煤气化装置和具有空气放气及蒸气注入的联合循环系统的综合设备

摘要

一套联合循环系统与煤气化工厂结合在一起的综合系统，该系统将从燃气轮机的空气压缩机放出的部分压缩空气供应与煤气化工厂有关的制氧工厂，从燃气轮机的涡轮部分排出的高温排气被利用来在回热式蒸汽发生器中产生蒸汽，该水蒸汽驱动一个蒸汽涡轮以产生附加的机械功率输出，为了平衡被放掉的压缩空气，蒸气涡轮使用后的水蒸汽被注入燃气轮机的燃烧室，由燃气轮机的涡轮部分及回热式蒸气发生器加以利用。利用本发明使得可以采用非冷凝式蒸汽涡轮系统。

说明书

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本发明是关于能量转换的装置，具体地讲是关于一套燃气-蒸气涡轮系统的联合循环与煤的气化装置组合在一起的综合设备。

在发电装置中经常采用的燃气轮机，其主要优点是它的起动和关车过程非常迅速。例如一个燃气轮机从静止状态起动加速到全载荷状态或从全载荷状态减速到停车状态只需要几分钟的时间。燃气轮机能快速起动及关车所提供的简便性是和那种长期（例如好几年）而经济地工作的大的作基本负荷运行的蒸气涡轮的特性是正相反的，这种大的作基本负荷运行的蒸气涡轮其起动及关车过程相对地就慢而复杂。虽然燃气涡轮在起动、关车方面是很灵活的，但它的热效率不高，原因是燃料在燃气轮机燃烧所产生的热量中相当大一部分在排气中排走了而没有被利用。例如通常民用的燃气轮机其排气温度高达1030华氏度。在一般情况下，燃气涡轮发生器的热效率约为31%，相反一套作基本负荷运行用的蒸气涡轮动力装置的热效率大约为38%这样的量级。这个效率上的差别决定了用于电网发电的燃气轮机通常是相对的短时间工作的，主要是当作基本负荷运行的发电动力装置在电负荷高峰期间不能满足电网的能量需要时作为一种相对较贵的峰期发电辅机而起动起来，一旦峰期过去燃机就关车。

联合循环系统采用了某种技术措施以回收燃气轮机排气中的可用有效能量使进一步利用有的联合循环系统采用了一个回热式蒸气发生器，这个蒸气发生器利用燃气轮机排气中的余热来加热并生产蒸气，接着蒸气就可以在使用过程中被利用，例如在蒸气涡轮中利用这些蒸气。一个采用了具有高压蒸气涡轮后接一个中压蒸气涡轮的回热式蒸气发生器的联合循环系统，其热效率可高达约46%。

燃气轮机必需采用纯净的燃料例如液态或气态碳氢燃料，但这些液态或气态碳氢燃料已日益变得稀缺而昂贵。虽然我们在能源方面有大量的煤可供使用，但由于直接使用煤时会有未燃尽的碳、灰及其它杂质存在，所以煤在燃气轮机中直接应用是不行的。可以采用煤的气化技术来转换煤中的相当大部分的碳氢物质为干净的低热值或中热值气体燃料，这些低或中热值的气体燃料是适宜用于燃气轮机的。较好的煤气化过程采用制氧工厂以生产纯氧。在煤气化工厂中使用氧气而不使用空气就能避免在生产出来的煤的气体燃料中含有氮气。这些氮气不仅会减少煤气化燃料的热值，而且会导致各种氮氧化物污染物质的生成。在清理并处理掉颗粒物质及污染物质之后，这些煤气化燃料就可以用于燃气轮机中了。

一个煤的气化工厂可以和联合循环合在一起而形成一个综合工厂，在那里由煤气化工厂生产出来的燃料气体直接供给联合循环系统，它可以连续供给并即刻烧掉也可以把这气态燃料储存起来以后再在联合循环系统中烧掉。连续供给燃料气体并立即烧掉可以在热效率方面取得好处，例如至少可以利用煤气化过程中的废热能量的一部分来予热供入到燃气轮机中的燃料气体。

对于了解这方面技术的专家来说这是很明显的：要在联合循环系统中得到热效率方面的提高必需在增加投资上付出代价。在联合循环耗资上的主要环节是冷凝器及冷却塔，而为了冷凝由蒸气涡轮出来的使用后的蒸气这些设备通常是必需的。虽然可以采用非冷凝式蒸气循环，但这样的循环其效率是相对的低的，因为它需要把大量经过蒸气涡轮的用过的蒸气排走以便再循环那些在用过的蒸气中所含的水。排走这些蒸气就一起排走了大量的未曾被利用的热能，这就显著地降低了热效率。

