用于经由涡轮提取和压缩机提取生成蒸汽的系统的制作方法

本发明总体上涉及燃气涡轮动力设备，例如联合循环或联产动力设备。更具体地，本发明涉及用于生成蒸汽的系统，其使用从燃气涡轮的涡轮提取并由来自压缩机的压缩空气冷却的燃烧气体。

背景技术：

燃气涡轮动力设备例如联合循环或联产动力设备通常包括具有压缩机、燃烧器、涡轮的燃气涡轮，设置在涡轮下游的热回收蒸汽发生器（HRSG）以及与HRSG成流体连通的蒸汽涡轮。在操作期间，空气经由入口系统进入压缩机并且随着其朝向至少部分地围绕燃烧器的压缩机排出或扩散器壳体导送而逐渐地压缩。至少一部分的压缩空气与燃料混合并且在限定于燃烧器内的燃烧室内燃烧，从而生成高温和高压的燃烧气体。

燃烧气体沿着热气体路径从燃烧器导送穿过涡轮，在其中燃烧气体随着其流动越过固定翼片和联接至转子轴的可旋转涡轮叶片的交替的级而逐渐地膨胀。动能从燃烧气体传递至涡轮叶片，从而促使转子轴旋转。转子轴的转动能可经由发电机转换成电能。燃烧气体离开涡轮作为排出气体并且该排出气体进入HRSG。来自排出气体的热能传递至流经HRSG的一个或更多个热交换器的水，从而产生过热蒸汽。过热蒸汽然后导送到可用于生成附加电力的蒸汽涡轮中，从而增强总体的动力设备效率。

近年来，对于从燃气涡轮基动力设备低排放的管理要求已持续地变得更加严格。全球的环境机构现在正在要求从新型的和现有的燃气涡轮二者都排放出甚至更低水平的氮氧化物（NOx）和其它污染物以及一氧化碳（CO）。

传统地，至少部分地由于排放物约束，用于联合循环或联产动力设备的燃气涡轮负载已与对于动力设备的蒸汽产生需求联系起来或者由该蒸汽产生需求而非必然地由电网电力要求推动。例如，为了满足动力设备蒸汽要求而同时保持可接受的排放物水平，可能需要在全速全负载条件下操作燃气涡轮，即使在对于电力的电网要求或动力设备要求很低时，从而降低总体的动力设备效率。

技术实现要素：

本发明的方面和优点在下文的随后描述中阐述，或者可根据该描述是显而易见的，或者可通过实施本发明而懂得。

本发明的一个实施例是动力设备。动力设备包括设置在燃烧器下游的涡轮。涡轮包括与涡轮的热气体路径成流体连通的涡轮提取端口。涡轮提取端口提供用于燃烧气体流流出涡轮的流动路径。排出管道设置在涡轮的出口下游并且接收来自涡轮出口的排出气体。动力设备还包括静态混合器，其具有流体地联接至涡轮提取端口的主入口。静态混合器包括流体地联接至压缩机提取端口的次级入口和与排出管道成流体连通的出口。静态混合器借助于从压缩机提取的压缩空气在排出管道上游冷却燃烧气体流。然而，冷却的燃烧气体相比于排出气体处于更高温度。冷却的燃烧气体与排出管道内的排出气体混合以提供加热的排出气体混合物至设置在排出管道下游的热交换器。

本公开内容的另一实施例包括动力设备。动力设备包括燃气涡轮，其具有压缩机、位于压缩机下游的燃烧器以及位于燃烧器下游的涡轮。压缩机包括设置在压缩机的上游端和下游端之间的压缩机提取端口。涡轮包括与第一涡轮提取端口成流体连通的第一级和与第二涡轮提取端口成流体连通的第二级。第一和第二涡轮提取端口提供为用于提取燃烧气体流离开燃烧器下游的涡轮。排出管道设置在涡轮的出口下游并且接收来自涡轮的排出气体。动力设备还包括静态混合器。静态混合器包括流体地联接至第一和第二涡轮提取端口中至少之一的主入口，流体地联接至压缩机提取端口的次级入口以及位于排出管道上游的出口。静态混合器借助于从压缩机提取的压缩空气在排出管道上游冷却燃烧气体流。然而，冷却的燃烧气体相比于排出气体处于更高温度。冷却的燃烧气体与排出管道内的排出气体混合以提供加热的排出气体混合物至设置在排出管道下游的热交换器。

阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地认识到此类实施例的特征和方面，等等。

附图说明

对于本领域技术人员而言全面和能够实现的本发明的公开内容（包括其最佳方式）在说明书的以下部分（包括参看附图）中更为具体地阐述，其中：

图1为根据本发明的一个实施例的示例性燃气涡轮基联产动力设备的示意图；

图2为根据本发明的至少一个实施例的示例性燃气涡轮的一部分的简化的截面侧视图；以及

图3为根据本发明的一个实施例的如图1中所示示例性燃气涡轮基联产动力设备的示意图。

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的当前实施例，其一个或更多实例在附图中例示。详细描述使用数字和字母标记来指代图中的特征。图和描述中的相同或类似标记用来指代本发明的相同或类似部分。如文中所用，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换地使用以区分一个构件与另一构件而非意图表示各个构件的位置或重要性。用语“上游”和“下游”是指关于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”是指流体自其流动的方向，而“下游”是指流体向其流动的方向。

文中所用术语仅是为了描述具体实施例而非意图限制本发明。如文中所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在还包括复数的形式，但上下文清楚地另有所指除外。将进一步理解的是，用语“包括”和/或“包含”当用于本说明书中时指定存在所声称的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件，但并不排除存在或添加一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、构件，和/或它们的组合。

每个实例均通过解释本发明来提供而非对本发明的限制。事实上，本领域技术人员将清楚的是在本发明中可作出修正和变型而不脱离其范围或实质。例如，作为一个实施例的一部分显示或描述的特征可用于另一实施例上以产生又一实施例。因此，本发明意图涵盖落入所附权利要求及其等同方案内的此类修正和变型。

在常规的联产动力设备中，燃料和空气供给至燃气涡轮。空气传送通过燃气涡轮的入口进入燃气涡轮中在燃烧器上游的压缩机区段中。在空气由燃烧器加热后，加热的空气和在该过程中产生的其它气体（也即，燃烧气体）传送通过涡轮区段。来自燃气涡轮的整个体积的排出气体从涡轮区段传送至燃气涡轮的排出区段，并且流动至经由一个或更多个热交换器从排出气体提取热以产生蒸汽的热回收蒸汽发生器（HRSG）。

在某些情况下，对于蒸汽的需求可能低于可由燃气涡轮排气生成的蒸汽量，排出气体中的一些可引导远离热回收蒸汽发生器，例如传输至在排出气体释放到大气中之前对其过滤的排气管（stack）。备选地，如果蒸汽生产相比于由燃气涡轮排气所生成的蒸汽处于更高需求中，则可增加来自燃气涡轮的排出气体以生成所需的蒸汽。

本实施例提供一种系统用以冷却或调节热燃烧气体，该燃烧气体在与从涡轮的出口流出的排出气体混合之前从燃气涡轮的涡轮直接地提取。尽管使用提取自压缩机的压缩空气经由静态混合器对燃烧气体冷却，但冷却的燃烧气体相比于从涡轮流出的排出气体仍显著更热。结果，来自冷却的燃烧气体的热能升高在热交换器/锅炉（boiler）和/或热回收蒸汽发生器（HRSG）上游的排出气体的温度，从而加强来自燃气涡轮的蒸汽生产。蒸汽可通过管道输送至蒸汽涡轮，其用于产热和/或用于其它工业过程。该系统可用于联产系统中，使得联产系统可生产更高数量的蒸汽而不产生成比例增加的动力。实施例系统因此提供了一种对输入到联产系统中的燃料的有效使用，并且避免了由燃气涡轮浪费地产生不需要的动力。

文中所提供的实施例相比于现有的联产或联合循环动力设备提供了各种技术优点。例如，文中所提供的系统可包括用以将蒸汽生产调整到期望水平而同时保持热和其它操作有效性的能力；用以提供更高温度气体在燃气涡轮下游产生更多蒸汽的能力；用以在燃气涡轮上以较低动力输出操作并且生成更多蒸汽的能力；用以最小化浪费的产物（也即，在燃气涡轮中产生不必要的动力）的能力；以及用以在更高成本效率和有效产量下操作联产系统的能力。

现在参看附图，其中贯穿各图同样的标号表示相同元件，图1提供具有蒸汽生产性能的示例性燃气涡轮动力设备10的功能方框图。动力设备10包括可结合本发明的各种实施例的燃气涡轮100。燃气涡轮100以串行流动次序大体上包括压缩机102、具有一个或更多个燃烧器104的燃烧区段，以及涡轮106。燃气涡轮100还可包括设置在压缩机102的入口或上游端的入口导向翼片108。在操作中，空气110流动越过入口导向翼片108并进入压缩机102中。压缩机102施加动能至空气110以产生由箭头112示意性表示的压缩空气。

