CN101503976A - 用于动力设备启动的装置和方法 - Google Patents

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CN101503976A CNA2009100040667A CN200910004066A CN101503976A CN 101503976 A CN101503976 A CN 101503976A CN A2009100040667 A CNA2009100040667 A CN A2009100040667A CN 200910004066 A CN200910004066 A CN 200910004066A CN 101503976 A CN101503976 A CN 101503976A
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Abstract

本发明涉及用于动力设备启动的装置和方法。具体而言，提供了一种动力设备，其包括燃气轮机，此燃气轮机具有用于产生压缩空气的压缩机，和燃烧可燃烧燃料同压缩空气以产生加热的燃烧气体的燃烧器。此动力设备还包括用于从燃气轮机的排气产生蒸汽流的热回收蒸汽发生器，和用于膨胀来自热回收蒸汽发生器的蒸汽流的蒸汽轮机。此蒸汽轮机具有转子，此转子具有轴向地设置于其中的转子孔。此动力设备还包括导管，此导管用于将至少一部分压缩空气和/或至少一部分加热的燃烧气体从燃气轮机引向蒸汽轮机的转子孔，其中，压缩空气和/或加热的燃烧气体可以加热蒸汽轮机的转子孔。

Description

用于动力设备启动的装置和方法
技术领域
本申请涉及联合循环动力设备(combined cycle power plant)的启动过程。
背景技术
联合循环动力设备一般包括燃气轮机和蒸汽轮机，其中燃气轮机采用布雷顿循环，蒸汽轮机采用兰金循环。与单独使用燃气轮机或者蒸汽轮机相比，将燃气轮机和蒸汽轮机联合使用可以获得更高的效率。联合循环动力设备典型地包括燃气轮机、热回收蒸汽发生器和蒸汽轮机。燃气轮机与发电机联接以发电。来自燃气轮机的排气被引入热回收蒸汽发生器，用于产生蒸汽流。蒸汽驱动蒸汽轮机，此蒸汽轮机与发电机联接，用于发出额外的电。
减少启动时间(times)可以改善联合循环动力设备的可用性，降低维护费用以及减少启动排放物。联合循环动力设备的总启动时间受限于蒸汽轮机的启动时间。燃气轮机的启动较蒸汽轮机的启动快。在启动过程中，燃气轮机的排气温度会有较快的上升。随着燃气轮机负荷的上升，排气温度达到极限。于是燃气轮机控制器增加机组的气流，同时保持排气温度极限。排气流和排气温度与热回收蒸汽发生器所释放能量的量及热回收蒸汽发生器产生的蒸汽温度直接相关。
蒸汽轮机的启动较燃气轮机的启动慢。蒸汽轮机的启动时间受到转子芯和叶片之间的温度梯度所产生的热应力的限制。这些热应力通过测量转子与蒸汽轮机入口处的蒸汽之间的温度差来监测。允许的蒸汽入口温度受到转子温度的限制。当转子温度上升，则允许更高的入口蒸汽温度。因为蒸汽轮机的转子温度限制允许的入口蒸汽温度并且燃气轮机的排气温度控制蒸汽温度，所以燃气轮机的负荷可能不会增加，直到蒸汽轮机的转子被加热到足够的温度。动力设备在较低效率的状况下工作一段延长的时间可能会导致收益下降。启动时的排放物也可能增加，这是因为燃气轮机的负荷可能太低，以至于燃烧器不能以有效率的方式来操作，从而造成了诸如NOx和CO排放物的浓度比在更高负荷状况下时更大。
为了降低热应力和减少联合循环动力设备的启动时间，需要一种在燃气轮机启动中加热蒸汽轮机的方法和装置。
发明内容
在一个实施例中，本申请提供了一种动力设备。此动力设备可包括燃气轮机，其具有：压缩机，用于产生压缩空气；和燃烧器，其用于使可燃烧燃料与压缩空气一起燃烧以产生加热的燃烧气体。此动力设备还可以包括：热回收蒸汽发生器，其用于由燃气轮机的排气来产生蒸汽流；和蒸汽轮机，其用于膨胀来自热回收蒸汽发生器的蒸汽流。蒸汽轮机可以具有转子，此转子具有轴向地设置于其中的转子孔(rotorbore)。此动力设备还可以包括导管，用于将至少一部分压缩空气和/或至少一部分加热的燃烧气体从燃气轮机引向蒸汽轮机的转子孔，其中，压缩空气和/或加热的燃烧气体可以加热蒸汽轮机的转子孔。
本申请的另一个实施例提供了一种用于在动力设备启动过程中加热蒸汽轮机的方法，此动力设备具有：(i)燃气轮机，其具有压缩机、燃烧器和用于膨胀加热的燃烧气体的涡轮，(ii)热回收蒸汽发生器，和(iii)具有转子的蒸汽轮机，此转子具有轴向地设置于其中的转子孔。在启动过程中加热蒸汽轮机的该方法包括，在压缩机内压缩周围空气以产生压缩空气，从压缩机中移去至少一部分压缩空气，和提供该压缩空气给蒸汽轮机的转子孔，其中，压缩空气加热该转子。
本申请的再另一个实施例提供了一种动力设备启动过程中加热蒸汽轮机的方法，此动力设备具有(i)燃气轮机，其具有压缩机、燃烧器和用来膨胀加热的燃烧气体的涡轮，(ii)热回收蒸汽发生器，和(iii)具有转子的蒸汽轮机，此转子具有轴向地设置于其中的转子孔。此种在启动中加热蒸汽轮机的方法包括在压缩机内压缩周围空气产生压缩空气，利用可燃烧燃料燃烧压缩空气产生加热的燃烧气体，从燃烧器移去至少一部分加热的燃烧气体，和提供加热的燃烧气体给蒸汽轮机的转子孔，其中，加热的燃烧气体加热该转子。
附图说明
图1是本文所述的本申请的一个实施例的动力设备的示意图。
图2是本文所述的本申请的一个实施例的动力设备的示意图。
零部件和要素列表
 