相应地说本发明的一个目的的：要提供一套联合循环系统与气体工厂合在一起的综合系统而这套系统能克服以往所采用技术的缺点。

进而这也是本发明的目的之一：要提供一套综合系统，在该系统中采用了非冷凝式蒸气涡轮系统而从高压蒸气涡轮出来的使用后的蒸气的一部分是被喷到一个燃气轮机的涡轮部分去，通过燃气轮机的涡轮部分的总流量是靠从燃气轮机的压缩机的中间级那里放出一部分压缩空气而调整到设计值，这样就可以采用标准的燃气涡轮设计即可需要重新设计而能适应在涡轮中的较大的质量流量，从高压蒸气涡轮出口排出而供入到燃气涡轮那里去的蒸气的压力是相当于通常供给中压蒸气涡轮的压力，所以中压蒸气中所包含的剩余能量就可以通过在燃气涡轮中的膨胀过程而得到利用，由此可以省掉一个中压蒸气涡轮。

进而这也是本发明的目的之一：要提供一套联合循环系统与气体工厂合在一起的综合系统，该系统不需要任何冷凝器及冷却塔。

进而这也是本发明的目的之一：要提供一套联合循环系统和气体工厂合在一起的综合系统，该系统的热效率增加而成本减少，特别是对于从大约50到100兆瓦的电力输出范围的动力工厂尤其是这样。

进而这也是本发明的目的之一：要提供一套联合循环系统与气体工厂合在一起的综合系统，该系统采用单机蒸气涡轮，该蒸气涡轮的使用后的蒸气是被排到燃气涡轮的燃烧室里去。

进而这也是本发明的目的之一：要提供一套联合循环系统与气体工厂合在一起的综合系统，该系统把中压蒸气从单级蒸气涡轮那里排到燃气涡轮的燃烧室里去，这些被注入到燃气涡轮的水蒸气会减少燃气涡轮的氮氧化物污染排放量。且这些水蒸气在燃气涡轮的涡轮内膨胀产生附加的输出能量。保留于水蒸气、燃烧产物及燃气涡轮排出的过量空气的混合物内的热量在回热式蒸气发生器中进一步回收利用。

进而这也是本发明的目的之一：要提供一套联合循环系统与气体工厂合在一起的综合系统，该系统中用于制氧工厂的压缩空气是从燃气轮机的空气压缩机的中间级那里放出来的，而同时靠注入在联合循环系统的回热式蒸气发生器那里产生的部分蒸气到燃气涡轮部分去来补偿通过燃气轮机的涡轮部分的压缩空气流量减少而引起的质量流量的减少。

简要地再指出：本发明提供了一套联合循环系统与气体工厂合在一起的综合系统，该系统从燃气涡轮的空气压缩机部分放出的中压压缩空气的气源供应了与煤的气化工厂有关的制氧工厂所需的压缩空气，从燃气轮机的涡轮部分排出的高温排气是被利用于在回热式蒸气发生器中产生蒸气，该水蒸气驱动一个蒸气涡轮以产生附加的机械输出，为了平衡于供给制氧工厂的那部分压缩空气的排走，从蒸气涡轮那里的使用后的水蒸气被注入到燃气轮机的燃烧室部分所需压缩空气及燃料气中去，供入到燃烧室中的未膨胀的能量是在燃气轮机的涡轮部分膨胀以及在回热式蒸气发生器中加以利用，通过燃气轮机的水蒸气的排放以及本发明公布的其它技术，使得可以采用非冷凝式蒸气涡轮系统这样就可以避免了冷凝器及冷却塔的资金消费，否则就必需要用冷凝器及冷却塔而增加费用，另外这样直接给制氧工厂供应压缩空气就避免了采用独立的压缩机及马达所带来的投资及运行的费用，而这压缩机及马达在常规方案中是不可少的。

