这一发明涉及一种联合循环发电厂，厂内有燃气轮机设备、废热回收锅炉设备、汽轮机系统和发电机设备，特别是与汽轮机系统采用再热循环的再热式联合循环发电厂有关。 与普通热电厂相比，装有燃气轮机设备的联合循环发电厂能够迅速而有效地处理负荷变动和机组起停。为了使这种联合循环发电厂的运行更有效，往往采用再热循环方式。也就是说，不仅汽化器和过热器与废热回收锅炉相连。而且再热器也与之相连，废热回收锅炉从燃气轮机设备的排气中回收热能并产生蒸汽。在汽化器中产生的蒸汽在过热器内被过热成过热蒸汽，后者被引进汽轮机高压缸。这过热蒸汽在汽轮机高压缸中做功，然后从中排出。从高压缸中排出的蒸汽被回收锅炉装置中的再热器再加热成高温蒸汽，然后引进汽轮机的中压或低压缸。在联合循环发电厂中燃气轮机设备的燃烧温度很高时，这种再热循环对改进全厂效率是有效的。再热式联合循环发电厂可以比常规的联合循环发电厂，比如说装有多级压力缸的汽轮机系统的电厂，获得更高的效率。
在再热式联合循环发电厂中装设的先有技术的废热回收锅炉，业已披露，例如专利JP-A-61-289201。在这种回收锅炉中，从燃气轮机装置中排出的气体曾被分成两路流动。一路中，相对于这一路二次过热器和一次再热器顺序排列。相反，另一路中，相对此路二次再热器和一次过热器顺序排列。汽化器设备布置在由分开的排气流汇合而成的总排气流之中。在汽化器设备产生的蒸汽，流经二次过热器，一次过热器，汽轮机高压缸，二次再热器，一次再热器，然后，流经汽轮机地中压/低压缸。
这种先有技术的废热回收锅炉引起下列缺点：
首先，由于没有考虑到在过热器和再热器中进行热交换的排气温度的变化，因而在各个分开的排气流中就存在着排气温度的差别。因此，在各个汽化器中产生的蒸汽数量就彼此不同，这些汽化器布置在过热器和再热器的下游侧。为了使流过被分隔的排气流中之一的排气温度与另一路的温度相同，就要求根据温度差别来改变在各个过热器和再热器中的热负荷分配。然而，在全部负荷范围之内合适地改变这种分配事实上是不可能的。
其次，在热量是从燃气轮机装置的排气中回收，而蒸汽是靠回收的热量产生的联合循环电厂中，与热电厂（例如蒸汽发电厂）不同，将蒸汽的温度和压力维持在高水平是很困难的。进而，蒸汽在汽轮机中做功之后，有迅速变成湿蒸汽的趋势。特别是，再热式汽轮机的热动态特性不好，又存在因其中的湿度而在汽轮机的末级产生腐蚀的问题。最后，当燃气轮机带部分负荷运行时，排气温度就降低。这种降低，对上述缺点有更坏的影响。
本发明的目标，是提供一种装有能够分别向汽轮机各缸供应一次蒸汽和再热蒸汽的热回收锅炉的再热式联合循环发电厂。
为此目的，在本发明中为借助于利用燃气轮机中的排气而产生蒸汽并将此蒸汽供给包括高压缸和汽轮机再热设备在内的汽轮机系统，在排气流中布置了二次再热器，过热器和用来供给二次再热器再热蒸汽的一次再热器，这些设备相对于此排气路径顺序布置。在过热器中产生的蒸汽供给高压缸，而在二次再热器中产生的蒸汽供给再热透平设备。
根据本发明，将再热循环用于含有燃气轮机和蒸汽轮机的联合循环发电厂，并在燃气轮机很宽的负荷范围内提高热效率。
图1是表示本发明实施方案之一的图解;
图2是表示比焓和比熵间特性的曲线;
图3是表示排气与蒸汽/给水之间热交换特性的曲线;
图4是表示在图1所示的热回收锅炉中各个位置与燃气轮机负荷对应的排气温度特性曲线;
图5是表示本发明另一实施方案的图解。
