专利名称：改进动力装置的功率输出和效率的系统、方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及联合循环动力装置，且尤其涉及用于改进联合循环动力装置的功率输 出和效率的系统、方法和设备。
背景技术：
联合循环动力装置可使用燃气轮机和蒸汽轮机的组合来产生电功率。在联合循环 动力装置中，燃气轮机循环可借助于热回收蒸汽发生器(“HRSG”)操作性地与蒸汽轮机组
口 o在联合循环动力装置中，燃气轮机循环可称为顶循环，而蒸汽轮机循环可称为蒸 汽底循环。燃气轮机顶循环通常具有至少一个压缩机、至少一个燃烧器，以及膨胀器。在压 缩机中，空气被加压，以与燃料混合用于燃烧。然后空气/燃料混合物在燃烧器中燃烧。此 操作会产生高温燃烧产物，然后高温燃烧产物在燃气轮机的膨胀器段膨胀以产生功率。然 后离开燃气轮机的排气流被引导到HRSG，以便于产生蒸汽且使用蒸汽轮机来产生功率。在一些燃气轮机应用中，燃气轮机压力比会超过压缩机的操作压力极限，从而导 致压缩机喘振。当使用了低BTU(英国热量单位)燃料时会发生这种压缩机喘振。低BTU 燃料的实例包括焦炉气、煤气、重整的石油产品气体和高炉气。当发生压缩机喘振时，会降 低燃气轮机的功率输出和效率，而且还会在系统中导致灾难性故障。防止压缩机喘振的一种解决方法是从最后一级抽取点放出过剩的压缩机排气，并 且将空气排放到大气中。因为这种过剩空气包含压力能形式的能量，所以通常要寻找管理 过剩空气的更有效率的方法。一种方法使过剩排气再循环回到压缩机入口，而非排到大气 中。已知为进气加热(IBH)控制的燃气轮机操作的这种方法通过使较冷的环境空气与热的 压缩机排气的放出部分混合来使压缩机进气的进入温度升高。虽然这种方法消除了压缩机 喘振，但是使冷的环境空气与热排气混合会使流到燃气轮机的空气密度和质量流量降低。 因此，燃气轮机性能会降低，而且可用的燃气轮机排气量会减少。这种减少的燃气轮机排气 流量会在HRSG中产生较少蒸汽，并且从而产生较少的蒸汽轮机功率输出。用于防止压缩机喘振的另一种解决方法是放出过剩的压缩机排气，并且在排气进 入HRSG中之前使过剩的压缩机排气与燃气轮机排气混合。虽然过剩排气比压缩机的入口 处的环境空气更热，但是仍然比燃气轮机排气更冷。因此，当两种气体混合时，HRSG的入口 处的空气温度降低，并且由于对HRSG的入口提供了较少的热，HRSG就不能产生相同量的蒸 汽。此外，因为排气包含压力能形式的能量，所以当排气被直接供给到HRSG的入口时该能 量就会被浪费。因此，需要一种用于改进联合循环动力装置的功率输出和效率的系统、方法和设 备。
发明内容
本发明的实施例可解决上述需求中的一些或全部。本发明的某些实施例大体涉及用于改进联合循环动力装置的功率输出和效率的系统、方法和设备。根据一个实施例，可提 供一种用于改进联合循环动力装置的功率输出和效率的方法，其中联合循环动力装置包括 用于燃气轮机的压缩机、燃烧器，以及热回收蒸汽发生器(“HRSG”)。该方法可包括从压缩 机中抽出过剩空气，以及使该过剩空气膨胀以产生功率。该方法还可包括使膨胀空气与可 燃燃料混合，以产生热燃烧产物。该方法可进一步包括使热燃烧产物与来自燃气轮机的排 气混合，从而使得排气的温度和质量流量在被引入HRSG之前得到提高。根据本发明的另一个实施例，可提供一种用于改进联合循环动力装置系统的功率 输出和效率的系统。该系统可包括燃气轮机的压缩机，其中压缩机可操作来产生压缩空气， 且压缩机还可操作来抽出过剩的压缩空气，以保持燃气轮机的性能。该系统还可包括燃烧 器，该燃烧器可操作使压缩空气的一部分与可燃燃料混合，以产生热燃烧产物，且操作燃气 轮机以产生功率。