经由涡轮提取和压缩机提取产生蒸汽的系统的制作方法

本实用新型大体涉及燃气涡轮动力设备(power plant)，诸如联合循环或者联合发电(cogeneration)动力设备。更具体地，本实用新型涉及一种使用从燃气涡轮的涡轮提取且由来自压缩机的压缩的空气冷却的燃烧气体来产生蒸汽的系统。

背景技术：

燃气涡轮动力设备(诸如联合循环或者联合发电动力设备)大体包括燃气涡轮，其具有压缩机、燃烧器、涡轮、设置在涡轮下游的热回收蒸汽发生器(HRSG)，以及与HRSG流体连通的蒸汽涡轮。在运行期间，空气经由入口系统进入压缩机，并且在其朝向压缩机排放口或者至少部分地围绕燃烧器的扩散器壳体导引时被逐渐地压缩。在限定在燃烧器内的燃烧室中，压缩的空气的至少一部分与燃料混合，并且被焚烧，由此产生高温和高压的燃烧气体。

燃烧气体沿着热气体路径从燃烧器导引穿过涡轮，此处它们在其流动跨过固定导叶和联接至转子轴的可旋转涡轮叶片的交替的级时逐渐地膨胀。动能从燃烧气体传递到涡轮叶片，因此促使转子轴旋转。转子轴的旋转能可经由发电机而转换成电能。燃烧气体作为排气离开涡轮，且排气进入HRSG。来自排气的热能被传递到流过HRSG的一个或更多个换热器的水，由此产生过热的蒸汽。过热蒸汽然后被导引到蒸汽涡轮中，其可用于产生另外的电力，因此增强总体动力设备效率。

对于来自基于燃气涡轮的动力设备的低排放的法规要求在这些年来持续地变得更加严格。全世界的环境部门现在都要求更低的来自新的以及已有的燃气涡轮的氮氧化物(NOx)和其它污染物以及一氧化碳(CO)排放水平。

传统上，至少部分地由于排放限制，用于联合循环或者联合发电动力设备的燃气涡轮载荷与动力设备的蒸汽生产要求相联系或者由其驱动，而不一定由电网动力要求驱动。例如，为了满足动力设备蒸汽要求，同时保持可接受的排放水平，可能必须以全速满载荷条件操作燃气涡轮(即便是当电网要求或者电力的动力设备要求低时)，由此降低了总体动力设备效率。

技术实现要素：

本实用新型的各方面和优点在下文中在以下描述中阐述，或者根据该描述可为显而易见的，或者可通过实践本实用新型而获知。

本实用新型的一个实施例是一种动力设备。动力设备包括用于从涡轮出口接收排气的设置在涡轮的出口下游的排气导管和具有流体地联接至压缩机提取端口的主入口的喷射器。喷射器经由压缩机提取端口接收来自压缩机的压缩的空气的流。动力设备还包括静态混合器，其具有流体地联接至涡轮提取端口的主入口，流体地联接至喷射器的出口的二级入口，以及与排气导管流体连通的出口。燃烧气体的流经由涡轮提取端口从涡轮的热气体路径流出且进入静态混合器的入口。静态混合器从喷射器接收冷却的压缩的空气的流来冷却排气导管上游的燃烧气体的流。冷却的燃烧气体在排气导管内与排气混合，以将加热的排气混合物提供至排气导管下游的换热器。

本公开内容的另一个实施例包括一种动力设备。动力设备包括燃气涡轮，其具有压缩机，压缩机下游的燃烧器，以及燃烧器下游的涡轮。压缩机包括设置在压缩机的上游端和下游端之间的压缩机提取端口。涡轮包括与第一涡轮提取端口流体连通的第一级和与第二涡轮提取端口流体连通的第二级。第一涡轮提取端口和第二涡轮提取端口提供用于燃烧气体的流在燃烧器下游离开涡轮的提取。排气导管设置在涡轮的出口下游且从涡轮出口接收排气。动力设备还包括具有流体地联接至压缩机提取端口的主入口的喷射器和具有流体地联接至第一涡轮提取端口和第二涡轮提取端口的主入口的静态混合器。静态混合器还包括流体地联接至喷射器的出口的二级入口和与排气导管流体连通的出口。静态混合器从喷射器接收冷却的压缩的空气的流来冷却排气导管上游的燃烧气体的流。冷却的燃烧气体在排气导管内与排气混合，以将加热的排气混合物提供至换热器。

