CN1258035C - 燃气和蒸汽轮机装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气和蒸汽轮机装置(1)，它包括一个在燃气轮机(2)废气侧下游的废热锅炉(30)，它的加热面连接在汽轮机(20)的水汽循环(24)中，为了集中气化矿物燃料(B)，在燃气轮机(2)燃烧室(6)上游连接一燃料气化装置(132)。从一个空气分解装置(138)来的氧气(O2)可输入该汽化装置(132)中，该空气分解装置(138)的入口可被输入一股来自一个与燃气轮机(2)相配置的空气压缩机(4)中的压缩空气的分流(T)，在这样一种燃气和蒸汽轮机装置(1)中，为了利用特别简单的构造方式，就能保证在所有的运行状态下与作为基础的集成方案无关地、并可靠地冷却提取空气，按照本发明的建议，为了冷却压缩空气分流(T)，在一根将空气压缩机(4)与空气分解装置(138)连通的提取空气管道(140)中接入一个换热器(162)的一次侧，该换热器的二次侧与一个水-汽汽包(164)连接，以形成一个用于流体介质(S′)的蒸发器循环(163)。

Description

燃气和蒸汽轮机装置
技术领域
本发明涉及一种燃气和蒸汽轮机装置，它包括一个在燃气轮机废气侧下游的废热锅炉，它的加热面连接在汽轮机的水汽循环中；以及包括一个连接在燃气轮机燃烧室上游的燃料气化装置。
背景技术
矿物燃料集中气化的燃气和蒸汽轮机装置通常包括燃料的气化装置，它的出口侧通过一些为气体净化所设的部件与燃气轮机的燃烧室连接。燃气轮机下游废气侧可连接一废热锅炉，它的加热面连接在汽轮机的水汽循环中。例如由GB-A 2234984已知一种此类型的装置。
此外，由德国专利申请DE 33 31 152公开了一种具有一个燃料气化装置的燃气轮机设备的运行方法。其中，在一个空气分解装置中产生的缺氧空气被掺入提供给燃料气化装置的中卡路里(mittelchalorisch)含量的燃气中，由此得到的低卡路里(niederchalorisch)含量的燃气-空气混合物被输入燃气轮机设备的燃烧室中。在此，燃气轮机设备的设在燃烧室之外的压气机还向空气分解装置提供空气。从美国专利文献US 4677 829和US 4697 415中可获知一种借助换热器对来自空气压缩机的压缩空气进行冷却的方法。
为了可靠地清洁气化后的矿物燃料，在所述设备中设置一个用于去除含硫成分的装置。在一根通往燃烧室的气化燃料输送管内，一个饱和器连接在该除硫装置之后。在该饱和器中，往气化燃料中加入水蒸气，以减少有害物质排放。为此，气化燃料相对于在一个称为饱和器循环的水循环中流动的水流反向地流过饱和器。为了实现一个特别高的效率，要将水-汽循环内的热量耦合到饱和器循环内。
除了向这样一种燃气和蒸汽轮机设备的气化装置输送矿物燃料以外，还要向其中输入为气化燃料所需的氧气。为了从空气中获取氧气，通常在气化装置的前面设置一个空气分解装置。该空气分解装置在此可被充入来自与燃气轮机相配置的空气压缩机中的压缩空气的、也称为提取空气的一支分流。
通过压缩过程从压缩机流出的空气具有较高的温度。因此，也称为提取空气的压缩空气的一支分流在进入空气分解装置之前通常还需要被冷却。从提取空气中吸收的热量通常为了被热量回收、以及由此实现高的设备效率要传递到饱和器循环中。在为此进行的设计中，视设备的运行状态，提取空气在进入空气分解装置之前只还需要借助冷却水被剩余冷却(Restkuehlung)。
但这样一种冷却提取空气的方案有其前提条件，那就是在冷却空气时的热量供应和饱和器循环内的热量需求之间必须有足够好的协调均衡关系。因而，这种冷却提取空气的方案要取决于集成方案(Integrationskonzept)，亦即要取决于向空气分解装置提供空气的方式和为此采用的部件。它不能普遍应用，在燃气和蒸汽轮机设备的某些运行状态下只有有限的可靠性。
发明内容
因此，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，与作为基础的集成方案无关，在所有的运行状态下，利用特别简单的构造方式就能保证可靠地冷却提取空气。
