CN101720381A - 具有蒸汽涡轮机和用于预热给水的冷凝器的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有至少一个蒸汽涡轮机(STG)和一个冷凝器(CON)的装置(1)。另外，其涉及一种用于操作该装置的方法。本发明的目的是即使在废热的热力学参数不合适的情况下增加效率。为了解决该问题，建议回热式除热器(REDE)布置在所述蒸汽涡轮机(STG)和所述冷凝器(CON)之间的蒸汽流中，通过该回热式除热器，从所述蒸汽涡轮机出来的蒸汽(过热的废蒸汽SES)在进入所述冷凝器(CON)之前被冷却并且通过该回热式除热器加热给水(FW)流。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个蒸汽涡轮机和一个冷凝器的装置。另外，本发明涉及一种用来操纵根据本发明的装置的方法。
背景技术
随着公众对危害自然环境的关注的增加，低效的能耗越来越受到批评。特别是化石产生的能量成为批评的焦点，因为大气中的二氧化碳的浓度正在增加并且被怀疑引起温室效应。因此计划用所谓的CO2证书对产生二氧化碳予以处罚。政治发展增加了技术中的经济利益，其能够在较低排放情况下产生能量。更加严格处理的是氧化氮的排放，氧化氮被怀疑引起对自然环境甚至更严重的破坏。
关于这点，热电联产的效率，特别是具有蒸汽涡轮机和冷凝器的装置的效率会引起非常的关注，因为这种结构是产生热能的最有效的设备之一，其中热能通常是更高等级过程的废物。非常重要的问题是要相对于所述热力学边界条件保持热电联产非常灵活以总是达到尽可能的最大效率。
环保型的热电联产的一个例子是使用含氧燃料(oxyfuel)产生能量和热。纯氧和燃料特别是甲烷混合并在大约30bar的压力下得以燃烧并且处于废气中，该废气被反馈以获得高浓度的二氧化碳，该二氧化碳之后被净化和液化。这种特殊的过程具有几个约束条件并且废热因此具有特别具体的热力学参数，其使得难以用蒸汽涡轮机建立高效的热电联产。
在美国专利6,047,549B1中，动力装置设施被描述为将燃气轮机和与凝汽式汽轮机流体连接的废热锅炉相结合。在该结构中，燃气轮机、废热锅炉和蒸汽涡轮机最终会被彼此调整并且因此达到高达58％的效率。术语“废”不能被应用于燃气轮机的废气的热中，因为所述燃气涡轮机从开始就被设计成将给这个热量供给为所述蒸汽涡轮机产生蒸汽的锅炉。迄今为止，还没有知道使用不具有合适条件的废热以便使蒸汽涡轮机高效运行的概念。
发明内容
因此本发明的目的是要设计一种具有蒸汽涡轮机和冷凝器的装置，其甚至在与由应用废热而产生的蒸汽有关的废热不合适的条件下也具有较高的效率。
本发明的另一目的是使用蒸汽涡轮机和冷凝器增加热电联产的灵活性以及在废热的热力学参数不合适的情况下增加效率。
该目的是通过开始提到的那种类型的具有布置在所述蒸汽涡轮机和所述冷凝器之间蒸汽流中的回热式除热器的装置得以实现，通过该回热式除热器，存在于蒸汽涡轮机中的蒸汽在浸入所述冷凝器之前已被冷却并且通过该回热式除热器加热所述给水蒸汽。
