在动力设备中产生附加能量的方法和设备 发明领域和先有技术
本发明涉及一种在具有床的燃烧室的动力设备中产生附加能量的方法和设备，其中在该床上方形成热烟气的同时向该床供给空气和燃料以进行燃料燃烧，并且燃气轮机是由这些产生能量的烟气来驱动的。
本发明包括在各种具有这些特征的动力设备中生成附加能量的方法，实际上热能几乎总是通过换热器从该床上引出的，例如，通过与一组埋在该床中的管件进行热交换以便产生蒸汽并且该组管件作为一种很好的热导体，但是本发明并不是以任何方式对自身限制。该床可以具有不同的特征，但为了解释而不是以任何方式限制本发明的限制，下文将描述在具有流化床的动力设备中产生附加能量的情况以及埋在流化床中用于产生蒸汽轮机所需的蒸汽的一组管件。
除了通过设备地常规运行产生的能量，有时还能够在这种动力设备中产生附加的能量，这是很大的优越性。例如，当需要产生附加能量时，希望能够在已有的这种动力设备中将设备所输出的能量增加至最大值。而且，利用这种产生附加能量的方法是可行的，如果存在着从部分负荷运行开始而迅速增加负荷的需求时可使动力设备更快地增加负荷。然而，将这种产生附加能量的方法引入这种动力设备会存在着困难，因为这会带来各种不同的问题，像堵塞、局部温度太高等问题。此外，一些动力设备通常限制其产生的能量高于设备在满负荷运转时所产生的能量。例如所讨论的这种情况下，蒸汽轮机侧可以受动力设备产生多少能量的限制。
发明概要
本发明的目的是提供一种前言中所限定的那种类型的方法和设备，它们能够在这种动力设备中产生附加的能量，以便满足上述需求。
本发明的这个目的是由独立权利要求所限定的方法和设备来实现的，其中，这种设备包括用来向位于所述床和燃气轮机之间的所述烟气通道中供给附加燃料以便利用烟气中可用的剩余氧来在此进行燃料燃烧的装置，以及用来随同向烟气通道中供给附加燃料一起向烟气中提供冷却介质以便将烟气温度调整到一理想的水平的组件。
这样，所指的附加能量可以通过利用由流化床产生的存在于热烟气通道中的使供入所述烟气通道中的附加燃料燃烧的剩余氧，以及通过使附加燃料与其中存在氧的热烟气接触进行燃烧而产生。通过提供所述的冷却介质，烟气的温度可以同时维持在一个满意的水平，这主要是为满足燃气轮机的要求。这种以此种方法产生的附加能量将导致燃气轮机产生的能量增加，这就意味着在动力设备中将不需在正常的满负荷运转时达到该设备的最大生产能力，可以由燃气轮机来输出增加的能量，并且由此增加了该设备的最大总能量。作为一个实例可提及的是如上面所讨论的一个具有流化床的动力设备的例子中，离开所述流化床的烟气中的氧含量将至少处在一定值上，因为必须具有这样高的氧含量以避免在流化床局部，例如靠近于流化床输入燃料处，造成有不利影响的缺氧现象，它会导致功率的下降和SOx的增加等。另一方面还将足以使烟气通道中具有较低的氧含量，以避免如腐蚀等各种问题，这意味着大量氧可以用于烟气通道中的燃烧。
所需的从一个部分负荷到另一个部分负荷或从一个部分负荷到满负荷的负荷增加也可以通过本发明的设备来加速。如果流向装备有本发明设备的动力设备的燃气轮机的体积保持恒定(经常出现这种情况)，即通过所述烟气通道中附加燃料的燃烧所产生的气体(通常为水蒸汽)将占烟气流的一部分，这意味着到达压力容器的纯净空气流将增加，因此到达流化床的空气流将稍有减少，同时进入压力容器的流量将不会由于没有附加燃料的燃烧而发生变化。由于PFBC-动力设备中的负荷升高主要受围绕着燃烧室的压力容器中的压力可以升高得多快的限制，因而当本发明应用于这种类型的动力设备时可较快地增加负荷。如果可能增加流向燃气轮机的体积，则作为一种替代方法只能够如非本发明那样快地给压力容器加压，但借助本发明，由于体积流量的增加还能够直接传输较高的能量。直到目前为止，快速增加负荷通常一直是靠减少输出能量来实现的，这是由于燃气轮机压缩机将直接需要更多的能量，以便能够压缩进入压力容器的增加的空气流，但是，由于有了本发明，这不再是必须的了。
根据本发明的优选实施例，所述装置和部件用于分别向用于附加燃料在此燃烧的流化床上方自由空间中的燃烧室中供给所述的附加燃料和冷却介质。本发明利用燃料床上所谓净空(free board)的自由空间作为一个燃烧空间是特别有利的，由于有一个相当大的体积，因此，由于向此处供给燃料和冷却介质较容易，所以可以同时向其中和相同的地方供给相当大量的附加燃料。此外，没有由于任何局部温度升高而产生损坏任何较敏感的设备的危险。
