[0002] 本申请要求2012年1月13日提交的美国临时申请No. 61/586,350的权利,该申请的内容通过参考全部并入本文中。
技术领域
[0003] 本公开大体涉及热回收
蒸汽发生器(HRSG),并且更特别地,涉及HRSG的再热器和超临界
蒸发器的布置,其中,超临界蒸发器和再热器配置在HRSG的公共排出气体流节段中。
背景技术
[0004] 一些联合循环
发电厂利用单个热源来运行两个或更多个热
力发动机。例如,一些联合循环发电厂利用燃气
涡轮作为热源。燃气涡轮包括联接于
定位在其下游的
压缩机的压缩机。压缩机和涡轮的旋转元件典型地安装在公共可旋
转轴上。
燃烧室定位在压缩机与涡轮之间。
燃料(例如,
天然气)供应至
燃烧器。在燃烧器中,气体与空气混合,并且被点燃,由此以热和高速燃烧气体的形式释放
能量,该高速燃烧气体进入涡轮的旋转元件并且使涡轮的旋转元件转动。涡轮可联接于发
电机用于产生电力。离开涡轮的燃烧气体在热回收蒸汽发生器(HRSG)中用于提供有用的蒸汽,用于使另一个涡轮系统(例如,蒸汽涡轮)自旋。蒸汽涡轮系统可
串联联接于燃气涡轮系统中的涡轮的轴,或者可为独立的单元。
[0005] 蒸汽涡轮系统可包括三个区段,其包括高压区段、中压区段和低压区段。超临界蒸汽(即,在
临界点处或高于临界点)进入高压区段。因为在超
临界压力和
温度下,不可区分
水和蒸汽,所以与用于处理低于临界点的蒸汽的这些系统和构件相比,简化了用于收集和转移超临界蒸汽的系统和构件。对中压区段和低压区段的
蒸汽压力要求依次低于高压区段的蒸汽压力要求。三个区段中的每一个具有用于蒸汽进入相应的区段的入口,以及用于排放在比相应的入口处的压力和温度低的压力和温度下的蒸汽的出口。蒸汽的压力和温度减小通过从用于使该级中的涡轮
叶片自旋的蒸
汽提取能量而实现。从高压区段的出口排放的蒸汽具有有用的能量,该蒸汽可在HRSG中被进一步加热,并且随后供应至中压级的入口。从低压区段排放的低能蒸汽发送至
冷凝器,其中,低能蒸汽冷却并且冷凝成冷凝物,该冷凝物随后供应至HRSG用于产生蒸汽。
发明内容
[0006] 根据本文中示出的方面,提供了一种超临界热回收蒸汽发生器,其包括限定内部区域并具有气体入口和气体出口的管。管构造成将气体从气体入口传送至气体出口。气体入口与气体出口之间的管的一部分限定内部区域的排出气体流节段。超临界蒸发器配置在内部区域中,并且第一级再热器配置在内部区域中。第一级再热器和超临界蒸发器配置成在排出气体流节段中相对于排出气体的流邻近彼此,例如,相对于穿过超临界热回收蒸汽发生器的排出气体的流成并联布置。
[0007] 根据本文中示出的另外的方面,提供了一种联合循环发电厂,其包括燃气涡轮系统,该燃气涡轮系统具有构造成从其排放排出气体的排出端口。联合循环发电厂包括蒸汽涡轮系统,其具有定位在公共轴上的高压区段、中压区段和低压区段。联合循环发电厂包括超临界热回收蒸汽发生器,其包括限定内部区域并具有气体入口和气体出口的管。气体入口与排出端口连通。管构造成将气体从气体入口传送至气体出口。气体入口与气体出口之间的管的一部分限定内部区域的排出气体流节段。超临界热回收蒸汽发生器包括配置在内部区域中的超临界蒸发器和配置在内部区域中的第一级再热器。第一级再热器和超临界蒸发器配置成在排出气体流节段中相对于排出气体的流邻近彼此,例如,相对于穿过超临界热回收蒸汽发生器的排出气体的流成并联布置。
