专利名称：使用燃气锅炉的燃机—汽机联合循环系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用燃气锅炉的燃机-汽机联合循环系统，该系统中的燃气锅炉使用钢铁企业炼铁高炉产生的高炉煤气作为燃料，可以提高联合循环系统的效率，降低钢铁企业的成本。
背景技术：
在已有技术中中国专利98116785.3公开了一种排气再热式联合循环发电成套装置，将锅炉和蒸汽透平装置与燃气透平装置相组合、使来自上述燃气透平装置的排气在锅炉被加热后作为热源向蒸汽透平装置的冷凝器、给水系统供给，其特点是还具有将来自低温再热系统的蒸汽向燃气透平高温部供给的冷却蒸汽供给系统以及使对燃气透平高温部冷却后的蒸汽由中压透平中间级回收的冷却蒸汽回收系统，具有能有效使冷却后的蒸汽被回收，进一步提高发电成套装置热效率等效果。现有燃气轮机-蒸汽轮机联合循环(发电)装置中多采用余热锅炉，燃气轮机排气能量在余热锅炉中转换成过热蒸汽或饱和蒸汽；余热锅炉是以对流换热为主，没有水冷壁装置，余热锅炉只能产中压过热蒸汽(4MPa/450℃)或次高压过热蒸汽；由于余热锅炉入口温度低，排烟亦要在105℃以上，故余热锅炉热效率在80％以下。其蒸汽轮机发电热耗率在32％以下。
在已有技术中，使用低热值气体燃料的燃气轮机-蒸汽轮机联合循环发电系统提高出力的方法是加大低热值燃气轮机的功率规格或增加辅助中压锅炉，其可选设备有限并且价格较高；由于中热值燃料和低热值燃料的使用方式不甚合理，致使已有技术联合循环系统的净供电效率不太高，为此，需要提出一种新的使用燃气锅炉的燃机-汽机联合循环系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用燃气锅炉的燃机-汽机联合循环系统，该系统的燃机使用焦炉煤气，燃气锅炉使用钢铁企业炼铁高炉产生的高炉煤气作为燃料，采用负压燃烧方式产生高压过热蒸汽，使用燃气轮机排气作助燃风，使用高压参数汽轮机，可以提高联合循环的净供电效率，适用于钢铁企业低品级可燃气体的能源转化，降低钢铁企业的成本。
本发明的目的是由以下述技术方案实现的一种使用燃气锅炉的燃机-汽机联合循环系统，有燃气锅炉、燃气轮机装置、蒸汽轮机装置，所述燃气锅炉下部的助燃风进口通过一个热风道与所述燃气轮机装置的涡轮排气口连通，所述燃气锅炉的过热蒸汽出口与所述蒸汽轮机进气装置连通；所述燃气锅炉以高炉煤气为主要燃料，所述燃气锅炉的炉体内设置有负压燃烧炉膛、水冷壁装置、过热炉排、燃烧装置，所述燃气锅炉上部设有汽包。
本发明与已有技术相比具有如下优点1、由于本发明的系统中可以使用较小功率的燃气轮机，燃料气增压耗功较小，负压燃烧式燃气锅炉可以燃烧大量低压头的低热值燃料，可以使大量低品级可燃气体有效、合理地转换成高品级的机械能。经济性较高。
2、由于本发明的系统中使用燃气轮机排气作为助燃气体，有利于高炉煤气等低热值气体在较低的余气系数下稳定燃烧，可燃物燃尽度高。
3、由于本发明的系统中的燃气锅炉燃烧生成热还要继续加热由燃气轮机排气中所含的那一部份无氧烟气，至使燃气锅炉炉膛燃烧温度在1450℃以下，氮氧化合物生成量较低，有利于环保。
4、本发明的联合循环系统具有联合循环、燃气轮机单循环、蒸汽轮机单循环运行的能力。
5、在以高炉煤气、焦炉煤气为燃料的相同出力、相同净供电效率的联合循环发电项目中，使用本发明配置的设备总投资最低，高炉煤气、焦炉煤气的耗用比最大。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1、本发明的结构示意2、本发明的俯视3、本发明的热风道结构示意4、本发明的燃气锅炉结构示意5、本发明的燃烧装置结构示意(图4的A-A剖视图)图6、本发明的热力系统原理图具体实施方式
