CN1254397A - 燃气－和蒸汽轮机设备及用于冷却该设备中燃气轮机用冷却剂的方法 - Google Patents

燃气－和蒸汽轮机设备及用于冷却该设备中燃气轮机用冷却剂的方法 Download PDF

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Abstract

一种燃气－和蒸汽轮机设备及冷却该设备中燃气轮机用冷却剂的方法。该燃气－和蒸汽轮机设备(1)具有一个在燃气侧接在一个燃气轮机之后的余热蒸汽发生器(4),后者的发热面接入一个汽轮机(21)的水－汽环路(20)中;在此设备中,即使在不同运行条件时也可确保燃气轮机的可靠冷却。根据本发明,该燃气－和蒸汽轮机设备(1)包括一个为冷却燃气轮机(6)用冷却剂而设置的热交换器(74),该热交换器在次级侧接入与所述汽轮机(21)的水－汽环路(20)可截止地连通的一个独立的水－汽环路(76)中。

Description

燃气-和蒸汽轮机设备及用于 冷却该设备中燃气轮机 用冷却剂的方法
本发明涉及一种燃气-和蒸汽轮机设备，它具有一个在烟气侧接在一个燃气轮机之后的余热蒸汽发生器，后者的发热面接入一个汽轮机的水-汽环路中。本发明还涉及一种冷却该燃气-和蒸汽轮机设备中燃气轮机用冷却剂的方法。
在一种燃气-和蒸汽轮机设备中，包含在来自该燃气轮机且已膨胀工作剂(废气)中的热量被用来产生用于该汽轮机的蒸汽。热量传输在一个在烟气侧接在该燃气轮机之后的余热蒸汽发生器中实现，在此余热蒸汽发生器中安装有管状或管束状的发热面。发热面又接入该汽轮机的水-汽环路中。该水-汽环路通常包含多个，例如两个压力级，其中，每一压力级具有一个预热发热面和一个汽化发热面。
在一种称为自然循环的汽化环路中，在汽化器中实现了被导入的工作介质的部分汽化，其中该工作介质的一种循环通过在汽化过程中产生的压力差和/或通过汽化器和蒸汽汽包有一定海拔高度地布置来确保。也可选择该汽化环路为一种强制循环，在其中工作介质的循环由一个循环泵来确保，其中，汽化器中的工作介质同样至少部分汽化。不管在自然循环还是在强制循环中，来自所述汽化器的水-汽混合物被导入一个接入汽化环路中的蒸汽汽包内。在该蒸汽汽包内，水和汽是分离的，其中，来自该蒸汽汽包的水重新被导入所述汽化器。
对一种设计成强制贯通蒸汽发生器的汽化环路，也可选择在一个通道内通过所述汽化器以毗邻的局部过热方式来使工作介质完全汽化。在此，同样由泵来确保经过所述汽化器的工作介质的循环。
与是否在所述汽轮机设备中采用自然循环、强制循环或强制贯通原理无关，为了提高所述燃气轮机的效能并因此使此种燃气-和蒸汽轮机设备获得尽可能高的效率，在所述燃气轮机入口端的烟气温度应力求特别高，例如1000至1200℃。然而，如此高的涡轮机入口温度会带来材质问题，尤其是在涡轮机叶片的耐热性方面会产生问题。
如果涡轮机叶片得到良好冷却并因此一直有一个低于允许材料温度的温度，那就允许提高涡轮机入口温度。为此，EP-PS0379880公开了一种方法：从来自一个属于所述燃气轮机的压缩机的压缩空气中分流出一股支流，并将这股支流输入所述燃气轮机作为冷却剂。这股用作冷却剂的空气在进入所述燃气轮机前被冷却，在此，在空气冷却时从冷空气中吸取的热量被用作为汽化热，并用于驱动所述汽轮机。一个带有一个循环泵和一个膨胀容器的膨胀汽化器被用作汽化系统。在此，水从所述汽化环路的蒸汽汽包中摄取，通过与用作燃气轮机冷却剂的冷空气进行热交换而被加热，接着因膨胀容器内的膨胀而汽化。如此产生的蒸汽被导入所述汽轮机。
这种冷却燃气轮机用冷空气的装置适用于在从蒸汽汽包中提取的水和冷空气之间有一确定温度差的情形。在此，为可靠地冷却燃气轮机，必须驱动整个余热蒸汽发生器。因此，这种燃气-和蒸汽轮机设备只可有条件地灵活采用。
