CN115199365A - 具有串联热交换器的联合循环发电厂 - Google Patents

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Abstract

本发明题为具有串联热交换器的联合循环发电厂。本发明公开了一种气体涡轮(12)，该气体涡轮具有压缩机区段(20)、涡轮区段(16)和燃烧器区段(18)。水回路(108)包括在第一给水供应器(68)和回水管线(37)之间延伸的第一水管线(109)。抽取空气管线在该压缩机区段(20)上的入口端口(120)和出口端口(116)之间延伸。第一热交换器(124)将该第一水管线(109)热联接到该抽取空气管线，用于将热量从该抽取空气管线内的抽取空气流传递到该水回路(108)内的水流。第二热交换器(126)将该第一水管线(109)热联接到燃料(106)供应管线，用于将热量从该水回路(108)内的该水流传递到该燃料(106)供应管线内的燃料(106)流。

Description

具有串联热交换器的联合循环发电厂
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年4月8日提交的法国专利申请第21315061.8号的优先权权益，其公开内容以引用方式全文并入本文。
技术领域
本公开整体涉及气体涡轮系统流体热交换器。具体地，本公开涉及具有热交换器的气体涡轮系统，这些热交换器既加热燃料又冷却压缩空气。
背景技术
气体涡轮发电厂诸如联合循环发电厂(CCPP)通常包括气体涡轮，该气体涡轮具有压缩机区段、燃烧器区段、涡轮区段、设置在涡轮下游的热回收蒸汽发生器(HRSG)，以及与HRSG流体连通的至少一个蒸汽涡轮。在操作期间，空气经由入口系统进入压缩机，并且随着空气被引导流向至少部分地围绕燃烧器的压缩机排放或扩散器壳体而逐渐被压缩。压缩空气的至少一部分与燃料混合并且在限定在燃烧器内的燃烧室内燃烧，从而产生高温高压燃烧气体。
燃烧气体被引导沿着热气体路径从燃烧器通过涡轮，其中当这些气体流动穿过联接到转子轴的交替的固定叶片级和可旋转涡轮叶片级时气体逐渐膨胀。动能从燃烧气体传递到涡轮叶片，从而导致转子轴旋转。转子轴的旋转能量可以经由发生器转换为电能。燃烧气体作为废气离开涡轮，并且该废气进入HRSG。将来自废气的热能传递到流过HRSG的一个或多个热交换器的水中，从而产生过热蒸汽。然后过热蒸汽被引导至蒸汽涡轮中，该蒸汽涡轮可以用于产生额外的电力，从而提高整个发电厂的效率。
一个或多个热交换器可以用于在燃料与压缩空气混合之前预热燃料，这导致较热的燃烧气体能够在涡轮区段内产生更多能量。另外，由于这些燃烧气体的温度较高，因此通常从压缩机区段中抽取相对较冷的空气，并且将该相对较冷的空气引导至涡轮区段，用于冷却涡轮区段的各种热气体路径部件。应当理解，燃料在被引入燃烧器区段之前越热，并且抽取空气在涡轮区段中使用之前越冷，则气体涡轮系统的效率就将越高。
因此，本领域期望一种改进的气体涡轮系统，该系统有利地提供较冷的抽取压缩空气和较热的燃料。
发明内容
根据本公开的气体涡轮系统和联合循环发电厂的各方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过该技术的实践来学习。
根据一个实施方案，提供了气体涡轮系统。该气体涡轮系统包括压缩机区段、涡轮区段、燃烧器区段。该燃烧器区段设置在该压缩机区段下游并且在该涡轮区段上游。该燃烧器区段经由燃料供应管线与燃料供应器流体连通。该气体涡轮系统还包括水回路，该水回路流体地联接到第一给水供应管线和回水管线并且在该第一给水供应管线和该回水管线之间延伸。该水回路包括在该第一给水供应管线和该回水管线之间延伸的第一水管线。该气体涡轮系统还包括抽取空气管线，该抽取空气管线在压缩机区段上的入口端口和涡轮区段上的出口端口之间延伸。第一热交换器将第一水管线热联接到抽取空气管线，用于将热量从抽取空气管线内的抽取空气流传递到水回路内的水流。第二热交换器将第一水管线热联接到燃料供应管线，用于将热量从水回路内的水流传递到燃料供应管线内的燃料流。
根据另一个实施方案，提供了联合循环发电厂(CCPP)。该CCPP包括气体涡轮系统、至少一个蒸汽涡轮和热回收蒸汽发生器(HRSG)。该HRSG包括高压节热器(HPECON)，第一给水供应管线从HPECON的出口延伸至HRSG之外。该气体涡轮系统包括压缩机区段、涡轮区段、燃烧器区段。该燃烧器区段设置在该压缩机区段下游并且在该涡轮区段上游。该燃烧器区段经由燃料供应管线与燃料供应器流体连通。该气体涡轮系统还包括水回路，该水回路流体地联接到第一给水供应管线和回水管线并且在该第一给水供应管线和该回水管线之间延伸。该水回路包括在该第一给水供应管线和该回水管线之间延伸的第一水管线。该气体涡轮系统还包括抽取空气管线，该抽取空气管线在压缩机区段上的入口端口和涡轮区段上的出口端口之间延伸。第一热交换器将第一水管线热联接到抽取空气管线，用于将热量从抽取空气管线内的抽取空气流传递到水回路内的水流。第二热交换器将第一水管线热联接到燃料供应管线，用于将热量从水回路内的水流传递到燃料供应管线内的燃料流。
