CN1155318A - 燃气和蒸汽轮机装置的运行方法和按此方法工作的装置 - Google Patents

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Abstract

在燃气和蒸汽轮机装置(1)运行时，从燃气轮机(2)排出的废气(A)利用于生成蒸汽。为了既能在一个新的装置中也能在现有装置的重新装备时，与其功率值无关和为了减少废气损失地自由选择燃气轮机型号，按本发明，从燃气轮机(2)排出的废气(A)第一分流(t1)作为燃烧空气用于燃烧矿物燃料(B)，以及，燃气轮机(2)废气(A)的第二分流(t2)利用来生成余热蒸汽。在这种情况下，为了生成蒸汽，在燃气轮机(2)的下游在废气一侧，通过各自的分流管(18或28)连接一个由燃烧矿物燃料的蒸汽发生器(14)和余热废气蒸汽发生器(15)组成的组合装置，其中，通过燃烧矿物燃料(B)生成蒸汽和借助余热生成蒸汽，在蒸汽轮机(10)的一个公共的水-蒸汽循环(12)中进行。

Description

燃气和蒸汽轮机装置的运行方法 和按此方法工作的装置
本发明涉及一种燃气和蒸汽轮机装置的运行方法，其中，从燃气轮机排出的含氧废气利用于生成蒸汽。本发明还涉及一种按此方法工作的燃气和蒸汽轮机装置。
在组合蒸汽轮机过程与燃气轮机过程时，原则上有两种可能性利用燃气轮机的废气来生成蒸汽。例如在论文“组合式燃气/蒸汽轮机过程”(Brennstoff-Waerme-Kraft(BWK)31(1979)，Nr.5，5月)中介绍了，在一种可能的组合式过程中，通过后置的蒸汽发生器，燃气轮机含氧废气作为燃烧矿物燃料的蒸汽发生器的燃烧空气。在另一种组合过程中具有后置的余热蒸汽发生器，通过在余热蒸汽发生器中利用燃气轮机的废热，将燃气轮机过程和蒸汽轮机过程组合起来。由DE-OS 4126036已知一种燃气和蒸汽轮机发电厂，它有余热蒸汽发生器和太阳能加热的蒸汽发生器，以及有一个连接在辅助燃烧室下游矿物燃料加热的热交换器。
具有后置式燃烧矿物燃料的蒸气发生器的组合过程，用于重新装备现已存在的带燃气轮机装置的蒸汽轮机装置。在这种情况下，前置的燃气轮机应该用来提高效率和功率，以达到所谓最优过程(Topping-Prozess)的目的。这类具有组合式燃气-蒸汽过程的热力发电厂例如由DE-OS 1426443所公开。
在组合式过程中，蒸汽轮机、燃气轮机以及燃烧的蒸汽发生器，它们的功率彼此相关，所以在设计此类装置时必须使它们互相匹配。这不仅适用于改造现已存在的蒸汽轮机装置，也适用于设计新装置。这种匹配工作通常这样进行，即，在以额定负荷运行时，可通过燃气轮机的废气满足燃烧的蒸汽发生器对氧的需求量。当然，所生产和提供的只有少数几种不同功率值的燃气轮机，例如50兆瓦、150兆瓦或200兆瓦，所以它们与蒸汽轮机功率和与蒸汽发生器功率的匹配极为困难。因此，在装置参量预先规定的情况下，燃气轮机在满负荷区所供应的废气量，与燃烧的蒸汽发生器所需要的作为燃烧空气的废气量相比，不是过大就是过小。废气量过小时，在满负荷区装置能获得的效率很低，在部分负荷区效率提高。
反之，在组合式过程的情况下燃气轮机过多的废气量，会导致过剩的燃气轮机废气流经燃烧的蒸汽发生器燃烧室，流入锅炉预热器或给水预热器(燃料节省器)，由于供入热量过多使预热器以不希望的方式已经处于汽化过程中。或者，在废气量过大的情况下，必须在部分负荷区中在一个较早的时刻便已经降低燃气轮机的功率。显然，随着燃气轮机功率减小量的增加，装置在部分负荷区中的效率降低。换句话说，在两种情况下都只能达到有限的总效率。因此，尤其在改造现已存在的蒸汽轮机装置时，若燃气轮机的废气热量不能充分利用或不能达到可被接受的部分负荷特性时，必须放弃由燃气轮机增加功率。