本发明的目的在于提供一种上述类型的燃气-和蒸汽轮机设备，其中，即使在不同的工作条件下，都能确保可靠地冷却燃气轮机。此外，还提供一种特别适用于在不同工作条件下冷却一种燃气-和蒸汽轮机设备中燃气轮机用冷却剂的方法。
本发明有关提供上述类型的燃气-和蒸汽轮机设备的目的是这样来实现的，即，一个为冷却燃气轮机用冷却剂而设置的热交换器在次级侧被接入一个与该汽轮机的水-汽环路可截止地相连通的单独的水-汽环路中。
本发明的思路是，在一种可特别灵活采用的燃气-和蒸汽轮机设备中，燃气轮机应相对于余热蒸汽发生器独立地，也因此相对于汽轮机独立地被驱动。即使在燃气轮机单独运行时也应确保其叶片被可靠冷却。为此，为冷却燃气轮机用冷却剂，设置一种与汽轮机的水-汽循环无关的冷却系统。
优选将所述热交换器设计成适用于独立水-汽环路的汽化器。在燃气-和蒸汽轮机设备正常工作时，在独立的水-汽环路中获得的蒸汽在此可相宜地导入汽轮机的水-汽环路中。
为了将蒸汽从来自所述热交换器的水-汽混合物中分离出来，相宜地将一个蒸汽汽包接入所述独立的水-汽环路中。这个蒸气汽包相宜地具有一个集成冷凝器。
为了特别有利地回收从冷却剂中摄取的热量，优选将一根可截止的蒸汽管道接到所述独立水-汽环路的蒸汽汽包上；通过该蒸汽管道，在独立水-汽环路中产生的蒸汽可馈入一个接在汽轮机的水-汽环路中的蒸汽汽包中。
该独立的水-汽环路以一种特别简单的结构和特别低的组装和安装费用相宜地在自然循环中运行。
为了在燃气轮机单独运行时也可靠地输出在冷空气冷却时从冷空气中摄取的热量，所述接入独立的水-汽环路中的蒸汽汽包有利地接到一个次级冷却环路中。在此，该次级冷却环路例如包含一个冷却塔。
本发明有关冷却一种燃气-和蒸汽轮机设备中燃气轮机用冷却剂的方法的目的是这样实现的，即，这种冷却剂通过热交换由一个独立于所述汽轮机的水-汽环路中的一种介质来冷却。
所述独立水-汽环路中的介质相宜地在热交换时由所述冷却剂至少部分地汽化。该独立的水-汽环路比较有利地在自然循环中运行。
从本发明中取得的优点主要在于：通过热交换由一个独立于蒸汽机的水-汽环路中的介质来冷却燃气轮机用冷却剂，确保了燃气轮机的可靠冷却与汽轮机的运行状态无关。由此，该燃气轮机即使在所述燃气-和蒸汽轮机设备的不同运行状态，尤其在单独运行时也能可靠地运行。此外在所述燃气-和蒸汽轮机设备正常运行时，通过所述独立的水-汽环路与蒸汽机的水-汽环路的可截止连接，有可能将在燃气轮机冷却时从冷空气中摄取的热量反馈输入能量产生过程。因此，该燃气-和蒸汽轮机设备在正常运行时可特别经济地运行。
下面借助一张附图详细地说明本发明的一个实施例。该附图示意性地示出了带有一种用于冷却燃气轮机用冷却剂的冷却系统的燃气-和蒸汽轮机设备。
在附图中示意性地示出的燃气-和蒸汽轮机设备1包括一个带有在烟气侧接入的余热蒸汽发生器4的燃气轮机设备2。该燃气轮机设备2包括一个带有耦合的空气压缩器8的燃气轮机6。一个燃烧室10接在该燃气轮机6之前，并与空气压缩器8的一根新鲜空气管道12相接。一根燃料管道14通入燃气轮机6的燃烧室10。燃气轮机6和空气压缩器8以及一个发电机16共同座落在一根共同的轴18上。
在烟气侧接在燃气轮机设备2的燃气轮机6之后的余热蒸汽发生器4具有多个发热面，它们接入一个汽轮机21的一个水-汽环路20中。在此，发热面有：一个冷凝预热器22，一个低压汽化器24，一个低压过热器26，一个高压预热器28，一个高压汽化器30以及一个由两个部件32、34组成的高压过热器36。
一个冷凝器40从蒸汽侧接在汽轮机21之后，它经过一个冷凝泵42和经过一个布置在余热蒸汽发生器4之外的预热器44以及经过一个冷凝管道46与冷凝预热器22相连结。该冷凝预热器在出口侧经过一个可用一个调节阀48截止的输入管道50连接到一个供水器52上。在供水器52的出口侧安装一根输入管道54，以将供应水引入一个与低压汽化器24连接的蒸汽汽包56中。此外，该供水器52在出口侧还经过一根输入管道58与高压预热器28相连接；该高压预热器28在其出口侧连接到一个与高压汽化器30连接的蒸汽汽包60上。输入管道54、58分别可用一个调节阀62或64截止。
