通过再热和容量匹配进行的热电联产热负载匹配的制作方法
【专利说明】
[0001] 巧关申请的香叉引用
[0002] 本申请要求2013年3月14日提交的美国临时申请号61/785, 950、2013年3月5 日提交的美国临时申请号61/773, 103、2013年3月5日提交的美国临时申请号61/773, 100 和2013年12月19日提交的美国发明专利申请号14/135, 352的权益。
技术领域
[0003] 所呈现的是生产用于联合循环发电厂的电力和热的热电联产系统所用的燃气满 轮发动机，更特别地是使用被配置成与电厂的热负载需求匹配的再热燃烧器和动力满轮的 燃气满轮发动机。
【背景技术】
[0004] 联合热电产生（"CHP"或"热电联产"）是由热力发电站进行的电力和热的同时产 生。特别地，典型的发电站包括产生电力并排放特定量的热作为产生电力的副产品的一个 或多个燃气满轮发动机。CHP采集并使用一些或全部热W用于加热地理上位于靠近发电站 的位置处的医院、商业建筑物或各种其他建筑物。作为另一示例，CHP也可W用于加热地区 的水供给。 阳0化]两个常见类型的燃气满轮发动机可W包括最初设计用于工业和电力产生应用的 那些（"工业机器"）和典型地由航空发动机衍生的那些（"航改燃机"）。前者可能具有重 的重量和用于长的使用寿命W及不太频繁的维护检修的坚固的构造。后者可W比工业机器 更快地起动、改变负载和关闭。此外，航改燃机可W具有比工业机器更高的压力比、更高的 效率和更低的排放溫度并因此可W在联合循环和CHP配置中产生较少蒸汽。CHP的潜在障 碍可W包括使热和电负载在根据发电站所要求的量和定时上匹配。
[0006] 因此，存在着用于通过使用再热燃烧器和具有充分组的喷嘴导向翼片（"NGV")的 动力满轮或者可选地如果热负载是可变的话通过使用可变喷嘴导向翼片（"VNGV")来满足 任何热负载要求的燃气满轮发动机的需要。
【附图说明】
[0007] 虽然权利要求不限于特定说明，但通过其各种示例的讨论而最好地获得各种方面 的理解。现在参见附图，详细地示出了示例性说明。尽管附图代表说明，但附图并不一定按 比例绘制并且某些特征可能被夸大W更好地说明和解释示例的创新方面。此外，运里所描 述的示例性说明不意在穷举性的或W其他方式限制或约束为附图中所示出且在下面详述 的描述中所公开的精确形式和配置。通过参见如下附图来详细地描述示例性说明。
[000引图1图示出包括了彼此协作W提供通过再热和容量匹配进行的热电联产热负载 匹配的再热燃烧器和动力满轮的燃气满轮发动机的一个示例性实施例的分解图。
[0009] 图2图示出包括了具有可变面积喷嘴导向翼片的动力满轮的燃气满轮发动机的 另一示例性实施例的分解图。
[0010] 图3图示出与图1的动力满轮的真实容量对应的热电联产热负载的图表。
[0011] 图4是图1中示出的燃气满轮发动机的示意图。
[0012] 图5是另一示例性燃气满轮发动机的示意图。
【具体实施方式】
[0013] 现在参见下面的讨论并且还参见附图，详细地示出了说明性方案。尽管附图代表 一些可能的方案，但附图并不一定按比例绘制并且某些特征可能被夸大、去除或被部分剖 切W更好地说明和解释本公开。此外，运里所阐述的描述并不意在穷举性的或W其他方式 将权利要求限制或约束成附图中所示出且在下面详述的描述中所公开的精确形式和配置。
[0014] 燃气满轮发动机的一个示例可W包括气体发生器、布置在气体发生器的下游的再 热燃烧器和布置在再热燃烧器的下游并包括多个喷嘴导向翼片的动力满轮。再热燃烧器被 配置成增加燃料流量W便增加再热燃烧器的溫度并与要求的排放溫度匹配。喷嘴导向翼片 被配置成使动力满轮入口处的真实容量与要求的排放溫度成比例地增加。响应于使溫度和 真实容量相对于彼此成比例地增加，在再热燃烧器的上游的气体发生器出口处的恒定表观 容量保持恒定。
[0015] 燃气满轮发动机的另一示例可W包括气体发生器、布置在气体发生器的下游的再 热燃烧器和在再热燃烧器的下游的动力满轮。再热燃烧器被配置成增加燃料流量W便增加 再热燃烧器的溫度并与要求的排放溫度匹配。动力满轮具有被配置成与用于联产电厂的热 负载匹配的多个喷嘴导向翼片。喷嘴导向翼片是被配置成被调节并提供与再热燃烧器的增 加的溫度对应的在动力满轮入口处的多个真实容量的可变面积喷嘴导向翼片（"VNGV")。 因此，燃气满轮发动机与用于联产电厂的可变热负载匹配并且维持在再热燃烧器的上游的 气体发生器出口处的恒定的表观容量。
