CN1163981A - 使用废物作为燃料的联合循环发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种联合循环发电系统，在不使用附加燃料的情况下，提高发电效率。其有腐蚀性排气源，闭式循环燃气轮机，和卡林那循环蒸汽轮机。一个陶瓷热交换器放置在腐蚀性排气源的高温段上。一个热交换器用来自闭式循环燃气轮机的高温段排气，加热卡林那循环蒸汽轮机的混合氨—水流体。一个热交换器用来自闭式循环燃气轮机的余热加热混合氨—水流体的凝结物，使之汽化。一个热交换器放置在腐蚀性排气源的低温段上，用余热使混合氨—水流体汽化。
Description
本发明涉及一种使用废物作为燃料的联合循环发电系统，它利用一个热量交换器(锅炉)，一个燃气轮机和一个蒸汽轮机，从高温腐蚀性燃烧气体中获取能量。
不同于使用水蒸汽的兰金循环发电系统，使用氨和水的混合液体作为介质的卡林那(Kalina)循环预期能够在发电系统的效率上有所提高。一般认为使用一个卡林那循环作为一个开式循环燃气轮机的基本循环，能够使蒸汽轮机的输出比一个再热兰金循环蒸汽轮机的输出高出25％。因此，可以预期以天然气为燃料的通用的燃气轮机联合发电系统的发电机端效率(从低热值的观点看)能够达到60％。
可是，利用废物作燃料的发电会产生腐蚀性燃烧气体，因此，在日本，废热回收蒸汽的温度被控制在300℃的低水平上。有这样一种方法：在以天燃气或同类物质为燃料的开式循环燃气轮机系统内安置一个废物焚化炉，从此焚化炉出来的废热回收蒸汽由来自燃气轮机的洁净排气进行再加热。这一方法提高了兰金循环和卡林那循环的效率。
然而，以上所述的方法除了废物以外还需要一种附加燃烧，比如天燃气。而且，这种方法中热回收蒸汽被加热加压到高温高压，需要根据腐蚀的程度周期性地更换热管道，因此必须精确地预测更换的周期，加之更换程序还需要一段时间，所以这就减少了发电的运作时间和废物排除时间。
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种使用废物作为燃料的联合循环发电系统，它能够在不使用附加燃料如天燃气的情况下提高发电效率。
为达到上述目的，本发明提供了一种以废物为燃料的联合循环发电系统，它包括一个废物排气源，一个闭式循环燃气轮机和一个卡林那循环蒸汽轮机。为闭式循环燃轮机提供的外部加热的热交换器布置在废物排气源的高温段之上。此联合循环发电系统还包括一个利用来自闭式循环燃气轮机的高温段排气加热卡林那循环蒸汽轮机所用的混合氨-水流体的热交换器，和一个利用来自闭式循环燃气轮机的排气中的余热汽化混合氨-水流体的冷凝物的热交换器。另外，一个为卡林那循环蒸汽轮机提供的外部加热的热交换器被布置在废物排气源的低温段，用来利用废物排气中的余热汽化混合氨-水流体。
闭式循环燃气轮机的外部加热的热交换器可以是一个陶瓷热交换器。
根据本发明的另一个方面，所提供的以废物作为燃料的联合循环发电系统包括一个废物排气源，一个位于废物排气源的高温段之上的陶瓷热交换器，一个位于废物排气源的低温段之上的碳钢热交换器，一个闭式循环燃气轮机，一个卡林那循环蒸汽轮机，一个第一热交换器，一个位于第一热交换器下游的第二热交换器，一个位于第一热交换器和第二热交换器之间的第三热交换器。在一个闭式循环燃气轮机的压缩机内将闭式循环燃气轮机所用的工作流体加压，之后工作流体被导入陶瓷热交换器中，在那里被加热，加热后的工作流体通过闭式循环燃气轮机，膨胀获得动力。从闭式循环燃气轮机排出的工作流体依次通过第一热交换器、第三热交换器和第二热交换器，然后导入压缩机。卡林那循环蒸汽轮机的工作流体即混合氨-水流体在第一热交换器被加热，加热后的混合氨-水流体通过卡林那循环蒸汽轮机膨胀获得动力。混合的氨-水流体在卡林那循环蒸馏和冷凝系统内蒸馏、冷却和凝结，以调节混合的氨-水流体的浓度。这样蒸馏、冷却、凝结后的混合氨-水流体被导入第二热交换器，在那里由闭式循环燃气轮机的工作流体内保存的热量加热。加热后的混合氨-水流体的一部分进入碳钢热交换器，在其内部混合流体被加热到相对于腐蚀性气体碳钢可允许的温度，而剩余的混合氨-水流体则进入第三热交换器，在那里其被加热，然后加热后的混合氨-水流体与在碳钢热交换器内加热的那部分混合氨-水流体汇合，一同进入到第一热交换器。
