专利名称：分流再生式动力循环的制作方法
技术领域：
本文公开的主题涉及再生式燃气涡轮机循环，且更具体地，涉及分流再生式动力 循环系统。
背景技术：
再生式燃气涡轮机循环通常对燃气涡轮机和微型涡轮机进行实施以将布雷顿循 环效率提升至超出用简单循环机器所能获得的效率。在当前的再生式燃气涡轮机循环中， 通过如下方式获得燃料能量的部分替代在燃烧空气离开涡轮压缩机之后且在进入涡轮燃 烧器之前，将来自排气的能量再生式地传送给燃烧空气。这种机器中的压缩比足够低，使得 离开涡轮机并进入再生器的排气温度高于将要在其中加热的压缩机排放空气的温度。实现 了对燃气涡轮机循环的显著的效率提高。循环可通过增加热回收(及底)循环来利用在再 生式加热燃烧供气后仍保持的排出能量而进一步改善。通常，及底循环的增加导致对传统 联合循环的适度提高，其中由于再生器为及底循环留下了冷得多的排气，因此燃气涡轮机 不是再生式的。需要在再生式燃气涡轮机至顶循环的情况下提高及底循环性能。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于燃气涡轮机联合循环的再生式动力循环 系统。该方法可包括从燃气涡轮机产生燃气涡轮机排气流；将排气流分成第一排气流和 第二排气流；将第一排气流从燃气涡轮机引向第一再生式动力循环；以及将第二排气流从 燃气涡轮机引向第二热回收动力循环。根据本发明的另一个方面，提供了一种再生式动力循环系统。该系统可包括构造 成产生具有第一排气流和第二排气流的分流排气流的燃气涡轮机；可操作地联接到燃气涡 轮机上并构造成接收第一排气流的再生器；以及构造成接收来自燃气涡轮机的第二排气流 的热回收蒸汽发生器。根据本发明的又一个方面，提供了一种燃气涡轮机系统。该系统可包括具有两个 并行排气流的燃气涡轮机；可操作地构造成接收并行排气流的第一气流的再生器；可操作 地构造成接收并行排气流的第二气流的热回收蒸汽发生器；以及构造成接收来自再生器的 热压缩空气的燃烧器。当结合附图阅读下列描述内容时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得 更加清楚明白。
被认为是本发明的主题在说明书所附的权利要求中被特别指出并明确地要求保 护。本发明的前述和其它特征以及优点由结合附图的下列详细描述将变得清楚明白，其 中图1图示了在其中可实施示例性实施例的再生式燃气涡轮机系统；
图2图示了在其中可实施示例性实施例的再生式燃气涡轮机联合循环系统；图3图示了示例性分流再生式动力循环燃气涡轮机系统；图4图示了现有技术蒸汽及底循环的第二定律效率特性作为可用热源温度的函 数的图表；图5图示了用于示例性系统和传统系统的净设备效率对压缩机压力比的图表；图6-9图示了显示动力循环比较的表；
图10图示了根据示例性实施例的分流再生式动力循环方法的流程图；图11图示了在其中可实施示例性实施例的再生式燃气涡轮机联合循环系统；图12图示了根据图11的示例性系统的分流再生式动力循环方法的流程图；图13图示了在其中可实施示例性实施例的再生式燃气涡轮机联合循环系统；图14图示了根据图13的示例性系统的分流再生式动力循环方法的流程图。通过参考附图的示例，详细描述解释了本发明的实施例以及优点和特征。部件列表
