燃气涡轮装置及其操作方法

摘要

燃气涡轮设备的操作模式提供了将压缩空气和蒸汽甲烷‑氢混合物供应至燃烧室、通过被引入至燃气涡轮设备的水蒸气的蒸发或过热的方式而进行冷却，在燃气涡轮设备中，供应的天然气与高压水蒸汽混合，获得由热交换器中的上述燃烧产物流加热的甲烷蒸汽‑燃气混合物；然后其经过用于甲烷重整的催化反应器，在输出端生成蒸汽‑甲烷‑氢混合物，其被供应到燃气涡轮设备的燃烧室；其特征在于，燃气涡轮设备的热交换处理的温度通过由辅助的自由工作燃气涡轮的输出端移出的蒸汽‑甲烷‑氢混合物后燃烧流中的补充燃料燃烧的方式来增加，并且在蒸汽‑甲烷‑氢混合物被供应到燃烧室之前，其预先被冷却至在200～240℃的温度范围内的温度，同时不同程度地冷凝水蒸气；将冷凝物分离、蒸发以及应用于制备甲烷蒸汽‑燃气混合物和低压水蒸气，其经过辅助的自由工作燃气涡轮。

权利要求

1.一种燃气涡轮装置的操作方法，所述方法包括：将压缩空气和蒸汽/甲烷/氢混合物供应至燃气涡轮装置；使蒸汽/甲烷/氢燃烧产物在燃气涡轮中膨胀；通过蒸发或再加热被供应到燃气涡轮装置的蒸汽使其在蒸汽发生器中过热温度降低，其中，新加入的天然气与蒸汽发生器高压蒸汽混合，导致生成基于甲烷的蒸汽/燃气混合物，基于甲烷的蒸汽/燃气混合物被热交换器中的上述燃烧产物流加热，并且经过用于甲烷转化的催化反应器，进一步生产被供应到燃气涡轮装置的蒸汽/甲烷/氢混合物，其特征在于，在热交换处理中，通过补充燃料燃烧，升高在辅助的功率涡轮出口移出的蒸汽/甲烷/氢混合物燃烧产物流的温度，但在被供应到燃烧室之前，蒸汽/甲烷/氢混合物被降低过热温度至200～240℃，同时发生其蒸汽的部分冷凝和冷凝物的生成，所述冷凝物被分离、被蒸发以及在生产基于甲烷的蒸汽/燃气混合物期间被消耗，蒸汽发生器低压蒸汽然后通过辅助功率涡轮。

2.根据权利要求1所述的操作方法，其中，甲烷、天然气或蒸汽/甲烷/氢混合物可以用作在蒸汽/甲烷/氢燃烧产物流中燃烧的补充燃料。

3.根据权利要求1所述的操作方法，其特征在于：在热交换器中的基于甲烷的蒸汽/燃气混合物被加热至600～640℃。

4.一种燃气涡轮装置，其包括用于生产在燃气发生器系中的燃烧室内燃烧掉的蒸汽/甲烷/氢混合物的装置、在热交换器下游且在其加热侧设置的蒸汽发生器，其中，所述燃气发生器系包括空气压缩机、燃烧室、通过热交换器与蒸汽/甲烷/氢混合物生产装置连接的燃气涡轮，所述热交换器在加热侧与用于甲烷转化的催化反应器的入口连接，催化反应器的出口在加热侧与燃气发生器系燃烧室连接，所述蒸汽发生器的蒸汽出口与供给天然气的混合器的入口连接，并且蒸汽发生器入口与蒸汽冷凝物来源连接；其特征在于，所述燃气发生器系包括在燃气涡轮的下游的带有负荷的辅助功率涡轮和蒸汽/甲烷/氢混合物燃烧产物的后燃室，所述后燃室的出口与热交换器的入口连接，而其入口与辅助的功率涡轮连接，所述辅助的功率涡轮的低压蒸汽入口与蒸汽发生器出口连接。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮装置，其特征在于：蒸汽发生器与后燃室和热交换器串联设置。

