CN1167525A - 联合循环动力设备的运行方法 - Google Patents

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Abstract

一种在联合循环动力设备中使用内燃机排气的方法，使排到产生蒸汽的发电设备的锅炉空间的排气的品质和分配受到控制以获得较高的系统效率。外界空气仅与经过燃烧器出口的作为二次或更高次燃烧气体的那部分排气混合。其余排气通过通路而不是燃烧器供应给锅炉空间。在空气与排气混合物含有燃料进行完全而稳定的燃烧所需要的最少的氧气量的情况下，以及燃料的量足以在它燃烧时获得一所需的进入锅炉温度的情况下，可获得最高的系统效率。

Description

联合循环动力设备的运行方法
发明背景
本发明涉及在联合循环动力设备中使用内燃机的排气。具体地说，本发明涉及通过控制排入一典型的产生蒸汽的发电设备的锅炉空间的排气的品质和分配来获得较好的系统效率。
凡涉及动力设备的设计，效率便是反映系统性能的一种有效计量。由于动力设备把能量从一种形式转换成另一种形式，所以能量的损失是不可避免的。只要设计者减少了这种损失，或者即便是把副产品或某些过程的废物转换成有用的能源，系统的总效率便自然得到提高。
通过再循环在一典型的燃煤产生蒸汽的动力设备中作为二次燃气和作为过烧或欠烧空气(overfire or underfire air)的内燃机排气可提高发电效率，这是本领域的技术人员所了解的。在我的美国专利№ 4,928,635公开了这样一种系统。该发明的一个目的是使得排气的热能能用来产生蒸汽。因此，通过把可能浪费掉的能量转换成产出能量来简单地获得效率。那时，我认识到为了生产高品质蒸汽就必需提高排气的温度。我指出重新点燃含有约13％氧气的排气与作为二次燃气的预热空气的混合物将是到达该结果的一个合适的方法。我还指出，进入锅炉的总排气流应该是进入该锅炉的总气流的约40-70％。
根据进一步的调查研究，我发现，控制燃烧区内的关键部位的氧气量，以及把基本上更高比例的排气直接送到锅炉空间，而不是与之相反把它作为二次或更高次燃气(secondary or higher level combustion gas)送入该空间，就能获得较好的总系统效率，从而使锅炉所需的补充燃料量下降。为了完全利用排气的热能并避免导入、至少尽可能避免将温度较低的气体引入锅炉，进入锅炉的总排气流构成进入锅炉的总气流的百分比应该比我以前提出百分比高。
发明概要
凡用内燃机排气来产生工艺需要的或用来发电的蒸汽，就必须把来自内燃机的排气温度增加到适宜于产生高品质蒸汽的程度。重新点燃排气，即燃烧在排气中的附加的燃料，即可达到此结果。燃料的燃烧使它的温度和排气的周围、下游以及所存在的任何其它气体的温度都上升。
当然，必需燃烧的以使排气温度上升的燃料的量取决于所用的燃料的种类。还取决于温度必需上升的气体的总量和该气体的初始温度。当加到系统中的以满足蒸汽条件的热量而不是由排气提供的热量达到最小，就能获得较佳的总系统效率，因为该热量相当于必需燃烧的燃料。必需加到系统的热量的量通常随系统内气体量的增加而增加。
燃料必需在有氧气的情况下燃烧。通常必需向燃烧器提供含有一定百分比的氧气的外界空气作为二次燃气，这样就能保证有足够的氧气用于燃料进行完全稳定的燃烧。但是，由于外界空气必需进入系统，所以它的温度也必需上升到满足蒸汽条件。外界空气使用得越多，必需以燃烧的燃料形式加到系统中的热量也越多。
当排气被用作一种二次燃气，其相对于外界空气的较高的温度转化为对必需加入的以满足蒸汽条件的热量的减少。虽然排气一般含有一些氧气，但它对于燃料进行完全而稳定的燃烧是不够的。因此，一些外界空气必需与排气混合，以使混合物中的氧气达到足以使通过燃烧器提供的燃料进行完全而稳定的燃烧的程度。当然，进行完全而稳定的燃烧所必需的氧气的量还将取决于所选择的或容易得到的燃料的挥发性。
提高排气横截面的氧气含量就需要增加相当量的外界空气。为了减少进入锅炉的外界空气的量，外界空气只与排气经过燃烧器的作为二次或更高次的燃气的那部分混合。其余排气通过一通路而不是通过燃烧器提供给锅炉空间。当与排气经过燃烧器的那部分混合的外界空气的量使得混合物含有所选定的燃料完全而稳定燃烧时所需的最小的氧气量，占所有排气的相当百分比部分由一通路而不是通过燃烧器被送到锅炉空间，而且燃料的量足以使该燃料在燃烧时达到所需的进入锅炉温度，就可获得最高系统总效率。
