專利名稱：再熱式燃氣渦輪機的制作方法
技術領域：
本文所公開的主題涉及焚燒化石燃料的燃氣渦輪發(fā)動機，并且更具體地涉及利用 除主要化石燃料能量源之外的免費或廢棄的次要能量源來提高系統(tǒng)的總體轉(zhuǎn)換效率。
背景技術：
在燃氣渦輪發(fā)動機中，空氣在壓縮機中加壓，且在燃燒器中與燃料相混合以產(chǎn)生 熱燃燒氣體，熱燃燒氣體向下游流動至膨脹器，膨脹器從熱燃燒氣體中獲取能量。來自于現(xiàn) 代燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器中的熱氣流的溫度極高，通常遠高于2500華氏度。此類溫度相 當于或甚至高于高級合金的熔點，這些高級合金用于制造渦輪零件，例如，噴嘴或?qū)~(靜 止的)、葉片或輪葉(旋轉(zhuǎn)的)，以及其間的輪盤空間。這些零件通常稱為熱氣通路(HGP) 構件。試想在缺乏冷卻的情況，構成現(xiàn)代燃氣渦輪發(fā)動機的第一級的翼型件將在數(shù)秒內(nèi)熔 化。用于在燃氣渦輪發(fā)動機中冷卻HGP構件的空氣通常從壓縮機出口(discharge)或級間 位置獲取，且因此未在燃燒和渦輪膨脹過程中使用，且相應地降低了燃氣渦輪發(fā)動機的總 體效率。冷卻空氣流稱為"可充填的"空氣流，其數(shù)量由從壓縮機引導至渦輪的加壓空氣 的溫度控制。通常，經(jīng)受冷卻的渦輪零件處在膨脹通路中的越下游，則冷卻劑抽取點便處在 壓縮機中的越上游。用過的冷卻空氣與膨脹穿過渦輪的熱氣體的混合是因混合和冷卻損失 所引起的另一功損失根源。通常，經(jīng)由在燃燒器中焚燒的燃料的發(fā)熱量(heating valve)輸入至燃氣渦輪機 的能量會由于升高燃料自身和/或來自于壓縮機出口的燃燒空氣的溫度而減少。如果免費 /廢棄的能量源可用于實現(xiàn)燃料和/或燃燒空氣溫度的所述升高，則燃氣渦輪機效率的提 高便表現(xiàn)為隨之發(fā)生的燃燒器中焚燒的燃料量的減少。在發(fā)電中使用的現(xiàn)代工業(yè)燃氣渦輪 機或重型燃氣渦輪機中，使用熱回收鍋爐給水加熱(例如，達到365° F或更高)燃料氣體 性能是慣常措施。以類似方式加熱壓縮機排出空氣盡管理論上的確是可能的，但由于排出 空氣的溫度很高(例如，先進的F級渦輪中為800° F左右)和非常緊密的一體式燃氣渦輪 機結構而并不可行。通常，例如在集光型太陽能(CSP)應用中，免費或廢棄的能量用于在蒸汽渦輪機 中生成蒸汽和產(chǎn)生功率。例如，在燃氣渦輪機和蒸汽渦輪機的聯(lián)合循環(huán)(CC)發(fā)電裝備 (plant)中，來自于燃氣渦輪機排氣的廢棄能量用于在熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)中生成蒸 汽以便在蒸汽渦輪機中進行附加的膨脹和產(chǎn)生功率。由于分別代表燃氣渦輪機和蒸汽渦輪 機在溫度-熵表面上的基本熱力學循環(huán)(也即布雷頓循環(huán)和蘭金循環(huán))的相對位置，故前 者通常稱為"至頂"循環(huán)，而后者稱為"及底"循環(huán)。在其它系統(tǒng)中，CC發(fā)電裝備的HRSG 中的蒸汽生成通過利用(免費)太陽能在單獨的鍋爐區(qū)段中進行補充。在任一情況下，免 費或廢棄的能量都用于CC發(fā)電裝備中的及底蒸汽循環(huán)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種燃氣渦輪機系統(tǒng)。該燃氣渦輪機系統(tǒng)可包括壓縮機、膨脹器、設置在壓縮機與膨脹器之間的燃燒器、設置在壓縮機與膨脹器之間的鍋爐、 含有可填充空氣且與鍋爐成熱連通的導管，以及聯(lián)接到鍋爐上的外部免費熱源。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種燃氣渦輪機系統(tǒng)。