具有吸收式制冷系统的联合循环发电设备的制作方法

当前公开内容总地涉及电力的产生，并且更具体地涉及包括吸收式制冷系统的联合循环发电设备。

背景技术：

联合循环发电设备通常包括由燃料的燃烧提供动力的燃气涡轮机以及由从燃气涡轮发动机的废气中回收的余热驱动的一个或多个蒸汽涡轮机。气体部分（或前置循环（toppingcycle））作为布雷顿（brayton）循环操作，并且蒸汽部分（或后置循环（bottomingcycle））作为兰金（rankine）循环操作，其中，蒸汽涡轮机由蒸汽提供动力，该蒸汽在热回收蒸汽发生器（hrsg）中通过燃气涡轮机废气的冷却而产生。该设置允许来自前置循环的余热被回收并且用在后置循环中以产生能量。从蒸汽涡轮机排出的膨胀的蒸汽被供给到空气冷却冷凝器（acc）中，该空气冷却冷凝器经由蒸发冷却将膨胀的蒸汽转换至冷凝液。该冷凝液随后返回至hrsg以用于再使用。

来自hrsg的蒸汽有时绕过蒸汽涡轮机并且被沿路线直接发送至acc，特别是在设备起动期间和在蒸汽涡轮机跳闸（trip）期间，这经常使acc过载。因为acc性能很大程度取决于在环境空气和被供给到acc中的膨胀的蒸汽之间的初始温度差（itd），所以这些问题在炎热的日子加剧。满足这些增加的热传递要求的一个通常的解决方案包括增加acc的尺寸。然而，这个方案显著地增加acc的成本，通常没有联合循环效率的足够改进来证明增加成本是正确的。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，当前公开内容提供了一种联合循环发电设备，其包括：燃气涡轮机；热回收蒸汽发生器，该热回收蒸汽发生器从燃气涡轮机接收废气用于产生蒸汽；蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机从热回收蒸汽发生器接收蒸汽并且膨胀该蒸汽以产生膨胀的蒸汽；空气冷却冷凝器，该空气冷却冷凝器从蒸汽涡轮机接收膨胀的蒸汽；以及吸收式制冷系统，该吸收式制冷系统从热回收蒸汽发生器接收温度降低的废气。吸收式制冷系统连接至空气冷却冷凝器以从进入空气冷却冷凝器的空气中选择性地提取热量。

根据一些方面，吸收式制冷系统包括蒸发器，该蒸发器被定位成横跨空气冷却冷凝器的空气入口。根据其它方面，吸收式制冷系统包括发生器，该发生器从热回收蒸汽发生器接收温度降低的废气以驱动吸收式制冷循环。根据额外的方面，热回收蒸汽发生器从空气冷却冷凝器接收冷凝液用于产生蒸汽。根据另外的方面，qe=qhd-qav，其中，qav是在平均运行条件下来自蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽的冷却需求，qhd是在联合循环发电设备的最高负荷（duty）条件下来自蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽的冷却需求，以及qe是吸收式制冷系统的冷却容量。

根据本发明的另一方面，当前公开内容提供了一种联合循环发电设备，其包括：燃气涡轮机；热回收蒸汽发生器，该热回收蒸汽发生器从燃气涡轮机接收废气用于从供水中产生蒸汽；蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机从热回收蒸汽发生器接收蒸汽并膨胀该蒸汽以产生膨胀的蒸汽；空气冷却冷凝器，该空气冷却冷凝器从蒸汽涡轮机接收膨胀的蒸汽并产生冷凝液；以及吸收式制冷系统，该吸收式制冷系统连接至热回收蒸汽发生器和空气冷却冷凝器。吸收式制冷系统包括：发生器，该发生器从热回收蒸汽发生器接收温度降低的废气以驱动吸收式制冷循环；以及蒸发器，该蒸发器被定位成横跨空气冷却冷凝器的空气入口以从进入空气冷却冷凝器的空气中选择性地提取热量从而实现进入空气冷却冷凝器的空气的预冷却。根据一些方面，由空气冷却冷凝器产生的冷凝液向热回收蒸汽发生器提供供水用于产生蒸汽。

