CN101639011B - 用于运行联合循环动力设备的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于运行联合循环动力设备的方法及系统。具体而言，本发明提供了一种燃气涡轮发动机动力系统。该燃气涡轮发动机动力系统包括：燃气涡轮发动机系统，其包括通过第一轴联接到发电机(34)上的燃气涡轮发动机(20)，该燃气涡轮发动机包括压缩机(28)、燃烧室以及传动地联接到压缩机和发电机上的涡轮；流动连通地与变速增压器的入口相联接的来自于压缩机的流出空气源；以及流动连通地与变速增压器的出口相联接的空气分离单元(14)，变速增压器(208)通过第二轴联接到变速驱动机上。

Description

用于运行联合循环动力设备的方法及系统
技术领域
本发明大体上涉及发电系统，并且更具体地涉及包括大型变速工艺装备的联合循环动力设备。
背景技术
至少一些公知的一体式气化联合循环动力设备使用空气分离单元来产生用于气化工艺的氧化剂流。为了正确运行，空气分离单元需要流量和压力相对恒定的压缩空气源。马达驱动式压缩机通常用于提供处于所需流量和压力的压缩空气。然而，马达驱动式压缩机是一种使用大量电能的昂贵装备。燃气涡轮发动机的压缩机为另一种压缩空气源。然而，由燃气涡轮发动机的压缩机所供送的空气流量和压力基于发电机上的负载是可变的。
发明内容
在一个实施例中，一种用于运行燃气涡轮发动机动力系统的系统包括燃气涡轮发动机系统，该燃气涡轮发动机系统包括通过第一轴联接到发电机上的燃气涡轮发动机，其中，该燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧室，以及传动地联接到压缩机和发电机上的涡轮。该系统还包括通过第二轴联接到负载上的变速驱动机，例如但不限于涡轮驱动器或电动马达。该系统还包括变速驱动系统，其可选地在燃气涡轮发动机系统的启动顺序期间可联接到燃气涡轮发动机动力系统的第一构造中的变速驱动机上，以及可联接到燃气涡轮发动机动力系统的第二构造中的变速驱动机上。
在另一个实施例中，一种运行发动机驱动型发电机系统的方法，包括：将变速驱动装置的输出电性联接到发动机驱动型发电机上，使用变速驱动装置将发动机驱动型发电机驱动到预定转速来启动发动机，以及当发动机已启动至一定负载时从发动机驱动型发电机切换变速驱动装置的输出，以便使用变速驱动装置来控制负载的启动和变速运行。
在又一个实施例中，一种一体式气化联合循环(IGCC)动力系统包括燃气涡轮发动机驱动型发电机系统，其包括压缩机以及传动地联接到燃气涡轮机上的发电机。该系统还包括流动连通地联接在压缩机与空气分离单元之间的变速增压器，其中该变速增压器构造成用以接收处于可变流量和压力的压缩气流，以及用以产生流向空气分离单元的流量大致恒定且压力大致恒定的压缩气流。变速增压器传动地联接到变速驱动马达上。该系统还包括变速驱动装置，其在启动燃气涡轮发动机驱动型发电机系统期间可联接到发电机上，而在未启动燃气涡轮发动机驱动型发动机系统时可联接到变速驱动马达上。
附图说明
图1至图3示处了本文所述方法及系统的示例性实施例。
图1为示例性一体式气化联合循环(IGCC)发电系统的简图；
图2为图1中所示的根据本发明示例性实施例的系统的一部分的示意性框图；以及
图3为运行发动机驱动型发电机系统的示例性方法的流程图。零件清单10一体式气化联合循环(IGCC)系统12主空气压缩机14空气分离单元(ASU)16气化器18合成气冷却器20燃气涡轮发动机22蒸汽涡轮机24燃气涡轮发动机压缩机26燃气涡轮发动机燃烧器28压缩机30燃料源32净化装置34发电机35启动器36热回收蒸汽发生器37功率系统总线38发电机40泵42断路器44电力变压器46断开开关48启动器控制装置202第一流动通道204中间冷却器206第二流动通道208可变导叶增压器210变速电动马达212开关214处理器300示例性方法302将变速驱动装置的输出电性联接到发动机驱动型发电机上304使用变速驱动装置将发动机驱动型发电机驱动至预定转速来启动发动机306当发动机已启动至一定负载时从发动机驱动型发电机切换变速驱动装置的输出，以便使用变速驱动装置来控制负载的启动和变速运行