具体实施例方式图1图示了在其中可实施示例性实施例的再生式燃气涡轮机系统100。如本文所 述，在再生式燃气涡轮机循环中，燃料流105的部分替代可通过如下方式获得在进气121 离开燃气涡轮机180的涡轮压缩机120之后并在进入用于燃气涡轮机180的涡轮膨胀器 130的涡轮燃烧器125之前，将从排气流110回收的能量传送给燃烧空气115。剩余的排气 能140从再生器排出。图2图示了在其中可实施示例性实施例的再生式燃气涡轮机联合循环系统200。 在示例性实施例中，燃料流205的部分替代通过如下方式获得在进气221离开燃气涡轮机 280的涡轮压缩机220之后且在进入用于燃气涡轮机280的涡轮膨胀器230的涡轮燃烧器 225之前，将从排气流210回收的能量传送给燃烧空气215。当前，热回收(蒸汽及底)循 环在排气流240离开燃气涡轮机再生器235进入热回收蒸汽发生器(HRSG) 250的情况下开 始热回收。回收的排气能量可用来在HRSG 250中产生蒸汽以便给一系列的蒸汽涡轮例如 255、260、265提供动力。为了说明的目的，蒸汽涡轮可包括高压涡轮225、中压涡轮260和 低压涡轮265。系统200还可包括冷凝器270，以将排出蒸汽凝结成水用来在HRSG 250中 再使用。应当了解的是，可实施许多另外的构造用于排气流240的再使用。仍参考图2，由于排气流210在其将热传送给燃烧空气215时已被冷却，因此排气 流240比来自没有再生器的传统燃气涡轮机联合循环的涡轮膨胀器230的排气冷得多。此 更冷的热源难以恢复以如没有再生器135时较热的排气210可提供的那样有效地提供动 力。本文描述的示例性实施例对任何联合循环中的热回收构造提供了改善，其中，力口 压的至顶循环工作流体被用可获得的排气能量再生地(直接或间接地)加热，以及进一步 回收和利用任何剩下的至顶循环发动机排放能量的及底循环(未恢复以加热至顶循环的 加压工作流体)。本文为了说明的目的而讨论了再生式布雷顿循环(燃气涡轮机)。该燃 气涡轮机可包括再热燃烧、空气增湿、蒸汽冷却、中间冷却或对布雷顿循环主题的任何其它 变型，包括其它工作流体和闭合循环。然而，应当了解的是，在其它示例性实施例中也考虑 使用布雷顿循环之外的其它热循环的热力发动机。为了进一步说明的目的，热回收及底循 环使用水/蒸汽作为兰金循环中的工作流体，尽管在其它示例性实施例中考虑了适于热回 收的任何其它流体或热循环。本文所述的示例性系统和装置由燃气涡轮机膨胀实施并行的 高温排气，以加热燃烧空气以及及底循环工作流体。在示例性实施例中，相对于传统的系统 和装置提高了循环效率。图3示出了示例性分流再生式动力循环燃气涡轮机系统300。该系统300可包括构 造成接收用来压缩成压缩空气流315的空气流321的涡轮压缩机。该系统300可进一步包 括可操作地联接到涡轮压缩机320上的涡轮膨胀器330。燃气涡轮机380包括排气流310。 在示例性实施例中，排气流310并行地分流成再生器排气流311(第一排气流)和(HRSG) 排气流312 (第二排气流)。系统300还可包括可操作地联接到涡轮膨胀器330上并构造成 接收燃料流305和压缩空气流315的涡轮燃烧器325。系统300还可包括构造成接收来自涡轮膨胀器330的排气流311的再生器335。在示例性实施例中，再生器335利用排气流 311中的能量来将热添加到用于引入涡轮燃烧器325的压缩空气流315。系统300还可包 括构造成接收来自涡轮膨胀器330的排气流312的HRSG 350，以便产生用于蒸汽涡轮机的 蒸汽。在示例性实施例中，实现了改良的蒸汽及底循环，因为在全温度下直接从涡轮膨胀器 330接收到HRSG 350的排气流。通过从燃气涡轮机380直接接收进入HRSG 350的排气流 312，如果排气流在离开再生器后被接收(例如图2中的流240)，通常不会经历温差。然而， 仍然应用并行再生器排气流311来加热再生器335中的压缩空气流315。另外，来自再生 器335的输出流313 (第三排气流)仍可被输入到HRSG 350中以便供应额外的热，从而在 HRSG 350中产生蒸汽。应当了解的是，通过将排气流310分成两个并行的排气流311、312， 及底循环从燃气涡轮机至顶循环接收更高的温度能。