参照以下描述和所附权利要求书，本发明的气体涡轮系统和联合循环发电厂的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合到本说明书中并构成其一部分的附图示出了本技术的实施方案，并与描述一起用于解释本技术的原理。
附图说明
本说明书中参考附图阐述了写给本领域的普通技术人员的本发明的气体涡轮系统和联合循环发电厂的完整且能够实现的公开内容，包括制造和使用本发明的系统和方法的最佳模式，其中：
图1是根据本公开的实施方案的联合循环发电厂(CCPP)的示意图；
图2示出了根据本公开的实施方案的气体涡轮系统的示意图；并且
图3示出了根据本公开的实施方案的气体涡轮系统的示意图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的气体涡轮系统和联合循环发电厂的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例是通过解释本发明技术的方式提供的，而不是对本技术的限制。事实上，对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离受权利要求书保护的本发明技术的范围或实质的情况下，可以在本发明技术中进行修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施方案，以产生又一个实施方案。因此，本公开旨在涵盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这些修改和变化。
具体实施方式使用数字和字母名称指代附图中的特征结构。附图和说明书中的相似或类似的名称已经用于指代本发明的相似或类似的部件。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
如本文所用，术语“上游”(或“向上”)和“下游”(或“向下”)是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，并且“下游”是指流体向其流动的方向。术语“径向”是指基本垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，术语“轴向地”是指与特定部件的轴向中心线基本平行和/或同轴对准的相对方向，并且术语“周向地”是指围绕特定部件的轴向中心线延伸的相对方向。表示近似的术语，诸如“大体”、“大约(approximately)”、“基本上”或“大约(about)”包括比规定值大或小百分之十以内的值。当在角度或方向的上下文中使用时，此类术语包括在大于或小于所述角度或方向的十度内。例如，“大体竖直”包括沿任何方向(例如，顺时针或逆时针)在竖直的十度内的方向。
图1是联合循环发电系统或联合循环发电厂(CCPP)10的实施方案的示意性流程图。CCPP 10可以包括用于驱动第一负载14的气体涡轮12。例如，第一负载14可以是用于产生电力的发电机。气体涡轮12可以包括涡轮区段16、燃烧区段或燃烧室18和压缩机区段20。涡轮区段16和压缩机区段可以通过一个或多个轴21连接。
在操作期间，工作流体诸如空气流入压缩机区段20，在该处空气逐渐被压缩，从而将压缩空气提供给燃烧区段18。压缩空气与燃料混合并且在每个燃烧器内燃烧以产生燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段18流过热气体路径，进入涡轮区段16，其中能量(动能和/或热能)从燃烧气体传递到转子叶片，从而导致一个或多个轴21旋转。然后，机械旋转能可以用于为压缩机区段20供电和/或发电。然后，离开涡轮区段16的加热的废气34可以经由排气区段从气体涡轮12排出。
CCPP 10还可以包括用于驱动第二负载24的蒸汽涡轮22。第二负载24也可以是用于产生电力的发电机。然而，第一负载14和第二负载24两者可以是能够由气体涡轮12和蒸汽涡轮22驱动的其他类型的负载。此外，尽管气体涡轮12和蒸汽涡轮22可以如例示的实施方案所示驱动单独的负载14和负载24，但气体涡轮12和蒸汽涡轮22也可串联使用以经由单个轴驱动单个负载。在例示的实施方案中，蒸汽涡轮22可以包括一个低压段26(LP ST)、一个中压段28(IP ST)和一个高压段30(HP ST)。然而，蒸汽涡轮22以及气体涡轮12的具体配置可以特定于实施方式，并且可以包括区段的任何组合。
CCPP 10还可以包括多级HRSG 32。在例示的实施方案中的HRSG 32的部件是HRSG32的简化描述，而并非旨在限制性的。相反，示出了例示的HRSG 32以传达此类HRSG系统的一般操作。可以将来自气体涡轮12的加热的废气34输送至HRSG 32中，并且将其用于加热用于为蒸汽涡轮22供电的蒸汽。来自蒸汽涡轮22的低压段26的废气可以被引导至冷凝器36中。来自冷凝器36的冷凝物继而可以在冷凝泵38的辅助下被引导至HRSG 32的低压段中。
