專利名稱：用在固定的燃氣輪機設備中的適配器配件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用在固定的燃氣輪機設備中的適配器配件，該燃氣輪機設備具有壓縮機、渦輪機、燃燒室和一個外部加壓的流化床燃燒爐。
在適用于發電廠的傳統燃氣輪機中，采用加壓流化床燃燒爐而不是燃燒室來產生熱煙氣。為此，采用具有兩個用法蘭連接的外部燃燒室的傳統燃氣輪機設備，其中，為了將燃氣輪機連接到加壓流化床燃燒系統必需拆除所述兩個燃燒室，并用一個該流化床燃燒系統的連接配件來替代。這種連接配件例如可以是一種同心的雙管裝置，在其中由流化床燃燒爐引起的煙氣在內管內導到燃氣輪機，由燃氣輪機設備的壓縮機產生的壓縮過程空氣在外環腔內導到流化床燃燒系統。
在這種流化床系統中，煙氣在渦輪機入口的溫度比較低，這一缺點由一種改進設計消除。在這種改進設計中，一部分加入的煤被氣化，這種低熱值的可燃氣體在進入渦輪機前進一步加熱流化床煙氣。
在具有加壓流化床燃燒爐的燃氣輪機的早已經過考驗的結構中，來自加壓流化床的熱煙氣與來自燃氣輪機的壓縮機輸出口的壓縮空氣相混合并用作燃燒空氣，使得低熱值可燃氣體被補充加熱達到高溫水平。在這些燒嘴上的空氣入口溫度約為760℃。
由于這種結構，出現了各種問題-在采用熱燃燒空氣燃燒時，會產生大量NOx。
-采用一個唯一的燃燒室來既燃燒天然氣又燃燒低熱值煤氣時出現困難，這種燃燒室以高空氣入口溫度運行。
-流化床煙氣可能攜帶灰粒，這些灰粒在補充加熱煤氣期間通過火焰時可能熔融。
-需要成本高的熱氣體配件。
-防止因流化床煙氣偶然引起燃氣輪機的加速是一個棘手問題。
在現有技術中已開發多種燒嘴，它們設計用于低熱值合成氣與燃燒用熱空氣的燃燒，同時排放出許可的NOx。然而仍未解決的問題是灰粒的熔融、采用成本高昂的熱氣體配件以及因采用同心管并且冷卻導入其內部的煙氣而引起的熱量損耗。
本發明的目的是提供一種具有權利要求1特征部分所述特征的適配器配件來解決這些問題。
據此，該適配器配件的特征是-一個殼體，它可安置在一個燃燒室連接法蘭和一個組合式連接法蘭之間，用于由壓縮機產生的過程空氣和通往渦輪機的煙氣，-一個在殼體上的第一管線連接件，用于在組合式連接法蘭上安置一個用于由壓縮機產生的過程空氣的進氣口和一個用于煙氣的排氣口，-一個在殼體上的第二管線連接件，用于將燃燒室連接法蘭與一個用于由燃燒室產生的煙氣的進氣口和一個用于由壓縮機產生的過程空氣的排氣口相連接，-一個第三管線連接件，它具有一個用于由流化床燃燒爐產生的煙氣的進氣口，和-一個第四管線連接件，它具有一個將壓縮過程空氣輸送到流化床燃燒爐和/或一臺煤氣化設備的排氣口，其中，-用于壓縮過程空氣的排氣口與壓縮過程空氣的進氣口相連接，并可交替地通過開閉機構打開和關閉，和-其中，在用于煙氣的燒嘴側進氣口和至渦輪機的煙氣排氣口之間設置一個流動通道，該通道通過至少一個可打開和關閉的開閉機構與一個進氣口相連接，用于將加壓流化床燃燒爐產生的煙氣與燃燒室煙氣混合。
由于本發明適配器配件的這種構造，就可利用傳統的帶外部燃燒室的燃氣輪機。在此，適配器配件安置在燃氣輪機本體和各燃燒室之間。通過將流化床燃燒爐產生的煙氣的進氣口與所述流動通道(它設在燒嘴側的用于燒嘴煙氣的進氣口和煙氣至渦輪機的排氣口之間)相連接，來自流化床燃燒爐的熱煙氣可在燃燒室下游混合。這樣來自流化床燃燒爐的煙氣不會直接通過燃燒室內的火焰，從而可在很大程度上防止可能附帶在流化床煙氣中的灰粒發生熔融。
