CN101545404B - 用于扩大涡轮机的调节范围的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于扩大涡轮机的调节范围的系统。提供了一种用于加热燃气轮机(105)的入口空气(130)的系统(100，200，300，400)。该系统(100，200，300，400)可以结合外部能量源(170)来提高入口空气(130)的温度。该系统可以扩大在部分负载下运行的燃气轮机(105)的调节范围。

Description

用于扩大涡轮机的调节范围的系统
背景技术
本发明涉及涡轮机的操作，更具体而言涉及用于通过加热入口空气来扩大调节范围的系统。
诸如燃气轮机、航改燃气轮机等的涡轮机通常在复合循环和/或热电联合模式下运行。在复合循环运行中，产生蒸汽的余热回收蒸汽发生器从涡轮机中接收排气；然后该蒸汽流向产生额外电流的蒸汽轮机。在热电联合运行中，由余热回收蒸汽发生器产生的一部分蒸汽被传送到需要蒸汽的独立程序。
认为复合循环和热电联合电站在基本负载下运行时产生最大量的能量(机械能、电能等)。然而，基本负载运行尽管为操作人员所期望，但是并非总是可行的。在能源市场(电网等)可能并不是对于所有在基本负载时产生的能量都存在需求。此时，发电设备必须关闭或者在产生小于最大量的能量的部分负载下运行。
通常要求涡轮机在产生电力时保持遵守排放要求。在部分负载下运行的涡轮机可能不会在整个部分负载范围内(从运转备用到接近基本负载)保持遵守排放要求。可以认为调节范围是其中涡轮机保持遵守排放要求的负载范围。宽广的调节范围容许操作人员保持遵守排放要求、减少燃料消耗且避免与关闭电站相关联的热瞬变。
由于前述原因，存在对用于扩大调节范围的系统的需求。当在部分负载范围内运行时该系统将会减少涡轮机的燃料消耗。该系统将不需要对涡轮机作重大改变。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种用于扩大在部分负载下运行的涡轮机(105)的调节范围的系统(100，200，300，400)，该系统(100，200，300，400)包括：包括接收入口空气(130)的压缩机(120)、燃烧系统(135)及涡轮区段(145)的涡轮机(105)，其中涡轮机(105)产生排气；余热回收蒸汽发生器(HRSG)(110)，其中HRSG(110)接收排气(150)的一部分并且产生蒸汽；以及包括至少一个热交换区段的至少一个空气预热器(155)，其中该至少一个空气预热器(155)在入口空气(130)流入压缩机(120)之前对入口空气(130)进行加热；其中至少一个热交换区段的一部分接收处在容许对入口空气(130)进行加热的温度下的流体；并且，其中，该流体自涡轮机(105)外部的源流出，且其中，对入口空气(130)进行加热减少了涡轮机(105)的输出并且扩大了调节范围。
附图描述
图1为显示了根据本发明第一实施例的、用于扩大涡轮机调节范围的系统的示例的示意图；
图2为显示了根据本发明第二实施例的、用于扩大涡轮机调节范围的系统的示例的示意图；
图3为显示了根据本发明第三实施例的、用于扩大涡轮机调节范围的系统的示例的示意图；
图4为显示了根据本发明第四实施例的、用于扩大涡轮机调节范围的系统的示例的示意图。
部件列表：
系统100
燃气轮机105
余热回收蒸汽发生器(HRSG)110
烟囱115
压缩机120
轴125
入口空气130
燃烧系统135
燃料140
涡轮区段145
排气150
空气预热器155
预热器供给管线160
预热器排出管线165
外部能量源170
燃料加热器175
燃料加热器供给管线180
燃料加热器排出管线185
系统200
系统300
系统400
具体实施方式
对优选实施例的以下详细描述参考了显示本发明特定实施例的附图。具有不同结构和操作的其它实施例不会脱离本发明的范围。
本发明可应用到包括但不限于燃气轮机、航改燃烧涡轮机等的很多种涡轮机。本发明的实施例采用了可对进入涡轮机(以下称为“燃气轮机”)的空气进行加热以提高调节范围的应用和方法的形式。
通过对进入燃气轮机的压缩机的空气(以下称为“入口空气”)进行加热，本发明的实施例具有扩大调节范围的技术效果。如下所述，入口空气通过燃气轮机外部的能量源来加热。
现在参考附图，在全部若干视图中各种标号表示类似的元件，图1为显示了根据本发明第一实施例的、用于扩大燃气轮机105调节范围的系统100的示例的示意图。