通过实施本发明而不论排气的初始氧气含量多少就可获得较佳的系统总体效率。同样，较佳效率的获得也与所选定的特定燃料无关。本发明提供了一种运行方法，就其本性而言，这种方法是灵活的，它能适用于可获得任何一种潜在能源。可以一合理的成本把现有联合循环发电设备改装成能使用这种方法。同样，任何现有适用于联合循环工作的产生蒸汽的发电设备都可使用该方法。
根据所附的附图和以下的讨论，将能更好地理解本发明的这些和其它优点以及实施本发明的一较佳方法。
附图简要说明
附图是示出典型的联合循环发电设备所共有的最基本部件的示意图。
实施本发明的较佳方法的详细说明
为说明本发明的较佳方法，现看附图。附图示出典型联合循环发电设备所共有的最基本的部件。设备至少采用一个内燃机1。发动机可以是任何一种的内燃机，但最好是一种柴油发动机。这种发动机适用于燃烧其它燃料中的天然气、轻燃料油、或重燃料油。支路2和2’把排气从发动机送到一典型产生蒸汽的发电设备，为清晰起见，附图中没有示出该发电设备的全部部件。图中示出一锅炉空间3，在该锅炉空间的周围设置诸蒸汽管4。水或蒸汽在位于锅炉空间3周围的蒸汽管4内循环。在该界面，热量在锅炉空间3与蒸汽管4中的蒸汽之间交换。锅炉空间3内的热气体辐照使蒸汽管4中的蒸汽的温度上升。然后过加热蒸汽循环到一汽轮发电机(图未示)，在那儿大多数的蒸汽热能转换成电。
只有一部分排气通过燃烧器的一个或多个出口进入锅炉空间。如图所示，各支路5和6把一部分排气送到燃烧器20。支路7绕过燃烧器20把其余的排气直接送到锅炉空间3。这部分排气通过孔或喷嘴8进入锅炉空间3。
燃烧器20包括一主出口或喷嘴21。主出口21用来把燃料传递到燃烧区域30。燃料可以是呈微小颗粒状或粉末状的煤、液态的沥青质燃料，或是重燃料油、残油、ormulsion或任何其它合适的燃料。根据燃料的选择、产生蒸汽的发电设备的属性和所给定的蒸汽条件来挑选合适的燃烧器。诸如由Babcock & Wilcox公司制造的在市场上能买到的燃烧器是适用的，这种燃烧器能够进行燃料和氧气的混合及掺和，并在燃烧器端使所选的燃料的燃烧维持适当的氧气含量，并提供二次或更高次的燃烧气体。Babcock & Wilcok的XCL燃烧器以及这种燃烧器的适应性和随后的发电都是最佳的。当用煤作为燃料时，燃烧器端的平均含氧量最好是约14.5％。当使用重燃料油或天然气时，含氧量最好分别约为14.1％和13％。
燃料最好与一定量的空气充分混合，以装载或传送燃料。尽量在一部分燃烧区30中保持还原性大气，并允许燃烧以便经历诸阶段，在这些阶段中二次、三次或更高次的燃气蒸汽提供必需的氧气以完成相继的燃烧阶段，从而提高利益。
由支路5和6送的排气最后通过燃烧器出口22和23进入锅炉空间。较佳的是，该燃烧器排气流至多是最终将传送到锅炉空间3的总排气流的40％。最好是，该燃烧器排气流约是最终将传送到锅炉空间3的总排气流的20％。在主燃烧器出口21周围的圆环中提供的燃烧器排气流起二次和三次燃烧气的作用，并为火焰提供轮廓、稳定性和氧气。
由支路5和6送的排气的氧气含量通常不足以使燃料进行完全而稳定的燃烧。必须另外给排气流提供氧气。可以使外界空气与通过支路5和6送的排气混合来提供这种氧气。在用支路41把外界空气送到燃烧器20之前最好使它经过一蒸汽盘管空气加热器40，以对该外界空气预加热。预加热能降低随后必须加的以提高空气温度的热量，从而减少燃烧所必需的燃料的量。当与排气流混合的外界空气的量使得它能提供燃料进行完全而稳定燃烧所必需补充的最小量的氧气时，就可获得最佳效率，而最小量的氧气通常体现为达到同样目的所必需的最小量的外界空气。由支路7送的排气绕过燃烧器20。旁路排气流进入在燃烧区域30下游的锅炉空间3，它最好是通过在锅炉空间3的一壁或诸壁中的出口或喷嘴8传送到锅炉空间3。旁路排气流进入锅炉空间3之后与燃烧产物和燃烧器排气流(现处在一上升的温度)混合。混合后，气体趋于一个均匀平均的进入锅炉温度。较佳的是，旁路排气流至少是传送给锅炉空间3的总排气流的60％左右。最好是，旁路排气流至少是传送给锅炉空间3的总排气流的80％左右。在平均进入锅炉温度是达到给定蒸汽条件所必需的最小温度的情况下，就可获得最佳效率。
