专利名称：通过性能加热优化燃用低btu燃料的联合循环发电设备的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及燃用低BTU燃料的联合循环发电设备，且更特别地讲，涉及通过 对燃料进行性能加热(performance heating)来优化供应给燃气轮机的燃料以及提高联合 循环发电设备中的效率和功率输出。
背景技术：
燃用低BTU燃料的联合循环发电设备是这样一种类型的联合循环发电设备已经 实施这种联合循环发电设备，以便与传统的锅炉发电设备相比提供更高的效率及更低的排 放。低-BTU气体，诸如鼓风炉气体(Bre)和焦炉气(COG)，通常在炼钢厂中生产生铁期间作 为焦炭燃烧以及鼓风炉中的铁矿石熔体的副产物而产生。在发电设备现场中，回收低BTU 气体，并将其用作燃气轮机联合循环发电解决方案中的燃料，燃气轮机联合循环发电解决 方案可产生用于炼钢厂以及出售给公共电网两者的电能。
发明内容
在本发明的一方面，提供了一种基于低BTU燃料的联合循环发电设备。该联合循 环发电设备包括混合副产物废气的气体混合单元。联接到气体混合单元上的燃料气体压缩 机对副产物废气的混合物加压。燃气轮机由来自燃料气体压缩机的副产物废气的加压混合 物供以燃料。燃气轮机包括压缩机；燃烧器，该燃烧器接收来自压缩机的空气以及来自燃 料气体压缩机的副产物废气的加压混合物，以使它们燃烧；以及涡轮，该涡轮使由来自压缩 机的空气和来自燃料气体压缩机的副产物废气的加压混合物的燃烧所产生的热气体膨胀。 该联合循环发电设备进一步包括燃烧加热(fired heating)单元，该燃烧加热单元接收副 产物废气的转向的部分和来自燃气轮机压缩机的压缩空气流排放物，以使它们进行燃烧。 副产物废气的转向的部分和压缩空气流排放物在燃烧加热单元中的燃烧产生高温烟气。联 合循环发电设备还包括性能加热单元，在来自燃料气体压缩机的副产物废气的加压混合物 进入燃气轮机燃烧器之前，该性能加热单元利用由燃烧加热单元产生的高温烟气来加热该 来自燃料气体压缩机的副产物废气的加压混合物。在本发明的另一方面，提供了一种燃用鼓风炉气体的联合循环发电设备。在本发 明的该方面中，鼓风炉气体联合循环发电设备包括混合鼓风炉气体与焦炉气的气体混合单 元。联接到气体混合单元上的燃料气体压缩机对鼓风炉气体和焦炉气的混合物加压。燃气 轮机由来自燃料气体压缩机的鼓风炉气体与焦炉气的加压混合物供以燃料。燃气轮机包 括压缩机；燃烧器，其接收来自压缩机的空气和来自燃料气体压缩机的鼓风炉气体与焦 炉气的加压混合物，以使它们进行燃烧；以及涡轮，涡轮使由来自压缩机的空气和来自燃料 气体压缩机的鼓风炉气体与焦炉气的加压混合物的燃烧所产生的热气体膨胀。鼓风炉气体 联合循环发电设备进一步包括燃烧加热单元，该燃烧加热单元接收鼓风炉气体的转向的部 分和来自燃气轮机压缩机的压缩空气流排放物，以使它们进行燃烧。鼓风炉气体的转向的 部分和压缩空气流排放物在燃烧加热单元中的燃烧产生高温烟气。鼓风炉气体联合循环发 电设备还包括性能加热单元，在来自燃料气体压缩机的鼓风炉气体和焦炉气的加压混合物 进入燃气轮机燃烧器之前，性能加热单元利用由燃烧加热单元所产生的高温烟气加热该来 自燃料气体压缩机的鼓风炉气体和焦炉气的加压混合物。在本发明的第三方面中，存在一种提高在鼓风炉气体联合循环发电设备中使用的低-BTU燃料的温度的方法。在本发明的该方面中，该方法包括使鼓风炉气体与焦炉气混 合；对鼓风炉气体和焦炉气的混合物加压；对鼓风炉气体的转向的部分和来自燃气轮机压 缩机的压缩空气流排放物进行燃烧加热，以使它们燃烧；以及在供应至燃气轮机燃烧器之 前，利用由鼓风炉气体的转向的部分和压缩空气流排放物燃烧而产生的高温烟气对鼓风炉 气体和焦炉气的加压混合物进行性能加热。
