CN101881219A - 用外部火焰加热器预热进口空气并降低向外渗流 - Google Patents

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A·巴沙
S·罗卡纳斯
R·萨哈
I·马宗德
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Abstract

本发明涉及用外部火焰加热器预热进口空气并降低向外渗流，具体来说，在某些实施例中，一种系统包括空气加热系统(68)。该空气加热系统(68)构造为用涡轮发动机(12)的外部的余热源(22，32，124，126，138)所产生的余热加热空气(72)。该空气加热系统(68)还构造为将加热的空气(72)输送至涡轮发动机(12)的压缩机(20)。

Description

用外部火焰加热器预热进口空气并降低向外渗流
技术领域
本文公开的主题涉及燃气涡轮机进口空气温度的调节，且更具体地，涉及使用外部火焰加热器来预热燃气涡轮机的进口空气，导致当在冷环境条件下或低于ISO(国际标准化组织)标准日温度的环境温度下操作燃气涡轮机时极大地减少或消除向外渗流(overboard bleeding)。
背景技术
在某些应用中，燃气涡轮机压力比可达到对于燃气涡轮机的压缩机的极限。例如，在使用低BTU(英国热量单位)燃料作为燃气涡轮机的燃烧室中的燃料源的应用中，或在以较低环境温度为特征的地方，压缩机的压力比可能变得低于燃气涡轮机的涡轮机的压力比。为提供压缩机压力比保护(例如，降低压缩机失速的可能性)，从压缩机排放的空气可作为向外渗流空气放出。然而，从压缩机排放的渗流压缩空气会降低净效率，因为被消耗用来提高压缩机内的空气压力的能量没有回收。
发明内容
下文将概述与原始要求的发明范围相称的某些实施例。这些实施例并非意欲限制所要求的发明的范围，相反这些实施例仅意欲提供本发明的可能形式的简述。事实上，本发明可包括类似于或不同于下述实施例的各种形式。
在第一实施例中，一种系统包括涡轮发动机。该系统还包括联接至涡轮发动机的空气进口的空气加热系统。该空气加热系统构造成用涡轮发动机的外部的余热源所产生的余热来加热输送至空气进口的空气。
在第二实施例中，一种系统包括空气加热系统。该空气加热系统构造成用涡轮发动机的外部的余热源所产生的余热来加热空气。该空气加热系统还构造成将加热的空气输送至涡轮发动机的压缩机。
在第三实施例中，一种方法包括用涡轮发动机的外部的余热源所产生的余热来加热空气。该方法还包括将加热的空气输送至涡轮发动机的压缩机。
附图说明
当参照附图阅读下文的具体实施方式时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。所有附图中相似的字符代表相似的部件，其中：
图1是联合循环发电系统的一个实施例的示意性流程图，该联合循环发电系统具有燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、热回收蒸汽发生(HRSG)系统、燃料气系统以及空气加热系统；
图2是可产生供燃料气系统内使用的燃料气源的钢厂的一个实施例的工艺流程图；
图3是图1的燃料气系统的一个实施例的示意性流程图；
图4是图1的联合循环发电系统的燃气涡轮机、HRSG系统和燃料气系统的一个实施例的示意性流程图，图示了燃料气进入燃气涡轮机的燃烧室的路线；
图5是燃气涡轮机、HRSG系统、燃料气系统及空气加热系统的一个实施例的示意性流程图，图示了使用外部火焰加热器及相关的空气预热器作为外部余热源来升高进入燃气涡轮机的压缩机的进口空气的温度；且
图6是燃气涡轮机、HRSG系统、燃料气系统及空气加热系统的一个实施例的示意性流程图，图示了使用多个外部余热源来升高进入燃气涡轮机的压缩机的进口空气的温度。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简洁的描述，在说明书中并不描述实际实施方案中所有的特征。应了解的是，在任何此类实际实施方案的研发中，如在任何工程项目或设计项目中，要实现研发者的具体目标，必须做出许多实施方案特定的决定，例如，遵守与系统相关的限制以及与商业相关的限制，这些限制可能从一个实施方案到另一个实施方案而变化。此外，还应了解的是，这种研发的努力可能是复杂而耗时的，但对于受益于本发明公开的技术人员，这依然会是一种设计、制作、制造的日常任务。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，用词“一”、“一个”、“该”以及“所述”意在指存在有一个或多个元件。用语“包含”、“包括”以及“具有”意在为包含性的，并且意指除列举的元件外还可能有其他的元件。
