專利名稱:通過性能加熱優(yōu)化燃用低btu燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明大體涉及燃用低BTU燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備,且更特別地講,涉及通過 對燃料進(jìn)行性能加熱(performance heating)來優(yōu)化供應(yīng)給燃?xì)廨啓C(jī)的燃料以及提高聯(lián)合 循環(huán)發(fā)電設(shè)備中的效率和功率輸出。
背景技術(shù):
燃用低BTU燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備是這樣一種類型的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備已經(jīng) 實施這種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備,以便與傳統(tǒng)的鍋爐發(fā)電設(shè)備相比提供更高的效率及更低的排 放。低-BTU氣體,諸如鼓風(fēng)爐氣體(Bre)和焦?fàn)t氣(COG),通常在煉鋼廠中生產(chǎn)生鐵期間作 為焦炭燃燒以及鼓風(fēng)爐中的鐵礦石熔體的副產(chǎn)物而產(chǎn)生。在發(fā)電設(shè)備現(xiàn)場中,回收低BTU 氣體,并將其用作燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電解決方案中的燃料,燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電解決 方案可產(chǎn)生用于煉鋼廠以及出售給公共電網(wǎng)兩者的電能。
發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一方面,提供了一種基于低BTU燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備。該聯(lián)合循 環(huán)發(fā)電設(shè)備包括混合副產(chǎn)物廢氣的氣體混合單元。聯(lián)接到氣體混合單元上的燃料氣體壓縮 機(jī)對副產(chǎn)物廢氣的混合物加壓。燃?xì)廨啓C(jī)由來自燃料氣體壓縮機(jī)的副產(chǎn)物廢氣的加壓混合 物供以燃料。燃?xì)廨啓C(jī)包括壓縮機(jī);燃燒器,該燃燒器接收來自壓縮機(jī)的空氣以及來自燃 料氣體壓縮機(jī)的副產(chǎn)物廢氣的加壓混合物,以使它們?nèi)紵?;以及渦輪,該渦輪使由來自壓縮 機(jī)的空氣和來自燃料氣體壓縮機(jī)的副產(chǎn)物廢氣的加壓混合物的燃燒所產(chǎn)生的熱氣體膨脹。 該聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備進(jìn)一步包括燃燒加熱(fired heating)單元,該燃燒加熱單元接收副 產(chǎn)物廢氣的轉(zhuǎn)向的部分和來自燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)的壓縮空氣流排放物,以使它們進(jìn)行燃燒。 副產(chǎn)物廢氣的轉(zhuǎn)向的部分和壓縮空氣流排放物在燃燒加熱單元中的燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?。?lián) 合循環(huán)發(fā)電設(shè)備還包括性能加熱單元,在來自燃料氣體壓縮機(jī)的副產(chǎn)物廢氣的加壓混合物 進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器之前,該性能加熱單元利用由燃燒加熱單元產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈦砑訜嵩?來自燃料氣體壓縮機(jī)的副產(chǎn)物廢氣的加壓混合物。在本發(fā)明的另一方面,提供了一種燃用鼓風(fēng)爐氣體的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備。在本發(fā) 明的該方面中,鼓風(fēng)爐氣體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備包括混合鼓風(fēng)爐氣體與焦?fàn)t氣的氣體混合單 元。聯(lián)接到氣體混合單元上的燃料氣體壓縮機(jī)對鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣的混合物加壓。燃?xì)?輪機(jī)由來自燃料氣體壓縮機(jī)的鼓風(fēng)爐氣體與焦?fàn)t氣的加壓混合物供以燃料。燃?xì)廨啓C(jī)包 括壓縮機(jī);燃燒器,其接收來自壓縮機(jī)的空氣和來自燃料氣體壓縮機(jī)的鼓風(fēng)爐氣體與焦 爐氣的加壓混合物,以使它們進(jìn)行燃燒;以及渦輪,渦輪使由來自壓縮機(jī)的空氣和來自燃料 氣體壓縮機(jī)的鼓風(fēng)爐氣體與焦?fàn)t氣的加壓混合物的燃燒所產(chǎn)生的熱氣體膨脹。