壓縮過程空氣通過進氣側通道直接導入燃燒室，因此相應于約為400℃至420℃的壓縮機出口溫度，燃燒空氣的入口溫度較低。這就極大地減少了在采用傳統燒嘴時NOx的排放。
此外，通過本發明對適配器配件的設計，壓縮過程空氣可同時導入流化床燃燒爐和/或一個煤氣化設備，由此無需為向這些部件提供過程空氣而設置獨立的設備部件。
從屬權利要求給出了本發明適配器配件的有利改進設計，為避免重復，僅在對實施例的描述中進行說明。
此外，本發明的其它特征、細節和優點可由下述描述給出。在這些描述中，借助附圖對本發明適配器配件的實施例作了詳細說明，附圖中
圖1示出安裝在燃氣輪機和燃燒器之間位置的適配器配件的示意剖視圖；圖2示出沿圖1中II-II剖切線的剖視圖。
圖1中僅示出燃氣輪機設備本體1的一小部分斷面，它顯示出一個組合式連接法蘭2。該法蘭具有一個環形開口3，用于由壓縮機4輸出的壓縮過程空氣，以及一個與法蘭同心的襯管5，用于流到渦輪機6的熱煙氣。
適配器配件7安裝在組合式連接法蘭2和燃燒室9的連接法蘭8之間。燃燒室9的連接法蘭8具有一個外置的環形管道10，它有朝連接法蘭8開口的開口，該開口通到燃燒室9的頂部11。過程空氣通過環形管道10通到在燃燒室9頂部11的燒嘴12，在這兒過程空氣用于燃燒天然氣或合成氣。燃燒過程由火焰14表示。在這里，常規燃燒室9的內腔13由一個同心安裝在燒嘴殼體15內的罐襯16形成。朝著連接法蘭8，該罐襯16形成一個開口17，用于由燃燒室9產生的熱煙氣。
如圖1和2所示，適配器配件7的殼體18被構造成罐形，它具有一個圓筒外套形的外壁19、一個底部20、一個頂蓋21和一個同心安裝的環襯22。在這里，該殼體18基本上具有第一管線連接件23，由它將適配器配件與組合式連接法蘭2連接。該殼體18由第二管線連接件24連接到燃燒室9的連接法蘭8。在圖1中，第三管線連接件25由僅僅用線表示的至加壓流化床燃燒爐28的煙氣管道27表示，第四管線連接件26由僅僅用線表示的至流化床燃燒爐28以及煤氣化設備30的過程空氣輸入管道29表示，流化床燃燒爐28和煤氣化設備30按流程方框圖的形式在圖1中同樣僅用一方塊表示。第三和第四管線連接件25和26位于適配器配件7的徑向兩側，分別由安裝上去的矩形管構成，如由圖1和2的總貌所表示的那樣。
下面說明適配器配件的進氣口、排氣口和通氣口，它們在圖1和2中分別由箭頭表示。因此，為第一管線連接件23設置一個進氣口31，用于由壓縮機4壓縮的過程空氣。第二管線連接件24具有一個進氣口32，用于由燃燒室內腔13流出的煙氣，以及一個排氣口33，用于由壓縮機產生的過程空氣。此外，在第三管線連接件25上還設置一個進氣口34，用于由流化床燃燒爐28引起的煙氣，以及在第四管線連接件26上配設一個排氣口35，以將壓縮過程空氣導入流化床燃燒爐28和煤氣化設備30。
更詳細地說，兩個排氣口33、35與進氣口31相連通，一起用于壓縮過程空氣；這兩個排氣口可由開閉結構36交替地打開和關閉。此外，通過環襯22而設置了一個流動通道37，它同心地處于殼體18內的用于煙氣的燒嘴側進氣口32和在至渦輪機的第一管線連接件23上的煙氣排氣口38之間。該流動通道37有一個通氣口39通向第三管線連接件25上的進氣口34，因此由流化床燃燒爐28引起的煙氣可與燃燒室煙氣混合。通氣口39和在第三管線連接件25上的進氣口34通過一個還需詳細說明的開閉結構40打開和關閉。