下面结合一包括下列部件和运行限制或特征的简单系统进一步说明本发明的方法：
(1)一在6号燃料油满负荷的VASA 18V46柴油机发电机；
(2)一以6号燃料油燃烧的锅炉。新鲜的燃烧空气加到燃料中以在燃烧器风箱中保持14.6％的氧气(按湿重量计算)。燃烧器燃烧以在燃烧器的出口保持10％的最小过量氧气，其结果是离开燃烧器的燃烧温度大约为2800°F。风箱温度保持在约563°F。
(3)基于300°F的节约器出口温度的蒸汽发生，不放气(no blowdown)。在1300psig/950°F的供给水条件下产生的蒸汽；
(4)基于6号燃料油、LHV制、17.233 BTU/1b的燃料输入。
(5)86°F、60％湿度(R.H.)、海平面的环境条件。
下表列出该系统的典型运行参数：
                  燃烧6号油的柴油机联合循环
                         典型运行参数
到燃烧器的柴油机排气质量流部分     100％     80％     60％     40％     20％
来自燃烧器的总锅炉气体质量流部分     100％     83.6％     65.7％     45.4％     24.0％
总锅炉气体流过燃烧部分     0％     16.4％     34.3％     54.6％     76.0％
柴油机排气O2(湿体积％)     11.6％     11.6％     11.6％     11.6％     11.6％
风箱O2(湿体积％)(湿重量％) 13.1％14.6％ 13.1％14.6％ 13.1％14.6％ 13.1％14.6％ 13.1％14.6％
燃烧器出口的O2(湿重量％) 1.2％ 1.2％ 1.2％ 1.2％ 1.2％
节约器出口的O2(湿体积％) 1.2％ 2.9％ 4.8％ 6.9％ 9.1％
锅炉输入口的气体温度(°F) 2800 2484 2126 1705 1233
节约器输入口的气体温度(°F) 300 300 300 300 300
新鲜空气与总柴油机排气流之比(1b/1b)     0.218     0.174      0.131     0.082     0.043
每磅燃烧器燃料所产生的蒸汽(1b蒸汽/1b燃料)     14.96     15.32      15.91     17.19      20.77
柴油机的每千瓦输出所产生的蒸汽(1b/kW)     11.60      9.48      7.40     5.23      3.20
每磅柴油机排气所产生的蒸汽(1b蒸汽/1b排气)     0.776     0.635      0.496     0.351      0.214
总锅炉效率(％)     108％      111％      115％     124％      150％
因此，对于给定的蒸汽条件，当所加的燃料和空气达到最小，或反之，在来自内燃机的排气的相当部分通过通路而不是通过燃烧器进入锅炉空间的情况下，可获得最佳效率。
如果人们将锅炉视为与内燃机分开的部件，就可更清楚地了解所推荐的系统。排气为锅炉提供固定量的热量，燃料加到该固定水准的排气中以使锅炉生产一给定品质的蒸汽。基于所需的燃料量，该量必定是燃料的质量和特性的函数，一定量的氧气必需在燃烧区中和燃烧区周围能有效获得，以使燃料进行完全和稳定的燃烧。如表所示，最表观的锅炉效率点是加入最小量的燃料以满足蒸汽条件的点。在该例子的最小进入锅炉温度(最大旁路)约是1230度华氏温度，提供了一150％的表观锅炉效率。
针对一个目标，即把一有效的联合系统提供给用柴油机作为基本元件并保留柴油机联合循环系统的燃料灵活特性的大的发电系统，可用于该方法的一较佳结构是采用六个与一个三压力再加热热量回收蒸汽发生器(three pressure reheat heatrecovery steam generator)联合的VASA 18V46柴油机。然而，认识到柴油机排气提供一固定量的可回收的热量以及燃料可加到排气中以便克服各蒸汽循环的锅炉窄点(pinch points)，可建立使用再加热或不再加热的汽轮机的潜动力设备规模的整个阵列就清楚了。
