CN1268215A - 用在固定的燃气轮机设备中的适配器配件 - Google Patents

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Abstract

一种用在固定的燃气轮机设备(1)中的适配器配件,该设备具有压缩机(4)、涡轮机(6)、燃烧室(9)和外部加压的流化床燃烧炉(28)。该适配器配件安装在涡轮机(6)和燃烧室(9)之间。通过不同的可控进气口和排气口(32至35),可用本发明的适配器配件使燃气轮机设备(1)按不同运行模式运行。

Description

用在固定的燃气轮机设备中 的适配器配件
本发明涉及一种用在固定的燃气轮机设备中的适配器配件，该燃气轮机设备具有压缩机、涡轮机、燃烧室和一个外部加压的流化床燃烧炉。
在适用于发电厂的传统燃气轮机中，采用加压流化床燃烧炉而不是燃烧室来产生热烟气。为此，采用具有两个用法兰连接的外部燃烧室的传统燃气轮机设备，其中，为了将燃气轮机连接到加压流化床燃烧系统必需拆除所述两个燃烧室，并用一个该流化床燃烧系统的连接配件来替代。这种连接配件例如可以是一种同心的双管装置，在其中由流化床燃烧炉引起的烟气在内管内导到燃气轮机，由燃气轮机设备的压缩机产生的压缩过程空气在外环腔内导到流化床燃烧系统。
在这种流化床系统中，烟气在涡轮机入口的温度比较低，这一缺点由一种改进设计消除。在这种改进设计中，一部分加入的煤被气化，这种低热值的可燃气体在进入涡轮机前进一步加热流化床烟气。
在具有加压流化床燃烧炉的燃气轮机的早已经过考验的结构中，来自加压流化床的热烟气与来自燃气轮机的压缩机输出口的压缩空气相混合并用作燃烧空气，使得低热值可燃气体被补充加热达到高温水平。在这些烧嘴上的空气入口温度约为760℃。
由于这种结构，出现了各种问题：
-在采用热燃烧空气燃烧时，会产生大量NOx。
-采用一个唯一的燃烧室来既燃烧天然气又燃烧低热值煤气时出现困难，这种燃烧室以高空气入口温度运行。
-流化床烟气可能携带灰粒，这些灰粒在补充加热煤气期间通过火焰时可能熔融。
-需要成本高的热气体配件。
-防止因流化床烟气偶然引起燃气轮机的加速是一个棘手问题。
在现有技术中已开发多种烧嘴，它们设计用于低热值合成气与燃烧用热空气的燃烧，同时排放出许可的NOx。然而仍未解决的问题是灰粒的熔融、采用成本高昂的热气体配件以及因采用同心管并且冷却导入其内部的烟气而引起的热量损耗。
本发明的目的是提供一种具有权利要求1特征部分所述特征的适配器配件来解决这些问题。
据此，该适配器配件的特征是：
-一个壳体，它可安置在一个燃烧室连接法兰和一个组合式连接法兰之间，用于由压缩机产生的过程空气和通往涡轮机的烟气，
-一个在壳体上的第一管线连接件，用于在组合式连接法兰上安置一个用于由压缩机产生的过程空气的进气口和一个用于烟气的排气口，
-一个在壳体上的第二管线连接件，用于将燃烧室连接法兰与一个用于由燃烧室产生的烟气的进气口和一个用于由压缩机产生的过程空气的排气口相连接，
-一个第三管线连接件，它具有一个用于由流化床燃烧炉产生的烟气的进气口，和
-一个第四管线连接件，它具有一个将压缩过程空气输送到流化床燃烧炉和/或一台煤气化设备的排气口，其中，
-用于压缩过程空气的排气口与压缩过程空气的进气口相连接，并可交替地通过开闭机构打开和关闭，和
-其中，在用于烟气的烧嘴侧进气口和至涡轮机的烟气排气口之间设置一个流动通道，该通道通过至少一个可打开和关闭的开闭机构与一个进气口相连接，用于将加压流化床燃烧炉产生的烟气与燃烧室烟气混合。
由于本发明适配器配件的这种构造，就可利用传统的带外部燃烧室的燃气轮机。在此，适配器配件安置在燃气轮机本体和各燃烧室之间。通过将流化床燃烧炉产生的烟气的进气口与所述流动通道(它设在烧嘴侧的用于烧嘴烟气的进气口和烟气至涡轮机的排气口之间)相连接，来自流化床燃烧炉的热烟气可在燃烧室下游混合。这样来自流化床燃烧炉的烟气不会直接通过燃烧室内的火焰，从而可在很大程度上防止可能附带在流化床烟气中的灰粒发生熔融。
压缩过程空气通过进气侧通道直接导入燃烧室，因此相应于约为400℃至420℃的压缩机出口温度，燃烧空气的入口温度较低。这就极大地减少了在采用传统烧嘴时NOx的排放。
此外，通过本发明对适配器配件的设计，压缩过程空气可同时导入流化床燃烧炉和/或一个煤气化设备，由此无需为向这些部件提供过程空气而设置独立的设备部件。
