CN1323373A - 燃气和蒸汽轮机设备 - Google Patents

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Abstract

一种燃气和蒸汽轮机设备(1),它带有一个连接在燃气轮机(2)烟气侧之后的废热蒸汽发生器(30),该废热蒸汽发生器的加热面连接在蒸汽轮机(20)的水汽循环(24)中,为了集中气化一种矿物类燃料(B),一个气化装置(132)通过一根燃料管(130)连接在燃气轮机(2)燃烧室(6)之前,这样一种燃气和蒸汽轮机设备(1)即使在采用燃油作为矿物类燃料(B)时也应当具有特别高的设备效率,为此,按照本发明在燃料管(130)内,沿气化燃料(B)的流动方向看过去,在一个将氮气(N2)混合到气化燃料(B)中的混合装置(146)之前连接一个换热器(150)的初级侧,该换热器的次级侧被设计为用于蒸发流体介质的蒸发器。

Description

燃气和蒸汽轮机设备
本发明涉及一种燃气和蒸汽轮机设备，它带有一个连接在燃气轮机烟气侧之后的废热蒸汽发生器，以及一个通过一根燃料管连接在燃气轮机燃烧室之前的燃料气化装置，该废热蒸汽发生器的加热面连接在蒸汽轮机的水汽循环中。
一种需要集中气化矿物类燃料的燃气和蒸汽轮机设备通常包括一个燃料气化装置，它的出口侧通过一些用于净化燃气的部件与燃气轮机的燃烧室相连。燃气轮机的烟气侧之后连接有一个废热蒸汽发生器，其加热面连接在蒸汽轮机的水汽循环中。这样一种设备例如已由英国专利GB-A2 234 984或美国专利US4,697,415公开。
为了可靠地净化气化的矿物燃料，在所述两种已公开的设备中都设有一个用于去除含硫成分的装置。在由英国专利GB-A2 234 984公开的设备中，在所述除硫装置之后连接有一个用于使燃气惰性化的饱和器(Saettiger)，该饱和器连接在一根通入燃烧室的气化燃料输入管内。在该饱和器内，往气化燃料中加入水蒸汽，以减少有害物质排放。为此，气化燃料与一股水流成对流地流过饱和器，该股水流在一个称为饱和器循环的水循环中流动。为了使饱和器的运行与燃气生成或燃气净化装置的工作相互独立开来，将来自于水汽循环中的热量耦合到饱和器循环中。
所述设备用气化煤或气化的精炼残渣(例如釜残油)作为矿物类燃料来工作，与之相对应的是，为了实现特别高的效率，所述设备还需与对煤或釜残油进行气化的过程特性相匹配。在对所述设备进行设计时，尤其要考虑廉价及可靠地将气化时产生的热量转用到蒸汽轮机的水汽循环中。
本发明的目的在于提供一种前述类型的燃气和蒸汽轮机设备，在保证其具有特别简单结构的同时，还有高的设备效率，并保证用于燃气惰性化的装置能独立地运行且能被简便地控制，即便是在采用燃油作为矿物类燃料的时候。
本发明的目的是这样来实现的，即，在燃料管内，沿气化燃料的流动方向看过去，在一个将氮气混合到气化燃料中的混合装置之前连接一个换热器的初级侧，该换热器的次级侧被设计为用于蒸发流体介质的蒸发器，其蒸汽侧与燃气轮机的燃烧室相连。
本发明是基于如下构思：为了在采用燃油作为矿物类燃料的同时也有高的设备效率，特别有效地充分利用从气化装置流出的、也称为粗煤气的燃料流中的热量。恰恰在采用燃油作为矿物类燃料之时，应当考虑到，粗煤气中以隐藏热量形式存在的大部分热量基于在温度较低时部分水会凝结，而可被回收。通过蒸发一种流体介质，就能以特别便利的方式从粗煤气中将这种热量取出。在此，该流体介质可以特别简单和灵活的方式在合适的地点输入设备过程中。此外，为了使连接在燃气轮机之后的蒸汽轮机的水汽循环的运行与燃气惰性化系统的工作独立开来，所产生的蒸汽通过选择其压力可直接作为惰性化介质输入燃气中或燃气轮机的燃烧室中。为了在随后将氮气混合到粗煤气中时能保持有特别低的NOx极限值，通过所述换热器形成特别有利的运行参数，尤其是使粗煤气具有一个特别有利的温度水平。
