[发明专利]废热蒸汽发生器及用于改善废热蒸汽发生器运行的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种废热蒸汽发生器、尤其是在燃气和蒸汽轮机设备中的废热蒸汽发生器，并且涉及在最高的废气温度下利用热量。本发明还涉及一种用于运行废热蒸汽发生器的方法。

背景技术

在带有蒸汽透平和内燃机的蒸汽轮机设备中，可以利用来自内燃机的热废气的热量运行蒸汽轮机设备。如果内燃机是与蒸汽轮机设备一起共同形成GuD设备(燃气和蒸汽轮机设备)的燃气轮机设备，压缩空气就被与气态或液态的燃料(例如天然气或石油)混合并且燃烧，处于压力下的废气在燃气轮机的透平部分做功膨胀。从燃气透平流出的、膨胀的热废气通常还具有550℃到650℃的温度。为利用包含在这些热量中的能量，废气被输送到在排气侧连接在燃气轮机设备下游的废热蒸汽发生器，在该废热蒸汽发生器中设置有形式为管或管束的加热面。加热面又连接在蒸汽轮机设备的水-蒸汽回路中，该蒸汽轮机设备具有至少一个、不过通常多个压力级。压力级之间的区别在于，在蒸汽发生器中在加热面中存在各种压力水平。

流动介质回路通常包括多个、例如三个压力级，所述压力级带有分别一个自有的蒸发部段。在此，蒸发部段包括供水预热器(节能器)，蒸发器和过热器。由于通常使用的管壁材料的热负荷有限，要确保在燃气和蒸汽轮机设备运行时不超过废热蒸汽发生器中用热废气加载的部件的温度上限。这尤其涉及设置在废气入口，也就是废热蒸汽发生器的最热区域中的高压过热器和中间过热器。

尤其在部分负载运行时，燃气透平废气温度一直上升至所谓的导向叶片角点(Leitschaufel-Eckpunkt)。废气温度下降到该LSV角点以下，不过这也与高排放相关。因此，最高的废气温度(在高环境温度或者在燃气透平抽吸空气预热的运行方式时＞600℃)也在燃气透平启动时出现，只要蒸汽透平还没有被启动或者GuD在弱负荷范围(约50％的功率)内运行。

除了高压过热面的热负荷之外，在燃气和蒸汽轮机设备运行中，尤其在其启动时，也要考虑蒸汽透平在冷启动或热启动时的发动温度，该发动温度处于相对高燃气透平废气温度而言较低的350-400℃。

如果启动过程结束并且蒸汽透平处于运行温度，但蒸发温度不应仅在上方受限。考虑到改善设备效率，最大蒸汽温度在使用的马氏体钢的温度极限的范围内选择。因此必须较精确地调节温度(分钟范围内)。

在传统的蒸汽发电站(点火和废热蒸汽发生器)中，为调节蒸汽温度和保护温度敏感的部件而在蒸汽导管的各个位置使用喷射冷却器，其中，通过喷射冷的供水到蒸汽导管中来降低流过导管的蒸汽的温度，并因此也降低由该冷却的蒸汽流过的部件的温度。

但是，带有中间和末端喷射冷却器的方案以15至20％的最大喷射速率达到技术极限并且还在启动和功率运行时减小了设备效率。

此外，喷射冷却器在新鲜蒸汽/中间过热蒸汽导管方面不能被很多运营商和燃气透平制造商接受或者不乐意承担，因为有水滴到达蒸汽透平的危险。此外，如果使用末端喷射冷却器，也就是说，较冷的水流过加热到蒸汽温度的喷嘴，则会由于喷射水和蒸汽温度之间的高温差而出现温度冲击问题。

尽管可以使用附加的喷射冷却器，但这要求较长的混合路径并且还导致更复杂的调节，并且为此到高压绕流站(HDU)的分支必须更远离AHDE布置。

一种可能的方案规定降低燃气透平的负荷直至减小废气温度。然而，这会导致排放提高并因此如果达到了排放极限，则会导致对启动次数的限制。

在带有两个或三个对应配设的燃气透平(2×1，3×1)的大蒸汽透平中可能会出现低于用于蒸汽透平启动的最小蒸汽量地情况。但是这明显限制了希望的运行灵活性。

最后，可以针对最高的燃气透平废气温度对相关的过热器/中间过热器系统区域的材料进行设计，但是，在重新开发燃气透平时可能出现材料问题，因为例如可能要求使用奥氏体材料。

美国专利US7174715B2(Armitage等人，2007年2月13日；“Hot to Cold Steam Transformer for Turbine Systems”)指出了另一种解决途径。在此使用蒸汽换热器，以便(例如在透平冷启动时)控制蒸汽透平中的蒸汽温度。为此，向蒸汽换热器输送蒸汽和水。蒸汽通过与水的接触被冷却并且通过水滴分离器离开蒸汽换热器。

然而，这种设备的缺点是，尽管可以调节蒸汽温度，但是过热器本身上过高的废气温度的问题并没有被解决。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种废热蒸汽发生器，其中即便在最高的废气温度下也能实现包括材料的运行。