CN107429579B - 用于发电的涡轮系统内的工作流体的再热 - Google Patents

用于发电的涡轮系统内的工作流体的再热 Download PDF

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Abstract

公开了一种构造成提高汽轮机的蒸汽温度和热动力效率的原位递增再热系统。该系统包括：泵；辐射加热器；管路，其使泵、辐射加热器和汽轮机互连来产生流动回路；以及传热材料，其构造成流过流动回路且将热直接传递至用于汽轮机中的蒸汽。泵使传热材料移动穿过流动回路，且辐射加热器在传热材料将热传递至蒸汽之后再生传热材料。

Description

用于发电的涡轮系统内的工作流体的再热
技术领域
本发明大体上涉及用于发电的涡轮系统，且更具体地涉及提供原位递增再热(in-situ incremental reheating)来提高此涡轮系统的热动力效率的系统及方法。
背景技术
蒸汽兰金(steam-Rankine)功率循环是将热转化成动力的标准热动力功率循环。因此，其将热转化成功率的效率最重要是取决于蒸汽升高到的温度(越高越好)和低级热从功率循环移除所处的温度(越低越好)。蒸汽发电设备(steam-electric power plant)处的历史实践已经是使高压(HP)涡轮中的高温蒸汽膨胀，然后在蒸汽在中压(IP)涡轮中膨胀之前再热蒸汽，图1。少数发电设备使用双重再热，其中从IP涡轮发出的蒸汽在发送至低压(LP)涡轮之前又再热。通过提高至蒸汽工作流体的热增加(heat addition，有时也称为供热)的平均温度，提高总体功率循环效率和净设备效率。
单再热蒸汽兰金功率循环的使用对于大于大约150MWe容量的蒸汽发电设备而言是标准的。与双重再热相关联的提高的蒸汽管路/控制成本和更费力的启动和停机操作程序已经限制了其由发电设备开发者/所有者的接受度。现有技术的蒸汽发电设备使用直至4000psia/1120℉的主蒸汽条件和直至1120℉的单再热温度。
汽轮机大体上由呈圆形围绕涡轮轴布置的交替的静止(定子)叶片和旋转(转子)叶片构成。静止叶片转动且加速蒸汽流。蒸汽动量被传递至旋转叶片，其转动涡轮轴且最终转动发电机。定子与伴随的转子一起构成涡轮的单级。典型的HP和LP汽轮机将串联地具有超过10级。
近十年来，研究了利用高达1400℉的单再热温度将蒸汽温度提高至高达1400℉且将压力提高到高达5100psia的前景。然而，将蒸汽温度提高到高于现有技术的1120℉需要使用普通蒸汽发电设备中目前未使用的高镍合金。需要这些高镍合金来在最终过热器/再热器中产生高压主蒸汽和再热蒸汽，以将高压/高温蒸汽从锅炉传送至涡轮。
令人遗憾的是，适合的高镍合金可能消耗比现有技术的发电设备高一个数量级的钢。这已经导致了寻求将高温能量在低于主蒸汽压力的压力下从锅炉传送至涡轮、最小化强度要求且因此最小化这些异金属所需的材料量的备选方式。
因此，仍需要提高蒸汽温度而不需要昂贵的合金和管路的系统及方法。
发明内容
此需求通过本发明解决，本发明提供了一种原位递增再热系统和方法，以提高用于发电中的涡轮系统的热动力效率。
根据本发明的一个方面，一种构造成提高汽轮机的蒸汽温度和热动力效率的原位递增再热系统包括泵；辐射加热器；管路，其使泵、辐射加热器和汽轮机互连来产生流动回路；以及传热材料，其构造成流过流动回路且将热直接传递至汽轮机中使用的蒸汽。泵使传热材料移动穿过流动回路，且辐射加热器在传热材料将热传递至蒸汽之后再生传热材料。
根据本发明的一个方面，一种构造成提高具有高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮的汽轮机的蒸汽温度和热动力效率的原位递增再热系统，该系统包括流动回路和传热材料，该传热材料构造成流过流动回路，且将热直接传递至汽轮机中使用的蒸汽。流动回路包括：泵，其构造成使流体移动穿过流动回路；辐射加热器，其构造成再生流过流动回路的流体；内部流动通路，其延伸穿过汽轮机的涡轮定子叶片；以及管路，其使泵、辐射加热器和流动通路互连。
根据本发明的另一方面，一种用于提高汽轮机的蒸汽温度和热动力效率的方法包括以下步骤：提供具有泵、辐射加热器和使泵和辐射加热器互连至汽轮机的内部通路的管路；提供构造成流过流动回路的传热材料；使用辐射加热器来加热传热材料；使用泵使加热的传热材料移动穿过管路且到汽轮机的高压涡轮的内部通路中，其中加热的传热材料将热直接传递到高压涡轮中膨胀的蒸汽来提高热增加的平均温度；将加热的蒸汽传递至汽轮机的中压涡轮；以及将加热的蒸汽传递至汽轮机的低压涡轮。
附图说明
本发明可连同附图参照以下描述来最佳地理解，在附图中：
图1示出了用于涡轮的现有技术的再热布置；以及
图2示出了根据本发明的一种实施例的原位递增再热系统。
具体实施方式
参看附图，其中相同的参考标号表示贯穿各种视图的相同元件，图2示出了构造成提高汽轮机11的蒸汽温度和热动力效率的原位递增再热系统10。如所示的，汽轮机11包括高压(HP)涡轮12、中压(IP)涡轮13、以及低压(LP)涡轮14。系统10使用中间热流体或传热材料，其蒸气压力在直至1400℉或760℃(即，液态盐或金属)的温度下较低，允许了使用相对薄壁低压的管路。当蒸汽在HP涡轮12中膨胀时，热流体用于将热直接传递至用于汽轮机11中的蒸汽，因此产生了更大动力，且消除了对单独再热回路的需要，以及减少了将高温蒸汽从锅炉传送至涡轮所需的昂贵的高镍合金的需要。
如所图示的，热流体由泵17循环穿过涡轮定子叶片20中的内部流动通路16，以将热从热流体传递至HP涡轮12中膨胀的蒸汽。辐射加热器18用于再热或再生热流体回到期望温度。热流体在低压下被传递至涡轮11，需要最小厚度的管路，其中在工作流体(蒸汽)膨胀穿过涡轮时该热流体可用于连续再热该工作流体(蒸汽)，消除了对分离的再热器回路的需求。这改善了热增加的平均温度，从而改善了效率，而不提高最终蒸汽温度。
一旦蒸汽由热流体加热，则该蒸汽被传递至IP和LP涡轮。大体上，本发明通过提供显著地提高热增加的平均温度的连续再热而提高了效率。对于亚临界蒸汽功率循环(20世纪90年代构建的那些中典型的)，蒸汽增加的平均温度中的此提高可达到60℉。此外，提高效率导致大约相同尺寸的涡轮和锅炉的提高的涡轮输出(使用蒸汽上的相同温度极限的大约+0.7%寿命点改善)。
前文已经描述了用于提高发电中使用的涡轮系统的热动力效率的原位再热系统和方法。本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤可以以除此类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合之外的任何组合来组合。
本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的各个特征可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非明确另外指出。因此，除非明确另外指出，则公开的各个特征仅为普通的一系列等同或类似特征的一个示例。
本发明不限于前述(一个或多个)实施例的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖的一个、或特征的任何新颖的组合，或延伸至如此公开的任何方法或工艺的步骤中的任何新颖的一个、或步骤的任何新颖的组合。

