专利名称：超临界蒸汽联合循环和方法
技术领域：
本发明涉及用于联合循环应用中的带有再热的单或多压力水平超临界蒸汽热回收蒸汽发生器(HRSG)的热整合和优化构造的方法。
技术背景当前安装和运行的联合循环动力装置的最通常应用的蒸汽底部循 环是带有处于多个压力的亚临界蒸汽发生和单个再热器的再热蒸汽循 环，所述单个再热器位于高压蒸发器上游的热回收蒸汽发生器气体路径 中。该联合循环构造首先在由Leroy 0. Tomlinson, Roger 0. Anderson和 Raub W. Smith于1987年4月发表于American Power Conference并在该 会议i仑文集中发表的"GEMS7001F Combined-Cycle Power Plant"中描 述。现有技术不可逆性损失为~ 10。/。GT排气能量。带有在多个压力下蒸汽产生的再热亚临界蒸汽循环的联合循环的 性能可以通过引入由Raub W. Smith的美国专利No. 6,220,013 Bl "Multiple Pressure Reheat Combined Cycle with Multiple Reheater" 中所述的两级再热器改进。超临界蒸汽循环设计用于带有位于蒸汽发生部分上游的热回收蒸 汽发生器气体路径中的单个再热器的联合循环，如于1998年12年在 Modern Power Systems中发表的题为"Going Supercritical —Once-Through is the Key"的文章中所述。当前底部循环技术(大多数为亚临界压力)的性能受在HRSG蒸发 器中发生的窄点限制，这是由于从水到蒸汽的恒温相变，其中热等于该 过程需要的蒸发的潜热。温度中的这种不连续性引起燃气涡轮排气气体 和水/蒸汽加热之间的失配，导致循环中的显著不可逆性。超临界联合循环的基本优势源于流体在超临界条件下的物理性质。 当加热时，高于超临界压力的水不同地运转。在超临界条件时，锅炉中 的水温连续地增加而没有由于相变引起的不连续性。该行为允许燃气涡 轮排气气体与水/蒸汽更好地匹配，以在能量传递期间具有较少的不可逆 性。该行为和益处在过去已经知道，但是性能增益不足够大以补偿联合循环应用中的附加成本。 发明内容在此所公开的发明还用HRSG传热部分的最优设置降低能量传递的 不可逆性，从而允许从超临界循环得到显著更好的联合循环性能。该附 加性能将显著地提高基于超临界蒸汽循环的联合循环的经济可行性。因而，本发明实施于超临界联合循环系统中，所述超临界联合循环 系统包括燃气涡轮；蒸汽涡轮系统，所述蒸汽涡轮系统包括超临界部分、 高压部分、中压部分和至少一个低压部分；和用于从燃气涡轮接收排气 气体的超临界蒸汽热回收蒸汽发生器，以加热来自蒸汽涡轮系统的流 体，所述燃气涡轮排气气体沿排气气体流动路径从热回收蒸汽发生器的 进口端流到出口端，其中，所述热回收蒸汽发生器包括超临界蒸发器和 再热器，所述超临界蒸发器布置为在超临界蒸发器和热回收蒸汽发生器 的进口端之间提供蒸汽给过热器，离开所述过热器的蒸汽返回到蒸汽涡 轮的超临界部分，所述再热器沿所述排气气体流动路径布置，所述再热 器从蒸汽涡轮系统接收冷再热蒸汽且将再热后的蒸汽返回到蒸汽涡轮 系统，其中，所述再热器包括至少第一和第二部分，所述第一再热器部 分沿通过所述热回收蒸汽发生器的所述排气气体流动路径布置在所述 第二再热器部分下游，其中，所述再热器的所述第一部分沿所述排气气 体流动路径布置在所述超临界蒸发器的下游，所述再热器的所述第二部 分沿所述排气气体流动路径布置在所述超临界蒸发器的上游，且其中， 所述再热器的所述第一和第二部分以串联流动布置，使得来自蒸汽涡轮 系统的冷再热蒸汽由所述再热器的所述第 一部分接收，且离开再热器的 第一部分的蒸汽供应给所述再热器的所述第二部分。