專利名稱：聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械中的燃料加熱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械，并且更特別地，涉及通過(guò)加熱進(jìn)入級(jí)(stages)中 的燃?xì)鉁u輪機(jī)燃料管線中的燃料以改善聯(lián)合循環(huán)效率。
背景技術(shù)：
聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械利用燃?xì)鉁u輪機(jī)(GT)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)生成動(dòng)力。這些GT發(fā)動(dòng)機(jī) 基于布雷頓(Brayton)循環(huán)熱動(dòng)力學(xué)原理工作并且典型地具有高廢氣流量和較高廢氣溫 度。當(dāng)被引導(dǎo)到熱回收鍋爐(典型地被稱為熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG))中時(shí)，這些廢氣產(chǎn) 生可以用于生成更多動(dòng)力的蒸汽。所產(chǎn)生的蒸汽可以被引導(dǎo)到蒸汽渦輪機(jī)(ST)以產(chǎn)生額 外動(dòng)力。以該方式，GT經(jīng)由布雷頓循環(huán)而做功，并且ST經(jīng)由蘭金(Rankine)循環(huán)產(chǎn)生動(dòng)力。 因此，獲得名稱“聯(lián)合循環(huán)”。
典型地在聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械中加熱燃料氣體以增加熱效率。在一種早先方法中， 參考圖1，從熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) 16的IP節(jié)約器(economizer) 34的出口提取的熱水 (即，進(jìn)入IP蒸發(fā)器的水)用于燃料加熱器44中的燃料氣體加熱。在該方法中，最大燃料 氣體加熱溫度受到提取水的溫度的限制，典型地其低于IP蒸發(fā)器的飽和溫度。該方法限制 了燃料氣體加熱，因此限制了使用IP水的聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械的效率。
盡管更高的燃料氣體加熱溫度改善了渦輪機(jī)械的熱效率，但是IP蒸發(fā)器的更高 操作壓力對(duì)蒸汽循環(huán)動(dòng)力輸出和機(jī)械的熱效率具有不利影響。所以，IP蒸發(fā)器典型地在聯(lián) 合循環(huán)渦輪機(jī)械中的最佳壓力下操作，因此限制燃料氣體加熱溫度和機(jī)械的效率。
為了增加可用于燃料氣體加熱的水的溫度，可以使用來(lái)自IP蒸發(fā)器的上游的高 壓(HP)節(jié)約器的水。然而，使用高壓水明顯地增加了燃料氣體加熱的成本，同時(shí)在故障的 情況下具有可靠性問(wèn)題。在一種已知的設(shè)計(jì)中，可用的IP水溫度具有達(dá)到365° F的有限 燃料氣體加熱。因此，需要改善聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械的熱循環(huán)效率以克服現(xiàn)有系統(tǒng)面臨的問(wèn) 題。發(fā)明內(nèi)容
在示例性實(shí)施例中，一種改善聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械的效率的方法包括以下步驟(a) 提供用于將燃料輸入燃?xì)鉁u輪機(jī)中的燃料管線；(b)使用從HRSG的中壓節(jié)約器輸入至第一 燃料加熱器的入口的水加熱第一燃料加熱器中的燃料；(c)使用從HRSG的高壓節(jié)約器輸入 的水加熱在第一燃料加熱器的下游的第二燃料加熱器中的燃料；以及(d)將從第二燃料加 熱器輸出的水引導(dǎo)到HRSG的中壓部段或第一燃料加熱器的入口中的一個(gè)。
在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，一種改善聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械的效率的方法包括以下步 驟(a)提供用于將燃料輸入燃?xì)鉁u輪機(jī)中的燃料管線；以及(b)以兩級(jí)方式加熱燃料，⑴ 在第二級(jí)中使用來(lái)自熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)的HP節(jié)約器的熱水并且(ii)在第一級(jí)中 使用來(lái)自HRSG的IP節(jié)約器的熱水和來(lái)自第二級(jí)的水輸出流。
在又一個(gè)示例性實(shí)施例中，一種在聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械中使用的燃料加熱回路。渦輪機(jī)械包括燃?xì)鉁u輪機(jī)、接收燃?xì)鉁u輪機(jī)廢氣并且生成蒸汽的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)、 以及接收來(lái)自HRSG的蒸汽的蒸汽渦輪機(jī)。燃料加熱回路包括將燃料供應(yīng)到燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃料管線、在燃料管線上經(jīng)由加熱器入口接收從HRSG的中壓節(jié)約器輸出的熱水的第一加熱器、以及在第一加熱器的下游位于燃料管線上接收從HRSG的高壓節(jié)約器輸出的熱水的第二加熱器。出自第二加熱器的輸出管線將從第二加熱器輸出的水輸送到HRSG的中壓部段或第一燃料加熱器的加熱器入口中的一個(gè)。


圖1顯示了用于聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械中的燃料氣體加熱的現(xiàn)有技術(shù)的布置；
