运行燃气和蒸汽联合发电站的方法以及燃气和蒸汽联合发电站与流程

文档序号:14646488发布日期:2018-06-08 21:04阅读:245来源:国知局

从一般的现有技术中充分已知这种用于运行燃气和蒸汽联合发电站的方法以及这种燃气和蒸汽联合发电站(德语:GuD发电站)。燃气和蒸汽发电站也称为联合循环发电站(Combined Cycle Power Plant),并且包括至少一个涡轮机装置、至少一个用于提供电流的能够由涡轮机装置驱动的发电机以及至少一个燃气轮机。如果发电机由涡轮机装置驱动,则发电机可将机械能转换成电能或电流并且提供该电能或电流。然后电流例如可以馈送到电网中。

在此,燃气轮机提供废气,借助该废气产生热蒸汽。例如将燃料、尤其气态的燃料例如天然气输入燃气轮机,其中,燃料借助燃气轮机燃烧。尤其除了燃料还附加地向燃气轮机供应氧气或空气,从而由空气和燃料形成燃料-空气混合物。所述燃料-空气混合物被燃烧,由此形成燃气轮机的废气。借助该废气例如加热液体尤其是水并且由此使其蒸发,由此形成热蒸汽。这意味着热蒸汽借助燃气轮机的废气这样产生,即借助燃气轮机的热废气使液体例如水蒸发。

该蒸汽被输送至涡轮机装置,使得涡轮机装置借助蒸汽被驱动。如已经描述的那样,发电机通过涡轮机装置或借助涡轮机装置驱动。燃气和蒸汽联合发电站也称为燃气蒸汽联合发电站,其是结合了燃气轮机发电站和蒸汽发电站的原理的发电站。燃气轮机或其废气在此用作连接在之后的蒸汽发生器的热源,借助该蒸汽发生器产生用于涡轮机装置的蒸汽或产生用于驱动涡轮机装置的蒸汽。该涡轮机装置因此构造为蒸汽涡轮机。

业已证明,这种燃气和蒸汽联合发电站(GuD发电站)必须尤其取决于电流需求地关机,以使发电机不提供电流并且例如不被驱动,并且使得没有电流借助GuD发电站输入电网中。关机可能导致燃气和蒸汽联合发电站冷却,结果是燃气和蒸汽联合发电站的重新启动或者开机需要特别长的时间和特别高的能量需求。因此,通常规定在燃气和蒸汽联合发电站关机期间使燃气和蒸汽联合发电站保温。在此,燃气和蒸汽联合发电站借助蒸汽保温。这种用于保温的蒸汽通常借助锅炉、尤其燃气锅炉产生。借助锅炉使得液体、例如水蒸发,其中,为此使用燃料。借助锅炉产生的蒸汽至少被导引通过燃气与蒸汽联合发电站的一部分,以使其保温或被加热。这样燃气和蒸汽联合发电站在其关机之后可以在热启动范畴内启动,因为燃气和蒸汽联合发电站在那时具有已经足够高的能够被启动的温度。

但是,随着燃气和蒸汽联合发电站关机时间的增长,由于发电站逐渐冷却,所以用于保温或者加热燃气和蒸汽联合发电站所需的蒸汽的量也增加。用于关机后的燃气和蒸汽联合发电站的保温或者加热的蒸汽的产生或者制备通常是很耗能的。

因此,本发明要解决的技术问题在于,这样地改进本文开头所述类型的方法和燃气和蒸汽联合发电站,使得燃气和蒸汽联合发电站可以被特别高效地加热或保温。

上述技术问题通过具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求8的特征的燃气和蒸汽联合发电站解决。在其余的权利要求中给出具有本发明的适宜扩展设计的有利设计方案。

为了这样改进在权利要求1的前序部分中给出的类型的方法,使得可以特别有效地保温或加热燃气和蒸汽联合发电站,按照本发明规定,在借助燃气轮机产生的蒸汽中包含的热量的至少一部分被利用,以引起或者说实现吸热的化学反应,即吸收热量的化学反应。为了简洁和更易阅读,所述燃气和蒸汽联合发电站在下文中称为GuD发电站或者简单地称为发电站。

