CN102953822A - 整体涡轮机设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种整体涡轮机设备(10)，且该设备(10)包括：燃烧器(28)；可操作地连接到燃烧器(28)上且包括压缩机(22)和涡轮膨胀器(24)的涡轮机(16)；用以使压缩空气从压缩机(22)流过涡轮膨胀器(24)以加热压缩空气的通路(34)；附加通路(104)，采用通过其从涡轮机(16)输出的高温流体以加热压缩空气；以及可操作地连接到通路上且构造成用以将加热的压缩空气分离成氧气和贫氧空气的空气分离单元(36)。

Description

整体涡轮机设备
技术领域
本文所公开的主题大体上涉及气化发电设备。更具体而言，本主题公开涉及用于在发电中使用的空气分离设备。
背景技术
典型的气化发电设备使用氧将进料(例如，煤)转换成燃料气体用于在燃气涡轮中燃烧，以便经由连接到燃气涡轮上的发电机产生电能。在整体气化发电设备中，从燃气涡轮的压缩机供应氧气从其分离的空气，因而改善了设备的效率且降低了成本。空气在燃气涡轮的压缩机中压缩，并且通过使空气分离单元中的氧气与压缩空气的其它成分分离来由压缩空气产生氧气。常用的一种类型的空气分离单元为基于膜片的空气分离单元。在基于膜片的分离单元中，空气分离发生在高于大约1400F的温度下，通常在大约1400F至大约1600F的范围内。然而，来自于燃气涡轮压缩机的压缩空气在大约600F至大约1000F的范围内可用。因此，经由热交换器或燃料加热器将压缩空气加热来将温度升高到所需的1400F至1600F用于在空气分离单元中使用。使用这种热交换器会增加附加成本且需要附加的燃料来操作。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种整体涡轮机设备，且该涡轮机设备包括：燃烧器；可操作地连接到燃烧器上且包括压缩机和涡轮膨胀器的涡轮机；用以使压缩空气从压缩机流过涡轮膨胀器来加热压缩空气的通路；附加通路，采用通过其从涡轮机输出的高温流体以加热压缩空气；以及可操作地连接到通路上且构造成用以将加热的压缩空气分离成氧气和贫氧空气的空气分离单元。
根据本发明的另一方面，提供了一种整体涡轮机设备，且该涡轮机设备包括燃烧器、可操作地连接到燃烧器且包括压缩机和涡轮膨胀器的涡轮机、用以使压缩空气从压缩机流过涡轮膨胀器以加热压缩空气的第一通路和第二通路，用以使压缩空气从第一通路流动的第三通路、用以使从涡轮膨胀器的出口输出的高温流体分流成其第一部分和第二部分的附加通路，附加通路构造成用以至少加热第二部分且用以至少使加热的第二部分流动至第一通路、第二通路和第三通路的组合中的一个或至第三通路以继而加热其压缩空气，以及可操作地连接到第一通路、第二通路和第三通路上且构造成用以将加热的压缩空气分离成氧气和贫氧空气的空气分离单元。
根据本发明的又一方面，提供了一种操作整体涡轮机设备的方法，且该方法包括使压缩空气沿通路从压缩机流过涡轮膨胀器以加热压缩空气、使高温流体沿附加通路从涡轮膨胀器的出口流动、使用附加通路的高温流体以在压缩空气流过涡轮膨胀器之后加热压缩空气，以及将加热压缩空气分离成氧气和贫氧空气。
这些和其它优点和特征将从结合附图的以下描述中变得更为明显。
附图说明
视为本发明的主题在说明书的总结处的权利要求中具体指出且明确地主张权利。本发明的前述及其它特征和优点将从结合附图的以下详细说明中显而易见，在附图中：
图1为聚焦于涡轮机的整体涡轮机设备的简图；
图2为根据实施例的整体涡轮机设备的简图；以及
图3为根据备选实施例的整体涡轮机设备的简图。
详细说明通过参照附图举例的方式阐述了本发明的实施例，以及优点和特征。
部件列表
10   设备
28   燃烧器
16   涡轮机
30   燃烧产物
22   压缩机
220  辅助压缩机
24   涡轮膨胀器
18   轴
34   空气流通路
36   空气分离单元
40   氧气
42   空气
47,48   热交换器
100,101   基础流
102   补充流
104   高温流
105,106   第一部分和第二部分
107   又一部分
110   又一热交换系统
111   分流器
113   第一热交换单元
114   加热器
1141   电加热器
115   第二热交换单元
210   备选的又一热交换系统。
具体实施方式
参看图1和图2，提供了一种整体涡轮机设备10。设备10可包括气化器，气化器由诸如例如煤的进料来产生燃料气体。将燃料气体供应至可操作地连接到涡轮机16上的燃烧器28，涡轮机16例如为燃气涡轮。燃烧器28燃烧燃料气体且产生燃烧产物30，燃烧产物30驱动涡轮机16的涡轮轴，其连接到例如发电机上以产生电能。涡轮机16包括沿轴定位且可操作地连接到涡轮膨胀器24上的压缩机22。空气流输入至压缩机22中，被压缩并输出至燃烧器28，以与燃料气体一起燃烧。将燃烧产物30路由至涡轮膨胀器24以驱动轴18。