下面将针对本发明的具体装置进行详细的图示说明，从中可以看出本发明的其它目的和优点。
图1显示了按照本发明以废物为燃料的联合循环发电系统的装置。
下面将参照附图详细说明本发明的一个实施例。图1显示了一个按照本发明以废物为燃料的联合循环发电系统的装置。按照本发明，联合循环发电系统具有一个废热回收系统。这个废热回收系统主要包括一个由废物焚化炉或同类设备组成的高温腐蚀性排气源(废物排气源)1，一个闭式循环燃气轮机2，一个混合氨-水流体蒸汽轮机3和一个发电机13。联合循环动力发电系统还具有一个陶瓷热交换器6和一个热交换器10，它们被安置在腐蚀性排气源1的内部。这种联合循环发电系统还包括一个第一热交换器7，一个第三热交换器12，一个第二热交换器9和一个卡林那循环蒸馏和凝结系统8。应该指出适合的热交换器10是由碳钢材料制成的。
闭式循环燃气轮机2的工作流体5在压缩机4内被加压缩，然后在陶瓷热交换器6内被加热，这个陶瓷热交换器放置在腐蚀性排气源1的高温部分的上面。加热后的工作流体5通过闭式循环燃气轮机2，膨胀获得能量。从闭式循环燃气轮机2出来的工作流体5依次通过第一热交换器7，第三热交换器12和第二热交换器9，返回到压缩机4。
第一热交换器7位于闭式循环燃气轮机2的排气高温段的上面，由来自闭式循环燃气轮机2的工作流体5加热混合的氨-水流体。在第一热交换器7中加热后的混合氨-水流体11通过混合氨-水流体蒸汽轮机3，膨胀获得能量。接下来，混合氨-水流体11在卡林那循环蒸馏和凝结系统8内被蒸馏、冷却和凝结，以使其浓度得到调节。在蒸馏和凝结系统8内被蒸馏、冷却和凝结过后的混合氨-水流体在第二热交换器9中由工作流体5内的热量加热，第二热交换器位于第一和第三热交换器7和12的下游段(低温段)。
经这样加热后的混合氨-水流体11的一部分进入到热交换器10，热交换器10由碳钢制成，并位于腐蚀性排气源1内的陶瓷热交换器6的下游(低温段)。进入到热交换器10的混合氨-水流体11由腐蚀性排气源1内的余热加热至相对于腐蚀性气体碳钢可允许的蒸汽温度。剩余的另一部分混合氨-水流体11在第三热交换器12内被加热，第三热交换器位于第一热交换器7和第二热交换器9之间。在第三热交换器12内加热后的混合氨-水流体11与在热交换器10内加热后的混合氨-水流体11汇合并进入第一热交换器7。
在联合循环发电系统中，腐蚀性排气源1是来自废物焚化炉的高温排气。该排气的温度依废物焚化炉内燃烧的过量空气比率而定，在900℃到1350℃的界限内。我们假设对于日焚化容量为300t的废物焚化炉，给定排气流量为98.9t/h，排气温度为1350℃。
假定在闭式循环燃气轮机2内入口空气的流量为130t/h，入口温度为1115℃，并且入口压力为1.55MPa绝对压力，排出压力为0.11MPa绝对压力，则回收的功率为24.4MW。
假定混合氨-水流体蒸汽轮机3的入口压力为13.0MPa绝对压力，入口温度为500℃，混合氨-水流体11的混合比率为氨70％，水30％，混合氨-水流体11的流量为35.5t/h，而且透平绝热效率为85％。出口压力为0.15MPa绝对压力，出口温度为86℃，则回收的功率为9.1MW。
