CN1671956A - 用于冷却燃气轮机的冷却空气的冷却系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气和蒸汽轮机设备，它具有被设计成适用于各种运行状态的、用于再冷却由压缩机空气(V)分支出的冷却空气(K)的冷却系统(18)，以及初级侧连接在由所述压缩机空气管分支出的冷却空气管(17)中的热交换器系统(21)，该热交换器系统(21)将冷却空气(K)中夹带的热量传递到被输入燃气轮机的燃烧腔室(6)内的可燃气体气流(23)中。

Description

用于冷却燃气轮机的冷却空气 的冷却系统和方法

本发明涉及一种用于再冷却由燃气轮机的压缩机空气分支出的冷却空气的冷却系统。另外，本发明还涉及一种用于冷却所述冷却空气的方法。

在燃气和蒸汽轮机设备中，利用从燃气轮机中膨胀做功后的工作介质(烟气)中所含的热量来给蒸汽轮机产生蒸汽。所述热量的传递在沿烟气流方向连接在所述燃气轮机下游的余热蒸汽发生器中进行，在该余热蒸汽发生器中设有多根管或管束形式的加热面。这些管或管束又被连接在所述蒸汽轮机的水-蒸汽循环回路中。

在余热蒸汽发生器中产生的蒸汽被输入所述蒸汽轮机中，并在该蒸汽轮机中膨胀做功。在蒸汽轮机中膨胀做功的蒸汽通常被输入冷凝器中而被冷凝。冷凝蒸汽所产生的冷凝水又重新作为给水被输入所述余热蒸汽发生器中，因而形成闭合的水-蒸汽循环回路。

为了提高燃气轮机的功率进而使这类燃气和蒸汽轮机设备有尽可能高的效率，力求使燃气轮机进口处的烟气或燃气具有特别高的温度，例如介于1000至1200℃之间。然而这么高的透平机进口温度将引起材料方面的问题，尤其是透平叶片的耐热性问题。

如果将透平叶片始终冷却到低于许可的材料极限温度，则可提高透平进口温度。为此在EP-PS 0 379 880中可了解到这样的技术手段，即，从与燃气轮机相配置的压缩机所输出的压缩空气中分支出一支分流，并将其作为冷却介质输入燃气轮机中，而作为冷却介质的空气在进入燃气轮机之前被冷却。在此通常在设备以燃气和蒸汽运行时采用一个也称为釜式汽锅(Kettleboiler)的辅助蒸汽发生器，它吸收从所述压缩机空气中排出的热量并将所述热量用于例如蒸发水。在此所产生的蒸汽被输入所述蒸汽循环回路中。

然而当所述设备的蒸汽循环回路没有投入运行时，上述辅助蒸汽发生器也不使用。因此，当所述设备单纯进行燃气轮机运行时，作为替代手段，通常采用一个又称为叶片式风扇冷却器(Fin-Fan-Cooler)的大型空气冷却器来再冷却所述冷却空气。

因此，在从单纯的燃气轮机运行模式转换到燃气和蒸汽轮机运行模式时也相应地要求在用于冷却所述冷却空气的各冷却系统之间进行转换。由于所述转换过程不能确保对冷却空气持续不断地进行再冷却，因此所述设备在从单纯的燃气轮机运行模式转换到燃气和蒸汽运行模式时不可避免地将发生降低设备的负载甚或负载切断现象。

因此，本发明要解决的技术问题在于为燃气和蒸汽轮机设备提供一种适合于将热量从冷却空气中排出的冷却系统。该冷却系统在保持设备费用较低的情况下可特别灵活地调节成与燃气和蒸汽轮机的运行状态相匹配的状态。此外，本发明还要提供一种适合于所述设备各种运行条件的用于冷却所述冷却空气的方法。

按照本发明，就冷却系统而言，解决上述技术问题的方案是，在初级侧连接在由压缩机空气管分支出的冷却空气管中的热交换器系统中，将冷却空气中夹带的热量传递到输入燃气轮机的燃烧腔室内的可燃气体气流中。

对此，本发明考虑的出发点是，在可灵活地与所述燃气和蒸汽轮机设备的运行状态相匹配的冷却系统中，应保证与输入蒸汽轮机的水-汽循环回路中的热量无关地可靠地再冷却所述冷却空气。为此，所述冷却系统应将其再冷却所述冷却空气所吸取的热量传递到在设备的各种运行状态下都可提供的介质中。一种特别适用于此的介质是输入所述燃烧腔室中的可燃气体气流，当其被加热时可将热量耦合到原有的能量产生过程中，并因此可获得特别高的效率。