通过利用包含在蒸汽中的热量以实现吸热的化学反应,可以在吸热化学反应的生成物中储存用于实现吸热化学反应的热量的至少一部分,其中,所储存的热量例如可以在稍后的时间点用于加热或保温发电站的至少一部分或者部分区域。因此,通过使用吸热的化学反应可以在有或者没有热量转换的情况下有效和高效地存储热量,使得发电站尤其在其关机期间例如可以被保温。尤其也可以随着发电站关机时间的增长使不同的组件或构件被加热或保温,以便由此实现在发电站关机之后的发电站热启动。发电站以此可以特别快速和节能地启用和开机。

业已发现,通过利用吸热化学反应可以比在借助锅炉、尤其燃气锅炉产生用于发电站保温的蒸汽时明显更加高效地对发电站进行保温或加热。这种燃气锅炉是一种气体燃烧器,借助该气体燃烧器在使用燃料、尤其气态燃料的情况下产生用于使发电站保温或加热的蒸汽。

本发明的基础构思在于,在发电站运行期间,即在发电站已开机的时间期间,将包含在本来借助燃气轮机的废气产生的蒸汽中的能量的至少一部分能量分支出来并且用于实现吸热反应,以便在吸热反应的生成物中储存能量或热量,该能量或热量随后可以在发电站关机时用于发电站的保温。

因而使用其中例如进行吸热反应的热化学的蓄热器。储存在吸热反应的生成物中的热量可以储存在该蓄热器中,并且有效且高效地用于以后的目的。

在有利的实施方式中规定,借助吸热的化学反应的生成物进行放热的化学反应,在所述放热的化学反应中释放热量,借助该热量加热或保温所述燃气和蒸汽联合发电站的至少一部分。吸热反应例如在吸热的反应器中进行。放热反应例如在放热的反应器中进行,借助放热的反应器至少间接地使用在放热反应中释放的热量,以便在发电站关机期间对发电站保温。

在有利的实施方式中规定,借助在放热化学反应时放出的热量产生蒸汽,通过所述蒸汽使得至少蒸汽和燃气联合发电站的所述部分被加热或保温。

在有利的实施方式中规定,设置有至少一个热交换器,通过热交换器将在放热反应时放出的热量的至少一部分热量传递至燃气和蒸汽联合发电站的所述部分或者传递至介质,尤其是液体或气体,或燃气和蒸汽联合发电站的构件上。

所述介质例如用于对发电站保温。介质例如是可以借助释放的热量被蒸发的水。介质例如可以与放热反应的反应物和/或生成物直接接触,尤其可以迎流反应物和/或生成物或者在反应物和/或生成物周围绕流,以便加热介质并且以此例如蒸发介质。所述构件可以是热交换器,通过该热交换器将释放的热量例如传递至介质,以便加热介质、尤其蒸发介质。通过使用热交换器可以实现介质与放热反应的反应物和/或生成物的空间分离,以使介质不直接接触放热反应的生成物和/或反应物。

在有利的实施方式中规定,在燃气和蒸汽联合发电站的正常运行期间,使用包含在借助燃气轮机的废气产生的蒸汽中的热量的至少一部分,用于实现吸热化学反应,其中,在所述正常运行期间发电机被驱动并且借助发电机提供电流。

在有利的实施方式中规定,在所述正常运行之后执行保温运行,在保温运行中借助被释放的能量对燃气和蒸汽联合发电站进行加热或保温,而不进行通过发电机实现的电流提供、尤其是通过涡轮机装置实现的发电机的驱动。也就是在保温运行期间发电站被关机。

在有利的实施方式中规定,设置有至少一个热交换器,借助该热交换器将包含在借助燃气轮机的废气产生的蒸汽中的热量的至少一部分传递至吸热化学反应的反应物。

被分支出的蒸汽例如可以直接接触吸热反应的反应物或者迎流或绕流,以便实现从蒸汽向吸热反应的反应物的热传递。通过使用热交换器可以实现吸热反应的反应物与产生的蒸汽的空间分离,使得所产生的蒸汽不直接接触吸热反应的反应物。

