燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及聯(lián)合循環(huán)動力設(shè)備中獨(dú)特的太陽能整合方法，提供了一種將補(bǔ)充蒸汽源整合到聯(lián)合循環(huán)動力設(shè)備中的方法，聯(lián)合循環(huán)動力設(shè)備包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)，該方法提供太陽能蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)，其捕獲并傳遞使用太陽輻射的熱量，以產(chǎn)生補(bǔ)充過熱蒸汽；提供可操作地連接到燃?xì)鉁u輪的蒸汽渦輪；以及將由太陽輻射形成的蒸汽的一部分噴入蒸汽渦輪的高壓段的一個或者多個中間級中。該示例性方法在設(shè)備全容量操作時使用由HRSG(具有一個、兩個或三個壓力水平且?guī)в谢虿粠г贌?產(chǎn)生的蒸汽以及由太陽能蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽。明顯地，在太陽能蒸汽發(fā)生活動或不活動時，高壓蒸汽渦輪的節(jié)流壓力保持基本相同。
【專利說明】燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備，包括燃?xì)鉁u輪單元、發(fā)電機(jī)、熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)、蒸汽渦輪、和提供補(bǔ)充熱量的基于整體太陽能的蒸汽發(fā)生單元，該補(bǔ)充熱量提高了聯(lián)合循環(huán)設(shè)備的熱效率和電力輸出。本發(fā)明還涉及用于操作帶有燃?xì)鉁u輪和蒸汽渦輪兩者的聯(lián)合循環(huán)設(shè)備的方法，其中太陽能熱量被整合到聯(lián)合循環(huán)中，以使用本文所描述的新傳熱配置和設(shè)備在太陽能“開”和太陽能“關(guān)”的條件下有效地利用。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前美國和全世界的環(huán)境關(guān)注以及不管烴類燃料日益短缺而增加的能量需求促進(jìn)了動力設(shè)備新技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是能夠利用不同的可聯(lián)合和/或可交換能源的混合動力設(shè)備。近年來，燃?xì)饴?lián)合循環(huán)動力設(shè)備實現(xiàn)了比燃煤或燃油朗肯循環(huán)設(shè)備更高的效率，且通常依靠不止單個熱力循環(huán)來產(chǎn)生渦輪動力。典型的聯(lián)合循環(huán)動力設(shè)備和聯(lián)產(chǎn)設(shè)施使用燃?xì)鉁u輪基于公知的布雷頓循環(huán)原理來產(chǎn)生動力，且通常具有高排氣流和非常高的渦輪排氣溫度。當(dāng)引入熱回收鍋爐系統(tǒng)例如熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)時，設(shè)備在被用于產(chǎn)生額外動力的獨(dú)立渦輪中產(chǎn)生蒸汽和/或為其它相關(guān)的工業(yè)目的提供工藝蒸汽。燃?xì)鉁u輪經(jīng)由布雷頓循環(huán)(通常稱為“頂循環(huán)”)產(chǎn)生功，且蒸汽渦輪經(jīng)由朗肯循環(huán)(“底循環(huán)”)產(chǎn)生動力，從而限定術(shù)語“聯(lián)合循環(huán)”。
[0003]因為聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的蒸汽動力設(shè)備(例如HRSG)的效率可通過添加太陽能所產(chǎn)生的蒸汽而提高，所以之前已有多種系統(tǒng)嘗試將太陽能熱量整合到聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中。在大部分太陽能熱量動力設(shè)備中，太陽的輻射能利用太陽能接收器(稱為“吸收器”或“收集器”)捕獲，該接收器呈多個精確排列的反射器的形式，反射器帶有會聚入射陽光并追蹤太陽日間軌跡的表面。當(dāng)太陽照射時，自動定位鏡面(定日鏡)自行對準(zhǔn)，使得陽光直接反射在中央接收器上。輻射能然后傳遞到傳熱介質(zhì)中例如空氣、液體鹽或水/蒸汽流程，其然后被用于在蒸汽渦輪動力設(shè)備中產(chǎn)生蒸汽且最終通過聯(lián)接到蒸汽渦輪的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。
[0004]用以更有效地將太陽能與聯(lián)合循環(huán)動力設(shè)備整合的各種先前嘗試是已知的。當(dāng)前大部分太陽能熱能是利用由大面積拋物面槽式收集器、傳熱流體/蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、蒸汽渦輪/發(fā)電機(jī)朗肯循環(huán)以及一些形式的化石燃料備用系統(tǒng)構(gòu)成的“拋物面槽”技術(shù)來生產(chǎn)。一般地，太陽能場本質(zhì)上是模塊化的，且包括多行沿南北水平軸線對齊的單軸追蹤拋物面槽式太陽能收集器。每個太陽能收集器包括拋物面形反射器，其將太陽輻射會聚到定位在拋物面焦軸上的直線接收器上并在白天從東至西追蹤太陽。在大部分這種系統(tǒng)中，傳熱流體的溫度上升到大約400°C并經(jīng)過接收器循環(huán)且返回到一系列換熱器，在此太陽熱能被傳熱流體(典型地合成油)吸收。熱量然后使用蒸發(fā)器和換熱器的組合被取出，以產(chǎn)生過熱蒸汽。蒸汽然后被供給至蒸汽渦輪/發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電能。來自渦輪的膨脹蒸汽最后被冷凝，且冷卻的傳熱流體再循環(huán)通過太陽能場。
