CN114658549A - 动力设备以及操作该动力设备的方法 - Google Patents

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CN114658549A CN202111561333.8A CN202111561333A CN114658549A CN 114658549 A CN114658549 A CN 114658549A CN 202111561333 A CN202111561333 A CN 202111561333A CN 114658549 A CN114658549 A CN 114658549A
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G·杜索莫斯
J·里恩
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Abstract

包括燃气涡轮组件的动力设备，该燃气涡轮组件设置有：压缩机；燃烧器组件；涡轮，其由热气体驱动，该热气体在连接到发电机的转子上做功；加热组件，其包括用于预热燃料的加热装置、将燃料源连接到加热装置的入口燃料导管、将加热装置连接到燃烧器组件的外部燃料导管、用于将加热介质馈送到加热装置的入口加热介质导管和用于递送来自加热装置的加热介质的出口加热介质导管；冷却组件，其包括用于冷却溢出的高压空气的冷却装置、将增压室连接到冷却装置的入口空气导管、将冷却装置连接到涡轮和/或转子的出口空气导管、用于将冷却介质馈送到冷却装置的入口冷却介质导管和用于从冷却装置递送冷却介质的出口冷却介质导管。

Description

动力设备以及操作该动力设备的方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求享有于2020年12月22日提交的欧洲专利申请第20216274.9号的优先权，该申请的全部公开内容以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明的技术领域涉及动力设备组件。特别地，本发明涉及仅包括燃气涡轮组件的动力设备(power plant，有时也称为发电厂)，或者涉及包括用于形成联合循环的燃气涡轮组件和蒸汽涡轮组件的动力设备。在该技术领域中，本发明涉及如何集成动力设备中已经存在的两个部件以提高性能/效率的技术问题。
背景技术
众所周知，用于动力设备的燃气涡轮组件包括压缩机组件、燃烧器组件和涡轮组件。压缩机组件被构造用于压缩在压缩机入口处供应的进入空气。离开压缩机组件的压缩空气流入封闭容积(称为“增压室”)，并从那里进入燃烧器组件。该燃烧器组件通常包括多个喷燃器，这些喷燃器被构造用于将燃料(至少一种类型的燃料)喷射到压缩空气流中。燃料和压缩空气的混合物进入燃烧室，在那里该混合物点燃。所产生的热气体流离开燃烧室，并且流过涡轮组件，对连接到发电机的转子进行旋转做功。通常，相同的转子也支撑压缩机组件。众所周知，涡轮组件包括多级或多排旋转叶片，其由多级或多排定子静叶插置。旋转叶片由转子支撑，而定子静叶由同心并围绕涡轮组件的壳体(称为“静叶载体”)支撑。
为了实现高效率，热气体流必须具有非常高的涡轮入口温度。然而，一般来说，这种高温涉及不期望的高NOx排放水平。为了减少这种排放并增加操作灵活性而不降低效率，所谓的“顺序”燃气涡轮是特别合适的。一般来说，顺序燃气涡轮串联地执行两个燃烧阶段。如今，已经知道至少两种不同类型的顺序燃气涡轮。根据第一实施例，燃气涡轮包括第一燃烧器和第二燃烧器，它们是环形的，并且由称为高压涡轮的涡轮物理地分离。在第二燃烧器的下游，存在第二涡轮单元(称为低压涡轮)。这种类型的燃气涡轮由申请人生产，并且作为“GT26”在市场上可获得。
