综合化发电设备及操作该设备的方法技术

以熔融碳酸盐型燃料室和燃气轮机联合设备为基础的综合发电设备，包括燃气轮机，蒸汽轮机和由燃汽轮机和蒸汽轮机共同驱动的发电机．处理通向燃料室阳极的气体燃料的重整炉通过与来自燃料室阴极的废气作热交换而被加热．部分来自阳极的废气在一分立燃烧炉中燃烧，以形成通向阴极的ＣＯ２循环，同时大部分剩余阳极废气被通到燃气轮机燃烧器．现有燃气轮机联合设备不作大的改动可在此使用．而现有燃料室发电设备可作为辅助设备方便地加到其上．（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种综合发电设备，这种设备包括一个用熔融状态的碳酸盐，如碳酸钠和碳酸钾等作电解质的熔融碳酸盐型燃料室，一个燃气涡轮发电机和一个蒸汽涡轮发电机，另外还涉及这种设备及操作方法。用熔融状态，温度为600°～700℃的碳酸盐如碳酸钠和碳酸钾等的燃料室被称作熔融碳酸盐型燃料室。熔融碳酸盐燃料室工作温度很高，因而反应能活泼地进行而不需要昂贵的催化剂如铂等。在熔融碳酸盐型燃料室中，氢气或含氢气体被当作气体燃料通到阳极上，空气与二氧化碳的混合气体被通到阴极。空气与二氧化碳的混合气体在阴极接受电子，以碳酸盐离子的形式进入电解质。另一方面，氢气在阳极与电解质中的碳酸盐离子反应，形成二氧化碳气体和水并放出电子。结果，熔融碳酸盐型燃料室在阴极消耗二氧化碳，在阳极生成二氧化碳和水。所以，在熔融碳酸盐型燃料室中，当气体燃料的利用率(阳极处实际消耗的气体燃料量/(通到阳极的气体燃料量)增加时，气体燃料被在阳极处形成的二氧化碳和水稀释，同时，随着燃料室中反应的进行，气体燃料被进一步消耗，所以，气体燃料中参加反应的气体成分的浓度明显下降，因而在给定电流密度情况下降低燃料室的输出电压从而降低热效率。换句话说，随着气体燃料利用率的增加，燃料室净效率下降。燃料室净效率定义为〔燃料室输出(KW)×860〕/(阳极处实际消耗气体燃料的反应热)，所以，随着气体燃料利用率的增加，燃料室的气体燃料效率下降。燃料室标称效率定义为〔燃料室输出(KW)×860〕/(通到阳极的气体燃料的反应热)，它可由下式得到(燃料室净效率)×(气体燃料的利用率)，它可由下式得到(燃料室净效率)×(气体燃料的利用率)。所以，要增加燃料室发电设备的热效率，必须发展燃料室净效率随气体燃料利用率增加降低较小的燃料室，并发展具有以燃料室中的相对于低气体燃料利用率的较高的综合热回收为基础的较高热效率的综合发电设备。已知燃料室的热效率随气体燃料压力的增加而增加。现在广泛应用的，通往阳极的气体燃料是一种主要由氢和一氧化碳组成的重整气体，它是通过在重整炉内，6到10公斤/平方厘米的压力下重整天然气而得到的，随后又经一热交换器加热到约600℃。图1给出一种现在实际中应用的燃气轮机联合设备(燃气轮机+蒸汽轮机)的构造。燃气轮机29由压缩机30，燃烧器32和涡轮机31组成，在其中空气流23被压缩机30压缩，气体燃料1和压缩空气一起在燃烧器32中燃烧。已燃气体被通到涡轮机31，把热能转化为机械能，去驱动发电机33发出电力。在现在实际应用的涡轮机31的入口处，已燃气体的温度高达1，000°～1，100℃，随后从涡轮机31排出的废气的温度高达500°～550℃，所以，废气可被用来在余热回收锅炉36中产生蒸汽26，然后成为温度非常低的排出气被排到大气中。蒸汽26的气压可供选择以确定最佳蒸汽循环，通常在40～70公斤/平方厘米范围内。蒸汽26被通到一个蒸汽轮机，与燃气轮机29一起共同驱动发电机33发出电力。