最新在底蒸汽循环中使用燃气轮机中间冷却器热的系统和方法

将乐信息网 http://www.jianglexinxi.cn 2020-10-18 21:43 出处:网络
如下提供的最新在底蒸汽循环中使用燃气轮机中间冷却器热的系统和方法,下面小编就来为你解答

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专利名称:在底蒸汽循环中使用燃气轮机中间冷却器热的系统和方法
技术领域
本发明大体涉及燃气轮机发动机,并且更具体而言,涉及用于抽取来自燃气轮机的中间冷却器的热且在蒸汽循环中使用该热的系统和方法。
背景技术
在串行流布置中,燃气轮机发动机大体包括用于压缩流过发动机的空气的高压压缩机、燃料与压缩空气在其中混合且被点燃而形成高温气体流的燃烧器,以及高压涡轮。高压压缩机、燃烧器和高压涡轮有时统称为核心发动机。至少一些已知的燃气轮机发动机还包括用于对高压压缩机供应压缩空气的低压压缩机或增压器。燃气轮机发动机用于许多应用中,包括航空器、动力产生和船舶应用。当然,期望的发动机运行特性在不同的应用之间有所不同。更具体而言,在一些应用内,燃气轮机发动机可包括单个环形燃烧器,其包括有助于减少氮氧化物(NOx)排放的喷水系统。备选地,在其它已知的应用内,燃气轮机发动机可包括干式低排放(DLE)燃烧器。燃气轮机单独具有有限的效率,并且在热的排气排到周围环境中时浪费了大量有用的能量。为了改进燃气轮机动力装置的效率和使用这个热来产生另外的动力,许多燃气轮机都配备有热回收蒸汽发生器和蒸汽循环。这被称为联合循环。中间冷却燃气轮机发动机可包括可为单个环形燃烧器、环罐式燃烧器或DLE燃烧器的燃烧器。虽然使用中间冷却器有助于提高发动机的效率,但是被中间冷却器剔除的热未被燃气轮机发动机利用,而且来自中间冷却燃气轮机或压缩机的中间冷却器热通常被浪费了。在一些应用中,冷却塔在低温水平处将中间冷却器热排到周围环境中。存在对用于抽取来自燃气轮机的中间冷却器的热且在蒸汽循环中使用该热的系统和方法的需要。

发明内容
根据一个实施例,一种联合燃气轮机和蒸汽轮机动力装置包括燃气轮机;燃气轮机中间冷却器;蒸汽轮机;以及热回收蒸汽发生器(HRSG),其构造成响应于接收自燃气轮机中间冷却器的经加热流体来产生蒸汽来驱动蒸汽轮机。根据另一个实施例,一种联合燃气轮机和蒸汽轮机动力装置包括燃气轮机;燃气轮机中间冷却器;蒸汽轮机;以及在蒸汽循环中连接到低压燃气轮机压缩机的下游和高压燃气轮机压缩机的上游的热回收蒸汽发生器(HRSG),其中,HRSG构造成响应于通过燃气轮机中间冷却器而接收到的传热介质来产生蒸汽来驱动蒸汽轮机。根据又一个实施例,一种联合燃气轮机和蒸汽轮机动力装置包括燃气轮机;燃气轮机中间冷却器;蒸汽轮机 ;以及热回收蒸汽发生器(HRSG),其中,燃气轮机中间冷却器构造成回收中间冷却热,以及使用基本所有回收的热来产生热水和蒸汽来驱动蒸汽轮机。


当参照附图来阅读以下详细描述时,本发明的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解,其中图I是包括中间冷却器系统的燃气轮机发动机的框图;以及图2示出了根据一个实施例的联合循环动力装置。虽然上面标识的绘图阐述了特定的实施例,但是也构想了本发明的其它实施例,如论述中提到的那样。在所有的情况下,本公开以代表而非限制的方式来提供本发明的示出的实施例。本领域技术人员可设计出落在本发明的原理的范围和精神内的许多其它修改和实施例。部件列表10燃气轮机发动机12中间冷却器系统14低压压缩机16高压压缩机18燃烧器20高压涡轮22中间涡轮24动力涡轮机26低压压缩机入口28低压压缩机出口3O闻压压缩机入口32闻压压缩机出口34燃烧器入口36燃烧器出口40第一转子轴42第二转子轴43纵向中心线轴线44动力涡轮机轴50中间冷却器53空气流径