为了这样地改进在权利要求8的前序部分中给出的类型的燃气和蒸汽联合发电站,使得燃气和蒸汽联合发电站可以特别高效地、即节能地被保温或加热,根据本发明设置至少一个反应器,在借助燃气轮机产生的蒸汽中包含的热量的至少一部分热量能输入所述反应器,以在反应器中借助所输入的来自蒸汽的热量实现吸热化学反应。根据本发明的方法的有利设计方案被视为根据本发明的燃气和蒸汽联合发电站的有利设计方案,并且根据本发明的燃气和蒸汽联合发电站的有利设计方案被视为根据本发明的方法的有利设计方案。

由下面对优选实施例的说明以及根据附图得到本发明的其它优点、特征和细节。以上在说明中提到的特征和特征组合以及下面在对附图的描述中提及的和/或在一些附图中单独示出的特征和特征组合不仅能以相应给出的组合应用,也能以其它组合或单独地应用,而不超出本发明的范围。

在唯一的附图中示出能通过使用吸热化学反应特别节能地保温的燃气和蒸汽联合发电站的示意图。

唯一的附图以示意图示出整体标记为10的燃气和蒸汽联合发电站,其也称为GuD发电站或发电站(以实现更好的可读性)。发电站包括至少一个燃气轮机12,例如在用于运行所述发电站的方法的范围内向燃气轮机12输送燃料。燃料向燃气轮机12的输送在图中通过方向箭头14表示。燃料尤其是气态的燃料、例如天然气。此外,如图中方向箭头16所示,将空气输入燃气轮机12。燃料借助燃气轮机12燃烧,由此产生燃气轮机12的废气。燃气轮机12由此提供废气,这在图中通过方向箭头18表示。在燃气轮机12中例如构成燃料和空气的混合物,其中,该混合物被燃烧。由此产生燃气轮机12的废气。

根据方向箭头18可见,废气被输送至发电站的蒸汽发生器20。所述蒸汽发生器20也称为锅炉或蒸发器。此外,将尤其形式为水的液体输入蒸汽发生器20。在此进行从燃气轮机12的废气向水的热量转移,水以此被加热和蒸发。由此由水产生蒸汽。这意味着借助燃气轮机12的废气和借助蒸汽发生器20由输入蒸汽发生器20的水(液体)产生蒸汽。由于从废气向水的热量转移,废气被冷却,因此废气例如以第一温度T1从蒸汽发生器20排出。第一温度T1例如为约至少90℃(摄氏度)。

所述发电站还包括涡轮机装置,该涡轮机装置整体标记为22,其在此包括第一涡轮机24和第二涡轮机26。涡轮机24例如设计为高压涡轮机,涡轮机26设计为中压和低压涡轮机。借助燃气轮机12的废气和借助蒸汽发生器20产生的蒸汽输入涡轮机装置22,使得涡轮机装置22、尤其是涡轮机24和26借助产生的热蒸汽被驱动。借助涡轮机装置22将包含在热蒸汽中的能量转换成机械能,其中,机械能通过轴28提供。涡轮机装置22例如包括图中未详细示出的涡轮机轮,蒸汽被输送至涡轮机轮。以此借助蒸汽驱动涡轮机轮。涡轮机轮例如与轴28抗扭地连接,因此在借助蒸汽驱动涡轮机轮时,轴28被涡轮机轮驱动。

发电站还包括至少一个发电机30,该发电机30通过轴28由涡轮机装置22驱动或者能够由其驱动。通过轴28提供的机械能因此输入发电机30,其中,借助发电机30将所输入的机械能的至少一部分转换为电能或电流。发电机30可以提供例如馈送到电网中的电流。

蒸汽从涡轮机装置22排出并且输送至起冷凝器作用或设计为冷凝器的热交换器32。蒸汽借助热交换器32冷却,以此使得蒸汽冷凝。蒸汽以此再次变成前述的水,其可以重新输送至蒸汽发生器20。

为了借助热交换器32冷却蒸汽,例如将冷却介质、尤其是冷却液输入热交换器32。在此,可以进行从蒸汽向冷却液的热量转移,蒸汽以此被冷却并且接着冷凝。

所述发电站具有图中未详细示出的多个管路,借助燃气涡轮机12的废气产生的蒸汽的各个蒸汽流通过管路流动。这些流可以具有不同的温度。在图中示出借助燃气轮机12的废气产生的蒸汽的不同温度T2、T3和T4,其中,温度T2例如为595℃、温度T3为360℃、以及温度T4为240℃。水例如以温度T5离开冷凝器,温度T5例如为40℃。