6.根据权利要求4或5所述的燃气涡轮装置，其特征在于：在催化反应器出口降低过热温度的蒸汽/甲烷/氢混合物是蒸汽冷凝物的另外来源。

说明书

燃气涡轮装置及其操作方法

[0001] 本发明技术涉及用于发电操作的燃气涡轮装置，或用作车辆和长距离燃气输送管压缩机的驱动的燃气涡轮装置，特别是涉及应用于发电和输送目的的燃气涡轮装置(GTU)的操作模式，其特征在于低燃料消耗和废气热回收。

[0002] 使用天然气作为燃气涡轮燃料已经促进了如下技术的发展，即通过燃气涡轮(GT)装置与蒸汽涡轮(ST)的结合以及混合有蒸汽的天然气燃烧方法来提高燃气涡轮(GT)装置的效率。

[0003] 本发明技术还包括全新的燃气涡轮装置GTU的设计，其特征在于显著减少消费的电力以及减少因用于GT/ST进料目的的烃燃气蒸汽混合物的化学转化而导致的排放物。

[0004] 现有技术包括用于提高联合的循环燃气涡轮(CCGT)装置的效率的方法，其提供将水注入压缩机流路、在热回收蒸汽发生器(HRSG)中进行GT废气热回收、在直接接触式冷凝器内冷凝来自GT工作介质的蒸汽、以及在1.05-1.1过量空气下在燃烧室内进行燃料燃烧。GT入口的工作介质温度是由蒸汽供给控制，所述蒸汽供给是从HRSG至完全燃烧/燃烧室之一以及在CCGT内与GT结合的ST的再生性渗出的蒸汽供给；或者在其单独的操作模式时，所述蒸汽供应是从CCGT循环设置内的蒸汽发生器供应的(2006年7月10日的俄罗斯申请No.2005102152)。

[0005] 为了实施上述方法，CCGT装置包括主要的燃烧空气压缩机、与GT结合的ST、供给GT废气的HRSG、用于蒸汽冷凝的直接接触式冷凝器以及确保CCGT装置独立操作的蒸汽发生器。

[0006] 所述方法及装置的缺点在于ST和GT的结合使用使整个CCGT装置操作更加复杂和昂贵。

[0007] 现有技术还包括装备有用于先进的热回收和排放物降低的综合系统的GTU的操作模式和设计(2003年1月20日的俄罗斯申请No.2000131473)。这样的装置的操作模式提供将空气压缩和供应至燃烧室、在燃烧室内燃气燃料燃烧而将燃烧区中的过量空气因子减少至1.02-1.05以及在液体燃料时减少至1.05-1.10、GT内燃烧产物膨胀、在涡轮机下游未燃烧的燃料烧尽、将水注入压缩机和燃烧室。

[0008] 俄罗斯申请No.2000131473中的燃气涡轮装置(GTU)设计包括压缩机和带有在GTU空气/燃气回路内串联连接的燃气进气管道的燃烧室、与压缩机和发电机机械连接的燃气涡轮(GT)、带有热载体入口和出口管道的增压节能装置、与发电机和向致冷用户供给气体的供给气体机械连接的燃烧产物透平膨胀机、带有入口/出口燃料管线和加热管道的回收燃料加热器。下述设备系被安装在GT下游于燃气回路内：节能装置或蒸汽发生器、表面或接触面冷凝器以及干燥器、表面气体-水换热器、消音器和被安装在透平膨胀机下游的烟筒。压缩机通过沿着入气口回路串联设置的过滤器、表面或接触面气体-水热交换器和消音器而与吸气管连接。

[0009] 上述操作模式和装置的特征还在于，因GT流路中缺少过量的空气和工作介质流量的减少而导致的低效率。

[0010] 从现有技术可知，联合循环燃气涡轮(CCGT)装置的操作是基于所谓的STIG(蒸汽喷射燃气涡轮)循环，由此蒸汽被直接注入至GT燃烧室。在此循环中，由废热交换器所产生的所有蒸汽被供应至GT燃烧室，然后所生成的蒸汽/燃气混合物在GT内膨胀，并且在经过废热交换器后被排放到大气中。

