專利名稱：聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，更具體地說，涉及裝有用蒸汽冷卻的燃氣輪機這樣類型的發(fā)電廠。
作為裝有用蒸汽冷卻的燃氣輪機的常規(guī)發(fā)電廠之一，JapaneseUnexamined Patent Publications Nos.148035/1992例如敘述了這樣一種發(fā)電廠。在這個專利公開物中，敘述了把一個排氣熱量回收鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽的一部分引入一個燃氣輪機，并且把燃氣輪機排出的蒸汽引入一個汽輪機的中壓部分。
作為敘述裝有蒸汽冷卻的燃氣輪機的已知參考資料，有JapaneseUnexamined Patent Publications Nos.163960/1993，163961/1993，4210/1995，93810/1994，ASME paper 92-GT-240，“New Advanced CoolingTechnology and Material of the 1500℃ Class Gas Turbine”，以及GasTurbine World，Vol.25，No.3，May-June 1995。
關(guān)于無再熱蒸汽循環(huán)的中容量和小容量循環(huán)發(fā)電廠，常規(guī)技術(shù)有此問題，即雖然敘述了關(guān)于使用蒸汽冷卻式燃氣輪機的發(fā)電廠，但是對其沒作充分討論。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種裝有中容量或小容量燃氣輪機的緊湊和高效的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，該燃氣輪機無再熱蒸汽循環(huán)，并且它用蒸汽冷卻。
按照本發(fā)明的一種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠裝有一臺具有轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片的燃氣輪機，一臺利用該燃氣輪機的排出氣體作為熱源以用于產(chǎn)生蒸汽的排氣熱量回收鍋爐，以及一臺用蒸汽驅(qū)動的汽輪機，在位于排氣熱量回收鍋爐內(nèi)部的一個高壓蒸汽系統(tǒng)中安裝一個過熱器。汽輪機有一個高壓部分。該發(fā)電廠的特征在于，它有一個用來把過熱器排出的蒸汽引入燃氣輪機的第一系統(tǒng)，以及一個用來把剛才用于冷卻燃氣輪機的蒸汽引入汽輪機的高壓部分的第二系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個特征在于，該發(fā)電廠有一個用來把安裝在排氣熱量回收鍋爐中一個一次過熱器所排出的蒸汽引入燃氣輪機的系統(tǒng)，一個用來把剛才用于冷卻燃氣輪機的蒸汽引入一個二次過熱器的系統(tǒng)，以及一個用來把二次過熱器所排出的蒸汽引入汽輪機的高壓部分的系統(tǒng)。二次過熱器安裝在排氣熱量回收鍋爐內(nèi)，并且位于一次過熱器的上游。
本發(fā)明的又一個特征在于，該發(fā)電廠有一個用來把安裝在排氣熱量回收鍋爐中一個過熱器所排出的蒸汽引入燃氣輪機的系統(tǒng)，以及一個用來把剛才用于冷卻燃氣輪機的蒸汽引入汽輪機的第一級的系統(tǒng)。燃氣輪機排出的蒸汽驅(qū)動汽輪機。


圖1是說明按照本發(fā)明的一個聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的原理的系統(tǒng)圖；圖2是按照本發(fā)明的第一實施例的一個聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的系統(tǒng)圖；圖3是按照本發(fā)明的第二實施例的另一個聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的系統(tǒng)圖；以及圖4是說明無再熱蒸汽循環(huán)的進口蒸汽條件與燃氣輪機的排出氣體的濕度之間關(guān)系的示意圖。
現(xiàn)在將參考圖1敘述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。在圖1中，表示一個按照本發(fā)明的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。該發(fā)電廠包括一臺燃氣輪機13，一臺利用燃氣輪機13的排出氣體61作為熱源以用于產(chǎn)生蒸汽的排氣熱量回收鍋爐21，以及一臺由鍋爐21所產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動的汽輪機31。