蒸汽轮机34排出的蒸汽在冷凝器35中用冷却水36，如海水等冷却，然后作为锅炉给水27注入余热回收锅炉36以形成一循环系统。图1给出的例子中，蒸汽轮机34和燃气轮机29驱动它们共同的发电机发电，但是蒸汽轮机34和燃气轮机29也可驱动各自的发电机。以蒸汽轮机34放出的蒸汽38被注入燃烧器32，以减少NOX的含量，一般可以气体燃料4流速的两倍的速度注入。普通温度F的气体燃料4被通到燃烧器32中，在1000℃～1100℃温度F燃烧。在有对NOX的严格的环境控制的国家，可在余热回收锅炉36中加一除NOX装置。在常规的采用燃料室的综合发电设备中，阴极废气被用作涡轮机驱动气体，但是阴极废气温度为700°到750℃，低于通到现在使用的涡轮机的气体的温度并降低了涡轮机的热效率。另外，涡轮机废气的温度低到300°～400℃，余热回收锅炉中用这种涡轮机废气产生的蒸汽也不足以驱动蒸汽轮机。日本专利申请公开第61-39459号提出，在管道中装有燃烧器，该管道用来把阴极废气通到压缩并传输空气到燃料室阴极的涡轮增压器中的膨胀涡轮机中，部分阳极废气被通到燃料器并与作为已燃空气的阴极废气一起燃烧。从燃烧器出来的高温已燃气体被通到膨胀涡轮机，从而增加整个设备的热效率。在这种熔融碳酸盐型燃料室中，有必要回收CO2到阴极，所述已燃气体的一部分被分离出来，压缩并加到通向阴极的空气中。日本专利公开第58-56231号中提出一种采用磷酸型燃料室的发电设备，来自燃料室的阳极废气中的未反应燃料成分在一重整炉中被燃烧以提供部分用以重整气体燃料所必需的热量，并将得到的已燃气体用作热能去驱动涡轮增压器的膨胀涡轮机，从而驱动涡轮增压器的压缩机以向燃料室的阴极送空气。换言之，被涡轮增压器的压缩机所压缩的空气被通到燃料室的阴极和重整炉，重整炉已燃气体和阴极废气被引向涡轮增压器的膨胀涡轮机以回收用来驱动涡轮增压器的压缩机的能量。在以往工艺中，气体燃料的化学能被尽可能多地在气体燃料中转化为电能，燃料室的阳极废气中的燃料成分在如下几方面得到利用在重整炉中燃烧或CO2的生成循环，以及在最后用来靠驱动膨胀涡轮向燃料室阴极送空气的涡轮增压器的空气压缩机的能量回收，和用空气冷却燃料室阴极，或者，如果有必要的话，也可在发电过程中得到利用。这种情况下，膨胀涡轮发电只是辅助性的，其发电量与燃料室自身发电量之比仅为百分之几到百分之十几。当基于燃料室的发电设备规模较小时，膨胀涡轮发电机的额定功率相对来说非常小，转子的规模指标不能被利用，机械损失变大。所以提供膨胀涡轮发电机在经济上不合算。换言之，发电设备一般将变为只用涡轮增压器的低效型设备。作为相对燃料室功率而增加膨胀涡轮中功率回收的一种方法，增加通往膨胀涡轮机的气体的温度与压强或如上所述，添加一辅助燃料器使更多的燃料燃烧，并将已燃气体通到膨胀涡轮，但是通往膨胀涡轮机的气体的温度与压强取决于燃料室本身的工作温度与压强，所以新的改进任务都要从燃料室本身着手。添加辅助燃烧器需要有把低热量的阳极废气和低氧含量的阴极废气一起在高温燃烧的新技术进展。所以，在常规工艺中，燃料室在发电设备的功率比率中占较大比重，当以涡轮增压器提供的功率回收为基础的燃料室的发电量被限制在很小值时，发电主要由燃料室承担。就是说发电设备的输出与效率完全取决于燃料室。换言之，由于产品仍在研制发展中，没有考虑到燃料室的功率比率的降低，及随之的燃料室危险的降低，也没有考虑到在常规发电设备基础之上进一步增加设备总的热效率。由燃料室可靠性带来的风险已成为一个大问题，它将危及总设备投资。