CN101936220A - 用二氧化碳冷却涡轮翼型件的系统和方法 - Google Patents

用二氧化碳冷却涡轮翼型件的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用二氧化碳冷却涡轮翼型件的系统和方法。一种具有由来自二氧化碳源(44)的二氧化碳(46)流提供的增强冷却的涡轮发电系统以及一种使用二氧化碳(46)流来冷却热气路径构件的方法。涡轮发电系统包括压缩机(12)、燃烧器(66)、涡轮(14)、发电机(16)，以及至少一个轴(20)，该至少一个轴(20)将压缩机(12)和涡轮(14)以及发电机(16)联结在一起，从而使用从涡轮(14)中产生的机械能来驱动压缩机(12)和发电机(16)。可存储从涡轮(14)的排气(26)中分离出的二氧化碳，且可将其喷射回涡轮中，以冷却涡轮(14)的热气路径构件。

Description

用二氧化碳冷却涡轮翼型件的系统和方法
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不适用
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不适用
技术领域
本发明大体在燃气涡轮机发电系统的领域中。更具体地，本发明涉及用来自二氧化碳源的二氧化碳流冷却涡轮翼型件的系统和方法。
背景技术
燃气轮机通常是发电单元的一部分。这种发电系统的构件通常包括涡轮、压缩机和发电机。这些构件通常采用多个轴机械地联结，以提高该单元的效率。发电机通常是单独的轴驱动的机器。取决于燃气轮机的大小和输出，有时使用齿轮箱来使发电机与燃气轮机的轴输出联接。
通常，燃气轮机以已知为布雷顿循环(Brayton Cycle)的方式操作。布雷顿循环包括四个主要过程：压缩、燃烧、膨胀和排热。空气被吸入压缩机中，空气在压缩机中被加热和压缩。然后空气离开压缩机且进入燃烧器，在燃烧器中将燃料添加到空气中，且点燃混合物，从而产生额外的热。所产生的高温高压气体离开燃烧器且进入涡轮，在涡轮中，加热了的加压气体穿过涡轮的桨叶，使涡轮叶轮转动，且使涡轮轴旋转。由于发电机联接到同一个轴上，所以发电机将涡轮轴的旋转能转化成可使用的电能。
冷却设计在涡轮效率方面起非常重要的作用。当代燃气涡轮机系统以通常超过涡轮材料的熔化温度的温度燃烧。实现了这一点是因为可在较高的燃烧温度处实现较高的布雷顿循环热力学效率。为了以这些升高的温度操作，必须采用冷却技术来保护热气路径构件。尤其关注的是涡轮叶片和桨叶，因为它们直接暴露于最热的气体。热气路径构件的冷却设计通常集中在(1)内部对流冷却，(2)外部表面薄膜冷却，(3)材料选择，(4)热-机械设计，以及(5)对冷却剂流体的选择。已经不同程度地对这些领域中的各个领域投入了研究和开发资源，而冷却剂选择在历史上受到的考虑量最少。当选择冷却剂流体时，重要的是选择能够在执行所需冷却功能的同时对布雷顿循环效率具有最少负面作用的冷却剂流体。压缩机旁路空气和蒸汽是使用最广泛的冷却剂流体。
与冷却设计无关，越来越多地在发电站中采用了二氧化碳分离(sequestration)技术。减少二氧化碳排放的社会和政治压力是实施这些工艺的主要驱动力。使用二氧化碳分离的发电站会引起与二氧化碳分离和存储有关的相当高的能源成本。因而，将合乎需要的是提供对分离出的二氧化碳的成本补偿式的使用。
发明内容
在一方面，本发明包括具有由来自二氧化碳源的二氧化碳流提供的增强冷却的涡轮发电系统。该涡轮发电系统包括：构造成用来压缩空气的压缩机；燃烧器，该燃烧器构造成用来燃烧来自压缩机的压缩空气与燃料的混合物，以产生包含二氧化碳的排气流；构造成用来将所述排气流的热能转化成机械能的涡轮；构造成用来将由所述涡轮所产生的机械能转化成电能的发电机；至少一个轴，该至少一个轴联结压缩机、涡轮和发电机，以允许发电机和所述压缩机使用由涡轮产生的机械能；以及导管，该导管构造成用来将二氧化碳流从二氧化碳源喷射到涡轮中，以便冷却涡轮，二氧化碳源包含按体积计浓度大于约75％的二氧化碳。