55经冷却压缩空气58冷却流体60中间冷却器入口62中间冷却器出口100联合 蒸汽循环动力装置104热回收蒸汽发生器(HRSG)110蒸汽轮机112蒸汽轮机高压区段114蒸汽轮机中压区段116蒸汽轮机低压区段120冷凝器122补充水124集水器126热的给水或饱和蒸汽128高压蒸汽流130中压蒸汽流132低压蒸汽流
具体实施例方式图I是包括中间冷却器系统12的燃气轮机发动机10的框图。以串行流关系,燃气轮机发动机10包括低压压缩机或增压器14、高压压缩机16、环罐式燃烧器18、高压涡轮20、中间涡轮22和动力涡轮机或自由涡轮24。低压压缩机或增压器14具有入口 26和出口28,而高压压缩机16包括入口 30和出口 32。各个燃烧器罐18具有与高压压缩机出口 32基本一致的入口 34,以及出口 36。在另一个实施例中,燃烧器18是环形燃烧器。在另一个实施例中,燃烧器18是干式低排放(DLE)燃烧器。高压涡轮20通过第一转子轴40来联接到高压压缩机16上,而中间涡轮22通过第二转子轴42来联接到低压压缩机14上。转子轴40和42各自相对于发动机10的纵向中心线轴线43基本同轴地对准。发动机10可用来驱动可联接到动力涡轮机轴44上的负载(未显示)。备选地,负载可联接到转子轴42的前部伸出部(未显示)上。在运行中,被吸入低压压缩机入口 26中的环境空气被压缩,并且被向下游引导到高压压缩机16。高压压缩机16进一步压缩空气,并且将高压空气输送给燃烧器18,在燃烧器18中,高压空气与燃料混合,并且该混合物被点燃而产生高温燃烧气体。燃烧气体被从燃烧器18引导出,以驱动一个或多个涡轮20、22和24。发动机10的动力输出至少部分地与沿着气体流径在各种位置处的气体流的运行温度有关。更具体而言,在该示例性实施例中,在发动机10的运行期间,密切监测在高压压缩机出口 32处的气体流的运行温度。降低进入高压压缩机16的气体流的运行温度有助于减小闻压压缩机16所需的动力输入。为了帮助降低进入高压压缩机16的气体流的运行温度,中间冷却器系统12包括以流连通的方式联接到低压压缩机14上的中间冷却器50。在经冷却空气55返回到高压压缩机16之前,来自低压压缩机14的空气流53被引导到中间冷却器50以进行冷却。在运行期间,中间冷却器50具有流过其中以移除从气体流径中抽取出的能量的冷却流体58。在一个实施例中,冷却流体58是空气,并且中间冷却器50是空气-空气热交换器。在另一个实施例中,冷却流体58是水,并且中间冷却器50是空气-水热交换器。中间冷却器50从压缩空气流径53中抽取热能,并且将经冷却压缩空气55引导到高压压缩机16。更具体而言,在该示例性实施例中,中间冷却器50包括冷却流体58循环通过其中的多个管(未显示)。热通过多个管壁(未显示)从压缩空气53中传递给通过入口 60而供应给中间冷却器50的冷却流体58。因此,中间冷却器50有助于在低压压缩机14和高压压缩机16之间剔除热。降低进入高压压缩机16的空气的温度有助于减少被高压压缩机16消耗来将空气压缩到期望的运行压力的能量,以及从而有助于允许设计者提高燃气轮机发动机的压力比,这导致从燃气轮机发动机10中抽取出的能量的增加以及导致燃气轮机10有高的净运行效率。在一个示例性实施例中,给水流过中间冷却器50,以移除从气体流径53中抽取出 的能量,以及起冷却流体58的作用。