所公开的实施例包括用燃气涡轮机外部的热源所产生的余热来加热进入燃气涡轮机的压缩机的进口空气的系统和方法。例如，在某些实施例中，来自以高炉气和焦炉气的气体混合物为燃料的火焰加热器的余热可用来加热进入燃气涡轮机的压缩机的进口空气。然而，如下文更加详细地描述，可使用来自各种外部源的余热来加热进口空气。事实上，在某些实施例中，可使用来自多个外部源的余热来加热进口空气。因此，本文提出的系统和方法的一个方面是预热燃气涡轮机压缩机的进口空气。通过这样做，可在最小化燃气涡轮机的向外渗流流量的同时，保持燃气涡轮机的压力比极限和所需的燃烧室出口温度极限。通过降低向外渗流流量，可提高燃气涡轮机的总体性能，且此外还可提高燃气涡轮机可在其中运行的联合循环发电系统的总体性能。当燃气涡轮机运行于低于ISO标准日温度的环境温度下时，尤其如此。
图1是联合循环发电系统10的一个实施例的示意性流程图，该联合循环发电系统10具有燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、热回收蒸汽发生(HRSG)系统、燃料气系统以及空气加热系统。如下文更加详细地描述，燃料气系统可构造为通过掺混多种副产气体(例如，来自钢厂的高炉气和焦炉气)而将燃料气输送至燃气涡轮机。另外，同样如下文更加详细地描述的，空气加热系统可使用外部余热源来加热可输送至燃气涡轮机的环境进口空气。
系统10可包括用于驱动第一负载14的燃气涡轮机12。第一负载14可以是例如用来产生电力的发电机。燃气涡轮机12可包括涡轮机16、燃烧器或燃烧室18以及压缩机20。系统10还可包括用于驱动第二负载24的蒸汽涡轮机22。第二负载24也可以是用来产生电力的发电机。然而，第一负载14和第二负载24可以是能由燃气涡轮机12和蒸汽涡轮机22驱动的其他类型的负载。另外，尽管燃气涡轮机12和蒸汽涡轮机22可如所示实施例中所显示的那样驱动单独的负载14和24，但也可以串接的方式使用燃气涡轮机12和蒸汽涡轮机22，以经由单一的轴驱动单一的负载。在所示的实施例中，蒸汽涡轮机22可包括一个低压区段26(LP ST)、一个中压区段28(IP ST)以及一个高压区段30(HP ST)。然而，蒸汽涡轮机22以及燃气涡轮机12的具体构造可以是实施方案特定的，并且可包括区段的任何组合。
系统10还可包括多级HRSG 32。所示实施例中的HRSG 32的部件是HRSG 32的简化描绘，且并非意在为限制性的。相反，图示的HRSG 32被显示以传达此类HRSG系统的一般性操作。来自燃气涡轮机12的加热的排气34可输送到HRSG 32中，并且用来加热用于为蒸汽涡轮机22提供动力的蒸汽。来自蒸汽涡轮机22的低压区段26的排气可被导入冷凝器36。来自冷凝器36的冷凝水又可借助冷凝水泵38而导入HRSG 32的低压区段。
然后，冷凝水可流过低压节约器40(LPECON)，低压节约器40是一种构造为用气体加热给水的装置，其可用来加热冷凝水。冷凝水的一部分可从低压节约器40导入低压蒸发器42(LPEVAP)，同时可将其余的冷凝水泵向中压节约器44(IPECON)。来自低压蒸发器42的蒸汽可返回至蒸汽涡轮机22的低压区段26。同样地，冷凝水的一部分可从中压节约器44导入中压蒸发器46(IPEVAP)，同时可将其余的冷凝水泵向高压节约器48(HPECON)。另外，来自中压节约器44的蒸汽可送往燃料气加热器(未显示)，在燃料气加热器中，可使用蒸汽来加热供燃气涡轮机12的燃烧室18中使用的燃料气。来自中压蒸发器46的蒸汽可送往蒸汽涡轮机22的中压区段28。此外，由于所示实施例仅为可能采用当前实施例独特方面的HRSG系统的一般性操作的说明性实施例，所以节约器、蒸发器与蒸汽涡轮机22之间的连接可在实施方案之间而不同。
最后，来自高压节约器48的冷凝水可导入高压蒸发器50(HPEVAP)。离开高压蒸发器50的蒸汽可导入初级高压过热器52以及终级高压过热器54，在那里蒸汽被过热并且最终送往蒸汽涡轮机22的高压区段30。来自蒸汽涡轮机22的高压区段30的排气又可导入蒸汽涡轮机22的中压区段28。来自蒸汽涡轮机22的中压区段28的排气可导入蒸汽涡轮机22的低压区段26。
中级温度控制器56可位于初级高压过热器52与终级高压过热器54之间。中级温度控制器56可允许对来自终级高压过热器54的蒸汽的排放温度进行更有力的控制。具体来说，中级温度控制器56可配置为每当离开终级高压过热器54的蒸汽的排放温度超过预定值时，通过将较冷的给水喷洒进位于终级高压过热器54上游的过热蒸汽中来控制离开终级高压过热器54的蒸汽的温度。
另外，来自蒸汽涡轮机22的高压区段30的排气可导入初级再热器58和二级再热器60，在那里排气可在被导入蒸汽涡轮机22的中压区段28之前被再热。初级再热器58和二级再热器60还可与中级温度控制器62相关联，以便控制来自再热器的排放蒸汽温度。具体来说，中级温度控制器62可配置为每当离开二级再热器60的蒸汽的排放温度超过预定值时，通过将较冷的给水喷洒进位于二级再热器60上游的过热蒸汽中来控制离开二级再热器60的蒸汽的温度。