在审阅说明书之后，本领域普通技术人员将更好地理解这样的实施例以及其它实施例的特征和方面。

附图说明

本实用新型的完整的和能够实践的公开，包括其对本领域技术人员而言的最佳模式，在包括参照附图的说明书的其余部分中更具体地阐述，在附图中：

图1是根据本实用新型的一个实施例的示例性的基于燃气涡轮的联合发电动力设备的示意图；

图2是根据本实用新型的至少一个实施例的示例性燃气涡轮的一部分的简化截面侧视图；以及

图3是根据本实用新型的一个实施例的、图1中所示的示例性的基于燃气涡轮的联合发电动力设备的示意图。

零件列表

10 动力设备

12 轴向中心线–燃气涡轮

100 燃气涡轮

102 压缩机

104 燃烧器

106 涡轮

108 入口导向导叶

110 空气

112 压缩的空气

114 燃烧气体

116 轴

118 排气

120 排气导管

122 换热器

124 蒸汽

126 蒸汽涡轮

128 设施

130 流量监测器

132 流量监测器

134 内部涡轮壳体

136 外部涡轮壳体

137 热气体路径

138 提取端口

140 提取管道

142 静态混合器

144 静态混合器主入口

146 静态混合器–二级入口

148 压缩机提取端口

150 静态混合器–出口

152 压缩的空气

154 喷射器

156 喷射–主入口

158 喷射器–吸入口

160 空气供应

162 喷射器–出口

164 空气

166 冷却的燃烧气体

168 排气混合物

170 冷却剂喷射系统

172 冷却剂

174 冷却剂供应

176 混合室

178 控制阀–涡轮提取

180 控制阀–压缩机提取

182 控制阀–冷却剂喷射系统

184 控制阀–喷射器

186 温度监测器

188 温度监测器

190 温度监测器。

具体实施方式

现在将对本实用新型的当前的实施例进行详细的参照，其一个或更多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和说明书中的相同或者相似的比较用来指代本实用新型的相同或者相似的部件。如本文所用，用语“第一”，“第二”和“第三”可以可互换地使用来使一个构件区别于另一个，并且不意图表示单独的构件的位置或者重要性。用语“上游”和“下游”指的是相对于流体路径中的流体流的相对方向。例如，“上游”指的是流体流自的方向，而“下游”指的是流体流至的方向。

本文所用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的，并且不意图限制本实用新型。如本文所用，单数形式“一”，“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地作出其它表示。将进一步理解的是，在本说明书中使用时用语“包括”和/或“包含”，表示存在所述的特征，整体，步骤，操作，元件，和/或构件，但是并不排除存在或者附加了一个或更多个其它特征，整体，步骤，操作，元件，构件，和/或它们的集合。

通过阐述本实用新型而非限制本实用新型的方式提供了各个实例。事实上，对本领域技术人员将显而易见的是，可在本实用新型中作出修改和改型而不偏离其范围或者精神。例如，作为一个实施例的一部分而示出或者描述的特征可在另一实施例上使用以实现另外的又一个实施例。因此，意图是本实用新型覆盖处于所附的权利要求及其等效物的范围内的这样的修改和改型。

在常规的联合发电动力设备中，燃料和空气被供应至燃气涡轮。空气经过燃气涡轮的入口进入燃气涡轮中的燃烧器上游的压缩机区段中。在空气由燃烧器加热之后，加热的空气和该过程中产生的其它气体(即，燃烧气体)经过涡轮区段。来自燃气涡轮的排气的总体体积从涡轮区段传送到燃气涡轮的排气区段，并且流动至热回收蒸汽发生器(HRSG)，其经由一个或者多个换热器从排气提取热来产生蒸汽。

在一些情况中，对蒸汽的要求可低于可由燃气涡轮排气所产生的蒸汽量，排气中的一些可被引导离开热回收蒸汽发生器，诸如被传送到排气器，排气器在排气被释放到大气之前过滤排气。备选地，如果与燃气涡轮排气产生的蒸汽相比，蒸汽生产要求更高，则可产生来自燃气涡轮的排气的增大，以产生期望的蒸汽。