通过将换热器内产生的蒸汽输入燃料流中，可完全保证将足够的水蒸汽加入气化燃料中，以保持低的有害物质排放极限值，这样就可完全取消通常设置的用于向气化燃料中加入水蒸汽的昂贵装置。这样设计的燃气和蒸汽轮机设备可以放弃通常所设置的饱和器以及与之相配置的其它部件，这样就会有特别简单的设计。另外，将汽化流体介质输入燃气轮机的燃烧室中，可保证充分有效地利用在流体介质汽化时从粗煤气中吸取的热量用于设备过程。所述装置同样允许简便及可靠地调节燃气内的水蒸气含量，以保持预定的NOx排放极限值。
在此，换热器相宜地设计为以水作为流体介质的中压蒸发器。它优选地设计为用于将水蒸发到大约为20至25 bar的压力级。以此方法产生的无需供入燃烧室内的中压蒸汽在此可以特别有利的方式也可用于设备过程，并可例如馈入蒸汽轮机的水汽循环中。
所述换热器在此相宜地在其蒸汽侧通过一根分支管与蒸汽轮机的水-汽循环的低压级相连接。一个截流元件和一个节流装置连接在该分支管内。所述燃气和蒸汽轮机设备在此设计为，可保证在任何运行状态下都能生成足够的蒸汽量，将其输入燃气中以保持预定的有害物质排放极限值。在换热器内产生的可能过量的蒸汽在截流之后可直接用于产生能量，以便在水汽循环的低压级内实现特别高的设备效率。与之相反的是，在对NOx排放有特别严格要求的情况下，也可附加地将来自于水汽循环内的一股中压蒸汽优选在过热锅炉的中间过热器的上游混入。
在另一种有利的设计中，在用于产生中压蒸汽的换热器之后连接另一个用于产生低压蒸汽的换热器，以便在低温时能高效率地利用粗煤气中的大部分热量。所产生的蒸汽连同截流后的中压蒸汽可一同输往水汽循环中的低压段。根据对燃气净化的要求，尤其是对一个可能连接在后的COS-水解器的温度水平的要求，可设置另一个用于冷却粗煤气的换热器。
为了保证有特别高的设备效率，在另一个有利的设计中，在沿燃气管道设置于换热器之前的中压蒸发器的前面，连接一个粗煤气-废热蒸汽发生器。该粗煤气-废热蒸汽发生器可以按照需要(例如为了保护材料)对气化装置内产生的粗煤气或合成煤气进行预冷却。
本发明实现的优点主要在于，一方面，即便在采用燃油作为矿物类燃料时，也能保证整台设备有特别高的总体效率。通过利用粗煤气内尤其以较低温度存在的隐含热量，可充分有效且灵活地将热量输入设备过程中，以用于流体介质蒸发。尤其通过蒸发作为流体介质的水并随后将蒸汽输入混合煤气中，无需连接一个饱和器就能将足够的水蒸汽输入混合煤气中，而一个饱和器连同与之相配置的其它部件则会产生显著的生产和安装费用。另一方面，通过掺混蒸汽，可在一个大的参数范围内调节燃气的饱和度，并且能简便、快速反应地调节水蒸汽含量。因而，利用特别小的投入就能保持低的有害物排放极限值。
下面借助附图详细地说明本发明的实施例，附图中示意性地示出一种燃气和蒸汽轮机。
图示燃气和蒸汽轮机设备1包括一个燃气轮机设备1a和一个蒸汽轮机设备1b。燃气轮机设备1a包括一个燃气轮机2和与之相连接的空气压缩机4以及一个连接在燃气轮机2前面的燃烧室6，该燃烧室6连接在压缩机4的压缩空气管道8中。所述燃气轮机2和空气压缩机4以及发电机10位于同一根轴12上。
所述蒸汽轮机设备1b包括一个蒸汽轮机20以及与之连接的发电机22，在一个水汽循环24中还包括一个连接在蒸汽轮机20之后的冷凝器26以及一个废热蒸汽发生器30。蒸汽轮机20由第一压力级或一个高压段20a与一个第二压力级或一个中压段20b以及一个第三压力级或一个低压段20c组成，这些压力级通过同一根轴32驱动发电机。
为了将燃气轮机2中膨胀作功后的工作介质AM或烟气输入废热蒸汽发生器30中，将一根废气管道34连接在废热蒸汽发生器30的一个入口30a上。来自于燃气轮机2的膨胀后的工作介质AM经出口30b离开废热蒸汽发生器30，并流往一个未进一步示出的烟囱。
