CN103026010B - 联合循环发电系统中用于功率增大的蒸汽源和能源回收 - Google Patents

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Abstract

一种发电系统(11)和操作这种包括蒸汽涡轮机(14)的系统(11)的方法。在一个实施例中，热回收蒸汽发生器(20)包括被联接成从蒸汽涡轮机(14)接收冷凝物的蒸发器(127)和被联接成从蒸发器(127)接收输出的过热器(132)。热回收蒸汽发生器(20)以从燃烧涡轮机(28)接收到的热能生成蒸汽。闪蒸罐(9)接收在热回收蒸汽发生器(20)中加热过的水，作为蒸汽输出水的第一部分，并作为液体输出水的第二部分。流线(134)使蒸汽(51)从闪蒸罐(9)进入燃烧涡轮机(28)中的燃烧室(26)以提供功率增大。

Description

联合循环发电系统中用于功率增大的蒸汽源和能源回收
技术领域
本发明总体涉及动力系统，更具体地说，涉及包含Rankine循环和Brayton循环这两个类型的联合循环发电系统。更具体地说，本发明涉及用于改善这种发电系统的电力输出和效率的系统和方法。
背景技术
联合循环发电厂已经在广泛使用，因为它们包含能够从内燃机的热废气流回收热的热交换器。传统上，回收的热被用于生成蒸汽涡轮机的工作流体。比起只用燃烧涡轮机或者只用蒸汽涡轮机所获得的，这能实现更有效的发电。见例如美国专利No.5,375,410，其被转让给本发明的受让人并且通过引用并入本文。
通常，联合循环发电系统包括基于燃烧过程的第一动力源和在Rankine循环即蒸汽循环上操作的第二动力源。传统上，第一动力源是燃气涡轮机，其中来自燃烧过程的热废气的热经由热回收蒸汽发生器(HRSG)被传送至Rankine循环中的工作流体。这种系统能够在55%或者更高级别上的整体工厂效率下操作。
联合循环发电系统在稳定状态操作期间是最有效的。然而，在高峰电力需求时，经常需要快速地增加电力输出。如此做(通常称为功率增大)的一个方法涉及在从蒸汽涡轮机输出前从蒸汽循环中转移蒸汽例如去除过热的蒸汽，并将蒸汽直接供给到燃气涡轮机的燃烧室中。当联合循环发电厂以这种功率增大模式操作时，从Rankin循环去除的蒸汽处于比燃烧室的输入端处的压缩空气的压力略高的压力。一旦蒸汽进入了燃烧室，其温度大大提升，因为它与燃烧气体混合了。这导致大幅膨胀，使得从蒸汽经由燃气涡轮机部分的电力输出远大于将由蒸汽涡轮机提供的。
然而，用于功率增大的蒸汽转移在同一周期中从Rankine循环去除了能源，其中为了增加工厂电力输出已作出了努力。因此，使系统移动到较高水平的稳定状态电力输出的努力受到妨碍，因为必须通过加热比较冷的补偿水来更换失去的蒸汽。所需的补偿水量可能是存在于Rankine循环中的给水体积的20%或更多。
当如经常发生的情形那样在补偿水纯度不足时，与蒸汽转移和补偿水的注入相关联的能源损失是复杂的。在直通设计中，为了去除杂质，通常在HRSG的一个或多个阶段中包含蒸汽瓶，以实现湿气分离。虽然流动通常受到控制以在HRSG蒸发器的出口处生成干燥蒸汽，但是通过增加从锅炉流出并穿过蒸发器的给水的体积流量，蒸汽在离开HRSG蒸发器管道时保持潮湿。设置成与管道串联的蒸汽瓶有助于去除湿气，并且随着湿气，杂质成分的绝大部分也被去除。这能够实现去除大约90%的杂质，但是存在于分离出的湿气中的能源的损失会加大。
在其它HRSG设计中，湿气分离在蒸汽鼓中是连续的，其总是包含液体。
附图说明
在以下描述中结合附图说明本发明，附图中：
图1是一简化示意图，其示出了本发明一实施例的联合循环发电系统的蒸汽涡轮机系统；
