設計成利於隨後改造為與包括碳捕獲設施的發電廠工作的蒸汽渦輪機的製作方法

2023-09-23 05:44:55 1

專利名稱：設計成利於隨後改造為與包括碳捕獲設施的發電廠工作的蒸汽渦輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及蒸汽渦輪機，特別是涉及設計成利於隨後改造為與包括 碳捕獲設施的發電廠工作的蒸汽渦輪機。
背景技術：
近來，越來越多的人一致認為全球變暖和由此引起的氣候變化是對 未來社會經濟穩定性的嚴重威脅。這引發了對於碳捕獲和存儲-所謂 的"碳截存"-作為持續使用化石燃料而不釋放二氧化碳到大氣中的 途徑的興趣。不幸的是，碳捕獲和截存技術還沒有完全發展。此外， 設計發電廠以捕獲它們產生的碳很可能顯著地降低其效率。因而，大 多數化石燃料發電廠仍建造成沒有配備未來的碳捕獲。因此，政府很 可能制定規定和/或提供激勵，使得發電廠設計成易於用碳捕獲設備改
型；即，它們將設計成使得它們"便於碳捕獲(carbon capture ready )"。 迄今為止，發電廠的蒸汽渦輪機通常構建成在它們整個壽命期間基 於特定熱力循環工作。然而，取決於所採用的碳捕獲措施，將發電廠 用碳捕獲設備改型將需要蒸汽渦輪機的改造。因而，本發明的目的在 於提供一種蒸汽渦輪機，該蒸汽渦輪機在設計和製造之後易於以最小 花費改造成適應於在隨後增加到發電站的碳捕獲設備的需要。

發明內容
根據本發明， 一種便於碳捕獲的發電廠，包括鍋爐和具有多個級的 蒸汽渦輪機，其中，為了利於所述發電廠在建造後改造為包括需要過 程蒸汽的碳捕獲過程，所述蒸汽渦輪機比容納所述多個渦輪機級所需 要的長度長額外長度，所述額外長度足以在建造後改造期間在渦輪機 出口處容納至少一個其它渦輪機級，使得在改造之後，所述渦輪機可 工作成在其出口處具有增加的膨脹比和增加的體積流率，籍此允許蒸 汽從渦輪機出口排放以供應需要的過程蒸汽。
優選地，所述額外長度足以在渦輪機出口處容納至少兩個其它渦輪可以想到，所述蒸汽渦輪機應當是中壓蒸汽渦輪機，可操作從高壓 蒸汽渦輪機接收蒸汽並以第 一體積流率傳輸蒸汽給低壓蒸汽渦輪機。 在改造之後，所述中壓蒸汽渦輪機將可操作在以所述第 一體積流率傳 輸蒸汽給低壓蒸汽渦輪機時以第二體積流率傳輸過程蒸汽。
本發明還包括 一 種蒸汽渦輪機，所述蒸汽渦輪機構建成利於隨後改 造成以碳捕獲模式工作，作為包含碳捕獲設施的發電廠的一部分，所
述渦輪才幾包括 渦輪機轉子； 渦輪機殼體；和 多個渦輪機級；
其中，在渴輪機的初始製成狀況中，所述渦輪機轉子和渦輪機殼體
各比容納所述多個渦輪機級所需要的長度長相應長度r和c，所述長度r
和c足以在隨後改造期間在渦輪機出口處容納至少 一個其它渦輪機級，
使得在改造之後，所述渦輪機將工作成在其出口處具有增加的膨脹比 和增加的體積流率。
優選地，所述額外長度r和c足以在渦輪機出口處容納至少兩個其它 渦輪機級。在製造渦輪機時，所述渦輪機轉子和渦輪機殼體的額外長 度r和c可分別調節為容納額外級，或這種調節可以在渦輪機隨後改造用 於碳捕獲期間進行。當然可以在製造時僅部分調節渦輪機轉子和渦輪 機殼體且在渦輪才幾隨後改造期間完成調節。
