CN102828830A - 用于改进组合循环发电设备的效率的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于改进组合循环发电设备的效率的***和方法。用于改进发电设施的效率的***和方法利用热能来预热供应到涡轮的压缩机的入口空气或者预热在涡轮中燃烧的燃料。用于预热入口空气的热能可从热回收蒸汽发生器(HRSG)抽吸，热回收蒸汽发生器(HRSG)使用涡轮排气的至少一部分来产生蒸汽。从HRSG内的一个或多个预定点，诸如离开HRSG的汽包的给水管线或者将HRSG的节约装置连接到HRSG的汽包的馈送管线获得热能。从预定点抽吸的流体通过换热器或预热器以移除用于预热的热能。流体然后在抽吸流体的点的紧邻下游处返回到HRSG。

Description

用于改进组合循环发电设备的效率的***和方法
技术领域
本发明涉及用于改进利用涡轮的发电设施的效率的***和方法。
背景技术
诸如燃气涡轮、航改燃气涡轮等的涡轮机械通常以组合循环和/或热电联供模式操作。在组合循环操作中，燃气涡轮连接到发电的发电机。热回收蒸汽发生器(HRSG)接收由燃气涡轮产生的排气的至少一部分且HRSG使用排气中的热能来生成蒸汽。由HRSG产生的蒸汽流到蒸汽涡轮，蒸汽涡轮连接到另一发电机，其产生额外电力。在热电联供操作中，由HRSG生成的蒸汽的一部分发送到需要该蒸汽的单独工艺。
组合循环和热电联供设备额定在基础负荷操作时以最小能量消耗生成最大量的能量(机械、电等)。但是，若可能，可期望改进该***在基础负荷操作时的效率。
基础负荷条件，尽管是操作者所期望的，但并非总是可行的。能量市场(电网等)中可能不需要以基础负荷生成的全部能量。在这些情形下，发电设备必须停机或以部分负荷操作，其中生成小于最大量的能量。当在这种发电设施中的涡轮以部分负荷操作时，***的总效率通常低于当涡轮以基础负荷操作时的情况。因此，需要改进该***在部分负荷条件下操作时的效率。
通常需要燃气涡轮在发电的同时维持排放达标。以部分负荷操作的燃气涡轮在低于特定负荷点运行时可能无法维持排放达标。“弹性操作(turndown)范围”为燃气涡轮维持排放达标的负荷范围。宽的弹性操作范围允许操作者维持排放达标，最小化燃料消耗，且避免在宽范围的电力输出条件下与发电设备停机相关联的热瞬态。因此，期望使得弹性操作范围尽可能宽。
当期望对现有发电设备做出变化以提高效率时，任何改造方案应当优选地最小化对现有器械的修改。这从成本角度而言是期望的，且也避免不利地影响到设备的可操作性。另外，任何改造变化不应当提高操作或维护成本，否则改造变化在经济上可能是不值得做的。
由于所有前述原因，需要一种改进以基础负荷或部分负荷条件操作的发电设施的效率的***。还需要一种改进燃气涡轮的弹性操作范围的***。但是，为了实现更高的效率或提高弹性操作范围而做出的任何改变不应当显著地影响其它设备操作或维护要求。否则，效率和/或弹性操作范围的改进可能会被更高的操作或维护成本或者在其它操作条件期间的降低的效率所超过。
发明内容
在一方面，本发明能实施于用于改进发电设施的效率的***中。该***包括涡轮，其包括接收入口空气的压缩机、燃烧***和涡轮部段，其中涡轮产生排气。该***还包括热回收蒸汽发生器(HRSG)，其接收排气的一部分且产生蒸汽。该***还包括预热器，其从HRSG获得热能且使用热能来改进发电设施的效率，其中从HRSG获得的热能从HRSG内预定点处抽吸的流体获得，且其中在从流体提取了热能之后，流体在预定点处返回到HRSG。
在另一方面，本发明可实施为一种改进发电设施的效率的方法，该发电设施包括涡轮，其具有接收入口空气的压缩机、燃烧***和涡轮部段，涡轮产生排气，排气至少部分地提供到热回收蒸汽发生器(HRSG)。该方法包括：从HRSG内的预定点处抽吸流体；从流体获得热能；使用所获得的热能来改进发电设施的效率；以及在从流体获得热能之后，使流体返回到HRSG内的预定点。
附图说明
