专利名称：当在燃气涡轮中燃烧低卡值燃气时经济使用过量压缩空气的设备和方法
技术领域：
本发明涉及燃气涡轮的领域。
燃气涡轮是一种用动力驱动发电机和其它装置的熟知的设备。燃气涡轮通常具有至少一个压缩器，一个膨胀器和至少一个燃烧室。在压缩器内，对空气进行加压使其与一种燃料相混合以备燃烧。空气/燃料的混合物然后在燃烧室内燃烧，而从燃烧室排出的热烟道气体则用于驱动膨胀器。
一系列不同的燃料曾被用于燃气涡轮，包括高卡值和低卡值的燃料。在本文中高卡值燃料被定义为其热值为大约每磅20000-23000BTU的燃料(1BTU＝252卡)。高卡值燃料包括天然气、其卡值为大约每磅23000BTU。在本文中低卡值燃料被定义为其热值为大约每磅4000BTU或更少一些的燃料。低卡值燃料包括焦炉气、煤气、重整石油产品气和高炉气(BFG)，后者通常具有大约每磅1150BTU的卡值。
如果燃烧时没有过量的空气，高卡值燃料能在大约4000°F下燃烧。这样高的温度，对于现代的膨胀器所用的材料来说是太高了，它将会损伤膨胀器。为了克服这一问题，为使用高卡值燃料设计的燃气涡轮一般使用过量的压缩空气来冷却，由此避免损伤和/或破坏膨胀器。相反，低卡值燃料只在约2000°F下燃烧。这个温度属于现代膨胀器所用材料的温度限度范围之内，因而过量的压缩空气就不再需要了。
在某些情况下，为高卡值燃料设计的燃气涡轮可能会需要使用一种低卡值燃料。例如，各种不同燃料的价格或供应上的差别，或者较严格的大气污染标准可能会偏向于使用一种低卡值的燃料。在为燃烧高卡值燃料而设计的燃气涡轮中使用低卡值燃料所引起的问题之一就是设计的燃烧室所要求的压缩空气量大大地高于燃烧一种低卡值燃料所需要的空气量。由于使用过量的空气来燃烧低卡值燃料很可能会把火焰吹熄，因此过量的压缩空气必须加以处理才能起到适当的作用。
对于这一问题曾提出过多种解决办法。最简单的方法是将过量的压缩空气释放到大气中。这种情况是不希望有，因为过量空气中含有的大量的能量被浪费掉了。典型的过量空气可能具有大约200psig(磅/平方英寸)的压力和大约660°F的温度。将这种高能量的空气排放到大气中确实是极不经济。
目前实行的另外的解决办法是过量空气除了操作涡轮机之外还用于各种其它机械目的。例如，压缩空气能量的一部分可以在空气膨胀器中回收，再为发电机或其它机器提供动力。或者是，剩余的压缩空气可以用于各种操作应用。炼钢厂的操作中可能将剩余的压缩空气用在鼓风炉中作为“鼓风”。过量压缩空气还可以用来输入气化装置的制氧设备中。然而，效率上的一些损失总是不可避免的，因为所产生的过量空气的量、压力和温度不可能正好与需求过量空气的操作相匹配。
所提出的另一种解决办法是专门设计一种使用低卡值燃料并与一个标准的高卡膨胀器相结合的压缩机。这个解决办法涉及高昂的设计费用且耽误的时间长，并且因此必须较大地改装机器才能改换所燃烧的燃料。
还有一种解决办法是将低卡值的燃料与一种或多种具有较高卡值的燃料混合使用。混合的燃料可能具有足够的卡值来操动未加改装的涡轮机而不会发生喘振。然而，这种办法本质上并不会有效，因为涡轮机未能与所用的空气/燃料混合物最佳地适配。
在本发明中，过量空气从一个或多个配成对的压缩器/膨胀器组中被转送至一个不带压缩器的独立膨胀器内(“一个非配成对的膨胀器”)，在这里它被用在与非配成对的膨胀器相结合的燃烧室内燃烧额外的燃料。在一个较佳的实施例中，非配成对的膨胀器是一种现成的部件，可以立刻从市场上购到并装备好，并且只操作到这样的程度以致可以一个或多个配成对的压缩器/膨胀器组中得到过量空气。
本发明具有若干优点。一个优点是产生一个功率单位所需要的燃料能量的减少。另一个优点是可以比将过量空气用于其它各种目的多产生出30%至50%的功率。又一个优点是它提供了一个使涡轮机的操作优化以便适应使用任何种类的燃料的方法。如果燃料的卡值变换，则由燃气涡轮压缩器所产生的空气的分配也能变换，当卡值上升时更多的空气被导向配成对的膨胀器，而当卡值下降时更多的空气被导向非配成对的膨胀器。这也最大限度地减低了将一套设备从用一种燃料改换成用另一种燃料的基建费用，并且省去了设计新的压缩器或其它设备的必要。再一个优点包括更有效地使用过量空气和消除其它设备对可能由也可能不由燃气涡轮所产生的过量空气的相依性。