[0008] 根据本文中示出的另外的方面,提供了一种用于操作联合循环发电厂的方法。该方法包括提供具有排出端口的燃气涡轮系统和包括高压区段的蒸汽涡轮系统。还提供了包括限定内部区域的管的超临界热回收蒸汽发生器。超临界热回收蒸汽发生器包括由内部区域的一部分限定的排出气体流节段。超临界蒸发器和第一级再热器配置在内部区域中。第一级再热器和超临界蒸发器在排出气体流节段中配置成相对于排出气体的流邻近彼此,例如,相对于穿过超临界热回收蒸汽发生器的排出气体的流成并联布置。排出气体从燃气涡轮系统排放。冷再热蒸汽从蒸汽涡轮系统供应至第一级再热器,并且加热的水供应至超临界蒸发器。关于穿过超临界热回收蒸汽发生器的排出气体的流,排出气体在围绕由第一级再热器和超临界蒸发器限定的外表面的平行流动路径中流动。
[0009] 通过下列
附图和详细描述举例说明以上描述的特征和其它特征。
附图说明
[0010] 现在参考为示例性
实施例的附图,并且其中,同样的元件被相似地标记:
[0011] 图1为包括燃气涡轮系统、热回收蒸汽发生器(HRSG)和蒸汽涡轮系统的联合循环发电厂的示意图;
[0012] 图2A为图1的HRSG的一部分的示意图;
[0013] 图2B为示出另一个实施例的图1的HRSG的一部分的示意图;
[0014] 图2C为示出另一个实施例的图1的HRSG的一部分的示意图;
[0015] 图2D为示出另一个实施例的图1的HRSG的一部分的示意图;
[0016] 图3A为图2A的HRSG的一部分的示意性截面图;
[0017] 图3B为另一个HRSG实施例的一部分的示意性截面图;
[0018] 图3C为另一个HRSG实施例的一部分的示意性截面图;
[0019] 图3D为另一个HRSG实施例的一部分的示意性截面图;
[0020] 图4A为示出静止隔板的图2A的HRSG的一部分的示意性截面图;以及[0021] 图4B为示出可移动隔板的图2A的HRSG的一部分的示意性截面图。
具体实施方式
[0022] 本文中公开联合循环发电厂,其大体由标记100表示。联合循环发电厂100包括与超临界热回收蒸汽发生器(HRSG)300连通的燃气涡轮系统200。HRSG300与蒸汽涡轮系统400连通。HRSG300包括布置成邻近第一级再热器8的超临界蒸发器7。如本文中描述的,超临界蒸发器7和第一级再热器8配置成相对于穿过HRSG的排出气体EX的流,在由HRSG300的管321限定的内部区域320的一部分限定的公共排出气体流节段S中邻近彼此。在一个实施例中,例如,第一级再热器8和超临界蒸发器7配置在排出气体流节段S中,相对于穿过超临界HRSG300的排出气体的流成并联布置。
[0023] 如图1所示,燃气涡轮系统200包括经由
导管223与燃烧器222连通的压缩机220。燃烧器222经由导管226与涡轮224连通。涡轮224经由导管229如由箭头EX示出地排放排出气体,导管229与HRSG300的入口331连通。如图1所示,蒸汽涡轮系统400包括构造成在公共轴490上旋转的高压区段460、中间区段450和低压区段440。高压级460限定蒸汽入口461和冷再热蒸汽出口451D。中间区段450限定蒸汽入口454A和蒸汽出口454B。
低压区段440限定两个蒸汽入口481A和481B和蒸汽出口349。中压区段450的出口454B经由跨接管线450A与低压区段440的入口349连通。低压区段440的出口481A和481B与冷凝器480连通。冷凝器480与
泵482连通,泵482的排放部经由管线483与节约器14连通。虽然蒸汽涡轮系统400描述和示出为具有三个区段,即,高压区段460、中间区段450和低压区段440,但是本公开在该方面不受限,这是因为蒸汽涡轮系统400可具有多于三个区段。
