專(zhuān)利名稱(chēng)：發(fā)電的方法和系統(tǒng)的制作方法
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發(fā)明的
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠(chǎng)通過(guò)使燃料和壓縮空氣在燃燒室中燃燒，然后利用生成的高溫、高壓燃?xì)馐鼓軌蝌?qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以發(fā)電的膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電力。通常，該燃?xì)廨啓C(jī)包括壓縮部分，用于壓縮進(jìn)入該燃?xì)廨啓C(jī)的空氣；燃燒部分，該燃燒部分在壓縮部分后面，用于使燃料和壓縮空氣一起燃燒；以及膨脹部分，該膨脹部分在燃燒部分后面，在該膨脹部分，來(lái)自燃燒部分的燃?xì)馀蛎浺员惝a(chǎn)生軸功。該軸功傳遞給發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)將該軸功轉(zhuǎn)變成電。
燃?xì)廨啓C(jī)的工作基于三階段的Brayton循環(huán)。首先，通過(guò)在壓縮部分對(duì)空氣進(jìn)行等熵壓縮而對(duì)空氣做功。然后在燃燒部分將熱量加給等熵壓縮的空氣。然后，熱壓縮空氣在膨脹部分等熵膨脹至較低壓力。Brayton系統(tǒng)自身必然效率低，因?yàn)樵趬嚎s和加熱過(guò)程中施加給空氣的大量熱量仍保留在排出膨脹部分的相對(duì)高溫低壓的排氣中。在很多情況下，該排氣溫度可以達(dá)到或超過(guò)1000°F(538℃)。當(dāng)排向空氣中時(shí)，用于將排氣升高到該溫度的燃燒燃料部分被浪費(fèi)，導(dǎo)致整個(gè)循環(huán)的效率較低。
回收仍保留在膨脹機(jī)排氣中的能量將提高該電廠(chǎng)的總體效率。在一種已知方法中，膨脹機(jī)的排氣用于產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽再用于在冷凝式汽輪機(jī)中產(chǎn)生附加的電力。在熱力學(xué)上，用冷凝蒸汽發(fā)電效率低，因?yàn)榇蠹s三分之二的能量在冷凝循環(huán)中損失到冷卻水中，只有大約三分之一的能量轉(zhuǎn)換成電力。因?yàn)槠啓C(jī)以Rankine循環(huán)工作，而不是Brayton循環(huán)，利用這樣的熱回收方法稱(chēng)為組合循環(huán)電廠(chǎng)。
盡管這損失了能量，但是發(fā)展大型的先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)將導(dǎo)致大幅度減小裝備組合循環(huán)發(fā)電廠(chǎng)所需的資金投資，并明顯提高它們的效率。循環(huán)效率的有用部分稱(chēng)為熱耗率，組合循環(huán)電廠(chǎng)將它定義為發(fā)電量(KW)除以所消耗燃料的潛熱值(BTU/H)。目前，采用中型燃?xì)廨啓C(jī)的組合循環(huán)電廠(chǎng)能夠在低于7000BTU/KWH的情況下發(fā)電。
這些先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)采用更高的燃燒溫度和壓縮比，以便將更多的燃料燃燒熱能直接在膨脹機(jī)中轉(zhuǎn)變成電能。由膨脹機(jī)每產(chǎn)生單位電能時(shí)所排出的排氣中的能量減小，從而使在汽輪機(jī)的冷卻水中損失的能量也減小。這導(dǎo)致節(jié)省燃料和使熱耗率更低。先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)在更高排氣溫度下每產(chǎn)生單位電能所產(chǎn)生的排氣更少。因?yàn)榕艢獾牧繙p小和溫度更高，更大百分比的排氣能量由冷凝汽輪機(jī)回收，這也導(dǎo)致效率更高和熱耗率更低。
在熱電聯(lián)合廠(chǎng)中，膨脹機(jī)排氣的熱能用于產(chǎn)生蒸汽和某些其它熱介質(zhì)例如熱油，凈產(chǎn)品為電力和熱電聯(lián)合產(chǎn)品(蒸汽或其它加熱介質(zhì))。在本文中，能由蒸汽發(fā)生器和熱油加熱器吸收的熱量也稱(chēng)為可用吸熱。大型的先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)通常不適于該熱電聯(lián)合用途，因?yàn)樗鼈冇泻艽罅髁亢秃芨吲艢鉁囟龋虼诵枰浅４蟮目捎梦鼰嵫b置。
例如，當(dāng)膨脹機(jī)排氣的熱能負(fù)載將產(chǎn)生的蒸汽比在該電廠(chǎng)其它地方用作加熱介質(zhì)等所需的蒸汽更多時(shí)，該排氣能量負(fù)載超過(guò)可用吸熱。在可用吸熱裝置中的該限制可能限制了在熱電聯(lián)合廠(chǎng)中的燃?xì)廨啓C(jī)的大小，并無(wú)法開(kāi)發(fā)形成具有經(jīng)濟(jì)規(guī)模和效率的大型燃?xì)廨啓C(jī)。
