燃烧高炉煤气燃气轮机联合循环方法及装置

摘要

本发明一种燃烧高炉煤气燃气轮机联合循环方法，是将经过清洁处理后的高炉气通过煤气压缩机，达到与多级、轴流压气机末级出口空气相同的压力量级，作为燃料气向两个并联的燃烧室：主燃烧室和辅助燃烧室输入，分别与多级轴流压气机提供的高压空气在主燃烧室和辅助燃烧室内燃烧；其中从辅助燃烧室输出的高压、高温燃气在向心透平内进行膨胀，推动向心透平做功，给煤气压缩机提供一部分动力；从向心透平排出的燃烧和膨胀后的高温烟气，将引入到双压余热锅炉中与蒸汽进行换热，将其余热进一步提炼，将由双压余热锅炉提供的一部分高温、高压蒸汽输入到第一蒸汽透平，在第一蒸汽透平，蒸汽膨胀，并做功，给煤气压缩机提供第二部分动力。

说明书

技术领域

本发明涉及炼钢技术领域，是一种燃烧高炉煤气燃气轮机联合循环方法及装置。

背景技术

将燃烧天然气的重型燃气轮机改造成燃烧高炉煤气的机组现在面临着主要的技术瓶颈问题是压气机—燃烧室—透平的通流匹配出现了难于跨越的结构问题，主要表现在因为燃料气的热值达到了最低限，在原设计运行工况下，也就是保证燃烧室输出相同热量的前提下，数倍的增加燃料气量，也就是进燃烧室的高炉气量，这些量的增加几乎达到压气机流入燃烧室的三分之一。如果机组不降低压气机的流量，后面透平喷嘴原来设计状态下的通过能力就受到威胁，因此，在相同流量的前提下(也就是保证透平出力不变)就必须减少压气机的流量。而减少压气机的流量又面临压气机进入不稳定工作状态(喘振)，这就更危险。如果按这种思路来将燃烧天然气的机组改造成燃烧高炉煤气的机组必须重新考虑压气机和透平的设计，而我们国家还没有建立重型燃气轮机的设计体系。现在国际上采取的方法包括：1)提高压气机空气的进口温度，采用压气机末级抽气回注的方式；2)降低整个机组的出力；3)掺烧焦炉气，目的是提高燃料气的热值；4)调整压气机的进口导叶的位置和静叶的位置；5)为了避免压气机喘振，采用切顶的方式，减少压气机的通道横截面积。另一方面，高炉煤气在进燃气轮机燃烧室前要加压到与压气机进入燃烧室的压力相同，同时也要将其高炉气的温度增加到与进入压气机空气温度的数量相同，这类煤气压缩机目前在济南钢铁厂是采用电拖动大功率压缩机的方式，并且是美国GE的技术支撑；日本三菱重工彻底改变了压气机—燃烧室—透平的通流设计，采取两项技术：1)为了燃烧低热值高炉气，在燃烧室内部采用值班火焰喷嘴维持燃烧室的稳定性；2)透平的输出功的输出分成了三部分，一部分提供给压气机，第二部分提供给发电机，第三部分提供给与电机并联的煤气压缩机，实际上是一种新型的燃气轮机。

我国大型钢铁企业是能耗大户，单位钢产量的耗能量远比西方发达国家高，相关资料有详细披露，这里就不累赘了。另一方面，根据“十一五”发改委的规划，今后大型钢铁企业要进一步降低能耗，充分利用好高炉煤气，将原先排空燃烧的这股低热值煤气作为燃气—蒸汽轮机的燃料气，直接发电，所产生的经济、环保的效应已在去年济南钢铁厂获得国家科技进步奖中体现出来。但另一方面，也在结构完整性和经济效应最佳化方面暴露出一些问题：1)我国至今没有完全掌握重型燃气轮机设计技术，而目前在我国大型钢铁企业运行的机组均是国外四大公司的产品，技术上这些公司对我们进行严密封锁，这就要求我们在小范围改变这些机组结构参数的前提下，进一步提高这些机组，乃至最近即将开工建设的机组的效率和运行的可靠性；2)目前在济南钢铁厂运行的机组，为了提高燃料气的热值，掺烧了部分焦炉煤气，而焦炉煤气在钢厂里还有更广阔的用途，另一方面，如果不掺烧高炉煤气，透平的通过能力和压气机的喘振问题又会出现。