通过允许所述蒸汽涡轮机中的废蒸汽被过热而在回热式除热器中进行换热的过程中回收过热蒸汽的过剩能量，其中所述回热式除热器使该热能回到其热循环的开始，该装置解决了与蒸汽涡轮机运行的热力学条件有关的不灵活的问题。根据本发明的装置的另一优点是蒸汽涡轮机的叶片不会暴露于湿蒸汽之下，该湿蒸汽通常会导致叶片的腐蚀损坏。本发明的另外的优点在于由于回热式除热器所述冷凝器也没有暴露于过热蒸汽之下，因此其还不需要被加强以对付较高的能量和更高的温度。由于本发明一个实施例中提出的混合焓没有任何损失，从蒸汽涡轮机出来的蒸汽的总质量流进入到回热式除热器。在回热式除热器的尺寸足够的情况下，压力损失是允许的，并且该装置可以在较大范围热条件下运行。当平行于所述回热式除热器布置至少一个用于给水蒸汽的旁路以使给水能绕过回热式除热器并且没有加入到给水和从蒸汽涡轮机出来的蒸汽之间的能量交换中时，根据本发明的装置的运行的灵活性得以增加。当至少一个阀门被布置在旁路管线和进入到回热式除热器的给水蒸汽之间的相交处时，扩大了效率较好的运行范围，通过所述阀门，进入到回热式除热器的给水蒸汽和绕过回热式除热器的给水蒸汽之间的比率能受到控制。该控制可以通过控制单元得以实现，该控制单元被设计成以使进入到回热式除热器的给水蒸汽和绕过回热式除热器的给水蒸汽之间的比例是根据该蒸汽涡轮机的出口和冷凝器的入口之间的蒸汽温度得以控制的。通过这样控制蒸汽涡轮机、冷凝器、除热器以及控制旁通流和流过除热器的给水流的比例的阀门，该装置或多或少地自动调节以改变消耗的能量供给并保持较高的效率。
根据本发明的装置可以和锅炉有利地相结合，其中给水进入蒸汽涡轮机之前通过锅炉被分别加热至过热，其中所述锅炉被设计成以使其通过氧气和燃料的混合物特别是通过氧气和碳酸氢盐的混合物得以加热。该混合物，还被称为含氧燃料，当其和输回来的废气(fed bag exhaust a gas)一起被燃烧时产生85％的水和15％的二氧化碳的混合物。“含氧燃料”过程给蒸汽涡轮机的热力学循环较强的约束以使该申请能被有益地应用。
本发明不仅涉及蒸汽涡轮机、冷凝器以及它们之间的回热式除热器的装置，而且还涉及一种操作该装置的方法。
附图说明
通过参照本发明的实施例的以下描述并与附图相结合，本发明的上述属性和其他特征和优点以及获得它们的方法将会显而易见并且本发明本身将会得以更好地理解，其中：
图1表示包含根据本发明的装置的含氧燃料动力装置的示意性流动图；
图2表示包含根据本发明的装置的传统蒸汽涡轮机动力装置的示意性流动图。
具体实施方式
图1表示在动力装置设施2中实现的根据本发明的装置1的示意性流动图。动力装置设施2消耗空气A和燃料F并且产生二氧化碳CO2和电能U。
在所述示意图的左上部的开始处，空气A进入到空气分离装置AS，该空气分离装置将N2从氧气O2分离出去并消耗电能P。O2在混合室MC中和CO2混合并且进入燃料混合室FMC，在此O2和CO2的混合物与优选由甲烷CH4组成的燃料F混合。从空气中分离出的氮气N2被压缩并液化，其在图中没有示出。
燃料F、氧气O2和二氧化碳CO2在FMC中的混合物在压力为4.5bar下在锅炉B中予以燃烧。燃烧过程的废气EG首先除去灰烬中的较大的粒子并且在随后的分离模块SM除去灰烬中的微小粒子。在灰烬在分离模块SM中分离之后，一部分的废气EG，其主要是CO2，被输回到混合室MC，在此其与O2混合。废气EG的另一部分，其为相应的CO2，被输入到冷却器和冷凝器模块CC，在此水H2O和热h被去除了。在随后的分离器SS中，解算器S被移除并且剩余的分别被净化CO2的废气EG被再次供给给冷却器C，在此热h和水H2O再次被去除。最后纯净的CO2被压缩机CO压缩，消耗掉能量E。该压缩后并优选液化的CO2最后被存储在安全的储存系统中，例如被泵送到山洞中。