图2是一简化示意图，其示出了本发明另一实施例的联合循环发电系统的蒸汽涡轮机系统；而
图3示出了本发明又一实施例的联合循环发电系统。
相似附图标记在整个附图中用于表示相似特征。
具体实施方式
参考图1，其中以简化的示意形式示出了本发明一实施例的蒸汽涡轮机系统1。虽然未示出，但是图1中的注释“去往燃气涡轮机以进行功率增大”表明系统1是一联合循环发电系统的一部分。在图3中示出了包含本发明的特征的一个示例性联合循环系统。
系统1包括从直通HRSG3接收过热蒸汽的蒸汽涡轮机2。从涡轮机2输出的工作流体被提供至冷凝器4，然后回收到HRSG3中。应该意识到的是，用于联合循环系统的HRSG设计通常将具有多个阶段，但是为了表示得简洁，HRSG3的所示出的部件有联接成从冷凝器4接收水的节热器5、将水转变成蒸汽的蒸发器6、将从蒸发器接收到的饱和蒸汽转换成干燥蒸汽以注射到蒸汽涡轮机2中的过热器7、定位在蒸发器6与过热器7之间的流线(line)中的蒸汽瓶8和联接成从蒸汽瓶接收水的闪蒸罐(flashtank)9。
蒸汽瓶8用作蒸汽进入过热器7之前的湿气分离阶段。在直通蒸汽发生器中，进入蒸汽瓶8的蒸汽通常是干燥蒸汽。然而，为了引起湿气分离，流向蒸发器6的流股被增加至使进入蒸汽瓶8的蒸汽为湿的程度。然后，在湿气分离过程中，存在于进入瓶8蒸汽中的杂质大部分(例如经由补偿水引入的)被卷入蒸汽的液体部分并作为泄料从瓶8携带至闪蒸罐9。本发明的一个特征是在闪蒸罐9中被转换成蒸汽的来自蒸汽瓶的液体的部分(例如，大约20%)被用于功率增大。
参考图2，其中以简化的示意形式示出了本发明另一实施例的蒸汽涡轮机系统1a。如相对于图1所描述的，系统1a是如图3所示那种联合循环发电系统的一部分。
系统1a包括从直通HRSG3a接收过热蒸汽的蒸汽涡轮机2。从涡轮机2输出的工作流体被提供至冷凝器4，然后回收到HRSG3a中。应该意识到的是，用于联合循环系统的HRSG设计通常将具有多个阶段，但是为了示意的简洁，HRSG3a的所示出的部件有联接成从冷凝器4接收水的节热器5、将水转变成蒸汽的蒸发器6、将从蒸发器接收到的饱和蒸汽转换成干燥蒸汽以注射到蒸汽涡轮机2中的过热器7、定位在蒸发器6与过热器7之间的流线(line)中的蒸汽鼓8a和联接成从蒸汽瓶接收水的闪蒸罐9。
蒸汽鼓8a用作蒸汽进入过热器7之前的湿气分离阶段。在HRSG3a包括蒸汽鼓的情况下，进入鼓的蒸汽是湿的、大致多于60%的液体。在湿气分离过程中，存在于进入鼓8a蒸汽中的杂质大部分(例如经由补偿水引入的)被卷入蒸汽的液体中。该液体的一部分(即，泄料)被从鼓8a携带至闪蒸罐9。本发明的一个特征是在闪蒸罐9中被转换成蒸汽的泄料的部分(例如，大约20%)被用于功率增大。蒸汽鼓8a中的液体的残余部分可以经由鼓下导管101回收至蒸发器6。
关于图1、2的实施例，闪蒸罐9在比过热器略低的压力处操作，但是在足够高的压力下实现向燃气涡轮机的燃烧室中注入，以便联合循环系统中的功率增大。来自闪蒸罐9的饱和蒸汽与来自涡轮机2的干燥蒸汽合并，以转移至燃气涡轮机用于功率增大。残留在闪蒸罐9中的热水被送至热交换器10，以在补偿水注入冷凝器4之前将显热传递至补偿水。由热水从闪蒸罐穿过热交换器10的运动所产生的比较冷的水从热交换器10输出至回收罐(未示出)。它然后可以被净化并用作在输入冷凝器4前循环穿过热交换器10的补偿水。