实施例一参见图1，本发明的燃机-汽机联合循环系统，有燃气锅炉、燃气轮机装置、蒸汽轮机装置，所述燃气锅炉300下部的助燃风进口3083通过一个热风道200与所述燃气轮机装置100的涡轮排气口101连通，燃气轮机装置的涡轮排气作为助燃风直接进入燃气锅炉的负压燃烧炉膛参与燃烧，所述燃气锅炉的过热蒸汽出口301与所述蒸汽轮机400的蒸汽进汽装置连通，燃气锅炉产生的过热蒸汽在蒸汽轮机装置中转化成机械能；所述燃气锅炉以高炉煤气为主要燃料，所述燃气锅炉的炉体内设置有负压燃烧炉膛309、水冷壁装置310、过热炉排302、燃烧装置308，所述燃气锅炉上部设有汽包312。
在本发明的一个具体的实施例中，燃气轮机装置带有一个发电机装置110，其发电功率为11.01MW；燃气轮机装置使用焦炉煤气，焦炉煤气压缩功率为1650KW，焦炉煤气消耗量为7276NM3/h(焦炉煤气的热值为17260KJ/NM3)；涡轮的排气流量为46.03kg/s，排气温度为484℃；涡轮排气中的含氧量15.0％。涡轮排气直接进入一个热风道200。
参见图3，在本实施例中，热风道前部是一个扩压段201，该扩压段的一端呈圆形与涡轮排气口连接，该扩压段的另一端呈矩形通过一个弯头202与双位挡板阀室203连接。双位挡板阀室是一个三通型部件，设有上下两个接口和一个水平出口，其上接口通过一个膨胀节204与一个旁通烟囱205连通，其水平出口经过渡段206与一个主风道207连通，该主风道两侧设有两个分流风道209及多个热风道出口管210，该热风道出口管通过法兰与燃气锅炉下部相对应的多个助燃风进口3083连接，分流风道与主风道之间各有一个膨胀节208，两个分流风道各有一个放风调节阀门211及放风管道212，放风管道与锅炉的省煤器烟道相通，用于调节进入燃气锅炉炉膛的助燃风量。分流风道的单循环接口213与蒸汽轮机装置单循环用的鼓风装置相接，用于蒸汽轮机装置单循环时提供助燃风。过渡段206上设置有补风道接口214，用于必要时的补风。涡轮排气在热风道中的最大流为速20.2m/s，热风道的阻力为2000Pa，热风道的散热损失为10℃；出口风压1500Pa。
参见图4、图5，本实施例中所用的燃气锅炉是以高炉煤气为主要燃料的负压燃烧式锅炉，该锅炉属于市场上公开出售和使用的产品，该燃气锅炉由炉墙311、负压燃烧炉膛309、水冷壁装置310、过热炉排302、燃烧装置308、省煤器305、省煤器烟道303、过热蒸汽出口301、排烟道307、蒸汽包312构成，省煤器设有给水进口306及出水口304。燃烧装置由运行燃料管3081、点火燃料管3082、助燃风进口3083构成。该锅炉的炉膛压力为-150Pa，该锅炉的出口蒸汽压力为9.87MPa，出口蒸汽温度为540℃，蒸发量为166t/h，给水温度为220℃。该锅炉主要使用高炉煤气，高炉煤气压力为2700Pa，高炉煤气消耗量为141200NM3/h(高炉煤气热值为3247KJ/NM3)。
在本发明的实施例中，所述燃气锅炉的过热蒸汽出口的新蒸汽参数可以是蒸汽压力3.5Mpa～14MPa，蒸汽温度400℃～540℃。
由于本发明的燃气锅炉是一种负压燃烧式锅炉，燃料气压力参数低，尤其以大量低热值气体为燃料时可以节省可观的燃料气压缩功。
参见图2，本实施例中的蒸汽轮机装置带有一个发电机装置420，发电功率为48.95MW，蒸汽轮机的进汽压力为8.83MPa，进汽温度为535℃。
本实施例的联合循环总出力59.96MW；总效率37.0％；外供电功率54.16MW；净效率33.40％。
