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CN101802366A - 涡轮设备和发电设备 - Google Patents

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CN101802366A
CN101802366A CN200880107731A CN200880107731A CN101802366A CN 101802366 A CN101802366 A CN 101802366A CN 200880107731 A CN200880107731 A CN 200880107731A CN 200880107731 A CN200880107731 A CN 200880107731A CN 101802366 A CN101802366 A CN 101802366A
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CN
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turbine
working fluid
burner
fuel
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Application number
CN200880107731A
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English (en)
Inventor
幸田荣一
白井裕三
原三郎
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Central Research Institute of Electric Power Industry
Original Assignee
Central Research Institute of Electric Power Industry
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Publication date
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Abstract

在燃气轮机(4)使以比热比小的分子即CO2为主要成分的工作流体膨胀，在燃气轮机(4)的入口侧和出口侧即使压力变化，也可抑制温度变化的降低，得到高温废气，可确保压缩机(2)出口侧的工作流体的温度和燃气轮机(4)出口侧的废气的大的温度差，增加再生效果，不降低输出地提高热效率。

Description

涡轮设备和发电设备
技术领域
本发明涉及使燃烧流体膨胀而得到动力的涡轮设备。
并且，本发明涉及具有气化炉和燃气轮机的发电设备，该气化炉通过碳类燃料生成燃料气体，该燃气轮机通过使来自气化炉的燃料气体燃烧的工作流体而得到动力。
背景技术
对具有使来自燃烧器的燃烧气体膨胀而得到动力的燃气轮机的发电设备进行了各种实际应用。在这样的发电设备中，有效地回收能源，提高发电效率。输送到燃烧器的燃料例如使用天然气等，在燃烧器中与空气一起燃烧而得到燃烧气体。并且，将煤转化为煤气化气体，使煤气化气体在燃烧器中燃烧，得到燃烧气体(例如参照专利文献1、专利文献2)。
最近，要求发电设备具有更高的效率，为此研究了通过吸气冷却等提高输出或使输送到燃烧器的流体重新燃烧，利用燃气轮机的排气使流体的温度上升，提高热效率的方法。吸气冷却或重新燃烧尽管提高了输出，但由于燃料消耗量增加等，不能提高热效率。并且，尽管通过利用燃气轮机的排气使输送到燃烧器的流体升温而可提高热效率，但必须保持燃气轮机出口的高温，为了保持热效率，必须采取降低燃气轮机的压力比等降低输出的手段。