标号 描述
10 动力设备
11 燃气轮机
12 热回收蒸汽发生器(“HRSG”)
13 蒸汽轮机
14 压缩机
15 燃烧器
16 涡轮
17 周围空气
18 压缩空气
19 可燃烧燃料
20 加热的燃烧气体
21 第一发电机
22 排气
23 给水流
24 蒸汽流
25 烟囱(stack)
26 转子
27 转子孔
28 第二发电机
29 冷凝器
 
30 蒸汽流通道
31 导管
32 出口
33 导管
34 阀
35 系统
36 第二系统
37 出口
具体实施方式
现在参考附图，在全部的分开的附图中，相同的标号代表相同的元件，图1显示了本申请的一个特定实施例的动力设备的示意图。动力设备10可包括燃气轮机11、热回收蒸汽发生器(“HRSG”)12和蒸汽轮机13。
燃气轮机11可包括压缩机14、燃烧器15和涡轮16。在正常操作中，压缩机14可压缩周围空气17以产生压缩空气18。压缩空气18可以与可燃烧燃料19一起提供给燃烧器15。在燃烧器15中，该可燃烧燃料19可以与压缩空气18一起燃烧以产生加热的燃烧气体20。在特定实施例中，可燃烧燃料可以包括天然气、氢气、丙烷、丁烷、异丙烷、汽油、柴油、喷气燃料、煤油、乙醇、异丙醇或者从煤中提取的合成气体。然后，加热的燃烧气体20可以被提供给涡轮16，在涡轮16中，加热的燃烧气体20可以被膨胀，从而产生旋转形式的做功(rotary work)。涡轮16可与第一发电机21相联接以发电。
来自燃气轮机11的涡轮16的排气22可以被引向热回收蒸汽发生器12。在热回收蒸汽发生器12中，热量可以从燃气轮机的排气22传递至给水流23，从而产生蒸汽流24。在流过热回收蒸汽发生器12之后，冷却了的排气然后可以通过烟囱25释放到大气中。在一个特定的实施例中，热回收蒸汽发生器12可包括管道，此管道包括用于给水流23的翅片管。热排气可流过该翅片管，传递其相当大的一部分热量至给水流，并由此产生蒸汽。
之后，来自热回收蒸汽发生器12的蒸汽流24可以被引向蒸汽轮机13。蒸汽轮机13可包括转子26，此转子具有轴向地设置于其中的转子孔27。在正常操作中，蒸汽24可以被引入到蒸汽轮机13的蒸汽流通道30，蒸汽24在此可以被膨胀，从而产生旋转形式的做功。蒸汽轮机13的转子26可与第二发电机28联接进行发电。在一个特定实施例中，燃气轮机和蒸汽轮机都可与同一发电机联接以进行发电。在离开蒸汽轮机13之后，蒸汽可以被排放到冷凝器29。
在启动过程中，燃气轮机11可以尽可能快地进入稳态操作。来自燃气轮机11的排气22可以被引向热回收蒸汽发生器12，热回收蒸汽发生器12产出蒸汽流24。在热回收蒸汽发生器12能够产生将被引入蒸汽轮机13的具有足够温度和压力的蒸汽之前，可能要经过一段时间。向蒸汽轮机13中引入低温低压的蒸汽可能会导致蒸汽轮机流通道30内出现不希望有的冷凝。蒸汽可通过导管31排放至冷凝器29，直到蒸汽达到足够的温度和压力使其可以被引入蒸汽轮机13。