在诸如系统10的联合循环系统中，热排气34可从燃气涡轮机12流出，并经过HRSG 32，且可用来产生高压高温的蒸汽。然后，HRSG32所产生的蒸汽可经过燃气涡轮机22用于发电。另外，还可将产生的蒸汽供应至可能使用过热蒸汽的任何其他过程。燃气涡轮机12循环常称为“至顶循环”，而蒸汽涡轮机22的发电循环常称为“及底循环”。通过如图1所示将这两个循环联合，联合循环发电系统10可导致两个循环中更大的效率。具体而言，可捕获来自至顶循环的余热并将其用来产生用于在及底循环中使用的蒸汽。
燃气涡轮机12可使用来自燃料气系统64的燃料操作。具体来说，燃料气系统64可给燃气涡轮机12供应燃料气66，燃料气66可在燃气涡轮机12的燃烧室18内燃烧。另外，如下文更加详细地描述的，可使用空气加热系统68来提高环境进口空气70的温度(该温度可能为低于ISO标准日温度的温度)，从而产生加热的进口空气72，该进口空气72可在燃气涡轮机12的压缩机20内进行压缩。
尽管燃气涡轮机12的燃烧室18内使用的优选燃料气可为天然气，但也可使用任何适合的燃料气66。燃料气系统64可以各种方式产生供燃气涡轮机12内使用的燃料气66。在某些实施例中，燃料气系统64可由其他的碳氢化合物源产生燃料气66。例如，燃料气系统64可包括煤气化过程，其中由于与蒸汽的相互作用以及气化器内的高压和高温，气化器使煤化学分解。气化器从该过程可产生主要是CO和H2的燃料气66。此燃料气66常称为“合成气”，并且可在燃气涡轮机12的燃烧室18内燃烧，这与天然气很相似。
然而，在其他实施例中，燃料气系统64可接收来自其他过程的燃料气源并对之进一步处理，以产生由燃气涡轮机12使用的燃料气66。例如，在某些实施例中，燃料气系统64可接收由钢厂产生的燃料气源。图2是钢厂74的一个实施例的工艺流程图，钢厂74可产生供燃料气系统64内使用的燃料气源。钢厂74的钢铁生产过程典型地产生大量的作为副产物的特种气体。
例如，如图2中所示，钢铁的生产中有三个主要的工艺阶段，它们都产生气体。具体来说，焦炉76可接收煤78(例如，沥青煤)，并且在无氧条件下使用煤78的干馏来生产焦炭80。焦炉气80也可作为焦炉76内生产焦炭80的过程的副产品而产生。接下来，可将焦炉76生产的焦炭80以及铁矿石84导入高炉86。高炉86内可生产生铁88。另外，也可产生作为高炉86的副产物的高炉气90。然后，可将高炉86生产的生铁88导入转炉92，在转炉92内，生铁88可用氧气和空气炼成钢94。另外，可产生作为用来在转炉92内生产钢94的过程的副产物的转炉气96。
因此，钢厂74可产生三种单独的副产气体，例如，焦炉气82、高炉气90以及转炉气96，它们都可以用不同的化学成分和性质来表征。例如，焦炉气82可通常由约50％-70％的氢(H2)及25％-30％的甲烷(CH4)组成，且可具有约4,250kcal/Nm3的较低热值(LHV)。相反，高炉气90可通常由约5％的氢气和20％的一氧化碳(CO)组成，且可具有仅约700kcal/Nm3的LHV。另外，转炉气96可通常由约60+％的一氧化碳组成，且可具有约2,500kcal/Nm3的LHV。因此，相比于焦炉气82和转炉气96，高炉气90可具有相当低的LHV。然而，燃料气系统64可将高炉气90与焦炉气82掺混在一起，以产生满足对于燃气涡轮机12最小和最大可接受LHV阈值的燃料气66。
图3是图1的燃料气系统64的一个实施例的示意性流程图。高炉气(BFG)90和焦炉气(COG)82可分别通过单独的馈送管线(例如，BFG馈送管线98及COG馈送管线100)接收进入燃料气系统64。BFG隔离阀102可用于控制进入BFG馈送管线98的高炉气90的流量，而COG隔离阀104可用于控制进入COG馈送管线100的焦炉气82的流量。更具体来说，BFG隔离阀102和COG隔离阀104可用于在“开”与“关”位置之间调节到燃气涡轮机12的燃料气66的流量。
燃料气系统64还可在COG馈送管线100中包括位于BFG-COG混合点108上游的COG流量控制阀106。COG流量控制阀106可起到流量调节器的作用，并且可对焦炉气82进行控制和计量，以确保在所有操作条件期间燃气涡轮机12内使用的燃料气66的LHV都处在可接受的极限范围内。具体来说，COG流量控制阀106可对高BTU的焦炉气82进行控制和计量，从而与低BTU的高炉气90掺混，以在燃气涡轮机12的操作极限内提高燃料气66混合物的LHV。