发明内容

本发明的目的是要从新的角度来构思一种全新的燃烧高炉煤气燃气轮机联合循环方法，是在小范围改变机组结构参数的前提下，对目前，乃至即将运行的燃烧极低热值的燃气轮机机组进行改造的方法。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种燃烧高炉煤气燃气轮机联合循环方法，其将经过清洁处理后的高炉气通过煤气压缩机，达到与多级轴流压气机末级出口空气相同的压力量级，作为燃料气向两个并联的燃烧室：主燃烧室和辅助燃烧室输入，分别与多级轴流压气机提供的高压空气在主燃烧室和辅助燃烧室内燃烧，将燃气温度提高到1190～1210度；其中从辅助燃烧室输出的高压、高温燃气在向心透平内进行膨胀，推动向心透平做功，给煤气压缩机提供一部分动力；从向心透平排出的燃烧和膨胀后的烟气还有540～550度的高温，将这股烟气引入到双压余热锅炉中与蒸汽进行换热，将其余热进一步提炼，将由双压余热锅炉提供的一部分高温、高压蒸汽，输入到第一蒸汽透平，在第一蒸汽透平中，蒸汽膨胀，并做功，给煤气压缩机提供第二部分动力。

所述的联合循环方法，其所述第一蒸汽透平，通过调节输入其蒸汽的流量，改变提供给煤气压缩机第二部分动力功率的大小。

一种所述的联合循环方法所使用的装置，包括交流发电机、燃气轮机循环中的多级轴流压气机、燃气轮机循环中的燃烧室、燃气轮机循环中的轴流透平、双压余热锅炉、给水加热器、凝汽器、多级轴流煤气压缩机、管道和蒸汽透平，各部件按常规连接；其特征在于，还包括至少一个辅助燃烧室、向心透平和第一蒸汽透平；其中，

至少一个辅助燃烧室输入端通过管道与多级轴流压气机、多级轴流煤气压缩机相连通，输出端通过管道与向心透平相连通；

向心透平、第一蒸汽透平与多级轴流煤气压缩机共转动轴连接，向心透平和第一蒸汽透平固装于多级轴流煤气压缩机一侧伸出的转动轴上；向心透平输入端通过管道与至少一个辅助燃烧室相连通，输出端通过管道与双压余热锅炉相连通；第一蒸汽透平输入端通过管道与双压余热锅炉相连通，输出端通过管道与凝汽器相连通。

所述的装置，其由多级轴流煤气压缩机、至少一个辅助燃烧室、向心透平和第一蒸汽透平部件构成的子循环与多级轴流压气机、主燃烧室和轴流透平部件构成的子循环按并联方式布置。

所述的装置，其所述双压余热锅炉与第一蒸汽透平之间的管道上设有流量调节阀，调节进入第一蒸汽透平的蒸汽流量，控制提供给煤气压缩机第二部分动力功率的大小。

本发明的主要有益效果体现在两个方面，1)在改变现有燃气轮机组中多级轴流煤气压缩机和轴流透平通流部分结果，通过增加辅助燃烧室燃烧的方式，并对主燃烧室和辅助燃烧室进行技术改造，解决了由于改变了机组燃料气流量引起的矛盾(透平堵塞和压气机喘振)。2)通过这种循环方式将原来采用电机拖动的煤气压缩机方式改变了，可节约大量的辅助系统，使整个高炉煤气燃气轮机组集成为一个完整的系统。

与目前日本三菱公司的技术区别体现在：三菱公司是对燃气轮机的三大部件进行了大幅度结构和运行参数的重新设计，并且从一个轴流透平中向交流发电机和高炉煤气压缩机并行输出功，而本发明的新循环只需改变燃烧室，并增加向心透平和第一蒸汽透平，使目前在我国大型钢厂进行的高炉煤气利用的方式有了一条新的途径。与美国GE公司的区别是：美国GE公司在济南钢铁厂的技术是：高炉煤气与焦炉煤气在进煤气压缩机前进行掺混，然后煤气压缩机(功率由交流电动机提供)，将这部分燃料气输入到中热值燃烧室进行燃烧，实质上，在GE技术方案中煤气压缩系统与燃气轮机组系统是独立运行的两个系统，而我们提出的燃烧高炉煤气燃气轮机联合循环将两个系统合并为一个系统，而且结构上和循环布置方面与日本三菱公司和美国GE公司的循环布置有本质区别。

附图说明

图1本发明燃烧高炉煤气燃气轮机联合循环方法及装置示意图。

具体实施方式

采用中国科学院工程热物理研究所燃气轮机燃烧室低热值燃烧室技术，将燃烧室的热值下限锁定在800Kcal/Nm³，以燃烧焦炉煤气[占燃料气流量的1％]的喷嘴为值班火焰，极大的拓展了低负荷熄火极限并提高了绝热火焰温度使低热值燃料高负荷下燃烧效率达到98％，同时考虑到压气机喘振和透平的通过能力，在原有燃烧室数量[主燃烧室]的基础上，增加数个燃烧室[辅助燃烧室]，将辅助燃烧室燃烧的燃气引到了低流量的向心透平，与双压余热锅炉构成的第一蒸汽透平串联在一起，直接拖动煤气压缩机，同时向心透平排出的高温燃气直接引人到双压余热锅炉中去，实现热量梯级利用的目的。这就是本发明的特点，采用本发明的技术，可以对我国目前，乃至国际上在运行的极低热值的燃气—蒸汽轮机联合循环进行改造，使其热效率和机组稳定运行可靠性有一个大幅度提高。由于是一种方法的发明，针对性较为普遍，这里就不对某类特定机组进行热力学和气动力学分析。

