CN105386876A - 联合循环发电设备 - Google Patents

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CN105386876A CN201510537827.0A CN201510537827A CN105386876A CN 105386876 A CN105386876 A CN 105386876A CN 201510537827 A CN201510537827 A CN 201510537827A CN 105386876 A CN105386876 A CN 105386876A
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gas turbine
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S.埃卡纳亚克
J.E.梅斯特罗尼
A.I.西皮奥
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Abstract

一种联合循环发电设备包括：压缩机，包括布置在压缩机下游的压缩机排放壳体的燃烧部段，布置在燃烧部段下游的涡轮，以及布置在涡轮部段下游的排气管道。压缩机、压缩机排放壳体、涡轮和排气管道限定穿过燃气涡轮的主流通路。热回收蒸汽发生器与排气管道成热连通并且与蒸汽涡轮成流体连通。鼓风机在热回收蒸汽发生器上游与主流通路成流体连通以使得鼓风机在燃气涡轮的回转机构操作期间从主流通路抽吸压缩空气。

Description

联合循环发电设备
技术领域
本申请以2014年8月28日提交的序列号为62/042814的美国临时专利申请为基础并且申请享有其优先权，为了所有的目的，该专利申请的公开以全文引用的方式并入到本文中。
本发明大体而言涉及联合循环发电设备。更具体而言，本发明涉及用于在燃气涡轮的回转机构(turninggear)和/或非燃烧操作期间保存联合循环发电设备的热回收蒸汽发生器部分内的热能的系统和方法。
背景技术
一种类型的联合循环燃气涡轮发电设备联合利用至少一个燃气涡轮和至少一个蒸汽涡轮来发电。该发电设备布置成使得燃气涡轮通过热回收系统(例如热回收蒸汽发生器“HRSG”)热连接至蒸汽涡轮。燃气涡轮通常包括压缩机部段、布置在压缩机部段下游的燃烧部段以及在燃烧部段下游的涡轮部段。燃气涡轮的转子轴联接至发电机。蒸汽涡轮的转子轴可联接至相同的发电机或单独的发电机。
HRSG通常包括定位在燃气涡轮的涡轮排气管道下游的一个或多个热交换器。在燃气涡轮的燃烧操作期间，热的燃烧排出气体从排气管道流动，穿过HRSG并且从排气烟囱流出。来自热的燃烧排出气体的热能经由(一个或多个)热交换器传递给工作流体(例如水)以便向(一个或多个)蒸汽涡轮提供加压蒸汽的流。
在某些情形下，燃气涡轮可主要在峰值或高功率需求时段操作并在非峰值或低需求时段关闭。然而，在关闭或非燃烧操作时段期间，通常希望经由联接至电动马达的回转机构保持燃气涡轮的转子轴以某个期望的最小旋转速度旋转以便保护燃气涡轮转子使之不变弯。
当转子经由回转机构转动时，周围空气被抽吸穿过压缩机部段，传送到燃烧部段的压缩机排放壳体中，传送穿过涡轮部段从排气管道出来，并且然后穿过HRSG。虽然在回转机构操作期间从压缩机流出的空气可实现热能的略微增加，但是，从压缩机进到HRSG中的空气的温度可低于驻留在HRSG的热交换器中的工作流体的温度，特别是在刚刚停止燃气涡轮的燃烧操作之后。因此，来自热交换器中的工作流体的热能损失至较冷的排出空气。