如上文关于图2所述的，钢的生产会导致产生大量的低BTU高炉气90。例如，高炉气90可具有约700kcal/Nm3的LHV，且可以稍高于大气压的压力得到。钢厂74中产量较少的另一副产气体焦炉气82可与低BTU的高炉气90掺混，以将燃料气66混合物的热值升高至约1,050kcal/Nm3或燃气涡轮机12所需的另一最小的可接受LHV。例如，高炉气90与焦炉气82可相互掺混，以使得质量流率分别处于约250磅/秒(pps)及10磅/秒的数量级上。然而，焦炉气82可含有大量的焦油和颗粒物。因此，燃料气系统64在某些实施例中还可构造为在对燃料气66进行压缩并将其输送至燃气涡轮机12之前去除焦油、灰尘以及颗粒物。
在燃料气系统64中进行清洁和掺混之后，可对燃料气66混合物的低压进行增压，然后将燃料气66注入到燃气涡轮机12的燃烧室18内。如图所示，燃料气系统64可包括两个或更多级，例如，第一压缩机110和第二压缩机112。第一压缩机110和第二压缩机112可例如为离心压缩机，且可设计成使得来自第二压缩机112的燃料气66的排放压力足以满足燃气涡轮机12的燃料压力要求。在某些实施例中，每个压缩机均可与相应的喘振控制阀和再循环管线相关联，以在相应压缩机110、112的部分负载操作(即，低于正常流率的操作)期间，为喘振保护再循环最小的体积流量。
另外，如图所示，燃料气系统64可包括一系列换热器或冷却器，例如，高压中冷器114、低压中冷器116及调温冷却器118。在某些实施例中，这三个冷却器114、116、118可位于第一压缩机110的下游，但位于第二压缩机112的上游。冷却器114、116、118可用于确保进入第二压缩机112的燃料气66的温度保持低于预定的温度水平。例如，进入第二压缩机112的燃料气66可保持低于104°F。
高压中冷器114和低压中冷器116的尺寸可设置成满足环境条件下的最佳性能。另外，高压中冷器114和低压中冷器116可与联合循环发电系统10的其他部件一体地结合以获得性能增加。具体来说，用于高压中冷器114的进口冷却剂源可以是来自HRSG 32的高压给水泵的水，且出口水可引入HRSG 32的高压节约器48内。另外，用于低压中冷器116的进口冷却剂源可以是来自冷凝水泵38的冷凝水，且出口水可再循环回到HRSG 32的低压节约器40内。
调温冷却器118的尺寸可对联合循环运行和简单循环运行二者进行设置。调温冷却器118可利用来自冷却水回路的冷却水，或者冷却回路中的其他冷却剂。出口水可排放进入排热系统。在简单循环运行期间(此时高压中冷器114和低压中冷器116不工作)，调温冷却器118可设计成执行最大热交换，以将例如从第一压缩机110排放的约450°F的燃料气66冷却至在第二压缩机112入口处的约104°F。然而，这些最高温度和最低温度仅为说明性的，且可根据应用特定的操作条件而极大地变化。在正常条件下的联合循环运行期间，所有三个冷却器114、116和118可都处于运行状态。
为保持在压缩机110、112的机械极限范围内，可将压缩机110、112的最大出口温度保持低于预定的温度水平(例如，400°F、425°F、450°F、475°F、500°F等等)。由于预计进口温度会随着环境条件而变化，所以调温冷却器118的冷侧流量控制阀可负责将调温冷却器118的出口温度控制到最高温度水平(例如，80°F、100°F、120°F、140°F、160°F等等)。同样，在某些实施例中，每个压缩机均可与分离器相关联，分离器可用于从燃料气66中去除由于高压中冷器114、低压中冷器116和调温冷却器118之间的温降而可能引入燃料气66的冷凝水。
燃料气系统64还可包括安全切断阀(SSOV)120，以紧急切断进入燃气涡轮机12的燃料气66。在燃料气66的压力已经在燃料气系统64中经过增压之后，可通过一系列互连的管道、歧管和净化系统(未显示)将燃料气66导入燃气涡轮机12的燃烧室18。图4是图1的联合循环发电系统10的燃气涡轮机12、HRSG 32和燃料气系统64的一个实施例的示意性流程图，图示了燃料气66进入燃气涡轮机12的燃烧室18的路线。在较冷的环境温度下，燃气涡轮机12的压缩机20可接收并压缩环境进口空气70，环境进口空气70可处于低于59°F的ISO标准日温度的温度。压缩机20可将压缩空气导入燃气涡轮机12的燃烧室18。燃料源66可与从压缩机20接收的压缩空气混合，并在燃烧室18内燃烧。然后，可将来自燃烧室18的热气导入燃气涡轮机12的涡轮机16中。热气的压力/流动驱动涡轮机16中的叶片以转动轴，而轴又驱动负载14。
在某些应用中，燃气涡轮机12的压力比可接近压缩机20的极限。例如，在使用低BTU燃料作为燃烧室18内的燃料源的应用中，或者在以较低环境温度为特征的地方，压缩机20的压力比(例如，离开压缩机20的空气压力与进入压缩机20的空气压力之比)可能变得低于涡轮机16的压力比(例如，离开涡轮机16的热气压力与进入涡轮机16的热气压力之比)。为给压缩机20提供压力比保护(例如，降低压缩机20失速的可能性)，可经由向外渗流空气122管线来渗流从压缩机20排放的空气。
