CN102080599A - 具有集成有机兰金循环装置的联合循环发电设备 - Google Patents

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CN102080599A CN2010105649890A CN201010564989A CN102080599A CN 102080599 A CN102080599 A CN 102080599A CN 2010105649890 A CN2010105649890 A CN 2010105649890A CN 201010564989 A CN201010564989 A CN 201010564989A CN 102080599 A CN102080599 A CN 102080599A
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D·F·兰克吕尔
J·拉纳辛赫
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Abstract

本发明涉及具有集成有机兰金循环装置的联合循环发电设备。联合循环发电设备(2)包括具有压缩机部分(10)和涡轮部分(12)的燃气涡轮机(4)、操作地联接到燃气涡轮机(2)的涡轮部分(12)的热回收蒸汽发生器(HRSG)(6)和流体地联接到HRSG的有机兰金循环(ORC)装置(40，140，240)。ORC装置(40，140，240)包括经过操作地联接到涡轮(79，179，279)的闭环系统(48，148，248)的有机流体。来自HRSG(6)的加热的流体提升流经闭环系统(48，148，248)的有机流体的温度。来自有机流体的热能转化为涡轮(79，179，279)中的机械能。

Description

具有集成有机兰金循环装置的联合循环发电设备
技术领域
本文中公开的主题涉及联合循环发电设备，并且更具体地涉及具有集成有机兰金(Rankine)循环装置的联合循环发电设备。
背景技术
在联合循环发电设备(CCPP)中，燃气涡轮驱动生产电力的发电机。来自燃气涡轮的废热用于在热回收蒸汽发生器(HRSG)中产生蒸汽，热回收蒸汽发生器反过来用于经由蒸汽涡轮产生附加电力。更具体地，联合循环的特征是产生功率的发动机或设备采用多于一个热力循环。诸如燃气涡轮的热力发动机仅仅能够使用它们的燃料产生的能量的一部分(通常少于50％)。来自燃烧的任何剩余热量(例如热排烟)通常被浪费。联合诸如布雷顿(Brayton)循环(燃气)和兰金循环(蒸汽)的两个或更多个“循环”获得改进的输出效率。
有机兰金循环(ORC)与传统蒸汽涡轮的循环相似，除了驱动涡轮的流体。ORC采用高分子质量有机流体代替蒸汽。ORC中使用的一些化学品是氟利昂、丁烷、丙烷、氨以及许多新的环保的致冷剂。选择的工作流体允许系统设计者开发低温热源以在功率输出的宽范围中(从每单位几kW直到3MW电功率)生产电力。因此，ORC广泛使用在地热热泵系统中。在典型ORC中，有机工作流体通过在蒸发器(ORC-EVA)中热源的应用被蒸发。有机流体蒸气在涡轮(ORC-TUR)中膨胀并且然后使用冷凝器(ORC-CON)中的水流冷凝(替代地，环境空气可用于冷却)。冷凝的流体被泵回至蒸发器因此闭合热力循环。
发明内容
根据示例性实施例的一个方面，联合循环发电设备包括具有压缩机部分和涡轮部分的燃气涡轮机、操作地联接到燃气涡轮机的涡轮部分的热回收蒸汽发生器(HRSG)和流体地联接到HRSG的有机兰金循环(ORC)装置。ORC装置包括经过操作地联接到涡轮的闭环系统的有机流体。来自HRSG的加热的流体提升流经闭环系统的有机流体的温度。来自有机流体的热能在涡轮中转化为机械能。
