專利名稱：在底蒸汽循環(huán)中使用燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器熱的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，并且更具體而言，涉及用于抽取來自燃?xì)廨啓C(jī)的中間冷卻器的熱且在蒸汽循環(huán)中使用該熱的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在串行流布置中，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)大體包括用于壓縮流過發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣的高壓壓縮機(jī)、燃料與壓縮空氣在其中混合且被點(diǎn)燃而形成高溫氣體流的燃燒器，以及高壓渦輪。高壓壓縮機(jī)、燃燒器和高壓渦輪有時(shí)統(tǒng)稱為核心發(fā)動(dòng)機(jī)。至少一些已知的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)還包括用于對(duì)高壓壓縮機(jī)供應(yīng)壓縮空氣的低壓壓縮機(jī)或增壓器。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用于許多應(yīng)用中，包括航空器、動(dòng)力產(chǎn)生和船舶應(yīng)用。當(dāng)然，期望的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性在不同的應(yīng)用之間有所不同。更具體而言，在一些應(yīng)用內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)可包括單個(gè)環(huán)形燃燒器，其包括有助于減少氮氧化物(NOx)排放的噴水系統(tǒng)。備選地，在其它已知的應(yīng)用內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)可包括干式低排放(DLE)燃燒器。燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)具有有限的效率，并且在熱的排氣排到周圍環(huán)境中時(shí)浪費(fèi)了大量有用的能量。為了改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的效率和使用這個(gè)熱來產(chǎn)生另外的動(dòng)力，許多燃?xì)廨啓C(jī)都配備有熱回收蒸汽發(fā)生器和蒸汽循環(huán)。這被稱為聯(lián)合循環(huán)。中間冷卻燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)可包括可為單個(gè)環(huán)形燃燒器、環(huán)罐式燃燒器或DLE燃燒器的燃燒器。雖然使用中間冷卻器有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，但是被中間冷卻器剔除的熱未被燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)利用，而且來自中間冷卻燃?xì)廨啓C(jī)或壓縮機(jī)的中間冷卻器熱通常被浪費(fèi)了。在一些應(yīng)用中，冷卻塔在低溫水平處將中間冷卻器熱排到周圍環(huán)境中。存在對(duì)用于抽取來自燃?xì)廨啓C(jī)的中間冷卻器的熱且在蒸汽循環(huán)中使用該熱的系統(tǒng)和方法的需要。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置包括燃?xì)廨啓C(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器；蒸汽輪機(jī)；以及熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)，其構(gòu)造成響應(yīng)于接收自燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器的經(jīng)加熱流體來產(chǎn)生蒸汽來驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，一種聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置包括燃?xì)廨啓C(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器；蒸汽輪機(jī)；以及在蒸汽循環(huán)中連接到低壓燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)的下游和高壓燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)的上游的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)，其中，HRSG構(gòu)造成響應(yīng)于通過燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器而接收到的傳熱介質(zhì)來產(chǎn)生蒸汽來驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)。根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例，一種聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置包括燃?xì)廨啓C(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器；蒸汽輪機(jī) ；以及熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)，其中，燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器構(gòu)造成回收中間冷卻熱，以及使用基本所有回收的熱來產(chǎn)生熱水和蒸汽來驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)。


