專利名稱：在動力設備中產生附加能量的方法和設備的制作方法
技術領域：
和先有技術本發明涉及一種在具有床的燃燒室的動力設備中產生附加能量的方法和設備，其中在該床上方形成熱煙氣的同時向該床供給空氣和燃料以進行燃料燃燒，并且燃氣輪機是由這些產生能量的煙氣來驅動的。
本發明包括在各種具有這些特征的動力設備中生成附加能量的方法，實際上熱能幾乎總是通過換熱器從該床上引出的，例如，通過與一組埋在該床中的管件進行熱交換以便產生蒸汽并且該組管件作為一種很好的熱導體，但是本發明并不是以任何方式對自身限制。該床可以具有不同的特征，但為了解釋而不是以任何方式限制本發明的限制，下文將描述在具有流化床的動力設備中產生附加能量的情況以及埋在流化床中用于產生蒸汽輪機所需的蒸汽的一組管件。
除了通過設備的常規運行產生的能量，有時還能夠在這種動力設備中產生附加的能量，這是很大的優越性。例如，當需要產生附加能量時，希望能夠在已有的這種動力設備中將設備所輸出的能量增加至最大值。而且，利用這種產生附加能量的方法是可行的，如果存在著從部分負荷運行開始而迅速增加負荷的需求時可使動力設備更快地增加負荷。然而，將這種產生附加能量的方法引入這種動力設備會存在著困難，因為這會帶來各種不同的問題，像堵塞、局部溫度太高等問題。此外，一些動力設備通常限制其產生的能量高于設備在滿負荷運轉時所產生的能量。例如所討論的這種情況下，蒸汽輪機側可以受動力設備產生多少能量的限制。
發明概要本發明的目的是提供一種前言中所限定的那種類型的方法和設備，它們能夠在這種動力設備中產生附加的能量，以便滿足上述需求。
本發明的這個目的是由獨立權利要求所限定的方法和設備來實現的，其中，這種設備包括用來向位于所述床和燃氣輪機之間的所述煙氣通道中供給附加燃料以便利用煙氣中可用的剩余氧來在此進行燃料燃燒的裝置，以及用來隨同向煙氣通道中供給附加燃料一起向煙氣中提供冷卻介質以便將煙氣溫度調整到一理想的水平的組件。
這樣，所指的附加能量可以通過利用由流化床產生的存在于熱煙氣通道中的使供入所述煙氣通道中的附加燃料燃燒的剩余氧，以及通過使附加燃料與其中存在氧的熱煙氣接觸進行燃燒而產生。通過提供所述的冷卻介質，煙氣的溫度可以同時維持在一個滿意的水平，這主要是為滿足燃氣輪機的要求。這種以此種方法產生的附加能量將導致燃氣輪機產生的能量增加，這就意味著在動力設備中將不需在正常的滿負荷運轉時達到該設備的最大生產能力，可以由燃氣輪機來輸出增加的能量，并且由此增加了該設備的最大總能量。作為一個實例可提及的是如上面所討論的一個具有流化床的動力設備的例子中，離開所述流化床的煙氣中的氧含量將至少處在一定值上，因為必須具有這樣高的氧含量以避免在流化床局部，例如靠近于流化床輸入燃料處，造成有不利影響的缺氧現象，它會導致功率的下降和SOx的增加等。另一方面還將足以使煙氣通道中具有較低的氧含量，以避免如腐蝕等各種問題，這意味著大量氧可以用于煙氣通道中的燃燒。
所需的從一個部分負荷到另一個部分負荷或從一個部分負荷到滿負荷的負荷增加也可以通過本發明的設備來加速。如果流向裝備有本發明設備的動力設備的燃氣輪機的體積保持恒定(經常出現這種情況)，即通過所述煙氣通道中附加燃料的燃燒所產生的氣體(通常為水蒸汽)將占煙氣流的一部分，這意味著到達壓力容器的純凈空氣流將增加，因此到達流化床的空氣流將稍有減少，同時進入壓力容器的流量將不會由于沒有附加燃料的燃燒而發生變化。由于PFBC-動力設備中的負荷升高主要受圍繞著燃燒室的壓力容器中的壓力可以升高得多快的限制，因而當本發明應用于這種類型的動力設備時可較快地增加負荷。如果可能增加流向燃氣輪機的體積，則作為一種替代方法只能夠如非本發明那樣快地給壓力容器加壓，但借助本發明，由于體積流量的增加還能夠直接傳輸較高的能量。直到目前為止，快速增加負荷通常一直是靠減少輸出能量來實現的，這是由于燃氣輪機壓縮機將直接需要更多的能量，以便能夠壓縮進入壓力容器的增加的空氣流，但是，由于有了本發明，這不再是必須的了。
