[0001] 本文公开的主题涉及动力装置，并且更特别地，涉及动力装置中的排放合规性。

[0002] 联合循环动力装置结合燃气涡轮系统与蒸汽涡轮系统，以在减少能量浪费的同时产生电。在运行中，燃气涡轮系统燃烧燃料-空气混合物，以产生旋转能，该旋转能驱动负载(即，产生电功率)。燃烧气体可包括各种燃烧副产物，诸如一氧化碳(CO)、氧化氮(NOx)、二氧化碳(CO2)等。为了减少能量浪费，联合循环动力装置使用燃气涡轮系统排气中的热能来产生蒸汽，用于在蒸汽涡轮系统中使用。不幸的是，电网可接收来自各种源的功率，从而降低联合循环动力装置功率生产要求(即，负载)。功率要求降低可导致装置中的燃气涡轮在最低排放合规负载(MECL)约束之外运行(即，关于它们的负载，超过排气排放水平)。因此，联合循环动力装置可更频繁地开启和关闭，以便遵守排放规范，并且因而除了别的之外提高维护成本以及启动成本。
发明内容

[0003] 在下面概括在范围上与最初要求权利的本发明相称的某些实施例。这些实施例不意图限制要求权利的本发明的范围，而是相反地，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概括。实际上，本发明可包含可与在下面提出的实施例相似或不同的各种形式。

[0004] 在一个实施例中，一种系统包括燃气涡轮系统和电解单元，该电解单元构造成产生氢气，用于降低燃气涡轮系统的最低排放合规负载。

[0005] 在另一个实施例中，一种系统包括：构造成用燃烧气体驱动负载的燃气涡轮系统；热回收蒸汽发生器，其构造成通过从燃烧气体中回收热来产生蒸汽；以及电解单元，其构造成接收来自热回收蒸汽发生器的蒸汽，用于在产生氢气时使用，以降低燃气涡轮系统的最低排放合规负载。

[0006] 在另一个实施例中，一种方法包括在电解单元中产生氢气，以存储容器捕捉氢气，监测燃气涡轮系统的至少一个参数，以及将氢气发送到燃气涡轮系统中，以响应于至少一个参数降低最低排放合规负载。

[0007] 一种系统，包括：燃气涡轮系统；以及电解单元，其构造成产生氢气，用于降低燃气涡轮系统的最低排放合规负载。

[0008] 优选地，电解单元构造成用蒸汽供应产生氢气。

[0009] 优选地，系统包括由燃气涡轮系统驱动的第一发电机。

[0010] 优选地，第一发电机构造成对电解单元供应电功率。

[0011] 优选地，系统包括热回收蒸汽发生器，其构造成从燃气涡轮系统输出的排气中回收热，用回收的热产生蒸汽，并将蒸汽供应给电解单元。

[0012] 优选地，系统包括联接到热回收蒸汽发生器上的蒸汽涡轮系统。

[0013] 优选地，系统包括由蒸汽涡轮系统驱动的第二发电机。

[0014] 优选地，第二发电机构造成将电功率供应给电解单元。

[0015] 优选地，系统包括存储容器，其构造成存储电解单元产生的氢气，以供燃气涡轮系统使用。

[0016] 一种系统，包括：燃气涡轮系统，其构造成用燃烧气体驱动负载；热回收蒸汽发生器，其构造成通过从燃烧气体中回收热来产生蒸汽；以及电解单元，其构造成接收来自热回收蒸汽发生器的蒸汽，用于在产生氢气时使用，以降低燃气涡轮系统的最低排放合规负载。

[0017] 优选地，系统包括构造成捕捉电解单元产生的氢的存储容器。

[0018] 优选地，系统包括控制器，其构造成基于指示燃气涡轮系统上的负载的至少一个监测参数，来控制氢气从电解单元供应到燃气涡轮系统。

[0019] 优选地，控制器构造成当监测参数指示负载低于阈值水平时，将氢气发送到燃气涡轮系统。

[0020] 优选地，系统包括第一发电机，其联接到燃气涡轮系统上，并且构造成产生功率供电解单元使用。

[0021] 优选地，系统包括第二发电机，其联接到蒸汽涡轮系统上，并且构造成产生功率供电解单元使用。

[0022] 一种方法，包括：在电解单元中产生氢气；以存储容器捕捉氢气；监测燃气涡轮系统的至少一个参数；以及将氢气发送到燃气涡轮系统中，以响应于至少一个参数来降低最低排放合规负载。

