具有产生过量空气流的压缩机和涡轮膨胀器的发电系统的制作方法
【专利摘要】一种发电系统(100)可包括：第一燃气涡轮系统(102)，其包括第一涡轮构件(104)、第一整体式压缩机(106)和第一燃烧器(108)，来自第一整体式压缩机(106)的空气和燃料供应至该第一燃烧器(108)。第一整体式压缩机(106)具有比第一燃烧器(108)和/或第一涡轮构件(104)的吸入容量大的流动容量，从而产生过量空气流(200)。第二燃气涡轮系统(140)可包括与第一个类似的构件但在其压缩机中没有过量容量。涡轮膨胀器(252)可以操作地联接至第二燃气涡轮系统(140)。控制阀可控制过量空气流(200)从第一燃气涡轮系统(102)到第二燃气涡轮系统(140)和涡轮膨胀器(252)中的至少一者的流动，和涡轮膨胀器(252)的排放(210,272)到第一整体式压缩机(106)和第二压缩机(146)中的至少一者的入口的流动。
【专利说明】具有产生过量空气流的压缩机和涡轮膨胀器的发电系统
[0001]相关申请的交叉引用本申请涉及共同未决的美国专利申请号:_，GE卷号280346-1、280347-1、
280348-1、280349-1、280352-1、280353-1 和 280355-1，所有都在_提交。
技术领域
[0002]本公开内容大体上涉及发电系统，并且更具体地涉及包括具有产生过量空气流的压缩机的燃气涡轮系统与增加发电机输出且用于冷却至压缩机或另一个燃气涡轮系统的压缩机的入口空气的涡轮膨胀器。
【背景技术】
[0003]发电系统通常采用一个或更多个燃气涡轮系统，其可与一个或更多个蒸汽涡轮系统联接来发电。燃气涡轮系统可包括具有旋转轴的多级轴流式压缩机。空气进入压缩机的入口，且由压缩机叶片级压缩，且然后被排放至燃烧器，在此，焚烧燃料如天然气，以提供高能燃烧气流来驱动涡轮构件。在涡轮构件中，热气体的能量被转换成功，该功中的一些用于通过旋转轴来驱动整体式的压缩机，其余的可用于有用功，以经由旋转轴(例如，旋转轴的延伸部)驱动负载如发电机以用于产生电力。多个燃气涡轮系统可在发电系统内并联地使用。在联合循环系统中，一个或更多个蒸汽涡轮系统还可与燃气涡轮系统一起使用。在此情形中，来自燃气涡轮系统的热排出气体被给送到一个或更多个热回收蒸汽发生器(HRSG)来产生蒸汽，蒸汽然后被给送到具有与燃气涡轮系统分开的或整体式的旋转轴的蒸汽涡轮构件。在任何情况下，蒸汽的能量都转换成功，该功可用于驱动负载如发电机，以用于产生电力。
[0004]当产生发电系统时，其零件构造成一起工作来提供具有期望的功率输出的系统。根据需要提高功率输出并且/或者在挑战性环境情形下维持功率输出的能力是本行业中的不断挑战。例如，在热天，电力消耗增加，因此增大发电需求。热天的另一个挑战是随着温度升高，压缩机流减少，这导致减少的发电机输出。增大功率输出(或维持功率输出，例如，在热天)的一个途径是对发电系统添加可增加去往燃气涡轮系统燃烧器的空气流的构件。增大空气流的一个途径是添加储存容器来对燃气涡轮燃烧器进行给送。然而，该特定途径通常需要用于储存容器的单独的能量源，这不是高效的。
[0005]增大空气流的另一途径是升级压缩机。目前，压缩机已得到改进，使得它们的流动容量高于它们的前代压缩机。这些新的、更高容量的压缩机通常制造成或者适应新的类似构造的燃烧器，或者能够处理增大的容量的较旧的燃烧器。升级较旧的燃气涡轮系统来使用新的、更高容量的压缩机的一个挑战是，目前没有与不可处理增大的容量的系统一起在不升级系统的其他昂贵部分的情况下使用更高容量的压缩机的机构。通常需要与压缩机升级同时升级的其他部分包括但不限于燃烧器、燃气涡轮构件、发电机、变压器、开关装置、HRSG、蒸汽涡轮构件、蒸汽涡轮控制阀等。因此，即使压缩机升级理论上可能是可行的，但升级其他部分的额外成本由于额外的花费而使得升级是考虑不周的。
【发明内容】
[0006]本公开内容的第一方面提供了一种发电系统，包括:第一燃气涡轮系统，其包括第一涡轮构件、第一整体式压缩机和第一燃烧器，来自第一整体式压缩机的空气和燃料供应至第一燃烧器，第一燃烧器布置成将热燃烧气体供应至第一涡轮构件，且第一整体式压缩机具有比第一燃烧器和第一涡轮构件中的至少一者的吸入容量大的流动容量，从而产生过量空气流;第二燃气涡轮系统，其包括第二涡轮构件、第二压缩机和第二燃烧器，来自第二压缩机的空气和燃料供应至第二燃烧器，第二燃烧器布置成将热燃烧气体供应至第二涡轮构件;涡轮膨胀器，其操作地联接至第二燃气涡轮系统;第一控制阀系统，其控制过量空气流沿过量空气流路径到第二燃气涡轮系统和涡轮膨胀器中的至少一者的流动；以及第二控制阀系统，其控制涡轮膨胀器的排放到第一整体式压缩机和第二压缩机中的至少一者的入口的流动。
