CN114278405A - 一种燃煤蒸汽锅炉与空气轮机相结合的电厂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃煤蒸汽锅炉与空气轮机相结合的电厂，本发明公开了一种发电厂，其中蒸汽轮机/燃煤蒸汽锅炉通过使用锅炉的对流部分加热涡轮机的压缩空气，通过与烟气的间接热交换，与空气轮机集成，热涡轮机排气作为预热燃烧空气送至锅炉。通过这种方式，只有清洁空气到达涡轮机，而不是压缩空气中直接燃烧燃料产生的燃烧产物，因此可以燃烧煤炭而不是优质燃料。锅炉辐射段中的挡板用于调节烟气温度，并接管一些常用的对流段服务，将其释放用于压缩空气加热服务。

Description

一种燃煤蒸汽锅炉与空气轮机相结合的电厂

技术领域

本发明涉及一种将燃煤蒸汽锅炉与空气涡轮机集成在一起的发电厂，以及一种具有联合动力循环的发电厂，即同时具有蒸汽涡轮机和空气涡轮机。该空气涡轮机可被描述为外燃开式循环涡轮机。具体而言，本发明涉及提高冷凝动力循环的循环效率或以可比效率提高背压循环的发电量，因此涉及一种用于提供更廉价电力的系统。

背景技术

空气涡轮机可定义为清洁空气到达涡轮机的涡轮机，区别于引入燃烧气体的燃气涡轮机。燃气轮机本身有一定的局限性。在其运行过程中，空气被压缩，燃料在压缩空气中燃烧，燃烧产物气体通过涡轮机。因此，必须使用优质燃料，即天然气或轻质石油馏分。如果使用非清洁燃烧的燃料，燃烧产物如果通过涡轮，将迅速污染或损坏涡轮通道和叶片。由于污垢问题，在开路燃气轮机中使用煤炭（可能会产生腐蚀性产物和颗粒物）尚未达到成功的发展阶段，尽管石油和天然气已被广泛使用。由于化石燃料的储量有限，使用煤炭代替煤炭的实用商业手段是非常可取的。

发明内容

在本发明中，空气在空气涡轮空气压缩机中被压缩，然后在燃煤锅炉的对流段中通过与足够高温度区内的烟气进行间接热交换而被加热，以便将压缩空气的温度升高至至少约1450°F。，最好在约1450°F至1700°F的范围内，或在条件允许的情况下更高。热压缩空气在空气涡轮机中膨胀，以驱动空气压缩机、发电，并在约700°F至900°F的温度下作为燃烧空气排入燃煤锅炉。一部分排气可用于干燥煤粉燃料。在蒸汽生产系统中，来自煤粉燃烧的辐射热以及来自烟气的对流热（高于空气涡轮机所需的热量）被传输到锅炉的管道中，以产生高压过热蒸汽。蒸汽在汽轮机中膨胀，用于轴工作或发电，或提供轴工作或电力，以及抽汽。

辐射段包括一个完整的金属壁结构，其中包含水和/或蒸汽在其中流动的管道，包围燃烧区。液态水转化为蒸汽是在基本恒定的温度下发生的相变，汽化热由燃料燃烧提供。在现有压力下，水的相变使水壁保持在水的沸点。相对均匀的水冷壁金属温度避免了相邻管道的热膨胀差。

影响设计的一个与煤相关的因素是灰熔融温度。灰熔融温度设置对流段的最大烟气入口温度（应低于灰熔融温度），从而设置辐射和对流传热之间的分流，即每个段吸收的热量百分比。具有最高灰熔融温度的燃料将允许更高的烟气入口温度和在对流段吸收的更高百分比的热量。对于低煤阶煤，灰熔融温度降低，导致空气盘管的面积要求增加（接近温度降低），通过辐射热传递产生的蒸汽百分比增加。相反，高阶煤（如东部烟煤）允许较低的辐射热传递，将更多的热量转移到空气盘管，并降低对流段的投资成本。通常，烟煤的灰熔融温度较高，褐煤的灰熔融温度较低。在使用具有高灰熔融温度的煤（如烟煤）和对流段金属部件的耐热合金的条件下，压缩空气的温度可升高至约1900°F，烟气温度更高。对于高灰腐蚀电位的煤，管道涂层（如50 Cr/50 Ni）将适用。

辐射段配有适当位于燃烧器燃烧区上方的管，称为压板，可用于蒸汽过热或蒸汽过热加蒸汽再热。带压板的蒸汽发生管设计有足够的表面，以控制进入对流段的烟气温度，从而不超过所用煤的灰熔融温度。然而，与传统的电站锅炉相比，水冷壁设计用于吸收较小百分比的热量，而压板的吸收百分比更大。也就是说，与传统的公用事业锅炉相比，台板提供了额外的加热服务。这些压板提供了对流部分以前的一些服务。因此，它们既可调节烟气入口温度，又可释放对流段，以实现分配给它的空气加热任务。也就是说，在加热或不加热的情况下，将大部分辐射段热用于过热，既可将烟气温度降低到理想范围内，又可接管一些传统的对流段服务。因此，压板可以以对本发明有利且独特的方式与对流部分配合。

