在底蒸汽循環中使用燃氣輪機中間冷卻器熱的系統和方法

2023-07-11 20:01:11

專利名稱：在底蒸汽循環中使用燃氣輪機中間冷卻器熱的系統和方法
技術領域：
本發明大體涉及燃氣輪機發動機，並且更具體而言，涉及用於抽取來自燃氣輪機的中間冷卻器的熱且在蒸汽循環中使用該熱的系統和方法。
背景技術：
在串行流布置中，燃氣輪機發動機大體包括用於壓縮流過發動機的空氣的高壓壓縮機、燃料與壓縮空氣在其中混合且被點燃而形成高溫氣體流的燃燒器，以及高壓渦輪。高壓壓縮機、燃燒器和高壓渦輪有時統稱為核心發動機。至少一些已知的燃氣輪機發動機還包括用於對高壓壓縮機供應壓縮空氣的低壓壓縮機或增壓器。燃氣輪機發動機用於許多應用中，包括航空器、動力產生和船舶應用。當然，期望的發動機運行特性在不同的應用之間有所不同。更具體而言，在一些應用內，燃氣輪機發動機可包括單個環形燃燒器，其包括有助於減少氮氧化物(NOx)排放的噴水系統。備選地，在其它已知的應用內，燃氣輪機發動機可包括乾式低排放(DLE)燃燒器。燃氣輪機單獨具有有限的效率，並且在熱的排氣排到周圍環境中時浪費了大量有用的能量。為了改進燃氣輪機動力裝置的效率和使用這個熱來產生另外的動力，許多燃氣輪機都配備有熱回收蒸汽發生器和蒸汽循環。這被稱為聯合循環。中間冷卻燃氣輪機發動機可包括可為單個環形燃燒器、環罐式燃燒器或DLE燃燒器的燃燒器。雖然使用中間冷卻器有助於提高發動機的效率，但是被中間冷卻器剔除的熱未被燃氣輪機發動機利用，而且來自中間冷卻燃氣輪機或壓縮機的中間冷卻器熱通常被浪費了。在一些應用中，冷卻塔在低溫水平處將中間冷卻器熱排到周圍環境中。存在對用於抽取來自燃氣輪機的中間冷卻器的熱且在蒸汽循環中使用該熱的系統和方法的需要。

發明內容
根據一個實施例，一種聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動力裝置包括燃氣輪機；燃氣輪機中間冷卻器；蒸汽輪機；以及熱回收蒸汽發生器(HRSG)，其構造成響應於接收自燃氣輪機中間冷卻器的經加熱流體來產生蒸汽來驅動蒸汽輪機。根據另一個實施例，一種聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動力裝置包括燃氣輪機；燃氣輪機中間冷卻器；蒸汽輪機；以及在蒸汽循環中連接到低壓燃氣輪機壓縮機的下遊和高壓燃氣輪機壓縮機的上遊的熱回收蒸汽發生器(HRSG)，其中，HRSG構造成響應於通過燃氣輪機中間冷卻器而接收到的傳熱介質來產生蒸汽來驅動蒸汽輪機。根據又一個實施例，一種聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動力裝置包括燃氣輪機；燃氣輪機中間冷卻器；蒸汽輪機 ；以及熱回收蒸汽發生器(HRSG)，其中，燃氣輪機中間冷卻器構造成回收中間冷卻熱，以及使用基本所有回收的熱來產生熱水和蒸汽來驅動蒸汽輪機。


當參照附圖來閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其它特徵、方面與優點將變得更好理解，其中圖I是包括中間冷卻器系統的燃氣輪機發動機的框圖；以及圖2示出了根據一個實施例的聯合循環動力裝置。雖然上面標識的繪圖闡述了特定的實施例，但是也構想了本發明的其它實施例，如論述中提到的那樣。在所有的情況下，本公開以代表而非限制的方式來提供本發明的示出的實施例。本領域技術人員可設計出落在本發明的原理的範圍和精神內的許多其它修改和實施例。部件列表10燃氣輪機發動機12中間冷卻器系統14低壓壓縮機16高壓壓縮機18燃燒器20高壓渦輪22中間渦輪24動力渦輪機26低壓壓縮機入口28低壓壓縮機出口3O聞壓壓縮機入口32聞壓壓縮機出口34燃燒器入口36燃燒器出口40第一轉子軸42第二轉子軸43縱向中心線軸線44動力渦輪機軸50中間冷卻器53空氣流徑