本发明的这些目的和其它目的及优点通过下述结合附图的说明将更易明了，其中
图1是在燃气涡轮中使用高卡值燃料的一个典型发电系统的示意图，其方式在该专业内是非常熟悉的。
图2是图1中的发电系统改良成使用低卡燃气的示意图;
图3是一个燃气涡轮发电系统根据本发明改良成将过量空气从两个配成对的压缩器/膨胀器部件转送至一个非配成对的膨胀器的示意图;
现在参看附图，图1描述了一个在燃气涡轮(“CGT”)中使用高卡值燃料的现有技术典型的发电系统。两个CGT1，2各有一个与一个膨胀器4结合配成对的压缩器3。空气从进气口5处进入配成对的压缩器3。压缩空气的一部分在至少一个燃烧室6内与气体燃料混合，在该处空气和燃料的混合物发生燃烧而产生热烟道气。热烟道气在热烟道气进口7处进入配成对的膨胀器4。供应燃料的燃料供应线图中未显示出来。从每个配成对的膨胀器4中排出来的气体通过一个排出管道8进入一个热回收蒸汽发生器(“HRSG”)9，该发生器则产生蒸汽以驱动一个普通的蒸汽涡轮发电机10。这个所描述的系统被称作为“混合循环”系统，在本行业内是熟知的。一个混合循环系统在进入配成对的膨胀器4的热烟道气的温度为大约2300°F时，其热效率大约为50%。CGT和HRSG部件可以单独使用或联合使用，视该系统的所需功率而定。
在目前的技术条件下，一个给定的压缩器总是与一个给定的膨胀器配成对，以便燃烧具有一特定值域卡值的燃料。与高卡值燃料结合使用的压缩器被设计成能产生足够的压缩空气以便燃烧燃料，以及还产生“过量的”压缩空气以降低烟道气的温度，有时则对膨胀器进行冷却。与低卡值燃料结合使用的压缩器被设计成只产生足够的压缩空气来燃烧燃料。
在一个为燃烧高卡值燃料而设计的涡轮机中使用低卡值燃料所引起的问题之一是压缩器将继续产生过量的压缩空气，但该过量的空气已不再需要用来冷却该涡轮机。除非该过量的空气从压缩器中被抽出，否则它将会进入膨胀器内并可能导致喘振或使燃料的燃烧效率降低，或造成膨胀涡轮的过载。业内熟悉的一种解决办法是将此过量空气抽出用于其它各种机械和/或操作用途。在图2所描述的一个典型的构形中(先前已被应用过)，混合循环发电系统的配成对的压缩器/膨胀器通过将由压缩器3所产生压缩空气的一部分经由一条转送管线15传送到其它各种操作或机械设备(未显示)上的方式改装成能使用低卡值的燃料。
图2所描述的解决办法具有很多缺点。例如，从压缩器3抽出的过量空气的量有着很大的出入，因为它取决于低卡值燃料的燃烧程度。因此操作或机械设备将获得一个不可靠的压缩空气来源。此外，如果操作或机械设备位于离开涡轮机较远的地点，则转送过量空气给这些设备可能不经济和/或不现实。
图3描述了本发明的一个较佳的实施例，它以一种新的方式解决了与过量压缩空气相关的问题。在图3中，一条传送管线15将过量空气从两个配成对的压缩器3送至一个非配成对的膨胀器16的燃烧室17内。过量空气先与燃料相结合，然后在燃烧室17内燃烧，生成的热烟道气在一个进气口18处进入非配成对的膨胀器16中。虽然该实施例使用了两个配成对的压缩器来为一个独立的非配成对的膨胀器产生过量空气，但是人们也可以使用较多或较少数量的配成对的压缩器和较多或较少数量的非配成对的膨胀器。
好几个例子已经被计算出来，它们显示了使用本发明造成的效率的增加。下面的图表总结了这些例子。当然，这些例子仅是为了说明的目的，并不意味着限制所述内容的范围。
图表
第一个例子(在图表中由栏“1”表示)涉及使用由西门子公司制造的V84.3燃气涡轮。应用图2的构造形式，该燃气涡轮可产生出422000千瓦(KW)和16081301bs/hr的过量空气。平均效率(定义为产生一千瓦所需耗费的热)为8605BTU/KW。应用图3的构造形式，并使用天然气作为额外燃料则计算出的相对应效率为7192BTU/KW，大约有16.4%的改进。
