一种空分系统压缩设备驱动装置及方法
【专利摘要】一种空分系统压缩设备驱动装置及方法，该装置包括系统原有的空分系统、气化炉、燃气轮机和余热锅炉以及新增的小型汽轮机、小型汽轮机凝汽器和凝结水泵；空分系统主要包括压缩设备和精馏系统；压缩设备转轴与小型汽轮机转轴相连，精馏系统产品输出口与气化炉气体输入口连通，气化炉产品输出口与燃气轮机燃料输入口连通，燃气轮机输出口与余热锅炉燃料输入口连通，余热锅炉蒸汽输出口与小型汽轮机输入口连通，小型汽轮机输出口与小型汽轮机凝汽器输入口连通，小型汽轮机凝汽器输出口与余热锅炉给水入口通过凝结水泵连通；本发明还提供该装置的驱动方法；通过优化空分系统压缩设备的驱动方式，降低投资维护费用、提高设备可靠性、减少空分系统能耗。
【专利说明】一种空分系统压缩设备驱动装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及小型汽轮机驱动空分系统压缩设备领域，具体涉及一种空分系统压缩设备驱动装置及方法。
【背景技术】
[0002]在未来较长时期内，我国都将是以燃煤发电为主的格局。整体煤气化联合循环发电是一种先进的洁净煤燃烧发电技术，它具有高效、环保的特点，被认为是未来最具发展潜力的洁净煤技术之一。因此，为促进可持续发展，整体煤气化联合循环发电将在我国中远期的燃煤发电中扮演重要角色。
[0003]空分系统是整体煤气化联合循环发电系统中耗能最高的单元，据统计，空分系统大约会消耗全厂厂用电的70%-85%。在空分系统中，空气压缩设备是最主要的耗能设备，其能耗占到空分系统能耗的80%?90%。空分系统中的压缩设备分别由单独的电动机驱动，这种方式存在以下问题:(I)由于空气压缩设备所配备的电动机、变压器以及自动控制设备的容量较高，因而整套装置的投资费用高；(2) 一般泵、压缩机等增压设备在启动时，启动力矩较大，为了适应启动转矩，启动电机的功率一般都要比设备的额定功率高10 %左右，那么当设备正常运行时，电动机就经常处于轻载运行，电动机本身的容量得不到充分发挥，使得电动机运行效率低、性能不好，从而增加运行费用；(3)电动机属于连续工作的电机，在正常工作时，电机的转速一般恒定不变，因而其负载可调节范围较小。当整体煤气化联合循环发电系统运行在较低负荷时(比如50% )，空分系统会浪费一部分负载，经济性差。
[0004]可见，寻求一种新型的空分系统压缩设备驱动方式，以改善常规电动机驱动方式所带来的能耗高、投资高的缺陷，从而保障整体煤气化联合循环发电系统经济、安全运行是非常有意义的。
【发明内容】
[0005]为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种空分系统压缩设备驱动装置及方法，通过优化整体煤气化联合循环发电系统中空分系统压缩设备的驱动方式，从而降低投资维护费用、提高设备可靠性、减少空分系统能耗。
[0006]为达到以上目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种空分系统压缩设备驱动装置，包括整体煤气化联合循环系统中原有的空分系统1、气化炉3、燃气轮机4和余热锅炉5以及新增的小型汽轮机2、小型汽轮机凝汽器6和凝结水泵7 ;所述空分系统主要包括压缩设备8和精馏系统9 ;所述压缩设备8的转轴与小型汽轮机2的转轴相连接，精馏系统9的产品输出口与气化炉3的气体输入口相连通，气化炉3的产品输出口与燃气轮机4的燃料输入口相连通，燃气轮机4的输出口与余热锅炉5的燃料输入口相连通，余热锅炉5的蒸汽输出口与小型汽轮机2的输入口相连通，小型汽轮机2的输出口与小型汽轮机凝汽器6的输入口相连通，小型汽轮机凝汽器6的输出口与余热锅炉5的给水入口通过凝结水泵7相连通。
[0008]所述空分系统I包括多个压缩设备8，多个压缩设备8中的部分或全部通过小型汽轮机2同轴带动，或根据容量需求分别配备小型汽轮机2及小型汽轮机凝汽器6。