按照发明的一个具体实施例，它提供了一套综合的联合循还与气体工厂的系统，它包括有：为生产一种气体燃料的煤气体工厂，一个包括空气压缩机、燃烧室及涡轮的燃气轮机，其中的空气压缩机是压缩空气的总供给源，连接由煤气体工厂的气体燃料供应到燃气轮机燃烧室去的方式，一个为生产用于煤气体工厂所需氧气的制氧工厂，该制氧工厂是那种需要压缩空气的二次供应类型的，切换等于上述压缩空气制氧工厂的二次供应量的部分的总压缩空气的技术，以及连接该切换部分到制氧工厂的方式，把总压缩空气量的剩余部分空气量供给燃气轮机燃烧室（而在那里与气体燃料一起燃烧）的方式，一个接受从燃气轮机那里出来的排气而生产蒸气的回热蒸气发生器，以及下述技术：回热式蒸气发生器的蒸气其中至少有一部分通过蒸气涡轮膨胀而另一部分蒸气则仍具有足够的流量来补偿部分的压缩机总空气量从空气压缩机那里切换出去，从而使得通过燃气涡轮的总流量基本上等于空气压缩机供给的总压缩空气流量。

本发明的上述目的，其它各种目的、特点及优点可以从下述说明中看得很清楚，这些说明可以和附图一起阅读而附图中的参照符号是与下述说明中指定各设备及部件用的号码完全相同的。

图1是一套采用以往技术的联合循环系统及气体工厂综合设备的简化方框图。

图2是按本发明具体实施例的一套联合循环系统及气体工厂综合设备的简化方框图。

本发明的目标是要提供出一套具有较高经济性生产机械输出的系统。而该系统的机械功输出可以被利用来驱动任何一个适合的过程或者同时驱动一族需要不同机械功的各过程，而系统的机械功输出是各部分机械功输出的总和。如果系统是用来驱动一个发电机，那么燃气轮机及蒸气涡轮的输出轴可以和发电机轴同心按排并连接以产生单一的电力输出。总效率由于机械能转变为电力能所引起的部分减少与本发明关系不大。在另一种替代实施方案中，燃气轮机的机械输出可以被利用来驱动一个过程例如发电机，而蒸气涡轮的机械输出可以被利用来驱动另一个不同的装备例如另一个独立的发电机。

参照图1，10是一套按以往技术的综合联合循环系统。一个燃气轮机12的燃料气体是由煤气体工厂16生产经过管线14而供给的。由煤浆管线18给煤气体工厂16供应煤浆。一个常规的制氧工厂20由电动机24驱动的空气压缩机22供给其需要的压缩空气而生产氧气，然后生产出来的纯氧再由管线26输送给煤气体工厂16。由煤气体工厂生产的气体燃料可以是一种低热值的煤气体，也可以用煤气体工厂生产的气体燃料再由其它通常知道的方法进一步进行化学反应例如弗雷雪尔·曲劳伯契（Frischer    Tropsch）过程以生产较高能量的燃料气体例如甲烷气。如果综合联合循环系统10是被利用来发电，所发电力中的一部分可以被利用来驱动电动机24。不然的话，必须买电来驱动电动机24。对于一个小规模的综合联合循环系统来说大约8兆瓦的电是消耗于驱动电动机24上的，所以这意味着如果综合联合循环系统10是用来发电的话就会在电功率输出上减少亦即经济上受到相当的损失，或者在必需买电的情况下就会增加输出电功率的成本。

在这里我们认为煤气体工厂16及制氧工厂20是常规的而对于熟悉这方面技术的工作者来讲工厂16及20的各过程、装备是都了解的，因此对这些部分的进一步说明对本发明不增添任何价值，所以煤气体工厂及16及氧气工厂20在此就不再作进一步说明了。

燃气轮机12包括有一个空气压缩机28，而该空气压缩机把大约压力为每平方英吋150磅的压缩空气供入到燃烧室30中去，由管线14过来的气体燃料就在燃烧室30那里和该压缩空气一起混合燃烧而产生一股高温燃烧产物及过量空气混合物的高速燃气流，这股高速燃气流是进入到涡轮32去。涡轮32具有扇叶或叶片（图上未表示），那些叶片受到上述高速燃气流的冲击就迫使输出轴34旋转，而输出轴34可以与任何近便的负载相连接（图上未表示）。公共轴36连接并传递了一部分由涡轮32产生的能量而带动空气压缩机28旋转。

