通用燃料復合循環熱力發電裝置制造方法
【專利摘要】本發明描述了通用燃料復合循環熱力發電裝置，引入了熱氣—蒸汽復合循環的概念，屬于能源領域中的熱力發電技術。當前進一步提高發電熱效率的技術需要解決燃氣—蒸汽聯合循環機組直接燃用固態廉價燃料的問題。該裝置主要由壓氣機、熱氣透平發電機、復合鍋爐、煙氣凈化設備、引風機、煙囪、蒸汽輪發電機和冷凝器所組成。復合鍋爐由燃燒室和余熱鍋爐復合而成，既具有普通鍋爐的燃燒特性，又具有余熱鍋爐回收燃機排熱的特性，適用固、液、氣態的任何一種燃料。熱氣透平的排氣進入復合鍋爐中加入燃料混合燃燒，對壓縮空氣和鍋爐給水同時進行加熱，表面式加熱避免了燃燒產物進入透平中，高溫壓縮空氣和過熱蒸汽分別被輸至熱氣透平和蒸汽輪發電機做功發電。
【專利說明】通用燃料復合循環熱力發電裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于能源領域中的熱力發電技術，適于直接燃用固態、液態或氣態中的任何一種燃料，大大提高發電熱效率，顯著增強節能減排效果 。
【背景技術】
[0002]現代火力發電廠無論采用何種燃料，其技術路徑不外乎兩種:一種是鍋爐/蒸汽輪機的水一蒸汽循環，另一種是燃機/余熱鍋爐/蒸汽輪機的燃氣一蒸汽聯合循環。前一種技術路徑適于燃用固態、液態或氣態中的任何一種燃料，燃料適應性廣，通常燃用廉價燃料，多用于燃煤電廠或生物質電廠，造價低，但發電熱效率也低；要提高發電熱效率就必須采用高參數，目前大型機組已采用超超臨界蒸汽參數^0(TC / 300bar)，發電熱效率可達44-46%，但造價也隨著提高。后一種技術路徑僅適于燃用液態或氣態燃料，燃料的適應性窄，通常燃用高價燃料，多用于燃油或燃氣電廠，造價高，發電熱效率也高，一般可達50%以上，但過高的燃油價格和天然氣價格導致經濟性大打折扣。發電熱效率高意味著生產單位電能的燃料消耗少，對環境排放也少，有利于節能減排、低碳經濟。目前燃用固態廉價燃料的電廠參數達到超超臨界后已無法再進一步提高，46 %的發電熱效率已成為封頂，若要再提高效率也只能采用燃氣一蒸汽聯合循環的技術路徑，但在當前的技術條件下燃氣輪機還無法直接燃用固態燃料。
[0003]目前世界上解決這一問題的方法是將固態燃料進行氣化或液化，以適應燃氣一蒸汽聯合循環電廠使用，但固態燃料的氣化或液化要花費高昂的代價，導致經濟性大大降低，投資商只能依靠電價補貼過日子。
[0004]以上【背景技術】可參考現代火力發電技術等書籍和文獻。

【發明內容】

[0005]當前進一步提高發電熱效率和經濟性的熱力發電技術需要解決燃氣一蒸汽聯合循環機組直接燃用固態廉價燃料或普通火力發電機組進一步提高熱力循環效率的問題。
[0006]本發明描述了通用燃料復合循環熱力發電裝置及其生產方法。該裝置主要由壓氣機、熱氣透平發電機、復合鍋爐、煙氣凈化設備、引風機、煙囪、蒸汽輪發電機和冷凝器所組成。復合鍋爐由燃氣輪機的燃燒室(從燃氣輪機設備中分離出來)和余熱鍋爐復合而成，既具有普通電廠鍋爐的燃燒特性，又具有余熱鍋爐回收燃氣輪機排熱的特性，適用固態、液態或氣態的任何一種燃料。熱氣透平發電機排出的中溫空氣進入復合鍋爐中加入燃料混合燃燒，對來自壓氣機的壓縮空氣和鍋爐給水進行加熱。這里采用表面式換熱，壓縮空氣和鍋爐給水在各自的受熱面管內流動，分別產生高溫壓縮空氣和高溫高壓過熱蒸汽。高溫壓縮空氣被輸至熱氣透平發電機做功發電，過熱蒸汽被輸至蒸汽輪發電機做功發電。復合鍋爐排出的煙氣經煙氣凈化設備凈化后由引風機輸送至煙?排出，這里的煙氣凈化設備包括除塵器、脫硫和脫硝設備。蒸汽輪發電機排出的乏汽進入冷凝器回收凝結水。