用于较高发电厂效率的系统和方法与流程

背景技术：

本文所公开的主题涉及联合循环发电厂，确切地说用于基于在部分负载时根据发电厂的操作条件来操作发电厂的设备而改良发电厂的效率的系统和方法。

技术实现要素：

在初始要求保护的发明的范围方面内的某些实施例总结如下。这些实施例不意图限制要求保护的发明的范围，相反，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简短总结。实际上，本发明可以包括可能类似于或不同于下文所述实施例的各种形式。

在第一实施例中，蒸汽循环系统包括：热回收蒸汽发生器(hrsg，heatrecoverysteamgenerator)，其接收废气；蒸汽涡轮机，其以流体方式联接到hrsg，接收由hrsg产生的第一蒸汽流；和冷凝器，其使由蒸汽涡轮机输出的第二蒸汽流冷凝。所述冷凝器包括多个热交换器管、风扇和蒸汽收集头。所述系统包括测量所述蒸汽流的一个或多个性质的一个或多个传感器。所述系统包括以通信方式联接(coupled)到所述一个或多个传感器的闭合回路控制器。所述控制器从所述一个或多个传感器接收数据，使用所述一个或多个传感器确定通过所述蒸汽头的所述第二蒸汽流的流动速率，计算所述蒸汽的所述流动速率是否在阈值内，且至少部分地基于所述蒸汽的所述流动速率调整所述风扇的一个或多个操作参数。

除了上述第一实施例之外，本发明还提供包括如下技术方案的实施方式：

技术方案1：根据第一实施例的系统，其中，所述一个或多个传感器被配置成测量所述第二蒸汽流的速度、温度或压力。

技术方案2：根据第一实施例的系统，其中，所述传感器包括流动速率传感器。

技术方案3：根据第一实施例的系统，其中，调整所述风扇的所述一个或多个操作参数包括调整一个或多个扇叶的桨距角。

技术方案4：根据第一实施例的系统，其中，调整所述风扇的所述一个或多个操作参数包括通过调整所述风扇的速度来减少所述风扇的电力消耗。

技术方案5：根据第一实施例的系统，其中，所述控制器被配置成从所述一个或多个传感器接收数据，且利用冷凝器模型来监测所述多个热交换器管和所述风扇的健康状况。

技术方案6：根据权利要求5的系统，其中，所述控制器被配置成使用所述冷凝器模型以随着堆积积聚在所述扇叶上而减少到所述扇叶的环境空气流。

技术方案7：根据权利要求6的系统，其中，所述控制器被配置成使用所述冷凝器模型以至少部分地基于经验系统数据来确定所述扇叶的降级情形。

技术方案8：根据权利要求7的系统，其中，所述经验系统数据包括环境空气温度、所述环境空气的湿度百分比和清洁水的水压。

技术方案9：根据权利要求5的系统，其中，所述控制器被配置成使用所述冷凝器模型以至少部分地基于经验系统数据来确定所述蒸汽循环的降级情形。

技术方案10：根据权利要求5的系统，其中，所述控制器被配置成使用所述冷凝器模型以至少部分地基于经验系统数据来确定燃气涡轮机循环的降级情形。

技术方案11：根据第一实施例的系统，其中，所述阈值部分地基于燃气涡轮机的负载。

技术方案12：根据第一实施例的系统，其中，所述阈值部分地基于设定的排放水平。

在第二实施例中，系统包括燃气涡轮机发动机和蒸汽循环。蒸汽循环包括：热回收蒸汽发生器(hrsg)，其接收废气；蒸汽涡轮机，其以流体方式联接到hrsg，接收由hrsg产生的第一蒸汽流；和冷凝器，其使由蒸汽涡轮机输出的第二蒸汽流冷凝。所述冷凝器包括多个热交换器管、风扇和蒸汽收集头。蒸汽循环包括被配置成测量蒸汽流的一个或多个性质的一个或多个传感器。蒸汽循环包括以通信方式联接到所述一个或多个传感器的闭合回路控制器，其中控制器从所述一个或多个传感器接收数据，使用所述一个或多个传感器确定穿过蒸汽头的第二蒸汽流的流动速率，计算蒸汽的流动速率是否在阈值内，且至少部分地基于蒸汽的流动速率调整风扇的一个或多个操作参数。