与具有后置式燃烧的蒸汽发生器的组合过程相比，具有后置式余热蒸汽发生器的组合过程特别适用于重新装备现已存在的燃气轮机装置。对于新的装置，通常一定数量的燃气轮机通过相应数量的余热蒸汽发生器与一个公共的蒸汽轮机连接。因为在这种组合过程中，蒸汽的生成仅限于纯粹的余热利用，所以装置的总效率同样也只是有限的。除此之外，这种组合过程还存在这样一个困难，即在要求或希望用具有较高功率的燃气轮机来替换原有的燃气轮机时，难以找到一种适用的燃气轮机型号。因为，当预先规定蒸汽轮机的功率并因而预先给定余热蒸汽发生器设计参数时，通过来自较大型燃气轮机的废气在余热蒸汽发生器中供入的热量可能过多，这样尤其在设在蒸汽发生器内部的预热器(燃料节省器)中，已经以不希望的方式发生了汽化过程。
因此本发明的目的是提供一种运行燃气和蒸汽轮机装置的方法，按此方法在装置的效率特别高的同时，可以采用一种从许多功率值不同的燃气轮机中可自由选择的燃气轮机。在一种燃气和蒸汽轮机装置中，可通过采用特别简单的措施来做到这一点。
按本发明有关方法方面的目的通过以下所述达到，即，为了生成蒸汽，从燃气轮机排出的废气第一分流，被利用来燃烧矿物燃料；以及，来自燃气轮机的废气第二分流用于生成余热蒸汽。在这种情况下，无论是通过燃烧矿物燃料生成蒸汽，还是通过余热生成蒸汽，都在蒸汽轮机的一个公共的水-蒸汽循环中进行。
本发明以下列考虑为出发点：通过将纯粹的余热利用与用作燃烧空气相结合，可与它们的功率值无关地协调分配燃气轮机废气的利用方式，以获得最佳的装置总效率。
在燃气轮机废气中和在燃烧矿物燃料后产生的烟气中所含有的和不再能用于生成蒸汽的余热，最好利用来进行给水的预热。在这种情况下，水-蒸汽循环中最好处于高压下的给水按分流预热，其中，给水第一分流的预热借助于燃烧矿物燃料时产生的烟气进行。给水第二分流的预热借助于来自燃气轮机的流过余热蒸汽发生器的废气第二分流进行。给水的第三分流借助于来自蒸汽轮机的抽汽预热。给水的这三股分流的预热最好多级地进行，其中，第一分流和第三分流的预热，借助于燃烧矿物燃料时产生的烟气，在一个对它们为公共的第二预热级中进行。
在燃烧的蒸汽发生器中最好能使用多种燃料。例如，作为矿物燃料可采用油、煤气、煤或特种燃料，如垃圾、木材或废油。由于在采用例如煤作为燃烧式蒸汽发生器的燃料时，燃气轮机出口约有500℃的废气温度用于烘干煤粉在有的情况下或许太高了，所以最好在来自燃气轮机的用作燃烧空气的废气第一分流中掺入冷空气流。
从燃气轮机排出的仍含氧的废气有例如15％氧含量，这种废气用作唯一的燃烧空气，用于在燃烧的蒸汽发生器中燃烧矿物燃料，其中燃烧式蒸汽发生器最好仅受为燃烧所需的废气量的作用。因此有可能设置的烟气净化装置只须用于燃气轮机废气的第一分流，而无须针对全部废气量进行设计，在这种情况下，燃气轮机废气中用作燃烧空气的第一分流，与在燃烧矿物燃料时产生的烟气一起被净化。
按本发明的上述有关燃气和蒸汽轮机装置方面的目的，通过一个连接在蒸汽机的水-蒸汽循环中燃烧矿物燃料的蒸汽发生器来达到，在水-蒸汽一侧与之并联一个余热蒸汽发生器，其中，无论是燃烧的蒸汽发生器通过第一分流管，还是余热蒸汽发生器通过第二分流管，都连接在燃气轮机下游废气一侧。