设备10可包括空气分离系统，其将空气中的氧气与其它成分分离开。从压缩机22转移在压缩机输出温度下的一部分压缩空气流，压缩机输出温度通常是在大约600F至1000F的范围内。经由第一和第二(即，主)压缩空气流通路34中的一个或多个将压缩空气流路由至涡轮膨胀器24和/或燃烧器28以提供用于其中的构件的冷却，这些构件通常在远高于大约600F至1000F的温度下操作，且还需要对构件进行此种冷却来达到使用寿命。在路由通过涡轮膨胀器24之后，在一些实施例中压缩空气流现在处于大约1400F至1600F的温度下，且作为基础流100、101路由至空气分离单元36，在一些实施例中，空气分离单元36基于离子转运膜片且具有大约1400F至1600F的范围内的操作温度，从而便于匹配膨胀器的流出物。
如果在一些情况下膨胀器流出物处于小于空气分离单元36的操作温度范围的温度，则需要压缩空气流的附加加热，且从压缩机22输出的压缩空气流可作为补充流102沿第三(即，副)通路流动穿过另一热交换系统110，以将压缩空气流的温度提高至在空气分离单元36的操作温度内。补充流102可从压缩机22的任何一级或多级行进，或从第一和第二压缩空气流通路34中的一个或多个中的任一个行进。当补充流102从第一压缩空气流通路34行进的情况下，补充流102的分流可出现在压缩机22与涡轮膨胀器24之间。
一旦压缩空气流流至空气分离单元36，则空气分离单元36将压缩空气流分成低压高温氧气40的流和贫氧空气42的流。在一些实施例中，贫氧空气42可经由一个或多个贫氧空气通路流至涡轮膨胀器24，以驱动轴18的旋转，因而提高涡轮机16的效率。此外，在一些实施例中，经由一个或多个燃烧器通路来将至少一部分贫氧空气42从空气分离单元36路由至燃烧器28且引入燃烧器28中。将贫氧空气42引入燃烧器28中来与燃料气体一起燃烧提高了设备10的效率和输出，且例如减少了从燃烧器28的氮氧化物(NOx)的排放。在一些实施例中，在引入燃烧器28中之前，将贫氧空气42冷却至所期望的燃烧器28入口温度。在又一些实施例中，辅助压缩机220连接到一个或多个燃烧器通路上。辅助压缩机220用于通过将附加高压空气引入流至燃烧器28的贫氧空气42的流中来使通过一个或多个燃烧器通路的流动加压，以进一步提高设备10的效率和功率输出。
可以以许多不同的方式来使用高温氧气40的流。例如，在一些实施例中，除进料之外，还可将高温氧气40引入气化器中以产生燃料气体。可取决于气化器的输入要求来改变高温氧气40的流。作为另一实例，可在热交换器47、48，诸如氧气回流换热器中冷却高温氧气40的流，在热交换器47、48中，氧气40的热分别与基础流101和与补充流102交换，补充流102行进至又一热交换系统110。此外，如果期望更高压的氧气40的流，则可将氧气40的流引入氧气压缩机中以将压力升高至所期望的水平。该设备10的其它实例可使用常规燃气涡轮燃料，诸如天然气或油，且产生的氧气可输出用于在工业设备中使用。
在提供低于空气分离单元36的操作温度范围的温度下的膨胀器流出物的情况下，又一热交换系统110加热补充流102用于将其喷射到空气分离单元36中。又一热交换系统110包括如下文将描述的附加通路和分流器111，分流器111接收作为输入的高温流104，高温流104包括从涡轮机16的出口输出的在大约1100F至1150F的温度下的排出气体。分流器111将高温流104分成第一部分105和第二部分106。分流器111可联接到控制单元上，且受控制以调制第一部分105和第二部分106的相对量。
第一部分105从分流器111行进至第一部分与其它流体流结合的结合单元。第二部分106从分流器111按顺序行进至第一热交换器单元113和加热器114。第一热交换器单元113可为例如自举型(bootstrap-type)热交换器，在该热交换器中，将第二部分106加热至大约1300F至1400F。加热器114可例如为焚烧管(duct burner)，焚烧管设有燃料流，且在一些情况下，加热器114还可包括电热器1141，电热器1141将第二部分106加热至大约1500F至1600F。第二部分106从加热器114行进至第二热交换单元115，第二热交换单元115可例如为排出空气热交换器。
在第二热交换单元115处，第二部分106被采用以加热朝空气分离单元36行进的基础流100、101和补充流102的组合。第二部分106从第二热交换单元115以环路构造行进回到第一热交换单元113，在第一热交换单元113中，采用现在已经加热的第二部分106来加热第二部分106。然后，第二部分106作为又一部分107从第一热交换单元113行进，又一部分107可与第一部分105组合。