与直接从发生器接收的排气流相比， 来自排气流310的此较高温度的排气能使得能够提高热回收及底循环的效率，因为及底循 环工作流体峰值温度可以更高。如本文所述，可实施回收的排气流312、313以在HRSG 350 中产生蒸汽，从而给可操作地联接到HRSG350上的一系列蒸汽涡轮355、360、365 (例如)提 供动力。为了说明的目的，蒸汽涡轮可包括高压涡轮355、中压涡轮360和低压涡轮365。系 统300还可包括冷凝器370，以便使排气流凝结为用来在HRSG 350中再用的水。应当了解 的是，可实施许多另外的构造，以用于从排气流312、313的热回收。
在示例性实施例中，本文所述的系统和装置将来自再生式燃气涡轮机的排气的有 效热回收提供给燃烧空气和及底循环二者。在示例性实施例中，效率增加由减少的再生器 耗散(exergy destruction)(就是说，这种情况下，由于跨越有限温差将热从一个流传递到 另一个流引起的可用能量的损失)并通过升高的及底循环工作流体温度而引起。关于减少 的再生器耗散，通过将进入再生器335的高温排气流(例如，来自涡轮膨胀器330的排气流 311)分配成近似相等的燃烧气流，再生器中因传热差别而引起的耗散被降低。以这种方式， 可使穿过再生器的废气的温降大体上等于以逆流形式加热的压缩机排气的温升，使得对于 给定的热交换器负载，因传热引起的不可逆性被降低。此外，由于两个流以实质上固定的温 差传热，将不可逆性减至零的唯一约束是热交换器的成本。再生器损耗的此降低直接转化 为对及底循环更高的耗散可用性。关于升高的及底循环工作流体温度，使来自涡轮膨胀(例如，进入HRSG 350的蒸 汽312)的高温排气能的剩余部分(近似等于压缩机进气用于热气通道冷却的部分)可用 于及底循环，以允许得到升高的蒸汽温度，虽然在再生器中的燃烧气体加热之后所保留的 大部分排气能比从燃气涡轮膨胀器310排出的排气冷得多。这直接受益于使得对及底循环 可用的增加的排放耗散(由于如上所述减少的再生器耗散)，以及因降低的蒸汽排放湿度 及其相关的蒸汽涡轮机效率益处所引起的直接的涡轮机膨胀增强。在示例性实施例中，尽管涡轮膨胀器310后的排气流高于进入燃烧器315的气流 (由于需要从压缩机抽吸的冷却空气来冷却涡轮机热部件)，整个循环性能在没有冷却空 气抽吸的情况下仍然受益(通过保留一部分高温排气流来将及底循环工作流体加热到高 温)。同样，利用具有再生的未冷却的发动机，再生器较被加热的燃烧空气可被分配更少的 排气流，且使差额可用于热回收及底循环，以将其工作流体加热至峰值温度。即使在冷却的 发动机的情况下，再生器和及底循环高温热回收之间的排气流分流也可为再生提供比用来 降低再生器耗散将必需的流量少的流量。
图4图示了现有技术的蒸汽及底循环的第二定律效率特性作为可用热源温度的 函数的图表400。图5图示了对于示例性系统和传统系统的净设备效率相对于压缩机压缩 比的图表500。表1比较了使用相同发动机技术的四个可比较的燃气涡轮联合循环的性能 (例如，压缩机性能、涡轮性能、冷却效率和材料)。第一列示出了没有再生器(A)的传统空 气冷却燃气涡轮联合循环，第二列示出了如图2中所示的(传统的)再生式燃气涡轮联合 循环(B)。在两种情况下，基于传统及底循环技术，已经为增加的效率(图5上的点A和B) 选择了循环压力比。在示例性实施例中，再生循环的较低压缩比增加了可捕获至燃烧空气 的能量的量，这解释了为何再生循环较不具有再生的传统的空气冷却联合循环在较低的压 力比下达到了峰值效率。图6-9图示了动力循环比较表600，其示出了尽管该循环的再生 式燃气涡轮部分更有效(44. 6%对38. 4% )，但与传统的联合循环相比，及底循环效率较低 (66. 8%对 72. 6% )。表600中的第三列示出了对于图3中所示的系统300的循环的性能。