燃氣－和蒸汽輪機裝置的制作方法

專利名稱：燃氣－和蒸汽輪機裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃氣-和蒸汽輪機裝置，它包括一個在燃氣輪機廢氣側下游的廢氣鍋爐，它的加熱面連接在汽輪機的水汽循環中；以及包括一個通過燃料管連接在燃氣輪機燃燒室上游的燃料氣化裝置。
礦物燃料集中氣化的燃氣-和蒸汽輪機裝置通常包括燃料的氣化裝置，它的出口側通過一些為氣體凈化所設的部件與燃氣輪機的燃燒室連接。燃氣輪機下游廢氣側可連接一廢氣鍋爐，它的加熱面連接在汽輪機的水汽循環中。例如由GB-A2234984已知一種此類型的裝置。
此外，由德國專利申請DE 33 31 152公開了一種結合有一個燃料氣化裝置的燃氣輪機設備的運行方法。其中，氮氣在燃氣進入燃燒室前直接輸入燃氣中。
為了在燃燒氣化的礦物燃料時減少有害物排放量，在此裝置中，在氣化裝置與燃氣輪機燃燒室之間的燃料管內連接一飽和器，在飽和器內將水蒸氣加入氣化的燃料。為此，氣化的燃料與水流逆向地流過飽和器，水流在一個稱為飽和器循環的水循環內流動。為了實現特別高的效率，將水-汽循環內的熱量耦合在飽和器循環中。
氣化的燃料通過與在飽和器循環內流動并在飽和器內被加熱的水流接觸，其中的水蒸氣趨于飽和。氣化的燃料在有限的范圍內受到加熱。出于熱力學方面和運行方面的原因，燃料在被輸入燃氣輪機的燃燒室前還需要被進一步加熱。
因此本發明的目的是提供一種上述類型的燃氣-和蒸汽輪機裝置，它具有特別高的設備效率。
按本發明為達到此目的采取的措施是，在氣化裝置和飽和器之間的燃料管內除了接入一個用于摻混氮氣的混合裝置以外，還接入一個換熱器的一次側，該換熱器的二次側在飽和器和燃燒室之間也同樣連接在燃料管內。
當通過摻混氮氣形成也稱為合成氣的氣化礦物燃料的這樣一種方法用在一種設備中時，可以使得該設備在燃燒合成氣時有特別低的氮氧化物生成量。摻混氮氣用的混合裝置的燃料側在飽和器之前接入燃料管中。換熱器的一次側在混合器和飽和器之前接入燃料管內，其二次側在飽和器之后連接在燃料管內。該換熱器由此將輸往飽和器、也稱為粗煤氣的合成氣中的熱量傳遞到流出飽和器、也稱為混合煤氣的合成氣中。這種也稱為粗煤氣-混合煤氣-換熱器的換熱器至少使熱量部分繞流飽和器，這樣，通過利用粗煤氣來加熱混合氣就使得整個過程的熱力學損失特別低。通過將混合裝置的燃料一側布置在飽和器之前，保證了粗煤氣-混合煤氣-換熱器能將粗煤氣中的熱量傳遞到很大質量流量的混合煤氣中。通過這樣一種布置可以實現一種極佳的熱交換，因為在具有恒定端部溫度的邊緣條件下，可以將較高的熱量傳遞到流出飽和器的混合煤氣中。
為了實現特別高的設備效率，在比較有利的進一步設計中，在燃料管道中位于飽和器之前的粗煤氣-混合煤氣-換熱器的前面，連接一個粗煤氣-廢熱蒸汽發生器。通過該粗煤氣-廢熱蒸汽發生器，可以實現一個從材料方面考慮比較有利的對在氣化裝置中產生的合成氣或粗煤氣的預冷卻。在此，從粗煤氣中吸取的熱量可以特別有利的方式被用于生成蒸汽。在一種用于氣化作為礦物燃料的煤的裝置中，可以進行一種所謂的煤氣驟冷(Gasquench)。此時，合成氣在進入粗煤氣-廢熱蒸汽發生器之前被輸入所謂的驟冷煤氣(Quenchgas)。該驟冷煤氣從粗煤氣-混合煤氣-換熱器和飽和器之間的燃料管中分接出。在這樣一種布置中，粗煤氣質量流量與混合煤氣質量流量大體相當，這樣，在通常的運行條件下，混合煤氣通過與粗煤氣的熱交換可以被預熱到明顯高于300℃。