可以提供出口32，用来从燃气轮机11的压缩机14移去至少一部分压缩空气18。在另一个实施例中，可以提供与燃气轮机11的压缩机14分开的压缩机，以用来供应压缩空气。与燃气轮机11的压缩机14分开的此压缩机可以由电动机、活塞发动机、燃气轮机、蒸汽轮机或者另外的功率源提供动力。在启动过程中，部分压缩空气18可以通过导管33提供给蒸汽轮机13的转子孔27。导管33可包括使得压缩空气18可以由压缩机14传输到转子孔27的任何器具。可以提供阀34，用于控制通过导管33的流。在启动过程中，阀34可以打开，以允许流从压缩机14流至转子孔27，从而在蒸汽被引入蒸汽流通道30之前加热转子26。一旦启动完成，阀34可以关闭，从而引导压缩空气通过涡轮16以产生有用功。
蒸汽轮机13可以包括系统35，用于将压缩空气流引入蒸汽轮机13的转子孔27。一旦压缩空气流通过蒸汽轮机13的转子孔27，可以提供第二系统36以用于从转子孔27移去此压缩空气。适合于将流引入涡轮的转子孔的系统已经为本领域的技术人员所了解。例如，在授予Minto的美国专利No.5,498,131中描述了用于将气体引入到蒸汽轮机的转子孔的一种适合的系统。一旦离开转子孔27，压缩空气就可以被排放至大气中。
图2显示了根据本申请的一个实施例的动力设备的示意图。与图1相比较，图2的动力设备包括出口37，其用于从燃气轮机11的燃烧器15中移去至少一部分加热的燃烧气体20。在启动过程中，部分加热的燃烧气体20可以通过导管33提供给蒸汽轮机13的转子孔27。可以提供阀34，用于控制通过导管33的流。在一个特定实施例中，可以提供冷却系统，用于冷却导管。在启动过程中，阀34可以打开，以允许流从燃烧器15流至转子孔27，从而在蒸汽被引入蒸汽流通道30之前加热转子26。一旦启动完成，阀34可以关闭，从而引导加热的燃烧气体20通过涡轮16，以产生有用功。
蒸汽轮机13可包括系统35，用于将加热的燃烧气体引入蒸汽轮机13的转子孔27。一旦加热的燃烧气体通过蒸汽轮机13的转子孔27，可以提供第二系统36以用于从转子孔27中移去加热的燃烧气体。一旦离开转子孔27，加热的燃烧气体可以排放至大气中。在另一个实施例中，加热的燃烧气体可以在通过转子孔27之后被提供给热回收蒸汽发生器12。
通过在启动过程中加热蒸汽轮机，本申请的装置和方法可以降低热应力，并且可以减少联合循环动力设备的总启动时间。
应该理解，前述内容只涉及本申请的优选实施例，在不背离所附权利要求及其等同物所限定的本发明的一般精神及范围的前提下，可以在这里进行许多种改变和修改。