重燃料油以885.8 MBTU/H/17233.0BTU/LB提供给柴油机。柴油发电机的总输出是90.7MW。燃烧器排气流是华氏660度下的271.3KLB/H。旁路排气流是华氏660度下的1085.4KLB/H或约是华氏660度下进入锅炉空间的总排气流的80％。温度为88°F的相对湿度为80％的外界空气预加热到华氏300度，并传送它使它与48.25 KLB/H的燃烧器排气流混合。
6号重燃料油以231.1 MBTU/H/17233.0/LB提供给燃烧器。可替代的燃料包括天然气或轻燃料油。当然，使用orimulsion或煤可能需要对设备的蒸汽系统部分作一些改变。一般来说，在燃料情况比较困难时，不能使用三压力锅炉，而可采用一二压力系统。尤其是脏的燃料需要在设备的蒸汽系统部分之后采取专门的环境控制措施。
在这样的条件下，可实现进入锅炉温度为1230华氏温度，总热消耗率为7016.6BTU/KWH(较低的加热值、总的设备输出)。总的设备输出和净输出分别是130.6MW和126.7MW，而汽轮机以1465psig/1000华氏温度/1000华氏温度运行以生产39.9MW。
在旁路排气流下降到60％的情况下，可获得一较高的7172.51 BTU/KWH总热消耗率(较低的加热值、总的设备输出)。总的设备输出和净输出分别是160.0MW和155.2MW，而汽轮机以1465psig/1000华氏温度/1000华氏温度运行以生产69.3MW。增加燃料和外界空气的消耗是效率差异的原因。相对于以前的结构，燃烧器排气流增加到在660华氏温度下的542.5KLB/H。旁路排气流下降到在660华氏温度下的814.0KLB/H。88°F温度的80％相对湿度的外界空气预加热到300华氏温度，并传送它使它与上升率为96.5KLB/H的燃烧器排气流混合。6号重燃料油以482.2MBTU/H/17233.0BTU/LB上升率提供给的燃烧器。
必需予以理解的是本发明的方法可以多种途径来完成，以上已作了充分描述的仅仅是其中的一部分。在不脱离本发明的基本精神或基本特征的情况下，本发明通过其它途径来进行。前述的所有方面被认为仅仅是用来举例说明本发明的，而不是用来限制本发明的，因此，本发明的范围如所附权利要求所述，而不是如前面的说明所述。所有落在权利要求的等同手段和范围内的变化均包含在本发明的范围之内。

Claims (24)

1.一种运行联合循环动力设备的方法，该动力设备包括一内燃机、一燃烧器和一锅炉空间，该方法包括：
通过一通路而不是燃烧器把一第一部分排气从内燃机送到锅炉空间；
通过一主燃烧器出口输送燃料，该燃料的量足以在其燃烧时获得所需的平均的进入锅炉温度；
至少通过燃烧器的一个出口而不是主燃烧器出口提供一来自内燃机的第二部分排气以便最后的输送；
一定量的空气与第二部分排气混合，使得空气和排气的混合物含有的最少氧气含量适用于燃料完全而稳定燃烧；
通过燃烧器的至少一个出口输送空气和排气的混合物；以及
燃烧燃料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一部分排气至少是输送到锅炉空间的所有排气的60％左右。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，第一部分排气可高达输送到锅炉空间的所有排气的80％左右。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一部分排气至少是进入锅炉空间的所有气体的总质量的54％左右。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，第一部分排气可高达进入锅炉空间的所有气体的总质量的76％左右。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，内燃机是一种柴油机。