整體渦輪機設備的製作方法

2023-11-09 22:51:52

專利名稱：整體渦輪機設備的製作方法
技術領域：
本文所公開的主題大體上涉及氣化發電設備。更具體而言，本主題公開涉及用於在發電中使用的空氣分離設備。
背景技術：
典型的氣化發電設備使用氧將進料(例如，煤)轉換成燃料氣體用於在燃氣渦輪中燃燒，以便經由連接到燃氣渦輪上的發電機產生電能。在整體氣化發電設備中，從燃氣渦輪的壓縮機供應氧氣從其分離的空氣，因而改善了設備的效率且降低了成本。空氣在燃氣渦輪的壓縮機中壓縮，並且通過使空氣分離單元中的氧氣與壓縮空氣的其它成分分離來由壓縮空氣產生氧氣。常用的一種類型的空氣分離單元為基於膜片的空氣分離單元。在基於膜片的分離單元中，空氣分離發生在高於大約1400F的溫度下，通常在大約1400F至大約 1600F的範圍內。然而，來自於燃氣渦輪壓縮機的壓縮空氣在大約600F至大約1000F的範圍內可用。因此，經由熱交換器或燃料加熱器將壓縮空氣加熱來將溫度升高到所需的1400F至1600F用於在空氣分離單元中使用。使用這種熱交換器會增加附加成本且需要附加的燃料來操作。

發明內容
根據本發明的一方面，提供了一種整體渦輪機設備，且該渦輪機設備包括燃燒器；可操作地連接到燃燒器上且包括壓縮機和渦輪膨脹器的渦輪機；用以使壓縮空氣從壓縮機流過渦輪膨脹器來加熱壓縮空氣的通路；附加通路，採用通過其從渦輪機輸出的高溫流體以加熱壓縮空氣；以及可操作地連接到通路上且構造成用以將加熱的壓縮空氣分離成氧氣和貧氧空氣的空氣分離單元。根據本發明的另一方面，提供了一種整體渦輪機設備，且該渦輪機設備包括燃燒器、可操作地連接到燃燒器且包括壓縮機和渦輪膨脹器的渦輪機、用以使壓縮空氣從壓縮機流過渦輪膨脹器以加熱壓縮空氣的第一通路和第二通路，用以使壓縮空氣從第一通路流動的第三通路、用以使從渦輪膨脹器的出口輸出的高溫流體分流成其第一部分和第二部分的附加通路，附加通路構造成用以至少加熱第二部分且用以至少使加熱的第二部分流動至第一通路、第二通路和第三通路的組合中的一個或至第三通路以繼而加熱其壓縮空氣，以及可操作地連接到第一通路、第二通路和第三通路上且構造成用以將加熱的壓縮空氣分離成氧氣和貧氧空氣的空氣分離單元。根據本發明的又一方面，提供了一種操作整體渦輪機設備的方法，且該方法包括使壓縮空氣沿通路從壓縮機流過渦輪膨脹器以加熱壓縮空氣、使高溫流體沿附加通路從渦輪膨脹器的出口流動、使用附加通路的高溫流體以在壓縮空氣流過渦輪膨脹器之後加熱壓縮空氣，以及將加熱壓縮空氣分離成氧氣和貧氧空氣。這些和其它優點和特徵將從結合附圖的以下描述中變得更為明顯。


視為本發明的主題在說明書的總結處的權利要求中具體指出且明確地主張權利。本發明的前述及其它特徵和優點將從結合附圖的以下詳細說明中顯而易見，在附圖中
圖I為聚焦於渦輪機的整體渦輪機設備的簡 圖2為根據實施例的整體渦輪機設備的簡圖；以及 圖3為根據備選實施例的整體渦輪機設備的簡圖。詳細說明通過參照附圖舉例的方式闡述了本發明的實施例，以及優點和特徵。部件列表· 10 設備
28 燃燒器 16 渦輪機
30燃燒產物 22 壓縮機 220輔助壓縮機
24渦輪膨脹器 18 軸
34 空氣流通路 36 空氣分離單元 40 氧氣 42 空氣 47，48 熱交換器 100，101 基礎流 102 補充流 104 高溫流
105，106 第一部分和第二部分
107又一部分
110又一熱交換系統
111分流器
113第一熱交換單元
114加熱器 1141 電加熱器
115第二熱交換單元
