汽轮机运行方法和具有按此方法 工作的汽轮机的透平装置 本发明涉及一种汽轮机的运行方法，作为新蒸汽供入的蒸汽在汽轮机内膨胀作功。本发明还涉及一种具有按此方法工作的汽轮机的透平装置。
目前借助在迄今的发电站中使用的燃气轮机可达到的装置效率约达40％。燃气轮机的工质在供入压缩空气的情况下通过燃烧燃料，例如石油或天然气产生。燃气轮机的工作温度或工质温度目前约为1200℃至1400℃。由于工质的这种高温，燃气轮机的涡轮部分，尤其它的动叶片和导向叶片以及涡轮轴和/或涡轮机壳，通常需要冷却。为此所使用的冷却剂按WO 97/23715可以是一部分压缩空气，或按WO 98/48161是燃料混合物。
相比之下，借助迄今使用的汽轮机，在新蒸汽温度约为540℃时，装置效率可达约38％至40％。为了提高新蒸汽的状态，包括努力使新蒸汽温度达到600℃和努力使新蒸汽压力达到270bar，并因而提高汽轮机的效率，按WO 97/25521规定，透平轴和尤其某些动叶片地叶根借助冷却蒸汽冷却。
借助组合的燃气轮机和汽轮机装置，其中，从燃气轮机流出的膨胀作功后的工质内所含热量，被利用来产生蒸汽，以供给连接在水汽循环内的汽轮机用，目前在新蒸汽温度约为540℃和新蒸汽压力为例如120bar的情况下，装置的效率约达55％至60％。在这里热传导在连接在燃气轮机下游的废热蒸汽发生器或废热锅炉内进行，在废热锅炉内设管或管束形式的加热面。这些加热面又连接在汽轮机的水汽循环内。供入汽轮机的新蒸汽温度主要取决于从例如用蒸汽冷却的燃气轮机流出的废气的温度，废气温度通常约为550℃。
由杂志“Modern Power Systems”中的论文“Advanced Gas Turbines，Breaking the 60 percent efficiency barrier”(Juni 1995，29至33页)已知，在此类燃气轮机和汽轮机装置中，采用蒸汽作为燃气轮机的冷却剂。该冷却蒸汽从汽轮机的水汽循环中抽取，并随后作为已加热的冷却蒸汽重新供入汽轮机内。
由出版文献EP 0911504A1、US 5778657、US 5471832、US 5628179和US 4424668已知一些燃气轮机和汽轮机装置，其中，蒸汽作为用于燃气轮机的冷却剂从连接在燃气轮机排气侧下游的废热锅炉内抽取，并直接或通过设在废热锅炉内的中间过热器供入汽轮机的中压部分或低压部分。
在所有这些已知的装置中，冷却蒸汽在燃气轮机内加热到一个温度，该温度不会比供入汽轮机的新蒸汽通过与废热的热交换最大可达到的新蒸汽温度约540℃高，所以装置效率仅仅由于其新蒸汽温度与前述努力追求的约600℃新蒸汽温度相比相对较低已经受到限制。若冷却蒸汽加热到一个比最大可达到的新蒸汽温度更高的温度，则被加热的冷却蒸汽由此具有的较大的工作能力或有效能(Exergie)就不会被利用或只是略微被利用。
本发明的目的是提供一种汽轮机的运行方法，其中，通过有效利用在燃气轮机内被加热的冷却蒸汽的热量来提高装置的效率。此外，应提供一种具有特别适用于实施此方法的汽轮机的透平装置。
按本发明有关方法方面的目的通过权利要求1的特征达到。为此，汽轮机实际上仅仅用在燃气轮机内受到加热的冷却蒸汽推动，该受热后的冷却蒸汽为此作为新蒸汽供入相宜地得到冷却的汽轮机中。在这里，优选地向燃气轮机直接供入冷却蒸气，该冷却蒸气然后在燃气轮机内被加热或过热。不过也可向燃气轮机中供入冷却水，冷却水然后在燃气轮机内首先蒸发，接着被加热或过热。