然后，该冷凝物可以流过低压节热器40(LPECON)，该低压节热器是被构造成用气体加热给水的装置，可以用于加热该冷凝物。来自低压节热器40的冷凝物可以被引导至低压蒸发器42(LPEVAP)中或/和流向泵39。泵39可以操作以将来自LPEVAP的冷凝物引导流向处于不同压力的中压节热器44(IPECON)或高压节热器48(HPECON)中的任一者或两者。另外，如下所述，泵39可以操作以经由给水供应管线69引导来自LPECON 40的冷凝物的一部分流向气体涡轮系统100的水回路108。可以将来自低压蒸发器42的蒸汽引导至低压过热器51中并且最终送到蒸汽涡轮22的低压段26。同样，可以将来自中压节热器44的冷凝物引导至中压蒸发器46(IPEVAP)中。此外，可以将来自中压节热器44的水送到一个或多个燃料热交换器，在该处该水可以用于加热燃料气体以用于气体涡轮12的燃烧区段18。离开中压蒸发器46的蒸汽可以被引导至中压过热器53中，随后是初级再热器58和次级再热器60，在该处该蒸汽被过热并且最终送到蒸汽涡轮的中压段28。同样，由于例示的实施方案仅说明可以采用本发明的实施方案的独特方面的HRSG系统的一般操作，因此节热器、蒸发器和蒸汽涡轮22之间的连接可以随着实施方式而变化。
最后，可以将来自高压节热器48的冷凝物引导至高压蒸发器50(HPEVAP)中。可以将离开高压蒸发器50的蒸汽引导至初级高压过热器52和终级高压过热器54中，在该处将该蒸汽过热并且最终送到蒸汽涡轮22的高压段30。可以将来自蒸汽涡轮22的高压段30的排气继而引导至蒸汽涡轮22的中压段28中，并且可以将来自蒸汽涡轮22的中压段28的排气引导至蒸汽涡轮22的低压段26中。
级间调温器56可以位于初级高压过热器52和终级高压过热器54之间。级间调温器56可以允许更稳健地控制来自终级高压过热器54的蒸汽的排气温度。具体地，级间调温器56可以被构造成通过每当离开终级高压过热器54的蒸汽的排气温度超过预定值时，将较冷的给水喷雾注入终级高压过热器54上游的过热蒸汽中来控制离开终级高压过热器54的蒸汽的温度。
此外，来自蒸汽涡轮22的高压段30的排气可以被引导至初级再热器58和次级再热器60中，在该处该排气可以在被引导至蒸汽涡轮22的中压段28之前被再次加热。初级再热器58和次级再热器60也可以与级间调温器62相关联，用于控制来自再热器的排出蒸汽温度。具体地，级间调温器62可以被构造成通过每当离开次级再热器60的蒸汽的排气温度超过预定值时，将较冷的给水喷雾注入次级再热器60上游的过热蒸汽中来控制离开次级再热器60的蒸汽的温度。
在联合循环系统诸如CCPP 10中，热排气可以从气体涡轮12流动并且经过HRSG32，并且可以用于产生高压高温蒸汽以及高温水。然后，由HRSG 32产生的蒸汽可以经过蒸汽涡轮22以用于发电。此外，所产生的蒸汽还可以供应到可以使用过热蒸汽的任何其他过程。
气体涡轮12发电循环通常称为“顶部循环”，而蒸汽涡轮22发电循环通常称为“底部循环”。如图1所示，通过联合这两个循环，联合循环发电厂10可能导致两个循环的更高效率。具体地，可以捕获来自顶部循环的废热并且用于产生蒸汽以用于底部循环。
CCPP 10通过使用HRSG 32有利地从加热的废气34中回收热量。如图1所示，可以将气体涡轮12和HRSG 32的部件分成离散的功能单元。换句话说，气体涡轮12可以产生加热的废气34并且将加热的废气34引导流向HRSG 32，该HRSG可以主要负责通过产生过热蒸汽来从加热的废气34中回收热量。继而，蒸汽涡轮22可以使用过热蒸汽作为能源。加热的废气34可以通过一系列管道网络传递到HRSG 32，这些管道网络可以基于CCPP 10的特定设计而变化。
本文所公开的CCPP 10的一个方面是利用来自HRSG 32的高温水(或在某些情况下为蒸汽)，以提高气体涡轮系统100中气体涡轮12的整体效率，从而提高整个CCPP 10的效率。例如，在示例性实施方案中，如图1所示，第一给水供应管线68可以从HPECON 48的出口延伸至HRSG 32之外，并且可以流体地联接到气体涡轮系统100的水回路108(图2和图3)。另外地或另选地，在其他实施方案(未示出)中，给水供应管线可以从IPECON 44和/或LPECON的出口延伸，并且可以流体地联接到水回路108。具体地，第一给水供应管线68可能以第一压力和第一温度将第一水流110提供给水回路108以用于气体涡轮系统100(图2和图3)。第一水流110可以用于一个或多个热交换器中，以便冷却压缩机抽取空气和加热燃料。类似地，第二给水供应管线70可以从IPECON 44的出口延伸至HRSG 32之外，并且可以流体地联接到气体涡轮系统100的水回路108(图2和图3)。具体地，第二给水供应管线70可能以第二压力和第二温度将第二水流306提供给水回路108以用于气体涡轮系统100(图2和图3)。在许多实施方案中，第二水流306的温度和压力可以不同于第一水流110。第二水流306可以用于一个或多个热交换器中，以便在燃料进入燃烧区段18之前进一步加热燃料。
在一些实施方案(未示出)中，第三给水供应管线可能以与第一给水供应管线68和第二给水供应管线70相同的方式从LPECON 40延伸。第三给水供应管线还可以联接到水回路108，并且可能以第三温度和第三压力将第三水流提供给水回路108，该第三水流可以不同于第一水流110和第二水流306。
图2示出了根据本公开的实施方案的示例性气体涡轮系统100的示意图。如图所示，气体涡轮系统100包括具有压缩机区段20、涡轮区段16和燃烧器区段18的气体涡轮12。燃烧器区段18相对于气体涡轮12内的压缩空气流15和/或燃烧气体17设置在压缩机区段20下游并且在涡轮区段16上游。
