使用热能储存的燃料气体加热系统的制作方法

使用热能储存的燃料气体加热系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种使用热能储存的燃料气体加热系统，所述热能储存包括从底层循环热力发动机提取的热能，所述热能储存用于对供应到在顶层循环热力发动机中运行的燃气涡轮发动机的燃料气体进行加热。此外，所述底层循环热力发动机的蒸汽发生源中产生的工作流体的提取部分可与所述热能储存一起用于对燃料气体加热。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型总体上涉及一种燃料气体加热系统，确切地说，涉及利用热能储存单 元加热供应到燃气涡轮发动机的燃料气体。 使用热能储存的燃料气体加热系统

【背景技术】
[0002] 运行期间，燃气涡轮发动机燃烧燃料气体和空气的混合物以产生高温燃烧气体， 所述高温燃烧气体驱动一级或多级涡轮机叶片旋转。所述旋转可以用于驱动诸如发电机等 负载。通常，当燃气涡轮发动机开始启动时，燃料气体和空气直接在燃气涡轮发动机的燃烧 室内混合。最终，随着负载产能提升，燃气涡轮发动机将以预混合产生模式运行，其中燃料 气体和空气在燃烧室的上游混合。在燃气涡轮发动机的初始启动期间内，有害物质排放，例 如单氮氧化物（N0 X)通常十分高，并且将在启动预混合模式之后显著改善。因此，燃气涡轮 发动机需要快速进入在预混合燃烧模式下运行的负载水平，以达到符合相关规章的N0 X排 放水平。燃气涡轮发动机越快进入所谓的"符合排放限制的"负载水平，有害物质的排放总 量就越少。
[0003] 燃气涡轮发动机的装载速率通常取决于燃烧室的稳定运行。燃烧室的稳定运行主 要受燃料气体温度的控制。具体来说，在启动期间，燃气涡轮发动机将在多个燃烧模式之间 循环，然后才启动预混合燃烧模式。这些燃烧模式包括预混合燃烧模式，每个燃烧模式需要 燃烧室入口处达到特定的最低燃料气体温度，然后才能进入到下一模式。
[0004] 燃气涡轮发动机的启动期间通常会使用燃料气体加热系统，以便更快速地满足在 低排放运行负载下运行所需的燃料气体温度要求。一个燃料气体加热系统的实例包括使用 燃气涡轮发动机所属发电厂中所用的其他部件内产生的热水来加热燃料气体。此类燃料气 体加热系统的使用受限于这些发电厂部件即时并有效产生热水的能力。例如，在发电厂在 长期关机之后的启动期间内，这些发电厂部件可能需要相当长的时间才能实际上提供满足 燃料气体加热所需温度的热水，从而达到所需的温度水平。在此实例中，在所述部件充分预 热以使热水温度能够提供充分燃料气体加热期间，所述燃气涡轮发动机只能处于部分负载 条件下的空转状态。其他燃料气体加热系统的实例包括使用诸如电热或辅助锅炉等辅助系 统来加热燃料气体。部署这些类型的燃料气体加热系统的成本通常十分高昂。 实用新型内容
[0005] 在本实用新型的一方面中，提供了一种系统。在本实用新型的此方面中，所述系统 包括燃气涡轮发动机和蒸汽发生源，所述蒸汽发生源配置成回收所述燃气涡轮机的排出能 量、并产生工作流体供应。所述系统进一步包括储热单元，所述储热单元具有：冷罐，所述冷 罐容纳处于冷态的储热工作介质；以及热罐，所述热罐容纳处于受热状态的储热工作介质。 燃料气体源配置成将燃料气体供应到所述燃气涡轮发动机。第一燃料气体加热器配置成加 热从所述燃料气体源供应的所述燃料气体。第二燃料气体加热器配置成辅助所述第一燃料 气体加热器加热从所述燃料气体源供应的所述燃料气体。具体来说，所述第一燃料气体加 热器和所述第二燃料气体加热器使用在所述蒸汽发生源中产生的工作流体的提取部分、以 及储存在所述储热单元的所述热罐中的所述储热工作介质来将所述燃料气体加热到预定 的燃料气体温度水平。

【专利附图】

【附图说明】
[0006] 图1是根据本实用新型第一实施例的发电厂的示意图，所述发电厂具有燃料气体 加热系统；
[0007] 图2是根据本实用新型第二实施例的发电厂的示意图，所述发电厂具有燃料气体 加热系统；
[0008] 图3是根据本实用新型第三实施例的发电厂的示意图，所述发电厂具有燃料气体 加热系统；以及
[0009] 图4是根据本实用新型第四实施例的发电厂的示意图，所述发电厂具有燃料气体 加热系统。

【具体实施方式】
[0010] 本实用新型的多个实施例涉及利用储热单元来加热燃料气体以用于发电厂中，例 如，具有联合循环发电厂，所述发电厂具有随顶层热力循环运行的顶层循环热力发动机以 及随底层热力循环运行的底层循环热力发动机。储热单元可以包括储热工作介质，所述储 热工作介质可以包括从所述底层循环热力发动机提取的热能。所述热能可以储存在介质 中，例如无机盐(例如，熔盐)、热油、加压水等。所述储热单元可以包括：冷罐，所述冷罐容纳 处于冷态的储热工作介质；以及热罐，所述热罐容纳处于受热状态的储热工作介质。除了利 用所述储热单元之外，本实用新型的多个实施例可以利用在诸如蒸汽发生源(例如，热回收 蒸汽发生（HRSG)单元)等底层循环热力发动机中产生的工作流体的提取部分来加热燃料气 体。
