联合循环发电厂及用于操作此类联合循环发电厂的方法

技术领域

本发明涉及热电厂。其涉及根据权利要求1的前序部分的联合循环发电厂。其还涉及用于操作此类联合循环发电厂的方法。

背景技术

一些地区中的电网需要高达工厂净功率输出的10%或甚至更高的水平下的来自联合循环发电厂(CCPP)的相当大的功率储备。

在现有技术中，该大量的功率储备通常通过将CCPP设计成具有工厂的余热回收蒸汽发生器HRSG内的大补充焚烧(SF)来实现(对于CCPP中的补充焚烧的总体构想，见例如文献US 3,879,616或WO 2010/072729 A2)。补充焚烧将引起以下两个结果：

1)因为必须为补充焚烧保存压力裕度，故在SF关闭的情况下的基本负载和局部负载蒸汽涡轮的新鲜蒸汽压力将低于允许的操作压力。SF越大，SF关闭时的新鲜蒸汽压力和工厂性能越低。

作为实例，对于具有大约500MW的功率输出的三倍压力再热CCPP，考虑待由补充焚烧提供为功率储备的10%净功率输出，要求的新鲜蒸汽压力设计裕度可导致基本负载下的新鲜蒸汽压力的相当大的下降，并且对应地导致工厂性能下降(可高达0.5%)。

2)由于蒸汽涡轮新鲜蒸汽压力操作范围和HRSG补充焚烧设计极限，故仅依靠具有减小的基本负载蒸汽涡轮新鲜蒸汽压力的补充焚烧可在不改变蒸汽涡轮ST和HRSG的构造的情况下不能够提供足够的功率储备，例如，从3p(p=压力)设计切换到2p或1p设计。这将导致在SF关闭时的进一步工厂性能下降。

文献US 5,495,709 A公开了一种空气储存器涡轮装备，其具有连接于压缩空气储存器的燃气涡轮组，并且包括热水储存器、连接成接收燃气涡轮下游的排出气流的废热蒸汽发生器，燃气涡轮组包括压缩机单元、至少一个燃烧室和至少一个涡轮，其中废热蒸汽发生器连接成将蒸汽引入到燃气涡轮组中用于增加至少一个涡轮的输出，并且进一步包括用以冷却由压缩机单元压缩的工作空气的至少一个热交换器，以及用以将水蒸气引入到工作空气中的局部压力蒸发器，至少一个热交换器连接成将加热的水输送至局部压力蒸发器。

文献US 4,509,324A公开了一种船上发动机系统和操作方法，该船上发动机系统包括具有中间冷却器的两个压缩机、压缩机涡轮、动力涡轮、用于组合燃料、空气和水的燃烧器。热交换器从排气除去热，并且使用其来预热至燃烧器的水。喷雾冷凝器从排气回收水用于再使用。水净化设备用于从水除去酸。系统设计用于满载下的化学计算操作，并且在部分负载下以提高的效率运行以给出总体较低的燃料消耗。

文献US 2006/248896A1公开了一种操作燃气涡轮发电厂的方法，该燃气涡轮发电厂包括第一燃气涡轮组，其由与彼此机械地连接的压缩机和涡轮构成，以及第二燃气涡轮组，其包括置于第一组的压缩机与涡轮之间的气流中的燃烧装置，由此第二燃气涡轮组由压缩机、燃料喷射装置、燃烧室和涡轮构成，由此第二燃气涡轮组的压缩机和涡轮机械地联接于彼此，并且燃气涡轮组中的至少一个具有用于抽取功的装置，由此，事实为，第一水流和/或蒸汽流以来自第一组的涡轮的烟道气体的热来加热；另外的量的水和/或蒸汽以来自由第一组的压缩机压缩的气流的热来加热，并且产生的水和/或蒸汽以如下量喷射到气流中，使得流中的空气的氧含量的至少60%通过燃烧装置中的燃烧消耗，并且给送到第二燃气涡轮组的涡轮中的燃烧气体具有范围在50bar到300bar的压力。

发明内容

本发明的目的在于具有一种联合循环发电厂，其在工厂以基本负载操作时以改进且优化的设计性能提供大功率储备。

本发明的另一个目的在于提供一种用于操作此类联合循环发电厂的方法。

这些及其它目的通过根据权利要求1的联合循环发电厂和根据权利要求6的操作方法来获得。

根据本发明，一种联合循环发电厂包括燃气涡轮，其排出气体出口连接于余热回收蒸汽发生器，该余热回收蒸汽发生器为水/蒸汽循环的一部分，由此为了在以基本负载操作时具有大功率储备并且同时具有较高设计性能，燃气涡轮设计有用于功率增加的蒸汽喷射能力，由此燃气涡轮包括至少一个燃烧器，以及提供冷却空气用于冷却所述燃气涡轮的压缩机，该冷却空气从压缩机抽取，并且在至少一个冷却空气冷却器中冷却下来，并且用于蒸汽喷射的蒸汽在所述冷却空气冷却器中生成，由此所述蒸汽可喷射到所述冷却空气冷却器的空气侧入口或出口中，并且/或者直接地喷射到所述至少一个燃烧器中。余热回收蒸汽发生器配备有补充焚烧。补充焚烧为至少单级补充焚烧，以在需要时增加高压蒸汽产生并且向电网提供增加功率来作为功率储备。