除了上述第二实施例之外，本发明还提供包括以下技术方案的实施方式：

技术方案13：根据第二实施例的系统，其中，所述一个或多个传感器被配置成测量所述蒸汽流的速度、温度或压力。

技术方案14：根据第二实施例的系统，其中，调整所述风扇的所述一个或多个操作参数包括调整一个或多个扇叶的桨距角。

在第三实施例中，一种其上存储有计算机指令的有形非暂时性计算机可读介质，所述计算机指令在由处理器执行时经由控制器从一个或多个传感器接收数据。计算机指令使用所述一个或多个传感器确定穿过联接到设置于联合循环发电厂中的冷凝器的蒸汽头的蒸汽的流动速率。计算机指令计算蒸汽的流动速率是否在阈值内。计算机指令至少部分地基于蒸汽的流动速率调整风扇的一个或多个操作参数。

除了上述第三实施例之外，本发明还提供包括如下技术方案的实施方式：

技术方案15：根据第三实施例的计算机可读介质，其中，被配置成通过调整一个或多个扇叶的桨距角来调整所述风扇的所述一个或多个操作参数。

技术方案16：根据第三实施例的计算机可读介质，其中，被配置成至少部分地基于经验系统数据确定降级情形。

技术方案17：根据第三实施例的计算机可读介质，其中，被配置成使用冷凝器模型来监测所述多个热交换器管和所述风扇的健康状况。

附图说明

当参考附图阅读下面的具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中类似的标记表示类似的部件，在附图中：

图1是具有燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、热回收蒸汽发生(hrsg)系统和蒸汽循环的联合循环发电系统的实施例的框图；

图2是在图1的发电厂中使用的蒸汽循环的实施例的框图；

图3是在蒸汽循环中使用的冷凝器的实施例的示意图；

图4是说明在不同操作阶段下的冷凝器的两个扇叶的气流廓线(airflowprofile)的曲线图；

图5是说明用于根据一实施例调整冷凝器的一个或多个操作参数的实例方法的细节的流程图。

具体实施方式

下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要描述，可能无法在本说明书中描述实际实施方案的所有特征。应了解，如在任何工程或设计项目中的任何这种实际实施方案的开发过程中，大量的实施方案特定的决策必须为实现开发者的具体目标而作出，例如遵守可能在实施方案之间变化的与系统有关和与商业有关的约束。此外，应了解，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但对于受益于本发明的一般技术人员来说，则是设计、制造和生产中的常规任务。

在介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一(a/an)”、“所述(the/said)”意图意味着存在这些元件中的一个或多个。术语“包括(comprising/including)”和“具有”意图是包括性的且意味着可能存在除了所列元件之外的额外元件。

本文所公开的实施例涉及用于部分地基于部分地根据负载调整发电厂中的设备(例如，冷凝器)的操作来提高发电厂的效率的系统和方法。如下文所论述，发电厂可以包括压缩机、燃烧器、燃气涡轮机发动机和蒸汽循环。发电厂的蒸汽循环包括热回收蒸汽发生器(hrsg)、蒸汽涡轮机和/或冷凝器。冷凝器可以包括风扇和一个或多个传感器。传感器可以是流动速率传感器，声波传感器、温度传感器、压力传感器、湿度传感器、组合物传感器或其任何组合。控制器还可以接收由其它传感器输出的数据，这些其它传感器被配置成测量发电厂系统的其它部件(例如压缩机、燃气涡轮机或其它部件)的操作条件。

控制器使用由传感器输出的数据以随着发电厂的负载的改变调整冷凝器的电力使用。可以以数种方式修改或控制发电厂或蒸汽循环内的冷凝器的实际操作，包括通过控制每一冷凝器内的风扇的速度、调整扇叶的桨距(pitch)、使用冷凝器模型以监测管束和风扇的健康状况和/或通过使用少于所有的冷凝器。