[0011] 本实用新型多个实施例的燃料气体加热系统可以进一步包括第一燃料气体加热 器，所述第一燃料气体加热器可以加热从燃料气体源供应到与所述顶层循环热力发动机相 关的燃气涡轮发动机的燃料气体。此外，第二燃料气体加热器可以用于辅助所述第一燃料 气体加热器加热从所述燃料气体源供应到所述燃气涡轮发动机的燃料气体。具体来说，所 述第二燃料气体加热器可以利用从储存在所述储热单元的所述热罐中的储热工作介质中 的热能，来促使通过所述第一燃料气体加热器和所述第二燃料气体加热器将所述燃料气体 加热到预定燃料气体温度。在本实用新型的多个实施例中，所述第一燃料气体加热器和第 二燃料气体加热器可以在使用在所述底层循环热力发动机中产生的工作流体的提取部分 的同时，结合使用所述储热工作介质以提供多种燃料气体加热配置，如下详述。
[0012] 相对于已用于加热燃料气体的已知方法而言，这些配置能够更快速地加热燃料气 体。通过更快速地加热燃料气体，燃气涡轮发动机将在启动序列中更早在预混合燃烧模式 下运行。这意味着，所述燃气涡轮发动机能够更快达到更高的"符合排放限制的"负载水平， 因为燃料气体和空气在燃烧室上游混合时的N0 X排放远远更少，而与之相对地，在启动期间 内直接在燃烧器中混合，其中N0X排放远远更高。因此，本实用新型的多个实施例在燃气涡 轮发动机的启动期间具有特定的效用。
[0013] 本实用新型的多个实施例使燃气涡轮发动机能够在启动序列中更早达到在预混 合燃烧模式下运行所必需的预定燃料气体要求，无论是"冷"启动还是"热"启动。这使得 发电厂操作员能够减少燃气涡轮发动机启动期间的排放，这通常为典型发电厂的整体减排 做出了显著贡献。这些技术效应说明了与本实用新型多个实施例相关的一些方面，并且并 不用于限制本实用新型。下文将更详细地描述与本实用新型实施例相关的这些技术效应和 其他效应。
[0014] 现在参见附图，图1是根据本实用新型第一实施例的发电厂100的示意图，所述发 电厂具有燃料气体加热系统102。图1所示的发电厂100是联合循环发电厂，所述联合循环 发电厂包括：随顶层热动力循环（topping thermodynamic cycle)运行的顶层循环热力发 动机104,所述顶层循环热力发动机配置成产生电能；以及随底层热动力循环运行的底层 循环热力发动机106,所述底层循环热力发动机配置成产生额外的电能。尽管以下说明与联 合循环发电厂相关，但是所属领域中的技术人员将认识到，本实用新型的多个实施例可以 适用于使用燃气涡轮发动机的任何类型的发电厂，例如，简单循环发电厂。
[0015] 如图1所示，顶层循环热力发动机104包括燃气涡轮发动机108,所述燃气涡轮发 动机包括压缩机部分（C) 103、燃烧室部分（CC) 105和燃气涡轮机部分（GT) 107。所属领域 中的技术人员将认识到，燃气涡轮发动机108仅为可用于联合循环发电厂的燃气涡轮发动 机配置的一个实例，并不限制本说明书中所述的本实用新型多个实施例。本说明书中所述 的顶层循环热力发动机104通常是指燃气涡轮发动机108,所述燃气涡轮发动机包括作为 主要部件的压缩机部分103、燃烧室部分105和燃气涡轮机部分107,但是，图1中未图示 的顶层循环热力发动机的其他部件可以包括气体燃料导轨和流量控制阀、可变致动入口导 叶、排气扩散器、具有冷却系统的压缩机入口外壳等。
[0016] 底层循环热力发动机106是指图1中与燃气涡轮发动机108不相关的所有部件， 但排除储热单元110、发电机152、燃料气体加热器112和冷启动燃料气体加热器114,这些 部件是燃料气体加热系统102的一部分。也就是说，底层循环热力发动机106可以包括： HRSG116及其所有部件，其中的一些部件将在下文详述；蒸汽涡轮发动机118 ;冷凝器120 ; 冷凝泵122 ;锅炉给水器泵124,所述锅炉给水器泵将水供应从低压蒸发器连接到HRSG116 的较高压部分；多个阀126,所述阀控制工作流体的流动；以及管系(例如，导管)，所述管系 向并且从HRSG116输送流体。此外，底层循环热力发动机106可以包括未特别图示的其他 部件，例如发电厂100与相关辅助设备的平衡。
[0017] 继续描述底层循环热力发动机106, HRSG116使用燃气涡轮发动机108的燃气涡轮 机部分107的排出能量来产生工作流体源，所述工作流体源通过管系和阀126供应到蒸汽 涡轮发动机118。具体来说，HRSG116提供蒸汽以驱动蒸汽涡轮发动机118的涡轮机部分。 HRSG116仅为可用于产生水/蒸汽的工作流体的蒸汽发生源的一个实例，所述工作流体将 在蒸汽涡轮发动机118中膨胀，并且所属领域中的技术人员将认识到，存在包括HRSG的其 他蒸汽发生源，所述蒸汽发生源在两个或更多个压力级下产生蒸汽，并且具有或不具有再 加热过热器部分。