因此，熱電聯(lián)合廠(chǎng)在經(jīng)濟(jì)上日益困難。燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展使得在組合循環(huán)和熱電聯(lián)合廠(chǎng)相對(duì)較小之間在效率上有差別。目前，因?yàn)榕c在組合循環(huán)電廠(chǎng)中采用大型燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，組合循環(huán)電廠(chǎng)的每千瓦設(shè)備成本比熱電聯(lián)合廠(chǎng)小得多。
對(duì)于先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的大小和效率在已有水平上的進(jìn)一步發(fā)展，需要一種可用于熱電聯(lián)合廠(chǎng)的新穎熱量回收設(shè)計(jì)，以便使大型燃?xì)廨啓C(jī)能夠高效地用于熱電聯(lián)合用途。因?yàn)闊犭娐?lián)合廠(chǎng)比組合循環(huán)電廠(chǎng)的效率更高，在給定大小的燃?xì)廨啓C(jī)中輸出每千瓦所燒的燃料更少，因此在環(huán)保上也有可采用熱電聯(lián)合廠(chǎng)的動(dòng)機(jī)。
普通的熱電聯(lián)合廠(chǎng)通常也設(shè)計(jì)成能進(jìn)行基本負(fù)載運(yùn)行，即在它們的最大燃料和空氣流量情況下工作。將該電廠(chǎng)的負(fù)載從它的基本負(fù)載降低時(shí)，發(fā)電效率也降低。不過(guò)，因?yàn)殡妰r(jià)隨市場(chǎng)需求波動(dòng)，當(dāng)電價(jià)較低時(shí)，可能希望使電廠(chǎng)負(fù)載從基本負(fù)載降低。因此，也需要能夠使熱電聯(lián)合廠(chǎng)在負(fù)載降低的狀態(tài)下高效運(yùn)行的方法。
另一方面，當(dāng)電的需求和價(jià)格較高時(shí)，熱電聯(lián)合廠(chǎng)通常不能提供附加的電力。因此，也需要使發(fā)電量能在峰值期間增加的方法，以便能使熱電聯(lián)合廠(chǎng)保持經(jīng)濟(jì)上可行。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于從燃?xì)廨啓C(jī)的排氣中回收熱量和利用該回收的熱量來(lái)減小該燃?xì)廨啓C(jī)所需的吸熱裝置的方法。該方法允許排氣的熱負(fù)載以及與電廠(chǎng)其它地方所需的蒸汽和其它加熱介質(zhì)相關(guān)的可用吸熱能夠改變。
本發(fā)明的另一目的是提供一種高效增加燃?xì)廨啓C(jī)電廠(chǎng)的峰值電力容量，同時(shí)減小所需吸熱裝置的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種熱量回收方案，該熱量回收方案能夠在電力需求降低和市場(chǎng)狀況不利時(shí)高效降低工作功率。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)這些和其它目的，本發(fā)明涉及一種用于在燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)合廠(chǎng)中高效發(fā)電的方法和裝置，它克服了在熱電聯(lián)合用途中采用大型先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的限制。本發(fā)明利用直接從高溫膨脹機(jī)排氣中回收的熱量，以便增加循環(huán)效率和減小熱電聯(lián)合用途所需的吸熱裝置，特別是采用大型燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)。在一個(gè)工作模式中，本方法涉及加水以增大流過(guò)膨脹機(jī)的質(zhì)量流量，從而增加發(fā)電量。在另一模式中，本發(fā)明能夠在不會(huì)損失較大效率的情況下降低發(fā)電量。本發(fā)明的方法和裝置還增加了工作的柔性，從而在高需求時(shí)能夠高效生產(chǎn)峰值電力，同時(shí)還能在電價(jià)較低時(shí)以降低功率的狀態(tài)來(lái)高效發(fā)電，因此它有更大的經(jīng)濟(jì)吸引力。因此，本發(fā)明使得發(fā)電量和熱電聯(lián)合產(chǎn)品的產(chǎn)量能夠基于當(dāng)前的電力市場(chǎng)狀況以及電廠(chǎng)的蒸汽、加熱油或其它熱需求而連續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。