[0011] 将蒸汽喷射至涡轮流路内可以在不提高涡轮上游的燃气温度的情况下使功率增加60-70％，效率增加大约25％(相对值)。STIG循环的缺点在于回路水的完全损失。

[0012] 本发明技术的原型是燃气涡轮装置(GTU)操作模式(2012年11月20日的俄罗斯专利No.2467187)，其提供将压缩空气和基于甲烷的蒸汽/燃气混合物供应至燃烧室、在GT中膨胀燃烧产物、通过蒸发或再加热高压(HP)蒸汽来降低燃烧产物过热、冷凝燃烧产物中所包含的低压蒸汽、蒸发和再加热被供应到GTU的高压蒸汽中所获得的冷凝物，其中，新加入的天然气连续地与高压蒸汽混合，通过基于甲烷的蒸汽/燃气混合体的燃烧产物在第一热交换器中被加热，经过用于生产然后在第二热交换器中被加热的基于甲烷的蒸汽/燃气混合物的催化反应器，经过第二催化反应器且被供应到燃烧室。甲烷催化转化产物是基于甲烷的燃气，其特征在于1-5％或超过20％的氢含量。

[0013] 在上述模式中操作的装置具有如下设计：由空气压缩机、然烧室和在下游安装了蒸汽/燃气混合物热交换器的涡轮机组成的燃气发生器系，其中，所述热交换器在加热侧与甲烷催化反应器入口连接，所述热交换器的出口在其加热侧与燃烧室连接。在热交换器下游且在其加热侧是蒸汽发生器，其蒸汽回路与蒸汽/燃气混合物联管箱入口连接。联管箱入口与天然气源连接，其出口与热交换器入口在加热侧连接。

[0014] 从俄罗斯专利No.2467187可知的GTU操作模式和设计允许仅部分消除上述技术的缺点而未能达到消费燃料的高能源效率。另一缺点是提高装置输出的能力有限，这是因为在涡轮机的上游工作介质参数对其能力的影响。

[0015] 在开发本发明操作模式期间所解决的技术问题是确保GTU的操作不包括上述缺点并且实现最大限度地减少消费的能源和排放物。

[0016] 与开发上述装置设计有关而解决的问题是生产新型的燃气装置，其特征在于更简单的设计以及更高效的输出和效率，这是由于化学再生废燃气热量以用于天然气的蒸汽催化转化以及在GTU燃气发生器中生产甲烷/氢或蒸汽/甲烷/氢(SMH)混合物而获得的结果。

[0017] 由本发明的GTU设计的开发所实现的技术成果与其原型相比，通过更完全地回收废弃燃烧产物能量而提高了性能。

[0018] 在开发本发明的GTU操作模式时所实现的有益效果是，降低了温度并且降低了4-8倍氮氧化物(NOx)排放，减少了14.8％的天然气消耗量并且提高了效率3.41％(绝对值)。

[0019] 基于已知的GTU操作模式，解决了与装置操作相关的问题，已知的GTU操作模式提供将压缩的空气和SMH混合物供应至燃烧室内、在GT中膨胀SMX燃烧产物、通过蒸发或再加热供应到GTU的蒸汽来降低其过热，其中，新加入的天然气与高压蒸汽混合，生成基于甲烷的蒸汽/燃气混合物，该混合物在热交换器内被所述的燃烧产物流加热，并且经过催化反应器以使甲烷转化，从而进一步生成被供应到GTU燃烧室的SMH混合物。根据本发明的模式，通过在辅助功率GT(ancillary power GT)出口排出的SMH混合物燃烧产物流中的补充燃料燃烧使热交换工艺温度上升。在被供应到燃烧室之前，SMH混合物的过热将被降低至200～240℃，同时发生蒸汽的部分冷凝和冷凝物的生成。后者将被分离、蒸发以及在生成基于甲烷的蒸汽/燃气混合物和后续将经过辅助功率GT的低压(LP)蒸汽过程中被消耗。