本发明的目的是这样来实现的，即，为了冷却压缩空气分流，在一根将空气压缩机与空气分解装置连通的提取空气管道中接入一个换热器的一次侧，该换热器的二次侧与一个水-汽汽包连接，以形成一个用于流体介质的蒸发器循环。
本发明基于如下考虑，即，为了与集成方案以及有待气化的燃料无关地对提取空气进行冷却，并使之在所有的运行状态下可靠地进行，从提取空气中吸收的热量应当与一个预先确定的热量需求无关地被散发掉。因此，对提取空气的冷却与将热量输入饱和器循环中应当分别独立地进行。而替之以通过与一种流体介质热交换来冷却提取空气。为了在简单的构造方式下有特别高的运行稳定性，以及为了有利地将从提取空气中吸取的热量耦合到设备过程中，要对流体介质进行蒸发，在此，换热器被构造成中压蒸发器。
为了特别灵活地、并以简单的方式与不同的运行状态相匹配地冷却提取空气，比较有利地是在提取空气管道内的换热器之后，接入另一个被设计成低压蒸发器的换热器。该换热器的二次侧被设计成用于流体介质的蒸发器。
设计为中压蒸发器的换热器的流体介质一侧在此相宜地与一个在废热锅炉内的与汽轮机的中压级相配置的加热面相连接。设计为低压蒸发器的换热器的流体介质一侧以类似的布置与一个在废热锅炉内的与汽轮机的低压级相配置的加热面相连接。相宜地，设计为低压蒸发器的换热器的流体介质一侧却与一个蒸汽-附属用户，例如气化装置或一个连接在其后的燃气制备系统连接。在这样一种布置中，可以特别简单的方式保证可靠地向附属用户提供工业用汽或热蒸汽。
在另一种有利的改进结构中，所述或各换热器的二次侧分别与一个水-汽汽包相连接，以构成一个蒸发器循环。
蒸发器循环在此可以设计为强制循环。然而在一种特别有利的结构中，各蒸发器循环可以设计为自然循环，此时，通过在蒸发过程中产生的压差和/或通过蒸发器和水-汽汽包的大地测量的(geodaetisch)布置保证流体介质的循环。在这样布置时，仅仅需要一个较小尺寸的循环泵，以启动蒸发器循环。各水-汽汽包在此相宜地与一些设在废热锅炉中的加热面连接。
在提取空气管道内，比较有利地是在换热器之后连接一个附加的换热器。该附加换热器的二次侧与一个同废热锅炉相配置的给水容器连接。利用这样一种布置，可以特别有利地并与集成方案无关地将热量耦合到饱和器循环中。将热量耦合到饱和器循环中在此因而可以通过一个换热器来进行。从给水容器中取出的已预热的给水可流入换热器的一次侧。通过将热量耦合到饱和器循环中，给水被冷却下来。它在离开该换热器之后，可输入连接在提取空气管道内的附加换热器中。在那儿，冷却下来的空气通过进一步冷却提取空气又被重新加热。这样，在将热量耦合到饱和器循环中时，不会造成给水中较大热量的损失。
为了可靠地冷却燃气轮机的叶片，在另一个有利的结构中，一根冷却空气管从(沿压缩空气的分流的流动方向看过去)位于该换热器或所述两个换热器之后的提取空气管道分出。通过该冷却空气管，已冷却的压缩空气分流中的一部分作为冷却空气输送到燃气轮机，对透平机叶片进行冷却。
本发明实现的优点主要在于，通过对在一些设计为流体介质蒸发器的换热器中的提取空气进行冷却，燃气和蒸汽轮机设备可以灵活地与不同的集成方案相匹配，同时能实现特别高的设备效率。在此，利用设计为蒸发器的换热器从提取空气中吸取热量可以独立于将热量输入饱和器循环中来进行。燃气和蒸汽轮机设备因而即便在不同的运行状态下也可以特别可靠地使用。此外，将各换热器设计为蒸发器，也使得可以特别简便地向附属用户提供工业用汽或加热用蒸汽。尤其可以考虑将气化装置或一个连接在其后的燃气制备部件作为这样的附属用户。基于蒸发器循环的较高存储热量，即便在各附属用户对工业用汽或加热用汽的接收量发生波动的情况下，也不会导致运行故障。
附图说明
下面借助附图进一步说明本发明的实施例。附图示意表示了一种燃气和蒸汽轮机装置。
具体实施方式
图中所示的燃气和蒸汽轮机装置1包括燃气轮机装置1a和蒸汽轮机装置1b。燃气轮机装置1a包括与压气机4连接的燃气轮机2和在燃气轮机2上游的燃烧室6，后者与压气机4的压缩空气管8连接。燃气轮机2和压气机4以及发电机10处于一公共的轴12上。