與已知的熱電聯(lián)合廠(chǎng)不同，在已知的熱電聯(lián)合廠(chǎng)中，燃?xì)廨啓C(jī)的大小由用于排氣熱負(fù)載的可用吸熱裝置限制，本發(fā)明的方法使得排氣熱負(fù)載超過(guò)可用吸熱，同時(shí)利用先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的高溫排氣特性來(lái)提高循環(huán)效率。該高溫排氣預(yù)熱進(jìn)入燃燒室的空氣，在一個(gè)重要方面，在壓縮空氣進(jìn)入燃燒室之前預(yù)熱離開(kāi)壓氣機(jī)的壓縮空氣。在膨脹機(jī)排氣和燃燒空氣之間每進(jìn)行一個(gè)單位的換熱，就節(jié)省了一個(gè)單位的燃燒燃料。根據(jù)工作狀態(tài)和裝置的設(shè)計(jì)，大約三分之一的燃?xì)廨啓C(jī)排氣能量能夠以這種方式直接回收。這個(gè)從膨脹機(jī)排氣中回收熱能的方法比組合循環(huán)電廠(chǎng)中的方法效率高得多，在組合循環(huán)電廠(chǎng)中，大約三分之二的排氣能量損失到蒸汽冷凝器的冷卻水中。冷卻后的排氣還很熱，足以在下游產(chǎn)生熱電聯(lián)合產(chǎn)品，以便回收附加的熱能。因?yàn)樵诶鋮s的膨脹機(jī)排氣中殘留的熱能更少，因此與目前全部排氣能量都用于產(chǎn)生蒸汽的熱電聯(lián)合熱量回收方案相比，所需的吸熱裝置也大幅度減少。
在一個(gè)重要方面，本發(fā)明的方法還包括在燃燒以產(chǎn)生峰值電力之前，使預(yù)熱的燃燒空氣飽含水。使燃燒空氣飽含水將提供通過(guò)膨脹機(jī)的更大質(zhì)量流量，并可以在峰值電力期間明顯增加發(fā)電量。燃燒空氣的飽和還能夠降低燃燒火焰溫度，導(dǎo)致釋放的NOx氣體更少。在膨脹機(jī)排氣中的熱能也可以用于加熱在飽和器中使用的水。預(yù)熱燃燒空氣使它能帶有更多的水，同時(shí)水不會(huì)在燃燒室中產(chǎn)生不希望的冷凝。因?yàn)樵摳郊与娏Φ耐顿Y成本低于安裝附加燃?xì)廨啓C(jī)以滿(mǎn)足峰值電力需求時(shí)的成本，因此本發(fā)明方法在經(jīng)濟(jì)收入上對(duì)熱電聯(lián)合廠(chǎng)有附加吸引力。
因此，本發(fā)明的方法和裝置能夠使電力生產(chǎn)者在熱電聯(lián)合廠(chǎng)的燃?xì)廨啓C(jī)大小上克服已有的吸熱裝置限制，從而增加工作效率和經(jīng)濟(jì)規(guī)模，同時(shí)還能有更大柔性，以便隨市場(chǎng)狀況變化而調(diào)節(jié)工作，以便獲得最大利益。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是熱電聯(lián)合廠(chǎng)的示意圖，該熱電聯(lián)合廠(chǎng)包括本發(fā)明的新穎的熱量回收和峰值發(fā)電的方法。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明下面參考附圖，唯一的附圖-圖1-所示為實(shí)施本發(fā)明的熱電聯(lián)合廠(chǎng)的示意圖，該熱電聯(lián)合廠(chǎng)總體以參考標(biāo)號(hào)10表示。外界空氣12提供給燃?xì)廨啓C(jī)16的壓氣機(jī)14。壓縮空氣18通過(guò)流過(guò)一束翅片管而在熱量回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)22的第一部分20中加熱，由膨脹機(jī)26排出的熱排氣24從外部流過(guò)該束翅片管。該翅片管提供了傳熱表面，用于與膨脹機(jī)的排氣24進(jìn)行換熱，并使熱量進(jìn)入壓縮空氣18中，從而加熱壓縮空氣18和冷卻排氣24。在本發(fā)明的一個(gè)方面，加熱的壓縮空氣18引入飽和器筒28中，在該飽和器筒28中，需要時(shí)將水加入空氣18中，優(yōu)選是以蒸汽或水霧的形式，以便增加質(zhì)量流量和因此增加膨脹機(jī)26的電力輸出。該附加質(zhì)量流量可使電力輸出增加20％或更多。離開(kāi)飽和器筒28的空氣再在燃燒室30中通過(guò)燃燒燃料32而加熱。燃料32可以是液體或氣體，通常為天然氣或餾分油。生成的燃?xì)庠僭谌細(xì)廨啓C(jī)16的膨脹機(jī)26中膨脹，以便提供驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)34以產(chǎn)生電力的軸功。
HRSG 22接受來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)16的膨脹機(jī)26的排氣24，并通過(guò)煙囪36將該排氣排出到大氣中。由于經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的目的，在將排氣釋放到大氣中之前，需要盡可能地在HRSG 22中除去排氣熱能。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，排氣每高出外界溫度一度就將浪費(fèi)一個(gè)單位的燃燒燃料。從環(huán)境上考慮，從排氣中除去更多能量將能夠采用更大、更高效的燃?xì)廨啓C(jī)，該更大、更高效的燃?xì)廨啓C(jī)每回收一個(gè)單位的能量都將導(dǎo)致產(chǎn)生更少量的溫室氣體。