本发明还实施为在超临界蒸汽联合循环系统中再热冷蒸汽的方法， 所述超临界蒸汽联合循环系统包括燃气涡轮；蒸汽涡轮系统，所述蒸汽 涡轮系统包括超临界部分、高压部分、中压部分和至少一个低压部分； 和用于从燃气涡轮接收排气气体的超临界蒸汽热回收蒸汽发生器，以加 热来自蒸汽涡轮系统的流体，所述热回收蒸汽发生器包括超临界蒸发器 和再热器，所述超临界蒸发器布置为在超临界蒸发器和热回收蒸汽发生 器的进口端之间提供蒸汽给过热器，离开所述过热器的蒸汽返回到蒸汽 涡轮的超临界部分，所述再热器沿所述排气气体流动路径布置，所述再热器从蒸汽涡轮系统接收冷再热蒸汽且将再热后的蒸汽返回到蒸汽涡 轮系统，其中，所述再热器包括至少第一和第二再热器部分，所述第一 再热器部分沿通过所述热回收蒸汽发生器的所述排气气体流动路径布 置在所述第二再热器部分下游，所述方法包括将含有冷再热蒸汽流的 蒸汽从所述蒸汽涡轮系统流向所述热回收蒸汽发生器的所述第 一再热 器部分，所述第一再热器部分相对于所述排气气体的所述流动布置在所 述超临界蒸发器的下游；其后，将所述蒸汽流向所述热回收蒸汽发生器 的所述第二再热器部分，所述第二再热器部分相对于所述排气气体的所述流动布置在所述超临界蒸发器的上游；且其后，将所述蒸汽流向所述 蒸汽涡轮系统。
图1示意性地示出了本发明的示例实现；图2示意性地示出了本发明的另一示例实施例；和图3示意性地示出了本发明的又一实施例。
具体实施方式
用于单压或多压超临界蒸汽循环的最优再热构造的当前实践是借 助于相对于排气流设置在"HP—EVAOTB"(高压超临界蒸发器直流锅 炉)部分的上游的HRSG的再热部分。本发明的实施例提供一种两级再热构造， 一个再热部分位于高压 (超临界)HRSG部分的相变点(在临界蒸汽温度时水转换为蒸汽)上 游，另一个再热部分位于其下游。发明性构思引入单压或多压超临界蒸汽循环。图l示出了实现本发 明的双压超临界蒸汽循环发电系统的示意图。该示例包括燃气涡轮系统IO和蒸汽涡轮系统18，所述燃气涡轮系 统10包括压缩机12、燃烧系统14、燃气涡轮16;所述蒸汽涡轮系统 18包括超临界部分20、高压部分22、中压部分24、以及一个或更多的 低压部分26,其带有处于不同压力的多个蒸汽进入点。低压排出到冷凝 器28中。燃气涡轮10和蒸汽涡轮18驱动发电机(未示出)，且可串 联设置在单轴上，或为多轴构造，其中燃气涡轮和蒸汽涡轮驱动分开的 载荷。蒸汽涡轮系统18与双压HRSG30有关，双压HRSG30分别包括低 压(LP)和高压(HP)节约器32, 34、 LP蒸发器36、又一HP节约器 38、 LP过热器40, 42、 HP超临界蒸发器〇TB (超临界蒸发器直流锅炉) 44、 HP过热器部分46、和末级HP过热器部分48。注意到，在此4吏用 的HRSG的"超临界蒸发器，，部分定义为使超临界流体从低于临界温度 加热至高于临界温度的传热表面。因为流体高于临界压力，因而没有发 生蒸发(相变)。根据本发明的示例实施例，实现了两级再热。第一再热部分50 (RH2)设置在"HP—EVA OTB"高压HRSG相变部分44的下游。在 所示示例实施例中，第一再热部分50( RH2 )与标记为元件38的HP ECO 1并联设置。虽然在该图中示出为并联设置，可以用串联的交替再热器 和节约器管排的缠结布置实现类似的热力效果。该HRSG部分50的进 口是在2处从HP涡轮22排出的冷再热蒸汽。在HRSG部分50 ( RH2 ) 中，离开该部分的蒸汽加热至低于临界温度(Tcnt)。接着，蒸汽被引 导至位于"HP—EVAOTB，，上游的第二再热部分52 ( RH1 )。在所示示 例实施例中，第二再热部分52位于HP过热器48和46之间。然而，本 发明并不限制为第二再热部分52的该位置。冷凝物经由管道54借助于冷凝物泵56 /人冷凝器28供应给 HRSG30。冷凝物随后通过低压(LP)节约器32并进入LP蒸发器36。 蒸汽经由管道58从LP蒸发器36供应给LP过热器40, 42，并然后经 由管道60和适当的LP进入截止阀/控制阀(未示出)在4处返回到蒸汽 涡轮18的低压部分26。