使用循环加压流化床燃烧器的双等压循环燃气轮机发电设备

摘要

公开了一种使用一循环加压流化床燃烧器的双等压缩循环式燃气轮机发电设备。在其开式等压循环中，从流化床燃烧器流出的高热烟气膨胀作功而驱动压缩机而为流化床燃烧器提供燃烧空气并驱动一发电机发电。从该开式等压循环排出的烟气的余热可以高电力—热力比用作热电联产。在其闭式等压循环中，其工作介质在该循环加压流化床燃烧器的一间接加热器中加热后膨胀作功而驱动另一台发电机。由开式等压循环供应的空气还用来流化该间接加热器中的被加热的粒子。该发电设备可燃烧多种多样的燃料，可建造成种种功率，并在高效率，低成本发电和供热的同时对环境的污染最小。

说明书

相关申请

本申请为申请日为1994年2月10日的美国专利申请Seria1 NO.08/194,726的部分继续申请。

本发明领域

本发明涉及发电设备，特别涉及双等压循环燃气轮机发电设备。

本发明的背景

发电设备效率的提高直接关系到经济效益和环境保护。特别要求这类高效发电设备能燃烧多种多样的燃料而环境污染程度最低。非常希望达到的另一个特征是，发电设备不论何种规模都能经济地运行，因为某些可再生(生物量)燃料最适用于小型发电设备，而煤和天然气之类的其它燃料较适用于大型电站。尽管现有发电设备实现了这许多特征，但对效率的追求使得发电设备十分复杂，这些发电设备只在规模很大时才能经济地运行且无法燃烧多种燃料。

加压流化床燃烧是一种用来燃烧纯燃料、特别是固体燃料的公知方法。它能通过与燃烧过程中添加的吸收剂发生化学反应而除去大多数煤中所含有的硫之类的污染物。加压流化床还把燃烧温度保持在可有效吸收污染物并限制有毒氧化氮的生成量的范围内。流化床燃烧因而在燃烧大多数燃料的所产生的排污量在环境可接受的范围内。

加压流化床燃烧器可以是循环型，也可以是沸腾型，这两种类型有若干差别。首先，循环型床的流化速度比沸腾型床高，因此其燃烧器更小型化，从而送料方便，燃料以及吸收剂(需要添加时)的分布更均匀。由于循环燃烧器更小，因此便于用标准构件组装成发电设备。其次，循环型燃烧器可通过控制床料的再循环率而使负荷跟踪更简单，不像沸腾床那样，需要另有床料贮器以便根据负荷在该贮器与沸腾床之间来回运送床料。最后，循环燃烧器的热交换器位于条件恶劣的燃烧床的外部，而沸腾床的热交换设备位于该床内部。

循环加压流化床燃烧器在一由一简单的开式等压循环燃气轮机与一朗肯汽轮机组成的组合循环中用来发电。尽管等压循环的功率转换效率较高，但这类发电设备的整个效率不高，因为朗肯循环由于在汽轮机功率循环的蒸气冷凝相中的潜热损耗大而热效率低。

为了提高组合循环效率，先进的设计使用极大量的过量空气、更高的燃烧压力和更高的燃气轮机入口温度来提高燃气轮机与汽轮机的热负荷比从而提高燃气轮机循环的效率。为了提高燃气轮机的温度，使用常见的第二燃烧器在从流化床排出的烟气进入燃气轮机前进一步加热该烟气。这类先进组合循环的总效率虽有所提高，但由于朗肯循环汽轮机的低效率而仍不够高。组合循环发电设备的另一个长期未获解决的问题是规模经济问题。由于汽轮机及其相关设备的复杂性，只有较大型的汽轮机才经济。这一问题大大限制了组合循环发电设备应用于比方说独立发电或小功率生物量发电设备的商业价值。