现在转而参看附图，图1是具有燃气涡轮机发动机12的发电厂10的实施例的框图。压缩机14经由空气进口18将环境空气16摄取到燃气涡轮机系统12。环境空气16是经由合适的机制通过空气进口18(例如冷气进口)吸收到燃气涡轮机系统12中，以供入口空气到压缩机14中的后续输入。压缩机14压缩入口空气，从而通过旋转压缩机14内的叶片形成加压的空气20。当压缩机14压缩入口空气时，压缩机14添加能量到入口空气，由此增加压力和温度，使得加压的空气20比环境空气更温暖且处于更高的压力。加压的空气20可以排放到一个或多个燃料喷嘴22中，燃料喷嘴22将加压的空气20和燃料24(例如，液体燃料和/或气体燃料，例如天然气)混合以产生适合燃烧的空气燃料混合物26。虽然所说明的实施例描绘了空气14，但进气可以包括环境空气、氧气、富氧空气、贫氧空气、废气再循环气体(egr)或其任何组合。然而，后续论述将环境空气作为非限制性实例提及。供应到系统10的燃料24可以包括气体(例如，天然气、lng、lpg、炼厂气、煤气、氢气)、液体(例如，柴油、煤油、石脑油、乙醇、甲醇、粗制油)或任何其它适合的燃料源。

如所描绘，加压的空气20进入燃料喷嘴22且与燃料24混合。燃料喷嘴22将空气燃料混合物26引导到燃烧器28中。燃烧器28点燃空气燃料混合物26且使其燃烧，以形成燃烧产物30。将燃烧产物30引导到燃气涡轮机32，其中燃烧产物30展开且围绕轴34驱动燃气涡轮机32的叶片。燃气涡轮机32通过公共轴34连接到压缩机14。压缩机轮叶(vanes)或叶片是作为压缩机14的部件而包括。压缩机14内的叶片联接到由燃气涡轮机32驱动的轴34。轴34联接到若干部件(例如，压缩机12、遍及燃气涡轮机系统10的燃气涡轮机32)。最终，燃烧产物30作为废气38离开燃气涡轮机32，废气接着经由废气出口40离开燃气涡轮机系统10。在一些实施例中，废气38的一部分可以用于驱动负载42。负载42可以包括发电机、泵、其它轴驱动设备等。在其它实施例中，废气38的所有部分或剩余部分可以传送到蒸汽循环44。蒸汽循环44可以包括热回收蒸汽发生器(hrsg)46、蒸汽涡轮机48和/或冷凝器50。如所示的，冷凝器50可以包括风扇52和一个或多个传感器54。蒸汽循环44以及燃气涡轮机12的特定配置可以是实施方案特定的，且可以包括部件的任何组合。

所说明的实施例中的hrsg46的部件是hrsg46的简化描述，且并不意图是限制性的。相反，所说明的hrsg46经展示以传达此类hrsg系统的一般操作。可以将来自燃气涡轮机32的经加热废气38传送到hrsg46中且用于加热用于对蒸汽涡轮机48供电的蒸汽。来自蒸汽涡轮机48的废气可以被引导到冷凝器50中。来自冷凝器50的冷凝物可以反过来凭借冷凝水泵被引导到hrsg32的低压区中(参看图2)。

如本文所论述，可以基于由冷凝器50的控制器58使用的传感器54的测量值来控制蒸汽循环44的部件。传感器54可以是流动速率传感器、声波传感器、温度传感器、压力传感器、湿度传感器、组合物传感器或其任何组合。控制器58还可以接收由其它传感器输出的数据，其它传感器被配置成测量发电厂系统10的其它部件(例如压缩机14、燃气涡轮机32或其它部件)的操作条件。控制器58使用由传感器54输出的数据以随着发电厂10的负载的改变调整冷凝器50的电力使用。风扇电力使用可以通过变化转子速度或叶片桨距角(pitchangle)来改变。