给水经由管道64, 66借助于给水泵62通过HP节约器34, 38。 HP 节约器38中的冷凝物经由管道68传到HP超临界蒸发器44。离开HP 超临界蒸发器的蒸汽经由管道70通过HP过热器部分46, 48，并经由 适当的截止阀/控制阀(如果需要的话，未示出)在1处返回到蒸汽涡轮 18的超临界部分20。在2处从蒸汽涡轮18的HP部分22排出的冷再热 蒸汽传送通过再热器50和52,如上所述。再热后的蒸汽在3处返回到 蒸汽涡轮的IP部分(经由未示出的适当截止阀/控制阀)。热由从燃气涡轮经由管道72引入HRSG的排气气体提供给HRSG, 该排气气体经由管道74离开HRSG到达烟道(未示出)。更具体而言， 来自蒸汽涡轮的排气进入HRSG30,其中它遇到高压过热器48、再热器部分52 (RH1 )和高压过热器46,均相对于气体流动方向布置在HP超 临界蒸发器44的上游。最冷的再热器部分50 ( RH2 )位于HP超临界蒸 发器44的下游。在所示示例实施例中，来自蒸汽涡轮18的HP部分22 的排气2供应给再热器部分50,如上所述。在所示示例实施例中，低压 过热器42布置在再热器部分50和HP超临界蒸发器44之间。如以下示例所示，再热低于临界温度的双压力水平超临界循环(带 有HP超临界)比常规的亚临界三压力再热循环或在气体路径中没有位 于超临界蒸发器部分下游的再热部分的超临界循环产生更好的性能。HP HRSG在超临界压力下操作，超临界蒸汽涡4仑进口节流阀压力为 4300psia。来自超临界蒸汽涡轮的蒸汽进入HP蒸汽涡轮(超临界和HP 蒸汽涡轮可以为单个涡轮，但是在此示出为两个涡轮)。HP蒸汽涡轮 出口温度为460°F。第一再热部分50 (RH2)出口温度设定为655°F。 RH2和HP节约器1的进口和出口温度匹配。RH1出口温度设定为1050 T。所提出的布置引起联合循环净效率增加+0.63 % ,与有再热的三(3 ) 压力亚临界联合循环相比时，净功率输出增加+0.97%。 HRSG面积增加 估计为~35%。 IP和LP蒸汽涡轮进入压力保持与基准线情况相同；因 而不需要在IP和LP蒸汽涡轮中发生变化。HP蒸汽涡轮可以分成带有 4300psia的进口节流阀压力的超临界蒸汽涡轮和带有处于常规HP蒸汽 涡轮范围内的进口节流阀压力的HP部分，如图1所示。第二可选方案 为将超临界和HP蒸汽涡轮整合为单件装置(SC-HP蒸汽涡轮)。在 计算中考虑附加装置(例如，SC压力泵)需要的附加辅助功率。烟道 气体温度为177.2°F。图2示出了本发明的可替换实施例，其中，再次实现了双再热。在 该实施例中，来自超临界蒸汽涡轮20的排气7在与第二再热部分152 并联的HRSG部分153中再热，且然后在6处进入HP蒸汽涡轮22。在 该实施例中，如图l的实施例所述，第二再热系统152位于HP过热器 48和46之间，但是，本发明并不限制为如此定位该部分。对于该双再 热循环而言，示出了高压再热器153和低压再热器的第二级152并联布 置。然而，可以用串联的交替高压再热器和第二级低压再热器管排的缠 结布置实现类似的热力效果。另外，图2的实施例对应于图1的实施例， 且相应部件相应地标记，^旦不参见图2再次描述。图3示出了本发明的又一可替换实施例。在图3的实施例中，用于 加热用于在热交换器80中加热燃气涡轮燃料气体的水的HRSG节约器 部分78设置在"HP—EVAOTB，， 44下游和第一级再热器(RH2 ) 50上 游。这允许燃料气体有效地加热至600。F范围。在所示实施例中，第二 HRSG节约器部分76设置在第一级再热器(RH2)下游。因而，高压给 水泵62将用于燃料加热的水引导给FH2部分76,水从FH2部分76引 导给FH1部分78的上游，并然后到达用于加热供应给燃烧器14的燃料 的热交换器80。另外，图3的实施例对应于图l的实施例，且相应部件 相应地标记，但不参见图3再次描述。