[0023] 优选地，该方法产生氢气包括在电解单元中将蒸汽电解成氢气和氧。

[0024] 优选地，该方法包括在热回收蒸汽发生器中产生蒸汽，以及将蒸汽供应到电解单元。

[0025] 优选地，该方法包括在电解单元中产生蒸汽。

[0026] 优选地，该方法包括用联接到燃气涡轮系统、蒸汽涡轮系统或它们的组合上的发电机来产生电功率，用于在电解单元中使用。附图说明

[0027] 当参考附图阅读下列详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它的特征、方面和优点，其中，同样的标记在所有附图中表示同样的部件，其中：图1是具有电解单元的联合循环动力装置的实施例的框图；
图2是示出关于燃气涡轮系统负载的不同排放水平的图表；
图3是用于扩展联合循环动力装置的最低排放合规负载的方法的实施例；以及图4是用于扩展联合循环动力装置的最低排放合规负载的方法的实施例。

[0028] 将在下面描述本发明的一个或更多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明描述，可不在说明书中描述实际实施的所有特征。应当理解，在任何这种实际实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须作出许多特定实施决定以实现开发者的特定目的，诸如符合系统相关且商业相关的约束，这可从一个实施变化到另一个实施。此外，应当理解，这种开发努力可为复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的技术人员而言，仍将是设计、制作和制造的日常工作。

[0029] 当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在元件中的一个或更多个。用语“包括”、“包含”和“具有”意图是包含的，并且表示可存在除了列出的元件之外的附加元件。

[0030] 本公开大体涉及用于扩展联合循环动力装置的最低排放合规负载的系统和方法。特别地，联合循环动力装置包括产生用于燃气涡轮系统的氢气燃料的电解单元。联合循环动力装置使用氢气来掺杂燃气涡轮燃料，这减少燃气涡轮系统的有限负载(例如，低于基准最低排放合规负载的负载)时期期间的排放。如将理解的，减少较低负载时期期间的排放使得联合循环动力装置能够保持运行(即，避免频繁地启动和关闭)，同时遵守排放标准。为了产生氢气，电解单元可使用来自HRSG的高温和高压蒸汽，在电解单元内产生蒸汽，或者它们的组合。换句话说，电解单元可由联合循环动力装置(例如，由燃气涡轮系统驱动的发电机)提供电功率，或者电解单元可由装置(例如HRSG)产生的热能(例如蒸汽)驱动。

[0031] 图1是具有电解单元10的联合循环动力装置(CCPP)8的实施例的框图。在运行期间，CCPP 8使用电解单元10来产生氢气，用于进行燃料掺杂。电解是使用直流电驱动化学反应(即，使 H2O变成H2和O2)的过程。用于电解的直流电可来自CCPP 8(例如，发电机)和/或电网。掺氢燃料减少排放，从而使得CCPP 8能够以较低的最低排放合规负载运行。换句话说，CCPP 8使用电解单元10产生氢，该氢扩展有限负载(即，低功率生产)时期期间的最低排放合规负载(MECL)。联合循环动力装置(CCPP)8包括电解单元10、控制器12、燃气涡轮系统14、蒸汽涡轮系统16和热回收蒸汽发生器(HRSG)18。在运行中，燃气涡轮系统14燃烧燃料-空气混合物，以产生旋转能，该旋转能驱动负载(例如发电机)。为了减少能量浪费，联合循环动力装置8使用排气中的热能来加热流体(例如水)，以及在HRSG
18中产生蒸汽。蒸汽从HRSG 18行进通过蒸汽涡轮系统16，从而产生旋转能，该旋转能接着驱动负载(例如发电机)。因此，CCPP 8结合燃气涡轮系统14与蒸汽涡轮系统16，以提高功率生产，同时减少能量浪费。