图1是传统的燃用Bre的联合循环发电设备的示意图；以及图2是根据本发明的一个实施例的燃用Bre的联合循环发电设备的示意图。具体 实施方式参看附图，图1显示了传统的燃用Bre的联合循环发电设备100的示意图。如图1 中所示，包括Bre和COG的副产物废气从炼钢厂110被供应到气体混合单元105。虽然图1 中未示出，但可将从炼钢厂110排放的其它副产物废气(诸如Linz Donawitz气体(LDG)和 COREX气体)用作低-BTU燃料。通常，供应至气体混合单元105的BTO的量远远多于COG 的量。例如，混合单元105可从炼钢厂110接收大约250pps的BTO和大约IOpps的COG。 自炼钢厂110供应的Bre和COG两者的量通常处于低压，且因此由气体混合单元105产生 的Bre和COG的混合物大体处于大约15. 5psia的低压。该气体混合物需要被提高到较高 的压力，以便用作用于燃气轮机燃烧器的燃料。燃用Bre的联合循环发电设备100使用离心燃料气体压缩机115来将Bre和COG 的气体混合物的压力提高到大约300psia。如图1中所示，燃料气体压缩机115是多级燃料 气体压缩机，其在该实施例中包括第一燃料气体压缩机(reci) 120和第二燃料气体压缩机 (reC2)125。中间冷却单元130位于reel 120和reC2 125之间，以便提高燃料气体压缩机 115的效率。燃料气体压缩机115将Bre和COG的该气体混合物供应给燃气轮机135。燃气轮 机包括压缩机140，其从入口导叶(IGV)抽取空气；燃烧器145，其接收来自压缩机140的 压缩空气和来自燃料气体压缩机115的副产物废气的加压混合物，以使它们燃烧；以及涡 轮150，其使由来自压缩机140的空气与来自燃料气体压缩机115的副产物废气的加压混合 物燃烧而产生的热气体膨胀。如图1中所示，从压缩机140中排出压缩空气流排放物，其由 参考元素155表示。供应压缩空气流排放物，以便与由涡轮150产生的排气产物(其由参 考元素160表示)混合。压缩空气流的从压缩机140到涡轮150的排气的这种排放物被称 为压缩机向外排放物(over-board bleed) (OBB)，且完成其以防止压缩机140中的喘振。热回收蒸汽发生器(HRSG) 165接收来自涡轮150的排气产物，以便从该排气产物 中回收废热。从排气产物回收的热被传递到HRSG 165中的废物/蒸汽中，以便产生被供应 给蒸汽轮机(未示出)以驱动发电机(未示出)的蒸汽。来自HRSG165的冷却气体通过烟 囱被排出到大气中。本领域技术人员将认识到，Bre联合循环发电设备100的该部分可具 有其它构件(例如冷凝器，水管等)，但为了便于示意本发明的实施例而将其省略。类似地， 本领域技术人员将认识到，燃用BR；的联合循环发电设备100的与燃气轮机135相关的部 分可具有未显示的其它构件(例如燃气轮机发电机)，但为了便于示意本发明的实施例而 省略了这些构件。如本文所确定的，存在一些与燃用Bre的联合循环发电设备100的运行相关联的 缺点。例如，因为Bre和COG的气体混合物具有低LHV，所以需要极大量的燃料在燃气轮机135的燃烧器145中获得燃烧温度。需要大量燃料的结果是燃料气体压缩机115将必须压缩更多的这种低LHV燃料。结果，燃料气体压缩机115有大量的功率消耗，这会降低联合循 环净输出。与燃用BR；的联合循环发电设备100的运行相关联的另一个缺点是利用OBB的 方式。特别地，此处已发现将OBB从压缩机140排到涡轮150的排气160会降低联合循环 发电设备100的总体效率。图2是已经优化了以上所提到的缺点以便提高效率和功率输出的燃用Bre的联合 循环发电设备200的示意图。图2中的与图1中所使用的构件类似的构件被赋予了相似的 参考元素，只是图2中所使用的参考元素前面加了标号2。类似于图1，图2仅显示了燃用 BFG的联合循环发电设备200的、阐述其运行和涉及其优化的本文所述的实施例所必须的 部分。