該燃氣渦輪機系統(tǒng)可包括 壓縮機、膨脹器、設置在壓縮機與膨脹器之間且具有供給燃料的燃燒器、設置在壓縮機與膨 脹器之間的第一鍋爐、含有可填充空氣且與第一鍋爐成熱連通的導管、聯(lián)接到第一鍋爐上 的外部免費熱源，以及將熱能提供給供給燃料的第二鍋爐，其中，第一鍋爐將熱量提供給可 填充空氣，。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種方法。該方法可包括在具有燃燒器的燃氣渦 輪機中產(chǎn)生第一能量流、在燃氣渦輪機中產(chǎn)生第二能量流、在燃氣渦輪機的外部源中產(chǎn)生 第三能量流，以及將第三能量流與第一能量流相結合用以增加第一能量流和第二能量流中 的熱能。通過結合附圖的如下描述，這些及其它優(yōu)點和特征將變得更為明顯。


在權利要求中具體地指出且明確地主張了認作是本發(fā)明的主題。通過結合附圖的 如下詳細描述，本發(fā)明的前述及其它特征和優(yōu)點將變得明顯，在附圖中圖1示出了其優(yōu)選實施例中的示例性外部再熱式燃氣渦輪機系統(tǒng)。圖2示出了另一示例性的外部再熱式燃氣渦輪機系統(tǒng)。圖3示出了用于在根據(jù)示例性實施例的燃氣渦輪機中進行外部再加熱的方法的 流程圖。本詳細說明通過舉例的方式參照附圖闡述了本發(fā)明的實施例以及優(yōu)點和特征。零件清單100外部再熱式燃氣渦輪機系統(tǒng)110渦輪壓縮機111大氣空氣112壓縮空氣113可填充空氣流120燃燒器121供給燃料122熱產(chǎn)物氣體130膨脹器131燃氣渦輪機排氣流135空氣加熱器140燃料加熱器150 鍋爐151供送導管152返回導管153用過的蒸汽154 7jC
155HRSG160蒸汽渦輪機200外部再熱式燃氣渦輪機系統(tǒng)
具體實施例方式圖1示出了示例性外部再熱式燃氣渦輪機系統(tǒng)100。如本文進一步描述的那樣，基 礎熱力學表明，如果有可能利用CC發(fā)電裝備的至頂氣體循環(huán)中免費或廢棄的能量，則整個 系統(tǒng)的效率增長將由于以下兩種單獨機制的結合而更高1)通過再加熱效應改善至頂(燃 氣渦輪機)循環(huán)效率，這是公知的，且在關于此主題的所有基礎教科書中進行了描述，以及 2)通過增大供給HRSG的燃氣渦輪機排氣氣流的能量(有效性)來改善及底(蒸汽渦輪機) 循環(huán)效率。如本文所述，在外部再熱式燃氣渦輪機循環(huán)中，可利用免費或廢棄的熱源在鍋爐 150中生成蒸汽，且蒸汽可供給至系統(tǒng)100的各個部分。在這里，形容詞"免費"和"廢 棄"表示沒有使用附加的化石燃料(通過資金支出而購買的)來生成所述能量。實例為 容易在世界上任何地方免費獲得的可再生能源如太陽能，以及作為現(xiàn)有過程的副產(chǎn)物的能 量，例如來自于內(nèi)燃機的排氣氣體，否則該排氣氣體將通過排出到大氣中而浪費掉。用語 “鍋爐”在文中以其最普通的意義用來描述利用熱源將水轉(zhuǎn)變成蒸汽的熱交換器。實現(xiàn)所述 效果的具體熱-機械以及其它設計方面對于本發(fā)明而言并不重要。如本文進一步描述的那 樣，鍋爐150可包括用于生成蒸汽的多種熱源如免費的太陽能，或廢物源如鋼廠的熔渣產(chǎn) 物。應當理解的是，用語"免費"和"廢棄"可互換使用，且為描述從外部供給至燃氣渦輪 機的熱源的用語?！懊赓M"熱源(例如，集光型太陽能電站、太陽能收集場、從熔渣中回收 的廢熱等)通過在鍋爐150中生成蒸汽而升高可填充冷卻流的溫度。蒸汽還可用于加熱燃 氣渦輪機的燃料，從而減少燃燒器中的燃料消耗量和提高燃氣渦輪機的效率。由進入燃氣 渦輪機HGP中的熱的可填充流產(chǎn)生的再加熱效果提高了效率且增加了系統(tǒng)100的輸出。在圖1中所示的示例性實施例中，系統(tǒng)100包括渦輪壓縮機110，其接收大氣空氣 111，且生成可成為多股流的壓縮空氣112和可填充空氣流113。壓縮機操作地(或起作用 地)聯(lián)接到膨脹器130上。