[0032] 燃气涡轮系统14可包括压缩机22、燃烧器24和涡轮26。在运行中，空气28通过入口导叶20进入涡轮系统14，入口导叶20控制氧化剂吸入(例如，空气吸入)量。虽然燃气涡轮系统14可使用空气28作为下面论述的氧化剂，但系统14可使用任何适当的氧化剂，诸如空气、氧、富氧空气或氧减少的空气。压缩机22对一系列压缩机级(例如，具有压缩机叶片的转子盘30)中的空气28加压。随着压缩空气离开压缩机22，空气进入燃烧器24并且与燃料32混合。涡轮系统14可使用诸如天然气、合成气、焦炉煤气、高炉气和/或富氢气体(即，掺氢气体)的气体燃料来运转涡轮系统14。例如，燃料喷嘴34可以以适于最佳燃烧、排放、燃料消耗和功率输出的比将燃料-空气混合物喷射到燃烧器24中。如描绘的，多个燃料喷嘴34吸入燃料32，使燃料32与空气混合，并且将空气-燃料混合物分配到燃烧器24中。空气-燃料混合物在燃烧器24内的室中燃烧，从而产生热排气。燃烧器
24将排气通过涡轮26引导向排气出口36。随着排气传送通过涡轮26，气体接触附连到涡轮转子盘38(例如涡轮级)上的涡轮叶片，从而驱动转子盘38旋转。转子盘38的旋转引起压缩机26中的轴40和转子盘30的旋转。负载42(例如发电机)连接到轴40上，并且使用轴40的旋转能来产生供电网44使用的电。

[0033] 如上面说明的，CCPP 8采集来自离开燃气涡轮系统14的热排气的能量，以供蒸汽涡轮系统16使用。特别地，CCPP 8将热排气44从涡轮系统14引导到热回收蒸汽发生器(HRSG)18中。在HRSG 18中，燃烧排气中的热能使流体(例如水)变成加压热蒸汽。HRSG18通过(多个)阀47释放蒸汽46，用于在蒸汽涡轮系统16中使用。

[0034] 蒸汽涡轮系统16包括涡轮48、轴50和负载52(例如发电机)。随着加压热蒸汽46进入蒸汽涡轮48，蒸汽46接触附连到涡轮转子盘54(例如涡轮级)上的涡轮叶片。随着蒸汽46传送通过涡轮48中的涡轮级，蒸汽46引起涡轮叶片旋转转子盘54。转子盘54的旋转引起轴50的旋转。如示出的，负载52连接到轴50上。因此，随着轴50旋转，负载
52(例如发电机)使用旋转能来产生电用于电网44。随着加压蒸汽46传送通过涡轮48，蒸汽46失去能量(即，膨胀和冷却)。在离开蒸汽涡轮48之后，蒸汽46发送回到HRSG 18或冷凝器55。

[0035] 为了产生氢气，电解单元10可使用高温/高压蒸汽来改进电解单元10效率，并且因而产生供在扩展最低排放合规负载时使用的氢气。电解单元10可接收来自内部源(例如 HRSG 18)的高温蒸汽，产生高温蒸汽(例如，在单元10内)，或者它们的组合。例如，在一个实施例中，电解单元10可使用来自HRSG 18的高温蒸汽产生氢气。在运行期间，控制器12可执行指令(例如，存储在存储器56上且能够在处理器58上执行)，以控制电解单元10和整个CCPP 8的运行。例如，控制器12可执行用于开启阀60的指令。随着阀60开启，高温蒸汽离开HRSG 18，并且流到电解单元10中。随着电解单元10接收高温蒸汽，单元10执行电解，从而将水分离成氢气和氧气。如示出的，氢气可存储在存储箱64中，而排出蒸汽或冷凝水发送回到HRSG 18或冷凝器55中用于再热。在另一个实施例中，电解单元10可经由热交换器60产生高温蒸汽。例如，控制器12可执行用于使热交换器60在电解单元
10中产生蒸汽的指令。热交换器60可包括电加热器、翅片和管式热交换器，或者构造成将热传递到水和/或蒸汽，以产生用于电解的适当蒸汽的任何适当的加热器。热交换器60可接收来自负载42、负载52、电网44、高炉、锅炉、太阳能、CCPP 10中的另一个热源或它们的组合的电功率或热能。在又一个实施例中，电解单元10可接收来自HRSG 18的高温蒸汽，接着该高温蒸汽进一步被热交换器60加热。照这样，热交换器60可提高蒸汽的温度，以便有利于产生氢气。使用来自CCPP 8的热能和电功率驱动电解化学反应可降低CCPP 8的效率，包括底层循环(即，蒸汽涡轮系统16)的效率，但使得CCPP 8能够在较低的MECL下保持运行。使CCPP 8保持运行且保持在电网上的能力降低与频繁启动和停止相关联的成本(即，维护、启动成本节约、较高的分派级别、来自功率生产的更多收益等)。