根据示例性实施例的另一个方面，操作联合循环发电设备的方法包括操作包含压缩机部分和涡轮部分的燃气涡轮机、将来自涡轮部分的热气传输通过热回收蒸汽发生器(HRSG)、将来自热气的热量传递到经过HRSG的流体以形成加热的流体、将加热的流体传输到具有闭环有机流体系统的有机兰金循环(ORC)装置、将来自加热的流体的热量传递到流经ORC装置中的闭环有机流体系统的有机流体以形成具有热力能量的加热的有机蒸气以及将在加热的有机蒸气中的热力能量转化成在操作地联接到闭环系统的涡轮中的机械能。
从以下结合附图的描述中，这些和其它优点与特征将变得更加显而易见。
附图说明
视为本发明的本主题在说明书的结尾处的权利要求中被特别地指出并且被清楚地要求。本发明的前述和其它特征与优点从以下结合附图的详细描述中是显而易见的，在附图中：
图1是根据示例性实施例的包括集成有机兰金循环装置的联合循环发电设备的示意图；
图2是根据示例性实施例的另一个方面的包括集成有机兰金循环装置的联合循环发电设备的示意图；以及
图3是根据示例性实施例的又一个方面的包括集成有机兰金循环装置的联合循环发电设备的示意图。
详细的描述通过示例参考附图解释本发明的实施例连同优点和特征。
部件列表
2   联合循环发电设备
4   燃气涡轮机
6   热回收蒸汽发生器(HRSG)
10  压缩机部分
12  涡轮部分
14  燃烧器部分
19  高压部分(HP)
20  中压部分(IP)
21  低压部分(LP)
22  低压汽包(drum)
23  节约器(LP)(economizer)
25  供给水泵
26  第一节约器部分
28  第二节约器部分
33  第二接合点
40  有机兰金循环装置
45  第一流体系统
48  第二闭环流体系统
58  供应导管
60  蒸发器
62  返回导管
65  泵
74  泵
76  导管
79  涡轮
80  导管
83  冷凝器
84  导管
86  导管
90  冷却流体回路
10  联合循环发电设备
104 燃气涡轮机
106 HRSG
110 压缩机部分
112 涡轮部分
114 燃烧器部分
119 高压(HP)部分
120 中压(IP)部分
121 低压(LP)部分
122 低压汽包
123 低压节约器
125 供给水泵
126 第一节约器部分
128 第二节约器部分
131 接合点
133 第二接合点
135 中压节约器
140 有机兰金循环(ORC)装置
145 第一流体系统
148 第二闭环流体系统
158 供应导管
159 出口(135)
160 蒸发器
162 返回导管
165 泵
174 泵
176 导管
179 涡轮
183 冷凝器
184 导管
186 导管
190 冷却流体回路
202 联合循环发电设备
204 燃气涡轮机
206 热回收蒸汽发生器
210 压缩机部分
212 涡轮部分
214 燃烧器部分
219 高压(HP)部分
220 中压(IP)部分
222 中压汽包
223 节约器(JP)
225 供给水泵
226 第一节约器部分
228 第二节约器部分
230 第三节约器部分
231 第一接合点
233 第二接合点
235 第三接合点
240 有机兰金循环(ORC)装置
245 第一流体系统
248 第二闭环流体系统
258 供应导管
260 蒸发器
262 返回导管
265 泵
274 泵
276 导管
279 涡轮
280 导管
283 冷凝器
284 导管
286 导管
290 冷却流体回路
294 燃料增湿系统
296 导管
297 导管
具体实施方式
参考图1，根据示例性实施例构造的联合循环发电设备总体地在2处示出。发电设备2包括操作地连接到热回收蒸汽发生器(HRSG)6的燃气涡轮机4。燃气涡轮机4包括经由燃烧器部分14连接到涡轮部分12的压缩机部分10。HRSG 6包括高压(HP)部分19、中间(IP)部分20和具有低压汽包22的低压(LP)部分21。HRSG 6还示出包括操作地连接到LP部分21的节约器23。节约器23流体地连接到供应加热的流体到HRSG 6的供给泵26。根据示例性实施例，节约器23包括经由第一接合点31流体地连接到第二节约器部分28的第一节约器部分26。第二节约器部分28经由第二接合点33连接到低压汽包22。另外根据示出的示例性实施例，联合循环发电设备2包括有机兰金循环(ORC)装置40。