蒸汽轮机装置1b包括与发电机22连接的一汽轮机20和在水汽循环24内连接在汽轮机20下游的一凝汽器26以及一废热锅炉30。汽轮机20由第一压力级或高压部分20a和第二压力级或中压部分20b以及第三压力级或低压部分20c组成，它们通过一根公共的轴32驱动发电机22。
为了将在燃气轮机2中膨胀后的工质AM或废气输入废热锅炉30中，废气管34与废热锅炉30的入口30a连接。从燃气轮机2来的已膨胀作功过的工质AM通过废热锅炉出口30b朝着去往图中没有表示的烟囱的方向离开废热锅炉30。
废热锅炉30包括一凝结水预热器40，它在入口侧可通过一根其中连接一凝结水泵44的凝结水管42从凝汽器26供入凝结水K。凝结水预热器40出口侧通过导管45与给水箱46连接。此外，为了在需要时绕过凝结水预热器40，凝结水管42可经由图中未示出的一根旁通管直接与给水箱46连接。给水箱46通过导管47与具有中压抽取点的高压给水泵48连接。
高压给水泵48将从给水箱46中流出的给水S增压至适用于水汽循环24中配属于汽轮机20高压部分的高压级50的压力水平。处于高压状态的给水S可经一个给水预热器52输入高压级50，给水预热器的出口侧通过一根可用阀54关闭的给水管56与高压汽包58连接。高压汽包58与设在废热锅炉30内的高压蒸发器60连接，以构成一水汽循环62。为了排出新蒸气F，高压汽包58与设在废热锅炉30内的高压过热器64相连，后者的出口侧与汽轮机20高压部分20a的蒸汽进口66连接。
汽轮机20高压部分20a的蒸汽出口68通过中间过热器70与汽轮机20中压部分20b的蒸汽进口72连接。它的蒸汽出口74通过溢流管76与汽轮机20低压部分20c的蒸汽进口78连接。汽轮机20低压部分20c的蒸汽出口80通过蒸汽管82与凝汽器26相连，从而形成了一个封闭的水汽循环24。
此外，从高压给水泵48在凝结水K已达到一个中间压力的抽取点分出一根支管84。支管84通过另一个给水预热器86或中压燃料节省器与配属于汽轮机20中压部分20b的水汽循环的中压级90连接。此外，第二个给水预热器86在出口侧通过一根可用阀92关闭的给水管94与中压级90的中压汽包96连接。中压汽包96与设在废热锅炉30内设计为中压蒸发器的加热面98连接以构成一个水汽循环100。为了排出中压新蒸汽F′，中压汽包96经蒸汽管102与中间过热器70连接并因而与汽轮机20中压部分20b的蒸汽进口72连接。
从导管47分出另一根配设有低压给水泵107和可用阀108关闭的导管110，它与水汽循环24中配属于汽轮机20低压部分20c的低压级120相连。低压级120包括一低压汽包122，它与设在废热锅炉30内设计为低压蒸发器的加热面124连接，以构成一个水汽循环126。为了排出低压新蒸汽F″，低压汽包122经其中连接一低压过热器129的蒸汽管128与溢流管76连接。因此，燃气和蒸汽轮机装置1的水汽循环24在本实施例中包括了三个压力级50、90、120。但按其他方案也可以设较少的压力级，尤其是两个压力级。
燃气轮机装置1a被设计成，可采用通过矿物燃料B气化生成的气化合成气SG来运行。作为合成气例如可采用气化煤或气化油。为此，燃气轮机2燃烧室6进口侧通过燃料管130与气化装置132连接。气化装置132可通过装料系统134输入作为矿物燃料B的煤或油。
为了制备气化矿物燃料B所需的氧O2，气化装置132上游经氧气管136连接一空气分解装置138。空气分解装置138进口侧可供入在压气机4内压缩后的空气的一个分流T。为此，空气分解装置138进口侧与抽气管140连接，抽气管140是在分岔点142从压缩空气管8分出的。此外在抽气管140内还汇入另一根空气管143，空气管143中连接有一附加的压气机144。因此在本实施例中流入空气分解装置138的全部气流L由从压缩空气管8分出的分流T和由附加的压气机144输送的气流组成。这种线路方案也称为部分集中的设计方案(teilintegriertes Anlagenkonzept)。按另一种可选用的设计，即所谓的全部集中的设计方案(vollintegrierten Anlagenkonzept)，另一根空气管143连同附加的压气机144都可以取消，所以向空气分解装置138的供气全部通过从压缩空气管8抽取的分流T进行。