可用不使用汽轮机的功率转换循环来解决现有流化床燃烧器发电设备的这些问题。美国专利NO.3,791,137公开了一种方法，其中，与沸腾加压流化床燃烧器一起使用的是一基于一开式循环燃气轮机和一闭式循环氦气涡轮的功率转换循环。但是，这一设计存在若干重大技术和经济问题，从而阻碍它的商业化。首先，用作闭式循环氦气涡轮的间接加热器的热交换器必须放置在沸腾床的燃烧床中。因此加热器外表面(燃烧的一边)在燃烧床环境中易受腐蚀。此外为了提高闭式循环氦气涡轮的热效率，必须在加热器中把闭式等压循环燃气轮机的氦气流加热到接近于床的燃烧的高温，从而使加热材料承受很高温度而加速加热器材料的腐蚀。在这种情况下，加热器很难使用通常的廉价材料来获得足够长的使用寿命。其次，该燃烧器必须在较低压力下工作。例如约为6个大气压。由于在更高压力下没有有效手段来控制烟道损耗，因此提高压力会使系统热效率降低。因此虽然提高燃烧压力可减小燃烧器的大小并从而降低燃烧器的成本以及减小加到加热器制作材料上的压力负荷和应力，但美国专利NO.3,791,137的设计却无法利用这一做法。第三，为了有效控制排污量，流化床的燃烧温度必须低，从而限制了循环的总效率。最后，用于电功率约为20兆瓦的小型发电设备的氦气涡轮的机械设计和空气动力设计存在诸多困难，从而限制了闭式循环氦气涡轮的应用。

本发明概述

本发明提供一种循环加压流化床燃烧器发电设备，从而克服了上述问题，该发电设备基于由一开式等压循环燃气轮机和一闭式等压循环燃气轮机构成的双等压循环燃气轮机。使用一循环加压流化床燃烧器来加热开式循环燃气轮机的工作介质。用一与该循环加压流化床燃烧器相连的间接加热器来加热闭式循环的工作介质。该间接加热器位于该流化床燃烧器外部，从而使加热器材料不处在易受腐蚀的燃烧器环境中，从而可使用通常的廉价加热器制作材料而获得足够长的使用寿命。燃气轮机的简单性和低成本有助于降低基本投资并提高现有循环加压流化床燃烧器发电设备的经济规模。

闭式循环燃气轮机的工作介质最好为氦气或氦气与氖、氮或二氧化碳之类其它较重气体中的一种或多种气体的混合气体，虽然需要时也可使用空气、氮气或二氧化碳等作为工作介质。由于可使用多种工作介质，因此本发明发电设备在技术上可建成种种功率而适合种种商业应用。

本发明在开式和闭式循环燃气轮机中都可进行循环的中间冷却和间壁式回热，从而实现高效的循环功率转换并便于循环加压流化床燃烧器的设计和性能优化。由于热效率高，因此发电成本具有竞争力、并使污染减少。

在本发明另一实施例中，开式循环燃气轮机另有一燃烧石油或天然气之类流体燃料的燃烧器。也可使用一气化器而使固体燃料气化成其它种类燃气。这样，该燃气轮机的入口温度就不再受流化床燃烧低温的限制。可通过该第二燃烧器提高该入口温度而充分利用燃气轮机的现代技术水平，从而大大提高发电设备的总效率。

在本发明又一实施例中，则装有热电联产装置，从而利用开式循环燃气轮机的废热和从冷却发电设备两循环和诸设备中提取的热量而以很高的电力-热力比实现热电联产。此外，可使用该热电联产装置生成蒸气注入该开式循环燃气轮机中而大大提高该循环的功率容量和效率。

对附图的说明

从下述结合附图的详细说明中可更充分理解本发明，附图中：

图1为有本发明使用循环加压流化床燃烧器的双等压循环燃气轮机发电设备的示意图；

图2为本发明使用循环加压流化床燃烧器的中间冷却、间壁式回热双等压循环燃气轮机发电设备的示意图；

图3为本发明另一实施例的在图2发电设备中加装一燃烧流体燃料的燃气轮机燃烧器的示意图；

图4为本发明又一实施例的在图3发电设备中加装一固体燃料气化器而产生纯净燃气来燃烧该燃气轮机燃烧器的示意图；

图5为本发明另一实施例的在图1发电设备中加装一热回收装置而进行热电联产的示意图；

图6为本发明又一实施例的在图5发电设备中加装一用来调节间壁式回热和热电联产的间壁式回热器的示意图；

图7为一双等压循环性气轮机发电设备的示意图，示出各种热电联产装置；以及

图8为按照本发明用蒸气注入开式循环燃气轮机中的一双等压循环燃气轮机发电设备的示意图。

对本发明的详细说明

图1总的示出本发明发电设备。该发电设备包括一闭式等压循环燃气轮机组14、一开式等压循环燃气轮机组15、一循环加压流化床燃烧器16和一间接加热器17。

燃料送入流化床燃烧器16中燃烧而加热燃烧床中的固体粒子并产生高热烟气。被加热的固体粒子随烟气气流从燃烧器流入间接加热器17后流回燃烧器。该流化床燃烧器和间接加热器可以是现有技术中公知的任何合适类型。在该间接加热器中，用这些粒子把热量输入到闭式循环燃气轮机组14中，而该燃气轮机组14通过一发电机26把该热量转变成电。开式循环燃气轮机组15使用高热烟气的显热作功而为流化床燃烧器提供压缩燃烧空气并驱动另一发电机36发电。系统总效率可达50％。

