專利名稱：煤燃料燃氣透平系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明涉及一種利用煤燃料的燃氣透平系統(tǒng)。具體地說，本發(fā)明涉及一種這樣的煤燃料燃氣透平系統(tǒng)，即在該系統(tǒng)中，借助于使用從氣化器來的熱氣體在冷卻后對燃氣透平的透平部分進行冷卻而使導(dǎo)流到氣化器的壓縮空氣量達到最大。
燃氣透平動力裝置的高效率、低成本和短的研制周期使它們特別適合用于電力用途，作為一種產(chǎn)生電力的裝置。不幸的是通常燃氣透平必須限制只能使用昂貴的，有時是稀少的燃料-主要是揮發(fā)性油和天然氣。由于煤的成本低并可方便地獲得，因此為了開發(fā)出一種能用煤作為主燃料產(chǎn)生電力的燃氣透平，人們已經(jīng)進行了許多探索。
在一種稱之為復(fù)合氣化動力裝置的方法中，從燃氣透平壓氣機流出的壓縮空氣的一部分用于使煤在一個加壓煤液化床(PCFB)氣化器中進行液化，從而產(chǎn)生一種熱的、低于中間熱值的燃氣。該熱氣體用于在一個熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)中產(chǎn)生蒸汽。然后該蒸汽在蒸汽透平中膨脹，從而產(chǎn)生軸功。
從該HRSG流出的氣體然后再在一透平中膨脹，從而產(chǎn)生附加的軸功。為了使在透平中膨脹期間產(chǎn)生最大的輸出功率，排出HRSG的氣體可在進入該透平中進行膨脹之前在一頂部燃燒器中進一步加熱。
由于透平部分的零部件暴露在從頂部燃燒器來的熱氣中，為了使它們的溫度維持在許可的極限內(nèi)就必須對它們進行足夠的冷卻。通常這種冷卻是使相對較冷的空氣流過透平零部件上面或內(nèi)部而實現(xiàn)的。由于這種冷卻空氣必須被加壓才能起作用，因此實際中通常是使一部分壓縮空氣分流，使其流過壓氣機部分或從壓氣機部分排出，并將其分給透平各零部件用于冷卻。典型地，該冷卻空氣進入圍繞該透平的氣缸并流過一排或多排靜止葉片，并且流入設(shè)置在具體的葉片排中各葉片兩側(cè)上的各透平圓盤之間的凹腔中。通常，該空氣是通過該壓氣機部分中幾級抽吸的，空氣從每個壓氣機級被導(dǎo)流到一不同的透平級，從壓氣機流出的高壓空氣流到高壓透平級，而較低壓的空氣用于冷卻低壓透平級。其他的壓縮空氣用于冷卻透平轉(zhuǎn)子，例如借助于使冷卻空氣流過形成在各轉(zhuǎn)子葉片中的小通道而對該轉(zhuǎn)子進行冷卻。
不幸的是，這種透平冷卻方法要消耗從氣化器來的壓縮空氣，因此降低了流過該HRSG的氣流質(zhì)量流。該降低的氣流質(zhì)量流將使降低蒸汽的生成，從而從該蒸汽透平輸出的輸出功降低。
因此，希望提供一種可使導(dǎo)流到氣化器的壓縮空氣量達到最大的煤燃料燃氣透平系統(tǒng)。
本發(fā)明的概述因此，本發(fā)明的主要目的是為了提供一種可使導(dǎo)流到氣化器的壓縮空氣量達到最大的煤燃料燃氣透平系統(tǒng)。
簡單地說，本發(fā)明的這個目的以及其他目的可由一種由一固體燃料產(chǎn)生功率的方法實現(xiàn)，該方法包括步驟(i)壓縮一種含氧氣體，(ii)在至少該壓縮的含氧氣體的一部分中使該固體燃料氣化，從而產(chǎn)生一種熱的氣體，(iii)將該熱的氣體的第一部分導(dǎo)流到一第一透平以便在其中進行膨脹，從而產(chǎn)生軸功，并將熱量傳遞給該透平，(iv)將該熱的氣體的一第二部分進行冷卻，從而形成一冷卻氣體，及(v)將該冷卻氣體導(dǎo)流到該透平，并將前面?zhèn)鬟f給該透平的一部分熱量傳遞給該冷卻氣體，從而對該透平進行冷卻。
