[发明专利]使用循环加压流化床燃烧器的双等压循环燃气轮机发电设备

说明书

相关申请

本申请为申请日为1994年2月10日的美国专利申请Serial N0.08/194，726的部分继续申请。

本发明领域

本发明涉及发电设备，特别涉及双等压循环燃气轮机发电设备。

本发明的背景

发电设备效率的提高直接关系到经济效益和环境保护。特别要求这类高效发电设备能燃烧多种多样的燃料而环境污染程度最低。非常希望达到的另一个特征是，发电设备不论何种规模都能经济地运行，因为某些可再生(生物量)燃料最适用于小型发电设备，而煤和天然气之类的其它燃料较适用于大型电站。尽管现有发电设备实现了这许多特征，但对效率的追求使得发电设备十分复杂，这些发电设备只在规模很大时才能经济地运行且无法燃烧多种燃料。

加压流化床燃烧是一种用来燃烧纯燃料、特别是固体燃料的公知方法。它能通过与燃烧过程中添加的吸收剂发生化学反应而除去大多数煤中所含有的硫之类的污染物。加压流化床还把燃烧温度保持在可有效吸收污染物并限制有毒氧化氮的生成量的范围内。流化床燃烧因而在燃烧大多数燃料的所产生的排污量在环境可接受的范围内。

加压流化床燃烧器可以是循环型，也可以是沸腾型，这两种类型有若干差别。首先，循环型床的流化速度比沸腾型床高，因此其燃烧器更小型化，从而送料方便，燃料以及吸收剂(需要添加时)的分布更均匀。由于循环燃烧器更小，因此便于用标准构件组装成发电设备。其次，循环型燃烧器可通过控制床料的再循环率而使负荷跟踪更简单，不像沸腾床那样，需要另有床料贮器以便根据负荷在该贮器与沸腾床之间来回运送床料。最后，循环燃烧器的热交换器位于条件恶劣的燃烧床的外部，而沸腾床的热交换设备位于该床内部。

循环加压流化床燃烧器在一由一简单的开式等压循环燃气轮机与一朗肯汽轮机组成的组合循环中用来发电。尽管等压循环的功率转换效率较高，但这类发电设备的整个效率不高，因为朗肯循环由于在汽轮机功率循环的蒸气冷凝相中的潜热损耗大而热效率低。

为了提高组合循环效率，先进的设计使用极大量的过量空气、更高的燃烧压力和更高的燃气轮机入口温度来提高燃气轮机与汽轮机的热负荷比从而提高燃气轮机循环的效率。为了提高燃气轮机的温度，使用常见的第二燃烧器在从流化床排出的烟气进入燃气轮机前进一步加热该烟气。这类先进组合循环的总效率虽有所提高，但由于朗肯循环汽轮机的低效率而仍不够高。组合循环发电设备的另一个长期未获解决的问题是规模经济问题。由于汽轮机及其相关设备的复杂性，只有较大型的汽轮机才经济。这一问题大大限制了组合循环发电设备应用于比方说独立发电或小功率生物量发电设备的商业价值。

可用不使用汽轮机的功率转换循环来解决现有流化床燃烧器发电设备的这些问题。美国专利NO.3,791,137公开了一种方法，其中，与沸腾加压流化床燃烧器一起使用的是一基于一开式循环燃气轮机和一闭式循环氦气涡轮的功率转换循环。但是，这一设计存在若干重大技术和经济问题，从而阻碍它的商业化。首先，用作闭式循环氦气涡轮的间接加热器的热交换器必须放置在沸腾床的燃烧床中。因此加热器外表面(燃烧的一边)在燃烧床环境中易受腐蚀。此外为了提高闭式循环氦气涡轮的热效率，必须在加热器中把闭式等压循环燃气轮机的氦气流加热到接近于床的燃烧的高温，从而使加热材料承受很高温度而加速加热器材料的腐蚀。在这种情况下，加热器很难使用通常的廉价材料来获得足够长的使用寿命。其次，该燃烧器必须在较低压力下工作。例如约为6个大气压。由于在更高压力下没有有效手段来控制烟道损耗，因此提高压力会使系统热效率降低。因此虽然提高燃烧压力可减小燃烧器的大小并从而降低燃烧器的成本以及减小加到加热器制作材料上的压力负荷和应力，但美国专利NO.3,791,137的设计却无法利用这一做法。第三，为了有效控制排污量，流化床的燃烧温度必须低，从而限制了循环的总效率。最后，用于电功率约为20兆瓦的小型发电设备的氦气涡轮的机械设计和空气动力设计存在诸多困难，从而限制了闭式循环氦气涡轮的应用。

本发明概述

本发明提供一种循环加压流化床燃烧器发电设备，从而克服了上述问题，该发电设备基于由一开式等压循环燃气轮机和一闭式等压循环燃气轮机构成的双等压循环燃气轮机。使用一循环加压流化床燃烧器来加热开式循环燃气轮机的工作介质。用一与该循环加压流化床燃烧器相连的间接加热器来加热闭式循环的工作介质。该间接加热器位于该流化床燃烧器外部，从而使加热器材料不处在易受腐蚀的燃烧器环境中，从而可使用通常的廉价加热器制作材料而获得足够长的使用寿命。燃气轮机的简单性和低成本有助于降低基本投资并提高现有循环加压流化床燃烧器发电设备的经济规模。