如圖1和2所示，外壁19和環襯22之間有一個環形腔，一方面在其中構造一個進氣腔42，它處于進氣口34和通氣口39之間，用于由流化床燃燒爐28引起的煙氣。另一方面，在該環形腔內還設有一個排氣腔43，它連接用于壓縮過程空氣的兩個排氣口33和35與進氣口31。進氣腔42和排氣腔43由環形腔內徑向走向的隔壁44、45相互分開，其中，進氣腔42的圓周角UE比排氣腔43的圓周角UA約大40°，因為流化床煙氣的體積流和質量流都比燃燒用空氣的大。
下面詳細說明各進氣口和排氣口的結構和布置。用于由壓縮機4送入的過程空氣的進氣口31由在殼體18的底部20內呈圓弧設置的一列孔46構成。在這里，該孔列沿環襯22的壁分布在排氣腔43的的圓周角UA上。殼體18的蓋板21上同樣有孔47，它們在軸向上與孔46對齊，并構成用于壓縮過程空氣的排氣口33。此外，在朝向第四管線連接件26的殼體18的外壁19內設有一列孔48，它們構成用于壓縮過程空氣的排氣口35。與它們徑向相對，在殼體18的外壁內同樣又布置了一列孔49，它們構成由流化床燃燒爐28來的煙氣的進氣口34。在環襯22朝向進氣腔42的部段內的孔50構成通氣口39，用于流向流動通道37的煙氣。
如圖1所示，孔列47和48可由一個共同的開閉機構36打開和關閉，該開閉機構由兩個相互連接的多孔板52、53構成。多孔板52、53沿殼體的分別有孔列47或48的壁布置，并可沿圓周方向轉動。如圖1和圖2所示，面積與孔47或48相當的遮擋孔54、55安置在多孔板52、53內，使得例如在多孔板53內的遮擋孔55完全與孔48覆蓋時(圖1和圖2中的適配位置)，多孔板52內的遮擋孔54與排氣口33的孔47不對齊。排氣口33因此關閉，與此相反，排氣口35則完全打開。在沿圓周方向轉動開閉機構36時，孔48逐步關閉，與此相反，孔47則逐步打開，直到最后在開閉機構36的另一極限位置(未示出)，排氣口33完全打開，排氣口35則完全關閉。這一可通過操縱開閉機構36而實現的運行狀態在本說明書的結尾處將再次詳細說明。
打開和關閉進氣口34和通氣口39的開閉機構40則有兩個相互連接的多孔板56、57，它們用于打開或關閉孔49、50。在這里，多孔板56、57內的遮擋孔58、59相互安置，使得在一個極限位置(圖1、圖2)的所有孔49、50完全打開。通過旋轉開閉機構40，孔49、50由多孔板56、57逐步關閉，直到煙氣不再能夠進入為止。
接著說明其它情況。在用于由流化床燃燒爐28引起的煙氣的進氣腔42內安置傾斜的導板60，它用于引導煙氣流動。這樣，壓力損耗減小，流化床煙氣可與從燃燒室13流出的煙氣良好地混合。
關于用于適配器配件的材料需指出的是，環襯22作為內殼被構造成耐高溫的。它也承受配件的熱負荷。由外壁構成的外殼由低合金鑄鋼制成，承受作用在適配器配件7上的機械負荷。該外殼也構成所述配件的“構架”本體。
由于有兩個開閉機構36、40，適配器配件7提供可變的運行和調節可能性，下面對其詳細說明。
僅采用天然氣或合成氣的燃氣輪機設備的標準運行通過相應地調節開閉機構40來關閉進氣口34和通氣口38。從而阻斷煙氣從流化床燃燒爐28進入渦輪機6的通路。此外，這樣來調節開閉機構36，使得排氣口33完全打開，而排氣口35則完全關閉。這樣，經過常開進氣口31而流進排氣腔43的壓縮過程空氣就完全到達燒嘴12，并在此處用于從煤氣化設備30經輸送管線61來的合成氣或經一個供應管線62來的天然氣的燃燒。在環形管道10內流到燒嘴頂部11的過程空氣同時冷卻燃燒室9。