在優(yōu)化實施例的方法中，氣化固體燃料的步驟包括在含氧的氣體中使固體燃料液化的步驟，并且冷卻該熱氣的第二部分的步驟包括將熱量從該熱氣的第二部分傳遞給供給水，從而產(chǎn)生然后在一蒸汽透平中膨脹的蒸汽。
本發(fā)明還包括一個用于由一固體燃料產(chǎn)生動力的透平系統(tǒng)，該透平系統(tǒng)包括(i)一個用于產(chǎn)生一含氧壓力氣流的壓氣機，(ii)一個使該固體燃料在至少一部分壓縮的含氧氣體中燃燒從而產(chǎn)生一熱氣的加壓液化床氣化器，(iii)一個用于使該熱氣的一第一部分膨脹從而產(chǎn)生軸功并將熱量傳遞給該透平的第一透平，(iv)用于冷卻該熱氣的一第二部分從而形成一冷卻的氣體的裝置，及(v)借助于將前面?zhèn)鬟f給該透平的熱量的一部分傳遞給該冷卻氣體而對該透平進行冷卻的裝置。
附圖的簡要說明

圖1是本發(fā)明所述煤燃料燃氣透平系統(tǒng)的示意圖。
優(yōu)化實施例的說明參見附圖，圖1中示出了本發(fā)明的一種煤氣化混合燃氣透平動力裝置。該動力裝置包括一壓氣機1、一透平36、一碳化器16、一PCFB氣化器20、一燃氣凈化系統(tǒng)22、一HRSG24、一蒸汽透平26、一冷凝器28、一頂部燃燒器34、一熱交換器30、一過濾器23和兩個發(fā)電機71和72。
工作時，該壓氣機1將周圍空氣2導(dǎo)入并壓縮成壓縮空氣4。如常規(guī)的那樣，該壓縮機可以是軸流式的，并且采用交替的旋轉(zhuǎn)葉片排和靜止葉片排。在優(yōu)化實施例中，溫度處于大約370℃-425℃(700-800°F)范圍內(nèi)，壓力處于大約1600-2100kPa(230-300psia)范圍內(nèi)的壓縮空氣4被分成三股氣流6、8和10。第一股氣流6導(dǎo)到一碳化器16中。該碳化器16還被提供煤炭12。采用本技術(shù)領(lǐng)域公知的技術(shù)(例如熱解)，該碳化器16可將煤炭12轉(zhuǎn)化為一種低BTU(千瓦-小時)氣體18和一固體，即炭焦14。如下所述，該低BTU氣體18在頂部燃燒器34中燃燒，而炭焦14在一PCFB氣化器20中氣化。
構(gòu)成該壓縮空氣4的主要部分的第二股氣流8被導(dǎo)到一鼓風(fēng)機3中，空氣壓力在該鼓風(fēng)機中被提升到足夠高(例如壓力上升大約140-200kPa(20-30psi))，以致于在考慮后續(xù)的壓力降后，仍具有足夠的壓力來將冷卻流體引入透平36中，如下所述。從鼓風(fēng)機3中排出的被進一步加壓后的空氣11然后被導(dǎo)到PCFB氣化器20。
在該PCFB氣化器20中采用本技術(shù)領(lǐng)域公知的技術(shù)，該壓縮空氣11可用來使一炭焦14床在該氣化器容器中液化，該炭焦至少在該壓縮空氣中進行部分燃燒。在PCFB氣化器20中的燃燒產(chǎn)生熱的燃料氣體40，該燃料氣體的溫度可高達1650℃(3000°F)，并且充滿各種顆粒物(主要是碳渣和碳灰)，及硫化成分(主要是硫化氫和COS)和堿性成分，所有這些成分對透平的零部件都是有害的。因此，采用本技術(shù)領(lǐng)域公知的技術(shù)，使氣體40流過一氣體凈化系統(tǒng)22，在該凈化系統(tǒng)中可去除這些不希望的成分的絕大部分。