[0018] 如图1所示。HRSG116是多压力部分HRSG，其包括高压部分128、中压部分130和 低压部分132。高压部分128包括高压（HP)蒸发器134、HP节约器136和HP过热器138。 中压部分130包括中压（IP)蒸发器142、IP节约器144和IP过热器146以及中压再加热 器140。低压部分132包括包括低压（LP)蒸发器148、LP节约器149和IP过热器150。所 属领域中的技术人员将认识到，这仅为可用于燃料加热系统102的HRSG的一个实例，并不 用于限制本说明书中所述的多个实施例的范围。具有多压力部分和多个热交换器的其他 HRSG配置也适用于本实用新型的多个实施例。此外，所属领域中的技术人员将认识到，HP 部分128、IP部分130和LP部分132中所示的过热器的数量可以多于或少于图1所示的过 热器。类似地，IP部分130所具有的再加热器140可以多于或少于图1所示的过热器。此 夕卜，所属领域中的技术人员将认识到，为便于清楚说明，图1中示出的HRSG116具有说明本 实用新型多个实施例的部件，但是还存在除图1所示部件以外的其他部件。
[0019] 在图1中，蒸汽涡轮发动机118包括HP涡轮机部分119、LP涡轮机部分121和IP 涡轮机部分123,所述IP涡轮机部分位于所述HP涡轮机部分与所述LP涡轮机部分之间。 公共轴125连接HP涡轮机部分119、LP涡轮机部分121和IP涡轮机部分123以驱动发电 机152,所述发电机也连接到所述轴。尽管HP涡轮机部分119、LP涡轮机部分121和IP涡 轮机部分123在图1中图示为彼此连接并且通过轴125连接到发电机152,但是所属领域中 的技术人员将认识到，可以使用其他连接和轴线布置。
[0020] 在一个实施例中，如图1中所示，LP涡轮机部分121可以包括两个LP涡轮机部分， 每个LP涡轮机部分具有蒸汽导管127,所述蒸汽导管将从LP涡轮机部分121排出的蒸汽 供应到冷凝器120,所述冷凝器可以冷凝从LP涡轮机部分排出的蒸汽、并且通过冷凝泵122 将冷凝物再循环回HRSG116。所属领域中的技术人员将认识到，LP涡轮机部分可以配置于 其他实施方案中，并不用于限制本说明书中所述的本实用新型多个实施例的范围。例如，LP 涡轮机部分可以包括单流LP部分、一个双流LP部分、两个或更多个双流LP部分、以及单流 和双流LP部分的任意组合。
[0021] 所属领域中的技术人员将认识到，图示为位于发电厂100中的蒸汽涡轮发动机 118仅为可以实施本实用新型多个实施例的蒸汽涡轮机配置的一个实例，并不用于限制本 实用新型。
[0022] 此外，所属领域中的技术人员将认识到，发电厂100中的顶层循环热力发动机104 和底层循环热力发电机106可以具有除图1所示部件以外的其他部件。例如，燃气涡轮发 动机108和蒸汽涡轮发动机118可以具有用于控制涡轮机运行(例如，速度和负载）的控制 器。除了控制涡轮发动机的速度和负载之外，控制器可以执行其他功能。例如，蒸汽涡轮发 动机118的控制器可以通过蒸汽阀126调整来自HP涡轮机部分119、IP涡轮机部分123和 LP涡轮机部分121的蒸汽供应。
[0023] 顶层循环热力发动机104和底层循环热力发动机106可以下列方式运行。排气从 燃气涡轮机部分107通过排气导管154供应到HRSG116。此外，工作流体从LP蒸发器148 通过用于预热的锅炉给水泵124供应到IP节约器144和HP节约器136中。尽管图示了两 个锅炉给水泵124来将工作流体从锅炉供应到IP节约器144和HP节约器136中，但是所 属领域中的技术人员应了解，可以使用执行相同功能的其他配置。例如，所述两个锅炉给水 泵可以并入一个给水泵中，所述给水泵中包括两个抽取点，每个抽取点将工作流体供应到 IP节约器144和HP节约器136中的一个。
[0024] IP节约器144和HP节约器136在相应的压力设置下预热工作流体之后，流体分别 供应到IP蒸发器142和HP蒸发器134,并在视为高压(例如，从约1500PSI至约2400PSI) 和中压(例如，从约300PSI至约550PSI)的压力下蒸发或气化成蒸汽。在HP过热器138中 将来自HP蒸发器134的工作流体加热到显著较高的温度。HP过热器138在高压下将蒸汽 供应到蒸汽涡轮发动机118的HP部分119。来自蒸汽涡轮发动机118的HP部分119的排 气与IP过热器146中产生的蒸汽合并。此混合物通过再加热器140再加热到较高的温度。 再加热器140随后将此蒸汽供应到蒸汽涡轮发动机118的IP部分123以进行膨胀。来自蒸 汽涡轮发动机118的IP部分123的排气与从LP再加热器150提供的蒸汽合并，并且供应到 蒸汽涡轮发动机的LP部分121以膨胀。冷凝器120冷凝从蒸汽涡轮发动机118的LP部分 121产生的膨胀工作流体以产生液体(冷凝物)，所述冷凝物通过冷凝泵122供应回HRSG116 中。具体来说，冷凝泵122将冷凝物供应到LP节约器149,所述LP节约器在低压(例如，从 约60PSI到约100PSI)下预热所述冷凝物，并且将其提供到LP蒸发器148。HRSG116产生 的副产物可以通过烟囱释放到大气中。
