專利名稱：燃氣和蒸汽輪機裝置及其運行方法
技術領域：
本發明涉及一種包括發電機、燃氣輪機和蒸汽輪機的燃氣和蒸汽輪機 裝置。此外，本發明還涉及運行這種裝置的方法。
背景技術：
在燃氣和蒸汽輪機裝置中，從燃氣輪機流出的高溫廢氣用于加熱一臺 所謂廢氣鍋爐，它通過使液態水汽化產生用于運行蒸汽輪機所需的蒸汽。 燃氣輪機和蒸汽輪機在這種情況下通常用于驅動一臺或多臺產生電能的發 電機。通過充分利用在燃氣輪機廢氣內所含的余熱，可以在這種組合式燃 氣和蒸汽輪機裝置中達到特別高的總效率并因而節省燃料，這不僅從純經 濟的觀點來看，而且在環境保護及愛護自然資源的意義上也起越來越重要 的作用。除了可以在一種按力-熱耦合(KWK)運行的燃氣和蒸汽電廠(GuD 電廠)中生產電能外，還有一個設計目的是提供蒸汽用作遠程供熱用戶的 加熱用蒸汽，或在化學或其他工業中用作工業用汽。為此從GuD過程抽取 部分蒸汽，從而使儲存在這部分蒸汽內的能量不再供蒸汽輪機用于運行或 發電。對于熱電廠人們在控制電流和控制熱量的KWK裝置之間加以區分， 這取決于兩種能量形式中哪一種占優勢壓倒另 一種能量形式控制電流的 裝置優化發電量，控制熱量的裝置優化發熱量。蒸汽輪機既可以按背壓運行方式也可以按凝結運行方式運行。在凝結 運行方式時，在蒸汽輪機的膨脹段下游連接凝汽器，在凝汽器內由于借助 冷卻水使流入的低壓蒸汽冷卻和凝結形成負壓。蒸汽在膨脹做功后在出口 側一定程度地被從蒸汽輪機抽出。按這種運行方式，在蒸汽輪機流入區與 流出區之間的蒸汽焓差應盡可能連續地被用于造成稱為轉子的渦輪轉子的 旋轉運動，并因而最終用于贏得電能。反之，對于背壓運行方式，并沒有 通過汽輪機降低全部可能的焓降。確切地說，出口側保持一個壓力和溫度 水平，這一水平相當于為了在連接在下游的工業設備內應用流出的蒸汽所期望的加熱或工熱用的蒸汽值。在迄今常見的GuD裝置的構型中，這種構型至少原則上既適用于凝結 運行方式的蒸汽輪機也適用于背壓運行方式的蒸汽輪機，并因而它能實現 一種靈活地適應瞬時存在的對加熱或工業用汽的需求和對電能需求的運行 方式，在第一根軸上裝一臺燃氣輪機和第一臺發電機。在獨立于該第一根軸的第二根軸上，按所謂"Cross-Compound"結構方式，作為一個蒸汽輪 機裝置的組成部分通常設一個高壓級和必要時一個中壓級，它們驅動與第 二軸連接的第二臺發電機。最后，還設獨立于第一根和第二根軸的第三根 軸，低壓汽輪機段和第三臺發電機與此軸接合。由于一個在高壓或中壓級 出口側連接在下游的調節閥，所以從高壓或中壓級流出并始終還處于較高 壓力狀態下的蒸汽，按第一種運行方案可以直接，也就是說在設在第三軸 系上并在這種情況下停止運轉的低壓級周圍，作為加熱或工業用汽供給工 業設備(背壓運行方式)。但也可以按第二種運行方案將從高壓汽輪機段流 出的蒸汽供給低壓分汽輪機，蒸汽在那里最終通過輸出附加的驅動功率完 全膨脹，因此壓力大約為零bar (凝結運行方式)。上述也稱為多軸結構的構型存在的一個缺點是，高壓級和低壓級分別 需要一臺自己的發電機，其結果是導致高的投資費用以及還可能導致高的 保養或維修成本。