根据电力需求,即根据需由电网提供的电流的量使发电站启用、即开机,和停用、即关机。例如在只有较低的电力需求时,发电站关机。如果电力需求增加,则发电站在关机后再开机。时间上在发电站关机之后的这种开机优选地以热启动进行,以便能够快速地和节能地使发电站开机。为了实现这种热启动,尤其为了实现特别节能的热启动,发电站在关机后和在发电站关机的时间期间被保温或加热,以避免发电站过度变冷或冷却。

为了特别节能地对发电站进行保温或加热,包含在借助燃气轮机12产生的蒸汽中的热量的至少一部分被用于实现吸热的化学反应。为此,发电站包括至少一个反应器34,吸热化学反应可在反应器中进行。

例如,借助燃气轮机12的废气产生的蒸汽或者借助燃气轮机12的废气产生的蒸汽的上述蒸汽流之一或者上述蒸汽流之一的至少一部分从上述管路中的至少一个管路分支出来。借助燃气轮机12的废气产生的、被分支出来的蒸汽例如可以流过发电站的管路36并且借助管路36导引至反应器34。包含在流过管路36的蒸汽中的热量的至少一部分被用于实现在反应器34中的吸热化学反应。

为此,流过管路36的蒸汽的热量被输入吸热化学反应的反应物。吸热化学反应是吸收能量或热量的反应。该热量因而源自流过管路36的蒸汽。尤其是输入反应器34的蒸汽例如流过热交换器38,借助热交换器38将包含在流过热交换器38的蒸汽中的热量的至少一部分传递至吸热化学反应的反应物。通过吸热化学反应由反应物产生吸热化学反应的生成物。用于实现吸热化学反应的热量的至少一部分被储存在所述生成物中。

吸热化学反应例如是化学平衡反应的正反应。该化学平衡反应例如包括逆反应,该逆反应是放热化学反应。在逆反应的范畴内,吸热化学反应(正反应)的生成物是逆反应的反应物,其中,正反应的反应物是逆反应的生成物。

在逆反应(放热化学反应)的范畴内热量被释放。被释放的热量可以至少部分地用于尤其在发电站停机期间对发电站保温。这意味着借助吸热化学反应的生成物进行放热化学反应(逆反应),在放热化学反应(逆反应)的情况下热量被释放。借助被释放的热量加热或保温发电站的至少一部分。因而实现热化学的蓄热器,在发电站运行期间在蓄热器中蓄热。被储存的热量在发电站关机期间用于加热或保温发电站。这意味着热化学的蓄热器在发电站运行期间被充能或者蓄热,而在发电站关机期间释放能量。

尤其可以规定,借助在放热化学反应情况下释放的热量产生蒸汽。为此,例如设置与蒸汽发生器20不同的、作为对蒸汽发生器20的补充而设置的蒸汽发生器40,在逆反应中释放的热量的至少一部分输入蒸汽发生器40。借助输入蒸汽发生器40的热量将液体、尤其水加热并且以此使其蒸发,由此借助蒸汽发生器40产生蒸汽。因此,液体、尤其水被输入蒸汽发生器40。借助蒸汽发生器40通过释放的热量产生的蒸汽从蒸汽发生器40排出,如在图中通过方向箭头42所示。从蒸汽发生器40排出的蒸汽例如输入发电站的至少一部分,以借助通过在逆反应中释放的热量产生的蒸汽对发电站的至少所述部分进行保温或加热。

在此,发电站例如包括另外的热交换器44,通过另外的热交换器44将在放热化学反应中释放的热量的至少一部分传递至发电站的待保温的部分上或者传递至用于保温发电站的介质上或者也可以传递至发电站的构件上。所述介质例如是输送至蒸汽发生器40的水。

在此,所述构件是蒸汽发生器40,因此在放热化学反应时释放的热量经由热交换器44输送至蒸汽发生器40。这在图中通过方向箭头46示出。随后可以借助蒸汽发生器40在放热化学反应的范畴中释放的热量的帮助下以所述方式产生蒸汽,最后借助该蒸汽可以对发电站的至少一部分进行保温。热交换器44例如布置在蒸汽发生器40中,因此在逆反应时释放的热量可以输入被输送至蒸汽发生器40的水中,以此使输送至蒸汽发生器40的水蒸发。