根据示例性实施例，有机兰金循环装置40包括第一流体系统45，其布置成与第二闭环流体系统48处于热交换关系。第一流体系统45包括供应导管58，其操作地连接在第二接合点33和与第二流体系统48集成的蒸发器60之间。返回导管62从蒸发器60经过泵65，返回到第一接合点31。如以下将更加全面地讨论的，经过第一流体系统45的流体与经过第二流体系统48的有机流体处于热交换关系。
另外根据示出的实施例，第二流体系统48包括经由导管76流体地连接到蒸发器60的泵74。蒸发器60反过来经由导管80连接到涡轮79。涡轮79经由导管84连接到冷凝器83。冷凝器83经由导管86连接到泵74因此闭合第二流体系统48。冷凝器83包括联接到冷却装置(未示出)的冷却流体回路90。当然应理解的是，冷却装置的具体类型可以变更并且可包括水冷却冷凝器、空气冷却冷凝器等等。更具体地，泵74加压流经第二流体系统48的有机流体。加压的流体经过蒸发器60并且与经过第一流体系统45的流体交换热量。加热的有机流体经过导管80到涡轮79。功从涡轮79中的加热的流体提取并且转化成例如机械能，其用于操作诸如发电机、水泵、油泵、空气压缩机等等(未示出)的机械装置。加热的有机流体然后经由导管84传到冷凝器83。在这一点上，来自冷却塔的冷却流体与有机流体交换热量。现在处于更低温度的有机流体返回到泵74以重新开始热交换循环。在这一点上，应理解的是，示例性实施例中各种接合点的位置可根据示例性实施例变更。例如，第一接合点31定位在节约器26的出口温度大致类似于流经导管62的流体的温度的位置。
现在将参考图2描述根据本发明的另一个示例性实施例构造的联合循环发电设备102。联合循环发电设备102包括操作地连接到HRSG106的燃气涡轮机104。燃气涡轮机104包括经由燃烧器部分114操作地连接到涡轮部分112的压缩机部分110。HRSG 106包括HP部分119、IP部分120和具有低压汽包122的LP部分121。低压部分121还示出包括流体地联接到供给泵125的节约器123，供给泵125输送加热的流体到LP部分121。节约器123包括经由第一接合点131流体地连接到第二节约器部分128的第一节约器部分126。第二节约器部分128经由第二接合点133连接到低压汽包122。此外，HRSG 106包括流体地连接到第二接合点133的IP节约器135。根据示出的示例性实施例，联合循环发电设备102包括操作地联接到HRSG 106的有机兰金循环装置140。
有机兰金循环装置140包括与第二闭环流体系统148处于热交换关系的第一流体系统145。供应导管158在IP节约器135的出口159和与第二流体系统148集成的蒸发器160之间延伸。返回导管162从蒸发器160延伸到泵165，然后到第一接合点131。以类似于以上描述的方式，携带在经过第一流体系统145的流体内的热量与流经第二流体系统148的有机流体在蒸发器160处进行交换。
第二流体系统148包括经由导管176流体地连接到蒸发器160的泵174。蒸发器160还经由导管180流体地连接到涡轮179。涡轮179经由导管184流体地连接到冷凝器183。冷凝器183然后经由导管186流体地连接到泵174因此闭合第二流体系统148。冷凝器183还联接到冷却流体回路190，其以类似于以上描述的方式连接到冷却装置(未示出)。当然应理解的是，冷却装置的具体类型可以变更并且可包括水冷却冷凝器、空气冷却冷凝器等等。更具体地，泵174加压流经第二流体系统148的有机流体。加压的流体经过蒸发器160并且与经过第一流体系统145的流体交换热量。加热的有机流体经过导管180到涡轮179。功从涡轮179中的加热的流体提取并且转化成例如机械能，其用于操作诸如发电机、水泵、油泵、空气压缩机等等(未示出)的机械装置。加热的有机流体然后经由导管184传到冷凝器183。在这一点上，来自冷却塔的冷却流体与有机流体交换热量。现在处于更低温度的有机流体返回到泵174以重新开始热交换循环。在这一点上，应理解的是，示例性实施例中各种接合点的位置可根据示例性实施例变更。也就是说，第一接合点131可直接邻近节约器126的进口、邻近节约器128的出口或在中间的任何地方定位。