HRSG 22可以包括三個(gè)部分。在第一部分20中，膨脹機(jī)排氣24的熱量通過(guò)換熱器38進(jìn)行熱交換，以便如上所述加熱壓縮空氣18。換熱器38可以包括一束翅片管，壓縮空氣18在該翅片管中流動(dòng)，而膨脹機(jī)排氣24在外部流過(guò)該翅片管表面。也可以采用技術(shù)上已知的其它類(lèi)型換熱器。也可以提供有旁路(未示出)，這樣，可以調(diào)節(jié)提供給換熱器38的燃燒空氣的量，以便控制從膨脹機(jī)排氣24中回收的熱量。
在HRSG 22的另一部分40中，膨脹機(jī)排氣24流過(guò)蒸汽發(fā)生器42，在該蒸汽發(fā)生器42處，膨脹機(jī)排氣加熱和汽化進(jìn)入蒸汽發(fā)生器42的鍋爐供水44，以便提供高壓和/或低壓蒸汽46，從而適于在電廠(chǎng)中使用。也可選擇或者與產(chǎn)生蒸汽組合，該排氣24可以用于加熱其它加熱介質(zhì)，例如油或其它液態(tài)加熱流體。在這樣的一個(gè)實(shí)施例中，除了蒸汽發(fā)生器42或者代替該蒸汽發(fā)生器42，提供有合適的換熱系統(tǒng)(未示出)，以便將排氣熱量回收到液體加熱介質(zhì)中。所產(chǎn)生的熱電聯(lián)合產(chǎn)品(蒸汽或液體加熱介質(zhì))的量可以通過(guò)控制供給HRSG 22的部分40的鍋爐供水的流量或液態(tài)加熱流體的流量而進(jìn)行控制，以便與電廠(chǎng)需要相匹配。也可選擇，該熱電聯(lián)合產(chǎn)品的產(chǎn)量可以通過(guò)調(diào)節(jié)傳送給HRSG 22的部分20的壓縮空氣的流量和因此調(diào)節(jié)進(jìn)入部分40的膨脹機(jī)排氣的含熱量，從而進(jìn)行控制。
HRSG 22的第三部分48包括換熱器49，該換熱器49可用于利用排氣24加熱飽和器補(bǔ)充水50，從而回收另外的排氣熱量和更加改進(jìn)循環(huán)效率。所生成的熱水和/或蒸汽可以通過(guò)控制閥52引入飽和器筒28中。在本發(fā)明的一個(gè)方面，補(bǔ)充水的流量由溫度控制器54控制，該溫度控制器54調(diào)節(jié)控制閥52?？刂破?4檢測(cè)離開(kāi)飽和器28的壓縮空氣的溫度，并通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)充水50的流量而將該溫度控制為合適的設(shè)定值。當(dāng)檢測(cè)溫度低于設(shè)定值時(shí)，溫度控制器54通過(guò)減少補(bǔ)充水50的流量來(lái)使飽和壓縮空氣的溫度保持在合適的設(shè)定值，當(dāng)檢測(cè)溫度高于設(shè)定值時(shí)，溫度控制器54通過(guò)增加補(bǔ)充水50的流量來(lái)使飽和壓縮空氣的溫度保持在合適的設(shè)定值。希望將該溫度設(shè)定值選擇為高于可能在燃燒室30中發(fā)生冷凝時(shí)的溫度值。這樣，在峰值電力需求時(shí)，該方法允許添加最大量的水，同時(shí)防止水在燃燒室30中冷凝。因?yàn)榭砂踩砑拥乃咳Q于燃燒空氣流量和溫度，因此，通過(guò)將補(bǔ)充水的流量控制為飽和燃燒空氣溫度的函數(shù)，能夠在不會(huì)有在燃燒室30中發(fā)生冷凝的危險(xiǎn)的情況下添加最大量的水。
盡管希望向燃燒空氣中添加水以增大流過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)16的氣流量，從而提供附加的電力，但是在低電力需求時(shí)，也可以中止使水流向飽和器28。不過(guò)，應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明的方法提供了很大的工作柔性，以便能根據(jù)市場(chǎng)電力狀況對(duì)電廠(chǎng)工作進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，當(dāng)價(jià)格較低且電力需求減小時(shí)，可以向飽和器28供給很少量的水或不供給水。在峰值需求期間，水的供給量可以直到冷凝極限，以便增加發(fā)電量。添加的補(bǔ)充水50可以通過(guò)HRSG 22預(yù)熱，以便提高所述循環(huán)效率。也可選擇，當(dāng)需要更多膨脹機(jī)排氣熱量來(lái)加熱燃燒空氣或產(chǎn)生熱電聯(lián)合產(chǎn)品時(shí)，補(bǔ)充水50可以從旁路經(jīng)過(guò)HRSG 22。
