專利名稱:燃氣-蒸汽聯合循環電站燃氣輪機的雙水內冷系統的制作方法
火力電站是消耗化石燃料的大戶。在當今環保與節能的時代潮流迫切要求下,燃氣—蒸汽聯合循環電站熱力系統無疑是一項有廣闊發展空間的創新。
聯合循環系統有別于傳統的蒸汽發電系統,在于它先將燃料燃燒時爆發性瞬間氣體熱膨脹所孕育的沖動性能量加以充分利用,在燃燒室出口布置了噴嘴,使高溫燃燒產物(煙氣)以高速沖向燃氣輪機葉片陣列,使之產生旋轉機械能,帶動發電機,產生第一波電能。煙氣經過這一階段的能量釋放后,才被導入鍋爐以吸收其焓,產生蒸汽以推動汽輪發電機組產生第二波電能(見
圖1B)。由于聯合循環綜合利用了第一和第二兩波的能量,因此比之于傳統的以鍋爐一汽輪發電機為主體的火力電站(見圖1A),將燃料爆發性引燃所產生的能量棄之不顧,任其自由擴散流失,而只是單純地用鍋爐吸收燃燒產物的焓這一項能量而言,聯合循環熱力系統具有顯著的較高熱效率,是不容置疑的。
但我國在設計、建設聯合循環電站時沿用了某些國外技術的一貫方法,即為了防止燃氣輪機主要部件(例如噴嘴、葉片等)免于受到燃料燃燒后煙氣高溫(超出了這些關鍵部件工程材料所能承受的程度)而損壞,故而采用了大量的冷空氣將煙氣溫度預先降低到600~650℃左右,然后才導入燃氣輪機(見圖1B)。經過這一姑息性措施后,煙氣進入鍋爐時其溫度只有600℃左右,而同時煙氣流量卻猛增了200~400%。煙氣低溫和超大流量對鍋爐而言不啻是一項無可逾越的障礙,使聯合循環這項創新對大型高效電站而言是不可接受的。
本專利提出燃氣輪機的雙水內冷,其目的就是不用大量冷空氣以降低煙溫,而是采用水冷卻的方法,以保護燃氣輪機主要部件免受高溫的損害,因而可以保持煙氣的理論高溫和煙氣理論最低流量進入鍋爐,使鍋爐的設計更加合乎理想。同時也保持了聯合循環的全部優點。其結果是降低了電站的燃料消耗量,簡化了電站的設施配置,因而也就降低了電站的總造價和日常的生產成本。(見圖1C)本專利提出的雙水內冷新技術,其含義是燃氣輪機的定子(即不轉動部份)和轉子(即轉動的部份)雙雙實行水內冷。
定子的水內冷有兩種主要方式。其一,如圖2所示,件21為需要冷卻的燃氣輪機部件,件24為水夾套,件22為進水管,件23為出水管。件21為周圍的流動水所冷卻,受到有效的保護。其二,如圖3所示,件21為需要冷卻的燃氣輪機部件,件22為冷卻水進水管,件26為進水集箱,件25為冷卻水管,件27為出水集箱,件23為出水管。圖中,件25冷卻水管為環形管件,以密集節距排列在件21的外側。冷卻水由進水管(件22)起,經過件26、件25、件27與件23,形成一個完整的冷卻水流通渠道,完成其冷卻任務。
無論是圖2抑或圖3所示結構,在某些場合(例如燃燒室)還可結合使用耐火材料。定子的水內冷可以按需要冷卻部件的具體情況,采用各種不同的方式。
轉子的水內冷系統見圖4所示。件1為燃氣輪機心軸,其一端帶動葉輪主體(件2),另一端則帶動發電機。件3為葉片陣列,是高溫煙氣的沖刷對象,牢固地附著在葉輪本體(件2)的外圈基座(件4)上。冷卻水的流程由進水管(件5)開始,經過進水壓蓋(件6)和心軸(件1)的導水孔進入葉輪本體(件2)的內腔,再經過內腔中的導水管(件7)、分水集箱(件8)和分水管(件9),穿過葉輪本體的外圈基座(件4)上的小孔,將冷卻水送入每個葉片(件3)的內腔,直達其頂部近處的位置。冷卻水在葉片內腔中,由于葉輪高速旋轉的離心作用,傾向于粘附在葉片內腔的頂部。但在冷卻水的壓力推擠下,才被迫流向葉片內腔底部,經過葉片基座(件4)上的小孔,流入葉輪本體(件2)的內腔。基于同樣原理,冷卻水在葉輪本體內腔中也是被迫流向葉輪本體(件2)的底部,經過其右端板(件10)上的小孔,流入冷卻水出口壓蓋(件11),經出水管(件12)排出。至此,完成了冷卻水的流動行程。
圖5為葉片兩種設計方式的示意圖。詳圖A為空心葉片,運行時內腔中充滿了流動的冷卻水。詳圖B為實心葉片,經鉆孔后形成多個冷卻水的流通渠道,以達到葉片的冷卻目的。
本專利實施時,不同于目前國產的和引進國外技術的聯合循環電站。在電站熱力系統上都必要作自主知識產權的更新,使其達到理想的緊湊和簡化。目前沿用的聯合循環系統只有經過雙水內冷的改型,才有可能為大型和超大型電站單元機組所接受。
權利要求
本專利申請要求保護以下權利
1.本專利申請提出了燃氣輪機的雙水內冷系統新概念,其“雙水內冷”是本專利申請的核心。該技術從未見之于國內、國外燃氣輪機設備設計或理論刊物及媒體的報導,是一項全新的技術,有必要申請國家專利的保護。
2.本專利申請提出了燃氣輪機定子的水內冷兩種設計方案,可以單獨地和綜合性地應用于燃氣輪機定子的設計中。該設計方案從未見之于國內、國外燃氣輪機的設計,是一項全新的技術,有必要申請國家專利的保護
3.本專利申請提出了燃氣輪機轉子的水內冷設計方案,其整體設計方案和諸多設計細節,從未見之于國內、國外燃氣輪機設備設計或理論刊物及媒體的介紹,是一項全新的技術,有必要申請國家專利的保護。
全文摘要
燃氣—蒸汽聯合循環電站是近年來電站設計的重大創新。但目前我國引進的技術乃是世界各國通用的低溫燃氣的方式,以避免燃氣輪機的過早燒毀,這種先進的技術因此不能在電站熱能利用率方面有顯著的貢獻。本申請“燃氣—蒸汽聯合循環電站燃氣輪機的雙水內冷系統”提出燃氣輪機轉子和定子雙雙進行水冷卻的方式,使燃氣輪機有可能在高溫燃氣的條件下進行可靠的運作,使電站熱工系統更趨合理,電站的熱能利用效率才可能有大幅提升。可以認為,只有燃氣機進行了雙水內冷的改造,才有可能充分顯示燃氣—蒸汽聯合循環的優越性。圖1示電站熱工系統三種熱工系統的對比。圖2~圖5示燃氣輪機雙水內冷設計中各主要部件的結構示意。
文檔編號F01D5/18GK101037950SQ20061007962
公開日2007年9月19日 申請日期2006年4月28日 優先權日2006年4月28日
發明者戴克發 申請人:戴克發