见图1，本发明燃烧高炉煤气燃气轮机联合循环方法所使用的装置，由交流发电机1；燃气轮机循环中的多级轴流压气机2；燃气轮机循环中的燃烧室[主燃烧室]3；燃气轮机循环中的轴流透平4；双压余热锅炉5；给水加热器6；凝汽器7；多级轴流煤气压缩机8；辅助燃烧室9；向心透平10；第一蒸汽透平11；第二蒸汽透平12；交流发电机13和管道组成。其中，至少一个辅助燃烧室9输入端通过管道与多级轴流压气机2、多级轴流煤气压缩机8相连通，输出端通过管道与向心透平10相连通；向心透平10、第一蒸汽透平11与多级轴流煤气压缩机8共转动轴16连接，向心透平10和第一蒸汽透平11固装于多级轴流煤气压缩机8一侧伸出的转动轴16上；向心透平10输入端通过管道与至少一个辅助燃烧室9相连通，输出端通过管道与双压余热锅炉5相连通；第一蒸汽透平11输入端通过管道与双压余热锅炉5相连通，输出端通过管道与凝汽器7相连通。其余部件按常规连接。

在双压余热锅炉5与第一蒸汽透平11之间的管道上设有流量调节阀(这类调节阀在各类热力循环中均采用，是公认的装置，因此在图1中未表示出来)，可调节进入第一蒸汽透平11的蒸汽流量，以便控制提供给煤气压缩机8第二部分动力功率的大小。

辅助燃烧室9、向心透平10和第一蒸汽透平11都为IET型。

本发明燃烧高炉煤气燃气轮机联合循环方法的特点，主要表现在由多级轴流煤气压缩机8—辅助燃烧室9—向心透平10—双压余热锅炉5—第一蒸汽透平11等部件组建构成的工艺循环，其他循环部件的部署可在机械工业出版社2003年6月出版“燃气—蒸汽联合循环”(作者：焦树建)中的第16章“燃用低热值煤气的联合循环”中可见，这里不再累赘。这里重点介绍多级轴流煤气压缩机8—辅助燃烧室9—向心透平10—双压余热锅炉5—第一蒸汽透平11等部件组建构成的流程功能。多级轴流煤气压缩机8的耗功量，占据了整个燃气轮机和蒸汽轮机总发电量的20％左右，将其安排在整个循环体内与燃气轮机部件组(包括燃气轮机循环中的多级轴流压气机2；燃气轮机循环中的燃烧室[主燃烧室]3和燃气轮机循环中的轴流透平4)并行布置，辅助燃烧室9将燃气轮机循环中的多级轴流压气机2提供的高压空气和煤气压缩机8提供的高炉煤气混合燃烧，产生出高温、高压燃气输进向心透平10；向心透平10，将辅助燃烧室9提供的这股燃气引到这里发出功，与通过双压余热锅炉5推动的第一蒸汽透平11串联在一起，构成为煤气压缩机8提供动力的动力装置。

多级轴流煤气压缩机8—辅助燃烧室9—向心透平10—双压余热锅炉5—第一蒸汽透平11流程与整个循环的连接关系是，将经过清洁处理后的高炉气通过煤气压缩机8(由向心透平10和第一蒸汽透平11两台动力装置带动)，达到与多级、轴流压气机末级出口空气相同的压力量级，作为燃料气向两个并联的燃烧室(主燃烧室3和辅助燃烧室9)输入，分别与多级轴流压气机2提供的高压空气在主燃烧室3和辅助燃烧室9内燃烧，将温度提高到1200度左右，其中从辅助燃烧室9输出的高压、高温燃气在向心透平10内进行膨胀，推动向心透平10做功，给煤气压缩机8提供一部分动力，从向心透平10排出的燃烧和膨胀后的烟气还有550度左右的高温，将这股烟气引入到双压余热锅炉5中与蒸汽进行换热，将其余热进一步提炼，将由双压余热锅炉5提供的一部分高温、高压蒸汽输入到第一蒸汽透平11，在第一蒸汽透平11中，蒸汽膨胀，并做功，这部分是煤气压缩机8需要的第二部分动力，并且这一部分通过调节蒸汽的流量可以改变提供给煤气压缩机8第二部分动力功率的大小，由多级轴流煤气压缩机8—辅助燃烧室9—向心透平10—第一蒸汽透平11部件构成的子循环15与多级轴流压气机2—主燃烧室3—轴流透平4部件构成的子循环14按并联方式布置，通过这种循环的布置方式解决了压气机喘振、单烧高炉煤气、和透平通过能力不足的问题。