燃烧器区段18可以经由燃料供应管线104与燃料供应器102流体连通。例如，燃烧区段18可以接收来自燃料供应管线104的燃料106流(诸如气体燃料和/或液体燃料)和来自压缩机区段20的压缩空气15，该燃料流和该压缩空气混合在一起并且在燃烧区段18内燃烧以产生燃烧气体17，该燃烧气体为涡轮区段16供电。应当理解，在燃料进入燃烧区段18之前预热燃料106流会导致燃料106的较低燃料质量流率，从而提高涡轮区段16和整个气体涡轮系统100的效率。如本文所用，术语“管线”可以是指用于输送流体的软管、管道和/或管。
气体涡轮系统100还可以包括抽取空气管线114，该抽取空气管线在压缩机区段20上的入口端口120和涡轮区段16上的出口端口116之间延伸。另选地或另外地，抽取空气管线114可以直接从压缩机区段20的出口延伸，使得抽取空气122处于最大操作压力。在一些实施方案中，出口端口116可以联接到轴21或/和联接到涡轮区段16中的部件，使得抽取空气流122可以用于冷却轴21或/和涡轮16中的部件，或气体涡轮12内的一个或多个部件。在示例性实施方案中，抽取空气管线114可以提供从压缩机区段20到涡轮区段16的抽取空气流122，以便冷却涡轮区段16的各种热气体路径部件(诸如气体涡轮转子、涡轮转子叶片、定子叶片或其他热气体路径部件)。应当理解，抽取空气122越冷(并且压力越高)，它将越有效地冷却涡轮区段16的各种热气体路径部件。
抽取空气管线114的入口端口120可以沿着压缩机区段20的外部壳体设置。在许多实施方案中，入口端口120可以与压缩机区段20的一个或多个级(未示出)流体连通。根据抽取空气流122的期望压力和/或温度，入口端口120可以与压缩机区段20的前级或后级流体连通。例如，在不同的实施方案中，可以将入口端口120偏压或定位成更靠近压缩机区段20的入口23，以抽取压力较低并且较冷的抽取空气流122，或者可以将入口端口120偏压或定位成更靠近燃烧区段18，以得到处于相对较高的压力和温度的抽取空气流122。
如图2和图3所示，抽取空气管线114还可以包括旁通管线115、设置在旁通管线115上的控制阀73和设置在抽取空气管线上的控制阀75。旁通管线115可以在入口和出口之间延伸，该入口和该出口各自限定在第一热交换器124的任一侧上的抽取空气管线114上。控制阀73可以设置在旁通管线115上，并且可以操作以选择性地限制通过旁通管线115的流量。同样，控制阀75可以设置在抽取空气管线114上(例如，在旁通管线115的入口下游并且在第一热交换器124上游)，并且可以操作以选择性地限制通过抽取空气管线114的空气流。控制阀73和控制阀75两者可以在完全打开位置和完全闭合位置之间致动，在完全打开位置，通过其中的空气流不受限制；在完全闭合位置，通过其中的空气流受到完全限制。这样，控制阀73、控制阀75和旁通管线115有利地为抽取空气122提供在必要时绕过第一热交换器124的装置。例如，打开控制阀73并且闭合控制阀75将引导所有抽取空气122通过旁通管线115，从而允许在必要时绕过第一热交换器124。
在示例性实施方案中，气体涡轮系统100还可以包括水回路108，该水回路流体地联接到第一给水供应管线68、冷却水供应管线69和回水管线37，并且在该第一给水供应管线、该冷却水供应管线和该回水管线之间延伸。在示例性实施方案中，水回路108可以流体地联接到联合循环发电厂10的HRSG 32。例如，如图1和图2共同所示，第一给水供应管线68可以从HPECON 48的出口流体地延伸至水回路108。在此类实施方案中，回水管线37可以从水回路108和冷凝器36流体地延伸。另选地或另外地，回水管线37可以流体地联接到冷凝泵38下游的主冷凝管线41(例如，在图1中的冷凝泵38和LPECON40之间)。如本文所用，“从第一部件流体地延伸至第二部件”可以是指从第一部件延伸至第二部件并且与第一部件和第二部件两者流体连通的管线、管道或软管。
在各种实施方案中，冷却水供应管线69可以从泵39延伸，并且可以操作以将水流从LPEVAP 42供应到水回路108。来自冷却水供应管线69的水的温度可以低于从第一给水供应管线68输送的水的温度，并且可以用于控制引入水回路108中的水110的温度。例如，控制阀71可以控制输送到水回路108的冷却水的量。冷却水供应管线69和控制阀71有利地确保输送到第一热交换器124的水110保持低于饱和温度(例如低于沸点)，从而防止在第一热交换器124中产生蒸汽。
在其他实施方案中，图2所示的气体涡轮系统100可以是独立系统，使得系统100不联接到图1所示的CCPP 10。在此类实施方案中，第一给水供应管线68可以联接到独立给水供应器，并且回水管线37可以联接到独立回水罐或冷凝器。
如图2所示，水回路108可以包括在第一给水供应管线68和回水管线37之间延伸的第一水管线109。如图所示，第一水流110可以从第一给水供应管线68通过一个或多个热交换器124、126流动到回水管线37。在其中将气体涡轮系统100实施到图1所示和上文所述的CCPP 10中的特定实施方案中，第一水管线109可以从HPEVAP 48的出口连续地延伸至冷凝器36，使得第一给水供应管线68、第一水管线109和回水管线37与CCPP 10是一个连续回路。