[0007]本公开内容的第二方面提供了一种发电系统，包括:第一燃气涡轮系统，其包括:第一涡轮构件、第一整体式压缩机和第一燃烧器，来自第一整体式压缩机的空气和燃料供应至第一燃烧器，第一燃烧器布置成将热燃烧气体供应至第一涡轮构件，且第一整体式压缩机具有比第一燃烧器和第一涡轮构件中的至少一者的吸入容量大的流动容量，从而产生过量空气流;第二燃气涡轮系统，其包括第二涡轮构件、第二压缩机和第二燃烧器，来自第二压缩机的空气和燃料供应至第二燃烧器，第二燃烧器布置成将热燃烧气体供应至第二涡轮构件;涡轮膨胀器，其操作地联接至第二燃气涡轮系统;第一控制阀系统，其控制过量空气流沿过量空气流路径到第二燃气涡轮系统和涡轮膨胀器中的至少一者的流动；以及第二控制阀系统，其控制涡轮膨胀器的排放到第一整体式压缩机和第二压缩机中的至少一者的入口的流动，其中第二控制阀系统包括第一控制阀和第二控制阀，第一控制阀控制涡轮膨胀器的排放到第一整体式压缩机的入口的第一部分，第二控制阀控制涡轮膨胀器的排放到第二压缩机的入口的第二部分，以及其中涡轮膨胀器的排放具有低于进入第一整体式压缩机的入口和第二压缩机的入口的空气的入口温度的排放温度。
[0008]本公开内容的第三方面提供了一种方法，包括:从第一燃气涡轮系统的第一整体式压缩机获得过量空气流，第一燃气涡轮系统包括第一涡轮构件、第一整体式压缩机和第一燃烧器，来自第一整体式压缩机的空气和燃料供应至第一燃烧器，第一整体式压缩机具有比第一燃烧器和第一涡轮构件中的至少一者的吸入容量大的流动容量;将过量空气流沿过量空气流路径引导至以下中的至少一者:第二燃气涡轮系统，其包括第二涡轮构件、第二压缩机和第二燃烧器，来自第二压缩机的空气和燃料供应至第二燃烧器，第二燃烧器布置成将热燃烧气体供应至第二涡轮构件，和涡轮膨胀器，其操作地联接至第二燃气涡轮系统；以及将涡轮膨胀器的排放的流动引导至第一整体式压缩机和第二压缩机中的至少一者的入口。
[0009]本发明的第一技术方案提供了一种发电系统，包括:第一燃气涡轮系统，其包括第一涡轮构件、第一整体式压缩机和第一燃烧器，来自所述第一整体式压缩机的空气和燃料供应至所述第一燃烧器，所述第一燃烧器布置成将热燃烧气体供应至所述第一涡轮构件，且所述第一整体式压缩机具有比所述第一燃烧器和所述第一涡轮构件中的至少一者的吸入容量大的流动容量，从而产生过量空气流;第二燃气涡轮系统，其包括第二涡轮构件、第二压缩机和第二燃烧器，来自所述第二压缩机的空气和燃料供应至所述第二燃烧器，所述第二燃烧器布置成将热燃烧气体供应至所述第二涡轮构件;涡轮膨胀器，其操作地联接至所述第二燃气涡轮系统;第一控制阀系统，其控制所述过量空气流沿过量空气流路径到所述第二燃气涡轮系统和所述涡轮膨胀器中的至少一者的流动；以及第二控制阀系统，其控制所述涡轮膨胀器的排放到所述第一整体式压缩机和所述第二压缩机中的至少一者的入口的流动。
[0010]本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，过量空气流通过所述第一控制阀系统供应至所述第二压缩机的排放。
[0011 ]本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，过量空气流通过所述第一控制阀系统供应至所述第二燃烧器。
[0012]本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，过量空气流通过所述第一控制阀系统供应至所述第二涡轮构件的涡轮喷嘴冷却入口。
[0013]本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，第一控制阀系统控制所述过量空气流到所述第二压缩机的排放、所述第二燃烧器和所述第二涡轮构件的涡轮喷嘴冷却入口中的至少一者的流动。
[0014]本发明的第六技术方案是在第五技术方案中，第一控制阀系统包括第一控制阀、第二控制阀、和第三控制阀，所述第一控制阀控制所述过量空气流到所述第二压缩机的所述排放的第一部分，所述第二控制阀控制所述过量空气流到所述第二燃烧器的第二部分，所述第三控制阀控制所述过量空气流到所述第二涡轮构件的所述涡轮喷嘴冷却入口的流动的第三部分。
[0015]本发明的第七技术方案是在第六技术方案中，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器用于测量所述过量空气流的至少一部分的流速，各传感器可操作地联接至所述第一控制阀系统。
[0016]本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，第一涡轮系统和所述第二涡轮系统中的每一个的排气供应至至少一个发电机以用于对蒸汽涡轮系统供能。
