用于提高管道燃烧的联合循环发电设备的响应性的系统和方法专利检索-燃气涡轮发动机涡轮机专利检索查询-专利查询网

用于提高管道燃烧的联合循环发电设备的响应性的系统和方法

阅读：388发布：2020-05-08

专利汇可以提供用于提高管道燃烧的联合循环发电设备的响应性的系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了一种系统和方法，用于通过在小于100％负载的部分负载条件下操作一个或多个燃气涡轮发动机（14）、操作一个或多个蒸汽涡轮发动机（16）和一个或多个补充燃烧器（18）而提高管道燃烧的联合循环发电设备（12）的响应性，该一个或多个补充燃烧器（18）向蒸汽涡轮发动机（16）上游的热回收蒸汽发生器（20）提供额外热量。与处于部分负载条件下的燃气涡轮发动机（14）一起操作的蒸汽涡轮发动机（16）和补充燃烧器（18）的组合使得该系统能够快速地改变输出以适应管道燃烧的联合循环发电设备（12）的输出需求的改变。通过在部分负载条件下操作该一个或多个燃气涡轮发动机（14），燃气涡轮发动机（14）能够被使用比依赖于通过管道燃烧而增加的输出更快地增加联合循环发电设备（12）的净输出。，下面是用于提高管道燃烧的联合循环发电设备的响应性的系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于提高管道燃烧的联合循环发电设备（12）的响应性的方法，其特征在于：
在小于100%负载的部分负载条件下操作至少一个燃气涡轮发动机（14）；
通过蒸汽操作至少一个蒸汽涡轮发动机（16），所述蒸汽至少部分地由所述至少一个燃气涡轮发动机（14）产生的热量形成；
使至少一个补充燃烧器（18）燃烧以向所述至少一个蒸汽涡轮发动机（16）上游的热回收蒸汽发生器（20）提供额外热量，使得在部分负载下的所述至少一个燃气涡轮发动机（14）和具有额外蒸汽输入的所述至少一个蒸汽涡轮发动机（16）的联合输出与在100%负载条件下操作所述至少一个燃气涡轮发动机（14）和在100%负载条件下操作所述至少一个蒸汽涡轮发动机（16）一样多，所述额外蒸汽输入通过使上游的所述热回收蒸汽发生器（20）上游的所述至少一个补充燃烧器（18）燃烧而产生；以及
控制所述至少一个燃气涡轮发动机（14）以改变所述至少一个燃气涡轮发动机（14）的输出，从而适应所述管道燃烧的联合循环发电设备（12）的输出需求的改变，使至少一个补充燃烧器（18）燃烧以向所述至少一个蒸汽涡轮发动机（16）上游的热回收蒸汽发生器（20）提供额外热量包括：在所述至少一个燃气涡轮发动机（14）开始操作的起动过程期间使至少一个补充燃烧器（18）燃烧，以便使得所述热回收蒸汽发生器（20）能够更快地升温并且允许将过量蒸汽提供至压盖密封件和冷凝器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述至少一个燃气涡轮发动机（14）以改变所述至少一个燃气涡轮发动机（14）的输出从而适应输出需求的改变包括增加所述至少一个燃气涡轮发动机（14）的输出，以便增加所述管道燃烧的联合循环发电设备（12）的输出，从而适应输出需求的增加。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，增加所述管道燃烧的联合循环发电设备（12）的输出以适应输出需求的增加包括以每分钟至少五兆瓦的速率增加所述管道燃烧的联合循环发电设备（12）的输出。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，增加所述管道燃烧的联合循环发电设备（12）的输出以适应输出需求的增加包括以每分钟至少十兆瓦的速率增加所述管道燃烧的联合循环发电设备（12）的输出。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，增加所述管道燃烧的联合循环发电设备（12）的输出以适应输出需求的增加包括以每分钟至少十五兆瓦的速率增加所述管道燃烧的联合循环发电设备（12）的输出。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在小于100%负载的部分负载条件下操作至少一个燃气涡轮发动机（14）包括在小于90%负载的部分负载条件下操作所述至少一个燃气涡轮发动机（14）。
7.如权利要求1所述的方法，进一步其特征在于，所述至少一个燃气涡轮发动机（14）上升的上升过程之后接着所述至少一个补充燃烧器（18）的输出的增加。
8.如权利要求1所述的方法，进一步其特征在于下降过程，在所述下降过程中，所述至少一个燃气涡轮发动机（14）的输出下降。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一个燃气涡轮发动机（14）的输出下降的所述下降过程之后接着所述至少一个补充燃烧器（18）的输出的降低。