按有利的进一步发展，同样用蒸汽冷却的汽轮机用温度加热到高于或等于600℃的冷却蒸汽推动。在燃气轮机和汽轮机装置中，这种加热后的冷却蒸汽作为新蒸汽用于一单独的汽轮机，亦即用于另一台汽轮机，而非燃气轮机和汽轮机装置中已经存在的汽轮机。
本发明的出发点在于，在用蒸汽冷却的燃气轮机中，基于其1200℃以上的高工质温度，在燃气轮机中被加热的冷却蒸汽的温度可达到600℃以上。因此，该燃气轮机实际上可作为蒸汽发生器和蒸汽过热器工作，用于产生有比较高的新蒸汽温度的新蒸汽。若借助这种来自于用蒸汽冷却的燃气轮机中的已加热的冷却蒸汽推动汽轮机，则它的进口蒸汽温度或新汽温度可接近于达到燃气轮机高的工质温度。由此以特别简单和有效的方式，一方面对于汽轮机可以简单的方式方法产生温度高于迄今力求的600℃的新蒸汽，从而导致进一步提高汽轮机效率。另一方面可以比迄今设计的装置可能做到更好地利用在燃气轮机中加热到温度高于或等于600℃的冷却蒸汽的工作能力或有效能。从而再次导致提高装置的效率。
通过在燃气轮机内部恰当地导引冷却蒸汽，实际上可以将冷却蒸汽加热到优选地为700℃至800℃。与冷却蒸汽被加热到较低的温度相比，这种由于较小的温度梯度引起的在燃气轮机内部比较差的冷却效果，可通过增大冷却蒸汽的流量来补偿。这一点可以这样来实现，即，通过使已加热的冷却蒸汽在单独的汽轮机内作功膨胀来有效利用其能量。
为增大冷却蒸汽流量所需的附加压缩能量可相宜地由热量产生，为此冷却蒸汽从一个已经存在的水汽循环中抽取出，例如从一个组合的燃气轮机和汽轮机装置中由与来自燃气轮机的废气热交换所产生的新蒸汽所推动的汽轮机中抽取或从该燃气轮机和汽轮机装置的废热锅炉中抽取。然后，有利地也将被加热后在汽轮机内膨胀作功的冷却蒸汽作为低温蒸汽供入已存在的水汽循环中。
通常所需要的用于汽轮机的单独的新汽加热器或过热器，可以近似通过起热交换面作用的燃气轮机涡轮部件，尤其是燃气轮机中用蒸汽冷却的涡轮叶片和/或涡轮轴来实现。由此可以在实现相同冷却效果的同时特别有效地利用冷却蒸汽的有效能。在此，汽轮机可直接用于机械驱动燃气轮机的压气机、废热锅炉的给水泵或用于发电、例如为辅助设备供电。
在燃气轮机和汽轮机装置中，其中单独提供利用在燃气轮机中被加热的冷却蒸汽来推动的汽轮机，用于冷却此单独汽轮机的水蒸汽可从连接在燃气轮机排气侧下游的废热锅炉中抽取，或从燃气轮机和汽轮机装置的其它汽轮机的水汽循环中抽取。
比较有利地是，从此单独的汽轮机本身中抽取出冷却用水蒸汽并将此水蒸汽重新供入该汽轮机。用于冷却的水蒸汽相宜地至少流过此单独汽轮机的(沿作为新蒸汽流入的已加热的冷却蒸汽流向看)第一组动叶片和导向叶片。
相宜地，冷却用水蒸汽通过此单独的汽轮机的透平轴并逆已加热的冷却蒸汽入流方向，亦即逆供入此汽轮机的新蒸汽入流方向供入此汽轮机的动叶片中。在这里，透平轴优选地设计为空心轴并因而用作冷却蒸汽的管道。在透平轴内和在叶片内被加热的水蒸汽可引入单独的汽轮机内部，优选地引入其工作腔中。在这里，这种引入经由透平叶片进行，被加热的冷却蒸汽经叶片开口或孔从叶片排入工作腔中。作为替换形式，这种引入也可以通过重复循环进行，为此，用于冷却的水蒸汽从单独的汽轮机中的一个与进口区的高蒸汽压力相比为低的或中等蒸气压力的压力级中抽取，并在流过透平叶片后回流到此压力区或一个相对更低的压力区中。用于冷却的水蒸汽也可以从单独的汽轮机引出并供其它用途所用。