为了保持输出虽然考虑了另外设置提高热效率的设备或提高动力设备能力而使设备大型化的方法，但会因提高效率而导致机器设备的成本提高。因此，目前要求不增大设备而提高效率的技术。
如上所述，为了提高效率，最大限度地使用系统内的热能且不降低输出或者提高输出成为重要的课题，为此考虑了各种方法。在这样的情况下，本发明者们除了在热回收和设备上想办法，还着眼于利用燃气轮机膨胀而得到发电动力的工作流体的物性，发现了可利用工作流体本身的物性最大限度地回收完成了做功的废气能源。
专利文献1：日本特开平4-244504号公报
专利文献2：日本特开2007-107472号公报
发明内容
本发明鉴于上述情况而完成，目的是提供不降低输出也可保持热效率的涡轮设备。
本发明鉴于上述情况而完成，目的是提供不增大设备也可提高效率的具有燃气轮机的发电设备。
为了实现上述目的，技术方案1的本发明的涡轮设备包括：产生以比热比小的分子为主要成分的燃烧气体的燃烧器和使上述燃烧器的燃烧气体膨胀而得到动力的燃气轮机，上述燃烧气体作为工作流体，抑制上述燃烧器的燃烧气体和在上述燃气轮机膨胀的工作流体的温度差。
在技术方案1的本发明中，由于在燃烧器产生以比热比小的分子为主要成分的燃烧气体，在燃气轮机膨胀，因此即使燃气轮机的入口侧和出口侧的压力发生变化，也可抑制温度变化的降低，可得到高温的废气。因此，可形成可高效率地进行废气的热回收、不降低输出就可保持热效率的涡轮设备。
技术方案2的本发明的涡轮设备如技术方案1所述的涡轮设备，其特征在于，上述燃烧器的燃料是碳成分多的燃料。
并且，技术方案3的本发明的涡轮设备如技术方案1所述的涡轮设备，其特征在于，上述燃烧器的燃料是使碳成分多的燃料气化后的燃料。
并且，技术方案4的本发明的涡轮设备如技术方案3所述的涡轮设备，其特征在于，被气化的碳成分多的燃料是煤。
并且，技术方案5的本发明的涡轮设备如技术方案1至4中任一项所述的涡轮设备，其特征在于，上述工作流体是含有CO2的流体。
因此，由于燃烧碳成分多的燃料作为工作流体，因此容易得到以比热比小的分子为主要成分的工作流体。并且，由于工作流体是含有CO2的流体，因此可通过燃烧使煤气化后的燃料气体，容易得到以比热比小的分子为主要成分的工作流体即含有CO2的流体。在使煤进行气化时，通过煤与O2或CO2或H2O的反应生成燃料气体。
技术方案6的本发明的涡轮设备如技术方案1至5中任一项所述的涡轮设备，其特征在于，包括：压缩机，压缩在上述燃气轮机完成了做功的排气即工作流体，向上述燃烧器输送压缩工作流体；以及通过在上述燃气轮机完成了做功的排气使在上述压缩机压缩的压缩工作流体升温的再生热交换器。
在技术方案6的发明中，通过使用比热比小的工作流体，可降低压缩机出口的温度，保持燃气轮机的高排气温度，在再生热交换器中进行高效率的热回收，保持高的热效率。
并且，技术方案7的本发明的涡轮设备如技术方案6所述的涡轮设备，其特征在于，上述燃烧器使用O2燃烧燃料气体。
并且，技术方案8的本发明的涡轮设备如技术方案7所述的涡轮设备，其特征在于，向在上述压缩机压缩的压缩工作流体或在上述再生热交换器升温的工作流体供给上述O2。
因此，在使用O2燃烧碳成分多的燃料的情况下，可准确地向工作流体供给O2。
为了实现上述目的，技术方案9的本发明的发电设备的特征在于，包括：通过碳类燃料的反应生成燃料气体的气化炉；使在上述气化炉生成的燃料气体燃烧的燃烧器；使来自上述燃烧器的燃烧气体膨胀而得到动力的燃气轮机；余热回收锅炉，从在上述燃气轮机完成了做功的排气中回收热、产生蒸汽；以及压缩机，压缩在上述燃气轮机完成了做功的一部分排气、向上述燃烧器输送压缩工作流体。
在技术方案9的本发明中，在燃烧器燃烧通过碳类燃料的反应生成的燃料气体，使燃烧气体作为工作流体在燃气轮机膨胀得到发电动力。在余热回收锅炉热回收燃气轮机的排气，压缩一部分排气输送到燃烧器。因此，可使比热比小的工作流体即含有CO2的工作流体循环，可利用比热比小的工作流体在温度变化相对压力的变化小的状态下使用流体，可形成不增大设备就可提高效率的具有燃气轮机的发电设备。