在最佳设计中，在燃烧的蒸汽发生器下游烟气一侧，连接一个烟气净化装置。由于此烟气净化装置只须针对燃气轮机废气第一分流以及在燃烧矿物燃料的蒸汽发生器中产生的烟气量来设计，所以，无论是新装置还是改造老装置，都不会发生由于空间原因需要限制净化装置尺寸的问题。因此在要改造的净化装置由于所处位置状况仅对于有限的废气量而言已经足够的情况下，不需要不合理地降低蒸汽发生器的功率。
为了能尽可能充分利用在从燃烧的蒸汽发生器排出的烟气中燃气轮机废气第一分流尚含有的余热，在燃烧的蒸汽发生器上游水-蒸汽一侧，连接由两个烟气加热的高压预热器组成的串联装置。其中，在第一个高压预热器或锅炉燃料节省器中，预热输入燃烧的蒸汽发生器的全部给水，而在此锅炉燃料节省器下游烟气一侧的第二个高压预热器或锅炉部分燃料节省器中，仅仅预热给水的第一分流。
蒸汽轮机过程可由一个或多个压力级组成。最好设一个具有中间过热和凝结水预热的双压系统。为此，余热蒸汽发生器包括一个凝结水预热器，和连接在此预热器上游废气一侧的中压加热面与一个中间过热器，以及最好还包括与它们在废气一侧至少局部平行设置和在水-蒸汽一侧并联的高压加热面。设在余热蒸汽发生器中的中间过热器，与燃烧的蒸汽发生器最好设有的另一个中间过热器在水-蒸汽一侧并联。
采用本发明可获得的优点主要在于，通过组合燃烧的蒸汽发生器和余热蒸汽发生器，与此同时将燃气轮机废气分为供入蒸汽发生器中的分流，不仅仅可在燃烧的蒸汽发生器中使用品种广泛的燃料，例如煤、重油、贫煤气或特种燃料，如垃圾、木材或废油。而在由于改变燃料例如油换为煤，或由于改造为贫氧化氮的燃烧导致燃烧的蒸汽发生器的锅炉蒸发量下降时，仍然可以保持有特别高的蒸汽轮机功率，并由于余热蒸汽发生器附加的蒸汽发生器功率，因而保持有高的装置效率。
因为在燃烧的蒸汽发生器中只供入燃烧所需的燃气轮机废气，在位置状况狭窄的状况下也能没有什么困难地部署或重新装备烟气净化装置，因为烟气净化装置只须针对燃气轮机废气的一个分流而无须针对整个废气量进行设计。此外，对于具有高的蒸汽轮机装置功率储备的旧装置，这种功率储备可通过在余热蒸汽发生器中产生附加的蒸汽加以利用。
由于燃气轮机的全部废气几乎无损失地得到利用，所以装置达到了特别高的总效率。尤其在用具有较高余热供应量的现代化机组替代老式的燃气轮机时，这些余热或多余的剩余热量，可以在余热蒸汽发生器中得到最大可能的利用。
下面借助附图详细说明本发明的实施例。图中表示了具有连接在燃气轮机下游的燃烧矿物燃料的蒸汽发生器和余热蒸汽发生器的一个组合式燃气和蒸汽轮机装置线路图。
如图所示，燃气和蒸汽轮机装置1包括有一个燃气轮机2的燃气轮机装置，燃气轮机2与空气压缩机3相连，以及包括一个设在燃气轮机2上游的燃烧室4，燃烧室4与空气压缩机3的新鲜空气管路5连接。在燃气轮机2的燃烧室4内通入燃料或燃气管6。燃气轮机2和空气压缩机3以及发电机7装在一根公共的轴8上。
燃气和蒸汽轮机装置1还包括一个具有蒸汽轮机10的蒸汽轮机装置，蒸汽轮机10与发电机11相连，以及，在一个水-蒸汽循环12中，还有一个连接在蒸汽轮机10下游的冷凝器13、一个燃烧的蒸汽发生器14和一个余热蒸汽发生器15。
蒸汽轮机10由高压部分10a、中压部分10b和低压部分10c组成，它们通过一根公共的轴16驱动发电机11。