该系统还可包括空气膨胀器，空气膨胀器可操作来接收来自压缩机的过 剩的压缩空气，且使过剩的压缩空气膨胀以产生功率。另外，该系统可包括燃烧式加热器， 燃烧式加热器可操作来接收来自空气膨胀器的膨胀的过剩空气且使膨胀空气与可燃燃料 混合以产生热燃烧产物。最后，该系统可包括HRSG，HRSG可操作来接收来自燃烧式加热器 的热燃烧产物和来自燃气轮机的排气，以产生功率。根据本发明的又一个实施例，可提供一种用于改进联合循环动力装置系统的功 率输出和效率的设备，其中联合循环动力装置系统包括用于燃气轮机的压缩机、燃烧器和 HRSG。该设备可包括可操作来接收膨胀空气且使膨胀空气与可燃燃料混合的燃烧式加热 器。该设备还可适于燃烧膨胀空气和可燃燃料的混合物，以产生热燃烧产物。另外，该设备 可被改变成使热燃烧产物与来自燃气轮机的排气混合，且将该混合物引导到HRSG。根据结合附图得到的以下描述，本发明的其它实施例和方面将变得清楚。
因此以一般性用语来描述本发明，现在参照附图，附图未必按比例绘制，其中图1示出了现有技术的联合循环动力装置的实例。图2示出了用于改进联合循环动力装置的功率输出和效率的示例性系统。图3示出了用于改进联合循环动力装置的功率输出和效率的示例性方法。标号列表
100传统的联合循环系统
105燃气轮机顶循环
106阀
110热回收蒸汽发生器系统
112流
115涡轮机构件
116流
117流
118流
120燃烧器
121流
130燃料源
140燃气压缩机
145燃气压缩机
150高压中间冷却器
155高压中间冷却器
160高压中间冷却器
200示例性系统
205流
210空气膨胀器
215燃烧式加热器
216流
220流
225流
230流
240高压水热交换器
300方法
305框
310框
315框
320框
325框
具体实施例方式现在将参照附图对本发明进行更加完整的描述，附图中显示了本发明的实例实施 例。但是，本发明可体现为许多不同的形式，且本发明不应理解为限于本文阐述的实例实施 例；相反，提供这些实施例是为了使得本公开可将本发明的范围传达给本领域技术人员。相 同参考标号在附图中始终表示相同元件。图1示出了传统的联合循环系统100，其中，燃气轮机顶循环105热联接到蒸汽轮 机底循环或如图所示的热回收蒸汽发生器(“HRSG”)系统110。简单循环燃气轮机系统105 包括压缩机110、涡轮机构件115、燃烧器120和布置在单个转子或轴(未示出)上的负载 (例如发电机)。燃烧器120接收通过流121的燃料、通过流111来自压缩机110的压缩空 气，任何热的过剩排气通过流112从压缩机110放出。燃烧气体通过流116被引入涡轮机 构件115，燃气轮机排气通过流117离开燃气轮机。系统100中还存在低BTU(英国热量单位)燃料的源130。低BTU燃料的可能的 源在本领域内是已知的。例如，两种类型的低BTU燃料是焦炉气和高炉气，这些燃料的公共 源是轧钢装置或轧钢过程。低BTU燃料的其它源在本领域内也是知道的。在系统100中， 当低BTU燃料已被调节可以进行燃烧之后，源130通过流121将低BTU燃料提供给燃烧器 120。在系统100中，调节由燃气压缩机140和145以及高压中间冷却器150、155和160提 供。在系统100中，燃气压缩机140和145可操作来使低BTU燃料的压力升高到期望水平，从而使得低BTU燃料可由燃烧器120使用。中间冷却器150、155和160可操作来冷却中间 级中的压缩燃料，以降低压缩机负载。当压缩机喘振情况出现时，通常使用压缩机放气回路来引导过剩排气，从而使得 过剩排气将绕过燃烧器120。在系统100中，过剩排气在进入HRSG系统110之前通过流118 直接与燃气轮机排气混合。