在某些实施例中，涡轮发电系统还包括贮存器，该贮存器包含从排气流中分离出的二氧化碳，且喷射到涡轮中的二氧化碳流包含该分离出的二氧化碳。
在另一方面，本发明包括涡轮发电系统，其包括：构造成用来压缩空气的压缩机；燃烧器，其构造成用来燃烧来自压缩机的压缩空气与燃料的混合物，以产生包含二氧化碳的排气流；构造成用来将所述排气流的热能转化成机械能的涡轮；以及导管，其构造成用来将二氧化碳流从二氧化碳源喷射到涡轮中，以便冷却涡轮，二氧化碳源包含按体积计浓度大于约75％的二氧化碳。
在又一方面，本发明包括一种用于利用从二氧化碳源中提供的二氧化碳流来冷却涡轮发电系统的热气路径构件的方法。该方法包括：在涡轮的燃烧器中燃烧燃料，以及将二氧化碳流喷射到所述涡轮中，以便对所述热气路径构件中的一个或多个提供冷却，所述二氧化碳流是从包含按体积计浓度大于约75％的二氧化碳的二氧化碳源提供的。
附图说明
图1是适于将分离出的二氧化碳用作涡轮冷却源的涡轮发电系统的过程流程图。
图2是示出了将分离出的二氧化碳喷射到涡轮的热气路径构件中的图示。
图3是适于将二氧化碳用作涡轮冷却源的涡轮发电系统的过程流程图。
部件列表：
10 空气
12 空气压缩机
14 涡轮
16 发电机
18 轴
20 轴
22 电功率
24 燃料
26 涡轮排气
28 水
30 蒸汽发生器
32 蒸汽
34 蒸汽发电机(steam generator)
36 蒸汽发电机
38 电功率
40 蒸汽
42 排气
44 贮存器
46 分离出的二氧化碳
48 压缩空气
50 三通阀
52 冷却剂
54 压缩空气
56 气体
58 壳体
60 喷嘴
62 轮叶
64 轴封
66 燃烧器
70 流
具体实施方式
图1示出了使用来自二氧化碳源的二氧化碳流来冷却涡轮的热气路径构件(包括涡轮的轮叶和喷嘴)的涡轮发电系统。该涡轮发电系统包括空气压缩机12、燃烧器66、涡轮14和发电机16。压缩机12、涡轮14和发电机16可由两个轴18和20联结。应当注意，轴18和20也可为同一个轴。
在空气压缩机12的入口处进入的空气10被压缩。然后可将离开空气压缩机12的出口的压缩空气54供应到燃烧器66。本领域技术人员将理解，在某些情况下，可能合乎需要的是在将压缩空气54供给到燃烧器66之前在回热器中预热压缩空气54。燃料24也被供应到燃烧器66。燃料流量可由流量控制阀控制。燃料由喷射喷嘴优选地喷射到燃烧器66中。对于高压燃气涡轮机应用，同样有利的是使用沿周向位于涡轮的旋转轴线周围的多个燃烧室或罐来燃烧燃料24和压缩空气54。
在燃烧器66内部，燃料24和压缩空气54混合，且由点火器点燃，以产生放热反应。在燃烧之后，由于燃烧产生的热的膨胀气体56被引导到涡轮14的入口喷嘴。当热气膨胀通过涡轮14时，该热气产生涡轮动力。涡轮动力继而驱动空气压缩机12和发电机16。发电机16使用机械能来产生电功率22。
然后可将涡轮排气26供给到蒸汽发生器30。在回热式系统中，涡轮排气26可首先供给通过回热器，以在排气被传输到另外的热回收级之前加热燃烧空气。使用供给到蒸汽发生器30的涡轮排气26来加热水28及产生蒸汽32。蒸汽32被供给到蒸汽发电机36，以产生额外的电功率38，蒸汽发电机36可为由蒸汽涡轮供以动力的发电机。
然后可从冷却了的排气42中移除二氧化碳，且将其存储在贮存器44中。可使用许多不同的工艺来从排气42中移除二氧化碳。例如，可使用薄膜分离器或二氧化碳洗涤器来过滤或以别的方式使二氧化碳从排气流中分离。因为可结合任何二氧化碳分离工艺一起来利用本方法和系统，所以本文没有提供对二氧化碳分离方法的进一步论述。