然后，凈化氣體42流過HRSG24，用壓力供給水64供給該HRSG24。在該HRSG24中，采用本技術(shù)領(lǐng)域公知的技術(shù)可將熱量從氣體42傳遞給該供給水64，從而使該氣體冷卻并產(chǎn)生壓力蒸汽66。該HRSG24可以是常規(guī)的翅片管形的，其中供給水和蒸汽流過該翅片管并且熱的氣體在各翅片管的表面上流動。從HRSG24中排出的蒸汽分成兩股氣流68和70。第一股氣流70導(dǎo)流到該頂部燃燒器34。構(gòu)成該蒸汽66的主要部分的第二股氣流68導(dǎo)流到一蒸汽透平26中，該透平使該蒸汽膨脹并產(chǎn)生驅(qū)動一發(fā)電機72的軸功率。從該蒸汽透平26排出的膨脹蒸汽69在一冷凝器28中進行冷凝，以致于形成供到該HRSG24中的供給水64。
從該HRSG24來的并已經(jīng)被冷卻到大約650-870℃(1200-1600°F)的氣體44分成兩股氣流46和48。如下所述，第一股氣流48用于冷卻透平36。構(gòu)成該熱的氣體44的主要部分的第二股氣流46被導(dǎo)流到一頂部燃燒器34。最好，該頂部燃燒器34是一個多環(huán)流型燃燒器，例如美國專利US4,845,940(Beer)中所述的燃燒器，該專利的全部內(nèi)容結(jié)合在本文中作為參考。在頂部燃燒器34中，從碳化器16來的低BTU氣體18在該冷卻的氣體46中燃燒。從該HRSG24中供給該頂部燃燒器34的蒸汽70對降低被認為作為大氣污染物的氧化氮NOx的生成具有輔助作用。
從該頂部燃燒器34來的熱的氣體63然后在透平36中膨脹，從而產(chǎn)生驅(qū)動壓氣機1和一第二發(fā)電機71的軸功。如常規(guī)的那樣，該透平36可以是軸流式的，并具有交替的靜止葉片排和旋轉(zhuǎn)葉片排。從透平36排出的膨脹氣體作為廢氣排入大氣中。另外，借助于對廢氣62中熱量進行轉(zhuǎn)換，一第二HRSG可用來產(chǎn)生額外蒸汽。
根據(jù)本發(fā)明一主要方面的內(nèi)容，從HRSG24來的氣流48用于冷卻透平36。首先，該氣流48在一熱交換器30中進行冷卻。該熱交換器30可以是翅片-風(fēng)扇型的，其中氣流48流過各翅片管，在其上方周圍空氣由風(fēng)扇導(dǎo)流，所以熱量從該燃氣傳遞給大氣。最好，燃氣50被冷卻到與由壓氣機1產(chǎn)生的壓縮空氣的溫度相同的溫度，例如370-425℃(700-800°F)。
從熱交換器30流出的冷卻氣體50然后被導(dǎo)流到一過濾器23，該過濾器采用一種或多種過濾介質(zhì)來慮掉在這之前沒有被氣體凈化系統(tǒng)22凈化的細微顆粒。由于冷卻氣體必須流過透平冷卻流道中許多小通道，因此重要的是過濾器23必須盡可能多地慮掉顆粒物，從而保證各透平冷卻通道不會慢慢堵塞。
然后，冷卻氣體從該過濾器23分配給透平36的各個零部件，該透平36暴露在從頂部燃燒器34流出的熱的氣體63中。例如，冷卻氣流54可用于冷卻旋轉(zhuǎn)軸和透平葉片，而冷卻氣流56、58和60分別用于冷卻第一排、第二排和第三排靜止葉片。這種冷卻是用本技術(shù)領(lǐng)域公知的技術(shù)在常規(guī)的壓縮空氣冷卻系統(tǒng)中借助于將熱量從透平零部件傳遞給冷卻氣體實現(xiàn)的，例如借助于使冷卻氣體流過在旋轉(zhuǎn)葉片和靜止葉片中形成的許多小通道而實現(xiàn)。