压缩机4是为闭式循环燃气轮机2提供的。假定使用与开式循环燃气轮机所用的压缩机相同的、空气流量大约为130t/h的轴流式压缩机作为压缩机4，压缩机4的入口压力为0.1MPa绝对压力，入口温度为40℃，出口压力为1.55MPa绝对压力，出口温度为463℃，所需要的功率为15.0MW。闭式循环燃气轮机2的工作流体5使用了洁净的干燥空气。
陶瓷热交换器6将闭式循环燃气轮机2的工作流体5，从455℃加热至1115℃。陶瓷热交换器6是由氮化硅陶瓷材料制成的管壳式热交换器。最好在陶瓷热交换器6的废物排气端提供一个煤烟鼓风机，以便清洁管子表面。
第一热交换器7安置在闭式循环燃气轮机2的排气高温段上，其内部的混合氨-水流体11由这样两部分组成：一部分是在热交换器10内经由废物排气加热至300℃汽化之后的流量为21.9t/h的混合氨-水流体11，另一部分是已在位于第一热交换器7下游的第三热交换器12内被加热至300℃，流量为13.6t/h的混合氨-水流体11。第一热交换器7将这样的两股流体汇合的总的流动速率为35.5t/h的混合氨-水流体11加热，由闭式循环燃气轮机2的温度为518℃的排气将其温度加热至500℃。第一热交换器7是一个齿形翅片管式热交换器，如在开式循环燃气轮机的排气锅炉中所用的那样。
卡林那循环的蒸馏和凝结系统8将从混合氨-水流体蒸汽轮机3中排出的混合氨-水流体11冷却，凝结和散热。第二热交换器9的作用是将在卡林那循环蒸馏和凝结系统8中凝结的混合氨-水流体11，由来自闭式循环燃气轮机2的排气(温度：180℃)加热至汽化。如第一热交换器7的情形一样，第二热交换器9采用的也是齿形翅片管式热交换器。在第二热交换器9中，温度为30℃的混合氨-水流体11被加热至160℃，进而汽化。另一方面，来自闭式循环燃气轮机2的排气温度被冷却至40℃。
位于腐蚀性排气源1的低温段上的热交换器10将流量为21.9t/h的混合氨-水流体11从160℃加热至300℃，从而使混合氨-水流体11汽化。热交换器10是由废旧锅炉所用的碳钢材料制成的光管热交换器。为避免由废物排气造成碳钢的高温腐蚀，最好由一个过热降温器进行温度控制，以使热交换器10中混合氨-水流体的出口温度不高于300℃。
第三热交换器12将从第二热交换器9出来的温度为160℃(流量：13.6t/h)的一部分混合氨-水流体加热至300℃。第三热交换器12采用的也是同第一热交换7和第二热交换器9的情形相同的齿形翅片管式热交换器。
上述的联合循环发电系统回收的功率是闭式循环燃气轮机2回收的功率与混合氨-水流体蒸汽轮机3回收的功率之和再减去压缩机4所消耗的功率组成的，即18.7MW。假设闭式循环燃气轮机2，混合氨-水流体蒸汽轮机3和发电机13之间的减速齿轮装置的损失以及发电机13的损失的总和是回收功率的3％，那么发电机13的发电机端输出则为18.1MW。
如果对废热回收所提供的废物排气的流量为98.9t/h，如上所述，直到排气温度从1350℃降至180℃之前，那么热量回收的总量为35MW。联合热效率是发电机端输出18.1MW与回收热量的比值，为51.7％。因此得到一个高的发电机端效率是可能的，这一效率决不低于采用20MW等级和卡林那循环的以天燃气为燃料开式循环燃气轮机的联合式循环发电系统的发电机端效率。
虽然在前面的实施例中，闭式循环燃气轮机2的工作流体用的是干燥洁净的空气，但是应该指出的是闭式循环燃气轮机2的工作流体不必局限于洁净干燥的空气，其它的气体，比如氮气，也可以做为工作流体。
按照本发明，上述的以废物为燃料的联合循环发电系统具有下述先进的性能：
