，其混合流出口(28)汇聚在一起并且相互连接为，使得闪蒸器(29)连接在所述蒸汽喷嘴(27)的相应的抽吸接头(30)的上游，而一个闪蒸器(29)的出水口(31)与另一闪蒸器(29)的进水口(32)连接。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的发电厂设施(1)，其中第八热交换器(42)沿排气的流动方向在所述第一热交换器(7)的热交换器模块(13)下游连接到所述排气管线(6)中，并且在入口侧连接到所述压缩机中间冷却装置(11)的回流管线(24)中，并且在出口侧连接到所述闪蒸器(29)之一中。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的发电厂设施(1)，其中第八热交换器(42)在所述第一热交换器(7)的热交换器模块(13)之间连接到所述排气管线(6)中，并且在入口侧连接到所述压缩机中间冷却装置(11)的回流管线(24)中以及所述闪蒸器(29)的回流管线中，所述第八热交换器在出口侧也连接到所述闪蒸器(29)的回流管线中。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的发电厂设施(1)，其中在所述第一膨胀机(8)的下游设置有第二膨胀机(45)，并且在入口侧在所述第一膨胀机(8)下游的位置处与所述压缩机空气管线(5)连接，并且在出口侧通入所述排气管线(6)中。
13.一种用于运行发电厂设施(1)的方法，所述发电厂设施具有压缩机(2)、燃烧室(3)和涡轮机(4)，其特征在于，将所述压缩机(2)的出口压力选择为高于所需的涡轮机入口压力，并且在燃烧之前使所述压缩机空气膨胀，并且在此将其用于驱动所述压缩机。在此：在没有暂存器的情况下的压缩的空气；不是将空气暂存以供稍后使用，而是在此后立即用于GT工艺中。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将所述压缩机空气在其膨胀之前在与所述发电厂设施(1)的排气进行热交换时预热到材料方面所允许的最大出口温度。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中通过膨胀到涡轮机压力水平和对于所述燃烧室(3)所允许的最大温度来减少所述压缩机空气。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中将来自所述排气的和来自所述压缩机中间冷却装置(11)的废热用于驱动利用热的制冷机(21)，以改进所述压缩机(2)的中间冷却装置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中将水在与排气和压缩的空气进行热交换时加热，并且随后将其至少部分地蒸发，并且如下对水进行进一步冷却：为至少一个闪蒸器接入至少一个蒸汽喷嘴，以抽吸蒸汽，在所述闪蒸器中将加热的水蒸发，其中将在所述蒸发时被冷却的水输送给压缩机中间冷却装置的至少一部分。
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