相宜地，在飽和器和燃燒室之間將另一個換熱器的二次側接入燃料管內。該換熱器例如可以用中壓給水加熱。在這樣一種布置中，即便僅僅是對粗煤氣進行有限冷卻(例如基于因粗煤氣除塵裝置所設定的邊緣條件)，也能保證在具有特別高的設備效率的情況下對混合煤氣進行可靠預熱。這樣一種用于預熱混合煤氣的方案也特別適用于一種用于對作為礦物燃料的煤進行氣化的裝置(在該裝置中不進行煤氣驟冷)或一種用于對作為礦物燃料的燃油進行氣化的裝置。尤其是對于一種用于對作為礦物燃料的煤進行氣化的裝置(在該裝置中不進行煤氣驟冷)來說，粗煤氣的質量流量通常為混合煤氣的質量流量的一半，混合煤氣通過粗煤氣-混合煤氣-換熱器的預熱被限制在200℃到230℃的范圍之內。因而在這樣一種裝置中，通過另一個例如用高壓給水加熱的換熱器可以特別有利地對混合煤氣進行附加預熱。
本發明的優點主要在于，通過除了在飽和器之前接入燃料管內的混合裝置之外所設置的粗煤氣-混合煤氣-換熱器，熱量可以特別有利地通過繞流飽和器從流入飽和器的粗煤氣中傳遞到流出飽和器的混合煤氣中。因而僅僅在有限的程度上還需要一種在熱力學方面不利的冷卻和重復加熱。燃氣-和蒸汽輪機設備的效率會由此特別高。
下面借助附圖
進一步說明本發明的實施例。附圖示意表示了一種燃氣-和蒸汽輪機裝置。
圖中所示的燃氣-和蒸汽輪機裝置1包括燃氣輪機裝置1a和蒸汽輪機裝置1b。燃氣輪機裝置1a包括與壓氣機4連接的燃氣輪機2和在燃氣輪機2上游的燃燒室6，后者與壓氣機4的壓縮空氣管8連接。燃氣輪機2和壓氣機4以及發電機10處于一公共的軸12上。
蒸汽輪機裝置1b包括與發電機22連接的一汽輪機20和在水汽循環24內連接在汽輪機20下游的一凝汽器26以及一廢氣鍋爐30。汽輪機20由第一壓力級或高壓部分20a和第二壓力級或中壓部分20b以及第三壓力級或低壓部分20c組成，它們通過一根公共的軸32驅動發電機22。
為了將在燃氣輪機2中膨脹后的工質AM或廢氣輸入廢氣鍋爐30中，廢氣管34與廢氣鍋爐30的入口30a連接。從燃氣輪機2來的已膨脹作功過的工質AM通過廢氣鍋爐出口30b朝著去往圖中沒有表示的煙囪的方向離開廢氣鍋爐30。
廢氣鍋爐30包括一凝結水預熱器40，它在入口側可通過一根其中連接一凝結水泵44的凝結水管42從凝汽器26供入凝結水K。凝結水預熱器40出口側通過導管45與給水箱46連接。此外，為了在需要時繞過凝結水預熱器40，凝結水管42可經由圖中未示出的一根旁通管直接與給水箱46連接。給水箱46通過導管47與具有中壓抽取點的高壓給水泵48連接。
高壓給水泵48將從給水箱46中流出的給水S增壓至適用于水汽循環24中配屬于汽輪機20高壓部分的高壓級50的壓力水平。處于高壓狀態的給水S可經一個給水預熱器52輸入高壓級50，給水預熱器的出口側通過一根可用閥54關閉的給水管56與高壓汽包58連接。高壓汽包58與設在廢氣鍋爐30內的高壓蒸發器60連接，以構成一水汽循環62。為了排出新蒸氣F，高壓汽包58與設在廢氣鍋爐30內的高壓過熱器64相連，后者的出口側與汽輪機20高壓部分20a的蒸汽進口66連接。
汽輪機20高壓部分20a的蒸汽出口68通過中間過熱器70與汽輪機20中壓部分20b的蒸汽進口72連接。它的蒸汽出口74通過溢流管76與汽輪機20低壓部分20c的蒸汽進口78連接。汽輪機20低壓部分20c的蒸汽出口80通過蒸汽管82與凝汽器26相連，從而形成了一個封閉的水汽循環24。