圖2是顯示具有改進(jìn)的燃料加熱回路的聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械的示意圖3是顯示具有改進(jìn)的燃料加熱回路的聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械的示意圖，該燃料加熱回路具有預(yù)熱器和多個(gè)水噴射。
附圖標(biāo)記列表
10壓縮器44第一燃料加熱器或
12燃燒器IP燃料加熱器
14渦輪機(jī)46HP燃料加熱器
15管路48IP 鼓
16熱回收蒸汽發(fā)生器52燃料預(yù)熱器
24、26、30HP、IP、LP54IP給送泵
蒸發(fā)器部段56噴管或預(yù)熱器噴射
32、34、36HP、IP、LP器
節(jié)約器部段57管線
31出口管道或排氣管581P噴射器
42燃料管線具體實(shí)施方式
圖2示出了三壓聯(lián)合循環(huán)潤(rùn)輪機(jī)械(three-pressure combinedcycle)的示意性流程圖。該機(jī)械包括壓縮器10、燃燒器12和渦輪機(jī)14，通過(guò)膨脹在燃燒器12中產(chǎn)生的熱氣體為該渦輪機(jī)提供動(dòng)力以用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)G。來(lái)自燃?xì)鉁u輪機(jī)14的廢氣通過(guò)管路15供應(yīng)到用于從廢氣回收廢熱的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) 16。HRSG包括高壓(HP)、中壓(IP) 和低壓(LP)部段。HP、IP、LP部段的每一個(gè)包括相應(yīng)的蒸發(fā)器部段24、26、30，以及相應(yīng)的節(jié)約器部段32、34、36，所述節(jié)約器部段在相應(yīng)的蒸發(fā)器部段中將水轉(zhuǎn)化為蒸汽之前用于預(yù)熱水。水被給送到HRSG 16以生成蒸汽。從供應(yīng)到HRSG16的廢氣回收的熱被傳遞至HRSG 16中的水/蒸汽以用于產(chǎn)生蒸汽，所述蒸汽被供應(yīng)到用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的蒸汽渦輪機(jī)ST。來(lái)自HRSG 16的冷卻氣體經(jīng)由出口管道或排氣管(exit stack) 31排出到大氣中。
繼續(xù)參考圖2，燃料管線42為燃?xì)鉁u輪機(jī)14運(yùn)載燃料。在不加熱的情況下，燃料典型地處于大約80° F的溫度。第一燃料加熱器或IP燃料加熱器44設(shè)置成與燃料管線 42為熱交換關(guān)系，并且用水流加熱燃料，所述水流是來(lái)自IP節(jié)約器34的流與來(lái)自HP燃料加熱器46的出口水流混合的組合。來(lái)自IP節(jié)約器34的輸出典型地為大約450° F，當(dāng)與來(lái)自HP燃料加熱器的430° F出口水流組合時(shí)產(chǎn)生大約435° F的去往IP燃料加熱器的 入口水流并且它自身可以將燃料加熱到大約400° F的溫度。
為了增加燃料溫度，在第一加熱器44的下游的燃料管線42上的第二燃料加熱器 或HP燃料加熱器46中進(jìn)一步加熱燃料。第二燃料加熱器46利用來(lái)自HP節(jié)約器32的流， 所述排出流典型地為大約650° F。在大約430° F的溫度下的來(lái)自HP燃料加熱器46的排 出水然后可以與進(jìn)入IP燃料加熱器44的引入流混合。備選地，如圖2中所示，排出水可以 返回到IP鼓(drum) 48。通過(guò)混合HP燃料加熱器排出水和進(jìn)入IP燃料加熱器44的引入 流，將需要來(lái)自IP節(jié)約器34的更少水流，這產(chǎn)生更好的效率。來(lái)自IP燃料加熱器44的燃 料可以達(dá)到400° F的溫度，并且離開(kāi)HP燃料加熱器46的燃料在輸入至燃?xì)鉁u輪機(jī)14之 前可以達(dá)到600° F的溫度。
使用HP節(jié)約器流將使效率增加，但是以聯(lián)合循環(huán)輸出為代價(jià)。在示例性實(shí)施例 中，可以使用LP水噴射和燃料預(yù)加熱以替代該輸出并且實(shí)現(xiàn)附加效率。
參考圖3，燃料預(yù)熱器52可以定位在IP燃料加熱器44的上游。燃料預(yù)熱器52與 燃料管線成熱交換關(guān)系，并且使用具有來(lái)自IP給送泵54的排出的管和殼熱交換器，以將燃 料加熱到大約270° F。隨后，噴管56的部段具有來(lái)自IP給送泵排出(或在需要更高壓力 以完全霧化水噴射的情況下來(lái)自HP給送泵排出)的水，水被噴射/與預(yù)熱器噴射器56中 的燃料混合。如果需要更高溫度的水完全霧化水噴射，也可以從IP或HP節(jié)約器出口供應(yīng) 水。水噴射的量被調(diào)節(jié)從而達(dá)到燃料的濕度飽和。
使用附加的LP給送水，水噴射之后的燃料溫度可以達(dá)到300° F，并且在一些情況 下，水可以再次被噴射57。每個(gè)連續(xù)水噴射使燃料濕度更接近大約10%體積的水。然而隨 著每個(gè)連續(xù)加熱/水噴射循環(huán)，燃料濕度的增加變的更小。在優(yōu)選構(gòu)造中，可以使用水噴射 的三個(gè)循環(huán)，但是可以計(jì)算成本效益以確定合理循環(huán)的數(shù)量。在預(yù)加熱/水噴射過(guò)程之后， 燃料被引導(dǎo)到IP燃料加熱器44。
在IP燃料加熱器中加熱燃料之后，噴管56的部段具有來(lái)自IP給送泵排出(或在 需要更高壓力以完全霧化水噴射的情況下來(lái)自HP給送泵排出)的水，水被噴射/與IP噴 射器58中的燃料混合。水噴射的量被調(diào)節(jié)從而達(dá)到燃料的濕度飽和。
