專(zhuān)利名稱(chēng)：燃?xì)鉁u輪機(jī)組工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種依照權(quán)利要求1，前序部分的燃?xì)鉁u輪機(jī)組的工作方法。
就新一代的燃?xì)鉁u輪機(jī)組而言，對(duì)高熱負(fù)荷的機(jī)組進(jìn)行冷卻起著核心關(guān)鍵作用。原則上人們努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是，在適當(dāng)?shù)奈恢糜闪鞒讨刑崛】諝?，并將該空氣輸送給待冷卻的機(jī)組，并且在適當(dāng)位置重新將其返回輸送入渦輪機(jī)組的回路中。在采用此種冷卻方式時(shí)勢(shì)必將減弱設(shè)備的有效物料流量，因此，通常這將導(dǎo)致設(shè)備的效率損失。原則上此點(diǎn)的前提條件是，在這種燃?xì)鉁u輪機(jī)組中通常不具有供使用的過(guò)剩的可以在不損失功率和效率的情況下進(jìn)行分流的空氣。當(dāng)燃?xì)鉁u輪機(jī)組與蒸氣回路相結(jié)合，即作為組合設(shè)備工作時(shí)，有關(guān)對(duì)高熱負(fù)荷的機(jī)組的輸出狀態(tài)的冷卻將被加重，因?yàn)闉榱双@得盡可能多的高質(zhì)量的蒸汽，燃?xì)鉁u輪機(jī)組最后一級(jí)的渦輪機(jī)輸出的廢氣的溫度將高于600℃，該廢氣將為蒸氣的形成提供固有的熱勢(shì)能。很明顯，該廢氣溫度將使在逆流方向燃燒室輸出的熱氣產(chǎn)生相應(yīng)的溫度，因此必須相應(yīng)強(qiáng)化對(duì)設(shè)備的冷卻設(shè)計(jì)。綜上所述，對(duì)這種冷卻必須按規(guī)律進(jìn)行折衷處理，該折衷的作用或者以冷卻能力為基準(zhǔn)，或者以設(shè)備的效率為基準(zhǔn)。
在此本發(fā)明將提出補(bǔ)救措施。在權(quán)利要求中表述的本發(fā)明的任務(wù)在于，采用在本說(shuō)明書(shū)引言部分所述方式的一種方法，用從流程中提取的最小份額的空氣實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)組高熱負(fù)荷的機(jī)組的最大的冷卻效率。
利用相應(yīng)的連接管路解決了此任務(wù)，該連接管路與天然氣的轉(zhuǎn)換相關(guān)。該轉(zhuǎn)換以熱化學(xué)回收為基礎(chǔ)并且旨在通過(guò)添加能量制備出高于天然氣燃燒值的燃料。為轉(zhuǎn)換加入的混合物的組份進(jìn)行如下吸熱反應(yīng)，其中Q表示添加的能量。該吸熱反應(yīng)利用了本發(fā)明，其中該能量是由壓縮空氣中提取的，即分流出一部分壓縮空氣用于轉(zhuǎn)換并送入一被天然氣/水-或天然氣/蒸氣-混合物流過(guò)的催化發(fā)生器。同時(shí)該發(fā)生器基本起著換熱器的作用，從而使被提取的壓縮空氣在其中獲得實(shí)質(zhì)的冷卻，以便它接著可以作為高質(zhì)量的冷卻空氣在適當(dāng)?shù)奈恢糜糜趯?duì)設(shè)備機(jī)組的冷卻。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)吸熱的反應(yīng)過(guò)程不需要分流或添加能量，無(wú)論是對(duì)能量的分流或添加都會(huì)導(dǎo)致在任何情況下平衡中的設(shè)備的效率損失。同時(shí)在將壓縮空氣變成冷卻空氣的熱處理對(duì)不必消耗附加的能量。最后由于該冷卻空氣是高質(zhì)量的，因而僅用少量的冷卻空氣就足以實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)組的高熱負(fù)荷機(jī)組的特定的冷卻。