锅炉B加热给水FW并通过燃烧FMC混合物产生过热蒸汽SST。给水FW在大约5.5bar压力和100摄氏度下被供给到锅炉B并且过热蒸汽SST在大约5.4bar和540摄氏度下被所述锅炉输送。过热蒸汽SST进入蒸汽涡轮机STG，该STG驱动发电机G，产生电能U。在从蒸汽涡轮机STG出来之后，过热蒸汽SST具有0.06bar的压力和150摄氏度的温度并且因此仍过热。蒸汽涡轮机的描述被大大简化并且在大多数情况下其会包含在不同进出口蒸汽压力和温度下运行的不只一个涡轮机壳。在大多数情况下，所述锅炉还会以更加复杂的方式予以构造并且包含几个连接到蒸汽涡轮机STG的连接装置，例如用于再次加热，特别是中间过热。
根据本发明，从蒸汽涡轮机STG出来的过热废蒸汽SES进入到回热式除热器REDE中。
在从回热式除热器REDE出来之后，过热蒸汽SES变为压力为大约0.06bar、温度为88摄氏度的湿蒸汽WS。进入冷凝器CON，该冷凝器是由冷却剂COL例如水得以冷却的，在此所述湿蒸汽冷凝成给水FW。在穿过喷射式冷凝器EC之后所述给水被给水泵FWP泵送并且在压力大约为6bar并且温度大约为30摄氏度下被输送到回热式除热器中。在回热式除热器REDE中，所述给水FW被加热并被供给到锅炉B。
过热的废蒸汽SES的总质量流穿过所述回热式除热器REDE得以输送并且和所述给水FW或给水FW至少一部分流进行能量交换。给水流被分成从过热废蒸汽SES中接收热能的第一流FW1，和绕过回热式除热器REDE的内部热交换器EX的第二流FW2。分离是通过控制穿过旁路BY的给水FW的质量流量的阀门装置VA得以实现的，其中所述旁路BY绕过热交换管线EXL。在进入所述锅炉B之前，给水流FW1、FW2再次混合。阀门装置FA和给水流的分支是通过控制单元CU受到控制的，其中所述控制单元CU控制阀门装置VA的阀门的位置，这与分别位于回热式除热器REDE之后和回热式除热器REDE之前的过热废蒸汽SES和湿蒸汽WS的温度有关。而且，控制单元CU控制吹除阀VOV的位置，特别是在起动过程中。
图2表示包含根据本发明的装置的传统蒸汽涡轮机动力装置的示意性流动图。根据本发明的装置和图1所示的相同并且被点划线X框住。在该实施例中，蒸汽涡轮机STG包含两个涡轮机壳体IP、LP，其中第一壳体IP中的平均压力高于第二壳体LP中的平均压力。从第二壳体LP出来的蒸汽SES被加热至过热。图2还以比图1更复杂的方式示出锅炉B，其描述仍被简化。
空气A和燃料F进入锅炉B并且在几个阶段ST1到ST6中被燃烧，产生热和废气CO2并且还包含其他化学成分，其中所述化学成分在大多数情况下是例如不希望的酸性物。锅炉B中的温度从阶段一ST1的最高温度降低到阶段六ST6的最低温度。阶段六ST6作为给水FW的预热器运行，阶段四和五ST5作为蒸汽发电机得以运行，在此所述预热给水FW蒸发。蒸发后的给水FW进入阶段一ST1并被过热到可用的最高温度并且在之后进入到第一涡轮机壳IP。在第一壳体IP中将热能转化为机械能之后，废蒸汽IPS进入锅炉B的阶段二ST2，在此它被再次加热。最终再次加热的蒸汽REST具有大约426bar的压力和大约500-560摄氏度的温度。再次加热后的蒸汽REST在过热条件下进入第二涡轮机壳体LP并且被膨胀以产生机械能，该机械能通过发电机GEN转化为电能U。从第二涡轮机壳体LP出来的蒸汽是过热的废蒸汽SES，并进入如前所述回热式除热器ReDe。
当对图1中的实施例的补充，图2表示给水FW以大于70-90摄氏度的温度离开回热式除热器并且进入除气器DEAE中，在此所述给水FD被分别脱气并从杂质气体得以净化。该气体是通过使用来自阶段五ST5的蒸汽以加热给水，从给水得以煅烧出来的。
尽管本发明已被描述为具有优选的设计，但是在本披露的精神和范围内可以进行进一步地修改。该申请因此目的在于使用其总的原理涵盖本发明的任何变化、用途或采用。而且，该申请目的在于涵盖那些背离本披露内容但与本发明有关的本技术领域内的已知或客户实践一起出现的那些内容。