在示例性实施方案中，气体涡轮系统100还可以包括第一热交换器124，该第一热交换器将第一水管线109热联接到抽取空气管线114，用于将热量从抽取空气管线114内的抽取空气流122传递到水回路108内的第一水流110。例如，抽取空气管线114和第一水管线109两者可以延伸通过第一热交换器124，以便将热量从抽取空气122传递到第一水流110。这样，当离开第一热交换器124时，第一水流110的温度可以升高，并且当离开第一热交换器124时，抽取空气122的温度可以降低。这种热量交换可能是有利的，因为它允许抽取空气122更有效地冷却涡轮区段16的热气体路径部件，并且允许水流110更有效地预热燃料106。
在各种实施方案中，当进入第一热交换器124时，第一水流110可以具有约650°F(约345℃)至约670°F(约355℃)的温度。在离开第一热交换器124时，第一水流110可以具有约680°F(约360℃)至约700°F(约370℃)的温度。这可能是对现有设计的改进，因为第一水流110在用于燃料预热之前提高了温度。例如，第一热交换器124可以将水110的温度升高约1％至约10％。在其他实施方案中，第一热交换器124可以将水110的温度升高约1％至约5％。在具体实施方案中，第一热交换器124可以将水110的温度升高约1％至约3％。
在特定实施方案中，第一热交换器124可以联接到第一水管线109和抽取空气管线114两者。例如，第一热交换器124可以相对于第一水流110设置在第一给水供应管线68下游的第一水管线109上，使得第一水流110从HPECON 48流出，通过管线68、109的至少一部分并且进入第一热交换器124。在一些实施方案中，第二热交换器126可以相对于第一水流110设置成紧邻第一热交换器124下游。在特定实施方案中，所有第一水流110流过第一热交换器124。
在许多实施方案中，如图所示，第一热交换器124可以设置在抽取空气管线114上在入口端口120和出口端口116之间的位置处。在特定实施方案中，第一热交换器124可以相对于抽取空气流122设置在抽取空气管线114上紧邻在入口端口120下游并且紧邻出口端口116上游。这样，所有抽取空气122可以流过第一热交换器124。
气体涡轮系统100还可以包括第二热交换器126，该第二热交换器将第一水管线109热联接到燃料供应管线104，用于将热量从水回路108内的第一水流110传递到燃料供应管线104内的燃料106流。例如，第一水管线109和燃料供应管线104两者可以延伸通过第二热交换器126，以便将热量从第一水流110传递到燃料106流。这样，当离开第二热交换器126时，燃料106流的温度可以升高，并且当离开第二热交换器126时，第一水流110的温度可以降低。
在具体实施方案中，当进入第二热交换器126时，第一水流110可以具有约680°F(约360℃)至约700°F(约370℃)的温度。在离开第二热交换器126后，第一水流110可以具有约450°F(约230℃)至约520°F(约270℃)的温度。这可能是对现有设计的改进，因为第一水流110由于第一热交换器124定位在上游而具有升高的温度。
第二热交换器126可以联接到第一水管线109和燃料供应管线104两者。例如，第二热交换器126可以相对于第一水管线109内的水流110设置在第一热交换器124下游的第一水管线109上。更具体地，第二热交换器126可以相对于水流110紧邻第一热交换器124下游，使得水110离开第一热交换器124，经过第一水管线109的一部分并且进入第二热交换器126。
在任选的实施方案中，水回路108可以包括旁通管线111和一个或多个阀136、138、140。旁通管线111可以在入口132和出口134之间延伸，该入口和该出口各自在两个不同位置处流体地联接到第一水管线109。例如，旁通管线111的入口132可以流体地联接到第一水管线109紧邻第二热交换器126上游，并且旁通管线111的出口134可以流体地联接到第一水管线109紧邻第二热交换器126下游。
一个或多个阀136、138、140可以包括旁通阀136、第一水管线阀138和第二水管线阀140(图3)。旁通阀136可以设置在旁通管线111上紧邻旁通管线111的入口132下游，并且与该旁通管线流体连通。第一水管线阀138可以定位在第一水管线109上紧邻第二热交换器126下游，并且与该第一水管线流体连通。第二水管线阀140可以定位成紧邻回水管线37上游，使得在完全打开和完全闭合位置之间致动第二水管线阀140来控制经过第三热交换器128的水的量。
旁通阀136可以选择性地致动(例如，在完全打开位置和完全闭合位置之间)以控制流过第一热交换器124的水110的量。这样，旁通阀136可以操作以通过致动旁通阀136从而改变通过第一热交换器124的质量流率来控制从抽取空气122传递多少热量。
类似地，第一水管线阀138可以选择性地致动(例如，在完全打开位置和完全闭合位置之间)以控制流过第二热交换器126的水110的量。这样，第一水管线阀138可以操作以通过致动第一水管线阀138从而改变通过热交换器126的质量流率来控制有多少热量传递到燃料106。
