专利名称：联合循环涡轮机械中的燃料加热的制作方法
技术领域：
本发明涉及联合循环涡轮机械，并且更特别地，涉及通过加热进入级(stages)中 的燃气涡轮机燃料管线中的燃料以改善联合循环效率。
背景技术：
联合循环涡轮机械利用燃气涡轮机(GT)作为原动机来生成动力。这些GT发动机 基于布雷顿(Brayton)循环热动力学原理工作并且典型地具有高废气流量和较高废气温 度。当被引导到热回收锅炉(典型地被称为热回收蒸汽发生器(HRSG))中时，这些废气产 生可以用于生成更多动力的蒸汽。所产生的蒸汽可以被引导到蒸汽涡轮机(ST)以产生额 外动力。以该方式，GT经由布雷顿循环而做功，并且ST经由兰金(Rankine)循环产生动力。 因此，获得名称“联合循环”。
典型地在联合循环涡轮机械中加热燃料气体以增加热效率。在一种早先方法中， 参考图1，从热回收蒸汽发生器(HRSG) 16的IP节约器(economizer) 34的出口提取的热水 (即，进入IP蒸发器的水)用于燃料加热器44中的燃料气体加热。在该方法中，最大燃料 气体加热温度受到提取水的温度的限制，典型地其低于IP蒸发器的饱和温度。该方法限制 了燃料气体加热，因此限制了使用IP水的联合循环涡轮机械的效率。
尽管更高的燃料气体加热温度改善了涡轮机械的热效率，但是IP蒸发器的更高 操作压力对蒸汽循环动力输出和机械的热效率具有不利影响。所以，IP蒸发器典型地在联 合循环涡轮机械中的最佳压力下操作，因此限制燃料气体加热温度和机械的效率。
为了增加可用于燃料气体加热的水的温度，可以使用来自IP蒸发器的上游的高 压(HP)节约器的水。然而，使用高压水明显地增加了燃料气体加热的成本，同时在故障的 情况下具有可靠性问题。在一种已知的设计中，可用的IP水温度具有达到365° F的有限 燃料气体加热。因此，需要改善联合循环涡轮机械的热循环效率以克服现有系统面临的问 题。发明内容
在示例性实施例中，一种改善联合循环涡轮机械的效率的方法包括以下步骤(a) 提供用于将燃料输入燃气涡轮机中的燃料管线；(b)使用从HRSG的中压节约器输入至第一 燃料加热器的入口的水加热第一燃料加热器中的燃料；(c)使用从HRSG的高压节约器输入 的水加热在第一燃料加热器的下游的第二燃料加热器中的燃料；以及(d)将从第二燃料加 热器输出的水引导到HRSG的中压部段或第一燃料加热器的入口中的一个。
在另一个示例性实施例中，一种改善联合循环涡轮机械的效率的方法包括以下步 骤(a)提供用于将燃料输入燃气涡轮机中的燃料管线；以及(b)以两级方式加热燃料，⑴ 在第二级中使用来自热回收蒸汽发生器(HRSG)的HP节约器的热水并且(ii)在第一级中 使用来自HRSG的IP节约器的热水和来自第二级的水输出流。
在又一个示例性实施例中，一种在联合循环涡轮机械中使用的燃料加热回路。涡轮机械包括燃气涡轮机、接收燃气涡轮机废气并且生成蒸汽的热回收蒸汽发生器(HRSG)、 以及接收来自HRSG的蒸汽的蒸汽涡轮机。燃料加热回路包括将燃料供应到燃气涡轮机的燃料管线、在燃料管线上经由加热器入口接收从HRSG的中压节约器输出的热水的第一加热器、以及在第一加热器的下游位于燃料管线上接收从HRSG的高压节约器输出的热水的第二加热器。出自第二加热器的输出管线将从第二加热器输出的水输送到HRSG的中压部段或第一燃料加热器的加热器入口中的一个。
图1显示了用于联合循环涡轮机械中的燃料气体加热的现有技术的布置；
图2是显示具有改进的燃料加热回路的联合循环涡轮机械的示意图3是显示具有改进的燃料加热回路的联合循环涡轮机械的示意图，该燃料加热回路具有预热器和多个水喷射。
附图标记列表
10压缩器44第一燃料加热器或
12燃烧器IP燃料加热器
14涡轮机46HP燃料加热器
15管路48IP 鼓
16热回收蒸汽发生器52燃料预热器
24、26、30HP、IP、LP54IP给送泵
蒸发器部段56喷管或预热器喷射
32、34、36HP、IP、LP器
节约器部段57管线
31出口管道或排气管581P喷射器
42燃料管线具体实施方式
图2示出了三压联合循环润轮机械(three-pressure combinedcycle)的示意性流程图。该机械包括压缩器10、燃烧器12和涡轮机14，通过膨胀在燃烧器12中产生的热气体为该涡轮机提供动力以用于驱动发电机G。来自燃气涡轮机14的废气通过管路15供应到用于从废气回收废热的热回收蒸汽发生器(HRSG) 16。HRSG包括高压(HP)、中压(IP) 和低压(LP)部段。HP、IP、LP部段的每一个包括相应的蒸发器部段24、26、30，以及相应的节约器部段32、34、36，所述节约器部段在相应的蒸发器部段中将水转化为蒸汽之前用于预热水。水被给送到HRSG 16以生成蒸汽。从供应到HRSG16的废气回收的热被传递至HRSG 16中的水/蒸汽以用于产生蒸汽，所述蒸汽被供应到用于驱动发电机的蒸汽涡轮机ST。来自HRSG 16的冷却气体经由出口管道或排气管(exit stack) 31排出到大气中。