根据顺序燃气涡轮的第二实施例，燃气涡轮没有设置有高压涡轮，并且燃烧器组件以多个筒形燃烧器的形式实现，其中每个筒形燃烧器包括第一燃烧器和第二燃烧器，它们在筒形公共壳体内部直接一个在另一个的下游布置。这种类型的燃气涡轮也由申请人生产，并且作为“GT36”在市场上可获得。燃气涡轮组件的这两个示例(GT26和GT36)仅作为非限制性示例被引用，在该非限制性示例中可应用本发明。
在这些燃气涡轮组件中，出于冷却原因，已知从压缩机或增压室中溢出部分压缩空气，并且将该空气引导到转子和涡轮内部，即与热气体流接触的待冷却部分。为了降低溢出的压缩空气的温度，已知为燃气涡轮提供第一热交换器，特别是冷却器或冷却装置(例如所谓的直通式冷却器或“OTC”)，其被构造用于冷却溢出的压缩空气，并且用于将该冷却的空气馈送到涡轮和转子以用于冷却目的。该冷却装置通常是布置在燃气涡轮壳体外部的部件，并且因此存在用于将溢出的压缩空气馈送到冷却装置的导管(至少溢出的空气入口导管)以及用于将冷却空气引导到涡轮和转子的导管(至少冷却空气出口导管)。具体来说，该冷却装置是逆流热交换器，其使用冷却介质来降低溢出的压缩空气的温度。对于此范围，设备还设置有用于将冷却介质馈送到冷却装置的导管(至少冷却介质入口导管)和用于引导“加热的”冷却介质远离冷却装置的导管(至少冷却介质出口导管)。
此外，燃气涡轮组件还可设置有第二热交换器，特别是加热器或加热装置，其被构造用于在馈送到燃烧器组件(所谓的预热燃料气体)之前加热燃料(气体燃料)。事实上，众所周知，高达300℃的预热气体燃料在提高燃烧效率方面改善了组件性能。
燃气涡轮组件可与蒸汽涡轮组件协作，以形成所谓的联合循环动力设备。特别地，在联合循环中，构造用于驱动蒸汽涡轮的蒸汽通过使用离开燃气涡轮组件的排气的热量来生成。在该设备中，已知使用从蒸汽涡轮溢出的水或蒸汽作为以上提及的冷却装置(OTC)中的冷却介质。呈高压蒸汽形式的加热的冷却介质可依次馈送到蒸汽涡轮组件。在特定情况下，离开冷却装置的高压蒸汽不被导向到蒸汽涡轮，而是被直接引导到燃气涡轮的排出排气管(exhaust stack)。这种构造被称为“开环”，并且设备需要持续供应纯净水，以补偿通过排气管释放的损失。在不同的情况下，离开冷却装置的高压蒸汽被引导到冷凝器。在这种被称为“闭环”的构造中，水被循环以防止损失。
将高压蒸汽倾泻到排出排气管中或收集在冷凝器中涉及热量的低效使用。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种新的和创造性的动力设备，其适于解决上述问题，即改善性能和能量效率。
特别地，本发明涉及包括燃气涡轮组件的动力设备，或者涉及包括用于形成改善的联合循环的燃气涡轮组件和蒸汽涡轮组件的动力设备。
在这两种情况下，燃气涡轮组件包括：
- 压缩机，其被构造用于压缩进入的空气并将压缩空气馈送到增压室；
- 燃烧器组件，其被构造用于在压缩空气中至少馈送来自燃料源的燃料，并且用于通过燃烧生成热气体流；
- 涡轮，其被构造用于由热气体驱动，以在连接到发电机的转子上做功。
形成燃气涡轮组件的以上列出的部件为本领域技术人员所熟知，并且因此不需要额外的细节来理解本发明的领域。此外，本发明不影响上述部件的形状或种类，其因此可以以许多不同的形式实现。例如，燃烧器组件可为单个环形燃烧器或多个筒形燃烧器。
根据本发明的燃气涡轮组件还包括加热器或加热组件，该加热器或加热组件包括：
- 加热装置，其被构造用于预热燃料(即，在馈送到燃烧器组件之前加热燃料，优选地气体燃料)；
- 入口燃料导管，其将燃料源连接到加热装置；
- 外部燃料导管，其将加热装置连接到燃烧器组件。
根据本发明，术语“导管”不意味着必须是单个导管，而是包括多于一个导管的分配管线。
加热装置是逆流热交换器，并且因此加热组件还包括：
- 入口加热介质导管，其用于将加热介质馈送到加热装置；
- 出口加热介质导管，其用于从加热装置递送加热介质。
加热组件(特别是加热介质)被构造用于在馈送燃烧器组件之前在250℃和320℃之间、优选地在300℃加热燃料。
根据本发明的燃气涡轮组件还包括冷却组件，该冷却组件包括：
- 冷却装置，其被构造用于冷却溢出的压力空气，即由压缩机在增压室中递送的压缩空气的一部分；