本专利技术的一个目的就是提供一种以一个熔融碳酸盐型燃料室和一个燃气轮机联合设备为基础的综合发电设备及其操作方法，其中燃气轮机联合设备包括一个燃气轮机，一个蒸汽轮机，和一个由燃气轮机和蒸汽轮机共同驱动的发电机;在设备中，用以处理通往燃料室阳极的气体燃料的重整器通过与来自燃料室阴极的废气的热交换被加热，以获得重整过程必需的热量，燃料室阳极废气的一部分被引出在一分立燃烧器中燃烧以形成通向阴极的CO2循环，而其余大部分阳极废气被通到燃气轮机燃烧器。阴极废气用来作重整器中的热回收，所以，仅用以驱动涡轮增压机压缩机的功率回收就由一个涡轮增压器膨胀涡轮机完成。根据本专利技术，现有燃气轮机联合设备实际本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种综合发电设备，它包括；一个由一个压缩机，一个燃气轮机燃烧器、一个燃气轮机和发电机组成的燃气轮机发电设备；其中压缩机，燃气轮机和发电机相互同一个联接着气体燃料重整炉的燃料室；一根气体燃料导管用以在通过气体燃料重整炉与阳极相连时向所配的燃料室的阳极送气体燃料；一根阳极废气导管，装在阳极和燃气轮机燃烧器之间，用以向燃气轮机燃烧器送阳极废气；和一个阴极废气导管，位于燃料室阴极，用以将阴极废气排出设备。

【技术特征摘要】
JP 1986-5-23 117520/861.一种综合发电设备，它包括；一个由一个压缩机，一个燃气轮机燃烧器、一个燃气轮机和发电机组成的燃气轮机发电设备；其中压缩机，燃气轮机和发电机相互同一个联接着气体燃料重整炉的燃料室；一根气体燃料导管用以在通过气体燃料重整炉与阳极相连时向所配的燃料室的阳极送气体燃料；一根阳极废气导管，装在阳极和燃气轮机燃烧器之间，用以向燃气轮机燃烧器送阳极废气；和一个阴极废气导管，位于燃料室阴极，用以将阴极废气排出设备。2.综合发电设备，它包括一个由一个压缩机，一个燃气轮机燃烧器，一个燃气轮机一个蒸汽轮机，一个发电机和一个余热回收锅炉组成的燃气轮机联合发电设备;压缩机，燃气轮机，蒸汽轮机和发电机;互相间同轴联接一个与气体燃料重整炉相连的燃料室;一根气体燃料导管，用以在通过气体燃料重整炉连接到阳极时向阳极送气体燃料;一根阳极废气管道，装在阳极与燃气轮机燃烧器之间，用以向燃气轮机燃烧器送阳极废气;一根阴极废气导管，位于燃料室阴极，用以将阴极废气排到设备外;一根燃气轮机排气管道，位于燃气轮机出口和余热回收阵炉之间，用以向余热回收锅炉送燃气轮机排出气;和一根蒸汽管道，位于余热回收锅炉和蒸汽轮机之间，用以将在锅炉中产生的高温高压蒸汽送到蒸汽轮机，从而驱动蒸汽轮机。3.根据权利要求1或2的综合发电设备，其中重整炉分立地装在燃料室外面，重整炉的加热区与阴极废气管道相连，加热区通过与排出设备前的阴极废气作热交换而被阴极废气加热，从而将重整炉温度提高到重整气体燃料所必需的温度值。4.根据权利要求1或2的综合发电设备，其中气体燃料重整炉装在燃料室内，与燃料室阳极合为一体。5.根据权利要求1或2的综合发电设备，其中装着一个由一个同轴连接的空气压缩机和一个膨胀涡轮机构成的涡轮增压器;在空气压缩机和燃料室阴极之间装有一根用以将来自空气压缩机的压缩空气送到燃料室阴极的压缩空气管道;接到膨胀涡轮机上的阴极废气管道，膨胀涡轮机由阴极废气驱动，空气压缩机由膨胀涡轮驱动，空气压缩机又压缩空气到阴极。6.根据权利要求2的一个缩合发电设备，其中重整...

【专利技术属性】
技术研发人员：野口芳树，长崎伸男，服部洋市，横须贺建志，杉田成久，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，日立工程株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]