CN102444438A - 高效利用雾化用空气能量的联合循环电力增加 - Google Patents

高效利用雾化用空气能量的联合循环电力增加 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高效利用雾化用空气能量的联合循环电力增加。具体而言，一种包括燃气涡轮机的联合循环发电厂，该燃气涡轮机具有第一压缩机，位于第一压缩机的下游的第二压缩机以及位于第一压缩机和第二压缩机之间的再生式热交换器。蒸汽发生器位于燃气涡轮机的下游，并接收来自燃气涡轮机的排气。通过再生式热交换器和蒸汽发生器的闭合回路冷却系统将热从再生式热交换器传递至蒸汽发生器。用于运转联合循环发电厂的方法包括在压缩机中压缩工作流体，以及利用再生式热交换器冷却压缩的工作流体，以生成冷却的压缩的工作流体。该方法还包括将热从再生式热交换器传递至蒸汽发生器。

Description

高效利用雾化用空气能量的联合循环电力增加
技术领域
本发明通常涉及将常规的燃气涡轮机与热回收系统联合以改进联合循环发电厂的整体效率的发电厂。本发明的具体实施例可以包括将热从燃气涡轮机传递至热回收系统的再生式热交换器(regenerativeheat exchanger)。
背景技术
燃气涡轮机被广泛地用于工业运转和发电运转中。典型的燃气涡轮机包括位于前面的轴向式压缩机、位于中心周围的一个或更多燃烧器以及位于后面的涡轮机。环境空气进入压缩机，并且，压缩机中的静叶片(stationary vanes)和旋转叶片(rotating blades)逐步地将动能施加至工作流体(空气)，以产生处于高能状态的压缩的工作流体。压缩的工作流体离开压缩机并流过燃烧器中的喷嘴，在燃烧器中，压缩的工作流体与燃料混合并点燃，从而生成具有高温、高压以及高速的燃烧气体。燃烧气体流向涡轮机，在涡轮机中，燃烧气体膨胀而做功(produce work)。例如，涡轮机中的燃烧气体的膨胀可以使连接至发电机的轴旋转而产生电。
燃烧气体离开涡轮机，并且，如果立即向环境释放，将导致由燃气涡轮机生成的不做功的浪费的能量。因此，常常在涡轮机的下游连接热交换系统，以接收来自涡轮机的排出的燃烧气体。燃气涡轮机和热回收系统的联合通常被称为联合循环发电厂。热回收系统典型地包括蒸汽发生器、蒸汽涡轮机以及冷凝器。排出的燃烧气体流向蒸汽发生器，在蒸汽发生器中，排出的燃烧气体加热水而生成蒸汽。然后，蒸汽流过蒸汽涡轮机，在蒸汽涡轮机中，蒸汽膨胀而做功。例如，蒸汽涡轮机中的蒸汽的膨胀可以使连接至发电机的轴旋转而产生电。轴和发电机可以是连接至燃气涡轮机的相同的轴和发电机，或者，燃气涡轮机和热回收系统可以使用分离的轴和发电机而运转。位于蒸汽发生器的下游的冷凝器将蒸汽冷凝成冷凝物，并且，冷凝泵引导冷凝物返回至蒸汽发生器。因此，热回收系统在排出的燃烧气体被最终释放至环境之前从排出的燃烧气体捕获能量，因而增加了联合循环发电厂的整体效率。
蒸汽发生器典型地位于垂直的排气管中或者位于垂直的排气管的上游，该垂直的排气管允许排出的燃烧气体自然地上升穿过蒸汽发生器中的管而增强蒸汽生成。在一些情况下，客户可能限制垂直的排气管的高度，导致了蒸汽发生器的尺寸和蒸汽发生器可以产生的蒸汽量的相应的限制。此外，蒸汽涡轮机常常包括与辅助构件相关联的一个或更多热交换器，并且，由这些热交换器除去的热常常不被再次捕获，因而降低了联合循环发电厂的整体效率。因此，需要一种更加高效地利用被辅助构件的热交换器吸取的热并增加蒸汽生成的系统，尤其在具有被限制高度的垂直的排气管的系统中。
发明内容
本发明的方面和优势在以下的说明中被阐明，或者可能是根据说明而显而易见的，或者可以是通过发明的实践而得知的。
本发明的一个实施例是包括燃气涡轮机的联合循环发电厂，所述燃气涡轮机具有第一压缩机、位于第一压缩机的下游的至少一个燃烧器、位于燃烧器的下游的涡轮机以及位于第一压缩机的下游的第二压缩机。再生式热交换器位于第一压缩机和第二压缩机之间，并且，蒸汽发生器位于涡轮机的下游并接收来自涡轮机的排气。蒸汽涡轮机位于蒸汽发生器的下游，并且，冷凝器位于蒸汽涡轮机的下游和蒸汽发生器的上游。第一冷凝泵位于冷凝器和蒸汽发生器之间，并且，与再生式热交换器进行流体连通(fluid communication)。