具体实施方式
以下详细描述通过举例而非限制的方式示出了本发明的实施例。设想到的是，本发明对于在工业、商业和居住应用中运行包括电力驱动装备的变速机器具有普遍的适用性。
如本文所用，以单数形式描述的且冠以用词“一个”或“一种”的元件或步骤应当理解为并未排除复数个元件或步骤，除非明确地指出这种排除。此外，参照本发明的“一个实施例”并非意图理解为排除了同样结合所述特征的其它实施例的存在。
图1为示例性的一体式气化联合循环(IGCC)发电系统10的简图。IGCC系统10大体上包括主空气压缩机12、流动连通地联接到压缩机12上的空气分离单元(ASU)14、流动连通地联接到ASU 14上的气化器16、流动连通地联接到气化器16上的合成气冷却器18、流动连通地联接到合成气冷却器18上的燃气涡轮发动机20，以及流动连通地联接到合成气冷却器18上的蒸汽涡轮机22。在多个实施例中，气化器16和合成气冷却器18结合成单个的一体式容器。
在运行中，压缩机12压缩周围空气，之后将其引导到ASU14中。在示例性实施例中，除了来自于压缩机12的压缩空气之外，来自于燃气涡轮发动机的压缩机24的压缩空气也供送到ASU 14中。作为备选，来自于燃气涡轮发动机的压缩机24的压缩空气供送到ASU14中，而非来自于压缩机12的压缩空气供送到ASU 14中。在示例性实施例中，ASU 14使用压缩空气来产生氧气，以备气化器16使用。更具体而言，ASU 14将压缩空气分成单独的氧气(O2)流和气体副产物，有时称作是“工艺气体”。如下文更为详细地描述，O2流引入到气化器16中用于产生部分燃烧的气体，文中称作“合成气”，以便由燃气涡轮发动机20作为燃料使用。
由ASU 14产生的工艺气体包括氮气，并且在文中将称作“含氮工艺气体”(NPG)。NPG还可包括其它气体，例如但不限于氧气和/或氩气。例如，在示例性实施例中，NPG包括大约95％至大约100％之间的氮气。在示例性实施例中，至少一些NPG流从ASU 14排向大气，并且至少一些NPG流进入到燃气涡轮发动机燃烧器26内的燃烧区(未示出)中，以便于控制发动机20的排放物，并且更具体而言，是便于降低燃烧温度以及减少从发动机20排出的氮氧排放物。在示例性实施例中，IGCC系统10包括用于在将含氮工艺气流注入燃气涡轮发动机燃烧器26的燃烧区之前对其压缩的压缩机28。
在示例性实施例中，气化器16将从燃料源30供送的燃料、由ASU 14供送的O2、蒸汽和/或石灰石所组成的混合物转化为合成气输出，以便由燃气涡轮发动机20作为燃料使用。尽管气化器16可使用任何燃料，但在示例性实施例中，气化器16使用煤、石油焦、残油、油品乳化液、含油砂和/或其它类似燃料。此外，在示例性实施例中，由气化器16产生的合成气包括二氧化碳。气化器16可为固定床气化器、流化床气化器和/或完全携带式气化器。
在示例性实施例中，将气化器16所生成的合成气引导到合成气冷却器18中以便于冷却合成气，如下文更为详细地描述。已冷却的合成气从合成气冷却器18引导到净化装置32中，以便在将合成气引导到燃气涡轮发动机燃烧器26中使其燃烧之前净化该合成气。在净化期间，可从合成气中分离出二氧化碳(CO2)，且在示例性实施例中，二氧化碳(CO2)可排放到大气中。燃气涡轮发动机20驱动将电能供送给电网(未示出)的发电机34。来自于燃气涡轮发动机20的排气引入到产生蒸汽以便驱动蒸汽涡轮机22的热回收蒸汽发生器36中。由蒸汽涡轮机22产生的动力驱动将电能提供给电网的发电机38。在示例性实施例中，来自于热回收蒸汽发生器36的蒸汽供送给气化器16用于产生合成气。
