专利名称：设计成利于随后改造为与包括碳捕获设施的发电厂工作的蒸汽涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及蒸汽涡轮机，特别是涉及设计成利于随后改造为与包括 碳捕获设施的发电厂工作的蒸汽涡轮机。
背景技术：
近来，越来越多的人一致认为全球变暖和由此引起的气候变化是对 未来社会经济稳定性的严重威胁。这引发了对于碳捕获和存储-所谓 的"碳截存"-作为持续使用化石燃料而不释放二氧化碳到大气中的 途径的兴趣。不幸的是，碳捕获和截存技术还没有完全发展。此外， 设计发电厂以捕获它们产生的碳很可能显著地降低其效率。因而，大 多数化石燃料发电厂仍建造成没有配备未来的碳捕获。因此，政府很 可能制定规定和/或提供激励，使得发电厂设计成易于用碳捕获设备改
型；即，它们将设计成使得它们"便于碳捕获(carbon capture ready )"。 迄今为止，发电厂的蒸汽涡轮机通常构建成在它们整个寿命期间基 于特定热力循环工作。然而，取决于所采用的碳捕获措施，将发电厂 用碳捕获设备改型将需要蒸汽涡轮机的改造。因而，本发明的目的在 于提供一种蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机在设计和制造之后易于以最小 花费改造成适应于在随后增加到发电站的碳捕获设备的需要。
发明内容
根据本发明， 一种便于碳捕获的发电厂，包括锅炉和具有多个级的 蒸汽涡轮机，其中，为了利于所述发电厂在建造后改造为包括需要过 程蒸汽的碳捕获过程，所述蒸汽涡轮机比容纳所述多个涡轮机级所需 要的长度长额外长度，所述额外长度足以在建造后改造期间在涡轮机 出口处容纳至少一个其它涡轮机级，使得在改造之后，所述涡轮机可 工作成在其出口处具有增加的膨胀比和增加的体积流率，籍此允许蒸 汽从涡轮机出口排放以供应需要的过程蒸汽。
优选地，所述额外长度足以在涡轮机出口处容纳至少两个其它涡轮可以想到，所述蒸汽涡轮机应当是中压蒸汽涡轮机，可操作从高压 蒸汽涡轮机接收蒸汽并以第 一体积流率传输蒸汽给低压蒸汽涡轮机。 在改造之后，所述中压蒸汽涡轮机将可操作在以所述第 一体积流率传 输蒸汽给低压蒸汽涡轮机时以第二体积流率传输过程蒸汽。
本发明还包括 一 种蒸汽涡轮机，所述蒸汽涡轮机构建成利于随后改 造成以碳捕获模式工作，作为包含碳捕获设施的发电厂的一部分，所
述涡轮才几包括 涡轮机转子； 涡轮机壳体；和 多个涡轮机级；
其中，在渴轮机的初始制成状况中，所述涡轮机转子和涡轮机壳体
各比容纳所述多个涡轮机级所需要的长度长相应长度r和c，所述长度r
和c足以在随后改造期间在涡轮机出口处容纳至少 一个其它涡轮机级，
使得在改造之后，所述涡轮机将工作成在其出口处具有增加的膨胀比 和增加的体积流率。
优选地，所述额外长度r和c足以在涡轮机出口处容納至少两个其它 涡轮机级。在制造涡轮机时，所述涡轮机转子和涡轮机壳体的额外长 度r和c可分别调节为容纳额外级，或这种调节可以在涡轮机随后改造用 于碳捕获期间进行。当然可以在制造时仅部分调节涡轮机转子和涡轮 机壳体且在涡轮才几随后改造期间完成调节。
容纳额外级的调节可包括在涡轮机转子的额外长度r和/或涡轮机 壳体的额外长度c中机加工的部件特征，以适应其它涡轮机级中的互补 部件特征。在此情况下，整流机构应当设置在涡轮机转子和/或涡轮机 壳体上，以避免在流经涡轮机的流动中由于在涡轮机转子和/或涡轮机 壳体的额外长度中存在未使用的部件特征引起的紊流。
应当理解的是，在根据本发明的涡轮机中，在未来某些时刻预期容 纳额外涡轮机级将有必要在初始设计和制造期间对其它涡轮机械部件 设计合适的尺寸。因而，涡轮机壳体和涡轮机出口通道的流动面积必 须设计成适应于在改造用于碳捕获之后将遇到的最大体积流率。