基于这种蒸汽冷却，此单独的蒸汽轮机可以作为新蒸汽温度高于600℃尤其高于700℃的高温透平运行。用于冷却的水蒸汽，优选地至少流过第一级动叶片和/或导向叶片以及相关的机壳壁和轴壁，由此在此单独汽轮机相应的叶片表面和壁表面上形成一冷的保护层。从而保证，来自燃气轮机的已加热的用作工质或新蒸汽的冷却蒸汽没有被冷却或只是受到很小程度的冷却。通过冷却此单独的汽轮机，保证其透平机壳和其透平叶片以及其透平轴的壁温低于例如540℃。这就允许即使在已加热的冷却蒸汽温度高于600℃以及新汽压力高达例如120bar的情况下，也可以使用便宜的标准材料。当新汽温度高于700℃时，可相宜地尤其在单独的汽轮机的第一级动叶片和导向叶片排区域内，为有关透平部件设隔热层。
基于这种高的新汽温度，所以与传统的装置设计方案相比也提高了透平装置的效率。因此与用蒸汽冷却的燃气轮机相比，用蒸汽来冷却利用在燃气轮机中被加热的冷却蒸汽来工作的单独的汽轮机，有如下突出的优点：进入单独汽轮机工作腔内的冷却蒸汽本身可作为工质，并可在所连接的水汽循环内部重复循环。由于借助水蒸汽来冷却该单独的汽轮机，因而可以在透平机壳和透平叶片以及透平轴采用传统材料的情况下，将新汽温度提高到800℃，并因而与迄今达到的装置效率为60％相比，装置效率可提高2至4个百分点达到62％至64％。
按本发明有关透平装置的目的通过权利要求10的特征达到。其有利的扩展设计由从属于权利要求10的从属权利要求给出。
采用本发明获得的优点主要在于，通过将在用蒸汽冷却的燃气轮机中被加热的冷却蒸汽作为新蒸汽用于一个同样优选地用蒸汽冷却的汽轮机，实现了特别有效地利用了被加热的冷却蒸汽中的有效能或工作能力，所以获得非常高的装置效率。通过利用燃气轮机来作为这样一个单独的高温汽轮机的新汽发生器或新汽过热器，与具有用矿物燃料或太阳能加热的蒸汽发生器的传统汽轮机装置相比以及与传统的组合式燃气轮机和汽轮机装置相比，可以取消蒸汽发生器，但至少可以取消通常在蒸汽发生器或蒸汽锅炉内所设的新汽加热器或新汽过热器。
为了进一步提高装置效率，用燃气轮机中被加热的冷却蒸汽推动的汽轮机，本身可借助于从其水汽循环或优选地从已存在的汽轮机中抽取出的水蒸汽冷却，并因而能特别有效地利用高温蒸汽的工作能力。此外，增大通过燃气轮机的冷却蒸汽流量和/或提高用于燃气轮机的冷却蒸汽的冷却蒸汽温度，由于加强了蒸汽冷却，可以提高燃气轮机的燃气进口温度。
借助上述方法，即使在新汽压力限制为小于40bar的情况下，用于单独的汽轮机的新汽温度仍可以大于700℃。若在燃气轮机内部的冷却蒸汽已加热到约600℃，则基于上述效果，会对装置效率起有利的作用。
下面借助于附图进一步说明本发明的实施例。附图中：
图1是包括用蒸汽冷却的燃气轮机和借助于已加热的冷却蒸汽推动的高温汽轮机的透平装置的示意简图；
图2是包括用蒸汽冷却的燃气轮机和另一单独的高温汽轮机的燃气轮机和汽轮机装置的示意简图；
图3是图1和图2所示用蒸汽冷却的高温汽轮机第一种方案的示意图；以及
图4是用蒸汽冷却的高温汽轮机的第二种方案的示意图。
在所有的附图中彼此对应的部分采用相同的附图标记来标示。