- 入口空气导管，其将增压室连接到冷却装置；
- 出口空气导管，其出于冷却原因将冷却装置连接到涡轮和/或转子。
冷却装置是逆流热交换器，并且因此冷却组件还包括：
- 入口冷却介质导管，其用于将冷却介质馈送到冷却装置；
- 出口冷却介质导管，其用于从冷却装置递送冷却介质。
冷却组件(特别是冷却介质)被构造用于在馈送到涡轮或转子之前冷却压缩空气。
在这种构造中，根据本发明的主要特征，入口加热介质导管连接到出口冷却介质导管，即用于形成公共导管，使得由冷却装置递送并由压缩空气加热的冷却介质用作加热装置中的加热介质，以用于预热燃料。
优选地，馈送到冷却装置的冷却介质是水或蒸汽，并且因此离开冷却器装置的冷却介质是高压蒸汽。因此，入口冷却介质导管连接到水源或蒸汽源。
优选地，动力设备包括用于排出热气体的排气管。在这种情况下，出口加热介质导管设置有阀，用于选择性地将离开加热装置的蒸汽馈送到排气管或到冷凝器。
如先前所提及，馈送到冷却装置的水或蒸汽来自水源或蒸汽源。根据本发明的实施例，该源是蒸汽涡轮组件，其与燃气涡轮组件协作形成联合循环。在这个意义上，本发明的动力设备还可包括蒸汽涡轮组件，其中离开燃气涡轮的热排气被用作加热介质，以用于加热在蒸汽涡轮组件中循环的水/蒸汽。因此，冷却介质导管连接到蒸汽涡轮组件，用于将从蒸汽涡轮组件溢出的水/蒸汽作为冷却介质馈送到冷却装置。入口冷却介质导管还可设置有阀，用于选择性地将冷却装置连接到蒸汽涡轮组件或到不同的水源或蒸汽源。
优选地，出口冷却介质导管包括阀，用于根据设备的操作条件选择性地将离开冷却装置的高压蒸汽馈送到加热装置或到蒸汽涡轮组件。
根据本发明的用于操作动力设备的方法包括以下步骤：
a) 为动力设备至少提供如前所述和权利要求1中要求保护的燃气涡轮组件；
b) 借助于冷却介质冷却从冷却装置中的增压室溢出的空气；
c) 在借助于加热介质馈送加热装置中的燃烧器组件之前预热燃料；
其中，该方法还包括以下步骤：
d) 将离开冷却装置的冷却介质馈送到加热装置，以便将离开冷却器装置的加热的冷却介质用作加热装置中的加热介质。
有利地，在这种情况下，并且特别地在开式循环操作期间，离开冷却装置的加热的冷却介质的热量不会损失，而是在加热装置中使用以预热燃料。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性，并且旨在提供对要求保护的本发明的进一步解释。从以下描述、附图和权利要求书中，本发明的其它优点和特征将显而易见。
在所附权利要求书中具体阐述了被认为新颖的本发明的特征。
附图说明
在适当参考附图仔细阅读详细描述之后，本发明的另外的益处和优点将变得显而易见。
然而，通过结合附图参考本发明的以下详细描述，可最好地理解本发明本身，该详细描述描述了本发明的示例性实施例，在附图中：
- 图1是用于动力设备的燃气涡轮组件的示例的示意图；
- 图2是包括用于形成联合循环的燃气涡轮组件和蒸汽涡轮组件的动力设备的示意图；
- 图3是图2的动力设备的示意图，该动力设备设置有用于预热燃料的加热器装置；
- 图4是根据本发明修改的图3的动力设备的示意图。
具体实施方式
结合附图，下面根据优选实施例描述本发明的技术内容和详细描述，优选实施例不用于限制本发明的执行范围。根据所附权利要求书做出的任何等同变型和修改都由本发明所要求保护的权利要求书所覆盖。
现在将参考附图详细地描述本发明。
现在参考图1，图1是包括适于根据本发明进行改进的燃气涡轮组件的动力设备的实施例的示意图。图1公开了燃气涡轮组件1，其具有限定轴线A的转子6，并且沿着主流M串联地包括：
- 压缩机3，其用于压缩由进气口2馈送的空气，并且用于在增压室14中递送压缩空气，
- 燃烧器组件4，其中，离开增压室14的压缩空气与燃料混合，并且该混合物燃烧以产生热气体流，
- 涡轮5，其中热气体流膨胀，对连接到发电机24的转子6执行旋转做功。