如圖1所示，從HRSG24流出的所有氣體48導(dǎo)流到一個提供所有透平冷卻流體的單個熱交換器30。然而，該氣體48可分成一定數(shù)量的單股氣流，每股氣流導(dǎo)流到一不同的熱交換器，所以用在不同的透平部件中的冷卻氣體可冷卻到不同的溫度。此外，減壓閥可結(jié)合用在不同的熱交換器中，所以用在透平的不同部件中的冷卻氣體壓力可單獨調(diào)節(jié)。因此，例如最高壓力且最低溫度的冷卻氣體56可導(dǎo)流到透平36中的第一排靜止葉片，而更低壓力且更高溫度的冷卻氣體60可導(dǎo)流到第三排靜止葉片，中間壓力和中間溫度的冷卻氣體58可導(dǎo)流到第二排旋轉(zhuǎn)葉片。
在任何情況下，如常規(guī)的那樣，冷卻氣體流過透平冷卻通道后再排入葉片36的熱的氣體流中，因此形成廢氣62的一部分。
由于沒有壓縮空氣4從壓氣機1中流出用于冷卻透平36，因此導(dǎo)流到PCFB氣化器20的壓縮空氣8的質(zhì)量流和供給該HRSG24的熱的氣體42的質(zhì)量流是最大的。這樣又轉(zhuǎn)過來使由該HRSG24產(chǎn)生的蒸汽流66最大，從而使發(fā)電機中產(chǎn)生的電力最大，所以改善了該系統(tǒng)相對壓縮空氣冷卻系統(tǒng)的性能。
本發(fā)明已經(jīng)參照一具體的煤燃料燃氣透平系統(tǒng)進行了說明，然而本發(fā)明也可用到其他系統(tǒng)中，例如這樣的系統(tǒng)中，即從HRSG氣化器來的氣體直接供給透平用于膨脹，而不在該HRSG中冷卻或在頂部燃燒器中再加熱。因此應(yīng)該懂得在不脫離本發(fā)明的精神實質(zhì)或基本貢獻的情況下，本發(fā)明實施為其他具體的實施方式，因此為了表達本發(fā)明的保護范圍，應(yīng)該參照所附的各權(quán)利要求，而不是上述說明。
權(quán)利要求
1.一種由一種固體燃料產(chǎn)生動力的方法，包括下列步驟a)壓縮一種含氧氣體；b)使所述固體燃料在至少一部分所述壓縮的含氧氣體中氣化，從而形成一種熱氣；c)將所述熱氣的一第一部分導(dǎo)流到一第一透平以便在其中膨脹，從而產(chǎn)生軸功并將熱量傳遞給所述透平；d)將所述熱氣的一第二部分進行冷卻，從而形成一冷卻氣體；e)將所述冷卻氣體導(dǎo)流到所述透平并將之前傳遞給所述透平的所述熱量的一部分傳遞給所述冷卻氣體，從而冷卻所述透平。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于使所述固體燃料氣化的步驟包括使所述固體燃料在所述含氧氣體中液化的步驟。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于冷卻所述如熱氣的第二部分的步驟包括將熱量從所述熱氣的所述第二部分傳遞給供給水從而產(chǎn)生蒸汽的步驟。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于還包括將熱量從所述熱氣的所述第一部分在膨脹之前傳遞給供給水從而產(chǎn)生附加的蒸汽的步驟。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于還包括使所述蒸汽在一第二透平中膨脹從而產(chǎn)生附加的軸功的步驟。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于使所述熱氣的所述第二部分冷卻的步驟包括將熱量從所述熱氣的所述第二部分傳遞給環(huán)境空氣的步驟。
