CN86101496A

CN86101496A - 混合蒸汽/气体气轮机

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Publication number: CN86101496A
Application number: CN198686101496A
Authority: CN
Inventors: 约翰·T·帕顿; 阿马德·R·舒曼
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-02-14
Filing date: 1986-02-14
Publication date: 1986-11-19
Also published as: BR8605557A; JPS62501790A; WO1986004957A1; AU5457186A; KR870700117A; EP0216815A1

Abstract

一种将燃料转变成轴功率，改进了热效率后的机器(9)，它直接使用水冷却燃烧汽体(8)，并事实上消除了由气轮机动力装置的排出物所带来的NO_x污染物。(9)用接近化学计量氧/燃料比完成燃烧，使氧或空气的消耗量减为最小。当使用空气(2)时，装置的功力输出(16)能够通过在空气流中注入纯氧来增大。

Description

本发明论及一种独特的汽轮机系统，该系统为消除通常的污染排出物NOx而设计的。更具体地说，本发明涉及一种在燃烧室设计方面的新概念。当气体通过用气体（蒸汽）轮机时，燃烧室产生对发出有用的能量所必需的高温气体。设计的独特之处是允许燃料在燃料/氧气比例的最佳值燃烧，即接近化学当量比例，从而，用产生的热去产生过热的蒸汽，这是通过燃烧物和液体式蒸汽的水直间接触。这样就使得在用于与气轮机相连的通用燃烧室内正常需要的氧的量大大地减少了。前面所说的概念有广泛的用途，并且能够有效地用在通用发电站的固定式气轮机的设计中，及有专门用途的小型气轮机的设计中，它们常常在偏远的场所，诸如海面上的钻机，管道站，和复合发电装置。

在1977年，环境保护机构（下文简称EPA）颁发了实现清洁空气条令的标准，其中论及到气轮机燃烧系统要减低排出物。通常在那个时期使用的燃烧系统产生含有250ppmNOx的废气，在1982年间，估计产生的污染程度为270，000吨/年。在遵守EPA条令的努力中，气轮机制造者们努力进行了有意义的研究探索，以确定产生NOx的原因和减少NOx排出物到最低实践程度的有效改进设计。这些努力的结果已有重要的意义。现在市售的气轮机燃烧系统有效地将NOx排出物的量从早期的水平减低了70%，使现行机器合格于EPA75ppm的标准。实现排放物减少是由于认识到在燃烧系统中造成NOx生产的关键因素。这些因素已被许多资料证明，并被二个关键变量，即，反应区的温度和燃料/氧气的比例所支配。按照下述的反应式产生的NOx是人所共知的：

N₂+XO₂＝2NOx

从上述的方程式中看，显然，氮和氧二种元素必定存在于反应区中才能生成NOx。虽然氮的主要来源是供给于反应区的燃烧空气，但是含在燃料本身中的氮在适当的条件下，它也能有效地转变成NOx。

在许多大城市区中，为依据EPA达到减少NOx排出物的要求，必须借助于NOx同NH的催化还原反应。这是一个昂贵的解决办法，并且最好也不过只有90%的效果。NOx的污染最有意义的清除只能够通过减少存在于反应区中氮的量来实现，更好的是，完全清除氮。

许多年来，虽然来自气轮机中高浓度的NOx排出物对环境是有害的，这一点已被公认，但是以前减少这些排出物至令人满意的程度的努力还不够成功。因此，提供一种新型的改进的其中包括为气轮机的燃烧器提供的气体的设计思想，是本发明的主要目的。对消除NOx，污染物的产生，这个设计是有潜力的，同时，并不降低本机器的总热效率。为达到本发明的目的，燃烧室设计成使燃料和接近化学当量的氧气（空气）的燃烧更有效;由此，大大地减少了NOx的产生。为了避免损坏叶轮机，根据本发明，燃烧气体通过注入水或蒸汽到高温燃烧气上直接冷却。另外，另一部份水（蒸汽）在燃烧与氧气接触产生燃烧反应之前，就可以和燃料混合。