废热蒸汽发生器30包括一个冷凝预热器40，其入口侧通过一根其中连接有一个冷凝液泵44的冷凝液管道42可被馈入来自于冷凝器26的冷凝液K。冷凝液预热器40的出口通过一根管道45与一个供水容器46连接。为了按照需要使冷凝液预热器40旁通，冷凝液管道42可另外通过一根未进一步示出的旁通管直接与供水容器46相连。供水容器46借助中压抽取通过一根管道47与一个高压给水泵48连接。
高压给水泵48将由给水容器46内流出的给水S加压到一个压力级上，该压力级适用于水汽循环24中的一个与蒸汽轮机20的高压段相配置的高压级50。处于高压下的给水S通过一个给水预热器52可输入高压级50中，该给水预热器的出口通过一根可用一个阀54阻断的给水管道56与一个高压汽包58连接。该高压汽包58与一个设置在废热蒸汽发生器30中的高压蒸发器60相连，用于构成一个水汽循环62。为了将新鲜蒸汽F输出，所述高压汽包58与一个设置在废热蒸汽发生器30中的高压过热器64连接，该高压过热器64的出口与汽轮机20的高压段20a的蒸汽入口66相连。
蒸汽轮机20高压段20a的蒸汽出口68通过一个中间过热器70与汽轮机20的中压段20b的蒸汽入口72相连接。该中压段20b的蒸汽出口74通过一根溢流管道76与汽轮机20的低压段20c的蒸汽入口78连接。汽轮机20的低压段20c的蒸汽出口80通过一根蒸汽管82与冷凝器26相连，从而形成一个封闭的水汽循环24。
从高压给水泵48上的一个冷凝水K已达到中压的抽取点处分出一根分支管道84。该分支管道通过另一个给水预热器86或中压燃料节省器与水汽循环中与蒸汽轮机20的中压段20b相配置的中压级90连接。该第二给水预热器86的出口为此通过一根可用一个阀92切断的给水管道94与中压级90上的一个中压汽包96连接。中压汽包96与一个设置在废热蒸汽发生器30中、设计为中压蒸发器的加热面98相连，以形成一个水汽循环100。为了输出中压新汽F′，中压汽包96通过一根蒸汽管道102与中间过热器70连接，并因而与汽轮机20的中压段20b的蒸汽入口72连接。
从管道47分出另一根带有一个低压给水泵107、可用阀108切断的管道110。该管道110连接在水汽循环24中一个与汽轮机20的低压段20c相配置的低压级120中。该低压级120包括一个低压汽包122，该低压汽包122与一个设置在废热蒸汽发生器30中的设计为低压蒸发器的加热面124相连，以形成一个水汽循环126。为了将低压新汽F″输出，低压汽包122通过一根其中连接有一个低压过热器129的蒸汽管道128与溢流管76连接。所述燃气-和蒸汽轮机设备1的水汽循环24在本实施例中因而包括三个压力级50，90，120。但也可选择更少压力级，例如只包括两个压力级。
所述燃气轮机设备1a在此设计成利用由矿物类燃料B气化产生的气化合成燃气SG来运行。作为合成燃气，在本实施例中采用气化燃油。燃气轮机2的燃烧室6的入口为此通过一根燃料管道130与一个气化装置132相连。通过一个加料系统134可往所述气化装置132中输入作为矿物类燃料B的燃油。
为了提供为气化矿物类燃料B所需的氧气O2，一个空气分解装置138通过一根氧气管136连接在气化装置132之前。所述空气分解装置138的入口侧可输入在空气压缩机4中压缩过后的空气的一分流T。空气分解装置138的入口侧为此与一根在分支点142从压缩空气管道8中分叉出的空气抽取管道140相连。还另外有一根空气管143通入空气抽取管道140中，在该空气管143中还另外连接有一根空气压缩机144。在本实施例中，输入空气分解设备138中的全部空气流L由此由从压缩空气管道8分叉出的分流T和由附加的空气压缩机144输送的空气流组成。这样一种连接方案也称为部分集成化设备方案。在另一个选择性设计、亦即所谓的全集成化设备方案中，其它空气管道143连同附加的空气压缩机144都可取消，向空气分解装置138充入空气完全通过从压缩管道8中抽取的部分空气流T来进行。
在空气分解装置138中分解空气流L时除氧气外附加产生的氮气N2通过一根与空气分解装置138相连的氮气管道145输入一个混合装置146中，并在那儿与合成燃气SG混合。所述混合装置146在此设计成使氮气N2与合成燃气SG特别均匀且不成束地混合。