从属权利要求给出了本发明适配器配件的有利改进设计，为避免重复，仅在对实施例的描述中进行说明。
此外，本发明的其它特征、细节和优点可由下述描述给出。在这些描述中，借助附图对本发明适配器配件的实施例作了详细说明，附图中：
图1示出安装在燃气轮机和燃烧器之间位置的适配器配件的示意剖视图；
图2示出沿图1中II-II剖切线的剖视图。
图1中仅示出燃气轮机设备本体1的一小部分断面，它显示出一个组合式连接法兰2。该法兰具有一个环形开口3，用于由压缩机4输出的压缩过程空气，以及一个与法兰同心的衬管5，用于流到涡轮机6的热烟气。
适配器配件7安装在组合式连接法兰2和燃烧室9的连接法兰8之间。燃烧室9的连接法兰8具有一个外置的环形管道10，它有朝连接法兰8开口的开口，该开口通到燃烧室9的顶部11。过程空气通过环形管道10通到在燃烧室9顶部11的烧嘴12，在这儿过程空气用于燃烧天然气或合成气。燃烧过程由火焰14表示。在这里，常规燃烧室9的内腔13由一个同心安装在烧嘴壳体15内的罐衬16形成。朝着连接法兰8，该罐衬16形成一个开口17，用于由燃烧室9产生的热烟气。
如图1和2所示，适配器配件7的壳体18被构造成罐形，它具有一个圆筒外套形的外壁19、一个底部20、一个顶盖21和一个同心安装的环衬22。在这里，该壳体18基本上具有第一管线连接件23，由它将适配器配件与组合式连接法兰2连接。该壳体18由第二管线连接件24连接到燃烧室9的连接法兰8。在图1中，第三管线连接件25由仅仅用线表示的至加压流化床燃烧炉28的烟气管道27表示，第四管线连接件26由仅仅用线表示的至流化床燃烧炉28以及煤气化设备30的过程空气输入管道29表示，流化床燃烧炉28和煤气化设备30按流程方框图的形式在图1中同样仅用一方块表示。第三和第四管线连接件25和26位于适配器配件7的径向两侧，分别由安装上去的矩形管构成，如由图1和2的总貌所表示的那样。
下面说明适配器配件的进气口、排气口和通气口，它们在图1和2中分别由箭头表示。因此，为第一管线连接件23设置一个进气口31，用于由压缩机4压缩的过程空气。第二管线连接件24具有一个进气口32，用于由燃烧室内腔13流出的烟气，以及一个排气口33，用于由压缩机产生的过程空气。此外，在第三管线连接件25上还设置一个进气口34，用于由流化床燃烧炉28引起的烟气，以及在第四管线连接件26上配设一个排气口35，以将压缩过程空气导入流化床燃烧炉28和煤气化设备30。
更详细地说，两个排气口33、35与进气口31相连通，一起用于压缩过程空气；这两个排气口可由开闭结构36交替地打开和关闭。此外，通过环衬22而设置了一个流动通道37，它同心地处于壳体18内的用于烟气的烧嘴侧进气口32和在至涡轮机的第一管线连接件23上的烟气排气口38之间。该流动通道37有一个通气口39通向第三管线连接件25上的进气口34，因此由流化床燃烧炉28引起的烟气可与燃烧室烟气混合。通气口39和在第三管线连接件25上的进气口34通过一个还需详细说明的开闭结构40打开和关闭。
如图1和2所示，外壁19和环衬22之间有一个环形腔，一方面在其中构造一个进气腔42，它处于进气口34和通气口39之间，用于由流化床燃烧炉28引起的烟气。另一方面，在该环形腔内还设有一个排气腔43，它连接用于压缩过程空气的两个排气口33和35与进气口31。进气腔42和排气腔43由环形腔内径向走向的隔壁44、45相互分开，其中，进气腔42的圆周角UE比排气腔43的圆周角UA约大40°，因为流化床烟气的体积流和质量流都比燃烧用空气的大。
下面详细说明各进气口和排气口的结构和布置。用于由压缩机4送入的过程空气的进气口31由在壳体18的底部20内呈圆弧设置的一列孔46构成。在这里，该孔列沿环衬22的壁分布在排气腔43的的圆周角UA上。壳体18的盖板21上同样有孔47，它们在轴向上与孔46对齐，并构成用于压缩过程空气的排气口33。此外，在朝向第四管线连接件26的壳体18的外壁19内设有一列孔48，它们构成用于压缩过程空气的排气口35。与它们径向相对，在壳体18的外壁内同样又布置了一列孔49，它们构成由流化床燃烧炉28来的烟气的进气口34。在环衬22朝向进气腔42的部段内的孔50构成通气口39，用于流向流动通道37的烟气。