[0020] 此模式的特征还在于，甲烷、或者天然气、或者从催化反应器排出的SMH混合物都可以用作在SMH燃烧产物流中燃烧的燃料。

[0021] 此模式的另一特征在于，热交换器内的基于甲烷的蒸汽/燃气混合物被加热至600～640℃。

[0022] 与所述设计相关的技术成果是通过使用由用于生产在燃气发生器系(gas generation train)的燃烧室内燃烧的SMH混合物的装置构成的GTU而实现的，所述燃气发生器系包括空气压缩机、燃烧室、通过热交换器与SMH混合物生成装置连接的GT，该热交换器在加热侧与用于甲烷转化的催化反应器的入口连接，其在加热侧的出口与燃气发生器燃烧室连接。准备了在热交换器的加热侧下游安装的蒸汽发生器，其蒸汽出口连接到供给天然气的混合器入口。蒸汽发生器入口与蒸汽冷凝物来源相连。根据本发明的设计布置，安装在GT下游的燃气发生器系包含带负荷的辅助功率GT和SMH混合物燃烧产物的后燃室，其出气口与热交换器入口连接，而入口与辅助功率GT的出口连接，所述辅助功率GT的低压蒸汽入口与蒸汽发生器出口连接。

[0023] 所述装置设计的特征还在于，蒸汽发生器与后燃室和热交换器并联设置。

[0024] 所述装置设计的另一个特征在于，在催化反应器出口被降低过热温度的SMH混合物是蒸汽冷凝物的另外来源。

[0025] 本发明的GTU操作模式提供通过使用燃烧产物热回收的方式来生产以更高的氢含量为特征的SMH混合物，这导致在燃烧时的排放物和消耗的电力明显减少。

[0026] 高效燃气涡轮装置的热回收问题来自于对于更高的效益和竞争力的要求，以及来自于通过在发电中应用复合的循环GTU来再提供动力、燃气泵和输送部分的需求。

[0027] 与传统的GTU设置和带有二氧化碳捕集的蒸汽/燃气循环不同，带有化学再生的装置提供将废气热用于天然气的蒸汽催化转化(重整)，这导致形成作为GTU的燃料的甲烷/氢气或蒸汽/甲烷/氢气混合物，以及由燃气涡轮所产生的大部分电力。

[0028] GT废热回收的最高热力学效率可以在通过此热生成化学试剂时获得，燃烧该化学试剂生成在燃气涡轮循环中消耗的高温工作介质。这些化学试剂之一是氢气，其不仅没有有害的燃烧产物，而且提供更高的涡轮效率，能够使用以高过量空气系数(氢气/空气混合体时多达λ＝9.8)为特征的极其稀燃混合物进行操作。在燃烧室内的显著空气过量能够显著降低废气温度以及令人难以置信地低的氮氧化物(NOx)排放，其几乎相当于检测极限。同时，工作介质流量的增加导致涡轮容量的扩大。此外，使用高氢含量(多达50％)的甲烷/氢气混合物(包括被恢复的那些混合物)作为GTU的燃料气体，将能够不仅显著提高性能，而且极大地减少排放。根据本发明的技术方案，天然气通过甲烷催化蒸汽转化而富含氢，其吸热性质需要热量输入。从燃气涡轮中耗尽的燃烧产物提取热量用于生成蒸汽和用于加热供应到催化反应器的SMH混合物，部分蒸汽被用于甲烷转化，剩余部分蒸汽流与甲烷/氢气混合物被供应至燃烧室。这允许最大程度地使用从GT排出的燃烧产物的能量。升高GTU热交换过程的温度有助于高氢含量的SMH混合物的更高输出，本质上，这使排放物因更完全的燃料燃烧而大量减少。

[0029] 将某部分量的蒸汽从SMH混合物中分离打算用于促进高氢含量(多达50％)的SMH混合物的燃烧，由此提高GTU的性能以及显著地减少排放物。将移出某部分蒸汽冷凝物用于所述装置过程的再循环，该蒸汽冷凝物用作为附加的蒸汽源。