为了将燃气轮机2中膨胀后的工质或废气A供入燃烧的蒸汽发生器14中，第一分流管18连接在燃烧的蒸汽发生器14的进口14a上。含氧量约为15％的燃气轮机2废气A经分流管18流动的第一分流t1，在燃烧气态的、液态的或固态的燃料B时用作燃烧空气。燃料B通过一条与燃烧的蒸汽发生器14进口14b连接的燃烧管20，供入燃烧的蒸汽发生器14中。为了调整第一分流t1，设有一个连接在分流管18中的控制阀22。在矿物燃料B燃烧时产生的烟气R以及燃气轮机2用作燃烧空气的废气A分流t1，经烟气管24离开燃烧的蒸汽发生器14，并在一个净化装置26中净化后流向一个图中没有表示的烟囱。图中没有详细表示的烟气净化装置26，包括烟气脱硫装置、脱氮装置(DeNOx装置)以及除尘装置。
为了将燃气轮机2废气A的第二分流t2供入余热汽发生器15中，将第二分流管28连接在余热蒸汽发生器15的进口15a上，第二分流管28设有控制阀29。来自燃气轮机2经膨胀的废气A分流t2，经余热蒸气发生器15的出口15b离开余热蒸汽发生器15，流向烟囱。
在例如装置1起动和停车时，既不需用于燃烧的蒸汽发生器14也不需用于余热蒸汽发生器的燃气轮机2废气A，经由带阀32的第三分流管或旁通管30流出。但当燃气轮机2按所谓单循环运行方式(Single-Cycle-Betrieb)单独运行时，此旁通管30专门用来排出燃气轮机2的废气A。
新鲜空气管34通入分流管t1中，在新鲜空气管34中连接有一个鼓风机36、一个蒸汽加热的热交换器38和一个阀40。通过此阀40，与燃气轮机2的废气A相比为冷的新鲜空气KL可掺入燃气轮机2废气A的分流t1中。
余热蒸汽发生器15中作为加热面包括一个预热器42，在它的进口和出口之间连接有一个循环泵44。预热器42在进口侧与凝结水预热器46的出口连接，凝结水预热器46本身的进口侧通过凝结水泵48与冷凝器13连接。凝结水预热器46通过一根与蒸汽轮机10低压部分10c相连的抽汽管50用蒸汽加热。两个连接在凝结水预热器46下游并同样通过与低压部分10c相连的抽汽管52和54加热的预热器56和58，与设在余热蒸汽发生器15中的预热器42并联，以及在出口侧与给水箱60相连。
余热蒸汽发生器15作为加热面还包括中压预热器或中压燃料节省器62、中压汽化器64和中压过热器66，后者的出口侧连接在一根与蒸汽轮机10高压部分10a相连的蒸汽管68上，并与中间过热器70连接。中压加热面62、64、66通过中间过热器70，连接在一根通入蒸汽轮机10中压部分10b的蒸汽管72上。因此，中压加热面62、64、66以及中间过热器70和蒸汽轮机10的中压部分10b，构成了水-蒸汽循环12的中压级。
除此之外，余热蒸汽发生器15还包括在高压级中作为加热面的两个串联的高压汽化器或高压燃料节省器74和75、一个高压汽化器76以及一个高压过热器78。高压过热器78在出口侧通过蒸汽管80，与蒸汽轮机10高压部分10a的进口连接。
中压燃料节省器62和高压燃料节省器74、75在余热蒸汽发生器15内部被安排在废气温度相同的区域内，而高压汽化器76和高压过热器78则被安排在沿燃气轮机2废气A分流t2的流动方向，由中压汽化器64和中压过热器66组成的串联装置的前面，在这种情况下，中间过热器70和高压过热器78被安置在具有相同废气温度的区域内。
给水箱60经由高压泵82和一个具有由三个预热器84、86、88组成的串联装置的热交换器，与燃烧的蒸汽发生器14相连。除此之外，给水箱60通过中压泵90与中压燃料节省器62连接。
在高压泵82的压力侧，在一根通入燃烧的蒸汽发生器14中的给水管92上连接分流管92a，分流管92a经由锅炉部分燃料节省器94，在预热器86和88之间连接在给水管92上。此外，给水管92再经由另一根分流管92b与高压燃料节省器74连接。锅炉部分燃料节省器94和预热器或锅炉燃料节省器88，都连接在燃烧的蒸汽发生器14的烟气管24中。