当前的实施例提供了一种系统来使直接从燃气涡轮的涡轮提取的热的燃烧气体在与从涡轮的出口流出的排气混合之前进行冷却或者降温。虽然燃烧气体通过使用从压缩机提取的压缩的空气经由喷射器和静态混合器来冷却，但冷却的燃烧气体仍然比流自涡轮的排气显著更热。结果，来自冷却的燃烧气体的热能会升高换热器/锅炉和/或热回收蒸汽发生器(HRSG)上游的排气的温度，由此提高来自燃气涡轮的蒸汽生产。蒸汽可通过管道送至蒸汽涡轮，用于热生产和/或用于其它工业过程。该系统可用于联合发电系统中，使得联合发电系统可生产更大量的蒸汽而不会产生动力的成比例的增大。该实施例系统因此提供了输入到联合发电系统中的燃料的高效的使用，且避免了浪费性地生产燃气涡轮的不期望的动力。

本文提供的实施例提供了优于现有的联合发电或者联合循环动力设备的多种技术优点。例如，本文所提供的系统可包括将蒸汽生产调整于期望水平、同时维持热量以及其它操作效率的能力；提供更高温的气体来在燃气涡轮下游生产更多蒸汽的能力；在燃气涡轮上以更低的动力输出运行并且产生更多蒸汽的能力；最小化浪费性的产物(即，在燃气涡轮中生产不必要的动力)的能力；以及以更成本有效地以及高效的性能运行联合发电系统的能力。

现在参照附图，其中在所有图中，相同的数字表示相同的元件，图1提供了具有蒸汽生产能力的示例性燃气涡轮动力设备10的功能框图。动力设备10包括可结合本实用新型的各种实施例的燃气涡轮100。燃气涡轮100大体以串行流顺序包括压缩机102，具有一个或更多个燃烧器104的燃烧区段以及涡轮106。燃气涡轮100还可包括设置在压缩机108的入口或者上游端处的入口导向导叶108。在运行中，空气110流动跨过入口导向导叶108且流入压缩机102中。压缩机102为空气110赋予动能，以生产压缩的空气，如由箭头112示意性地指示的。

压缩的空气112与来自燃料供应系统的燃料(诸如天然气)混合，以在(多个)燃烧器104内形成可燃的混合物。可燃的混合物被焚烧而生产具有高温、高压和高速的燃烧气体，如由箭头114示意性地指示的。燃烧气体114流过涡轮106的各种涡轮级S1，S2，S3，Sn来做功。

涡轮106可具有两个或更多个级，例如，低压区段和高压区段。在一个实施例中，涡轮106可为包括低压区段和高压区段的两轴涡轮。在特定的构造中，涡轮106可具有4个或更多个级。涡轮106可连接至轴116，使得涡轮106的旋转驱动压缩机102来生产压缩的空气112。备选地或者另外地，轴116可将涡轮106连接至发电机(未显示)，以用于生产电力。燃烧气体114在其流过涡轮106并且作为排气118经由排气导管120离开涡轮106时损失热能和动能，排气导管120可操作地联接至涡轮106的下游端。

排气导管120可经由各种管道，导管，阀等等而流体地联接至换热器或者锅炉122。换热器122可为独立的构件或者可为热回收蒸汽发生器(HRSG)的构件。在各种实施例中，换热器122用于从排气118提取热能来生产蒸汽124。在特定的实施例中，蒸汽124之后可经由各种管道、阀、导管等等被导引至蒸汽涡轮126以生产另外的动力或者电力。蒸汽124的至少一部分可从换热器122通过管道送至现场的或者现场外的设施128，其将蒸汽分配至使用者和/或使用蒸汽来用于诸如热生产或者其它工业操作或过程的二级操作。在一个实施例中，蒸汽124可通过管道传送至蒸汽涡轮126的下游，且进一步用于诸如热生产的各种二级操作或者其它二级操作。