此外，若在凝結運行方式的情況下通過接通低壓系統將 發電機產生的能量饋入一個公共電網，則鑒于低頻需要采取附加的調整或 轉換措施。最后，按多軸結構的燃氣和蒸汽輪機裝置需要比較大的空間位 置。發明內容因此本發明所要解決技術問題是，提供一種前言所述類型的燃氣和蒸 汽輪機裝置，它在保持簡單的結構方式和有高的總效率的同時，允許以不 同蒸汽提取程度進行的運行方式。此外，本發明應提供一種適用于運行這種燃氣和蒸汽輪機裝置的方法。有關燃氣和蒸汽輪機裝置的技術問題是這樣解決的，將發電機、燃氣 輪機和蒸汽輪機安裝在具有一些軸段的軸上；蒸汽輪機包括分別與一個軸 段對應配設的高壓級和低壓級；與低壓級對應的軸段裝在所述軸的端側； 以及，在高壓級的軸段與低壓級的軸段之間設至少一個聯軸器。本發明考慮問題的出發點在于，單軸結構對于按力-熱耦合運行的燃氣 和蒸汽輪機裝置是有利的，因為以此方式避免了多軸結構上面所描述過的那些缺點。尤其是只需要單臺發電機。在這種情況下GuD裝置的蒸汽輪機設計為多級結構，為的是以結構簡單和運行技術安全的方式在蒸汽輪機壓 力級之間提供具有規定蒸汽參數的加熱用汽或工業用汽的抽取處。也就是 說應設至少一個高壓級和一個低壓級，對于它們總是可以使用傳統的且已 證實可靠的設計。以此方式作為抽汽汽輪機不要求蒸汽輪機具有比較復雜 的設計結構。更確切地說，在現在采用的這種系統中，加熱用汽或工業用 汽的一種可調式抽汽裝置設置在蒸汽方面連接高壓級與低壓級的溢流管道內部。在這里，必要時也可以為這兩個壓力級之間的蒸汽再配i殳一個中壓級和/或中間過熱裝置。若與高壓級和低壓級對應的軸段互相剛性連接，則 低壓級當然必須始終用與高壓級相同的轉速運行。此時為了安全運行，即 使在蒸汽輪機裝置抽汽運行狀態下，為了冷卻低壓級也必須使蒸汽質量流 的一個分流流過該低壓級。因此冷卻所需要的蒸汽對于期望的加熱功率或 其他具有工業用蒸汽需求的使用目的而言造成損失。為了盡管如此在現在 采用的這種單軸結構中當抽汽或背壓運行時在高壓級后仍能達到最大可能 的抽汽量，并因而能供應例如連接在下游的加熱功率特別高的遠程供熱用 戶，在高壓級的軸段與低壓級的軸段之間設一個聯軸器。因此低壓級在需要時可以在;t幾械方面與其余軸系脫開以及停止運轉。因為在這種情況下在 低壓級內不必存在冷卻用蒸汽，所以在蒸汽方面低壓級也可以與其余汽輪 機裝置完全分離。由此也可以免除如在剛性接合的并強制性隨同旋轉的低 壓級中不可避免地存在的摩擦損失。另一方面，在需要時低壓級也可以借 助聯軸器與驅動發電機的軸接合。因此，正是在這種亦即具有已接合的低 壓級和在蒸汽方面連接在低壓級下游的凝汽器的凝結運行方式中，可以產 生特別高的電功率和可以供用戶或耗電器使用。發電機可以裝在燃氣和蒸汽輪機裝置的軸的端側，從而使燃氣輪機沿 軸向處于發電機與蒸汽輪機之間。但按一種優選的方案，發電機沿軸向裝 在燃氣輪機與蒸汽輪機之間。優選地，燃氣和蒸汽輪機裝置除高壓級和低壓級外還有 一個中壓級， 該中壓級在流動介質方面有利地連接在高壓級與低壓級之間。