本发明区别于先有技术的独有特征是，为了降低排出气体的温度以避免超过气轮机的金属极限注入燃烧室的水量。通用气轮机使用大量的过量空气和少量的水来实现燃烧气体予期的引出温度。在本发明中，几乎不使用过量空气反而使用大量的水去达到所希望的引出气体温度。在燃烧反应中，大约对每磅消耗的氧需添加2～6磅的液体水。在水以蒸汽的形式添加使用中，可以是每一磅的消耗氧对15磅气相的水。

不同于通用气轮机，在压缩系数约为15时有一个热力学最佳值。本发明大大地提高了压缩系数的最佳值。就空气而论压缩系数为40时约为最佳值，并且低于34（500磅/吋²）的压缩比不会表现优越性。在使用纯氧代替压缩空气的情况下，压缩系数的最佳值进一步升高，超过了200。总热转换效率的改进是引入注目的。假定气体进入叶轮机的温度在约1600°F以上，在空气燃烧的情况热能到电能的转换效率能够提高近50%。就纯氧燃烧而轮，转换效率进一步均增加60%。比较起来，通用气轮机只有28%的热效率，因此，本发明的应用，在电能的生产中把燃料的消耗减少20～45%是有潜力的。

显然，达到上文指出的高总压缩系数将需要若干级压缩。随着压缩过程的进行，两个压缩级间设置级间冷却是有利的，并且确实符合需要。这种冷却大大地增加了压缩进程的效率，而且在级间冷却中排出的热能够有利地用来升高其后注入燃烧室中水的温度。虽然级间冷却不是一种新概念，本身也不成为发明，但是，在通用的气轮机中没有使用级间冷却是一个公认的事实，这是因为，通常使用在气轮机燃烧循环中的低压气体的冷却是与很大的压力损失联系在一起。本发明使用很高的压力，这就所得级间冷却能有利地被使用，并且本质上成为本发明的一个完整部份。

本发明产生一种高压高温蒸汽流，当其通过叶轮机时，被用做一种动力源。这些气流通常由大约45-95%的蒸汽组成，并且有许多气轮机动力领域的技术人员熟知的特性。本发明的特点是这样的事实，没有使用作为所有常规电厂的一个整体部份的昂贵的高压锅炉，生产上述蒸汽混合物。节省了通用锅炉，除了本发明在通用技术提供对维持现代工业社会所需的大量电能的生产所期望改进的热力学效率之外，还提供了很大的成本优势。本发明特别适用于常规电厂增大容量和改进效率，这是通过利用直间接触热交换生产下步流过气轮机发电的高温过热蒸汽的方法实现的。

如上所述，本发明论及混合蒸汽/气体气轮机设计，该设计使用由燃烧室组成的直接接触式过热蒸汽发生器，此燃烧室对要燃烧的燃料提供接近化学当量的氧气和极高的火焰温度，这样就通过热直接传递到水或蒸汽的第二种流质，产生过热蒸汽。送到燃烧室的燃料可以是气态或液态，但是最好完全燃烧，且不产生以后能够损害气轮机的颗粒物质。最好是，供给燃烧室的氧气（空气）在燃烧区与燃料充分混合，并且，在液体燃料的情况下，在进入燃烧区之前使燃料蒸发是很有好处的。

通过气轮机的工作温度极限约为2000°F。在改进的燃烧室中产生的气体能接近5000°F，因此，气体通过气轮机之前必需冷却。按照本发明，这是通过对燃烧气体直接冷却或骤冷完成，是用水或蒸汽注入或立刻流下燃烧区的方式实现。在水作为骤冷剂的应用中，经常出现所希望的水被完全蒸发的现象。过程中，上述的汽化和水吸收出现的热能减少了，为达到要求的流出燃烧室后进入气轮机的气体流出温度，而所注入的骤冷剂的量。

排出叶轮机的气体混合物主要是蒸汽，氮和二氧化碳，并能够使其部份地冷凝使气轮机的能量输出增大到最大值。除此以外，气轮机的废气能够作为工艺热源使用，或者注入地下结构层中以提高石油，盐或其他矿物的生产。

不同于通用气轮机，它们的功率输出是通过调节燃烧流向燃烧室的量来调节的，本发明的功率输出还能通过供给燃烧室富氧空气进一步调节;上述的调节通过改变供给的空气的富气程度（氧含量）完成。