[0025] 通过这种方式，燃气涡轮发动机104和蒸汽涡轮发动机118可以驱动发电机152。 发电机152可以产生电力并且产生用于输送到供电网的电力。尽管图1示出了燃气涡轮发 动机104和蒸汽涡轮发动机118,所述燃气涡轮发动机和蒸汽涡轮发动机位于单个公共轴 上、并且将动力输送到与此轴相连的单个发电机，所属领域中的技术人员将认识到，其他连 接和轴线布置也在本实用新型多个实施例的范围内。例如，可以使用多轴构造，其中燃气涡 轮发动机和蒸汽涡轮发动机位于单独的轴上，每个轴驱动自己的发电机。此外，多轴工厂构 造也在本实用新型多个实施例的范围内。例如，可以使用两个燃气涡轮发动机为一个蒸汽 涡轮发动机产生蒸汽。其他非排他性实例可以包括用于为一个蒸汽涡轮发动机产生蒸汽的 三个燃气涡轮发动机、用于为两个蒸汽涡轮发动机产生蒸汽的三个燃气涡轮发动机等。
[0026] 本实用新型的多个实施例涉及一种燃料气体加热系统，所述燃料气体加热系统使 用储热单元以及在底层循环热力发动机中产生的工作流体的提取部分来加热燃料气体以 供发电厂使用。在图1中，燃料气体加热系统102包括储热单元110,所述储热单元储存有 储热工作介质，所述储热工作介质与从底层循环热力发动机中提取的工作流体部分一起用 于加热燃料气体，所述燃料气体供应到燃烧室105的入口。储热单元110可以包括：冷罐 156,所述冷罐容纳处于冷态的储热工作介质；以及绝缘热罐158,所述热罐容纳处于受热 状态的储热工作介质。在一个实施例中，热能储存单元110在冷罐156和热罐158中使用 的储热工作介质可以包括多个储热介质中的任一个，所述储热介质能够在任意所需的工作 循环中吸收、保留和释放热能。此外，储热工作介质应具有高熔化热、宽运行温度范围以及 相对惰性。如图所示，但并非排他性地，热能储存单元110所用的储热工作介质可以包括诸 如熔盐等无机盐热油、加压水等。所属领域中的技术人员将认识到，其他化学无机化合物可 用作储热工作介质。例如，诸如氢氧化钠等碱金属氢氧化物是可用作储热工作介质的无机 化合物类型。
[0027] 燃料气体加热系统102进一步包括储能料热交换器160 (储能料hx)，所述储能料 热交换器促使HRSG116中产生的工作流体与储热单元110的冷罐156中的储热工作介质之 间进行热能交换，并且将处于受热状态的储热工作介质中排放到储热单元的热罐158中。 在一个实施例中，储能热负荷热交换器160位于HRSG116中。所属领域中的技术人员将认 识到，储能料热交换器160可以位于HRSG116内，并且仍然用作热交换器，促使HRSG的工作 流体与储热工作介质之间的热交换。
[0028] 通常，储能料热交换器160在发电厂100的常规运行期间(例如，处于基本负载下） 促使HRSG116产生的工作流体与冷罐156中的储热工作介质之间进行热能交换。通过这种 方式，储能料热交换器160可以将处于受热状态的储热工作介质排放到热罐158中。燃料 气体加热系统102随后可以在启动期间，例如冷启动，即发电厂在致使关键HRSG和蒸汽涡 轮机硬件已从基本负载运行温度热衰减并达到环境温度的足够长时间之后重新启动期间， 使用受热的储热工作介质来加热提供到燃气涡轮发动机104的燃烧室105的燃料气体。尽 管"冷启动"温度的严格规定不同，但是冷启动通常定义为在进入蒸汽涡轮机加速阶段之前 蒸汽涡轮机高压部分的金属温度低于200° F到400° F(93°C到204°C)。在冷启动期间， 燃气涡轮发动机通常联机并转到全速、〇%负荷，然后转到全速、100%负载。尽管以下说明涉 及一种燃气涡轮发动机启动，但是所属领域中的技术人员将认识到，本实用新型的实施例 还适用于热启动，或者其他类型的启动，所述启动受限于在执行多个燃烧模式序列之前所 要达到的燃料气体温度的需求。对于热启动，尽管"热启动"温度的严格规定不同，但是此 范围通常包括在进入蒸汽涡轮机加速阶段之前的蒸汽涡轮机高压部分金属温度，即，高于 200。F 到 400。F(93°C到 204°C)但低于 600。F 到 800。F(316°C到 427°C)。
[0029] 继续描述燃料气体加热系统102,燃料气体加热器112配置成加热从燃料气体源 (如图1所示)供应到燃气涡轮发动机104的燃烧室105的燃料气体。如图1所示，从HRSG116 提取的工作流体部分供应到燃料气体加热器112。在一个实施例中，工作流体可以是从IP 节约器144提取的热水。燃料气体加热器112可以是热交换器，其可以使用所述热水加热 燃料气体，以提高燃料源所提供的温度水平。尽管图1示出了使用从IP节约器144提取的 热水来加热燃料气体，但是所述热水也可以提取自HP节约器136、LP节约器149或者部署 在HRSG116中的任何多压力节约器的组合。此外，工作流体可以提取自冷凝器120,并且可 供燃料气体加热器112用于加热燃料气体。通常情况下，对在HRSG116中用于提取工作流 体的节约器或者底层循环热力发动机106内的其他部件的选择将取决于在燃料气体加热 期间所需达到的燃料气体的温度。例如，如果需要使燃料气体在燃料气体加热器112的出 口处达到约400华氏度（F) (204摄氏度（C))的温度，则IP节约器144产生的热水，其中所 述热水相对于IP部分130的压力可以具有约430° F (22ΓΟ的温度，应通过燃料气体加 热器112将燃料气体充分加热到约400° F (204°C)。