从压缩机20渗流的空气量可随环境条件和燃气涡轮机12的输出而变化。更具体来说，渗流的空气量可随着更低的环境温度和更低的燃气涡轮机12的负载而增大。另外，如上所述，在使用低BTU燃料气66的燃气涡轮机12的应用中，燃料气66的流率通常比在类似的天然气燃料应用中要高得多。这主要是因为这一事实：必须使用更多的低BTU燃料以获得相当的加热温度或所需的燃烧温度。因此，可在压缩机20上施加额外的背压。在这些应用中，也可渗流从压缩机20排放的空气，以降低背压并改善压缩机20的失速余量(例如，用于防止失速的设计误差余量)。
然而，从压缩机20排放的渗流压缩空气可能降低联合循环发电系统10的净效率，因为燃气涡轮机12的燃烧室18和涡轮机16没有回收被消耗用来提高压缩机20内进口空气40的压力的能量。然而，无需浪费引入到从压缩机20排出的向外渗流空气122中的能量。相反，可重新捕获向外渗流空气122中的能量。
一种用于重新捕获向外渗流空气122中的能量的技术可以是将向外渗流空气122引入来自燃气涡轮机12的涡轮机16的加热排气流34中。通过将向外渗流空气122与来自燃气涡轮机12的加热排气34结合，可在HRSG 32中重新捕获向外渗流空气122中的热能。具体来说，如上文关于图1更加详细描述的，向外渗流空气122内的能量可用于帮助通过高压节约器48、高压蒸发器50、初级高压过热器52(PHPSH)、终级高压过热器54(FHPSH)以及HRSG 32的其他传热部件来产生供蒸汽涡轮机22内使用的蒸汽。因此，相比于简单地将向外渗流空气122泄放到大气，这种技术具有优势，因为向外渗流空气122的热流和质量流可用来回收联合循环发电系统10的及底循环内的额外能量。
一种用于在冷环境条件期间降低向外渗流空气122的流量要求的技术可以是在燃气涡轮机12的压缩机20的上游将进口空气70的温度提高至某一最佳值。例如，ISO标准日上进口空气70的温度是59°F。在这些标准条件下，例如，约890磅/秒(pps)的进口空气70可渗流多达50pps的向外渗流空气122。在较冷的环境条件期间，从压缩机20的出口渗流的空气量会更大。然而，在冷环境条件下将进口空气70的温度提高例如10°F，可极大地减少向外渗流空气122。这些质量流率和温度仅意欲举例说明向外渗流空气122的流量要求，而并非意欲具有限制性。事实上，实际的向外渗流空气122的流量和温度可在实施方案之间变化。
在某些实施例中，可利用来自燃气涡轮机12外部源的余热来提高进入运行于较冷环境条件下的燃气涡轮机12的压缩机20的进口空气70的温度。例如，图5是燃气涡轮机12、HRSG 32、燃料气系统64及空气加热系统68的一个实施例的示意性流程图，图示了使用外部火焰加热器124和相关的空气预热器126作为外部余热源，以提高进入燃气涡轮机12的压缩机20的进口空气70的温度。如图所示，燃料气66混合物(例如，高炉气90和焦炉气82)的一部分128可在混合点108的下游而在燃料气系统64的第一压缩机110的上游处从燃料气系统64转移。具体来说，如上文所述，在正常条件下，约250pps的高炉气90可与约10pps的焦炉气82混合。在此260pps的混合物中，可转移约1.5pps的燃料气混合物66。另外，在某些实施例中，仅高炉气90可转向外部火焰加热器124。这可证明是有益的，因为如上所述，高炉气90通常可比焦炉气82更容易地获得。此外，尽管高炉气90的热值较低，但外部火焰加热器124可构造为燃烧高炉气90。
燃料气混合物66中的转移部分128可与环境空气130混合，并在外部火焰加热器124内燃烧。在某些实施例中，可在火焰加热器124上游的压缩机132内升高环境空气130的压力。来自火焰加热器124的高温废气134可用于对空气预热器126内的进口空气70进行预热，产生供燃气涡轮机12的压缩机20内使用的加热的进口空气72。换句话说，来自火焰加热器124的废气134的热可用作外部余热源，用来在冷天时使进口空气70的温度升高例如约10°F。空气预热器126可以是用来将热从废气134传到进口空气70的任何适合的热交换器部件。
尽管上文描述为将进口空气70从冷的环境温度加热约10°F，但加热的量可取决于燃气涡轮机12、燃料气系统64、空气加热系统68等的具体设计，以及特定的环境空气条件和其他运行条件。例如，在某些实施例中，取决于特定的环境，可将进口空气70加热5、10、15、20、25、30、35、40、45、50度或甚至更高。