55經冷卻壓縮空氣58冷卻流體60中間冷卻器入口62中間冷卻器出口100聯合 蒸汽循環動力裝置104熱回收蒸汽發生器(HRSG)110蒸汽輪機112蒸汽輪機高壓區段114蒸汽輪機中壓區段116蒸汽輪機低壓區段120冷凝器122補充水124集水器126熱的給水或飽和蒸汽128高壓蒸汽流130中壓蒸汽流132低壓蒸汽流
具體實施例方式圖I是包括中間冷卻器系統12的燃氣輪機發動機10的框圖。以串行流關係，燃氣輪機發動機10包括低壓壓縮機或增壓器14、高壓壓縮機16、環罐式燃燒器18、高壓渦輪20、中間渦輪22和動力渦輪機或自由渦輪24。低壓壓縮機或增壓器14具有入口 26和出口28，而高壓壓縮機16包括入口 30和出口 32。各個燃燒器罐18具有與高壓壓縮機出口 32基本一致的入口 34，以及出口 36。在另一個實施例中，燃燒器18是環形燃燒器。在另一個實施例中，燃燒器18是乾式低排放(DLE)燃燒器。高壓渦輪20通過第一轉子軸40來聯接到高壓壓縮機16上，而中間渦輪22通過第二轉子軸42來聯接到低壓壓縮機14上。轉子軸40和42各自相對於發動機10的縱向中心線軸線43基本同軸地對準。發動機10可用來驅動可聯接到動力渦輪機軸44上的負載(未顯示)。備選地，負載可聯接到轉子軸42的前部伸出部(未顯示)上。在運行中，被吸入低壓壓縮機入口 26中的環境空氣被壓縮，並且被向下遊引導到高壓壓縮機16。高壓壓縮機16進一步壓縮空氣，並且將高壓空氣輸送給燃燒器18，在燃燒器18中，高壓空氣與燃料混合，並且該混合物被點燃而產生高溫燃燒氣體。燃燒氣體被從燃燒器18引導出，以驅動一個或多個渦輪20、22和24。發動機10的動力輸出至少部分地與沿著氣體流徑在各種位置處的氣體流的運行溫度有關。更具體而言，在該示例性實施例中，在發動機10的運行期間，密切監測在高壓壓縮機出口 32處的氣體流的運行溫度。降低進入高壓壓縮機16的氣體流的運行溫度有助於減小聞壓壓縮機16所需的動力輸入。為了幫助降低進入高壓壓縮機16的氣體流的運行溫度，中間冷卻器系統12包括以流連通的方式聯接到低壓壓縮機14上的中間冷卻器50。在經冷卻空氣55返回到高壓壓縮機16之前，來自低壓壓縮機14的空氣流53被引導到中間冷卻器50以進行冷卻。在運行期間，中間冷卻器50具有流過其中以移除從氣體流徑中抽取出的能量的冷卻流體58。在一個實施例中，冷卻流體58是空氣，並且中間冷卻器50是空氣-空氣熱交換器。在另一個實施例中，冷卻流體58是水，並且中間冷卻器50是空氣-水熱交換器。中間冷卻器50從壓縮空氣流徑53中抽取熱能，並且將經冷卻壓縮空氣55引導到高壓壓縮機16。更具體而言，在該示例性實施例中，中間冷卻器50包括冷卻流體58循環通過其中的多個管(未顯示)。熱通過多個管壁(未顯示)從壓縮空氣53中傳遞給通過入口 60而供應給中間冷卻器50的冷卻流體58。因此，中間冷卻器50有助於在低壓壓縮機14和高壓壓縮機16之間剔除熱。降低進入高壓壓縮機16的空氣的溫度有助於減少被高壓壓縮機16消耗來將空氣壓縮到期望的運行壓力的能量，以及從而有助於允許設計者提高燃氣輪機發動機的壓力比，這導致從燃氣輪機發動機10中抽取出的能量的增加以及導致燃氣輪機10有高的淨運行效率。在一個示例性實施例中，給水流過中間冷卻器50，以移除從氣體流徑53中抽取出 的能量，以及起冷卻流體58的作用。給水被加熱或者變成低壓(LP)蒸汽，或者是它們的組合，如本文進一步詳細描述的那樣。用這種方式，如果在較高的溫度(理想地接近熱的壓縮入口空氣的溫度)處抽取，則抽取出的熱對於底循環發電可為有用的促進因素。是僅加熱給水還是產生蒸汽是優選的，取決於底循環構造、需要的給水質量流量和中間冷卻器溫度。