图2是在图1的发电厂10中使用的蒸汽循环44的实施例的框图。如上文所描述，来自蒸汽涡轮机48的废气流动到冷凝器50。尽管展示了一个冷凝器50，应了解，发电厂10可以包括1到1,000个或更多个冷凝器50的任何数目。由风扇52来冷却离开蒸汽涡轮机48的废气(例如，蒸汽)，风扇是冷凝器50的部件。废气(例如，蒸汽)经由蒸汽头60进入冷凝器50。当废气(例如，蒸汽)流动穿过头60时，风扇52跨越多个热交换器管束62移动冷却空气。

管束62内的蒸汽返回到液体形式(例如，水)且流动到冷凝器50的底部。接着在冷凝槽64中收集液体。冷凝水泵66将液体移回到hrsg46以供再加热液体，由此完成蒸汽循环44的迭代(iteration)。如所示的，控制器58联接到冷凝器50。尽管控制器58展示为以通信方式联接到冷凝器50，但控制器58可以控制发电厂10的其它部件，包括(但不限于)压缩机14、燃烧器28、燃气涡轮机32、hrsg46、蒸汽涡轮机32或其任何组合。另外地或另一选择为，控制器58可以与发电厂10中的其它控制器一起工作。举例来说，燃气涡轮机循环和蒸汽循环44可以具有协同工作以管理发电厂10的单独的控制器。

控制器58包括存储器66和处理器70。存储器66存储可在处理器70上加载和执行的程序指令以及在这些程序执行期间产生的数据。视控制器58的配置和类型而定，存储器66可以是易失性的(例如随机存取存储器(ram))和/或非易失性的(例如只读存储器(rom)、快闪存储器等)。存储器66还可以包括额外的可移除存储装置和/或不可移除存储装置，其包括(但不限于)磁存储装置、光盘和/或带存储装置。磁盘驱动器和其相关联的计算机可读介质可以提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和用于计算装置的其它数据的非易失性存储。在一些实施方案中，存储器66可以包括多个不同类型的存储器，例如静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)或rom。存储器66包括有形非暂时性计算机可读存储介质。以上中的任一个的组合还应包括在计算机可读介质的范围内。

遍及蒸汽循环44和发电厂10设置的一个或多个传感器54可以输出数据。控制器58可以接收由各种传感器54输出的数据，各种传感器包括(但不限于)流动速率传感器、声波传感器、温度传感器、压力传感器、湿度传感器、组合物传感器或其任何组合。控制器58还可以接收由其它传感器54输出的数据，其它传感器被配置成测量发电厂系统10的其它部件(例如压缩机14、燃气涡轮机32、hrsg46、蒸汽涡轮机48或其它部件)的操作条件。

控制器58使用由传感器54输出的数据以随着发电厂10的负载的改变调整冷凝器50的电力使用。举例来说，当发电厂10未以其完整容量运行时，较小电力用于运行发电厂10中的设备。冷凝器50和其部件(例如风扇52)可能浪费能量，除非以小于完整容量运行以在发电厂10未以完整容量运行时冷却由蒸汽涡轮机48输出的蒸汽，因为归因于由燃气涡轮机循环产生的更少热量，在部分负载下更少蒸汽由蒸汽涡轮机48输出。当发电厂10在部分负载下运行时，蒸汽在围绕管束62的环境空气能够提供多于足够冷却时更快速地还原成冷凝物。

换句话说，在发电厂10在部分负载下运行时风扇52的电力需求比在发电厂10以完整容量运行时少。控制器58调整由发电厂10中的风扇52和其它设备使用的电力，使得供发电厂10使用的能量能够在发电厂10在部分负载下运行时减少。

在一个非限制性实例中，控制器58使用传感器输入以控制风扇52操作的速度(例如，风扇电动机使用了多少电力)。举例来说，控制器58可以至少部分地基于穿过头60的蒸汽流动速率来调整风扇52旋转的速度。如上文所描述，当蒸汽的较少冷却用于产生冷凝物时，风扇52能够以更慢速度旋转，使得过量能量不用于冷却蒸汽。在另一非限制性实例中，控制器58使用传感器输入以至少部分地基于管束62的特定区的蒸汽流速、蒸汽温度和蒸汽压力来调整风扇速度。在所描述实例中的任一个中，可以通过使用可变频率驱动来调整风扇的速度。在另一非限制性实例中，控制器58使用传感器输入以减少冷凝器50的电力使用以至少部分地基于通过控制器58接收的传感器数据输入减少在部分负载情况下操作的冷凝器的数目。