在示例性实施例中，当启动燃气涡轮发动机20时，诸如负载换流逆变器(LCI)或静止变频器(SFC)的启动器35经由断路器42和电力变压器44从功率系统总线37接收AC电功率。启动器35将AC功率整流成DC功率，然后将DC功率转换成具有可变AC频率的AC功率，以经由断开开关46供送给发电机34。发电机34用作同步马达来提供启动燃气涡轮发动机20所需的转矩控制。当燃气涡轮发动机20获得可保持其自身燃烧能量的自持速度时，断开开关46断开以将启动器35与发电机34隔离开。还可断开断路器42，以切断来自于功率系统总线37的供电。启动器控制装置48接收多种传感和指令信号，当发电机34在燃气涡轮发动机20启动期间用作马达时，启动器控制装置48处理该传感和指令信号来调节发电机34的运行。启动器35为发电机34提供速度可调的运行以及软启动。软启动减小了发电机34和燃气涡轮发动机20上的机械应力，并且有助于消除AC功率系统37上的电启动浪涌。输出变压器容许启动器35结合任何电压机器运行。
此外，在示例性实施例中，系统10包括泵40，泵40将来自于蒸汽发生器36的沸水供送给合成气冷却器18，以便于冷却从气化器16引入的合成气。引导沸水经过合成气冷却器18，在其中将水转变成蒸汽。来自于合成气冷却器18的蒸汽然后回到蒸汽发生器36，以便在气化器16、合成气冷却器18和/或蒸汽涡轮机22内使用。
图2为根据本发明示例性实施例的系统10的一部分的示意性框图。在示例性实施例中，来自于燃气涡轮发动机的压缩机24的压缩空气经由中间冷却器204以及例如可变导叶增压器208供送给ASU 14。具体而言，在示例性实施例中，高温压缩空气从燃气涡轮发动机的压缩机24引导穿过中间冷却器204的第一流动通道202。冷却流体流经由第二流动通道206流经中间冷却器204。ASU 14使用压缩空气来产生氧气，以备气化器16使用。更具体而言，ASU 14将压缩空气分成单独的氧气(O2)流和气体副产物，有时称作“工艺气体”。ASU14有助于提高系统10的总效率，供送给ASU 14的压缩空气从燃气涡轮发动机的压缩机24中流出，并且使用可变导叶增压器208来保持在相对恒定的压力。
在运行期间，燃气涡轮发动机的压缩机24将压缩空气供送给燃烧器26和ASU 14。从燃气涡轮发动机的压缩机24排出的压缩机流出气流的压力为可变的，并且与发电机34上的负载有关。代替将可变压力的压缩机流出气流直接引导到ASU 14，可变导叶增压器208通过使用启动器35来调整可变导叶增压器208的速度以及使用可变导叶增压器208上的一组可变导叶来调节通向ASU 14的具有变化速度的气流，用来调节通向ASU 14的入口压力，使得供送给ASU 14的气流在燃气涡轮发动机20的运行负载的较宽范围内处于大致恒定的压力。
为了调节引向ASU 14的气流的压力，可变导叶增压器208以可变速度旋转来保持大致恒定的出口压力。为了调整从燃气涡轮发动机的压缩机24流到ASU 14的压缩空气的气流，可变导叶增压器208将导叶定位成用以调节由转速和ASU 14的各气流要求的变化所引起的流动中的波动。可变导叶增压器208的运行容许因燃气涡轮发动机20上的负载变化所引起的压缩机流出空气流量和/或压力的较宽波动，同时在ASU 14的入口处保持大致恒定的气压和所需的气流量。
在示例性实施例中，可变导叶增压器208由变速电动马达210供以动力。在用来启动燃气涡轮发动机20之后，启动器35停止服务并在现有技术的功率系统中将保持在备用状态，直到燃气涡轮发动机20的下次启动。然而，在本发明的多种实施例中，启动器35切换成用以在启动燃气涡轮发动机20之后的系统10运行期间将变速功率提供给可变导叶增压器208。例如，开关212可选地将启动器35的输出连接到发电机34或可变导叶增压器208上。在备选实施例中，开关212可包括例如但不限于可联接到变速功率总线上的两个或多个断路器。在示例性实施例中，控制装置48包括处理器214，并且被构造成用以接收指令来控制连同发电机34或可变导叶增压器208一起的启动器35的运行。
如本文所用，用语“处理器”是指中央处理器、微处理器、微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路，以及能够执行本文所述功能的其它任何电路或处理器。
如本文所用，用语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储于存储器中用来由处理器214执行的任何计算机程序，存储器包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器，以及非易失性RAM(NVRAM)存储器。上述存储器类型仅为示例性的，且因此不限制可用来存储计算机程序的存储器类型。