根据本发明的实施例，至少一个冷却空气冷却器为单程冷却器(OTC)。

根据本发明的另一个实施例，用于蒸汽喷射的蒸汽取自所述余热回收蒸汽发生器。

根据本发明的另一个实施例，补充焚烧为两级补充焚烧，其具有用于增加高压新鲜蒸汽生产和向电网提供增加功率作为功率储备的第一级，以及布置在余热回收蒸汽发生器内的高压蒸发器之后用于在需要时增加中间压力新鲜蒸汽生产和向电网提供附加功率作为功率储备的第二级。

根据本发明的又一个实施例，高压蒸汽涡轮模块借助于自动离合器连接于蒸汽涡轮。

根据本发明的用于操作联合循环发电厂的第一方法特征在于在需要功率储备的情况下，工厂功率在第一步骤中借助于进入蒸汽涡轮的蒸汽喷射来增大，并且在第二步骤中，蒸汽涡轮的功率借助于增大补充焚烧的负载来增加。

尤其是在高压蒸汽涡轮模块借助于自动离合器连接于蒸汽涡轮时，该方法包括以下步骤：

a)为了提供快速功率增加，单独的蒸汽涡轮模块由来自主蒸汽涡轮或来自余热回收蒸汽发生器的放出蒸汽加热，以保持蒸汽涡轮温热；

b)当需要功率储备时，蒸汽喷射到燃气涡轮中，并且补充焚烧开始，由此

a. 工厂功率首先利用蒸汽喷射增大，并且

b. 接着蒸汽涡轮功率利用补充焚烧负载增大来增加；

c) 高压蒸汽涡轮模块起动；以及

d) 在蒸汽涡轮新鲜蒸汽操作压力在补充焚烧加载期间达到预定极限之前，高压蒸汽涡轮模块准备好同步并且通过操作自动离合器来连接。

作为备选，该方法包括以下步骤：

a) 当需要计划的较大量的功率增加时，接着在需要功率储备之前，蒸汽涡轮由进入附加高压蒸汽涡轮模块的蒸汽加热；

b) 当需要功率储备时，蒸汽喷射到燃气涡轮中，并且补充焚烧开始，由此

a. 工厂功率首先利用蒸汽喷射增大，并且

b. 接着蒸汽涡轮功率利用补充焚烧负载增大来增加；

c) 高压蒸汽涡轮模块起动；以及

d) 在蒸汽涡轮新鲜蒸汽操作压力在补充焚烧加载期间达到预定极限之前，高压蒸汽涡轮模块准备好同步并且通过操作自动离合器来连接。

附图说明

现在借助于不同实施例并参照附图来更进一步阐释本发明。

图1示出了具有HRSG中的补充焚烧和借助于OTC进入燃气涡轮的蒸汽喷射的根据本发明的第一实施例的联合循环发电厂的简图；

图2示出了具有HRSG中的补充焚烧和从HRSG直接到燃气涡轮的燃烧器中的蒸汽喷射的根据本发明的第二实施例的联合循环发电厂的简图；

图3示出了具有HRSG中的补充焚烧和借助于OTC且从HRSG到燃气涡轮中的蒸汽喷射的根据本发明的第三实施例的联合循环发电厂的简图；以及

图4示出了类似于图1和3的根据本发明的第四实施例的联合循环发电厂的简图，其中附加的高压蒸汽涡轮模块借助于自动离合器连接。

部件列表

10a-d 联合循环发电厂(CCPP)

11a,b 燃气涡轮

12 压缩机

13,14 涡轮

15,16 燃烧器

17,18 单程冷却器(OTC)

19 余热回收蒸汽发生器(HRSG)

20,30 蒸汽涡轮

21 冷凝器

22,22’ 补充焚烧(SF)

23a,b 冷却空气管线

24 给水管线

25-28,32 蒸汽管线

30 高压蒸汽涡轮模块

31 离合器(自动)

33 高压新鲜蒸汽管线

34 给水管线

35 水/蒸汽循环。

具体实施方式

本发明基本上组合了CCPP燃气涡轮蒸汽喷射和HRSG的单级或两级补充焚烧来在补充焚烧SF关闭时改进工厂的性能，并且在需要时提高功率储备的能力。

直接地使用由用于蒸汽喷射的单程冷却器(OTC)生成的蒸汽具有相比于来自HRSG的蒸汽抽取的设计简化的形式的益处。

单独的第二高压蒸汽涡轮将进一步提高工厂的性能和功率储备能力。

如图1中所示，联合循环发电厂(CCPP)10a具有燃气涡轮11a，燃气涡轮11a具有压缩机12、两个燃烧器15和16以及两个涡轮13和14，设计有使用由冷却空气冷却器(诸如单程冷却器17和18)生成的蒸汽来通过蒸汽管线26增加功率的蒸汽喷射。蒸汽可喷射到所述空气冷却器17的空气侧入口或空气侧出口中，并且/或者直接地喷射到燃烧器15中(见图1)。