本发明的其他有利扩展设计是从属权利要求的内容。

为有效地再冷却所述冷却空气而从该冷却空气流中吸取的热量一般(也就是说在通常设计的燃气和蒸汽轮机设备中)应多于预热所述可燃气体所需的热量。因此，比较有利的是调节被输入可燃气体气流中的热量。由此可确保始终有足够的热量供预热可燃气体之用，同时用其他方式和方法将多余热量排走。

在一优选的扩展设计中，通过将冷却空气排出的热量流划分成多支分流并将其中的一支分流输入可燃气体气流中，同时利用另一支产生例如用于可输入蒸汽轮机的蒸汽，可实现与设备的运行状态灵活匹配地将热量从冷却空气中排出。将热量流划分成多支分流在此要考虑如下条件，即，输送给可燃气体气流的支流要精确地具有为预热可燃气体所需的热量，而另一支分流或另一些分流则将不用作预热可燃气体所需的热量排走或作他用，例如用于产生辅助蒸汽。对热量流的划分可通过一些在热流方面并联的中间回路来实现。借此在每个中间回路中都可将热量排走，进而可特别灵活地使用冷却系统。

在另一就设备而言特别简单的可供选择的实施方案中，所述热交换器系统可包括一热交换器，该热交换器的次级侧直接连接到可燃气体气流中，并可将来自冷却空气流的热量传递到可燃气体气流中。

假如采用燃气和蒸汽轮机设备现有的部件例如热交换器或辅助蒸汽发生器(这例如在补充新装备或强化措施时可能是所期望的)，就要相宜地通过至少一个中间回路实现热量的传递。将一个也称为釜式汽锅的辅助蒸汽发生器的次级侧通过该中间回路与一热交换器相连，该热交换器的次级侧则连接到可燃气体气流中。由此，冷却系统的结构就可与现有设备的情况相匹配，并可节约技术投入成本。

根据需要，也可将另一辅助蒸汽发生器连接到所述中间回路中，该中间回路利用所排出的热量来产生设备所需的辅助蒸汽。

按照一种替代性扩展设计，热交换器系统通过辅助蒸汽发生器与另一热交换器建立热量方面的联系，所述中间回路因此可分为两级。由此可另外抽取热量及作为他用，并可特别灵活地构造所述冷却系统。此外，两级的中间回路可更多地实现将所述冷却系统构造成与现有的情况和部件相匹配。

根据本发明，就冷却方法而言，解决所提出的技术问题的方案是，将从所述冷却空气流中吸取的热量传递到输入燃气轮机的燃烧腔室的可燃气体气流中。

为了确保最佳地利用冷却空气中所含有的热量，使输入可燃气体气流中的热量有利地与燃气轮机设备的运行状态相匹配。

为此，比较有利的是将由压缩机空气分支出的冷却空气流划分成多支分流，由其中的一支分流将为预热可燃气体所需的热量输入可燃气体气流中。

按照一种特别简单的扩展设计，为预热可燃气体所需的热量相宜地通过一个次级侧被直接连接到可燃气体气流中的热交换器来传递。

作为上述措施的替代手段，也可设置单级甚或两级中间回路。当利用所述冷却系统中现有的部件诸如热交换器或辅助蒸汽发生器时，这样做尤其适宜。在这样的情况下，中间回路可将所述热量流灵活地划分成多支分流并灵活地将现有的部件连接起来。

为了能最佳地利用由冷却空气中排出的热量，相宜地将一个辅助蒸汽发生器连接到不输入所述可燃气体气流中的其中一支分流中。该辅助蒸汽发生器利用多余的热量作为蒸发热来产生为所述设备所需的辅助蒸汽，因而有助于提高整个设备的效率。

本发明的优点主要在于，通过将从冷却空气流中吸取的热量中的至少一部分传递到可燃气体气流中，在单纯的燃气轮机运行模式下通过省去采用外部的预热源可提高燃气和蒸汽轮机设备的效率。此外，由于可与蒸汽轮机的运行状态无关地在任何情况下通过可燃气体气流将再冷却所述冷却空气所吸取的热量中的较大部分特别可靠地排出，在从单纯的燃气轮机运行模式转换到燃气和蒸汽运行模式时不会出现迄今为止不可避免的负载降低或负载切断现象。另外，可省去采用各种需要占用许多空间的部件，例如外部的燃气预热器和较大型的也称为叶片式风扇冷却器的空气冷却器。