容納額外級的調節可包括在渦輪機轉子的額外長度r和/或渦輪機 殼體的額外長度c中機加工的部件特徵，以適應其它渦輪機級中的互補 部件特徵。在此情況下，整流機構應當設置在渦輪機轉子和/或渦輪機 殼體上，以避免在流經渦輪機的流動中由於在渦輪機轉子和/或渦輪機 殼體的額外長度中存在未使用的部件特徵引起的紊流。
應當理解的是，在根據本發明的渦輪機中，在未來某些時刻預期容 納額外渦輪機級將有必要在初始設計和製造期間對其它渦輪機械部件 設計合適的尺寸。因而，渦輪機殼體和渦輪機出口通道的流動面積必 須設計成適應於在改造用於碳捕獲之後將遇到的最大體積流率。
在軸流式渦輪機中每個渦輪機級將包括固定葉片和活動葉片。本發 明同樣可應用於盤和隔寺反式渦輪4幾(稱為"沖動式"渦輪4幾)和反作作用式渦輪機中，靜葉片具有固定在渦輪機殼體中 的外部和密封地面對渦輪機轉子的內部，所述活動葉片具有安裝在鼓 式渦輪機轉子中的根部和密封地面對渦輪機殼體的徑向外端部。在盤 和隔板式渦輪機中，內環和外環運動地支撐固定葉片，所述外環安裝 在渦輪機殼體中。


現在將參考附圖描述本發明的示範性實施例，在附圖中 圖1圖示了根據本發明的處於其製造狀況的蒸汽渦輪機；和 圖2圖示了在隨後改造之後的同 一渦輪機，從而實現更適合結合碳 捕獲設施操作的不同熱力循環。
具體實施例方式
電廠的蒸汽渦輪機。所述渦輪機包括製造成以特定膨脹比操作並以特 定蒸汽體積流率供應低壓渦輪機的中壓UP)渦輪機。IP渦輪機製成在 其轉子和殼體中具有額外長度，以允許在不增加其總體製成長度的情 況下隨後增加額外渦輪機級，所述額外渦輪機級用以增加其出口處的 渴輪機膨脹比和體積流率。在增加額外級之後，得到的附加體積流量 的過程蒸汽能夠從IP渦輪機出口排放以供給燃燒後碳捕獲過程，而不影 響IP渦輪機用原始體積流率的蒸汽供應低壓渦輪機的能力。
現在參考圖l，軸流式蒸汽渦輪機l是"便於碳捕獲"化石燃料發電 站的一部分，其中渦輪機從鍋爐接收高壓蒸汽，為了最大裝置效率優 選為超臨界狀態。蒸汽連續膨脹通過高壓(HP)渦輪機(未示出)、 中壓(IP)渦輪機IO、和低壓(LP)渦輪機(未示出)，所有這些渦 輪機從蒸汽中提取能量來驅動發電機(未示出)，發電機由渦輪機轉 子12驅動。
此外，IP渦輪機10還包括渦輪機轉子12、渦輪機殼體14和多個渦輪 機葉片級16。在該特定情況下，有九個渦輪機級16,但是根據設計要 求當然可以有更多或更少的級。
每個IP渦輪機級16包括固定葉片18和活動葉片20。在本示例中，渦 輪機構造成盤和隔板式渦輪機(通常稱為沖動式渦輪機)，因此固定
6葉片18由內環和外環22, 24分別運動地支撐，每個外環24安裝在渦輪 機殼體14中的環形凹部25中，每個內環22佔據轉子12的連續盤邊緣或 "頭"部26之間的環形室27 (各個盤之間的分割線未顯示，因為盤已 經在轉子製造過程期間焊接在一起從而轉子是單個單元)。內環22的 徑向內表面密封地面對外部轉子表面位於盤頭部26之間的部分。如本 行業熟知的那樣，可以設置迷宮式密封件、刷式密封件或類似物(未 示出)以密封內環22和轉子表面之間的間隙。關於活動葉片20,在該 特定設計中，它們具有根部28,根部28藉助於銷接的根部設置固定到 轉子12的盤邊緣部分26,這也是熟知的。活動葉片20的末端設置有罩 或蓋部分30,其外表面密封地面對渦輪機殼體14上的相應平臺32。同 樣，可以設置迷宮式密封件、刷式密封件或類似物(未示出)以密封 罩30和平臺32之間的間隙。