来自换热器122的蒸汽流率或者输出可经由一个或更多个流量监测器来监测。例如，在一个实施例中，流量监测器130可设置于换热器122的下游。在一个实施例中，流量监测器132可设置在蒸汽涡轮126的下游。

图2提供了包括压缩机102、燃烧器104、涡轮106和排气导管120的一部分的示例性燃气涡轮100的一部分的简化截面侧视图，其可结合本实用新型的各种实施例。在一个实施例中，如图2中所示，涡轮106包括内部涡轮壳体134和外部涡轮壳体136。内部和外部涡轮壳体134，136绕着燃气涡轮100的轴向中心线12沿周向延伸。内部涡轮壳体134和/或外部涡轮壳体136至少部分地包绕形成涡轮106的各种级S1，S2，S3，Sn的定子导叶和转子叶片的相继的排。

涡轮壳体134，136通常是密封的，仅有两个开口：涡轮106上游处的燃烧气体入口，和涡轮106下游端处的排气或者涡轮出口。涡轮106的下游端可操作地连接至排气导管120。常规地，燃烧气体114的整体体积经过内部和外部涡轮壳体134，136内的由涡轮106的各种级限定的热气体路径137，进入排气导管120，且排气118的至少一部分可被引导至换热器122。

在运行期间，如果确定了蒸汽生产的要求高于燃气涡轮100生产的动力的要求，则燃烧气体114的一部分可经由一个或更多个对应的涡轮提取端口138从涡轮级S1，S2，S3，Sn中的一个或更多个提取，如图2中所示。显示了四个涡轮提取端口138(a-d)以便于图示。然而，涡轮106可包括任意数量的涡轮提取端口138。例如，涡轮106可包括一个涡轮提取端口138，两个涡轮提取端口138，三个涡轮提取端口138或者四个或更多个涡轮提取端口138。

各个涡轮提取端口138可流体地联接至涡轮级S1，S2，S3，Sn中的一个或更多个和/或与涡轮级S1，S2，S3，Sn中的一个或更多个流体连通。各个涡轮提取端口138可提供流动路径，以用于燃烧气体114的流从燃烧器104下游但是排气导管120上游的点自涡轮106流出。

如图2中所示，涡轮提取端口138(a-d)中的一个或更多个可经由一个或更多个提取管道140与涡轮级S1，S2，S3或者Sn中的一个或更多个流体连通。提取管道140和涡轮提取端口138提供燃烧气体114从热气体路径137、穿过内部和/或外部涡轮壳体134，136、并且离开涡轮106的流体连通，以便获得比从涡轮106出口流入排气导管120的排气118温度更高的燃烧气体114的一部分。

如图2中所示，涡轮级S1，S2，S3和Sn是连续的，使得燃烧气体114从S1至最后一级Sn流过这些级。涡轮级S1是第一级，并且接收直接来自于燃烧器104的热燃烧气体114。燃烧气体114的温度关于各个连续的级而降低。例如，S1涡轮级处的燃烧气体114具有比在随后的涡轮级S2，S3，Sn等处更高的温度。排气118处于比涡轮106内的燃烧气体114更低的温度，且因此具有较少的热能。

图3提供了根据本实用新型的一个实施例的、如图1中所示的具有蒸汽生产能力的示例性燃气涡轮动力设备10的功能框图。在一个实施例中，如图1、2和3中所示，动力设备10包括静态混合器142。静态混合器142包括流体地联接至一个或更多个涡轮提取端口138中的一个或更多个的主入口144，流体地联接至一个或更多个压缩机提取端口148的二级入口146，以及与排气导管120流体连通的出口150。静态混合器142大体包括串列地堆叠在外部壳体或者管道内且与主入口144和二级入口146以及与出口150流体连通的单独的混合元件。各个混合元件可相对于相邻的混合元件定向来使流过静态混合器142的两种或更多种流体均匀。

(多个)压缩机提取端口148提供流动路径，以用于压缩的空气152的一部分在压缩机104的上游或者入口与限定在燃烧器102的上游或者紧接的上游的压缩机104出口之间的点处流出压缩机102。因为压缩的空气112从入口到出口压力和温度增大，(多个)压缩机提取端口148可沿着压缩机102在各种点处轴向地间隔开，以捕获处于期望温度和压力的压缩的空气152的一部分。