下面借助附图对本发明的一实施例予以详细说明，附图中：

图1示意地示出了用于冷却燃气轮机的冷却空气的冷却系统；

图2示出了带有一中间回路的冷却系统；

图3示出了带有一中间回路的所述冷却系统的一替代性结构；

图4示出了带有一中间回路的所述冷却系统的另一替代性结构；

图5示出了带有一两级中间回路的冷却系统；

图6示出了带有自然循环回路和两个中间回路的冷却系统。

在所有的附图中相同部件用相同的附图标记表示。

图1所示的燃气轮机设备1是未详细示出的燃气和蒸汽轮机设备的一部分。燃气轮机设备1具有透平2，该透平的上游连接有压缩机4和燃烧腔室6。也可附加设置其他一些燃烧腔室。来自压缩机4的压缩空气V作为燃烧用空气可通过管道8并因此通过所述燃烧用空气路径输入所述或每个燃烧腔室6中。燃烧腔室6的出口侧通过管道10或连接管与透平2相连。在此，通过管道10可将燃烧燃料所产生的热烟气输入透平2中。透平2与压缩机4通过透平轴12相互连接。透平2、压缩机4、燃烧腔室6、管道8、10以及透平轴12总体上也可称为燃气轮机。压缩机4又通过另一根轴14与发电机16相连。

燃气轮机设备1被设计成具有尽可能高的效率。在此尤其可通过使进入透平2中的烟气具有高的进口温度来实现高的效率。然而这种高透平机进口温度却带来材料方面的问题，尤其是透平叶片的耐热性问题。为了避免这样的问题，应将透平叶片冷却到始终低于许可的材料极限温度。

为了冷却未详细示出的固定导向叶片和同样未详细示出的随透平轴12一同转动的动叶片，可向所述透平机中输入由压缩机空气V分支出的、作为冷却空气K的分流。为此，将冷却空气管17的输入侧与连接在所述压缩机4下游的管道8相连，冷却空气管17的输出侧则与透平机2相连，使得作为冷却空气K的空气可输入透平机2的导向叶片和动叶片。

冷却系统18用于再冷却作为冷却空气K的压缩空气V，该冷却系统包括一连接到冷却空气管17中的带有至少一个热交换器22的热交换器系统21。热交换器22在此可以是一个也称为釜式汽锅的辅助蒸汽发生器，其次级侧可加入冷却介质，尤其可加入水。所述热交换器22在此尤其可设计成使被冷却介质亦即热的压缩机空气或压缩空气V流过许多管，同时将冷却介质(水)输入这些管中，而且在通常情况下使其蒸发。

将所述冷却系统18设计成使所述设备具有特别高的效率同时还具有高的灵活运行特性。为此，将所述冷却系统18有针对性地设计成能将冷却空气K中夹带的热量传递到可燃气体气流23中，致使可利用这些热量来预热所述可燃气体。由此可取消用于冷却所述冷却空气K的位于外面的可燃气体预热器和部件。此外，这种适用于燃气和蒸汽轮机设备的冷却系统18使得所述设备在从单纯的燃气轮机运行模式转换到燃气和蒸汽运行模式时无需降低负荷或切断负荷。

在按照图1所示的实施例中，热交换器22的初级侧连接在冷却空气管17中，其次级侧则直接连接到为导引可燃气体气流23所设置的可燃气体管道中。在此，仅仅利用较少的部件就能实现将热量从冷却空气K转移到可燃气体气流23中。然而在通常设计的所述设备中可能必须考虑到，有待从用于保证透平机2可靠运行的冷却空气K中抽取的热量应大于由设计限制的可传递到可燃气体气流23中的热量。例如需要从所述冷却空气K中抽取出与大约7MW的热功率相当的热量，而将最大与大约3MW的热功率相当的热量传递到可燃气体气流23中。鉴于此，在本实施例中从冷却空气K中吸取出的热量仅仅部分传递到可燃气体气流23中，同时另外将有待排出的剩余热量传递到其他介质中。

为了确保根据需要来分配从冷却空气K中抽取的热量，在图1所示实施例中将有待再冷却的冷却空气流分成两支分流。为此，在热交换器系统21中与所述热交换器22相并联地设置了另一热交换器24。因此，冷却空气流被分成两支分流，其中，第一支分流通过冷却空气管17流过热交换器22，另一支分流则通过一根从所述冷却空气管17分支出的支管26流过另一热交换器24。