從圖l可以清楚，在渦輪機l的製成狀況中，渦輪片幾轉子12和渦輪機 殼體14各比容納所示九個渦輪機級所需要的長度長相應長度r和c。實際 上，在所示示例中，長度r和c足以在渦輪機隨後改造期間容納兩個其它 渦輪機級。換句話說，渦輪機比容納如圖l所示數量的渦輪機級所需要 的長度長額外長度，所述額外長度足以容納其它渦輪機級，這將使得 它適合於以"碳捕獲"模式操作，如下文闡述的那樣。
從圖1可以看出，渦輪機轉子12已經在其製造時調節為容納額外級， 其中該部件特徵已經預先機加工成渦輪機轉子12和渦輪機殼體14的額 外長度r和c,以容納額外渦輪機級的互補部件特徵。具體而言，盤頭部 26A和環形室27A已經機加工成轉子的額外長度r。類似地，密封平臺 32A和居中凹部25A已經機加工成殼體的額外長度c。然而，雖然用於接 收額外級的渦輪機轉子和渦輪機殼體的額外長度的全部預調節是可行 的，但是它們僅僅部分調節。例如，附加盤頭部26A沒有最終機加工成 接收額外活動葉片的銷接根部。因而，在該特定實施例中，額外渦輪 機級的調節必須在渦輪機隨後改造期間完成。
應當注意處於製成狀況的圖1渦輪機的附加特徵。技術人員將清楚， 接收最後的額外級的轉子12和殼體14的全部或部分預調節需要設置可 拆卸的整流器或類似物，以避免流經渦輪機的流動中的過多紊流。否 則，這種紊流將由渦輪機轉子和渦輪機殼體的額外長度r和c中的未使用 特徵(如室27A和凹部25A)產生。在圖l中，這種整流器採用內部擴壓器環34 (在轉子12的盤頭部26A和室27A中整流)和外部擴壓器環36 (在殼體14的凹部25A和平臺32A中整流)的形式。內部擴壓器環34固 定到渦輪機10的靜止結構38,但是可以可替換地固定到轉子。然而， 固定到靜止結構是優選的，因為轉子周邊不需要額外調節且擴壓器環 34不需要設計成承受旋轉應力。
在可替換實施例(未示出)中，容納額外級所需要的轉子和殼體的 所有調節被推遲直到需要改造用於碳捕獲。因而，在該可替換實施例 中，額外長度r和c將看起來是平坦的，僅分別機加工至轉子外輪廓和殼 體內輪廓。為了避免完全需要單獨的內部和外部擴壓器環用作整流器， 可以機加工轉子和定子的額外長度r和c,使得轉子外輪廓和殼體內輪廓 包括渦輪機出口的必要擴壓輪廓。
圖2示出了通過增加兩個額外渦輪機級16A改造用於碳捕獲的渦輪 機l。圖1所示的大內部擴壓器環34已經移開並用小環34A取代以保持渦 輪機出口通道40的輪廓。盤頭部26A已經精加工以容納額外渦輪機級 16A的活動葉片20A的銷接根部28A。圖1的外部擴壓器環36, 37也已經 移開並用兩個附加隔板的外環24A取代。