应当了解的 是，与图2的系统200相比，燃气涡轮排气流(从而排气能)在再生器和及底循环热回收 (蒸汽过热和再热)之间的分配使得到及底循环蒸汽涡轮机的蒸汽温度不再受压缩机排气 温度的约束。该特征被以下事实促进燃气涡轮机热气体通道部件被从压缩机抽吸的空气 冷却，使得可用于燃烧的空气实质上少于离开燃气涡轮机并可用于再生和及底循环用途的 排气。在表1中所示的示例中，冷却空气等于压缩机进气的 15%，从而使燃烧空气小于 燃气涡轮机排气的85%。因而，燃烧空气可被完全加热，同时仍保留 15%的高温排气以 用于及底循环。由于燃气涡轮机燃烧温度增加，涡轮机冷却所需的空气增加了，且从而需要 再生地加热燃烧空气的排气流的部分减少了。根据图3的设备的此示例性布置使事例(C) 的效率增加了 0. 73%个点，多于再生式(燃气涡轮联合循环(GTCC)) (B)对基础非再生式 GTCC(A)的双倍收益。表1中的第四列(D)图示了可用于具有增加的蒸汽温度的示例性实 施例循环的附加性能，其进一步改善了循环效率。事例C和D也在图4和图5上示出，进一 步图示了效率增加。 在示例性实施例中，通过经由增加的再生器表面面积提供更强的效率改进而增加 循环效率权限。由于面积增加，再生器中的不可逆性在系统300中趋于零。相反，具有用于 涡轮机膨胀器冷却的压缩机抽吸的传统的再生式燃气涡轮机循环在再生器中即便具有无 限的表面面积也具有明显的非零非可逆性。在这些现有技术的再生式循环中，无限大的再 生器产生等于涡轮排气温度的排出空气温度，但是再生器排气温度仍然明显热于来自压缩 机排放的进入空气温度。图10图示了根据示例性实施例的分流再生式动力循环方法700的流程图。在块 710处，燃气涡轮机输送排气流。在块720处，排气流被分成第一排气流311和第二排气流 312。在示例性实施例中，第一排气流311引向再生器335以用于块730处的第一再生式动 力循环，而第二排气流312引向热回收蒸汽发生器350以用于块740处的热回收动力循环。 在块750处，发生器335产生第三排气流313。在块760处，HRSG 350将第三排气流313合 并至热回收动力循环中。如本文所述，第一排气流311将再生器(换热器)335中的热供应 给用于燃烧器325的压缩气流315。如本文进一步所述，第二气流312提供用于及底循环的 热，其产生并过热热回收蒸汽发生器350中的蒸汽。另外，第三排气流313给热回收蒸汽发 生器350进一步供热。
图11图示了其中可实施示例性实施例的再生式燃气涡轮联合循环系统800。在 示例性实施例中，燃料流805的部分替代可通过如下方式获得在进气821离开涡轮压缩机 820之后并进入用于燃气涡轮机880的涡轮膨胀器830的涡轮燃烧器825之前，将从排气流 810回收的能量传送至燃烧空气815。回收的排气能可被实施来在两个HRSG852、853中产 生蒸汽。在示例性实施例中，一个HRSG 852可给一系列的蒸汽涡轮例如855、860、865提供 动力。为了说明的目的，蒸汽涡轮可包括高压涡轮855、中压涡轮860和低压涡轮865。系 统800可进一步包括冷凝器870，以将排气流冷凝成用来在HRSG 852中重新使用的水。在 示例性实施例中，另一个HRSG 853可给一系列的蒸汽涡轮例如856、861、866提供动力。为 了说明的目的，蒸汽涡轮可包括高压涡轮856、中压涡轮861和低压涡轮866。系统800可 进一步包括冷凝器871，以将排气流冷凝成用来在HRSG 853中重新使用的水。图12图示了根据图11中的示例性系统800的分流再生式动力循环方法900的流 程图。在块910处，燃气涡轮机输送排气流。在块920处，排气流810被分成第一排气流811 和第二排气流812。