當(dāng)參照附圖來閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面與優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，其中圖I是包括中間冷卻器系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的框圖；以及圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力裝置。雖然上面標(biāo)識(shí)的繪圖闡述了特定的實(shí)施例，但是也構(gòu)想了本發(fā)明的其它實(shí)施例，如論述中提到的那樣。在所有的情況下，本公開以代表而非限制的方式來提供本發(fā)明的示出的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可設(shè)計(jì)出落在本發(fā)明的原理的范圍和精神內(nèi)的許多其它修改和實(shí)施例。部件列表10燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)12中間冷卻器系統(tǒng)14低壓壓縮機(jī)16高壓壓縮機(jī)18燃燒器20高壓渦輪22中間渦輪24動(dòng)力渦輪機(jī)26低壓壓縮機(jī)入口28低壓壓縮機(jī)出口3O聞壓壓縮機(jī)入口32聞壓壓縮機(jī)出口34燃燒器入口36燃燒器出口40第一轉(zhuǎn)子軸42第二轉(zhuǎn)子軸43縱向中心線軸線44動(dòng)力渦輪機(jī)軸50中間冷卻器53空氣流徑
55經(jīng)冷卻壓縮空氣58冷卻流體60中間冷卻器入口62中間冷卻器出口100聯(lián)合 蒸汽循環(huán)動(dòng)力裝置104熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)110蒸汽輪機(jī)112蒸汽輪機(jī)高壓區(qū)段114蒸汽輪機(jī)中壓區(qū)段116蒸汽輪機(jī)低壓區(qū)段120冷凝器122補(bǔ)充水124集水器126熱的給水或飽和蒸汽128高壓蒸汽流130中壓蒸汽流132低壓蒸汽流
具體實(shí)施例方式圖I是包括中間冷卻器系統(tǒng)12的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10的框圖。以串行流關(guān)系，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10包括低壓壓縮機(jī)或增壓器14、高壓壓縮機(jī)16、環(huán)罐式燃燒器18、高壓渦輪20、中間渦輪22和動(dòng)力渦輪機(jī)或自由渦輪24。低壓壓縮機(jī)或增壓器14具有入口 26和出口28，而高壓壓縮機(jī)16包括入口 30和出口 32。各個(gè)燃燒器罐18具有與高壓壓縮機(jī)出口 32基本一致的入口 34，以及出口 36。在另一個(gè)實(shí)施例中，燃燒器18是環(huán)形燃燒器。在另一個(gè)實(shí)施例中，燃燒器18是干式低排放(DLE)燃燒器。高壓渦輪20通過第一轉(zhuǎn)子軸40來聯(lián)接到高壓壓縮機(jī)16上，而中間渦輪22通過第二轉(zhuǎn)子軸42來聯(lián)接到低壓壓縮機(jī)14上。轉(zhuǎn)子軸40和42各自相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)10的縱向中心線軸線43基本同軸地對(duì)準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)10可用來驅(qū)動(dòng)可聯(lián)接到動(dòng)力渦輪機(jī)軸44上的負(fù)載(未顯示)。備選地，負(fù)載可聯(lián)接到轉(zhuǎn)子軸42的前部伸出部(未顯示)上。在運(yùn)行中，被吸入低壓壓縮機(jī)入口 26中的環(huán)境空氣被壓縮，并且被向下游引導(dǎo)到高壓壓縮機(jī)16。高壓壓縮機(jī)16進(jìn)一步壓縮空氣，并且將高壓空氣輸送給燃燒器18，在燃燒器18中，高壓空氣與燃料混合，并且該混合物被點(diǎn)燃而產(chǎn)生高溫燃燒氣體。燃燒氣體被從燃燒器18引導(dǎo)出，以驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)渦輪20、22和24。發(fā)動(dòng)機(jī)10的動(dòng)力輸出至少部分地與沿著氣體流徑在各種位置處的氣體流的運(yùn)行溫度有關(guān)。更具體而言，在該示例性實(shí)施例中，在發(fā)動(dòng)機(jī)10的運(yùn)行期間，密切監(jiān)測(cè)在高壓壓縮機(jī)出口 32處的氣體流的運(yùn)行溫度。降低進(jìn)入高壓壓縮機(jī)16的氣體流的運(yùn)行溫度有助于減小聞壓壓縮機(jī)16所需的動(dòng)力輸入。為了幫助降低進(jìn)入高壓壓縮機(jī)16的氣體流的運(yùn)行溫度，中間冷卻器系統(tǒng)12包括以流連通的方式聯(lián)接到低壓壓縮機(jī)14上的中間冷卻器50。在經(jīng)冷卻空氣55返回到高壓壓縮機(jī)16之前，來自低壓壓縮機(jī)14的空氣流53被引導(dǎo)到中間冷卻器50以進(jìn)行冷卻。在運(yùn)行期間，中間冷卻器50具有流過其中以移除從氣體流徑中抽取出的能量的冷卻流體58。在一個(gè)實(shí)施例中，冷卻流體58是空氣，并且中間冷卻器50是空氣-空氣熱交換器。在另一個(gè)實(shí)施例中，冷卻流體58是水，并且中間冷卻器50是空氣-水熱交換器。中間冷卻器50從壓縮空氣流徑53中抽取熱能，并且將經(jīng)冷卻壓縮空氣55引導(dǎo)到高壓壓縮機(jī)16。更具體而言，在該示例性實(shí)施例中，中間冷卻器50包括冷卻流體58循環(huán)通過其中的多個(gè)管(未顯示)。熱通過多個(gè)管壁(未顯示)從壓縮空氣53中傳遞給通過入口 60而供應(yīng)給中間冷卻器50的冷卻流體58。因此，中間冷卻器50有助于在低壓壓縮機(jī)14和高壓壓縮機(jī)16之間剔除熱。降低進(jìn)入高壓壓縮機(jī)16的空氣的溫度有助于減少被高壓壓縮機(jī)16消耗來將空氣壓縮到期望的運(yùn)行壓力的能量，以及從而有助于允許設(shè)計(jì)者提高燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力比，這導(dǎo)致從燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10中抽取出的能量的增加以及導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)10有高的凈運(yùn)行效率。