儘管參考圖1和2的上述描述已經集中於提供便於改造以改變其熱 力循環用於碳捕獲目的的渦輪機結構，但是也應當理解的是，額外渦 輪機級的預期調節將有必要在初始設計和製造期間對其它渦輪機械部 件設計合適的尺寸。例如，渦輪機殼體14和渦輪機出口通道40的流動 面積必須設計成適應於在改造用於碳捕獲之後將遇到的最大體積流 率。
回到圖1,發電廠設計成便於碳捕獲機構的需要使得在其構造之後 某些時刻當大規模碳捕獲技術充分發展並要求裝配時，合適的燃燒後 碳捕獲過程能夠以最小的花費增加到該裝置中。除此之外，這需要在 產生用於蒸汽渦輪機l的蒸汽的鍋爐下遊增加二氧化碳淨氣器。這種淨 氣器需要大質量流率的增壓過程蒸汽，這能夠通過在LP渦輪機進口之 前從IP渦輪機出口通道40排放蒸汽提供。這說明需要設計IP渦輪機IO 使得它具有足以適應於在裝置改造用於碳捕獲之後可能處理的最大體 積流率的容量。因此，在發電廠改造之前，IP渦輪機10將在其出口處低 於其最大體積流率操作，體積流率和膨脹比與之後的LP渦輪機的進口 容量和壓力匹配。在改造之後，雖然在IP渦輪機排氣處的質量流量保持
8大致恆定，但是LP進口的質量流量將顯著降低，因為一部分IP排氣流 提取到碳捕獲裝置。這導致IP排氣壓力的降低和因此IP渦輪機排氣處的 體積流量的增加。這將需要IP渦輪機以增加的膨脹比操作。在本實施例
中，增加的膨脹比通過增加兩個額外渦輪機級16A調節。在過程蒸汽已 經從IP渦輪機出口排出之後，進入LP渦輪機進口的體積流率將等於其 原始設計容量。
應當理解的是，在圖1和2中用於增加兩個渦輪機級的配置僅僅是示 例。所需要的額外級的實際數量將取決於碳捕獲所需要的過程蒸汽的 質量流率，這繼而取決於發電廠的尺寸和所選擇的具體碳捕獲系統的參數。
雖然圖1和2圖示了盤和隔板式或衝動式渦輪機，但是本發明能夠同 樣應用於反作用式渦輪機，其中靜葉片的外部直接固定在渦輪機殼體 中，且活動葉片的根部安裝在鼓式轉子的凹槽中。
本發明可實現幾個優勢
渦輪機在改造前後都具有最優性能；
改造成本最小化；
在改造期間必須扔棄的部件數量最小化；
裝置的壽命經濟性相對於沒有從一開始設置有便於碳捕獲渦輪機 的裝置得到改進。
本發明僅通過示例的方式在上文描述，且能夠在本發明要求保護的 範圍內進行變型。本發明也包括在此描述或隱含的或附圖中顯示或隱 含的任何單獨部件特徵，或任何這種特徵的任何組合，或任何這種特 徵或組合的概括(擴展到其等價物)。因而，本發明的寬度和範圍不 應受上述任何示範性實施例限制。說明書(包括權利要求書和附圖) 中公開的每個特徵可以由起相同、等價或類似作用的可替換特徵取代，
除非另有聲明。
說明書中現有技術部分的任何討論不是表明這種現有技術是廣為 人知的或形成本領域公知常識的 一部分。
除了另有清楚要求，在說明書和權利要求書中，詞"包括"、"包 含"等應當理解為包含性的，而不是排他性或排除的意思；即，是"包 括但不限於"的意思。
9
權利要求
1. 一種蒸汽渦輪機，所述蒸汽渦輪機構建成利於隨後改造成以碳捕獲模式工作，作為包含碳捕獲設施的發電廠的一部分，所述渦輪機包括渦輪機轉子；渦輪機殼體；和多個渦輪機級；其中，在渦輪機的初始製成狀況中，所述渦輪機轉子和渦輪機殼體各比容納所述多個渦輪機級所需要的長度長相應長度r和c，所述長度r和c足以在隨後改造期間在渦輪機出口處容納至少一個其它渦輪機級，使得在改造之後，所述渦輪機將工作成在其出口處具有增加的膨脹比和增加的體積流率。