[0024] 如图1所示,超临界HRSG300的内部区域320延伸HRSG300的入口331与出口332之间的长度L。超临界HRSG300(特别地管321)构造成容纳排出气体EX,并将排出气体EX从入口331沿箭头315的大体方向引导至出口332。排出气体的温度在HRSG中从温度最高的入口331到温度最低的出口降低。如下所述,排出气体的温度降低通过从配置在HRSG300中的多个
热交换器吸收热而实现。在出口322处,较低能排出气体LE排放至叠堆(未示出)。
[0025] 存在多个热交换器,例如,配置在HRSG300的内部区域320内的十三个热交换器,其由标记2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13和14表示。如下所述,热交换器2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13和14从排出气体EX提取热,用于在加热供给水用于产生蒸汽时使用,该蒸汽用于在蒸汽涡轮系统400中使用。热交换器2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13和14从入口331到出口按下列顺序布置在内部区域320中:第三级高压蒸汽
过热器2、第三级蒸汽再热器3;第二级高压蒸汽
过热器4、第二级蒸汽再热器5;第一级高压蒸汽过热器6;布置成邻近彼此的超临界蒸发器7和第一级再热器
8(例如,蒸汽再热器);第二级低压蒸汽发生器9;第二级高压节约器10;第一级低压蒸汽发生器11;第一级高压节约器12;低压蒸发器13;以及初始节约器14。
[0026] 超临界蒸发器7为热交换器,诸如单程热交换器,其构造成使进入热交换器的
流体的温度从低于临界点的温度增大到高于临界点的温度。在一个实施例中,超临界蒸发器7构造成使进入热交换器的流体的温度从低于临界点的温度增大到高于临界点的温度,而不引起流体的
相变。
[0027] 如以下限定的,超临界HRSG300包括三个流体环路,即,低压蒸汽生成环路、再热蒸汽环路和超临界高压环路。
[0028] 低压环路包括初始节约器14,其经由管线341和341A与低压蒸发器13连通。低压蒸发器13经由管线342与第一级低压蒸汽发生器11连通。第一级低压蒸汽发生器11经由管线343与第二级低压蒸汽发生器9连通。第二级低压蒸汽发生器9包括排放管线344,其用于将蒸汽经由管线344和450A供应至蒸汽涡轮系统400的低压级440的入口349。
[0029] 如下所述,再热环路包括第一级再热器8,其限定用于接收来自蒸汽涡轮系统的高压级的冷再热蒸汽的入口451。第一级再热器8经由管线452与第二级蒸汽再热器5连通。第二级蒸汽再热器5经由管线453与第三级蒸汽再热器3连通。第三级蒸汽再热器3限定排放管线454,其用于将中压蒸汽经由管线454供应至蒸汽涡轮系统400的中间区段450的入口454A。
[0030] 高压环路包括初始节约器14,其经由管线341和分支管线441与泵442连通。泵442经由管线443与第一级高压节约器12连通。第一级高压节约器12经由管线444与第二级高压节约器10连通。第二级高压节约器10经由管线445与超临界蒸发器7连通。超临界蒸发器7经由管线446与第一级高压蒸汽过热器6连通。第一级高压蒸汽过热器6经由管线447与第二级高压蒸汽过热器4连通。第二级高压蒸汽过热器4经由管线448与第三级高压蒸汽过热器2连通。第三级高压蒸汽过热器2包括排放管线449,其用于将高压
过热蒸汽经由管线449供应至涡轮系统400的高压级460的入口461。在一个实施例中,超临界蒸发器7为单程蒸汽发生器。