[0017]本发明的第九技术方案是在第一技术方案中，第二控制阀系统包括第一控制阀和第二控制阀，所述第一控制阀控制所述涡轮膨胀器的所述排放到所述第一整体式压缩机的所述入口的第一部分，所述第二控制阀控制所述涡轮膨胀器的所述排放到所述第二压缩机的所述入口的第二部分。
[0018]本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，第二燃气涡轮系统还包括旋转轴，所述旋转轴联接所述第二压缩机、所述第二涡轮构件、起动马达和所述涡轮膨胀器。
[0019]本发明的第十一技术方案是在第一技术方案中，第一燃气涡轮系统还包括旋转轴，所述旋转轴联接所述第一整体式压缩机、所述第一涡轮构件、和负载换流逆变器(LCI)马达。
[0020]本发明的第十二技术方案是在第一技术方案中，涡轮膨胀器的所述排放具有低于进入所述第一整体式压缩机的所述入口和所述第二压缩机的所述入口的空气的入口温度的排放温度。
[0021]本发明的第十三技术方案提供了一种发电系统，包括:第一燃气涡轮系统，其包括:第一涡轮构件、第一整体式压缩机和第一燃烧器，来自所述第一整体式压缩机的空气和燃料供应至所述第一燃烧器，所述第一燃烧器布置成将热燃烧气体供应至所述第一涡轮构件，且所述第一整体式压缩机具有比所述第一燃烧器和所述第一涡轮构件中的至少一者的吸入容量大的流动容量，从而产生过量空气流;第二燃气涡轮系统，其包括第二涡轮构件、第二压缩机和第二燃烧器，来自所述第二压缩机的空气和燃料供应至所述第二燃烧器，所述第二燃烧器布置成将热燃烧气体供应至所述第二涡轮构件;涡轮膨胀器，其操作地联接至所述第二燃气涡轮系统;第一控制阀系统，其控制所述过量空气流沿过量空气流路径到所述第二燃气涡轮系统和所述涡轮膨胀器中的至少一者的流动；以及第二控制阀系统，其控制所述涡轮膨胀器的排放到所述第一整体式压缩机和所述第二压缩机中的至少一者的入口的流动，其中所述第二控制阀系统包括第一控制阀和第二控制阀，所述第一控制阀控制所述涡轮膨胀器的所述排放到所述第一整体式压缩机的所述入口的第一部分，所述第二控制阀控制所述涡轮膨胀器的所述排放到所述第二压缩机的所述入口的第二部分，以及其中所述涡轮膨胀器的所述排放具有低于进入所述第一整体式压缩机的所述入口和所述第二压缩机的所述入口的空气的入口温度的排放温度。
[0022]本发明的第十四技术方案是在第十三技术方案中，第一控制阀系统控制所述过量空气流到所述第二压缩机的排放、所述第二燃烧器和所述第二涡轮构件的涡轮喷嘴冷却入口中的至少一者的流动。
[0023]本发明的第十五技术方案是在第十四技术方案中，第一控制阀系统包括第一控制阀、第二控制阀、和第三控制阀，所述第一控制阀控制所述过量空气流到所述第二压缩机的所述排放的第一部分，所述第二控制阀控制所述过量空气流到所述第二燃烧器的第二部分，所述第三控制阀控制所述过量空气流到所述第二涡轮构件的所述涡轮喷嘴冷却入口的流动的第三部分。
[0024]本发明的第十六技术方案是在第十三技术方案中，第一涡轮系统和所述第二涡轮系统中的每一个的排气供应至至少一个发电机以用于对蒸汽涡轮系统供能。
[0025]本发明的第十七技术方案是在第十三技术方案中，第二燃气涡轮系统还包括旋转轴，所述旋转轴联接所述第二压缩机、所述第二涡轮构件、起动马达和所述涡轮膨胀器。
[0026]本发明的第十八技术方案是在第十三技术方案中，第一燃气涡轮系统还包括旋转轴，所述旋转轴联接所述第一整体式压缩机、所述第一涡轮构件、和负载换流逆变器(LCI)马达。
[0027]本发明的第十九技术方案提供了一种方法，包括:从第一燃气涡轮系统的第一整体式压缩机获得过量空气流，所述第一燃气涡轮系统包括第一涡轮构件、所述第一整体式压缩机和第一燃烧器，来自所述第一整体式压缩机的空气和燃料供应至所述第一燃烧器，所述第一整体式压缩机具有比所述第一燃烧器和所述第一涡轮构件中的至少一者的吸入容量大的流动容量;将所述过量空气流沿过量空气流路径引导至以下中的至少一者:第二燃气涡轮系统，其包括第二涡轮构件、第二压缩机和第二燃烧器，来自所述第二压缩机的空气和燃料供应至所述第二燃烧器，所述第二燃烧器布置成将热燃烧气体供应至所述第二涡轮构件，和涡轮膨胀器，其操作地联接至所述第二燃气涡轮系统；以及将所述涡轮膨胀器的排放的流动引导至所述第一整体式压缩机和所述第二压缩机中的至少一者的入口。
[0028]本发明的第二十技术方案是在第十九技术方案中，涡轮膨胀器的排放具有低于进入所述第一整体式压缩机的所述入口和所述第二压缩机的所述入口的空气的入口温度的排放温度。