生成的壓縮空氣112用于燃燒器120，而生成的可填充冷卻空 氣113用于燃氣渦輪機膨脹器130的HGP構件。燃燒器設置在壓縮機110與膨脹器130之 間，接收來自于壓縮機110的壓縮空氣112，以及將熱產(chǎn)物氣體122提供給膨脹器130。燃 燒器120還接收供給燃料121。系統(tǒng)100還包括燃氣渦輪機排氣流131，這順應于聯(lián)合循環(huán) (CC)構造。在CC構造中，系統(tǒng)100還可包括用以回收排氣流131的能量和生成蒸汽以對蒸 汽渦輪機160供能的HRSG 155。蒸汽渦輪機160可包括低壓區(qū)段、中壓區(qū)段和高壓區(qū)段， 以及用來冷凝排氣流以在HRSG 155中重新使用的冷凝器。許多附加的構造可用來重新使 用排氣流131，以及以示范性目的而示出了 HRSG 155和蒸汽渦輪機160。在圖1中所示的 示例性實施例中，空氣加熱器135設置在壓縮機110與膨脹器130之間，且操作地聯(lián)接到壓 縮機110和膨脹器130上?？商畛淇諝?13從壓縮機110流出，經(jīng)過空氣加熱器135，且經(jīng) 由外部管路或其它適合的導管通向膨脹器130。供送導管151和返回導管152分別設置在 鍋爐150與空氣加熱器135之間以及空氣加熱器135與燃料加熱器140之間。燃料加熱器 140在返回導管152上設置于鍋爐150與空氣加熱器135之間。來自于燃料加熱器的用過的蒸汽153輸送給蒸汽渦輪機160，以便在與其壓力和溫度相當?shù)奈恢靡?，用于產(chǎn)生另外 的有用軸功率。鍋爐150供有來自于HRSG 155的低壓(LP)節(jié)省器出口中的水154，用于產(chǎn)生蒸汽。在圖1中所示的示例性實施例中，可填充冷卻空氣113在其處于壓縮機110中的 源頭處通常為大約400° F至650° F。如本文所述，免費或廢棄的熱量用于加熱可填充空 氣113，以便提高系統(tǒng)100的總體效率。具體而言，從壓縮機110的各級中獲取的可填充冷 卻空氣113在進入燃氣渦輪機膨脹器130區(qū)段之前，使用通過利用在鍋爐150中的免費或 廢棄的熱源(例如，來自于鋼廠的熔渣或太陽熱量)生成的蒸汽加熱至期望的溫度(例如， 800° F至1000° F)。因此，免費的能量可引入膨脹氣體中(例如，增大其焓)，以便在剩 余膨脹期間產(chǎn)生額外的功率。例如，在先進的F級165MW重型工業(yè)燃氣渦輪機中，計算表明 可填充冷卻流中200° F(300° F)的溫升對應于額外 800kW(1300kW)GT的功率輸出。該 結果可通過使用1050° F的過熱蒸汽來實現(xiàn)，1050° F的過熱蒸汽例如利用集光型太陽能 于600psia下在鍋爐150中生成。此外，燃氣渦輪機排氣流131溫度升高4至7華氏度，這 在hlCC構造(也即兩個燃氣渦輪機和一個蒸汽渦輪機中)分別轉(zhuǎn)化成1200kW至2000kW 的附加及底循環(huán)蒸汽渦輪機輸出。因此，在上文所述的示例性系統(tǒng)100中，可填充冷卻流升 溫200° F和350° F對作為2x1構造(額定510MW)的先進F級燃氣渦輪機系統(tǒng)的CC功 率輸出的凈影響分別為2. 75MW至4. 5MW。在圖1中所示的示例性實施例中，來自于冷卻空氣加熱器135中的用過的蒸汽可 用于在燃料加熱器140中加熱燃氣渦輪機燃料121。例如，來自于冷卻空氣加熱器135的 用過的蒸汽可用于補充現(xiàn)有的性能燃料加熱器(其利用來自于HRSG 155的中壓(IP)節(jié)省 器給水)，以便將燃料的溫度從例如365° F提高到440° F。此外，來自于冷卻空氣加熱 器135的用過的蒸汽可用于替代全部的燃料加熱作業(yè)，且從而增加HRSG 155中產(chǎn)生的蒸汽 和蒸汽渦輪機160中產(chǎn)生的功率。此外，來自于燃料加熱器140的用過的蒸汽153可輸送 給蒸汽渦輪機160，以便在與其壓力和溫度相當?shù)倪m合位置引入。