在轴流式涡轮机中每个涡轮机级将包括固定叶片和活动叶片。本发 明同样可应用于盘和隔寺反式涡轮4几(称为"沖动式"涡轮4几)和反作作用式涡轮机中，静叶片具有固定在涡轮机壳体中 的外部和密封地面对涡轮机转子的内部，所述活动叶片具有安装在鼓 式涡轮机转子中的根部和密封地面对涡轮机壳体的径向外端部。在盘 和隔板式涡轮机中，内环和外环运动地支撑固定叶片，所述外环安装 在涡轮机壳体中。
现在将参考附图描述本发明的示范性实施例，在附图中 图1图示了根据本发明的处于其制造状况的蒸汽涡轮机；和 图2图示了在随后改造之后的同 一涡轮机，从而实现更适合结合碳 捕获设施操作的不同热力循环。
具体实施例方式
电厂的蒸汽涡轮机。所述涡轮机包括制造成以特定膨胀比操作并以特 定蒸汽体积流率供应低压涡轮机的中压UP)涡轮机。IP涡轮机制成在 其转子和壳体中具有额外长度，以允许在不增加其总体制成长度的情 况下随后增加额外涡轮机级，所述额外涡轮机级用以增加其出口处的 渴轮机膨胀比和体积流率。在增加额外级之后，得到的附加体积流量 的过程蒸汽能够从IP涡轮机出口排放以供给燃烧后碳捕获过程，而不影 响IP涡轮机用原始体积流率的蒸汽供应低压涡轮机的能力。
现在参考图l，轴流式蒸汽涡轮机l是"便于碳捕获"化石燃料发电 站的一部分，其中涡轮机从锅炉接收高压蒸汽，为了最大装置效率优 选为超临界状态。蒸汽连续膨胀通过高压(HP)涡轮机(未示出)、 中压(IP)涡轮机IO、和低压(LP)涡轮机(未示出)，所有这些涡 轮机从蒸汽中提取能量来驱动发电机(未示出)，发电机由涡轮机转 子12驱动。
此外，IP涡轮机10还包括涡轮机转子12、涡轮机壳体14和多个涡轮 机叶片级16。在该特定情况下，有九个涡轮机级16,但是根据设计要 求当然可以有更多或更少的级。
每个IP涡轮机级16包括固定叶片18和活动叶片20。在本示例中，涡 轮机构造成盘和隔板式涡轮机(通常称为沖动式涡轮机)，因此固定
6叶片18由内环和外环22, 24分别运动地支撑，每个外环24安装在涡轮 机壳体14中的环形凹部25中，每个内环22占据转子12的连续盘边缘或 "头"部26之间的环形室27 (各个盘之间的分割线未显示，因为盘已 经在转子制造过程期间焊接在一起从而转子是单个单元)。内环22的 径向内表面密封地面对外部转子表面位于盘头部26之间的部分。如本 行业熟知的那样，可以设置迷宫式密封件、刷式密封件或类似物(未 示出)以密封内环22和转子表面之间的间隙。关于活动叶片20,在该 特定设计中，它们具有根部28,根部28借助于销接的根部设置固定到 转子12的盘边缘部分26,这也是熟知的。活动叶片20的末端设置有罩 或盖部分30,其外表面密封地面对涡轮机壳体14上的相应平台32。同 样，可以设置迷宫式密封件、刷式密封件或类似物(未示出)以密封 罩30和平台32之间的间隙。
从图l可以清楚，在涡轮机l的制成状况中，涡轮片几转子12和涡轮机 壳体14各比容纳所示九个涡轮机级所需要的长度长相应长度r和c。实际 上，在所示示例中，长度r和c足以在涡轮机随后改造期间容纳两个其它 涡轮机级。换句话说，涡轮机比容纳如图l所示数量的涡轮机级所需要 的长度长额外长度，所述额外长度足以容纳其它涡轮机级，这将使得 它适合于以"碳捕获"模式操作，如下文阐述的那样。
从图1可以看出，涡轮机转子12已经在其制造时调节为容纳额外级， 其中该部件特征已经预先机加工成涡轮机转子12和涡轮机壳体14的额 外长度r和c,以容纳额外涡轮机级的互补部件特征。具体而言，盘头部 26A和环形室27A已经机加工成转子的额外长度r。类似地，密封平台 32A和居中凹部25A已经机加工成壳体的额外长度c。然而，虽然用于接 收额外级的涡轮机转子和涡轮机壳体的额外长度的全部预调节是可行 的，但是它们仅仅部分调节。例如，附加盘头部26A没有最终机加工成 接收额外活动叶片的销接根部。因而，在该特定实施例中，额外涡轮 机级的调节必须在涡轮机随后改造期间完成。