图1为组合循环发电设备的第一实施例的元件的图示；
图2为组合循环发电设备的第二实施例的元件的图示；
图3为组合循环发电设备的第三实施例的元件的图示；
图4为能用于组合循环发电设备中的热回收蒸汽发生器的第一实施例的元件的图示；
图5为能用于组合循环发电设备中的热回收蒸汽发生器的第二实施例的元件的图示；以及
图6为能用于组合循环发电设备中的热回收蒸汽发生器的第三实施例的元件的图示。
部件列表
110    热回收蒸汽发生器
120    轴流压缩机
125    轴
130    周围空气
132    入口空气
135    燃烧***
145    涡轮
147    蒸汽涡轮  
155    预热器
157,182   控制阀     
159    泵  
160,188   供应管线
165,169   返回管线
167    蒸汽管线
170,172   发电机
180,181   换热器
184    循环泵
192,194,196,198  阀
202,212,222   过热器
204,214,224   蒸发器
206,216,226   节约装置(economizer)
208,218,228   汽包(drum)
225    馈送管线
229    水管线。
具体实施方式
下文优选实施例的详细描述参考附图，附图示出了本发明的具体实施例。具有不同结构和操作的其它实施例并不偏离本发明的范围。
本发明可应用于很多种涡轮机械，包括但不限于燃气涡轮、航改燃烧涡轮和类似机械。本发明的实施例呈如下应用和工艺形式：其从并非涡轮机械的源提取热能且其使用热能来在涡轮机械以部分负荷条件下操作时提高涡轮机械的效率。所提取的热能可用于加热进入涡轮机械的空气、用于加热在涡轮机械中燃烧的燃料或者用于其它目的。本发明的一个实施例具有如下技术效果：当设施在部分负荷条件下操作时改进了发电设施的效率。
图1示出了被设计用于组合循环操作的***。该***包括燃气涡轮，燃气涡轮包括具有轴125的轴流压缩机120。入口空气132进入到压缩机120中，在压缩机120中，其被压缩且然后排放到燃烧***135。在燃烧***135中，压缩空气与诸如天然气的燃料混合，且空气-燃料混合物燃烧以提供高能燃烧气体，高能燃烧气体驱动涡轮部段145。在涡轮部段145中，燃烧气体的能量转换成功，其中的一些用于通过轴125来驱动压缩机120。涡轮还驱动发电机170，发电机170发电。
由涡轮产生的排气的一部分路由到热回收蒸汽发生器(HRSG)110。HRSG使用来自涡轮的排气中的热能来产生蒸汽，蒸汽通过蒸汽管线167路由到蒸汽涡轮147。蒸汽涡轮147连接到发电机172，发电机172也发电。离开蒸汽涡轮147的蒸汽在表面冷凝器中冷凝且由冷凝泵167经由返回管线169泵送回到HRSG。
本发明能在涡轮以部分负荷条件操作时通过加热流入到压缩机120内的入口空气而改进***的效率。一般而言，燃气涡轮的输出(电、机械等)由进入压缩机120的质量流量控制。质量流可认为是进入到压缩机120的入口空气132的密度与体积流的乘积。进入压缩机120的体积流量可根据压缩机入口温度条件和(若存在的话)燃气涡轮上的可变入口导叶(IGV)的角度而变化。IGV角可决定压缩机120入口的流动面积。IGV角可减小到最小角度，从而限制弹性操作量。在最小IGV角，相对应的最小体积流抽吸到压缩机120内。
在实施本发明的***和方法中，加热入口空气132减小流入到压缩机120内的空气的密度。如所讨论的那样，燃气涡轮的输出可由进入燃气涡轮的质量流量来决定。在给定负荷点，质量流可保持几乎恒定，但进入压缩机120的体积流由于入口空气132的密度减小而增加。因此，加热入口空气打开入口导叶角以维持恒定质量流，且因此提高压缩机和涡轮的效率。加热入口空气也可允许涡轮以比不进行入口加热原本可能的更低设置来操作，这增加了弹性操作范围。
图1所示的实施例包括预热器155，预热器155安装于压缩机120的上游。预热器155可为换热器或类似物。预热器155接收周围空气130且产生热入口空气132，热入口空气132流入到涡轮的压缩机120内。