根据图1，燃烧器组件4包括围绕轴线A布置成环的多个筒形燃烧器4。在每个筒形燃烧器4中，可实现单个燃烧级或串联的两个燃烧级。在图1中，附图标记11表示经由导管12,13连接到燃气涡轮组件的冷却装置。特别地，附图标记12表示构造用于将增压室14连接到冷却装置11的导管，使得由于冷却原因，压缩空气的一部分可经由涡轮5内部(叶片和/或静叶内部)和/或转子6内部的导管13溢出、冷却和输送。
现在参考图2，图2是包括形成联合循环动力设备的图1的燃气涡轮组件1和蒸汽涡轮组件19的动力设备的示意图。众所周知，在该设备中，离开燃气涡轮的热排气在蒸汽涡轮组件中用作加热介质，以用于加热驱动蒸汽涡轮28,29,30的蒸汽。在图2中，附图标记7表示燃料源，特别是气体燃料源，其被构造用于经由导管9将燃料馈送到燃烧器组件4。图2公开了冷却装置11是逆流热交换器(称为OTC)，其中从蒸汽涡轮组件19溢出的水或蒸汽用作冷却介质，以用于冷却馈送到冷却装置11的压缩空气。为此，该设备包括至少导管15和至少导管16，导管15用于将从蒸汽涡轮组件19溢出的水或蒸汽馈送到冷却装置11，导管16用于引导离开冷却装置11的加压蒸汽。在该示例中，导管16被构造用于引导来自蒸汽涡轮组件19中的冷却装置11的加压蒸汽，以驱动蒸汽涡轮28,29,30。
图3公开了具有附加细节的图2的设备。在特定情况下，离开导管16中的冷却装置11的加压蒸汽不被引导到蒸汽涡轮组件19，而是被引导到排气管20或冷凝器21，以用于形成所谓的开式循环或闭式循环。对于此范围，导管16设置有阀23，用于选择性地将加压蒸汽引导到蒸汽涡轮组件19或到排气管20(或经由附加阀31引导到冷凝器21)。图3中的附图标记8表示加热装置，该加热装置被构造用于在馈送到燃烧器组件4之前加热气体燃料。对于此范围，图3的设备22包括将燃料源7连接到加热装置8的至少导管9和将加热装置8连接到燃烧器组件4的至少导管10。对于冷却装置11，加热装置8也是逆流热交换器，并且附图标记17和18表示用于将加热介质馈送到加热装置8的至少导管，以及用于引导冷却的加热介质8离开加热装置8的至少导管。从当前在现有技术实践中使用的这种构造开始，图4公开了如何可根据本发明修改和改进图3的设备。
如前所述，并且如图3所支持，在所谓的开式循环期间，离开冷却装置11的加压蒸汽被直接引导到排气管20。相反，本发明提供了一种创造性的解决方案，用于在递送到排气管20(或到冷凝器21)之前，在这种开式循环应用中使用这种加压蒸汽的热量。特别地，如图4中所公开的，构造用于馈送加热装置8的入口加热介质导管连接到从冷却装置16开始的出口冷却介质导管16。因此，通过阀23，离开冷却装置的加压空气可被导向到蒸汽涡轮组件或到加热装置8，以用作用于预热燃料的加热介质。在加热步骤之后，离开加热装置8的蒸汽被引导到排气管20或(经由阀26)到冷凝器21。最后，附图标记25表示独立或分离的水源25，用于选择性地(经由阀27)向冷却装置11馈送淡水，而不是来自蒸汽涡轮组件的水或蒸汽。
尽管已经结合如上文所提及的本发明的一个或多个优选实施例解释了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行许多其它可能的修改和变型。例如，本发明可能不一定应用于联合循环动力设备，而是也可应用于具有所要求保护的冷却装置和加热装置的单个燃气涡轮组件。在这种情况下，首先在用于冷却空气的冷却装置中并且然后在用于预热气体燃料的加热装置中行进的流体介质不一定是水或蒸汽，或者可为由单独的水源25馈送的水。因此，设想所附的一个或多个权利要求将覆盖这种落在本发明的真实范围内的等同修改和变型。

Claims (10)

1.一种包括燃气涡轮组件(1)的动力设备，所述燃气涡轮(1)包括：
- 压缩机(3)，其被构造用于压缩进入的空气并将压缩空气馈送到增压室(14)；
- 燃烧器组件(4)，其被构造用于在所述压缩空气中至少馈送来自燃料源(7)的燃料，并且用于通过燃烧生成热气体流；
- 涡轮(5)，其被构造用于由所述热气体驱动，以在连接到发电机(24)的转子(6)上做功；