现在将参考图3描述根据又一个示例性实施例构造的联合循环发电设备202。联合循环发电设备102包括操作地连接到HRSG 206的燃气涡轮机204。燃气涡轮机204包括经由燃烧器部分214操作地连接到涡轮部分212的压缩机部分210。HRSG 206包括HP部分219和具有IP压力汽包222的IP部分220。HRSG 206还示出包括流体地联接到供给泵225的节约器223，供给泵225输送加热的流体到IP部分220。节约器223包括第一节约器部分226、第二节约器部分228和第三节约器部分230。第一节约器部分226经由第一接合点231连接到第二节约器部分228，同时第二节约器部分228经由第二接合点233连接到第三节约器部分230。第三接合点235连接第三节约器部分230与IP汽包222。以类似于以上描述的方式，联合循环发电设备202包括流体地联接到HRSG 206的有机兰金循环装置240。
有机兰金循环装置240包括与第二闭环流体系统248处于热交换关系的第一流体系统245。供应导管258从第二接合点233延伸到与第二流体系统248集成的蒸发器260。返回导管262从泵265引导回到第一接合点231。利用这种布置，携带在经过第一流体系统145的流体内的热量与流经第二流体系统248的有机流体以以下将更加全面地描述的方式进行交换。
第二流体系统248包括经由导管276流体地连接到蒸发器260的泵274。蒸发器260反过来经由导管280流体地连接到涡轮279。涡轮279经由导管284连接到冷凝器283。冷凝器283经由导管286流体地连接到泵274因此闭合第二流体系统248。冷凝器283与冷却流体回路290处于热交换关系，冷却流体回路290以类似于以上描述的方式连接到冷却装置(未示出)。当然应理解的是，冷却装置的具体类型可以变更并且可包括水冷却冷凝器、空气冷却冷凝器等等。另外根据示例性实施例，联合循环发电设备102包括操作地连接到HRSG 206的燃料增湿系统294。更具体地，燃料增湿系统294包括联接到第三接合点235的第一导管296和联接到第一接合点231的第二导管297。
利用这种布置，泵174加压流经第二流体系统148的有机流体。加压的流体经过蒸发器160并且与经过第一流体系统145的流体交换热量。加热的有机流体经过导管180到涡轮179。功从涡轮179中的加热的流体提取并且转化成例如机械能，其用于操作诸如发电机、水泵、油泵、空气压缩机等等(未示出)的机械装置。加热的有机流体然后经由导管184传到冷凝器183。在这一点上，来自冷却塔的冷却流体与有机流体交换热量。现在处于更低温度的有机流体返回到泵174以重新开始热交换循环。燃料增湿系统294以本领域中已知的方式使到燃气涡轮机204的干式燃料供应饱和。
在这一点上，应理解的是，图3中示出的各种连接点的位置可根据示例性实施例变更。例如，第一接合点231的位置可变更。也就是说，导管262也可连接到节约器226的进口。类似地，导管297可联接到节约器226的进口或接合点233。同样地，第二接合点233的位置可变更。也就是说，第二接合点可直接邻近节约器228的进口、邻近节约器230的出口或在其间的任何地方定位。并且，第三接合点235的位置可变更。也就是说，导管296可从第二接合点233延伸并且导管297可联接到节约器226或第二接合点233。还应理解的是，示例性实施例可在各种类型的ORC装置中实施并且不应限制于任何特殊ORC构造或本文中示出的和描述的示例性ORC构造。