210 備選的又一熱交換系統。
具體實施例方式參看圖I和圖2，提供了一種整體渦輪機設備10。設備10可包括氣化器，氣化器由諸如例如煤的進料來產生燃料氣體。將燃料氣體供應至可操作地連接到渦輪機16上的燃燒器28，渦輪機16例如為燃氣渦輪。燃燒器28燃燒燃料氣體且產生燃燒產物30，燃燒產物30驅動渦輪機16的渦輪軸，其連接到例如發電機上以產生電能。渦輪機16包括沿軸定位且可操作地連接到渦輪膨脹器24上的壓縮機22。空氣流輸入至壓縮機22中，被壓縮並輸出至燃燒器28，以與燃料氣體一起燃燒。將燃燒產物30路由至渦輪膨脹器24以驅動軸18。設備10可包括空氣分尚系統,其將空氣中的氧氣與其它成分分尚開。從壓縮機22轉移在壓縮機輸出溫度下的一部分壓縮空氣流，壓縮機輸出溫度通常是在大約600F至1000F的範圍內。經由第一和第二(即，主)壓縮空氣流通路34中的一個或多個將壓縮空氣流路由至渦輪膨脹器24和/或燃燒器28以提供用於其中的構件的冷卻，這些構件通常在遠高於大約600F至1000F的溫度下操作，且還需要對構件進行此種冷卻來達到使用壽命。在路由通過渦輪膨脹器24之後，在一些實施例中壓縮空氣流現在處於大約1400F至1600F的溫度下，且作為基礎流100、101路由至空氣分離單元36，在一些實施例中，空氣分離單元36基於離子轉運膜片且具有大約1400F至1600F的範圍內的操作溫度，從而便於匹配膨脹器的流出物。如果在一些情況下膨脹器流出物處於小於空氣分離單元36的操作溫度範圍的溫 度，則需要壓縮空氣流的附加加熱，且從壓縮機22輸出的壓縮空氣流可作為補充流102沿第三(即，副)通路流動穿過另一熱交換系統110，以將壓縮空氣流的溫度提高至在空氣分離單元36的操作溫度內。補充流102可從壓縮機22的任何一級或多級行進，或從第一和第二壓縮空氣流通路34中的一個或多個中的任一個行進。當補充流102從第一壓縮空氣流通路34行進的情況下，補充流102的分流可出現在壓縮機22與渦輪膨脹器24之間。一旦壓縮空氣流流至空氣分離單元36，則空氣分離單元36將壓縮空氣流分成低壓高溫氧氣40的流和貧氧空氣42的流。在一些實施例中，貧氧空氣42可經由一個或多個貧氧空氣通路流至渦輪膨脹器24，以驅動軸18的旋轉，因而提高渦輪機16的效率。此外，在一些實施例中，經由一個或多個燃燒器通路來將至少一部分貧氧空氣42從空氣分離單元36路由至燃燒器28且引入燃燒器28中。將貧氧空氣42引入燃燒器28中來與燃料氣體一起燃燒提高了設備10的效率和輸出，且例如減少了從燃燒器28的氮氧化物(NOx)的排放。在一些實施例中，在引入燃燒器28中之前，將貧氧空氣42冷卻至所期望的燃燒器28入口溫度。在又一些實施例中，輔助壓縮機220連接到一個或多個燃燒器通路上。輔助壓縮機220用於通過將附加高壓空氣引入流至燃燒器28的貧氧空氣42的流中來使通過一個或多個燃燒器通路的流動加壓，以進一步提高設備10的效率和功率輸出。可以以許多不同的方式來使用高溫氧氣40的流。例如，在一些實施例中，除進料之外，還可將高溫氧氣40引入氣化器中以產生燃料氣體。可取決於氣化器的輸入要求來改變高溫氧氣40的流。作為另一實例，可在熱交換器47、48，諸如氧氣回流換熱器中冷卻高溫氧氣40的流，在熱交換器47、48中，氧氣40的熱分別與基礎流101和與補充流102交換，補充流102行進至又一熱交換系統110。此外，如果期望更高壓的氧氣40的流，則可將氧氣40的流引入氧氣壓縮機中以將壓力升高至所期望的水平。該設備10的其它實例可使用常規燃氣渦輪燃料，諸如天然氣或油，且產生的氧氣可輸出用於在工業設備中使用。