参考下述具体的说明性的实施例，能更好地理解本发明。

例1

为生产电能，使用直接接触过热蒸汽发生器的流程如图一所示。气轮机由膨胀式叶轮（9），燃料气体压缩器（1），二级空气压缩（2）和（6）组成。下文说明是以一个使用本发明的工艺的发电厂的流程为基础，且其额定值为130兆瓦。为生产电能，将天然气以每小时1487Mcf的量送入压缩器（1）中，将天然气压到1470磅/吋²的多级机由此将它注入到燃烧器，它注入到燃烧器，其为直接接触过热蒸汽发生器（8）的一个整体部份。同时，将14，156Mcf空气送入空气压缩器（2）的第一级，在此处绝热压缩，至147磅/吋²，并且由于加压做功温度也同时升到713°F。热的压缩空气通过级间冷却器（3），在此外，它们用带有部进入过热蒸汽发生器的（220.000磅/小时）的热交换器冷却，由此，过热蒸气发生器进水被升温到700°F，压缩空气也降温至382°F。部份冷却的压缩空气通过空气冷却器（5），温度进一步降到100°F，冷却的部份的压缩空气通过压缩器（6）的第二级，其排出时的绝对压力为1470磅/吋²，温度为713°F，并且由此处将其送至燃烧室，燃烧室为使天然气燃烧的直接接触过热蒸发器（8）的一个整体部份。予热的过热蒸汽发生器的进水除从级间冷却器（3）供给之外，另外445，000磅/小时的予热水通过第二进水泵（14）注入直接接触过热蒸汽发生器（8）中。在直接接触过热蒸汽发生器（8）中，天然气的接近化学当量燃烧的结果，放出1.5mm千瓦/小时的热，并引起送入直接接触过热蒸汽发生器中的水的汽化。结果，主要由蒸汽，二氧化碳和氮所组成的气态混合物以1600°F和1470磅/吋²的状态从过热蒸汽发生器中排。气态混合物当通过蒸汽轮机（9），在排出和冷凝之前做功。部份气态混合物（63，300磅/小时）在蒸汽轮机中压力为200磅/吋²时从中间级抽出，并且在混合器（13）中同被泵（12）升压的383，000磅/小时的冷凝水混合。冷凝物和蒸汽的混合达到平衡的温度为382°F，它们再用第二进水泵（14）进一步升压至1497磅/吋²后，注入到直接接触过热蒸发器中。进入动力叶轮机（9）的蒸汽混合物的大部份在15磅/吋²的压力排出，随后通过冷凝器（10），在那里温度降至200°F。热水和二氧化碳的混合物通到快速分离器（11），在那里氮和二氧化碳排入大气，进入分离析器的液体通过管道排出，在下型管道分流成适当的部份，或由第一进水泵（7），或由第二进水泵（14）加压到注入直接接触过热蒸汽发生器所需的压力。叶轮机（9）中膨胀气体产生的动力能够用来驱动天然气和空气压缩器以及三个水泵。将气体和水的压力加至直接接触过热蒸汽发生器的工作压力的能量之外的，过剩的能量。在发电机（6）中用于产生电能。总量为130兆瓦的动力由此而产生，它传输主汽轮机30.1%的转换效率。在这个例子中使用的第一级空气压缩器可与包括在通用电气体制六单元汽轮发电机内的空气压缩器相比较。要注意到，该机在公开的28%的转化效率下，只能产生38MW的功率。可归内本发明的改进的贡献是7.5%，这样的贡献每年可为电力工业节约百万元以上的燃料费用。功率输出增加到三倍之多同样对于在海军舰船，市区和近海石油平台等重视空间的使用中有重大意义。

上述的例子足以详细说明了由本发明而引得的热力学效果。为简单和说明的目的，只叙述了二级压缩机。可通过添加辅助的压缩级，提高工作压力，结果使通过叶轮机的每磅蒸汽，和每磅消耗的燃料产生辅加的功率，提高热能到电能的转化效率。通过用富氧空气或纯氧来代替使用在上述例子中的燃烧空气，能得到更大的改进。通过使用氧气达到热转换效率大大超过50%是很有可能的，这个值是用现在实践的或已经提出的任何技术或技术的结合去生产电能所完全不可能达到的。使用富气空气的第二个有利之处是，气轮机的功率输出易于调整，即通过简单地调节，供给直接接触蒸汽发生器的空气的氧含量，以及燃料的流动就可完成。

