具有产生过量空气流的压缩机和喷射器的发电系统 |
|||||||
| 申请号 | CN201610155315.2 | 申请日 | 2016-03-18 | 公开(公告)号 | CN106014636A | 公开(公告)日 | 2016-10-12 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | S.埃卡纳亚克; W.T.费希尔; J.P.克罗辛斯基; P.W.罗布森; A.I.西皮奥; | ||||
| 摘要 | 一种发电系统(100)可包括燃气 涡轮 系统(102)，其包括第一涡轮构件(104)、整体式 压缩机 (106)和 燃烧器 (108)，来自整体式压缩机(106)的空气和 燃料 供应至燃烧器(108)。燃烧器(108)布置成将热燃烧气体供应至涡轮构件(104)，且整体式压缩机(106)具有大于燃烧器(108)和/或涡轮构件(104)的吸入能 力 的通流能力，从而产生过量空气流(200)。第一控制 阀 (262)系统(202)控制过量空气流(200)沿过量空气流(200)通路至工艺空气需求(272)的流动。 定位 在过量空气流(200)通路中的喷射器(252)使用过量空气流(200)作为原动力来利用额外空气(254)增进过量空气流(200)，从而产生增进的过量空气流(270)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种发电系统(100)，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 具有产生过量空气流的压缩机和喷射器的发电系统技术领域[0001] 本公开内容大体上涉及发电系统，并且更具体地涉及包括具有产生过量空气流(excess air flow)的压缩机的燃气涡轮系统和用于增进用于工艺空气需求(process air demand)的过量空气流的喷射器的发电系统。 背景技术[0002] 发电系统时常使用一个或更多个燃气涡轮系统，其可与一个或更多个蒸汽涡轮系统联接以发电。燃气涡轮系统可包括具有旋转轴的多级轴流式压缩机。空气进入压缩机的入口，且由压缩机叶片级压缩，且然后排放到燃烧器，在该处，燃料(诸如天然气)焚烧以提供高能燃烧气流来驱动涡轮构件。在涡轮构件中，热气体的能量转换为功，其中的一些用于通过旋转轴驱动内部压缩机，而其余的可用于有效功以经由旋转轴(例如，旋转轴的延伸部)驱动负载(诸如发电机)以用于产生电力。若干燃气涡轮系统可在发电系统内并联使用。在联合循环系统中，一个或更多个蒸汽涡轮系统也可结合燃气涡轮系统使用。在该设置中，来自燃气涡轮系统的热排出气体给送至一个或更多个余热回收蒸汽发生器(HRSG)以产生蒸汽，该蒸汽然后给送至蒸汽涡轮构件，其具有单独的或与燃气涡轮系统集成的旋转轴。在任何情况下，蒸汽的能量转换为功，其可用于驱动负载(诸如发电机)以用于产生电力。 [0003] 当创建发电系统时，其部分构造成一起工作以提供具有期望的功率输出的系统。按需要增加功率输出和/或在有挑战性的环境背景下保持功率输出的能力是本行业中的持续挑战。例如，在热天，电消耗增加，因此增大了发电需求。热天的另一个挑战在于，当温度升高时，压缩机流减小，其导致减少的发电机输出。增加功率输出(或保持功率输出，例如，在热天)的一个途径在于将构件添加至发电系统，这可增加至燃气涡轮系统的燃烧器的气流。增加气流的一个途径是添加储存容器来进给燃气涡轮燃烧器。然而，该特定途径通常需要用于储存容器的单独的电源，这不是有效的。 [0004] 增加气流的另一个途径是对压缩机升级。目前，压缩机已经改进，使得其通流能力高于其之前的压缩机。这些新的较高能力的压缩机通常制造成适应新的类似构造的燃烧器，或能够处理增加能力的旧燃烧器。升级旧燃气涡轮系统来使用新的较高能力的压缩机的挑战在于，在不升级系统的其它昂贵部分的情况下，目前没有关于不可处理增加能力的系统来使用较高能力的压缩机的机制。