CN108266239A - 一种带直燃加热的汽轮发电机组及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带直燃加热的汽轮发电机组，包括锅炉、汽轮机，所述锅炉与汽轮机之间设有燃烧室，所述锅炉出口连接燃烧室进口，燃烧室出口连接所述汽轮机进汽口。所述燃烧室设于所述汽轮机的进汽口处，燃烧室尽量靠近汽轮机布置，或者燃烧室与汽轮机为一体化设计，以减少燃烧室与汽轮机之间连接通道的长度和高端材料用量。本发明提供了带直燃加热的汽轮发电机组的工作方法。本发明通过在汽轮机前增加燃烧室直燃加热，提高蒸汽温度；可以采用600℃等级的锅炉，然后蒸汽通入燃烧室直燃加热达到700℃及以上温度，从而实现700℃等级先进超超临界参数；也可用于对现有的亚临界、超临界、超超临界汽轮发电机组的升级改造，降低了发电成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种带直燃加热的汽轮发电机组及其工作方法，属于热力发电技术领域。
背景技术
燃煤发电是我国主要的供电方式之一，在当前及今后相当长一段时期内仍将占据最大的发电量份额。为了满足国家节能减排政策的要求，一方面需要加快建设更高参数的机组，即下一代700℃等级超超临界机组，另一方面需要进一步改进和提升现有的燃煤汽轮发电机组的性能，包括亚临界、超临界和超超临界机组。由于镍基高温材料非常昂贵，导致700℃等级超超临界机组的造价居高不下，缺乏投资价值，国际上相关示范电站的建设计划一度处于搁置状态。对现有机组的升级改造也需要替换和使用大量更高等级的材料，升级工作的性价比不高。上述情况的核心问题在于高温部件材料的成本高，减免相关材料的使用是破解的关键。
近年来，先进燃气透平发电技术发展迅速，其中日本东芝公司研发了工质压力高达30MPa、温度达1150℃的燃烧室和透平(Takashi Sasaki，DEVELOPMENT OF TURBINE ANDCOMBUSTOR FOR A SEMI-CLOSED RECUPERATED BRAYTON CYCLE OF SUPERCRITICAL CARBONDIOXIDE，POWER-ICOPE2017-3419)。这种高压燃烧室技术也可引入到燃煤汽轮发电机组，通过补燃进入汽轮机的过热蒸汽，提高蒸汽温度，这就可以为提高燃煤机组参数创造新的技术路线。而现有的燃煤发电机组采用锅炉间接加热蒸汽，受制于材料性能，蒸汽温度难以进一步提高，更不可能达到燃气轮机的高温水平。鉴于此，本发明开发了一种带直燃加热的汽轮发电机组。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何更经济地实现更高参数的汽轮发电机组。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种带直燃加热的汽轮发电机组，包括锅炉、汽轮机，其特征在于：所述锅炉与汽轮机之间设有燃烧室，所述锅炉出口连接燃烧室进口，燃烧室出口连接所述汽轮机进汽口。
优选地，所述燃烧室设于所述汽轮机的进汽口处，燃烧室尽量靠近汽轮机布置，或者燃烧室与汽轮机为一体化设计，以减少燃烧室与汽轮机之间连接通道的长度和高端材料用量。
优选地，所述汽轮机连接发电机。
优选地，所述燃烧室的燃料为液态燃料。
更优选地，所述燃烧室的燃料包括天然气、合成气、氢气、燃油或有机物。