[0009]所述空分系统I中的2个压缩设备8由小型汽轮机2同轴带动，所述小型汽轮机2的功率为40MW。
[0010]所述小型汽轮机2的转速和进汽量能够根据负载大小进行调节。
[0011]上述所述空分系统压缩设备驱动装置的驱动方法，通过改变启动时燃气轮机4的燃烧方式来调整不同设备的启动顺序，从而保证小型汽轮机的能量由燃气轮机不间断提供。
[0012]具体方法如下:
[0013]当整体煤气化联合循环系统处于运行工况时，所述驱动装置中空分系统I用于为气化炉3提供氧气和氮气产品，借助这些气体产品，气化炉3将煤粉颗粒转化为可燃烧气体，并送入燃气轮机4燃烧；燃料气体在燃气轮机4燃烧室燃烧膨胀后进入燃气轮机4的透平带动负载做功，做完功的乏气进入余热锅炉5并将余热锅炉5中的介质水加热成过热蒸汽；从余热锅炉5出来的部分过热蒸汽进入小型汽轮机2膨胀做功，从而带动空分系统I压缩设备转轴转动；在小型汽轮机2中做完功的乏汽进入小型汽轮机凝汽器6，经冷凝换热后变成水，并通过凝结水泵7送入余热锅炉5完成部分工质的循环；
[0014]当整体煤气化联合循环系统处于冷态启动工况时，为改变空分系统I的启动依赖启动锅炉的现状，将改变原有的启动方式——空分系统I最先启动，而将启动先后顺序变成燃气轮机4、余热锅炉5、主蒸汽轮机、小型汽轮机2、空分系统I和气化炉3 ;由于空分系统I要先于气化炉3启动，气化炉3无法为空分系统I提供燃料，因此由天然气代替气化炉3输出的燃料气体进入燃气轮机4燃烧为空分系统I的启动提供能量；为保证燃气轮机4有较高的做功效率，保持燃气轮机4工作在较高负荷工况下；天然气在燃气轮机4燃烧室燃烧后进入燃气轮机4的透平带动燃气轮机4发电机做功，做完功的乏气进入余热锅炉5带动余热锅炉启动；余热锅炉5产生过热蒸汽后带动小型汽轮机2和主蒸汽轮机启动，从而带动空分系统I压缩设备启动；在空分系统I启动完毕后，气化炉3启动，在达到可以为燃气轮机提供燃料的条件后，所述系统转入运行工况。
[0015]本发明和现有技术相比，具有如下优点:
[0016]I)降低投资。采用常规电动机驱动方式要满足启动要求，必须配备比压缩设备额定功率稍高的电动机，除此之外，还需要同时配备启动变压器、启动锅炉等设备。而应用本发明装置驱动压缩设备，由于在启动时采取了先启动燃气轮机的方式——通过燃烧天然气来解决启动时空分系统的蒸汽和能量供给问题，从而无需安装启动锅炉，只需配备同压缩设备额定功率相同的小型汽轮机及其辅助设备。因此，应用本发明装置驱动压缩设备，可以大幅度节省初期投资。
[0017]2)提高能源利用效率。电动机消耗的是电能，汽轮机消耗的是热能，热能向电能转换时有一定的转换效率，因此相比于常规电动机驱动方式，本发明装置驱动方式的能量利用率较高。不仅如此，由于正常运行时电动机一般保持转速不变，因此导致空分系统的负荷调节范围很小，当机组低负荷运行时，空分系统就会浪费一部分出力，这种运行方式很不经济。而汽轮机可以通过调节进汽量来调节出力，调节范围较宽，从而使得空分系统能够跟随负荷大小调节出力，提高了能源利用效率，节约了成本，提升了电站运行经济性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例的空分压缩设备驱动装置示意图。
[0019]图2为本发明实施例的整体煤气化联合循环发电系统流程示意图。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
[0021]如图1所示，本实施例一种空分系统压缩设备驱动装置，包括整体煤气化联合循环系统中原有的空分系统1、气化炉3、燃气轮机4和余热锅炉5以及新增的小型汽轮机2、小型汽轮机凝汽器6和凝结水泵7 ;空分系统主要包括压缩设备8和精馏系统9 ;整体煤气化联合循环系统中原有的空分系统1、气化炉3、燃气轮机4和余热锅炉5按其在整体煤气化联合循环发电中的原有方式连接，所述小型汽轮机2转轴与压缩设备8转轴相连接，小型汽轮机2输入口与余热锅炉5中压蒸汽输出口相连通，小型汽轮机2输出口与小型汽轮机凝汽器6输入口相连通，小型汽轮机凝汽器6的输出口与余热锅炉5的给水入口通过凝结水泵7相连通。