在此备选实施例中，第一排气流811被引向再生器835以用于块930处 的第一再生式动力循环，而第二排气流812被引向HRSG 852以用于块940处的热回收动力 循环。在块950处，发生器835产生引向HRSG 853的第三排气流813以用于块970处的第 二热回收动力循环。如本文进一步所述，第一排气流811将再生器(换热器)835中的热供 应给用于燃烧器825的燃烧空气815。如本文进一步所述，第二气流812提供用于及底循环 的热，其产生并过热第一热回收蒸汽发生器852中的蒸汽。另外，第三排气流813提供用于 及底循环的热，其产生并过热第二热回收蒸汽发生器853中的蒸汽。
图13图示了其中可实施示例性实施例的再生式燃气涡轮联合循环系统1000。 在示例性实施例中，燃料流1005的部分替代可通过如下方式获得在进气1021离开涡轮 压缩机1020之后并进入用于燃气涡轮机1080的涡轮膨胀器1030的涡轮燃烧器1025之 前，将从排气流1010回收的能量传送至燃烧空气1015。恢复的排气能可被实施以在两个 HRSG 1052、1053中产生蒸汽。在示例性实施例中，HRSG1052、1053可给一系列的蒸汽涡轮 例如1055、1060、1065提供动力。为了说明的目的，蒸汽涡轮可包括高压涡轮1055、中压 涡轮1060和低压涡轮1065。系统1000还可包括冷凝器1070，以将排气流冷凝成用来在 HRSG1052U053中重新使用的水。图14图示了根据图13的示例性系统1000的分流再生式动力循环方法1100的流 程图。在块1110处，燃气涡轮机输送排气流。在块1120处，排气流1010被分成第一排气 流1011和第二排气流1012。在此备选实施例中，第一排气流1011被引向再生器1035以 用于块1130处的第一再生式动力循环，第二排气流1012被引向HRSG 1052以用于块1140 处的热回收动力循环。在块1150处，发生器1035产生在块1170处被引向HRSG 1053的第 三排气流1013。在块1160处，来自块1140和1170的热回收工作流体在块1160处被引入 公共动力循环。如本文所述，第一排气流1011将再生器(换热器)1035中的热供应给用于 燃烧器1025的燃烧空气1015。如本文进一步所述，第二气流1012给热回收系统循环提供 热，其产生并过热热回收系统1052中的蒸汽。另外，第三排气流1013提供用于热回收系统 循环的热，其产生并过热热回收系统1053中的蒸汽。尽管本文所描述的示例性实施例包括来自燃气涡轮机的排气流(其按比例分配 至两个热交换器(用来加热燃烧空气的再生器和用来再热和/或过热及底循环蒸汽的单独的HRSG))，应当容易理解，传热表面也可容纳在单一热交换器罩中，且内部气流分配(即， 平行的传热表面)和/或使连续的再生器和及底循环传热段交错。
尽管已结合有限数目的实施例详细地描述了本发明，但容易理解的是，本发明不 限于此类公开的实施 例。相反，本发明可修改以结合迄今尚未描述但与本发明的精神和范 围相称的许多变型、修改、替换或等效装置。另外，尽管已经描述了本发明的不同实施例，但 应当理解的是，本发明的不同方面可仅包括其中一些所描述的实施例。因此，本发明不应被 视为由前面的描述所限定，而是仅由所附权利要求的范围所限定。
权利要求
一种再生式动力循环系统(100，200，300，800，1000)，包括构造成输送具有第一排气流(311，811，1011)和第二排气流(312，812，1012)的分流排气流(110，210，310，810，1010)的燃气涡轮机(180，280，380，880，1080)；可操作地联接到所述燃气涡轮机(180，280，380，880，1080)上并构造成接收所述第一排气流(311，811，1011)的再生器(135，235，335，8351035)；以及可操作地联接到所述燃气涡轮机(180，280，380，880，1080)上并构造成接收所述第二排气流(312，812，1012)的热回收蒸汽发生器(250，350，850，1050)。