尤其可以考虑的是,在发电站关机期间对燃气和蒸汽联合发电站10的组件或者构造元件进行保温或加热。由此发电站在期望的启动时具有足够高和有利的温度,以便能借助热启动再次激活或开启发电站。

所述发电站尤其基于这样的理解,即在发电站运行期间使用热源、尤其是本来就可用的热源,例如借助燃气轮机12的废气产生的蒸汽,以便从中获得可借助吸热化学反应储存的热量。

在此规定,在发电站的正常运行期间,使用在借助燃气轮机12产生的蒸汽中包含的热量的至少部分,以实现吸热化学反应,其中,在正常运行期间发电机30被驱动,以在正常运行期间借助发电机30提供电流。

通过发电站关机结束正常运行。为避免发电站的过度冷却,在正常运行之后和由于发电站的关机而执行保温运行,在保温运行中借助释放的能量对发电站加热或保温,而不进行通过发电机30实现的电流供应、尤其不进行通过涡轮机装置22实现的发电机30的驱动。

被分支出的、借助燃气涡轮机12的废气产生的、其热量用于实现正反应并且尤其在正反应的生成物中存储的蒸汽具有例如14.4kg/s的质量流和152℃的温度。通过从蒸汽经由热交换器38向正反应的反应物的热量传递,使得蒸汽例如从152℃冷却至105℃。此外,蒸汽例如可以具有5bar的压力。

备选地可以考虑的是,借助燃气轮机12的废气产生的、用于实现正反应的蒸汽具有38bar的压力和小于21.4kg/s的质量流。由于从流过管路36或热交换器38的蒸汽经由热交换器38向正反应的反应物的热传递,蒸汽例如从334℃冷却至约247℃。这意味着正反应在例如152℃或334℃时进行。逆反应在例如250℃时进行,因此借助在逆反应时释放的热量产生的蒸汽例如具有250℃的温度。

相对于借助释放的热量产生蒸汽备选地或者附加地可以考虑的是,提供蒸汽并且借助在放热化学反应中释放的热量加热所提供的蒸气,尤其使其过热。用于发电站保温的蒸汽因此可以具有250℃,并且在此例如以所述方式从某一温度加热至250℃或者从250℃加热至更高的温度。用于发电站保温的蒸汽例如具有1.4kg/s至5kg/s的质量流和5bar的压力。在发电站保温的范畴内,进行从借助在逆反应中释放的热量产生的蒸汽向发电站或发电站构件上的热传递,使得蒸汽例如从250°冷却至相对更低的温度、尤其是150℃。

尤其可以考虑的是,用于对发电站的至少一部分进行保温或加热的蒸汽具有250℃。用于发电站保温的蒸汽被输入发电站的待保温部分,因此可以实现从用于发电站保温的蒸汽向发电站或者发电站的待保温部分的热传递。由此,用于保温发电站的所述部分的蒸汽被冷却,使得蒸汽的温度例如从250℃降至150℃。蒸汽因此具有非常高的温度,使得在对发电站的至少一部分保温之后在蒸汽中包含的热量必要时可以用于其它目的。

通过使用热交换器38,可以实现正反应的反应物与被分支出的蒸汽的空间分离,因此被分支出的蒸汽不直接接触正反应的反应物。备选地可以考虑的是,被分支出的蒸汽直接接触正反应的反应物并且在此迎流或者绕流正反应的反应物。那么例如就取消热交换器38。这也可以转用在逆反应上:通过使用热交换器44实现逆反应的反应物和/或生成物与借助释放的热量被加热并且用于保温发电站的介质的空间分离,因此介质不直接接触逆反应的反应物和/或生成物。备选地可以考虑的是,介质直接接触逆反应的反应物和/或生成物并且在此迎流或者绕流逆反应的反应物和/或生成物。那么例如就取消热交换器44。

总之从图中可以看出,通过使用吸热反应可以有效和高效地储存本来就可用的热量。所储存的蒸汽尤其可以在稍后的时间点有效和高效地使用,以对发电站的至少一部分进行加热或保温。

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