燃烧的蒸汽发生器14出口侧通过高压过热器96与蒸汽轮机10的高压部分10a的入口连接，在高压过热器96的出口侧连接着蒸汽管80。一个与设在余热蒸汽发生器15中的中间过热器70并联的中间过热器98，在其进口侧通过蒸汽管68与蒸气轮机10的高压部分10a出口连接，而其出口侧与蒸汽轮机10的中压部分10b相连。预热器84和86通过蒸汽管100和102，借助于来自蒸汽轮机10中压部分10b或高压部分10a的抽汽加热。
在组合式燃气和蒸汽轮机装置1运行时，燃料B′经由燃料管6以图中未详细表示的方式方法供入燃气轮机2的燃烧室4内。燃料B′在燃烧室4中与来自空气压缩机3经压缩的新鲜空气L进行燃烧。燃烧时产生的热燃气V通过燃气管6a通入燃气轮机2中。燃气在那里膨胀并与此同时推动燃气轮机2，燃气轮机2再驱动空气压缩机3和发电机7。从燃气轮机2排出的热废气A，其第一分流t1经分流管18作为燃烧空气导入燃烧的蒸汽发生器14。燃气轮机2的热废气A的第二分流t2，流经分流管28并流过余热蒸汽发生器15。
通过供入燃气轮机2废气A分流t1燃烧矿物燃料B时产生的热烟气R，用于在那里生成蒸汽，并紧接着经烟气管24沿着去往烟气净化装置26的方向离开燃烧的蒸汽发生器14，其中在热烟气R到达烟气净化器26之前，首先在锅炉燃料节省器88并接着在锅炉部分燃料节省器94中，通过与来自给水箱60的给水进行热交换得到冷却。
给水的预热在三个分流S1至S3中进行。其中，借助于一个连接在分流管92a中的阀104可调整的处于高压状态的给水第一分流S1流过锅炉部分燃料节省器94，并通过烟气R和燃气轮机2废气A的分流t1进行预热。借助于一个连接在分流管92b中的阀106可调整的第二分流S2流过高压燃料节省器74和75，并通过与来自燃气轮机2的废气A第二分流t2的热交换进行预热。借助于一个连接在给水管92中的阀108可调整的处于高压状态的给水第三分流S3的预热，在预热器84和86中利用蒸汽轮机10的抽汽进行。
因此，无论用于燃烧的蒸汽发生器14还是用于余热蒸汽发生器15的给水的预热，分别按多级式进行。其中，给水分流S2的两级预热，在余热蒸汽发生器15内，在水-蒸汽一侧串联的高压燃料节省器74和75中进行。用于燃烧的蒸汽发生器14的给水按三级预热。其中，首先在预热器84和86中两级预热的第三分流S3，紧接着与在锅炉部分燃料节省器94中平行预热的分流S1一起，在锅炉燃料节省器88中进行共同的第三级预热。给水在三个分流S1至S3中的这种多级式预热，使得有可能将给水特别有利地分配或分划给两个蒸汽发生器14和15，所以，即使采用功率特别强大的燃气轮机2，由于燃气轮机2废气A分流t1和t2以及烟气R更多的热量投入，而使得在蒸汽发生器14和15的废气加热预热器74、75或88、94内部不应有的汽化，实际上得以避免。
在余热蒸汽发生器15的高压汽化器76中产生的以及在高压过热器78中过热的蒸汽，与在燃烧的蒸汽发生器14中产生的并在过热器96中过热的蒸汽一起，流入蒸汽轮机10的高压部分10a中。在高压部分10a中部分膨胀后的蒸汽，一部分在设于余热蒸汽发生器15内的过热器70中以及一部分在燃烧的蒸汽发生器14的中间过热器98中重新过热，并紧接着供入蒸汽轮机10的中压部分10b。在中压部分10b中进一步膨胀后的蒸汽，一部分用于加热在给水箱60中的给水，一部分用于预热流过预热器84的给水分流S3，以及一部分直接流入蒸汽轮机10的低压部分10c中。在低压部分10c中膨胀后的蒸汽，经由抽汽管50至54，用于预热流入给水箱60中的凝结水K。从低压部分10c排出的蒸汽在冷凝器13中凝结，并作为凝结水K经由凝结水泵48和预热器46、56和58，输入给水箱60。因此，为燃烧的蒸汽发生器14和余热蒸汽发生器15所共有的水-蒸汽循环12是封闭的。