在這種情況 下按第一優選方案，中壓級通過公共的軸段與高壓級連接。因此通過這種剛性接合，高壓級轉子與中壓級轉子始終以相同的轉速旋轉。對于高壓級 與中壓級可采用在空間上分離的外殼。但有利地它們也可以安裝在一個公 共的外殼內，并以此方式構成一個組合的高/中壓汽輪機。但按另 一種有利的方案，中壓級也可以通過公共的軸段與低壓級連接 以及與低壓級在旋轉運動方面構成一個單元。在這種情況下由于聯軸器使 得由中壓級與低壓級構成的單元在需要時作為整體與高壓級的與發電機連 接的軸段脫開。因此，在燃氣和蒸汽輪機裝置抽汽運行期間不僅低壓級而 且中壓級均停止運轉以及沒有蒸汽流過。類似于第一方案，中壓級與低壓 級可以由裝在分離的外殼中的汽輪機段構成，或也可以安裝在一 個公共的 外殼內。若為中壓級和低壓級采用分離的外殼，則低壓級有利地設計為雙 流道的低壓汽輪機段的形式。無論按第一方案，其中中壓級與低壓級構成一個單元，還是按第二方 案，其中中壓級通過公共的軸段與低壓級連接，就在蒸汽方面設在各壓力 級之間的溢流管道和供應管道的布局而言特別有利的是，中壓級沿軸向設 在高壓級與低壓級之間。按此設計方案的一種有利的擴展設計，其中，中壓級沿軸向設在高壓 級與中壓級之間，因此不僅在與高壓級對應的軸段和與中壓級對應的軸段 之間，而且在中壓級的軸段與低壓級的軸段之間，分別設一個聯軸器。以 此方式可以逐步地首先將裝在軸系端側上的低壓級和接著再將中壓級與驅 動發電機的軸脫開。因此可以根據期望的壓力和溫度水平，或直接在高壓 級的流出處或在中壓級的流出處，實施特別符合實際需要的抽汽，在這種 情況下，各個不再需要的壓力級可以暫時停止運轉并與此同時完全不需要 冷卻用蒸汽。按燃氣和蒸汽輪機裝置的一種特別優選的可以與所有至此已說明的構 型兼容的設計，在高壓級的軸段與發電機之間或(取決于布局的順序)在 高壓級的軸段與燃氣輪機之間加設一個聯軸器。因此在需要時整個蒸汽輪 機裝置可以與其余軸系脫開，從而使發電機僅還被燃氣輪機單獨驅動。連 接在燃氣輪機下游的廢氣鍋爐產生的蒸汽因而可以直接和事先未在汽輪機 的一個壓力級內膨脹地供給另一個用戶作為加熱用汽或工業用汽。有利地，所述每一個聯軸器是一種操縱聯軸器。尤其是它有利地可以 在燃氣和蒸汽輪機裝置運行期間操縱。因此，燃氣和蒸汽輪機裝置為了接合或脫開各個壓力級，無需首先減速運行和接著重新加速運行。由此可以 特別迅速和經濟地與變化的需求量相適應。有關運行方法的技術問題是這樣解決的，即，取決于對加熱用汽與工 業用汽的需求和/或對電能的需求，將蒸汽輪機的 一個或多個壓力級與發電 機脫開或與發電機接合。在這種情況下特別有利的是，針對凝結運行方式 設計的低壓級由于聯軸器可根據需求與驅動軸連接或與其分離。有利地為 此將聯軸器設計為操縱聯軸器。但此方法原則上也可以應用在一種在壓力 級之間沒有可操縱的聯軸器(例如螺栓聯軸節等)的燃氣和蒸汽輪機裝置如在只應在冬季月份期間才提供加熱用汽的熱電廠中便可能是這種情況。有利地，在低壓級與發電機脫開時，^是取從高壓級或從中壓級流出的 蒸汽輪機廢汽，以及廢汽不流過低壓級直接作為加熱用汽或工業用汽供給 技術設備。