[0016] 与联产发电站所要求的热负载匹配的示例性方法可W包括增加燃料流量至再热 燃烧器W便增加再热燃烧器的溫度并与要求的排放溫度匹配。方法还可W包括使在再热燃 烧器的下游的动力满轮入口处的真实容量与再热燃烧器的增加的溫度成比例地增加。另 夕F，方法可W包括响应于使真实容量和溫度相对于彼此成比例地增加，维持在再热燃烧器 的上游的气体发生器出口处的恒定的表观容量。
[0017] 参见图1，燃气满轮发动机100的一个示例通常可W包括气体发生器102、动力满 轮104和布置在它们之间的再热燃烧器106。在一个示例中，动力满轮104可W具有被配置 成提供在动力满轮104的入口 108处的真实容量或通过动力满轮104的体积流率的一组喷 嘴导向翼片107 ( "NGV")。特别地，成组的NGV可W被配置成提供在较高容量与较低容量 之间的范围内的真实容量，较高容量和较低容量与用于联产发电站所需求的热负载的最佳 容量相关联。用于联产发电站热负载的最佳容量可W在储藏着的两组NGV之间。在该情况 中，两个或多个NGV组可W被混合并匹配使得：例如，一个组提供可得到的较高真实容量并 且另一组提供可得到的较低真实容量，并且最终的真实容量可W产生联产电站所需求的相 应的热负载。
[0018] 如图2中所示，另一示例性燃气满轮发动机200具有动力满轮204并且与具有动 力满轮104的图1的燃气满轮发动机100基本类似，其中相似部件W在200系列中的相应数 字标识。然而，与具有被配置成提供仅一个真实容量的两个或多个组合固定面积NGV组的 图1的动力满轮104相比，动力满轮204可W具有被配置成被调节W提供多个真实容量并 与联产发电站所需求的可变热负载匹配的一组可变面积喷嘴导向翼片207( "VNGV")。在 运方面，VNGV可W被调节或调节W进而调节通过动力满轮入口 208的真实容量或体积流率 并与联产发电站的可变热负载匹配。例如，联产发电站可能要求比夜间所要求的热负载高 的日间的热负载。因此，VNGV可W被打开或被调节W增加比VNGV在夜间所提供的真实容 量或体积流率高的在日间的在动力满轮入口处的真实容量或体积流率。
[0019]返回参见图1，再热燃烧器106可W具有进入点110和出口点112。进入点110与 气体发生器出口 114和通过动力满轮104的相应的表观容量或体积流量相关联。此外，出口 点112与动力满轮入口 108和通过动力满轮机104的相应的真实容量或体积流量相关联。 在进入点和出口点11〇、112之间，再热燃烧器106可W具有可忽略不计的压力降（P2=Pi)、 燃烧过程可W高达100%的效率并且没有冷却空气可在两个平面（Wi=W2-W"4)之间被 提取或注入。基于运些条件，用于满轮发动机100的下游满轮容量Q可W通过W下一组方 程式表达。
[0020] 与进入点110和动力满轮104的在气体发生器（GG)出口流量处的表观容量Qi相 关联的流量函数可W是： 阳02U (方程式 1) =WiVTi/P]
[0022] 此外，与出口点112和动力满轮104的在其入口 108处的真实容量Q2对应的流量 函数可W是：
[0023](方程式 2)Qj=W2VT2/P2
[0024]假设P2二P1，方程式2变成：
[0025] Q2 =W2VT2A
[0026] Pi=W2VT2/Q2
[0027]代入方程式1 :
[0028] Qi = W,VT,/(W2V^T2/Q,) KW1/W2) X (VTi/v%) X Q2二((W2 - W巧:抖)/W2) X (心、化)X Q2 =(1-的邊料简的X (心、化)X Q'2
[0029] 假设燃料流量为了该示例是核心流量的2%，=W2的2%
[0030] (方程式扣Qi=斯9:8X(VTl/V'Ts)X化
[0031]因此可W从方程式3看出，通过使真实容量Q2成比例地增加并使表观容量Q1维持 在恒定值，能够提高再热溫度T2,并因此能够提高用于与热负载要求匹配的排放溫度。
[0032] 图3图示出依照方程式3的燃气满轮发动机100的操作。此外，当通过气体发生 器102的操作循环的热负载可W变化时，可W从方程式3看出，维持气体发生器出口 114处 的期望的表观容量能够利用被配置成提供可变真实容量〇2的动力满轮104来实现。在运 方面，单个气体发生器可W用于多个应用，运进而可W使库存和发动机变体最小化，并且通 过根据热负载要求调整燃气满轮循环还提高了联产电站的效率和电力。
[0033] 图3图示出由多个燃气满轮发动机提供的各种热负载。例如，数据条目116代表在 具有低热电联产热负载供给要求的联产电厂中的一个示