应当注意处于制成状况的图1涡轮机的附加特征。技术人员将清楚， 接收最后的额外级的转子12和壳体14的全部或部分预调节需要设置可 拆卸的整流器或类似物，以避免流经涡轮机的流动中的过多紊流。否 则，这种紊流将由涡轮机转子和涡轮机壳体的额外长度r和c中的未使用 特征(如室27A和凹部25A)产生。在图l中，这种整流器采用内部扩压器环34 (在转子12的盘头部26A和室27A中整流)和外部扩压器环36 (在壳体14的凹部25A和平台32A中整流)的形式。内部扩压器环34固 定到涡轮机10的静止结构38,但是可以可替换地固定到转子。然而， 固定到静止结构是优选的，因为转子周边不需要额外调节且扩压器环 34不需要设计成承受旋转应力。
在可替换实施例(未示出)中，容纳额外级所需要的转子和壳体的 所有调节被推迟直到需要改造用于碳捕获。因而，在该可替换实施例 中，额外长度r和c将看起来是平坦的，仅分别机加工至转子外轮廓和壳 体内轮廓。为了避免完全需要单独的内部和外部扩压器环用作整流器， 可以机加工转子和定子的额外长度r和c,使得转子外轮廓和壳体内轮廓 包括涡轮机出口的必要扩压轮廓。
图2示出了通过增加两个额外涡轮机级16A改造用于碳捕获的涡轮 机l。图1所示的大内部扩压器环34已经移开并用小环34A取代以保持涡 轮机出口通道40的轮廓。盘头部26A已经精加工以容纳额外涡轮机级 16A的活动叶片20A的销接根部28A。图1的外部扩压器环36, 37也已经 移开并用两个附加隔板的外环24A取代。
尽管参考图1和2的上述描述已经集中于提供便于改造以改变其热 力循环用于碳捕获目的的涡轮机结构，但是也应当理解的是，额外涡 轮机级的预期调节将有必要在初始设计和制造期间对其它涡轮机械部 件设计合适的尺寸。例如，涡轮机壳体14和涡轮机出口通道40的流动 面积必须设计成适应于在改造用于碳捕获之后将遇到的最大体积流 率。
回到图1,发电厂设计成便于碳捕获机构的需要使得在其构造之后 某些时刻当大规模碳捕获技术充分发展并要求装配时，合适的燃烧后 碳捕获过程能够以最小的花费增加到该装置中。除此之外，这需要在 产生用于蒸汽涡轮机l的蒸汽的锅炉下游增加二氧化碳净气器。这种净 气器需要大质量流率的增压过程蒸汽，这能够通过在LP涡轮机进口之 前从IP涡轮机出口通道40排放蒸汽提供。这说明需要设计IP涡轮机IO 使得它具有足以适应于在装置改造用于碳捕获之后可能处理的最大体 积流率的容量。因此，在发电厂改造之前，IP涡轮机10将在其出口处低 于其最大体积流率操作，体积流率和膨胀比与之后的LP涡轮机的进口 容量和压力匹配。在改造之后，虽然在IP涡轮机排气处的质量流量保持
8大致恒定，但是LP进口的质量流量将显著降低，因为一部分IP排气流 提取到碳捕获装置。这导致IP排气压力的降低和因此IP涡轮机排气处的 体积流量的增加。这将需要IP涡轮机以增加的膨胀比操作。在本实施例
中，增加的膨胀比通过增加两个额外涡轮机级16A调节。在过程蒸汽已 经从IP涡轮机出口排出之后，进入LP涡轮机进口的体积流率将等于其 原始设计容量。
应当理解的是，在图1和2中用于增加两个涡轮机级的配置仅仅是示 例。所需要的额外级的实际数量将取决于碳捕获所需要的过程蒸汽的 质量流率，这继而取决于发电厂的尺寸和所选择的具体碳捕获系统的参数。
虽然图1和2图示了盘和隔板式或冲动式涡轮机，但是本发明能够同 样应用于反作用式涡轮机，其中静叶片的外部直接固定在涡轮机壳体 中，且活动叶片的根部安装在鼓式转子的凹槽中。
本发明可实现几个优势
涡轮机在改造前后都具有最优性能；
改造成本最小化；
在改造期间必须扔弃的部件数量最小化；
装置的寿命经济性相对于没有从一开始设置有便于碳捕获涡轮机 的装置得到改进。
本发明仅通过示例的方式在上文描述，且能够在本发明要求保护的 范围内进行变型。本发明也包括在此描述或隐含的或附图中显示或隐 含的任何单独部件特征，或任何这种特征的任何组合，或任何这种特 征或组合的概括(扩展到其等价物)。因而，本发明的宽度和范围不 应受上述任何示范性实施例限制。说明书(包括权利要求书和附图) 中公开的每个特征可以由起相同、等价或类似作用的可替换特征取代，