为了允许燃烧器66以较高的温度燃烧，将冷却剂52喷射到涡轮14中，以冷却涡轮14的热气路径构件。如本文所用，术语“热气路径构件”大体是指暴露于由燃烧器66产生的热气的硬件构件，包括但不限于涡轮轮叶和喷嘴。可将冷却剂52喷射到涡轮14的许多不同位置处。如图所示，且将在后面更加详细地描述，可将冷却剂52喷射到轴20中，此处冷却剂52可通过涡轮14的轮叶内部和外部而分配。
可提供三通阀50以选择性地控制哪种冷却流体将会被用作冷却剂52。在启动操作期间，三通阀50可定位成以便允许压缩机空气48(压缩空气54的一部分)绕过燃烧器66，且被直接喷射到涡轮14中。由于二氧化碳被分离和存储，所以可调节三通阀50，以便允许分离出的二氧化碳46代替压缩机空气48被喷射到涡轮14中。
可使用各种控制系统来调整冷却剂流体的选择和分配。在一个实施例中，在贮存器44中使用压力变换器或其它传感器来确定何时已分离了足够的二氧化碳以转换成稳态的纯二氧化碳供给。在另一个实施例中，可根据定时启动计划来控制三通阀50的位置，其中三通阀50在允许将纯的压缩空气供给喷射到涡轮14中和允许将纯的分离出的二氧化碳供给喷射到涡轮14中之间逐渐转变。在转变期间，可将两种供给的混合物喷射到涡轮14中。
图2示出了本发明的一个实施例。在此实施例中，冷却剂52通过轴封(gland seal)64喷射到轴20中。可将冷却剂52从涡轮轴20分配到壳体58内的涡轮14各处。冷却剂52传送离开涡轮轴20，进入涡轮14的内部中，且越过轮叶62和喷嘴60离开。此喷射方法是优选的，因为其仅在可忽略的空气动力学性能损失的情况下提供了适当的热传递量。
对于用压缩机旁路空气所进行的传统冷却，发动机可使用其核心空气流的20％来冷却发动机的热气构件。这会不利地影响效率、输出以及甚至发动机的排放能力。因此，可通过将分离出的二氧化碳用作冷却剂52来实现若干优点。一个优点是燃气涡轮发动机将不再需要使用压缩机旁路空气来进行冷却。因而，所有的压缩机空气则可供给到燃烧器。这允许(1)使用较小的压缩机，以减小在使压缩机转动时引起的“寄生性”能量损失，以及/或者(2)将更多的空气供给到燃烧器，以产生更强力的燃烧。这两个变化均会提高输出和效率。
而且，添加分离出的二氧化碳会增大涡轮的总质量流量。这进一步提高了燃气涡轮发动机的输出。这样的动力增大将有助于补偿使二氧化碳流移动的能量成本。
本发明不限于以上公开的具体实施例。例如，本发明可以构造成不具有发电机16。如在以机械的方式驱动的应用的情况下，可直接传输和应用涡轮动力。
而且，可将分离出的二氧化碳喷射到各位置处，以实现对热气路径构件的必要冷却作用。通过轴封进行喷射是优选的选项，因为其允许针对各个翼型件调节喷射温度和压力。图3中示出了本发明的另一个实施例。在此实施例中，将来自二氧化碳源的流70喷射到压缩机12中，其中流70与被吸入压缩机12的进气口中的空气10结合。在又一个实施例中，可在压缩机12和涡轮14之间将二氧化碳流喷射到轴18中。
另外，可从各种二氧化碳源中提供供应到涡轮的二氧化碳流。如本文所用，术语“二氧化碳源”指的是包含按体积计浓度大于约75％的二氧化碳的任何源。因而，术语二氧化碳源包括二氧化碳管道、自然发生的二氧化碳构型，以及包含从二氧化碳发生器源分离出的二氧化碳的贮存器或流。
根据前述详细描述，本文描述的方法和装置的修改和变化对本领域熟练技术人员来说将是显而易见的。这种修改和变化意图处在所附的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮发电系统，包括：
压缩机(12)，所述压缩机(12)构造成用来压缩空气(10)；
燃烧器(66)，所述燃烧器(66)构造成用来燃烧来自所述压缩机(12)的压缩空气(54)与燃料(24)的混合物，以产生包含二氧化碳的排气流(56)；