引入燃氣輪機13的燃燒氣體是通過在燃燒室12中燃燒由壓氣機11所壓縮的空氣和一種燃料，例如天然氣或油而產(chǎn)生。燃氣輪機13使其葉片由燃燒氣體所旋轉(zhuǎn)，并且結(jié)果產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能量傳送到一個發(fā)電機32。用來運行燃氣輪機13的燃燒氣體然后作為排出氣體61引入排氣熱量回收鍋爐21。在鍋爐21中，按照從上游側(cè)起的次序形成一個過熱器25，一個蒸發(fā)器24，以及一個節(jié)熱器22。節(jié)熱器22升高水溫，蒸發(fā)器24蒸發(fā)熱水，以及過熱器25過熱蒸發(fā)器24排出的蒸汽，以便產(chǎn)生過熱蒸汽。
此外，提供一個把排氣熱量回收鍋爐21中過熱器25所排出的蒸汽引入燃氣輪機13，由此安裝為冷卻燃氣輪機13的系統(tǒng)43。在冷卻燃氣輪機13之后，蒸汽通過導向汽輪機31高壓部分的系統(tǒng)44引到汽輪機31，并且成為汽輪機31的驅(qū)動源。也就是，汽輪機31由燃氣輪機13所供給的蒸汽驅(qū)動。優(yōu)選地，導向汽輪機31的蒸汽引入該汽輪機的第一級。排氣熱量回收鍋爐21中裝設(shè)的過熱器25優(yōu)選地在高壓蒸汽系統(tǒng)中形成。
該發(fā)電廠還包括一個用來把汽輪機31的排出蒸汽41冷凝成水(冷凝水)的冷凝器33。也就是，供入汽輪機31的蒸汽由冷凝器33變成水。該水然后由排氣熱量回收鍋爐21變成蒸汽。排氣熱量回收鍋爐21排出的蒸汽依次引入燃氣輪機13，汽輪機31及冷凝器33。冷凝器33排出的水引入排氣熱量回收鍋爐21。因此，形成一個排氣熱量回收鍋爐21-燃氣輪機13-汽輪機31-冷凝器33的循環(huán)。
優(yōu)選地本發(fā)明的發(fā)電廠為所謂“單軸”類型，其中汽輪機31和燃氣輪機13由一個單軸連接，并且本實施例中所使用的汽輪機31為單室和單流類型。
此外，根據(jù)由發(fā)電廠的容量所調(diào)節(jié)的蒸汽的條件，優(yōu)選地該發(fā)電廠裝有系統(tǒng)43，其中排氣熱量回收鍋爐21中一次過熱器25的輸出蒸汽引入燃氣輪機13，系統(tǒng)49，其中用來冷卻燃氣輪機13的蒸汽引入排氣熱量回收鍋爐21中一次過熱器25上游側(cè)形成的一個二次過熱器26中，以及系統(tǒng)44，其中二次過熱器26的輸出蒸汽引入汽輪機31的高壓部分。
從排氣熱量回收鍋爐21排出的蒸汽或從冷凝器33排出的水通過排氣熱量回收鍋爐21，燃氣輪機13，回收鍋爐21，汽輪機31，冷凝器33及回收鍋爐21所組成的循環(huán)來循環(huán)。
一臺具有40MW到80MW大小輸出的中容量和小容量汽輪機用作汽輪機31，以便實現(xiàn)小于150MW的發(fā)電廠輸出。為此，優(yōu)選地排氣熱量回收鍋爐21的輸出蒸汽以30atg到70atg的壓力引入燃氣輪機13，并且用來冷卻燃氣輪機13的蒸汽以20atg到60atg的壓力引入汽輪機31。此外，在以上情況下，優(yōu)選地排氣熱量回收鍋爐21的輸出蒸汽的溫度在350℃到450℃范圍內(nèi)，并且引入汽輪機31的蒸汽的溫度在450℃到500℃范圍內(nèi)。
此外，上述第一系統(tǒng)43可以連接到第二系統(tǒng)44，在第一系統(tǒng)43中排氣熱量回收鍋爐21中過熱器25的輸出蒸汽引入燃氣輪機13的一個冷卻部分14，在第二系統(tǒng)44中剛才用來冷卻該冷卻部分14的蒸汽引入汽輪機31，以便一個第三系統(tǒng)101使蒸汽分路引入燃氣輪機13。這樣，汽輪機31只由第一系統(tǒng)43和/或第三系統(tǒng)101所引入的蒸汽驅(qū)動。
在本實施例中，蒸汽按照無再熱蒸汽循環(huán)用來冷卻燃氣輪機13的高溫部分14。燃氣輪機的高溫部分14包括燃氣輪機13的轉(zhuǎn)子和定子葉片及燃燒室12的過渡部件(尾管)。本實施例中用作冷卻介質(zhì)的蒸汽的冷卻效率大約是空氣冷卻效率的1.2到1.5倍高。應該注意，無再熱循環(huán)不同于再熱蒸汽循環(huán)，其中汽輪機31排出的蒸汽再引入排氣熱量回收鍋爐21，并且由鍋爐21再熱的蒸汽再引入汽輪機31。
在本實施例中，已經(jīng)冷卻燃氣輪機13的蒸汽被回收，并且然后直接供入或在使其進一步過熱之后供入汽輪機31。排氣熱量回收鍋爐21中形成的過熱器25，26與燃氣輪機13的冷卻部分(高溫部分)14串聯(lián)連接，以便提供所謂蒸汽冷卻的燃氣輪機。
引入燃氣輪機13的蒸汽壓力必須比從燃燒室12強制引入燃氣輪機13的燃燒氣體的壓力高，以便防止燃燒氣體流入蒸汽。優(yōu)選地當燃燒氣體的壓力在30atg到70atg范圍內(nèi)時，蒸汽壓力在15atg到30atg范圍內(nèi)。
此外，優(yōu)選地送入燃氣輪機13的蒸汽量大致等于排氣熱量回收鍋爐21所產(chǎn)生的蒸汽總量。當蒸汽導入燃氣輪機13時，除排氣熱量回收鍋爐21外，蒸汽優(yōu)選地不經(jīng)過任何熱源。也就是，優(yōu)選地燃氣輪機13用作一個過熱器，用于過熱引入汽輪機31的蒸汽，并且排氣熱量回收鍋爐21，燃氣輪機13和汽輪機31串聯(lián)成為一個蒸汽系統(tǒng)。