本發(fā)明還包括一種方法，在該方法中，在HRSG 22的部分40中產(chǎn)生的蒸汽傳送給飽和器筒28，以便使壓縮的燃燒空氣18飽和。在本發(fā)明的該形式中，可以提供有閥56，該閥56使電廠(chǎng)蒸汽集管與飽和器筒28的進(jìn)口管路連接。溫度控制閥54調(diào)節(jié)閥56，以便根據(jù)檢測(cè)的飽和燃燒空氣的溫度變化來(lái)將蒸汽引入飽和器筒28。當(dāng)檢測(cè)溫度低于合適設(shè)定值時(shí)，溫度控制器54減少蒸汽流量，當(dāng)檢測(cè)溫度高于合適設(shè)定值時(shí)，溫度控制器54增加蒸汽流量。因此，當(dāng)需要附加電力且在HRGG 22的部分40中的蒸汽產(chǎn)品超過(guò)電廠(chǎng)其它地方的需求時(shí)，希望可以將在HRGG 22的部分40中產(chǎn)生的蒸汽46通過(guò)閥56引向飽和器筒28。當(dāng)需要附加電力且在HRGG 22的部分40中的蒸汽產(chǎn)品與電廠(chǎng)其它地方的需求相匹配或不足時(shí)，希望用補(bǔ)充水50來(lái)供給飽和器筒28和使壓縮空氣18飽和。
應(yīng)當(dāng)知道，當(dāng)燃燒空氣的溫度由于從排氣中回收熱量而更高時(shí)，將增加在沒(méi)有冷凝危險(xiǎn)的情況下在峰值發(fā)電期間可添加到燃燒空氣中的補(bǔ)充水或蒸汽的量。同時(shí)，由于在HRGG 22的三個(gè)部分中回收熱量，因此吸熱裝置需求減小，這樣，燃?xì)廨啓C(jī)16在更高流量下高效運(yùn)行，同時(shí)不會(huì)有大量熱能損失到大氣中。因此，為了加熱燃燒空氣、補(bǔ)充水和蒸汽和將水或蒸汽添加到燃燒空氣中而回收排氣熱量的組合將大幅度提高熱電聯(lián)合廠(chǎng)的循環(huán)效率和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)能夠在熱電聯(lián)合用途中裝備大型燃?xì)廨啓C(jī)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選形式中，流向燃燒室30的燃料流量通過(guò)溫度控制器58調(diào)節(jié)，該溫度控制器58控制閥60以使渦輪葉片的表面溫度保持在冶金極限或低于該冶金極限。這通過(guò)控制流向燃燒室30的燃料流量和流向飽和器28的水流量而實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的一個(gè)重要方面是，它允許燃?xì)廨啓C(jī)可以選擇有大于電廠(chǎng)可用吸熱的最大膨脹機(jī)排氣熱負(fù)載，從而能夠?qū)崿F(xiàn)與大型燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)的增加生產(chǎn)效率。不過(guò)，在某些市場(chǎng)情況下，希望通過(guò)降低燃?xì)廨啓C(jī)流量來(lái)減小發(fā)電。如下面詳細(xì)所述，當(dāng)電價(jià)無(wú)利可圖時(shí)，本發(fā)明的裝置和方法也能夠高效降低熱電聯(lián)合廠(chǎng)的生產(chǎn)。這樣降低生產(chǎn)可能導(dǎo)致排氣熱負(fù)載不能充分滿(mǎn)足該電廠(chǎng)的蒸汽和/或加熱油需求。因此，HRG 22還可以提供有補(bǔ)充燃燒器62，用于燃燒補(bǔ)充燃料64，從而加熱提供給HRGG 22的部分40的排氣24，以便產(chǎn)生熱電聯(lián)合產(chǎn)品。
在包含熱電聯(lián)合蒸汽的一個(gè)實(shí)施例中，供給補(bǔ)充燃燒器的補(bǔ)充燃料流量通過(guò)壓力控制器63和閥68調(diào)節(jié)。壓力控制器63監(jiān)測(cè)電廠(chǎng)蒸汽集管的壓力，并在需要時(shí)調(diào)節(jié)補(bǔ)充燃料64的流量。如現(xiàn)有技術(shù)所知，蒸汽發(fā)生器42可用包括提供不同壓力蒸汽的裝置，例如提供650psig(4583kPa絕對(duì)壓力)的高壓蒸汽和125psig(963kPa絕對(duì)壓力)的低壓蒸汽。因此，壓力控制器63可用包括兩個(gè)或更多控制器，以便監(jiān)測(cè)整個(gè)電廠(chǎng)蒸汽系統(tǒng)的不同蒸汽集管。
本發(fā)明的方法和裝置的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性如表1所示，它對(duì)在各種熱量回收模式下的小型和大型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電量、吸熱要求和效率進(jìn)行了比較。
表1本發(fā)明與其它熱電聯(lián)合和組合循環(huán)方法的比較