说明书全文

用于提高管道燃烧的联合循环发电设备的响应性的系统和

方法

技术领域

[0001] 当前发明总地涉及燃气涡轮机系统，并且更具体地涉及管道燃烧的联合循环发电设备。

背景技术

[0002] 在过去十年中，越来越多数量的可再生能源供应已经被添加至诸如美国和欧洲的主要市场的电网。使用可再生能源的挑战之一是必须通过使用能源存储器来补充可再生能量源以便防止由于可再生能量源的间隙性和不可预测的本质而产生的供应缺口。另一个挑战是对在不同的季节期间加热和冷却住所的电力的需要以及对电网的各个部分的操作策略的需要。电力的季节性使用不一定与来自可再生资源的功率的可用性相匹配。在对电力供应的所有这些影响因素下，联合循环发电设备必须能够快速地上升和下降以便对需求作出响应。在发电设备不能达到电网运营商要求的负载时，经济处罚适用的地方尤其如此。

[0003] 常规的发电系统已经使用简单的循环发电设备以处理需要快速上升和下降间隔的负载。虽然简单的循环发电设备能够快速改变输出，但是简单的循环发电设备的操作成本更高，因为它们的总效率低于联合循环设备的总效率，并且环境考量（诸如，与简单的循环发电设备的安装相关联的排放）能够削弱它们的服务期限（viability）。其他常规的联合循环发电系统已经在热回收蒸汽发生器中使用管道燃烧以增加在热回收蒸汽发生器中产生的蒸汽，从而增加蒸汽涡轮发动机的输出。因为该系统在热力学上受到要产生的额外蒸汽所需的时间和蒸汽涡轮发动机的限制，所以这个系统具有缓慢的响应时间，一旦接收到所述额外蒸汽输入时，这些蒸汽涡轮发动机就以更多的输出作出响应。当前，最大的设备上升(ramp up)能力仅仅在每分钟五兆瓦以下。然而，电网控制者更频繁地要求远高于每分钟五兆瓦的上升速率。因此，对具有更快的上升速率能力的发电设备存在需求。

发明内容

[0004] 公开了一种系统和方法，用于通过在小于100％负载的部分负载条件下操作一个或多个燃气涡轮发动机、操作一个或多个蒸汽涡轮发动机和一个或多个补充燃烧器而提高管道燃烧的联合循环发电设备的响应性，该一个或多个补充燃烧器向蒸汽涡轮发动机上游的热回收蒸汽发生器（HRSG）提供额外热量。与在部分负载条件下的燃气涡轮发动机一起操作的蒸汽涡轮发动机和补充燃烧器的组合使得该系统能够快速地改变输出以适应管道燃烧的联合循环发电设备的输出需求的改变。通过在部分负载条件下操作该一个或多个燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机能够用于比依赖于通过管道燃烧增加输出更快地增加联合循环发电设备的净输出。

[0005] 在至少一个实施例中，该系统可以包括用于提高管道燃烧的联合循环发电设备的响应性的方法，使得燃气涡轮发动机仅在部分负载下操作，由此提供燃气涡轮发动机的输出被增加或降低的能力以改变联合循环发电设备的输出。如此一来，因为在联合循环构造中燃气涡轮发动机的输出可以比蒸汽涡轮发动机的输出更迅速地改变，所以当燃气涡轮发动机的输出改变时，联合循环发电设备的输出可以被更迅速地改变。在至少一个实施例中，用于提高管道燃烧的联合循环发电设备的响应性的方法可以包括在小于100%负载的部分负载条件下操作一个或多个燃气涡轮发动机以及通过蒸汽操作一个或多个蒸汽涡轮发动机，该蒸汽至少部分地由燃气涡轮发动机产生的热量形成。该方法还可以包括使一个或多个补充燃烧器燃烧以向蒸汽涡轮发动机上游的热回收蒸汽发生器提供额外热量，使得在部分负载下的燃气涡轮发动机和具有额外蒸汽输入的蒸汽涡轮发动机的联合输出可以与在100%负载条件下操作燃气涡轮发动机和在100%负载条件下操作蒸汽涡轮发动机至少一样多，该额外蒸汽输入通过使上游热回收蒸汽发生器的上游的补充燃烧器燃烧而产生。该方法还可以包括控制燃气涡轮发动机以改变燃气涡轮发动机的输出从而适应管道燃烧的联合循环发电设备的输出需求的改变。