蒸汽汽包56和60经过低压过热器26或高压过热器36连接到汽轮机21的一个低压段或一个高压段上，从而形成一个闭合的水-汽环路20。
燃气轮机设备2被设计用于实现一个特别高的效率。为此，在燃气轮机设备2运行时，废气B以约1000至1200℃的温度进入燃气轮机6。为了可靠地避免燃气轮机6的叶片材质的耐热性问题，为燃气轮机设备2配置一个冷却系统70。
在此，来自空气压缩器8的空气L用作燃气轮机6的冷却剂；空气L可经过一个从新鲜空气管道12分离出来的冷却剂管道72而绕过燃烧室10直接输到燃气轮机6。为了冷却用作冷却剂的空气L，冷却系统70包括一个在初级侧接入冷却剂管道72中的热交换器74。
热交换器74在次级侧接入一个独立于汽轮机21的水-汽环路20的单独的水-汽环路76中。为此，热交换器74作为汽化器为一种在独立的水-汽环路76中循环的介质M而设计，并在出口侧经过一个水-汽管道78连接到一个带有集成冷凝器的蒸汽汽包80上。该蒸汽汽包80经过一根冷凝管道82与热交换器74相连接。在此，独立的水-汽环路76被设计成一种自然循环。仅仅为一个起动阶段而设置一个接入冷凝管道82的旁通环线84中的循环泵86。
独立的水-汽环路76与汽轮机21的水-汽环路20可截止地连接。为此，蒸汽汽包80经过一根可用一个阀90截止的蒸汽管道92连接到设计成低压汽包的蒸汽汽包56上。在来水侧，蒸汽汽包80经过一根可用一个调节阀94截止的管道94连接到输入管道54上。
在蒸汽汽包80内安装一个热交换器100，它连接到一个次级冷却环路102上。一个冷却塔104接入该次级冷却环路102中。
这样来设计燃汽-和蒸汽轮机设备1，使得即便在不同的运行状态也确保可靠地冷却燃气轮机6，从而使整套设备可靠运行。为此，设计为燃气轮机6用冷却剂的空气L，通过热交换由一个独立于汽轮机21的水-汽环路76中的一种介质M来冷却。该在热交换器74中与空气L进行热交换时至少部分汽化的介质M被导入蒸汽汽包80内；在此汽包中产生的蒸汽与未气化的介质M分隔开。在燃气-和蒸汽轮机设备1正常运行时，亦即在燃气轮机6和汽轮机21共同运行时，在蒸汽汽包80内分离出的蒸汽D在阀门90打开时经过蒸汽管道92馈入蒸汽汽包56中。因此，从热交换器74内空气L冷却时摄取的热量被馈入汽轮机21的水-汽环路20中，并用于产生能量。因此，燃气-和蒸汽轮机设备1以特别高的效率工作。
因蒸汽D馈入汽轮机21的水-汽环路20而出现的在独立水-汽环路76中的介质M的损耗，通过将供水经过管道96在调节阀94按照需求打开时馈入蒸汽汽包80而得以补偿。因此确保了独立的水-汽环路76的可靠和持续运行。
但是，燃气-和蒸汽轮机设备1即使在燃气轮机设备2单独运行时，亦即在燃气轮机6脱开汽轮机21而运行时，也可因燃气轮机6有可靠的冷却而运行。为此，在燃气轮机设备2单独运行时，阀90和调节阀94关闭，因此，独立水-汽环路76完全与汽轮机21的水-汽环路20脱离。由此，燃气轮机6的冷却即使在汽轮机21和属于水-汽环路20的部件处于完全静止状态时也得到确保。在这种运行状态，从空气L冷却时摄取的热量经过次级冷却环路102散放到周围大气。在此，在热交换器74内产生的蒸汽在蒸汽汽包内80的集成冷凝器上得到冷凝。
为了使在独立的水-汽环路76中循环的介质M的温度水准与空气L冷却时变化的需要值相匹配成为可能，在汽轮机21的水-汽环路20和独立的水-汽环路76之间设置另一连接管道106。沿介质流动方向看过去，在冷凝器40后面从汽轮机21的水-汽环路20分岔出而进入一个接入冷凝管道82的喷射器108中。经过该喷射器108，冷的冷凝剂可根据需要喷入独立的水-汽环路76中。在此，经过喷射冷的冷凝剂，在独立的水-汽环路76中循环的介质M的温度能得到改变，并能满足与空气L热交换时的特殊要求。