由气化装置132流出的合成燃气SG通过燃料管130首先流入一个粗煤气-废热蒸汽发生器147中，合成燃气在其中通过与一种流体介质进行热交换得到冷却。在此热交换中产生的高压蒸汽按照一种未进一步示出的方式输入水汽循环24的高压级50中。
沿合成燃气SG的流动方向看过去，在粗煤气-废热蒸汽发生器147之后、混合装置146之前，在燃料管130中连接有一个用于合成燃气SG的烟灰洗除装置148以及一个除硫装置149。
在烟灰洗除装置148和除硫装置149之间、亦即沿气化燃料(B)的流动方向看过去在混合装置146之前，在燃料管130中连接有一个换热器150的初级侧。该换热器150的次级侧被设计为以水W作为流体介质的蒸发器。该换热器150在此设计为用于水W的中压蒸发器，以产生大约5到7bar压力的水蒸气，也就是说，足够将蒸汽混合到燃烧室6之前的合成燃气SG中。
换热器150的蒸汽侧通过一根蒸汽管道152与另一个混合装置154连接，沿合成燃气SG的流动方向看过去，该混合装置154在混合装置146之后连接在燃料管130中。所述换热器150的蒸汽侧因而通过蒸汽管道152以及别的混合装置154与燃气轮机2的燃烧室6相连。在换热器150中产生的中压蒸汽从而可输入流往燃烧室6的合成燃气SG中，合成燃气SG中被充入水蒸气。由此，在燃烧合成燃气SG时，可保证有特别低的有害物质排放。在混合装置146和另一个混合装置154之间有一个换热器155接入燃料管130中。
此外，换热器150的蒸汽侧通过一根从蒸汽管152分叉出的分支管道156连接在水汽循环24的低压级120中。在分叉管道156中，为了保证在分支管道156的排出侧部段内有一个适合于低压级120的压力，连接有一个调节阀165。
为了进一步冷却粗煤气，沿合成燃气SG的流动方向在换热器150之后，第二个换热器159的初级侧连接在燃料管道130中。该换热器159的次级侧被设计为以水W作为流体介质的蒸发器。所述换热器159在此设计为用于水W的低压蒸发器，以产生大约6-7bar水蒸气。换热器159的蒸汽侧与分支管道156相连。
为了有效地将含硫化合物从合成煤气SG中除去，在换热器159和除硫装置149之间的燃料管道130内连接一个COS-水解装置160。为了调节到一个特别有利于COS-水解的温度，在该COS-水解装置之前连接另一个用于进一步冷却粗煤气的换热器161的初级侧。该换热器161的次级侧(如箭头P所示)被充入来自于水汽循环24的中压给水。
为了冷却粗煤气，在COS-水解装置160之后连接另一个换热器151。该换热器151的次级侧被充入来自于水汽循环24的中压给水，这用箭头P示出。为了进一步冷却粗煤气，沿粗煤气的流动方向看过去，在除硫装置149之前、在燃料管道130内连接有另外两个换热器153和167。粗煤气在换热器153内的初级侧被冷却，除硫后的粗煤气在次级侧又重新被加热。在换热器167内，粗煤气被冷却到一个特别有利于除去粗煤气中硫分的温度。换热器167的次级侧按照未进一步示出的方式被充入冷的凝结水或冷却水。
为了在燃烧室6内燃烧气化燃料时有特别低的有害物质排放，气化燃料在进入燃烧室6之前被充入水蒸汽。这一点可以按一种在热能技术上特别有利的方式在饱和器系统中进行。为此，在混合装置146和换热器155之间的燃料管130内连接一个饱和器，在该饱和器内，气化燃料与一股也称为饱和器水的加热后的水流呈对流流动。饱和器水或水流在一个与饱和器相连的饱和器循环流动，在该饱和器循环内通常连接有一个循环泵。为补偿在气化燃料饱和时产生的饱和水损失，一根给水管与饱和器循环相连。