时常需要与压缩机升级一起同时升级的其它部分包括但不限于燃烧器、燃气涡轮构件、发电机、变压器、开关装置、HRSG、蒸汽涡轮构件、蒸汽涡轮控制阀等。因此，即使压缩机升级理论上可行，升级其它部分的附加成本由于额外费用而使升级不可行。发明内容 [0005] 本公开内容的第一方面提供了一种发电系统，包括：燃气涡轮系统，其包括涡轮构件、整体式压缩机和燃烧器，来自整体式压缩机的空气和燃料供应至燃烧器，燃烧器布置成将热燃烧气体供应至涡轮构件，且整体式压缩机具有大于燃烧器和涡轮构件中的至少一者的吸入能力的通流能力，从而产生过量空气流；第一控制阀，其控制过量空气流沿过量空气流通路至工艺空气需求的流动；以及喷射器，其定位在过量空气流通路中以用于使用过量空气流作为原动力利用额外空气增进过量空气流，从而产生增进的过量空气流。 [0006] 本公开内容的第二方面提供了一种发电系统，包括：燃气涡轮系统，其包括涡轮构件、整体式压缩机和燃烧器，来自整体式压缩机的空气和燃料供应至燃烧器，燃烧器布置成将热燃烧气体供应至涡轮构件，且整体式压缩机具有大于燃烧器和涡轮构件中的至少一者的吸入能力的通流能力，从而产生过量空气流；第一控制阀，其控制过量空气流沿过量空气流通路至工艺空气需求的流动；以及喷射器，其定位在过量空气流通路中以用于使用过量空气流作为原动力利用环境空气增进过量空气流，从而产生增进的过量空气流，以及其中喷射器包括吸入侧流动通路，且还包括控制环境空气到喷射器中的流动的吸入侧流动通路中的第二控制阀系统，并且其中工艺空气需求选自由仪表空气需求和工作空气需求构成的集合。 [0007] 本公开内容的第三方面提供了一种方法，包括：从燃气涡轮系统的整体式压缩机获得过量空气流，燃气涡轮系统包括涡轮构件、整体式压缩机和燃烧器，来自整体式压缩机的空气和燃料供应至燃烧器，燃烧器布置成将热燃烧气体供应至涡轮构件，且整体式压缩机具有大于燃烧器和涡轮构件中的至少一者的吸入能力的通流能力；使用定位在过量空气流通路中的喷射器增进过量空气流，喷射器使用过量空气流作为原动力利用额外空气增进过量空气流，从而产生增进的过量空气流；以及将增进的过量空气流沿过量空气流通路引导至工艺空气需求。 [0008] 本发明的第一技术方案提供了一种发电系统，包括：燃气涡轮系统，其包括第一涡轮构件、整体式压缩机和燃烧器，来自整体式压缩机的空气和燃料供应至燃烧器，燃烧器布置成将热燃烧气体供应至涡轮构件，且整体式压缩机具有大于燃烧器和涡轮构件中的至少一者的吸入能力的通流能力，从而产生过量空气流；第一控制阀系统，其控制过量空气流沿过量空气流通路至工艺空气需求的流动；以及喷射器，其定位在过量空气流通路中以用于使用过量空气流作为原动力来利用额外空气增进过量空气流，从而产生增进的过量空气流。 [0009] 本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，涡轮构件的排气给送余热回收蒸汽发生器(HRSG)以用于产生用于蒸汽涡轮系统的蒸汽。 [0010] 本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，HRSG还将蒸汽给送至一起发生的蒸汽负载。 [0011] 本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，第一控制阀系统包括压缩机排放控制阀，其控制从整体式压缩机的排放口取得的过量空气流的第一部分，以及上游控制阀，其控制从排放口上游的整体式压缩机的级取得的过量空气流的第二部分。 [0013] 本发明的第六技术方案是在第四技术方案中，喷射器包括吸入侧流动通路，且还包括控制额外空气到喷射器中的流动的吸入侧流动通路中的第二控制阀系统。 [0014] 本发明的第七技术方案是在第六技术方案中，还包括用于测量吸入侧流动通路中的额外空气的流率的传感器，传感器可操作地联接至第二控制阀系统。 [0016] 本发明的第九技术方案是在第一技术方案中，额外空气包括环境空气。 [0017] 本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，工艺空气需求选自由仪表空气需求和工作空气需求构成的集合。 [0018] 本发明的第十一技术方案提供了一种发电系统，包括：燃气涡轮系统，其包括涡轮构件、整体式压缩机和燃烧器，来自整体式压缩机的空气和燃料供应至燃烧器，燃烧器布置成将热燃烧气体供应至涡轮构件，且整体式压缩机具有大于燃烧器和涡轮构件中的至少一者的吸入能力的通流能力，从而产生过量空气流；第一控制阀系统，其控制过量空气流沿过量空气流通路至工艺空气需求的流动；以及喷射器，其定位在过量空气流通路中以用于使用过量空气流作为原动力来利用环境空气增进过量空气流，从而产生增进的过量空气流，以及其中喷射器包括吸入侧流动通路，且还包括控制环境空气到喷射器中的流动的吸入侧流动通路中的第二控制阀系统，以及其中工艺空气需求选自由仪表空气需求和工作空气需求构成的集合。 [0019] 本发明的第十二技术方案是在第十一技术方案中，涡轮构件的排气给送余热回收蒸汽发生器(HRSG)以用于产生用于蒸汽涡轮系统的蒸汽。 [0020] 本发明的第十三技术方案是在第十二技术方案中，HRSG还将蒸汽给送至一起发生的蒸汽负载。 [0021] 本发明的第十四技术方案是在第十一技术方案中，第一控制阀系统包括压缩机排放控制阀，其控制从整体式压缩机的排放口取得的过量空气流的第一部分，以及上游控制阀，其控制从排放口上游的整体式压缩机的级取得的过量空气流的第二部分。 [0022] 本发明的第十五技术方案是在第十四技术方案中，还包括用于测量过量空气流的各个部分的流率的至少一个传感器，各个传感器均可操作地联接至相应的控制阀。 [0023] 本发明的第十六技术方案是在第十一技术方案中，还包括用于测量吸入侧流动通路中的环境空气的流率的传感器，传感器可操作地联接至第二控制阀系统。 [0024] 本发明的第十七技术方案是在第十一技术方案中，吸入侧流动通路流体地联接至整体式压缩机的入口过滤器。 [0025] 本发明的第十八技术方案提供了一种方法，包括：从燃气涡轮系统的整体式压缩机获得过量空气流，燃气涡轮系统包括涡轮构件、整体式压缩机和燃烧器，来自整体式压缩机的空气和燃料供应至燃烧器，燃烧器布置成将热燃烧气体供应至涡轮构件，且整体式压缩机具有大于燃烧器和涡轮构件中的至少一者的吸入能力的通流能力；使用定位在过量空气流通路中的喷射器增进过量空气流，喷射器使用过量空气流作为原动力来利用额外空气增进过量空气流，从而产生增进的过量空气流；以及将增进的过量空气流沿过量空气流通路引导至工艺空气需求。 [0026] 本发明的第十九技术方案是在第十八技术方案中，额外空气包括环境空气。 [0027] 本发明的第二十技术方案是在第十八技术方案中，工艺空气需求选自由仪表空气需求和工作空气需求构成的集合。 [0029] 本公开内容的这些及其它特征将从连同附图对本公开内容的各种方面的以下详细描述更容易理解，附图绘出了本公开内容的各种实施例，在附图中：图1示出了根据本发明的实施例的发电系统的示意图。 [0030] 应注意到，本公开内容的附图不成比例。附图意在仅绘出公开内容的典型方面，且因此不应认作是限制本公开内容的范围。在附图中，相似的标号表示附图之间的相似元件。 [0031] 零件列表100 发电系统 102 燃气涡轮系统 104 涡轮构件 106 整体式压缩机 108 燃烧器 110 涡轮旋转轴 112 起动电机 120 入口过滤器壳体 122,166 发电机 160 蒸汽涡轮系统 162 旋转轴 168 蒸汽发生器 170 蒸汽负载 172 排气 178 排放控制系统 180 控制系统 200 气流 202 第一控制阀系统 204 排放口上游 210 上游阀 220 传感器 250 过量空气流通路 252 喷射器 254 额外空气 256 额外空气源 258 侧流动通路 260 第二控制阀系统 262 控制阀 270 增进的过量空气流 272 空气需求。 具体实施方式[0032] 如上文所述，本公开内容提供了一种包括燃气涡轮系统的发电系统，燃气涡轮系统包括产生过量空气流的压缩机。