继续参考图2，燃料管线42为燃气涡轮机14运载燃料。在不加热的情况下，燃料典型地处于大约80° F的温度。第一燃料加热器或IP燃料加热器44设置成与燃料管线 42为热交换关系，并且用水流加热燃料，所述水流是来自IP节约器34的流与来自HP燃料加热器46的出口水流混合的组合。来自IP节约器34的输出典型地为大约450° F，当与来自HP燃料加热器的430° F出口水流组合时产生大约435° F的去往IP燃料加热器的 入口水流并且它自身可以将燃料加热到大约400° F的温度。
为了增加燃料温度，在第一加热器44的下游的燃料管线42上的第二燃料加热器 或HP燃料加热器46中进一步加热燃料。第二燃料加热器46利用来自HP节约器32的流， 所述排出流典型地为大约650° F。在大约430° F的温度下的来自HP燃料加热器46的排 出水然后可以与进入IP燃料加热器44的引入流混合。备选地，如图2中所示，排出水可以 返回到IP鼓(drum) 48。通过混合HP燃料加热器排出水和进入IP燃料加热器44的引入 流，将需要来自IP节约器34的更少水流，这产生更好的效率。来自IP燃料加热器44的燃 料可以达到400° F的温度，并且离开HP燃料加热器46的燃料在输入至燃气涡轮机14之 前可以达到600° F的温度。
使用HP节约器流将使效率增加，但是以联合循环输出为代价。在示例性实施例 中，可以使用LP水喷射和燃料预加热以替代该输出并且实现附加效率。
参考图3，燃料预热器52可以定位在IP燃料加热器44的上游。燃料预热器52与 燃料管线成热交换关系，并且使用具有来自IP给送泵54的排出的管和壳热交换器，以将燃 料加热到大约270° F。随后，喷管56的部段具有来自IP给送泵排出(或在需要更高压力 以完全雾化水喷射的情况下来自HP给送泵排出)的水，水被喷射/与预热器喷射器56中 的燃料混合。如果需要更高温度的水完全雾化水喷射，也可以从IP或HP节约器出口供应 水。水喷射的量被调节从而达到燃料的湿度饱和。
使用附加的LP给送水，水喷射之后的燃料温度可以达到300° F，并且在一些情况 下，水可以再次被喷射57。每个连续水喷射使燃料湿度更接近大约10%体积的水。然而随 着每个连续加热/水喷射循环，燃料湿度的增加变的更小。在优选构造中，可以使用水喷射 的三个循环，但是可以计算成本效益以确定合理循环的数量。在预加热/水喷射过程之后， 燃料被引导到IP燃料加热器44。
在IP燃料加热器中加热燃料之后，喷管56的部段具有来自IP给送泵排出(或在 需要更高压力以完全雾化水喷射的情况下来自HP给送泵排出)的水，水被喷射/与IP喷 射器58中的燃料混合。水喷射的量被调节从而达到燃料的湿度饱和。
饱和燃料然后在HP燃料加热器中被过度加热，赋予下游的阀和设备的足够安全 性以防止由燃料产生的水滴而造成损坏。
该系统用于改善联合循环效率。在至少一个联合循环涡轮机械中，效率增加O.2%，输出增加5-8MW。
尽管已结合当前被认为是最可行和优选的实施例描述了本发明，但是应当理解本 发明不限于所公开的实施例，而是相反地，旨在涵盖包括在附带权利要求的精神和范围内 的各种修改和等效布置。
权利要求
1.一种改善联合循环涡轮机械的效率的方法，所述涡轮机械包括燃气涡轮机、接收燃气涡轮机废气并且生成蒸汽的热回收蒸汽发生器(HRSG)、以及接收来自所述HRSG的蒸汽的蒸汽涡轮机，所述方法包括 (a)提供用于将燃料输入所述燃气涡轮机中的燃料管线； (b)使用从所述HRSG的中压节约器输入至第一燃料加热器的入口的水加热所述第一燃料加热器中的燃料； (c)使用从所述HRSG的高压节约器输入的水加热在所述第一燃料加热器的下游的第二燃料加热器中的燃料；以及 (d)将从所述第二燃料加热器输出的水引导到所述HRSG的中压部段或所述第一燃料加热器的入口中的一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将从所述第二燃料加热器输出的水引导到所述第一燃料加热器的入口以实施步骤(d)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤(b)之前，用从给送泵供应的水预加热燃料并且然后将来自所述给送泵的水喷射到燃料中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，从中压给送泵排出或高压给送泵排出之一供应用于所述给送泵的水。