除非另有声明。
说明书中现有技术部分的任何讨论不是表明这种现有技术是广为 人知的或形成本领域公知常识的 一部分。
除了另有清楚要求，在说明书和权利要求书中，词"包括"、"包 含"等应当理解为包含性的，而不是排他性或排除的意思；即，是"包 括但不限于"的意思。
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权利要求
1. 一种蒸汽涡轮机，所述蒸汽涡轮机构建成利于随后改造成以碳捕获模式工作，作为包含碳捕获设施的发电厂的一部分，所述涡轮机包括涡轮机转子；涡轮机壳体；和多个涡轮机级；其中，在涡轮机的初始制成状况中，所述涡轮机转子和涡轮机壳体各比容纳所述多个涡轮机级所需要的长度长相应长度r和c，所述长度r和c足以在随后改造期间在涡轮机出口处容纳至少一个其它涡轮机级，使得在改造之后，所述涡轮机将工作成在其出口处具有增加的膨胀比和增加的体积流率。
2. 根据权利要求l所述的蒸汽涡轮机，其中，所述额外长度r和c 足以在涡轮机出口处容纳至少两个其它涡轮机级。
3. 根据权利要求1或2所述的蒸汽涡轮机，其中，在涡轮机的初始 制成状况中，所述涡轮机转子和涡轮机壳体的额外长度r和c分别被至少 部分预调节以容纳额外级。
4. 根据权利要求3所述的蒸汽涡轮机，其中，容纳额外级的调节包 括在涡轮机转子的额外长度r和/或涡轮机壳体的额外长度c中机加工的 部件特征，以适应其它涡轮机级中的互补部件特征。
5. 根据权利要求4所述的蒸汽涡轮机，其中，整流机构设置在涡轮 机转子和/或涡轮机壳体上，以避免在流经涡轮机的流动中由于在涡轮流。
6. 根据前述权利要求中任何一项所述的蒸汽涡轮机，其中，所述 蒸汽涡轮机是中压蒸汽涡轮机，可操作从高压蒸汽涡轮机接收蒸汽并 以第 一 体积流率传输蒸汽给低压蒸汽涡轮机。
7. 根据权利要求6所述的蒸汽涡轮机，其中，在改造之后，所述中 压蒸汽涡轮机可操作在以所述第一体积流率传输蒸汽给低压蒸汽涡轮 机时以第二体积流率传输过程蒸汽。
8. —种便于碳捕获的发电厂，包括锅炉和具有多个级的蒸汽涡轮机，其中，为了利于所述发电厂在建造后改造为包括需要过程蒸汽的 碳捕获过程，所述蒸汽涡轮机比容纳所述多个涡轮机级所需要的长度 长额外长度，所述额外长度足以在建造后改造期间在涡轮机出口处容 纳至少一个其它渴轮机级，使得在改造之后，所述涡轮机可工作成在 其出口处具有增加的膨胀比和增加的体积流率，籍此允许蒸汽从涡轮 机出口排放以供应需要的过程蒸汽。
9. 根据权利要求8所述的发电厂，其中，所述额外长度足以在涡轮 机出口处容纳至少两个其它涡轮机级。
10. 根据权利要求8或9所述的发电厂，其中，所述额外长度被至少 部分预调节以容纳额外级。
11. 根据前述权利要求中任何一项所述的发电厂，其中，所述蒸汽 涡轮机是中压蒸汽涡轮机，可操作从高压蒸汽涡轮机接收蒸汽并以第 一体积流率传输蒸汽给低压蒸汽涡轮机。
12. 根据权利要求ll所述的发电厂，其中，在改造之后，所述中压 蒸汽涡轮机可操作在以所述第 一 体积流率传输蒸汽给低压蒸汽涡轮机 时以第二体积流率传输过程蒸汽。
全文摘要
一种用于便于碳捕获的化石燃料发电厂的蒸汽涡轮机1，包括中压(IP)涡轮机10，中压涡轮机制造成以特定膨胀比工作并以特定蒸汽体积流率供应低压涡轮机。IP涡轮机10制造成在其转子12和壳体14中具有额外长度r和c，以允许随后增加额外涡轮机级，所述额外涡轮机级用以在不增加其总体制成长度的情况下增加其出口处的涡轮机膨胀比和体积流率。在增加额外级之后，附加体积流率的过程蒸汽能够从IP涡轮机出口排出以供给燃烧后碳捕获过程，而不影响IP涡轮机将原始体积流率的蒸汽供应给低压涡轮机的能力。
文档编号F01D25/24GK101506477SQ200780031751
公开日2009年8月12日 申请日期2007年8月23日 优先权日2006年8月25日
发明者M·R·洛德, P·D·赫姆斯利 申请人:阿尔斯托姆科技有限公司