[0029]本公开内容的示范性方面设计成解决本文所述的问题和/或未论述的其它问题。
【附图说明】
[0030]根据结合附图作出本公开的各种方面的以下详细描述，将更容易理解本公开的这些和其他特征，附图绘出了本公开的各种实施例，在附图中:
图1示出了根据本发明的实施例的发电系统的示意图。
[0031]应注意，本公开的附图不按照比例。附图旨在仅绘出本公开的典型方面，且因此不应认作是限制本公开的范围。在附图中，相似的标号表示附图之间的相似元件。
[0032]零件列表 100发电系统
102第一燃气涡轮系统 104第一涡轮构件 106第一整体式压缩机 108第一燃烧器 110涡轮旋转轴 120入口过滤器壳体 122,154,166 发电机 140第二燃气涡轮系统 144第二涡轮构件 146第二压缩机 148第二燃烧器
150以后开发的入口过滤器壳体
152旋转轴
158喷嘴冷却入口
160蒸汽涡轮系统
162旋转轴
166发电机
168,170蒸汽发生器
172,174 排气
178排放物控制系统
180控制系统
200空气流
202第一控制阀系统
210,272 排放
212,274第一控制阀
214第二控制阀
216第三控制阀
220传感器 250过量空气流路径 252涡轮膨胀器 254至少一部分 256,266控制阀 270第二控制阀系统。
【具体实施方式】
[0033]如上所述，本公开提供了一种发电系统，其包括燃气涡轮系统，燃气涡轮系统包括产生过量空气流的压缩机。本发明的实施例提供了使用过量空气流来改善发电系统输出的方式。
[0034]参看图1，提供了根据本发明的实施例的发电系统100的示意图。系统100包括第一燃气涡轮系统102。第一燃气涡轮系统102除其他构件外可包括第一涡轮构件104、第一整体式压缩机106和第一燃烧器108。如在本文中使用的，第一“整体式”压缩机106如此称呼是因为压缩机106和涡轮构件104可尤其由公共压缩机/涡轮旋转轴110(有时称为转子110)—体地联接在一起。该结构不同于被单独地供能且不与涡轮构件104整体式的许多压缩机。
[0035]燃烧器108可包括任何现在已知或以后开发的燃烧器系统，该燃烧器系统大体上包括燃烧区和燃料喷嘴组件。燃烧器108可采用环形燃烧系统或筒环形燃烧系统(如附图中所例示的)的形式。在操作中，来自第一整体式压缩机106的空气和燃料如天然气被供应至燃烧器108。稀释剂也可选地以任何现在已知或以后开发的方式输送至燃烧器108。由第一整体式压缩机106吸取的空气可穿过任何现在已知或以后开发的入口过滤器壳体120。如所理解的，燃烧器108布置成通过燃料和空气混合物的燃烧来将热燃烧气体供应至第一涡轮构件104。在涡轮构件104中，热燃烧气体的能量被转换成功，该功中的一些用于通过旋转轴110来驱动压缩机106，其余的可用于有用功，以驱动负载(诸如但不限于用于产生电力的发电机122)，并且/或者经由旋转轴110(旋转轴110的延伸部)驱动另一涡轮。起动马达112(诸如但不限于常规起动马达或负载换流逆变器(LCI)马达(未示出))也可联接到旋转轴110，以用于第一燃气涡轮系统102的起动目的(本文中相对于第二燃气涡轮系统140描述)。涡轮构件104可包括用于借助于旋转轴110将热燃烧气流转换成功的任何现在已知或以后开发的涡轮。
[0036]在一个实施例中，燃气祸轮系统102可包括可从General Electric Company ,Greenville, S.C商业地获得的型式MS7001FB，有时称为7FB发动机。然而，本发明不限于任一种特定的燃气祸轮系统，且可结合其他系统来实现，包括例如Genera I ElectricCompany 的型式 MS7001FA(7FA)和 MS9001FA(9FA)。
[0037]不同于常规燃气涡轮系统型式，第一整体式压缩机106具有比涡轮构件104和/或第一燃烧器108的吸入容量大的流动容量。即，压缩机106相比于构造成与燃烧器108和涡轮构件104匹配的压缩机是升级的压缩机。如在本文中使用的，“容量”指流速容量。例如，燃气涡轮系统102的初始压缩机可具有大约487千克/秒(kg/s) (I，075镑质量/秒(lbm/s))的最大流量，且涡轮构件104可具有基本上相等的最大流动容量，即，大约487 kg/s。然而，在此，压缩机108替换了初始压缩机，且可具有例如大约544 kg/s(1200 lbm/s)的增大的最大流动容量，而涡轮构件104继续具有例如大约487 kg/s的最大流动容量。(在需要时，起动马达112也可升级，例如，升级至所例示的LCI马达，以适应用于第一整体式压缩机106的起动的增大的功率要求)。因此，涡轮构件104不可利用压缩机106的所有容量，且过量空气流200由压缩机106在高于例如涡轮构件104的最大容量下产生。类似地，整体式压缩机106的流动容量可超过燃烧器108的最大吸入容量。以类似的方式，如果暴露于整体式压缩机106的满流动容量，则涡轮构件104的功率输出可超过用于发电机122的最大允许输入。尽管本文中已描述了特定的示例流速值，但要强调的是，流速容量可取决于燃气涡轮系统和所使用的新的大容量整体式压缩机106来大大地改变。如本文中将描述的那样，本发明提供了在发电系统100的其他部分中使用过量空气流的发电系统100的各种实施例。