本发明的实施例提供了使用过量空气流来提高发电系统的阀的途径。 [0033] 参看图1，提供了根据本发明的实施例的发电系统100的示意图。系统100包括燃气涡轮系统102。燃气涡轮系统102可包括连同其它构件一起的涡轮构件104、整体式压缩机106和燃烧器108。如本文使用的"整体式"压缩机106认作是压缩机106和涡轮构件104可特别地由公共压缩机/涡轮旋转轴110(有时称为转子110)整体地联接在一起。该结构是相比于许多单独地供能且并不与涡轮构件104整体结合的压缩机。 [0034] 燃烧器108可包括大体上包括燃烧区和燃料喷嘴组件的任何现在已知或后续开发的燃烧器系统。燃烧器108可采用环形燃烧系统或筒－环形燃烧系统(如附图中所示)的形式。在操作中，来自整体式压缩机106的空气和燃料(天然气)供应至燃烧器108。稀释剂也可以可选地以任何现在已知或后续开发的方式输送至燃烧器108。由整体式压缩机106吸入的空气可穿过任何现在已知或后续开发的入口过滤器壳体120。如理解的那样，燃烧器108布置成通过燃料和空气混合物的燃烧将热燃烧气体供应至涡轮构件104。在涡轮构件104中，热燃烧气体的能量转换为功，其中的一些可用于通过旋转轴110驱动压缩机106，其余的可用于有效功来驱动负载，诸如但不限于用于产生电力的发电机122，和/或经由旋转轴110(旋转轴110的延伸部)驱动另一涡轮。起动电机112诸如但不限于常规起动电机或负载转换变换器(LCI)电机(未示出)也可联接到旋转轴110以用于以任何常规方式起动燃气涡轮系统102。涡轮构件104可包括用于通过旋转轴110将热燃烧气流转换为功的任何现在已知或后续开发的涡轮。 [0035] 在一个实施例中，燃气涡轮系统102可包括由通用电气公司(Greenville, S.C)市售的型号MS7001FB，有时称为7FB发动机。然而，本发明不限于任何一种特定燃气涡轮系统，且可结合其它系统实施，例如包括通用电气公司的型号MS7001FA(7FA)和MS9001FA(9FA)。 [0036] 相比于常规燃气涡轮系统型号，整体式压缩机106具有大于涡轮构件104和/或第一燃烧器108的吸入能力的通流能力。即，压缩机106相比于构造成匹配燃烧器108和涡轮构件104的压缩机是升级的压缩机。如本文使用的"能力"是指流率能力。例如，燃气涡轮系统102的初始压缩机可具有大约487千克/秒(kg/s)(1075磅质量/秒(lbm/s))的最大流率能力，且涡轮构件104可具有大致相等的最大通流能力，即，大约487kg/s。然而，这里压缩机 106取代了初始压缩机，且可具有例如大约544kg/s(1200lbm/s)的增大的最大通流能力，而涡轮构件104继续具有例如大约487kg/s的最大通流能力。(必要时，起动电机112例如也可升级成如图所示的LCI电机，以适应整体式压缩机106的起动的增加的功率要求)。因此，涡轮构件104不可利用压缩机106的所有能力，且由压缩机106在高于例如涡轮构件104的最大能力下产生过量空气流200。类似地，整体式压缩机106的通流能力可超过燃烧器108的最大吸入能力。以类似方式，涡轮构件104的功率输出如果遭受整体式压缩机106的满流能力，可超过发电机122的最大允许输入。尽管本文描述了特定示范性流率值，但要强调的是，流率能力可取决于燃气涡轮系统和使用的新的高能力整体式压缩机106广泛地改变。如本文将描述那样，本发明提供了使用发电系统100的其它部分中的过量空气流的发电系统100的各种实施例。 [0037] 还如图1中所示，在一个实施例中，发电系统100可以可选地采用包括蒸汽涡轮系统160的联合循环发电设备的形式。蒸汽涡轮系统160可包括任何现在已知或后续开发的蒸汽涡轮布置。在所示的示例中，示出了高压(HP)、中压(IP)和低压(LP)区段；然而，在所有情况下，并非全部需要。如本领域已知的那样，在操作中，蒸汽进入蒸汽涡轮区段的入口，且引导穿过静止导叶，导叶相对于联接到旋转轴152(转子)的叶片向下游引导蒸汽。