并且，技术方案10的本发明的发电设备如技术方案9所述的发电设备，其特征在于，具有再生热交换器，通过在上述燃气轮机完成了做功的排气使在上述压缩机压缩后的压缩工作流体升温。
在技术方案10的本发明中，使用比热比小的含有CO2的工作流体，可将压缩机出口的温度抑制得较低，保持燃气轮机的高排气温度，在再生热交换器进行高效率的热回收，保持高的热效率。
并且，技术方案11的本发明的发电设备如技术方案9或10所述的发电设备，其特征在于，具有冷却装置，通过冷却来自上述余热锅炉的一部分排气、冷凝清除水分，可得到高纯度的CO2。
并且，技术方案12的本发明的发电设备如技术方案11所述的发电设备，其特征在于，具有向上述气化炉供给通过上述冷却装置得到的高纯度的CO2的供给系统。
并且，技术方案13的本发明的发电设备如技术方案12所述的发电设备，其特征在于，上述气化炉是通过煤与含有高纯度的CO2的流体的反应生成煤气化气体的煤气化炉。
并且，技术方案14的本发明的发电设备如技术方案9至13中任一项所述的发电设备，其特征在于，具有从在上述燃气轮机完成了做功的一部分排气中清除杂质的杂质清除装置。
并且，技术方案15的本发明的发电设备如技术方案9至14中任一项所述的发电设备，其特征在于，具有使在上述余热回收锅炉产生的蒸汽膨胀而得到动力的汽轮机。
因此，可形成利用煤气化气体提高效率的具有燃气轮机的发电设备。而且，通过组合汽轮机，可构筑提高效率的煤气化复合发电(IGCC)设备。并且，由于从在汽轮机完成了做功的一部分排气中清除杂质，可大幅度地简化清除向燃烧器供给的煤气化气体的杂质，可降低能量损失。
本发明的涡轮设备可形成不降低输出就可保持热效率的涡轮设备。
并且，本发明的发电设备可形成不增大设备就可提高效率的具有燃气轮机的发电设备。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式例的涡轮设备的概念系统图。
图2是本发明的一个实施方式例的发电设备的概念图。
图3是本发明的一个实施方式例的发电设备的概略系统图。
符号说明
1涡轮设备
2、28、31压缩机
3燃烧器
4燃气轮机
5排气路径
6余热回收装置
7再生热交换器
8路径
11气化炉
12气体精炼装置
13余热回收锅炉(HRSG)
14汽轮机
15冷凝器
21煤气化设备
22金属过滤器
23干式脱硫装置
24制氧设备
25凝汽器
26供水加热器
27、30汽水分离器
29水银清除装置
具体实施方式
本发明的一个实施方式例的发电设备具有通过吹入高浓度的O2使煤反应、生成气化气(燃料气体)的气化炉，使在气化炉生成的燃料气体在燃烧器中燃烧，形成燃烧气体，在燃气轮机使来自燃烧器的燃烧气体膨胀而得到动力，在压缩机压缩在燃气轮机完成了做功的一部分排气，输送到燃烧器，向气化炉供给在燃气轮机完成了做功的废气即CO2。
通过吹入高浓度的O2(或CO2或H2O)，使煤反应而生成燃料气体，利用O2燃烧燃料气体，燃烧气体(工作流体)形成以比热比小的分子即CO2为主要成分的工作流体，比热比小到1.20左右。因此，即使工作流体在燃气轮机膨胀、在入口侧和出口侧压力变化，也可防止温度变化的降低，可得到高温的废气。因此，可制成具有可高效率地进行废气的热回收、不降低输出就可保持热效率的涡轮设备的发电设备。
尤其是通过形成压缩燃气轮机的排气、注入燃烧器、使气化气与O2一起燃烧的设备，使得通过燃气轮机的排气使压缩后的CO2流体升温的再生热交换器的应用有用。即，由于是以比热比小的分子为主要成分的CO2流体，因此，抑制压缩机出口侧的温度上升，抑制燃气轮机的排气温度降低。这样，压缩机出口的温度和燃气轮机出口的温度差增大，不用增大再生效果、降低输出就可提高热效率。
即，在空气燃烧循环的情况下，可燃气体中的氮浓度高，因此限制了CO2的浓度，不能缩小比热比。在天然气燃料的情况下，燃料中的碳和氧的比例为1∶3～4左右，因此CO2的浓度最高为40％左右，不能形成以CO2为主要成分的工作流体。