通过移除过剩的压缩机排气，并且将其直接供给到流117中的 燃气轮机排气中，压缩机压力比极限受到保护。另外，当与使过剩排气在入口引导阀106处 再循环回到压缩机110的入口的传统系统相比，此布置不会提高压缩机进气温度。然后压 缩机110可享有低环境温度的全部好处，其保持了燃气轮机顶循环105的功率输出。但是，使过剩排气与燃气轮机排气混合有一个优点。在高压下的过剩排气包含大 量压力能。当过剩排气与燃气轮机排气混合时，此压力能会被浪费，因为过剩排气在与燃气 轮机排气混合且输入到HRSG系统110中之前，其压力降低到差不多为环境压力。要求保护 的本发明的实施例可解决上述需求中的一些或全部。图2示出了根据本发明的一个方面的、用于改进联合循环动力装置的功率输出和 效率的示例性系统200。应当理解，虽然本文描述的系统、方法和设备仅参照了联接到单个 HRSG系统上的单个燃气轮机，但是使用多个燃气轮机、蒸汽轮机和HRSG系统的系统也可适 于采用所公开的系统、方法和设备，从而使得它们可由于它们提供的优点获利。类似于传统的系统100，系统200包括热联接到HRSG系统110的燃气轮机顶循环 105。燃气轮机系统105包括压缩机110、涡轮机构件115、燃烧器120和布置在单个转子或 轴(未示出)上的负载(例如发电机)。燃烧器120接收通过流121的燃料、通过流111的 来自压缩机110的压缩空气，并且燃烧气体通过流116被引入涡轮机构件115。燃气轮机排 气通过流117持续离开燃气轮机。系统200中还存在低BTU燃料源130，且对低BTU燃料的 调节由燃气压缩机140和145以及中间冷却器150、155和160提供。不同于系统100，热的过剩排气通过流205从压缩机110中放出，其将高压过剩排 气输送到空气膨胀器210。如已经描述的，当在燃气轮机顶循环中使用低BTU燃料时，燃气 轮机压力比会超过压缩机的操作压力极限，导致压缩机喘振。在系统200中，此压缩机喘振 可由压缩机放气回路控制，压缩机放气回路引导过剩排气通过流205绕过燃烧器120。在这 种情况下，压缩机放气回路可确保燃气轮机顶循环105继续适当地操作，且不受压缩机喘 振的损害。空气膨胀器210可操作通过使高压过剩排气膨胀来产生功率。空气膨胀器210的 实施例可包括但不限于，涡轮膨胀器和膨胀式涡轮。来自空气膨胀器210的膨胀空气通过流216被引入燃烧式加热器215。燃烧式加 热器215可操作使来自空气膨胀器210的膨胀空气与可在过程中获得的一种或多种可燃的 过剩燃料混合，以产生热燃烧产物。燃烧式加热器215的实施例可包括但不限于以下几种 管道式燃烧器、辅助燃烧室和外部燃烧器。热燃烧产物通过流220离开燃烧式加热器215，且使用混合“三通管”(未示出)在 流225中与来自流117的燃气轮机排气混合。热燃烧产物和燃气轮机排气的新的混合物的 温度高于燃气轮机排气自身的温度。因此，HRSG110的额外的热使HRSG110能够产生更多 蒸汽，且产生更多功率。功率输出的这种提高与由空气膨胀器210产生的功率结合使系统 200更有效率，且使系统200比传统的系统100更多产。