如图1所示，孔列47和48可由一个共同的开闭机构36打开和关闭，该开闭机构由两个相互连接的多孔板52、53构成。多孔板52、53沿壳体的分别有孔列47或48的壁布置，并可沿圆周方向转动。如图1和图2所示，面积与孔47或48相当的遮挡孔54、55安置在多孔板52、53内，使得例如在多孔板53内的遮挡孔55完全与孔48覆盖时(图1和图2中的适配位置)，多孔板52内的遮挡孔54与排气口33的孔47不对齐。排气口33因此关闭，与此相反，排气口35则完全打开。在沿圆周方向转动开闭机构36时，孔48逐步关闭，与此相反，孔47则逐步打开，直到最后在开闭机构36的另一极限位置(未示出)，排气口33完全打开，排气口35则完全关闭。这一可通过操纵开闭机构36而实现的运行状态在本说明书的结尾处将再次详细说明。
打开和关闭进气口34和通气口39的开闭机构40则有两个相互连接的多孔板56、57，它们用于打开或关闭孔49、50。在这里，多孔板56、57内的遮挡孔58、59相互安置，使得在一个极限位置(图1、图2)的所有孔49、50完全打开。通过旋转开闭机构40，孔49、50由多孔板56、57逐步关闭，直到烟气不再能够进入为止。
接着说明其它情况。在用于由流化床燃烧炉28引起的烟气的进气腔42内安置倾斜的导板60，它用于引导烟气流动。这样，压力损耗减小，流化床烟气可与从燃烧室13流出的烟气良好地混合。
关于用于适配器配件的材料需指出的是，环衬22作为内壳被构造成耐高温的。它也承受配件的热负荷。由外壁构成的外壳由低合金铸钢制成，承受作用在适配器配件7上的机械负荷。该外壳也构成所述配件的“构架”本体。
由于有两个开闭机构36、40，适配器配件7提供可变的运行和调节可能性，下面对其详细说明。
仅采用天然气或合成气的燃气轮机设备的标准运行：
通过相应地调节开闭机构40来关闭进气口34和通气口38。从而阻断烟气从流化床燃烧炉28进入涡轮机6的通路。此外，这样来调节开闭机构36，使得排气口33完全打开，而排气口35则完全关闭。这样，经过常开进气口31而流进排气腔43的压缩过程空气就完全到达烧嘴12，并在此处用于从煤气化设备30经输送管线61来的合成气或经一个供应管线62来的天然气的燃烧。在环形管道10内流到烧嘴顶部11的过程空气同时冷却燃烧室9。
唯独流化床燃烧炉运行：
调节开闭机构40，使得进气口34和通气口39完全打开。设定开闭机构36的位置，使得排气口33完全关闭，而排气口35则完全打开。这样，一方面烟气从流化床燃烧炉28经进气腔42和流动通道37至涡轮机6的通路是畅通的，从而使流化床烟气用于涡轮机运行。另一方面，压缩过程空气完全到达流化床燃烧炉28，并在此处用于燃烧。
流化床燃烧炉、煤气化设备和合成气烧嘴组合运行：
将开闭机构36安置在一个中间位置，因此排气口33和排气口35都处于部分打开状态。在此要注意的是，通过两个排气口33、35会引起相似的压力降，因此压缩过程空气不是仅仅流过两个排气口中的一个。尤其在组合运行时，在通往燃烧室9的排气口33的范围内要采取结构性措施，以便引起一个相应的压力降。所以通过流化床、气体净化装置和一个通常存在的流化床冷却器朝流化床燃烧炉28建立一个较高的背压。压缩过程空气至少一方面到达燃烧室9，另一方面到达流化床燃烧炉28，因此一方面用于在流化床燃烧炉28内的燃烧，另一方面用于燃烧室9的运行。通过调节开闭机构36可调整经过排气口33、35的空气量之比，通过这种调节可调整流化床燃烧炉28和燃烧室9之间的功率分配。此外，在这种运行方式下将开闭机构40定位在打开位置，从而烟气从流化床燃烧炉28至流动通道37的通路是畅通的。温度约为750至950℃的流化床烟气在流动通道37内与燃烧室烟气(温度约1400℃)混合，因此可将通往涡轮机6的入口处的烟气温度调节到约1000至1200℃。
快速关闭燃气轮机：
在故障情况下，即在燃气轮机负荷下降时，必需防止因流化床引起燃气轮机加速。为此，为开闭机构40配设一个快速调节。在紧急快速关闭时，通过开闭机构36关闭排气口35和完全打开排气口33，以便全部压缩过程空气流入燃烧室9。并且在燃烧室9里，同时强烈地减少或完全中断燃料输入。剩余的过程空气经过燃烧室9和流动通道37流过涡轮机6；然而由于在燃烧室9里缺少加热，所以在涡轮机6里不产生功率。同时迅速关闭进气口34和通气口39，由此不再有烟气从流化床燃烧炉28流到涡轮机6。涡轮机6不会被加速。