此外，從高壓給水泵48在凝結水K已達到一個中間壓力的抽取點分出一根支管84。支管84通過另一個給水預熱器86或中壓燃料節省器與配屬于汽輪機20中壓部分20b的水汽循環的中壓級90連接。此外，第二個給水預熱器86在出口側通過一根可用閥92關閉的給水管94與中壓級90的中壓汽包96連接。中壓汽包96與設在廢氣鍋爐30內設計為中壓蒸發器的加熱面98連接以構成一個水汽循環100。為了排出中壓新蒸汽F′，中壓汽包96經蒸汽管102與中間過熱器70連接并因而與汽輪機20中壓部分20b的蒸汽進口72連接。
從導管47分出另一根配設有低壓給水泵107和可用閥108關閉的導管110，它與水汽循環24中配屬于汽輪機20低壓部分20c的低壓級120相連。低壓級120包括一低壓汽包122，它與設在廢氣鍋爐30內設計為低壓蒸發器的加熱面124連接，以構成一個水汽循環126。為了排出低壓新蒸汽F″，低壓汽包122經其中連接一低壓過熱器129的蒸汽管128與溢流管76連接。因此，燃氣-和蒸汽輪機裝置1的水汽循環24在本實施例中包括了三個壓力級50、90、120。但按其他方案也可以設較少的壓力級，尤其是兩個壓力級。
燃氣輪機裝置1a被設計成，可采用通過礦物燃料B氣化生成的氣化合成氣SG來運行。作為合成氣例如可采用氣化煤或氣化油。為此，燃氣輪機2燃燒室6進口側通過燃料管130與氣化裝置132連接。氣化裝置132可通過裝料系統134輸入作為礦物燃料B的煤或油。
為了制備氣化礦物燃料B所需的氧O2，氣化裝置132上游經氧氣管136連接一空氣分解裝置138。空氣分解裝置138進口側可供入在壓氣機4內壓縮后的空氣的一個分流T。為此，空氣分解裝置138進口側與抽氣管140連接，抽氣管140是在分岔點142從壓縮空氣管8分出的。此外在抽氣管140內還匯入另一根空氣管143，空氣管143中連接有一附加的壓氣機144。因此在本實施例中流入空氣分解裝置138的全部氣流L由從壓縮空氣管8分出的分流T和由附加的壓氣機144輸送的氣流組成。這種線路方案也稱為部分集中的設計方案(teilintegriertes Anlagenkonzept)。按另一種可選用的設計，即所謂的全部集中的設計方案(vollintegrierten Anlagenkonzept)，另一根空氣管143連同附加的壓氣機144都可以取消，所以向空氣分解裝置138的供氣全部通過從壓縮空氣管8抽取的分流T進行。
在空氣分解裝置138中分解氣流L時，除氧O2外獲得的氮N2通過連接在空氣分解裝置138上的氮氣管145輸入混合器146，并在那里摻入合成氣SG中。混合器146被設計成，用于特別均勻和不成綹地混合氮N2和合成氣SG。
從氣化裝置132流出的合成氣SG通過燃料管130首先到達粗燃氣余熱蒸汽發生器147內，在那里與一種流動介質通過熱交換冷卻合成氣SG。在此熱交換過程產生的高壓蒸汽以圖中未表示的方式輸入水汽循環24的高壓級50中。
沿合成氣SG的流動方向看，在粗燃氣余熱蒸汽發生器147后、混合器146前，在燃料管130中連接一合成氣SG的除塵器148和脫硫裝置149。按另一種可選用的設計，尤其在氣化油作為燃料時，也可以設煤煙清洗器來取代除塵器148。