在特定实施例中，喷射器154设置在(多个)压缩机提取端口148下游和静态混合器142的二级入口146上游。喷射器154可经由各种管道、导管、阀等等而流体地联接至(多个)压缩机提取端口148且至静态混合器142的二级入口146。喷射器154包括流体地联接至(多个)压缩机提取端口148的主入口156，与空气供应160流体连通的吸入口158，以及与静态混合器142的二级入口146流体连通的出口162。

在运行中，来自一个或更多个涡轮提取端口138的提取的燃烧气体114经由主入口144流入静态混合器142。从(多个)压缩机提取端口148提取的压缩的空气152的一部分从(多个)压缩机提取端口148流出且用作流过喷射器154的原动流体。诸如由空气供应160供应的环境空气的空气164冷却静态混合器142的二级入口146上游的压缩的空气152的流。流入喷射器154的空气164还可增大从(多个)压缩机提取端口148进入静态混合器142的空气质量流。

由于喷射器154下游的压缩的空气152比流入静态混合器142的燃烧气体114更冷，因而燃烧气体114的流在其于静态混合器142内与压缩的空气152混合时被冷却。混合元件可分开和再组合压缩的空气152和提取的燃烧气体114，使得离开静态混合器142出口150的冷却的燃烧气体166的流关于浓度、温度和速度是均匀的，其贯穿整个管道截面是均衡的。除了冷却排气导管120的上游的燃烧气体114，压缩的空气152还可增大从静态混合器142进入排气导管120的质量流。

从静态混合器142出口150流出的冷却的燃烧气体166处于比排气118更高的温度。结果，来自冷却的燃烧气体166的热能被传递至排气导管120内的排气118，以提供被加热的排气混合物168至设置在排气导管120下游的换热器126。通过提高排气118的温度，可增大动力设备10的蒸汽生产能力，特别是在燃气涡轮低载荷或调小的操作条件下。

在特定实施例中，如图2和3中所示，动力设备10还包括设置在静态混合器出口150下游以及排气导管120上游的冷却剂喷射系统170。冷却剂喷射系统170可包括喷淋喷嘴，喷淋塔，洗涤器或者构造成将冷却剂172从冷却剂供应174喷射至从静态混合器142流出的冷却的燃烧气体166的流的其它各种构件(未显示)，由此进一步冷却排气导管120上游的冷却的燃烧气体166。

在特定实施例中，如图2和3中所示，冷却剂喷射系统170可包括流体地联接至静态混合器142的出口150且位于静态混合器142的出口150下游的混合室176。混合室176可经由各种管道、导管、阀等等而流体地联接至排气导管120。混合室176可构造成接收来自静态混合器142出口150的冷却的燃烧气体166的流以及将冷却的燃烧气体166传递到换热器122上游的排气导管120上。在特定实施例中，混合室176可经由各种管道、导管、阀等等而直接流体地联接至换热器122和/或HRSG。

在特定实施例中，冷却剂172和冷却的燃烧气体166在混合室176中在排气导管120上游混合。这样，冷却剂172可用于进一步降低或者控制换热器122和/或排气导管120上游的冷却的燃烧气体166的温度。冷却剂172可为可与冷却的燃烧气体166混合以用于其预期目的的任何液体或者气体。在一个实施例中，冷却剂172包括水。在一个实施例中，冷却剂172包括蒸汽。

参照图1和3，可使用控制器200来确定期望蒸汽生产能力和产生和/或发送合适的控制信号至流体地联接到涡轮提取端口138中的一个或更多个的各种控制阀178，设置在静态混合器142的压缩机提取端口148和二级入口146之间的一个或更多个控制阀180，和/或至冷却剂喷射系统160的一个或更多个控制阀182(图3)，和/或至设置在喷射器154的吸入口158上游的一个或更多个控制阀184(图1和3)。控制器200可为基于微处理器的处理器，其包括非瞬态存储器，并且具有计算算法的能力。