本发明的另一个实施例是包括燃气涡轮机的联合循环发电厂，所述燃气涡轮机具有第一压缩机、位于第一压缩机的下游的第二压缩机以及位于第一压缩机和第二压缩机之间的再生式热交换器。蒸汽发生器位于燃气涡轮机的下游并接收来自燃气涡轮机的排气。通过再生式热交换器和蒸汽发生器的闭合回路冷却系统将热从再生式热交换器传递至蒸汽发生器。
本发明还包括用于运转联合循环发电厂的方法，该方法包括在压缩机中压缩工作流体，以及利用再生式热交换器冷却压缩的工作流体，以生成冷却的压缩的工作流体。该方法还包括将热从再生式热交换器传递至蒸汽发生器。
本领域的普通技术人员通过考察说明书而将更好地理解这种和其它的实施例的特征和方面。
附图说明
本发明的完整且能够实现的公开，包括对于本领域的技术人员而言的最佳模式，在说明书的剩余部分中被更具体地阐明，包括参照附图，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的联合循环发电厂的简化方框图。
部件列表
10    联合循环发电厂
12    燃气涡轮机
14    热回收系统
16    第一压缩机
18    燃烧器
20    涡轮机
22    压缩的工作流体
24    燃料供应
26    稀释剂供应
28    燃烧气体
30    蒸汽发生器
32    蒸汽涡轮机
34    冷凝器
36    排出的燃烧气体
38    蒸汽
40    冷凝物
42    第一冷凝泵
44    第二冷凝泵
46    第二压缩机
48    压缩的工作流体的一部分
50    雾化用空气
52    再生式热交换器
54    流向第二压缩机的压缩的工作流体
56    离开再生式热交换器的冷却剂
58    进入第二冷凝泵的冷却剂
具体实施方式
现在，将详细地做出参照以呈现本发明的实施例，在附图中显示了实施例的一个或更多示例。详细的说明使用数字标号和字母标号来指示附图中的特征。附图和说明中的相同或相似的标号已经被用于指示本发明的相同或相似的部分。
通过本发明的解释而提供了各个示例，并不限制本发明。实际上，对于本领域的技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的范围或要旨的情况下，在本发明中能够做出修改和变形。例如，被显示或描述为一个实施例的一部分的特征，可以被用在另一个实施例上，从而生成又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖所附的权利要求及其等同的范围之内的这类修改和变形。
图1显示根据本发明的一个实施例的联合循环发电厂10的简化方框图。如在本领域中已知的，联合循环发电厂10通常包括连接至热回收系统14的燃气涡轮机12。例如，如图1所示，燃气涡轮机12包括第一压缩机16、位于第一压缩机16的下游的至少一个燃烧器18以及位于燃烧器18的下游的涡轮机20。如本文中使用的，术语“上游”和“下游”是指流体路径中的构件的相对位置。例如，如果流体从构件A流向构件B，则构件A位于构件B的上游。反之，如果构件B接收来自构件A的流体流，则构件B位于构件A的下游。第一压缩机16产生流向燃烧器18的压缩的工作流体22。燃烧器18通常将压缩的工作流体22与燃料24和/或稀释剂26的供应相联合，并点燃混合物以产生燃烧气体28。所供应的燃料24可以是被商业的燃烧发动机使用的任何合适的燃料，例如高炉气、焦炉气、天然气、蒸发的液化天然气(LNG)、丙烷以及任何形式的液体燃料。稀释剂26可以是适于稀释或冷却燃料的任何流体，例如压缩空气、蒸汽、氮或者另一惰性气体。燃烧气体28流向涡轮机20，在涡轮机20中，燃烧气体28膨胀而做功。