图1显示了包括燃气轮机105、余热回收蒸汽发生器(HRSG)110、烟囱115和空气预热器155的站点(site)。通常，燃气轮机105包括具有轴125的轴流式压缩机120。入口空气130进入压缩机120，被压缩并且然后被排到燃烧系统135，在燃烧系统135中燃烧例如天然气的燃料140以提供驱动涡轮区段145的高能量燃烧气体。在涡轮区段145中，热气体的能量转变为功，其中的一些功用于通过轴125来驱动压缩机120，剩余部分可用于用来驱动例如发电器、机械驱动器等(均没有显示)的负载的有用功。来自涡轮区段145的排气150然后可以流向将排气150能量的一部分转变为蒸汽(未示出)的HRSG110。
在基本负载运行期间，燃烧系统135可确保流出烟囱115的排气150满足站点排放要求。取决于燃气轮机105的调节范围，某些部分负载运行可能违背站点排放要求，这可能要求关闭燃气轮机105。调节范围的提高可以避免需要关闭燃气轮机105。此外，扩大的调节范围容许在较低负载下运行燃气轮机105，同时保持遵守排放要求并且消耗更少燃料140。
本发明通过加热入口空气130来扩大调节范围。通常，燃气轮机105的输出(电的、机械的等)由进入压缩机120的质量流量的量来控制。可以认为该质量流量是进入压缩机120的入口空气130的密度和体积流量的乘积。进入压缩机120的体积流量的量可以根据环境温度条件和可变入口导流叶片(IGV)(如果存在于燃气轮机105上)的角度来改变。该IGV角度可以确定在压缩机120的入口处的流截面。该IGV角度可以减小到最小角度，从而限制调节量。在最小IGV角度处，相应的最小体积流量被引入到压缩机120中。
在本发明中，对入口空气130加热降低了密度，从而容许较低密度入口空气130进入压缩机120中。此时，在给定的负载点处，进入压缩机120的体积流量可保持恒定，然而由于入口空气130的密度减小，所以质量流量降低。正如所讨论的，燃气轮机150的输出可以由进入燃气轮机105的质量流量来确定；因此与没有对入口空气130进行加热相比，由于对入口空气130进行了加热，所以产生了较小的输出。
对入口空气130加热还提高了离开压缩机120的空气130的温度(以下称为“压缩机排放温度”)。已加热的入口空气130然后进入燃烧系统135。已加热的空气130有助于达到燃气轮机105的总体全局参考温度(“点火温度”)。已加热的入口空气130容许燃气轮机105消耗更少的燃料140来获得点火温度。此处，如果未加热入口空气130进入压缩机120，则将会消耗更多的燃料140。
总的来说，本发明结合了可以安装在压缩机120上游的至少一个空气预热器155。空气预热器155可以是热交换器等。空气预热器155的尺寸可以设置为以便将入口空气130充分地加热到提高调节范围的温度。
通常，未加热入口空气130的温度可以由环境条件或位于空气预热器155上游的任何空气调节系统(未示出)的出口温度来确定。本发明的一个实施例可以由空气预热器155将入口空气130的温度提高到所容许的任何温度。然而，入口空气130的温度的提高可受到若干因素中的至少一个因素的限制，这些因素例如但不限于：空气预热器155的几何限制，可背离热、运行或机械极限的温度等。例如但不限于，系统100可以将入口空气130的温度从大约59华氏度提高到大约120华氏度。此时，入口空气130可具有3,000,000磅/小时的入口流速。
图1中所示的系统100包括至少一个空气预热器155、预热器供给管线160和预热器排出管线165。预热器供给管线160容许排气150的一部分或者例如但不限于水、蒸汽等的其它流体从HRSG110流到空气预热器155。在本发明的第一实施例中，预热器供给管线160的端部连接到HRSG110的、可以抽取排气150的一部分上。预热器供给管线160从HRSG110接收排气150的一部分。排气150可流过可具有连接到空气预热器155的一部分上的相对端的预热器供给管线160。
本发明的第一实施例容许用户确定在HRSG110上从何处抽取排气150。本发明可容许用户优化HRSG110上的、抽取排气150并将其传送到空气预热器155的位置。当确定HRSG110上的优化位置时用户可以考虑多种因素。例如，这些因素可以包括但不限于下列因素。温度：用来提高入口空气130的温度的流体(排气150、水、蒸汽等)温度应该高于可以通过空气预热器155将入口空气130提高到的最高预期温度。该最高预期温度可以用来确定空气预热器155的大小。流量：流体的流量应该足以供应空气预热器，同时为来自HRSG110的其它需求保持充足的流量等。流体类型：如果可用，使用水作为用于提高入口空气130的温度的流体可能是最好的，可能需要更少的质量流量和相对较小尺寸的空气预热器155。能量源：该流体可以源于可被利用而对于加热入口空气130的整体优点没有负面影响的能量源。例如，该能量源可以包括但不限于：冷凝器或燃料加热器175的出口、包装流等、排气150、来自烟囱115的排出、底循环(bottomingcycle)之外的任何其它能量源。