[0030] 冷启动燃料气体加热器114配置成辅助燃料气体加热器112加热从所述燃料气体 源供应的所述燃料气体。在图1所示的实施例中，冷启动燃料气体加热器114进一步加热 从燃料气体加热器112产生的燃料气体。具体来说，冷启动燃料气体加热器114可以使用 储存在储热单元110的热罐158中的储热工作介质的热能来进一步促使燃料气体加热。通 过从热罐158接纳储热工作介质，冷启动燃料气体加热器114可以促使储热工作介质与从 燃料气体加热器112产生的燃料气体之间进行热能交换。冷启动燃料气体加热器114执行 的加热进一步将燃料气体的温度升高到预定的燃料气体温度水平，所述温度水平高于燃料 气体加热器112的出口处的燃料气体温度。冷启动燃料气体加热器114随后可以将受热燃 料气体提供到燃气涡轮发动机104的燃烧室105。
[0031] 通过这种方式，燃料加热气体系统102可以在燃气涡轮发动机104的启动序列中 实现燃料气体的快速加热。以此方式实现的燃料气体快速加热能够在依赖充分加热HRSG 工作流体的传统方法之前达到加热燃料气体所需的典型所需温度。这使燃气涡轮发动机 104能够在启动序列中更早进入预混合燃烧模式下运行。因此，燃气涡轮发动机104可以更 快速地达到更高的"符合排放限制的"负载水平，因为当燃料气体和空气在预混合燃烧模式 下在燃烧室105的上游混合时，NO x排放显著较少。
[0032] 冷启动燃料气体加热器114用于加热燃料气体的储热工作介质随后可以输送到 储热单元110的冷罐156。冷罐156随后看可以将处于冷态的储热工作介质输送到储能料 热交换器160,以将工作流体装载HRSG116中。如上所述，这将促使从HRSG116供应的工作 流体与储热工作介质之间进行直接热能交换。在此装料运行模式期间发生的传热的结果是 储热工作介质的温度升高，从而产生受热的储热工作介质。受热的储热工作介质随后可以 储存在热罐158中，并且在下一启动序列期间排出。请注意，在这些装料和排放运行模式期 间，HRSG116及其多个部件可以并行或同时地将工作流体供应到蒸汽涡轮发动机118,而储 能料热交换器160促使工作流体与储热工作介质之间进行直接热交换。此外，所属领域中 的技术人员将认识到，储热工作介质的装料和排放可以在与图1以及图2到4中所示的不 同位置中发生。
[0033] 在发电厂100已完成燃气涡轮发动机104的启动序列的情况下，储热单元110可 以处于关闭模式，而从燃气涡轮机排出的所有能量均施加到从HRSG116输送到蒸汽涡轮发 动机118的加热工作流体(例如，水/蒸汽）中，以进行膨胀做功。在储热单元关闭模式中， HRSG116配置成直接将所有工作流体输送到蒸汽涡轮发动机118,而不通过储能料热交换 器160与储热单元110中的储热工作介质进行任何热交换。
[0034] 图2是根据本实用新型第二实施例的发电厂200的示意图，所述发电厂具有燃料 气体加热系统202。在图2所示的实施例中，燃料气体加热器112与冷启动燃料气体加热 器114并置，以使冷启动燃料加热器的功能从"最终"气体加热器变为用于加热从HRSG116 提取的工作流体部分的热交换器，而燃料气体加热器112用作最终气体加热器。在图2 中，冷启动燃料气体加热器114可以使用储热单元110的热罐158中的储热工作介质将从 HRSG116提取的工作流体部分加热到更高温度。在一个实施例中，施加到冷启动燃料气体 加热器114的工作流体可以是从IP节约器144提取的热水。尽管图2示出了通过冷启动 燃料气体加热器114促使热罐158中的储热工作介质与从IP节约器144中提取的热水之 间传热，但是冷启动燃料加热器可以使用储热介质来加热提取自以下项的热水：HP节约器 136、LP节约器149或者部署在HRSG116中的任何多压力节约器的组合。此外，冷启动燃料 加热器114可以使用储热介质来加热从冷凝器120提取的工作流体。
[0035] 冷启动燃料气体加热器114用于加热从HRSG116提取的工作流体部分的储热工作 介质随后可以输送到储热单元110的冷罐156。冷罐156随后可以将处于冷态的储热工作 介质输送到储能料热交换器160,以随后将工作流体装载HRSG116中，例如在发电厂200的 基本负载运行期间。
[0036] 在燃料加热系统202中，燃料气体加热器112从冷启动燃料气体加热器114接纳 受热的所提取工作流体部分，并且促使与从燃料气体源供应的燃料气体之间进行热能交 换。通过这种方式，燃料气体加热器112可以使用从HRSG116提取的工作流体加热燃料气 体，所提取的工作流体已经过冷启动燃料气体加热器114的加热。燃料气体加热器112执 行的这种加热可将燃料气体的温度升高到预定燃料气体温度水平，所述预定燃料气体温度 水平是燃烧室105在燃气涡轮发动机104的启动序列期间经历的特定燃烧模式所需的。在 达到预定燃料气体温度水平之后，燃料气体加热器112随后可以将受热的燃料气体提供到 燃烧室105。