熱電聯(lián)合廠(chǎng)的熱耗率也說(shuō)明與熱電聯(lián)合加熱介質(zhì)的可用性相關(guān)的燃料節(jié)省性，換句話(huà)說(shuō)，該熱耗率定義為[進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃料熱值(BTU/H)-由于熱電聯(lián)合的加熱介質(zhì)的可用性而在其它地方節(jié)省的燃料熱值(BTU/H)]/凈電力(MW)因此，例如當(dāng)熱電聯(lián)合產(chǎn)品是蒸汽時(shí)，由于不用在電廠(chǎng)其它地方汽化這么多蒸汽而節(jié)省了燃料。在組合循環(huán)電廠(chǎng)中，沒(méi)有與熱電聯(lián)合產(chǎn)品相關(guān)的燃料節(jié)省。
方法6是利用較小的General Electric GE 6B燃?xì)廨啓C(jī)的熱電聯(lián)合廠(chǎng)，該GE 6B燃?xì)廨啓C(jī)的大小不超過(guò)可用的電廠(chǎng)吸熱裝置。熱電聯(lián)合產(chǎn)品是高壓和低壓蒸汽，且沒(méi)有向HRGG補(bǔ)充燃燒器供給補(bǔ)充燃料。方法6的熱耗率優(yōu)于三個(gè)其它方法，但是凈發(fā)電非常低。因此，需要大量的GE 6B燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)滿(mǎn)足電廠(chǎng)的總發(fā)電，需要的投資非常高。
方法3表示了在熱電聯(lián)合廠(chǎng)中用較大的先進(jìn)的GE 7EA燃?xì)廨啓C(jī)代替較小的燃?xì)廨啓C(jī)。該GE 7EA在低熱耗率的情況下產(chǎn)生超過(guò)兩倍的電力，但是當(dāng)測(cè)量650psig(4583kPa絕對(duì)壓力)和125psig(963kPa絕對(duì)壓力)的蒸汽產(chǎn)生量時(shí)，需要大得多的吸熱裝置。在很多電廠(chǎng)中，該蒸汽量大于在電廠(chǎng)其它地方的蒸汽消耗量，這樣，膨脹機(jī)排氣的熱負(fù)載超過(guò)可用吸熱。
方法4表示了在熱電聯(lián)合廠(chǎng)中采用GE 7EA燃?xì)廨啓C(jī)的吸熱極限的效果。只需要在HRGG中回收高溫膨脹機(jī)排氣熱量中的滿(mǎn)足電廠(chǎng)蒸汽需求的部分。其余的排氣熱量排放到大氣中，導(dǎo)致很高的煙囪排氣溫度。該熱量向大氣中的所示導(dǎo)致更大熱量消耗。因此，在吸熱裝置小于最大排氣熱負(fù)載的電廠(chǎng)中，為產(chǎn)生與方法3同樣的凈電力，GE 7EA燃?xì)廨啓C(jī)在更高熱耗率下工作。該較高熱耗率使得較大GE 7EA燃?xì)廨啓C(jī)很難在經(jīng)濟(jì)上適用，因?yàn)槊壳咝r(shí)電力需要更多燃料。
方法1表示了采用如圖1所示的本發(fā)明回?zé)崾綗崃炕厥辗椒ǖ男省Ｍㄟ^(guò)將膨脹機(jī)排氣熱量直接回收到通向燃燒室的壓縮空氣中，與具有較大可用吸熱裝置的電廠(chǎng)的熱電聯(lián)合方法例如方法3相比，本發(fā)明的方法有較低的吸熱裝置。不過(guò)，與方法4相比，排氣有更低熱能，且所需吸熱裝置低得多。熱耗率比方法4低得多，因?yàn)橥ㄟ^(guò)煙囪損失到大氣中的熱量更少。根據(jù)本發(fā)明方法，與換熱器70一起工作的較大GE 7EA在較低熱耗率下產(chǎn)生的電力超過(guò)較小GE 6B燃?xì)廨啓C(jī)在較低熱耗率下產(chǎn)生的電力的兩倍，同時(shí)只需要稍微大一點(diǎn)的吸熱裝置。熱耗率較低，部分是因?yàn)檩^大燃?xì)廨啓C(jī)在較高電力輸出時(shí)在軸承中的摩擦損失更低。且安裝較大燃?xì)廨啓C(jī)的成本比安裝較小GE 6B燃?xì)廨啓C(jī)的成本低$150/KW，因?yàn)樾枰僭O(shè)備來(lái)滿(mǎn)足電廠(chǎng)的總發(fā)電量。
采用本發(fā)明的方法的熱電聯(lián)合廠(chǎng)的裝備和工作成本也優(yōu)于組合循環(huán)電廠(chǎng)。方法5表示了有GE 7EA燃?xì)廨啓C(jī)的組合循環(huán)電廠(chǎng)。由膨脹機(jī)排氣產(chǎn)生的全部蒸汽都在冷凝渦輪中冷凝，以便產(chǎn)生附加的電力。因此，凈發(fā)電量較大，且不需要吸熱裝置。不過(guò)，該組合循環(huán)電廠(chǎng)的熱耗率極高，因?yàn)橹挥写蠹s三分之一的排氣熱量在冷凝汽輪機(jī)中轉(zhuǎn)變成電力。其余的排氣熱量損失到冷凝循環(huán)的冷卻水中。
方法2表示了一種熱量回收方法，通過(guò)該方法，膨脹機(jī)排氣熱量用于產(chǎn)生能充分滿(mǎn)足電廠(chǎng)吸熱限制的高壓和低壓蒸汽，其余的蒸汽抽出并在汽輪機(jī)中冷凝，以便產(chǎn)生附加電力。該方法產(chǎn)生更多凈電力，但還是有高于方法1的熱耗率，因?yàn)槔淠羝l(fā)電的熱力學(xué)效率低。因此，與組合循環(huán)電廠(chǎng)相比，本發(fā)明的方法能夠有更好的工作效率，同時(shí)能夠避開(kāi)采用較大燃?xì)廨啓C(jī)的電廠(chǎng)可用吸熱限制。