热回收系统14通常包括蒸汽发生器30、蒸汽涡轮机32以及冷凝器34。蒸汽发生器30位于涡轮机20的下游，并且，来自涡轮机20的排出的燃烧气体36流过蒸汽发生器30而产生蒸汽38。蒸汽涡轮机32位于蒸汽发生器30的下游，并且，来自蒸汽发生器30的蒸汽38在蒸汽涡轮机32中膨胀而做功。冷凝器34位于蒸汽涡轮机32的下游和蒸汽发生器30的上游，并且，将来自蒸汽发生器30的蒸汽38冷凝成冷凝物40，该冷凝物40返回至蒸汽发生器30。冷凝器34和蒸汽发生器30之间的第一冷凝泵42与蒸汽发生器30进行流体连通，以从冷凝器34向蒸汽发生器30提供冷凝物40。此外，第二冷凝泵44可以存在，以增加被供应至蒸汽发生器30的后续阶段的冷凝物40的压力。
返回联合循环发电厂10的燃气涡轮机12部分，燃气涡轮机12还可以包括位于第一压缩机16的下游和燃烧器18的上游的第二压缩机46。第二压缩机46接收来自第一压缩机16的压缩的工作流体48的一部分，并增加来自第一压缩机16的压缩的工作流体48的压力。由第二压缩机46提供的压力的典型增加大约是30％至70％，但压力的实际增加不是本发明的限制，除非在权利要求中被陈述。第二压缩机46的产品可以被称为雾化用空气50，并与燃料24和/或稀释剂26一起被注入至燃烧器18中，以将混合物雾化，从而增强燃烧的效率。
由第一压缩机16向第二压缩机46供应的压缩的工作流体48的一部分典型地具有相当于650°F至900下的温度。可以使用燃气涡轮机12和热回收系统14之间的闭合回路冷却系统，以降低由第一压缩机16供应的压缩的工作流体48的一部分的温度。如本文中使用的，“闭合回路冷却系统”被定义为系统中的至少一些冷却剂在循环回路中流动的任何冷却系统，包括将冷却剂添加至回路或者从回路除去冷却剂的系统。具体而言，再生式热交换器52可以位于第一压缩机16和第二压缩机46之间，以除去来自第一压缩机16向第二压缩机46供应的压缩的工作流体48的一部分的热。如本文中使用的，再生式热交换器52包括将由该热交换器除去的热传递至另一构件以在释放至环境之前利用的任何热交换器。闭合回路冷却系统为诸如冷凝物40的冷却剂提供了流体连通，以流过蒸汽发生器30和再生式热交换器52并在蒸汽发生器30和再生式热交换器52之间流动。例如，如图1所示，第一冷凝泵42可以通过管道将冷却剂(例如冷凝物40)供应至再生式热交换器52。当冷却剂流过再生式热交换器52时，它从流过再生式热交换器52并流向第二压缩机46的压缩的工作流体48的一部分除去热。例如，再生式热交换器52可以将被供应至第二压缩机46的压缩的工作流体54的温度降低至比400°F、350°F、300°F或250°F更低，正如所期望的那样。在离开再生式热交换器52之后，在由标号56标示的点，冷却剂然后可以流向第二冷凝泵44，在由标号58标示的点。第二冷凝泵44增加冷却剂的压力，并将冷却剂供应至蒸汽发生器30。闭合回路冷却系统以这种方式将热从再生式热交换器52传递至蒸汽发生器30，从而增大了联合循环发电厂10的整体效率。在一些实施例中，从再生式热交换器52传递至蒸汽发生器30的热量可能能够生成比200至650kW更大的电力。
本领域的普通技术人员将容易懂得，图1中描述并显示的联合循环发电厂10提供了用于使联合循环发电厂10以改进的效率运转的方法。具体而言，该方法包括在第一压缩机16中压缩工作流体，以及利用再生式热交换器52冷却该压缩的工作流体48，以生成冷却的压缩的工作流体54。该方法还包括将热从再生式热交换器52传递至蒸汽发生器30，使得由再生式热交换器52除去的热可以用于生成蒸汽38并做功。然后，蒸汽38可以被冷凝成冷凝物40，并且通过闭合回路冷却系统被泵送而通过再生式热交换器52和蒸汽发生器30。冷却的压缩的工作流体54可以进一步被压缩并供应至燃烧器18，从而利用冷却的压缩的工作流体50将燃料24和/或稀释剂26雾化。取决于特定的设计需要，该方法可以导致将比200至650kW更大的电力从再生式热交换器52传递至蒸汽发生器30。
本书面说明使用了示例来公开发明，包括最佳模式，并且，也使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作并使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求书限定，并可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这种其它的示例包括并不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者，如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性区别的等同结构要素，那么，这种其它的示例旨在处于权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种联合循环发电厂(10)，包括：