[0005]如下面所描述，由本發(fā)明實現(xiàn)的總體時間加權(quán)熱效率水平明顯高于現(xiàn)有的常規(guī)設(shè)計，本發(fā)明被具體設(shè)計為以連續(xù)方式在太陽能“開”和“關(guān)”的條件下操作。新方法和系統(tǒng)允許由太陽能收集系統(tǒng)產(chǎn)生的過熱蒸汽被更有效地被整合到HRSG中且最終用于驅(qū)動聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中的蒸汽渦輪。根據(jù)本發(fā)明使用太陽能用于減少烴燃料氣體(例如天然氣)的總量，否則為了產(chǎn)生給定的電力輸出必須一直消耗該烴燃料氣體。例如，本發(fā)明依靠恒定的燃料流在用電高峰時期提高了設(shè)備的電力輸出，在用電高峰時期電能的經(jīng)濟(jì)價值通常更高(例如夏季對比冬季，或者午后對比午夜)。本發(fā)明還提高了設(shè)備的總體熱效率，而不在太陽能蒸汽產(chǎn)生被臨時中斷(“關(guān)，，)時遭受損失。
[0006]相比而言，下面的專利和專利公開例示了其中一些已知的(但低效的)基于太陽能的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng):美國專利N0.5，444，972、N0.5,417,052以及專利公開N0.2006 /0260314。如下面所述的補(bǔ)充太陽能的使用還在為不犧牲或限制設(shè)備自身功能的“綠色”能源的市場上具有額外的商業(yè)價值。另外，本文所描述的示例性太陽能收集系統(tǒng)由于它們的基本模塊化設(shè)計而可被加入不可用至它們最大生產(chǎn)能力的聯(lián)合循環(huán)設(shè)備，包括被設(shè)計和建造為在更高能力下操作但由于增加的成本或操作燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)所需的烴燃料的減少可用性而在操作中降低產(chǎn)量的那些。
實用新型內(nèi)容
[0007]本文所描述的發(fā)明包括設(shè)計和/或改造聯(lián)合循環(huán)動力設(shè)備的方法，以便高效地利用使用太陽輻射的補(bǔ)充蒸汽源(通常是過熱的)，且然后將過熱蒸汽整合到包含燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)和蒸汽渦輪的聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中。新方法包括以下步驟:提供被整合到HRSG中的太陽能收集子系統(tǒng)，HRSG被設(shè)計成捕獲并傳遞使用太陽輻射的熱量以及產(chǎn)生補(bǔ)充過熱蒸汽；提供操作地連接到燃?xì)鉁u輪的發(fā)電機(jī)和蒸汽渦輪；以及將由太陽輻射形成的過熱蒸汽的一部分直接噴入蒸汽渦輪的高壓段的中間級中。
[0008]設(shè)計/改造聯(lián)合循環(huán)設(shè)備的方法考慮了使蒸汽渦輪尺寸足夠大的需求，以在整個設(shè)備全容量操作時利用由HRSG(其可任意地包括一種、兩種或三種蒸汽壓力，并可包括再熱段)產(chǎn)生的所有過熱蒸汽，包括由太陽能收集子系統(tǒng)產(chǎn)生的過熱蒸汽。因此，本發(fā)明有效地將HRSG所產(chǎn)生的過熱蒸汽與太陽輻射所形成的蒸汽結(jié)合起來。本文所述的新方法還包括專門用于太陽生成蒸汽的可選過熱器，太陽能生成蒸汽能可根據(jù)補(bǔ)充太陽生成蒸汽的熱性質(zhì)在各種不同操作條件下被整合到HRSG中，并且明顯不同于允許太陽能生成蒸汽進(jìn)入高壓蒸汽渦輪中的已知的基于太陽能的系統(tǒng)，高壓節(jié)流壓力在太陽能收集子系統(tǒng)的“開”和“關(guān)”兩種操作下保持基本相同。這在太陽能收集子系統(tǒng)“關(guān)”時提供改進(jìn)的熱力效率，同時獲得了允許蒸汽進(jìn)入高壓蒸汽渦輪中的部分益處。本發(fā)明還包括被設(shè)計/改造的聯(lián)合循環(huán)設(shè)備本身，其包括燃?xì)鉁u輪、發(fā)電機(jī)、蒸汽渦輪、HRSG和整合的太陽能收集子系統(tǒng)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是描繪了示例性聯(lián)合循環(huán)設(shè)備(包括至少一個燃?xì)鉁u輪、熱回收蒸汽發(fā)生器和蒸汽渦輪)的設(shè)備主件和流型的工藝流程圖，該設(shè)備能夠并入根據(jù)本發(fā)明的太陽能蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)；
[0010]圖2是圖1所示的總體工藝流程圖的一部分，其描繪了利用由外部太陽能設(shè)備(目關(guān)的流線以更深色形式示出)產(chǎn)生的蒸汽的已知選項，這導(dǎo)致在太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)“開”時與本發(fā)明相比明顯更低的聯(lián)合循環(huán)設(shè)備的總體熱效率；[0011]圖3描繪了圖1所示的總體工藝流程圖的第二部分，其示出利用由太陽能設(shè)備產(chǎn)生的蒸汽的另一已知選項，但是當(dāng)太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)“開”時再次表現(xiàn)出與本發(fā)明工藝流程配置相比更低的熱效率；