优选地，所述燃烧室的氧化剂为液氧。
优选地，所述汽轮机排汽口连接燃料预热器高温侧进口，燃料预热器高温侧出口连接氧化剂预热器高温侧进口；燃料预热器低温侧进口连接燃料泵，燃料预热器低温侧出口连接所述燃烧室；氧化剂预热器低温侧进口连接氧化剂泵，氧化剂预热器低温侧出口连接所述燃烧室。
更优选地，所述氧化剂预热器高温侧出口连接凝汽器进口，凝汽器出口连接循环水泵进口，循环水泵出口连接所述锅炉进口。
进一步地，所述凝汽器的抽气口与抽气器相连。
本发明还提供了上述的带直燃加热的汽轮发电机组的工作方法，其特征在于：循环水泵将水增压后，送入锅炉加热，锅炉产生的蒸汽进入燃烧室进一步提高温度至汽轮机设计的进汽温度，燃烧室排出的蒸汽和燃烧产物组成的工质膨胀做功推动汽轮机运行，汽轮机轴功传给发电机产生电能；汽轮机排汽余热用于加热供给燃烧室的燃料和氧化剂，最后蒸汽在凝汽器凝结成液态水，凝汽器内的其他气体通过抽气器排出。
本发明基于现有技术，通过集成新型的直燃加热技术，实现更高参数的汽轮发电机组。与现有技术相比，本发明提供的带直燃加热的汽轮发电机组具有如下有益效果：
1、本发明可以采用现有的600℃-620℃等级超超临界锅炉材料制造35MPa/600℃等级的锅炉、联箱、主蒸汽管道等部件，然后蒸汽通入燃烧室直燃加热达到700℃及以上温度，从而实现700℃等级先进超超临界参数，在燃烧室的前面不需要使用镍基合金材料的高温部件，燃烧室通过蒸汽冷却，高端材料用量有限，总体上机组的造价可大幅降低；
2、本发明可用于对现有的亚临界、超临界、超超临界汽轮发电机组的升级改造，在汽轮机前面增加燃烧室，通过直燃加热提高蒸汽温度，机组的热效率将显著改善，燃烧室前面的部件基本不需要改造，主要改造燃烧室之后的汽轮机，所以机组的升级改造费用得到有效控制。
3、本发明主要的热量来源仍然是煤炭在锅炉中的燃烧放热，补充少量的其他燃料作为燃烧室的燃料，相比煤炭，其他燃料的成本可能较高，但是，总体上，发电成本下降还是比较可观的，此外，机组的污染物排放和二氧化碳排放显著下降，这对于机组的争取更多的发电额度是非常有利的。
附图说明
图1为带直燃加热的基本的蒸汽朗肯循环系统示意图；
图2为带直燃加热的一次再热汽轮发电机组中汽轮机系统的示意图；
附图标记说明：
1-循环水泵，2-锅炉，3-燃烧室，4-汽轮机，5-发电机，6-凝汽器，7-抽气器，8-燃料泵，9-燃料预热器，10-氧化剂泵，11-氧化剂预热器，21-再热器，31-高压燃烧室，32-低压燃烧室，41-高压缸，42-中压缸，43-低压缸。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
本发明提供的带直燃加热的汽轮发电机组，是在常规的汽轮发电机组上增加燃烧室，直燃加热，提高蒸汽温度，燃烧室靠近汽轮机进汽口布置。对于基本的蒸汽朗肯循环系统，如图1所示，循环水泵1出口连接锅炉2进口，锅炉2出口连接燃烧室3进口；燃烧室3出口连接汽轮机4进汽口；汽轮机4连接发电机5；汽轮机4排汽口连接燃料预热器9高温侧进口，燃料预热器9高温侧出口连接氧化剂预热器11高温侧进口，氧化剂预热器11高温侧出口连接凝汽器6进口；凝汽器6出口连接循环水泵1进口，凝汽器6的抽气口与抽气器7相连。燃料预热器9低温侧进口连接燃料泵8，燃料预热器9低温侧出口连接燃烧室3。氧化剂预热器11低温侧进口连接氧化剂泵10，氧化剂预热器11低温侧出口连接燃烧室3。