[0036] 如上面说明的，CCPP 8使用电解单元10来扩展最低排放合规负载，从而减少频繁的CCPP 8关闭和重新启动。最低排放合规负载(MECL)是燃气涡轮系统的排放标准，其中，如果负载(例如，功率生产)低于阈值负载值，则燃气涡轮系统14可不继续运行，该阈值负载值产生超过指定水平的排放。因而，为了阻止CCPP 8频繁地启动和关闭，公开的实施例通过对燃气涡轮系统14掺杂氢气燃料来扩展CCPP 8的MECL。燃料32中的氢气减少排放(例如，NOx、CO等)，从而使得燃气涡轮系统14能够以较低负载(即，较低功率输出)运行，同时保持在排放标准内。如将理解的，CCPP 8使用控制器12来监测燃气涡轮系统14的运行参数(例如，负载、排放、燃料组成等)，以及调节燃气涡轮系统16中的燃料组成。控制器12包括存储器56和处理器58。存储器56存储以软件代码形式编写的指令和步骤，处理器58响应于来自CCPP 8的反馈而执行该指令和步骤。特别地，控制器12监测负载42以及燃料组成32或燃气涡轮排放，以确定燃气涡轮系统14的负载是否高于最低排放合规负载。如果负载低于MECL，则控制器12可执行指令，以对燃气涡轮系统14的燃料32进行掺杂。例如，控制器12可使用已知值、方程、模型等的数据库来对燃料掺杂氢气，该数据库基于掺氢量来预测排放水平。在另一个实施例中，控制器12可监测负载和排放(例如，CO、NOx、CO2)以确定燃气涡轮系统14是否低于最低排放合规负载运行，并且接着基于排放反馈掺杂。在运行期间，控制器12可开启阀66，释放氢气，用于在燃气涡轮系统14中使用。氢气改变燃料32的组成，从而减少排放。排放减少使得燃气涡轮系统14能够以较低负载运行，并且仍然遵守排放标准(即，扩展最低排放合规负载)。通过扩展MECL，CCPP 8因此仍然可在功率要求低的时间期间运行，从而防止昂贵的关闭和启动。

[0037] 图2是示出关于燃气涡轮系统负载的排放水平的图表90。图表90包括x轴92和y轴94。x轴92表示燃气涡轮系统14的负载，包括最低负载96、最大负载98、基准最低排放合规负载100和扩展最低排放合规负载102。y轴94表示来自燃气涡轮系统14的排放，并且限定阈值排放水平104。如示出的，图表90示出关于燃气涡轮系统14上的负载的两条排放曲线106和108。排放曲线106示出没有掺氢燃料的燃气涡轮系统14的排放，而排放曲线108示出具有掺氢燃料的排放。

[0038] 如上面说明的，排放曲线106示出使用未掺燃料的燃气涡轮系统14的排放。如将理解的，随着燃气涡轮系统14上的负载提高，排放水平降低到点110。在点110处，燃气涡轮系统14以最低排放合规负载100运行，或者燃气涡轮系统14的负载产生处于阈值排放水平104的排放的点。为了遵守阈值排放水平104，燃气涡轮系统14可使负载保持在基准最低排放合规负载100处或高于其。如上面说明的，使CCPP 8保持处于运行状态是合乎需要的(即，避免昂贵的装置关闭和启动)。但是，负载(例如，功率生产要求)可不在基准最低排放合规负载100处或高于其。因此，并且如上面说明的，CCPP 8包括电解单元10，电解单元10产生用于燃料掺杂的氢，以便扩展最低排放合规负载。