在回转机构操作期间来自HRSG中的工作流体的热能损失可不利地影响总体的发电设备性能。例如，在可实现燃气涡轮和蒸汽涡轮的完整操作之前，可能需要额外的时间使HRSG中的工作流体回到所需的操作温度。此外，HRSG中的工作流体与热的涡轮排出气体之间的较大温差(特别是在初始启动阶段)可导致HRSG的各个部件上的热应力，这可影响总体的HRSG性能。因此，用于在燃气涡轮的回转机构操作期间从HRSG的工作流体保存热损失的系统和方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点下面在以下描述中阐述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明得到教导。
本发明的一个实施例是联合循环发电设备。该联合循环发电设备包括：压缩机，包括布置在压缩机下游的压缩机排放壳体的燃烧部段，布置在燃烧部段下游的涡轮，以及布置在涡轮部段下游的排气管道。压缩机、压缩机排放壳体、涡轮和排气管道限定穿过燃气涡轮的主流通路。热回收蒸汽发生器与排气管道成热连通并且与蒸汽涡轮成流体连通。鼓风机在热回收蒸汽发生器上游与主流通路成流体连通以使得鼓风机在燃气涡轮的回转机构操作期间从主流通路抽吸压缩空气。
本公开的另一个实施例是联合循环发电设备。该联合循环发电设备包括燃气涡轮，该燃气涡轮具有：压缩机，包括布置在压缩机下游的压缩机排放壳体的燃烧部段，以及布置在燃烧部段下游的涡轮。压缩机排放壳体限定其中的压缩空气室。压缩机、压缩机排放壳体和涡轮限定延伸穿过燃气涡轮的主流通路。热回收蒸汽发生器布置在涡轮下游并配置成用以从主流通路接收排出空气流。蒸汽涡轮与热回收蒸汽发生器成流体连通。鼓风机在热回收蒸汽发生器上游与主流通路成流体连通。鼓风机在燃气涡轮的回转机构操作期间从主流通路抽吸空气。
本发明还包括一种用于在回转机构操作期间保存联合循环发电设备的热能的方法。该联合循环发电设备包括：燃气涡轮，在燃气涡轮的排气出口下游的热回收蒸汽发生器，以及流体地联接至热回收蒸汽发生器的蒸汽涡轮。该方法包括经由回转机构使燃气涡轮的转子轴旋转，其中，转子轴的旋转造成空气流到燃气涡轮的主流通路中。主流通路与热回收蒸汽发生器成流体连通。该方法还包括给鼓风机通电，鼓风机流体地联接至燃气涡轮的放气出口，其中，放气出口与主流通路成流体连通。该方法还包括经由鼓风机在热回收蒸汽发生器上游通过放气出口取出流动穿过主流通路的空气的至少一部分。
技术方案1：一种联合循环发电设备，包括：
燃气涡轮，其具有：压缩机，包括布置在所述压缩机下游的压缩机排放壳体的燃烧部段，布置在所述燃烧部段下游的涡轮，以及布置在所述涡轮部段下游的排气管道，其中，所述压缩机、所述压缩机排放壳体、所述涡轮和所述排气管道限定穿过所述燃气涡轮的主流通路；
热回收蒸汽发生器，其与所述排气管道成热连通并且与至少一个蒸汽涡轮成流体连通；以及
鼓风机，其在所述热回收蒸汽发生器上游与所述主流通路成流体连通，其中，所述鼓风机在所述燃气涡轮的回转机构操作期间从所述主流通路抽吸压缩空气。
技术方案2：根据技术方案1所述的联合循环发电设备，其中，所述鼓风机经由所述压缩机的放气出口与所述主流通路成流体连通。
技术方案3：根据技术方案1所述的联合循环发电设备，其中，所述鼓风机经由所述压缩机排放壳体的放气出口与所述主流通路成流体连通。
技术方案4：根据技术方案1所述的联合循环发电设备，其中，所述鼓风机经由所述涡轮的放气出口与所述主流通路成流体连通。
技术方案5：根据技术方案1所述的联合循环发电设备，其中，所述鼓风机经由所述排气管道的放气出口与所述主流通路成流体连通。
技术方案6：根据技术方案1所述的联合循环发电设备，其中，还包括在所述热回收蒸汽发生器上游布置在所述主流通路内的可移动舱口，其中，所述舱口在所述燃气涡轮的回转机构操作期间至少部分地限制穿过所述主流通路到所述热回收蒸汽发生器的流。
技术方案7：一种联合循环发电设备，包括：
燃气涡轮，其具有：压缩机，包括布置在所述压缩机下游的压缩机排放壳体的燃烧部段，以及布置在所述燃烧部段下游的涡轮，所述压缩机排放壳体限定其中的压缩空气室，其中，所述压缩机、所述压缩机排放壳体和所述涡轮限定穿过所述燃气涡轮的主流通路；