[0022]基于本发明装置的某250丽整体煤气化联合循环发电系统流程如图2所示。除所述包含在空分系统压缩设备驱动装置中的设备外，还包括主蒸汽轮机10、主凝结水系统11、燃气轮机发电机12和主蒸汽轮机发电机13。精懼系统9产品输出口与气化炉3气体输入口对应连通，气化炉3产品输出口与燃气轮机4燃料输入口相连通，燃气轮机4转轴与燃气轮机发电机12转轴相连；余热锅炉5燃料输入口与燃气轮机4输出口相连通，余热锅炉5高压蒸汽输出口与主蒸汽轮机10输入口相连通,主蒸汽轮机10转轴与主蒸汽轮机发电机13转轴相连接，凝结水泵7输出口与主凝结水系统11给水入口相连通，主蒸汽轮机10输出口和主凝结水系统11蒸汽输入口相连通，主凝结水系统11输出口与余热锅炉5给水入口相连通。
[0023]优选地，空分系统中的2个大型压缩设备由小型汽轮机同轴带动，小型汽轮机功率为40丽。
[0024]当应用本发明装置的整体煤气化联合循环发电系统处于满负荷运行工况时，空分系统I用于为气化炉提供氧气和氮气产品，借助这些气体产品，气化炉3将煤粉颗粒转化为可燃烧气体(有效成分为CO和H2)，并送入燃气轮机4燃烧。燃料气体在燃气轮机4燃烧室燃烧后以约1140°C的温度进入燃气轮机4的透平做功带动燃气轮机发电机12发电，燃气轮机4排气进入余热锅炉5并将余热锅炉5中的工质水加热成过热蒸汽。从余热锅炉5出来的中压过热蒸汽(温度为522°C，压力为4.12MPa)进入小型汽轮机2膨胀做功(功率为40MW)，从而带动空分系统I的压缩设备8运转；高压过热蒸汽(温度为522°C，压力为9.359MPa)进入主蒸汽轮机10膨胀做功，从而带动主蒸汽轮机发电机13转动发电。在小型汽轮机2和主蒸汽轮机10做完功的乏汽分别进入小型汽轮机凝汽器6和主凝结水系统11，经小型汽轮机凝汽器6冷凝换热后的水通过凝结水泵7与主凝结水系统11冷凝后的水汇集，一起进入余热锅炉5完成工质循环。
[0025]当应用本发明装置的整体煤气化联合循环发电系统处于冷态启动工况时，将改变原有的启动方式——空分系统I最先启动，而将启动先后顺序变成燃气轮机4、余热锅炉5、主蒸汽轮机10、小型汽轮机2、空分系统I和气化炉3。由于空分系统I要先于气化炉3启动，气化炉3无法为空分系统I提供燃料，因此由天然气代替气化炉3输出的燃料气体进入燃气轮机4燃烧为空分系统I的启动提供能量。为保证燃气轮机4有较高的做功效率，保持燃气轮机4工作在80%负荷工况下。天然气在燃气轮机4燃烧室燃烧后进入燃气轮机4的透平带动燃气轮机发电机12做功，做完功的乏气进入余热锅炉5带动余热锅炉启动。余热锅炉5产生过热蒸汽后带动主蒸汽轮机10和小型汽轮机2启动，从而带动空分系统I的压缩设备8启动。在空分系统I启动完毕后，气化炉3启动，在达到可以为燃气轮机4提供燃料的条件后，所述系统转入运行工况。
[0026]本发明通过充分利用整体煤气化联合循环发电系统现有设备及其连接方式并相应调整启动方式来优化空分系统压缩设备驱动问题，提高了空分系统的能源利用效率及其负荷跟随性能，达到了降低空分系统能耗，提升电站经济性的目的。对于250丽的整体煤气化联合循环发电系统，如采用电动机来驱动空分系统压缩设备，应配备总额定功率为42MW的电动机及容量相匹配的启动变压器、启动锅炉等设备，而应用本发明装置则只需配备40MW的小型汽轮机及容量相匹配的凝汽器和凝结水泵，可节省约1000万元的初期投资；应用本发明装置一段时间后，供电效率平均提升了 1.5% ;由于小型汽轮机一直运行在良好的状况下，还节省了可观的运行维护费用。
【权利要求】