Claims (9)

1、一种燃气和蒸汽轮机装置(1)的运行方法，其中，从燃气轮机(2)排出的含氧废气(A)利用于生成蒸汽，其特征在于：从燃气轮机(2)排出的废气(A)第一分流(t1)，作为燃烧空气用于燃烧矿物燃料(B)；从燃气轮机(2)排出的废气(A)第二分流(t2)用于通过余热生成蒸汽，在这种情况下，通过燃烧矿物燃料(B)生成蒸汽以及通过余热生成蒸汽，在蒸汽轮机(10)的一个公共的水-蒸汽循环(12)中进行。
2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：水-蒸汽循环(12)处于高压下的给水在分流(S1至S3)中预热，其中，给水第一分流(S1)的预热借助于燃烧矿物燃料(B)时产生的烟气(R，t1)，给水第二分流(S2)的预热借助于燃气轮机(2)废气(A)的第二分流(t2)，以及，给水第三分流(S3)的预热借助于来自蒸汽轮机(10)的蒸汽进行。
3、按照权利要求2所述的方法，其特征在于：给水三个分流(S1至S3)的预热多级地进行，其中，第一分流(S1)和第三分流(S3)的预热，在一个对它们为公共的第二预热级(88)中，借助于燃烧矿物燃料(B)时产生的烟气(R，t1)进行。
4、按照权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：在燃气轮机(2)排出的废气(A)用作燃烧空气的第一分流(t1)中，掺入冷空气流(KL)。
5、按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：燃气轮机(2)废气(A)用作燃烧空气的第一分流(t1)，与在燃烧矿物燃料(B)时产生的烟气(R)一起被净化。
6、一种实施按照权利要求1至5中任一项所述方法的燃气和蒸汽轮机装置，有一个连接在蒸汽轮机(10)的水-蒸汽循环(12)中燃烧矿物燃料的蒸汽发生器(14)，一个余热蒸汽发生器(15)在水-蒸汽一侧与之并联，其中，无论是燃烧的蒸汽发生器(14)通过第一分流管(18)，还是余热蒸汽发生器(15)通过第二分流管(28)，都连接在燃气轮机(2)的下游废气一侧。
7、按照权利要求6所述的燃气和蒸汽轮机装置，其特征在于：在燃烧的蒸汽发生器(14)下游的烟气一侧，连接一个烟气净化装置(26)。
8、按照权利要求6或7所述的燃气和蒸汽轮机装置，其特征在于：在燃烧的蒸汽发生器(14)上游的水-蒸汽一侧，连接一个由两个烟气加热的锅炉预热器(88，94)组成的串联装置。
9、按照权利要求6至8中任一项所述的燃气和蒸汽轮机装置，其特征在于：余热蒸汽发生器(15)包括用于凝结水预热的加热面(42)，和连接在此加热面(42)上游在废气一侧的中压加热面(62，64，66)与一个中间过热器(70)，以及包括与它们在废气一侧至少局部平行设置而在水-蒸汽一侧并联的高压加热面(74，75，76，78)。
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