压缩空气112与来自燃料供给系统的燃料例如天然气相混合以形成（多个）燃烧器104内的可燃混合物。可燃混合物燃烧以产生由箭头114示意性表示的燃烧气体，其具有高的温度、压力和速度。燃烧气体114流经涡轮106的各个涡轮级S1、S2、S3、Sn以做功。

涡轮106可具有两个或更多个级，例如低压区段和高压区段。在一个实施例中，涡轮106可为包括低压区段和高压区段的两轴涡轮。在具体的构造中，涡轮106可具有4个或更多个级。涡轮106可连接至轴116，以便涡轮106的旋转驱动压缩机102来产生压缩空气112。备选地或此外，轴116可将涡轮106连接至用于发电的发电机（未示出）。燃烧气体114随着其流经涡轮106并经由操作地联接至涡轮106下游端的排出管道120离开涡轮106作为排出气体118而损失热和动能。

排出管道120可经由各种管、管道、阀等而流体地联接至热交换器或锅炉122。热交换器122可为独立构件或者可为热回收蒸汽发生器（HRSG）的构件。在各种实施例中，热交换器122用于从排出气体118提取热能以产生蒸汽124。在具体的实施例中，蒸汽124可然后经由各种管、阀、导管等导送至蒸汽涡轮126以产生附加的动力或电力。蒸汽124的至少一部分可通过管道从热交换器122输送至在场或场外设施128，其将蒸汽分配至使用者和/或利用蒸汽用于辅助操作例如产热或者其它的工业操作或处理。在一个实施例中，蒸汽124可通过管道从蒸汽涡轮126的下游输送并且进一步地用于各种辅助操作例如产热或其它辅助操作。

来自热交换器122的蒸汽流率或输出可经由一个或更多个流量监控器来监控。例如，在一个实施例中，流量监控器130可提供在热交换器122的下游。在一个实施例中，流量监控器132可设置在蒸汽涡轮126的下游。

图2提供了如可结合本发明的各种实施例的示例性燃气涡轮100的一部分的简化的截面侧视图，该燃气涡轮包括压缩机102、燃烧器104、涡轮106和排出管道120的一部分。在一个实施例中，如图2中所示，涡轮106包括内涡轮壳体134和外涡轮壳体136。内和外涡轮壳体134、136围绕燃气涡轮100的轴向中心线12环向地延伸。内涡轮壳体134和/或外涡轮壳体136至少部分地包围定子翼片和转子叶片的顺序的列，其构成涡轮106的各个级S1、S2、S3、Sn。

涡轮壳体134、136通常是密封的，具有仅两个开口：在涡轮106上游的燃烧气体入口，以及在涡轮106下游端的排出气体或涡轮出口。涡轮106的下游端操作地连接至排出管道120。通常，整个体积的燃烧气体114传送穿过在内和外涡轮壳体134、136内由涡轮106的各个级所限定的热气体路径137，进入排出管道120中并且至少一部分的排出气体118可引导至热交换器122。

在操作期间，如果确定对于蒸汽生产的需求高于对于由燃气涡轮100产生的动力需求，可经由如图2中所示的一个或更多个对应的涡轮提取端口138从涡轮级S1、S2、S3、Sn中的一个或更多个提取燃烧气体114的一部分。为例示目的示出了四个涡轮提取端口138（a-d）。然而，涡轮106可包括任何数目的涡轮提取端口138。例如，涡轮106可包括一个涡轮提取端口138、两个涡轮提取端口138、三个涡轮提取端口138或者四个或更多个涡轮提取端口138。每个涡轮提取端口138均流体地联接至涡轮级S1、S2、S3、Sn中的一个或更多个和/或与之成流体连通。每个涡轮提取端口138均提供用于燃烧气体114流的流动路径以从燃烧器104下游但在排出管道120上游的部位流出涡轮106。

如图2中所示，涡轮提取端口138（a-d）中的一个或更多个可经由一个或更多个提取管140而与涡轮级S1、S2、S3或Sn中的一个或更多个成流体连通。提取管140和涡轮提取端口138提供为用于燃烧气体114从热气体路径137、穿过内和/或外涡轮壳体134、136并离开涡轮106的流体连通以获得相比于从涡轮106的出口流动到排出管道120中的排出气体118处于更高温度的燃烧气体114的一部分。