反之，在低壓級與發電機接合時，從高壓級或從中壓級流出的 蒸汽輪機廢汽有利地供給低壓級。取決于壓力級的設計，可以在每兩個在 蒸汽方面彼此相繼的壓力級之間設一個蒸汽的中間過熱裝置。采用本發明獲得的優點尤其在于，借助設在按單軸構型的GuD裝置的兩個汽輪機壓力級之間的聯軸器，汽輪機不僅可以按凝結運行方式也可以 按背壓運行方式運行，在這種情況下避免了迄今常見的多軸結構的缺點。 在通過閉合聯軸器按凝結運行方式時，全部蒸汽質量流量通過低壓汽輪機 段，以及此時產生最大電功率。若部分汽輪機，亦即或僅僅低壓汽輪機段 脫開和停止運轉或低壓級與中壓級共同脫開和停止運轉，則對于脫開的部 分不需要供應冷卻用蒸汽。在最后的壓力級投入使用后，全部蒸汽可以從GuD過程提取并用作加熱用汽或工業用汽。因此，燃氣和蒸汽輪機裝置無 需加工改建便可以在旨在最大發電量的運行方式與旨在抽取最大蒸汽量的 運行方式之間迅速轉換。
下面借助附圖對本發明不同的實施例予以詳細說明。其中 圖1至6分別示意性表示出按照本發明的燃氣和蒸汽輪機裝置的第' 種至第六種方案的方框圖。在所有圖中相同的部分采用相同的附圖標記。
具體實施方式
圖1所示的燃氣和蒸汽輪機裝置2是GuD電廠的一個組成部分。為了 特別有效地利用礦物質原發能量，采用按熱力偶合的GuD裝置。為此目的 燃氣和蒸汽輪機裝置2有一臺發電機4、一臺燃氣輪機6和一臺蒸汽輪機8。 蒸汽輪機8在這里包括高壓級8a、中壓級8b和低壓級8c。它們各自在運行 期間存在的壓力狀態在圖1中還用字母HD、 MD或ND標注。在燃氣輪機 6內燃燒一種礦物燃料時形成的熱廢氣用于加熱在圖中沒有表示的廢汽鍋 爐，在廢汽鍋爐內通過水的汽化產生用于運行汽輪機8的蒸汽。燃氣輪機6、 蒸汽輪機8和發電機4按所謂的單軸式布設結構前后相繼地連接在一根沿 公共軸線定向的軸10上，在本例中，發電機4沿軸向布置在燃氣輪機6與 蒸汽輪機8之間。由燃氣輪機6和蒸汽輪機8在軸10上輸出的扭矩用于驅 動發電機4。在發電才幾4內產生的電流饋入到一個圖中沒有詳細表示的電網 中。蒸汽輪機8的高壓級8a在運行情況下通過新蒸汽管道12供入新蒸汽， 新蒸汽由圖中未表示的在煙氣方面連接在燃氣輪機6下游的廢汽鍋爐提供。 新蒸汽在進入高壓級8a后流過高壓膨脹段，在那里它膨脹做功并借助沖量 傳輸給透平葉片，驅動作為與高壓級8a對應的部分軸段的轉子。從高壓級 8a排出后已部分膨脹的蒸汽通過溢流管道14供給一個在這里僅示意性表示 出的中間過熱器16,在那里在大體恒定的壓力下它的溫度升高。接著，蒸 汽供給中壓級8b,在本例中它與高壓級8a—起裝在一個公共的軸段上并與 該高壓級8a —起構成一個安裝在公共外殼內沿反方向流過膨脹段的組合式 HD/MD汽輪機段。在這里HD段8a面朝發電機4以及MD段8b面朝低壓 級8c。從中壓級8b流出后，已經膨脹到低的壓力及溫度水平的蒸汽，可以 經過另一根溢流管1S供給低壓級8c。