為了在燃燒室6內燃燒氣化燃料時的有害物排放量能特別小，氣化燃料在進入燃燒室6之前被加入水蒸汽。這可以按熱工學特別有利的方式在飽和器系統中實現。為此，在燃料管130中連接一飽和器150，氣化的燃料相對于已加熱的飽和器水(Saettigerwasser)流，反向地流入飽和器。在這種情況下，飽和器水在一個與飽和器150連接、且其中設有循環泵154以及一個用于預熱飽和器水的換熱器156的飽和器循環152內循環。換熱器156的一次側被充入從水-汽循環24的中壓級90流出并已被預熱的給水。為了補償在氣化燃料飽和時發生的飽和器水的損失，在飽和器循環152上連接一輸入管158。
沿合成氣SG流動方向看，在飽和器150下游的燃料管130與一個起粗燃氣-混合氣換熱器作用的換熱器159的二次側連接。換熱器159的一次側在除塵器148上游的一個地點同樣連接在燃料管130中，所以要流入除塵器148的合成氣SG將其部分熱量傳給從飽和器150流出的合成氣SG。合成氣SG在經由換熱器159進入脫硫裝置149前的導引，也可以采用基于其他一些部件而改變的線路方案。尤其在接入煤煙清洗裝置的情況下，換熱器可優選地布置在煤煙清洗裝置下游的粗燃氣一側。
在飽和器150與換熱器159之間，在燃料管130內連接另一個換熱器160的二次側，它的一次側可以是熱給水或熱蒸汽。在這里，通過設計為粗燃氣-純燃氣換熱器的換熱器159和換熱器160，保證即使在燃氣-和蒸汽輪機裝置1不同的運行狀態，也能特別可靠地預熱流入燃氣輪機2燃燒室6的合成氣SG。
為了在需要時往流入燃燒室6的合成氣SG中加入蒸汽，在燃料管130中還連接另一個混合器161，中壓蒸汽可通過圖中未表示的一蒸汽管輸入其中，以便尤其在出現工作上的故障狀況時保證燃氣輪機可靠運行。
為了冷卻要輸入空氣分解裝置138中也稱為抽氣的壓縮空氣分流T，在抽氣管140中連接換熱器162的一次側，它的二次側設計為流動介質S′的中壓蒸發器。為構成蒸發器循環163，換熱器162與設計為中壓汽包的水-汽汽包164連接。水-汽汽包164通過導管166、168與配屬于水汽循環100的中壓汽包96連接。作為替換方案，換熱器162二次側也可以直接與中壓汽包96相連。也就是說在本實施例中，水-汽汽包164間接地與設計為中壓蒸發器的加熱面98連接。為了補充蒸發掉的流動介質S′，在水-汽汽包164上還連接有一給水管170。
沿壓縮空氣分流T的流動方向看，在換熱器162下游的抽氣管140內連接另一個換熱器172，它的二次側設計為流動介質S″的低壓蒸發器。在這里為了構成蒸發器循環174，換熱器172與設計為低壓汽包的水-汽汽包176連接。在本實施例中，水-汽汽包176通過導管178、180與配屬于水汽循環126的低壓汽包122連接，并因而間接地與設計為低壓蒸發器的加熱面124連接。但作為替換方案，水-汽汽包176也可以按其他恰當的方式連接，在這種情況下，從水-汽汽包176抽取的蒸汽可作為工業用汽和/或作為加熱用蒸汽輸給附帶的用戶。按另一種可選用的設計，換熱器172二次側也可以直接與低壓汽包122連接。此外，水-汽汽包176還與一給水管182相連。
蒸發器循環163、174可分別設計為強制循環，在這種情況下，流動介質S′或S″的循環由循環泵來保證，以及，流動介質S′、S″在設計為蒸發器的換熱器162或172中至少部分蒸發。但在本實施例中，無論是蒸發器循環163還是蒸發器循環174均分別設計為自然循環，在這里，流動介質S′或S″的循環借助于在蒸發過程中建立的壓差和/或通過各自的換熱器162或172和各自的水-汽汽包164或176按地理位置的布局(geodaetische Anordnung)來保證。在這種設計中，在蒸發器循環163和在蒸發器循環174內分別只連接有一個(圖中未示出)尺寸比較小的循環泵，用于系統的起動。