[0006] 在至少一个实施例中，控制燃气涡轮发动机以改变燃气涡轮发动机的输出从而适应输出需求的改变包括增加燃气涡轮发动机的输出，以便增加管道燃烧的联合循环发电设备的输出从而适应输出需求的增加。更具体地，增加管道燃烧的联合循环发电设备的输出以适应输出需求的增加可以包括以至少每分钟五兆瓦的速率增加管道燃烧的联合循环发电设备的输出。在另一个实施例中，增加管道燃烧的联合循环发电设备的输出以适应输出需求的增加可以包括以至少每分钟十兆瓦的速率增加管道燃烧的联合循环发电设备的输出。在又一个实施例中，增加管道燃烧的联合循环发电设备的输出以适应输出需求的增加包括以至少每分钟十五兆瓦的速率增加管道燃烧的联合循环发电设备的输出。

[0007] 该方法可以包括在小于100%负载的部分负载条件下操作一个或多个燃气涡轮发动机，使得该燃气涡轮发动机在小于90%-95%负载的部分负载条件下操作。该方法还可以包括上升过程，在该上升过程中，燃气涡轮发动机上升，接着补充燃烧器的输出增加。该方法可以包括下降（ramp down）过程，在该下降过程中，燃气涡轮发动机的输出下降。燃气涡轮发动机的输出下降的下降过程之后可以接着补充燃烧器的输出的降低。

[0008] 该方法可以包括使一个或多个补充燃烧器燃烧以通过在起动过程期间使补充燃烧器燃烧而向上游的热回收蒸汽发生器提供额外热量，在该起动过程中，燃气涡轮发动机开始操作以便使热回收蒸汽发生器能够更快地升温并且允许将过量蒸汽提供至压盖密封件和冷凝器。

[0009] 该系统的优点在于联合循环发电设备可以被操作，通过调节一个或多个燃气涡轮发动机的输出而具有非常迅速的改变负载的能力。

[0010] 该系统的另一个优点在于联合循环发电设备可以被操作，具有增加或降低设备的输出多达每分钟30兆瓦的能力。

[0011] 下面更详细地描述这些和其他实施例。附图说明

[0012] 结合在本说明书中并形成本说明书的一部分的附图图示了当前公开的发明的实施例，并且与本描述一起公开了本发明的原理。

[0013] 图1是管道燃烧的联合循环发电设备的示意图。

[0014] 图2是用于提高管道燃烧的联合循环发电设备的响应性的系统的示意图。

[0015] 图3是管道燃烧的联合循环发电设备的基本负载再分配图。

[0016] 图4是管道燃烧的联合循环发电设备的建议上升图。

[0017] 图5是管道燃烧的联合循环发电设备的建议下降图。

具体实施方式

[0018] 如在图1-5中所示，公开了一种系统和方法，用于通过在小于100％负载的部分负载条件下操作一个或多个燃气涡轮发动机14、操作一个或多个蒸汽涡轮发动机16和一个或多个补充燃烧器18而提高管道燃烧的联合循环发电设备12的响应性，该一个或多个补充燃烧器18向蒸汽涡轮发动机16上游的热回收蒸汽发生器20提供额外热量。与在部分负载条件下的燃气涡轮发动机14一起操作的蒸汽涡轮发动机16和补充燃烧器18的组合使得系统10能够快速地改变输出以适应管道燃烧的联合循环发电设备12的输出需求的变化。通过在部分负载条件下操作该一个或多个燃气涡轮发动机14，燃气涡轮发动机14能够被使用以比依赖于通过管道燃烧增加输出更快地增加联合循环发电设备12的净输出。