例如，對于可利用在鍋爐 150中生成的600psia和1050° F的蒸汽151在空氣加熱器135中實現(xiàn)可填充冷卻流的 350° F的溫升而言，在來自于空氣加熱器135的用過的蒸汽152在燃料加熱器140中用來 將供給燃料121的溫度從365° F提高到440° F之后， 550° F的蒸汽可用于在LP蒸汽 渦輪機區(qū)段的轉(zhuǎn)筒(bowl)處引入。該結果可提供另外的5至6麗的附加軸功率產(chǎn)生。此 外，在通向燃燒器的入口處的75° F的更高燃料溫度的益處為凈CC效率的大約0. 15個百 分點。因此，對于可通過在鍋爐150中生成的600psia和1050° F的蒸汽151而在空氣加 熱器135實現(xiàn)的可填充冷卻流的350° F的溫升而言，在額定為510麗的hlCC發(fā)電裝備系 統(tǒng)中，9. 5至10. 5麗(相當于凈CC效率的大于0. 9個百分點)和凈CC效率大于一個百分 點的性能改善是可能的。此外，如果來自于空氣加熱器135的用過的蒸汽152在燃料加熱 器140中用于全部燃料的加熱，也即從管線溫度至365° F或更高，則另外的效率提高也是 可能的，這可通過替換先前從HRSG轉(zhuǎn)移的排出氣體能量來實現(xiàn)所述燃料加熱，導致在HRSG 155中產(chǎn)生較多蒸汽以及在蒸汽渦輪機160中輸出較高的功率。在圖2中所示的示例性實施例中，蒸汽替換為市售的傳熱流體。因此，鍋爐150變 為熱交換器150，在熱交換器150中，所述流體的溫度通過從免費或廢棄的熱源中吸收熱量 而提高。同樣，實現(xiàn)所述效果的熱交換器150的具體熱-機械以及其它設計方面對于本發(fā)6明而言并不重要。在存在于本發(fā)明所需溫度(即，900° F或更高)下可切實可行地使用的 傳熱流體的情況下，該實施例將完全等同于將蒸汽用作處于免費/廢棄的熱源與可填充空 氣113和供給燃料121之間的傳熱介質(zhì)的優(yōu)選實施例。目前，市售傳熱流體的溫度容量限 于大約700° F。盡管這使得本發(fā)明采用它們的實際實施目前并不可行，但溫度范圍較大的 傳熱流體將來的可用性將使它們成為蒸汽的可行替代物。很明顯，在圖2的備選實施例中， 如前面段落中所述的蒸汽渦輪機160中的附加功率產(chǎn)生機會并不存在。圖3示出了用于在根據(jù)示例性實施例的燃氣渦輪機中進行外部再加熱的方法300 的流程圖。在示例性實施例中，從壓縮機的級間位置上獲取且經(jīng)管路輸送至膨脹器(渦輪) 殼體的可填充冷卻空氣在再進入位置之前進行加熱。該過程構成了通向燃氣渦輪機系統(tǒng)的 免費能量引入，該能量在冷卻空氣再進入位置下游的剩余膨脹期間轉(zhuǎn)換成有用軸功。在方 框310，系統(tǒng)100，200生成第一能量流。在示例性實施例中，生成了主要熱氣流和對應的可 填充空氣流113作為第一能量流。在方框320，系統(tǒng)100，200生成了第二能量流。在示例性 實施例中，第二能量流可為排氣流131。在方框330，系統(tǒng)100，200在燃氣渦輪機的外部源 中生成第三能量流。在示例性實施例中，第三能量流為外部熱交換器150通過免費或廢棄 的能源所生成的蒸汽形式的能量。在方框340，系統(tǒng)100，200將第一能量流和第三能量流相 結合。在示例性實施例中，第三能量流用來升高與如本文所述的可填充空氣流113相關聯(lián) 的溫度。結果，與排氣流131相關聯(lián)的溫度還響應于第一能量流和第二能量流的結合而升 高。在示例性實施例中，第一能量流為來自于壓縮機110的壓縮空氣112，以及第三能量流 升高與壓縮空氣相關聯(lián)的溫度。第一能量流還可為用于燃燒器120的供給燃料121中的熱 量，以及第三能量流升高與燃料流121相關聯(lián)的溫度。本文所述的示例性實施例提供了對任何聯(lián)合循環(huán)中的主要構造和熱回收構造兩 者的改進，其中，至頂循環(huán)工作流體由可用的免費能量直接加熱，以及及底循環(huán)回收和利用 未回收的任何剩余的至頂循環(huán)發(fā)動機排氣能量來加熱至頂循環(huán)的加壓工作流體，但通過提 供至至頂循環(huán)的附加能量的較高溫度來形成免費能量。