為了將熱量耦合到飽和器循環152中，除了所述可被充入已被加熱并在給水預熱器86之后分出的給水的換熱器156之外，還設置一個飽和器水-換熱器184，它的一次側可供入來自給水箱46的給水S。為此，飽和器水-換熱器184的一次側進口通過導管186與支管84連接，出口通過導管188與給水箱46連接。為了重新加熱從飽和器水-換熱器184流出的已冷卻的給水S，在導管188內連接另一個換熱器190，它的一次側在換熱器172的下游連接在抽氣管140中。采用這樣的布置，可實現從抽氣中獲得特別高的熱量回收率，并因而使燃氣-和蒸汽輪機裝置1有特別高的效率。
沿分流T的流動方向看，在換熱器172與換熱器190之間，從抽氣管140分出一根冷卻空氣管192，通過此導管可將經冷卻的分流T的一個分量T′輸入燃氣輪機2，作為冷卻葉片用的冷卻空氣。
通過將混合裝置146的燃料一側設置在飽和器150之前，在換熱器159中，熱量可以特別有利地從流入飽和器150、也稱為粗煤氣的合成氣SG中傳遞到從飽和器150流出的也稱為混合煤氣的合成氣SG中。通過換熱器159將粗煤氣中的熱量傳遞到特別大的質量流量的混合煤氣中，這樣的熱交換會尤其有利。因而，即便在端部溫度受限的情況下，也可以將較高的熱量傳遞到流出飽和器150的混合煤氣中。燃氣-和蒸汽輪機設備1由此具有特別高的設備效率。
權利要求
1．一種燃氣-和蒸汽輪機裝置(1)，它包括一個在燃氣輪機(2)廢氣側下游的廢氣鍋爐(30)，它的加熱面連接在一汽輪機(20)的水汽循環(24)中；以及包括一個通過燃料管(130)連接在燃氣輪機(2)燃燒室(6)上游的燃料(B)氣化裝置(132)，其中，在氣化裝置(132)和一個飽和器(150)之間的燃料管(130)內除了接入一個用于摻混氮氣(N2)的混合裝置(146)以外，還接入一個換熱器(159)的一次側，該換熱器(159)的二次側在飽和器(150)和燃燒室(6)之間也同樣連接在燃料管(130)內。
2．按照權利要求1所述的燃氣-和蒸汽輪機裝置(1)，其中，在燃料管道(130)中位于飽和器(150)之前的換熱器(159)的前面，連接一個粗煤氣-廢熱蒸汽發生器(147)。
3．按照權利要求1或2所述的燃氣-和蒸汽輪機裝置(1)，其中，在飽和器(150)和燃燒室(6)之間，另一個換熱器(160)的二次側被接入燃料管(130)內。
4．按照權利要求3所述的燃氣-和蒸汽輪機裝置(1)，它的另一個換熱器(160)可被給水(S)加熱。
全文摘要
本發明涉及一種燃氣－和蒸汽輪機裝置(1),它包括一個在燃氣輪機(2)廢氣側下游的廢氣鍋爐(30),它的加熱面連接在汽輪機(20)的水汽循環(24)中,為了集中氣化礦物燃料(B),在燃氣輪機(2)燃燒室(6)上游通過一根燃料管(130)連接一燃料(B)氣化裝置(132)。為了使燃氣－和蒸汽輪機裝置(1)有特別高的設備效率,按照本發明,在氣化裝置(132)和一個飽和器(150)之間的燃料管(130)內除了接入一個用于摻混氮氣(N2)的混合裝置(146)以外,還接入一個換熱器(159)的一次側,該換熱器(159)的二次側在飽和器(150)和燃燒室(6)之間也同樣連接在燃料管(130)內。
文檔編號F01K23/06GK1314969SQ99810001
公開日2001年9月26日 申請日期1999年7月8日 優先權日1998年7月17日
發明者烏爾里克·希弗斯, 弗蘭克·漢尼曼 申請人:西門子公司