Claims (10)

1.一种燃气-和蒸汽轮机设备(1)，其具有一个在烟气侧接在一个燃气轮机(6)之后的余热蒸汽发生器(4)，后者的发热面接入一个汽轮机(21)的水-汽环路(20)中，其中，一个为冷却燃气轮机(6)用冷却剂而设置的热交换器(74)在次级侧接入与所述汽轮机(21)的水-汽环路(20)可截止地连通的一个独立的水-汽环路(76)中。
2.根据权利要求1所述的燃气-和蒸汽轮机设备(1)，其中，热交换器(74)设计成用于独立的水-汽环路(76)的汽化器。
3.根据权利要求1或2所述的燃气-和蒸汽轮机设备(1)，在其独立的水-汽环路(76)中接入一个蒸汽汽包(80)。
4.根据权利要求3所述的燃气-和蒸汽轮机设备(1)，其中，所述接入独立的水-汽环路(76)中的蒸汽汽包(80)具有一个集成冷凝器。
5.根据上述任一项权利要求所述的燃气-和蒸汽轮机设备(1)，其中，在独立的水-汽环路(76)中产生的蒸汽经过一根可截止的蒸汽管(92)可馈入一个接入汽轮机(21)的水-汽环路(20)中的蒸汽汽包(56、60)内。
6.根据上述任一项权利要求所述的燃气-和蒸汽轮机设备(1)，其独立的水-汽环路(76)可在自然循环中运行。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的燃气-和蒸汽轮机设备(1)，其中，所述接入独立的水-汽环路(76)中的蒸汽汽包(80)被接到一个次级冷却环路(102)中。
8.一种冷却燃气-和蒸汽轮机设备(1)的燃气轮机(6)用冷却剂的方法，其中冷却剂通过热交换由一个独立于汽轮机(21)的水-汽环路(76)中的一种介质(M)冷却。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述独立的水-汽环路(76)中的介质(M)在与冷却剂热交换时至少部分汽化。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述独立的水-汽环路(76)运行在自然循环中。
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