[发明专利]燃气涡轮装置及其操作方法

说明书

本发明技术涉及用于发电操作的燃气涡轮装置，或用作车辆和长距离燃气输送管压缩机的驱动的燃气涡轮装置，特别是涉及应用于发电和输送目的的燃气涡轮装置(GTU)的操作模式，其特征在于低燃料消耗和废气热回收。

使用天然气作为燃气涡轮燃料已经促进了如下技术的发展，即通过燃气涡轮(GT)装置与蒸汽涡轮(ST)的结合以及混合有蒸汽的天然气燃烧方法来提高燃气涡轮(GT)装置的效率。

本发明技术还包括全新的燃气涡轮装置GTU的设计，其特征在于显著减少消费的电力以及减少因用于GT/ST进料目的的烃燃气蒸汽混合物的化学转化而导致的排放物。

现有技术包括用于提高联合的循环燃气涡轮(CCGT)装置的效率的方法，其提供将水注入压缩机流路、在热回收蒸汽发生器(HRSG)中进行GT废气热回收、在直接接触式冷凝器内冷凝来自GT工作介质的蒸汽、以及在1.05-1.1过量空气下在燃烧室内进行燃料燃烧。GT入口的工作介质温度是由蒸汽供给控制，所述蒸汽供给是从HRSG至完全燃烧/燃烧室之一以及在CCGT内与GT结合的ST的再生性渗出的蒸汽供给；或者在其单独的操作模式时，所述蒸汽供应是从CCGT循环设置内的蒸汽发生器供应的(2006年7月10日的俄罗斯申请No.2005102152)。

为了实施上述方法，CCGT装置包括主要的燃烧空气压缩机、与GT结合的ST、供给GT废气的HRSG、用于蒸汽冷凝的直接接触式冷凝器以及确保CCGT装置独立操作的蒸汽发生器。

所述方法及装置的缺点在于ST和GT的结合使用使整个CCGT装置操作更加复杂和昂贵。

现有技术还包括装备有用于先进的热回收和排放物降低的综合系统的GTU的操作模式和设计(2003年1月20日的俄罗斯申请No.2000131473)。这样的装置的操作模式提供将空气压缩和供应至燃烧室、在燃烧室内燃气燃料燃烧而将燃烧区中的过量空气因子减少至1.02-1.05以及在液体燃料时减少至1.05-1.10、GT内燃烧产物膨胀、在涡轮机下游未燃烧的燃料烧尽、将水注入压缩机和燃烧室。

俄罗斯申请No.2000131473中的燃气涡轮装置(GTU)设计包括压缩机和带有在GTU空气/燃气回路内串联连接的燃气进气管道的燃烧室、与压缩机和发电机机械连接的燃气涡轮(GT)、带有热载体入口和出口管道的增压节能装置、与发电机和向致冷用户供给气体的供给气体机械连接的燃烧产物透平膨胀机、带有入口/出口燃料管线和加热管道的回收燃料加热器。下述设备系被安装在GT下游于燃气回路内：节能装置或蒸汽发生器、表面或接触面冷凝器以及干燥器、表面气体-水换热器、消音器和被安装在透平膨胀机下游的烟筒。压缩机通过沿着入气口回路串联设置的过滤器、表面或接触面气体-水热交换器和消音器而与吸气管连接。

上述操作模式和装置的特征还在于，因GT流路中缺少过量的空气和工作介质流量的减少而导致的低效率。

从现有技术可知，联合循环燃气涡轮(CCGT)装置的操作是基于所谓的STIG(蒸汽喷射燃气涡轮)循环，由此蒸汽被直接注入至GT燃烧室。在此循环中，由废热交换器所产生的所有蒸汽被供应至GT燃烧室，然后所生成的蒸汽/燃气混合物在GT内膨胀，并且在经过废热交换器后被排放到大气中。

将蒸汽喷射至涡轮流路内可以在不提高涡轮上游的燃气温度的情况下使功率增加60-70％，效率增加大约25％(相对值)。STIG循环的缺点在于回路水的完全损失。

本发明技术的原型是燃气涡轮装置(GTU)操作模式(2012年11月20日的俄罗斯专利No.2467187)，其提供将压缩空气和基于甲烷的蒸汽/燃气混合物供应至燃烧室、在GT中膨胀燃烧产物、通过蒸发或再加热高压(HP)蒸汽来降低燃烧产物过热、冷凝燃烧产物中所包含的低压蒸汽、蒸发和再加热被供应到GTU的高压蒸汽中所获得的冷凝物，其中，新加入的天然气连续地与高压蒸汽混合，通过基于甲烷的蒸汽/燃气混合体的燃烧产物在第一热交换器中被加热，经过用于生产然后在第二热交换器中被加热的基于甲烷的蒸汽/燃气混合物的催化反应器，经过第二催化反应器且被供应到燃烧室。甲烷催化转化产物是基于甲烷的燃气，其特征在于1-5％或超过20％的氢含量。