蒸汽可穿过其余级，将力施加在叶片上以引起旋转轴162旋转。旋转轴162的至少一端可附接到负载或机器，如但不限于发电机166和/或另一涡轮，例如，燃气涡轮系统102或另一燃气涡轮系统。用于蒸汽涡轮系统160的蒸汽可由一个或更多个蒸汽发生器168生成，即，余热回收蒸汽发生器(HSRG)。例如，HRSG 168可联接到燃气涡轮系统102的排气172。在穿过HSRG 168之后，现在排尽热的燃烧气流可经由任何现在已知或后续开发的排放控制系统178来排气，例如，排气器、选择性催化还原(SCR)单元、一氧化二氮过滤器等。尽管图1示出了联合循环实施例，但将强调的是，可省略包括蒸汽发生器168的蒸汽涡轮系统160。在后一情况中，排气172将直接行进到排放控制系统178或用于其它过程。 [0038] 发电系统100还可包括用于控制其各种构件的任何现在已知或后续开发的控制系统180。尽管与构件分开示出，但将理解的是，控制系统180电联接到所有构件和其相应的可控制特征，例如，阀、泵、电机、传感器、发电机控制器等。 [0039] 回到燃气涡轮系统102的细节，如本文所述，整体式压缩机106具有大于涡轮构件104和/或燃烧器108的吸入能力的通流能力，这产生过量空气流200。如图所示，过量空气流 200可通过从压缩机106获得空气来形成。在一个实施例中，第一控制阀系统202控制过量空气流200沿过量空气流通路250至工艺空气需求272的流动。第一控制阀系统202可包括供应期望的过量空气流200所需的任何数目的阀，例如，一个、两个(如图所示)或更多于两个。在一个实施例中，过量空气流200可使用压缩机排放控制阀206从整体式压缩机106在其排放口204处获得。即，压缩机排放控制阀206控制从整体式压缩机106的排放口204取得的过量空气流200的第一部分。在此情况下，可省略另一上游阀210。然而，在另一个实施例中，过量空气流200可在期望的情况下使用适合的阀和相关控制系统在压缩机106的一个或更多个级处获得，例如，在排放口204上游的一个或更多个位置处，在排放口204处和排放口上游的一个或更多个位置等。在此情况下，第一控制阀202还可包括一个或更多个上游控制阀210，其控制从排放口204上游的整体式压缩机106的级获得的过量空气流200的第二部分。任何数目的上游控制阀210都可用于第一控制阀系统202来从整体式压缩机106提供任何期望的过量空气流200，即，以期望的压力、流率、体积等。在其它上游控制阀210提供期望的过量空气流200的情况下可省略压缩机排放阀210。第一控制阀202还可包括用于测量过量空气流的各个部分的流率的至少一个传感器220，各个传感器220均可操作地联接到相应的控制阀或总体控制系统180。控制阀系统202可包括用于所示的各种控制阀的自动操作的任何现在已知或后续开发的工业控制。 [0040] 过量空气流200最终沿过量空气流通路250行进，通路250可包括至工艺空气需求272的一个或更多个管路。尽管示为似乎过量空气流200在单个管道中引导至工艺空气需求 272，但将理解的是，过量空气流可引导至工艺空气需求272的一个或更多个位置。工艺空气需求272可包括诸如气动控制阀的仪表空气需求，以及诸如液氧制造、液氮制造、制造厂中的气动工具操作的工作空气需求等。 [0041] 发电系统100还可包括定位在过量空气流通路250中的喷射器252以用于使用过量空气流200作为原动力利用额外空气254增进过量空气流。额外空气254与过量空气流200一起形成增进的过量空气流270，其输送至工艺空气需求272。即，增进的过量空气流270供应至工艺空气需求272。增进的过量空气流270将增加的总空气质量提供至工艺空气需求272。增加的总空气质量可在发电系统100中的宽范围的工艺空气需求中采用。 [0042] 喷射器252可采用使用动力流体流来泵送吸入流体(即，额外空气254)的任何泵的形式。这里，喷射器252使用过量空气流200作为动力流体将额外空气254添加至过量空气流200，即，通过从额外空气源256沿吸入侧流动通路258吸入额外空气。