在示例性实施方案中，本文所述的阀(诸如阀71、73、75、136、138、140)可以各自通过控制器200在打开位置和闭合位置之间选择性地致动。例如，当阀71、73、75、136、138、140处于闭合位置时，通过其中的流体的流动受到限制或以其他方式受到阻止。具体地，阀71、73、75、136、138、140中的一个或多个阀可以是控制阀，使得它们可以操作以通过根据来自控制器200的信号的指示改变流动通道的尺寸来控制流体流。在此类实施方案中，阀71、73、75、136、138、140可以操作以部分地限制通过其中的流体的流。例如，控制器200可以操作气体涡轮系统100的各种阀71、73、75、136、138、140。具体地，控制器200可以与这些阀中的每个阀可以操作地联接(例如，电通信或无线通信)，例如控制阀71、控制阀73、控制阀75、旁通阀136、第一水管线阀138和第二水管线阀140。因此，控制器200可选择性地致动和操作所述阀71、73、75、136、138、140。
图3示出了根据本公开的实施方案的气体涡轮系统300的另一个示例性实施方案的示意图。如图所示，第二给水供应管线70可以流体地联接到水回路108，使得水回路108流体地联接到第一给水供应管线68、第二给水供应管线70和回水管线37，并且在该第一给水管线、该第二给水供应管线和该回水管线之间延伸。在示例性实施方案中，水回路108可以流体地联接到联合循环发电厂10的HRSG 32。例如，如图1和图2共同所示，第一给水供应管线68可以从HPECON 48的出口流体地延伸至水回路108。类似地，第二给水供应管线70可以从IPECON 44的出口流体地延伸至水回路108。在此类实施方案中，回水管线37可以从水回路108流体地延伸至冷凝器36。
在其他实施方案中，图3所示的气体涡轮系统300可以是独立系统，使得系统300不联接到图1所示的CCPP 10。在此类实施方案中，第一给水供应管线68可以联接到第一独立给水供应器(诸如加压储罐)，第二给水供应管线70可以联接到第二独立给水供应器(诸如加压储罐)，并且回水管线37可以联接到独立回水罐或冷凝器。
在图3所示的实施方案中，气体涡轮系统300可以包括在第二给水供应管线70和回水管线37之间延伸的第二水管线302。在此类实施方案中，第一水管线109的出口304可以在第二给水供应管线70下游(例如，紧邻其下游)流体地联接到第二水管线302。在其他实施方案(未示出)中，第一水管线109和第二水供应管线302可以相对于彼此流体地隔离，使得它们独立流体地联接到回水管线37。
如图3所示，第二给水供应管线70可能以第二温度和第二压力(例如，从图1中所示的IPECON 44的出口)供应第二水流306。在离开给水供应管线70后，第二水流306可具有与第一水流110在离开第一给水供应管线68时不同的温度和压力。例如，在各自离开相应给水供应器68、70后，第一水流110可处于比第二水流306更高的温度和压力。如图3所示，第一水流110和第二水流306可以在第一水管线109的出口304处混合在一起以形成第三水流308。
在示例性实施方案中，如图3所示，第三热交换器128可以将第二水管线302热联接到燃料供应管线104，用于将热量从水传递到燃料。例如，第二水管线302和燃料供应管线104两者都可以延伸通过第三热交换器128，以便将热量从第三水流308传递到燃料106流。这样，当离开第三热交换器128时，燃料106流的温度可以升高，并且当离开第三热交换器128时，第三水流110的温度可以降低。
在具体实施方案中，当进入第三热交换器128时，第三水流308可具有约450°F(约230℃)至约500°F(约260℃)的温度。在离开第二热交换器126后，第一水流110可具有约120°F(约50℃)和约160°F(约70℃)的温度。这可能是对现有设计的改进，因为第三水流308由于第一热交换器124定位在上游(由于第一热交换器从抽取空气122中抽取热能)而具有升高的温度。
如图3所示，第三热交换器128可以相对于通过水回路108的水流设置在第一热交换器124和第二热交换器126下游。例如，第三热交换器128可以设置成紧邻第一水管线109的出口304下游并且紧邻回水管线37上游。在图3所示的实施方案中，第二水管线阀140可以定位在第二水管线302上。此外，第三热交换器128可以相对于燃料供应管线104中的燃料106流定位在第二热交换器126上游。这样，第三热交换器128可以是相对于通过水回路的水流联接到水回路108的最下游热交换器，并且第三热交换器128可以是相对于通过燃料供应管线的燃料106流联接到燃料供应管线104的最上游热交换器。
在图1至图3所示的实施方案中，水回路108、燃料供应管线104和抽取空气114各自可以相对于彼此流体地隔离，但是可以经由各个热交换器124、126、128彼此热连通。例如，本文所述的热交换器124、126、128可以在无需各种流体彼此物理接触的情况下在这些流体之间传递热量。具体地，本文所述的热交换器124、126、128可以是并流和/或逆流热交换器、有翅片和/或无翅片的管状热交换器、板框式热交换器、板翅式热交换器、微通道热交换器或其他合适类型的热交换器。