[0030] 关于所述设计，在GTU内应用辅助的功率GT的适宜性是由通过向辅助的涡轮回路供给额外的基于蒸汽的工作介质而显著增加的装置容量来保证，所述基于蒸汽的工作介质由与后燃室并联的蒸汽发生器生成，其高压蒸汽出口与混合器入口连接，低压蒸汽出口与辅助的功率GT入口连接。所述装置装备有后燃室也有助于显著增加通过甲烷催化转化而生成的SMH混合物的输出，该转化的吸热性质需要热输入。

[0031] 蒸汽发生器入口连接到催化反应器，用于从SMH混合物以如下方式抽出蒸汽冷凝物，即在催化反应器出口被降低过热温度的SMH混合物用作蒸汽冷凝物的额外来源，在再加热蒸汽冷凝物后，蒸汽发生器将会生成高压和低压蒸汽。

[0032] 图1表示GTU的操作模式和设计的原理图。

[0033] 如图所示，GTU包括燃气发生器系，其由用于压缩空气(2)的压缩机(1)、用于燃烧SMH混合物(4)和排出燃烧产物(5)的燃烧室(3)、用于膨胀燃烧产物(5)和在出口生成低压燃烧产物(7)的燃气涡轮(6)、带有负荷(9)的辅助功率GT(8)和带有燃料(11)的后燃室(10)组成。

[0034] 基于天然气(13)生产SMH混合物(4)的装置(12)包括生成基于甲烷的蒸汽/燃气混合物的混合器(14)、在其出口生成被加热的基于甲烷的蒸汽/燃气混合物(16)的热交换器(15)、用于生成SMH混合物(4)和蒸汽冷凝物(18)的甲烷转化催化反应器(17)、生产高压蒸汽(20)和高压蒸汽(21)以及抽出过热降温的燃烧产物(22)的蒸汽发生器(19)。

[0035] 设计一种GTU以实施本发明的操作模式。

[0036] GTU设计的实施例如下所示。

[0037] 按照下图所示，GTU包括：生成在燃烧室(3)内燃烧的SMH混合物(4)的装置(12)和燃气发生器系，所述燃气发生器系包括压缩空气(2)的压缩机(1)、燃烧室(3)和GT(6)，在GT的下游串联设置有带负荷(9)的辅助功率GT(8)和供给燃料(11)的SMH混合物(4)的后燃室(10)。后燃室(10)的出口与热交换器(15)的入口相连，其入口与辅助的功率GT(8)的出口相连。

[0038] 发电机、在长距离燃气管道的天然气压缩机或车辆驱动用作为辅助的功率GT(8)的负荷(9)。

[0039] 生成SMH混合物(4)的装置(12)通过热交换器(15)与GTU燃气发生器功能性连接，其包括供给天然气(13)的混合器(14)、在加热侧与催化反应器(17)的入口连接的热交换器(15)，其出口在加热侧与燃气发生器的燃烧室(3)连接。为了增加SMH混合物(4)的输出和保证其稳定性，催化反应器(17)可被分割为填充相同催化剂的两个部分。

[0040] 蒸汽发生器(19)由其高压蒸汽出口(20)与混合器(14)的入口连接，其低压蒸汽出口(21)与辅助的功率GT(8)连接，并且与后燃室(10)和热交换器(15)在加热侧并联设置。

[0041] 蒸汽发生器(19)入口的一端与催化反应器(17)连接以从过热降温后的SMH混合物(4)中去除蒸汽冷凝物(18)，其另一端与热交换器(15)的出口连接。因此，在催化反应器(17)被过热降温的SMH混合物作为生成高压蒸汽(20)和低压蒸汽(21)的蒸汽发生器(19)的蒸汽冷凝物(18)的附加来源。

[0042] 关于GTU操作模式的本发明技术方案的实施例如下所示。

[0043] 带有负荷(9)的辅助功率GT(8)由在用于生成SMH混合物的装置(12)中的燃料燃烧驱动。为此目的，燃气发生器的燃烧室(3)也同时供给有来自催化反应器(17)的SMH混合物(4)和来自压缩机(1)的空气(2)。来自燃烧室(3)的燃烧产物(5)被供应到FT(6)，其中，它们经过膨胀，生成低压燃烧产物(7)，其将进一步供给至带有负荷(9)的辅助的功率GT(8)。