[0038]在图1中所示的实施例中，发电系统100还包括一个或更多个第二燃气涡轮系统140。各第二燃气涡轮系统140可包括第二涡轮构件144、第二压缩机146和第二燃烧器148。各第二燃气涡轮系统140可基本上类似于第一燃气涡轮系统102，只是其压缩机146未升级或替换，且继续具有构造成匹配其相应涡轮构件144和/或燃烧器148流动容量的流动容量。如在本文中关于第一整体式压缩机106所述的，来自第二压缩机146的空气与燃料一同供应至第二燃烧器148，且第二燃烧器148布置成将热燃烧气体供应至第二涡轮构件144。稀释剂也可以可选地以任何现在已知或以后开发的方式输送至第二燃烧器148。由第二压缩机146吸取的空气可穿过任何现在已知或以后开发的入口过滤器壳体150。在第二涡轮构件144中，热燃烧气体的能量被转换成功，该功中的一些用于通过旋转轴152来驱动压缩机146，其余的可用于有效功来驱动负载，诸如但不限于用于发电的发电机154，和/或经由旋转轴152(旋转轴152的延伸部)驱动另一涡轮。
[0039]第二涡轮构件144还可包括一个或更多个涡轮喷嘴冷却入口 158。如本领域中理解的那样，涡轮构件中的静止喷嘴可包括多个入口(未示出)，以用于喷射冷却流体来尤其冷却涡轮构件的喷嘴。喷嘴内和周围的通路在需要时引导冷却流体。尽管为了清楚起见，在涡轮构件144的第一级处仅示出一个入口，但应理解的是，涡轮构件144的各级可包括例如围绕涡轮构件沿周向间隔的一个或更多个入口。此外，尽管涡轮喷嘴冷却入口 158示为在第二涡轮构件144的第一级处或附近进入，但应理解，入口可设在实际上任何级处。
[0040]还如图1中所示，在一个实施例中，发电系统100可以可选地采用包括蒸汽涡轮系统160的联合循环发电设备的形式。蒸汽涡轮系统160可包括任何现在已知或以后开发的蒸汽涡轮布置。在所示的实例中，示出了高压(HP)、中压(IP)和低压(LP)区段;然而，并非全部是在所有情况下都需要的。如本领域中已知的那样，在操作中，蒸汽进入蒸汽涡轮区段的入口，且被导送穿过静止导叶，导叶向下游相对于联接到旋转轴162(转子)的叶片引导蒸汽。蒸汽可穿过其余级，从而将力施加在叶片上，从而导致旋转轴162旋转。旋转轴162的至少一个端部可附接到负载或机器，诸如但不限于发电机166、和/或另一涡轮，例如，燃气涡轮102、140中的一个。用于蒸汽涡轮系统160的蒸汽可由一个或更多个蒸汽发生器168、170生成，即，热回收蒸汽发生器(HSRG) ARSG 168可联接到第一涡轮系统102的排气172，且HRSG170可联接到第二涡轮系统104的排气174。即，燃气涡轮系统102和/或燃气涡轮系统140的排气172、174分别可供应至至少一个HRSG 168、170，以用于对蒸汽涡轮系统160供能。各燃气涡轮系统可联接到专用的HRSG，或者一些系统可共用HRSG。在后一情况中，尽管例示了两个HRSG 168、170，但可仅提供一个，且排气172、174 二者都被引导至其。在穿过蒸汽发生器168、170之后，现在耗尽热的燃烧气流可经由任何现在已知或以后开发的排放物控制系统178来排气，例如，烟道、选择性催化还原(SCR)单元、一氧化二氮过滤器等。尽管图1示出了联合循环实施例，但应强调的是，可省略包括HRSG168、170的蒸汽涡轮系统160。在此后一情况中，排气172、174将直接地传送至排放物控制系统180或用于其他过程中。
[0041 ]发电系统100还可包括用于控制其各种构件的任何现在已知或以后开发的控制系统180。尽管与构件分开示出，但应理解的是，控制系统180电联接到所有构件和它们相应的可控制特征，例如，阀、栗、马达、传感器、电网、发电机控制件等。