在操作中，本文所述的气体涡轮系统100、300和热交换器124、126、128的定位可以有利地为整个联合循环发电厂10提供改善的工作效率。例如，热交换器124、126、128可以有利地冷却抽取空气122并预热燃料106，这为气体涡轮12和CCPP 10提供了改善的效率。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。
本发明的其他方面由以下条款的主题提供：
一种气体涡轮系统，包括：气体涡轮，所述气体涡轮具有压缩机区段、涡轮区段和燃烧器区段，所述燃烧器区段设置在所述压缩机区段下游并且在所述涡轮区段上游，所述燃烧器区段经由燃料供应管线与燃料供应器流体连通；水回路，所述水回路流体地联接到第一给水供应管线和回水管线并且在所述第一给水供应器和所述回水管线之间延伸，所述水回路包括在所述第一给水供应管线和所述回水管线之间延伸的第一水管线；抽取空气管线，所述抽取空气管线在所述压缩机区段上的入口端口和出口端口之间延伸；第一热交换器，所述第一热交换器将所述第一水管线热联接到所述抽取空气管线，用于将热量从所述抽取空气管线内的抽取空气流传递到所述水回路内的水流；和第二热交换器，所述第二热交换器将所述第一水管线热联接到所述燃料供应管线，用于将热量从所述水回路内的所述水流传递到所述燃料供应管线内的燃料流。
根据这些条款中的一项或多项所述的气体涡轮系统，其中所述第二热交换器相对于所述水回路内的所述水流设置在所述第一热交换器下游。
根据这些条款中的一项或多项所述的气体涡轮系统，还包括冷却水供应管线，所述冷却水供应管线相对于所述水流在所述第一热交换器上游流体地联接到所述水回路。
根据这些条款中的一项或多项所述的气体涡轮系统，其中所述水回路还包括第二给水供应管线，所述第二给水供应管线在所述回水管线上游流体地联接到所述水回路。
根据这些条款中的一项或多项所述的气体涡轮系统，其中第二水管线在所述第二给水供应管线和所述回水管线之间延伸。
根据这些条款中的一项或多项所述的气体涡轮系统，其中第三热交换器将所述水回路热联接到所述燃料供应管线，用于将热量从所述水传递到所述燃料。
根据这些条款中的一项或多项所述的气体涡轮系统，其中所述第一水管线相对于所述水回路内的所述水流在所述第三热交换器上游流体地联接到所述第二水管线。
根据这些条款中的一项或多项所述的气体涡轮系统，其中所述第三热交换器相对于所述燃料流设置在所述第二热交换器上游。
根据这些条款中的一项或多项所述的气体涡轮系统，其中所述水回路和所述抽取空气管线各自包括旁通管线。
根据这些条款中的一项或多项所述的气体涡轮系统，其中所述水回路包括能够通过控制器在闭合位置和打开位置之间致动的一个或多个阀。
一种联合循环发电厂(CCPP)，包括：气体涡轮系统、蒸汽涡轮和热回收蒸汽发生器(HRSG)，所述HRSG包括高压节热器(HPECON)，其中第一给水供应管线从所述HPECON的出口延伸至所述HRSG之外，并且其中所述气体涡轮系统包括：气体涡轮，所述气体涡轮具有压缩机区段、涡轮区段和燃烧器区段，所述燃烧器区段设置在所述压缩机区段下游并且在所述涡轮区段上游，所述燃烧器区段经由燃料供应管线与燃料供应器流体连通；水回路，所述水回路流体地联接到所述第一给水供应管线和回水管线并且在所述第一给水供应器和所述回水管线之间延伸，所述水回路包括在所述第一给水供应管线和所述回水管线之间延伸的第一水管线；抽取空气管线，所述抽取空气管线在所述压缩机区段上的入口端口和所述涡轮区段上的出口端口之间延伸；第一热交换器，所述第一热交换器将所述第一水管线热联接到所述抽取空气管线，从而将热量从所述抽取空气管线内的抽取空气流传递到所述水回路内的水流；和第二热交换器，所述第二热交换器将所述第一水管线热联接到所述燃料供应管线，用于将热量从所述水回路内的所述水流传递到所述燃料供应管线内的燃料流。
根据这些条款中的一项或多项所述的CCPP，其中所述第二热交换器相对于所述水回路内的所述水流设置在所述第一热交换器下游。
根据这些条款中的一项或多项所述的CCPP，还包括冷却水供应管线，所述冷却水供应管线相对于所述水流在所述第一热交换器上游流体地联接到所述水回路。
根据这些条款中的一项或多项所述的CCPP，其中所述HRSG还包括中压节热器(IPECON)，其中第二给水供应管线从所述IPECON的出口延伸至所述HRSG之外，并且其中所述第二给水供应管线在所述回水管线上游流体地联接到所述水回路。
根据这些条款中的一项或多项所述的CCPP，其中第二水管线在所述第二给水供应管线和所述回水管线之间延伸。
根据这些条款中的一项或多项所述的CCPP，其中第三热交换器将所述水回路热联接到所述燃料供应管线，用于将热量从所述水传递到所述燃料。
根据这些条款中的一项或多项所述的CCPP，其中所述第一水管线相对于所述水回路内的所述水流在所述第三热交换器上游流体地联接到所述第二水管线。
根据这些条款中的一项或多项所述的CCPP，其中所述第三热交换器相对于所述燃料流设置在所述第二热交换器上游。
根据这些条款中的一项或多项所述的CCPP，其中所述水回路和所述抽取空气管线各自包括旁通管线。
根据这些条款中的一项或多项所述的CCPP，其中所述水回路包括能够通过控制器在闭合位置和打开位置之间致动的一个或多个阀。

Claims (15)

1.一种气体涡轮(12)系统，所述气体涡轮系统包括：