在從屬權(quán)利要求中解決對(duì)本發(fā)明的任務(wù)的方案是有益的并相宜的進(jìn)一步設(shè)計(jì)做了表述。
下面將對(duì)照附圖
對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步的說(shuō)明。圖中省略了所有對(duì)直接理解本發(fā)明不必要的器件。介質(zhì)的流向用箭頭標(biāo)示出。
附圖示出一種燃?xì)鉁u輪機(jī)組，帶有一熱化學(xué)處理過(guò)程，該過(guò)程用于制備高能量值的燃料和高質(zhì)量的冷卻空氣。
實(shí)施本發(fā)明的途徑，工業(yè)實(shí)用性本燃?xì)鉁u輪機(jī)組建立在連續(xù)燃燒基礎(chǔ)之上。被視為獨(dú)立單元的該燃?xì)鉁u輪機(jī)組由一壓縮機(jī)1.一接在壓縮機(jī)后面的第一燃燒室2，一接在該燃燒室2后面的第一渦輪機(jī)3、一接在該渦輪機(jī)3后面的第二燃燒室4和一接在該燃燒室4后面的第二渦輪機(jī)5構(gòu)成。所述葉片機(jī)械1、3、5具有一單一的轉(zhuǎn)子軸12。該轉(zhuǎn)子軸12本身較好是固定在兩個(gè)圖中未示出的軸承上，這兩個(gè)軸承分別位于壓縮機(jī)1的端側(cè)和第二渦輪機(jī)5的順流側(cè)。壓縮機(jī)1視設(shè)計(jì)的不同例如可以提高比功率，分成兩個(gè)圖中未示出的分壓縮機(jī)。在采用這樣一種結(jié)構(gòu)時(shí)，在第一壓縮機(jī)的順流側(cè)和第二壓縮機(jī)的逆流側(cè)接有一個(gè)中間冷卻器。在此同樣圖中未示出的中間冷卻器中產(chǎn)生的熱被最佳地，即有效地利用，例如反饋到流程中。作為壓縮空氣7吸入的空氣充入一未詳細(xì)示出的機(jī)殼內(nèi)，該機(jī)殼內(nèi)有壓縮機(jī)出口和第一渦輪機(jī)3。在該機(jī)殼內(nèi)還設(shè)置有第一燃燒室2，該燃燒室優(yōu)選為連貫的環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，壓縮空氣7由一圖中未示出的儲(chǔ)氣室被送入第一燃燒室2。環(huán)形燃燒室2在端側(cè)具有大量的分布在圓周上的圖中未詳細(xì)示出的燃燒器，該些燃燒器優(yōu)選為預(yù)混合燃燒器設(shè)計(jì)。在此處也可以采用擴(kuò)散燃燒器。就減少由此燃燒造成的有害放排物質(zhì)，尤其是涉及的NOx排放而言，同時(shí)有益的是，設(shè)置-如EP-A1-0321809中所述的預(yù)混合燃燒器裝置，其中所述文獻(xiàn)的發(fā)明主題是本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)組成部分；此外本說(shuō)明書(shū)的一個(gè)組成部分也是上述文獻(xiàn)中所述方式的燃燒供給。至于在環(huán)形燃燒室2的圓周上設(shè)置的預(yù)混合燃燒器，該設(shè)置可以在必要時(shí)與相同燃燒器的通用結(jié)構(gòu)有所不同，可以采用不同規(guī)格的預(yù)混合燃燒器替代相同的燃燒器。此點(diǎn)最好通過(guò)在兩個(gè)大型的預(yù)混合燃燒器中設(shè)置一相同結(jié)構(gòu)的小型預(yù)混合燃燒器加以實(shí)現(xiàn)。具有主燃燒器功能的大型預(yù)混合燃燒器與作為該燃燒室的輔助燃燒器的小型預(yù)混合燃燒器根據(jù)流過(guò)它們的燃燒用空氣量，即根據(jù)壓縮機(jī)1輸出壓縮空氣量，有一定的尺寸比例，該比例視情況而定。在燃燒室的整個(gè)負(fù)荷范圍，輔助燃燒器作為自動(dòng)預(yù)混合燃燒器工作，其中空氣量幾乎保持不變。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的具體數(shù)據(jù)，主燃燒器接通或斷開(kāi)。