热回收蒸汽发生器，其布置在所述涡轮下游并且配置成用以从所述主流通路接收排出空气流；
蒸汽涡轮，其与所述热回收蒸汽发生器成流体连通；以及
鼓风机，其在所述热回收蒸汽发生器上游与所述主流通路成流体连通，其中，所述鼓风机在所述燃气涡轮的回转机构操作期间从所述主流通路抽吸空气。
技术方案8：根据技术方案7所述的联合循环发电设备，其中，所述鼓风机经由所述压缩机的放气出口与所述主流通路成流体连通。
技术方案9：根据技术方案7所述的联合循环发电设备，其中，所述鼓风机经由所述压缩机排放壳体的放气出口与所述主流通路成流体连通。
技术方案10：根据技术方案7所述的联合循环发电设备，其中，所述鼓风机经由所述涡轮的放气出口与所述主流通路成流体连通。
技术方案11：根据技术方案7所述的联合循环发电设备，其中，还包括在所述热回收蒸汽发生器上游布置在所述主流通路内的可移动舱口，其中，所述舱口在所述燃气涡轮的回转机构操作期间至少部分地限制穿过所述主流通路到所述热回收蒸汽发生器的流。
技术方案12：一种用于在回转机构操作期间保存联合循环发电设备的热能的方法，所述联合循环发电设备包括：燃气涡轮，在所述燃气涡轮的排气出口下游的热回收蒸汽发生器，以及流体地联接至所述热回收蒸汽发生器的蒸汽涡轮，所述方法包括：
在所述燃气涡轮的燃烧操作期间向所述热回收蒸汽发生器的工作流体提供热能；
关闭所述燃气涡轮；
经由回转机构使所述燃气涡轮的转子轴旋转，其中，所述转子轴的旋转造成空气流到所述燃气涡轮的主流通路中，其中，所述主流通路与所述热回收蒸汽发生器成流体连通；
给鼓风机通电，其中，所述鼓风机流体地联接至与所述主流通路成流体连通的放气出口；以及
经由所述鼓风机在所述热回收蒸汽发生器上游通过所述放气出口取出流动穿过所述主流通路的空气的至少一部分。
技术方案13：根据技术方案12所述的方法，其中，从所述燃气涡轮的压缩机取出流动穿过所述主流通路的空气的至少一部分。
技术方案14：根据技术方案12所述的方法，其中，从所述燃气涡轮的燃烧部段取出流动穿过所述主流通路的空气的至少一部分。
技术方案15：根据技术方案12所述的方法，其中，从所述燃气涡轮的压缩机排放壳体取出流动穿过所述主流通路的空气的至少一部分。
技术方案16：根据技术方案12所述的方法，其中，从所述燃气涡轮的涡轮取出流动穿过所述主流通路的空气的至少一部分。
技术方案17：根据技术方案12所述的方法，其中，从所述燃气涡轮的排气管道取出流动穿过所述主流通路的空气的至少一部分。
技术方案18：根据技术方案12所述的方法，其中，还包括限制从所述主流通路朝所述热回收蒸汽发生器流动的空气的流。
技术方案19：根据技术方案18所述的方法，其中，经由布置在所述热回收蒸汽发生器上游的舱口限制所述空气的流。
技术方案20：根据技术方案19所述的方法，其中，还包括调整所述舱口以控制朝所述热回收蒸汽发生器流动的所述空气流。
通过阅读本说明书，本领域普通技术人员会更好地了解这些实施例和其它实施例的特征和方面。
附图说明
在该说明书的其余部分中更具体地阐述了本发明的完全和可实施的公开内容，包括对本领域技术人员而言的最佳实施方式，其包括对附图的参考，其中：
图1为可并入本发明的各种实施例的示例性燃气涡轮的功能框图；
图2是根据本发明的各种实施例，如图1中所示的示例性燃气涡轮的功能框图；以及
图3是根据本发明的一个实施例，显示了用于保存联合循环发电设备内的热能的方法的流程图。
构件列表
10联合循环发电设备
12燃气涡轮
14入口部段
16工作流体
18压缩机部段
20压缩机
22燃烧部段
24燃烧器
26外壳体/压缩机排放壳体
28高压气室
30涡轮部段
32涡轮
34排气管道
36主流通路
38转子轴
40马达
42延伸轴
44回转机构
46热回收蒸汽发生器
48热交换器
50蒸汽涡轮
52发电机
54压缩空气