[0012]圖4示出了圖1的總體工藝流程圖的第三部分，其描繪了利用由太陽能設(shè)備產(chǎn)生的蒸汽的第三選項。當(dāng)太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)“開”時，熱效率可類似于本發(fā)明，但是當(dāng)太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)“關(guān)”時，熱效率與本發(fā)明相比將明顯更低；
[0013]圖5描繪了圖1所示的總體工藝流程圖的第四部分，其示出了利用由太陽能設(shè)備產(chǎn)生的蒸汽的又一選項。當(dāng)太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)“開”時，熱效率將通常高于本發(fā)明，但是當(dāng)太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)“關(guān)”時，熱效率與本發(fā)明相比將明顯更低；
[0014]圖6是示出了利用外部太陽能蒸汽發(fā)生設(shè)備的本發(fā)明第一實施例的流型和設(shè)備主件的工藝流程圖，其獲得太陽能生成蒸汽進(jìn)入高壓蒸汽渦輪的大部分益處，同時在太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)“關(guān)”時基本消除熱效率損失；以及
[0015]圖7是示出了本發(fā)明第二實施例的流型和設(shè)備主件的工藝流程圖，其也獲得太陽能生成蒸汽進(jìn)入高壓蒸汽渦輪的大部分益處，同時在太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)“關(guān)”時基本消除熱效率損失。
[0016]附圖標(biāo)記:
[0017]100 設(shè)備
[0018]102燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)
[0019]103空氣進(jìn)料
[0020]105烴燃料
[0021]104燃料氣體加熱器
[0022]106發(fā)電機(jī)
[0023]107高壓(“HP”)渦輪段
[0024]108 中壓(“IP”)段
[0025]109 低壓(“LP”)段
[0026]113高壓蒸汽過熱器
[0027]110冷凝器
[0028]111離心冷凝泵
[0029]114、115 再熱器
[0030]112加壓冷凝物
[0031]122低壓蒸發(fā)器
[0032]121中壓蒸發(fā)器
[0033]117高壓蒸發(fā)器
[0034]130蒸發(fā)器進(jìn)料水平控制閥
[0035]140高溫鍋爐給水流
[0036]134、135離心高壓鍋爐給水泵
[0037]136較高壓力排放物
[0038]131水平控制閥
[0039]133Bfw 排放物[0040]143水平控制閥
[0041]118 高壓節(jié)熱器(economizer)
[0042]120低壓過熱器
[0043]137過熱蒸汽
[0044]145低壓蒸汽進(jìn)料
[0045]108中壓段
[0046]146“跨接”管
[0047]119中壓過熱器
[0048]142控制閥
[0049]132高壓蒸汽管線
[0050]138結(jié)合過熱蒸汽進(jìn)料
[0051]127再熱蒸汽
[0052]128控制閥
[0053]129中壓進(jìn)料管線
[0054]117高壓蒸發(fā)器
[0055]116高壓過熱器
[0056]125高壓過熱蒸汽排放物
[0057]126蒸汽控制閥
[0058]139高壓噴射進(jìn)料管線
[0059]123高溫排氣排放物
[0060]10IHRSG
[0061]124低溫排氣
[0062]200第一已知選項
[0063]201鍋爐給水流
[0064]202低壓太陽能蒸汽發(fā)生器
[0065]203補(bǔ)充低壓蒸汽排放
[0066]300 流型
[0067]302太陽能蒸汽發(fā)生器
[0068]303過熱蒸汽
[0069]301鍋爐給水排放
[0070]302太陽能蒸汽發(fā)生器
[0071]400太陽能設(shè)備
[0072]401高壓進(jìn)料
[0073]402太陽能蒸汽發(fā)生器
[0074]403高壓蒸汽進(jìn)料
[0075]500第四選項
[0076]502高壓太陽能蒸汽發(fā)生器
[0077]501高壓給水
[0078]503太陽能場[0079]113高壓過熱器
[0080]600工藝流程圖
[0081]601高壓高溫水
[0082]602太陽能蒸汽發(fā)生器
[0083]603 蒸汽
[0084]604任選過熱器
[0085]605過熱蒸汽排放
[0086]606控制閥
[0087]607過熱補(bǔ)充蒸汽進(jìn)給管
[0088]604過熱器
[0089]700第二示例性實施例
[0090]701高壓高溫水
[0091]702高壓太陽能發(fā)生器
[0092]703太陽能發(fā)生器
[0093]704任選過熱器
[0094]705補(bǔ)充過熱蒸汽
[0095]704任選過熱器
[0096]708、710高壓蒸汽噴射點
[0097]711、712蒸汽控制閥。
【具體實施方式】
[0098]如上文概括的，本發(fā)明提供了使用太陽能來提高聯(lián)合循環(huán)動力設(shè)備的效率和電輸出的新方法和系統(tǒng)，特別是涉及使用由太陽能子系統(tǒng)產(chǎn)生的過熱蒸汽的獨(dú)特方法，該太陽能子系統(tǒng)可經(jīng)由熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)被整合到聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中，并且在整合的太陽能子系統(tǒng)“開”時導(dǎo)致更高的總體設(shè)備效率，同時減輕在太陽能子系統(tǒng)“關(guān)”時通常觀察到的效率損失。