根据本发明的另外的方面，当前公开内容提供了一种操作联合循环发电设备的方法。该方法包括下述步骤：通过燃气涡轮机产生动力；将来自燃气涡轮机的废气传送至热回收蒸汽发生器用于产生蒸汽并且产生温度降低的废气；在蒸汽涡轮机中膨胀来自热回收蒸汽发生器的蒸汽以产生动力；在空气冷却冷凝器中冷凝来自蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽并且产生冷凝液；利用离开热回收蒸汽发生器的温度降低的废气驱动吸收式制冷循环的发生器以产生冷却流体；将冷却流体选择性地传送至吸收式制冷循环的蒸发器，该蒸发器被定位成横跨空气冷却冷凝器的空气入口；以及使空气经过蒸发器以从进入空气冷却冷凝器的空气入口的空气中选择性地提取热量从而实现被提供至空气冷却冷凝器的空气的预冷却。

在该方法的一些方面中，qe=qhd-qav，其中，qav是在平均运行条件下来自蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽的冷却需求，qhd是在发电设备的最高负荷条件下来自蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽的冷却需求，以及qe是吸收式制冷系统的冷却容量。在其他方面中，该方法进一步包括选择性地操作联合循环发电设备，而不没有来自蒸发器的冷却。在特定方面中，qcur是在当前运行条件下来自蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽的冷却需求，以及仅在qcur＞qav时将冷却流体传送至吸收式制冷循环的蒸发器。

附图说明

虽然本说明书以特别地指出并且清楚地要求保护当前发明的权利要求作为结尾，但要相信的是，通过结合附图的下列说明当前发明将被更好地理解，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，以及其中：

图1是根据本发明的多个方面的包括吸收式制冷系统的联合循环发电设备的简化示意图；

图2是图示根据本发明的多个方面的操作联合循环发电设备的方法的流程图；以及

图3是图示根据本发明的其他方面的操作联合循环发电设备的另一方法的流程图。

具体实施方式

在优选实施例的下列详细描述中，对形成该描述的一部分的附图进行参考，并且在附图中通过图示说明的方式而不是限制的方式示出了可以实践本发明的具体的优选实施例。要理解的是，可以使用其他实施例并且可以在不脱离当前发明的精神和范围的情况下做出改变。

图1是示出体现本发明的多个方面的联合循环发电设备10的简化示意图。发电设备10包括燃气涡轮机系统20、蒸汽涡轮机系统30、吸收式制冷系统40和空气冷却冷凝器系统50。燃气涡轮机系统20可以包括任意适合的设计并且可以包括，例如压缩机22、燃烧室24和燃气涡轮机26。压缩机22接收环境气流21并且产生压缩空气流23，压缩空气流23被供应至燃烧室24。与压缩空气23结合的燃料在燃烧室24中燃烧以产生热的燃烧气体25，热的燃烧气体25流动至燃气涡轮机26。热的燃烧气体25在燃气涡轮机26中膨胀以产生驱动轴的能量，该轴进而驱动第一发电机29以产生电力。

废气33离开燃气涡轮机26并且进入热回收蒸汽发生器（hrsg）34。hrsg34用作热交换器以从废气33中移除一部分热量。从废气33中移除的热量被用于从供水中产生蒸汽35，蒸汽35被引导至蒸汽涡轮机系统30。离开hrsg34的温度降低的废气38被引导至吸收式制冷系统40，吸收式制冷系统40在下文被更详细地描述。可以根据需要可选地使用旁通回路31以将由hrsg34产生的蒸汽35中的一些或全部直接地供给至acc50，acc50在下文也被更详细地描述。蒸汽涡轮机32膨胀从hrsg34接收的蒸汽35膨胀以产生驱动轴的能量，该轴驱动第二发电机39以产生电力。离开蒸汽涡轮机32的膨胀的蒸汽36被供给到acc50中。