[0042]回到第一燃气涡轮系统102的细节，如本文中所提到的，第一整体式压缩机106具有比涡轮构件104和/或第一燃烧器108的吸入容量大的流动容量，这产生了过量空气流200。过量空气流200示为从第一整体式压缩机106在其排放处获得的流。然而，应强调的是，过量空气流200可在期望的情况下在整体式压缩机106的任何级处使用适合的阀和相关控制系统获得，例如，在排放上游的一个或更多个位置处，在排放和排放上游的一个或更多个位置处，等。在任何情况下，过量空气流200最终沿过量空气流路径250穿过，路径250可包括去往第二涡轮系统140的一个或更多个管。在图1实施例中，控制阀系统202提供成用于控制去往第二燃气涡轮系统140的过量空气流200的流动。尽管示为好像过量空气流200被引导至仅一个第二燃气涡轮系统140，但应理解的是，过量空气流可在期望时被引导至一个或更多个第二燃气涡轮系统140，且其中，过量空气流可支持多于一个的系统。
[0043]发电系统100还可包括操作地联接到第二涡轮系统140的涡轮膨胀器252。涡轮膨胀器252可包括能够接收高压气体如空气或蒸汽且由高压气体的膨胀生成功的任何现在已知或以后开发的轴流式或离心流式涡轮。在举例的情况中，过量空气流200的至少一部分254可用于对涡轮膨胀器252供能。过量空气流200的至少一部分254可由另一高压气体源(例如，来自HRSG 168和/或170的蒸汽)或另一加压空气源(如果需要)来增加。在后文中将描述涡轮膨胀器252的操作和优点。
[0044]过量空气流200可以通过第二控制阀系统202以多种方式从第一燃气涡轮系统102引导至第二涡轮系统140和/或涡轮膨胀器252。在一个实施例中，第一控制阀系统202控制过量空气流200沿过量空气流路径250去往第二燃气涡轮系统140和涡轮膨胀器252中的至少一者的流动。就第二燃气涡轮系统140而言，第一控制阀系统202可控制过量空气流200的去往第二压缩机146的排放210、第二燃烧器148和第二涡轮构件144的涡轮喷嘴冷却入口158中的至少一者的流动。控制阀系统202可包括对第二涡轮系统140的期望部分供应过量空气流200的至少一部分所需的任何数目的阀。如所例示的，控制阀系统202可包括三个阀。第一控制阀212可控制过量空气流200的去往第二压缩机146的排放210的第一部分。以此方式，由此，过量空气流200可被加至来自压缩机146的空气流，而没有额外的能量消耗。第二控制阀214可控制过量空气流200的去往第二燃烧器148的第二部分，从而提供用于燃烧的额外空气。第三控制阀216可控制过量空气流200的去往第二涡轮构件144的涡轮喷嘴冷却入口 158的第三部分，以尤其对涡轮构件的喷嘴提供冷却流体。在操作中，所示实例可如下地作用:首先，在控制阀210打开且控制阀212、214关闭的情况下，将过量空气流200供应至第二压缩机146的排放210;接着，在控制阀210和216关闭且控制阀214打开的情况下，将过量空气流200供应至燃烧器148 ；和最后，在控制阀210、212关闭且控制阀216打开的情况下，将过量空气流200供应至第二涡轮构件144的涡轮喷嘴冷却入口 158。第一控制阀系统202还可包括用于控制过量空气流路径250中的过量空气流200的控制阀256。就输送至涡轮膨胀器252的过量空气流200而言，第一控制阀系统202还可包括控制阀266，控制阀266控制过量空气流200的至少一部分254，该至少一部分254供应至涡轮膨胀器252(即，至涡轮膨胀器252的入口)以用于对涡轮膨胀器供能。
[0045]第二控制阀系统270可控制涡轮膨胀器252的排放272至第一整体式压缩机106和第二压缩机146中的至少一者的入口的流动(为了清楚起见以虚线示出的管路)。如图所示，第二控制阀系统270可包括第一控制阀274和第二控制阀276，第一控制阀274控制涡轮膨胀器252的排放272的至第一整体式压缩机106的入口的第一部分，第二控制阀276控制涡轮膨胀器252的排放272的至第二压缩机146的入口的第二部分。排放272的各部分可为排放272中的任何百分比，包括零。
[0046]进一步参照各控制系统202、270，其各控制阀可定位在打开与关闭之间的任何位置，以对规定的构件通过期望的部分流。此外，尽管去往各构件的一个通路例示在各控制阀之后，但应强调的是，可提供其他管路和控制阀，以将过量空气流200的相应部分进一步分送至各种子部分，例如，第二涡轮构件144上的多个涡轮喷嘴冷却入口 158、燃烧器148的多个燃烧筒等。还如所例示的，可提供至少一个传感器220以用于测量过量空气流200的至少一部分的流速，该至少一部分例如为，如从第一整体式压缩机106获取的、各控制阀212、214、216之后的，等。各传感器220可以可操作地联接到控制阀系统202，其可包括用于所示各种控制阀的自动操作的任何现在已知或以后开发的工业控制。其他传感器可在需要时遍布发电系统100地提供。