根據本發明的優選實施例，所述裝置和部件用于分別向用于附加燃料在此燃燒的流化床上方自由空間中的燃燒室中供給所述的附加燃料和冷卻介質。本發明利用燃料床上所謂凈空(free board)的自由空間作為一個燃燒空間是特別有利的，由于有一個相當大的體積，因此，由于向此處供給燃料和冷卻介質較容易，所以可以同時向其中和相同的地方供給相當大量的附加燃料。此外，沒有由于任何局部溫度升高而產生損壞任何較敏感的設備的危險。
根據本發明的另一個優選實施例，所述提供附加燃料和冷卻介質的裝置和部件以一種混合物的方式一起供給這兩種物料，這樣進一步簡化了本發明設備的設計。可以將油和水的混合物噴入所述的流動氣體通道中。
根據本發明的又一個優選實施例，其設備包括一個用來控制各煙氣通道中供給附加燃料和冷卻介質的流量和這兩個流量之比的裝置，根據不同的需要和所存在的條件，該裝置能夠通過設備得到所產生的附加能量。根據本發明的優選實施例，其設備還包括一個用來測量位于供給附加燃料和冷卻介質位置下游的所述煙氣通道內的煙氣溫度的部件，并且控制裝置用于根據從這個部件傳來的溫度信息來執行所述的控制。用這種方法將能夠確保煙氣準確地達所希望的溫度，其中得到的煙氣的溫度不能太高，因為它會導致煙氣通道的損壞，同時該溫度又不能太低，因為這將會降低燃氣輪機的效率。
這里應指出本發明在動力設備中是非常有利的，其中，離開流化床的煙氣已具有接近通向燃氣輪機的煙氣通道所能承受的溫度，這是由于在這種情況下，對產生任何附加能量的可能性具有完全決定性的價值，并且在進行燃燒后還需直接進行冷卻以便將煙氣的溫度基本維持在這個水平上。然而，本發明當然也適用于允許煙氣溫度有一些上升的動力設備中并且本發明在這種設備中是非常有利的，例如，在這種情況下高溫過濾器設置在煙氣通道上游相對較遠的地方。
根據本發明的又一個優選實施例本發明設備包括一個用于測量在所述煙氣通道中提供附加燃料和冷卻介質位置上游處的煙氣氧含量的部件，并且設置控制裝置用于根據從上述組件接收的煙氣氧含量數值來執行所述的控制。由此能夠以最佳的方法利用來自流化床的煙氣中的氧，因為這樣可以確保附加燃料燃燒后的氧含量是過量的，但是要盡可能使其接近所設定的下限以避免煙氣通道中的腐蝕。
根據本發明所限定的那種方法，將附加燃料供入位于流化床和燃氣輪機之間的所述煙氣通道，以利用煙氣中可用的剩余氧來在此燃燒附加燃料，并且將冷卻介質隨同向煙氣通道中供入的附加燃燒一起供入煙氣中，以此將煙氣的溫度調節到所希望的水平。這種方法的優點與前述設備獨立權利要求所述的相同。
本發明其它優點及有利的特征從下面的描述和其它從屬權利要求中可體現出來。
附圖的簡要說明下面將參照附圖描述本發明作為實例提供的優選實施例。
圖1簡要圖示了具有復合的氣體-蒸汽循環(后者未視出)的PFBC-動力設備，本發明的設備可以應用于此動力設備中。
圖2是圖1中動力設備內部裝有燃燒室的壓力容器局部簡要剖面圖，它圖示了本發明的方法和設備的一個優選實施例。
本發明優選實例的詳細說明如上所述的本發明并未以任何方式只限于應用在PFBC-動力設備中，即應用于加壓流化床顆粒狀燃料燃燒的一種動力設備中，但是當應用于這種動力設備中時，本發明的設備具有很大的優越性，這就是所述將其用于這種動力設備的原因，并且下面將根據附圖1解釋這種動力設備的一個實施例的總體結構和功能。