盡管沒(méi)有在表1中表示，但是本發(fā)明的方法還包括向燃燒空氣中加水，如圖1所示和上面所述。加水的速度在標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)廨啓C(jī)中是有限的，因?yàn)楹ε滤淠?。因?yàn)楸景l(fā)明的方法增加了燃燒空氣的溫度，該限制減輕，可以添加更多水。這樣加水可以產(chǎn)生超過(guò)20％的附加峰值電力。
因此，本發(fā)明的方法不僅大幅度減小熱電聯(lián)合廠(chǎng)所需的吸熱裝置，而且大幅度增加了循環(huán)效率，當(dāng)價(jià)格有利時(shí)可以進(jìn)行附加發(fā)電。
表2本發(fā)明在各個(gè)負(fù)載下的特性

表2表示了本發(fā)明的發(fā)電方法的柔性工作的另一重要方面。正常情況下，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)從它的滿(mǎn)載容量降低時(shí)，它的效率降低。通常，通過(guò)使空氣流量減小至基本負(fù)載流量的80％，可以降低燃?xì)廨啓C(jī)功率。進(jìn)氣引導(dǎo)葉片使得流量減小。如前所述，燃料流量可以控制成能夠保持第一排膨脹機(jī)葉片上的表面溫度，如前所述。電廠(chǎng)功率降低還需要降低燃料流量，這降低膨脹機(jī)內(nèi)的溫度，降低渦輪效率。
本發(fā)明方法的熱量回收方案顯著減小了降低功率工作時(shí)的效率損失。這是因?yàn)樵诮档凸β薁顟B(tài)下，換熱器38實(shí)際上回收了更多熱量。這時(shí)應(yīng)當(dāng)知道，當(dāng)氣流量降低時(shí)，橫過(guò)膨脹機(jī)26的壓力降也降低。壓氣機(jī)14的出口壓力高于膨脹機(jī)進(jìn)口壓力。如圖2所示，當(dāng)壓縮空氣流量18和膨脹機(jī)排氣流量24減小時(shí)，壓氣機(jī)排氣溫度降低，因?yàn)闈M(mǎn)足膨脹機(jī)進(jìn)口壓力所需的壓縮量降低。當(dāng)負(fù)載減小時(shí)膨脹機(jī)排氣溫度增加，因?yàn)榕蛎洐C(jī)進(jìn)口壓力和膨脹更小。這兩個(gè)因素提供了更大的傳熱驅(qū)動(dòng)力(即更大的LMTD)，因此，即使排氣流量降低，利用同樣的換熱面積也能回收更多熱量。因此，當(dāng)電價(jià)較低時(shí)(例如當(dāng)晚上由煤確定電價(jià)時(shí))，利用本發(fā)明的熱量回收方法的熱電聯(lián)合廠(chǎng)能夠降低功率，同時(shí)不會(huì)大量損失效率。這給熱電聯(lián)合廠(chǎng)家提供了一種更高效的方法，以便當(dāng)電價(jià)較低時(shí)減小發(fā)電量。當(dāng)在降低功率狀態(tài)下工作時(shí)，當(dāng)?shù)氐母郊诱魵庑枨罂梢酝ㄟ^(guò)在回?zé)峒訜崞骱竺娴难a(bǔ)充燃燒器23中進(jìn)行補(bǔ)充燃燒來(lái)滿(mǎn)足。
因此，本發(fā)明的方法和裝置大幅度降低了燃?xì)廨啓C(jī)所需的吸熱裝置，從而使熱電聯(lián)合廠(chǎng)家能很好地增加循環(huán)效率，降低較大燃?xì)廨啓C(jī)的每千瓦設(shè)備成本。本發(fā)明還使得熱電聯(lián)合廠(chǎng)家能夠根據(jù)電價(jià)水平來(lái)優(yōu)化電廠(chǎng)工作，同時(shí)滿(mǎn)足電廠(chǎng)吸熱裝置限制和蒸汽或熱油的需求。因此，在正常的市場(chǎng)情況下，本發(fā)明的方法能夠使電廠(chǎng)在基本負(fù)載下工作，同時(shí)直接將排氣熱量回收到燃燒空氣中，從而不會(huì)產(chǎn)生超過(guò)電廠(chǎng)需求的更多蒸汽或熱油。在電力需求和價(jià)格增加期間，本方法也能加水，以便使燃燒空氣飽和，并產(chǎn)生附加的峰值電力，同時(shí)不會(huì)超過(guò)電廠(chǎng)可用吸熱。在電力需求和價(jià)格水平較低時(shí)，本發(fā)明能夠通過(guò)減小空氣和/或燃料流量來(lái)降低燃?xì)廨啓C(jī)的功率，且在需要時(shí)向補(bǔ)充燃燒器提供補(bǔ)充燃料，以便滿(mǎn)足電廠(chǎng)蒸汽或熱油的需求。因此，本發(fā)明的方法包括根據(jù)當(dāng)前電力市場(chǎng)狀態(tài)、電廠(chǎng)吸熱裝置限制和電廠(chǎng)蒸汽和熱油需求的變化而自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)工作的方法，從而提高熱電聯(lián)合廠(chǎng)工作的經(jīng)濟(jì)性。
盡管本發(fā)明參考特定實(shí)施例進(jìn)行了介紹，但是應(yīng)當(dāng)知道，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行多種變化，本發(fā)明的精神和范圍如下面的權(quán)利要求所述。