在示例性系统200中，燃烧式加热器215的可燃燃料源由低BTU燃料源130通过 流230提供。根据本发明的一个方面，当源130是轧钢装置或轧钢过程时，可抽出过剩高炉 气，且将其提供给燃烧式加热器215，以与来自空气膨胀器210的膨胀空气一起燃烧。如同 其它低BTU燃料一样，可在燃烧之前调节过剩高炉气。在示例性系统200中，对来自源130 的低BTU燃料的调节可由高压水热交换器240通过使用来自HRSG110的水源来提供。高压 水热交换器240使低BTU燃料的温度升高，从而使得低BTU燃料在燃烧式加热器215中的 燃烧需要较少能量。将理解的是，可使用的燃料源以及用于准备燃料以便于与膨胀空气混合以产生热 燃烧产物的调节系统存在许多其它实施例。在另一个实施例中，不是使通过流220的热燃烧产物在流225中与来自流117的 燃气轮机排气混合，而是可将热燃烧产物的至少一部分提供给蒸汽吸收冷却器(未示出)， 蒸汽吸收冷却器可间接地连接到压缩机110的入口导管106上。蒸汽吸收冷却器将可操作 来接收作为热源的热燃烧产物，以产生冷却介质，冷却介质继而间接地降低压缩机110的 进气温度。由于在压缩机入口处空气较冷，所以可以提高压缩机110的效率，因为与较暖的 空气相比需要较少能量来压缩较冷的空气。因此，由于压缩机110的效率提高，所以燃气轮 机顶循环105的效率也提高。在又一个实施例中，热燃烧产物的至少一部分可被提供用来加热HRSG110的水 源。通过对HRSG110提供较暖的水，HRSG110就需要较少能量来产生蒸汽。因此，HRSG110 的效率可得到改进。图3示出了用于改进联合循环动力装置的功率输出和效率的示例性方法300，联 合循环动力装置包括燃气轮机、用于燃气轮机的压缩机、燃烧器和HRSG。方法在框305处开 始，其中从压缩机中抽出过剩空气。用于执行方法300的此要素的一个实施例由系统200示 出。在系统200中，通过流121将低BTU燃料提供给燃烧器120。如已经描述过的，当在燃 气轮机顶循环中使用低BTU燃料时，燃气轮机压力比会超过压缩机的操作压力极限，导致 压缩机喘振。因此，框306抽出此过剩排气，以保持燃烧和涡轮机性能。在一个实施例中， 此压缩机喘振可由压缩机放气回路控制。也可使用之前已经描述过的其它实施例。方法300在框310处继续，其中已经从压缩机中抽出的过剩空气被膨胀以产生功 率。再次，参看图2中的系统200，框310可由空气膨胀器210执行，空气膨胀器210通过流 205被提供过剩的压缩机空气。在该示例性实施例中，使用了空气膨胀器，而且取决于压缩 机110的喘振情况，可产生大约6兆瓦额外功率。在其它实施例中，取决于过剩排气的可用 性和联合循环系统的其它要求，可使用其它空气膨胀器。一旦过剩空气已被抽出和膨胀，方法300就继续到框315，其中来自空气膨胀器的 膨胀空气与可燃燃料混合，以产生热燃烧产物。在示例性系统300中，此混合可由燃烧式加 热器215执行。在燃烧式加热器215中，通过流216提供来自空气膨胀器210的膨胀空气， 且通过流230提供可燃燃料。在示例性系统200中，可燃燃料可由低BTU燃料源130提供。低BTU燃料源的一 个实例是轧钢装置或轧钢过程，其可提供高炉气和焦炉气，以对联合循环动力装置供以燃 料。在一个实施例中，过剩高炉气被从轧钢装置或轧钢过程中引导出来，且作为燃料提供给 燃烧式加热器215。在另一个实施例中，可使用过剩的焦炉气。
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在一个实施例中，在使可燃燃料与膨胀空气混合之前，可调节可燃燃料，以改进热 燃烧产物的产生。例如，参照图2中的系统200，可在将由源130提供的低BTU燃料提供给 燃烧式加热器215之前对其进行调节。在示例性系统200中，高压水热交换器240使用来 自HRSG110的高压锅炉给水来提供对低BTU燃料的调节。在一个实施例中，当将过剩的高 炉气作为低BTU燃料提供时，高压水热交换器240在通过流230将过剩高炉气引入燃烧式 加热器215之前使过剩高炉气的温度升高。在这种情况下，高压水热交换器240会改进燃 烧式加热器215的性能，因为燃烧需要较少能量来产生高温燃烧产物。