56燃烧气体
58工作流体
60蒸汽
62放气出口
64鼓风机/空气泵
66放气出口
68外壳体
70放气出口
72放气出口
74外壳体
76放气出口
78外壳体
80(一个或多个)舱口
81-99未使用
100方法
102步骤
104步骤
106步骤
108步骤
110步骤。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。该详细描述使用数字和字母标记来表示附图中的特征。在附图和描述中相似或类似的标记用于表示本发明的相同或相似的部件。如本文所用的用语“第一”、“第二”和“第三”可互换地使用以便区分一个部件与另一部件，并且并不意图表示个别部件的位置或重要性。用语“上游”和“下游”参考关于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”指流体从其流出的方向，并且“下游”指流体所流向的方向。
通过解释本发明的方式提供各示例，而不是限制本发明。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的范围或精神的情况下可在其中作出修改和变型。例如，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以产生更进一步的实施例。因此，意图使本发明覆盖这种落在所附权利要求及其等同物的范围内的修改和变型。出于说明目的，尽管在具有单个燃气涡轮、单个蒸汽涡轮和单个热回收蒸汽发生器、特别是单个热交换器的联合循环发电设备的情形下大体描述了本发明的示例性实施例，但是，本领域普通技术人员将容易认识到，本发明的实施例可应用于具有多个燃气涡轮、多个蒸汽涡轮和/或多个HRSG单元的任何联合循环发电设备。
现在参考附图，其中，在所有图中相同的附图标记表示相同的元件，图1提供了可并入本发明的各种实施例的示例性联合循环发电设备10的功能框图。如图1中所示，发电设备10包括燃气涡轮12。燃气涡轮12通常包括入口部段14，入口部段14可包括一系列过滤器、冷却线圈、水气分离器和/或其它装置(未示出)以便纯化和以其它方式调节进入燃气涡轮12的工作流体(例如空气)16。包括压缩机20的压缩机部段18布置在入口部段14下游。燃烧部段22布置在压缩机20下游，其包括绕外壳体(例如压缩机排放壳体)26呈环形排列的多个燃烧器24。在具体实施例中，外壳体26限定其中的高压气室28。
包括高压和/或低压涡轮32的涡轮部段30布置在燃烧部段22下游。在一个实施例中，燃气涡轮包括布置在涡轮32下游的排气管道34。在具体实施例中，压缩机20、燃烧部段22的外壳体26、涡轮32和排气管道34限定穿过燃气涡轮12的主流通路36。转子轴38沿着燃气涡轮12的轴向中心线延伸。在一个实施例中，发电机/马达40经由延伸轴42和/或回转机构44联接至转子轴38。
在具体实施例中，发电设备10包括布置在涡轮32和排气管道34中至少一个的下游的热回收蒸汽发生器46。热回收蒸汽发生器46通常包括与燃气涡轮12的主流通路36成流体连通的至少一个热交换器48。(一个或多个)热交换器48流体地联接至一个或多个蒸汽涡轮50，蒸汽涡轮50可连接至发电机52。
在燃气涡轮12的燃烧操作期间，空气16穿过入口部段14并进到压缩机20中，其中，空气16在其流经联接至转子轴38的多排或多级固定静叶和旋转的压缩机叶片(未显示)时被渐进地压缩。压缩空气54沿着主流通路36从压缩机20传送并进到外壳体26和/或燃烧部段22的空气室28中。压缩空气54的至少一部分传送到各个燃烧器24中，其中，压缩空气与燃料混合以提供易燃的燃料-空气混合物。每个燃烧器24中的燃料-空气混合物燃烧以提供处于高温、高压和高速的燃烧气体56。燃烧气体56然后被传送到涡轮32中，其中，经由联接至转子轴38的一排或多排或者一级或多级固定静叶和可旋转涡轮转子叶片从燃烧气体提取动能和热能，从而造成转子轴38旋转。