該設備包括一個燃燒室1，該燃燒室要放在一個壓力容器2中，并且燃燒室的體積大約為104m3，其壓力可加壓到如約16巴。將用于為燃燒室1加壓并使燃燒室內的床4流化的壓縮空氣3提供給壓力容器。該壓縮空氣是通過在燃燒室底部示意出的用于流化封閉在燃燒室中的床的流化噴嘴5提供給燃燒室的。所述的流化床是由流化床材料、粒狀吸收劑和在導入該床內的流化空氣中燃燒的顆粒狀燃料(最好是碎碳)形成的。從該床中產生的燃燒氣體(下面稱為煙氣)，被導入用一個方框圖示的一個凈化裝置7中，例如，該凈化裝置可以由一系列用于從煙氣中分離出顆粒物的旋風除塵器構成。該煙氣然后繼續前進進入包括一個高壓過程10和一個低壓過程11的燃氣輪機9。高壓燃氣輪機10是與高壓壓縮機12和發電機13同軸設置的，這樣發電機由高壓氣輪機驅動，從中吸收有用能。高壓壓縮機12通過管道14將壓縮空氣送給燃燒室1。
在高壓氣輪機10中膨脹的氣體被導入低壓氣輪機11。離開低壓氣輪機的廢氣的仍然具有能量，因此可以設置一個省能器16。低壓壓縮機17也可以與低壓氣輪機同軸設置，并且經過一個過濾器18向低壓壓縮機提供常壓空氣。此外，低壓壓縮機是由低壓氣輪機驅動的，并且在第一過程中從該低壓壓縮機的出口將壓縮的空氣提供給高壓壓縮機。一個中間冷卻器19設置在低壓壓縮機和高壓壓縮機之間，以便降低供給高壓壓縮機12入口的空氣溫度。
該動力設備有一個蒸汽輪機側，這里未示出，但是它通過一組浸沒在流化床4中的管20表示出，在這里水通過管子和用于吸收床內燃燒所產生的熱的流化床材料之間的熱交換進行循環、蒸發和過熱。
根據上述描述這種形式的動力設備運行的主要原理可從上述描述中清楚地看出。
動力輸出，即這種類型的動力設備的負荷可以通過調節流化床水平以及供給流化床的燃料和空氣的流量來控制。然而，在一定的情況下，希望的力設備負荷的變化快于控制參數所能實現的變化，也希望從動力設備中產生比設法通過調節操作而產生的能量更多的能量。本發明示出了如何解決這個問題的方法，其中當要滿足后一種希望時，需要動力設備的燃氣輪機在該設備標準的滿負荷狀態下不以其極限功率運轉。
現在將參照主要的附圖2來解釋本發明優選實施例的設備，圖中簡要地示出了設備中設置的壓力容器2和燃燒室1。當供給流化床4的燃料燃燒時，在流化床的上面形成800～850℃的熱煙氣，該氣體的溫度與經氣體通道到達氣輪機9的氣體溫度一致，并且該設備的氣體通道上沒有高溫過濾器。為了避免供給流化床上的燃料燃燒進行得較快的流化床不同部分內缺少空氣，因此必須通過流化噴嘴5向流化床提供較多的空氣，這樣，所述燃料氣體中的平均氧含量才會具有一定的值。另一方面，為避免到達燃氣輪機的煙氣路徑中的腐蝕和其他問題，使煙氣中的氧含量為一個較小的值則是必要的。這是所述煙氣路徑中燃燒所能提供的氧量。本發明的設備中有一個簡要示出的裝置21，該裝置將附加燃料噴入流化床4上的自由空間22，即所謂的凈空，這種附加燃料可以由天然氣、油、碳或類似物質組成的。該設備還包括一個用來將冷卻介質，最好是水，以液態或蒸汽的形式噴入自由空間22來冷卻煙氣的部件23，因此，可以將煙氣的溫度特別是對煙氣路徑和燃氣輪機內的煙氣溫度調節到一理想的水平。最有利的是以液滴的形式提供水，這樣也可以利用水的汽化熱進行有效的冷卻。應注意在各種給定的情況下，可以以被認為是最有利的方式提供附加燃料和冷卻介質，并且圖2所示的方式只是為了解釋本發明。由此，附加燃料和冷卻介質可以以利有利的混合方式供給，例如以油滴和水滴混合的方式。
該設備還包括簡要示出的部件24和25，它們用來在供給附加燃料和冷卻介質位置下游的煙氣中測量其溫度和O2含量，并將這形數信息傳送給簡要圖示出的控制裝置，該控制裝置用于根據所測出的參數值來控制向自由空間22中提供的附加燃料和冷卻介質的流量以及這兩個量之間的比例。供給流量為單位時間的供給量。最好也能夠提供控制裝置的手動操作功能或直接提供所述裝置21和部件23的手動操作功能。并且還能夠使控制裝置根據任何給出的控制程序工作，例如，一旦需要增加負荷時就馬上供給附加燃料和冷卻介質。