介質在工作中同時完成由熱氣循環(空氣一壓氣機一復合鍋爐壓縮空氣受熱面一熱氣透平一復合鍋爐爐膛煙道一煙氣凈化設備一引風機一排放)和水汽循環(水一除氧加熱系統一給水系統一復合鍋爐省煤器一復合鍋爐蒸發器一復合鍋爐過熱器一蒸汽輪機一冷凝器一水)復合而成的熱力循環。這種熱力循環不妨稱之為熱氣一蒸汽復合循環，它區別于現有燃氣一蒸汽聯合循環:現有燃氣一蒸汽聯合循環是由燃氣循環和水汽循環串聯而成，燃氣循環處在高溫段，水汽循環則處在相對低溫段；然而熱氣一蒸汽復合循環是由熱氣循環和水汽循環并聯而成，共處于高、中、低溫段，同時又回收了熱氣循環的排放熱能，減少了冷源損失；兩種熱力循環具有同工異曲之效，大大提高了熱能至機械能的轉換效率。顯然，復合循環最大的優勢是燃燒產物不進入熱氣透平，從而對燃料的適應性更廣，可以直接燃用固態廉價燃料(比如煤炭或生物質)而不會對透平機械產生任何不良影響。客觀地說，高溫壓縮空氣是通過表面式加熱獲得的溫度，難以達到高溫燃氣混合式燃燒所獲得的溫度，因而熱氣循環的熱效率可能沒有燃氣循環的熱效率高，但是，熱氣一蒸汽復合循環中的主蒸汽可獲得更高的溫度和壓力，故其總的熱效率可不低于燃氣一蒸汽聯合循環熱效率。可見復合循環熱效率高是必然的。另外，蒸汽輪發電機的汽缸設有中間抽汽，向外供熱，形成熱電聯產，還可進一步提聞效率。
[0007]壓氣機可以與熱氣透平發電機同軸，由熱氣透平發電機提供動力，也可以分開獨立設置，另配動力，由其它原動機(譬如電動機)作為驅動設備。顯然，壓氣機分開設置給系統布置帶來便利，可縮短壓縮空氣管路的長度，從而減少流動阻力和造價。
[0008]通用燃料復合循環熱力發電裝置的運行控制與現有熱力循環機組的不同之處在于負荷控制。現有熱力循環機組在變負荷時，首先改變燃料量，然后是風量和給水量跟進；而復合循環機組變負荷時則是首先改變壓氣機的氣量，然后是燃料量和給水量跟進。
[0009]復合鍋爐與普通電廠鍋爐的區別是:直接利用熱氣透平的排氣(熱空氣)與燃料混合燃燒，不再另行補風，且回收利用了熱氣透平的排熱，減少了冷源損失。復合鍋爐與余熱鍋爐的區別是:用燃料加熱并避免補燃配風，既提高了煙氣溫度又減少了煙氣量(即減少了排煙損失)，且同時加熱兩種介質一壓縮空氣和水(汽)。為了提高復合鍋爐的密封性，燃料添加口必須與外部隔離，一般有兩種方式:帶鎖氣器的燃料拋射機添加方式(適用粒狀燃料)或燃燒器噴燃方式(適用所有燃料)。采用燃燒器噴燃方式時，需要較高壓力的輸送空氣，熱氣透平的排氣可能難以滿足要求，這時需要設置熱氣增壓風機。
[0010]需要說明的是，熱氣一蒸汽復合循環機組采用生物質燃料更為理想，因為生物質是一種清潔燃料，含硫量極低，燃點低，鍋爐火焰溫度也較低，不易形成硫氧化物和氮氧化物，故無需設置煙氣脫硫和脫硝設備，僅需設置除塵設備就行了，這樣可降低造價和運行費用。并且生物質燃燒的等效碳排放為零，是典型的低碳燃料。
[0011]此外，熱介質管道和設備具有良好的保溫是必須的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]附圖是通用燃料復合循環熱力發電裝置的組成原理圖。圖中:1——壓氣機、2——熱氣透平發電機、3—復合鍋爐、4—煙氣凈化設備、5—引風機、6—煙囪、7—蒸汽輪發電機、8——冷凝器、AR——空氣、CA——壓縮空氣、HCA——高溫壓縮空氣、MA——中溫空氣、FL——燃料、Fff——鍋爐給水、HS——過熱蒸汽、MS——中間抽汽。【具體實施方式】
[0013]燃氣一蒸汽聯合循環發電技術目前已經非常成熟，所用的燃氣輪機基本有兩種形式:集中式燃燒室燃氣輪機和分布式燃燒室燃氣輪機，分別有西門子技術和GE技術作為典型代表。本發明闡述的通用燃料復合循環熱力發電裝置，是在具有集中式燃燒室的燃氣輪機基礎上改進而成。將燃氣輪機的燃燒室與余熱鍋爐結合起來形成復合鍋爐(3)，將燃料混合式燃燒加熱變成表面式加熱，高溫高壓燃氣變成高溫壓縮空氣(H C A)，使得燃燒產物不進入熱氣透平(2)，從而可以燃燒固態廉價燃料。
