CN1165238A - 组合设备的运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种组合设备的运行方法，这种设备主要由一个燃气轮机组、一台余热蒸汽发生器和一个配备蒸汽轮机的蒸汽循环组成，其中，燃气轮机组按顺序点火运行，为了提高蒸汽轮机的使用功率，在压力恰当的位置，至少抽取一个通过调节器确定的蒸汽量。然后，将这一蒸汽量在适当的位置输入燃气轮机组，为了保持如此诱导的功率，至少对在至少一个燃烧室处的燃料量的计量装置施加影响。
Description
本发明涉及一种组合设备的运行方法。
现有技术中的现代组合设备通常采取下列调节措施进行工作：由功率或转速调节器控制的调节机构，亦即压缩机导流排调整装置、进气预热装置和来自余热蒸汽发生器的蒸汽量的蒸汽注入装置，引起循环的热力学改变，诸如质量流量和压力比变化。这些改变本身又要求有适配的燃料量。这通过相应的调节机构来实现，调节机构促使燃料计量。当压缩机系统中存在中间冷却器时，为了优化压缩机分部的空气动力学状况，冷却水量可以通过冷却水计量装置加以改变。
因此，例如局部关闭压缩机导流排和/或预热进气，导致减少循环空气流量，基于涡轮的通流原理，这种减少使得压比下降。为了在这时防止在两个燃烧室中温度上升，必须减少燃料量。实现这一点最好借助于使用两个能方便和可靠测量的参数，即涡轮出口温度和压缩机系统的出口压力。然而，直接测量高温气体温度和高压涡轮的出口温度是有困难的，因为那里的温度水平很高。
反之，当进一步打开压缩机导流排时，必须增加供给燃烧室的两个燃料量，这通过前面所述的同一个调节机构实现。由此获得的功率增加，是基于提高了燃烧室和涡轮的质量流量，与此同时也提高了压力比。由此引起的低压端涡轮出口温度的下降，只是在一定程度上减少因提高质量流量而增加了的蒸汽产量，所以有效功率大体上与压缩机输送的空气流量的增加成正比提高。由此可见，不可能大量提高蒸汽轮机的使用功率。
本发明将提供在这方面的补救办法。本发明的目的是，在前言所述类型的方法中建议了一种调节方法，按这种调节方法促使提高使用功率，与此同时它还使效率最高以及有害物质的排放降到最低程度。
通过在压力恰当的部位从蒸汽轮机抽取一定量的蒸汽并将这一蒸汽量注入燃气轮机过程中适当的地方，使燃气轮机功率的提高远大于蒸汽轮机功率的下降。因此在总体上可以使功率增加10-15％。
蒸汽的注入最好在高压燃烧室烧嘴上游进行，在这种情况下，将这些蒸汽掺混在燃料中在热力学方面是等效的。因为注入的蒸汽要被置于在燃烧室中制备的高温气体的温度水平，这当然需要附加的燃料量，所以在余热蒸汽发生器中产生附加的蒸汽。尽管这种功率增加确定包含有此组合设备的效率略有下降，因为潜热在烟囱中的损失比在蒸汽轮机冷凝器中的量更大，但因为注入燃气轮机的蒸汽是在压力适当的部位从蒸汽轮机抽取的，所以它不会成比例地降低整个蒸汽轮机的功率。
上面提到的效率略有下降可以按以下所述加以弥补：插入一个中间冷却器，通过将压缩机至少再分为两个压缩机分部，提高燃气轮机的功率，并因而也提高了此组合设备的功率。在恰当地选择循环压力比以及按压力恰当分配压缩机分部的两个分压力比时燃气轮机的效率增加了，但就组合系统而言效率却略有下降。这是因为在中间冷却器中损失的燃料能量部分没有在余热蒸汽发生器中用于生产蒸汽。不过，这一效率下降可通过在中间冷却器中保持尽可能小的冷却水量加以抑制，由此形成的高温的压力水在一个阶式蒸发器中转变为蒸汽，然后引入蒸汽轮机并在那里作功。
因此通过改变冷却水量，可以影响在第二个压缩机分部的进口温度，所以，当工作点偏离额定点时这两个压缩机分部可加以校正，使它们的效率最大，这又会对组合设备的总效率产生影响。
下面借助于附图表示本发明的一种实施例并详细说明。所有对于直接理解本发明无关的部分均省略。介质的流动方向用箭头表示。
唯一的图表示了一种组合设备的线路，它的燃气轮机组按顺序燃烧设计。