[0099]作為一般建議(如圖1中反映的)，該方法和系統(tǒng)包括:至少一個燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，用以燃燒烴燃料并產(chǎn)生高溫排氣；至少一個熱回收蒸汽發(fā)生器，能夠從所述高溫排氣產(chǎn)生過熱蒸汽；與燃?xì)鉁u輪和HRSG整合的有效傳熱介質(zhì)(水和/或蒸汽)；操作地連接至HRSG的蒸汽渦輪，HRSG尺寸確定為在燃?xì)鉁u輪和太陽能蒸汽發(fā)生單元全容量操作時容納該HRSG中產(chǎn)生的蒸汽；操作地整合到HRSG中的單獨(dú)的“成套”太陽能蒸汽發(fā)生器單元，其捕獲太陽輻射以加熱傳熱介質(zhì)(高壓水)并產(chǎn)生高壓過熱蒸汽；以及蒸汽輸送裝置，用于將太陽能生成蒸汽運(yùn)輸?shù)秸羝麥u輪的高壓段的一個或多個級中。
[0100]在本文所描述的示例性實施例中(例如圖6和7)，燃?xì)鉁u輪、HRSG、太陽能蒸汽發(fā)生器和蒸汽渦輪可以是原始聯(lián)合循環(huán)設(shè)備的整合部分，即，新的混合設(shè)備。備選地，太陽能蒸汽發(fā)生器可并入已有的聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中作為改造的額外工藝構(gòu)件。在任何情況下，利用太陽能的聯(lián)合循環(huán)/蒸汽發(fā)生系統(tǒng)能在不同時間不同環(huán)境下操作，例如當(dāng)太陽能可用時僅在白天，或者如果太陽能輸入在白天變化則在可變條件下。另外，對已有聯(lián)合循環(huán)操作而言，補(bǔ)充加熱和太陽能蒸汽發(fā)生的使用是理想的，但不是必要的。因此，該系統(tǒng)利用或不利用額外的太陽能生成蒸汽都提供明顯的效率優(yōu)點。
[0101]如上所述，過去已使用各種改造太陽能蒸汽設(shè)計以將太陽能蒸汽引入蒸汽渦輪本身或HRSG中。為了更好地理解本發(fā)明的本質(zhì)和重要性，那些不同的現(xiàn)有設(shè)計在下面結(jié)合圖
2、圖3、圖4和圖5描述并標(biāo)識為選項I到4。典型地，過去，來自太陽能場的流體流已被整合到HRSG的低壓段中，從減少對HRSG中及周圍的流型的改變的觀點看，這是其中一種挑戰(zhàn)最小的設(shè)計。但是這種低壓整體設(shè)計遭受相對低的熱力效率，因為任何額外功必須僅從蒸汽渦輪的低壓段取出。
[0102]另一已知的備選太陽能整體改造將太陽熱能產(chǎn)生的蒸汽混入到HRSG的低溫再熱段。同樣，該備選方案與低壓整體化相比僅呈現(xiàn)略好的效率。
[0103]已做出其它嘗試以將太陽能生成蒸汽直接供給到HRSG的高壓段中或高壓蒸汽渦輪自身的入口中。當(dāng)太陽能蒸汽發(fā)生活動時，太陽能蒸汽進(jìn)入高壓HRSG段或蒸汽渦輪入口通常提供最高的熱力效率。但是，相比所提到的每個其它備選方案，那些備選方案將在太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)不活動時具有降低的熱力效率。另外，這些選項總是包含用于太陽能場本身的復(fù)雜且昂貴的設(shè)計，例如，導(dǎo)致增加的制造與維護(hù)成本的上游管道和汽包/蒸發(fā)器。
[0104]本發(fā)明表現(xiàn)出與這些已知太陽能蒸汽選項的明顯差異。簡言之，過熱太陽能蒸汽利用外部成套子系統(tǒng)產(chǎn)生，該子系統(tǒng)在渦輪中的一個或多個中間范圍壓力級處將補(bǔ)充過熱蒸汽供給到蒸汽渦輪的高壓段中。如此，該系統(tǒng)與已知現(xiàn)有設(shè)計的明顯區(qū)別在于在渦輪的高壓、中壓或低壓段的入口的上游供給蒸汽。新配置(例如，如以下圖6和圖7所示)還通過在HRSG中任意地包含過熱器段而允許供給到渦輪的太陽能蒸汽的非常精確和準(zhǔn)確的溫度匹配，過熱器的需求由設(shè)備中的實時操作條件(其可能長時間或甚至整日變化)確定。最后，本發(fā)明在太陽能發(fā)生子系統(tǒng)“開”時相比低溫再熱和低壓蒸汽引入導(dǎo)致更高的聯(lián)合循環(huán)設(shè)備的總熱效率，在太陽能發(fā)生子系統(tǒng)“關(guān)”時不經(jīng)歷高壓引入通常引起的效率損失。另外，相比使用高壓HRSG或蒸汽渦輪節(jié)流引入的其它設(shè)計，高壓級間引入所需要的較低壓力實施起來更加簡單且更加節(jié)省成本。
[0105]轉(zhuǎn)到附圖，圖1是描繪了能夠并入根據(jù)本發(fā)明的太陽能蒸汽發(fā)生方法與系統(tǒng)的示例性聯(lián)合循環(huán)設(shè)備的設(shè)備主件和流型的一般工藝流程圖。整個設(shè)備大體用100表示且包括燃?xì)鉁u輪102，燃?xì)鉁u輪102使用經(jīng)過空氣處理后供入燃?xì)鉁u輪中的空氣進(jìn)料103以及在進(jìn)入燃?xì)鉁u輪之前流經(jīng)燃料氣體加熱器104的烴燃料105操作。燃?xì)鉁u輪102操作地連接到發(fā)電機(jī)106，其繼而聯(lián)接至圖1中表現(xiàn)為包含三個單獨(dú)段的蒸汽渦輪，即高壓(“HP”)渦輪段107、中壓(“IP”)段108和低壓(“LP”)段109。