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，給水流過中間冷卻器50，以移除從氣體流徑53中抽取出 的能量，以及起冷卻流體58的作用。給水被加熱或者變成低壓(LP)蒸汽，或者是它們的組合，如本文進(jìn)一步詳細(xì)描述的那樣。用這種方式，如果在較高的溫度(理想地接近熱的壓縮入口空氣的溫度)處抽取，則抽取出的熱對(duì)于底循環(huán)發(fā)電可為有用的促進(jìn)因素。是僅加熱給水還是產(chǎn)生蒸汽是優(yōu)選的，取決于底循環(huán)構(gòu)造、需要的給水質(zhì)量流量和中間冷卻器溫度。能量考慮建議，中壓或高壓給水加熱可從中間冷卻器熱中產(chǎn)生最高的可用功；但是，待加熱的給水的量可多于底循環(huán)所需要，并且可比得上HRSG節(jié)熱器。低壓預(yù)熱和蒸汽發(fā)生是備選方案。在典型的狀況下，能量產(chǎn)生部分可大于可用的中間冷卻器熱的百分之二十(20)%。對(duì)于給水應(yīng)用，中間冷卻器50可包括高效率的逆流或交叉逆流熱交換器，以從中間冷卻空氣中獲得有用的熱。一個(gè)適當(dāng)?shù)臉?gòu)造可包括例如封閉在壓力殼內(nèi)的螺旋管式鰭管熱交換器。根據(jù)一方面，可使用中間冷卻器50來通過利用可得自適當(dāng)?shù)臒峤粨Q器中的熱空氣的熱的相當(dāng)大的一部分來產(chǎn)生熱給水或飽和蒸汽。處于有助于低至100°c的溫度處的蒸發(fā)的低壓的這個(gè)熱給水或飽和蒸汽被供給到熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)(參照?qǐng)D2在本文中對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述)中的蒸發(fā)器(如果是熱給水)或過熱器(如果是飽和蒸汽)中，并且被準(zhǔn)許進(jìn)入低壓渦輪，也在本文中進(jìn)一步詳細(xì)描述了低壓渦輪。額外的蒸汽然后產(chǎn)生額外的電力。圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力裝置100。動(dòng)力裝置100包括具有燃燒系統(tǒng)18和渦輪20的高壓燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)10。對(duì)于一個(gè)特定的應(yīng)用，離開渦輪20的氣體可在例如大約45psi的壓力處。動(dòng)力裝置100進(jìn)一步包括蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)110。蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)110包括高壓區(qū)段112、中壓區(qū)段114和一個(gè)或多個(gè)低壓區(qū)段116。低壓區(qū)段116排到冷凝器120中。蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)100與熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) 104相關(guān)聯(lián)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，HRSG104是逆流熱交換器，使得在給水傳送通過其中時(shí)，水被加熱，而來自渦輪16的排氣放熱且變得較冷。HRSG 104具有三種(3個(gè))不同的運(yùn)行壓力(高、中和低)，意欲在蒸氣供給到蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)110的對(duì)應(yīng)的級(jí)時(shí)，產(chǎn)生處于各種壓力和溫度的蒸汽。但是，本發(fā)明不限于此；并且可理解，使用本文描述的原理，諸如包括二壓力HRSG的那些實(shí)施例的其它實(shí)施例也將是有用的。HRSG 104的各個(gè)區(qū)段大體包括一個(gè)或多個(gè)節(jié)熱器、蒸發(fā)器和過熱器。HRSG 104使用渦輪20排氣的熱來產(chǎn)生三個(gè)(3個(gè))蒸汽流，即高壓蒸汽流128、中壓流130和低壓蒸汽流132。這三個(gè)蒸汽流進(jìn)入高壓蒸汽輪機(jī)112、中壓蒸汽輪機(jī)114和低壓蒸汽輪機(jī)116而產(chǎn)生動(dòng)力。從高壓蒸汽輪機(jī)112中抽取出的高壓蒸汽流被噴射到燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器18。在離開低壓蒸汽輪機(jī)116之后，蒸汽流進(jìn)入冷凝器120，在冷凝器120中，蒸汽冷凝 成液體水。離開冷凝器120的液體水與補(bǔ)充水122和來自HRSG104的殘余水一起進(jìn)入集水器 124。合適量的水被從集水器124泵送到HRSG 104，在HRSG 104中，水吸收來自的高壓燃?xì)廨啓C(jī)排氣的熱而產(chǎn)生需要的蒸汽流。三個(gè)蒸汽流進(jìn)入蒸汽輪機(jī)112、114、116而完成底循環(huán)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力裝置100進(jìn)一步包括如之前參照?qǐng)DI在本文中描述的那樣運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器50。中間冷卻器50可包括例如本文所陳述的高效率的逆流或交叉逆流熱交換器，以通過利用可得自熱空氣流53的熱的相當(dāng)大的一部分來產(chǎn)生熱給水或飽和蒸汽126。處于有助于低至100°C的溫度處的蒸發(fā)的低壓處的這個(gè)熱給水或飽和蒸汽126被供給到HRSG中的蒸發(fā)器(如果是熱給水)或過熱器(如果是飽和蒸汽)中，并且隨后被準(zhǔn)許進(jìn)入低壓渦輪116。額外的蒸汽然后產(chǎn)生額外的電力，如本文所陳述的那樣。照這樣，有利地提高了系統(tǒng)效率，同時(shí)減小了冷卻系統(tǒng)的大小。概括起來闡述，在本文中描述了這樣的系統(tǒng)和方法其用于獲得大量中間冷卻器熱，以及在燃?xì)廨啓C(jī)底循環(huán)中用該熱產(chǎn)生額外的電力，因而基本消除了廢熱。