專利名稱：具有蒸汽渦輪機和用于預熱給水的冷凝器的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有至少一個蒸汽渦輪機和一個冷凝器的裝置。另外，本發(fā)明涉
及一種用來操縱根據本發(fā)明的裝置的方法。
背景技術：
隨著公眾對危害自然環(huán)境的關注的增加，低效的能耗越來越受到批評。特別是化 石產生的能量成為批評的焦點，因為大氣中的二氧化碳的濃度正在增加并且被懷疑引起溫 室效應。因此計劃用所謂的(A證書對產生二氧化碳予以處罰。政治發(fā)展增加了技術中的 經濟利益，其能夠在較低排放情況下產生能量。更加嚴格處理的是氧化氮的排放，氧化氮被 懷疑引起對自然環(huán)境甚至更嚴重的破壞。 關于這點，熱電聯產的效率，特別是具有蒸汽渦輪機和冷凝器的裝置的效率會引 起非常的關注，因為這種結構是產生熱能的最有效的設備之一，其中熱能通常是更高等級 過程的廢物。非常重要的問題是要相對于所述熱力學邊界條件保持熱電聯產非常靈活以總 是達到盡可能的最大效率。 環(huán)保型的熱電聯產的一個例子是使用含氧燃料(oxyfuel)產生能量和熱。純氧和 燃料特別是甲烷混合并在大約30bar的壓力下得以燃燒并且處于廢氣中，該廢氣被反饋以 獲得高濃度的二氧化碳，該二氧化碳之后被凈化和液化。這種特殊的過程具有幾個約束條 件并且廢熱因此具有特別具體的熱力學參數，其使得難以用蒸汽渦輪機建立高效的熱電聯產。 在美國專利6， 047， 549B1中，動力裝置設施被描述為將燃氣輪機和與凝汽式汽輪 機流體連接的廢熱鍋爐相結合。在該結構中，燃氣輪機、廢熱鍋爐和蒸汽渦輪機最終會被彼 此調整并且因此達到高達58%的效率。術語"廢"不能被應用于燃氣輪機的廢氣的熱中，因 為所述燃氣渦輪機從開始就被設計成將給這個熱量供給為所述蒸汽渦輪機產生蒸汽的鍋 爐。迄今為止，還沒有知道使用不具有合適條件的廢熱以便使蒸汽渦輪機高效運行的概念。
發(fā)明內容
因此本發(fā)明的目的是要設計一種具有蒸汽渦輪機和冷凝器的裝置，其甚至在與由 應用廢熱而產生的蒸汽有關的廢熱不合適的條件下也具有較高的效率。 本發(fā)明的另一目的是使用蒸汽渦輪機和冷凝器增加熱電聯產的靈活性以及在廢 熱的熱力學參數不合適的情況下增加效率。 該目的是通過開始提到的那種類型的具有布置在所述蒸汽渦輪機和所述冷凝器 之間蒸汽流中的回熱式除熱器的裝置得以實現，通過該回熱式除熱器，存在于蒸汽渦輪機 中的蒸汽在浸入所述冷凝器之前已被冷卻并且通過該回熱式除熱器加熱所述給水蒸汽。
通過允許所述蒸汽渦輪機中的廢蒸汽被過熱而在回熱式除熱器中進行換熱的過 程中回收過熱蒸汽的過剩能量，其中所述回熱式除熱器使該熱能回到其熱循環(huán)的開始，該 裝置解決了與蒸汽渦輪機運行的熱力學條件有關的不靈活的問題。根據本發(fā)明的裝置的另一優(yōu)點是蒸汽渦輪機的葉片不會暴露于濕蒸汽之下，該濕蒸汽通常會導致葉片的腐蝕損 壞。本發(fā)明的另外的優(yōu)點在于由于回熱式除熱器所述冷凝器也沒有暴露于過熱蒸汽之下， 因此其還不需要被加強以對付較高的能量和更高的溫度。由于本發(fā)明一個實施例中提出的 混合焓沒有任何損失，從蒸汽渦輪機出來的蒸汽的總質量流進入到回熱式除熱器。在回熱 式除熱器的尺寸足夠的情況下，壓力損失是允許的，并且該裝置可以在較大范圍熱條件下 運行。當平行于所述回熱式除熱器布置至少一個用于給水蒸汽的旁路以使給水能繞過回熱 式除熱器并且沒有加入到給水和從蒸汽渦輪機出來的蒸汽之間的能量交換中時，根據本發(fā) 明的裝置的運行的靈活性得以增加。當至少一個閥門被布置在旁路管線和進入到回熱式除 熱器的給水蒸汽之間的相交處時，擴大了效率較好的運行范圍，通過所述閥門，進入到回熱 式除熱器的給水蒸汽和繞過回熱式除熱器的給水蒸汽之間的比率能受到控制。該控制可以 通過控制單元得以實現，該控制單元被設計成以使進入到回熱式除熱器的給水蒸汽和繞過 回熱式除熱器的給水蒸汽之間的比例是根據該蒸汽渦輪機的出口和冷凝器的入口之間的 蒸汽溫度得以控制的。通過這樣控制蒸汽渦輪機、冷凝器、除熱器以及控制旁通流和流過除 熱器的給水流的比例的閥門，該裝置或多或少地自動調節(jié)以改變消耗的能量供給并保持較 高的效率。 根據本發(fā)明的裝置可以和鍋爐有利地相結合，其中給水進入蒸汽渦輪機之前通過