權(quán)利要求
1.一種在熱電廠(chǎng)中發(fā)電的方法，該熱電廠(chǎng)在燃燒器中燃燒燃料和空氣的混合物，并產(chǎn)生渦輪廢氣，該方法包括通過(guò)在空氣傳送給燃燒室之前與該空氣進(jìn)行換熱，從而冷卻渦輪廢氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在與渦輪排氣進(jìn)行換熱之后和將該空氣傳送給燃燒室之前，將水添加到該燃燒空氣中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中冷卻的渦輪排氣通過(guò)利用其中的熱量產(chǎn)生蒸汽而進(jìn)一步冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中冷卻的渦輪排氣通過(guò)利用其中的熱量熱流體而進(jìn)一步冷卻。
5.在發(fā)電和生產(chǎn)一種或多種熱電產(chǎn)品的熱電廠(chǎng)中，一種用于減小每產(chǎn)生單位電力而產(chǎn)生的熱電產(chǎn)品的量的方法，該方法包括使燃?xì)廨啓C(jī)包括壓氣機(jī)部分、燃燒室部分和膨脹機(jī)部分；將燃料和壓縮空氣傳送給燃燒室部分；在燃燒室部分中燃燒所述燃料和空氣，以便提供熱燃?xì)?；將該熱燃?xì)鈧魉徒o膨脹機(jī)部分，以便發(fā)電和產(chǎn)生膨脹機(jī)排氣；通過(guò)膨脹機(jī)排氣和在流入燃燒室部分之前的壓縮空氣之間的換熱來(lái)除去膨脹機(jī)排氣中的熱量，從而冷卻膨脹機(jī)排氣和加熱壓縮空氣；以及利用冷卻的膨脹機(jī)排氣中的熱量來(lái)產(chǎn)生一種或多種熱電產(chǎn)品。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中該一種或多種熱電產(chǎn)品包括蒸汽。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中該一種或多種熱電產(chǎn)品包括液體加熱介質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中在將壓縮空氣傳送給燃燒室部分之前，將水傳送給壓縮空氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中在空氣通過(guò)膨脹機(jī)排氣加熱之前，將水傳送給壓縮空氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中在空氣通過(guò)膨脹機(jī)排氣加熱之后，將水傳送給壓縮空氣。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中在傳送給壓縮空氣之前，水通過(guò)冷卻膨脹機(jī)排氣而加熱。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中傳送給壓縮空氣的水的流量根據(jù)傳送給燃燒室部分的壓縮空氣的溫度而選定。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中傳送給燃燒室部分的壓縮空氣的溫度保持足夠高，以防止水冷凝。
14.根據(jù)權(quán)利要求5、8或11所述的方法，其中傳送給燃燒室部分的燃料的流量根據(jù)在燃?xì)廨啓C(jī)的膨脹機(jī)部分的進(jìn)口處的熱燃?xì)鉁囟榷x定。
15.根據(jù)權(quán)利要求5或14所述的方法，其中該燃?xì)廨啓C(jī)在低于它的最大燃料和空氣流量的情況下工作。
全文摘要
一種發(fā)電的方法和裝置，包括采用具有燃?xì)廨啓C(jī)的熱電聯(lián)合系統(tǒng)。該燃?xì)廨啓C(jī)包括一個(gè)壓氣機(jī)部分(14)，用于接收將進(jìn)行壓縮的空氣(12)。該壓縮空氣供給燃燒室部分(30)，在該燃燒室部分(30)中，壓縮空氣與燃料(32)混合，該燃料燃燒以產(chǎn)生熱燃?xì)?。該熱燃?xì)庠谂蛎洐C(jī)部分(26)中膨脹，以便產(chǎn)生軸功，該軸功用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)，以便產(chǎn)生電力。熱燃?xì)庾鳛闇u輪排氣(24)而離開(kāi)膨脹機(jī)，通過(guò)將渦輪排氣(24)的至少一部分熱量傳遞給在燃燒室前面的空氣中，從而冷卻該渦輪排氣(24)。
文檔編號(hào)F02C7/08GK1418286SQ01806802
公開(kāi)日2003年5月14日 申請(qǐng)日期2001年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月20日
發(fā)明者弗蘭克·F·米特里克, 邁克爾·特納 申請(qǐng)人:?？松梨诨瘜W(xué)專(zhuān)利公司