[0106]圖1以及相關(guān)的圖2至圖7均涉及一種“單軸”配置，即單個燃?xì)鉁u輪和僅僅一個蒸汽渦輪在單根軸上與一個發(fā)電機(jī)聯(lián)接。但是，本發(fā)明也可適用于“多軸”配置，且因此將包括兩個或三個燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)(每個都連接到其自身的HRSG，且每個都給單個蒸汽渦輪供應(yīng)蒸汽)。在多軸配置中，每個燃?xì)鉁u輪和蒸汽渦輪將具有其自身專用的發(fā)電機(jī)。因此，盡管本文的附圖和說明書示出了示例性的單軸實施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明還適用于其它混合/聯(lián)合循環(huán)配置，包括但不限于，一機(jī)雙軸、一機(jī)三軸、一機(jī)四軸、無再熱HRSG、單流低壓蒸汽渦輪和類似的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。
[0107]在圖1中，來自蒸汽渦輪的低壓排放物作為離心冷凝泵111的主要進(jìn)料傳入冷凝器110中(泵進(jìn)料包括額外的補(bǔ)給水)。冷凝泵111尺寸確定為將增壓冷凝物112供入低壓蒸發(fā)器122中，而流量經(jīng)由蒸發(fā)器進(jìn)料水平控制閥130監(jiān)測和控制。低壓蒸發(fā)器122利用從燃?xì)鉁u輪排氣傳來的一部分熱量產(chǎn)生高溫鍋爐給水流140，其一部分被供入離心高壓鍋爐給水泵134和135中。來自鍋爐給水泵135的更高壓力排放物136(連同來自低壓蒸發(fā)器122的一部分鍋爐給水(bfw))使用監(jiān)測并控制進(jìn)料量的水平控制閥131直接供入中壓蒸發(fā)器121中。
[0108]來自鍋爐給水泵134的bfw排放133經(jīng)水平控制閥143傳入高壓節(jié)熱器118中。從工藝設(shè)計觀點來看，圖1中的高壓節(jié)熱器118可以是在一側(cè)帶有高溫水而在另一側(cè)帶有作為加熱介質(zhì)的燃?xì)鉁u輪排氣的一部分的常規(guī)換熱器。由低壓蒸發(fā)器122產(chǎn)生的飽和蒸汽供入低壓過熱器120中，然后所得的過熱蒸汽137作為低壓蒸汽進(jìn)料145經(jīng)蒸汽控制閥傳入蒸汽渦輪的低壓段109中。低壓蒸汽進(jìn)料145經(jīng)由“跨接”管146與來自蒸汽渦輪的中壓段108的排氣結(jié)合。
[0109]同時，由中壓蒸發(fā)器121產(chǎn)生的飽和蒸汽傳入中壓過熱器119中，成為通過控制閥142且然后如所示那樣進(jìn)入再熱器114和115中的組合進(jìn)料的一部分。供給至再熱器114的蒸汽還包括經(jīng)高壓蒸汽管線132從高壓渦輪107排出的蒸汽，其與由中壓過熱器119產(chǎn)生的蒸汽結(jié)合而形成進(jìn)入再熱器115中的組合過熱蒸汽進(jìn)料138。再熱蒸汽127然后可使用控制閥128經(jīng)由中壓進(jìn)料管線129被直接供入蒸汽渦輪的中壓段108中。
[0110]作為在一側(cè)有水且在另一側(cè)有高溫排氣的高壓換熱器操作的高壓節(jié)熱器118將在節(jié)熱器中加熱后的鍋爐水供入高壓蒸發(fā)器117中，以產(chǎn)生非常高壓的飽和蒸汽(例如名義上高達(dá)2400psi)。飽和高壓蒸汽經(jīng)過高壓過熱器116，其同樣利用由燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)提供的熱量來產(chǎn)生過熱蒸汽。過熱蒸汽然后經(jīng)過高壓蒸汽過熱器113。所得高壓過熱蒸汽排放物125經(jīng)蒸汽控制閥126和所示高壓噴射進(jìn)料管線139直接供入蒸汽渦輪的最高壓段107 中。
[0111]如圖1清楚表明的，在使用HRSG的常規(guī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，來自燃?xì)鉁u輪102的高溫排氣排放物123直接供入HRSG101中，其在本實施例中限定包括高、中、低壓再熱器作為HRSG和聯(lián)合循環(huán)的整合部分的“三壓力再熱”型HRSG。在所有這樣的三壓力再熱系統(tǒng)中，來自燃?xì)鉁u輪的高溫排氣如圖所示直接供入HRSG中并最終作為相對低溫的排氣124離開。
[0112]明顯地，由于本文所述的基于太陽能的蒸汽發(fā)生單元的模塊化本質(zhì)，根據(jù)聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中的HRSG的初始設(shè)計和操作特性，本發(fā)明可用在帶有三個、兩個或一個壓力水平且?guī)в谢虿粠в性贌岬腍RSG上。到太陽能蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)的進(jìn)料還可源于設(shè)備中的許多不同源，并且仍用于提高系統(tǒng)的總體效率，例如包括來自圖1中高壓節(jié)熱器118的蒸汽或來自較低溫度水源，例如來自冷凝泵111的排放。
[0113]因此，圖1中HTSG的三壓力再熱流型包括在HRSG的不同部分中再熱高壓蒸汽的裝置(參見再熱器114和115)。但是，本發(fā)明不僅可用于三壓力再熱系統(tǒng)，還可用于較老的兩壓力或單壓力再熱系統(tǒng)，或者甚至無再熱HRSG配置。一般而言，兩壓力再熱系統(tǒng)將不包括上文結(jié)合圖1描述的中壓HRSG段，而是僅僅依靠高壓和低壓HRSG段。單壓力再熱系統(tǒng)將在名義上僅僅包括高壓段而沒有圖1中的中壓和低壓段。無再熱實施例將不再熱蒸汽渦輪的高壓排氣，而是把排氣(處于大約600-700° F)直接供入蒸汽渦輪的中壓段中。
[0114]如還在圖1中所見，蒸汽渦輪的中壓排氣經(jīng)“跨接管”146供入蒸汽渦輪的低壓段中，從而與低壓過熱器120的排氣結(jié)合成為如以145所示供入渦輪低壓段的組合蒸汽。圖I中的各種低壓、中壓和高壓蒸發(fā)器(分別是項122，121和117)都利用來自燃?xì)鉁u輪的熱量操作，以將它們各自的高溫水進(jìn)料蒸發(fā)成飽和蒸汽以在相應(yīng)飽和蒸汽溫度下排出。所得飽和蒸汽進(jìn)料如上所指之后在下游的操作中被過熱。