给水被加热或者变成低压(LP)蒸汽,或者是它们的组合,如本文进一步详细描述的那样。用这种方式,如果在较高的温度(理想地接近热的压缩入口空气的温度)处抽取,则抽取出的热对于底循环发电可为有用的促进因素。是仅加热给水还是产生蒸汽是优选的,取决于底循环构造、需要的给水质量流量和中间冷却器温度。能量考虑建议,中压或高压给水加热可从中间冷却器热中产生最高的可用功;但是,待加热的给水的量可多于底循环所需要,并且可比得上HRSG节热器。低压预热和蒸汽发生是备选方案。在典型的状况下,能量产生部分可大于可用的中间冷却器热的百分之二十(20)%。对于给水应用,中间冷却器50可包括高效率的逆流或交叉逆流热交换器,以从中间冷却空气中获得有用的热。一个适当的构造可包括例如封闭在压力壳内的螺旋管式鳍管热交换器。根据一方面,可使用中间冷却器50来通过利用可得自适当的热交换器中的热空气的热的相当大的一部分来产生热给水或饱和蒸汽。处于有助于低至100°c的温度处的蒸发的低压的这个热给水或饱和蒸汽被供给到热回收蒸汽发生器(HRSG)(参照图2在本文中对其进行进一步详细描述)中的蒸发器(如果是热给水)或过热器(如果是饱和蒸汽)中,并且被准许进入低压涡轮,也在本文中进一步详细描述了低压涡轮。额外的蒸汽然后产生额外的电力。图2示出了根据一个实施例的联合循环动力装置100。动力装置100包括具有燃烧系统18和涡轮20的高压燃气轮机系统10。对于一个特定的应用,离开涡轮20的气体可在例如大约45psi的压力处。动力装置100进一步包括蒸汽轮机系统110。蒸汽轮机系统110包括高压区段112、中压区段114和一个或多个低压区段116。低压区段116排到冷凝器120中。蒸汽轮机系统100与热回收蒸汽发生器(HRSG) 104相关联。根据一个实施例,HRSG104是逆流热交换器,使得在给水传送通过其中时,水被加热,而来自涡轮16的排气放热且变得较冷。HRSG 104具有三种(3个)不同的运行压力(高、中和低),意欲在蒸气供给到蒸汽轮机系统110的对应的级时,产生处于各种压力和温度的蒸汽。但是,本发明不限于此;并且可理解,使用本文描述的原理,诸如包括二压力HRSG的那些实施例的其它实施例也将是有用的。HRSG 104的各个区段大体包括一个或多个节热器、蒸发器和过热器。HRSG 104使用涡轮20排气的热来产生三个(3个)蒸汽流,即高压蒸汽流128、中压流130和低压蒸汽流132。这三个蒸汽流进入高压蒸汽轮机112、中压蒸汽轮机114和低压蒸汽轮机116而产生动力。从高压蒸汽轮机112中抽取出的高压蒸汽流被喷射到燃气轮机燃烧器18。在离开低压蒸汽轮机116之后,蒸汽流进入冷凝器120,在冷凝器120中,蒸汽冷凝 成液体水。离开冷凝器120的液体水与补充水122和来自HRSG104的残余水一起进入集水器 124。合适量的水被从集水器124泵送到HRSG 104,在HRSG 104中,水吸收来自的高压燃气轮机排气的热而产生需要的蒸汽流。三个蒸汽流进入蒸汽轮机112、114、116而完成底循环。根据一个实施例,联合循环动力装置100进一步包括如之前参照图I在本文中描述的那样运行的燃气轮机中间冷却器50。中间冷却器50可包括例如本文所陈述的高效率的逆流或交叉逆流热交换器,以通过利用可得自热空气流53的热的相当大的一部分来产生热给水或饱和蒸汽126。处于有助于低至100°C的温度处的蒸发的低压处的这个热给水或饱和蒸汽126被供给到HRSG中的蒸发器(如果是热给水)或过热器(如果是饱和蒸汽)中,并且随后被准许进入低压涡轮116。额外的蒸汽然后产生额外的电力,如本文所陈述的那样。照这样,有利地提高了系统效率,同时减小了冷却系统的大小。概括起来阐述,在本文中描述了这样的系统和方法其用于获得大量中间冷却器热,以及在燃气轮机底循环中用该热产生额外的电力,因而基本消除了废热。因为热以蒸汽热给水的形式结合到底循环中,所以不需要重大的额外投资。发明人认识到,即便由于对应的低温(一个或多个)的原因而很少采用中间冷却器热,以及不管采用中间冷却器的大型燃气轮机的数量如何小,都有前述优点。虽然在多种特定的实施例方面描述了本发明,但是本领域技术人员将认可,可用在权利要求的精神和范围内的修改方案来实践本发明。