在空气分解装置138中分解气流L时，除氧O2外获得的氮N2通过连接在空气分解装置138上的氮气管145输入混合器146，并在那里掺入合成气SG中。混合器146被设计成，用于特别均匀和不成绺地混合氮N2和合成气SG。
从气化装置132流出的合成气SG通过燃料管130首先到达粗燃气余热蒸汽发生器147内，在那里与一种流动介质通过热交换冷却合成气SG。在此热交换过程产生的高压蒸汽以图中未表示的方式输入水汽循环24的高压级50中。
沿合成气SG的流动方向看，在粗燃气余热蒸汽发生器147后、混合器146前，在燃料管130中连接一合成气SG的除尘器148和脱硫装置149。按另一种可选用的设计，尤其在气化油作为燃料时，也可以设煤烟清洗器来取代除尘器148。
为了在燃烧室6内燃烧气化燃料时的有害物排放量能特别小，气化燃料在进入燃烧室6之前被加入水蒸汽。这可以按热工学特别有利的方式在饱和器系统中实现。为此，在燃料管130中连接一饱和器150，气化的燃料相对于已加热的饱和器水(Saettigerwasser)流，反向地流入饱和器。在这种情况下，饱和器水在一个与饱和器150连接、且其中设有循环泵154以及一个用于预热饱和器水的换热器156的饱和器循环152内循环。换热器156的一次侧被充入从水-汽循环24的中压级90流出并已被预热的给水。为了补偿在气化燃料饱和时发生的饱和器水的损失，在饱和器循环152上连接一输入管158。
沿合成气SG流动方向看，在饱和器150下游的燃料管130与一个起粗燃气-混合气换热器作用的换热器159的二次侧连接。换热器159的一次侧在除尘器148上游的一个地点同样连接在燃料管130中，所以要流入除尘器148的合成气SG将其部分热量传给从饱和器150流出的合成气SG。合成气SG在经由换热器159进入脱硫装置149前的导引，也可以采用基于其他一些部件而改变的线路方案。
在饱和器150与换热器159之间，在燃料管130内连接另一个换热器160的二次侧，它的一次侧可以是热给水或热蒸汽。在这里，通过设计为粗燃气-纯燃气换热器的换热器159和换热器160，保证即使在燃气和蒸汽轮机装置1不同的运行状态，也能特别可靠地预热流入燃气轮机2燃烧室6的合成气SG。
为了在需要时往流入燃烧室6的合成气SG中加入蒸汽，在燃料管130中还连接另一个混合器161，中压蒸汽可通过图中未表示的一蒸汽管输入其中，以便尤其在出现工作上的故障状况时保证燃气轮机可靠运行。
为了冷却要输入空气分解装置138中也称为抽气的压缩空气分流T，在抽气管140中连接换热器162的一次侧，它的二次侧设计为流动介质S′的中压蒸发器。为构成蒸发器循环163，换热器162与设计为中压汽包的水-汽汽包164连接。水-汽汽包164通过导管166、168与配属于水汽循环100的中压汽包96连接。作为替换方案，换热器162二次侧也可以直接与中压汽包96相连。也就是说在本实施例中，水-汽汽包164间接地与设计为中压蒸发器的加热面98连接。为了补充蒸发掉的流动介质S′，在水-汽汽包164上还连接有一给水管170。
沿压缩空气分流T的流动方向看，在换热器162下游的抽气管140内连接另一个换热器172，它的二次侧设计为流动介质S″的低压蒸发器。在这里为了构成蒸发器循环174，换热器172与设计为低压汽包的水-汽汽包176连接。在本实施例中，水-汽汽包176通过导管178、180与配属于水汽循环126的低压汽包122连接，并因而间接地与设计为低压蒸发器的加热面124连接。但作为替换方案，水-汽汽包176也可以按其他恰当的方式连接，在这种情况下，从水-汽汽包176抽取的蒸汽可作为工业用汽和/或作为加热用蒸汽输给附带的用户。按另一种可选用的设计，换热器172二次侧也可以直接与低压汽包122连接。此外，水-汽汽包176还与一给水管182相连。