能量考慮建議，中壓或高壓給水加熱可從中間冷卻器熱中產生最高的可用功；但是，待加熱的給水的量可多於底循環所需要，並且可比得上HRSG節熱器。低壓預熱和蒸汽發生是備選方案。在典型的狀況下，能量產生部分可大於可用的中間冷卻器熱的百分之二十(20)%。對於給水應用，中間冷卻器50可包括高效率的逆流或交叉逆流熱交換器，以從中間冷卻空氣中獲得有用的熱。一個適當的構造可包括例如封閉在壓力殼內的螺旋管式鰭管熱交換器。根據一方面，可使用中間冷卻器50來通過利用可得自適當的熱交換器中的熱空氣的熱的相當大的一部分來產生熱給水或飽和蒸汽。處於有助於低至100°c的溫度處的蒸發的低壓的這個熱給水或飽和蒸汽被供給到熱回收蒸汽發生器(HRSG)(參照圖2在本文中對其進行進一步詳細描述)中的蒸發器(如果是熱給水)或過熱器(如果是飽和蒸汽)中，並且被準許進入低壓渦輪，也在本文中進一步詳細描述了低壓渦輪。額外的蒸汽然後產生額外的電力。圖2示出了根據一個實施例的聯合循環動力裝置100。動力裝置100包括具有燃燒系統18和渦輪20的高壓燃氣輪機系統10。對於一個特定的應用，離開渦輪20的氣體可在例如大約45psi的壓力處。動力裝置100進一步包括蒸汽輪機系統110。蒸汽輪機系統110包括高壓區段112、中壓區段114和一個或多個低壓區段116。低壓區段116排到冷凝器120中。蒸汽輪機系統100與熱回收蒸汽發生器(HRSG) 104相關聯。根據一個實施例，HRSG104是逆流熱交換器，使得在給水傳送通過其中時，水被加熱，而來自渦輪16的排氣放熱且變得較冷。HRSG 104具有三種(3個)不同的運行壓力(高、中和低)，意欲在蒸氣供給到蒸汽輪機系統110的對應的級時，產生處於各種壓力和溫度的蒸汽。但是，本發明不限於此；並且可理解，使用本文描述的原理，諸如包括二壓力HRSG的那些實施例的其它實施例也將是有用的。HRSG 104的各個區段大體包括一個或多個節熱器、蒸發器和過熱器。HRSG 104使用渦輪20排氣的熱來產生三個(3個)蒸汽流，即高壓蒸汽流128、中壓流130和低壓蒸汽流132。這三個蒸汽流進入高壓蒸汽輪機112、中壓蒸汽輪機114和低壓蒸汽輪機116而產生動力。從高壓蒸汽輪機112中抽取出的高壓蒸汽流被噴射到燃氣輪機燃燒器18。在離開低壓蒸汽輪機116之後，蒸汽流進入冷凝器120，在冷凝器120中，蒸汽冷凝 成液體水。離開冷凝器120的液體水與補充水122和來自HRSG104的殘餘水一起進入集水器 124。合適量的水被從集水器124泵送到HRSG 104，在HRSG 104中，水吸收來自的高壓燃氣輪機排氣的熱而產生需要的蒸汽流。三個蒸汽流進入蒸汽輪機112、114、116而完成底循環。根據一個實施例，聯合循環動力裝置100進一步包括如之前參照圖I在本文中描述的那樣運行的燃氣輪機中間冷卻器50。中間冷卻器50可包括例如本文所陳述的高效率的逆流或交叉逆流熱交換器，以通過利用可得自熱空氣流53的熱的相當大的一部分來產生熱給水或飽和蒸汽126。處於有助於低至100°C的溫度處的蒸發的低壓處的這個熱給水或飽和蒸汽126被供給到HRSG中的蒸發器(如果是熱給水)或過熱器(如果是飽和蒸汽)中，並且隨後被準許進入低壓渦輪116。額外的蒸汽然後產生額外的電力，如本文所陳述的那樣。照這樣，有利地提高了系統效率，同時減小了冷卻系統的大小。概括起來闡述，在本文中描述了這樣的系統和方法其用於獲得大量中間冷卻器熱，以及在燃氣輪機底循環中用該熱產生額外的電力，因而基本消除了廢熱。因為熱以蒸汽熱給水的形式結合到底循環中，所以不需要重大的額外投資。發明人認識到，即便由於對應的低溫(一個或多個)的原因而很少採用中間冷卻器熱，以及不管採用中間冷卻器的大型燃氣輪機的數量如何小，都有前述優點。雖然在多種特定的實施例方面描述了本發明，但是本領域技術人員將認可，可用在權利要求的精神和範圍內的修改方案來實踐本發明。