鍋爐被分別加熱至過熱，其中所述鍋爐被設計成以使其通過氧氣和燃料的混合物特別是通
過氧氣和碳酸氫鹽的混合物得以加熱。該混合物，還被稱為含氧燃料，當其和輸回來的廢氣
(fed bag exhaust a gas) —起被燃燒時產生85%的水和15%的二氧化碳的混合物。"含
氧燃料"過程給蒸汽渦輪機的熱力學循環(huán)較強的約束以使該申請能被有益地應用。 本發(fā)明不僅涉及蒸汽渦輪機、冷凝器以及它們之間的回熱式除熱器的裝置，而且
還涉及一種操作該裝置的方法。
通過參照本發(fā)明的實施例的以下描述并與附圖相結合，本發(fā)明的上述屬性和其他 特征和優(yōu)點以及獲得它們的方法將會顯而易見并且本發(fā)明本身將會得以更好地理解，其 中 圖1表示包含根據本發(fā)明的裝置的含氧燃料動力裝置的示意性流動圖；
圖2表示包含根據本發(fā)明的裝置的傳統(tǒng)蒸汽渦輪機動力裝置的示意性流動圖。
具體實施例方式
圖1表示在動力裝置設施2中實現的根據本發(fā)明的裝置1的示意性流動圖。動力 裝置設施2消耗空氣A和燃料F并且產生二氧化碳C02和電能U。 在所述示意圖的左上部的開始處，空氣A進入到空氣分離裝置AS，該空氣分離裝 置將N2從氧氣02分離出去并消耗電能P。 02在混合室MC中和C02混合并且進入燃料混合 室FMC，在此02和C02的混合物與優(yōu)選由甲烷CH4組成的燃料F混合。從空氣中分離出的氮 氣N2被壓縮并液化，其在圖中沒有示出。 燃料F、氧氣02和二氧化碳C02在FMC中的混合物在壓力為4. 5bar下在鍋爐B中 予以燃燒。燃燒過程的廢氣EG首先除去灰燼中的較大的粒子并且在隨后的分離模塊SM除去灰燼中的微小粒子。在灰燼在分離模塊SM中分離之后，一部分的廢氣EG，其主要是C02， 被輸回到混合室MC，在此其與02混合。廢氣EG的另一部分，其為相應的(A，被輸入到冷卻 器和冷凝器模塊CC，在此水H20和熱h被去除了。在隨后的分離器SS中，解算器S被移除 并且剩余的分別被凈化C02的廢氣EG被再次供給給冷卻器C，在此熱h和水H20再次被去 除。最后純凈的(A被壓縮機CO壓縮，消耗掉能量E。該壓縮后并優(yōu)選液化的(A最后被 存儲在安全的儲存系統(tǒng)中，例如被泵送到山洞中。 鍋爐B加熱給水FW并通過燃燒FMC混合物產生過熱蒸汽SST。給水FW在大約 5. 5bar壓力和100攝氏度下被供給到鍋爐B并且過熱蒸汽SST在大約5. 4bar和540攝氏 度下被所述鍋爐輸送。過熱蒸汽SST進入蒸汽渦輪機STG，該STG驅動發(fā)電機G，產生電能 U。在從蒸汽渦輪機STG出來之后，過熱蒸汽SST具有0. 06bar的壓力和150攝氏度的溫度 并且因此仍過熱。蒸汽渦輪機的描述被大大簡化并且在大多數情況下其會包含在不同進出 口蒸汽壓力和溫度下運行的不只一個渦輪機殼。在大多數情況下，所述鍋爐還會以更加復 雜的方式予以構造并且包含幾個連接到蒸汽渦輪機STG的連接裝置，例如用于再次加熱， 特別是中間過熱。 根據本發(fā)明，從蒸汽渦輪機STG出來的過熱廢蒸汽SES進入到回熱式除熱器REDE 中。 在從回熱式除熱器REDE出來之后，過熱蒸汽SES變?yōu)閴毫榇蠹s0. 