鼓風(fēng)爐氣體 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備進(jìn)一步包括燃燒加熱單元,該燃燒加熱單元接收鼓風(fēng)爐氣體的轉(zhuǎn)向的部 分和來自燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)的壓縮空氣流排放物,以使它們進(jìn)行燃燒。鼓風(fēng)爐氣體的轉(zhuǎn)向的 部分和壓縮空氣流排放物在燃燒加熱單元中的燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?。鼓風(fēng)爐氣體聯(lián)合循環(huán)發(fā) 電設(shè)備還包括性能加熱單元,在來自燃料氣體壓縮機(jī)的鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣的加壓混合物 進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器之前,性能加熱單元利用由燃燒加熱單元所產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧訜嵩搧?自燃料氣體壓縮機(jī)的鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣的加壓混合物。在本發(fā)明的第三方面中,存在一種提高在鼓風(fēng)爐氣體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備中使用的低-BTU燃料的溫度的方法。在本發(fā)明的該方面中,該方法包括使鼓風(fēng)爐氣體與焦?fàn)t氣混 合;對鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣的混合物加壓;對鼓風(fēng)爐氣體的轉(zhuǎn)向的部分和來自燃?xì)廨啓C(jī)壓 縮機(jī)的壓縮空氣流排放物進(jìn)行燃燒加熱,以使它們?nèi)紵?;以及在供?yīng)至燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器之 前,利用由鼓風(fēng)爐氣體的轉(zhuǎn)向的部分和壓縮空氣流排放物燃燒而產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱娘L(fēng)爐 氣體和焦?fàn)t氣的加壓混合物進(jìn)行性能加熱。
圖1是傳統(tǒng)的燃用Bre的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的示意圖;以及圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的燃用Bre的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的示意圖。具體 實施方式參看附圖,圖1顯示了傳統(tǒng)的燃用Bre的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100的示意圖。如圖1 中所示,包括Bre和COG的副產(chǎn)物廢氣從煉鋼廠110被供應(yīng)到氣體混合單元105。雖然圖1 中未示出,但可將從煉鋼廠110排放的其它副產(chǎn)物廢氣(諸如Linz Donawitz氣體(LDG)和 COREX氣體)用作低-BTU燃料。通常,供應(yīng)至氣體混合單元105的BTO的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于COG 的量。例如,混合單元105可從煉鋼廠110接收大約250pps的BTO和大約IOpps的COG。 自煉鋼廠110供應(yīng)的Bre和COG兩者的量通常處于低壓,且因此由氣體混合單元105產(chǎn)生 的Bre和COG的混合物大體處于大約15. 5psia的低壓。該氣體混合物需要被提高到較高 的壓力,以便用作用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的燃料。燃用Bre的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100使用離心燃料氣體壓縮機(jī)115來將Bre和COG 的氣體混合物的壓力提高到大約300psia。如圖1中所示,燃料氣體壓縮機(jī)115是多級燃料 氣體壓縮機(jī),其在該實施例中包括第一燃料氣體壓縮機(jī)(reci) 120和第二燃料氣體壓縮機(jī) (reC2)125。中間冷卻單元130位于reel 120和reC2 125之間,以便提高燃料氣體壓縮機(jī) 115的效率。燃料氣體壓縮機(jī)115將Bre和COG的該氣體混合物供應(yīng)給燃?xì)廨啓C(jī)135。燃?xì)廨?機(jī)包括壓縮機(jī)140,其從入口導(dǎo)葉(IGV)抽取空氣;燃燒器145,其接收來自壓縮機(jī)140的 壓縮空氣和來自燃料氣體壓縮機(jī)115的副產(chǎn)物廢氣的加壓混合物,以使它們?nèi)紵?;以及渦 輪150,其使由來自壓縮機(jī)140的空氣與來自燃料氣體壓縮機(jī)115的副產(chǎn)物廢氣的加壓混合 物燃燒而產(chǎn)生的熱氣體膨脹。如圖1中所示,從壓縮機(jī)140中排出壓縮空氣流排放物,其由 參考元素155表示。供應(yīng)壓縮空氣流排放物,以便與由渦輪150產(chǎn)生的排氣產(chǎn)物(其由參 考元素160表示)混合。