涡轮32出口有排气导管38，它把燃气涡轮的排出气流传输到常规的回热式蒸气发生器40那里去。通过排气导管38的排气产物的温度大约为1030度华氏，因而它具有大量的热能，而回热式蒸气发生器40的作用就是要取得这部分能量而加以进一步利用。回热式蒸气发生器40通常具有一个高压蒸气的发生器及加热过热蒸气的加热器（图上未表示），该加热器是用以产生约950度华氏的利热蒸气，这些过热蒸气是在高压蒸气涡轮42中应用的。这些蒸气在高压蒸气涡轮中膨胀而推动了输出轴44旋转，输出轴44就可以和负载（图中未表示）连接起来。高压蒸气涡轮42排出口的水蒸气还有高达约625度华氏温度及每平方英吋200磅的压力，所以这部分水蒸气仍然具有相当一部分的热能可以进一步利用。

回热式蒸气发生器40可以包含一个常规的再加热器（图上未表示），该再加热器接收高压蒸气涡轮42出来经过管线46的使用后的蒸气并在该再加热器那里再次加热，然后通过管线48再转送到中压蒸气涡轮50那里去。这些蒸气在中压蒸气涡轮那里膨胀而使输出轴52旋转，输出轴52可以与负载（图上未表示）连接。在中压蒸气涡轮中使用后的蒸气是由管线54与冷凝器56相接，在冷凝器56那里水蒸气冷凝成水然后通过管线58再返回到回热式蒸气发生器40中去。一个常规的冷却塔60可以被采用来冷凝进入冷凝器56的使用后的水蒸气。通过补充供水管线62可以给回热式蒸气发生器加补充水。燃气及蒸气在放出了其全部热量中的主要部分之后在回热式蒸气发生器40出口处出来而通过管线64排到排气烟囱（图中未表示）去，那时燃气及蒸气的温度大约为280度华氏。

除了上述的各设备以外，回热式蒸气发生器40也可以另外装有合适的废气预热器以及附加蒸发器（图中未表示），这些亦与本发明无关。

虽然输出轴34、44及52如图示是分开的，但也可以同轴按排并连接以共同驱动一个单独负荷例如一个发电机（图中未表示）。

现在参照图2，那里表示了一套按本发明的一个具体实施例的综合联合循环系统，整个系统以号66表示，在图2中与图1相同的各部分就用相同的参考符号表示，而那些稍有修改的部分就在原来的参考符号上加个“，”来表示。

燃气轮机12′的空气压缩机28′有一根放气管线68，该放气管线68放出压缩空气中的部分空气来满足制氧工厂20的全部压缩空气需要，放气压力约为每平方英吋80磅。在本发明的较佳实施例中，空气压缩机28′的总压缩空气量的百分之二十是通过放气管线66而放掉。满足了制氧工厂20的全部压缩空气需要，就可以省掉如图1所示以往技术所采用的空气压缩机22及电动机24。取消了这些部件当然也消除了这些部件自身固有的能量无用损失部分。

当然，没有大量的重新设计而采用常规的设备是经济而合理的。常规的燃气轮机是作为整体设计的，燃气轮机的空气压缩机28′的空气流量以及燃烧室30′里的燃料气体流量是和使涡轮32有效运行的质量流量配合一致的。但是在如图2所示的本发明实施例中进入燃烧室30′的压缩空气流量由于有百分之二十放掉以供制氧工厂20所用而减少3。如果采用一个常规的燃气轮机12′，那末减少3的压缩空气流量就不足以满足涡轮32的质量流量的需要了。空气质量流量的减少是由蒸气注入导管70注入蒸气来补偿的，该部分蒸气是高压蒸气涡轮42出来的使用后的蒸气并通过导管70供到燃烧室30′去的。该使用后的蒸气的压力约为每平方英吋200磅而温度约为625度华氏，因此仍具有相当大量的热能。水蒸气注入到燃烧室30′去除了补充及平衡压缩空气的放气之外还具有其它方面的有利效果。特别是，喷入的水蒸气在涡轮32中膨胀而回收了它的部分热能。膨胀后的蒸气经过排气异管38从涡轮32排出，此时这部分蒸气和燃气轮机的涡轮32的排出产物具有相同的温度。这些剩余的能量再在回热式蒸气发生器40′那里进一步回收而不必再用中压蒸气涡轮50（图1）来回收。除了增加了通过涡轮32的质量流量及把高压蒸气涡轮42使用后的蒸气中的热量回收之外，在燃烧室30′中喷入水蒸气还能降低燃烧室30′内的火焰温度从而减少了氮氧化物污染物的产生。