根据图1的实施例，HRSG包括设置成从在HRSG中加热的较高压力的饱和蒸汽中分离湿气(液体部分，泄料)的湿气分离器，并将湿气输出至闪蒸罐用于生成较低压力的蒸汽。该蒸汽被选择性地从闪蒸罐传送至燃气涡轮机的燃烧室，以按需提供功率增大。来自蒸汽瓶8泄料的其余的第二部分作为比较热的水从闪蒸罐9输出。一水罐接收比较冷的补给水，用于输入蒸汽涡轮机系统以补偿由蒸汽转移至燃烧室用于功率增大所发生的工作流体的不足。一热交换器被联接成从闪蒸罐接收热水，并使用该热水中的显热来加热比较冷的补给水。该热交换器被联接成提供加热的补给水至蒸汽涡轮机之一，例如，经由冷凝器和HRSG。
图3示出了根据本发明一实施例的联合循环系统11，其形成有燃烧涡轮机系统12、高压蒸汽涡轮机14、中压蒸汽涡轮机16、低压蒸汽涡轮机18、热回收蒸汽发生器(HRSG)20(以虚线示出)和联接成从低压蒸汽涡轮机18接收工作流体的冷凝器(COND)22。燃烧涡轮机系统12包括示意性地示出的空气压缩机部分24、燃烧室26和燃气涡轮机28。为简明起见，省略了其它常规部件和流体流线(flowline)。例如，应该明白的是：一流体流线将涡轮机28的废气输出连接至HSRG20的高温侧的输入端。通常，根据本发明的联合循环系统可以包括多个低压、中压和高压蒸汽涡轮机、多个燃气涡轮机和多个HRSG。
来自燃烧涡轮机28的废气被传送通过HRSG20，然后被排出(未示出)。HRSG20包括示意性示出的低压、中压和高压阶段。低压阶段包括节热器42、低压鼓30、低压蒸发器121和低压过热器123。节热器42对从离开低压蒸汽涡轮机18的蒸汽得到的并且以液态从冷凝器22流出的水30加热。节热器42在低压阶段中制造接近沸点的热水50，其一部分被提供至低压鼓30用于在蒸发器121中再循环以制作蒸汽51，该蒸汽穿过鼓30、穿过低压过热器123并穿过涡轮机18。从节热器42输出的热水50的一部分被输入HRSG20的中压阶段，其包括第二节热器44、中压蒸汽鼓32、中压蒸发器125和过热器130。输入中压阶段的水50循环穿过第二节热器44，在这里它被加热至接近中压阶段的饱和温度，然后进入中压蒸汽鼓32中，然后穿过中压蒸发器125以生成中压蒸汽52。离开鼓32的蒸汽是饱和的。来自中压鼓32的中压蒸汽52穿过中压过热器130(其形成HRSG20的中压阶段的高温加热部件)，以在进入中压蒸汽涡轮机16之前进一步提升工作流体的温度。
从节热器42输出的热水50的大部分被输入HRSG20的高压阶段，其包括第三节热器48、高压蒸汽鼓34、高压蒸发器127和高压过热器132。最初，热水50循环穿过第三节热器48然后进入高压蒸汽鼓34中。从高压蒸汽鼓34，水流入高压蒸发器127中，以生成高压蒸汽54。
在图3的示例性实施例中，由高压蒸发器127生成的高压蒸汽54是饱和的。高压蒸发器联接至高压蒸汽鼓34，所述高压蒸汽鼓34联接至高压过热器132，所述高压过热器132形成HRSG20的高压阶段的高温加热部件。高压蒸汽54穿过高压鼓34和高压过热器132以进一步提升工作流体的温度，其然后被供给至高压蒸汽涡轮机14。
虽然其详情在图中未示出，但是所示HRSG20可以包括用于各自包括节热器、蒸发器和过热器的多压力回路的流径。
中压和高压鼓32、34中的每一个包括直接连接到燃烧室26中的流线。高压饱和蒸汽流线60携带来自鼓34的高压饱和蒸汽54至燃烧室26。穿过流线60并进入燃烧室26中的流动受控于阀64。流线60还包括冷凝器66。中压过热蒸汽流线70携带来自鼓32的中压饱和蒸汽52至燃烧室26。穿过流线70并进入燃烧室26中的流动受控于阀74。流线70还包括冷凝器76。