图3为运行发动机驱动型发电机系统的示例性方法300的流程图。在示例性实施例中，方法300包括：将变速驱动装置的输出电性联接302到发动机驱动型发电机上，使用变速驱动装置将发动机驱动型发电机驱动到预定转速来启动304发动机，以及当发动机已启动至一定负载时从发动机驱动型发电机切换306变速驱动装置的输出，以便使用变速驱动装置来控制负载的启动和变速运行。
如基于前述说明将认识到的那样，实现本文的上述实施例可使用计算机编程或工程技术，包括计算机软件、固件、硬件或它们的任何组合或子集，其中，技术效果在于控制变速驱动装置，该变速驱动装置可联接到多个不同类型的变速负载上，例如但不限于用作马达的发电机以及同步和异步马达驱动装置。具有计算机可读代码手段的任何这类最终的程序可嵌入或提供在一个或多个计算机可读介质内，从而根据本文所述的实施例来制作计算机程序产品，即制品。计算机可读介质可为例如但不限于固定(硬盘)驱动器，磁盘、光盘、磁带、半导体存储器如只读存储器(ROM)，以及/或者任何传送/接收介质如国际互联网或其它通信网络或链路。包含计算机代码的制品可通过执行直接来自于一个介质上的代码，通过将代码从一个介质复制到另一个介质上，或通过在网络上传输代码来制作和/或使用。
运行联合循环动力设备的方法及系统的上述实施例提供了一种用于将可调流量和大致恒定的压力提供给空气分离单元的成本效益合算且可靠的手段。更具体而言，本文所述的方法及系统便于使用流量和压力可变的压缩机流出空气来供给空气分离单元。此外，上述方法及系统容许使用较为便宜的增压器来调整燃气涡轮发动机压缩机的压缩机流量乃至压力变化，而不是必须由相对更贵的独立的马达驱动式压缩机来向空气分离单元提供可调的流量和大致恒定的压力。因此，本文所述的方法及系统便于以成本效益合算且可靠的方式来运行动力设备。
上文详细地描述了用于运行联合循环动力设备的示例性方法及系统。所示系统并不限于本文所述的特定实施例，而是相反，各系统的构件均可与本文所述的其它构件独立地和分开地应用。各系统构件还可结合其它系统构件一起使用。
尽管已根据多种特定实施例描述了本发明所公开的内容，但应当认识到，本发明所公开的内容可使用属于权利要求精神和范围内的变型来实施。

Claims (18)

1.一种燃气涡轮发动机动力系统，包括：
燃气涡轮发动机系统，其包括通过第一轴联接到发电机上的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧室，以及传动地联接到所述压缩机和所述发电机上的涡轮；
流动连通地与变速增压器的入口相联接的来自于所述压缩机的流出空气源；
流动连通地与所述变速增压器的出口相联接的空气分离单元，所述变速增压器通过第二轴联接到变速驱动马达上，其中，所述变速增压器通向所述空气分离单元，所述变速驱动马达传动地联接到所述变速增压器上，所述增压器还构造成使用所述变速马达控制所述变速增压器的转速，以将压缩空气流以大致恒定的压力输送到所述空气分离单元；以及
变速驱动装置，其在启动所述燃气涡轮发动机驱动型发电机系统期间可联接到所述发电机上，而在未启动所述燃气涡轮发动机驱动型发电机系统时可联接到所述变速驱动马达上。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变速驱动装置包括电力变频器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变速驱动装置包括负载换流逆变器(LCI)和静止启动装备(SSE)中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变速增压器包括构造成用以调整穿过所述变速增压器的流量的一排或多排可变导叶。