[0037] 所属领域中的技术人员将认识到，在图2所示的实施例中，储热单元110的热罐 158中的储热工作介质的温度应远高于燃烧室105进展到下一燃烧模式所需的预定温度 水平。这是必要的，因为冷启动燃料气体加热器114加热从HRSG116提取的工作流体，气 体燃料加热器112使用所述工作流体加热供应到燃烧室105的燃料气体。在某些情况下， HRSG116在启动期间的温度可能过低，因为无法产生足够温度的工作流体来便于有效地将 燃料气体加热到所需温度。将热罐158中的储热工作介质维持在足够高的温度可以避免出 现这些问题。例如，如果需要在400° F (204°C)下将燃料气体供应到燃烧室105的入口， 则从HRSG116提取的用于加热燃料气体的工作流体应假定具有约430° F (221°C )的温度。 在约460° F(238°C)到约480° F(249°C)的温度范围内将诸如无机盐等储热工作介质 储存在热罐158中，能够确保所提取的工作流体达到约430° F (221°C )的温度。这使燃料 气体加热器112能够将燃料气体加热到燃烧室105所需的预定燃料气体温度。
[0038] 图3是根据本实用新型第三实施例的发电厂300的示意图，所述发电厂具有燃料 气体加热系统302。在图3所示的实施例中，燃料气体加热器112和冷启动燃料气体加热 器114处于与图2中相同的位置中。但在此实施例中，已省去储能料热交换器160。在图3 中，冷启动燃料气体加热器114可以使用储热单元110的热罐158中的储热工作介质将从 HRSG116提取的工作流体部分加热到更高温度。在一个实施例中，施加到冷启动燃料气体 加热器114的工作流体可以是从IP节约器144提取的热水。尽管图3示出了通过冷启动 燃料气体加热器114促使热罐158中的储热工作介质与从IP节约器144中提取的热水之 间传热，但是冷启动燃料加热器可以使用储热介质来加热提取自以下项的热水：HP节约器 136、LP节约器149或者部署在HRSG116中的任何多压力节约器的组合。此外，冷启动燃料 加热器114可以使用储热介质来加热从冷凝器120提取的工作流体。
[0039] 冷启动燃料气体加热器114用于加热从HRSG116提取的工作流体部分的储热工作 介质随后可以输送到储热单元110的冷罐156。在基本负载运行条件下，冷罐156随后可以 将处于冷态的储热工作介质供应回到冷启动燃料气体加热器114,以随后装载从HRSG116 提取的工作流体。在装载储热工作介质之后，冷启动燃料气体加热器114随后可以将受热 的储热工作介质置于热罐158中。储热单元110随后可以将处于受热状态的储热工作介质 从热罐158排放到冷启动燃料气体加热器114中，以便在燃烧室105需要限定温度的下一 启动序列中加热来自HRSG116的工作流体。
[0040] 如图2所示，燃料加热系统302将燃料气体加热器112配置成从冷启动燃料气体 加热器114接纳受热的所提取工作流体部分，并且促使与从燃料气体源供应的燃料气体之 间进行热能交换。通过这种方式，燃料气体加热器112可以使用从HRSG116提取的工作流 体加热燃料气体，所提取的工作流体已经过冷启动燃料气体加热器114的加热。燃料气体 加热器112执行的这种加热可将燃料气体的温度升高到预定燃料气体温度水平，所述预定 燃料气体温度水平是燃烧室105在燃气涡轮发动机104的启动期间经历的特定燃烧模式所 需的。当达到预定燃料气体温度水平，燃料气体加热器112随后可以将受热的燃料气体提 供到燃烧室105。
[0041] 所属领域中的技术人员将认识到，在图3所示的实施例中，储热单元110的热罐 158中的储热工作介质的温度始终不得高于HRSG116中可能提供的最高热水温度。这是因 为使用冷启动燃料气体加热器114向储热工作流体装载来自HRSG116的工作流体(例如，热 水)。因此，必须确保储热工作介质不得过于迅速地装载从HRSG116提取的工作流体。如果 储热工作介质装载过于迅速，则冷启动燃料气体加热器114产生的受热工作流体的温度可 能在重新装载之后迅速下降。这样燃料气体加热器112将更难以将满足特定燃烧模式的预 定燃料气体要求的受热燃料气体提供到燃烧室105。因此，冷启动燃料气体加热器114应以 相对较低的速率装载储热工作介质，以便维持燃料气体加热系统302在启动循环中迅速加 热燃料气体的能力，从而维持符合负载水平的排放。
[0042] 图4是根据本实用新型第四实施例的发电厂400的示意图，所述发电厂具有燃料 气体加热系统402。具体来说，燃料气体加热系统402提供一种配置，所述配置消除了与燃 料加热系统302中的储热工作介质相关的问题。如图4所示，工作流体热交换器404(工作 流体H x)用于促使储热工作介质即时装载。工作流体热交换器404,所述热交换器基本上为 水-到-水热交换器，可以促使从HRSG116中的至少两种不同压力部分提取的工作流体部 分之间传热。工作流体热交换器404随后可以将此受热的工作流体作为从HRSG116提取的 流体供应到冷启动燃料气体加热器114。