在另一非限制性实例中，控制器58使用传感器输入以调整风扇52的扇叶桨距以减少电力消耗。举例来说，控制器58可以至少部分地基于蒸汽的流动速率、温度和压力来调整扇叶的桨距。举例来说，可以增加叶片桨距以降低扇叶的负载，从而减少到翅片管热交换器的冷却流。改变叶片桨距通过减少发电厂的部分负载下的冷却需求而有效地减少风扇52的电力使用。

控制器58可以被配置成使用冷凝器模型72。冷凝器模型72可以用于部分地基于由传感器54输出的数据和经验数据调整风扇52的操作。举例来说，可以由冷凝器模型72使用的经验数据可以包括例如环境空气温度、环境空气的相对湿度百分比等环境条件，和例如蒸汽流的压力、蒸汽流的温度、蒸汽流的速率等冷凝条件。冷凝器模型72可以用于监测管束62和风扇52的健康状况。在一个非限制性实例中，冷凝器模型72可以用于在堆积(例如，碎屑)积聚在风扇52的叶片上时减少到扇叶的环境空气流。此外，冷凝器模型72可以用于至少部分地基于经验数据确定降级情形，其中降级情形指示基于操作条件和/或参数的经估算降级。降级情形可以用于调整蒸汽循环、燃气涡轮机循环、冷凝器50的未来操作，产生针对冷凝器50的维修计划表，产生与再生冷凝器50相关联的资本估算等。举例来说，控制器58可以使用降级情形和关于环境条件、流体流(例如，蒸汽流)或其它条件等的数据以调整冷凝器50、压缩机14、燃烧器28、燃气涡轮机32、hrsg46、蒸汽涡轮机32或其任何组合的部件的操作。在一些实施例中，控制器58可以使用降级情形以调整某些部件(例如，扇叶)的操作，以部分地基于通过传感器54所接收的数据(例如，蒸汽流动速率)减少部件的降级。

冷凝器模型72可以用于基于随着冷凝物移动穿过管束62和冷凝器50的其它部件产生的积垢调整风扇52的操作。冷凝器模型72可以用于基于阈值因数(thresholdfactor)调整风扇52的操作。阈值因数可以考虑燃气涡轮机32的在线时间、燃气涡轮机32的期望排放水平、冷凝器50的扇叶上的适合积聚水平、与管束62相关联的积垢因数计算或其它操作参数。

在一个实施例中，购自纽约斯克内克塔迪通用电气公司(generalelectriccompany)的predix^tm可以用作一平台，以用于实时、广泛区域控制环境的实施方案中以便以受控制、确定性的方式来安全地和可靠地部署、管理、升级和停用一组冷凝器、风扇或其它设备。

图3是在蒸汽循环44中使用的冷凝器50的实施例的示意图。蒸汽经由设置于冷凝器50的顶部处的递送管道或头60递送到冷凝器50。蒸汽接着向下穿过一连串热交换管62中的冷凝器50的热交换器部分51。形成热交换器51的管束62可以以大体上a形配置(如所说明)或以任何其它合适的配置来布置。说明热交换器部分51的一部分的经扩展剖面图以描绘具有管62和管62上的翅片的一个可能的热交换器配置。然而，使用热交换器51内的其它管和翅片配置是可能的。在任何情况下，翅片暴露于环境空气且形成具有大量表面面积的散热片。翅片耗散行进穿过管束62的蒸汽内的热量。当蒸汽在管62内部向下流动时，蒸汽归因于在管62的外表面上汲取的环境空气的冷却效果而冷凝。位于a形框架的底部部分处的风扇52操作以汲取穿过由翅片式管62形成的热交换器51的环境空气。冷凝物在泵抽回到示出于图1中的hrsg46之前泄放到冷凝槽中(如图2中所示)