[0115]附圖的圖2示出了圖1中所示的一般工藝流程圖的一部分，其描繪了利用由外部太陽能設(shè)備(用實線表示相關(guān)流線)產(chǎn)生的蒸汽的第一已知選項(大體顯示為200)，并且表現(xiàn)了帶有比本發(fā)明低得多的總熱效率的設(shè)計。圖2中繪出的低壓蒸汽段名義上在約50-150psi的范圍內(nèi)操作，與在大約350-550psi下操作的中壓段和在大約1800_2400psi下操作的高壓段相比。如圖2所示，太陽能設(shè)備所產(chǎn)生的蒸汽直接供入HRSG的低壓段(在約50-100psi下操作)中。
[0116]圖2中的該第一已知選項蒸發(fā)鍋爐給水，過熱在從低壓汽包抽取后的所得飽和蒸汽，并且將過熱蒸汽直接引入HRSG的低壓段中。雖然該設(shè)計從設(shè)計圖看不那么復(fù)雜并且可能更容易被改造到已有的聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中，但是它與本發(fā)明相比遭受顯著的低熱效率。例如，因為太陽能生成蒸汽僅被允許進(jìn)入蒸汽渦輪的低壓段中(且提供相對較小的機(jī)會用于膨脹做功)，該第一選項的熱效率是圖2至圖5所討論的已知設(shè)計選項中最低的。
[0117]具體參照圖2的流配置，鍋爐給水流201從低壓節(jié)熱器(參見圖1)的排放物提取并進(jìn)入低壓太陽能蒸汽發(fā)生器202中，如前面所述，其通常包括成套的整合太陽能蒸汽生產(chǎn)單元。由太陽能產(chǎn)生的低壓蒸汽通過所示的補(bǔ)充低壓蒸汽排放203直接送回系統(tǒng)，并且與正由上文結(jié)合圖1所述的低壓蒸發(fā)器122生成的蒸汽組合。
[0118]圖3示出了圖1中的一般工藝流程圖的第二隔離部分，其描繪了利用使用太陽能非現(xiàn)場產(chǎn)生的蒸汽且通常稱為“低溫再熱蒸汽引入”的第二已知選項。這里使用的術(shù)語“低溫再熱”是指使用太陽能來蒸發(fā)和過熱中壓給水且將太陽能生成蒸汽混入高壓排氣流中。
[0119]大體以300示出的圖3流型包括利用來自鍋爐給水泵134 (參見圖1)的鍋爐給水排放301的部分產(chǎn)生過熱蒸汽303的太陽能蒸汽發(fā)生器302。圖3還示出，由太陽能蒸汽發(fā)生器302提供的過熱蒸汽與由中壓過熱器119提供的過熱蒸汽結(jié)合為到再熱器115(再參見圖1)的單一蒸汽進(jìn)料。
[0120]明顯地，圖3繪出的第二選項在原理上類似于圖2所示的低壓蒸汽引入(第一選項)，因此同樣遭受類似的低熱效率和實施問題。圖2和圖3中的選項I和2的增加熱效率被發(fā)現(xiàn)為大約35%或以下。相比圖2的第一選項，圖3選項中使用的鍋爐給水在中壓汽包的上游但在中壓鍋爐給水泵(在大約300-650psi下操作)的下游被取出。水然后在蒸汽渦輪高壓排氣的下游但在再熱器的上游的點被引入。
[0121]圖3中引入補(bǔ)充太陽能生成蒸汽的方法可能比圖2中的低壓選項具有更高的熱效率，因為太陽能生成蒸汽經(jīng)蒸汽渦輪的中壓和低壓段兩者膨脹。但是，該第二選項已被證實當(dāng)在聯(lián)合循環(huán)中實施時由于涉及到更高壓力而會更加復(fù)雜和昂貴。另外，將太陽能生成蒸汽引入圖3中的低溫再熱管中增加了中壓入口處以及高壓出口處的壓力，由此將膨脹功從蒸汽渦輪的高壓段轉(zhuǎn)移到中壓段(基于壓力比)。由于更熱的高壓排氣溫度(減少的膨脹和對應(yīng)的低溫下降的結(jié)果)和更高的中間入口壓力，膨脹功的實質(zhì)轉(zhuǎn)移不利地影響現(xiàn)有蒸汽渦輪設(shè)計。該設(shè)計甚至可引起蒸汽渦輪軸推力不平衡。雖然圖中3的選項2不遭受明顯的太陽能“關(guān)”損失，但是該系統(tǒng)仍然被發(fā)現(xiàn)比圖6和圖7中繪出的發(fā)明低效。
[0122]圖4示出了圖1的一般工藝流程圖的第三部分，其描繪了利用太陽能設(shè)備所產(chǎn)生的蒸汽的另一已知選項(大體示出為400)。當(dāng)太陽能蒸汽發(fā)生“開”時，該選項顯出類似于本發(fā)明的熱效率，但是當(dāng)太陽能蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)“關(guān)”時，該選項也觀察到明顯的效率損失。圖4選項在原理上類似圖3所示的低溫再熱系統(tǒng)。但是，水從高壓汽包的上游抽出，且蒸汽通過高壓過熱器113上游的高壓過熱器之一被重新允許回到HRSG中。第三選項依靠來自高壓節(jié)熱器(圖1中的118)的單獨(dú)高壓進(jìn)料401，其傳入并通過太陽能蒸汽發(fā)生器402，從而產(chǎn)生與到高壓過熱器116 (圖1)的進(jìn)料結(jié)合的高壓蒸汽進(jìn)料403。
[0123]圖4所示的系統(tǒng)可為當(dāng)補(bǔ)充太陽能加熱子系統(tǒng)活動時上文結(jié)合圖2、圖3和圖4討論的三種選項中熱效率最高的。但是，與前兩個選項不同，圖4設(shè)計遭受大得多的太陽能“關(guān)”性能損失。特別地，高壓節(jié)流壓力成為確定蒸汽渦輪和HRSG設(shè)計(例如沖擊殼厚度、螺栓設(shè)計、閥尺寸、管道、管厚度等)的主導(dǎo)因素。因此，如果聯(lián)合循環(huán)蒸汽渦輪已被設(shè)計用于給定的高壓節(jié)流壓力(例如，假設(shè)1900psi以用于說明目的)，則該壓力限定了使用高壓太陽能蒸汽噴射的最大操作壓力。因此，如果過熱太陽能蒸汽例如占整個高壓蒸汽產(chǎn)量的25%，那么當(dāng)太陽能蒸汽不可用時，設(shè)計壓力必須降低到大約1450psi。結(jié)果，當(dāng)在太陽能“關(guān)”條件下操作時，設(shè)備將被迫接受與較低總壓力相關(guān)聯(lián)的性能損失。