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变速增压器包括轴向增压器和离心增压器中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括构造成用以将压缩空气流以大致恒定的压力输送到空气分离单元上的压缩空气供送系统，所述压缩空气供送系统包括来自于所述压缩机的流出空气源，中间冷却器，以及串联流动连通地联接的变速增压器。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变速驱动装置包括负载换流逆变器。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变速驱动马达包括同步马达。
9.一种运行发动机驱动型发电机系统的方法，所述系统包括构造成用以将压缩空气流供送至空气分离单元的压缩机，所述方法包括：
将变速驱动装置的输出电性联接到发动机驱动型发电机上；
使用所述变速驱动装置将所述发动机驱动型发电机驱动到预定转速来启动所述发动机；
当所述发动机已启动至一定负载时从所述发动机驱动型发电机切换所述变速驱动装置的输出，以便使用所述变速驱动装置来控制所述负载的启动和变速运行，其中当所述发动机已启动至一定负载时从所述发动机驱动型发电机切换所述变速驱动装置的输出包括切换所述变速驱动装置的输出至传动地联接到变速增压器上的同步马达；以及
使用所述变速增压器来保持匹配需求的压缩空气流在大致恒定的压力下通向空气分离单元，所述空气分离单元与所述压缩机成流动连通地联接，其中，所述变速增压器通向所述空气分离单元。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述变速驱动装置包括负载换流逆变器。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使用所述变速驱动装置来启动所述发动机包括通过驱动所述发动机驱动型发电机作为同步马达来启动所述发动机。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，启动所述发动机包括使用负载换流逆变器来启动所述发动机。
13.一种一体式气化联合循环(IGCC)动力系统，包括：
燃气涡轮发动机驱动型发电机系统，其包括压缩机以及传动地联接到燃气涡轮机上的发电机；
流动连通地联接在所述压缩机与空气分离单元之间的变速增压器，所述变速增压器构造成用以从所述压缩机接收处于可变流量和压力的压缩气流，以及用以产生流量使用一个或多个可变导叶而匹配需求且压力大致恒定的压缩气流以供送至所述空气分离单元，所述变速增压器传动地联接到变速驱动马达上；以及
变速驱动装置，其在启动所述燃气涡轮发动机驱动型发电机系统期间可联接到所述发电机上，而在未启动所述燃气涡轮发动机驱动型发电机系统时可联接到所述变速驱动马达上，其中，所述变速增压器通向所述空气分离单元。
14.根据权利要求13所述的一体式气化联合循环(IGCC)动力系统，其特征在于，所述一体式气化联合循环(IGCC)系统还包括构造成用以接收燃料流和氧化剂流的气化容器，所述气化容器构造成用以使用所述氧化剂流来部分地氧化所述燃料流以生成合成气体。
15.根据权利要求13所述的一体式气化联合循环(IGCC)动力系统，其特征在于，所述变速驱动马达包括同步马达。
16.根据权利要求13所述的一体式气化联合循环(IGCC)动力系统，其特征在于，所述变速驱动装置包括含有处理器的控制装置，所述处理器经编程以当所述燃气涡轮发动机驱动型发电机系统获得预定转速时启动所述燃气涡轮发动机驱动型发电机系统。
17.根据权利要求13所述的一体式气化联合循环(IGCC)动力系统，其特征在于，所述变速驱动装置包括含有处理器的控制装置，所述处理器经编程以：
接收指令来控制所述变速驱动装置的运行。
18.根据权利要求13所述的一体式气化联合循环(IGCC)动力系统，其特征在于，所述一体式气化联合循环(IGCC)系统还包括在所述压缩机和所述变速增压器之间成流动连通地联接的中间冷却器，所述中间冷却器构造成用以降低来自所述压缩机的压缩空气流的温度。
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