额外空气源256可采用多种形式。在一个实施例中，额外空气源256可采用整体式压缩机106的入口过滤器壳体120的形式。在此情况下，通到喷射器252的吸入侧流动通路258可联接到整体式压缩机106(由虚线示出)的入口过滤器壳体120，使得额外空气254包括环境空气。在另一个实施例中，额外空气254可包括来自除入口过滤器壳体120外(例如，另一个过滤器壳体)的额外空气源 256的环境空气，直接来自环境但随后在流动通路258内过滤的空气，等。第二控制阀系统 260可设在吸入侧流动通路258中以用于控制额外空气254进入喷射器252中的流动。第二控制阀系统260可包括可操作成控制进入喷射器252中的额外空气254的量的控制阀262。第二控制阀系统260还可包括用于测量吸入侧流动通路258中的额外空气254的流率的至少一个传感器220，传感器可操作地联接到第二控制阀系统260以用于测量额外空气254的流率。 [0043] 还如所示出的，涡轮构件104的排气172可给送至HRSG168以用于产生用于蒸汽涡轮系统160的蒸汽。此外，HRSG168也可将蒸汽给送至一起发生的蒸汽负载170。例如，一起发生的蒸汽负载170可包括至石化设施的蒸汽、用于区域供热的蒸汽、用于"焦油砂"采油的蒸汽等。 [0044] 进一步考虑各个控制阀系统202、260，其各个控制阀可定位在打开和关闭之间的任何位置，以提供至指定构件的期望分流。此外，尽管至各个构件的一个通道示为在各个控制阀之后，但将强调的是，其它管路和控制阀可提供成将过量空气流200的相应部分进一步分配至各个子部分，例如，喷射器252的许多入口等。各个传感器220可以可操作地联接到控制阀系统202、206和控制系统180以用于以已知方式自动控制。用于测量流的其它传感器200可在需要时设在发电系统100各处。控制阀系统202、260且因此过量空气流200的流动和喷射器252的操作可使用任何现在已知或后续开发的工业控制器来控制，其可为总体发电系统100控制系统180的一部分。控制系统180可以以已知方式控制发电系统100的所有各种构件的操作，包括对控制阀系统202、260进行控制。 [0045] 除增进的过量空气流270对工艺空气需求272的上述优点之外，包括具有产生过量空气流200的第一整体式压缩机106的燃气涡轮系统102的发电系统100相比于常规系统提供了若干优点。例如，压缩机106可相对于在系统中升级所有压缩机(其在使用若干燃气涡轮的情况下可能很昂贵)以较低成本改善发电系统100的功率组峰值、基本和热天输出。此外，本发明的实施例降低了升级的压缩机(即，压缩机106)的相对成本，且继而又通过提供有效地消耗更多过量空气流的方式改善了升级的压缩机的耐久性和合意性。此外，包括整体式压缩机106的发电系统100通过在任何一个或更多个以下示范性子系统尺寸过小的情况下改善项目耐久性来扩大系统100的操作包络：涡轮构件104、发电机122、变压器(未示出)、开关装置、HRSG 168、蒸汽涡轮系统160、蒸汽涡轮控制阀等。以此方式，相比于无为情况，系统100提供改善情况来升级例如单个燃气涡轮和单个蒸汽涡轮联合循环(1x1 CC)系统中的单个压缩机。 [0046] 本文所述的术语仅用于描述特定实施例的目地，且不意图限制本公开内容。如本文使用的单数形式"一个"、"一种"和"该"意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还将理解的是，用语"包括"和/或"包含"在用于此说明书中时表示指出的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或增加一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或其群组。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