壓縮空氣流的從壓縮機(jī)140到渦輪150的排氣的這種排放物被稱 為壓縮機(jī)向外排放物(over-board bleed) (OBB),且完成其以防止壓縮機(jī)140中的喘振。熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) 165接收來自渦輪150的排氣產(chǎn)物,以便從該排氣產(chǎn)物 中回收廢熱。從排氣產(chǎn)物回收的熱被傳遞到HRSG 165中的廢物/蒸汽中,以便產(chǎn)生被供應(yīng) 給蒸汽輪機(jī)(未示出)以驅(qū)動發(fā)電機(jī)(未示出)的蒸汽。來自HRSG165的冷卻氣體通過煙 囪被排出到大氣中。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到,Bre聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100的該部分可具 有其它構(gòu)件(例如冷凝器,水管等),但為了便于示意本發(fā)明的實施例而將其省略。類似地, 本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到,燃用BR;的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100的與燃?xì)廨啓C(jī)135相關(guān)的部 分可具有未顯示的其它構(gòu)件(例如燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)),但為了便于示意本發(fā)明的實施例而 省略了這些構(gòu)件。如本文所確定的,存在一些與燃用Bre的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100的運(yùn)行相關(guān)聯(lián)的 缺點(diǎn)。例如,因為Bre和COG的氣體混合物具有低LHV,所以需要極大量的燃料在燃?xì)廨啓C(jī)135的燃燒器145中獲得燃燒溫度。需要大量燃料的結(jié)果是燃料氣體壓縮機(jī)115將必須壓縮更多的這種低LHV燃料。結(jié)果,燃料氣體壓縮機(jī)115有大量的功率消耗,這會降低聯(lián)合循 環(huán)凈輸出。與燃用BR;的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備100的運(yùn)行相關(guān)聯(lián)的另一個缺點(diǎn)是利用OBB的 方式。特別地,此處已發(fā)現(xiàn)將OBB從壓縮機(jī)140排到渦輪150的排氣160會降低聯(lián)合循環(huán) 發(fā)電設(shè)備100的總體效率。圖2是已經(jīng)優(yōu)化了以上所提到的缺點(diǎn)以便提高效率和功率輸出的燃用Bre的聯(lián)合 循環(huán)發(fā)電設(shè)備200的示意圖。圖2中的與圖1中所使用的構(gòu)件類似的構(gòu)件被賦予了相似的 參考元素,只是圖2中所使用的參考元素前面加了標(biāo)號2。類似于圖1,圖2僅顯示了燃用 BFG的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備200的、闡述其運(yùn)行和涉及其優(yōu)化的本文所述的實施例所必須的 部分。如圖2中所示,Bre氣體分流器270在來自煉鋼廠210的BTO于氣體混合單元205 中與COG混合之前使該Bre的一部分轉(zhuǎn)向。在一個實施例中,BFG氣體分流器270使具有 大約15. 5psia的壓力以及大約104 0F (40°C )的溫度的大約21. 5pps的BTO轉(zhuǎn)向。BTO的 轉(zhuǎn)向的部分由參考元素275表示。燃燒加熱單元280接收BR;的轉(zhuǎn)向的部分和從壓縮機(jī)240排出的0BB255,以使它 們?nèi)紵?。燃燒加熱單?80產(chǎn)生由參考元素285表示的高溫?zé)煔?。性能加熱單?90使用 高溫?zé)煔?85來加熱由燃料氣體壓縮機(jī)215所產(chǎn)生的Bre和COG的加壓混合物,之后該混 合物才進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)255的燃燒器245。在一個實施例中,性能加熱單元290是在將BTO 和COG的加壓混合物供應(yīng)至燃燒器245之前使BR;和COG的加壓混合物的溫度升高大約 250 T (121°C )的熱交換器。來自性能加熱單元295的排氣295與來自燃?xì)廨啓C(jī)255的 渦輪250的排氣260混合。雖然在一個實施例中,排氣295與來自渦輪250的排氣260在 HRSG入口之前混合,但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到,可將排氣295供應(yīng)至HRSG 265的其它中 間位置而不與排氣260混合。如本文中所示,圖2的效率和功率輸出已得到提高,因為性能加熱單元290利用來 自燃燒加熱單元290的高溫?zé)煔?85預(yù)加熱了 BR;和COG的加壓混合物。該特征表示需要 較少的燃料通過燃料氣體壓縮機(jī)215來在燃?xì)廨啓C(jī)255的燃燒器245中獲得燃燒溫度。結(jié) 果,減少了燃料氣體壓縮機(jī)215的功率消耗,這會轉(zhuǎn)化成燃用Bre的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備200 的凈輸出和凈效率的提高。