2. 根據權利要求l所述的蒸汽渦輪機，其中，所述額外長度r和c 足以在渦輪機出口處容納至少兩個其它渦輪機級。
3. 根據權利要求1或2所述的蒸汽渦輪機，其中，在渦輪機的初始 製成狀況中，所述渦輪機轉子和渦輪機殼體的額外長度r和c分別被至少 部分預調節以容納額外級。
4. 根據權利要求3所述的蒸汽渦輪機，其中，容納額外級的調節包 括在渦輪機轉子的額外長度r和/或渦輪機殼體的額外長度c中機加工的 部件特徵，以適應其它渦輪機級中的互補部件特徵。
5. 根據權利要求4所述的蒸汽渦輪機，其中，整流機構設置在渦輪 機轉子和/或渦輪機殼體上，以避免在流經渦輪機的流動中由於在渦輪流。
6. 根據前述權利要求中任何一項所述的蒸汽渦輪機，其中，所述 蒸汽渦輪機是中壓蒸汽渦輪機，可操作從高壓蒸汽渦輪機接收蒸汽並 以第 一 體積流率傳輸蒸汽給低壓蒸汽渦輪機。
7. 根據權利要求6所述的蒸汽渦輪機，其中，在改造之後，所述中 壓蒸汽渦輪機可操作在以所述第一體積流率傳輸蒸汽給低壓蒸汽渦輪 機時以第二體積流率傳輸過程蒸汽。
8. —種便於碳捕獲的發電廠，包括鍋爐和具有多個級的蒸汽渦輪機，其中，為了利於所述發電廠在建造後改造為包括需要過程蒸汽的 碳捕獲過程，所述蒸汽渦輪機比容納所述多個渦輪機級所需要的長度 長額外長度，所述額外長度足以在建造後改造期間在渦輪機出口處容 納至少一個其它渴輪機級，使得在改造之後，所述渦輪機可工作成在 其出口處具有增加的膨脹比和增加的體積流率，籍此允許蒸汽從渦輪 機出口排放以供應需要的過程蒸汽。
9. 根據權利要求8所述的發電廠，其中，所述額外長度足以在渦輪 機出口處容納至少兩個其它渦輪機級。
10. 根據權利要求8或9所述的發電廠，其中，所述額外長度被至少 部分預調節以容納額外級。
11. 根據前述權利要求中任何一項所述的發電廠，其中，所述蒸汽 渦輪機是中壓蒸汽渦輪機，可操作從高壓蒸汽渦輪機接收蒸汽並以第 一體積流率傳輸蒸汽給低壓蒸汽渦輪機。
12. 根據權利要求ll所述的發電廠，其中，在改造之後，所述中壓 蒸汽渦輪機可操作在以所述第 一 體積流率傳輸蒸汽給低壓蒸汽渦輪機 時以第二體積流率傳輸過程蒸汽。
全文摘要
一種用於便於碳捕獲的化石燃料發電廠的蒸汽渦輪機1，包括中壓(IP)渦輪機10，中壓渦輪機製造成以特定膨脹比工作並以特定蒸汽體積流率供應低壓渦輪機。IP渦輪機10製造成在其轉子12和殼體14中具有額外長度r和c，以允許隨後增加額外渦輪機級，所述額外渦輪機級用以在不增加其總體製成長度的情況下增加其出口處的渦輪機膨脹比和體積流率。在增加額外級之後，附加體積流率的過程蒸汽能夠從IP渦輪機出口排出以供給燃燒後碳捕獲過程，而不影響IP渦輪機將原始體積流率的蒸汽供應給低壓渦輪機的能力。
文檔編號F01D25/24GK101506477SQ200780031751
公開日2009年8月12日 申請日期2007年8月23日 優先權日2006年8月25日
發明者M·R·洛德, P·D·赫姆斯利 申請人:阿爾斯託姆科技有限公司