本實施例的發(fā)電廠可以優(yōu)選地裝有一個溫度控制裝置71，安裝在排氣熱量回收鍋爐21到汽輪機31的蒸汽循環(huán)系統(tǒng)中，以便該溫度控制裝置71具有蒸汽溫度控制功能。這樣，能控制供入燃氣輪機13的蒸汽溫度及供入汽輪機31的蒸汽溫度。特別是，優(yōu)選地溫度控制裝置71安裝在連接排氣熱量回收鍋爐21與燃氣輪機13的一個蒸汽管中。換個辦法，溫度控制裝置71可以安裝在連接燃氣輪機13和安裝在排氣熱量回收鍋爐21中的二次過熱器26的一個蒸汽管中。此外，可以從排氣熱量回收鍋爐21與燃氣輪機13相連接的蒸汽管分支一個系統(tǒng)74，用來把蒸汽注入燃氣輪機13的燃燒室12。
此外，在汽輪機31的進口側(cè)系統(tǒng)中可以優(yōu)選地安裝一個蒸汽控制閥53，因為這樣做，就對運行期間例如小于50％的部分負載條件下所產(chǎn)生的蒸汽進行控制，以便供入燃氣輪機13的蒸汽的壓力保持在從燃燒室12強制進入燃氣輪機13的燃燒氣體的壓力(要求壓力)之上，結(jié)果補償了在低負載運行時的壓力下降。
本實施例適合無再熱蒸汽循環(huán)的中容量或小容量發(fā)電廠，其中蒸汽用來冷卻燃氣輪機13。
從另一方面來說，在有再熱蒸汽循環(huán)的發(fā)電廠中，由排氣熱量回收鍋爐所產(chǎn)生的大約540℃高溫和大約100atg高壓的蒸汽強制送入汽輪機。增加蒸汽溫度和壓力能提高蒸汽循環(huán)效率。但是，在利用燃氣輪機排出氣體熱量回收產(chǎn)生蒸汽的發(fā)電廠情況下，鑒于燃氣輪機最后級中所使用的葉片材料的現(xiàn)存情況和強度，排出氣體的最高溫度限制在大約600℃，而且蒸汽溫度有其本身限制。
當保持蒸汽溫度恒定之時使蒸汽壓力增加，從汽輪機放出的蒸汽濕度增加。這樣造成腐蝕和效率降低，因此蒸汽壓力當然也有其本身限制。
在再熱蒸汽循環(huán)中，有可能在使汽輪機低壓區(qū)域中蒸汽濕度保持在一定極限之內(nèi)時增加蒸汽壓力。這樣促使蒸汽循環(huán)的效率增加。
但是，由于各種因素，例如增加蒸汽壓力就要減小汽輪機葉片高度，結(jié)果使結(jié)構(gòu)復雜化并使效率降低，所以再熱蒸汽循環(huán)適合于汽輪機輸出高于80MW，發(fā)電廠輸出高于200MW的比較大容量發(fā)電廠，因此，假定本實施例中的發(fā)電廠為大約小于200MW，尤其大約小于150MW的中容量和小容量類型，并且具有使用蒸汽冷卻式燃氣輪機的無再熱蒸汽循環(huán)。
優(yōu)選地，除了用來把蒸汽供入汽輪機31的蒸汽系統(tǒng)外，使用蒸汽冷卻式燃氣輪機的利用無再熱蒸汽循環(huán)的發(fā)電廠不裝設(shè)任何用來把蒸汽供入燃氣輪機13的蒸汽供給系統(tǒng)，這個蒸汽供給系統(tǒng)優(yōu)選地不是作為一個輔助系統(tǒng)形成，而是作為一個主蒸汽系統(tǒng)形成，用作蒸汽循環(huán)中的蒸汽。因此這樣，不存在任何已用來冷卻燃氣輪機13的蒸汽與流過其它系統(tǒng)的蒸汽相會合的接合點(蒸汽回收點)。因此，幾乎沒必要考慮已用來冷卻燃氣輪機13的蒸汽與流入其它系統(tǒng)的蒸汽回收點之間的溫度差。結(jié)果，可以消除對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和對運行條件的限制。
此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)優(yōu)選地在用蒸汽冷卻的燃氣輪機13的高溫部分14以寬廣范圍為冷卻目標時，例如在把第一級定子葉片，第一級轉(zhuǎn)子葉片，第二級定子葉片等作為冷卻目標時，供入燃氣輪機13的蒸汽量占排氣熱量回收鍋爐21所供給的蒸汽量的較大部分。換句話說，由于擴大了冷卻部分，所以冷卻蒸汽量增加，并且為了構(gòu)成最佳蒸汽循環(huán)，必須把燃氣輪機13的冷卻部分14結(jié)合在主蒸汽系統(tǒng)循環(huán)之內(nèi)，以便由此供給和回收蒸汽。
在無再熱蒸汽循環(huán)中，按照汽輪機31的容量來選擇適當?shù)闹髡羝麎毫?，并且通常?yōu)選地隨著容量增加，相應地主蒸汽壓力要選擇較高等級。例如對于汽輪機31，如果發(fā)電廠輸出大約為70MW到80MW，那么主蒸汽壓力優(yōu)選地設(shè)定為大約70atg。如果發(fā)電廠輸出大約為40MW到60MW，那么主蒸汽壓力優(yōu)選地設(shè)定為大約50atg到60atg。如果發(fā)電廠輸出小到大約40MW，那么主蒸汽壓力優(yōu)選地設(shè)定為大約30atg到40atg。在這些條件下，通過熱力增加主蒸汽壓力來提高熱效率。但是，汽輪機31的葉片高度受物理限制，因此汽輪機級的效率降低。因此，按照蒸汽的容積流速來確定適當?shù)恼羝麎毫?。蒸汽的容積流速與燃氣輪機13的排出氣體的流速密切相關(guān)，并且還與溫度密切相關(guān)。因此，根據(jù)燃氣輪機13的容積，燃燒溫度等來確定適當?shù)恼羝麎毫Α?br> 從另一方面來說，關(guān)于蒸汽溫度，可以按照燃氣輪機13的排出氣體的溫度來確定。例如，在燃氣輪機13的排出氣體的溫度大約為600℃時，蒸汽溫度可以設(shè)定至大約538℃。
但是，關(guān)于蒸汽條件，必須考慮到對汽輪機31的排出蒸汽濕度的大約6～13％的范圍限制。蒸汽濕度上限主要為了防止腐蝕和效率降低而確定，以及下限主要為了防止當在部分負載運行時，當使汽輪機的排出氣體變干而成為蒸汽時的溫度上升。因此，考慮到這些限制，必須在蒸汽壓力高時設(shè)定蒸汽溫度高，以及在蒸汽壓力低時設(shè)定蒸汽溫度低。