[0014]這里的關鍵技術是復合鍋爐(3)的設計制造技術，其他技術已成熟，可以直接配套。復合鍋爐(3)有四個技術關鍵點:一是燃燒室和爐墻對外部環境的密封性，特別是在添加燃料時要確保嚴密不漏，燃料添加采用燃燒器噴燃方式，燃料一次風系統設置熱氣增壓風機。二是壓縮空氣受熱面與水/汽受熱面按照煙氣溫度梯級合理布置，這涉及到使用材料的等級和材料的節省，直接關系到造價；水/汽受熱面按常規電廠鍋爐的方式布置；壓縮空氣受熱面分成兩級布置，低溫級布置在省煤器后面，高溫級布置在高溫過熱器后面。三是壓縮空氣受熱面盡可采用直管管箱，千方百計減少介質流動阻力，已有的管式空氣預熱器技術提供了很好的借鑒。四是直徑較粗的高溫壓縮空氣管道要重點考慮熱膨脹和固定問題，這直接關系到設備安全。
[0015]由于要燃用非清潔的廉價燃料，故在煙氣流程中增加了煙氣凈化設備，由此考慮到增加的煙氣阻力而設置了引風機。聯合循環改成復合循環后，介質流程從“空氣一壓氣機—燃燒室一燃氣透平發電機一余熱鍋爐一煙囪”改進為“空氣(A R)—壓氣機(I)—復合鍋爐(3)—熱氣透平發電機(2)—復合鍋爐(3)—煙氣凈化設備(4)—引風機(5)—煙囪
(6)”，如附圖所示。壓氣機(I)通過原動機的動力從環境大氣中吸取空氣(AR)進行壓縮，產生的壓縮空氣(CA)被輸送至復合鍋爐(3)的壓縮空氣受熱面加熱。被加熱后的高溫壓縮空氣(HCA)輸送至熱氣透平發電機(2)膨脹做功，產生的機械能經其發電機轉換成電能。做功后的介質溫度和壓力大幅度降低，形成中溫空氣(MA)，進入復合鍋爐(3)的燃燒室，與燃料(F L)混合燃燒。燃燒后的高溫煙氣分別向壓縮空氣(CA)受熱面和水/汽受熱面提供熱源。鍋爐給水(F W)在經歷了復合鍋爐(3)的省煤器、蒸發器和過熱器逐級加熱后產生的過熱蒸汽(H S)進入蒸汽輪發電機(7)做功發電，乏汽進入冷凝器(8)凝結回收。從而完成一個完整的熱氣一蒸汽復合循環。負荷變化時，先通過壓氣機(I)的動葉調節機構調節壓縮空氣量，而后復合鍋爐(3)的燃料量和給水量跟進調節。為了方便凝結水除氧、給水加熱和對外供熱(熱電聯產)，蒸汽輪發電機(7)的汽缸設有旋轉隔板抽汽閥。
【權利要求】
1.通用燃料復合循環熱力發電裝置主要由壓氣機(I)、熱氣透平發電機(2)、復合鍋爐(3)、煙氣凈化設備⑷、引風機(5)、煙囪(6)、蒸汽輪發電機(7)和冷凝器⑶所組成，其特征是:復合鍋爐(3)由燃燒室和余熱鍋爐復合而成，適用固態、液態或氣態的任何一種燃料，熱氣透平發電機⑵排出的中溫空氣(MA)進入復合鍋爐⑶中加入燃料(FL)燃燒，對來自壓氣機⑴的壓縮空氣(CA)和鍋爐給水(FW)進行加熱產生高溫壓縮空氣(HCA)和過熱蒸汽(HS)，高溫壓縮空氣(HCA)被輸至熱氣透平發電機(2)做功發電，過熱蒸汽(HS)被輸至蒸汽輪發電機(7)做功發電，復合鍋爐(3)排出的煙氣經煙氣凈化設備(4)凈化后由弓丨風機(5)輸送至煙囪(6)排出，蒸汽輪發電機(7)排出的乏汽進入冷凝器⑶凝結回收，同時完成由熱氣循環和水汽循環復合而成的熱力循環。
2.根據權利要求1所述的通用燃料復合循環熱力發電裝置，其特征是壓氣機(I)可以與熱氣透平發電機(2)同軸，由熱氣透平發電機(2)提供動力，也可以分開獨立設置，另配動力。
【文檔編號】F01D15/10GK103644003SQ201310698096
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】汪禹 申請人:汪禹