根据图1就涡轮设备进行说明。图1表示本发明的一个实施方式例的涡轮设备的概念系统。
如图所示，涡轮设备1包括压缩机2、燃烧器3以及燃气轮机4。向燃烧器3注入用于产生以比热比小的分子为主要成分的燃烧气体的燃料气体(煤气化气体)。在燃烧器3中，燃料气体与高浓度的O2(和CO2)共同燃烧，得到以CO2为主要成分的燃烧气体(工作流体)。在燃烧器3燃烧的燃烧气体在燃气轮机4中膨胀、得到发电动力，完成了做功的废气通过排气路径5在再生热交换器7和余热回收装置6被热回收。热回收的工作流体排出多余的CO2和水，在压缩机2被压缩。上述高浓度的O2向压缩机2的出口侧供给。另外，也可向燃烧器3的入口侧供给高浓度的O2。
在上述的涡轮设备1中，以比热比小的分子(CO2)为主要成分的工作流体进行循环、在燃气轮机4膨胀，因此，即使在燃气轮机4的入口侧和出口侧压力发生变化，也可抑制温度变化的降低，可得到高温的废气。并且，压缩机2压缩的压缩流体是含有比热比小的CO2的流体，因此，可抑制出口侧的温度上升。
因此，压缩机2出口侧的流体温度和燃气轮机4出口侧的废气温度的差增大，不用增大再生效果、降低输出就可提高热效率。因此，可形成可高效率地进行废气的热回收、不降低输出就可保持热效率的涡轮设备1。
另外，在上述的涡轮设备1中，在再生热交换器7进行燃气轮机4的废气的热回收，提高了再生效率，但由于使以比热比小的分子(CO2)为主要成分的工作流体膨胀，相对压力变化抑制温度降低，保持燃气轮机4的废气的高温，因此也可形成如下结构，即利用适合被保持为高温的废气的热回收的其他机器进行热回收。
基于图2、图3就作为具有上述的涡轮设备1的发电设备的煤气化复合发电设备(IGCC)进行说明。
图2是本发明的一个实施方式例的发电设备概念图，图3表示本发明的一个实施方式例的发电设备的概略系统。与图1中所示的涡轮设备1相同的构成部件使用相同的部件。
如图2所示，具有通过碳类燃料即煤与O2(CO2、H2O)的反应而生成气化气(燃料气体)的气化炉11，向气化炉11供给回收的CO2。从气体精炼装置12向燃气轮机4(燃烧器3：参照图1)输送气化气进行膨胀，得到发电动力。
在余热回收锅炉13(HRSG：相当于图1的余热回收装置6)对在燃气轮机4完成了做功的废气(CO2)进行热回收，在HRSG13产生的蒸汽被输送到汽轮机14进行膨胀，作为汽轮机14的发电动力。
在HRSG13进行热回收的废气在水蒸汽冷凝器15冷凝，回收CO2，向气化炉11供给回收的一部分CO2。并且，在HRSG13被热回收并要在水蒸汽冷凝器15冷凝之前的废气(CO2和水蒸汽)与O2一起输送到燃气轮机4(燃烧器3：参照图1)作为燃烧气体。
在上述发电设备中，组合了吹入回收的CO2和O2的气化炉11和将O2与再生的废气混合并进行燃烧的封闭燃气轮机，气化性能大幅度提高，而且无需浓缩、分离CO2。
在HRSG13进行热回收的废气(CO2和水蒸汽)被输送到燃气轮机4(燃烧器3：参照图1)，因此在水蒸汽冷凝器15冷凝、回收CO2时，可清除杂质。这样，可简化清除气体精炼装置12的气化气的杂质，可简化设备，并且，可增大设备设计的自由度。
利用CO2和O2对煤进行气化，与利用空气以及O2和氮氧对煤进行气化相比，通过CO2的气化促进效果，炉内碳转化率和冷气效率大幅度提高。这样，可使气化炉11和炭的回收系统小型化，可降低设备成本。
由于无需浓缩、分离CO2，因此可大幅度降低设备成本以及用于回收CO2的所需动力，可得到高的送电端效率(例如HHV42.0)。并且，也可使用熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)代替燃气轮机4，使用MCFC可得到更高的送电端效率。
基于图3具体就发电设备的系统进行说明。