参见图6，本发明的热力循环原理如下燃气轮机装置中的燃料供给装置120向燃气轮机提供燃料，燃气轮机的涡轮排气通过热风道200接入燃气锅炉300下部的燃烧装置308，通过该装置进入负压燃烧炉膛参与燃烧，在本发明的联合循环中，涡轮排气是主要的助燃风。燃气锅炉产生的过热蒸汽通过热蒸汽出口301和蒸汽轮机装置400上的蒸汽进汽装置410进入蒸汽轮机，燃气锅炉由燃料装置320提供气体燃料，燃烧后的烟气通过烟囱430排放。辅助装置440完成蒸汽轮机和燃气锅炉的水循环。热风道上设有补风道接口，通过补风机130进行必要的补风。
本实施例可以进行高效率的联合循环，还可以实现燃气轮机装置单循环、蒸汽轮机装置单循环。当需要燃气轮机装置单循环时，操纵双位挡板阀室的挡板使下接口与水平出口的通道关闭，使下接口与上接口之间连通，涡轮排气直接进入旁通烟囱。当需要蒸汽轮机装置单循环时，不再使用燃气轮机装置的涡轮排气作助燃风，而是另行启动一个鼓风装置，将新鲜空气通过单循环接口213送入分流风道，并通过助燃风进口3083进入燃气锅炉燃烧装置。这种运行方式上的灵活性有利于达到高的可靠性和可用性。对于联合循环发电系统，可以有效减少完全不能供电的几率；降低可燃气被迫放空的几率和放空量；这对工艺流程为长年连续运行方式的钢铁、石化、化工企业具有重要的价值。
在本实施例中，由于燃机是一台较小的设备，燃料气增压耗功较小，涡轮排气含氧15％左右、温度500℃上下，燃机排气流量中含氧量足够烧尽锅炉所需要的低热值燃料量，用涡轮排气作助燃风一方面有利于高炉煤气等低热值气体在较低的余气系数下稳定燃烧，可燃物燃尽度高，另一方面锅炉燃烧生成热还要继续加热助燃风中所含的那一部份无氧烟气，至使燃烧温度在1400℃-1450℃以下，氮氧化合物生成量较低。
由于燃气轮机装置本体和其备件的价格及维修费用相对较高，由于本方法所使用的燃气轮机装置规格小，可以有效地降低联合循环工程投资、维修和运行成本。
在本发明中，被燃气轮机装置吸入的空气在燃气轮机装置的燃烧室内和负压燃烧的锅炉炉膛中经过了两次助燃；燃气轮机装置的涡轮排气的低压头动能、氧气组份及相当于燃气轮机装置功率两倍左右的热能在中压或高压(至超高压)参数的锅炉内参与产生中压参数以上的蒸汽，以中压或高压参数蒸汽轮机装置的效率转化成机械能。
在本实施例中，联合循环系统配有补风装置，在大气温度升高和燃气轮机装置工况降低时涡轮排气的含氧量降低，此时需要由补风装置提供所需的补充空气量。补风装置中的补风机130将来自燃气轮机的箱体通风气通过补风道接口214送入热风道，箱体通风气的温度为40℃～60℃。
实施例二一种使用燃气锅炉的燃机-汽机联合循环系统，有燃气锅炉、燃气轮机装置、蒸汽轮机装置，所述燃气锅炉下部的助燃风进口通过一个热风道与所述燃气轮机装置的涡轮排气口连通，所述燃气锅炉的过热蒸汽出口与所述蒸汽轮机进气装置连通；所述燃气轮机装置以热值为5000～36000KJ/NM3的可燃气体为燃料；所述燃气锅炉以天然气、高炉—转炉混合气、地下气化煤气、煤制气、煤层气、化工尾气、生物气中的一种为燃料，所述燃气锅炉的炉体内设置有负压燃烧炉膛、水冷壁装置、过热炉排、燃烧装置，所述燃气锅炉上部设有汽包。
在本实施例中，使用的燃气锅炉、燃气轮机装置、蒸汽轮机装置的结构与实施例一基本相同，不同点是燃气锅炉是以地下气化煤气为主要燃料。蒸汽轮机装置采用中压蒸汽参数。燃气轮机装置以热值为5000～36000KJ/NM3的可燃气体为燃料。
在本实施例中，燃气轮机装置带有一个发电机装置，其发电功率为2.0MW，涡轮排气流量10.76kg/s，排气温度525℃，含氧量15.8％。燃气轮机装置使用焦炉煤气，焦炉煤气压力1.6MPa，焦炉煤气耗量1630NM3/h(焦炉煤气热值17670KJ/NM3)，焦炉煤气压缩功率250KW，涡轮排气直接进入一个热风道。