参看图3，根据备选实施例提供了备选的又一热交换系统210。在基础流100、101的温度超过空气分离单元36的操作温度范围的情况下，可采用备选的又一热交换系统210。如图所示，补充流102分流成流至热交换器48的一部分和与基础流100、101组合以冷却基础流100、101的剩余部分。备选的又一热交换系统210还包括分流器111，分流器111将高温流104作为输入接收，如上文所述。另外，分流器111将高温流104分成第一部分105和第二部分106。
第一部分105从分流器111行进至第一部分与其它流体流结合的结合单元。如上文所述，第二部分106从分流器111行进至加热器114中。第二部分106从加热器114行进至第二热交换单元115。在第二热交换单元115处，第二部分106被采用以加热引送至热交换器48且通过热交换器48的补充流102的一部分。然后，第二部分106可与第一部分105组合。同时，补充流102的一部分从第二热交换单元115行进，且与基础流100、101和补充流102的剩余部分的组合组合在一起。然后，在具有在空气分离单元36的操作范围内的温度时，将该组合提供至空气分离单元36。
尽管本发明结合仅有限数目的实施例进行了详细描述，但应当容易理解的是，本发明不限于这种公开的实施例。而是，本发明可修改以合并任何数目的目前未描述的、但与本发明的精神和范围相称的变型、改变、替换或等同布置。此外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但应当理解的是，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明并未看作是由前述说明限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种整体涡轮机设备(10)，包括：
燃烧器(28)；
涡轮机(16)，其可操作地连接到所述燃烧器(28)上，且包括压缩机(22)和涡轮膨胀器(24)；
通路(34)，其用以使压缩空气从所述压缩机(22)流过所述涡轮膨胀器(24)以加热所述压缩空气；
附加通路(104)，通过所述附加通路(104)从所述涡轮机(16)输出的高温流体被采用以加热所述压缩空气；以及
空气分离单元(36)，其可操作地连接到所述通路(34)上，且构造成用以将所述加热的压缩空气分离成氧气和贫氧空气。
2.根据权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，还包括沿所述附加通路(104)设置的热交换器(113,115)，通过所述热交换器(113,115)将热从所述高温流体和所述氧气传送至所述压缩空气。
3.根据权利要求2所述的设备(10)，其特征在于，所述热交换器(113,115)中的一个或多个包括氧气回流换热器、排出空气热交换器和自举热交换器中的一个或多个。
4.根据权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，还包括沿所述附加通路(104)设置的加热器(114,1141)以加热所述高温流体。
5.根据权利要求4所述的设备(10)，其特征在于，所述加热器(114,1141)中的一个或多个包括焚烧管。
6.根据权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，所述空气分离单元(36)包括离子转运膜片。
7.根据权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，还包括用以使压缩空气从所述通路(34)或所述压缩机(22)流动的副通路(102)。
8.根据权利要求7所述的设备(10)，其特征在于，所述附加通路(104)构造成使得采用所述高温流体以加热所述通路(34)和所述副通路(102)的组合中的所述压缩空气。
9.一种整体涡轮机设备(10)，包括：
燃烧器(28)；
涡轮机(16)，其可操作地连接到所述燃烧器(28)上，且包括压缩机(22)和涡轮膨胀器(24)；
第一通路和第二通路(34)，其用以使压缩空气从所述压缩机(22)流过所述涡轮膨胀器(24)以加热所述压缩空气；
第三通路(102)，其用以使压缩空气从所述第一通路(34)流动；
附加通路(100,101和104)，其用以使从所述涡轮膨胀器(24)的出口输出的高温流体分流成所述高温流体的第一部分(105)和第二部分(106)，所述附加通路(104)构造成用以至少加热所述第二部分且至少使所述加热的第二部分流动至所述第一通路、所述第二通路和所述第三通路的组合中的一个或至所述第三通路以继而加热其压缩空气；以及
空气分离单元(36)，其可操作地连接到所述第一通路、所述第二通路和所述第三通路上，且构造成用以将所述加热的压缩空气分离成氧气和贫氧空气。
10.根据权利要求9所述的设备(10)，其特征在于，所述第三通路(102)构造成用以使所述压缩空气从限定在所述压缩机(22)与所述涡轮膨胀器(24)之间的所述第一通路的位置流动。
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