向煤气化设备21(图2所示的气化炉11和气体精炼装置12)供给回收的CO2，并且，通过煤与O2(CO2、H2O)的反应生成气化气(燃料气体)。利用金属过滤器22从生成后的燃料气体中清除固体杂质，利用干式脱硫装置23清除硫分。
向燃烧器3注入在干式脱硫装置23清除了硫分的燃料气体，燃料气体与制氧装置24制造的高浓度O2一起在燃烧器3中燃烧。也向煤气化设备21供给由制氧装置24制造的O2。制氧装置24可使用例如通过变压吸附来浓缩氮气从空气中清除并供给加压后的O2的设备或将深冷设备的纯O2加压到规定压力并供给的设备。
在燃烧器3生成的燃烧气体作为以比热比小的分子即CO2为主要成分的工作流体，因此可抑制压力变化引起的温度变化，比热比是体积在一定条件下的比热与压力在一定条件下的比热的比。
即，可保持燃气轮机4出口侧的工作流体(废气)的高温。即，可抑制在利用后述的压缩机2压缩时的温度上升，并可抑制在利用燃气轮机4膨胀时的温度降低，可增加压缩机2出口侧的工作流体和燃气轮机4出口侧的工作流体的温度差。
来自燃烧器3的燃烧气体在燃气轮机4中膨胀，得到发电动力。余热回收锅炉(HRSG)13从排气路径5对在燃气轮机4中完成了做功的废气(以CO2为主要成分的工作流体)进行热回收，在HRSG13热回收的废气在压缩机2被压缩。被压缩机2压缩的废气在再生热交换器7升温，注入燃烧器3。一部分废气被从路径8向再生热交换器7输送，废气被热回收。
燃气轮机4出口侧的废气是以CO2为主要成分的工作流体，因此比热比小，压缩机2和燃气轮机4的出入口温度差缩小，可大幅度提高再生热交换器7的热效率。即，形成容易得到再生的热效率效果的系统。
向汽轮机14输送在HRSG13产生的蒸汽，在汽轮机14膨胀，作为发电动力。在汽轮机14完成了做功的排气蒸汽在凝汽器25凝汽，通过无图示的供水泵向供水加热器26输送。向供水加热器26输送在HRSG13热回收的一部分废气，对凝汽器25的供水进行加热。从废气侧看，供水加热器26作为气体冷却器。在供水加热器26中加热的流体被输送到HRSG13，作为汽轮机14的驱动用的蒸汽。
在供水加热器26中冷却的废气(含有CO2的气体)在汽水分离器27分离水分，并在附设的水洗塔清除卤素(杂质清除装置)。清除了卤素的废气(CO2)在压缩机28被加压到规定压力，在水银清除装置29(杂质清除装置)清除水银，在汽水分离器(冷却器)30进一步清除水分。清除了水分的废气(CO2)在压缩机31被加压到规定压力，向煤气化设备21输送。通过加压、液化等回收剩余的CO2。
图2中所示的水蒸汽冷凝器15相当于图3所示的凝汽器25、汽水分离器27、30。
在上述的发电设备中，通过金属过滤器22和干式脱硫装置23向燃烧器3输送通过煤和从制氧装置24输送来的O2(CO2、H2O)的反应生成的气化气(燃料气体)，通过在燃烧器3进行氧燃烧得到以CO2为主要成分的比热比小的燃烧气体(工作流体)，使来自燃烧器3的燃烧气体在燃气轮机4膨胀，得到发电动力。在燃气轮机4完成了做功的废气被HRSG13热回收，在压缩机2压缩后在再生热交换器7升温，输送到燃烧器3。在燃气轮机4完成了做功的一部分废气被输送到再生热交换器7进行热回收。
工作流体由于是以比热比小的CO2为主要成分，因此，可保持燃气轮机4出口侧的废气的高温，可抑制压缩机2压缩时的温度上升。因此，可增大压缩机2出口侧的工作流体和燃气轮机4出口侧的工作流体的温度差，提高再生热交换器7的再生效率。
在HRSG13热回收的一部分排气(CO2)在供水加热器26被热回收，清除水分后被压缩机31加压到规定的压力，向煤气化设备21供给。在清除水分的过程中，利用清洗塔脱卤并且利用水银清除装置29清除水银。并且，在压缩机31加压到规定压力的一部分排气(CO2)被液化等后回收。
由于是燃气轮机4的排气被热回收后一部分被注入燃烧器3的半封闭系统，因此，在HRSG13被热回收、回收到煤气化设备21和外部的排气量少，可从少量的排气中清除杂质。因此，如果考虑在整个系统中清除杂质，则可形成以下结构，即仅设置金属过滤器22和干式脱硫装置23作为燃气轮机4的燃烧器3的上游侧的杂质清除装置，设置对在HRSG13进行热回收后的废气进行脱卤和清除水银的装置。