Claims (11)

1.一种构造成提高汽轮机的蒸汽温度和热动力效率的原位递增再热系统，包括：
(a) 泵；
(b) 辐射加热器；
(c) 管路，其使所述泵、所述辐射加热器和所述汽轮机互连来产生流动回路；
(d) 传热材料，其构造成流过所述流动回路且将热直接传递至用于所述汽轮机中的蒸汽，其中所述泵使所述传热材料移动穿过所述流动回路，且所述辐射加热器在所述传热材料将热传递至所述蒸汽之后再生所述传热材料；
其中，所述传热材料流过所述汽轮机的定子叶片的内部流动通路来将热直接传递至所述蒸汽。
2.根据权利要求1所述的再热系统，其特征在于，所述传热材料是液态盐。
3.根据权利要求1所述的再热系统，其特征在于，所述传热材料是液态金属。
4.根据权利要求1所述的再热系统，其特征在于，所述传热材料被加热直至1400华氏度(760摄氏度)的温度。
5.一种构造成提高具有高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮的汽轮机的蒸汽温度和热动力效率的原位递增再热系统，所述系统包括：
(a) 流动回路，其具有：
(i) 泵，其构造成使流体移动穿过所述流动回路；
(ii) 辐射加热器，其构造成再生流过所述流动回路的流体；
(iii) 内部流动通路，其延伸穿过所述汽轮机的涡轮定子叶片；以及
(iv) 管路，其使所述泵、辐射加热器和流动通路互连；以及
(b) 传热材料，其构造成流过所述流动回路且将热直接传递至用于所述汽轮机中的蒸汽。
6.根据权利要求5所述的再热系统，其特征在于，所述传热材料是液态盐。
7.根据权利要求5所述的再热系统，其特征在于，所述传热材料是液态金属。
8.根据权利要求5所述的再热系统，其特征在于，所述传热材料被加热直至1400华氏度(760摄氏度)的温度。
9.一种用于提高汽轮机的蒸汽温度和热动力效率的方法，包括以下步骤：
(a) 提供流动回路，其具有泵、辐射加热器和使所述泵和辐射加热器互连至所述汽轮机的内部通路的管路；
(b) 提供构造成流过所述流动回路的传热材料；
(c) 使用所述辐射加热器加热所述传热材料；
(d) 使用所述泵使所述加热的传热材料移动穿过所述管路且到所述汽轮机的高压涡轮的内部通路中，其中所述加热的传热材料将热直接传递至所述高压涡轮中膨胀的蒸汽，以提高热增加的平均温度；
(e) 将所述蒸汽传递至所述汽轮机的中压涡轮；以及
(f) 将所述蒸汽传递至所述汽轮机的低压涡轮。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括重复步骤(c)和(d)来向所述高压涡轮中膨胀的蒸汽提供连续热增加的步骤。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述加热的步骤包括将所述传热材料加热直至1400华氏度(760摄氏度)的温度的步骤。
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