燃烧气体56经由排气管道34从涡轮34排出并且传送到热回收蒸汽发生器46中。来自排放的燃烧气体56的剩余热能经由热交换器48传递至工作流体(例如水)58。传递的热能通常足以将工作流体58转变为蒸汽60。该蒸汽60然后被传送至蒸汽涡轮50。
一旦燃气涡轮关闭或者在非燃烧条件下操作，回转机构44可接合以便保持转子轴38旋转，从而降低转子轴38变弯的可能性和/或改进使联合循环发电设备10回到联机所需的启动时间。当回转机构使转子轴38旋转时，空气16被抽吸穿过入口14并进到压缩机20中，其中，空气16沿着主流通路36流动穿过燃烧部段22的外壳体26，穿过涡轮32、排气管道34并经过热回收蒸汽发生器46的热交换器48。当与储存在热交换器48内的工作流体58相比时，流动穿过主流通路36并流过热交换器48的空气16可相对较冷。因此，热能可损失至较冷的工作流体，因而可能降低热回收蒸汽发生器46和/或联合循环发电设备10的总效率。
图2提供了根据本发明的各种实施例如图1中所示的示例性联合循环发电设备10的示意性侧视图。在具体实施例中，联合循环发电设备包括与鼓风机或空气泵64成流体连通的一个或多个放气出口62。(一个或多个)放气出口62可在热回收蒸汽发生器46上游(尤其是热交换器48上游)沿着燃气涡轮12的各个点限定。
在一个实施例中，放气出口66延伸穿过压缩机20的外壳体68并与限定在压缩机20内的主流通路36的一部分成流体连通。在一个实施例中，放气出口70延伸穿过燃烧部段22的外壳体26并与限定在外壳体26和/或高压气室28内的主流通路36的一部分成流体连通。在一个实施例中，放气出口72延伸穿过涡轮32的外壳体74并与限定在涡轮32内的主流通路36的一部分成流体连通。在一个实施例中，放气出口76延伸穿过排气管道34的外壳体78并与限定在排气管道34内的主流通路36的一部分成流体连通。
联合循环发电设备10可包括如图2中所示的任何或全部放气出口62。放气出口62并不限于沿着燃气涡轮12的特定部段或构件的任何特定位置，除非在权利要求中特别地陈述。联合循环发电设备10可包括多个放气出口。鼓风机64可包括任何鼓风机马达、空气泵或适合于在燃气涡轮12的回转机构操作期间从燃气涡轮12的相应部段或构件中的主流通路36抽吸空气16的装置。
在具体实施例中，联合循环发电设备可包括在热回收蒸汽发生器46上游布置在主流通路36内的至少一个可移动舱口80，其中，一个舱口80或多个舱口在燃气涡轮12的回转机构操作期间至少部分地限制穿过主流通路36到热回收蒸汽发生器46的流。如图2中所示，其中一些舱口80可至少部分地打开以降低主流通路36内的压力，而其它舱口80可完全闭合以完全限制或阻止流或空气16进到热回收蒸汽发生器46中。
放气出口62、马达64和/或舱口80可提供用于保存联合循环发电设备10内的热能的方法100。例如，如图3中所示，在步骤102，可在燃气涡轮12的燃烧操作期间经由燃烧气体56向热回收蒸汽发生器46提供热能。在步骤104，可关闭燃气涡轮，因此保留热回收蒸汽发生器46的工作流体58中储存的热能。在步骤106，回转机构44和/或马达40可接合以使转子轴38旋转，其中，转子轴38的旋转造成空气16流到燃气涡轮12的主流通路36中。在步骤108，可给鼓风机64通电。在步骤110，可通过热回收蒸汽发生器46上游的放气出口62取出流动穿过主流通路36的空气16的至少一部分。
在一个实施例中，可经由放气出口66从燃气涡轮12的压缩机20取出流动穿过主流通路36的空气16的至少一部分。在一个实施例中，可经由放气出口70从燃气涡轮12的燃烧部段22的外壳体26取出流动穿过主流通路36的空气16的至少一部分。在一个实施例中，可经由放气出口72从燃气涡轮12的涡轮32取出流动穿过主流通路36的空气16的至少一部分。在一个实施例中，可经由放气出口76从燃气涡轮12的排气管道34取出流动穿过主流通路36的空气16的至少一部分。