当然，在基础负荷操作期间，无需预热。在那些条件下，周围空气130将简单地流过预热器155并且进入到压缩机120内。但是当期望在小于基础负荷处操作时，预热器155用于预热入口空气132以实现上文所述的益处。
一般而言，未加热的入口空气130的温度可由位于空气预热器155的上游的任何空调***(未图示)的周围条件或出口温度来决定。本发明的一个实施例可将周围空气130的温度提高到为预热器155所允许的任何温度。但是，周围空气130的温度提高可受到若干因素中的至少一个因素限制。举例而言，可加热的周围空气的量可受到空气预热器155的几何限制、可能违反热、操作或机械限制的温度或为预热器155可用以加热周围空气130的热能的量限制。
在图1所示的***中，预热器155从HRSG 110通过供应管线160接收流体流。流体行进通过预热器且然后通过返回管线165返回到HRSG 110。泵159用于使得流体从HRSG 110流到预热器155且回到HRSG 110。泵159可为变速泵或恒速泵。控制阀157可用于控制到预热器内的流体流。通过改变流到预热器155的流体量，操作者能在入口空气进入压缩机之前控制加热入口空气的程度。如果泵为恒速泵，控制阀157可为三路控制阀，其还连接到旁通回路。
将在下文中详细地讨论流过供应管线160、预热器155和返回管线165的流体源。但是，流体温度高于周围空气130的温度。因此，通过预热器155的流体循环升高了周围空气130的温度以生成热入口空气132，热入口空气132供应到压缩机120。
图2示出了包括预热器的第二实施例，预热器加热在涡轮中燃烧的燃料。在此实施例中，预热器155接收来自燃料供应管线131的燃料和来自HRSG 110通过供应管线160的流体流。流体循环通过预热器且然后通过返回管线165返回到HRSG 110。泵159用于使得流体从HRSG 110流到预热器155且回到HRSG 110。泵可为恒速泵或变速泵。控制阀157可用于控制路由到预热器155的流体的量和因此发生的预热量。控制阀可为三路阀，其也联接到旁通回路。
预热器利用来自通过供应管线160流动的流体的热能来预热供应到涡轮的燃料。预热燃料能提高涡轮的效率和因此的总***效率。
图3示出了可选实施例。在此实施例中，从HRSG 110抽吸且通过供应管线160流动的流体通过换热器180路由。流体然后离开换热器180且由返回管线165返回到HRSG 110。
传热介质从换热器180通过供应管线188流到预热器155内。传热介质由循环泵184从预热器155循环回到换热器180。三路控制阀182用于控制传热介质的流动。
当来自HRSG 110的流体循环通过换热器180且传热介质在换热器180与预热器155之间循环时，从HRSG抽吸的流体中的热能传到在换热器180中的传热介质。然后此热能传到周围空气130以在预热器155中形成热入口空气132。利用如图3所示的***，从HRSG 155抽吸的流体能保持与流过预热器155的传热介质完全分开。这允许具有更低冰点的单独流体用作传热介质，其提供了***冷冻防护且改进了***操作范围和可用性。
传热介质可为任何流体、液体或气体。举例而言，传热介质可为水、乙二醇或那些流体的混合物。也可使用任何其它合适流体、液体或气体。
能通过控制来自HRSG通过换热器180的流体速率来控制传到入口空气的热量。能经由变速泵来控制流动速率。可选地，如果泵为恒速泵，则控制阀可为三路控制阀157，三路控制阀157允许流体的选定部分经由旁通回路旁通换热器180。
也可通过控制通过换热器180和预热器155的换热介质的流动速率来控制传到入口空气的热量。此处，同样，泵184可为变速泵以提供对流动速率的控制。可选地，泵184可为恒速泵，且联接到旁通回路的三路控制阀182可用于控制换热介质的流动速率。