控制器200可结合GE公司的、诸如由纽约斯科内科塔迪的GE工业&动力系统出版的Rowen，W.I.的“SPEEDTRONIC™MarkV燃气涡轮控制系统”，GE-3658D，所描述的SPEEDTRONIC™燃气涡轮控制系统。该控制器200还可结合具有使用传感器输入和来自人类操作者的指令执行存储在存储器中的程序来控制燃气涡轮操作的(多个)处理器的计算机系统。

在特定的实施例中，控制器200被编程为确定产生期望量的蒸汽流所需要的排气的期望温度，以及调节穿过(多个)阀178的燃烧气体流，穿过(多个)阀180的压缩的空气流，穿过(多个)阀182的冷却剂流，以及穿过阀184通向喷射器154的空气流中的一个或更多个，以实现传送到换热器122的排气混合物168的期望温度。

控制器200可接收输入数据信号，诸如来自设置在静态混合器出口150下游的温度监测器186(图1-3)的燃烧气体温度202，和/或来自设置在混合室116处或者下游的温度监测器188(图2-3)的燃烧气体温度208，和/或来自设置在喷射器154处或者下游和静态混合器142上游的温度监测器190(图2-3)的压缩的空气温度210，和/或来自设置在排气导管120处或者下游和/或换热器122处或者上游的温度监测器192(图1-3)的排气混合物温度211。

控制器200还可接收来自流量监测器132的蒸汽流量数据204和/或来自流量监测器130的蒸汽流量数据206。响应于一个或更多个数据信号202，204，206，208，210，211，控制器200可促动(多个)阀178，180，182，184中的一个或更多个来控制来自涡轮级S1-Sn的燃烧气体流，来自(多个)压缩机提取端口148进入喷射器154和静态混合器142二级入口146的压缩的空气流率，来自冷却剂供应174的冷却剂流率和/或进入喷射器154的吸入口158的空气流率，以产生排气混合物168的期望温度。

来自蒸汽涡轮126的蒸汽流输出可使用流量监测器132来监测。至二级操作的蒸汽流输出可使用流量监测器130来监测。控制器200可促动(多个)阀178，180，182，184中的一个或更多个，以控制来自涡轮级S1-Sn的燃烧气体流，来自(多个)压缩机提取端口148进入喷射器154和静态混合器142二级入口146的压缩的空气流率，来自冷却剂供应174的冷却剂流率和/或进入喷射器154的吸入口158的空气流率中的至少一个，以至少部分地基于流量监测器130，132中的至少一个测量的流量输出而产生排气混合物168的期望温度以提供来自换热器122的期望蒸汽输出。

可分析由控制器200接收的数据信号，诸如燃烧气体温度，排气温度和蒸汽流率，来与蒸汽流的预定的期望量进行比较。控制器200可使用接收的数据信号来确定排气温度的增大是否将是期望的。计算包括确定所需要的蒸汽的量，以及期望的动力的量，以及确定生产期望的量的蒸汽所需要的燃烧气体的温度和量。

在确定换热器122生产期望的蒸汽量所需要的燃烧气体114的期望温度和量之后，控制器200可产生一个或更多个信号212，214，216，218，并且将这些信号发送至合适的(多个)阀178的接收器，以在合适的涡轮级S1，S2，S3，Sn处穿过涡轮壳体134，136提取燃烧气体114。另外，控制器200可将信号220发送至阀180的接收器，以控制从压缩机102提取的且发送到喷射器154的压缩的空气152的流率。控制器200还可将信号222发送至控制阀184(图2)，以控制进入喷射器154的吸入口158的空气164的流率。控制器200还可将信号224发送至阀182，以调整从静态混合器142进入混合室176和/或进入冷却的燃烧气体166的流的冷却剂172的流处于期望的量，以进一步将冷却的燃烧气体166冷却至期望温度。本文所提供的系统或者多个系统自动地混合排气118与冷却的燃烧气体166的流，使得排气混合物温度高于标称排气温度，但是低于换热器122或者HRSG的热极限。

虽然本文已经显示和描述了具体的实施例，但应当认识到，经计算可实现同样目的的任何布置都可替换所示的具体的实施例，且本实用新型在其它环境中具有其它应用。本申请意图覆盖本实用新型的任何改编或者改型。所附的权利要求绝不意图将本实用新型的范围限制于本文所述的具体实施例。