Claims (11)

1.一种用在固定的燃气轮机设备(1)中的适配器配件，该设备具有压缩机(4)、涡轮机(6)、燃烧室(9)和外部加压的流化床燃烧炉(28)，其特征在于：
-一个壳体(18)，它可安置在一个燃烧室连接法兰(8)和一个组合式连接法兰(2)之间，用于由压缩机(4)产生的过程空气和通往涡轮机(6)的烟气，
-一个在壳体(18)上的第一管线连接件(23)，用于在组合式连接法兰(2)上设有一个用于由压缩机(4)产生的过程空气的进气口(31)和一个用于烟气的排气口(38)，
-一个在壳体(18)上的第二管线连接件(24)，用于将燃烧室连接法兰(8)与一个用于由燃烧室(9)引起的烟气的进气口(32)和一个用于由压缩机(4)产生的过程空气的排气口(33)相连接，
-一个第三管线连接件(25)，它具有一个用于由流化床燃烧炉(28)引起的烟气的进气口(34)，和
-一个第四管线连接件(26)，它具有一个将压缩过程空气输送到流化床燃烧炉(28)和/或一台煤气化设备(30)的排气口，
-其中，用于压缩过程空气的排气口(33、35)与压缩过程空气的进气口(31)相连接，并可交替地由开闭机构(36)打开和关闭，和
-其中，在用于烟气的烧嘴侧进气口(32)和至涡轮机(6)的烟气排气口(38)之间设有一个流动通道(37)，该通道通过至少一个可打开和关闭的开闭机构(40)与一个进气口(34)相连接，用于将由流化床燃烧炉引起的烟气与燃烧室烟气混合。
2.根据权利要求1所述的适配器配件，其特征在于：
壳体(18)基本上为罐形，具有一个外壁(19)、一个底部(20)、一个盖板(21)和一个同心安装的环衬(22)。
3.根据权利要求2所述的适配器配件，其特征在于：在外壁(19)的径向相对位置安装了用于由流化床燃烧炉(28)引起的烟气的进气口(34)和用于将过程空气输送到流化床燃烧炉(28)和/或煤气化设备(30)的排气口(35)，其中，构建在外壁(19)和环衬(22)之间的环形腔由隔壁(44、45)分成一个用于烟气的进气腔(42)和一个用于过程空气的排气腔(43)。
4.根据权利要求3所述的适配器配件，其特征在于：进气腔(42)的圆周范围(UE)优选比排气腔(43)的大15°至25°。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的适配器配件，其特征在于：用于过程空气的进气口(31)设在壳体(18)的底部(20)，并通入用于过程空气的排气腔(43)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的适配器配件，其特征在于：用于将过程空气引导至燃烧室(9)的排气口(33)设在壳体(18)的盖板(21)内。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的适配器配件，其特征在于：在用于燃烧室烟气的流动通道(37)和用于由流化床燃烧炉引起的烟气的进气腔(42)之间，在环衬(22)内配设一个通气口(39)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的适配器配件，其特征在于：所有的进气口(31、32、34)、排气口(33、35)和通气口(39)都被构造成在壳体(18)的相应壁(19、20、21、22)内的孔列(46-50)，它们由可移动的多孔板(52、53；56、57)打开和关闭。
9.根据权利要求8所述的适配器配件，其特征在于：用于两个过程气体排气口(33、35)的多孔板(52、53)在排气腔(43)内相互耦接，使得一个排气口(33或35)被打开的同时，使另一排气口(33或35)关闭。
10.根据权利要求8或9所述的适配器配件，其特征在于：用于由流化床燃烧炉(28)引起的烟气的进气口(34)和通气口(39)的两个多孔板(56、57)相互耦接，使得进气口(34)和通气口(39)同时打开和关闭。
11.根据权利要求3所述的适配器配件，其特征在于：在用于由流化床燃烧炉(28)引起的烟气的进气腔(42)内设置用于导引烟气流动的导板(60)。
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