其中，燃烧室3尽量靠近汽轮机4布置或者与汽轮机4一体化设计，以减少燃烧室3与汽轮机4之间连接通道的长度和高端材料用量。
燃烧室3的燃料为天然气、合成气、氢气、燃油、有机物等，以液态形式。
燃烧室3的氧化剂为液氧。
本发明将现有的汽轮发电机组改造为带直燃加热的汽组，循环水泵1将水增至高压，送入锅炉2加热至设计的高温高压参数，然后蒸汽进入燃烧室3进一步提高温度至汽轮机4设计的进汽温度，蒸汽和燃烧产物组成的工质膨胀做功推动汽轮机4运行，汽轮机4轴功传给发电机5产生电能，汽轮机4排气余热可用于加热供给燃烧室3的燃料和液氧，最后蒸汽在凝汽器6凝结成液态水，其他气体通过抽气器7排出。
下面以一种带直燃加热的一次再热汽轮发电机组做具体说明。图2为带直燃加热的一次再热汽轮发电机组中汽轮机系统的示意图，所述带直燃加热的一次再热汽轮发电机组中汽轮机系统包括依次连接且同轴设置的高压缸41、中压缸42、低压缸43，低压缸43连接发电机5。在高压缸41前面的进汽口处增加高压燃烧室31，在中压缸42前面的进汽口处增加低压燃烧室32。高压燃烧室31出口连接高压缸41进汽口，高压缸41排汽口连接再热器21进口，再热器21出口连接低压燃烧室32进口，低压燃烧室32出口连接中压缸42进汽口，中压缸42排汽口连接低压缸43进汽口，低压缸43排汽口连接燃料预热器9高温侧进口，燃料预热器9高温侧出口连接氧化剂预热器11高温侧进口。燃料预热器9低温侧进口连接燃料泵8，燃料预热器9低温侧出口连接高压燃烧室31和低压燃烧室32。氧化剂预热器11低温侧进口连接氧化剂泵10，氧化剂预热器11低温侧出口连接高压燃烧室31和低压燃烧室32。
其中，高压燃烧室31的压力高于低压燃烧室32的压力，这里的高压与低压为相对概念。高压燃烧室31和低压燃烧室32的压力均高于常规燃烧室(如：重型燃气轮机燃烧室)，其他设备均为本技术领域的常规设备。如果采用除液氢以外的其他燃料进入燃烧室，则高压缸41和中压缸42的设计需要考虑燃烧产物的影响。
上述带直燃加热的汽轮发电机组的具体实施步骤如下：
如果是新建700℃等级先进超超临界汽轮发电机组，设参数为35MPa/700℃/700℃。采用本发明的带直燃加热的汽轮发电机组的方案，考虑到当前超超临界机组的参数水平可达30MPa/620℃/620℃，为了避免选用更高等级的材料，锅炉的温度降低，压力提高，所以锅炉的参数选为35MPa/600℃/600℃，主蒸汽管道和热再热蒸汽管道规格基本不变，汽轮机的高压缸41和中压缸42进汽温度参数选为700℃。高压缸42和中压缸43前分别布置高压燃烧室31和低压燃烧室32，分别用于将主蒸汽和再热蒸汽从600℃加热至700℃。燃料通过燃料泵8输入燃料加热器9，液氧通过氧化剂泵10输入液氧加热器11，利用低压缸43排汽余热加热燃料和液氧，然后分两路分别输入高压燃烧室31和低压燃烧室32，燃烧并加热主蒸汽和再热蒸汽。
如果是升级改造现有的汽轮发电机组，设原机组为超超临界参数30MPa/600℃/600℃，升级为30MPa/700℃/700℃。采用本发明的带直燃加热的汽轮发电机组的方案，汽轮机的高压缸41和中压缸42改造为进汽温度参数700℃，其他设备和部件的参数基本不变。高压缸41和中压缸41前分别布置高压燃烧室31和低压燃烧室32，分别用于将主蒸汽和再热蒸汽从600℃加热至700℃。燃料通过燃料泵8输入燃料加热器9，液氧通过氧化剂泵10输入液氧加热器11，利用低压缸43排汽余热加热燃料和液氧，然后分两路分别输入高压燃烧室31和低压燃烧室32，燃烧并加热主蒸汽和再热蒸汽。锅炉的参数和容量不变，增加直燃加热，将使改造后的高压缸41和中压缸42的容量增大，再加上机组的热效率提高，机组的出力也显著增大。类似地，可以通过直燃加热提高温度参数，对亚临界、超临界机组进行升级改造。