[0047]如上面提到的，控制阀256可操作成控制过量空气流动路径250中的过量空气流200的量，且控制阀266可操作成控制从过量空气流路径250提供至涡轮膨胀器252的空气254的量。控制阀系统202、270且因此过量空气流200的流动和涡轮膨胀器252的操作可使用任何现在已知或以后开发的工业控制器来控制，该工业控制器可为总体发电系统100控制系统180的一部分。控制系统180可以以已知的方式控制发电系统100的所有各种构件的操作，包括对控制阀系统202进行控制。
[0048]包括第一燃气涡轮系统102的发电系统100与常规系统相比提供了多个优点，第一燃气涡轮系统102具有产生过量空气流200的第一整体式压缩机106。例如，相对于在系统中升级所有压缩机(在在使用多个燃气涡轮的情况下可能是非常昂贵的)，压缩机106可以以较低的成本改善发电系统100的动力块峰、基本和热天输出。此外，本发明的实施例降低了升级的压缩机(即，压缩机106)的相对成本，且又通过提供有效地消耗更多过量空气流的方式改善了升级的压缩机的耐久性和合意性。此外，包括第一整体式压缩机106的发电系统100通过在以下示范性子系统中的任何一个或更多个尺寸过小的情况下改善项目耐久性来扩大系统100的操作包线:涡轮构件104、发电机122、变压器(未示出)、开关装置、HRSG 168、蒸汽涡轮系统160、蒸汽涡轮控制阀等。以此方式，与升级两个压缩机106、146或无所作为的情况相比，系统100提供了升级例如两个燃气涡轮和一个蒸汽涡轮联合循环(2x1 CC)系统中的单个压缩机的改善的情况。
[0049]涡轮膨胀器252可单独地或与产生过量空气流200的第一整体式压缩机106结合地提供多个优点。一个优点是，其可在起动期间对旋转轴152提供额外的转动动力，以便增加起动马达156功率。如图所示，第二燃气涡轮系统140可包括旋转轴152，该旋转轴152联接第二压缩机146、第二涡轮构件144、起动马达156和涡轮膨胀器252。发电机154还联接到旋转轴152。起动马达156可包括用于第二燃气涡轮系统140的起动的任何现在已知或以后开发的马达。如本领域中理解的那样，起动可包括起动马达156在一个档位速度(gear speed)(即，涡轮转子持续转动以便防止转子的弯曲的速度)下转动，然后在马达的影响下增大至吹扫速度(即，允许空气流过的速度)，然后减小速度，在该速度下，燃烧器148点燃初始燃料流。随后，旋转轴152和系统的其余部分在马达190的影响下加速，直到其达到全速空载状态(FSNL)。此时，燃气涡轮系统140未生成功率，而是自保持的，且燃烧器148内的燃料控制速度。随后，燃气涡轮系统140可被加载(闭合断路器)，以便其开始使用发电机154生成功率，此后，进行调整，诸如燃烧器148中的燃料、第二涡轮构件144中的导叶等，直到达到全速满载(FSFL)状态。在第二燃气涡轮系统140已升级的一些情况中，其初始起动马达156可能尺寸过小。即，诸如第二压缩机146、第二涡轮构件144和/或发电机154的构件可在尺寸确定成使得起动马达156没有足以作用以用于起动第二燃气涡轮系统140的功率。然而，通过提供涡轮膨胀器252，额外的转动功率可在起动期间提供至旋转轴152，以便加强起动马达156。以此方式，可能不需要替换尺寸过小的起动马达156，且可避免较大的马达如负载换流逆变器(LCI)马达的成本。(第一燃气涡轮系统102示为具有LCI马达112)。此外，涡轮膨胀器252的转矩输出也可在峰负载操作期间增加发电机154功率输出，其中，来自第一压缩机106的过量空气流200供应大于可由第二燃气涡轮系统140消耗的量。
[0050]涡轮膨胀器252的另一优点是排放272具有低于进入第一整体式压缩机106的入口和/或第二压缩机146的入口的空气的温度的排放温度。照这样，经由第二控制阀系统270，涡轮膨胀器252可作用于冷却至压缩机中的一个或两者的入口空气，增大一个或两者压缩机106，146的输出和效率。
[0051]在本文中使用的用语仅用于描述特定实施例的目的，且不旨在限制本公开。如在本文中使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还将理解的是，用语“包括”和/或“包含”当用于此说明书中时表示所规定的特征、整体、步骤、操作、元件、和/或构件的存在，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、构件、和/或其组合。
[0052]以下权利要求中的所有装置或步骤加功能要素的对应结构、材料、动作、和等同物旨在包括用于与如特别规定的其他要求保护的要素结合地执行功能的任何结构、材料或动作。本公开的描述是出于例示和描述的目的而提出，但不意图为穷举的或将本公开限于所公开的形式。许多改型和变型对本领域技术人员而言将是显而易见的，而不脱离本公开的范围和精神。选择和描述实施例，以便最佳地阐释本公开的原理及其实际应用，且使本领域技术人员因适于所构想的特定用途的具有各种修改的各种实施例而能够理解本公开。