此外，该方法还可包括限制从主流通路36朝热回收蒸汽发生器46流动的空气16的流。例如，在一个实施例中，空气16的流可经由布置在热回收蒸汽发生器46上游的一个或多个舱口80限制。该方法100还可包括调整该一个或多个舱口80以控制朝热回收蒸汽发生器46流动的空气16的流。例如，该一个或多个舱口80可至少部分地关闭或完全关闭。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则这些其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种联合循环发电设备，包括：
燃气涡轮，其具有：压缩机，包括布置在所述压缩机下游的压缩机排放壳体的燃烧部段，布置在所述燃烧部段下游的涡轮，以及布置在所述涡轮部段下游的排气管道，其中，所述压缩机、所述压缩机排放壳体、所述涡轮和所述排气管道限定穿过所述燃气涡轮的主流通路；
热回收蒸汽发生器，其与所述排气管道成热连通并且与至少一个蒸汽涡轮成流体连通；以及
鼓风机，其在所述热回收蒸汽发生器上游与所述主流通路成流体连通，其中，所述鼓风机在所述燃气涡轮的回转机构操作期间从所述主流通路抽吸压缩空气。
2.根据权利要求1所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述鼓风机经由所述压缩机的放气出口与所述主流通路成流体连通。
3.根据权利要求1所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述鼓风机经由所述压缩机排放壳体的放气出口与所述主流通路成流体连通。
4.根据权利要求1所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述鼓风机经由所述涡轮的放气出口与所述主流通路成流体连通。
5.根据权利要求1所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述鼓风机经由所述排气管道的放气出口与所述主流通路成流体连通。
6.根据权利要求1所述的联合循环发电设备，其特征在于，还包括在所述热回收蒸汽发生器上游布置在所述主流通路内的可移动舱口，其中，所述舱口在所述燃气涡轮的回转机构操作期间至少部分地限制穿过所述主流通路到所述热回收蒸汽发生器的流。
7.一种联合循环发电设备，包括：
燃气涡轮，其具有：压缩机，包括布置在所述压缩机下游的压缩机排放壳体的燃烧部段，以及布置在所述燃烧部段下游的涡轮，所述压缩机排放壳体限定其中的压缩空气室，其中，所述压缩机、所述压缩机排放壳体和所述涡轮限定穿过所述燃气涡轮的主流通路；
热回收蒸汽发生器，其布置在所述涡轮下游并且配置成用以从所述主流通路接收排出空气流；
蒸汽涡轮，其与所述热回收蒸汽发生器成流体连通；以及
鼓风机，其在所述热回收蒸汽发生器上游与所述主流通路成流体连通，其中，所述鼓风机在所述燃气涡轮的回转机构操作期间从所述主流通路抽吸空气。
8.根据权利要求7所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述鼓风机经由所述压缩机的放气出口与所述主流通路成流体连通。
9.根据权利要求7所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述鼓风机经由所述压缩机排放壳体的放气出口与所述主流通路成流体连通。
10.根据权利要求7所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述鼓风机经由所述涡轮的放气出口与所述主流通路成流体连通。
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