据本发明可用于组合式蒸汽轮机：燃烧相同亚烟煤的空气轮机动力循环的分布，C列。辐射/对流热分流为50/50。B列和D列显示了将本发明的联合循环用于其他煤种的效果。锅炉产生2400 psi、1005°F的蒸汽。在本图中，屏仅用于过热器服务。术语“占空比”或“%占空比”是指机组吸收的BTU占锅炉吸收总热量的百分比。由于炉膛效率通常约为90%，约10%的燃烧热释放到大气中，“吸收的总热量”不包括从烟囱排出的烟气中的热量。

一般来说，在本发明中，水冷壁吸收的热量百分比较小（31%对35%），而压板吸收的热量百分比较高（19%对15%）。压板的表面积最大化，以高于正常值，即，对于传统的公用事业箱。对流过热负荷大大降低（从15%降至7%），这表明压板已承担了部分任务。这有助于将26%的可用热量用于压缩空气盘管，而在公用工程中为0%。水冷壁吸收锅炉吸收的总热量的百分比较小，因此，如果在相同的燃煤率基础上，在相同的温度和压力条件下产生的蒸汽较少。

附图说明

图1是将燃煤锅炉与空气涡轮机和蒸汽涡轮机集成在一起的联合动力循环的两个实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供的一种实施例，图1将燃煤锅炉与空气涡轮机和蒸汽涡轮机集成在一起的联合动力循环的两个实施例的示意图；蒸汽锅炉1包括辐射段3和对流段5。压板悬挂在辐射段3的顶部。用于过热蒸汽的压板7具有入口管11和出口管13，用于再热蒸汽的压板9（后一盘管靠近对流段的一部分接收对流热）具有入口管15和出口管17。在对流段5中，一次空气加热器盘管19和二次空气加热器盘管21分两级加热压缩空气，位于二者之间的一次蒸汽过热器盘管23过热蒸汽。一级过热器的合理布置可避免管道金属温度升高，从而使管道易于发生灰腐蚀。管道的灰腐蚀在约1300°±50°F时最大。通过布置对流段管道，使管道金属温度高于或低于该温度范围，可以避免管道的灰腐蚀。锅炉给水在该段低温区的省煤器25中加热。空气涡轮机组27连接到对流部分，包括空气压缩机29、空气涡轮31和发电机33（或其他用电设备），所有这些都布置在一个公共轴上。

Claims (9)

1.一种燃煤蒸汽锅炉与空气轮机相结合的电厂，其特征在于：所述发电厂，由以下部件组成：汽轮机、燃煤蒸汽锅炉，其辐射段包括燃烧区和蒸汽发生管，以及对流段，所述对流段配有通过与烟气间接热交换来加热压缩空气的管；压缩机装置，其中空气被压缩以进入所述对流段；空气涡轮装置由所述压缩机装置压缩的空气膨胀驱动，然后在所述对流段中加热并传递至所述涡轮装置的入口；所述涡轮机指被布置成产生有用功率的装置；管道装置，用于将空气涡轮排气作为预热燃烧空气传递至所述燃烧区；以及用于从所述锅炉排出蒸汽并将其输送至蒸汽轮机入口的导管装置；所述辐射段包含用于蒸汽过热或蒸汽过热加蒸汽再热的装置，并为所述服务吸收足够百分比的热量，以释放用于压缩空气加热服务的对流段，从而将所述压缩空气的温度升高至至少约1450°F。

2.根据权利要求1所述的一种燃煤蒸汽锅炉与空气轮机相结合的电厂，其中对流段压缩空气热负荷约为锅炉吸收总热量的20%至33%。

3.如权利要求2所述的一种燃煤蒸汽锅炉与空气轮机相结合的电厂，其中压板吸收的热量百分比约为锅炉吸收总热量的7%至23%，用于加热压缩空气的管道吸收的热量百分比约为锅炉吸收总热量的20%至33%。

4.根据权利要求2所述的一种燃煤蒸汽锅炉与空气轮机相结合的电厂，其特征在于：其中压板吸收的热量百分比约为锅炉吸收总热量的12%至23%，用于加热压缩空气的管道吸收的热量百分比约为锅炉吸收总热量的20%至33%。

5.根据权利要求2所述的一种燃煤蒸汽锅炉与空气轮机相结合的电厂，其特征在于：其中压板吸收的热量百分比约为锅炉吸收总热量的12%至19%，用于加热压缩空气的管道吸收的热量百分比约为锅炉吸收总热量的26%至33%。

6.根据权利要求2所述的一种燃煤蒸汽锅炉与空气轮机相结合的电厂，其中一部分空气涡轮机排气用于在所述煤粉进入所述燃烧区之前干燥煤粉。

7.根据权利要求2所述的一种燃煤蒸汽锅炉与空气轮机相结合的电厂，其中对流段配有管道，包括：用于加热压缩空气的空气加热器；主蒸汽过热器，用于加热所述辐射段中产生的蒸汽；和一种用于加热位于对流段低温区的锅炉给水的省煤器。

8.根据权利要求7所述的一种燃煤蒸汽锅炉与空气轮机相结合的电厂，其中位于对流段最高温度区的空气加热器管是垂直的，且间距相对较宽，而对流段中的其余管是垂直或水平的，且更紧密地封装在一起。

9.根据权利要求2所述的一种燃煤蒸汽锅炉与空气轮机相结合的电厂，其中所述对流段管道的布置使管道金属温度高于或低于1300°±50°F。

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