涡轮排气经过热风道时的最大流速20m/s，流量10.76kg/s，出口温度521℃，出口压力1500Pa。
补风装置的最大补风量4000NM3/h，补风温度40℃，压力2000Pa。
在本实施例中，燃气锅炉是负压燃烧式过热蒸汽锅炉，该燃气锅炉使用地下气化煤气。地下气化煤气耗量15527NM3/h(地下气化煤气热值6338KJ/NM3)，供气压力2700Pa。燃气锅炉蒸汽出口压力3.82MPa，蒸汽出口温度450℃，蒸发量42t/h；给水温度150℃。
在本实施例中，蒸汽轮机装置带有一个发电机装置，发电功率为10MW，蒸汽轮机的进汽压力为3.43MPa，进汽温度为435℃，进汽量42t/h。
本实施例的联合循环总发电功率12MW，总发电效率33.6％，净供电功率11.5MW，净供电效率32.2％。
由于地下煤气化的工艺特点，地下气化煤气的适时组份和热值不太稳定，产气量与热值呈反比关系，尤其是随投产时间的延长，煤气品质降低幅度较大，根据我国某煤矿的数据至少要能适应5400-7120KJ/NM3的变化，因此本发明中补风系统及热风道对锅炉助燃风含氧量的增、减调节作用，更加适应地下气化煤气的特点，本发明联合循环系统为我国地下气化煤气的大规模商业应用提供了实用的设备。
权利要求
1.一种使用燃气锅炉的燃机-汽机联合循环系统，有燃气锅炉、燃气轮机装置、蒸汽轮机装置，其特征在于所述燃气锅炉下部的助燃风进口通过一个热风道与所述燃气轮机装置的涡轮排气口连通，所述燃气锅炉的过热蒸汽出口与所述蒸汽轮机进气装置连通；所述燃气锅炉以高炉煤气为主要燃料，所述燃气锅炉的炉体内设置有负压燃烧炉膛、水冷壁装置、过热炉排、燃烧装置，所述燃气锅炉上部设有汽包。
2.根据权利要求1所述的联合循环系统，其特征在于所述燃气锅炉的过热蒸汽出口的新蒸汽参数为蒸汽压力3.5Mpa～14MPa，蒸汽温度400℃～540℃。
3.根据权利要求1所述的联合循环系统，其特征在于所述燃气锅炉所用高炉煤气热值参数为2900-3700KJ/NM3。
4.根据权利要求1所述的联合循环系统，其特征在于所述燃气轮机装置的热风道上设有两位挡板阀室、旁通烟道和补风管道。
5.一种使用燃气锅炉的燃机-汽机联合循环系统，有燃气锅炉、燃气轮机装置、蒸汽轮机装置，其特征在于所述燃气锅炉下部的助燃风进口通过一个热风道与所述燃气轮机装置的涡轮排气口连通，所述燃气锅炉的过热蒸汽出口与所述蒸汽轮机进气装置连通；所述燃气轮机装置以热值为5000～36000KJ/NM3的可燃气体为燃料；所述燃气锅炉以天然气、高炉-转炉混合气、地下气化煤气、煤制气、煤层气、化工尾气、生物气中的一种为燃料，所述燃气锅炉的炉体内设置有负压燃烧炉膛、水冷壁装置、过热炉排、燃烧装置，所述燃气锅炉上部设有汽包。
全文摘要
本发明涉及一种使用燃气锅炉的燃机－汽机联合循环系统，有燃气锅炉、燃气轮机装置、蒸汽轮机装置，所述过燃气锅炉下部的助燃风进口通过一个热风道与所述燃气轮机装置的涡轮排气口连通，所述燃气锅炉的过热蒸汽出口与所述蒸汽轮机进气装置连通；所述燃气锅炉是以高炉煤气为主要燃料的燃气锅炉，所述燃气锅炉的炉体内设置有负压燃烧炉膛、水冷壁装置、过热炉排、燃烧装置，所述燃气锅炉上部设有汽包。本发明可以提高联合循环的净供电效率，适用于钢铁企业低品级可燃气体的能源转化，降低钢铁企业的成本。
文档编号F02C6/18GK1987058SQ200510134668
公开日2007年6月27日 申请日期2005年12月19日 优先权日2005年12月19日
发明者苏大为 申请人:中航世新燃气轮机股份有限公司