例如但不限于，站点操作人员可以使用流向冷凝器(未示出)的一部分排气150。此时，因为可能已经提取了产生蒸汽需要的能量，所以可认为该能量是“低值”的。然而，其它站点可以从HRSG110的另一区域抽取排气150。此时，例如但不限于，操作人员可以决定将排气150的一部分转移到空气预热器155，而不是限制进入HRSG110某区段中的排气150流量。
在使用中，系统100在燃气轮机105未处于基本负载时运行。当燃气轮机105卸载时，本发明可以通过预热器供给管线160将排气150的一部分转移到空气预热器155。排气150可以流过空气预热器155的入口部分。当入口空气130流过空气预热器155时，来自排气150的热被传递到入口空气130，并且提高了入口空气130的温度。在流过空气预热器155后，排气150可以经过预热器排出管线165流到烟囱115和/或HRSG110。
图2至图4显示了本发明的备选实施例。本发明的所有实施例之间的主要区别在于用来提高入口空气130的温度的能量源。对图2至图4的讨论集中于在各个备选实施例和图1所示实施例之间的区别。
图2为显示了根据本发明第二实施例的、用于扩大燃气轮机105调节范围的系统200的示例的示意图。此处，第二实施例和第一实施例之间的主要区别在于增加了提供用于提高入口空气130的温度的能量的至少一个外部能量源(EES)170。
EES170可以提供用以将入口空气130加热到容许扩大调节范围的温度的足够的能量。如图2所示，EES170可以消除从HRSG110抽取排气150的需求。在该第二实施例中，排气150可以用于其它目的和/或可以流过烟囱115。备选地，EES170可以结合图1所示的实施例来运行。此时，EES170可以用作用于提高入口空气130的温度和从HRSG110进行抽取的主要能量系统，可以充当第二能量系统(反之亦然)。
EES170可以包括下列能量系统中的至少一个：风力涡轮机、锅炉、发动机、另外的燃气透平、另外的HRSG、发电设备、太阳能源、地热能源、燃料电池/化学反应、外部处理以及它们的组合；它们均没有显示在图2中。前述能量系统中的各能量系统可以间接地或直接地提高入口空气130的温度。
例如但不限于，风力涡轮机可以间接地提高入口流体130的温度。在这里，由风力涡轮机产生的能量可以加热与预热器供给管线160集成的罐(未示出)中的水。已加热的水可以经过预热器供给管线160流到空气预热器155。已加热的水在流过空气预热器155后可以流过可与EES170集成的预热器排出管线165。备选地，例如但不限于，锅炉可以直接地提高入口流体130的温度。此时，预热器供给管线160可以与锅炉的一部分集成。由锅炉产生的蒸汽或热水可以流过预热器供给管线160和空气预热器155。蒸汽或热水在流过空气预热器155后可以流过可与EES170集成的预热器排出管线165。
图3为显示了根据本发明第三实施例的、用于扩大燃气轮机105调节范围的系统300的示例的示意图。此处，第三实施例和第一实施例之间的主要区别在于增加了燃料加热器175。一些燃气轮机105利用加热燃料140作为提高性能的一种方法。燃料加热器175通常对燃气轮机105所处的站点上的燃料140进行加热。燃料加热器175可以具有热交换器等的形式。
如图3所示，排气150可以通过预热器供给管线160离开HRSG110。在本发明的一个实施例中，空气预热器155可以包括容许有多个输入流的多个部分。如图3所示，空气预热器155可以包括与燃料加热器排出管线185集成的第一入口部分和与预热器供给管线160集成的第二入口部分。
在第三实施例中，预热器供给管线160可以与燃料加热器供给管线180集成。此处，排气150的一部分可以流入燃料加热器175。排气150的另一部分可以流入空气预热器155。排气150在流过燃料加热器175后可以经过燃料加热器排放线185流到空气预热器155中。如前面所描述，在流到空气预热器155后，排气150然后可以经过预热器排出管线165流到烟囱155和/或HRSG110。