至冷却空气冷却器的热空气侧(=空气侧入口)的蒸汽喷射具有避免水滴的益处，该水滴在将蒸汽喷射至冷却空气冷却器的冷空气侧(=空气侧出口)时发生。至冷却空气冷却器的热空气侧用于增加燃气涡轮功率(不必与补充焚烧组合)的此类蒸汽喷射是优选实施例。

燃气涡轮11a利用从压缩机12穿过冷却空气管线23a和23b的冷却空气冷却。为包括蒸汽涡轮20和冷却器21以及高压新鲜蒸汽管线33和给水管线34的水/蒸汽循环35的一部分的余热回收蒸汽发生器(HRSG)19设计有单级补充焚烧22，以在需要时增加高压蒸汽生产和向电网提供增加功率作为功率储备。

作为备选，可使用具有两级补充焚烧22和22'的HRSG设计：用于在需要时增加高压新鲜蒸汽生产并且向电网提供增加功率作为功率储备的一个焚烧级22，以及用于在需要时增加中间压力新鲜蒸汽生产并且向电网提供附加的增加功率作为功率储备的、在HRSG内的高压蒸发器之后的另一个级间补充焚烧22'。

可需要对第二SF22'增加空气或氧来允许第二SF的截面面积之上的足够O₂。可能性中的一个在于以给水、排出气体、热电联合回水、CCS回流冷凝物或其它来源来预热增加的空气，以改进效率。

当来自冷却空气冷却器(OTC17和18)的蒸汽部分地或完全地用于燃气涡轮11a处的燃气涡轮蒸汽喷射时，对于给定的功率储备百分比，例如，工厂净基本负载功率输出的10%，可利用在SF关闭时的较高新鲜蒸汽压力，并且将改进工厂性能。

在另一方面，如果需要，则其允许大功率储备。当需要甚至更大的功率储备，并且新鲜蒸汽压力在SF开启时达到极限时，两级SF设计(22和22')可提供附加的功率储备。优化给定的功率储备百分比的HP和IP蒸汽压力裕度可在另一方面改进基本负载下的工厂性能，而没有功率增加。

如图2中所示，CCPP10b具有燃气涡轮11b，其设计有燃烧器15处的蒸汽喷射，用于使用来自余热回收蒸汽发生器(HRSG)19的蒸汽来增大功率。另外，具有单级补充焚烧22的HRSG设计可用于在需要时增加高压蒸汽生产并且向电网提供增加功率来作为功率储备。

另外，具有两级补充焚烧22和22'的HRSG的设计可用作备选方案：用于在需要时增加高压新鲜蒸汽生产并且向电网提供增加功率作为功率储备的一个(22)，以及用于在需要时增加中间压力新鲜蒸汽生产并且向电网提供附加的增加功率来作为功率储备的、在高压蒸发器之后的另一个第二补充焚烧(22')。

另外，可需要对第二个增加空气或氧来允许第二SF的截面面积之上的足够O₂。增加空气可利用给水、排出气体、热电联合回水、CCS回流冷凝物或其它来源来预热，以改进效率。

如图3中所示，根据本发明的另一个实施例的CCPP10c类似于图1。用于功率增加的蒸汽可喷射到冷却空气冷却器(17,18)的空气侧出口或入口中，或直接喷射到燃烧器15中。此外，可使用从余热回收蒸汽发生器(HRSG)19穿过蒸汽管线28的蒸汽。HRSG设计与图1中的相同。

如图4中所示，类似于图1和图3的CCPP10d还包括(第二)高压蒸汽涡轮模块30，其借助于自动离合器31(诸如SSS离合器)和蒸汽管线32连接于(第一)蒸汽涡轮20。

对于图1至4的各个实施例，操作方法如下：

·当需要功率储备时，燃气涡轮蒸汽喷射和补充焚烧SF将开始；

·工厂功率将首先利用蒸汽喷射增大；

·接着蒸汽涡轮功率利用补充焚烧负载增大来增加。

对于根据图4的CCPP10d，操作步骤为：

·当需要大量功率增大时，接着在需要功率储备之前，进入第二高压蒸汽涡轮30的蒸汽开始加热蒸汽涡轮20；

·当需要功率储备时，燃气涡轮蒸汽喷射和SF将开始；

·工厂功率将首先利用蒸汽喷射增大；

·接着蒸汽涡轮功率利用补充焚烧负载增大来增加；

·第二蒸汽涡轮高压模块30将起动；

·在蒸汽涡轮新鲜蒸汽操作压力在补充焚烧加载期间到达极限之前，第二蒸汽涡轮30将准备好同步，并且SSS离合器31开始接合。

对于根据图4的CCPP10d，又一个操作步骤包括：

·单独的蒸汽涡轮模块通过来自主蒸汽涡轮或来自HRSG的放出蒸汽来加热，以保持蒸汽涡轮加热能够快速启动。