Claims (10)

1.一种动力设备，包括：
燃气轮机，其包括：用于产生压缩空气的压缩机；和燃烧器，其用于燃烧所述压缩空气同可燃烧燃料以产生加热的燃烧气体；
热回收蒸汽发生器，其用于由所述燃气轮机的排气来产生蒸汽流；
蒸汽轮机，其用于膨胀来自所述热回收蒸汽发生器的所述蒸汽流，所述蒸汽轮机包括转子，所述转子具有轴向地设置于其中的转子孔；和
导管，其用于将至少一部分所述压缩空气或者至少一部分所述加热的燃烧气体从所述燃气轮机引向所述蒸汽轮机的转子孔，其中，所述压缩空气或者所述加热的燃烧气体可加热所述蒸汽轮机的转子孔。
2.根据权利要求1所述的动力设备，其特征在于，所述燃气轮机还包括涡轮，所述涡轮用于膨胀所述加热的燃烧气体。
3.根据权利要求1所述的动力设备，其特征在于，还包括阀，所述阀用于控制通过所述导管的流。
4.根据权利要求1所述的动力设备，其特征在于，所述导管将所述压缩空气从所述燃气轮机的所述压缩机引向所述蒸汽轮机的所述转子孔。
5.根据权利要求4所述的动力设备，其特征在于，还包括出口，所述出口用于从所述燃气轮机的所述压缩机移去至少一部分所述压缩空气。
6.根据权利要求1所述的动力设备，其特征在于，所述导管将加热的燃烧气体从所述燃气轮机的所述燃烧器引向所述蒸汽轮机的所述转子孔。
7.根据权利要求6所述的动力设备，其特征在于，还包括出口，所述出口用于从所述燃气轮机的所述燃烧器移去至少一部分所述加热的燃烧气体。
8.根据权利要求1所述的动力设备，其特征在于，还包括系统，所述系统用于将至少一部分所述压缩空气或者至少一部分所述加热的燃烧气体引到所述蒸汽轮机的所述转子孔。
9.在具有(i)包括压缩机的燃气轮机、(ii)热回收蒸汽发生器和(iii)包括具有轴向地设置于其中的转子孔的转子的蒸汽轮机的动力设备中，一种在启动过程中加热所述蒸汽轮机的方法，包括：
在所述压缩机中压缩周围空气，以产生压缩空气；
从所述压缩机移去至少一部分所述压缩空气；和
提供所述压缩空气给所述蒸汽轮机的所述转子孔，其中，所述压缩空气加热所述转子。
10.在具有(i)包括压缩机、燃烧器和用于膨胀加热的燃烧气体的涡轮的燃气轮机、(ii)热回收蒸汽发生器和(iii)包括具有轴向地设置于其中的转子孔的转子的蒸汽轮机的动力设备中，一种在启动过程中加热所述蒸汽轮机的方法，包括：
在所述压缩机中压缩周围空气，以产生压缩空气；
燃烧所述压缩空气同可燃烧燃料，以产生加热的燃烧气体；
从所述燃烧器移去至少一部分所述加热的燃烧气体；和
提供所述加热的燃烧气体给所述蒸汽轮机的所述转子孔，其中，所述加热的燃烧气体加热所述转子。
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