[0044] 用于生成SMH混合物(4)的装置(12)通过废燃气热能来操作，由此热交换处理温度通过从辅助的功率GT(8)的出口抽出的低压SMH混合物燃烧产物(7)流中的燃料(11)在后燃室(10)中的后燃而提高。

[0045] 燃料(11)的氧化导致被供应至位于下游的热交换器(15)的低压燃烧产物(7)流的更高温度。甲烷、天然气或SMH混合物都可以用做后燃室(10)中燃烧的燃料(11)。

[0046] 为了生产SMH混合物(4)，将天然气(13)供应到混合器(14)以将其与通过蒸汽发生器(19)所生产的高压蒸汽(20)混合。通过混合器(14)所生产的基于甲烷的蒸汽/燃气混合物然后被供应到热交换器(15)，其加热流为如上述的，即离开后燃室(10)的低压SMH混合物(7)的燃烧产物的再加热流。

[0047] 基于甲烷的蒸汽/燃气混合物在热交换器(15)内被加热到600～640℃，用于生产被供应到用于甲烷转化的催化反应器(17)的出口的基于甲烷的蒸汽/燃气混合体(16)。在热交换器(15)中被降温过热的燃烧产物流被供应到蒸汽发生器(19)，蒸汽发生器(19)通过蒸发和再加热高压蒸汽(20)和低压蒸汽(21)而提供其后冷却，由此高压蒸汽被供应至混合器(14)，而低压蒸汽(21)经过带有负荷(9)的辅助的功率GT(8)。在蒸汽发生器(19)中冷却的且含有低含量的氮氧化物(NOX)的低温燃烧产物(22)被排放到大气中。

[0048] 作为甲烷转化处理的结果，催化反应器(17)生产具有下表所示的预设定的参数的SMH混合物(4)。

[0049] 在催化反应器(17)的出口，SMH混合物(4)初步在装入反应器(17)中的燃气-水热交换器(图中省略)被过热降温至200～240℃，同时部分冷凝混合物(4)中所包含的蒸汽以及形成用作蒸汽发生器(19)的进料水的额外来源的蒸汽冷凝物(18)。为此目的，蒸汽冷凝物(18)被分离、从SMH混合物(4)和催化反应器(17)中移出，然后被供应到蒸汽发生器(19)，其中通过SMH混合物(4)燃烧产物(生产被供应到混合器(14)的高压蒸汽(20)和经过带有负荷(9)的辅助功率GT(8)的低压蒸汽(21))辐射的热量蒸发。因此，生产SMH混合物(4)的装置(12)同时生成用于燃气发生器的燃料、高压蒸汽(20)和用于驱动辅助的功率GT(8)的低压蒸汽(21)。此外，装置(12)用于分离和排出低温且低氮氧化物(NOx)含量的燃烧产物(22)到大气中。

[0050] 下表表示从催化反应器(17)排出的SMH混合物的组成和热特性。

[0051] 表1.SMH混合体的成分与热特性

[0052]

[0053] *混合物流量显示为1000nm3/h的天然气流入量。

[0054] 就干燥的燃气方面，在催化反应器(17)的出口SMH混合物中所包含的氢浓度为将近40％。。

[0055] SMH混合物(4)和高压蒸汽(20)流的压力被维持在2.0～8.0MPa，尽可能地接近于GT(6)的入口压力。

[0056] 装置(12)中的催化反应器(17)可被分为两个反应器，由此基于甲烷的蒸汽/燃气混合物(16)中的甲烷交替地在第一和第二催化反应器内转化，而没有热供应并且使用基于以下金属的单一型催化剂：镍、铁、铂、钯、铱和其化合物。被分割的催化剂块含有重金属的高熔点化合物，其吸收热中子，从而保护其不受熔体的机械效应的影响。被分割的催化剂块的横截面为齿轮形状。

[0057] 为了增加催化反应器(17)的容量，输入的天然气(13)是经过以脱硫为目的预处理。