图1所示透平装置1包括一个燃气轮机2，在一个燃烧室(图中未表示)内产生的烟气RG作为工质供入燃气轮机进口侧。冷却蒸汽KD经由轴3和经由涡轮机壳4供入燃气轮机2中，该冷却蒸汽按未进一步表示的方式主要用于冷却燃气轮机2的涡轮叶片，并与此同时加热到例如600℃至800℃的温度。
在燃气轮机2内被加热的冷却蒸汽KD作为新蒸汽FD供入一个汽轮机5中。为此，汽轮机5进口侧通过新汽管道6与燃气轮机2连接，该新汽管道通过支管6a、6b与涡轮轴3连通，并经由涡轮轴通往燃气轮机2的动叶片和导向叶片。
用于燃气轮机2的冷却蒸汽KD通过一根冷却蒸汽管道7供入该燃气轮机中，该冷却蒸汽管道7经第一支管7a通入涡轮轴3并经由涡轮轴通入动叶片，以及经第二支管7b通入涡轮机壳4并经由它通入燃气轮机2的导向叶片。因此，冷却蒸汽KD被用于尤其在热烟气RG的入流区内冷却燃气轮机2的涡轮叶片和涡轮轴3以及燃气轮机的涡轮机壳或机壳部件，并在此过程中被加热到例如600℃至800℃的温度。
用于燃气轮机2的冷却蒸汽KD相宜地至少部分由在汽轮机5内膨胀后的低温蒸汽ND构成，为此将此低温蒸汽供入一个已存在的水汽循环8中，在那里按未进一步表示的方式方法首先凝结。接着，以所要求的冷却蒸汽压力泵出的冷凝水通过优选地与来自燃气轮机2的废气AG热交换蒸发，由此产生的蒸汽被加热到所期望的冷却蒸汽温度。低温蒸汽ND至少部分也可例如作为工业用汽供作它用。
图2所示燃气轮机和汽轮机装置1′包括一个燃气轮机装置，它具有一个与压气机10连接的燃气轮机2′和一个连接在燃气轮机2′上游的燃烧室12，在燃烧室内燃料在供给压缩空气L的条件下燃烧成用于燃气轮机2′的工质或燃气A。燃气轮机2′和压气机10以及另一台汽轮机14和一个发电机16安装于同一根透平轴3′上。因此，此燃气轮机和汽轮机装置1′在本实施例中设计为单轴式装置(single shaft)。
在燃气轮机2′排气侧下游连接一废热蒸汽发生器或废热锅炉18，它的加热面20通过设在另一台汽轮机14排汽侧下游的冷凝器24连接在汽轮机14的水汽循环22内。在燃气轮机2′内膨胀作功的工质A作为烟气或废气R供入废热锅炉18。
向另一台汽轮机14供入在废热锅炉18内通过与烟气R热交换产生的新蒸汽FD′。在此另一台汽轮机14的例如高、中和/或低压级中作功膨胀的蒸汽作为低温蒸汽ND1供入冷凝器24并在那里凝结。在冷凝器24内产生的冷凝水作为给水S重新供入废气锅炉18的加热面20。
在恰当的位置从所述另一台汽轮机14中抽取蒸汽并作为冷却蒸汽KD供入燃气轮机2′。从所述另一台汽轮机14抽出的蒸汽的一个分流也可以引回废热锅炉18并因而引回水汽循环22内。这样就可以特别恰当地调整每单位时间供给燃气轮机2′的冷却蒸汽量，并因而可以有效地控制通过燃气轮机2′的冷却蒸汽流量。
为此，燃气轮机2′通过一根冷却蒸汽管道26与此另一台汽轮机14连接，该冷却蒸汽管道26通过第一支管26a通入(图中未表示的)导向叶片和机壳部分，以及通过第二支管26b通入涡轮轴3′和燃气轮机2′的动叶片内。因此，冷却蒸汽KD用于冷却燃气轮机2′的尤其在热燃气或工质A入流区内涡轮叶片和涡轮轴3′及其机壳部分，并在此过程中被加热到例如600℃至800℃的温度。
在燃气轮机2′内被加热的冷却蒸汽KD作为新蒸汽FD供入单独的汽轮机5′中。为此，该单独的汽轮机5′在进口侧通过新汽管道6′与燃气轮机2′连接，新汽管道6′通过支管6a′、6b′通往导向叶片或透平轴3′。在单独的汽轮机5′内膨胀作功后的低温蒸汽ND2供入冷凝器24或例如作为工业用汽供作它用。