图3还示出了可选或辅助换热器181也可联接到运送换热介质的管线。辅助换热器将利用一些其它热源，诸如设备辅助冷却***以加热传热介质。热能可然后用于预热流入到压缩机120内的入口空气。辅助换热器181可单独地或结合换热器180使用以加热传热介质。
图1和图2所示的***也可使用相同类型的辅助换热器。但是，辅助换热器可联接到从HRSG 110通往预热器155的入口管线160。
图4示出了可用于图1至图3所示的***中的HRSG 110的部分。HRSG 110包括高压、中压和低压级。
高压级包括：高压过热器202；高压蒸发器204，其生成在高压汽包208中收集的蒸汽；以及，高压节约装置206，其联接到高压汽包208。
同样，中压级包括：中压过热器212；中压蒸发器214，其生成在中压汽包218中收集的蒸汽；以及，中压节约装置216，其联接到中压汽包218。
低压级包括：低压过热器222；低压蒸发器224，其生成在低压汽包228中收集的蒸汽；以及，低压节约装置226，其通过馈送管线225联接到低压汽包228。而且，来自低压汽包228的冷凝液沿着锅炉给水管线229传到给水泵130。给水泵130发送冷凝液到中压节约装置216和高压节约装置206。
尽管上文的描述应用于典型的HRSG，单个HRSG可具有少于全部描述的构件或者许多额外构件。上文的描述只是说明性的以帮助解释在HRSG 110与预热器155或换热器180之间的热能的热集成。
在图4所示的实施例中，通往图1和图2所示的***中的预热器155或者图3中所示的***中的换热器180的流体供应管线160连接到在低压汽包228与给水泵130之间的给水管线229。而且，使流体返回到HRSG 110的返回管线165在供应管线160所连接的位置的紧邻下游处连接到相同给水管线229。
在图5所示的可选实施例中，供应管线160在低压节约装置226与低压汽包228之间连接到馈送管线225。返回管线165也在供应管线160所连接的位置的紧邻下游处连接到馈送管线225。
从HRSG 110的给水管线229或馈送管线225抽吸的流体具有足够高的温度以用于加热周围空气130来产生供应到压缩机120的热入口空气132。而且，使用从这两个管线中的任一个抽吸的流体具有其它优点。
在现有发电设备中的HRSG将被设计成在特定环境下操作。蒸汽和流体的操作温度、流动速率、在高压、中压和低压汽包中的水位和各种其它因素为HRSG设计的部分。如果将如上文所述的入口空气预热***改造到现有发电设备内，则从HRSG移除热能用于预热器中可能会不利地影响到HRSG本身以及利用HRSG所产生的蒸汽的任何构件(诸如图1至图3所示的蒸汽涡轮172)的操作和效率。
与从自HRSG的中压部或高压部抽吸的流体提取热相比，从流过HRSG的低压部的流体移除热能可能会最小化蒸汽循环的性能损失和因此的依赖于HRSG所产生的蒸汽的任何构件的性能损失。这也可能最小化对于HRSG的操作的影响。然而，在某些情形下，诸如在需要较高温度流体的情况下，从自HRSG的中压部或高压部抽吸的流体提取热可能是有意义的。
操作者也可通过将用于热能的流体返回到HRSG中抽取该流体的相同位置来最小化对HRSG的影响。因此，在图4所示的实施例中，流体返回管线165在供应管线160所连接的点的紧邻下游的位置处连接到给水管线229。同样，在图5所示的实施例中，流体返回管线165在供应管线160所连接的点的紧邻下游的位置处连接到馈送管线225。通过以此方式连接供应管线和返回管线，操作者能确保对HRSG的原始设计水流动速率具有最小影响。
而且，由于流体从HRSG的低压部抽吸，则供应管线160、返回管线165、循环泵159和控制阀157的物理强度和安全性需要能保持最低。如果流体从HRSG的中压部或高压部抽吸，这些元件将需要更强且因此将更昂贵。此外，当使用低压流体时，将中压或高压流体路由回到预热器155或回到换热器180将涉及对于该设备和设备操作人员的额外安全风险。