在提供低於空氣分離單元36的操作溫度範圍的溫度下的膨脹器流出物的情況下，又一熱交換系統110加熱補充流102用於將其噴射到空氣分離單兀36中。又一熱交換系統110包括如下文將描述的附加通路和分流器111，分流器111接收作為輸入的高溫流104，高溫流104包括從渦輪機16的出口輸出的在大約1100F至1150F的溫度下的排出氣體。分流器111將高溫流104分成第一部分105和第二部分106。分流器111可聯接到控制單元上，且受控制以調製第一部分105和第二部分106的相對量。第一部分105從分流器111行進至第一部分與其它流體流結合的結合單元。第二部分106從分流器111按順序行進至第一熱交換器單元113和加熱器114。第一熱交換器單元113可為例如自舉型(bootstrap-type)熱交換器，在該熱交換器中，將第二部分106加熱至大約1300F至1400F。加熱器114可例如為焚燒管(duct burner)，焚燒管設有燃料流，且在一些情況下，加熱器114還可包括電熱器1141，電熱器1141將第二部分106加熱至大約1500F至1600F。第二部分106從加熱器114行進至第二熱交換單元115，第二熱交換單元115可例如為排出空氣熱交換器。在第二熱交換單元115處，第二部分106被採用以加熱朝空氣分離單元36行進的基礎流100、101和補充流102的組合。第二部分106從第二熱交換單元115以環路構造行進回到第一熱交換單元113，在第一熱交換單元113中，採用現在已經加熱的第二部分106 來加熱第二部分106。然後，第二部分106作為又一部分107從第一熱交換單元113行進，又一部分107可與第一部分105組合。參看圖3，根據備選實施例提供了備選的又一熱交換系統210。在基礎流100、101的溫度超過空氣分離單元36的操作溫度範圍的情況下，可採用備選的又一熱交換系統210。如圖所示，補充流102分流成流至熱交換器48的一部分和與基礎流100、101組合以冷卻基礎流100、101的剩餘部分。備選的又一熱交換系統210還包括分流器111，分流器111將高溫流104作為輸入接收，如上文所述。另外，分流器111將高溫流104分成第一部分105和第二部分106。第一部分105從分流器111行進至第一部分與其它流體流結合的結合單元。如上文所述，第二部分106從分流器111行進至加熱器114中。第二部分106從加熱器114行進至第二熱交換單元115。在第二熱交換單元115處，第二部分106被採用以加熱引送至熱交換器48且通過熱交換器48的補充流102的一部分。然後，第二部分106可與第一部分105組合。同時，補充流102的一部分從第二熱交換單元115行進，且與基礎流100、101和補充流102的剩餘部分的組合組合在一起。然後，在具有在空氣分離單元36的操作範圍內的溫度時，將該組合提供至空氣分離單元36。儘管本發明結合僅有限數目的實施例進行了詳細描述，但應當容易理解的是，本發明不限於這種公開的實施例。而是，本發明可修改以合併任何數目的目前未描述的、但與本發明的精神和範圍相稱的變型、改變、替換或等同布置。此外，儘管已經描述了本發明的各種實施例，但應當理解的是，本發明的方面可僅包括所述實施例中的一些。因此，本發明並未看作是由前述說明限制，而是僅由所附權利要求的範圍限制。
權利要求