在系统11的启动期间，一旦从HRSG20的高压和中压阶段中的每一个生成了足够压力的过热蒸汽54或52，则对应且相应的阀64或74打开以允许过热蒸汽流入燃烧室26中。该过程的第一特征是，在过热蒸汽54或52生成后，先前溶解在给水中的二氧化碳的大部分几乎立即挥发并与蒸汽混合。因此，去除存在于工作流体中的二氧化碳的绝大部分所需的蒸汽注入量比较小。因此，与去除二氧化碳相关联的热耗也比较小。在包括有冷凝器66和76的情况下净化水的损失被进一步降低，所述冷凝器66和76具有类似于通过引用并入本文的美国7,306,653中所描述的排气冷凝器的设计。相对于系统启动、冷凝器66和76的操作以及卷入气体的去除的系统11的其它详情和特征在2009年7月15日提交并且通过引用并入本文的共同在审美国专利申请No.12/503,177中找到。
根据本发明的该实施例，在过加热生成于蒸发器125、127中的饱和蒸汽前，在蒸汽鼓32中从中压蒸汽52以及在蒸汽鼓34中从高压蒸汽54中分离出的液体(泄料)经由排泄线140、142传送至闪蒸罐9。通过将鼓32、34各自用作蒸汽在进入过热器130或132前的湿气分离阶段，存在于进入鼓的蒸汽中的杂质的绝大部分被卷入从鼓32、34中携带至闪蒸罐9的泄料中。本发明的一个特征是，在用于功率增大的需求的开始时，泄料的一部分在闪蒸罐9中被转换成蒸汽并注入燃烧室26中。闪蒸罐9的操作压力略低于过热器130、132，但是压力高到足以实现注入燃烧室26中。因此，来自闪蒸罐9的饱和蒸汽与干燥蒸汽52(或者蒸汽54)合并，用于在功率增大期间输入燃烧室26。
注意，失去的蒸汽(例如由于功率增大)必须被更换，一保持补偿水150的罐146被联接成发送水150经由热交换器10至冷凝器22。罐9中未被闪蒸的液体，即热水152，被发送穿过热交换器10，以在补偿水流入冷凝器22前将显热传递至补偿水150。由热水152从闪蒸罐穿过热交换器10的运动所产生的比较冷的水154从热交换器10输出并收集在一回收罐158中。被回收的水154然后经由净化阶段162得到处理，并作为补偿水150回收到罐146中。
根据图3的实施例，HRSG20包括定位成从在HRSG中加热的较高压力的饱和蒸汽分离出液体的湿气分离器，并以较低的压力例如从闪蒸罐作为蒸汽输出该液体(泄料)的第一部分。该蒸汽被选择性地传送至燃气涡轮机的燃烧室，以按需提供功率增大。该液体的残留的第二部分(比较热的水)被用于加热比较冷的补给水，即用于补偿由蒸汽在功率增大期间转移至燃烧室而产生的工作流体的不足的补偿水。热交换器10将第二部分的热水中的显热传递至比较冷的补给水。该热交换器被联接成提供加热的补给水至蒸汽涡轮机14、16、18中的一个或多个，例如，经由冷凝器22和HRSG20。
通常，通过闪蒸经由蒸汽鼓从饱和蒸汽例如从蒸汽52或54中分离出的湿气，能获得第二蒸汽源，以输入燃烧涡轮机，从而在高峰电力需求的开始时实现功率增大。从饱和蒸汽中分离出的残留湿气中的显热能够经由热交换机构传递至补偿水或者其它工作流体。
虽然本文已图示和描述了本发明的多种不同实施例，但这些实施例只是以示例方式给出的。在不背离本发明的情况下，可以做出若干变型、变更和置换。因此，希望的是本发明只由所附权利要求的精神和范围限定。

Claims (12)

1.一种发电系统，包括：
蒸汽涡轮机；
热回收蒸汽发生器，包括(i)被联接成从所述蒸汽涡轮机接收冷凝物的蒸发器，和(ii)被联接成从所述蒸发器接收输出物的过热器，所述热回收蒸汽发生器构造成以从一燃烧涡轮机接收的热能为所述蒸汽涡轮机生成蒸汽；
闪蒸罐，设置成(i)接收在所述热回收蒸汽发生器中加热过的水，(ii)作为蒸汽输出接收到的水的第一部分，和(iii)作为水输出接收到的水的第二部分；和
流线，被连接成使蒸汽从所述闪蒸罐进入燃烧涡轮机中的燃烧室，以选择性地提供功率增大，