图1中表示了一种组合设备，它由一个主要包括地点1a-12、16、53的燃气轮机组、一台余热蒸汽发生器14和一个蒸汽循环组成。可作为自主单元工作的燃气轮机组包括一个压缩机部件，下面对它还要详细说明；在压缩机部件下游的第一燃烧室4；在此燃烧室4下游的第一涡轮7；在此涡轮7下游的第二燃烧室9；以及，在此燃烧室9下游的第二涡轮12。上升流体机械1、7、12有一根统一的转子轴53，它通过一个图中看不到的离合器与发电机16连接。此转子轴53最好支承在图中没有表示的两个轴承上，轴承最好安排在压缩机部件的前端和第二涡轮12的下游。在这里的压缩机部件，例如为了提高单位功率，再分为两个压缩机分部1a、1b，在它们之间连接有一个中间冷却器37，其中，第一个压缩机分部1a配备有压缩机导流排调整装置52。吸入的空气2在第一压缩机分部1a中进行预压缩之前流过进气预热器34。接着，经预压缩的空气2a流过已提及的中间冷却器37，然后作为经过中间冷却的预压缩空气2b流入第二压缩机分部1b。经它最终压缩后，压缩空气3最好流入一个图中没有表示的机壳中，此机壳围绕压缩机出口和第一涡轮7。在此机壳内还装有第一燃烧室4，它最好设计为连接在一起的环形燃烧室，其中流入压缩空气3。当然，用于第一燃烧室4工作的压缩空气也可以由图中没有表示的储气设备提供。环形燃烧室4的头部沿圆周分布有一些图中没有表示的烧嘴，这些烧嘴负责燃烧。燃料5的供应最好通过一根图中没有表示的环形管道进行，其中在这里至少设有一个调节机构5a。在这里可以使用扩散式烧嘴。为了减少有害物的排放，尤其是NOx的排放，以及为了提高效率，最好采用按EP-0321809B1的预混烧嘴的结构，这一出版物中的专利对象是本说明书整体的组成部分；此外，这一说法也适用于那里所介绍的燃料供入装置型式以及燃烧空气的成分，这种燃烧空气例如可以用再循环的烟气加浓。有关燃烧空气的供入装置型式及成分，这一考虑也适用于第二燃烧室9。就预混烧嘴沿环形燃烧室4圆周方向的排列而言，如果需要这种排列可以采用不同于传统的相同尺寸烧嘴的结构，而可代之以使用相同或不同结构的尺寸不同的预混烧嘴，这最好为了区分副烧嘴和主烧嘴。当然，环形燃烧室4可由一些单管燃烧腔组成，它们围绕着转子轴53同样也可以排列成斜管状的，有时也可以是螺旋状的。这一环形燃烧室4与它的设计无关，几何上可以安排成实际上它对于转子长度没有任何影响。由这种配置得到的优点在下面还要详细说明。由此环形燃烧室4排出的高温气体6进入紧接在它后面的第一涡轮7，第一涡轮7给予高温气体6的热膨胀作用有意识地保持为最小，也就是说，此涡轮7由不超过一至两个工作叶片排组成。对于这样一种涡轮7，为了稳定轴向推力，有必要在断面提供压力平衡。在涡轮7中部分膨胀并直接流入第二燃烧室9的热排气8，出自于所说明的原因而具有相当高的温度，最好按具体工作设计这一温度，使它肯定仍在1000℃左右。此第二燃烧室9最好具有连接在一起的环形的、轴向或准轴向圆筒的形式；当然它也可以由一些轴向、准轴向或螺旋形排列的本身独立的燃烧腔组成。当涉及的是由一个个燃烧腔组成的环形燃烧室9的构型时，则沿此环形圆筒周围方向设置多根燃料管10，在这种情况下，它们当然还可以通过一根图中没有表示的环形管道互相连接。这种燃料供入装置还至少设有一个调节机构10a。此燃烧室9按传统本身没有烧嘴：在来自涡轮7的热排气8中喷入的燃料10的燃烧，在这里通过自燃实现，但条件是温度水平允许按这种工作方式进行。以此为出发点，燃烧室9通过气态燃料亦即例如天然气工作，为了自燃，来自涡轮7的热排气8的温度必须约为1000℃，当然在部分负荷工作的情况下也必须如此，这对于此涡轮7的设计起一种因果关系的作用。为了保证设计用于自燃的燃烧室能可靠工作和有高的效率，极为重要的是火焰前锋保持地点稳定。为此目的，在燃烧室9中，最好在内壁和外壁上，沿圆周方向设一系列在图中没有表示的涡流发生器，它们最好设在沿流动方向燃料管10的上游。此涡流发生器的任务是产生涡流，然后在涡流中供入燃料，在进一步的下游，涡流诱导出一个稳定的回流区，类似于在环形燃烧4中预混烧嘴后的那种。因为燃烧室9鉴于轴向排列和其结构长度涉及的是一种高速燃烧室，它的平均速度大于约60米/秒，所以涡流发生元件亦即涡流发生器必须设计为适合流动的。它们的入流侧最好应由带入流斜面的四边形的形状构成。如已提及的，涡流发生元件可以或定位在燃烧室9外表面上，或定位在其内表面上，或作用在两处。