1.一种空分系统压缩设备驱动装置，其特征在于:包括整体煤气化联合循环系统中原有的空分系统(11气化炉(3)、燃气轮机(4)和余热锅炉(5)以及新增的小型汽轮机(2)、小型汽轮机凝汽器(6)和凝结水泵(7)；所述空分系统主要包括压缩设备(8)和精馏系统(9)；所述压缩设备(8)的转轴与小型汽轮机(2)的转轴相连接，精馏系统(9)的产品输出口与气化炉(3)的气体输入口相连通，气化炉(3)的产品输出口与燃气轮机(4)的燃料输入口相连通，燃气轮机(4)的输出口与余热锅炉(5)的燃料输入口相连通，余热锅炉(5)的蒸汽输出口与小型汽轮机(2)的输入口相连通，小型汽轮机(2)的输出口与小型汽轮机凝汽器(6)的输入口相连通，小型汽轮机凝汽器(6)的输出口与余热锅炉(5)的给水入口通过凝结水泵(7)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种空分系统压缩设备驱动装置，其特征在于:所述空分系统(1)包括多个压缩设备(8),多个压缩设备(8)中的部分或全部通过小型汽轮机(2)同轴带动，或根据容量需求分别配备小型汽轮机(2)及小型汽轮机凝汽器(6)。
3.根据权利要求2所述的一种空分系统压缩设备驱动装置，其特征在于:所述空分系统(1)中的2个压缩设备(8)由小型汽轮机(2)同轴带动，所述小型汽轮机(2)的功率为40丽。
4.根据权利要求1所述的一种空分系统压缩设备驱动装置，其特征在于:所述小型汽轮机(2)的转速和进汽量能够根据负载大小进行调节。
5.权利要求1所述空分系统压缩设备驱动装置的驱动方法，其特征在于:通过改变启动时燃气轮机(4)的燃烧方式来调整不同设备的启动顺序，从而保证小型汽轮机的能量由燃气轮机不间断提供。
6.根据权利要求5所述的驱动方法，其特征在于:具体方法如下: 当整体煤气化联合循环系统处于运行工况时，所述驱动装置中空分系统(1)用于为气化炉(3)提供氧气和氮气产品，借助这些气体产品，气化炉(3)将煤粉颗粒转化为可燃烧气体，并送入燃气轮机(4)燃烧；燃料气体在燃气轮机(4)燃烧室燃烧膨胀后进入燃气轮机(4)的透平带动负载做功，做完功的乏气进入余热锅炉(5)并将余热锅炉(5)中的介质水加热成过热蒸汽；从余热锅炉(5)出来的部分过热蒸汽进入小型汽轮机(2)膨胀做功，从而带动空分系统(1)压缩设备转轴转动；在小型汽轮机(2)中做完功的乏汽进入小型汽轮机凝汽器￠)，经冷凝换热后变成水，并通过凝结水泵(7)送入余热锅炉(5)完成部分工质的循环； 当整体煤气化联合循环系统处于冷态启动工况时，为改变空分系统(1)的启动依赖启动锅炉的现状，将改变原有的启动方式——空分系统(1)最先启动，而将启动先后顺序变成燃气轮机(4)、余热锅炉(5)、主蒸汽轮机、小型汽轮机(2)、空分系统(1)和气化炉(3)；由于空分系统⑴要先于气化炉⑶启动，气化炉⑶无法为空分系统⑴提供燃料，因此由天然气代替气化炉(3)输出的燃料气体进入燃气轮机(4)燃烧为空分系统(1)的启动提供能量；为保证燃气轮机(4)有较高的做功效率，保持燃气轮机(4)工作在较高负荷工况下；天然气在燃气轮机(4)燃烧室燃烧后进入燃气轮机(4)的透平带动燃气轮机(4)发电机做功，做完功的乏气进入余热锅炉(5)带动余热锅炉启动；余热锅炉(5)产生过热蒸汽后带动小型汽轮机(2)和主蒸汽轮机启动，从而带动空分系统(1)压缩设备启动；在空分系统(1)启动完毕后，气化炉(3)启动，在达到可以为燃气轮机提供燃料的条件后，所述系统转入运行工况。
【文档编号】F01D15/08GK104358595SQ201410637721
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】闫姝, 穆延非, 史绍平, 陈新明, 方芳 申请人:中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司, 中国华能集团公司