更準確地說，確定與汽輪機31的容量相對應的蒸汽壓力，并且確定與這個壓力相適合的蒸汽溫度。因此將會理解，必須按照發(fā)電廠的容量來選擇具有適當蒸汽循環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。應該注意，汽輪機31的容量是按照燃氣輪機13的容量來確定。
選擇發(fā)電廠中燃氣輪機13的設(shè)計點運行壓力，以便效率最大。如果燃氣輪機13的進口溫度大約為1300℃到1500℃，那么壓力大約為14atg到23atg。
考慮到其與燃氣輪機13排出的燃燒氣體的壓力及與蒸汽循環(huán)的效率之間的關(guān)系，必須設(shè)定用于冷卻燃氣輪機13的蒸汽壓力比燃氣輪機13的設(shè)計點運行壓力稍高。從另一方面來說，鑒于燃氣輪機13的冷卻部分的壓力阻力結(jié)構(gòu)，希望使蒸汽壓力降到最小?？紤]到這些條件，燃氣輪機13的冷卻部分14中的蒸汽壓力優(yōu)選地設(shè)定為30atg到70atg。
此外，考慮到由于燃氣輪機13的高溫部分14與用于冷卻該高溫部分14的蒸汽之間的溫度差所引起的熱應力，優(yōu)選地設(shè)定燃氣輪機13的冷卻部分14的出口處的蒸汽溫度大約為450℃到500℃。
必須防止由于水進入而對燃氣輪機13的冷卻部分14造成的破壞。考慮到這一點和上述熱應力，必須供給過熱蒸汽。因此，優(yōu)選地設(shè)定燃氣輪機13的冷卻部分14的進口處的蒸汽溫度大約為250℃到300℃，或300℃以上。
如果考慮這些關(guān)于燃氣輪機13的冷卻部分14和蒸汽循環(huán)的種種選擇條件的各種限制，那么400℃到500℃相對低的蒸汽溫度最適合于裝有小容量汽輪機31的發(fā)電廠，并且其中在汽輪機31的進口處的蒸汽壓力設(shè)定為30atg到50atg。450℃到540℃相對高的蒸汽溫度最適合于裝有中容量汽輪機31的發(fā)電廠，并且其中在汽輪機31的進口處的蒸汽壓力設(shè)定為50atg到70atg。
在冷卻燃氣輪機13之后，蒸汽被回收。這個蒸汽的溫度設(shè)定為大約450℃到500℃。在發(fā)電廠具有小容量時，剛才冷卻燃氣輪機13的蒸汽直接送回入汽輪機31。因此，能構(gòu)成緊湊和適當?shù)南到y(tǒng)。在發(fā)電廠具有中容量時，剛才用來冷卻燃氣輪機13的蒸汽由排氣熱量回收鍋爐21再升溫，并且然后供入汽輪機31。這樣，能構(gòu)造高效和適當?shù)南到y(tǒng)。
關(guān)于燃氣輪機13的冷卻部分14的進口處的溫度，蒸汽預先由排氣熱量回收鍋爐21過熱。這個過熱蒸汽供給燃氣輪機13的冷卻部分14。結(jié)果，能構(gòu)造高可靠性的系統(tǒng)。
當燃氣輪機13在部分負載條件下運行時，排出氣體的流速和溫度改變，并且除排氣熱量回收鍋爐21所產(chǎn)生的蒸汽量的變化外，所產(chǎn)生的蒸汽的溫度也改變。
該發(fā)電廠能夠在各種負載條件下適當運行。當發(fā)電廠實際運行時，負載經(jīng)常變化。其時，要考慮汽輪機31中及排氣熱量回收鍋爐21中的熱應力。
此外，在對發(fā)電廠添加用于冷卻燃氣輪機13的高溫部分14的系統(tǒng)或管道時，蒸汽溫度變化更大。特別是，在汽輪機31的進口處的蒸汽溫度高時，必須在考慮到材料的容許溫度下選擇一種能夠耐高運行溫度的高性能材料，或控制汽輪機31的進口處的蒸汽溫度。
由于汽輪機31的排出蒸汽的濕度受汽輪機31的進口處的蒸汽條件的影響，所以根據(jù)蒸汽壓力與蒸汽溫度之間的關(guān)系可以限制運行范圍。因此，希望提供一種用于控制汽輪機31的進口處的蒸汽溫度的裝置。因此，為了實現(xiàn)較高可靠性的發(fā)電廠，重要的是提供一種用于控制汽輪機31的進口處的蒸汽溫度的裝置。
中容量和小容量發(fā)電廠通常使用液體燃料，例如輕油和煤油，以及大容量發(fā)電廠經(jīng)常使用的氣體燃料。當使用液體燃料時，不同于使用氣體燃料的情況，難以利用一種技術(shù)來降低由燃燒室12所產(chǎn)生的燃燒氣體中的NOx濃度。為了減少NOx，蒸汽優(yōu)選地注入燃燒室12。此外，在使用氣體燃料時，蒸汽注入可以是一種增加輸出的方法。
注入的蒸汽要求在比燃燒室12內(nèi)部燃燒氣體的壓力高的壓力下以過熱形式供給。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電廠使用中容量或小容量的蒸汽冷卻式燃氣輪機時，用來把蒸汽供給燃氣輪機13的冷卻部分14的系統(tǒng)還用作允許供給注入蒸汽的系統(tǒng)。也就是，供入燃氣輪機13的冷卻部分14的蒸汽和注入燃燒室12的蒸汽優(yōu)選地在大致相同的條件下供給。因此，連通管(燃氣輪機-冷卻系統(tǒng))43把蒸汽供給燃氣輪機13的冷卻部分14，并且用來把蒸汽注入燃燒室12的管74從蒸汽管43分支。這樣，沒必要分別控制蒸汽壓力和蒸汽溫度。因此，能實現(xiàn)具有簡單系統(tǒng)的發(fā)電廠。