2.如权利要求1中所述的系统(100，200，300，800，1000)，其特征在于，所述系统(100， 200，30 0，800，1000)还包括可操作地联接到所述再生器(135，235，335，835，1035)上的空 气压缩机(120，220，320，820，1020)。
3.如权利要求2中所述的系统(100，200，300,800,1000)，其特征在于，所述系统(100， 200，300，800，1000)还包括燃烧器(125，225，325，825，1025)，所述燃烧器(125，225，325， 825，1025)可操作地联接到所述再生器(135，235，335，835，1035)上，并构造成接收来自所 述再生器(135,235,335,835,1035)的燃烧空气(115，215，315，815，1015)。
4.如权利要求3中所述的系统(100，200，300，800，1000)，其特征在于，所述燃烧空 气(115,215,315,815,1015)被所述第一排气流(311，811，1011)在所述再生器(135,235, 335,835,1035)中加热。
5.如权利要求4中所述的系统(100，200，300，800，1000)，其特征在于，所述燃烧器 (125，225，325，825，1025)还构造成接收燃料流(105，205，305，805，1005)。
6.如权利要求1中所述的系统(100，200，300，800，1000)，其特征在于，所述再生器 (135，235，335，835，1035)构造成产生第三排气流(813，1013)。
7.如权利要求6中所述的系统(100，200，300，800，1000)，其特征在于，所述第三排气 流(813，1013)经由到及底循环的热回收将热提供给另外的涡轮(855，856，860，861，865， 866，1055，1060，1065)。
8.如权利要求1中所述的系统(100，200，300，800，1000)，其特征在于，所述第二排 气流(312，812，1012)经由到及底循环的热回收将额外的热提供给另外的涡轮(855，856， 860,861,865,866,1055，1060，1065)。
9.如权利要求6中所述的系统(100，200，300，800，1000)，其特征在于，所述另外的涡 轮(855,856,860,861,865,866,1055,1060,1065)为蒸汽涡轮。
10.如权利要求1中所述的系统(100，200，300，800，1000)，其特征在于，所述第二排气 流(312，812，1012)将热提供给所述系统(100，200，300，800，1000)的 及底循环。
全文摘要
本发明涉及分流再生式动力循环，具体而言，提供了分流再生式动力循环系统。该系统可包括构造成产生具有第一排气流和第二排气流的分流排气流的燃气涡轮机；可操作地联接到燃气涡轮机上并构造成接收第一排气流的再生器；以及可操作地联接到燃气涡轮机上并构造成接收第二排气流的热回收蒸汽发生器。该系统可包括从燃气涡轮机产生燃气涡轮机排气流；将排气流分成第一排气流和第二排气流；将第一排气流从燃气涡轮机引向第一再生式动力循环；以及将第二排气流从燃气涡轮机引向第二热回收动力循环。
文档编号F02C6/18GK101845995SQ20101015961
公开日2010年9月29日 申请日期2010年3月25日 优先权日2009年3月25日
发明者R·W·史密斯 申请人:通用电气公司