溢流管道18在這里具有一個用于抽取加熱用汽或工業用汽的支線20， 兩個以此方式造成的質量分流之比可以通過兩個設在各自管道支線中的閥 22、 24調節。在支線20內可根據需求抽取的加熱用汽或工業用汽通過蒸汽 管道26供給圖中未表示的工業設備或工業企業。因此當不需要加熱用汽或 工業用汽時關閉閥24,使離開中壓級8b的全部蒸汽質量流在閥22打開時 供給低壓級8c。低壓級8c出口側在下游連接一個圖中未表示的凝汽器，排出的蒸汽在那里壓力接近零bar的情況下幾乎完全膨脹，并同時凝結為液態 水，液態水接著重新供入到蒸汽輪機裝置的水-汽循環中。在蒸汽輪機8處 于凝結運行方式時，低壓級8c在軸IO上施加一個附加的扭矩，從而優化整 個GuD過程以用于產生高的電功率。但燃氣和蒸汽輪機裝置2也可以在另 一種情況下，亦即從中壓級8b流 出后為用作加熱用汽或工業用汽應抽取盡可能大的蒸汽質量流量的情況 下，提供特別高的效率。為此目的，與低壓級8c對應的軸段借助操縱聯軸 器28與與組合式HD/MD汽輪機8a、 8b對應的軸段脫開并因而也與發電機 4脫開并停止運轉。因為在低壓級8c停止運轉時不再必須有蒸汽的質量分 流作為冷卻用蒸汽流過低壓級8c,所以在這種情況下閥22可以并應當完全 關閉。由此，從中壓級8b流出的全部蒸汽質量流量提供用于加熱的目的或 其他用途。此外，完全排除了如在與其余軸系剛性連接并強制性隨同"空 轉，，的低壓級8c中產生的摩擦損失。在圖2所示的方案中，高壓級8a和中壓級8b安裝在單獨分開的外殼 中，在這種情況下這兩個壓力級之間設有附加的操縱聯軸器30。除了僅僅 低壓級8c外，在這里還可以附加地使中壓級8b與其余作用在發電才幾4上的 傳動線路脫開并停止運轉，這取決于是否要求工業用汽的抽取處處于中等 或低的壓力水平。在圖中沒有詳細表示壓力級8a、 8b、 8c在蒸汽方面的管 道布設，它基本上與圖l所示的構型一致，但在高壓級8a與中壓級8b之間 還有另 一些工業用汽提取處或抽出處以及相應的控制質量分流的閥。在圖3所示的方案中，中壓級8b和低壓級8c裝在公共的軸^1上，因 此只能共同與高壓級8a脫開并停止運轉。這種方案尤其在外部對低壓蒸汽 沒有需求時是有利的。因此可以取消中壓級8b與低壓級8c之間的由圖1 已知的聯軸器28。最后，在圖4至6中分別表示的構型相應于由圖1至3已知的構型， 存在的差別是在高壓級8a與發電機4之間還各設有另 一個操縱聯軸器32 。 因此在需要時整個蒸汽輪機8可以與發電機4脫開，從而使發電機4僅僅 還由燃氣輪機6驅動。
權利要求
1.一種燃氣和蒸汽輪機裝置(2)，其中，在一根包括一些軸段的軸(10)上安裝發電機(4)、燃氣輪機(6)和蒸汽輪機(8)；蒸汽輪機(8)包括分別與各軸段對應配設的高壓級(8a)和低壓級(8b)；與低壓級(8c)對應的軸段裝在所述軸(10)端側；以及在所述高壓級(8a)的軸段與低壓級(8c)的軸段之間設至少一個聯軸器(28、30)。
2. 按照權利要求1所述的燃氣和蒸汽輪機裝置(2)，其中，所述發電 機(4)沿軸向裝在燃氣輪機(6)與蒸汽輪機(8)之間。