[0019] 在至少一个实施例中，系统10可以包括用于提高管道燃烧的联合循环发电设备12的响应性的方法，使得燃气涡轮发动机14仅在部分负载下操作，由此提供燃气涡轮发动机14的输出被增加或降低的能力以便改变联合循环发电设备12的输出。如此一来，因为燃气涡轮发动机14的输出可以比蒸汽涡轮发动机16的输出更迅速地改变，所以当燃气涡轮发动机14的输出改变时，联合循环发电设备12的输出可以被更迅速地改变。在至少一个实施例中，系统10可以包括在小于100%负载的部分负载条件下操作一个或多个燃气涡轮发动机
14，以及操作一个或多个蒸汽涡轮发动机16。在至少一个实施例中，可以通过至少部分地由燃气涡轮发动机16产生的热量形成的蒸汽来操作蒸汽涡轮发动机16。该方法可以包括使一个或多个补充燃烧器18燃烧，如在图2中所示，以便向蒸汽涡轮发动机16上游的热回收蒸汽发生器20提供额外热量，使得在部分负载下的燃气涡轮发动机14和具有额外蒸汽输入的蒸汽涡轮发动机16的联合输出与在100%负载条件下操作燃气涡轮发动机14和在100%负载条件下操作蒸汽涡轮发动机14至少一样多，该额外蒸汽输入通过使在上游的热回收蒸汽发生器20上游的补充燃烧器18燃烧而产生。该方法还可以包括控制燃气涡轮发动机14以改变燃气涡轮发动机14的输出从而适应由电网的控制者或其他控制决策制订者等置于管道燃烧的联合循环发电设备12上的输出需求的改变，联合循环发电设备12连接至该电网。

[0020] 在系统10内使用的燃气涡轮发动机14可以具有任意适当的构造以使得燃气涡轮发动机14能够在燃料源上操作并且形成联接至发生器的轴的旋转运动以便产生动力。在至少一个实施例中，燃气涡轮发动机14可以被控制成使得控制燃气涡轮发动机14以改变燃气涡轮发动机14的输出从而适应输出需求的改变包括增加燃气涡轮发动机14的输出，以便增加管道燃烧的联合循环发电设备12的输出从而适应输出需求的增加。在至少一个实施例中，燃气涡轮发动机14可以通过以至少每分钟五兆瓦的速率增加管道燃烧的联合循环发电设备12的输出而适应输出需求的改变。在另一个实施例中，燃气涡轮发动机14可以通过以至少每分钟十兆瓦的速率增加管道燃烧的联合循环发电设备12的输出而适应输出需求的改变。在又一个实施例中，燃气涡轮发动机14可以通过增加输出而适应输出需求的改变，这是通过以至少每分钟十五兆瓦的速率增加管道燃烧的联合循环发电设备12的输出。

[0021] 例如，如在图1中所示，管道燃烧的联合循环发电设备12可以是使燃气涡轮发动机14在小于100%部分负载下运行的1x1的设备，至少一个补充燃烧器18与至少一个蒸汽涡轮发动机16一起操作以使得总的设备负载等于在至少一个补充燃烧器18关闭的情况下燃气涡轮发动机14和至少一个蒸汽涡轮发动机16在100%下运行的设备负载。在这种情况中，发电设备12由一个燃气涡轮机和一个蒸汽涡轮机形成。在其他实施例中，2x1的设备具有两个燃气涡轮机和一个蒸汽涡轮机。利用热回收蒸汽发生器20，可以使一个或多个燃气涡轮发动机14处于部分负载条件，因为在燃气涡轮发动机14的基本负载操作之前，补充燃烧器18可以与蒸汽涡轮发动机16一起启动。如在图3中所示，管道燃烧的联合循环发电设备12的输出可以与设备12在不使用补充燃烧器18的情况下利用100%负载下的燃气涡轮发动机14实现的输出处于相同的负载水平。例如，如果燃气涡轮发动机14处于90%负载下并且是F级，该F级是指燃气涡轮发动机的燃烧温度和效率，没有快速起动能力，则对于在约每分钟10兆瓦的速率下的1x1设备上的非常迅速的负载改变，管道燃烧的联合循环发电设备12可以以约
15兆瓦的灵活性操作。燃气涡轮发动机14上升的上升过程之后可以接着补充燃烧器18的输出的增加。如此一来，近似15兆瓦的增量燃气涡轮发动机输出可以由来自蒸汽涡轮发动机
16的增量功率增加，该增量功率由来自燃气涡轮发动机14以约每分钟3-4兆瓦的速率增加的排出能量产生，这给设备12提供了约每分钟15-20兆瓦的有效的设备上升能力。