在已经从废气134将热传至进口空气70之后，排放的废气136可与来自燃气涡轮机12的涡轮机16的加热的排气流34混合。通过将排放的废气136与来自燃气涡轮机12的加热的排气34结合，可在HRSG 32内重新捕获排放废气136内的热。然而，这仅仅是用来重新捕获排放废气136内的热量的其中一种可能的解决方案。例如，排放废气136可喷入HRSG 32内其它合适的位置处。另外，在某些实施例中，排放废气136可用于与联合循环发电系统10的及底循环(即，蒸汽涡轮机22)中不同的给水源的热结合。此外，在另外其他的实施例中，排放废气136可用于通过蒸汽吸收骤冷器产生骤冷效应，使用冷却负载来改善联合循环发电系统10的效率。
在冷环境条件期间，使用火焰加热器124和空气预热器126来升高进口空气70的温度可导致若干益处。例如，可相对于关于图4所述的燃料气系统64和燃气涡轮机12保持总体的耗热量。然而，由于转移的部分128从燃料气66混合物中去除并用于预热进口空气70，所以燃料气66混合物的质量流率会降低。燃料气66混合物的质量流率的降低可导致燃料气系统64的第一压缩机110和第二压缩机112的用电量降低。如上所述，进口空气70的温度可升高约10°F。温度的升高导致加热的进口空气72具有比进口空气70更低的密度。因此，燃气涡轮机12的压缩机20的用电量将降低。另外，加热的进口空气72的较高温度可更易于促进燃气涡轮机12的燃烧室18内的燃烧。此外，由于燃料气混合物66的质量流率降低，所以向外渗流空气122的量可极大地降低，且部分向外渗流的空气可供燃气涡轮机12内的燃烧使用，这可导致燃气涡轮机12产生的功率增加。此外，重新捕获来自排放废气136的热量可导致HRSG 32、及底循环(即，蒸汽涡轮机22)或联合循环发电系统10内其他部件内的性能增加。所有这些益处都可导致联合循环发电系统10更高的净输出和效率。
然而，使用如图5中所示的火焰加热器124和相关的空气预热器126仅仅是用来在较冷环境条件期间利用外部余热源来提高进入燃气涡轮机12的压缩机20的进口空气70的温度的一种技术。实际上，可使用多个其他的外部余热源。例如，在某些实施例中，可通过将热传入进口空气70来重新捕获来自联合循环发电系统10的HRSG 32或及底循环(即，蒸汽涡轮机22)的余热。在这些其他实施例中，可借助任何适合的热交换器部件将余热传入进口空气70。另外，也可使用其他各种外部余热源，例如电热器。
然而，在每个这些实施例中，余热只传入环境进口空气70。换句话说，不加热再循环的排气，并且将再循环排气输送至燃气涡轮机12的压缩机20。这主要是因为这一事实：环境进口空气70的含氧量通常大于再循环排气。另外，来自燃气涡轮机12的热排气34的余热不用作余热源，其中一个原因是这类加热并不能导致足够大的效率提高。相反，用于加热进口空气70的余热源位于燃气涡轮机12的外部。
在某些实施例中，可使用多个外部余热源来提高进口空气70的温度。例如，图6是燃气涡轮机12、HRSG 32、燃料气系统64及空气加热系统68的一个实施例的示意性流程图，图示了使用多个外部余热源138来提高进入燃气涡轮机12的压缩机20的进口空气70的温度。例如，在一个实施例中，外部余热源#1可包括关于图5所述的火焰加热器124及相关空气预热器126，外部余热源#2可包括来自HRSG 32的部件的余热，且外部余热源#N可包括来自联合循环发电系统10的及底循环(即，蒸汽涡轮机22)的余热。
无论空气加热系统68包括单个外部余热源或多个外部余热源，都可使用控制器140来控制传入进口空气70的余热量。例如，在使用多个余热源的实施例中，控制器140可配置为确定可使用的外部余热源的优先级。另外，控制器140可配置为基于大气条件来控制进口空气70的加热。
在某些实施例中，控制器140的一个方面可以是确保维持大致恒定的加热后的进口空气72的温度。换句话说，可将加热后的进口空气72的温度维持在仅变化非常小的量(例如，0.5、1、2、3、4或5度)的温度范围内。通过这样做，无论环境条件如何，都可保持燃气涡轮机12以及燃料气系统64和其他相关设备的运行基本恒定。在其他实施例中，控制器140可基于其他参数来控制进口空气70的加热，例如基于离开燃气涡轮机12的压缩机20的空气的温度。
在某些实施例中，控制器140可包括存储器，例如，任何适合类型的非易失性存储器、易失性存储器或它们的组合。存储器可包括用于执行本文所述的任何控制功能的代码/逻辑。此外，该代码/逻辑可实施为硬件、软件(例如，储存在有形的机器可读媒介上的代码)或它们的组合。
本发明的技术效果包括使用外部余热源对进入燃气涡轮机12的压缩机20的进口空气70进行加热。例如，如上文关于图5所述的，火焰燃烧器124和相关的空气预热器126可用来提高进口空气70的温度。具体来说，燃料气66混合物的一部分128可在火焰加热器124内燃烧，且所产生的热可由空气预热器126用于提高进口空气70的温度，产生加热的进口空气72。然而，如上所述，也可使用多个其他的外部余热源。本发明的一个方面是在冷环境条件期间极大地减少来自燃气涡轮机12的压缩机20的向外渗流空气122。通过这样做，可提高燃气涡轮机12以及燃气涡轮机12可在其中运行的联合循环发电系统10的总体效率。