唯獨流化床燃燒爐運行調節開閉機構40，使得進氣口34和通氣口39完全打開。設定開閉機構36的位置，使得排氣口33完全關閉，而排氣口35則完全打開。這樣，一方面煙氣從流化床燃燒爐28經進氣腔42和流動通道37至渦輪機6的通路是暢通的，從而使流化床煙氣用于渦輪機運行。另一方面，壓縮過程空氣完全到達流化床燃燒爐28，并在此處用于燃燒。
流化床燃燒爐、煤氣化設備和合成氣燒嘴組合運行將開閉機構36安置在一個中間位置，因此排氣口33和排氣口35都處于部分打開狀態。在此要注意的是，通過兩個排氣口33、35會引起相似的壓力降，因此壓縮過程空氣不是僅僅流過兩個排氣口中的一個。尤其在組合運行時，在通往燃燒室9的排氣口33的范圍內要采取結構性措施，以便引起一個相應的壓力降。所以通過流化床、氣體凈化裝置和一個通常存在的流化床冷卻器朝流化床燃燒爐28建立一個較高的背壓。壓縮過程空氣至少一方面到達燃燒室9，另一方面到達流化床燃燒爐28，因此一方面用于在流化床燃燒爐28內的燃燒，另一方面用于燃燒室9的運行。通過調節開閉機構36可調整經過排氣口33、35的空氣量之比，通過這種調節可調整流化床燃燒爐28和燃燒室9之間的功率分配。此外，在這種運行方式下將開閉機構40定位在打開位置，從而煙氣從流化床燃燒爐28至流動通道37的通路是暢通的。溫度約為750至950℃的流化床煙氣在流動通道37內與燃燒室煙氣(溫度約1400℃)混合，因此可將通往渦輪機6的入口處的煙氣溫度調節到約1000至1200℃。
快速關閉燃氣輪機在故障情況下，即在燃氣輪機負荷下降時，必需防止因流化床引起燃氣輪機加速。為此，為開閉機構40配設一個快速調節。在緊急快速關閉時，通過開閉機構36關閉排氣口35和完全打開排氣口33，以便全部壓縮過程空氣流入燃燒室9。并且在燃燒室9里，同時強烈地減少或完全中斷燃料輸入。剩余的過程空氣經過燃燒室9和流動通道37流過渦輪機6；然而由于在燃燒室9里缺少加熱，所以在渦輪機6里不產生功率。同時迅速關閉進氣口34和通氣口39，由此不再有煙氣從流化床燃燒爐28流到渦輪機6。渦輪機6不會被加速。
權利要求
1.一種用在固定的燃氣輪機設備(1)中的適配器配件，該設備具有壓縮機(4)、渦輪機(6)、燃燒室(9)和外部加壓的流化床燃燒爐(28)，其特征在于-一個殼體(18)，它可安置在一個燃燒室連接法蘭(8)和一個組合式連接法蘭(2)之間，用于由壓縮機(4)產生的過程空氣和通往渦輪機(6)的煙氣，-一個在殼體(18)上的第一管線連接件(23)，用于在組合式連接法蘭(2)上設有一個用于由壓縮機(4)產生的過程空氣的進氣口(31)和一個用于煙氣的排氣口(38)，-一個在殼體(18)上的第二管線連接件(24)，用于將燃燒室連接法蘭(8)與一個用于由燃燒室(9)引起的煙氣的進氣口(32)和一個用于由壓縮機(4)產生的過程空氣的排氣口(33)相連接，-一個第三管線連接件(25)，它具有一個用于由流化床燃燒爐(28)引起的煙氣的進氣口(34)，和-一個第四管線連接件(26)，它具有一個將壓縮過程空氣輸送到流化床燃燒爐(28)和/或一臺煤氣化設備(30)的排氣口，-其中，用于壓縮過程空氣的排氣口(33、35)與壓縮過程空氣的進氣口(31)相連接，并可交替地由開閉機構(36)打開和關閉，和-其中，在用于煙氣的燒嘴側進氣口(32)和至渦輪機(6)的煙氣排氣口(38)之間設有一個流動通道(37)，該通道通過至少一個可打開和關閉的開閉機構(40)與一個進氣口(34)相連接，用于將由流化床燃燒爐引起的煙氣與燃燒室煙氣混合。