幸运的是，考虑到空气和蒸气在单位容积流量上的差别，从高压蒸气涡轮42出来的使用后蒸气的质量流量和要求补偿由于放气经过放气导管68到制氧工厂20的压缩空气流量恰恰几乎相等。在某些运行情况下，也许需要增大从高压蒸气涡轮出来的蒸气量。这是靠在热回收蒸气发生器40′中采用一个由常规的中压蒸发器（图中未表示）那里出来的中压蒸气导管来实现的，用这些从中压蒸气导管出来的中压蒸气加到蒸气注入导管70中然后流到燃烧室30′。

在管线14′上可以选择考虑用一个燃料气体的热交换器74以在燃料气体进入燃烧室燃烧之前预热从煤气体工厂16出来的燃料气体到大约为520度华氏。预热量应尽量少些，只要能满足燃烧过程的需要就可以了，这样来预热气体燃料就能增加燃气轮机12′的热效率。气体燃料热交换器74的热能是来自高压饱和蒸气或水及饱和蒸气混合物。这些蒸气或混合物的压力约为每平方英吋1600磅而温度约为600度华氏，它们可以从回热式蒸气发生器40′的高压蒸发器（图中未表示）那里通过管线76取得。这些蒸气在燃料气体热交换器74那里把热量给了燃料气体之后，基本上全部水蒸气都在约大气压及280度华氏的状态转变成水。从燃料气体热交换器74出来的水再通过管线78送到除气器80。

煤气体工厂16是常规型式的，它产生一定数量的低压过程蒸气。至少一部分这种低压过程蒸气可以通过管线82送到除气器80那里去。如果从煤气体工厂16出来的过程蒸气比较多，这些蒸气也可以考虑用管线84送到外部使用过程（图中未表示）去，这与本发明没什么关系。

补充供水源是通过补充供水管线86连到除气器80。采用了一个供水泵88以使除气器80出来的除气了的供水送返回热式蒸气发生器去。

由于从高压蒸气涡轮出口出来的蒸气在涡轮32那里膨胀到大气压，以及由于高压蒸气在燃料气体热交换器74中的冷却，综合联合循环系统66就可以不必采用冷凝器56及冷却塔60（图1）而运行。另外由于从高压蒸气涡轮42出来的中压蒸气的热能靠涡轮32中的膨胀过程及回热式蒸气发生器40′中的吸收而得到回收，所以中压涡轮50（见图1）就不再需要了。熟悉这方面技术的工作者很容易知道，取消了这些冷凝器56、冷却塔60及中压涡轮50会在投资上节省很多。另外，取消了中压涡轮50且采用了在涡轮32中膨胀而后接一个回热式蒸气发生器40′来回收热量的高效率过程，使得图2所示的综合联合循环系统66比图1所示的综合联合循环系统10具有更高的效率。按照通常的工程观点，大机组比小机组更为经济有效，因此有理由认为空气压缩机28′的效率比空气压缩机22（图1）的效率要高，在本发明中空气压缩机22是不需要的。此外，由于取消了电动机24（图1）并直接生产压缩空气而不是象系统10那样先生产或买电接着再在电动机24那里消耗电再来生产压缩空气，亦即系统10是三步过程：生产电、消耗电及生产压缩空气，这三步过程中的前两步也都有效率问题（效率远小于百分之百），系统66只有三步中留下的一步生产压缩空气的过程，所以系统66就比以往采用的技术具有更高的效率。

熟悉这方面技术的工作者都知道，进入回热式蒸气发生器的排气产物的温度比根据严格观点要求的从排气产物中回收最多热能的希望达到的温度低。温度最好是比1030度华氏高出几百度。为了实现在回热式蒸气发生器40′中增强热交换，或者为了增加热回收蒸气发生器的蒸气生产量，可以采用一个辅助热源，例如通过燃料管线90给回热式蒸气发生器那里的常规燃烧器（图中未表示）里供应液态或气态燃料并在那里燃烧。

虽然输出轴34及44在图中是相互独立分开以便与不同的负载相连接，在单独的使用过程（例发电机）这种常规的应用中也可采用同心的输出轴34及44的方式。

这里已经参照附图对本发明的较佳实施例作了说明，应该理解到本发明并不低于上述明确的实施例，不背离本发明所附的专利权所规定的范围及精神仍然可以对实施方案进行各种改变或修改，但这仍应是属于本发明的范围之内的。