在这种情况下，为了确保与所述设备的运行状态相匹配地将从冷却空气K中抽取出的热量排出并向热交换器22提供热量，可另外通过一些图中未详细示出的机构来调节冷却空气管17和支管26中的分流。所述另一热交换器24将不用于预热可燃气体所需的热量排走，并派作其他适合的用途，例如作为蒸发热用。

图2中示出了冷却系统18的一替代性实施方式。在此实施例中，将热交换器系统21构造成在中间连接一中间回路32的情况下将来自冷却空气K的热量间接传递到可燃气体气流23中。在此，由压缩机空气V中分支出的冷却空气K经由冷却空气管17流过第一热交换器22。该热交换器22的次级侧连接到所述中间回路32中。在中间回路32中连接有另一热交换器33，该热交换器将热量传递给可燃气体气流23以预热所述可燃气体。一个在中间回路32中的连接在所述另一热交换器33之后的离析瓶34将传递热量的介质例如水重新输送到热交换器22中。此外，可从离析瓶34中取出水或蒸汽并输送给例如一个未详细示出的辅助蒸汽发生器或用户。

为了在这个实施例中也能尽可能按照所期望的那样将热量流划分成多支分流，还可将热交换器22设计成多组件类型(mehrkomponentenartig)，并且包括例如一个设计成辅助蒸汽发生器或釜式汽锅的部段，通过该部段可将一部分热量派作其他用途。这在图2中用加热蛇管35示出。

在图2中示出的实施结构通过中间回路32可特别灵活地排出和分配冷却空气K中吸收的热量。此外，中间回路32也能实现主要功能在空间上的相互脱耦，亦即一方面将热量从冷却空气K中排出，另一方面将热量传递到可燃气体气流23中。基于这一脱耦可实现对所述设备内现有部件诸如热交换器、辅助蒸汽发生器或冷却循环回路的回归利用，此时仅仅需要对线路安装进行调节适配。因此，这种技术方案特别适用于现有的设备。

图3中示出了所述冷却系统18的另一变型方案。在这一变型方案中，热交换器系统21包括初级侧连接到冷却空气管道17中的热交换器22，后者通过中间回路32与另一热交换器33建立热量方面的联系。因此，在这一变型方案中，热量可通过中间回路32和次级侧连接到可燃气体气流23中的另一热交换器33传递到可燃气体中。与图2所示线路连接不同的是，此处的热交换器22的次级侧仅仅连接到中间回路32中。为了根据需要划分热量流，在本实施例中设置一第三热交换器36，该热交换器的初级侧在热交换器22之后串联地连接在冷却空气管17中，因此可吸收留在冷却空气K中的残余热量。第三热交换器36的次级侧与一些被选择的适用于吸收残余热的部件相连。在这样的连接线路中尤其有利的是，第三热交换器36只需将多余的、不被可燃气体气流23利用的热量排出，在燃气和蒸汽轮机设备中可能就是这样的情形。因此在很大程度上无需改装或更换现有的部件。

图4中示出了另一同样建立在利用一中间回路32的基础上的实施方式。在这一情况中，冷却空气K通过第三热交换器36在其进入到热交换器22之前就被冷却。中间回路32在此被设计成利用水/蒸汽作为介质将所述热量传递到另一热交换器33上。为此，在这种情况中热交换器22被设计为蒸汽发生器。因此，通过第三热交换器36可按照需要调节在热交换器22中传递的热量。

也可考虑如图5所示的实施方式，其中，可通过一设计成两级的中间回路系统40将冷却空气K的热量传递到可燃气体气流23中。在这个中间回路系统40中，初级侧连接到所述冷却空气管道17中的热交换器22将冷却空气K中的热量传递到在第一中间回路42中流动的介质中。另一热交换器44的初级侧连接在该中间回路42中，前者又将热量传递到在第二中间回路46中流动的介质中。热交换器48的初级侧最终连接在第二中间回路46中，并将热量传递给可燃气体气流。

这一实施方式具有如下优点：可特别灵活地排出和利用从冷却空气K中吸取的热量，尤其在线路连接和按照需要接入其他一些热量用户方面有特别多的可能性，因此也存在多种多样的回归利用现有设备部件的各种可能性。例如，一部分不用于预热可燃气体所需的热量在串联连接在第二中间回路46中的热交换器48之后的辅助蒸汽发生器50中可被用来产生所述设备所需的辅助蒸汽。不需要的热量可通过一个未详细示出的空气冷却器排走。此外，这一实施方式和包括单级中间回路的实施形式一样，对于所述设备内现有部件的应用和相互连接提供了各种各样的可能性。