[0043] 如图4所示，工作流体热交换器404可以促使取自IP节约器144的受热水与取自 HP节约器136的受热水之间传热。在此实施例中，取自HP节约器136的受热水可以用于 加热取自IP节约器144的水。这允许取自IP节约器144的水加热到可供冷启动燃料气体 加热器114用于即时加热储热工作介质的温度水平。这样，燃料气体加热系统402始终能 够提供满足与燃气涡轮发动机启动序列中的每个燃烧模式相关的燃烧室105要求的燃料 气体温度。例如，如果IP节约器144中的水温在约800PS下为约430° F (22ΓΟ,则HP 节约器136中的水温在约550° F(288°C)至约600° F(316°C)的范围内，随后工作流体 热交换器404可以在从IP节约器144取水之后促使传热，从而将其温度升高到约500° F (260°C)。所述受热水随后可以从工作流体热交换器404供应到冷启动燃料气体加热器 114。从HRSG116提取的工作流体部分的此温度水平远远足够使冷启动燃料气体加热器114 和燃料气体加热器112提供满足预定燃料气体温度水平的受热燃料气体。对于此实施例， 从HRSG116提取的工作流体部分装载所需的储热工作介质温度不再是问题，与图3所示的 实施例一样。此实施例的唯一限制是HP节约器136提供的热水的温度。但是，HP节约器 提供的热水应为HP节约器136提供的热水的温度。但是，通用HRSG中的HP节约器提供的 热水通常足够将储热工作介质迅速加热到满足在符合排放限制的负载水平下运行所需的 燃烧室要求的温度水平。
[0044] 尽管图4示出了工作流体热交换器404,所述工作流体热交换器促使取自IP节约 器144的热水与取自HP节约器136的热水之间传热，但工作流体热交换器能够使用提取自 以下项的任意组合的热水：HP节约器136、IP节约器144或者LP节约器149。这些取自节 约器的热水的组合还可以与诸如冷凝器120等底层循环热力发动机106中的其他部件结合 使用。
[0045] 本说明书中所用的本实用新型的多个实施例能够在发电厂内运行的燃气涡轮发 动机的启动序列中更快速地加热燃料气体。因此，燃气涡轮发动机能够更快速地达到"符合 排放限制的"负载水平。这样能够减少燃气涡轮发动机启动期间的排放。燃气涡轮发动机 启动期间排放的减少能够减少发电厂的总排放。
[0046] 本说明书中所用的术语仅用于描述特定实施例，并不限定本实用新型。除非上下 文另作明确规定，否则本说明书中所用的单数形式"一种"、"一个"和"所述"意在同时包括 复数形式。应进一步了解，说明书中所用的术语"包括"、"包含"和/或"具有"指定存在所 述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、 整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。进一步了解，术语"前"和"后"并不用于限制 本实用新型，并且可在适当情况下互换使用。
[〇〇47] 已结合其优选实施例具体图示并描述本实用新型，但是应了解，所属领域中的技 术人员可以做出各种改变和修改。因此，应了解，随附的权利要求书应涵盖在本实用新型实 际精神内的所有此类修改和更改。
【权利要求】
1. 一种燃料气体加热系统，包括： 燃气涡轮发动机； 蒸汽发生源，所述蒸汽发生源配置成从所述燃气涡轮回收排出能量并产生工作流体供 应； 储热单元，所述储热单元具有冷罐，所述冷罐包括处于冷态的储热工作介质，并且具有 热罐，所述热罐包括处于受热状态的所述储热工作介质； 燃料气体源，所述燃料气体源配置成将燃料气体供应到所述燃气涡轮发动机； 第一燃料气体加热器，所述第一燃料气体加热器配置成对从所述燃料气体源供应的所 述燃料气体进行加热；以及 第二燃料气体加热器，所述燃料气体加热器配置成辅助所述第一燃料气体加热器对从 所述燃料气体源提供的所述燃料气体进行加热，其中所述第一燃料气体加热器和所述第二 燃料气体加热器利用所述蒸汽发生源中产生的工作流体的提取部分以及储存在所述储热 单元的所述热罐中的所述储热工作介质来将所述燃料气体加热到预定燃料气体温度水平。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述第一燃料气体加热器配置成对从所述燃料气 体源提供的所述燃料气体进行加热，并且所述第二燃料气体加热器配置成进一步对从所述 第一燃料气体加热器产生的所述燃料气体进行加热；其中所述第二燃料气体加热器从所述 储热单元的所述热罐接收所述储热工作介质，并且促使所述储热工作介质与从所述第一燃 料气体加热器产生的所述燃料气体之间进行热能交换，以将所述燃料气体的温度提高到所 述预定燃料气体温度水平。