权利要求
1.一种联合燃气轮机和蒸汽轮机动カ装置(100),包括 燃气轮机(10); 燃气轮机中间冷却器(50); 蒸汽轮机(110);以及 热回收蒸汽发生器(104),其构造成响应于接收自所述燃气轮机中间冷却器(50)的经加热流体(126)而产生蒸汽来驱动所述蒸汽轮机(110)。
2.根据权利要求I所述的联合燃气轮机和蒸汽轮机动カ装置(100),其特征在于,所述经加热流体(126)包括水。
3.根据权利要求I所述的联合燃气轮机和蒸汽轮机动カ装置(100),其特征在于,所述经加热流体(126)包括蒸汽。
4.一种联合燃气轮机和蒸汽轮机动カ装置(100),包括 燃气轮机(10); 燃气轮机中间冷却器(50); 蒸汽轮机(110);以及 在蒸汽循环中连接到低压燃气轮机压缩机(14)的下游和高压燃气轮机压缩机(16)的上游的热回收蒸汽发生器(HRSG) (104),其中,所述HRSG(104)构造成响应于通过所述燃气轮机中间冷却器(50)而接收到的传热介质(126)而产生蒸汽来驱动所述蒸汽轮机(110)。
5.根据权利要求4所述的联合燃气轮机和蒸汽轮机动カ装置(100),其特征在于,所述传热介质(126)包括水。
6.根据权利要求4所述的联合燃气轮机和蒸汽轮机动カ装置(100),其特征在于,所述传热介质(126)包括蒸汽。
7.根据权利要求4所述的联合燃气轮机和蒸汽轮机动カ装置(100),其特征在于,所述燃气轮机中间冷却器(50)包括逆流或交叉逆流热交換器。
8.根据权利要求4所述的联合燃气轮机和蒸汽轮机动カ装置(100),其特征在于,所述燃气轮机中间冷却器(50)包括封闭在压カ壳内的螺旋管式鳍管热交換器。
9.一种联合燃气轮机和蒸汽轮机动カ装置(100),包括 燃气轮机(10); 燃气轮机中间冷却器(50); 蒸汽轮机(110);以及 热回收蒸汽发生器(HRSG) (104),其中,所述燃气轮机中间冷却器(50)构造成回收热,以及使用基本所有回收的热来产生热水和蒸汽来驱动所述蒸汽轮机(110)。
10.根据权利要求9所述的联合燃气轮机和蒸汽轮机动カ装置(100),其特征在于,所述传热介质(126)是水或蒸汽。
全文摘要
本发明涉及在底蒸汽循环中使用燃气轮机中间冷却器热的系统和方法。一种蒸汽循环动力装置(100)包括燃气轮机(10)、燃气轮机中间冷却器(50)、蒸汽轮机(110)和热回收蒸汽发生器(HRSG)(104)。燃气轮机中间冷却器(50)回收燃气轮机(10)产生的未利用的热,并且传递基本所有回收的热来产生额外的蒸汽来驱动蒸汽轮机(110)。
文档编号F01K23/04GK102628381SQ20111046040
公开日2012年8月8日 申请日期2011年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者K·C·博德克, P·S·赫克, R·博德克, S·W·弗罗因德, T·J·弗里 申请人:通用电气公司

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