06bar、溫度 為88攝氏度的濕蒸汽WS。進入冷凝器CON，該冷凝器是由冷卻劑COL例如水得以冷卻的， 在此所述濕蒸汽冷凝成給水FW。在穿過噴射式冷凝器EC之后所述給水被給水泵FWP泵送 并且在壓力大約為6bar并且溫度大約為30攝氏度下被輸送到回熱式除熱器中。在回熱式 除熱器REDE中，所述給水FW被加熱并被供給到鍋爐B。 過熱的廢蒸汽SES的總質量流穿過所述回熱式除熱器REDE得以輸送并且和所述 給水FW或給水FW至少一部分流進行能量交換。給水流被分成從過熱廢蒸汽SES中接收熱 能的第一流FW1，和繞過回熱式除熱器REDE的內部熱交換器EX的第二流FW2。分離是通過 控制穿過旁路BY的給水FW的質量流量的閥門裝置VA得以實現的，其中所述旁路BY繞過熱 交換管線EXL。在進入所述鍋爐B之前，給水流FW1 、FW2再次混合。閥門裝置FA和給水流 的分支是通過控制單元CU受到控制的，其中所述控制單元CU控制閥門裝置VA的閥門的位 置，這與分別位于回熱式除熱器REDE之后和回熱式除熱器REDE之前的過熱廢蒸汽SES和 濕蒸汽WS的溫度有關。而且，控制單元CU控制吹除閥VOV的位置，特別是在起動過程中。
圖2表示包含根據本發(fā)明的裝置的傳統(tǒng)蒸汽渦輪機動力裝置的示意性流動圖。根 據本發(fā)明的裝置和圖1所示的相同并且被點劃線X框住。在該實施例中，蒸汽渦輪機STG包 含兩個渦輪機殼體IP、LP，其中第一殼體IP中的平均壓力高于第二殼體LP中的平均壓力。 從第二殼體LP出來的蒸汽SES被加熱至過熱。圖2還以比圖1更復雜的方式示出鍋爐B， 其描述仍被簡化。 空氣A和燃料F進入鍋爐B并且在幾個階段ST1到ST6中被燃燒，產生熱和廢氣 C02并且還包含其他化學成分，其中所述化學成分在大多數情況下是例如不希望的酸性物。 鍋爐B中的溫度從階段一 ST1的最高溫度降低到階段六ST6的最低溫度。階段六ST6作 為給水FW的預熱器運行，階段四和五ST5作為蒸汽發(fā)電機得以運行，在此所述預熱給水FW 蒸發(fā)。蒸發(fā)后的給水FW進入階段一 ST1并被過熱到可用的最高溫度并且在之后進入到第
5一渦輪機殼IP。在第一殼體IP中將熱能轉化為機械能之后，廢蒸汽IPS進入鍋爐B的階段二 ST2，在此它被再次加熱。最終再次加熱的蒸汽REST具有大約426bar的壓力和大約500-560攝氏度的溫度。再次加熱后的蒸汽REST在過熱條件下進入第二渦輪機殼體LP并且被膨脹以產生機械能，該機械能通過發(fā)電機GEN轉化為電能U。從第二渦輪機殼體LP出來的蒸汽是過熱的廢蒸汽SES，并進入如前所述回熱式除熱器ReDe。 當對圖1中的實施例的補充，圖2表示給水FW以大于70-90攝氏度的溫度離開回
熱式除熱器并且進入除氣器DEAE中，在此所述給水FD被分別脫氣并從雜質氣體得以凈化。
該氣體是通過使用來自階段五ST5的蒸汽以加熱給水，從給水得以煅燒出來的。 盡管本發(fā)明已被描述為具有優(yōu)選的設計，但是在本披露的精神和范圍內可以進行
進一步地修改。該申請因此目的在于使用其總的原理涵蓋本發(fā)明的任何變化、用途或采用。
而且，該申請目的在于涵蓋那些背離本披露內容但與本發(fā)明有關的本技術領域內的已知或
客戶實踐一起出現的那些內容。
權利要求
一種具有至少一個蒸汽渦輪機(STG)和一個冷凝器(CON)的裝置(1)，其特征在于在所述蒸汽渦輪機(STG)和所述冷凝器(CON)之間的蒸汽流中布置有回熱式除熱器(REDE)，通過該回熱式除熱器，從所述蒸汽渦輪機出來的蒸汽(過熱的廢蒸汽SES)在進入所述冷凝器(CON)之前被冷卻，并且通過該回熱式除熱器給水(FW)流被加熱。
2. 如權利要求l的裝置(l)，其特征在于，從蒸汽渦輪機出來的蒸汽(過熱的廢蒸汽SES)的總質量流進入所述回熱式除熱器(REDE)。