7.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述熱氣包含顆粒物，并且進一步包括使所述熱氣的至少所述第二部分流過一過濾器從而除去所述顆粒物的至少一部分的步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于使所述熱氣的至少所述第二部分流過一過濾器的步驟是在所述熱氣的所述冷卻之后進行的。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括在所述透平中進行所述膨脹之前在所述熱氣的所述第一部分中使一第二燃料燃燒的步驟，從而可對所述熱氣的所述第一部分進一步加熱。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于還包括將煤置于一熱解過程中進行熱解以便形成所述固體燃料和所述第二燃料的步驟。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于使所述第二燃料燃燒的步驟包括將所述壓縮的含氧氣體的一第二部分混合入所述熱氣的所述第一部分中的步驟。
12.一種由一種固體燃料產(chǎn)生動力的氣體透平系統(tǒng)，其包括a)一個用于產(chǎn)生一壓縮的含氧氣體流的壓氣機；b)使所述固體燃料在至少一部分所述壓縮的含氧氣體中氣化從而形成一種熱氣的裝置；c)用于使所述熱氣的一第一部分在其中進行膨脹的一第一透平，從而產(chǎn)生軸功并將熱量傳遞給所述透平；d)將所述熱氣的一第二部分進行冷卻從而形成一冷卻氣體的裝置；e)將所述冷卻氣體導(dǎo)流到所述透平并將之前傳遞給所述透平的所述熱量的一部分傳遞給所述冷卻氣體從而對所述透平進行冷卻的裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的透平系統(tǒng)，其特征在于所述用于冷卻所述熱氣的所述第二部分的裝置包括用于將熱量從所述熱氣的所述第二部分傳遞給供給水從而產(chǎn)生蒸汽的裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的透平系統(tǒng)，其特征在于還包括一個用于使所述蒸汽膨脹從而產(chǎn)生附加軸功的第二透平。
15.如權(quán)利要求13所述的透平系統(tǒng)，其特征在于所述熱氣含有顆粒物，并且該透平系統(tǒng)包括一個用于除去至少一部分所述顆粒物的過濾器。
全文摘要
一種透平系統(tǒng),其中基本上從燃氣透平的壓氣機部分(1)來的全部壓縮空氣用于使一種固體燃料床(20),例如煤焦在加壓的液化床氣化器(20)中進行液化,從而產(chǎn)生一熱氣。該熱氣流過一熱回收蒸汽發(fā)生器(24),從而產(chǎn)生蒸汽,該蒸汽在蒸汽透平(26)中膨脹,從而產(chǎn)生軸功。從該熱回收蒸汽發(fā)生器來的熱氣的一第一部分在燃氣透平的透平部分(36)中膨脹,從而產(chǎn)生附加軸功。然后從該熱回收蒸汽發(fā)生器(24)來的熱氣的一第二部分(48)在進一步冷卻和過濾后用于冷卻(56,58,60)該燃氣透平的透平部分(36)。由于沒有透平冷卻流體是從該壓氣機的壓縮空氣中直接分流出而獲得的,因此流過氣化器的熱氣質(zhì)量流最大,即產(chǎn)生的熱氣最大,因此熱回收蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的蒸汽最大。
文檔編號F02C3/20GK1249016SQ98802884
公開日2000年3月29日 申請日期1998年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月27日
發(fā)明者斯科特·T·克洛伊德, 布賴恩·J·博因斯基, 胡貝圖斯·E·帕普羅特納 申請人:西門子西屋動力公司