如图2中所示，Bre气体分流器270在来自炼钢厂210的BTO于气体混合单元205 中与COG混合之前使该Bre的一部分转向。在一个实施例中，BFG气体分流器270使具有 大约15. 5psia的压力以及大约104 0F (40°C )的温度的大约21. 5pps的BTO转向。BTO的 转向的部分由参考元素275表示。燃烧加热单元280接收BR；的转向的部分和从压缩机240排出的0BB255，以使它 们燃烧。燃烧加热单元280产生由参考元素285表示的高温烟气。性能加热单元290使用 高温烟气285来加热由燃料气体压缩机215所产生的Bre和COG的加压混合物，之后该混 合物才进入燃气轮机255的燃烧器245。在一个实施例中，性能加热单元290是在将BTO 和COG的加压混合物供应至燃烧器245之前使BR；和COG的加压混合物的温度升高大约 250 T (121°C )的热交换器。来自性能加热单元295的排气295与来自燃气轮机255的 涡轮250的排气260混合。虽然在一个实施例中，排气295与来自涡轮250的排气260在 HRSG入口之前混合，但本领域技术人员将认识到，可将排气295供应至HRSG 265的其它中 间位置而不与排气260混合。如本文中所示，图2的效率和功率输出已得到提高，因为性能加热单元290利用来 自燃烧加热单元290的高温烟气285预加热了 BR；和COG的加压混合物。该特征表示需要 较少的燃料通过燃料气体压缩机215来在燃气轮机255的燃烧器245中获得燃烧温度。结 果，减少了燃料气体压缩机215的功率消耗，这会转化成燃用Bre的联合循环发电设备200 的净输出和净效率的提高。同样，因为降低了燃料气体压缩机215的燃料流要求，所以在压 缩机240处喘振边界有所放宽，这会转化成排出较少的0ΒΒ(即，减少大约30% )。结果，该 特征还有助于提高燃用Bre的联合循环发电设备200的总体效率。因此，实施本文所包括 的构思将提供大约+1. 44MW的净联合循环输出增长和大约+0. 37%的效率增长。虽然已特别地显示了且结合本公开的优选实施例描述了本公开，但将了解的是， 本领域技术人员将会想到变型和修改。因此，将理解的是，所附的权利要求书意图覆盖落在 本公开的实际精神内的所有这样的修改和改变。
权利要求
一种基于低BTU燃料的联合循环发电设备(200)，包括混合副产物废气的气体混合单元(205)；联接到所述气体混合单元(205)上、对副产物废气的混合物加压的燃料气体压缩机(215)；由来自所述燃料气体压缩机(215)的所述副产物废气的加压混合物供以燃料的燃气轮机(235)，所述燃气轮机(235)包括压缩机(240)；燃烧器(245)，所述燃烧器接收来自所述压缩机(240)的空气以及来自所述燃料气体压缩机(215)的所述副产物废气的加压混合物，以使该空气和该加压混合物燃烧；以及涡轮(250)，所述涡轮使得由来自所述压缩机(240)的空气和来自所述燃料气体压缩机(215)的所述副产物废气的加压混合物的燃烧所产生的热气体膨胀；燃烧加热单元(280)，所述燃烧加热单元接收所述副产物废气的转向的部分和来自所述燃气轮机压缩机(240)的压缩空气流排放物，以使该转向的部分和该排放物燃烧，所述副产物废气的转向的部分和所述压缩空气流排放物在所述燃烧加热单元(280)中的燃烧产生高温烟气(285)；以及性能加热单元(290)，在来自所述燃料气体压缩机(215)的所述副产物废气的加压混合物进入所述燃气轮机燃烧器(245)之前，所述性能加热单元利用由所述燃烧加热单元(280)所产生的所述高温烟气(285)来加热该来自所述燃料气体压缩机(215)的所述副产物废气的加压混合物。
2.根据权利要求1所述的联合循环发电设备(200)，其特征在于，所述副产物废气包括 鼓风炉气体和焦炉气。
3.根据权利要求2所述的联合循环发电设备(200)，其特征在于，由所述燃烧加热单元 (280)接收的所述副产物废气的转向的部分包括所述鼓风炉气体的一部分。