将理解的是，当使用 其它燃料时，也可以以其它方式来同样地调节这些燃料，以改进热燃烧产物的产生。一旦接收了可燃燃料，燃烧式加热器215就使膨胀空气与可燃燃料混合，以产生 热燃烧产物。在该示例性实施例中，使用了燃烧式加热器，取决于流230处的可燃燃料和流 216处的膨胀空气的可用性，燃烧式加热器可在流220处产生温度大于538°C的热燃烧产 物。在框315处产生了热燃烧产物之后，方法300继续到框320，其中热燃烧产物与来 自燃气轮机顶循环105的排气混合。在该示例性实施例中，用混合三通管来执行此混合。将 理解的是也可以以其它方式使热燃烧产物与燃气轮机排气混合。方法300在框325处结束，其中热燃烧产物和燃气轮机排气的混合物被引入HRSG 系统。在示例性系统200中，来自燃烧式加热器215的热燃烧产物与来自燃气轮机顶循环 105的排气的混合会产生提供给HRSG110的、平均温度大于约526°C的热排气产物。在传统 的系统100中，因为通过使来自燃气轮机压缩机的较低温度的排气与燃气轮机排气混合引 起的冷却效应，提供给HRSG110的热排气产物具有小于约510°C的平均温度。如前所述，排 气产物的温度这一降低使HRSG系统100产生较少功率。但是，如果是较高的温度，HRSG系 统110会产生较多蒸汽，且蒸汽轮机会产生更多功率。在另一个实施例中，可使用热燃烧产物的一部分来改进联合循环系统中的压缩机 的性能。例如，可改变系统200，以包括间接地连接到入口导管106上的蒸汽吸收冷却器。 然后可将来自燃烧式加热器215的热燃烧产物的至少一部分作为热源提供给蒸汽吸收冷 却器。使用此热源，蒸气吸收冷却器可产生冷却的介质，以便于冷却压缩机110的进气温 度。由于入口处的空气较冷，所以可以提高压缩机110的效率，因为与较热的空气相比需要 较少能量来压缩较冷的空气。因为压缩机110的效率提高，所以燃气轮机顶循环105的效 率也提高。与本发明有关的领域的技术人员会想到具有前述描述和相关联的附图中介绍的 技术的好处的、本文阐述的本发明的许多改变和其它实施例。因此，本领域普通技术人员将 理解，本发明可体现为许多形式，且本发明不限于上述实施例。因此，将理解的是本发明不 限于公开的具体实施例，而且改变和其它实施例包括在权利要求书的范围内。虽然本文采 用了特定术语，但是这些术语是以一般性和描述性意义使用的，而不用作限制目的。
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权利要求
一种用于改进联合循环动力装置的功率输出和效率的方法(300)，所述联合循环动力装置包括燃气轮机(105)的压缩机(106)、燃烧器(120)和热回收蒸汽发生器(110)，所述方法包括从所述压缩机(106)中抽出过剩空气(305)；使所述抽出的过剩空气的至少一部分膨胀以产生功率(310)；使所述膨胀空气与至少一种可燃燃料混合，用于燃烧以产生热燃烧产物(315)；以及使所述热燃烧产物的至少一部分与来自所述燃气轮机(105)的排气混合(320)，其中，所述排气在被引入所述热回收蒸汽发生器(100)之前温度被提高。
2.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，所述方法(300)还包括 引导所述热燃烧产物的至少一部分来冷却进入所述压缩机(106)的空气。
3.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，所述方法(300)还包括 提供高炉气；加热所述高炉气；以及在使所述燃烧产物的至少一部分与来自所述燃气轮机(105)的排气混合之前，引导所 述被加热的高炉气与所述膨胀的过剩空气混合以产生热燃烧产物。