为了冷却输往水解装置138的、也称为抽取空气的压缩空气分流T，在抽取空气管道140内连接一个换热器162的初级侧，该换热器162的次级侧被设计为用于一种流体介质S′的中压蒸发器。该换热器162与一个设计为中压汽包的水-汽-锅炉164相连，以形成一个蒸发循环163。所述水-汽-锅炉164通过管道166、168与所述与水汽循环100相配置的中压汽包96相连。但也可选择使换热器162的次级侧直接与中压汽包96连接。在本实施例中，水-汽-锅炉164间接地与设计成中压蒸发器的加热面98相连。为了再馈入蒸发的流体介质S′，在水汽锅炉164上还连接有一根给水管170。
沿压缩空气分流T的流动方向看过去，在换热器162之后，在抽取空气管道140内连接有另一个换热器172，该换热器的次级侧被设计为用于一种流体介质S″的低压蒸发器。所述换热器172与一个设计为低压汽包的水-汽-锅炉176相连，以形成一个蒸发器循环174。在本实施例中，水-汽-锅炉176通过管道178、180与所述同水-汽-循环126相配置的低压汽包122连接，进而间接地与设计为低压蒸发器的加热面124连接。但也可选择按另一种合适的方式来连接水-汽-锅炉176，此时，从水-汽-锅炉176中抽取的蒸汽可作为过程蒸汽和/或热蒸汽输给一个附带用户。在另一个可选择的设计方案中，换热器172的次级侧直接与低压汽包122连接。水-汽-锅炉176与一根给水管182相连。
蒸发器循环163、174可分别设计为强制循环，流体介质S′和S″的循环流动由一个循环泵来保证。在此，流体介质S′和S″在设计为蒸发器的换热器162或172中至少部分蒸发汽化。在本实施例中，蒸发器循环163和174均设计为自然循环，其中，流体介质S′和S″的循环流动由在蒸发过程中形成的压力差和/或各换热器162、172以及各水-汽-锅炉164、176的不同地理高度位置的布置来保证。在这样的设计中，只需在蒸发器循环163、174内分别仅仅连接一个(未示出的)较小尺寸的循环泵，以驱动循环系统。
沿分流T的流动方向看过去，在换热器172之后从抽取空气管道140中分出一根冷却空气管道192。通过该管192，冷却后的空气分流T中的一部分T′作为冷却空气输往燃气轮机2，以冷却其叶片。
所述燃气和蒸汽轮机设备1即使在采用燃油作为矿物类燃料B时也具有特别高的总体效率。通过利用粗煤气内所带有的、尤其以较低温度存在的隐含热量，可充分有效且灵活地将热量输入设备过程中，以用于水W的蒸发。尤其通过将蒸发产生的蒸汽输入由混合装置146流出的合成煤气SG中，无需连接一个饱和器就能将足够的水蒸汽输入混合煤气中，而一个饱和器连同与之相配置的其它部件则会产生显著的生产和安装费用。因而，利用特别小的投入就能保持低的有害物排放极限值。

Claims (4)

1．一种燃气和蒸汽轮机设备(1)，它带有一个连接在燃气轮机(2)烟气侧之后的废热蒸汽发生器(30)，以及一个通过一根燃料管(130)连接在燃气轮机(2)燃烧室(6)之前的燃料(B)气化装置(132)，该废热蒸汽发生器的加热面连接在蒸汽轮机(20)的水汽循环(24)中，其中，在燃料管(130)内，沿气化燃料(B)的流动方向看过去，在一个将氮气(N2)混合到气化燃料(B)中的混合装置(146)之前连接一个换热器(150)的初级侧，该换热器的次级侧被设计为用于蒸发流体介质的蒸发器，其蒸汽侧与燃气轮机(2)的燃烧室(6)相连。
2．如权利要求1所述的燃气和蒸汽轮机设备(1)，其中，所述换热器(150)的次级侧被设计为用于蒸发水(W)的中压蒸发器。
3．如权利要求1或2所述的燃气和蒸汽轮机设备(1)，其中，所述换热器(150)在其蒸汽侧通过一根分支管(156)与所述水-汽循环(24)的一个低压级(120)相连接，在该分支管(156)内连接有一个调节阀(165)。
4．如权利要求1至3中任一项所述的燃气和蒸汽轮机设备(1)，其中，在燃料管道(130)内，在换热器(150)之前连接一个粗煤气一废热蒸汽发生器(147)。
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