鑒于輔助燃燒器在整個(gè)負(fù)荷范圍都可以以理想的混合物運(yùn)行，故在部分負(fù)載時(shí)NOx的排放也是很微弱的。在這種結(jié)構(gòu)時(shí)，環(huán)形燃燒室2前側(cè)范圍內(nèi)的環(huán)流流線非常貼近輔助燃燒器的渦流中心，因而僅能用該輔助燃燒器進(jìn)行點(diǎn)火。在提速運(yùn)行時(shí)，通過(guò)輔助燃燒器加入的燃料量增大到該輔助燃燒器受到調(diào)控的程度，即直到提供指定的滿負(fù)荷燃料量為止。選擇的結(jié)構(gòu)應(yīng)使此點(diǎn)符合燃?xì)鉁u輪機(jī)組的卸載條件。然后通過(guò)主燃燒器繼續(xù)增大功率。在燃?xì)鉁u輪機(jī)組峰值負(fù)荷時(shí)，主燃燒器也完全受到調(diào)整。由于由輔助燃燒器引發(fā)的“小”熱渦流中心的結(jié)構(gòu)在由主燃燒器產(chǎn)生的“大”低溫渦流中心間極其不穩(wěn)定地中斷，所以甚至在部分負(fù)荷范圍使主燃燒器以稀薄氣運(yùn)行時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)充分的燃燒，同時(shí)除NOx排放外，CO和UHC排放也很低，即輔助燃燒器的熱渦流立刻進(jìn)入重燃燒器的小渦流。當(dāng)然環(huán)形燃燒室2可以由一定數(shù)量的管狀燃燒腔構(gòu)成，該燃燒腔同樣為斜環(huán)形，有時(shí)甚至是螺旋形的，圍繞轉(zhuǎn)子軸設(shè)置。該環(huán)形燃燒室2，不受設(shè)計(jì)之約束，其幾何設(shè)置應(yīng)使其長(zhǎng)度對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)組的轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)度沒(méi)有影響。由該環(huán)形燃燒室2輸出的熱氣8輸入到直接接在其后的第一渦輪機(jī)3，該渦輪機(jī)對(duì)熱氣的散熱降壓作用有意識(shí)地被保持在最低限度，即該渦輪機(jī)3由至多2排工作葉片組構(gòu)成。在這種渦輪機(jī)3中有必要備有旨在穩(wěn)定軸向力的端面上的壓力補(bǔ)償。在渦輪機(jī)3中被部分降壓的熱氣9直接流入第二燃燒室4內(nèi)，該熱氣由于所述原因具有相當(dāng)高的溫度，該渦輪機(jī)優(yōu)選的具體運(yùn)行溫度可靠地仍在1000℃左右。該第二燃燒室4基本為連貫的環(huán)形軸向或準(zhǔn)軸向圓柱形；它當(dāng)然也可以由一定數(shù)量的軸向、準(zhǔn)軸向或螺旋設(shè)置的并自我閉合的燃燒室構(gòu)成。就環(huán)形的由唯一一個(gè)燃燒腔構(gòu)成的燃燒室4而言，則要在該環(huán)形圓柱體的圓周并徑向上配置多根燃燒噴管17。燃燒室4本身并沒(méi)有燃燒器噴入渦輪機(jī)3輸出的并被降壓的熱氣9內(nèi)的燃料，其燃燒是通過(guò)這里的自動(dòng)點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)的，只要上述溫高允許這種工作方式即可。在燃燒室4用氣體燃燒，即例如用天然氣運(yùn)行時(shí)，為自動(dòng)點(diǎn)火，由渦輪機(jī)3輸出的部分降壓的熱氣9的溫度應(yīng)在1000℃左右，并且當(dāng)然甚至在部分負(fù)荷工作時(shí)也是如此，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)渦輪機(jī)3的設(shè)計(jì)起著因果作用。為了保證自動(dòng)點(diǎn)火設(shè)計(jì)的燃燒室的工作穩(wěn)定性和高效率，非常重要的一點(diǎn)是，焰鋒的位置保持穩(wěn)定。