因?yàn)闊嵋哉羝麩峤o水的形式結(jié)合到底循環(huán)中，所以不需要重大的額外投資。發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，即便由于對(duì)應(yīng)的低溫(一個(gè)或多個(gè))的原因而很少采用中間冷卻器熱，以及不管采用中間冷卻器的大型燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)量如何小，都有前述優(yōu)點(diǎn)。雖然在多種特定的實(shí)施例方面描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)可，可用在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的修改方案來實(shí)踐本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)カ裝置(100)，包括 燃?xì)廨啓C(jī)(10)； 燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器(50)； 蒸汽輪機(jī)(110);以及 熱回收蒸汽發(fā)生器(104)，其構(gòu)造成響應(yīng)于接收自所述燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器(50)的經(jīng)加熱流體(126)而產(chǎn)生蒸汽來驅(qū)動(dòng)所述蒸汽輪機(jī)(110)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)カ裝置(100)，其特征在于，所述經(jīng)加熱流體(126)包括水。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)カ裝置(100)，其特征在于，所述經(jīng)加熱流體(126)包括蒸汽。
4.一種聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)カ裝置(100)，包括 燃?xì)廨啓C(jī)(10)； 燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器(50)； 蒸汽輪機(jī)(110);以及 在蒸汽循環(huán)中連接到低壓燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)(14)的下游和高壓燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)(16)的上游的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) (104)，其中，所述HRSG(104)構(gòu)造成響應(yīng)于通過所述燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器(50)而接收到的傳熱介質(zhì)(126)而產(chǎn)生蒸汽來驅(qū)動(dòng)所述蒸汽輪機(jī)(110)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)カ裝置(100)，其特征在于，所述傳熱介質(zhì)(126)包括水。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)カ裝置(100)，其特征在于，所述傳熱介質(zhì)(126)包括蒸汽。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)カ裝置(100)，其特征在于，所述燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器(50)包括逆流或交叉逆流熱交換器。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)カ裝置(100)，其特征在于，所述燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器(50)包括封閉在壓カ殼內(nèi)的螺旋管式鰭管熱交換器。
9.一種聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)カ裝置(100)，包括 燃?xì)廨啓C(jī)(10)； 燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器(50)； 蒸汽輪機(jī)(110);以及 熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) (104)，其中，所述燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器(50)構(gòu)造成回收熱，以及使用基本所有回收的熱來產(chǎn)生熱水和蒸汽來驅(qū)動(dòng)所述蒸汽輪機(jī)(110)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)動(dòng)カ裝置(100)，其特征在于，所述傳熱介質(zhì)(126)是水或蒸汽。
全文摘要
本發(fā)明涉及在底蒸汽循環(huán)中使用燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器熱的系統(tǒng)和方法。一種蒸汽循環(huán)動(dòng)力裝置(100)包括燃?xì)廨啓C(jī)(10)、燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器(50)、蒸汽輪機(jī)(110)和熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)(104)。燃?xì)廨啓C(jī)中間冷卻器(50)回收燃?xì)廨啓C(jī)(10)產(chǎn)生的未利用的熱，并且傳遞基本所有回收的熱來產(chǎn)生額外的蒸汽來驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)(110)。
文檔編號(hào)F01K23/04GK102628381SQ20111046040
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者K·C·博德克, P·S·赫克, R·博德克, S·W·弗羅因德, T·J·弗里 申請(qǐng)人:通用電氣公司