權利要求
1.一種聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動カ裝置(100)，包括 燃氣輪機(10)； 燃氣輪機中間冷卻器(50)； 蒸汽輪機(110);以及 熱回收蒸汽發生器(104)，其構造成響應於接收自所述燃氣輪機中間冷卻器(50)的經加熱流體(126)而產生蒸汽來驅動所述蒸汽輪機(110)。
2.根據權利要求I所述的聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動カ裝置(100)，其特徵在於，所述經加熱流體(126)包括水。
3.根據權利要求I所述的聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動カ裝置(100)，其特徵在於，所述經加熱流體(126)包括蒸汽。
4.一種聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動カ裝置(100)，包括 燃氣輪機(10)； 燃氣輪機中間冷卻器(50)； 蒸汽輪機(110);以及 在蒸汽循環中連接到低壓燃氣輪機壓縮機(14)的下遊和高壓燃氣輪機壓縮機(16)的上遊的熱回收蒸汽發生器(HRSG) (104)，其中，所述HRSG(104)構造成響應於通過所述燃氣輪機中間冷卻器(50)而接收到的傳熱介質(126)而產生蒸汽來驅動所述蒸汽輪機(110)。
5.根據權利要求4所述的聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動カ裝置(100)，其特徵在於，所述傳熱介質(126)包括水。
6.根據權利要求4所述的聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動カ裝置(100)，其特徵在於，所述傳熱介質(126)包括蒸汽。
7.根據權利要求4所述的聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動カ裝置(100)，其特徵在於，所述燃氣輪機中間冷卻器(50)包括逆流或交叉逆流熱交換器。
8.根據權利要求4所述的聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動カ裝置(100)，其特徵在於，所述燃氣輪機中間冷卻器(50)包括封閉在壓カ殼內的螺旋管式鰭管熱交換器。
9.一種聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動カ裝置(100)，包括 燃氣輪機(10)； 燃氣輪機中間冷卻器(50)； 蒸汽輪機(110);以及 熱回收蒸汽發生器(HRSG) (104)，其中，所述燃氣輪機中間冷卻器(50)構造成回收熱，以及使用基本所有回收的熱來產生熱水和蒸汽來驅動所述蒸汽輪機(110)。
10.根據權利要求9所述的聯合燃氣輪機和蒸汽輪機動カ裝置(100)，其特徵在於，所述傳熱介質(126)是水或蒸汽。
全文摘要
本發明涉及在底蒸汽循環中使用燃氣輪機中間冷卻器熱的系統和方法。一種蒸汽循環動力裝置(100)包括燃氣輪機(10)、燃氣輪機中間冷卻器(50)、蒸汽輪機(110)和熱回收蒸汽發生器(HRSG)(104)。燃氣輪機中間冷卻器(50)回收燃氣輪機(10)產生的未利用的熱，並且傳遞基本所有回收的熱來產生額外的蒸汽來驅動蒸汽輪機(110)。
文檔編號F01K23/04GK102628381SQ20111046040
公開日2012年8月8日 申請日期2011年12月23日 優先權日2010年12月23日
發明者K·C·博德克, P·S·赫克, R·博德克, S·W·弗羅因德, T·J·弗裡 申請人:通用電氣公司