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过经由喷管将水喷洒到与燃料接触而实施将来自所述给送泵的水喷射到燃料中的步骤。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，实施将来自所述给送泵的水喷射到燃料中的步骤直到燃料达到湿度饱和。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，实施步骤(a)-(d)以将燃料的温度增加到500-600° F。
8.一种改善联合循环涡轮机械的效率的方法，所述方法包括 (a)提供用于将燃料输入燃气涡轮机中的燃料管线；以及 (b)以两级方式加热燃料，(i)在第二级中使用来自热回收蒸汽发生器(HRSG)的HP节约器的热水并且(ii)在第一级中使用来自所述HRSG的IP节约器的热水和来自所述第二级的水输出流。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤(b)之前，用从给送泵供应的水预加热燃料并且然后将来自所述给送泵的水喷射到燃料中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，从中压给送泵排出或高压给送泵排出之一供应用于所述给送泵的水。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过经由喷管将水喷洒到与燃料接触而实施将来自所述给送泵的水喷射到燃料中的步骤。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，实施将来自所述给送泵的水喷射到燃料中的步骤直到燃料达到湿度饱和。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，实施步骤(a)-(b)以将燃料的温度增加到 500-600。 F。
14.一种用于联合循环涡轮机械的燃料加热回路，所述涡轮机械包括燃气涡轮机、接收燃气涡轮机废气并且生成蒸汽的热回收蒸汽发生器(HRSG)、以及接收来自所述HRSG的蒸汽的蒸汽涡轮机，所述燃料加热回路包括 燃料管线，所述燃料管线将燃料供应到所述燃气涡轮机； 在所述燃料管线上的第一加热器，所述第一加热器经由加热器入口接收从所述HRSG的中压节约器输出的热水； 在所述第一加热器的下游位于所述燃料管线上的第二加热器，所述第二加热器接收从所述HRSG的高压节约器输出的热水；以及 出自所述第二加热器的输出管线，所述输出管线将从所述第二加热器输出的水输送到所述HRSG的中压部段或所述第一燃料加热器的加热器入口中的一个。
15.根据权利要求14所述的燃料加热回路，其特征在于，出自所述第二加热器的所述输出管线将从所述第二加热器输出的水输送到所述第一燃料加热器的加热器入口。
16.根据权利要求14所述的燃料加热回路，其特征在于，所述燃料加热回路还包括在所述第一加热器的上游的燃料预热器，所述燃料预热器用从给送泵供应的水预加热燃料并且然后将来自所述给送泵的水喷射到燃料中。
17.根据权利要求16所述的燃料加热回路，其特征在于，从中压给送泵排出或高压给送泵排出之一供应用于所述给送泵的水。
18.根据权利要求16所述的燃料加热回路，其特征在于，所述燃料加热回路包括喷管，所述喷管被定位成将来自所述给送泵的水喷洒到燃料中。
全文摘要
本发明公开改善联合循环涡轮机械效率的方法，所述方法可以通过以两级方式加热燃气涡轮机燃料管线中的燃料而改善联合循环效率，(i)在第二级中使用来自热回收蒸汽发生器(HRSG)的HP节约器的热水并且(ii)在第一级中使用来自HRSG的IP节约器的热水和来自第二级的水输出流。可以通过加入使用来自IP给送泵的热水的一个或多个燃料预热器并且将热水顺序地喷射到燃料中而进一步改善效率。
文档编号F02C7/224GK103016157SQ20121036064
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月21日 优先权日2011年9月23日
发明者J.E.肖勒斯, D.F.比迪伊, K.芒德拉 申请人:通用电气公司