在外面和里面的涡流发生元件之间的斜面最好排列成对映形态，使得在燃料10喷入区的下游在燃烧室9中的流通横截面受到一个产生回流的扩张。当然，这些涡流发生元件也可以沿轴向彼此错移。涡流发生元件流出侧的表面定向为基本上垂直于内壁，所以从这里起可以出现所企求的回流区。有关涡流发生器的具体结构可参见EP-0619133A1，它是本说明书整体的一部分。同时，对于各种燃料在燃气轮机组的过渡的负荷区和局部负荷区都能保证在燃烧室9中的自燃，这意味着必须采取辅助措施，以保证，即使在燃料10喷入区内热排气8的温度可能发生变化，在燃烧室9内仍能自燃。为了确保做到这一点，可以在主燃料中添加少量具有低自燃温度的另一种燃料。在这里作为“辅助燃料”例如燃油是极为合适的。当从第一涡轮7排出的热排气8的温度在企求的最佳水平以下时，适当喷入液态辅助燃料来完成所谓起导火索作用的任务，并引发在燃烧室9中的自燃。若燃气轮机组以降低了的负荷运行，这一提供燃油保证自燃的措施业已证明总是特别恰当的。此外，这一措施对于使燃烧室9能具有最小的轴向长度起决定性的作用。燃烧室9短的结构长度、用于形成混合和使火焰稳定的重要的涡流发生器的作用以及持续地保证自燃，这些都是造成燃烧能非常快速地进行以及燃料在炽热的火焰前锋区保持最少停留时间的原因。由此直接从燃烧状况可测得的一个具体效果是有关NOx排放，由于NOx排放量减到了最低程度，以致它不再构成任何话题。此外，这一起始状况使得有可能明确确定燃烧位置，这对于此燃烧室9的结构最佳地冷却有影响。在燃烧室9内准备好的热气体11接着进入在其下游的第二涡轮12。燃气轮机组的热力学特征参数可以设计为，使从第二涡轮12排出的排气13中仍有相当高的热势，以便使下游的余热蒸汽发生器14工作。如在说明环形燃烧室4时已指出的那样，它的几何尺寸设计为实际上对转子长度没有任何影响。此外可以规定，在第一涡轮7出口平面与第二涡轮12入流平面之间的第二燃烧室9占最小长度。还有，热气体6在第一涡轮7中的膨胀，出自于已阐明的理由，通过少量工作叶片排完成，所以可以制成单轴式结构紧凑的燃气轮机组。当在第二燃烧室9前设图中没有表示的小型扩压器时，则对于提高燃气轮机组的效率是有利的。因此减小了整个系统的总压损失。借助于传统的扩压器设计曲线可以证明，在扩压器为最小长度时就已经可以获得大的总压恢复系数。如上所述，压缩机分部1a、1b可配备中间冷却。为了在这种情况下不改变如图中所表示的燃气轮机组的基本几何方案，中间冷却器37可与静子机壳组合在一起，最好直接沿压缩机分部的流动方向。在此中间冷却器37中的冷却间接或直接地进行。在直接式中间冷却时，这例如可以通过一个装置来实现，这一装置的工作设计为汽化注入的水。于是获得了这样一种构型，它完全取消了传统的装在静子机壳外面的中间冷却器的连接管道，以及从此中间冷却器通过静子机壳至下一个压缩机分部的连接管道。
如已说明的那样，从第二涡轮12排出的排气13流过余热蒸汽发生器14，然后作为烟气15经烟囱排出。在这里所表示的余热蒸汽发生器14产生新鲜蒸汽31。当然也可以设这样的余热蒸汽发生器，它可按混压式系统工作，相应地可提供多种品质的蒸汽。
在余热蒸汽发生器14中生产的新鲜蒸汽31经调节机构32流入蒸汽轮机17，它的轴也与曾提及的发电机16连接。从蒸汽轮机17排出的经膨胀的蒸汽18流过冷凝器19，冷凝器19用一种适用的冷却剂20工作。由此形成的冷凝水21按需要添加补充水22，因此基本上形成冷却水21a，此冷却水21a然后通过输送泵23输送，朝压缩机系统的中间冷却器37的方向流动，此时冷却水21a的第一部分量24首先引入混合预热器26。其余的冷却水接着通过另一台输送泵25引入上述中间冷却器37。从混合预热器26排出的蒸汽27经调节机构28流入蒸汽轮机17并在那里作功。由此混合预热器26还制备给水29，给水29通过输送泵30流入余热蒸汽发生器14，在那里通过热交换过程转变为用于供入蒸汽轮机17的蒸汽31。由于在中间冷却器37中冷却了预压缩空气2a，通过适当的流量控制，从冷却水21a形成热的压力水38，它在配备有调节机构39、42的阶式蒸发器40、41、43中部分转变为蒸汽48、49，蒸汽48、49在适当的位置通入蒸汽轮机17。