acc50可以包括任意适合的常规设计。在图1中示出的简化实施例中，acc50是a-框架设计。蒸气入口集管52接收离开蒸汽涡轮机32的膨胀的蒸气36。冷却束54从蒸气入口集管52向下延伸并且接收来自蒸气入口集管52的膨胀的蒸汽36。冷却束54通常包括具有多个翅片的管，膨胀的蒸汽36沿着该管流动并冷凝以形成包括液体水的冷凝液56。进入气流55被风扇57吸入到acc50中，并且流动跨过冷却束54以冷却沿着冷却束54流动的膨胀的蒸汽54。在本发明的一些方面，冷却束54每一个可以包括平行流冷凝器，在该平行流冷凝器中，膨胀的蒸汽36和形成在管内的冷凝液56沿着出口集管54的长度在相同的方向上一起流动。冷凝液56收集在位于acc50的底部处的一个或多个收集集管53中。冷凝液56随后被引导至hrsg34用于再使用。

离开hrsg34的温度降低的废气38可以由吸收式制冷系统40接收。吸收式制冷系统40可以包括任意适合的闭式制冷循环。在图1所示的示例性实施例中描绘了氨水吸收式制冷系统，但要注意的是，可以使用其他适合的循环和系统，包括溴化锂/水吸收式制冷系统。在图1中，发生器42包括氨（nh3）的浓溶液，被吸收在水中并且被泵至高压。浓的nh3-h20溶液从由发生器42接收的温度降低的废气38中吸收热量qg，从而产生在发生器42的顶部处收集的蒸气43。氨的低沸点（-28℉）使得其理想地适用于与低质量余热源（诸如离开hrsg34的温度降低的废气38）一起使用。在nh3的蒸发之后，稀的nh3-h20溶液留在发生器42中。离开发生器42的温度降低的废气38可以被排出至环境，或者该废气可以被引导至联合循环发电设备10的其他部件用于再使用。

蒸气43主要包括nh3，但是由于水的高亲氨性，蒸气43中通常存在一些水。为了去除水，蒸气43被供给到精馏器44中，在这里，蒸气43被稍微冷却。包含在蒸气43中的水冷凝，从而留下纯的nh3蒸气45，纯的nh3蒸气45随后被引导至冷凝器46。少量nh3在精馏器44中与水一起冷凝，从而在该精馏器中留下稀的nh3-h20溶液。包括稀的nh3-h20溶液和从蒸气43中冷凝出的水的组合的溶液41从精馏器44被向回引导到发生器42中，在这里，溶液41加入由于nh3从浓的nh3-h20溶液中蒸发而产生的稀的nh3-h20溶液中。

纯的nh3蒸气45在高压下进入冷凝器46。在冷凝器46内，纯的nh3蒸气45冷凝以形成液体nh347并且释放热量qc。冷凝器46通常包括冷凝器冷却回路68，该冷却回路帮助冷却纯的nh3蒸气45。例如，冷凝器冷却回路68可以使用水或其他适合的冷却流体（包括由吸收式制冷系统40形成的nh3制冷剂的一部分）。液体nh347随后经过膨胀阀48，在这里，液体nh3制冷剂47的压力和温度被进一步降低。低压的、已冷的nh3制冷剂49离开膨胀阀48并且被引导至蒸发器60。

蒸发器60连接至acc50，并且在本发明的一些方面中，蒸发器60可以被定位成横跨acc50的空气入口（未标识），进入的气流55通过该空气入口被吸入acc50中。nh3制冷剂49循环通过蒸发器60，在这里，nh3制冷剂49从进入的气流55中吸收热量qe以在进入的气流55进入acc50并且流动跨过出口集管54之前实现进入的气流55的预冷却。由nh3制冷剂49从进入的气流55中吸收热量qe使nh3制冷剂49蒸发以形成气态nh362。