Claims (13)
1.一种具有至少一个蒸汽涡轮机(STG)和一个冷凝器(CON)的装置(1)，其特征在于在所述蒸汽涡轮机(STG)和所述冷凝器(CON)之间的蒸汽流中布置有回热式除热器(REDE)，通过该回热式除热器，从所述蒸汽涡轮机出来的蒸汽(过热的废蒸汽SES)在进入所述冷凝器(CON)之前被冷却，并且通过该回热式除热器给水(FW)流被加热。
2.如权利要求1的装置(1)，其特征在于，从蒸汽涡轮机出来的蒸汽(过热的废蒸汽SES)的总质量流进入所述回热式除热器(REDE)。
3.如权利要求1或2的装置(1)，其特征在于，从所述蒸汽涡轮机(STG)出来的蒸汽(过热的废蒸汽SES)被过热。
4.如权利要求1-3中任一项的装置(1)，其特征在于，平行于回热式除热器(REDE)，布置用于所述给水(FW)流的至少一个旁路(BY)，以使给水能绕过回热式除热器(REDE)的换热器(EX)并且不参与给水(FW)和从所述蒸汽涡轮机(STG)出来的蒸汽(过热的废蒸汽SES)之间的能量交换。
5.如权利要求4的装置(1)，其特征在于，至少一个阀门(阀门装置VA)被布置在所述旁路管线(BY)和进入到所述回热式除热器(REDE)的给水(FW)流之间的相交处，通过所述阀门，进入到所述回热式除热器(REDE)的给水(FW)流和绕过所述回热式除热器(REDE)的给水(FW)流之间的比例能得到控制。
6.如权利要求5的装置(1)，其特征在于控制单元(CU)，该控制单元被设计成根据蒸汽涡轮机(STG)的出口和冷凝器(CON)入口之间的蒸汽的温度来控制进入到回热式除热器(REDE)和绕过所述回热式除热器(REDE)的给水流(FW1，FW2)之间的比例。
7.如前述权利要求中任一项的装置，具有锅炉(B)，通过该锅炉，给水(FW)在进入到蒸汽涡轮机(STG)之前分别被加热、被过热，其中锅炉(B)被设计成以使该锅炉被氧气(O2)和燃料(F)的混合物，特别是氧气(O2)和碳酸氢盐的混合物被加热的。
8.一种用于操作具有蒸汽涡轮机(STG)和冷凝器(CON)的装置(1)的方法，其特征在于，回热式除热器(REDE)被用来冷却从所述蒸汽涡轮机(STG)出来的蒸汽，同时使用蒸汽(过热的废蒸汽SES)的热能加热回热式除热器(REDE)中的给水。
9.如权利要求8的方法，其特征在于，从蒸汽涡轮机(STG)出来的过热蒸汽(过热的废蒸汽SES)的总质量流进入所述回热式除热器(REDE)。
10.如权利要求8或9的方法，其特征在于，从蒸汽涡轮机(STG)出来的过热蒸汽(过热的废蒸汽SES)被过热。
11.如前述权利要求8到10中任一项的方法，其特征在于，从连接到回热式除热器(REDE)的给水(FW)管线到回热式除热器(REDE)，设置了旁路(BY)管线，通过该旁路管线，至少一部分的给水(FW)流绕过所述回热式除热器(REDE)。
12.如权利要求11的方法，其特征在于，进入到回热除热器(REDE)的给水(FW)和绕过回热除热器(REDE)的给水(FW)之间的阀门(阀门装置VA)是根据蒸汽涡轮机(STG)的出口和冷凝器(CON)的入口之间的蒸汽温度(T1、T2)得以控制的。
13.如前述权利要求8到12中任一项的方法，其特征在于，进入到蒸汽涡轮机(STG)的蒸汽(过热的废蒸汽SES)是使用氧气(O2)和燃料(F)的混合物，特别是氧气(O2)和碳酸氢盐的混合物被加热的。
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