虽然已经结合当前认为是最可行和优选的实施例描述本发明，但是 应当理解，本发明并不限于所」波露的实施例，而相反，本发明意在覆盖 包含在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等价布置。零件列表燃气涡轮系统10压缩纟几12燃烧系统14燃气涡轮16蒸汽涡轮系统18超临界部分20高压部分22中压部分24低压部分26冷凝器28双压HRSG30低压(LP)节约器32高压(HP)节约器34LP蒸发器36HP节约器38LP过热器40, 42HP超临界蒸发器OTB (直流锅炉)44HP过热器部分46末级HP过热器部分48第一再热部分50 (RH2)第二再热部分52 (RH1 )管道54冷凝物泵56管道58管道60给水泵62管道64， 66管道68管道70管道72管道74第二HRSG节约器部分76 第一 HRSG节约器部分78 热交换器80 第二再热部分152 高压再热器15权利要求
1.一种超临界蒸汽联合循环系统，其包括燃气涡轮(16)；超临界蒸汽涡轮系统(18)，所述超临界蒸汽涡轮系统(18)包括超临界部分(20)、高压部分(22)、中压部分(24)和至少一个低压部分(26)；和用于从燃气涡轮(16)接收排气气体(72)的超临界蒸汽热回收蒸汽发生器(30)，以加热来自蒸汽涡轮系统(18)的流体，所述燃气涡轮排气气体沿排气气体流动路径从热回收蒸汽发生器的进口端流到出口端，其中，所述热回收蒸汽发生器包括超临界蒸发器(44)和再热器(50，52)，所述超临界蒸发器(44)布置为在超临界蒸发器(44)和热回收蒸汽发生器的进口端之间提供超临界蒸汽给过热器(46，48)，离开所述过热器的蒸汽返回到蒸汽涡轮的超临界部分(20)，所述再热器(50，52)沿所述排气气体流动路径布置，所述再热器从蒸汽涡轮系统接收冷再热蒸汽且将再热后的蒸汽返回到蒸汽涡轮系统，其中，所述再热器包括至少第一部分(50)和第二部分(52)，所述第一再热器部分(50)沿通过所述热回收蒸汽发生器的所述排气气体流动路径布置在所述第二再热器部分(52)下游，其中，所述再热器的所述第一部分(50)沿所述排气气体流动路径布置在所述超临界蒸发器(44)的下游，所述再热器的所述第二部分(52)沿所述排气气体流动路径布置在所述超临界蒸发器(44)的上游，且其中，所述再热器的所述第一和第二部分(50，52)以串联流动布置，使得来自蒸汽涡轮系统的冷再热蒸汽由所述再热器的所述第一部分(50)接收，且离开再热器的第一部分的蒸汽供应给所述再热器的所述第二部分(52)。
2. 根据权利要求1所述的联合循环系统，其特征在于，所述超临 界蒸发器(44)定义为使超临界流体从低于临界温度加热至高于临界温 度的传热表面，且还包括沿所述排气气体流动路径布置在所述高压超临 界蒸发器下游的低压蒸发器(36),其中，所述过热器是高压过热器且 还包括低压过热器(40， 42),来自所述低压蒸发器的所述蒸汽流向所 述低压过热器。
3. 根据权利要求2所述的联合循环系统，其特征在于，来自所述 低压过热器的蒸汽进入到蒸汽涡轮系统的低压部分(26)。
4. 根据权利要求1所述的联合循环系统，其特征在于，所述再热 器的所述第一部分(50)从蒸汽涡轮系统的高压部分(22)接收冷再热 蒸汽，所述再热器的所述第二部分(52)将再热后的蒸汽返回给蒸汽涡 轮系统的中压部分(24)。
5. 根据权利要求1所述的联合循环系统，其特征在于，所述再热 器的所述第一部分(50)与高压节约器(38)并联布置，来自所述高压 节约器的冷凝物被管道(68)引导给所述超临界蒸发器(44)。
6. 根据权利要求1所述的联合循环系统，其特征在于，所述再热 器的所述第二部分(152)与高压再热部分(153)并联布置，所述高压 再热部分(153)从蒸汽涡轮系统的超临界部分(20)接收再热蒸汽并 将再热后的蒸汽返回给蒸汽涡轮系统的高压部分(22)。