气体涡轮(12)，所述气体涡轮具有压缩机区段(20)、涡轮区段(16)和燃烧器区段(18)，所述燃烧器区段设置在所述压缩机区段(20)下游并且在所述涡轮区段(16)上游，所述燃烧器区段(18)经由燃料供应管线与燃料(106)供应器流体连通；
水回路(108)，所述水回路流体地联接到第一给水供应器(68)和回水管线(37)并且在所述第一给水供应器和所述回水管线之间延伸，所述水回路(108)包括在所述第一给水供应器(68)和所述回水管线(37)之间延伸的第一水管线(109)；
抽取空气管线，所述抽取空气管线在所述压缩机区段(20)上的入口端口(120)和出口端口(116)之间延伸；
第一热交换器(124)，所述第一热交换器将所述第一水管线(109)热联接到所述抽取空气管线，用于将热量从所述抽取空气管线内的抽取空气流传递到所述水回路(108)内的水流；和
第二热交换器(126)，所述第二热交换器将所述第一水管线(109)热联接到所述燃料(106)供应管线，用于将热量从所述水回路(108)内的所述水流传递到所述燃料(106)供应管线内的燃料(106)流。
2.根据权利要求1所述的气体涡轮(12)系统，其中所述第二热交换器(126)相对于所述水回路(108)内的所述水流设置在所述第一热交换器(124)下游。
3.根据权利要求1所述的气体涡轮(12)系统，所述气体涡轮系统还包括冷却水供应管线(69)，所述冷却水供应管线相对于所述水流在所述第一热交换器(124)上游流体地联接到所述水回路(108)。
4.根据权利要求1所述的气体涡轮(12)系统，其中所述水回路(108)还包括第二给水供应管线(70)，所述第二给水供应管线在所述回水管线(37)上游流体地联接到所述水回路(108)。
5.根据权利要求4所述的气体涡轮(12)系统，其中第二水管线(302)在所述第二给水供应管线(70)和所述回水管线(37)之间延伸。
6.根据权利要求5所述的气体涡轮(12)系统，其中第三热交换器(128)将所述水回路(108)热联接到所述燃料(106)供应管线，用于将热量从所述水流传递到所述燃料(106)。
7.根据权利要求6所述的气体涡轮(12)系统，其中所述第一水管线(109)相对于所述水回路(108)内的所述水流在所述第三热交换器(128)上游流体地联接到所述第二水管线(302)。
8.根据权利要求6所述的气体涡轮(12)系统，其中所述第三热交换器(128)相对于所述燃料(106)流设置在所述第二热交换器(126)上游。
9.根据权利要求1所述的气体涡轮(12)系统，其中所述水回路(108)和所述抽取空气管线各自包括旁通管线。
10.根据权利要求1所述的气体涡轮(12)系统，其中所述水回路(108)包括能够通过控制器(200)在闭合位置和打开位置之间致动的一个或多个阀。
11.一种联合循环发电厂(10)(CCPP(10))，所述CCPP(10)包括：
气体涡轮(12)系统、蒸汽涡轮(22)和热回收蒸汽发生器(HRSG(32))，所述HRSG(32)包括高压节热器(HPECON(48))，其中第一给水供应器(68)从所述HPECON(48)的出口延伸至所述HRSG(32)之外，并且其中所述气体涡轮(12)系统包括：
气体涡轮(12)，所述气体涡轮具有压缩机区段(20)、涡轮区段(16)和燃烧器区段(18)，所述燃烧器区段设置在所述压缩机区段(20)下游并且在所述涡轮区段(16)上游，所述燃烧器区段(18)经由燃料供应管线与燃料(106)供应器流体连通；
水回路(108)，所述水回路流体地联接到所述第一给水供应器(68)和回水管线(37)并且在所述第一给水供应器和所述回水管线之间延伸，所述水回路(108)包括在所述第一给水供应器(68)、给水供应管线(70)和所述回水管线(37)之间延伸的第一水管线(109)；
抽取空气管线，所述抽取空气管线在所述压缩机区段(20)上的入口端口(120)和所述涡轮区段(16)上的出口端口(116)之间延伸；
第一热交换器(124)，所述第一热交换器将所述第一水管线(109)热联接到所述抽取空气管线，从而将热量从所述抽取空气管线内的抽取空气流传递到所述水回路(108)内的水流；和
第二热交换器(126)，所述第二热交换器将所述第一水管线(109)热联接到所述燃料(106)供应管线，用于将热量从所述水回路内的所述水流传递到所述燃料(106)供应管线内的燃料(106)流。
12.根据权利要求11所述的CCPP(10)，其中所述第二热交换器(126)相对于所述水回路内的所述水流设置在所述第一热交换器(124)下游。
13.根据权利要求11所述的CCPP(10)，所述CCPP(10)还包括冷却水供应管线(69)，所述冷却水供应管线相对于所述水流在所述第一热交换器(124)上游流体地联接到所述水回路。
14.根据权利要求11所述的CCPP(10)，其中所述HRSG还包括中压节热器(IPECON)，其中第二给水供应管线(70)从所述IPECON的出口延伸至所述HRSG之外，并且其中所述第二给水供应管线(70)在所述回水管线上游流体地联接到所述水回路。
15.根据权利要求14所述的CCPP(10)，其中第二水管线在所述第二给水供应管线(70)和所述回水管线之间延伸。
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