3. 按照權利要求1或2所述的燃氣和蒸汽輪機裝置(2)，其中，所述 高壓級(8a)通過公共的軸段與中壓級(8b)連接。
4. 按照權利要求3所述的燃氣和蒸汽輪機裝置(2)，其中，所述高壓 級(8a)和中壓級(8b)安裝在一個公共的外殼內。
5. 按照權利要求1或2所述的燃氣和蒸汽輪機裝置(2),其中，所述 低壓級(8c)通過公共的軸段與中壓級(8b)連接。
6. 按照權利要求5所述的燃氣和蒸汽輪機裝置(2),其中，所述低壓 級(8c)和中壓級(8b)安裝在一個公共的外殼內。
7. 按照權利要求1或2所述的燃氣和蒸汽輪機裝置(2)，其中，在所 述高壓級(8a)與低壓級(8c)之間設中壓級(8b)，該中壓級(8b )包括 一個可分別通過一個聯軸器(28、 30)與兩個相鄰的軸段連接的軸段。
8. 按照權利要求1至7之一所述的燃氣和蒸汽輪機裝置(2),其中， 在所述高壓級(8a)的軸段與所述發電機(4)之間或在該高壓級(8a)的 軸段與所述燃氣輪機(6)之間設一個聯軸器(32)。
9. 按照權利要求1至8之一所述的燃氣和蒸汽輪機裝置(2),其中， 所述每一個聯軸器(28、 30、 32)是一種操縱聯軸器。
10. 按照權利要求9所述的燃氣和蒸汽輪機裝置(2)，其中，在運行 期間所述每一個聯軸器(28、 30、 32)都是可操縱的。
11. 一種用于按力-熱耦合運行按照權利要求1至10中任一項所述的燃 氣和蒸汽輪機裝置(2)的方法，其中，取決于對加熱用汽與工業用汽的需 求和/或對電能的需求，將蒸汽輪機(8)的一個或多個壓力級(8a, 8b, 8c) 與發電機(4)脫開或與發電機(4)接合。
12. 按照權利要求11所述的方法，其中，接合或脫開低壓級(8c)。
13. 按照權利要求11或12所述的方法，其中，在低壓級(8c)與發電 機(4)脫開時，提取從高壓級(8a)或從中壓級(8b)流出的蒸汽輪機(8) 廢汽，以及所述廢汽在不流過低壓級(8c)的情況下作為加熱用汽或工業 用汽供給技術設備。
14. 按照權利要求11或12所述的方法，其中，在低壓級(8c)與發電 機(4)接合時，從高壓級(8a)或從中壓級(8b)流出的蒸汽輪機(8) 廢汽在中間過熱后供給低壓級(8c)。
全文摘要
本發明涉及一種包括發電機(4)、燃氣輪機(6)和蒸汽輪機(8)的燃氣和蒸汽輪機裝置(2)，它應在保持簡單的結構方式和有高的總效率的同時，設計用于以不同蒸汽提取程度進行的運行方式。為此按照本發明，在一根包括一些軸段的軸(10)上安裝發電機(4)、燃氣輪機(6)和蒸汽輪機(8)；蒸汽輪機(8)包括分別與各軸段對應配設的高壓級(8a)和低壓級(8b)；與低壓級(8c)對應的軸段裝在所述軸(10)端側；以及在所述高壓級(8a)的軸段與低壓級(8c)的軸段之間設至少一個聯軸器(28、30)。
文檔編號F02C6/18GK101218426SQ200680025235
公開日2008年7月9日 申請日期2006年7月4日 優先權日2005年7月15日
發明者赫伯特·舒茨, 霍爾格-馬克斯·恩伯格, 馬丁·溫伯格 申請人:西門子公司