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，空气在与第二部分排气混合之前先加热。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，燃料在燃烧之前先与一定量的装载空气混合。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在一部分燃烧区保持一还原性大气。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，燃料的燃烧在诸阶段进行。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，来自内燃机的排气没有通过主燃烧器出口输送。
12.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第一部分排气进入在一燃烧区下游的锅炉空间。
13.一种运行联合循环动力设备的方法，该动力设备包括一内燃机、一燃烧器和一锅炉空间，该方法包括：
通过一通路而不是燃烧器把一第一部分排气从内燃机送到锅炉空间；
通过一主燃烧器出口输送燃料；
至少通过燃烧器的一个出口而不是主燃烧器出口提供一来自内燃机的第二部分排气以便最后的输送；
一定量的空气与第二部分排气混合，使得空气和排气的混合物含有的最少氧气含量适用于燃料完全而稳定燃烧；
通过燃烧器的至少一个出口输送空气和排气的混合物；以及
燃烧燃料，其中第一部分排气至少是进入锅炉空间的所有气体的总质量的54％左右。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，第一部分排气可高达进入锅炉空间的所有气体的总质量的76％左右。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，第一部分排气至少是输送到锅炉空间的所有排气的60％左右。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，第一部分排气可高达输送到锅炉空间的所有排气的80％左右。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，燃料的最小量是在其燃烧时可达到一所需的平均进入锅炉温度所必需的。
18.一种运行联合循环动力设备的方法，该动力设备包括一内燃机、一燃烧器和一锅炉空间，该方法包括：
通过一通路而不是燃烧器把一第一部分排气从内燃机送到锅炉空间；
通过一主燃烧器出口输送燃料，该燃料的量足以在其燃烧时获得所需的平均进入锅炉温度；
提供一来自内燃机的第二部分排气以便最后用作二次或更高次的燃烧气体；
一定量的空气与第二部分排气混合，使得空气和排气的混合物含有的最少氧气含量适用于燃料完全而稳定燃烧；
提供空气和排气的混合物作为二次或更高次的燃烧气体；以及
燃烧燃料。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，第一部分排气至少是输送到锅炉空间的所有排气的60％左右。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，第一部分排气可高达输送到锅炉空间的所有排气的80％左右。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，第一部分排气至少是进入锅炉空间的所有气体的总质量的54％左右。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，第一部分排气可高达进入锅炉空间的所有气体的总质量的76％左右。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，空气和排气的混合物作为二次和三次燃烧气体提供。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，二次和三次燃烧气体中的氧气量是不同的。
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