图6示出了另一可选实施例。在此实施例中，供应管线160连接到给水管线229和馈送管线225。同样，返回管线165也在位于供应管线160所连接的位置的紧邻下游的位置处连接到给水管线229和馈送管线225。阀192和194用于将供应管线160和返回管线165选择性地联接到馈送管线225。而且，阀196和198用于将供应管线160和返回管线165选择性地联接到给水管线229。因此，在图6所示的实施例中，设备操作者能从(他们认为合适的)馈送管线225或给水管线229抽吸流体。而且，如果期望，用于加热入口空气的流体能同时从馈送管线225和给水管线229抽吸。另外，阀192、194、196和198能用于改变从馈送管线225和给水管线229抽吸的流体的相对量。
本文所用的术语只是出于描述特定实施例的目的且预期并不限制本发明。除非上下文清楚地指示为其它情况，否则如本文所用的单数形式“一”、“一个”和“该”预期也包括复数形式。还应了解术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，规定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其群组的存在。
虽然结合目前被认为是最实用且优选的实施例描述了本发明，但应了解本发明并不限于所公开的实施例，而是相反，本发明预期涵盖包括于所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (10)

1.一种用于改进发电设施的效率的***，包括：
涡轮，其包括接收入口空气的压缩机、燃烧***和涡轮部段，其中，所述涡轮产生排气；
热回收蒸汽发生器(HRSG)，其接收所述排气的一部分且产生蒸汽；以及
预热器，其从所述HRSG获得热能且使用热能来改进所述发电设施的效率，其中，从所述HRSG所获得的热能从自所述HRSG内的预定点处抽吸的流体获得，且其中，在从所述流体提取了热能之后，所述流体在所述预定点处返回到所述HRSG。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述流体在其最初从所述HRSG抽吸的点的紧邻下游的位置处返回到所述HRSG。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述预定点为离开所述HRSG的汽包的给水管线。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述预定点为将HRSG的节约装置连接到所述HRSG的汽包的馈送管线。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，从所述HRSG内的预定点抽吸的流体的流动速率与返回到所述HRSG内的预定点的流体的流动速率基本上相同。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述预热器在所述入口空气流入到所述压缩机内之前使用来自所述HRSG的热能来加热所述入口空气。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述预热器使用来自所述HRSG的热能来预热在所述涡轮的燃烧***中燃烧的燃料。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括：
换热器，其接收从所述HRSG内的预定点抽吸的流体；以及
流体回路，其在所述换热器与所述预热器之间循环传热介质，其中，从自所述HRSG抽吸的所述流体获得的热传到所述换热器中的传热介质。
9.根据权利要求7所述的***，其特征在于，从所述HRSG抽吸的流体通过所述换热器且返回到所述HRSG内的预定点。
10.根据权利要求1所述的***，其特征在于，从所述HRSG内的预定点抽吸的流体从所述HRSG内的多个点抽吸，且其中，在从所述流体提取了热能之后，所述流体在相同预定点返回到所述HRSG。
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