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CN1656304A - 蒸汽和燃气轮机装置 - Google Patents

蒸汽和燃气轮机装置 Download PDF

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Abstract

一种蒸汽和燃气轮机装置，包括燃气轮机单元(A)和蒸汽轮机单元(B)，其中燃气轮机单元(A)至少包括：安装在压缩机轴的气体压缩机(1)，燃烧室(2)和安装在燃气轮机轴(5)上的燃气轮机(3)；其中蒸汽轮机单元(B)包括封闭蒸汽管线(6)，该蒸汽轮机单元至少包括：泵(7)，蒸汽发生器(8)，它在工作期间与来自燃气轮机的燃烧气体进行换热接触，安装在蒸汽轮机轴上的蒸汽轮机(9)，以及冷凝器(11)。根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于蒸汽轮机在工作期间驱动燃气轮机单元的气体压缩机(1)。

Description

蒸汽和燃气轮机装置
说明
本发明涉及一种蒸汽和燃气轮机装置，其包括燃气轮机单元(A)和蒸汽轮机单元(B)，其中燃气轮机单元(A)至少包括：安装在压缩机轴上的气体压缩机、燃烧室和安装在燃气轮机轴上的燃气轮机；并且其中蒸汽轮机单元(B)部分包括：封闭的蒸汽管线，至少包括：泵、蒸汽发生器，其在工作期间与来自燃气轮机的燃烧气体换热接触，安装在蒸汽轮机轴上的蒸汽轮机，以及冷凝器。
蒸汽和燃气轮机装置是众所周知的，并且它们以各种结构用于工业中。在引文中作为参考的蒸汽和燃气轮机装置的示例被公开，比如美国专利US-B1-6,223,518。这些蒸汽和燃气轮机装置可被分为两种类型，即多轴型和单轴型。
比如，一种已知的多轴蒸汽和燃气轮机装置在附图1中示出，其中所述的装置包括燃气轮机单元(A)和蒸汽轮机单元(B)，燃气轮机单元(A)至少包括气体压缩机1，该压缩机安装在气体压缩机轴4上，燃烧室2和安装在燃气轮机轴5上的燃气轮机3。气体压缩机1通过入口1a引入空气，所述的气体被压缩机1压缩后以压缩的形式通过出口1b被送入燃烧室2。在燃烧室内，所述的压缩气体与通过入口2a供给的燃料发生燃烧，之后，燃烧气体排出燃烧室2，随后通过入口3a进入燃气轮机3。燃烧气体驱动燃气轮机3，使所述的燃气轮机3与燃气轮机轴5一起旋转，从而驱动负荷，该负荷在图1中用标记12标识。
在这一蒸汽和燃气轮机装置中，气体压缩机1和燃气轮机3安装在同一轴4、5上。这意味着由燃烧气体驱动的燃气轮机3也驱动气体压缩机1，以压缩通过入口1a引入的空气。
图1所示的已知蒸汽和燃气轮机装置的蒸汽轮机单元(B)包括封闭的蒸汽管线6，其内安装有泵7。蒸汽发生器8也安装在蒸汽管线6内，并且蒸汽管线6与来自燃气轮机3的燃烧气体3b换热接触。因此，穿过蒸汽发生器8和蒸汽管线6的水被加热成蒸汽，该蒸汽穿过安装在蒸汽轮机轴10上的蒸汽轮机9。这使得蒸汽轮机9和蒸汽轮机轴10驱动另一负荷13。蒸汽通过冷凝器11排出蒸汽轮机9，在冷凝器11内，蒸汽进行冷却并凝缩。紧接着，泵7将凝缩并冷却的蒸汽(水)再次泵入蒸汽发生器8。
在这一多轴的现有技术的蒸汽和燃气轮机装置中，由燃气轮机3产生的剩余热被用作驱动蒸汽轮机9和附加负荷13的动力。另一方面，在多轴的装置中去掉蒸汽轮机9是可能的，以便被传送的动力仅仅是由燃气轮机3所传送的动力。
已知的蒸汽和燃气轮机装置的另一示例为所谓的单轴型，该示例在附图2中示出。在这一附图中，与图1所示的示例相同的部件用相同的标记标识。
单轴蒸汽和燃气轮机装置与图1所示的多轴蒸汽和燃气轮机装置具有相同的部件，气体压缩机1、燃气轮机3、蒸汽轮机9和所要驱动的负荷12在单轴蒸汽和燃气轮机装置中安装在同一轴4、5、10上。与图1的示例相比，单轴蒸汽轮机9不使用联轴器不能单独地操作和停止，通过联轴器，蒸汽轮机9可与燃气轮机3和气体压缩机1分离。然而，这些附加的部件使单轴蒸汽和燃气轮机装置更加昂贵和更加复杂。