图1表示根据本发明实施方案之一组成的发电厂废热回收锅炉1，它与包括压缩机C，燃气轮机GT和燃烧室B的燃气轮机系统相连。废热回收锅炉1将来自燃气轮机GT的排气F中的热量与流经废热回收锅炉1的给水进行热交换。锅炉1包括二次再热器2，二次过热器3，一次再热器4和一次过热器5，它们相对于排气F的流向顺序布置。锅炉1还包括省煤器6和布置在省煤器6与一次过热器5之间的蒸汽发生装置（汽化器）7。在燃气轮机GT带负荷运行过程中，在汽化器7中产生的蒸汽，经过一次过热器5和二次过热器3流进蒸汽轮机系统10的高压缸（HPT）。这蒸汽在高压缸（HPT）中做功，然后经过一次再热器4和二次再热器2引入蒸汽轮机系统10中的中压缸（MPT）。蒸汽在中压缸（MPT）中做功之后，又被引进低压缸（LPT）并在其中做功。此后，蒸汽在冷凝器11中冷凝成冷凝液。由于锅炉1是一种多级回收锅炉，它还包括一个低压侧省煤器8和一个低压侧汽化器9。流过低压侧省煤器8的部分给水在低压侧汽化器9中被汽化成低压蒸汽，并被引进低压缸（LPT）。较低压力的蒸汽与从中压缸（MPT）中出来的蒸汽一起在低压缸（LPT）中做功。其余的给水绕过低压侧汽化器9，经过省煤器6转回到高压侧汽化器7。一般说来，从高压缸（HPT）出来的排汽温度大约是300℃，从高压缸（HPT）出来的排汽又被再热器2和4再加热，这使低压缸（LPT）末级中蒸汽的潮湿成分得以减少。
参照图2，在蒸汽轮机系统10中所做的功可以描述如下：
线Ls是一条饱和线，在线Ls以下，蒸汽所处的地区越低，其中的潮湿成分就越高。反之，蒸汽所处的地区越高，其中的干燥成分就越高，也就是说，蒸汽成为过热蒸汽。线Li是一条进汽压力线，它由引进蒸汽轮机系统10中的蒸汽压力所确定。从图1所示的二次过热器3中进入高压缸（HPT）的蒸汽之比焓h及比熵s值，在图2中用点a代表。线Le是一条排气压力线，它由从低压缸（LPT）引进冷凝器11的蒸汽压力所确定。点e11代表不用再热循环时蒸汽的比焓h和比熵s值。点f代表使用再热循环时蒸汽的比焓h和比熵s值。
在图2中，线段abe代表无再热此蒸汽时蒸汽轮机中蒸汽状况的变化。随着在蒸汽轮机中所做功的增加，蒸汽状况变成低于点e，这使蒸汽包含湿蒸汽。如果汽轮机在特性线Le上的点e′处排放蒸汽，而此点并不处于湿蒸汽区域，从排放蒸汽中回收足够的热量就是不可能的。反之，如果汽轮机在位于湿蒸汽区的排汽压力线Le上的点e11处排放蒸汽，这就使从排汽中回收足够的热量成为可能。然而，汽轮机有可能被湿蒸汽所损坏。
线段abcdf代表有再热蒸汽时汽轮机中蒸汽状况的变化。在点a的蒸汽在高压缸（HPT）中做功，并移至点b。然后，蒸汽被再加热，升至点c。由此，这再热蒸汽能在中压缸（MPT）和低压缸（LPT）中做功cdf。尽管处于饱和线Ls以下，亦即在点d和点f之间，蒸汽包含着湿蒸汽，汽轮机末级金属材料的选择也可以在某种程度上耐受这种湿蒸汽。由于蒸汽被再加热，并维持在较高的温度水平上，汽轮机末级中的潮湿蒸汽就可能被减少。也就是说，可能把湿蒸汽部分从e-e11程度减少到d-f程度。
在包含蒸汽轮机系统和燃气轮机设备的发电厂中，当燃气轮机在较低负荷下运行时，燃气轮机的排气温度也是低的。在图1所示的发电厂中，由于再热器布置在排气的最上游侧，蒸汽就能被再热到接近于排气温度那么高的温度。据此，可以获得优化蒸汽，这是相对于汽轮机末级中蒸汽潮湿部分而进行的优化。从这点来说，再热循环是有效的。然而，由于一次蒸汽的流量实际上与再热蒸汽的流量相同，如果只是简单地将再热器布置在过热器的上游侧，在这过热器中蒸汽的温度就被降低了。
为避免这一点，根据本发明，分开的再热器是这样布置的：使过热器插入其间，以便平衡热吸收。据此，可以获得图3所示的热交换特性，这使过热器和再热器中蒸汽的出口温度是平衡的。图3表示热回收锅炉1中在各个装置中蒸汽/给水的温度与其排气温度之间的关系。如图3所示，从燃气轮机出来的排气与热回收锅炉1中的装置进行热交换，然后，排气温度变低。反之，蒸汽/给水在省煤器8、6，汽化器7，一次过热器5和二次过热器3中被顺序加热。也就是说，温度为T0的给水被加热，变成温度为T1的蒸汽。从二次过热器3出来的温度为T1的蒸汽在高压缸（HPT）中做功，然后变成温度为T2的蒸汽。温度为T2的蒸汽被引入一次再热器4，并在一次再热器4和二次再热器2中被再热，变成温度为T3的再热蒸汽。据此，就能获得具有最高温度的再热蒸汽，也能通过选择合适的过热器和再热器的热容量而使一次蒸汽维持在高的温度水平。在低压侧汽化器9中产生的蒸汽有一个与图3中饱和温度T4相应的温度。