[0124]明顯地，上述第二選項不會出現(xiàn)相同問題。在圖3中，當(dāng)太陽能蒸汽不可用時，中壓比降低而高壓比升高，且高壓節(jié)流壓力保持不變。實質(zhì)上，壓力比從中壓切換到高壓，但蒸汽渦輪的總功保持基本不變。
[0125]圖5描繪了圖1中用于聯(lián)合循環(huán)設(shè)備的一般工藝流程圖的又一部分，其示出了利用太陽能設(shè)備所產(chǎn)生的蒸汽的第四選項(大體以500表示)。類似于選項3，當(dāng)太陽能蒸汽發(fā)生“開”時該選項顯出類似于本發(fā)明的熱效率。但是，當(dāng)太陽能蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)“關(guān)”時該選項也遭受明顯的效率損失。因此，圖5示出，在某些條件下可能將來自高壓太陽能蒸汽發(fā)生器502 (其處理從高壓節(jié)熱器118排出的高壓給水501)的過熱蒸汽如圖所示直接供入蒸汽渦輪的高壓段中。來自太陽能場503的排放物在被供給至蒸汽渦輪的高壓段107之前與來自高壓過熱器113的進(jìn)料結(jié)合。
[0126]實質(zhì)上，圖5示出，在某些受限的工藝條件下，太陽能場可引入足量的過熱到蒸汽中，以允許其被直接供入渦輪的高壓入口中。但是，該第四選項在太陽能場不操作時同樣遭受明顯的熱效率損失。當(dāng)太陽能場開啟時，高壓節(jié)流壓力明顯升高，由此要求蒸汽渦輪自身尺寸增大(導(dǎo)致高得多的設(shè)備和操作成本)。當(dāng)太陽能場關(guān)閉時，節(jié)流壓力明顯下降，又導(dǎo)致渦輪和整個設(shè)備的明顯總體性能損失。如下面結(jié)合圖6和圖7描述的，本發(fā)明基本避免了同樣的太陽能“關(guān)”損失，從而導(dǎo)致明顯更低的發(fā)電成本(COE)和更高的效率。
[0127]圖6是描繪本發(fā)明第一實施例的流型和設(shè)備主件的工藝流程圖，其大體以600示出，利用導(dǎo)致聯(lián)合循環(huán)設(shè)備的明顯更高熱效率的外部太陽能蒸汽發(fā)生設(shè)備。在圖6中，來自高壓節(jié)熱器118的高壓高溫水601供入高壓太陽能蒸汽發(fā)生器602中，其繼而供給過熱蒸汽603進(jìn)入和通過任選過熱器604。來自任意過熱器604的過熱蒸汽排放605經(jīng)控制閥606經(jīng)由過熱補(bǔ)充蒸汽供給管607直接傳入蒸汽渦輪高壓段上的一個或多個中壓位置。
[0128]如前面所述，圖6中使用的太陽能技術(shù)(大體由太陽能蒸汽發(fā)生器602表示)包括可被該裝到現(xiàn)有聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中的一個或多個模塊化太陽能場，并且增大基于太陽能的蒸汽產(chǎn)量。該系統(tǒng)還可按比例縮放以滿足使用帶有一個、兩個或三個壓力水平且?guī)в谢虿粠г贌岬腍RSG配置的廣泛發(fā)電系統(tǒng)。典型地，太陽能蒸汽發(fā)生器602包括能將太陽能熱量反射到安裝在中央動力塔頂部的熱接收器的多個追日定日鏡。會聚的熱量使熱接收器內(nèi)的水沸騰以產(chǎn)生過熱蒸汽。設(shè)備用管道輸送來自每個熱接收器的蒸汽并將過熱蒸汽匯集以供入設(shè)備中。
[0129]圖6中過熱器604(也參見圖7中的項704)的使用被認(rèn)為在實施本發(fā)明時是“任選的”，因為其使用主要依賴于被產(chǎn)生并經(jīng)HRSG整合到聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中的太陽能蒸汽的熱特性。另外太陽能蒸汽的物理和熱特性繼而依賴于所涉及太陽能技術(shù)的具體類型。例如，某些油基太陽能系統(tǒng)通常不能提供高于約700-750° F的蒸汽。在此類情況下，本發(fā)明設(shè)想到包括如圖所示的任選過熱器604。最近，其它技術(shù)具有提供更高溫度和壓力下的太陽能蒸汽(例如高達(dá)約1100° F)的能力。因此，任選過熱器604可不被需要，但為了兼容某些操作模式而仍然被期望。另外，由太陽能設(shè)備在這種升高的溫度和壓力下產(chǎn)生的蒸汽有時候可被直接引入蒸汽渦輪的高壓段中。
[0130]在圖6的實施例中，標(biāo)示為“高壓太陽能蒸汽發(fā)生”的工藝步驟(項602)涉及一種商業(yè)上可用的示例性太陽能蒸汽系統(tǒng)，例如由位于加利福尼亞州伯班克市的eSolar有限公司生產(chǎn)的系統(tǒng)。eSolar已經(jīng)研發(fā)出一種民用級太陽能動力設(shè)備，其使用小型平坦預(yù)制鏡(定日鏡)來非常準(zhǔn)確地追蹤太陽并將其熱量反射到塔裝的接收器，其繼而產(chǎn)生過熱蒸汽。系統(tǒng)地間隔開的字面上數(shù)千定日鏡可使用軟件算法對齊并受控，以精確地會聚太陽能。定日鏡組合而形成模塊化集熱場，其通常包括南北朝向的定日鏡子場。定日鏡場將日光集中到安裝在中央塔上的熱接收器。該設(shè)計由此可選地優(yōu)化了布局并增大了用于產(chǎn)生補(bǔ)充蒸汽源的積蓄熱能。
[0131]在圖6中，到太陽能蒸汽發(fā)生場(參見高壓太陽能蒸汽發(fā)生器602)的初始進(jìn)料可來源于聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中一些不同源，且仍然用以提高系統(tǒng)的總體熱效率，包括例如來自圖1中高壓節(jié)熱器118或者來自其它低溫水源的進(jìn)料，例如來自高壓鍋爐給水泵134的排放物。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，圖6所示的過熱器604(圖7中項704)的需要被認(rèn)為在實施本發(fā)明時是任選的，并且主要依賴于并入聯(lián)合循環(huán)設(shè)備中的太陽能蒸汽的熱特性。那些物理和熱特性繼而依賴于太陽能技術(shù)的具體類型。