涡轮(14)，所述涡轮(14)构造成用来将所述排气流(56)的热能转化成机械能；
发电机(16)，所述发电机(16)构造成用来将由所述涡轮产生的机械能转化成电能(22)；
至少一个轴(20)，所述至少一个轴(20)联结所述压缩机(12)、所述涡轮(14)和所述发电机(16)，以允许所述发电机(16)和所述压缩机(12)利用由所述涡轮产生的机械能；
导管，所述导管构造成用来将二氧化碳(46)流从二氧化碳源(44)喷射到所述涡轮(14)中，以便冷却所述涡轮(14)，所述二氧化碳源(44)包含按体积计浓度大于约75％的二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的涡轮发电系统1，其特征在于，所述至少一个轴(20)具有内部，其中，所述导管与所述至少一个轴的所述内部流体连通。
3.根据权利要求2所述的涡轮发电系统1，其特征在于，所述涡轮具有轴封(64)，其中，所述导管通过所述轴封与所述至少一个轴(20)的所述内部流体连通。
4.根据权利要求1所述的涡轮发电系统1，其特征在于，所述涡轮(14)适于将喷射到所述涡轮的二氧化碳流分配到所述涡轮的热气路径构件。
5.根据权利要求1所述的涡轮发电系统1，其特征在于，所述涡轮(14)具有内部部分和从所述涡轮(14)的所述内部部分沿径向方向向外延伸的多个轮叶(62)，所述涡轮(14)适于将喷射到所述涡轮(14)的二氧化碳流从所述涡轮(14)的所述内部部分分配到所述多个轮叶(62)。
6.根据权利要求1所述的涡轮发电系统1，其特征在于，所述涡轮发电系统还包括阀(50)，所述阀(50)构造成用来选择性地控制流到所述涡轮(14)的二氧化碳(46)流和由所述压缩机(12)压缩的旁路空气(48)的一部分的流量。
7.根据权利要求1所述的涡轮发电系统1，其特征在于，所述二氧化碳(46)流包含从所述涡轮(14)的排气流气流(26)中分离出的二氧化碳。
8.一种涡轮发电系统，包括：
压缩机(12)，所述压缩机(12)构造成用来压缩空气(10)；
燃烧器(66)，所述燃烧器(66)构造成用来燃烧来自所述压缩机的压缩空气(54)与燃料(24)的混合物，以产生包含二氧化碳的排气流(56)；
涡轮(14)，所述涡轮(14)构造成用来将所述排气流(56)的热能转化成机械能；以及
导管，所述导管构造成用来将二氧化碳(46)流从二氧化碳源(44)喷射到所述涡轮(14)中，以冷却所述涡轮(14)，所述二氧化碳源(44)包含按体积计浓度大于约75％的二氧化碳。
9.一种用于冷却涡轮发电系统的热气路径构件的方法，包括：
提供燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括：
压缩机(12)，所述压缩机(12)构造成用来压缩空气(10)；
燃烧器(66)，所述燃烧器(66)构造成用来燃烧来自所述压缩机的压缩空气(54)与燃料(24)的混合物，以产生包含二氧化碳的排气流(56)；以及
涡轮(14)，所述涡轮(14)构造成用来将所述排气流(56)的热能转化成机械能；
在所述燃烧器(66)中燃烧所述燃料(24)；
将二氧化碳(46)流喷射到所述燃气涡轮发动机中，以便对所述热气路径构件中的一个或多个提供冷却，所述二氧化碳(46)流由包含按体积计浓度大于约75％的二氧化碳的二氧化碳源提供。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
提供构造成用来容纳从所述排气流(56)中分离出的二氧化碳的贮存器(44)；以及
在所述贮存器(44)中从所述排气流(56)中分离二氧化碳。
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