如图2中所示，涡轮106中的级为连续的，使得燃烧气体114流经从S1至最末级Sn的级。涡轮级S1为第一级并且接收直接来自燃烧器104的热燃烧气体114。燃烧气体114的温度通过每个相继的级而下降。例如，燃烧气体114在S1涡轮级处相比于在后续涡轮级S2、S3、Sn等处具有较高的温度。排出气体118相比于涡轮106内的燃烧气体114处于较低温度且因此具有较少的热能。

图3提供根据本发明的一个实施例的具有如图1中所示蒸汽生产性能的示例性燃气涡轮动力设备10的功能方框图。在一个实施例中，如图1、图2和图3中所示，动力设备10包括静态混合器142。静态混合器142包括流体地连接至上述一个或更多个涡轮提取端口138中的一个或更多个的主入口144、流体地联接至一个或更多个压缩机提取端口148的次级入口146，以及与排出管道120成流体连通的出口150。静态混合器142通常包括单独的混合元件，这些混合元件在外壳体或管内串联地叠置并且与主和次级入口144、146以及与出口150成流体连通。每个混合元件均可相对于相邻的混合元件定向以均匀化流经静态混合器142的两种或更多种流体。

（多个）压缩机提取端口148提供流动路径用于压缩空气152的一部分在压缩机102的上游或入口与限定在燃烧器102上游或直接上游的压缩机102的出口之间的部位处流出压缩机102。由于压缩空气112在压力和温度方面从入口至出口提高，故（多个）压缩机提取端口148可沿着压缩机102在不同的部位轴向地隔开以在期望的温度和压力下捕获压缩空气152的一部分。

在操作中，来自上述一个或更多个涡轮提取端口138的提取燃烧气体114经由主入口144流动到静态混合器中。从（多个）压缩机提取端口148提取的压缩空气152的一部分流动到静态混合器142的次级入口146中。由于压缩空气152较燃烧气体114更冷，故燃烧气体114流随着其在静态混合器142内与压缩空气152混合而冷却。混合元件可使压缩空气152和提取燃烧气体114分开和重新结合，使得离开静态混合器142出口150的冷却燃烧气体154流关于遍及整个管截面都均衡的浓度、温度和速度是均质的。除了冷却排出管道120上游的燃烧气体114，压缩空气152还可增加从静态混合器142进入排出管道120中的质量流。

从静态混合器142出口150流出的冷却燃烧气体154相比于排出气体118处于更高温度。来自冷却燃烧气体154的热能转移至排出管道120内的排出气体118以将加热的排出气体混合物156提供至设置在排出管道120下游的热交换器122。通过提高排出气体118的温度，动力设备10的蒸汽生产性能即使是在燃气涡轮低负载或减弱操作条件下也可增强。

在具体的实施例中，如图2和图3中所示，动力设备10还包括设置在静态混合器出口150下游和排出管道120上游的冷却剂注入系统160。冷却剂注入系统160可包括喷雾喷嘴、喷雾塔、洗涤器或构造成将来自冷却剂供给源164的冷却剂162注入到从静态混合器142流出的冷却燃烧气体154流中的其它各种构件（未示出），从而进一步地冷却排出管道120上游的冷却燃烧气体154。

在具体实施例中，如图2和图3中所示，冷却剂注入系统160可包括流体地联接至静态混合器142的出口150并且定位在其下游的混合室166。混合室166可经由各种管、导管、阀等流体地联接至排出管道120。混合室166可构造成接收来自静态混合器142出口150的冷却燃烧气体154流并且传送冷却的燃烧气体154到热交换器122上游的排出管道120上。在具体实施例中，混合室166可经由各种管、导管、阀等直接地、流体地联接至热交换器122和/或HRSG。

在具体实施例中，冷却剂162和冷却的燃烧气体154在混合室166中于排出管道120上游混合。这样，冷却剂162可用于进一步地降低或控制在热交换器122和/或排出管道120上游的冷却燃烧气体154的温度。冷却剂162可以是为了其预定目的而可与冷却的燃烧气体154混合的任何液体或气体。在一个实施例中，冷却剂162为水。在一个实施例中，冷却剂162包括蒸汽。

参看图1和图3，控制器200可用于确定期望的蒸汽生产性能和用于生成和/或发送适当的控制信号至流体地联接至涡轮提取端口138中之一或更多个的各种控制阀168、设置在压缩机提取端口148和静态混合器142的次级入口146之间的一个或更多个控制阀170和/或冷却剂注入系统160的一个或更多个控制阀172（图3）。控制器200可为基于微处理器的处理器，其包括永久存储器并且具有用以计算算法的性能。控制器200可结合通用电气公司的SPEEDTRONIC^TM燃气涡轮控制系统，例如在由GE工业&动力系统（Schenectady, N.Y.）出版的GE-3658D的“SPEEDTRONIC^TM Mark V Gas Turbine Control System”（Rowen, W.I.）中所述。控制器200还可结合具有（多个）处理器的计算机系统，该处理器执行储存在存储器中的程序以使用传感器输入和来自操作人员的指令来控制燃气涡轮的操作。