[0132]最后，圖7是針對本發(fā)明的第二實施例(大體標(biāo)示為700)示出流型和設(shè)備主件的工藝流程圖，其同樣在太陽能蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)“開”時導(dǎo)致類似于選項3的熱效率，但是在太陽能蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)“關(guān)”時避免明顯的效率損失。該備選實施例包括來自高壓太陽能蒸汽發(fā)生的多種可能進(jìn)料，帶有或不帶有以上結(jié)合圖6中所描述的任選過熱器。過熱蒸汽被直接噴入高壓蒸汽渦輪的一個或多個中間級中。來自高壓節(jié)熱器118(參見圖1)的高壓高溫水701供入高壓太陽能發(fā)生器702中，且來自太陽能發(fā)生器的所得過熱蒸汽703如上所述經(jīng)過任選過熱器704。來自任選過熱器704的補(bǔ)充過熱蒸汽705然后分別使用單獨(dú)的蒸汽控制閥711和712在高壓蒸汽噴射點708和710供入高壓蒸汽渦輪的一個或多個相關(guān)級中。
[0133]如上所述，進(jìn)入高壓蒸汽渦輪107的相關(guān)中間級中的太陽能生成的一種或多種蒸汽的使用已被發(fā)現(xiàn)給蒸汽渦輪和整個聯(lián)合循環(huán)提供操作益處。另外，其中存在多個中間蒸汽引入的各種不同操作情境導(dǎo)致明顯的總體操作益處。作為一個示例，當(dāng)外部環(huán)境溫度變化時或者當(dāng)整個聯(lián)合循環(huán)設(shè)備負(fù)載一直變化時，實施例可依賴于太陽能生成蒸汽與局部級間溫度的溫度匹配。[0134]雖然已結(jié)合被認(rèn)為最實際和優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所公開的實施例，相反，本發(fā)明意圖覆蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等同布置。
【權(quán)利要求】
1.一種燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備，包括: 燃?xì)鉁u輪單元； 發(fā)電機(jī)； 熱回收蒸汽發(fā)生器，用于使用從高溫排氣傳來的熱量產(chǎn)生過熱蒸汽； 操作地連接到所述熱回收蒸汽發(fā)生器的蒸汽渦輪； 與所述熱回收蒸汽發(fā)生器整合的單獨(dú)太陽能蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)，用于產(chǎn)生額外量的高壓過熱蒸汽； 傳熱介質(zhì)，用于產(chǎn)生高壓過熱蒸汽；以及 高壓蒸汽噴射裝置，用于將來自所述太陽能發(fā)生單元的過熱蒸汽噴入所述蒸汽渦輪的高壓段的一個或多個中間級中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備，其特征在于，還包括蒸汽噴射裝置，以用于將由太陽輻射形成的所述過熱蒸汽噴入所述蒸汽渦輪的高壓段的一個或多個中間級中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備，其特征在于，所述蒸汽渦輪的尺寸足以在全容量操作時利用由所述熱回收蒸汽發(fā)生器和由所述太陽能蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)產(chǎn)生的所有過熱蒸汽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備，其特征在于，在所述太陽能蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)活動或不活動時，所述蒸汽渦輪的所述高壓段的節(jié)流壓力保持基本相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備，其特征在于，所述太陽能蒸汽發(fā)生子系統(tǒng)提供熱效率益處并在所述子系統(tǒng)“關(guān)”時避免效率損失。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備，其特征在于，還包括太陽能蒸汽噴射裝置，以用于將由太陽輻射形成的所述過熱蒸汽供入所述蒸汽渦輪的所述高壓段的一個或多個中間級中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備，其特征在于，所述蒸汽渦輪包括高、中和低蒸汽壓力子段。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備，其特征在于，還包括進(jìn)料分離裝置，以用于將所述高壓過熱蒸汽分成一個或多個流以噴入所述高壓蒸汽渦輪的對應(yīng)中間級中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備，其特征在于，所述熱回收蒸汽發(fā)生器包括一個或多個蒸汽再熱段。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)動力設(shè)備，其特征在于，所述熱回收蒸汽發(fā)生器包括至少一個蒸發(fā)器、一個或多個蒸汽過熱器以及一個或多個節(jié)熱器。
【文檔編號】F03G6/00GK203670119SQ201320576468
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年8月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月2日
【發(fā)明者】K·蒙德拉, N·埃爾南德斯桑切斯, R·龐 申請人:通用電氣公司