来自蒸发器60的气态nh362随后被供给至吸收器64。存在于发生器42中的稀的nh3-h20溶液63在其也被供给到吸收器64中之前经过第二膨胀阀65。这个nh3-h20溶液63包括由于nh3从浓的nh3-h20溶液中蒸发而产生的稀的nh3-h20溶液加上来自精馏器44的溶液41。在吸收器64中的稀的nh3-h20溶液63是不饱和的并且容易吸收从蒸发器60供给的气态nh362以再产生浓的nh3-h20溶液70。再产生浓的nh3-h20溶液70的过程产生热量qa，因此吸收器64通常包括使用水或其他适合的冷却流体的冷却回路67。浓的nh3-h20溶液70被引导至泵66，在这里，浓的nh3-h20溶液70被泵至高压并且供给到发生器42中以重复该循环。

当前公开的系统和方法可以被用于在不随带地增加尺寸的情况下增加acc的容量。acc的尺寸和设计由多种参数决定，包括联合循环发电设备的位置及其运行所处的气候，燃气涡轮机系统使用的燃料的类型，等等。当环境空气温度已经很高时，初始温度差（itd），即进入的气流的温度和被供给到acc中的膨胀的蒸汽的温度之间的差值，被降低。较低的itd使acc的热传递容量和效率降低。当联合循环发电设备处于高负荷条件下时（诸如，设备起动或在蒸汽涡轮机跳闸期间），这个降低的容量可能是特别重要的。在这些情形下，来自hrsg的蒸汽可能超出蒸汽涡轮机系统使用可用蒸汽的能力，从而要求经由旁通回路31部分地或完全地绕过蒸汽涡轮机系统。在该情况下，蒸汽被直接地供给到acc中，这能够迅速地超出acc的冷却能力。

为了提供充足的冷却，在大多常规的联合循环发电设备中使用过尺寸的acc以处理更高的负载。然而，这些更大的acc设计是高成本的并且在需要较少冷却时提供很少的灵活性。例如，在itd已经相当大的凉爽的日子中，acc的操作被减少或中断以便防止冷冻，特别是在acc是过尺寸的情况下。通过实现对进入acc的进入的气流进行预冷却，当前公开的发明可以被用于提高itd并且在不需要增加acc的尺寸的情况下增加acc的冷却容量。替代地看，当前发明允许使用这样的acc：其尺寸相对于对于给定的最大蒸汽热负载具有类似的冷却要求的通常的acc设计被减小。

例如，根据本发明的一个方面的联合循环发电设备可以包括被设计成仅提供在通常的或平均的设备运行期间所要求的冷却量的acc。可以理解的是，如在本文中所使用，“平均的设备运行”是指包括在环境温度和基本负载条件下的运行的设备运行条件，该环境温度是对于给定设备位置处在最大和最小预测环境温度之间的中值，该基本负载条件低于最大或高负载并且能够处于部分负载条件以上。吸收式制冷系统可以被用于仅在需要时（即，当itd是低的和/或在高负荷条件期间）对进入acc的进入的气流进行预冷却。当现有的acc冷却容量充足或过多时（诸如，当环境温度低时），吸收式制冷系统可以被关闭。以此方式，acc的尺寸和冷却容量可以被更紧密地定制符合在各种操作条件期间的联合循环发电设备的实际冷却需求。

当联合循环发电设备处于高负荷条件的情况下，acc的冷却容量为qhd-nqhd，其中，qhd是在发电设备的高负荷条件下来自蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽的最大冷却需求，n是缩减因子，其中，0<n<1.0，并且吸收式制冷系统的冷却容量至少为nqhd。替代地，吸收式制冷系统所需的额外的冷却容量qe（图1）可以被表示为qhd-qav，其中，qav是基于平均运行条件的acc的设计的冷却容量。在本发明的一些方面中，qcur是在当前运行条件下来自蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽的当前冷却需求，并且吸收式制冷系统可以仅在qcur超过qav时定期地参与以提供额外的冷却。qcur可以包括从零高至qhd并且包括qhd的范围。