【主权项】
1.一种发电系统(100)，包括: 第一燃气涡轮系统(102)，其包括第一涡轮构件(104)、第一整体式压缩机(106)和第一燃烧器(108)，来自所述第一整体式压缩机(106)的空气和燃料供应至所述第一燃烧器(108)，所述第一燃烧器(108)布置成将热燃烧气体供应至所述第一涡轮构件(104)，且所述第一整体式压缩机(106)具有比所述第一燃烧器(108)和所述第一涡轮构件(104)中的至少一者的吸入容量大的流动容量，从而产生过量空气流(200)； 第二燃气涡轮系统(140)，其包括第二涡轮构件(144)、第二压缩机(146)和第二燃烧器(148)，来自所述第二压缩机(146)的空气和燃料供应至所述第二燃烧器(148)，所述第二燃烧器(148)布置成将热燃烧气体供应至所述第二涡轮构件(144); 涡轮膨胀器(252)，其操作地联接至所述第二燃气涡轮系统(140); 第一控制阀系统(202)，其控制所述过量空气流(200)沿过量空气流(200)路径到所述第二燃气涡轮系统(140)和所述涡轮膨胀器(252)中的至少一者的流动；以及 第二控制阀系统(270)，其控制所述涡轮膨胀器(252)的排放(210、272)到所述第一整体式压缩机(106)和所述第二压缩机(146)中的至少一者的入口的流动。2.根据权利要求1所述的发电系统(100)，其特征在于，所述过量空气流(200)通过所述第一控制阀系统(202)供应至所述第二压缩机(146)的排放(210、272)。3.根据权利要求1所述的发电系统(100)，其特征在于，所述过量空气流(200)通过所述第一控制阀系统(202)供应至所述第二燃烧器(148)。4.根据权利要求1所述的发电系统(100)，其特征在于，所述过量空气流(200)通过所述第一控制阀系统(202)供应至所述第二涡轮构件(144)的涡轮喷嘴冷却入口(158)。5.根据权利要求1所述的发电系统(100)，其特征在于，所述第一控制阀系统(202)控制所述过量空气流(200)到所述第二压缩机(146)的排放(210、272)、所述第二燃烧器(148)和所述第二涡轮构件(144)的涡轮喷嘴冷却入口(158)中的至少一者的流动。6.根据权利要求5所述的发电系统(100)，其特征在于，所述第一控制阀系统(202)包括第一控制阀(212、274)、第二控制阀(214)、和第三控制阀(216)，所述第一控制阀(212、274)控制所述过量空气流(200)到所述第二压缩机(146)的所述排放(210、272)的第一部分，所述第二控制阀(214)控制所述过量空气流(200)到所述第二燃烧器(148)的第二部分，所述第三控制阀(216)控制所述过量空气流(200)到所述第二涡轮构件(144)的所述涡轮喷嘴冷却入口( 158)的流动的第三部分。7.根据权利要求6所述的发电系统(100)，其特征在于，还包括至少一个传感器(220)，所述至少一个传感器(220)用于测量所述过量空气流(200)的至少一部分(254)的流速，各传感器(220)可操作地联接至所述第一控制阀系统(202)。8.根据权利要求1所述的发电系统(100)，其特征在于，所述第一涡轮系统和所述第二涡轮系统中的每一个的排气(172、174)供应至至少一个发电机(122、154、166)以用于对蒸汽涡轮系统(160)供能。9.根据权利要求1所述的发电系统(I00 )，其特征在于，所述第二控制阀系统(270)包括第一控制阀(212、274)和第二控制阀(214)，所述第一控制阀(212、274)控制所述涡轮膨胀器(252)的所述排放(210、272)到所述第一整体式压缩机(106)的所述入口的第一部分，所述第二控制阀(214)控制所述涡轮膨胀器(252)的所述排放(210、272)到所述第二压缩机(146)的所述入口的第二部分。10.根据权利要求1所述的发电系统(100)，其特征在于，所述第二燃气涡轮系统(140)还包括旋转轴(162、152)，所述旋转轴(162、152)联接所述第二压缩机(146)、所述第二涡轮构件(144)、起动马达和所述涡轮膨胀器(252)。
【文档编号】F02C6/08GK105986903SQ201610155318
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】S.埃卡纳亚克, T.J.弗里曼, 金基亨, A.I.西皮奥, 唐永明
【申请人】通用电气公司