[0039] 曲线108示出当使用掺氢燃料时，燃气涡轮系统14关于负载的排放水平。如示出的，当燃气涡轮系统14的负载提高时，排放曲线108在点112处与阈值排放水平104相交。更特别地，当燃气涡轮系统14使用掺氢燃料时，排放随着负载提高(例如曲线108)，比使用未掺燃料时(例如曲线106)更快速地下降。因此，排放曲线108在排放曲线106前面与排放阈值104相交。照这样，掺氢燃料使得燃气涡轮系统14能够以扩展最低排放合规负载
102(即，较低负载)运行，并且仍然遵守排放标准。

[0040] 图3是用于扩展联合循环动力装置8的最低排放合规负载的方法130的实施例。方法130通过启动联合循环动力装置8而开始(框132)。一旦运行，控制器12就执行将蒸汽从蒸汽源(例如，HRSG或动力装置中的其它蒸汽源)发送到电解单元10的指令(框
134)。电解单元10使用蒸汽产生用来掺杂燃料的氢气(框136)。如上面说明的，对燃料掺氢减少排放，并且扩展最低排放合规负载(即，使得CCPP 8能够在较低负载下遵守排放标准)。在产生之后，氢气存储在缓冲器或存储箱64中(框138)。在电解单元10产生氢气时，控制器12监测燃气涡轮系统14的负载(框140)。在监测燃气涡轮系统14上的负载时，控制器12确定负载是否小于最低排放合规负载(决策点142)。如果控制器12确定负载高于最低排放合规负载，则控制器12回到框140，并且监测燃气涡轮系统14。但是，如果控制器12确定负载小于最低排放合规负载，则控制器12执行对燃气涡轮系统14燃料掺杂存储氢气的指令，从而扩展最低排放合规负载(框144)。在一些实施例中，当负载小于最低排放合规负载时，控制器12可执行根据命令用电解单元10产生氢气(即，而非存储氢气)的指令。如上面说明的，扩展最低排放合规负载使得CCPP 8能够在较低负载下保持运行(即，减少昂贵的关闭和启动)，同时遵守排放标准。

[0041] 图4是用于扩展联合循环动力装置8的最低排放合规负载的方法150的实施例。方法130通过启动联合循环动力装置8而开始(框152)。一旦运行，控制器12执行用以用热交换器60在电解单元10中产生蒸汽的指令(框154)。如上面说明的，热交换器60可接收来自多种源(例如，负载42、负载44、电网44、HRSG或CCPP 8的另一部分)的电和/或热能。电解单元10使用蒸汽产生用于掺杂燃料的氢气(框156)。如上面说明的，对燃料掺氢减少排放，并且扩展最低排放合规负载(即，使得CCPP 8能够在较低负载下遵守排放标准)。在产生之后，氢气存储在缓冲器或存储箱64中(框158)。在电解单元10产生氢气时，控制器12监测燃气涡轮系统14的负载(框160)。在监测燃气涡轮系统14上的负载时，控制器12确定负载是否小于最低排放合规负载(决策点162)。如果控制器12确定负载高于最低排放合规负载，则控制器12回到框140，并且继续监测燃气涡轮系统14。但是，如果控制器12确定负载小于最低排放合规负载，则控制器12执行用以对燃气涡轮系统
14燃料掺杂存储氢气的指令，从而扩展最低排放合规负载(框164)。在一些实施例中，当负载小于最低排放合规负载时，控制器12可执行根据命令用电解单元10产生氢气(即，而非存储氢气)的指令。如上面说明的，扩展最低排放合规负载使得CCPP 8能够在较低负载下保持运行(即，减少昂贵的关闭和启动)，同时遵守排放标准。

[0042] 本发明的技术效果包括扩展联合循环动力装置的最低排放合规负载的能力。特别地，公开的实施例描述了具有电解单元的联合循环动力装置，该电解单元产生用于掺杂燃料的氢气。联合循环动力装置使用掺氢燃料来减少有限负载时期期间的排放。照这样，联合循环动力装置保持以较低负载运行(即，避免频繁启动和关闭)，同时保持在排放标准之内。

[0043] 该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。