在具体的实施例中，控制器200编程为用以确定生成期望数量的蒸汽流所需的期望排出气体温度，以及用以调节穿过（多个）阀168的燃烧气体流、穿过（多个）阀170的压缩空气流和/或穿过（多个）阀172的冷却剂流来获得正在输送至热交换器122的排出气体混合物156的期望温度。

控制器200可接收输入数据信号，例如来自设置在静态混合器出口150下游的温度监控器174（图1至图3）的燃烧气体温度202，和/或来自设置在混合室116处或下游的温度监控器176（图2至图3）的燃烧气体温度208和/或来自设置在排出管道120处或下游和在热交换器122处或上游的温度监控器178（图1至图3）的排出气体混合物温度210。控制器200还可接收来自流量监控器132的蒸汽流数据204和/或来自流量监控器130的蒸汽流数据206。响应于一个或更多个数据信号202、204、206、208、210，控制器200可促动（多个）阀168、170、172中的一个或更多个来控制来自涡轮级S1-Sn的燃烧气体流、进入静态混合器142次级入口146中的压缩空气流率以及冷却剂流率以产生排出气体混合物156的期望温度。

来自蒸汽涡轮126的蒸汽流输出可使用流量监控器132来监控。对于辅助操作的蒸汽流输出可使用流量监控器130来监控。控制器200可促动（多个）阀168、170、172中的一个或更多个以控制来自涡轮级S1-Sn的燃烧气体流、进入静态混合器142次级入口146中的压缩空气流率和/或冷却剂流率来产生排出气体混合物156的期望温度和/或至少部分地基于由流量监控器130、132中至少之一所测量的流量输出来产生来自热交换器122的期望蒸汽输出。

由控制器200所接收的数据信号，例如燃烧气体温度、排出气体温度以及蒸汽流率，可经分析以与蒸汽流的预定期望量相比较。控制器200可使用所接收的数据信号来确定排出气体温度的升高是否将是期望的。计算包括确定所需蒸汽的量和期望的动力大小，以及确定用以产生期望的蒸汽量所需的燃烧气体的温度和数量。

在确定对于热交换器122用以产生期望蒸汽量所需的燃烧气体114的期望温度和数量后，控制器200可生成和发送一个或更多个信号212、214、216、218至适当的（多个）阀168的接收器以在适当的涡轮级S1、S2、S3、Sn提取穿过涡轮壳体134、136的燃烧气体114。另外，控制器200可发送信号220至阀170的接收器以控制空气152进入静态混合器142中的流率。控制器200还可发送信号222至阀172来调节冷却剂162流以期望数量进入混合室166中和/或进入来自静态混合器142的冷却燃烧气体154流以将冷却的燃烧气体154进一步地冷却至期望温度。文中所提供的系统或多个系统自动地混和排出气体118与冷却燃烧气体154流，以便排出气体混合物温度高于标称排出气体温度但低于热交换器122或HRSG的热限界（或热极限）。

尽管已在文中例示和描述了特定实施例，但应认识到的是，意图实现相同目的的任何布置都可取代所示的特定实施例并且本发明在其它环境中具有其它应用。本申请意图涵盖本发明的任何改装或变型。以下权利要求绝非意图将本发明的范围限制于文中所述的特定实施例。

零件标号列表

10 动力设备 12 轴向中心线-燃气涡轮 100 燃气涡轮 102 压缩机 104 燃烧器 106 涡轮 108 入口导向翼片 110 空气 112 压缩空气 114 燃烧气体 116 轴 118 排出气体 120 排出管道 122 热交换器 124 蒸汽 126 蒸汽涡轮 128 设施 130 流量监控器 132 流量监控器 134 内涡轮壳体 136 外涡轮壳体 138 提取端口 140 提取管 142 静态混合器 144 静态混合器主入口 146 静态混合器－次级入口 148 压缩机提取端口 150 静态混合器－出口 152 压缩空气 154 冷却的燃烧气体 156 排出气体混合物 158 未使用 160 冷却剂注入系统 162 冷却剂 164 冷却剂供给源 166 混合室 168 控制阀－提取端口 170 控制阀-喷射器 172 控制阀－冷却剂注入系统 174 温度监控器 176 温度监控器 177-199 未使用。