为了对特别高的灵活运行特性进行调节，在中间回路32中流动的水-汽混合物可在各个不同的适当选择的位置与所述燃气和蒸汽轮机设备的水-汽-回路相连通。

在图6所示出的实施例中，对于转子的空气冷却和热燃气的预热在很大程度上集中在现有的发电厂部件中。在此，冷却空气K通过冷却空气管17被输入设计成釜式汽锅的热交换器22中，此时所需的热量通过蒸发被排走。此时在次级侧产生的蒸汽或者输入中间回路系统40中的、设计成冷凝器的热交换器44中，或者通过辅助蒸汽管52输给所述发电厂的另一用户。中间回路系统40在此尤其可设计成自然循环系统，其中，热交换器44本身的次级侧与再冷却系统51相连。来自热交换器22的将所述为预热燃气所需的热量带走的介质分流经由管道54流过次级侧连接到可燃气体气流23中的热交换器33，随后又重新流回热交换器22中。

连接到其他现有系统的介质连接管在图中通过给水管37示例性地示出。借助这样一种连接，在燃气轮机运行模式或燃气和蒸汽轮机运行模式中的所有运行方式对于燃气的加热或燃烧均可行。在此，在所有运行状态下，对于转子的空气冷却功能的有效性即便在采用第二种燃料例如燃油(亦即不运行所述热交换器来预热燃气的)情况下也都不受影响。本方案还特别适用于通过添加一热燃气预热装置来在后改装和重新装备燃气轮机设备，并进而提高设备效率。同样，根据可实现的在热量方面的各种各样的线路连接可能性，也特别有利于将燃气轮机设备改装成燃气和蒸汽轮机设备。

Claims (15)

1.一种用于再冷却由一燃气轮机的压缩机空气(V)分支出的冷却空气(K)的冷却系统(18)，其具有一初级侧连接在一由所述压缩机空气管分支出的冷却空气管(17)中的热交换器系统(21)，该热交换器系统将所述冷却空气(K)中夹带的热量传递到被输入所述燃气轮机的燃烧腔室(6)内的可燃气体气流(23)中。

2.如权利要求1所述的冷却系统(18)，其中，对传入所述可燃气体气流(23)中的所述热量进行调节。

3.如权利要求1或2所述的冷却系统(18)，其中，所述热交换器系统(21)的次级侧与多条在热流方面并联的分支回路连接。

4.如权利要求1至3中任一项所述的冷却系统(18)，其中，所述热交换器系统(21)包括一热交换器(22)，该热交换器的次级侧直接连接到所述可燃气体气流(23)中。

5.如权利要求1至3中任一项所述的冷却系统(18)，其中，所述热交换器系统(21)的次级侧通过一中间回路与另一热交换器(24)相连通，该另一热交换器的次级侧连接到所述可燃气体气流(23)中。

6.如权利要求5所述的冷却系统(18)，其中，通过所述中间回路加热一辅助蒸汽发生器(38)。

7.如权利要求6所述的冷却系统(18)，其中，所述热交换器系统(21)与所述另一热交换器(24)的热量方面的联系通过一辅助蒸汽发生器(50)建立。

8.一种带有一透平(2)的燃气轮机设备(1)，该透平中可输入由压缩机空气流中分支出的分气流作为冷却空气(K)，该燃气轮机设备具有如权利要求1至7中任一项所述的冷却系统(18)。

9.一种用于冷却燃气轮机的冷却空气(K)的方法，其中，将从所述冷却空气流中吸取的热量传递到被输入所述燃气轮机的燃烧腔室(6)内的所述可燃气体气流(23)中。

10.如权利要求9所述的方法，其中，传入所述可燃气体气流(23)中的所述热量与所述燃气轮机设备(1)的运行状态相匹配。

11.如权利要求9或10所述的方法，其中，将由所述冷却空气(K)中排出的所述热量流分成多支分流。

12.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，所述热量通过次级侧直接连接到所述可燃气体气流(23)中的一热交换器(22)传递。

13.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，来自所述冷却空气管(17)的热量通过一中间回路(32)被传递到所述可燃气体气流(23)中。

14.如权利要求13所述的方法，其中，将热量传递到一连接在所述中间回路(32)中的辅助蒸汽发生器(50)中。

15.如权利要求9至14中任一项所述的方法，其中，在第一回路(42)中将来自所述冷却空气流中的热量通过第一热交换器(22)传递到一连接在第二回路(46)中的辅助蒸汽发生器(50)中，并最后通过另一热交换器(24)传递到所述可燃气体气流(23)中。

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