2.根據權利要求1所述的適配器配件，其特征在于殼體(18)基本上為罐形，具有一個外壁(19)、一個底部(20)、一個蓋板(21)和一個同心安裝的環襯(22)。
3.根據權利要求2所述的適配器配件，其特征在于在外壁(19)的徑向相對位置安裝了用于由流化床燃燒爐(28)引起的煙氣的進氣口(34)和用于將過程空氣輸送到流化床燃燒爐(28)和/或煤氣化設備(30)的排氣口(35)，其中，構建在外壁(19)和環襯(22)之間的環形腔由隔壁(44、45)分成一個用于煙氣的進氣腔(42)和一個用于過程空氣的排氣腔(43)。
4.根據權利要求3所述的適配器配件，其特征在于進氣腔(42)的圓周范圍(UE)優選比排氣腔(43)的大15°至25°。
5.根據權利要求2至4中任一項所述的適配器配件，其特征在于用于過程空氣的進氣口(31)設在殼體(18)的底部(20)，并通入用于過程空氣的排氣腔(43)。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的適配器配件，其特征在于用于將過程空氣引導至燃燒室(9)的排氣口(33)設在殼體(18)的蓋板(21)內。
7.根據權利要求2至6中任一項所述的適配器配件，其特征在于在用于燃燒室煙氣的流動通道(37)和用于由流化床燃燒爐引起的煙氣的進氣腔(42)之間，在環襯(22)內配設一個通氣口(39)。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的適配器配件，其特征在于所有的進氣口(31、32、34)、排氣口(33、35)和通氣口(39)都被構造成在殼體(18)的相應壁(19、20、21、22)內的孔列(46-50)，它們由可移動的多孔板(52、53；56、57)打開和關閉。
9.根據權利要求8所述的適配器配件，其特征在于用于兩個過程氣體排氣口(33、35)的多孔板(52、53)在排氣腔(43)內相互耦接，使得一個排氣口(33或35)被打開的同時，使另一排氣口(33或35)關閉。
10.根據權利要求8或9所述的適配器配件，其特征在于用于由流化床燃燒爐(28)引起的煙氣的進氣口(34)和通氣口(39)的兩個多孔板(56、57)相互耦接，使得進氣口(34)和通氣口(39)同時打開和關閉。
11.根據權利要求3所述的適配器配件，其特征在于在用于由流化床燃燒爐(28)引起的煙氣的進氣腔(42)內設置用于導引煙氣流動的導板(60)。
全文摘要
一種用在固定的燃氣輪機設備(1)中的適配器配件,該設備具有壓縮機(4)、渦輪機(6)、燃燒室(9)和外部加壓的流化床燃燒爐(28)。該適配器配件安裝在渦輪機(6)和燃燒室(9)之間。通過不同的可控進氣口和排氣口(32至35),可用本發明的適配器配件使燃氣輪機設備(1)按不同運行模式運行。
文檔編號F02C3/26GK1268215SQ98808601
公開日2000年9月27日 申請日期1998年9月7日 優先權日1997年9月18日
發明者托馬斯·韋伯 申請人:西門子公司