通过上述阶式蒸发器的第三次汽化在第二蒸发器43的下游进行：管道44经调节机构47将仍然热的压力水送入混合预热器26，在此混合预热器26的上游，具有调节机构46的支管45将一部分冷却水量送入另一根冷却水管道21a。从上述混合预热器26中排出蒸汽前面早已说明。在压力恰当的位置处从蒸汽轮机17抽取一个蒸汽量33，用于预热进气2。流过此进气预热器34后，冷凝水35经调节机构36流入冷却水管道21a。从蒸汽轮机17抽出的第二个蒸汽量50经调节机构51流往燃气轮机组第一燃烧室4的上游，参与热气体的生产，这种蒸汽的注入大大提高了组合设备的使用功率，这在本说明书的发明概述中已详细阐述。
设备的调节至少通过下列要控制的调节机构来实现：功率和转速调整通过压缩机导流排调整装置A、调节机构36处的进气预热装置B和调节机构51处的向燃气轮机组的蒸汽注入装置C来完成。由此引发的循环热力学方面的改变，如质量流量和压力比，本身又要求燃料量D和E与之适配，燃料量D和E的适配通过调节机构5a、10a来完成。此外，在功率低于额定功率的约50％的情况下，当调节压缩机导流排调整装置A和进气预热装置B时，燃料的计量D和E起初级调节方法的作用。为了优化压缩机分部1a、1b的空气动力学状况，在中间冷却器37上游对调节机构25处的冷却水进行计量F。
符号表1a 压缩机分部1b 压缩机分部2 进气2a 预压缩空气2b 经中间冷却的预压缩空气3 压缩空气4 第一燃烧室5 燃料，对4的燃料供入装置6 第一燃烧室4的热气体7 第一涡轮8 从7的热排气9 第二燃烧室10 燃料，对9的燃料供入装置11 第二燃烧室的热气体12 第二涡轮13 排气14 余热蒸汽发生器15 烟气16 发电机17 蒸汽轮机18 膨胀后的蒸汽19 冷凝器20 冷凝器的冷却介质21 冷凝水21a 冷却水22 补充水23 输送泵24 一部分冷却水21a25 输送泵26 混合预热器27 混合预热器出口的蒸汽28 调节机构29 来自26的给水30 给水泵31 新鲜蒸汽32 31的调节机构33 从17的抽汽34 进气预热器35 冷凝水36 调节机构37 中间冷却器38 压力水39 调节机构40 阶式蒸发器41 来自40的压力水管道42 调节机构43 阶式蒸发器44 来自43的压力水管道45 冷却水支管46 调节机构47 调节机构48 闪蒸蒸汽49 闪蒸蒸汽50 从17的抽汽51 50的调节机构52 导流排调整装置 C蒸汽注入装置53 转子轴 D4的燃料计量装置A 压缩机导流排调整 E9的燃料计量装置
装置B 进气预热装置 F21a的冷却水计量装置
Claims (5)
1、一种组合设备的运行方法，这种组合设备主要由一个燃气轮机组、一台余热蒸汽发生器和一个至少配备一台蒸汽轮机的蒸汽循环组成，其中，燃气轮机组由一个压缩机部件以及总是由至少一个燃烧室、一个涡轮和一台发电机组成，其特征为：为了提高蒸汽轮机(17)的使用功率，在压力恰当的位置，至少抽取一个通过调节器(C)确定的蒸汽量(50)，将它在适当的位置输入燃气轮机组；以及，为了保持如此诱导的功率，至少对至少一个燃烧室(4、9)的燃料量(5、10)的计量装置(D、E)施加影响。
2、按照权利要求1所述的方法，其特征为：当在压缩机部件(1a、1b)中设有中间冷却器(37)时，蒸汽量(50)的调节器(C)附加地与压缩机导流排调整装置(A)、进气(2)预热调节器(B)和在中间冷却器(37)中冷却水(21a)的计量装置(F)一起工作。
3、按照权利要求1所述的方法，其特征为：蒸汽量(50)在压缩机部件(1a、1b)的下游供入燃气轮机组。
4、按照权利要求1所述的方法，其特征为：燃气轮机组按顺序点火运行。
5、按照权利要求4所述的方法，其特征为：进入第二燃烧室(9)的来自第一涡轮(7)的排气(8)所具有的温度水平，高于喷入第二燃烧室(9)的燃料(10)的自燃温度。
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Granted publication date: 20020515 |