為此在該燃燒室4內(nèi)，最好在內(nèi)壁和外壁的圓周上，設(shè)置圖中未進(jìn)一步示出的一系列器件，該器件在軸向上最好位于燃燒噴管的逆流側(cè)。這些器件的任務(wù)在于產(chǎn)生渦流，該渦流將導(dǎo)致與依照EP-A1-0321809所述的預(yù)混合燃燒器類(lèi)同的回流區(qū)。由于基于軸向設(shè)置和結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度需要，該燃燒室4是一個(gè)高速燃燒室，在該燃燒室中工作氣體的平均速度大于約60米/秒，故產(chǎn)生渦流的器件應(yīng)為符合流動(dòng)的結(jié)構(gòu)。該器件在入流側(cè)優(yōu)選地由一個(gè)帶有入流傾斜面的四面體構(gòu)成。產(chǎn)生渦流的器件或者設(shè)置在外側(cè)面和、或設(shè)置在內(nèi)側(cè)面。當(dāng)然，產(chǎn)生渦流的器件也可以相互軸向移位。該產(chǎn)生的渦流的器件的順流側(cè)的面基本徑向地，即垂直于對(duì)面的燃燒室壁伸展，從而從此處開(kāi)始產(chǎn)生回流區(qū)。同時(shí)還必須可靠地保持甚至在燃?xì)鉁u輪機(jī)組瞬時(shí)負(fù)荷范圍及部分負(fù)載范圍時(shí)的燃燒室4內(nèi)的自動(dòng)點(diǎn)火，即必須備有甚至當(dāng)由于任何原因使渦輪機(jī)3輸出的部分降壓的熱氣9的溫度在燃料噴入范圍內(nèi)變低時(shí)，也能保證燃燒室4的自動(dòng)點(diǎn)火的輔助準(zhǔn)備措施。為了即使在此情況下也能保證對(duì)噴入燃燒室4的氣體燃料的可靠的自動(dòng)點(diǎn)火，對(duì)該燃料添加少量的其點(diǎn)火溫度較低的其它燃料。在燃燒室4內(nèi)的制備的熱氣接著加入到接在后面的第二渦輪機(jī)5。燃?xì)鉁u輪機(jī)組的熱力參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)使第二渦輪機(jī)5輸出的廢氣11尚還具有如此多的熱勢(shì)能，以便驅(qū)動(dòng)在圖中未示出的并接在后面的蒸氣回路。第二燃燒室4優(yōu)選地，設(shè)置在第一渦輪機(jī)3的順流端與第二渦輪機(jī)5的入流端之間。此外由于所述原因，在第一渦輪機(jī)3內(nèi)的熱氣的減壓是通過(guò)少量的工作葉片組實(shí)現(xiàn)的，因而可以準(zhǔn)備一燃?xì)鉁u輪機(jī)組，其轉(zhuǎn)子軸12由于其長(zhǎng)度盡可能的短，因而在技術(shù)上可以毫無(wú)疑問(wèn)地固定在兩個(gè)軸承上。葉片機(jī)械的功率輸出通過(guò)相連的發(fā)電機(jī)15進(jìn)行，該發(fā)電機(jī)也起著啟動(dòng)電機(jī)作用。在渦輪機(jī)5內(nèi)減壓后，仍帶有高的熱勢(shì)能的廢氣11流過(guò)一在圖中未進(jìn)一步示出的廢熱蒸氣發(fā)生器，在該發(fā)生器內(nèi)采用換熱方法產(chǎn)生蒸氣，該蒸氣然后優(yōu)選地作為同樣在圖中未進(jìn)一步示出的蒸氣渦輪機(jī)的工作介質(zhì)加以應(yīng)用。在流入第一燃燒室2前分流出一部分壓縮空氣，該壓縮空氣流經(jīng)一用于轉(zhuǎn)換的催化發(fā)生器14。該發(fā)生器14被由天然氣和水或蒸氣構(gòu)成的混合物15逆向流過(guò)。發(fā)生器配備一催化轉(zhuǎn)化涂層，該催化涂層在低溫下可能觸發(fā)試圖實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。當(dāng)溫度在800-850℃時(shí)，采用鎳涂層的催化劑可實(shí)現(xiàn)百分之百的天然氣轉(zhuǎn)換。因此，在溫度較低時(shí)僅能完成部分轉(zhuǎn)換，但在大多數(shù)情況下這種部分轉(zhuǎn)換已足夠了。