更确地说，该闭式等压循环燃气轮机组14包括一压缩机20、一燃气轮机21、一冷却器23和一发电机26。该机组以一定工作气体作闭式循环运行。该工作流体通过一装在间接加热器17中的热交换器60被加热到高温。如图2所示，该闭式等压循环中最好包括中间冷却和间壁式回热。此时，该机组除了燃气轮机21和发电机26外，还包括一低压压缩机20a、一中间冷却器24a、一中压压缩机20b、另一中间冷却器24b、一高压压缩机20c、一间壁式回热器22和一预冷却器23。气体首先在低压压缩机中受压缩后导到中间冷却器24a中而在其中提取前述压缩过程中产生的热量。该冷却气体然后在中压压缩机20b中再次更有效压缩后在中间冷却器24b中再次提取热量后在高压压缩机中再次压缩。可使用任何合适数量的压缩机和中间冷却级。该循环中的中间冷却可使该燃烧装置加压到比方说高达30大气压的很高压力，以便在防止该燃烧装置的热效率大大下降的同时使该装置的设计优化。

该压缩气体从高压压缩机流入间壁式回热器22的一边而与流过该间壁式回热器的另一边的燃气轮机的废气进行热交换而被加热。该暖气流然后流入加热器17中被加热到一高温，该高热气体从加热器流入燃气轮机21发生膨胀而产生驱动轴25上的三台压缩机和发电机的功率。燃气轮机的废气通过间壁式回热器22而把剩余热量传回给该循环，然后它在预冷却器23中冷却后送入低压压缩机20a而开始下一个循环过程。

由于采用闭式循环运行，因此该闭式循环燃气轮机组可加压而减小该循环设备的大小。虽然该机组可用空气、氮或二氧化碳作为工作介质，但由于氦具有许多优良的热力学特性，因此最好使用氦。氦气的高声速可减轻马赫数对涡轮和压缩机的空气动力设计所加的限制。由于氦的比热大、热导率高，加上系统加压，从而使循环的功率密度高、传热设备的尺寸小，这一切都使发电设备成本下降。但若在功率输出小于约20兆瓦的小型发电设备中使用氦气涡轮，就会出现机械和空气动力设计问题，包括径向间隙过分损失和转子不稳定。此时，可用上述其它气体或氦与氖、氮或二氧化碳之类分子量更大的气体的混合气体克服小型闭式循环燃气轮机的设计问题。

如图1所示，开式等压循环燃气轮机组15包括一压缩机30、一燃气轮机31和一发电机36。最好如图2所示，该开式等压缩环中也有中间冷却和间壁式回热。此时，该机组除了该燃气轮机31和发电机36外，还包括一低压压缩机30a、一中间冷却器34a、一中压压缩机30b、另一中间冷却器34b、一高压压缩机30c和一间壁式回热器32。必要时，开式和闭式循环燃气轮机组可使用同一发电机，而不是各循环使用各自的发电机。

开式循环燃气轮机组的循环过程开始时空气从进气口33被吸入该循环中而相继在三个压缩机中压缩。与闭式循环一样，中间冷却器34a和34b使空气在两相邻压缩机之间中间冷却而更有效地压缩。可使用任何合适数量的压缩机和中间冷却级。此外，中间冷却把最终离开压缩机30c的压缩空气保持在足够低的温度上，以确保间壁式回热器32中烟气热量的有效回收，从而大大降低烟道损耗并从而大大提高燃烧器的热效率。从间壁式回热器流出的空气然后一部分经一喷嘴44流入加热器17用作加热器流化空气、一部分分别经喷嘴45和46流入流化床燃烧器而用作主燃烧空气和副燃烧空气。流出该燃烧器的高热烟气经净化后导入燃气轮机31中膨胀而产生驱动轴35上的三个压缩机和发电机36的功率。从该燃气轮机流出的废气进入该间壁式回热器在它流到烟囱37而散布到大气中之前把剩余热量返回给该循环系统。