(1)一个联合发电系统的装置可以实现通过一个燃气轮机循环，从废物发电中的高温燃烧气体中回收功率；可以实现从由一个卡林那循环的燃气轮机排气和低温燃烧气体中回收功率。因此，可以预期，与传统的蒸汽轮机系统相比，输出会有较大的提高。比如，假定蒸汽温度为300℃的传统蒸汽轮机系统的输出为10.5MW，其是热回收数量35MW的30％，传统卡林那循环的输出为12.6MW，是兰金循环输出的120％，则按照本发明，联合循环发电系统的发电机端输出18.1MW是传统蒸汽轮机系统的输出的172％，是卡林那循环输出的144％。
(2)即使废物排气是高温腐蚀性气体，闭式循环燃气轮机的高温气体和工作流体由于热交换器的腐蚀而泄漏，因为闭式循环燃气轮机内的压力相对较低(低于2MPa绝对压力)，也不会发生象当传统的高温高压兰金循环中高压蒸汽(102MPa绝对压力)突然喷出时的危险。而且传统卡林那循环使用的是氨，因此当蒸汽温度被提高到300℃或更高、压力达到一个较高水平的时候，为防止突然喷出事故的发生就要采取多种措施花费很大。可按照本发明、联合循环发电系统却使用于安全防范措施的花费降低很多。
(3)燃气轮机循环可以在没有外部提供燃料如天燃气的情况下运行。而且因为燃气轮机循环是一个闭式循环，所以不需要一个过滤器，用来吸收外部空气。在开式循环燃气轮机中，外界空气中的灰尘粘附在燃气轮机压缩机叶片上，引起效率降低。在本发明中，由于采用了闭式循环，燃气轮机循环性能上的降低被减少到最小。
虽然通过特定条件对本发明作了详细的说明，但这里应该指出的是所描述的实施例不一定是唯一的，只要是不脱离下面所附权利要求所限定的本发明的范围，可以进行多种变更和修改。
Claims (3)
1 一种使用废物为燃料的联合循环发电系统，包括：
一个废排气源；
一个闭式循环燃气轮机；
一个卡林那循环蒸汽轮机；
一个为闭式循环燃气轮机提供的外部加热的热交换器，此热交换器位于废排气源的高温段的位置之上；
一个为加热卡林那循环蒸汽轮机的混合氨-水流体所提供的热交换器，此热交换器的热源是来自闭式循环燃气轮机的高温段排气；
一个为汽化混合的氨-水流体的凝结物所提供的热交换器，此热交换器的热源是来自闭式循环燃气轮机的排气中的余热；
还有一个为卡林那循环蒸汽轮机提供外部加热的热交换器，此热交换器位于废排气源的低温段之上，由废排气中的余热汽化混合氨-水流体。
2 根据权利要求1联合式循环发电系统，其中为闭式循环燃气轮机提供的外部加热的热交换器是一个陶瓷热交换器。
3 一种以废物为燃料的联合循环发电系统包括：
一个废排气源；
一个位于废排气源高温段之上的陶瓷热交换器；
一个位于废排气源低温段之上的碳钢热交换器；
一个闭式循环燃气轮机；
一个卡林那循环蒸汽轮机；
一个第一热交换器；
一个位于第一热交换器下游的第二热交换器；
一个位于第一热交换器和第二热交换器之间的第三热交换器；
其中，闭式循环燃气轮机的工作流体在为闭式循环燃气轮机的压缩机内被压缩，然后被导入陶瓷热交换器，在那里工作流体被加热，被加热后的工作流体通过闭式循环燃气轮机膨胀获得功率，从闭式循环燃气轮机排出的工作流体依次通过第一热交换器、第三热交换器和第二热交换器，再进入压缩机，
其中，作为卡林那循环蒸汽轮机的工作流体的混合氨-水流体在第一热交换器中被加热，加热后的混合氨-水流体通过卡林那循环蒸汽轮机膨胀获得功率，混合氨-水流体在卡林那循环蒸馏和凝结系统中被蒸馏、冷却和凝结，使混合氨-水流体浓度被调节，这样蒸馏、冷却和凝结后的混合氨-水流体被导入第二热交换器，在那里被闭式循环燃气轮机的工作流体中所蕴含的热量加热，加热后的混合氨-水流体的一部分被导入碳钢热交换器，在那里，被加热到相对于腐蚀性气体来讲碳钢可允许的温度，而剩余部分的混合氨-水流体被导入第三热交换器，在其内被加热，加热后的混合氨-水流体与在碳钢热交换器内加热的混合氨-水流体汇合，共同进入第一热交换器。
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