本發明設備的功能如下，如果燃氣輪機不受動力設備的限制，當動力設備在滿負荷下工作且希望能夠從動力設備上開發附加能量時，可以控制所述裝置21和部件23向自由空間22提供附加燃料和冷卻介質，以便利用煙氣中存在的剩余氧冷卻所謂的“凈空燃燒”。流到燃氣輪機的質量流量是以在恒定的體積流下增加其壓力的方式提高的，這樣燃氣輪機傳送較高的能量。此外，還能夠用這種方式以10％的數量級增加可以從動力設備中開發的最大總能量。當該動力設備在一個比較低的負荷下工作時，流化床4只覆蓋部分管件20，這意味著離開流化床的氣體具有的溫度比所希望的要低，可能是600-650℃，并且，在這種情況下，即使不是應用本發明所基于的原理，本發明的設備可以只通過噴入附加燃料而不進行任何冷卻來提高燃料氣體的溫度，以便該設備在部分負荷下獲得一個高效率。當希望負荷迅速上升時，所述裝置21和部件23可以向自由空間22中供給附加燃料和冷卻介質，以便于通過如介紹中所述的那樣獲得負荷的加速上升來立即利用空間中存在的附加燃燒所需的氧，介紹中所述的或者是使流向燃氣輪機的物質保持恒定，它能夠通過負荷的增加較快地給壓力容器加壓，或者是增加流向燃氣輪機的質量流量，但是給壓力容器加壓只允許進行得如沒有任何附加燃燒那樣快，這就意味著能夠直接具有較高的能量，因此，不必通過降低由燃氣輪機壓縮機直接所需的附加能量，以便能夠通過將增加的空氣流壓入壓力容器的方法來使負荷提高。
這樣，本發明以一種非常先進的方式來滿足有時在這種動力設備中產生附加能量的需求。這種能量的產生是通過非常簡單的裝置實現的，并且成本低，因此，已存在于煙氣路徑中的氧被用于燃燒。這樣，不需另外的空氣加壓，否則會消耗能量并降低附加燃燒的效率。由于不需要任何昂貴的壓縮機或類似裝置，所以本發明的設備較便宜。此外，對燃氣輪機和蒸汽輪機之間的平衡不敏感，但是鍋爐制造得點過大一點會是較有利的。
應該指出從流化床導出的用于附加燃料的輔助燃燒的煙氣中的剩余氧的存在自然不排除以另外的方式再供給空氣或氧氣，本發明將包括這種附加燃料消耗氧的燃燒。
當然，不應以任何方式將本發明限定于上述的優選實施例，然而在不脫離本發明的基本思想的情況下，本發明的許多可能的改進對本領域的普通技術人員來說是顯示易見的。
權利要求
1.一種在具有床(4)的燃燒室(1)的動力設備中產生附加能量的方法，其中向流化床上供給空氣和燃料以進行燃料的燃燒，同時在該床上方形成熱煙氣，并且燃氣輪機(9)由該煙氣驅動以便產生能量；其特征在于將附加燃料供入位于所述床和燃氣輪機之間的所述煙氣的通道，以便于利用煙氣中可用的剩余氧來燃燒其中的附加燃料，并且隨著向煙氣通道中供入附加燃料一起向煙氣中供給冷卻介質，以便將煙氣的溫度調節到理想的水平。
2.根據權利要求1所述的一種方法，其特征在于將附加燃料和冷卻介質供給燃燒室(1)中床(4)上方自由空間(22)中的所述煙氣通道。
3.根據權利要求1或2所述的一種方法，其特征在于該方法用于動力設備，其中在動力設備在沒有加入所述附加燃料的情況下以滿負荷運行時，所述燃氣輪機(9)不會達到其生產能力極限，而動力設備以滿負荷運轉時向所述煙氣通道中供入附加燃料和冷卻介質，以便增加由燃氣輪機輸出的能量并由此增加動力設備輸出的最大總能量。
4.根據權利要求1-3中所述的任意一種方法，其特征在于當動力設備的部分負荷運行時向所述煙氣通道中供給附加燃料和冷卻介質使負荷增加來加速動力設備負荷的提高。
5.根據權利要求1-4中所述的任意一種方法，其特征在于在提供附加燃料和冷卻介質位置的下游測量煙氣的溫度，并根據所測的溫度值來控制供入煙氣通道中的附加燃料和冷卻介質流量以及它們的比例。