综上，本发明提供了一种带直燃加热的汽轮发电机组，通过在汽轮机前增加燃烧室，直燃加热，提高蒸汽温度。可以采用600℃等级的锅炉，然后蒸汽通入燃烧室直燃加热达到700℃及以上温度，从而实现700℃等级先进超超临界参数，在燃烧室的前面不需要使用镍基合金材料的高温部件。也可用于对现有的亚临界、超临界、超超临界汽轮发电机组的升级改造，在汽轮机前面增加燃烧室，燃烧室前面的部件基本不需要改造，仅改造燃烧室之后的汽轮机。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种带直燃加热的汽轮发电机组，包括锅炉(2)、汽轮机(4)，其特征在于：所述锅炉(2)与汽轮机(4)之间设有燃烧室(3)，所述锅炉(2)出口连接燃烧室(3)进口，燃烧室(3)出口连接所述汽轮机(4)进汽口。
2.如权利要求1所述的一种带直燃加热的汽轮发电机组，其特征在于：所述燃烧室(3)设于所述汽轮机(4)的进汽口处。
3.如权利要求1所述的一种带直燃加热的汽轮发电机组，其特征在于：所述燃烧室(3)与所述汽轮机(4)为一体化结构。
4.如权利要求1所述的一种带直燃加热的汽轮发电机组，其特征在于：所述燃烧室(3)的燃料为液态燃料。
5.如权利要求1或4所述的一种带直燃加热的汽轮发电机组，其特征在于：所述燃烧室(3)的燃料包括天然气、合成气、氢气、燃油或有机物。
6.如权利要求1所述的一种带直燃加热的汽轮发电机组，其特征在于：所述燃烧室(3)的氧化剂为液氧。
7.如权利要求1所述的一种带直燃加热的汽轮发电机组，其特征在于：所述汽轮机(4)连接发电机(5)；所述汽轮机(4)排汽口连接燃料预热器(9)高温侧进口，燃料预热器(9)高温侧出口连接氧化剂预热器(11)高温侧进口；燃料预热器(9)低温侧进口连接燃料泵(8)，燃料预热器(9)低温侧出口连接所述燃烧室(3)；氧化剂预热器(11)低温侧进口连接氧化剂泵(10)，氧化剂预热器(11)低温侧出口连接所述燃烧室(3)。
8.如权利要求7所述的一种带直燃加热的汽轮发电机组，其特征在于：所述氧化剂预热器(11)高温侧出口连接凝汽器(6)进口，凝汽器(6)出口连接循环水泵(1)进口，循环水泵(1)出口连接所述锅炉(2)进口。
9.如权利要求8所述的一种带直燃加热的汽轮发电机组，其特征在于：所述凝汽器(6)的抽气口与抽气器(7)相连。
10.一种如权利要求9所述的带直燃加热的汽轮发电机组的工作方法，其特征在于：循环水泵(1)将水增压后，送入锅炉(2)加热，锅炉(2)产生的蒸汽进入燃烧室(3)进一步提高温度至汽轮机(4)设计的进汽温度，燃烧室(3)排出的蒸汽和燃烧产物组成的工质膨胀做功推动汽轮机(4)运行，汽轮机(4)轴功传给发电机(5)产生电能；汽轮机(4)排汽余热用于加热供给燃烧室(3)的燃料和氧化剂，最后蒸汽在凝汽器(6)凝结成液态水，凝汽器(6)内的其他气体通过抽气器(7)排出。
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