图2所示的和前述的美国专利US-B1-6,223,518中所公开的单轴蒸汽和燃气轮机装置被应用在本申请中，其中所有的动力输出被传递到单轴。单轴蒸汽和燃气轮机装置的一个缺陷为在装置作为一体起动时，至少负荷12和/或蒸汽轮机9必须与所述的轴分离，因为否则就需要另外的外部锅炉使所述的装置总体运转。同样，这一方面也使单轴装置更加复杂和更加昂贵。
已知蒸汽和燃气轮机装置的上述类型相对复杂并具有许多结构上的缺陷，还限制了所产生的动力向负荷的传送，由此其总效率受到了限制。
事实上多轴蒸汽和燃气轮机装置在蒸汽轮机与燃气轮机之间不具有机械联轴器，但是，整个装置所产生的动力分散在两个输出轴上并由此分散在两个不同的负荷上。单轴蒸汽和燃气轮机装置在蒸汽轮机与燃气轮机之间不具有机械联轴器，所有的动力通过一个轴都被传送到所驱动的负荷。
本发明的目的在于提供一种如引文所述的蒸汽和燃气轮机装置，其不具有多轴和单轴类型的蒸汽和燃气轮机装置的缺陷。尤其是，本发明的目的在于提供一种结构简单的蒸汽和燃气轮机装置，其不具有各种复杂的额外部件。
根据本发明，根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的特征在于在工作期间蒸汽轮机驱动气体燃气轮机单元的气体压缩机。尤其是，蒸汽轮机和气体压缩机安装在同一轴上。
通过气体压缩机，使得在蒸汽轮机单元(B)内产生的动力传递给燃气轮机成为可能，从而通过燃气轮机几乎所有的由所述的装置整体产生的动力都能传递给一根轴。此外，在蒸汽轮机循环过程中由燃气轮机产生的余热的利用产生了较高的效率。由于所有产生动力都被传送给一根轴或者负荷，因而所述装置整体的总体性能/效率被显著的提高。此外，因为燃气轮机与气体压缩机不安装在同一轴上，所述的装置不包括蒸汽轮机与燃气轮机之间的机械联轴器。因此使用另外的分离机构是不必要的，该分离机构仅会使所述的装置更加复杂和更加昂贵。因此，除此之外，根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的特征在于与已知的实施例相比具有提高了的负荷特征。
根据本发明，蒸汽和燃气轮机装置的一个特殊实施例的特征在于蒸汽轮机驱动至少一个另外的气体压缩机，其通过中间冷却器与第一气体压缩机串连。通过提供一个第二气体压缩机或者多个气体压缩机，燃气轮机单元(A)的效率能够被进一步的提高。
蒸汽和燃气轮机装置的更加有效的实施例的特征在于至少一个另外的蒸汽轮机与所述的蒸汽轮机串连。为了获得紧凑的结构，气体压缩机和蒸汽轮机安装在同一轴上。另一方面，一个气体压缩机和一个蒸汽轮机可安装在相应的共用轴上。
蒸汽轮机单元的效率能够被进一步的提高，因为根据本发明的特定的实施例，流过蒸汽管线的水在工作期间与流过中间冷却器的空气进行换热接触。尤其是，根据单向流原理或者根据逆流原理，所述的换热接触都能发生。
在根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的其它实施例中，蒸汽轮机可以是脉冲式蒸汽轮机或是辐流式蒸汽轮机，燃气轮机可以是离心式气体压缩机或者是轴流式气体压缩机，并且蒸汽发生器可以是直流式余热锅炉。
现在将接合附图对本发明做更详尽的描述，其中：
图1示出了根据现有技术的多轴蒸汽和燃气轮机装置的实施例；
图2示出了根据现有技术的多轴蒸汽和燃气轮机装置的另一实施例；
图3-9示出了根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的各种实施例。
在讨论图3-9所示的实施例的过程中，与图1和图2所示的实施例中相同的部件用相同的标记标识。
在图3所示的根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的实施例中，气体压缩机1与蒸汽轮机9一起安装在一根轴4、10上。使用这一结构的根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置，由蒸汽轮机单元(B)所产生的动力通过轴4、10和气体压缩机1传递到燃气轮机3，以便由该装置所产生的所有动力都被传递到轴5以驱动负荷12。