7. 根据权利要求1所述的联合循环系统，其特征在于，还包括节 约器部分(76, 78),用以加热用于在热交换器(80)中加热燃气涡轮 燃料气体的水，所述节约器部分设置在所述超临界蒸发器(44 )的下游， 且其中所述节约器部分包括布置在所述超临界蒸发器(44)下游和所述 第一再热器部分(50)上游的节约器部分(78)和设置在所述第一再热 器部分(50)下游的第二节约器部分(76),其中来自所述笫一再热器(50)的所述再热后的蒸汽传送给超临界蒸发器(44)上游的所述第二 再热器(52),且然后返回到蒸汽涡轮系统的中压部分。
8. —种在超临界蒸汽联合循环系统中再热冷蒸汽的方法，所述超 临界蒸汽联合循环系统包括燃气涡轮(16);超临界蒸汽涡轮系统(18)， 所述超临界蒸汽涡轮系统(18)包括超临界部分(20)、高压部分(22)、 中压部分(24)和至少一个低压部分(26);和用于从燃气涡轮接收排 气气体的超临界蒸汽热回收蒸汽发生器(30),用以加热来自蒸汽涡轮 系统的流体，所述热回收蒸汽发生器包括超临界蒸发器(44)和再热器(50, 52 ),所述超临界蒸发器(44)布置为在超临界蒸发器(44)和 热回收蒸汽发生器的进口端之间提供蒸汽给超临界过热器(46， 48)， 离开所述过热器的蒸汽返回到蒸汽涡轮的超临界部分(20),所述再热 器(50, 52)沿所述排气气体流动路径布置，所述再热器从蒸汽涡轮系 统接收冷再热蒸汽且将再热后的蒸汽返回到蒸汽涡轮系统，其中，所述再热器包括至少第一和第二再热器部分(50， 52),所述第一再热器部 分(50)沿通过所述热回收蒸汽发生器的所述排气气体流动路径布置在 所述第二再热器部分(52)下游，所述方法包括将含有冷再热蒸汽流的蒸汽从所述蒸汽涡轮系统(18)流向所述热 回收蒸汽发生器(30)的所述第一再热器部分(50),所述第一再热器 部分(50)相对于所述排气气体的所述流动布置在所述超临界蒸发器 (44)的下游；其后，将所述蒸汽流向所述热回收蒸汽发生器的所述第二再热器部 分(52),所述第二再热器部分(52)相对于所述排气气体的所述流动 布置在所述超临界蒸发器(44)的上游；和其后，将所述蒸汽流向所述蒸汽涡轮系统(18)。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述超临界蒸发器 (44 )定义为使超临界流体从低于临界温度加热至高于临界温度的传热表面，且还包括沿所述排气气体流动路径布置在所述高压超临界蒸发器 下游的低压蒸发器(36)，其中，所述过热器是高压超临界过热器且还 包括低压过热器(40, 42),来自所述低压蒸发器的蒸汽流向所述低压 过热器。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述再热器的所述 第一部分(50)从蒸汽涡轮系统的高压部分(22)接收冷再热蒸汽，所 述再热器的所述第二部分(52)将再热后的蒸汽返回给蒸汽涡轮系统的 中压部分(24)。
全文摘要
本发明涉及超临界蒸汽联合循环和方法。超临界蒸汽联合循环系统包括燃气涡轮；超临界蒸汽涡轮系统，其包括超临界部分、高压部分、中压部分和至少一个低压部分；和用于从燃气涡轮接收排气气体的超临界蒸汽热回收蒸汽发生器(HRSG)，用以加热来自蒸汽涡轮系统的流体。HRSG包括超临界蒸发器和再热器，超临界蒸发器布置为在超临界蒸发器和HRSG的进口端之间提供蒸汽给过热器，再热器从蒸汽涡轮系统接收冷再热蒸汽且将再热后的蒸汽返回到蒸汽涡轮系统。再热器包括布置在第二部分下游的第一部分和第二部分，第二部分沿排气气体流动路径布置在超临界蒸发器的上游。来自蒸汽涡轮系统的冷再热蒸汽由第一再热器部分接收，且离开第一再热器部分的蒸汽供应给超临界蒸发器上游的第二再热器部分。
文档编号F01K23/10GK101403322SQ200810168758
公开日2009年4月8日 申请日期2008年9月28日 优先权日2007年10月4日
发明者D·F·兰克吕尔, J·拉纳辛赫, L·O·汤林森, R·W·史密斯, S·C·古伦 申请人:通用电气公司