[0031] 如图1所示,超临界蒸发器7具有大体沿超临界HRSG300的纵轴线AX测量的长度L1。长度L1在超临界HRGS300中的第一点F1与HRSG300中的第二点F2之间延伸。第一级再热器8具有大体沿超临界HRSG300的纵轴线AX测量的长度L2。长度L2在HRSG300中的第一点F1与第二点F2之间延伸。在一个实施例中,长度L1大约等于长度L2。超临界HRSG300的内部区域320的排出气体流节段S限定在第一点F1与第二点F2之间,其中,排出气体从第一点F1流经排出气体流节段S至第二点F2。超临界蒸发器7和第一级再热器8两者配置在第一点F1与第二点F2之间的排出气体流节段S中。如图1所示,超临界蒸发器7和第一级再热器8两者配置成在限定在第一点F1与第二点F2之间的公共排出气体流节段S中相对于从第一点F1到第二点F2的排出气体的流邻近彼此。在一个实施例中,排出气体流节段S的长度等于长度L1和/或长度L2。在一个实施例中,见例如图2D,排出气体流节段S的长度大于长度L1和/或长度L2。
[0032] 在图1、图2A和图3A中示出的实施例中,超临界蒸发器7定位在第一级再热器8上方。然而,本公开在该方面不受限,这是因为其它构造也可使用,其中,超临界蒸发器7和第一级再热器8两者配置在公共排出气体流节段S中,包括但不受限于其它布置,诸如第一级再热器8定位在超临界蒸发器7上方(见例如图2B);超临界蒸发器7和第一级再热器8并排定位(见例如图3B);以及超临界蒸发器7和第一级再热器8并排定位或定位成顶部/底部构造,其中,超临界蒸发器7和/或第一级再热器8相对于彼此或相对于基准线成
角度(见例如图3C,其中,第一级再热器8相对于基准线RR成角度D倾斜)倾斜,其中,超临界蒸发器7和第一级再热器8两者配置在公共排出气体流节段S中。
[0033] 在图3D中示出的实施例中,超临界蒸发器7和第一级再热器8配置在公共排出气体流节段S中,相对于穿过HRSG300的排出气体的流彼此平行地布置,并且彼此重叠,其中,超临界蒸发器7的一部分IT和第一级再热器8缠绕(intertwine)。虽然超临界蒸发器7和第一级再热器8描述并在图3D中示出为具有缠绕且重叠的其一部分IT,但是本公开在该方面不受限,这是因为相当大百分比或全部的超临界蒸发器7和第一级再热器8可缠绕或重叠,而不背离本文中公开的较宽泛方面。
[0034] 如图2A至2D所示,公共排出气体流节段S中的超临界蒸发器7和第一级再热器8的布置独立于穿过超临界蒸发器7和第一级再热器8的流体流或蒸汽流的方向。例如,图2A、图2C和图2D示出了公共排出气体流节段S中的超临界蒸发器7和第一级再热器8的布置,其中,超临界蒸发器7中的流体或蒸汽的流动方向F7垂直于第一级再热器8中的流体或蒸汽的流动方向F8。例如,图2B示出了公共排出气体流节段S中的超临界蒸发器7和第一级再热器8的布置,其中,超临界蒸发器7中的流体或蒸汽的流动方向F7平行于第一级再热器8中的流体或蒸汽的流动方向F8。另外,图2D示出了公共排出气体流节段S中的超临界蒸发器7和第一级再热器8的布置,其中,超临界蒸发器7和第一级再热器8沿纵轴线AX偏移距离L3。
[0035] 在图4A中示出的实施例中,隔板P(例如,
挡板)定位在管321的内部区域320中,平行于排出气体EX的流动方向,在超临界蒸发器7与第一级再热器8之间,由此限定围绕超临界蒸发器7的第一流区域A11和围绕第一级再热器8的第二流区域A10。在一个实施例中,隔板P为静止的。隔板P定位成引起排出气体EX的第一部分25Y围绕由超临界蒸发器7限定的第一外表面流动。隔板P还定位成引起排出气体EX的第二部分25Z围绕由第一级再热器8限定的第二外表面流动。在一个实施例中,排出气体EX的第一部分25Y和排出气体EX的第二部分25Z具有大约相等的流率。在一个实施例中,在联合循环发电厂100的满负载状态下,排出气体EX的第一部分25Y和排出气体EX的第二部分25Z与由超临界蒸发器7和第一级再热器8吸收的热成比例。