第二和第三个例子(分别由栏“2”和“3”所表示)使用了由西门子公司制造的V84.2燃气涡轮。再次使用图2构造形式的基本实例产生出效率为9130BTU/KW的功率。以图3的构造形式使用天然气作为额外燃料的第二个例子，其相对应的效率为7716BTU/KW。以图3的构造形式使用天然气和高炉煤气的混合气作为额外燃料的第三个例子，其相对应的效率为7534BTU/KW。可计算出这分别相当于15.5%和17.5%的效率改进。
第四个例子(由栏“4”所表示)使用了由威斯汀豪斯公司制造的W501D5燃气涡轮。应用图2构造形式的基本实例产生出效率为8350BTU/KW的功率。应用图3构造形式和使用天然气作为额外燃料，其相对应的效率增加为7689BUT/KW，可计算出大约有7.9%的改进。
第五个例子(由栏“5”表示)也使用了由威斯汀豪斯公司制造的W501D燃气涡轮。使用图2构造形式的基本实例产生出效率为8350BTU/KW的功率。应用图3的构造形式和使用高炉煤气作为额外燃料，相对应的效率提高到7550BTU/KW，可计算出大约有8.4%的改进。
本发明的各种各样其它实施例都可以在不脱离本文叙述的精神和范围加以实施。例如，关于图3，传送管线15可以与一个排出阀相结合将过量空气排至大气中，或者与一个转换阀结合将其转送至各种机械和操作设备。在权利要求书中，所用的“转送空气”一词指的是转送给非配成对膨胀器的过量空气。又例如，一个自动的燃料控制机构19可以被用来将与转送空气相混合的燃料的量调整到适合从配成对的压缩机3中抽出的过量空气的量。
权利要求
1.一种具有一个燃气涡轮的改进的发电系统，该涡轮带有一个配成对的压缩器和膨胀器，当燃烧一种低卡值燃料时可以产生过量的压缩空气，其改进之处包括一个非配成对的膨胀器；从配成对的压缩器中抽出过量空气的装置；将从配成对的压缩器中抽出的过量空气的至少一部分转送至非配成对的膨胀器中的装置；和将额外燃料加到转送空气中并燃烧该额外燃料以便驱动非配成对的膨胀器的装置。
2.如权利要求1的系统，其特征在于该系统还包括将从至少两个燃气涡轮的配成对的压缩器排出的过量空气的至少一部分转送给非配成对的膨胀器的装置。
3.如权利要求1的系统，其特征在于该系统还包括一个自动的燃料控制装置，用以调整加至转送空气中的额外燃料的数量。
4.在一个具有一个配成对的压缩器和膨胀器的燃气涡轮与一个从配成对的压缩器中抽出过量空气的装置相结合的构造中，一种为了有效地使用过量空气的装置包括一个非配成对的膨胀器;将抽出的空气的至少一部分转送至非成对的膨胀器的装置;和向转送空气添加燃料和燃烧所述燃料以驱动非配成对的膨胀器的装置。
5.一种利用从一个燃气涡轮抽出的过量空气的方法，它包括将过量空气的至少一部分转送给一个非配成对的膨胀器;和向转送空气中添加燃料和在一个燃烧室中燃烧所述燃料以驱动非配成对的膨胀器。
6.一种使一个具有一个燃气涡轮的发电系统适合于使用一种低卡值燃料的方法，它包括从燃气涡轮中抽取过量空气;将从涡轮中抽出的过量空气的至少一部分转送给一个非配成对的膨胀器;和向转送空气中添加燃料，并燃烧所述燃料以驱动非配成对的膨胀器。
7.一种使用低卡值燃料来驱动一个燃气涡轮的方法，该涡轮具有一个其构形适于燃烧高卡值燃料的配成对的压缩器和膨胀器，该方法包括将低卡值燃料供应给燃气涡轮;从配成对的压缩器中抽取足够数量的过量空气以维持进入配成对的膨胀器内的热烟道气的温度;提供一个非配成对的膨胀器;将从配成对的压缩器中抽出的过量空气的至少一部分转送给非配成对的膨胀器;和向转送空气中添加燃料并燃烧所述燃料以驱动非配成对的膨胀器。
全文摘要
将一个具有一个配成对的压缩器和膨胀器的燃气涡轮的压缩器中的过量空气转送给至少一个独立燃烧室的装备系统和方法，在燃烧室内过量空气与燃料相混合并加以燃烧，以驱动至少一个非配成对的膨胀器。在一个较佳的实施例中，非配成对的膨胀器是一个现成的部件，可以立即从市面上购到和予以装配。
文档编号F01K23/10GK1076996SQ92114299
公开日1993年10月6日 申请日期1992年12月2日 优先权日1991年12月2日
发明者J·霍顿, D·G·兰普雷特 申请人:弗劳尔公司