3. 如權利要求1或2的裝置(l)，其特征在于，從所述蒸汽渦輪機(STG)出來的蒸汽(過熱的廢蒸汽SES)被過熱。
4. 如權利要求l-3中任一項的裝置(l)，其特征在于，平行于回熱式除熱器(REDE)，布置用于所述給水(FW)流的至少一個旁路(BY)，以使給水能繞過回熱式除熱器(REDE)的換熱器(EX)并且不參與給水(FW)和從所述蒸汽渦輪機(STG)出來的蒸汽(過熱的廢蒸汽SES)之間的能量交換。
5. 如權利要求4的裝置(l)，其特征在于，至少一個閥門(閥門裝置VA)被布置在所述旁路管線(BY)和進入到所述回熱式除熱器(REDE)的給水(FW)流之間的相交處，通過所述閥門，進入到所述回熱式除熱器(REDE)的給水(FW)流和繞過所述回熱式除熱器(REDE)的給水(FW)流之間的比例能得到控制。
6. 如權利要求5的裝置(l)，其特征在于控制單元(CU)，該控制單元被設計成根據蒸汽渦輪機(STG)的出口和冷凝器(CON)入口之間的蒸汽的溫度來控制進入到回熱式除熱器(REDE)和繞過所述回熱式除熱器(REDE)的給水流(FW1，FW2)之間的比例。
7. 如前述權利要求中任一項的裝置，具有鍋爐(B)，通過該鍋爐，給水(FW)在進入到蒸汽渦輪機(STG)之前分別被加熱、被過熱，其中鍋爐(B)被設計成以使該鍋爐被氧氣(02)和燃料(F)的混合物，特別是氧氣(02)和碳酸氫鹽的混合物被加熱的。
8. —種用于操作具有蒸汽渦輪機(STG)和冷凝器(CON)的裝置(1)的方法，其特征在于，回熱式除熱器(REDE)被用來冷卻從所述蒸汽渦輪機(STG)出來的蒸汽，同時使用蒸汽(過熱的廢蒸汽SES)的熱能加熱回熱式除熱器(REDE)中的給水。
9. 如權利要求8的方法，其特征在于，從蒸汽渦輪機(STG)出來的過熱蒸汽(過熱的廢蒸汽SES)的總質量流進入所述回熱式除熱器(REDE)。
10. 如權利要求8或9的方法，其特征在于，從蒸汽渦輪機(STG)出來的過熱蒸汽(過熱的廢蒸汽SES)被過熱。
11. 如前述權利要求8到10中任一項的方法，其特征在于，從連接到回熱式除熱器(REDE)的給水(FW)管線到回熱式除熱器(REDE)，設置了旁路(BY)管線，通過該旁路管線，至少一部分的給水(FW)流繞過所述回熱式除熱器(REDE)。
12. 如權利要求ll的方法，其特征在于，進入到回熱除熱器(REDE)的給水(FW)和繞過回熱除熱器(RE啦的給水(FW)之間的閥門(閥門裝置VA)是根據蒸汽渦輪機(STG)的出口和冷凝器(CON)的入口之間的蒸汽溫度(T1、T2)得以控制的。
13. 如前述權利要求8到12中任一項的方法，其特征在于，進入到蒸汽渦輪機(STG)的蒸汽(過熱的廢蒸汽SES)是使用氧氣(02)和燃料(F)的混合物，特別是氧氣(02)和碳酸氫鹽的混合物被加熱的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有至少一個蒸汽渦輪機(STG)和一個冷凝器(CON)的裝置(1)。另外，其涉及一種用于操作該裝置的方法。本發(fā)明的目的是即使在廢熱的熱力學參數不合適的情況下增加效率。為了解決該問題，建議回熱式除熱器(REDE)布置在所述蒸汽渦輪機(STG)和所述冷凝器(CON)之間的蒸汽流中，通過該回熱式除熱器，從所述蒸汽渦輪機出來的蒸汽(過熱的廢蒸汽SES)在進入所述冷凝器(CON)之前被冷卻并且通過該回熱式除熱器加熱給水(FW)流。
文檔編號F01K7/38GK101720381SQ200880010183
公開日2010年6月2日 申請日期2008年3月31日 優(yōu)先權日2007年3月30日
發(fā)明者勞倫斯·霍夫曼, 尤多·蒂爾克, 斯科特·瑪卡德姆 申請人:西門子公司