电动机53驱动或旋转风扇52的叶片，风扇52的叶片汲取穿过并跨越设置于管62上的翅片的环境空气。当环境空气在管62的翅片上方通过时，空气吸收热量，由此从流动穿过管62的蒸汽去除热量。此热传递操作使得蒸汽返回到在冷凝器50的底部处所收集的液体形式(例如，水)。

一般来说，控制器58可以操作风扇驱动的冷凝器50以基于电流负载需求和环境条件在任何特定时间操作所有冷凝器或总数目个冷凝器50的子集。可以以数种方式修改或控制发电厂或蒸汽循环内的冷凝器50的实际操作，包括通过控制每一冷凝器50内的风扇52的速度、调整扇叶的桨距、使用冷凝器模型72以监测管束62和风扇52的健康状况和/或通过使用少于所有的冷凝器50。

图4是说明冷凝器50的各种扇叶的气流廓线的曲线图。如上文所描述，冷凝器模型72可以用于监测管束62和风扇52的健康状况。在一个非限制性实例中，归因于随着其积聚在风扇52的叶片上的堆积(例如，碎屑)，冷凝器模型72可以反映到扇叶的环境空气流减少。在下文所示的曲线图中，线80、线82说明与具有相对清洁状态的扇叶相关联的气流廓线。线84、线86说明与归因于操作具有相对脏的状态的扇叶相关联的气流廓线。如图所示，气流在堆积已积聚在冷凝器50的扇叶上之后减少。各种扇叶的气流廓线可以由冷凝器模型72产生且用于在堆积积聚时调整围绕冷凝器的气流以适应归因于堆积在部分负载(例如，较低容量)下运行的风扇52。举例来说，如果风扇52相对地脏，那么速度减少的量可以比相对清洁的风扇52小，这是因为跨越风扇52的流归因于堆积已经减少。

图5是说明根据一实施例用于调整冷凝器50的一个或多个操作参数的实例方法的细节的流程图。方法100可以包括从传感器接收(框102)数据，传感器被配置成测量发电厂10的冷凝器50或其它部件的操作参数。方法100可以包括确定(框104)穿过蒸汽头60的蒸汽的流动速率。方法100可以包括计算(框106)蒸汽的流动速率是否在阈值内。方法100可以包括在蒸汽的流动速率不在阈值内时至少部分地基于蒸汽的流动速率调整(框108)风扇52的一个或多个操作参数。方法100可以包括继续(线110)监测发电厂的操作参数(例如，自从最后清洁后的在线时间、空气质量等)，包括当蒸汽的流动速率在阈值内时的蒸汽流动速率。

可以在由一个或多个计算机或其它装置执行的计算机可执行指令(例如程序模块)的通用情境中考虑本文所描述的各种指令、方法和技术。一般来说，程序模块包括例程(routines)、程序、对象、部件、数据结构等，以用于执行特定任务或实施特定抽象数据类型。这些程序模块及其类似物可以作为原代码执行，或可以例如在虚拟机或其它准时制编译执行(just-in-timecompilationexecution)环境中下载和执行。在各种实施例中可以视需要组合或分布程序模块的功能性。这些模块和技术的实施方案可以存储在某一形式的计算机可读存储介质上。

仅借助于实例提供示于图1至3中的实例系统。众多其它操作环境、系统架构和装置配置是可能的。因此，本发明的实施例不应理解为受限于任何特定操作环境、系统架构或装置配置。

本发明的技术效果包括用于部分地基于部分地根据负载调整发电厂中的设备(例如，冷凝器)的操作来提高发电厂的效率的系统和方法。控制器使用由传感器输出的数据以随着发电厂的负载的改变来调整冷凝器的电力使用。可以以数种方式修改或控制发电厂或蒸汽循环内的冷凝器的实际操作，包括通过控制每一冷凝器内的风扇的速度、调整扇叶的桨距、使用冷凝器模型以监测管束和风扇的健康状况和/或通过使用少于所有的冷凝器。

本书面描述使用实例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使所属领域的技术人员能实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书所界定，并且可以包括所属领域的技术人员想到的其它实例。如果此些其它实例具有与权利要求书的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等同结构元件，那么此些其它实例意图在权利要求书的范围内。