[0036] 参考图4B,如在本文中描述的,隔板PP定位在管321的内部区域320中,并且平行于排出气体EX的流动方向。隔板PP包括平行于轴线AX且平行于排出气体EX的流动方向在超临界蒸发器7与第一级再热器8之间延伸的枢转部P3和中心部件P4。中心部件P4从超临界蒸发器7和第一级再热器8上游的点延伸至枢转部P3,枢转部P3定位在超临界蒸发器7和第一级再热器8的下游。百叶件P1(例如,阻尼器)枢转地连接于枢转部P3。百叶件P1为可移动的,例如,能够如由箭头PA指示地绕着枢转部P3旋转,并且取决于百叶件P1的
位置,限定围绕超临界蒸发器7的第一流区域A21,并限定围绕第一级再热器8的第二流区域A21。在一个实施例中,中心部件P4为静止的。百叶件P1选择性地定位成引起排出气体EX的第一部分25U围绕由超临界蒸发器7限定的第一外表面流动,并引起排出气体EX的第二部分25T根据百叶件P1的位置例如按比例地围绕由第一级再热器8限定的第二外表面流动。虽然百叶件示出为朝向第一级再热器8定位,但是百叶件的位置在该方面不受限,这是因为百叶件能够响应于致动
信号沿由箭头PA示出的方向移动。例如,百叶件可朝向超临界蒸发器7移动。在一个实施例中,在联合循环发电厂100的低于满负载状态下,排出气体EX的第一部分25Y和排出气体EX的第二部分25Z与由超临界蒸发器7和第一级再热器8吸收的热成比例。在一个实施例中,排出气体EX的第一部分25U(例如,流率)大于排出气体EX的第二部分25T(例如,流率)。在一个实施例中,排出气体EX的第一部分25U小于排出气体EX的第二部分25T。因此,隔板PP构造并定位成引起第一部分25U(例如,流率)和第二部分25T(例如,流率)与第一级再热器8的第一热吸收和超临界蒸发器
7的第二热吸收成比例。
[0037] 在联合循环发电厂100的操作期间,冷再热蒸汽从冷再热蒸汽出口451D排放,并且经由管线451供应至第一级再热器8。来自高压节约器(例如,第二级高压节约器10)的供给水经由管线445供应至超临界蒸发器7。
[0038] 公共排出气体流节段S中的超临界蒸发器7和第一级再热器8的布置允许排出气体EX围绕超临界蒸发器7的外部热传递表面和第一级再热器8的外部热传递表面平行地流动。在一个实施例中,排出气体EX的流在围绕超临界蒸发器7的外部热传递表面的区域与围绕第一级再热器8的外部热传递表面的区域之间与其热吸收成比例地分开。
[0039] 作为分析建模的结果,
发明人惊讶地发现,将超临界蒸发器7和第一级再热器8布置在联合循环发电厂中的公共排出气体流节段S中包括在大约3500psia至3600psia的压力下的超临界蒸汽生成,与在大约4300psia或更大下操作的这些超临界蒸汽生成相比,其实现了提高的效率。由于适应这种布置所需的高压管路的困难和复杂性,故阻碍了包括超临界蒸汽生成的联合循环发电厂的领域的技术人员将超临界蒸发器7和第一级再热器8布置在公共排出气体流节段S中。
[0040] 虽然已参考各种示例性实施例描述本发明,但是本领域技术人员将理解,在不背离本发明的范围的情况下,可作出各种变化,并且等同物可代替其元件。另外,可作出许多
修改以使具体情形或材料适合于本发明的教导而不背离本发明的实质范围。因此,意图是,本发明不受限于公开为设想用于执行本发明的最佳模式的具体实施例,而是本发明将包括落入在所附
权利要求的范围内的所有实施例。