- 加热组件，其包括构造用于预热所述燃料的加热装置(8)、将所述燃料源(7)连接到所述加热装置(8)的入口燃料导管(9)、将所述加热装置(8)连接到所述燃烧器组件(4)的外部燃料导管(10)、用于将加热介质馈送到所述加热装置(8)的入口加热介质导管(17)和用于从所述加热装置(8)递送所述加热介质的出口加热介质导管(18)；
- 冷却组件，其包括构造用于冷却溢出的高压空气的冷却装置(11)、将所述增压室(14)连接到所述冷却装置(11)的入口空气导管(12)、出于冷却原因将所述冷却装置(11)连接到所述涡轮(5)和/或所述转子(6)的出口空气导管(13)、用于将冷却介质馈送到所述冷却装置(11)的入口冷却介质导管(15)和用于从所述冷却装置(11)递送所述冷却介质的出口冷却介质导管(16)；
其特征在于，所述入口加热介质导管(17)连接到所述出口冷却介质导管(16)，使得由所述冷却装置(11)递送的所述冷却介质用作所述加热装置(8)中的加热介质，以用于预热所述燃料。
2.根据权利要求1所述的动力设备，其中，所述入口冷却介质是水或蒸汽，并且所述出口冷却介质是高压蒸汽；所述入口冷却介质导管(15)连接到水源或蒸汽源。
3.根据权利要求2所述的动力设备，其中，所述动力设备(22)包括用于热排气的排气管(20)，所述出口加热介质导管(18)设置有阀(26)，用于选择性地将离开所述加热装置(8)的所述蒸汽馈送到所述排气管(20)或到冷凝器(21)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的动力设备，其中，所述动力设备(22)包括蒸汽涡轮组件(19)，其中，离开所述燃气涡轮的热排气用作加热介质，以用于加热在所述蒸汽涡轮组件(19)中循环的所述水/蒸汽；所述入口冷却介质导管(15)连接到所述蒸汽涡轮组件(19)，以用于将从所述蒸汽涡轮组件(19)溢出的水/蒸汽馈送到所述冷却装置(11)。
5.根据权利要求4所述的动力设备，其中，所述出口冷却介质导管(16)包括阀(23)，以用于选择性地将离开所述冷却器装置(11)的所述高压蒸汽馈送到所述加热装置(8)或到所述蒸汽涡轮组件(19)。
6.根据权利要求4或5所述的动力设备，其中，入口冷却介质导管(15)设置有阀(27)，以用于选择性地将所述冷却装置(11)连接到所述蒸汽涡轮组件(19)或到水源(25)。
7.一种用于操作动力设备的方法，所述方法包括以下步骤：
a) 提供根据权利要求1所述的动力设备(22)；
b) 借助于冷却介质冷却从冷却装置(11)中的所述增压室(14)溢出的空气；
c) 在借助于加热介质馈送加热装置(8)中的所述燃烧器组件(4)之前预热所述燃料；
其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
d) 将离开所述冷却装置(11)的所述冷却介质馈送到所述加热装置(8)，以便将离开所述冷却装置(11)的所述冷却介质用作所述加热装置(8)中的加热介质。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述加热装置(8)中用作加热介质的所述冷却介质是高压蒸汽；所述方法包括将离开所述加热装置(8)的所述蒸汽馈送到排气管(20)或到冷凝器(21)的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述步骤a)通过提供根据权利要求4所述的动力设备(22)来执行，在步骤b)中，用于冷却从所述增压室(14)溢出的所述空气的所述冷却介质是来自水源的水或从所述蒸汽涡轮组件(19)溢出的蒸汽。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述步骤d)通过选择性地将离开所述冷却装置(11)的所述冷却介质馈送到所述加热装置(8)或到所述蒸汽涡轮组件(19)来执行。
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