1.一種整體渦輪機設備(10)，包括 燃燒器(28)； 渦輪機(16)，其可操作地連接到所述燃燒器(28)上，且包括壓縮機(22)和渦輪膨脹器(24)； 通路(34)，其用以使壓縮空氣從所述壓縮機(22)流過所述渦輪膨脹器(24)以加熱所述壓縮空氣； 附加通路(104)，通過所述附加通路(104)從所述渦輪機(16)輸出的高溫流體被採用以加熱所述壓縮空氣；以及 空氣分離單元(36)，其可操作地連接到所述通路(34)上，且構造成用以將所述加熱的壓縮空氣分離成氧氣和貧氧空氣。
2.根據權利要求I所述的設備(10)，其特徵在於，還包括沿所述附加通路(104)設置的熱交換器(113，115)，通過所述熱交換器(113，115)將熱從所述高溫流體和所述氧氣傳送至所述壓縮空氣。
3.根據權利要求2所述的設備(10)，其特徵在於，所述熱交換器(113，115)中的一個或多個包括氧氣回流換熱器、排出空氣熱交換器和自舉熱交換器中的一個或多個。
4.根據權利要求I所述的設備(10)，其特徵在於，還包括沿所述附加通路(104)設置的加熱器(114,1141)以加熱所述高溫流體。
5.根據權利要求4所述的設備(10)，其特徵在於，所述加熱器(114，1141)中的一個或多個包括焚燒管。
6.根據權利要求I所述的設備(10)，其特徵在於，所述空氣分離單元(36)包括離子轉運膜片。
7.根據權利要求I所述的設備(10)，其特徵在於，還包括用以使壓縮空氣從所述通路(34)或所述壓縮機(22)流動的副通路(102)。
8.根據權利要求7所述的設備(10)，其特徵在於，所述附加通路(104)構造成使得採用所述高溫流體以加熱所述通路(34)和所述副通路(102)的組合中的所述壓縮空氣。
9.一種整體渦輪機設備(10)，包括 燃燒器(28)； 渦輪機(16)，其可操作地連接到所述燃燒器(28)上，且包括壓縮機(22)和渦輪膨脹器(24)； 第一通路和第二通路(34)，其用以使壓縮空氣從所述壓縮機(22)流過所述渦輪膨脹器(24)以加熱所述壓縮空氣； 第三通路(102)，其用以使壓縮空氣從所述第一通路(34)流動； 附加通路(100，101和104)，其用以使從所述渦輪膨脹器(24)的出口輸出的高溫流體分流成所述高溫流體的第一部分(105)和第二部分(106)，所述附加通路(104)構造成用以至少加熱所述第二部分且至少使所述加熱的第二部分流動至所述第一通路、所述第二通路和所述第三通路的組合中的一個或至所述第三通路以繼而加熱其壓縮空氣；以及 空氣分離單元(36)，其可操作地連接到所述第一通路、所述第二通路和所述第三通路上，且構造成用以將所述加熱的壓縮空氣分離成氧氣和貧氧空氣。
10.根據權利要求9所述的設備(10)，其特徵在於，所述第三通路(102)構造成用以使所述壓縮空氣從限定在所述壓縮機(22)與所述渦輪膨脹器(24)之間的所述第一通路的位 置流動。
全文摘要
提供了一種整體渦輪機設備(10)，且該設備(10)包括燃燒器(28)；可操作地連接到燃燒器(28)上且包括壓縮機(22)和渦輪膨脹器(24)的渦輪機(16)；用以使壓縮空氣從壓縮機(22)流過渦輪膨脹器(24)以加熱壓縮空氣的通路(34)；附加通路(104)，採用通過其從渦輪機(16)輸出的高溫流體以加熱壓縮空氣；以及可操作地連接到通路上且構造成用以將加熱的壓縮空氣分離成氧氣和貧氧空氣的空氣分離單元(36)。
文檔編號F02C6/00GK102953822SQ20121030334
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月24日 優先權日2011年8月24日
發明者A.K.阿南德, J.E.肖爾斯, V.穆泰亞 申請人:通用電氣公司