Claims

1、一种改进的包括有一个燃烧室气轮机，其特征在于该燃烧室设计成，在500磅/吋²的压力下，用空气氧气或它们的混合物燃烧燃料，由此提供直接接触式过热蒸汽发生器所需要的能量；用将水引入或立刻流入燃烧区达到直接冷却的方法将从燃烧室排出的气体燃烧混合产物的温度控制在所需要的温度；产生的燃烧产物和水蒸汽的气态混合物，或其一部份用于通过适当的气轮机产生电能。

2、按照权利要求1中所述的汽轮机，其中燃烧气体的冷却，是通过将液体水注入直接接触过热蒸汽发生器内完成的。

3、按照权利要求1中所述的气轮机，其中燃烧气体的冷却，是通过将水蒸汽注入直接接触过热蒸汽发生器内完成的。

4、按照权利要求1中所述的气轮机，其中燃烧气体的冷却是通过将二氧化碳和水（蒸汽）的混合物注入直接接触过热蒸汽发生器内来完成的。

5、按照权利要求1所述的气轮机，其中燃烧气体的冷却是控制产生1000°F以上的气态混合物。

6、按照权利要求1所述的气轮机，其中供与蒸汽发生器直接接触的含氧气体是用二级或多级压缩机加压，级间冷却是用压缩气体和水冷却剂之间的热交换器间接冷却。

7、按照权利要求1所述的气轮机，其中供与过热蒸汽发生器直接接触的氧气是用低温泵在液态加压。

8、按照权利要求1所述的气轮机，其中在直接接触式过热蒸汽发生器产生的气体混合物是通过在大气压下排放的气（汽）轮机。

9、按照权利要求1所述的气轮机，其中从发电叶轮排出的气体是用其沸腾另外的适当流体的方式冷凝，该流体随后通过第二叶轮膨胀以产生作功的能或电能。

10、按照权利要求1所述的气轮机，其中供与过热蒸汽发生器直接接触的氧气源，由富氧空气组成，且用调节其中氧的浓度的方式控制气轮机的输出功率。

11、一种改进的气轮机，其特征在于，它包括一个设计成在高于500磅/吋²的压力下燃烧燃料，以提供直接接触式过热蒸汽发生器所需要的能量的燃烧室;供给燃烧装置的氧的纯度超过70%（体积）;用引入水或立刻使水进入燃烧区的直接接触冷却方式，将离开直接接触式过热蒸汽发生器的燃烧产物的温度控制在需要的温度;得到的燃烧产物和水蒸汽的混合物，或其一部份通过适当的叶轮机产生电能。

12、按照权利要求11所述的气轮机，其中用向直接接触式过热蒸汽发生器注入液态水的方法实现燃烧气体的冷却。

13、按照权利要求11所述的气轮机，其中，燃烧气体的冷却是通过将蒸汽注入到直接接触过热蒸汽发生器中完成的。

14、按照权利要求11所述的气轮机，其中，燃烧气体的冷却是通过将二氧化碳同水蒸汽的混合物注入到直接接触过热蒸汽发生器中完成的。

15、按照权利要求11所述的气轮机，其中，燃烧气体的冷却控制到产生1000°F以上的气体混合物。

16、按照权利要求11所述的气轮机，其中，供给直接接触蒸汽发生器的氧气源是使用二级或更多级的压缩机增压的，级间冷却是由混合气和冷却水之间的间接热交换器实现的。

17、按照权利要求11所述的气轮机，其中，提供的氧用低温泵加压成液体，并且在注入到直接接触式过热蒸汽发生器之前气化。

18、按照权利要求11所述的气轮机，其中，在直接接触式过热蒸汽发生器中产生的气体混合物通过在大气压下排放的叶轮机。

19、按照权利要求11所述的气轮机，其中从发电叶轮排出的气体是用其沸腾另外的适当流体的方式冷却，该流体随后通过第二叶轮膨胀以产生作功的能或电能。