4.根据权利要求1所述的方法(300)，其特征在于，所述排气的至少一部分被引导到所 述热回收蒸汽发生器(110)上的位置。
5.一种用于改进联合循环动力装置的功率输出和效率的系统(200)，包括燃气轮机(105)的压缩机(110)，可操作来产生压缩空气，其中，所述压缩空气的至少 一部分是过剩空气，且被抽出，以保持所述燃气轮机(105)的喘振边界控制；可操作使所述压缩空气的至少一部分与至少一种可燃燃料混合的燃烧器(120)，其中， 排气由所述燃气轮机(105)产生；可操作来接收来自所述压缩机的抽出的过剩空气且使所述过剩空气膨胀以产生功率 的至少一个空气膨胀器；可操作来接收来自所述至少一个空气膨胀器(210)的所述膨胀的过剩空气且使所述 膨胀的空气与至少一种可燃燃料混合以产生热燃烧产物的至少一个燃烧式加热器(215)； 以及可操作来接收来自所述至少一个燃烧式加热器(215)的所述热燃烧产物的至少一部 分和来自所述燃气轮机(105)的所述排气的热回收蒸汽发生器(110)。
6.根据权利要求5所述的系统(200)，其特征在于，所述系统(200)还包括蒸气吸收冷却器，所述蒸气吸收冷却器可操作来接收来自所述至少一个燃烧式加热器 (215)的所述热燃烧产物的至少一部分，且提供冷却介质，所述冷却介质将冷却用于所述压 缩机(110)的空气。
7.根据权利要求5所述的系统(200)，其特征在于，所述系统(200)还包括 至少一个可燃燃料的源(130)，并且其中，所述至少一个燃烧式加热器(215)还可操作来接收来自所述至少一个可燃燃料 的源(130)的可燃燃料。
8.根据权利要求5所述的系统(200)，其特征在于，所述系统(200)还包括可操作在所述可燃燃料被引入所述至少一个燃烧式加热器(215)之前加热所述可燃燃料的至少一个高压水热交换器(240)。
9.一种用于改进联合循环动力装置的功率输出和效率的设备，所述联合循环动力装置 包括燃气轮机(105)的压缩机(110)，以及热回收蒸汽发生器(110)，所述设备包括至少一个燃烧式加热器(215)，所述至少一个燃烧式加热器(215)可操作来 接收膨胀空气，且使所述膨胀空气的至少一部分与至少一种可燃燃料混合， 燃烧膨胀空气和所述至少一种可燃燃料的混合物，以产生热燃烧产物，其中，所述热燃 烧产物与来自所述燃气轮机(105)的排气混合；以及将热燃烧产物和排气的混合物引导到所述热回收蒸汽发生器(110)。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述设备还包括可操作将膨胀空气提供给所述至少一个燃烧式加热器(215)的至少一个空气膨胀器 (210)。
全文摘要
本发明的实施例可提供用于改进联合循环动力装置的功率输出和效率的系统、方法和设备。根据一个实施例，其中联合循环动力装置包括压缩机(110)、燃气轮机(105)、燃烧器(120)和热回收蒸汽发生器(110)，来自压缩机(110)的过剩空气可被抽出且被膨胀以产生功率。然后膨胀空气可与至少一种可燃燃料混合，以产生热燃烧产物。热燃烧产物可与来自燃气轮机(105)的排气混合，以在排气被引入热回收蒸汽发生器(110)之前使排气的温度升高。来自燃气轮机(105)的排气温度的升高提供了用于产生蒸汽和功率的额外能量，且改进了热回收蒸汽发生器(110)的性能。
文档编号F22B1/18GK101852134SQ20101015711
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者I·马宗德, R·萨哈, S·罗卡纳斯, V·K·B·戈帕尔克里什纳 申请人:通用电气公司