燃气涡轮机(12)，其中，所述燃气涡轮机(12)包括第一压缩机(16)、位于所述第一压缩机(16)的下游的至少一个燃烧器(18)以及位于所述燃烧器(18)的下游的涡轮机(20)；
第二压缩机(46)，位于所述第一压缩机(16)的下游；
再生式热交换器(52)，位于所述第一压缩机(16)和所述第二压缩机(46)之间；
蒸汽发生器(30)，位于所述涡轮机(20)的下游，其中，所述蒸汽发生器(30)接收来自所述涡轮机(20)的排气(36)；
蒸汽涡轮机(32)，位于所述蒸汽发生器(30)的下游；
冷凝器(34)，位于所述蒸汽涡轮机(32)的下游和所述蒸汽发生器(30)的上游；以及
第一冷凝泵(42)，位于所述冷凝器(34)和所述蒸汽发生器(30)之间，并且，与所述再生式热交换器(52)进行流体连通。
2.根据权利要求1所述的联合循环发电厂(10)，其特征在于，所述第二压缩机(46)位于所述至少一个燃烧器(18)的上游。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的联合循环发电厂(10)，其特征在于，所述第一冷凝泵(42)位于闭合回路冷却系统中，其中，所述闭合回路冷却系统将热从所述再生式热交换器(52)传递至所述蒸汽发生器(30)。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的联合循环发电厂(10)，其特征在于，还包括位于所述再生式热交换器(52)的下游的第二冷凝泵(44)。
5.根据权利要求4所述的联合循环发电厂(10)，其特征在于，所述第一冷凝泵(42)产生第一排放压力，所述第二冷凝泵(44)产生第二排放压力，并且，所述第二冷凝泵(44)的所述第二排放压力比所述第一冷凝泵(42)的所述第一排放压力更大。
6.根据权利要求4-5中的任一项所述的联合循环发电厂(10)，其特征在于，所述第二冷凝泵(44)位于闭合回路冷却系统中，其中，所述闭合回路冷却系统将热从所述再生式热交换器(52)传递至所述蒸汽发生器(30)。
7.一种用于运转联合循环发电厂(10)的方法，包括：
在压缩机(16)中压缩工作流体；
利用再生式热交换器(52)冷却所述压缩的工作流体(48)，以生成冷却的压缩的工作流体(54)；以及
将热从所述再生式热交换器(52)传递至蒸汽发生器(30)。
8.根据权利要求7所述的用于运转联合循环发电厂(10)的方法，其特征在于，还包括压缩所述冷却的压缩的工作流体(54)。
9.根据权利要求7-8中的任一项所述的用于运转联合循环发电厂(10)的方法，其特征在于，还包括使所述冷却的压缩的工作流体(50)流向至少一个燃烧器(18)。
10.根据权利要求7-9中的任一项所述的用于运转联合循环发电厂(10)的方法，其特征在于，还包括利用所述冷却的压缩的工作流体(50)将燃料(24)雾化。
11.根据权利要求7-10中的任一项所述的用于运转联合循环发电厂(10)的方法，其特征在于，还包括将来自所述蒸汽发生器(30)的蒸汽(38)冷凝成冷凝物(40)，以及将所述冷凝物(40)通过闭合回路系统泵送至所述再生式热交换器(52)。
12.根据权利要求11所述的用于运转联合循环发电厂(10)的方法，其特征在于，还包括将所述冷凝物(40)从所述再生式热交换器(52)泵送至所述蒸汽发生器(30)中。
13.根据权利要求7-12中的任一项所述的用于运转联合循环发电厂(10)的方法，其特征在于，还包括将至少300kW的电力从所述再生式热交换器(52)传递至所述蒸汽发生器(30)。
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