技術效果包括提高系統(tǒng)100的轉(zhuǎn)換 有效性。轉(zhuǎn)換有效性的提高產(chǎn)生自提供給系統(tǒng)100的熱量，該熱量以兩個步驟產(chǎn)生有用功 率1)在燃氣渦輪機中(在渦輪末級中產(chǎn)生膨脹功)，以及幻在及底循環(huán)中(即蒸汽渦輪 機)，經(jīng)由改進的燃氣渦輪機。盡管僅結合了有限數(shù)量的實施例詳細描述了本發(fā)明，但應當容易理解，本發(fā)明并 不限于這些公開的實施例。確切而言，本發(fā)明可進行修改，以結合此前并未描述但與本發(fā)明 的精神和范圍相匹配的任意數(shù)目的變型、備選方案、替換方案或等效布置。此外，盡管已經(jīng) 描述了本發(fā)明的多種實施例，但應當理解的是，本發(fā)明的方面可僅包括所述實施例中的一 些。因此，本發(fā)明不應看作是由以上說明限制，而是僅由所附權利要求的范圍來限制。
權利要求
1.一種外部再熱式燃氣渦輪機系統(tǒng)(100)，包括 壓縮機(110)；膨脹器(I3O)；設置在所述壓縮機(110)與所述膨脹器(130)之間的燃燒器(120)； 設置在所述壓縮機(110)與所述膨脹器(130)之間的鍋爐(150)； 含有可填充空氣、與所述鍋爐(150)成熱連通的導管(151，152)；以及 聯(lián)接到所述鍋爐(150)上的外部免費熱源。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述外部免費熱源為可再生能量源。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述外部免費熱源為廢棄能量源。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒器含有供給燃料(121)。
5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，來自于所述外部免費熱源的熱能加熱所 述可填充空氣。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，來自于所述外部免費熱源的剩余熱能加 熱所述供給燃料(121)。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括操作地聯(lián)接到所述系統(tǒng) (100)上的蒸汽渦輪機(160)。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，來自于所述外部免費熱源的剩余熱能在 所述蒸汽渦輪機(160)中加熱蒸汽。
9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述鍋爐(150)含有用過的蒸汽(153)。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述用過的蒸汽(15 將熱能提供給所 述供給燃料(121)。
全文摘要
本發(fā)明涉及再熱式燃氣渦輪機。具體而言，公開了一種外部再熱式燃氣渦輪機及方法。燃氣渦輪機系統(tǒng)(100)可包括壓縮機(110)、膨脹器(130)、設置在壓縮機(110)與膨脹器(130)之間的燃燒器(120)、設置在壓縮機(110)與膨脹器(130)之間的鍋爐(150)、含有可填充空氣且與鍋爐(150)成熱連通的導管(151，152)，以及聯(lián)接到鍋爐(150)上的外部免費熱源。
文檔編號F02C7/224GK102042090SQ20101052223
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權日2009年10月16日
發(fā)明者S·C·古倫 申請人:通用電氣公司