當發(fā)電廠在部分負載條件下運行時，所產(chǎn)生的蒸汽量減少。因此，除非提供特殊控制，否則蒸汽壓力降低。這個趨勢大致與負載成正比下降。當發(fā)電廠在部分負載條件下運行時，燃燒室的壓力也下降。甚至在無負載條件下，用于驅(qū)動壓氣機11的動力全部從燃氣輪機13得到。因此，即使發(fā)電廠在無負載條件下運行，燃燒室的壓力也超過一個給定壓力。
因為它們之間特性上的差別，所以在額定運行期間設(shè)定供給燃氣輪機13的冷卻部分14的蒸汽壓力為高，或在部分負載條件下控制壓力。如果在額定運行期間設(shè)定所供給的蒸汽的壓力為高，那么熱損失增加。從熱效率觀點來說這是不希望的。此外，如果在部分負載條件下控制壓力，并且如果用于冷卻燃氣輪機13的蒸汽在汽輪機31的膨脹沖程中得到，那么難以控制壓力。
因此，在燃氣輪機13的冷卻部分14安裝在從排氣熱量回收鍋爐21延伸到汽輪機31的進口的主蒸汽系統(tǒng)中時，蒸汽壓力能由安裝在汽輪機31的進口處的蒸汽控制閥53容易控制。結(jié)果，能實現(xiàn)具有優(yōu)良運行性能和高熱效率的發(fā)電廠。因此，能在適當溫度范圍之內(nèi)使蒸汽供入汽輪機31。沒必要汽輪機31的主要部件用過分高規(guī)格的材料構(gòu)成。此外，熱應力被消除。能實現(xiàn)一種便宜和經(jīng)濟的高可靠性的發(fā)電廠。
在本發(fā)明的另一個實施例中，能減少由燃燒室使用液體燃料所放出的NOx的量，或能增加燃氣輪機的輸出。能構(gòu)造一種其中使該蒸汽系統(tǒng)簡化的發(fā)電廠。
在本發(fā)明的又一個實施例中，能實現(xiàn)一種具有優(yōu)良運行性能的發(fā)電廠。
在這個實施例的發(fā)電廠中，從排氣熱量回收鍋爐21排出的過熱蒸汽引入燃氣輪機13以使其冷卻。蒸汽通過冷卻燃氣輪機13來交換熱量，并且因此被加熱。這個加熱蒸汽再引入排氣熱量回收鍋爐21，并且容許進入汽輪機31。這樣，能使排氣熱量回收鍋爐21變得緊湊。容易使汽輪機31的進口處的蒸汽設(shè)定為希望溫度。能有效地提高發(fā)電廠的效率。
按照本發(fā)明的一種形式，從排氣熱量回收鍋爐21中形成的過熱器25排出的蒸汽幾乎全部供給燃氣輪機13的冷卻部分14。因此，能構(gòu)造一種既無分支系統(tǒng)又無匯合系統(tǒng)的蒸汽系統(tǒng)。因此，能簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。并且，能容易控制系統(tǒng)。此外，能解決接合點處蒸汽溫度差所引起的問題。因此，能提高可靠性。
在用于蒸汽循環(huán)的蒸汽管中安裝溫度控制裝置71和71’時，在運行中，分別供給燃氣輪機13的冷卻部分14和供給汽輪機31的兩流蒸汽的溫度能控制在適當范圍之內(nèi)。高溫部分14中的熱應力能被消除。另外，能改善可靠性，并且能延長高溫部分14的壽命。
在用于燃燒室12的蒸汽注入系統(tǒng)74設(shè)計為從用于燃氣輪機13的冷卻部分14的冷卻蒸汽系統(tǒng)分支時，能使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡單，以便能實現(xiàn)一種便宜的發(fā)電廠。
此外，在部分負載條件下通過控制安裝在汽輪機31的進口處的蒸汽控制閥53，能使蒸汽壓力保持在希望壓力之上。在額定條件下能選擇適合于發(fā)電廠的蒸汽壓力而不過分增加蒸汽壓力。因此，能改善效率。并且，能提高運行性能。
這樣，本發(fā)明能提供一種緊湊高效的發(fā)電廠，它使用由蒸汽冷卻并且無再熱蒸汽循環(huán)的中容量或小容量燃氣輪機13。
其次參考圖2，示出了一種按照本發(fā)明使用蒸汽冷卻式燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。該發(fā)電廠為單軸發(fā)電廠，并且具有一臺燃氣輪機13，一臺排氣熱量回收鍋爐21，一臺汽輪機31，以及一臺發(fā)電機32。
燃氣輪機有一臺壓縮空氣46的壓氣機11。壓縮空氣引入一個燃燒室12。一個燃料供給系統(tǒng)47供給燃料，例如輕油。供給的燃料和空氣一起燃燒，因此產(chǎn)生高溫燃燒氣體。
這種高溫燃燒氣體供給燃氣輪機13，以驅(qū)動與燃氣輪機13和壓氣機11同軸安裝的發(fā)電機32。在排氣熱量回收鍋爐21中燃氣輪機13的排出氣體62與補給水42交換熱量。最后，氣體轉(zhuǎn)變成低溫排出氣體62，從煙囪或其它類似裝置釋放到大氣中。
在排氣熱量回收鍋爐21中安裝一個過熱器25，一個具有汽包23的蒸發(fā)器24，以及一個節(jié)熱器22，并且按照這個次序從上游側(cè)安排。節(jié)熱器22升高由補給水泵34所供給的水的溫度。然后，蒸發(fā)器24產(chǎn)生飽和蒸汽。過熱器25過熱飽和蒸汽。飽和蒸汽取自排氣熱量回收鍋爐21。汽包25把蒸汽與液態(tài)水分開，并且有效地產(chǎn)生飽和蒸汽。
飽和蒸汽供給燃氣輪機的冷卻部分14，因此冷卻燃氣輪機的高溫部分。蒸汽然后供給汽輪機31的高壓部分。汽輪機31被旋轉(zhuǎn)，由此驅(qū)動發(fā)電機32以用于產(chǎn)生電輸出。