蒸发器循环163、174可分别设计为强制循环，在这种情况下，流动介质S′或S″的循环由循环泵来保证，以及，流动介质S′、S″在设计为蒸发器的换热器162或172中至少部分蒸发。但在本实施例中，无论是蒸发器循环163还是蒸发器循环174均分别设计为自然循环，在这里，流动介质S′或S″的循环借助于在蒸发过程中建立的压差和/或通过各自的换热器162或172和各自的水-汽汽包164或176按地理位置的布局(geodaetische Anordnung)来保证。在这种设计中，在蒸发器循环163和在蒸发器循环174内分别只连接有一个(图中未示出)尺寸比较小的循环泵，用于系统的起动。
为了将热量耦合到饱和器循环152中，除了所述可被充入已被加热并在给水预热器86之后分出的给水的换热器156之外，还设置一个饱和器水-换热器184，它的一次侧可供入来自给水箱46的给水S。为此，饱和器水-换热器184的一次侧进口通过导管186与支管84连接，出口通过导管188与给水箱46连接。为了重新加热从饱和器水-换热器184流出的已冷却的给水S，在导管188内连接另一个换热器190，它的一次侧在换热器172的下游连接在抽气管140中。采用这样的布置，可实现从抽气中获得特别高的热量回收率，并因而使燃气和蒸汽轮机装置1有特别高的效率。
沿分流T的流动方向看，在换热器172与换热器190之间，从抽气管140分出一根冷却空气管192，通过此导管可将经冷却的分流T的一个分量T′输入燃气轮机2，作为冷却叶片用的冷却空气。
通过将换热器162和172设计成中压蒸发器及低压蒸发器，即便在燃气和蒸汽轮机设备1的不同运行状态下以及在采用用于气化矿物燃料B的不同集成方案时，都能保证可靠地冷却提取空气。通过将设计为蒸发冷却器的换热器162和172连接在提取空气管道140中，冷却提取空气的方案也因此特别适用于不同种类的矿物燃料B。尤其是基于在蒸发器循环163和174中许多可调节的蒸汽参数，所述对提取空气的冷却可特别灵活地满足在燃气和蒸汽轮机设备1运行时的各种各样的要求。

Claims (6)

1.一种燃气和蒸汽轮机装置(1)，它包括一个在燃气轮机(2)废气侧下游的废热锅炉(30)，它的加热面连接在汽轮机(20)的水汽循环(24)中；以及包括一个连接在燃气轮机(2)燃烧室(6)上游的燃料(B)气化装置(132)，从一个空气分解装置(138)来的氧气(O2)可输入该气化装置(132)中，该空气分解装置(138)的入口可被输入一股来自一个与燃气轮机(2)相配置的空气压缩机(4)中的压缩空气的分流，其中，为了冷却压缩空气分流(T)，在一根将空气压缩机(4)与空气分解装置(138)连通的提取空气管道(140)中接入一个设计为蒸发冷却器的换热器(162)的一次侧，该换热器的二次侧与一个水-汽汽包(164)连接，以形成一个用于流体介质(S′)的蒸发器循环(163)。
2.按照权利要求1所述的燃气和蒸汽轮机装置(1)，其中，在提取空气管道(140)内的所述换热器(162)之后，接入另一个其二次侧被设计成用于一种流体介质(S″)的蒸发器的换热器(172)，所述换热器(162)被设计成中压蒸发器，而另一个换热器(172)则被设计成低压蒸发器。
3.按照权利要求1或2所述的燃气和蒸汽轮机装置(1)，其中，所述换热器(172)的二次侧与一个水-汽汽包(176)连接，以形成一个蒸发器循环(174)。
4.按照权利要求3所述的燃气和蒸汽轮机装置(1)，其中，所述水-汽汽包(164，176)与一些设置在废热锅炉(30)内的加热面(98，124)相连接。
5.按照权利要求1所述的燃气和蒸汽轮机装置(1)，其中，在提取空气管道(140)内的换热器(162)之后连接一个附加的换热器(190)，该附加换热器的二次侧与一个同废热锅炉(30)相配置的给水容器(46)连接。
6.按照权利要求1所述的燃气和蒸汽轮机装置(1)，其中，一根冷却空气管(192)从沿压缩空气的分流(T)的流动方向看过去位于该换热器(162)或所述两个换热器(162，172)之后的提取空气管道(140)分出，通过该冷却空气管，已冷却的压缩空气分流(T)中的一部分(T′)作为冷却空气输送到燃气轮机，对透平机叶片进行冷却。
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