当前发明进一步提供操作联合循环发电设备的方法。图2是图示根据本发明的一个方面的方法200的流程图。方法200以通过燃气涡轮机产生动力（步骤210）开始。如在本文中描述的，燃料在燃烧室中与压缩空气结合以产生热的燃烧气体，该热的燃烧气体在燃气涡轮机中膨胀以产生驱动轴的能量。该轴驱动发电机以便产生电力。在下一步骤中，来自燃气涡轮机的废气被传送至热回收蒸汽发生器用于产生蒸汽并且产生温度减低的废气（步骤220）。蒸汽涡轮机膨胀从热回收蒸汽发生器接收的蒸汽膨胀以产生电力（步骤230）。

方法200以在空气冷却冷凝器中冷凝来自蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽并产生冷凝液（步骤240）而继续。离开热回收蒸汽发生器的温度降低的废气被用于驱动吸收式制冷系统的发生器以产生冷却流体（步骤250）。如在本文中描述的，该冷却流体可以包括nh3制冷剂。该冷却流体随后被选择性地传送至吸收式制冷系统的蒸发器（步骤260）。该蒸发器被定位成横跨空气冷却冷凝器的空气入口。方法200以使空气经过该蒸发器以在空气进入空气冷却冷凝器的空气开口时从该空气中选择性地提取热量并由此实现被提供至空气冷却冷凝器的空气的预冷却（步骤270）结束。

图3是图示根据本发明的另一方面的方法300的流程图。与图2中图示的方法200类似，方法300以通过燃气涡轮机产生动力（步骤310）并且将来自燃气涡轮机的废气传送至热回收蒸汽发生器用于产生蒸汽并产生温度降低的废气（步骤320）开始。蒸汽涡轮机膨胀从热回收蒸汽发生器接收的蒸汽以产生电力（步骤330）。随后确定是否参与吸收式制冷循环。例如，在步骤340中，确定qcur是否大于qav，qcur是在当前条件下来自蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽的冷却需求，qav是基于在通常日或平均日运行的联合循环发电设备的冷却需求的冷却容量。在qcur≤qav的情况下,方法300以在acc中冷凝来自蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽（步骤280）结束。

在qcur＞qav的情况下，离开热回收蒸汽发生器的温度降低的废气被用于驱动吸收式制冷系统的发生器以产生冷却流体（步骤350）。该冷却流体随后被传送至吸收式制冷系统的蒸发器（步骤360），该蒸发器被定位成横跨空气冷却冷凝器的空气入口。从流入acc的空气入口中的空气中提取热量以实现被提供至acc的空气的预冷却（步骤370）。以此方式，吸收式制冷系统提供额外的冷却容量qe（图1）以使得qe≥qcur-qav。qcur可以包括从零高至qhd并且包括qhd的冷却需求的范围，并且在该方法的一些方面中，qcur可以等于qhd以使得qe≥qhd-qav。该方法以在acc中冷凝来自蒸汽涡轮机的膨胀的蒸汽（步骤380）结束。在该方法的这个特定方面中，吸收式制冷系统可以被操作以仅在qcur＞qav时将冷却流体传送至吸收式制冷系统的蒸发器。

通过上面的描述，可以理解的是根据当前发明的多个方面，尺寸减小的acc可以被提供，任意相关联的冷却的减少由吸收式制冷系统补偿。此外，在acc能够提供过量冷却的运行条件下（诸如，在需要调节蒸汽流以减少由acc施加的冷却的低环境温度的日子），由当前发明提供的acc的尺寸的减少可以允许在发电设备的蒸汽部分的操作的范围对acc中的流的控制或调节最小化。

虽然已经图示并描述了当前发明的特定实施例，但对于本领域技术人员将明显的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够做出各种其他改变和修改。因此在所附的权利要求中旨在涵盖落于本发明的范围内的所有这样的改变和修改。