利用这种布置，示例性实施例提高与低温系统(诸如地热应用中采用的那些低温系统)相关的能量提取效率。也就是说，与更低效率蒸汽系统相反，示例性实施例采用有机兰金循环装置以提高与转化从例如地热热交换系统中产生的流经低压节约器的热能相关的效率来为诸如发电机的其它系统提供动力。有机兰金装置典型地具有提升的涡轮效率，由于低周向速度实现在涡轮上的低机械应力；提供涡轮的低的每分钟转数输出因此允许诸如发电机的相关构件的直接驱动而不需要诸如减速驱动器的附加昂贵构件；并且实现低维护成本。也就是说，在有机兰金循环中湿气的缺乏提高涡轮叶片寿命。在没有湿气的情况下，涡轮叶片倾向于不磨损或示出与蒸汽系统相关的腐蚀特征。
尽管本发明连同仅仅有限数目的实施例详细地进行了描述，但是应容易地理解的是，本发明不限制于这种公开的实施例。而相反，本发明可改变以包括之前没有描述的、但是与本发明的精神和范围相称的任何数目的变更、更替、替代或等同布置。此外，尽管描述了本发明的各种实施例，但是将理解的是，本发明的方面可包括描述的实施例中的仅仅一些。因此，本发明将不被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种联合循环发电设备(2)，包括：
燃气涡轮机(4)，其包括压缩机部分(10)和涡轮部分(12)；
热回收蒸汽发生器(HRSG)(6)，其操作地联接到所述燃气涡轮机(2)的涡轮部分(12)；和
有机兰金循环(ORC)装置(40，140，240)，其流体地联接到所述热回收蒸汽发生器(12)，所述ORC装置(40，140，240)包括经过操作地联接到涡轮(79，179，279)的闭环系统(48，148，248)的有机流体，其中，来自所述HRSG(6)的加热的流体提升经过所述闭环系统(48，148，248)的所述有机流体的温度，来自所述有机流体的热能转化为所述涡轮(79，179，279)中的机械能。
2.根据权利要求1所述的联合循环发电设备(2)，其特征在于，所述HRSG(12)包括至少一个节约器(23，12，223)。
3.根据权利要求2所述的联合循环发电设备(2)，其特征在于，所述至少一个节约器(23，123，223)包括至少一个低压节约器，所述ORC装置(40，140，240)流体地联接到所述至少一个低压节约器(23，123，223)。
4.根据权利要求2所述的联合循环发电设备(2)，其特征在于，所述HRSG(6，106，206)包括流体地连接到所述至少一个低压节约器(23，123，223)的低压汽包(22，122)，所述ORC装置(40，140，240)流体地连接到所述低压节约器和所述低压汽包(22，122)中的每一个。
5.根据权利要求4所述的联合循环发电设备(2)，其特征在于，所述至少一个低压节约器(23，123，223)包括第一低压节约器(23，123，223)和第二低压节约器(26，128，228)，所述ORC装置(40，140，240)流体地连接在所述第一和第二低压节约器(23，123，223)(26，128，228)与所述低压汽包(22，122)之间。
6.根据权利要求2所述的联合循环发电设备(2)，其特征在于，所述至少一个节约器(123)包括低压节约器(123)和中压节约器(135)，所述ORC(140)流体地连接在所述低压节约器(133)与所述中压节约器(135)之间。
7.根据权利要求2所述的联合循环发电设备(2)，其特征在于，所述至少一个节约器包括至少一个中压节约器(135，223)，所述ORC(140，240)装置流体地联接到所述至少一个中压节约器(135，223)。
8.根据权利要求7所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述至少一个中压节约器(223)包括第一中压节约器(223)、第二中压节约器(225)和第三中压节约器(230)。
9.根据权利要求8所述的联合循环发电设备(2)，其特征在于，所述ORC装置(240)流体地联接在所述第一中压节约器(223)的出口与所述第三中压节约器(228)的出口之间。
10.根据权利要求9所述的联合循环发电设备，其特征在于，还包括：流体地联接到所述ORC装置(240)的燃料增湿系统(FMS)(294)。
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