图1示意出的循环加压流化床燃烧器16包括一燃烧床50和一固体-气体旋风分离器51。如图2所示，还可设一烟气净化过滤器52。工作时，燃烧床50用一燃料供应装置53输入的固体、气体或液体燃料燃烧。含有硫之类污染物的脏燃料可与一吸收剂一起输入，该吸收剂可在燃烧时通过化学反应除去污染物。燃烧床的燃烧温度保持在可有效吸收污染物而足以限制氧化硫和氧化氮之类污染物的排放量的范围内。从燃烧床流出的烟气在旋风分离器51与它所挟带的固体粒子分离并必要时在它通过管道56被送到燃气轮机31之前在烟道净化过滤器52中进一步清除掉剩余固体物质。收集在旋风分离器中的高热固体粒子被送到加热器17用来加热闭式循环燃气轮机组后从加热器经控制管道57以受控流率返回燃烧床中。负荷跟踪时可通过控制固体粒子的返回流率而调节燃烧床的燃烧温度和加热器的加热容量。在过滤器从烟气中过滤出的固体物质经出口管58清除出该过滤器后进一步进行冷却和处置。

如果流出旋风分离器51的烟气中的粒子含量低到不足以腐蚀或污染下游设备的话，则如图1所示，可省略过滤器52。另一方面，若烟气中有数量多到燃气轮机31的运行无法接受的碱性蒸气进入该燃气轮机，则在过滤器52上游可选装一烟气冷却器59(图2中虚线所示)冷凝烟气中的碱性蒸气而用该过滤器除去凝结成碱液的碱蒸气。此时，从间壁式回热器22流出而流回加热器17的部分或全部闭式循环冷气流可首先流过烟气冷却器59而通过一热交换器冷却烟气，然后再导入该加热器中。

间接加热器17接收从旋风分离器经一进口管55流入一箱61中的固体粒子。固体粒子的显热通过一浸没在固体粒子中的热交换器60传给闭式循环燃气轮机组的气流。来自开式循环燃气轮机的空气经喷嘴44进入空气压力通风分配器62而喷入箱61中流化固体粒子而便于加热器的对流传热。从加热器流出的空气作为副燃烧空气经喷嘴46送入燃烧床。从加热器排出的固体粒子经加热器底部近旁的管道57返回燃烧床中。

图3为本发明另一实施例的示意图，其中，与图1和图2相同的部分用同一标号表示而不再赘述。如图3所示，加装了一用燃料供应装置37送入的气体或液体燃料燃烧的第二燃烧器38。为了控制排污量，流化床的燃烧温度必须较低，从而造成开式循环燃气轮机的入口温度较低并从而效率较低，加上燃烧器38后可把流化床燃烧器的烟气加热到高得多的温度而充分利用燃烧气轮机的现代技术水平。从燃烧器38流出而温度提高了的烟气然后经管道39送到燃气轮机31而在该循环中进行高效的功率转换。而且，在流化床燃烧器或闭式循环燃气轮机组因故障而停机时，可只使用燃烧器38以开式循环燃气轮机保持部分发电。在起动发电设备时，可只把燃烧器38或同时把燃烧器38和16用作起动燃烧器。

可把供应有极过量空气的流化床燃烧器输出的脏空气用作燃烧器38所需的燃烧空气。把燃烧空气供应给燃烧器38的另一条路线或替代路线是用管道41(图3中虚线所示)从间壁式回热器32分别引出一部分气流而通过空气输送管43(虚线所示)送入燃烧器38。若要对过滤器52的烟气净化工作进行冷却，则可把管道41中的部分或全部气流首先用一喷嘴42(也用虚线表示)导入过滤器52而通过直接混合或一热交换器冷却进入该过滤器的烟气，然后经管道56送入该燃烧器。

图4示出本发明另一实施例，其中在图3实施例中加装一加压固体燃料气化器7 0而用来产生燃烧器38的纯燃气。图4中与图1到图3实施例相同的部件用同一标号表示而不再赘述。以亚化学计算燃烧固体燃料而生成高热、低热值的燃气，然后在高热燃气净化装置71中净化后送入燃烧器38。与前述流化床燃烧一样，若燃料中有污染物的话，可把吸收剂与固体燃料一起注入该气化器而通过化学反应吸收掉这些污染物，由于其工作原理，气化器会产生焦化残余物，这些焦化残余物可在流化床燃烧器中燃烧。而且，可用空气、氧、水或它们的混合物加强气化过程。若用空气加强该气化过程，则可使用开式循环燃气轮机的压缩空气，若使用氧或水，则需另有设备把氧或水供应给该气化器。