相反，在先有技术中，由于过热器和再热器相对于燃气轮机出来的排气流来说是平行的，以便平衡过热器和再热器的温度，因而排气中的能量实际上被分成两半。如果热传输面积改变，排气能量就被分成互不相等的两部分。然而，当过热器和再热器的温度是平衡的，排气能量就被分成彼此近乎相等的两部分。进而，在先有技术中，流过过热器的蒸汽流量实际上与流过再热器的蒸汽流量相等。因此，当燃气轮机的排气温度被降低或者是燃气轮机运行在低负荷时，由于汽轮机末级对湿蒸汽的对抗作用，再热器只能利用不超过排气流量的一半。因此，在先有技术中，为了获得与本发明一样的过热器和再热器之间的热平衡，就要求让过热器和再热器中的每一个都具有比本发明大一倍的相对排气流方向的截面。进而，为了在一个预定的范围内限制过热器及再热器中每一个的热传输表面上的排气速度，亦即，一般是20米/秒到30米/秒，废热回收锅炉的排气接受部分（过热器和再热器）必须大大增加尺寸，从而与布置及成本有关的缺点更增大了。本发明可以克服这些缺点。
图4表示相对于燃气轮机负荷的废热回收锅炉各个部分中排气的温度特性。
来自燃气轮机的排气的温度随着负荷的减少而降低。再热器布置在相对于排气流方向的最上游侧。再热蒸汽可以维持在接近于排气温度的最高温度水平，而相对于汽轮机末级中的湿蒸汽来说也是最有效的。进而，布置在下游侧的过热器和汽化器中的温度特性与再热器一样被改善了，从而温度分布被很好地平衡了。
从以上的阐述中明显看出，由于再热器布置在最上游侧，具有最高温度的再热蒸汽即使在燃气轮机的排气温度被降低或者燃气轮机运行在低负荷水平时仍可以获得，这就避免了由于湿蒸汽所引起的汽轮机末级中的腐蚀。
进一步，再参照图4，将对过热器安插在分开的再热器之间的发电厂中高压缸（HPT）出口的蒸汽做如下的解释。
一般来说，要求将高压缸出口蒸汽的过热程度维持在一个预定的水平，例如50°F，以便防止由汽轮机末级产生的湿蒸汽引起的腐蚀等等。进而，当燃气轮机的排气温度低或者燃气轮机运行在低负荷状态时，排气流的下游侧的温度分布是平坦的，而温差也较高负荷运行时小。在下游侧温度降低的程度也变小了，也就是说，由于排气温度的降低，在二次再热器中的热交换不能充分进行，而其中产生的蒸汽数量也减少了。然而，布置在二次再热器下游侧的二次过热器中的热交换却能充分进行，从而补充了热交换的损失。负荷变得越低，下游侧的温降变得越小，借此维持住温度。换句话说，当在满负荷（100%）运行时再热器和过热器的出口温度被整定到任何希望的数值时，过热器温度的变化在负荷减小时变得很平缓，此过热器布置于再热器的下游侧，这样，就能充分地保持高压缸出口处过热的程度。
本发明的另一个实施方案示于图5，它增添了一个旁路通道100，用来控制蒸汽温度，此通道使二次再热器2旁路，将二次再热器2的进口与其出口相连。用对过热器提供类似于旁路通道100的办法，可以获得回收锅炉的其他变化，以便控制其中的蒸汽温度，这种过热器布置在分开的再热器之间。
根据本发明，在包括汽轮机系统和燃气轮机设备的发电厂中采用再热循环成为可能，从而使电厂运行安全，并在相当宽的负荷范围内具有较高的热效率。
首先，再热器布置在废热回收锅炉的最上游侧，这使再热器中的蒸汽能被再热到接近于燃气轮机排气温度的温度。因而，将低压缸末级中蒸汽的潮湿部分维持在一个合适的限度之内就成为可能。
其次，分开的再热器是这样提供的，使过热器安插在这些再热器之间，这样，即使在燃气轮机只带部分负荷运行时，一次蒸汽仍能维持在高的温度水平。因此，将高压缸出口的蒸汽中的潮湿部分维持在一个合适的限度以内也成为可能。