4.根据权利要求1所述的联合循环发电设备(200)，其特征在于，来自所述性能加热单 元(290)的排气与来自所述燃气轮机(250)的排气混合。
5.根据权利要求1所述的联合循环发电设备(200)，其特征在于，所述性能加热单元 (290)包括热交换器。
6.一种燃用鼓风炉气体的联合循环发电设备(200)，包括使鼓风炉气体与焦炉气混合的气体混合单元(205)；联接到所述气体混合单元(205)上、对所述鼓风炉气体和焦炉气的混合物加压的燃料 气体压缩机(215)；由来自所述燃料气体压缩机(215)的所述鼓风炉气体和焦炉气的加压混合物供以燃 料的燃气轮机(235)，所述燃气轮机(235)包括压缩机(240)；燃烧器(245)，所述燃烧器 接收来自所述压缩机(240)的空气和来自所述燃料气体压缩机(215)的所述鼓风炉气体和 焦炉气的加压混合物，以使该空气和该加压混合物燃烧；以及涡轮(250)，所述涡轮使由来 自所述压缩机(240)的空气与来自所述燃料气体压缩机(215)的所述鼓风炉气体和焦炉气 的加压混合物的燃烧所产生的热气体膨胀；燃烧加热单元(280)，所述燃烧加热单元(280)接收所述鼓风炉气体的转向的部分以 及来自所述燃气轮机压缩机(240)的压缩空气流排放物，以使该转向的部分和该排放物燃 烧，所述鼓风炉气体的转向的部分和所述压缩空气流排放物在所述燃烧加热单元(280)中的燃烧产生高温烟气(285)；以及性能加热单元(290)，在来自所述燃料气体压缩机(215)的所述鼓风炉气体和焦炉气 的加压混合物进入所述燃气轮机燃烧器(245)之前，所述性能加热单元利用由所述燃烧加 热单元(280)所产生的所述高温烟气(285)来加热来自所述燃料气体压缩机(215)的所述 鼓风炉气体和焦炉气的加压混合物。
7.根据权利要求6所述的鼓风炉气体联合循环发电设备(200)，其特征在于，所述燃 料气体压缩机(215)包括多级燃料气体压缩机(220和225)，其中至少一个中间冷却单元 (230)位于各级之间。
8.根据权利要求6所述的鼓风炉气体联合循环发电设备(200)，其特征在于，来自所述 性能加热单元(290)的排气与来自所述燃气轮机(250)的排气混合。
9.根据权利要求6所述的鼓风炉气体联合循环发电设备(200)，其特征在于，所述鼓风 炉气体联合循环发电设备(200)进一步包括接收来自所述燃气轮机(250)的排气的热回收 蒸汽发生器(265)。
10.一种提高在鼓风炉气体联合循环发电设备(200)中所使用的低-BTU燃料的温度的 方法，包括混合鼓风炉气体和焦炉气；对所述鼓风炉气体和焦炉气的混合物加压；对所述鼓风炉气体的转向的部分和来自燃气轮机压缩机(240)的压缩空气流排放物 进行燃烧加热，以使该转向的部分和该排放物燃烧；以及在将所述鼓风炉气体和焦炉气的加压混合物供应到燃气轮机燃烧器(245)之前，利用 由所述鼓风炉气体的转向的部分和所述压缩空气流排放物的燃烧所产生的高温烟气(285) 对所述鼓风炉气体和焦炉气的加压混合物进行性能加热。
全文摘要
本发明涉及通过性能加热优化燃用低BTU燃料的联合循环发电设备。公开了一种使用来自联合循环发电设备(200)中的燃气轮机压缩机(240)的压缩空气流排放物以及性能加热来提高设备性能的优化措施。在一个实施例中，对副产物废气的转向的部分和压缩空气流排放物进行燃烧加热，以产生高温烟气(285)，在燃料的加压混合物被供应至燃气轮机燃烧器(245)之前，使用该高温烟气(285)对该燃料的加压混合物进行性能加热。
文档编号F02C7/224GK101806247SQ20101012713
公开日2010年8月18日 申请日期2010年2月11日 优先权日2009年2月11日
发明者I·马宗德, R·萨哈, S·洛坎纳斯, V·K·拜卡姆帕迪戈帕尔克里什纳 申请人:通用电气公司