根据本发明的另一个优选实施例，所述提供附加燃料和冷却介质的装置和部件以一种混合物的方式一起供给这两种物料，这样进一步简化了本发明设备的设计。可以将油和水的混合物喷入所述的流动气体通道中。
根据本发明的又一个优选实施例，其设备包括一个用来控制各烟气通道中供给附加燃料和冷却介质的流量和这两个流量之比的装置，根据不同的需要和所存在的条件，该装置能够通过设备得到所产生的附加能量。根据本发明的优选实施例，其设备还包括一个用来测量位于供给附加燃料和冷却介质位置下游的所述烟气通道内的烟气温度的部件，并且控制装置用于根据从这个部件传来的温度信息来执行所述的控制。用这种方法将能够确保烟气准确地达所希望的温度，其中得到的烟气的温度不能太高，因为它会导致烟气通道的损坏，同时该温度又不能太低，因为这将会降低燃气轮机的效率。
这里应指出本发明在动力设备中是非常有利的，其中，离开流化床的烟气已具有接近通向燃气轮机的烟气通道所能承受的温度，这是由于在这种情况下，对产生任何附加能量的可能性具有完全决定性的价值，并且在进行燃烧后还需直接进行冷却以便将烟气的温度基本维持在这个水平上。然而，本发明当然也适用于允许烟气温度有一些上升的动力设备中并且本发明在这种设备中是非常有利的，例如，在这种情况下高温过滤器设置在烟气通道上游相对较远的地方。
根据本发明的又一个优选实施例本发明设备包括一个用于测量在所述烟气通道中提供附加燃料和冷却介质位置上游处的烟气氧含量的部件，并且设置控制装置用于根据从上述组件接收的烟气氧含量数值来执行所述的控制。由此能够以最佳的方法利用来自流化床的烟气中的氧，因为这样可以确保附加燃料燃烧后的氧含量是过量的，但是要尽可能使其接近所设定的下限以避免烟气通道中的腐蚀。
根据本发明所限定的那种方法，将附加燃料供入位于流化床和燃气轮机之间的所述烟气通道，以利用烟气中可用的剩余氧来在此燃烧附加燃料，并且将冷却介质随同向烟气通道中供入的附加燃烧一起供入烟气中，以此将烟气的温度调节到所希望的水平。这种方法的优点与前述设备独立权利要求所述的相同。
本发明其它优点及有利的特征从下面的描述和其它从属权利要求中可体现出来。
附图的简要说明
下面将参照附图描述本发明作为实例提供的优选实施例。
图1简要图示了具有复合的气体-蒸汽循环(后者未视出)的PFBC-动力设备，本发明的设备可以应用于此动力设备中。
图2是图1中动力设备内部装有燃烧室的压力容器局部简要剖面图，它图示了本发明的方法和设备的一个优选实施例。
本发明优选实例的详细说明
如上所述的本发明并未以任何方式只限于应用在PFBC-动力设备中，即应用于加压流化床颗粒状燃料燃烧的一种动力设备中，但是当应用于这种动力设备中时，本发明的设备具有很大的优越性，这就是所述将其用于这种动力设备的原因，并且下面将根据附图1解释这种动力设备的一个实施例的总体结构和功能。
该设备包括一个燃烧室1，该燃烧室要放在一个压力容器2中，并且燃烧室的体积大约为104m3，其压力可加压到如约16巴。将用于为燃烧室1加压并使燃烧室内的床4流化的压缩空气3提供给压力容器。该压缩空气是通过在燃烧室底部示意出的用于流化封闭在燃烧室中的床的流化喷嘴5提供给燃烧室的。所述的流化床是由流化床材料、粒状吸收剂和在导入该床内的流化空气中燃烧的颗粒状燃料(最好是碎碳)形成的。从该床中产生的燃烧气体(下面称为烟气)，被导入用一个方框图示的一个净化装置7中，例如，该净化装置可以由一系列用于从烟气中分离出颗粒物的旋风除尘器构成。该烟气然后继续前进进入包括一个高压过程10和一个低压过程11的燃气轮机9。高压燃气轮机10是与高压压缩机12和发电机13同轴设置的，这样发电机由高压气轮机驱动，从中吸收有用能。高压压缩机12通过管道14将压缩空气送给燃烧室1。
在高压气轮机10中膨胀的气体被导入低压气轮机11。离开低压气轮机的废气的仍然具有能量，因此可以设置一个省能器16。低压压缩机17也可以与低压气轮机同轴设置，并且经过一个过滤器18向低压压缩机提供常压空气。此外，低压压缩机是由低压气轮机驱动的，并且在第一过程中从该低压压缩机的出口将压缩的空气提供给高压压缩机。一个中间冷却器19设置在低压压缩机和高压压缩机之间，以便降低供给高压压缩机12入口的空气温度。
该动力设备有一个蒸汽轮机侧，这里未示出，但是它通过一组浸没在流化床4中的管20表示出，在这里水通过管子和用于吸收床内燃烧所产生的热的流化床材料之间的热交换进行循环、蒸发和过热。
根据上述描述这种形式的动力设备运行的主要原理可从上述描述中清楚地看出。