[0022] 在另一个实施例中，如在图4中所示，管道燃烧的联合循环发电设备12可以利用处于小于90%负载下（诸如，处于80%负载下）的一个或多个燃气涡轮发动机14操作，而不是在补充燃烧器18关闭的情况下在100%负载下操作的燃气涡轮发动机14的等效总功率输出。如此一来，燃气涡轮发动机14可以具有约30兆瓦的灵活可用输出，该输出可以通过增加燃气涡轮发动机14的输出而添加至设备12的输出。基于上面讨论的速率，30兆瓦的额外输出可以在约二至三分钟内被添加设备12的输出。

[0023] 使用系统10的方法可以包括下降过程，在该下降过程中，燃气涡轮发动机14的输出下降。燃气涡轮发动机14的输出下降的下降过程之后可以接着补充燃烧器18的输出的降低。如在图5中所示，使用系统10的方法，因此燃气涡轮发动机14的下降以比常规系统更快的斜升速率（ramp rate）实现，在常规系统中，该下降仅通过中断使用管道燃烧器来初始地控制。更具体地，图5描绘了下降过程，其中，燃气涡轮发动机14以约每分钟10-15兆瓦的速率下降，在约4-5分钟内功率输出的总下降约为70兆瓦。

[0024] 在一个或多个燃气涡轮发动机14具有快速起动能力的实施例中，燃气涡轮发动机14可以以约每分钟30兆瓦的速率上升或下降。因此，管道燃烧的联合循环发电设备12的上升或下降的过程可以仅利用燃气涡轮发动机14（而不是补充燃烧器18和蒸汽涡轮发动机
16）而在时间上减少至约一分钟。燃气涡轮发动机14的斜升速率驱动整个管道燃烧的联合循环发电设备12的斜升（ramp）。蒸汽涡轮发动机16在方向上跟随燃气涡轮发动机14的斜升速率，但是处于由热回收蒸汽发生器20的时间常数和设备12的系统的平衡（balance）驱动的速率下。蒸汽涡轮发动机16的改变速率还将由特定涡轮机产品的蒸汽涡轮机瞬时需求界定。

[0025] 在至少一个实施例中，系统10还可以被构造成使得其中使至少一个补充燃烧器18燃烧以便向热回收蒸汽发生器20提供额外热量，补充燃烧器18可以在起动过程期间燃烧，在该起动过程中，燃气涡轮发动机14开始操作以便使得热回收蒸汽发生器20能够更快升温并且允许将过量蒸汽提供至压盖密封件和冷凝器。通过允许将过量蒸汽提供至压盖（gland）密封件和冷凝器，辅助锅炉的需求将变少以使得辅助锅炉能够被较少使用或去除。系统10还可以被构造成使得热回收蒸汽发生器20的加热表面可以被设置成使整个热回收蒸汽发生器20的设计最优化以便最大化来自补充燃烧器18下游的加热表面的蒸汽产量。例如，在1x1循环设计中，中压过热器可以定位在补充燃烧器18的下游。在1x1循环设计中，高压过热器可以定位在补充燃烧器18的下游。

[0026] 为了图示、解释并描述本发明的实施例的目的提供了前述内容。对于本领域技术人员而言，对这些实施例的修改和更改是明显的并且可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下做出这些修改和更改。

标题	发布/更新时间	阅读量
用于燃气涡轮发动机中的燃料喷射器组件的涡旋件	2020-05-08	395
燃气涡轮发动机	2020-05-08	823
用于飞行发动机燃烧器的密封的圆锥形平圆顶	2020-05-08	629
用于沉积期望超合金成分的方法	2020-05-11	742
用于涡轮叶片的阻尼器销	2020-05-08	355
回流燃烧室与涡轮导向器的连接结构及燃气涡轮发动机	2020-05-08	147
用于同步定相飞机发动机的系统和方法	2020-05-08	393
一种预测旋流畸变进气对航空发动机性能影响的计算方法	2020-05-08	292
燃气涡轮电力系统和用于限制反向功率关断的控制策略	2020-05-08	753
用于管理蒸汽涡轮转子应力的控制系统及其使用方法	2020-05-11	598