根据本发明，蒸汽轮机9为一脉冲式蒸汽轮机。这样的脉冲式蒸汽轮机具有非常坚固、简单紧凑和经济的结构，并且很明显，从技术的角度来说，它们非常适用于本发明所要应用的场所。此外，这样的蒸汽轮机的特征还在于通过燃气轮机将动力更加有效地传递给负荷。这使得这个装置的性能/效率得到了显著的提高。
蒸汽和燃气轮机装置的一个显著特征在气体压缩机1和燃气轮机3之间的机械分离，因为不象图1和图2所示的实施例(现有技术)那样两部件安装在同一轴4、5上。由于这一气体压缩机1和燃气轮机3之间的机械分离，不再必须使用额外的复杂的联轴器机构。
另外，蒸汽和燃气轮机装置的更加有效的实施例在图4中示出，其中另外的气体压缩机1′安装在气体压缩机1和蒸汽轮机9的共用轴4、10上。被压缩的空气通过入口1a、第一气体压缩机1 ′和中间冷却器14被送至第二气体压缩机1，之后，通过管线1b被送至燃烧室2。对所供给空气的多级压缩和冷却使装置的效率得到了显著的提高。虽然两个气体压缩机1-1′在图4中安装在轴4、10上，但是可以理解多个串连的气体压缩机可安装在同一轴4、10上。
图5示出了图4所示的根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的特殊实施例，中间冷却器安装在蒸汽轮机单元(B)的蒸汽管线6上，以便来自冷凝器11的冷凝蒸汽(水)与来自多级压缩组合1-1′并流过中间冷却器的压缩空气进行换热接触。流过蒸汽管线6的蒸汽和流过气体压缩机1′-1的空气相互逆流；不过，根据单向流原理也可发生热交换。
图6的实施例基本上与图4所示的实施例相同，不同只是在图6所示的实施例中，另外的蒸汽轮机9′安装在轴4、10上，蒸汽轮机9′与蒸汽轮机9串连。所有的气体压缩机1、1′和蒸汽轮机9、9′安装在同一轴4、10上。
图7示出了图5和图6所示实施例的组合。
在图8中，每一气体压缩机1-1′和每一蒸汽轮机9-9′安装在分离的轴(4，10；15，16)上。虽然这在附图中没有示出，但是中间冷却器14可以设置在串连的气体压缩机1-1′之间(类似于图4)。与图7所示的实施例类似，这一实施例可以使用中间冷却器，其设置在蒸汽轮机单元(B)中的蒸汽管线6上，其中来自冷凝器11的冷凝蒸汽(水)与来自多级气体压缩机组合1-1′的压缩空气进行换热接触，其穿过中间冷却器。
在图9中，多个蒸汽轮机和气体压缩机单元平行连接。这一实施例特别是应用在脉冲式蒸汽轮机与压缩机一起使用的情况下，尤其是与离心式压缩机一起使用的情况。事实上，脉冲式蒸汽轮机具有坚固、耐用的结构，并且生产成本低廉，但是它们仅能用于特定的输出水平。通过连接多个脉冲式蒸汽轮机9，所述的装置作为一个整体能够显著的提高其输出水平，每一蒸汽轮机9与(离心)蒸汽压缩机1一起组合使用，所述的蒸汽压缩机设置在分离的轴4、10上并与一个较大的燃烧室2和一较大的燃气轮机3平行，如图9所示。
这使得使用以前有可用部件技术上的限制而未能获得的应用的装置成为可能。
与之相似，气体压缩机和蒸汽轮机的数量可多于两个，类似于图4-9所示的实施例。
显然，通过使气体压缩机与燃气轮机机械分离并使蒸汽轮机驱动气体压缩机，所示的根据本发明的蒸汽和燃气轮机装置的实施例获得与已知的蒸汽和燃气轮机装置相比具有提高的负荷特征的装置成为可能，而不需使用各种机械连接机构，其中由所述的装置产生的动力被完全传送到输出轴以驱动负荷。
所有所示的实施例的特征为，当燃气轮机或者负荷在使用中处于停机止状态时(即在燃烧室2处于有效工作期间)，总是通过蒸汽轮机9驱动气体压缩机，从而燃气轮机能够快速的再次工作。当使用连续驱动的气体压缩机时，燃气轮机能够快速再次进入运转状态。仅仅驱动气体压缩机的蒸汽轮机才需要高速运转以起动所述的装置。一旦气体压缩机传送压力，空闲的燃气轮机就能由停止转换到驱动负荷而不用分离负荷。
此外，根据单向流原理或者根据逆流原理，蒸汽发生器8与来自燃气轮机3的燃烧气体之间的换热接触都能够发生。