在本文所述的每个实施例中，仅环境进口空气70被外部余热源加热，并被输送至燃气涡轮机12的压缩机20。换句话说，外部余热源不加热来自联合循环发电系统10各个过程的排气。通过限制外部余热源仅应用于环境进口空气70，可使输送至燃气涡轮机12的燃烧室18的氧含量最大化，从而允许更稳定的燃烧。
所公开实施例的益处可在于：它们可仅需对燃气涡轮机12的进口系统进行小的修改而用于现有的运行于冷环境条件下的燃气涡轮机12。例如，空气加热系统68可与燃气涡轮机12一起出售；或可作为单独的技术改造包装出售，针对希望从处于具有低于ISO标准日温度(59°F)平均环境温度地点的现有燃气涡轮机12获得更高效率和输出的客户。另外，所公开的实施例不仅可在联合循环发电系统中实施，还可在简单燃气涡轮机应用或可能使用向外渗流的任何其他应用中实施。此外，如上所述，可使用过剩的外部余热来提高进入HRSG 32的排气34的进口温度，而这又可提高HSRG 32和及底循环(即，蒸汽涡轮机22)的效率。
本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，并执行任何结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员所能想到的其他示例。如果此类其他示例具有无异于权利要求书字面语言的结构元件，或包括与权利要求书字面语言无实质性差异的等效结构元件，则它们都意在属于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
涡轮发动机(12)；及
联接至所述涡轮发动机(12)的空气进口的空气加热系统(68)，其中所述空气加热系统(68)构造为用所述涡轮发动机(12)的外部的余热源(22，32，124，126，138)所产生的余热来加热输送至所述空气进口的空气(72)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空气加热系统(68)构造为用来自火焰加热器(124)的余热加热所述空气(72)。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，来自所述火焰加热器(124)的余热通过使用高炉气(90)和焦炉气(82)的气体混合物而产生。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空气加热系统(68)构造为用来自热回收蒸汽发生系统(32)的余热加热所述空气(72)。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空气加热系统(68)构造为用来自联合循环发电系统(10)的及底循环(22)的余热加热所述空气(72)。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，被加热的所述空气(72)不含来自所述涡轮发动机(12)的排气(34)。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空气加热系统(68)构造为用来自所述涡轮发动机(12)的外部的多个余热源(22，32，124，126，138)的余热加热所述空气(72)。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括构造为基于大气条件控制所述空气(72)的加热的控制器(140)。
9.一种方法，包括：
用涡轮发动机(12)的外部的余热源(22，32，124，126，138)所产生的余热加热空气(72)；及
将加热的空气输送至所述涡轮发动机(12)的压缩机(20)。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括用多个余热源(22，32，124，126，138)加热空气(72)。
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2199547A1 (de) * 2008-12-19 2010-06-23 Siemens Aktiengesellschaft Abhitzedampferzeuger sowie ein Verfahren zum verbesserten Betrieb eines Abhitzedampferzeugers
CH703770A1 (de) * 2010-09-02 2012-03-15 Alstom Technology Ltd Verfahren zum spülen der abgasrezirkulationsleitungen einer gasturbine.