6.根據權利要求1-5中所述的任意一種方法，其特征在于測量提供附加燃料和冷卻介質位置的下游處煙氣中的含氧量，并根據所測的氧含量來控制供入煙氣通道中的附加燃料和冷卻介質的流量以及它們的比例。
7.一種在具有床(4)的燃燒室(1)的動力設備中產生附加能量的設備，其中向該床供入空氣和燃料來進行燃料燃燒，同時在該床上方產生熱煙氣，并且由這些煙氣來驅動燃氣輪機(9)來產生能量，其特征在于該設備包括向位于所述床和燃氣輪機之間的所述煙氣的通道(22)中提供附加燃料，以便利用煙氣中可用的剩余氧在此通道中燃燒附加燃料的裝置(21)，以及隨著所述的向煙氣通道中供入附加燃料一起向煙氣中提供冷卻介質以便將煙氣溫度調節到一理想水平的部件(23)。
8.根據權利要求7所述的設備，其特征在于所述裝置(21)和部件(23)用于向流化床(4)上方的自由空間(22)中的燃燒室分別提供附加燃料和冷卻介質，以便在此燃燒附加燃料。
9.根據權利要求7或8所述的設備，其特征在于該設備用于動力設備，其中當動力設備以滿負荷運行時，在沒有該設備的情況下所述燃氣輪機(9)不會達到它的最大生產能力，并且當動力設備以滿負荷運行時，所述裝置(21)和(23)用于向所述煙氣通道中分別供給所述附加燃料和冷卻介質，以便增加燃氣輪機輸出的能量并由此增加動力設備輸出的最大總能量。
10.根據權利要求7-9所述的任意一種設備，其特征在于當所述動力設備以部分負荷運行時，所述裝置(21)和部件(23)用于向所述煙氣通道中分別提供所述附加燃料和冷卻介質，由此來增加負荷以加速動力設備負荷的提高。
11.根據權利要求7-10所述的任意一種設備，其特征在于該設備包括一個用于控制向煙氣通道中提供所述附加燃料和冷卻介質的流量以及它們的比例的裝置(26)。
12.根據權利要求11所述的設備，其特征在于該設備包括一個用于測量在向煙氣通道中供給所述附加燃料和冷卻介質的位置下游煙氣溫度的部件(24)，并且設置控制裝置(26)用于根據組件所測的溫度信息來執行所述的控制。
13.根據權利要求11或12所述的設備，其特征在于該設備包括一個用于測量在向所述煙氣通道中提供所述附加燃料和冷卻介質的位置下游的煙氣中的氧含量的部件(25)，并且設置控制裝置(26)用于根據從組件接收的煙氣中含氧量的值來執行所述的控制。
14.根據權利要求7-13所述的任意一種設備，其特征在于設置所述提供附加燃料和冷卻介質的裝置(21)和部件(23)用于以混合物的形式一起供給這兩種物料。
15.根據權利要求7-14所述的任意一種設備，其特征在于設置所述部件(23)用于提供作為冷卻介質的水。
16.根據權利要求7-15所述的任意一種設備，其特征在于該設備設置在具有床(4)的動力設備中，床(4)是由其底部供給的空氣所流化的，在此床中埋有一組具有循環介質以便吸收能量的管件(20)。
17.根據權利要求7-16所述的任意一種設備，其特征在于該設備設置在其燃燒室(1)設置在一個壓力容器(2)中的動力設備中，壓力容器中的空氣是通過由燃氣輪機(9)驅動的一個或幾個壓力容器(12，17)來加壓的。
全文摘要
一種在具有床(4)的燃燒室(1)的動力設備中產生附加能量的設備，在該動力設備中向該床提供空氣和燃料來進行燃料燃燒，同時在該床上方產生熱煙氣，并且由這些煙氣驅動燃氣輪機以產生能量；這種設備包括用于向位于所述床和燃氣輪機之間的所述煙氣的通道(22)中提供附加燃料以便利用煙氣中可用的剩余氧來燃燒這里的燃料的裝置(21)和隨著向煙氣通道中提供所述附加燃料一起向煙氣中提供冷卻介質以便將煙氣的溫度調節到一理想水平的部件(23)。
文檔編號F02C3/28GK1167518SQ96190720
公開日1997年12月10日 申請日期1996年6月19日 優先權日1995年6月20日
發明者C·J·沙特林 申請人:Abb·碳有限公司