其中所述热回收蒸汽发生器进一步包括蒸汽瓶，所述蒸汽瓶定位在所述蒸发器与所述过热器之间，以在从所述蒸发器输出湿蒸汽时，用作提供被所述闪蒸罐接收的水的湿气分离阶段，并且其中所述蒸汽瓶被连接成将水传送至所述闪蒸罐。
2.一种发电系统，包括：
蒸汽涡轮机；
热回收蒸汽发生器包括(i)被联接成从所述蒸汽涡轮机接收冷凝物的蒸发器，和(ii)被联接成从所述蒸发器接收输出物的过热器，所述热回收蒸汽发生器构造成以从一燃烧涡轮机接收的热能为所述蒸汽涡轮机生成蒸汽；
闪蒸罐，设置成(i)接收在所述热回收蒸汽发生器中加热过的水，(ii)作为蒸汽输出接收到的水的第一部分，和(iii)作为水输出接收到的水的第二部分；和
流线，被连接成使蒸汽从所述闪蒸罐进入燃烧涡轮机中的燃烧室，以选择性地提供功率增大，
其中所述热回收蒸汽发生器进一步包括蒸汽鼓，所述蒸汽鼓定位在所述蒸发器与所述过热器之间，以在从所述蒸发器输出湿蒸汽时，用作提供被所述闪蒸罐接收的水的湿气分离阶段，并且其中所述蒸汽鼓被连接成将水传送至所述闪蒸罐。
3.如权利要求1或2所述的发电系统，进一步包括被联接成从自所述闪蒸罐输出的水中回收热的热交换器。
4.如权利要求3所述的发电系统，其中，所述热交换器被联接成向所述蒸汽涡轮机提供加热过的补给水。
5.如权利要求1或2所述的发电系统，进一步包括：
水罐，用于接收向所述蒸汽涡轮机输入的比较冷的补给水，并由此补偿由蒸汽转移至所述燃烧室用于功率增大所发生的工作流体的不足；和
热交换器，被联接成从所述闪蒸罐接收热水，并且构造成接收并以从所述闪蒸罐输出的比较热的液体加热来自所述水罐的比较冷的补给水，其中所述热交换器被联接成向所述蒸汽涡轮机提供加热过的补给水。
6.如权利要求1或2所述的发电系统，其中，从所述蒸汽涡轮机接收到的冷凝物在所述热回收蒸汽发生器中被加热。
7.如权利要求1或2所述的发电系统，其中，所述闪蒸罐被连接成提供蒸汽作为向所述燃烧涡轮机的燃烧室的输入。
8.如权利要求2所述的发电系统，其中，所述蒸汽鼓实现将存在于从所述蒸发器接收到的蒸汽中的杂质卷入被所述闪蒸罐接收的水中，以便所述杂质的一部分被传送至所述闪蒸罐。
9.一种操作联合循环发电系统的方法，所述联合循环发电系统具有燃烧涡轮机、蒸汽涡轮机和用于将来自所述燃烧涡轮机的废气的显热传递至所述蒸汽涡轮机的热回收蒸汽发生器，所述方法包括：
从在所述热回收蒸汽发生器中以较高压力制得的第一饱和蒸汽源中分离出湿气以提供水源；
将闪蒸罐中的一部分水闪蒸以生成压力比第一蒸汽源低的第二蒸汽源；
向所述燃烧涡轮机的燃烧室选择性地提供第二蒸汽源，以在所述联合循环发电系统中提供功率增大，
其中所述方法进一步包括从闪蒸罐中向热交换器提供水的未闪蒸部分作为比较热的液体，以将存在于水中的热传递至比较冷的补偿水；并向所述蒸汽涡轮机输入补偿水，以补偿由蒸汽转移至燃烧室用于功率增大所发生的工作流体的不足。
10.如权利要求9所述的方法，其中，分离湿气和闪蒸一部分水的步骤是通过以下方式实现的：设置蒸汽鼓，以从所述热回收蒸汽发生器中的蒸发器接收湿蒸汽；在所述蒸汽鼓中形成水；以及使该水进入闪蒸罐，在闪蒸罐中所述水的未闪蒸的部分保持为液体。
11.如权利要求9所述的方法，其中，分离湿气和闪蒸一部分水的步骤是通过以下方式实现的：在所述热回收蒸汽发生器中的蒸发器与过热器之间设置蒸汽瓶以用作生成水的湿气分离阶段；以及使该水进入闪蒸罐，在闪蒸罐中所述水的未闪蒸的部分保持为液体。
12.如权利要求9所述的方法，其中，在第二蒸汽源被传送至燃烧室以提供功率增大的情况下，通过从第一饱和蒸汽源分离湿气而形成的水的一部分经由所述热回收蒸汽发生器中的蒸发器被回收。
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