通過(guò)在催化發(fā)生器14內(nèi)進(jìn)行的吸熱過(guò)程，壓縮空氣分量18被冷卻到約400℃，其中在這里提取的能量可以實(shí)現(xiàn)混合物15向高燃燒值的轉(zhuǎn)換。由催化發(fā)生器14流出的冷卻空氣19然后被用于冷卻燃?xì)獾妮啓C(jī)組的至少一臺(tái)高熱負(fù)荷的設(shè)備。對(duì)附圖中，冷卻空氣19例如被分成3個(gè)分流，該分流分別用于冷卻第一燃燒室2、第一渦輪機(jī)3和第二燃燒室4。在這里對(duì)設(shè)備的冷卻是同時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)然也可按順序進(jìn)行該冷卻。在此所制備冷卻空氣19可以有效地進(jìn)行設(shè)備的冷卻，從而可大大提高效率。也可以以上述方式為第二燃燒室4配備燃料的轉(zhuǎn)換，或者利用一單獨(dú)的催化發(fā)生器，或者為兩個(gè)燃燒室準(zhǔn)備一共同的催化發(fā)生器。
附圖標(biāo)記對(duì)照表1 壓縮機(jī)2 第一燃燒室3 第一渦輪機(jī)4 第二燃燒室5 第二渦輪機(jī)6 吸入空氣7 壓縮空氣8 熱氣9 部分降壓的熱氣10熱氣11廢氣12轉(zhuǎn)子軸13電機(jī)14作為換熱器工作的催化發(fā)生器15天然氣/水-混合物16高值燃料17第二燃燒室4的燃料18部分壓縮空氣19冷卻空氣19a-c 壓縮空氣的分路
權(quán)利要求
1運(yùn)行燃?xì)鉁u輪機(jī)組和冷卻高熱負(fù)荷機(jī)組的方法，其中燃?xì)鉁u輪機(jī)組主要由至少一臺(tái)壓縮機(jī)、至少一個(gè)燃燒室、至少一臺(tái)渦輪機(jī)和至少一臺(tái)電機(jī)構(gòu)成，其特征在于一部分壓縮空氣(18)通過(guò)一用于轉(zhuǎn)換的并作為換熱器工作的發(fā)生器(14)輸送，天然氣/水-或天然氣/蒸氣-混合物(15)流經(jīng)同一發(fā)生器，通過(guò)在發(fā)生器(14)內(nèi)對(duì)壓縮空氣(18)的冷卻釋放出進(jìn)行混合物(15)吸熱反應(yīng)必要的能量。
2依照權(quán)利要求1的方法，其特征在于利用部分的或百分之百的吸熱反應(yīng)在發(fā)生器(14)內(nèi)奪壓縮空氣(19)冷卻。
3依照權(quán)利要求1的方法，其特征在于在發(fā)生器內(nèi)的催化覆層作用下，在發(fā)生器(14)內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
4依照權(quán)利要求1的方法，其特征在于利用連續(xù)燃燒驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)組。
5依照權(quán)利要求1的方法，其特征在于燃?xì)鉁u輪機(jī)組與廢熱蒸氣發(fā)生器和蒸氣回路配合工作。
全文摘要
在采用運(yùn)行燃?xì)鉁u輪機(jī)組和冷卻高熱負(fù)載荷的機(jī)組的方法時(shí)，在第一燃燒室(2)前分流出一部分壓縮空氣并且該壓縮空氣流經(jīng)一用于轉(zhuǎn)換且作為換熱器工作的發(fā)生器(14)。以逆流方向，天然氣/水—或天然氣/蒸汽—混合物(15)流經(jīng)同一發(fā)生器(14)。利用在發(fā)生器(14)內(nèi)對(duì)壓縮空氣(18)的冷卻釋放出用于混合物(15)吸熱反應(yīng)必要的能量。
文檔編號(hào)F02C3/30GK1151473SQ9612113
公開(kāi)日1997年6月11日 申請(qǐng)日期1996年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月26日
發(fā)明者H·尼爾森 申請(qǐng)人:Abb管理有限公司