动力输出，即这种类型的动力设备的负荷可以通过调节流化床水平以及供给流化床的燃料和空气的流量来控制。然而，在一定的情况下，希望的力设备负荷的变化快于控制参数所能实现的变化，也希望从动力设备中产生比设法通过调节操作而产生的能量更多的能量。本发明示出了如何解决这个问题的方法，其中当要满足后一种希望时，需要动力设备的燃气轮机在该设备标准的满负荷状态下不以其极限功率运转。
现在将参照主要的附图2来解释本发明优选实施例的设备，图中简要地示出了设备中设置的压力容器2和燃烧室1。当供给流化床4的燃料燃烧时，在流化床的上面形成800～850℃的热烟气，该气体的温度与经气体通道到达气轮机9的气体温度一致，并且该设备的气体通道上没有高温过滤器。为了避免供给流化床上的燃料燃烧进行得较快的流化床不同部分内缺少空气，因此必须通过流化喷嘴5向流化床提供较多的空气，这样，所述燃料气体中的平均氧含量才会具有一定的值。另一方面，为避免到达燃气轮机的烟气路径中的腐蚀和其他问题，使烟气中的氧含量为一个较小的值则是必要的。这是所述烟气路径中燃烧所能提供的氧量。本发明的设备中有一个简要示出的装置21，该装置将附加燃料喷入流化床4上的自由空间22，即所谓的净空，这种附加燃料可以由天然气、油、碳或类似物质组成的。该设备还包括一个用来将冷却介质，最好是水，以液态或蒸汽的形式喷入自由空间22来冷却烟气的部件23，因此，可以将烟气的温度特别是对烟气路径和燃气轮机内的烟气温度调节到一理想的水平。最有利的是以液滴的形式提供水，这样也可以利用水的汽化热进行有效的冷却。应注意在各种给定的情况下，可以以被认为是最有利的方式提供附加燃料和冷却介质，并且图2所示的方式只是为了解释本发明。由此，附加燃料和冷却介质可以以利有利的混合方式供给，例如以油滴和水滴混合的方式。
该设备还包括简要示出的部件24和25，它们用来在供给附加燃料和冷却介质位置下游的烟气中测量其温度和O2含量，并将这形数信息传送给简要图示出的控制装置，该控制装置用于根据所测出的参数值来控制向自由空间22中提供的附加燃料和冷却介质的流量以及这两个量之间的比例。供给流量为单位时间的供给量。最好也能够提供控制装置的手动操作功能或直接提供所述装置21和部件23的手动操作功能。并且还能够使控制装置根据任何给出的控制程序工作，例如，一旦需要增加负荷时就马上供给附加燃料和冷却介质。
本发明设备的功能如下，如果燃气轮机不受动力设备的限制，当动力设备在满负荷下工作且希望能够从动力设备上开发附加能量时，可以控制所述装置21和部件23向自由空间22提供附加燃料和冷却介质，以便利用烟气中存在的剩余氧冷却所谓的“净空燃烧”。流到燃气轮机的质量流量是以在恒定的体积流下增加其压力的方式提高的，这样燃气轮机传送较高的能量。此外，还能够用这种方式以10％的数量级增加可以从动力设备中开发的最大总能量。当该动力设备在一个比较低的负荷下工作时，流化床4只覆盖部分管件20，这意味着离开流化床的气体具有的温度比所希望的要低，可能是600-650℃，并且，在这种情况下，即使不是应用本发明所基于的原理，本发明的设备可以只通过喷入附加燃料而不进行任何冷却来提高燃料气体的温度，以便该设备在部分负荷下获得一个高效率。当希望负荷迅速上升时，所述装置21和部件23可以向自由空间22中供给附加燃料和冷却介质，以便于通过如介绍中所述的那样获得负荷的加速上升来立即利用空间中存在的附加燃烧所需的氧，介绍中所述的或者是使流向燃气轮机的物质保持恒定，它能够通过负荷的增加较快地给压力容器加压，或者是增加流向燃气轮机的质量流量，但是给压力容器加压只允许进行得如没有任何附加燃烧那样快，这就意味着能够直接具有较高的能量，因此，不必通过降低由燃气轮机压缩机直接所需的附加能量，以便能够通过将增加的空气流压入压力容器的方法来使负荷提高。
这样，本发明以一种非常先进的方式来满足有时在这种动力设备中产生附加能量的需求。这种能量的产生是通过非常简单的装置实现的，并且成本低，因此，已存在于烟气路径中的氧被用于燃烧。这样，不需另外的空气加压，否则会消耗能量并降低附加燃烧的效率。由于不需要任何昂贵的压缩机或类似装置，所以本发明的设备较便宜。此外，对燃气轮机和蒸汽轮机之间的平衡不敏感，但是锅炉制造得点过大一点会是较有利的。
应该指出从流化床导出的用于附加燃料的辅助燃烧的烟气中的剩余氧的存在自然不排除以另外的方式再供给空气或氧气，本发明将包括这种附加燃料消耗氧的燃烧。
当然，不应以任何方式将本发明限定于上述的优选实施例，然而在不脱离本发明的基本思想的情况下，本发明的许多可能的改进对本领域的普通技术人员来说是显示易见的。