蒸汽由汽輪機31轉(zhuǎn)變成功，并且成為低溫和低壓蒸汽41。蒸汽然后在冷凝器33中與海水或其它類似水交換熱量，并且成為冷凝，因此產(chǎn)生蒸汽冷凝水。蒸汽冷凝水由補給水泵34增加壓力，并且送到排氣熱量回收鍋爐21。
在本實施例中，燃氣輪機冷卻系統(tǒng)通過一個出口蒸汽管43把排氣熱量回收鍋爐21所產(chǎn)生的幾乎所有蒸汽(由過熱器25過熱的蒸汽)供給燃氣輪機13。在冷卻該冷卻部分14之后，蒸汽通過一個進口蒸汽管44供入汽輪機31。燃氣輪機的冷卻部分14與排氣熱量回收鍋爐21的過熱器25串聯(lián)連接。燃氣輪機的冷卻部分14用作蒸汽過熱器的一部分。
在保持排氣熱量回收鍋爐21的過熱器25的出口蒸汽溫度大約為300℃到350℃之時，能得到大約具有400℃到500℃高溫的蒸汽。因此，能減小排氣熱量回收鍋爐21的熱傳遞面積。從另一方面來說，能使蒸汽升高到希望的高溫。因此，能得到一種經(jīng)濟，緊湊并且高效的發(fā)電廠。
由于從過熱器25的出口排出的蒸汽幾乎全部供給燃氣輪機的冷卻部分14，所以能構(gòu)造一種既無分支系統(tǒng)又無匯合系統(tǒng)的蒸汽系統(tǒng)。因此，能簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。并且，能容易控制該蒸汽系統(tǒng)。此外，能解決由接合點處蒸汽溫度差所引起的問題。因此，能提供一種高可靠性的發(fā)電廠。
燃氣輪機的冷卻部分14位于汽輪機31進口處的蒸汽控制閥53的上游。因此，容易在部分負載條件下使產(chǎn)生的蒸汽壓力保持在燃氣輪機的冷卻部分14所要求的壓力之上。此外能建立適合于發(fā)電廠的蒸汽壓力，而使額定條件下所產(chǎn)生的蒸汽壓力不設(shè)定在過高值。因此能提高效率，并且，能改善運行性能。
繞過燃氣輪機的冷卻部分14形成一個旁路系統(tǒng)81。這樣允許用其它冷卻介質(zhì)(例如空氣)來代替蒸汽，以便當發(fā)電廠起動，停止或在低負載條件下運行時，如果供給燃氣輪機的冷卻部分14的蒸汽不滿足預定條件，就為用作冷卻燃氣輪機的蒸汽提供回沖。該替換是通過控制閥82并通過一個空氣供給系統(tǒng)83引入空氣來執(zhí)行。
在本實施例中，排氣熱量回收鍋爐21中的蒸汽系統(tǒng)有單壓力級。根據(jù)熱量回收條件，可以使用具有雙壓力級或三壓力級的排氣熱量回收鍋爐，以便更有效地回收熱量。
出口蒸汽管43允許由排氣熱量回收鍋爐21所產(chǎn)生的蒸汽供給燃氣輪機的冷卻部分14。在過熱器25與燃氣輪機的冷卻部分14之間安裝一個用于控制蒸汽溫度的降溫裝置71。
降溫裝置71使得能夠控制供給燃氣輪機的冷卻部分14的冷卻蒸汽的溫度。因此，能控制燃氣輪機的冷卻部分14的出口處的蒸汽溫度。因此，能控制汽輪機31的進口處的蒸汽溫度。沒必要汽輪機31的高溫部分用過分高規(guī)格的材料構(gòu)成。因此，能提供一種高可靠性發(fā)電廠。蒸汽供給系統(tǒng)72把蒸汽注入降溫裝置71，以控制出口蒸汽管43中的蒸汽溫度。
由于降溫裝置71安裝在排氣熱量回收鍋爐21的過熱器25與燃氣輪機的冷卻部分14之間，所以能降低可能由降溫裝置71所產(chǎn)生的濕氣引入汽輪機31的可能性。因此，能提高可靠性。
由于供給燃氣輪機的冷卻部分14的蒸汽是過熱蒸汽，所以對所控制的蒸汽溫度的范圍施加了限制。這個范圍可以通過把過熱器25的輸出蒸汽的溫度預定為高溫，以便降溫裝置71在正常運行期間產(chǎn)生一個大溫度降而得到擴展。
在本實施例中，用來把蒸汽注入燃燒室12的蒸汽注入系統(tǒng)或管74設(shè)計為從出口蒸汽管43分支，出口蒸汽管43則把排氣熱量回收鍋爐21所產(chǎn)生的蒸汽供給燃氣輪機的冷卻部分14。因此，蒸汽從系統(tǒng)74注入。
由于蒸汽注入系統(tǒng)還用作把蒸汽供給燃氣輪機的冷卻部分14的出口蒸汽管43，所以能提供具有簡單系統(tǒng)的發(fā)電廠。沒必要分別控制壓力，蒸汽溫度和其它參數(shù)。一個調(diào)節(jié)閥73控制蒸汽注入系統(tǒng)74中的蒸汽流速。該注入系統(tǒng)74有利地特別用在供給燃燒室12的燃料是輕油或其它類似燃料的地方。蒸汽管45是繞過汽輪機31的蒸汽旁路系統(tǒng)。閥54調(diào)節(jié)流過這個蒸汽旁路系統(tǒng)的蒸汽流速。
圖3表示本發(fā)明的另一個實施例。除下列要點外，這個實施例與連同圖2已作敘述的實施例類似。已經(jīng)用來冷卻燃氣輪機的冷卻部分14的蒸汽通過燃氣輪機13的出口蒸汽管49供給排氣容量回收鍋爐21的二次過熱器26。從二次過熱器26的出口排出的蒸汽通過汽輪機31的進口蒸汽管44供給汽輪機31。燃氣輪機的冷卻部分14與排氣熱量回收鍋爐21的一次過熱器25和二次過熱器26串聯(lián)連接。冷卻部分14安裝在一次過熱器25與二次過熱器26之間。在汽輪機31的進口處的溫度能設(shè)定比圖2的實施例高(例如450℃到540℃)。因此，能進一步改善發(fā)電廠的效率。