图5示出本发明另一实施例，其中，在图1实施例中加装一热回收装置6 3而用开式循环燃气轮机的废气中的余热进行热电联产。图5中与图1实施例相同的部件用同一标号表示而不再赘述。从燃气轮机3 1流出的废气进入该热回收装置而以其余热进行热电联产后流到烟囱37中而散发到大气中。该热回收装置产生的热量可用于(但不限于)比方说地区性供暖和降温和用作低温处理热量。由于流化床燃烧器能与各种数量的过量燃烧空气低温燃烧燃料，因此可获得种种电力与热力联产比而满足种种热电联产需要。

图6简示出本发明又一实施例，其中，与图1到图5相同的部件用同一标号表示而不再赘述。如图6所示，间壁式回热器32与热回收装置63相连而参与燃气轮机31的废气中的余热的回收并用作调节热电联产的装置。用一导管64旁通热回收装置63而把部分或全部燃气轮机废气引入间壁式回热器32的一边，从而废气将其余热传给在该间壁式回热器另一边流动的压缩空气，从而调节热电联产比。从间壁式回热器32流出的废气然后在导管65中流到烟囱37而散发到大气中。另外或者作为替代，也可把从间壁式回热器32流出的部分或全部烟气用导管66(虚线所示)导入热回收装置63而进一步回收废热或与经导管67直接来自燃气轮机31废气的温度较高的烟气混合而调节该热回收装置的温度。可用现有技术中公知的合适的阀和阀调节装置按需要把烟气导到间壁式回热器32和热回收装置63。

尽管上面用图5和图6的实施例总的例示了热电联产方法，但按照所示方法的原理，这些方法同样可用于本发明其它实施例。

热电联产的热量还可用合适的热电联产装置从各中间冷却器24a、24b、34a、34b和预冷却器23提取以及进一步回收烟囱37中的烟气的废热。此外，若需要冷却流化床燃烧器16或间接加热器17的四壁以便降低四壁的工作温度，则可用合适的热电联产装置从这类冷却中提取热量，如图7中流化床燃烧器16旁的箭头80和间接加热器17旁的箭头81所简示。同样，可用合适的热电联产装置冷却固体-气体旋风分离器51、烟气净化过滤器52和烟气净化装置71的四壁而提取热量，这在图7中分别用箭头82，83和84简示。同样，还可用合适的热电联产装置使用从烟气冷却器59(图2到图4)中的烟气中取得的热量。此时，不再把闭路循环的工作介质用作图2到图4中所示烟气冷却器的冷却剂。在发电设备的实际运行中，设在发电设备各处的这类热电联产装置可单独或联合工作而获得热流流量和温度之类所需热电联产特性并满足特殊的设计要求，这在本技术领域是众所周知的。

图8示出本发明又一实施例，其中，把蒸气注入开式循环燃气轮机中而提高该循环的功率容量和效率。与图1到图7中相同的部件用同一标号表示而不再赘述。所注入的蒸气可用上述任一热电联产装置提取的热量产生。作为举例，图8示出一种产生并注入蒸气的流程图，同样的流程可用于其它热电联产装置。如图8所示，纯水从入口72泵入热回收装置63中而由开式循环燃气轮机的废热加热成低温蒸气。从该热回收装置输出的一部分或全部蒸气用管道73导到燃烧器38而经喷嘴75注入该燃烧器，同时在该热交换装置中生成的其余蒸气经管道74(用虚线表示)作为热电联产的低温处理蒸气输出。管道73中的部分或全部蒸气可首先用管道76(用虚线表示)导入烟气冷却器59而进一步由高热烟气加热到更高温度，然后再用喷嘴77(也用虚线表示)注入燃烧器38。由于注入燃烧器38的蒸气提高了从燃烧器流出的烟气气流的质量，因此该气流在燃气轮机31中的膨胀可产生更大功率。为了降低水的消耗，可使用合适设备90回收和处理燃气轮机废气中的水份从而适当净化该回收水而除去燃烧过程中生成的酸和微粒后在蒸气注入循环中反复使用。

上述对本发明具体实施例的说明是例示性和描述性的。上述那类实施例可最佳说明本发明的原理和实际应用，以便本领域的技术人员以各种合适于特殊场合的形式实施本发明。不应把它们看成是把本发明的范围限制在上述精确形式内，事实上可按照上述说明作出种种修正和改动。例如，需要时可对开式循环和闭式循环燃气轮机组作出种种修正，包括使用不同数量的燃气轮机和压缩机和相应数量的中间冷却器、使用不同构造的转子和转轴、用开式和闭式循环燃气轮机驱动同一台发电机，使用不同的发电频率转换方法和设备。同样可对燃烧装置和燃料和烟气的净化装置作出改动。因此本发明范围应由下列权利要求及其合法等同物确定。