因此，可简化煤气精炼设备，并可大大减少也包括回收侧在内的为清除杂质而进行热交换时的有效能量损失。
另一方面，在HRSG13产生的蒸汽输送到汽轮机14，驱动汽轮机14。在凝汽器25对排气蒸汽进行凝汽，在供水加热器26加热的流体被输送到HRSG13，作为驱动汽轮机14用的蒸汽。因此形成燃气轮机4和汽轮机14的复合发电设备。
另外，在图3中，在压缩机28、31压缩废气、形成清除杂质的规定压力、向煤气化设备供给的规定压力，以此为例进行了说明，但压缩机的数量和设置是任意的，可利用设备规模和机器结构进行适当的设置。并且，压缩机2、燃气轮机4、汽轮机14可以是单轴排列、具有发电机的结构，或者可以是并列设置压缩机2和燃气轮机4的轴与汽轮机14的轴、分别具有发电机的结构。
上述的发电设备可形成不使设备大型化就可提高效率的具有燃气轮机的发电设备。
本发明可在使燃烧流体膨胀、得到动力的涡轮设备的产业领域使用。
并且本发明可在具有气化炉和燃气轮机的发电设备的产业领域使用，该气化炉通过碳类燃料生成燃料气体，该燃气轮机通过使来自气化炉的燃料气体燃烧的工作流体而得到动力。

Claims (15)

1.一种涡轮设备，包括：产生以比热比小的分子为主要成分的燃烧气体的燃烧器和使所述燃烧器的燃烧气体膨胀而得到动力的燃气轮机，所述燃烧气体作为工作流体，抑制所述燃烧器的燃烧气体和在所述燃气轮机膨胀的工作流体的温度差。
2.如权利要求1所述的涡轮设备，其特征在于，所述燃烧器的燃料是碳成分多的燃料。
3.如权利要求1所述的涡轮设备，其特征在于，所述燃烧器的燃料是碳成分多的燃料气化后的燃料。
4.如权利要求3所述的涡轮设备，其特征在于，被气化的碳成分多的燃料是煤。
5.如权利要求1至4中任一项所述的涡轮设备，其特征在于，所述工作流体是含有CO2的流体。
6.如权利要求1至5中任一项所述的涡轮设备，其特征在于，包括：压缩机，压缩在所述燃气轮机完成了做功的排气即工作流体，向所述燃烧器输送压缩工作流体；以及
通过在所述燃气轮机完成了做功的排气使在所述压缩机压缩的压缩工作流体升温的再生热交换器。
7.如权利要求6所述的涡轮设备，其特征在于，所述燃烧器使用O2燃烧燃料气体。
8.如权利要求7所述的涡轮设备，其特征在于，向在所述压缩机压缩的压缩工作流体或在所述再生热交换器升温的工作流体供给所述O2。
9.一种发电设备，包括：通过碳类燃料的反应生成燃料气体的气化炉；
使在所述气化炉生成的燃料气体燃烧的燃烧器；
使来自所述燃烧器的燃烧气体膨胀而得到动力的燃气轮机；
余热回收锅炉，从在所述燃气轮机完成了做功的排气中回收热、产生蒸汽；以及
压缩机，压缩在所述燃气轮机完成了做功的一部分排气、向所述燃烧器输送压缩工作流体。
10.如权利要求9所述的发电设备，其特征在于，具有再生热交换器，通过在所述燃气轮机完成了做功的排气使在所述压缩机压缩后的压缩工作流体升温。
11.如权利要求9或10所述的发电设备，其特征在于，具有冷却装置，通过冷却来自所述余热锅炉的一部分排气、冷凝清除水分，得到高纯度的CO2。
12.如权利要求11所述的发电设备，其特征在于，具有向所述气化炉供给通过所述冷却装置得到的高纯度的CO2的供给系统。
13.如权利要求12所述的发电设备，其特征在于，所述气化炉是通过煤与含有高纯度的CO2的流体的反应而生成煤气化气体的煤气化炉。
14.如权利要求9至13中任一项所述的发电设备，其特征在于，具有从在所述燃气轮机完成了做功的一部分排气中清除杂质的杂质清除装置。
15.如权利要求9至14中任一项所述的发电设备，其特征在于，具有使在所述余热回收锅炉产生的蒸汽膨胀而得到动力的汽轮机。
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