如前面連同圖2所述實施例同樣方式，燃氣輪機的冷卻部分14位于汽輪機31的進口處所形成的蒸汽控制閥53的上游。因此，當發(fā)電廠在部分負載條件下運行時，蒸汽壓力能保持在燃氣輪機的冷卻部分14所需要的給定壓力之上。在額定運行期間能為發(fā)電廠設(shè)定適當蒸汽值而不使蒸汽壓力設(shè)定為過高值。因此，能提高效率。此外，能改善運行性能。
用于降低已經(jīng)用來冷卻燃氣輪機的冷卻部分14的蒸汽溫度的降溫裝置71安裝在出口蒸汽管49中，出口蒸汽管49把燃氣輪機的冷卻部分14與排氣熱量回收鍋爐21的二次過熱器26相連接。供入二次過熱器26的蒸汽溫度能由降溫裝置71控制，因此能控制從二次過熱器26排出的蒸汽溫度。因此，能控制汽輪機31的進口處的溫度。因此，能構(gòu)造可靠發(fā)電廠，而不用具有過分高規(guī)格的材料來制造汽輪機31的高溫部分。
由于降溫裝置71安裝在燃氣輪機的冷卻部分14與排氣熱量回收鍋爐21的二次過熱器26之間，所以能降低可能由降溫裝置71所產(chǎn)生的濕氣引入汽輪機31的可能性。因此，能改善可靠性。此外，從燃氣輪機的冷卻部分14排出的蒸汽具有充分高過熱度，因此，能在寬廣范圍內(nèi)控制蒸汽溫度。因此，能改善運行性能。
圖4表示在無再熱蒸汽循環(huán)中汽輪機進口處蒸汽條件(壓力和溫度)與汽輪機排出蒸汽濕度之間的關(guān)系。可見適當蒸汽條件由汽輪機排出蒸汽濕度限制。也就是，在高蒸汽壓力時選擇高蒸汽溫度，以及在低蒸汽壓力時選擇低蒸汽溫度。從另一方面來說，蒸汽壓力主要按照蒸發(fā)量(＝汽輪機的容量)來選擇。對小容量發(fā)電廠，選擇低蒸汽壓力為適當蒸汽條件。對中容量或較大容量發(fā)電廠，選擇高蒸汽壓力為適當蒸汽條件。
因此，按照發(fā)電廠的容量，對小容量發(fā)電廠選擇圖2所示蒸汽循環(huán)，以及對中容量或較大容量選擇圖3所示蒸汽循環(huán)，能使得最佳發(fā)電廠結(jié)構(gòu)成為可能。汽輪機的膨脹線的斜率表示汽輪機的內(nèi)在效率。通常，這個效率幾乎恒定，并且假定為80-90％的值。
如至此所述，在本實施例的發(fā)電廠中，從排氣熱量回收鍋爐排出的過熱蒸汽幾乎全部作為燃氣輪機冷卻蒸汽引入燃氣輪機。由于冷卻燃氣輪機的冷卻而引起熱量交換，從而被加熱的蒸汽容許進入汽輪機。換個辦法，由于冷卻燃氣輪機而引起熱量交換，從而被加熱的蒸汽引回入排氣熱量回收鍋爐。在加熱之后，蒸汽引入汽輪機。因此，能實現(xiàn)緊湊的排氣熱量回收鍋爐。并且，容易把汽輪機進口處的溫度設(shè)定為希望溫度。能有效地改善發(fā)電廠的效率。
另外，能構(gòu)造既無分支系統(tǒng)又無匯合系統(tǒng)的蒸汽系統(tǒng)。因此，能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并且，能容易控制系統(tǒng)。能解決由接合點處溫度差所引起的問題。這樣，能提高一種可靠發(fā)電廠。
此外，在用于蒸汽循環(huán)的蒸汽管中安裝一個降溫裝置。在運行期間，能把供給燃氣輪機的冷卻部分和供給汽輪機的蒸汽的溫度控制在適當溫度范圍之內(nèi)。因此，能消除高溫部分中的熱應力。這樣能提高可靠性。能延長高溫部件的壽命。
此外，用來把蒸汽注入燃燒室的系統(tǒng)從用于冷卻燃氣輪機的冷卻部分的系統(tǒng)中分支。能使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，因此，能提供一種便宜發(fā)電廠。
另外，通過控制安裝在汽輪機進口處的蒸汽控制閥，能使發(fā)電廠在部分負載條件下運行時所產(chǎn)生的蒸汽壓力控制在要求值之上。能選擇適合于發(fā)電廠的值，而無需過分增加額定條件下所使用的蒸汽壓力。提高了效率。并且，能改善運行性能。
權(quán)利要求
1.一種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，包括一臺具有轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片的燃氣輪機；一臺排氣熱量回收鍋爐，通過利用所述燃氣輪機的排出氣體，用來把液態(tài)水轉(zhuǎn)變成蒸汽，所述排氣熱量回收鍋爐具有一個高壓蒸汽系統(tǒng)；一臺由蒸汽驅(qū)動的汽輪機，所述汽輪機具有一個高壓部分；一個冷凝器，用來把所述汽輪機的排出蒸汽轉(zhuǎn)變成水；一個過熱器，安裝在所述排氣熱量回收鍋爐的所述高壓蒸汽系統(tǒng)中；一個用來把所述過熱器的排出蒸汽引入所述燃氣輪機的系統(tǒng)；一個用來把已經(jīng)用于冷卻所述燃氣輪機的蒸汽引入所述汽輪機的所述高壓部分，以驅(qū)動所述汽輪機的系統(tǒng)；以及一個由所述排氣熱量回收鍋爐，所述汽輪機，所述冷凝器和所述排氣熱量回收鍋爐所形成的循環(huán)，所述循環(huán)允許所述蒸汽或水通過其中循環(huán)。