图4为显示了根据发明第四实施例的、用于扩大燃气轮机105调节范围的系统400的示例的示意图。此处，第四实施例和第一实施例之间的主要区别在于，相对于HRSG110(如图1所示)，排气150从烟囱115中抽取。
在本发明的第四实施例中，预热器供给管线160的某端部连接到烟囱115的一部分上，排气150从该烟囱115中抽取出。排气150可以流过可具有连接到空气预热器155的一部分上的相对端的预热器供给管线160。
本申请使用的用语仅仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。当在本申请中使用时，除非上下文清楚地作出其它说明，单数形式的“此”和“该”也意图包括复数形式。还将理解的是，当在本说明书中使用时，用语“包括”、“包含”明确表明存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件，但是不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合。
虽然本申请已经显示和描述了具体实施例，但是应该想到的是，意图实现同样目的的任何设置都可以代替所示的具体实施例，并且本发明具有在其它环境中的其它应用。本申请意图覆盖本发明的任何修改和改变。所附的权利要求决不意图将本发明的范围限制于本申请所述的具体实施例。

Claims (8)

1.一种用于扩大在部分负载下运行的涡轮机(105)的调节范围的系统(100，200，300，400)，所述系统(100，200，300，400)包括：
包括接收入口空气(130)的压缩机(120)，燃烧系统(135)以及涡轮区段(145)的涡轮机(105)；其中所述涡轮机(105)产生排气；
余热回收蒸汽发生器(HRSG)(110)，其中所述HRSG(110)接收所述排气(150)的一部分并且产生蒸汽；以及
包括至少一个热交换区段的至少一个空气预热器(155)，其中所述至少一个空气预热器(155)在所述入口空气(130)流到所述压缩机(120)之前对所述入口空气(130)进行加热；和
对所述涡轮机(105)所处的站点上的燃料进行加热的燃料加热器(175)；
其中，所述至少一个热交换区段的一部分接收处在容许对所述入口空气(130)进行加热的温度下的流体；并且，其中，所述流体从所述余热回收蒸汽发生器(HRSG)(110)流出，其中，所述流体的一部分(180)流入所述燃料加热器(175)，且所述流体的另一部分(160)流入所述至少一个空气预热器(155)，其中，流入所述燃料加热器(175)的那部分(180)在从该燃料加热器中流过之后流到所述至少一个空气预热器(155)，所述流体(180，185)包括流过所述余热回收蒸汽发生器(HRSG)(110)的排气(150，160)的一部分；并且
其中，对所述入口空气(130)进行加热减少了所述涡轮机(105)的输出并且扩大了由所述压缩机(120)的可变入口导流叶片的最小角度限制的所述调节范围。
2.根据权利要求1所述的系统(100，200，300，400)，其特征在于，扩大了的调节范围包括从所述涡轮机(105)的最大额定负载的5％至所述最大额定负载的40％。
3.根据权利要求1所述的系统(100，200，300，400)，其特征在于，所述入口空气(130)被加热到在所述入口空气(130)的未加热温度以上10华氏度至200华氏度的范围。
4.根据权利要求1所述的系统(100，200，300，400)，其特征在于，所述排气(150)在优化位置处离开所述HRSG(110)，其中所述优化位置容许所述HRSG(110)在所述排气(150)离开后保持运行。
5.根据权利要求4所述的系统(100，200，300，400)，其特征在于，至少一个因素决定所述优化位置。
6.根据权利要求5所述的系统(100，200，300，400)，其特征在于，所述至少一个因素包括：流体温度、流体流量、流体类型和能量源。
7.根据权利要求1所述的系统(100，200，300，400)，其特征在于，所述系统还包括至少一个外部能量源(170)，其中所述至少一个外部热源排出所述流体。
8.根据权利要求1所述的系统(100，200，300，400)，其特征在于，所述系统还包括烟囱(115)，其中所述烟囱(115)接收流向所述HRSG(110)下游的所述排气(150)。
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