同樣,因為降低了燃料氣體壓縮機(jī)215的燃料流要求,所以在壓 縮機(jī)240處喘振邊界有所放寬,這會轉(zhuǎn)化成排出較少的0ΒΒ(即,減少大約30% )。結(jié)果,該 特征還有助于提高燃用Bre的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備200的總體效率。因此,實施本文所包括 的構(gòu)思將提供大約+1. 44MW的凈聯(lián)合循環(huán)輸出增長和大約+0. 37%的效率增長。雖然已特別地顯示了且結(jié)合本公開的優(yōu)選實施例描述了本公開,但將了解的是, 本領(lǐng)域技術(shù)人員將會想到變型和修改。因此,將理解的是,所附的權(quán)利要求書意圖覆蓋落在 本公開的實際精神內(nèi)的所有這樣的修改和改變。
權(quán)利要求
一種基于低BTU燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備(200),包括混合副產(chǎn)物廢氣的氣體混合單元(205);聯(lián)接到所述氣體混合單元(205)上、對副產(chǎn)物廢氣的混合物加壓的燃料氣體壓縮機(jī)(215);由來自所述燃料氣體壓縮機(jī)(215)的所述副產(chǎn)物廢氣的加壓混合物供以燃料的燃?xì)廨啓C(jī)(235),所述燃?xì)廨啓C(jī)(235)包括壓縮機(jī)(240);燃燒器(245),所述燃燒器接收來自所述壓縮機(jī)(240)的空氣以及來自所述燃料氣體壓縮機(jī)(215)的所述副產(chǎn)物廢氣的加壓混合物,以使該空氣和該加壓混合物燃燒;以及渦輪(250),所述渦輪使得由來自所述壓縮機(jī)(240)的空氣和來自所述燃料氣體壓縮機(jī)(215)的所述副產(chǎn)物廢氣的加壓混合物的燃燒所產(chǎn)生的熱氣體膨脹;燃燒加熱單元(280),所述燃燒加熱單元接收所述副產(chǎn)物廢氣的轉(zhuǎn)向的部分和來自所述燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)(240)的壓縮空氣流排放物,以使該轉(zhuǎn)向的部分和該排放物燃燒,所述副產(chǎn)物廢氣的轉(zhuǎn)向的部分和所述壓縮空氣流排放物在所述燃燒加熱單元(280)中的燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?285);以及性能加熱單元(290),在來自所述燃料氣體壓縮機(jī)(215)的所述副產(chǎn)物廢氣的加壓混合物進(jìn)入所述燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器(245)之前,所述性能加熱單元利用由所述燃燒加熱單元(280)所產(chǎn)生的所述高溫?zé)煔?285)來加熱該來自所述燃料氣體壓縮機(jī)(215)的所述副產(chǎn)物廢氣的加壓混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備(200),其特征在于,所述副產(chǎn)物廢氣包括 鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備(200),其特征在于,由所述燃燒加熱單元 (280)接收的所述副產(chǎn)物廢氣的轉(zhuǎn)向的部分包括所述鼓風(fēng)爐氣體的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備(200),其特征在于,來自所述性能加熱單 元(290)的排氣與來自所述燃?xì)廨啓C(jī)(250)的排氣混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備(200),其特征在于,所述性能加熱單元 (290)包括熱交換器。
6.一種燃用鼓風(fēng)爐氣體的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備(200),包括使鼓風(fēng)爐氣體與焦?fàn)t氣混合的氣體混合單元(205);聯(lián)接到所述氣體混合單元(205)上、對所述鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣的混合物加壓的燃料 氣體壓縮機(jī)(215);由來自所述燃料氣體壓縮機(jī)(215)的所述鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣的加壓混合物供以燃 料的燃?xì)廨啓C(jī)(235),所述燃?xì)廨啓C(jī)(235)包括壓縮機(jī)(240);燃燒器(245),所述燃燒器 接收來自所述壓縮機(jī)(240)的空氣和來自所述燃料氣體壓縮機(jī)(215)的所述鼓風(fēng)爐氣體和 焦?fàn)t氣的加壓混合物,以使該空氣和該加壓混合物燃燒;以及渦輪(250),所述渦輪使由來 自所述壓縮機(jī)(240)的空氣與來自所述燃料氣體壓縮機(jī)(215)的所述鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣 的加壓混合物的燃燒所產(chǎn)生的熱氣體膨脹;燃燒加熱單元(280),所述燃燒加熱單元(280)接收所述鼓風(fēng)爐氣體的轉(zhuǎn)向的部分以 