US9297316B2 (en) 2011-11-23 2016-03-29 General Electric Company Method and apparatus for optimizing the operation of a turbine system under flexible loads
US9038391B2 (en) 2012-03-24 2015-05-26 General Electric Company System and method for recovery of waste heat from dual heat sources
US20140109575A1 (en) * 2012-10-22 2014-04-24 Fluor Technologies Corporation Method for reducing flue gas carbon dioxide emissions
US9341113B2 (en) * 2012-10-23 2016-05-17 General Electric Company Atomizing air heat exchange for heating attemperation feed water in a combined cycle turbine
US9157333B2 (en) 2012-11-06 2015-10-13 General Electric Company Inlet bleed heat system with integrated air knife/silencer panels
US9447732B2 (en) 2012-11-26 2016-09-20 General Electric Company Gas turbine anti-icing system
CN203441604U (zh) 2013-02-15 2014-02-19 通用电气公司 用于降低燃气涡轮系统中的背压的系统
JP6132616B2 (ja) * 2013-03-26 2017-05-24 三菱重工業株式会社 ガスタービンプラント、及びガスタービンプラントの運転方法
EP2784288B1 (de) * 2013-03-28 2020-02-19 Lumenion AG Kraftwerksanlage und Verfahren zum Erzeugen von elektrischem Strom
US9492780B2 (en) 2014-01-16 2016-11-15 Bha Altair, Llc Gas turbine inlet gas phase contaminant removal
US10502136B2 (en) 2014-10-06 2019-12-10 Bha Altair, Llc Filtration system for use in a gas turbine engine assembly and method of assembling thereof
JP7334092B2 (ja) * 2019-08-29 2023-08-28 三菱重工業株式会社 ガス化複合発電設備及びその運転方法
CN115288816B (zh) * 2022-08-12 2023-09-29 西安热工研究院有限公司 一种联合循环多级回收机岛废热的启动优化系统和方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3150487A (en) * 1963-04-08 1964-09-29 Gen Electric Steam turbine-gas turbine power plant
US3703807A (en) * 1971-01-15 1972-11-28 Laval Turbine Combined gas-steam turbine power plant
US5083423A (en) * 1989-01-11 1992-01-28 Stewart & Stevenson Services, Inc. Apparatus and method for optimizing the air inlet temperature of gas turbines
US6584776B2 (en) * 2000-03-20 2003-07-01 Exxonmobil Chemical Patents Inc. Method for generating power
US6745573B2 (en) * 2001-03-23 2004-06-08 American Air Liquide, Inc. Integrated air separation and power generation process
US6848259B2 (en) * 2002-03-20 2005-02-01 Alstom Technology Ltd Compressed air energy storage system having a standby warm keeping system including an electric air heater
CN2779078Y (zh) * 2005-03-10 2006-05-10 李化成 燃气轮机压气机进气温度调节装置
WO2008062678A1 (en) * 2006-11-21 2008-05-29 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Intake air heating control apparatus for gas turbine

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4677829A (en) * 1986-02-07 1987-07-07 Westinghouse Electric Corp. Method for increasing the efficiency of gas turbine generator systems using low BTU gaseous fuels
US5347806A (en) * 1993-04-23 1994-09-20 Cascaded Advanced Turbine Limited Partnership Cascaded advanced high efficiency multi-shaft reheat turbine with intercooling and recuperation
JPH1193691A (ja) * 1997-09-22 1999-04-06 Nkk Corp ガスタービン
US6513318B1 (en) * 2000-11-29 2003-02-04 Hybrid Power Generation Systems Llc Low emissions gas turbine engine with inlet air heating
JP2003161164A (ja) * 2001-11-26 2003-06-06 Hitachi Ltd コンバインドサイクル発電プラント
JP2003206752A (ja) * 2002-01-17 2003-07-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ガスタービン設備
JP2006233920A (ja) * 2005-02-28 2006-09-07 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料ガスカロリー制御装置及びガスタービンシステム
EP1917428B1 (de) * 2005-08-23 2017-12-13 General Electric Technology GmbH Verfahren zum betrieb einer kraftwerksanlage mit einem druckspeicher
JP4898294B2 (ja) * 2006-05-24 2012-03-14 三菱重工業株式会社 コンバインドサイクルプラントの吸気加熱システム
US7614237B2 (en) * 2007-01-25 2009-11-10 Michael Nakhamkin CAES system with synchronous reserve power requirements
US20090235634A1 (en) * 2008-03-24 2009-09-24 General Electric Company System for extending the turndown range of a turbomachine

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3150487A (en) * 1963-04-08 1964-09-29 Gen Electric Steam turbine-gas turbine power plant
US3703807A (en) * 1971-01-15 1972-11-28 Laval Turbine Combined gas-steam turbine power plant
US5083423A (en) * 1989-01-11 1992-01-28 Stewart & Stevenson Services, Inc. Apparatus and method for optimizing the air inlet temperature of gas turbines
US6584776B2 (en) * 2000-03-20 2003-07-01 Exxonmobil Chemical Patents Inc. Method for generating power
US6745573B2 (en) * 2001-03-23 2004-06-08 American Air Liquide, Inc. Integrated air separation and power generation process
US6848259B2 (en) * 2002-03-20 2005-02-01 Alstom Technology Ltd Compressed air energy storage system having a standby warm keeping system including an electric air heater
CN2779078Y (zh) * 2005-03-10 2006-05-10 李化成 燃气轮机压气机进气温度调节装置
WO2008062678A1 (en) * 2006-11-21 2008-05-29 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Intake air heating control apparatus for gas turbine

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