Claims (14)

1.一种蒸汽和燃气轮机装置，包括燃气轮机单元(A)和蒸汽轮机单元(B)，其中燃气轮机单元(A)至少包括：
安装在压缩机轴(4)上的气体压缩机，燃烧室(2)和安装在燃气轮机轴(5)上的燃气轮机(3)；其中蒸汽轮机单元(B)部分包括：
封闭蒸汽管线(6)，至少包括：
泵(7)，蒸汽发生器(8)，该蒸汽发生器在工作期间与来自燃气轮机(3)的燃烧气体(3b)进行换热接触，安装在蒸汽轮机轴(10)上的蒸汽轮机(9)，以及冷凝器(11)，并且其中蒸汽轮机在工作期间驱动燃气轮机单元的气体压缩机，其特征在于一个或多个所述的蒸汽轮机为脉冲式蒸汽轮机。
2.如权利要求1所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：蒸汽轮机和气体压缩机安装在同一轴(4，10)上。
3.如权利要求1或2所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：燃气轮机与气体压缩机安装在不同的轴(5)上。
4.如前述一个或多个权利要求所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：蒸汽轮机驱动至少一个另外的气体压缩机(1′)，该气体压缩机通过中间冷却器(14)与第一气体压缩机(1)串连。
5.如前述一个或多个权利要求所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：至少一个另外的蒸汽轮机(9′)与蒸汽轮机(9)串连。
6.如权利要求4或5所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：气体压缩机(1，1′)和蒸汽轮机(9，9′)安装在同一轴(4，10)上。
7.如权利要求4或5所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：一个气体压缩机(1，1′)和一个蒸汽轮机(9，9′)安装在相应的共用轴(4，10；15，16)上。
8.如权利要求4-7中的一个或多个权利要求所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：流过蒸汽管线(6)的水在工作期间与流过中间冷却器(14)的空气进行换热接触。
9.如权利要求8所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：所述的换热接触根据单向流原理而发生。
10.如权利要求9所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：所述的换热接触根据逆流原理而发生。
11.如前述一个或多个权利要求所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：一个或多个所述的蒸汽轮机为辐流式蒸汽轮机。
12.如前述一个或多个权利要求所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：一个或多个所述的气体压缩机为离心式气体压缩机。
13.如前述一个或多个权利要求所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：一个或多个所述的气体压缩机为轴流式气体压缩机。
14.如前述一个或多个权利要求所述的蒸汽和燃气轮机装置，其特征在于：所述的蒸汽发生器为直流式余热锅炉。
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