汽轮机5、5′按来自燃气轮机2、2′的新蒸汽FD，亦即被加热的冷却蒸汽KD的温度和压力来设计。由此特别充分地利用其工作能力，从而使透平装置1、1′达到特别高的效率。已加热的冷却蒸汽KD并因而新蒸汽FD的新汽温度TFD，优选地为600℃至700℃。因此，此汽轮机5、5′作为高温汽轮机工作。
因为供入燃气轮机2、2′的燃气或烟气RG的工质温度TRG通常在1200℃以上，所以冷却蒸汽KD也可被加热到大于700℃的新汽温度TFD，在这种情况下尤其将燃气轮机2、2′的涡轮叶片近似作为新汽加热器。通过有效地利用被加热的冷却蒸汽KD、FD，还可以相应地提高通过燃气轮机2、2′的冷却蒸汽流量，从而在提高冷却蒸汽KD有效能的同时再次提高冷却效果。
为了使这种高的新汽温度TFD＞600℃，汽轮机5、5′本身优选地同样借助水蒸汽WD来冷却。借助在图3和4中表示的方案可以比较清楚地看出这一情况。用于冷却的水蒸汽WD相宜地在适当的位置从汽轮机5本身中抽取出(图1)。按图2的实施例，水蒸汽WD也可以从另一台汽轮机14或废热锅炉18中抽取，并因而在恰当的位置从另一台汽轮机14的水汽循环22中抽取。
如图3示意表示的那样，用于冷却的水蒸汽WD一方面供入透平轴28，并经由透平轴供入至少第一组动叶片32的动叶片30中。在本实施例中，也向沿着供入汽轮机5、5′的新蒸汽KD、FD入流方向34看到的第二组动叶片32供入用于冷却的水蒸汽WD。在这里优选地逆被加热的冷却蒸汽KD并因而新蒸汽FD的入流方向34将水蒸汽WD供入设计为空心轴的透平轴28内。因此，用于冷却的水蒸汽WD沿着在汽轮机5、5′内部沿入流方向34膨胀和逐渐冷却的新蒸汽FD被加热。
相宜地，水蒸汽WD也供入第一导向叶片排38的导向叶片36用于使它们冷却。在本实施例中，还附加地用水蒸汽WD冷却汽轮机5、5′的第二和第三导向叶片排38的导向叶片36。
流过透平轴28和动叶片30以及导向叶片36的水蒸汽WD被引入汽轮机5、5′的工作腔40中。在那里水蒸汽WD与膨胀后的新蒸汽FD混合，并与之一起作为低温蒸汽ND离开汽轮机5、5′。
在按图4的设计中，用于冷却的水蒸汽WD从汽轮机5、5′的中压区或低压区PM或PN抽取，并引入设在汽轮机5、5′高压区PH内的至少第一组动叶片32的动叶片30中。为此，在本实施例中在中压区PM在透平轴28上设进口孔42，中压或低压的水蒸汽WD通过它进入透平轴28，并经透平轴流入动叶片30。加热后的水蒸汽WD由动叶片30经透平轴28和经一个设在透平轴上的出口孔44(在本实施例中它处于低压区PN内)，流回汽轮机5、5′的工作腔40内。水蒸汽WD的流动通过中压区PM和具有较低蒸汽压力的低压区PN之间的压差，亦即压降或压力梯度来形成。
在此第二种方案中，按相应的方式，也通过从中压区PM抽取和在流过导向叶片36后引入低压区PN的水蒸汽WD的重复循环，冷却至少汽轮机5、5′第一组导向叶片排38的导向叶片36。在两种方案中也可以按未进一步表示的方式方法将用于冷却的水蒸汽WD沿汽轮机5、5′机壳壁导引。此外，在这两种方案中至少第一导向叶片或动叶片排38、32的导向叶片和动叶片36、30相宜地设防热或隔热层46。
这两个方案中还可以按未进一步表示的方式方法将用于冷却的水蒸汽WD沿汽轮机5、5′的机壳壁导引，在这种情况下机壳壁同样可加隔热层。