及來自所述燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)(240)的壓縮空氣流排放物,以使該轉(zhuǎn)向的部分和該排放物燃 燒,所述鼓風(fēng)爐氣體的轉(zhuǎn)向的部分和所述壓縮空氣流排放物在所述燃燒加熱單元(280)中的燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?285);以及性能加熱單元(290),在來自所述燃料氣體壓縮機(jī)(215)的所述鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣 的加壓混合物進(jìn)入所述燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器(245)之前,所述性能加熱單元利用由所述燃燒加 熱單元(280)所產(chǎn)生的所述高溫?zé)煔?285)來加熱來自所述燃料氣體壓縮機(jī)(215)的所述 鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣的加壓混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鼓風(fēng)爐氣體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備(200),其特征在于,所述燃 料氣體壓縮機(jī)(215)包括多級燃料氣體壓縮機(jī)(220和225),其中至少一個中間冷卻單元 (230)位于各級之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鼓風(fēng)爐氣體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備(200),其特征在于,來自所述 性能加熱單元(290)的排氣與來自所述燃?xì)廨啓C(jī)(250)的排氣混合。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鼓風(fēng)爐氣體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備(200),其特征在于,所述鼓風(fēng) 爐氣體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備(200)進(jìn)一步包括接收來自所述燃?xì)廨啓C(jī)(250)的排氣的熱回收 蒸汽發(fā)生器(265)。
10.一種提高在鼓風(fēng)爐氣體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備(200)中所使用的低-BTU燃料的溫度的 方法,包括混合鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣;對所述鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣的混合物加壓;對所述鼓風(fēng)爐氣體的轉(zhuǎn)向的部分和來自燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)(240)的壓縮空氣流排放物 進(jìn)行燃燒加熱,以使該轉(zhuǎn)向的部分和該排放物燃燒;以及在將所述鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣的加壓混合物供應(yīng)到燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器(245)之前,利用 由所述鼓風(fēng)爐氣體的轉(zhuǎn)向的部分和所述壓縮空氣流排放物的燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔?285) 對所述鼓風(fēng)爐氣體和焦?fàn)t氣的加壓混合物進(jìn)行性能加熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過性能加熱優(yōu)化燃用低BTU燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備。公開了一種使用來自聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備(200)中的燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)(240)的壓縮空氣流排放物以及性能加熱來提高設(shè)備性能的優(yōu)化措施。在一個實施例中,對副產(chǎn)物廢氣的轉(zhuǎn)向的部分和壓縮空氣流排放物進(jìn)行燃燒加熱,以產(chǎn)生高溫?zé)煔?285),在燃料的加壓混合物被供應(yīng)至燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器(245)之前,使用該高溫?zé)煔?285)對該燃料的加壓混合物進(jìn)行性能加熱。
文檔編號F02C7/224GK101806247SQ20101012713
公開日2010年8月18日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月11日
發(fā)明者I·馬宗德, R·薩哈, S·洛坎納斯, V·K·拜卡姆帕迪戈帕爾克里什納 申請人:通用電氣公司