2.一種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，包括一臺具有轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片的燃氣輪機；一臺排氣熱量回收鍋爐，通過利用所述燃氣輪機的排出氣體，用來把液態(tài)水轉(zhuǎn)變成蒸汽；一臺由蒸汽驅(qū)動的汽輪機，所述汽輪機具有一個高壓部分；一個冷凝器，用來把所述汽輪機的排出蒸汽轉(zhuǎn)變成水；一個一次過熱器，安裝在所述排氣熱量回收鍋爐中；一個二次過熱器，安裝在所述排氣熱量回收鍋爐中，并且位于所述一次過熱器的上游；一個用于允許所述一次過熱器的排出蒸汽強制進入所述燃氣輪機的系統(tǒng)；一個用于允許已經(jīng)用來冷卻所述燃氣輪機的蒸汽引入所述二次過熱器的系統(tǒng)；一個用于允許所述二次過熱器的排出蒸汽引入所述汽輪機的所述高壓部分，以驅(qū)動所述汽輪機的系統(tǒng)；以及一個由所述排氣熱量回收鍋爐，所述燃氣輪機，所述汽輪機，所述排氣熱量回收鍋爐，所述汽輪機，所述冷凝器和所述排氣熱量回收鍋爐所形成的循環(huán)，所述循環(huán)允許所述蒸汽或水通過其中循環(huán)。
3.一種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，包括一臺具有轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片的燃氣輪機；一臺排氣熱量回收鍋爐，通過利用所述燃氣輪機的排出氣體作為熱源，用于產(chǎn)生蒸汽，所述排氣熱量回收鍋爐具有一個高壓蒸汽系統(tǒng)；一臺由所述蒸汽驅(qū)動的汽輪機；一個過熱器，安裝在所述排氣熱量回收鍋爐的所述高壓蒸汽系統(tǒng)中；一個用來把所述過熱器的排出蒸汽引入所述燃氣輪機的系統(tǒng)；以及一個用來把已經(jīng)用于冷卻所述燃氣輪機的蒸汽引入所述汽輪機的所述高壓部分的系統(tǒng)；
4.一種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，包括一臺具有轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片的燃氣輪機；一臺排氣熱量回收鍋爐，利用所述燃氣輪機的排出氣體作為熱源，用于產(chǎn)生蒸汽；一臺由所述蒸汽驅(qū)動，并且具有一個高壓部分的汽輪機；一個一次過熱器，安裝在所述排氣熱量回收鍋爐中；一個二次過熱器，安裝在所述排氣熱量回收鍋爐中，并且位于所述一次過熱器的上游；一個用來把所述一次過熱器的排出蒸汽引入所述燃氣輪機的系統(tǒng)；一個用于允許已經(jīng)用來冷卻所述燃氣輪機的蒸汽引入所述二次過熱器的系統(tǒng)；以及一個用來把所述二次過熱器的排出蒸汽引入所述汽輪機的所述高壓部分的系統(tǒng)。
5.一種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，包括一臺具有轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片的燃氣輪機；一臺排氣熱量回收鍋爐，通過利用所述燃氣輪機的排出氣體作為熱源，用于產(chǎn)生蒸汽；一臺由所述蒸汽驅(qū)動(并且通過一個單軸與所述燃氣輪機連接)的汽輪機；一個過熱器，安裝在所述排氣熱量回收鍋爐中；一個第一系統(tǒng)，用來把所述過熱器的排出氣體引入所述燃氣輪機的一個冷卻部分；一個第二系統(tǒng)，用來把已經(jīng)用于冷卻所述冷卻部分的蒸汽引入所述汽輪機；以及一個第三系統(tǒng)，把所述第一和第二系統(tǒng)相互連接，并且對引入所述燃氣輪機的蒸汽形成一個旁路系統(tǒng)，所述汽輪機只由通過所述第一和第三系統(tǒng)中至少一個所供給的蒸汽來驅(qū)動。
6.一種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，包括一臺具有轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片的燃氣輪機；一臺排氣熱量回收鍋爐，利用所述燃氣輪機的排出氣體作為熱源，用于產(chǎn)生蒸汽；一臺由所述蒸汽驅(qū)動的汽輪機；一個過熱器，安裝在所述排氣熱量回收鍋爐中；一個用來把所述過熱器的排出蒸汽引入所述燃氣輪機的系統(tǒng)；以及一個用于允許已經(jīng)用來冷卻所述燃氣輪機的蒸汽引入所述汽輪機的第一級的系統(tǒng)；所述汽輪機由從所述燃氣輪機壓出來的蒸汽驅(qū)動。
全文摘要
公開一種具有一臺排氣熱量回收鍋爐及一臺燃氣輪機和一臺無再熱汽輪機相聯(lián)合的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。利用燃氣輪機的排出氣體來產(chǎn)生用于驅(qū)動汽輪機的蒸汽，并且燃氣輪機的高溫部分用該蒸汽冷卻。蒸汽從安裝在排氣熱量回收鍋爐中的一個過熱器供給燃氣輪機的冷卻部分。剛才用于冷卻的蒸汽送回到汽輪機的高壓部分。因此，使得能有效地利用蒸汽來冷卻燃氣輪機。能使得發(fā)電廠緊湊。并且，能實現(xiàn)高效率。
文檔編號F02C7/16GK1155620SQ9612154
公開日1997年7月30日 申請日期1996年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月13日
發(fā)明者佐佐木俊彥, 武田泰司, 保泉真一, 佐川和也 申請人:株式會社日立制作所