3. 根据权利要求2所述的系统，其中所述蒸汽发生源包括储能料热交换器，所述储能 热交换器促使所述蒸汽发生源中产生的所述工作流体与所述储热单元的所述冷罐中的所 述储热工作介质之间进行热能交换，并且将处于受热状态的所述储热工作介质排放到所述 储热单元的所述热罐中。
4. 根据权利要求2所述的系统，其中所述蒸汽发生源配置成将其中产生的所述工作流 体的提取部分供应到所述第一燃料气体加热器中，所述第一燃料气体加热器配置成促使所 述工作流体的提取部分与所述燃料气体之间进行热能交换，以提高从所述燃料气体源提供 的所述燃料气体的温度。
5. 根据权利要求2所述的系统，其中所述蒸汽发生源包括多压力热回收蒸汽发生单 元，所述单元包括高压部分、中压部分和低压部分，其中所述高压部分、所述中压部分和所 述低压部分各自包括过热器、蒸发器和节约器。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中所述多压力热回收蒸汽发生单元中的所述压力部 分中的至少一个压力部分的节约器配置成将其中产生的所述工作流体的提取部分供应到 所述第一燃料气体加热器中，所述第一燃料气体加热器配置成促使所述工作流体的提取部 分与所述燃料气体之间进行热能交换，以提高所述燃料气体的温度。
7. 根据权利要求2所述的系统，其中所述第二燃料气体加热器配置成将加热到所述预 定燃料气体温度水平的所述燃料气体提供到所述燃气涡轮发动机的燃烧室。
8. 根据权利要求1所述的系统，其中所述第二燃料气体加热器配置成使用所述储热单 元的所述热罐中的所述储热工作介质对所述蒸汽发生源中产生的工作流体的提取部分进 行加热，所述第一燃料气体加热器从所述第二燃料气体加热器接收受热的所述工作流体的 提取部分，并且促使与从所述燃料气体源供应的所述燃料气体进行热能交换。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述第二燃料气体加热器配置成从所述储热单元 的所述热罐接收所述储热工作介质，并且促使所述储热工作介质与所述工作流体的提取 部分之间进行热能交换，以在供应到所述第一燃料气体加热器中之前提高所述工作流体的 提取部分的温度。
10. 根据权利要求9所述的系统，其中所述第二燃料气体加热器配置成在所述储热工 作介质与所述工作流体的提取部分之间发生传热之后将其供应到所述储热单元的所述冷 罐中储存。
11. 根据权利要求8所述的系统，其中所述蒸汽发生源包括储能料热交换器，所述储能 热交换器在所述蒸汽发生源中产生的所述工作流体与所述储热单元的所述冷罐中的所述 储热工作介质之间传热，并且将处于受热状态的所述储热工作介质排放到所述储热单元的 所述热罐中。
12. 根据权利要求8所述的系统，其中所述蒸汽发生源包括多压力热回收蒸汽发生单 元，所述单元包括高压部分、中压部分和低压部分，其中所述高压部分、所述中压部分和所 述低压部分各自包括过热器、蒸发器和节约器。
13. 根据权利要求12所述的系统，其中所述热回收蒸汽发生单元中的所述压力部分中 的至少一个压力部分的节约器配置成将所述工作流体的提取部分供应到所述第二燃料气 体加热器中，所述第二燃料气体加热器促使所述储热工作介质与所述工作流体的提取部分 之间进行热能交换，以提高所述工作流体的提取部分的温度。
14. 根据权利要求8所述的系统，其中所述第二燃料气体加热器配置成接收储存在所 述储热单元的所述冷罐中的所述储热介质，并使用所述蒸汽发生源中产生的所述工作流体 的提取部分将所述储热介质装载到受热状态；所述第二燃料气体加热器将处于受热状态的 所述储热介质排放到所述储热单元的所述热罐中储存。
15. 根据权利要求8所述的系统，进一步包括工作流体热交换器，所述工作流体热交换 器促使从所述蒸汽发生源的至少两个不同压力部分中提取的多个工作流体部分之间传热， 其中所述多个工作流体部分得到从所述蒸汽发生源产生的所述工作流体的提取部分，所 述工作流体热交换器配置成将所述工作流体的提取部分供应到所述第二燃料气体加热器。
16. 根据权利要求15所述的系统，其中所述蒸汽发生源包括多压力热回收蒸汽发生单 元，所述单元包括高压部分、中压部分和低压部分，其中所述高压部分、所述中压部分和所 述低压部分各自包括过热器、蒸发器和节约器。
17. 根据权利要求16所述的系统，其中所述工作流体热交换器促使从所述蒸汽发生源 的至少两个所述压力部分的所述节约器产生的多个工作流体部分之间传热。
18. 根据权利要求8所述的系统，其中所述第一燃料气体加热器配置成将加热到所述 预定燃料气体温度水平的所述燃料气体提供到所述燃气涡轮发动机的燃烧室。
19. 根据权利要求1所述的系统，进一步包括蒸汽涡轮发动机，所述蒸汽涡轮发动机配 置成从所述蒸汽发生源接收所述工作流体供应。
20. 根据权利要求1所述的系统，其中所述储热工作介质包括无机盐。
【文档编号】F02C7/224GK203892027SQ201320824496
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2012年12月14日
【发明者】R.庞, K.蒙德拉 申请人:通用电气公司