飽和燃料然后在HP燃料加熱器中被過(guò)度加熱，賦予下游的閥和設(shè)備的足夠安全 性以防止由燃料產(chǎn)生的水滴而造成損壞。
該系統(tǒng)用于改善聯(lián)合循環(huán)效率。在至少一個(gè)聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械中，效率增加O.2%，輸出增加5-8MW。
盡管已結(jié)合當(dāng)前被認(rèn)為是最可行和優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解本 發(fā)明不限于所公開(kāi)的實(shí)施例，而是相反地，旨在涵蓋包括在附帶權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi) 的各種修改和等效布置。
權(quán)利要求
1.一種改善聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械的效率的方法，所述渦輪機(jī)械包括燃?xì)鉁u輪機(jī)、接收燃?xì)鉁u輪機(jī)廢氣并且生成蒸汽的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)、以及接收來(lái)自所述HRSG的蒸汽的蒸汽渦輪機(jī)，所述方法包括 (a)提供用于將燃料輸入所述燃?xì)鉁u輪機(jī)中的燃料管線； (b)使用從所述HRSG的中壓節(jié)約器輸入至第一燃料加熱器的入口的水加熱所述第一燃料加熱器中的燃料； (c)使用從所述HRSG的高壓節(jié)約器輸入的水加熱在所述第一燃料加熱器的下游的第二燃料加熱器中的燃料；以及 (d)將從所述第二燃料加熱器輸出的水引導(dǎo)到所述HRSG的中壓部段或所述第一燃料加熱器的入口中的一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過(guò)將從所述第二燃料加熱器輸出的水引導(dǎo)到所述第一燃料加熱器的入口以實(shí)施步驟(d)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在步驟(b)之前，用從給送泵供應(yīng)的水預(yù)加熱燃料并且然后將來(lái)自所述給送泵的水噴射到燃料中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，從中壓給送泵排出或高壓給送泵排出之一供應(yīng)用于所述給送泵的水。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過(guò)經(jīng)由噴管將水噴灑到與燃料接觸而實(shí)施將來(lái)自所述給送泵的水噴射到燃料中的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，實(shí)施將來(lái)自所述給送泵的水噴射到燃料中的步驟直到燃料達(dá)到濕度飽和。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，實(shí)施步驟(a)-(d)以將燃料的溫度增加到500-600° F。
8.一種改善聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械的效率的方法，所述方法包括 (a)提供用于將燃料輸入燃?xì)鉁u輪機(jī)中的燃料管線；以及 (b)以兩級(jí)方式加熱燃料，(i)在第二級(jí)中使用來(lái)自熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)的HP節(jié)約器的熱水并且(ii)在第一級(jí)中使用來(lái)自所述HRSG的IP節(jié)約器的熱水和來(lái)自所述第二級(jí)的水輸出流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在步驟(b)之前，用從給送泵供應(yīng)的水預(yù)加熱燃料并且然后將來(lái)自所述給送泵的水噴射到燃料中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，從中壓給送泵排出或高壓給送泵排出之一供應(yīng)用于所述給送泵的水。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，通過(guò)經(jīng)由噴管將水噴灑到與燃料接觸而實(shí)施將來(lái)自所述給送泵的水噴射到燃料中的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，實(shí)施將來(lái)自所述給送泵的水噴射到燃料中的步驟直到燃料達(dá)到濕度飽和。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，實(shí)施步驟(a)-(b)以將燃料的溫度增加到 500-600。 F。
14.一種用于聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械的燃料加熱回路，所述渦輪機(jī)械包括燃?xì)鉁u輪機(jī)、接收燃?xì)鉁u輪機(jī)廢氣并且生成蒸汽的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)、以及接收來(lái)自所述HRSG的蒸汽的蒸汽渦輪機(jī)，所述燃料加熱回路包括 燃料管線，所述燃料管線將燃料供應(yīng)到所述燃?xì)鉁u輪機(jī)； 在所述燃料管線上的第一加熱器，所述第一加熱器經(jīng)由加熱器入口接收從所述HRSG的中壓節(jié)約器輸出的熱水； 在所述第一加熱器的下游位于所述燃料管線上的第二加熱器，所述第二加熱器接收從所述HRSG的高壓節(jié)約器輸出的熱水；以及 出自所述第二加熱器的輸出管線，所述輸出管線將從所述第二加熱器輸出的水輸送到所述HRSG的中壓部段或所述第一燃料加熱器的加熱器入口中的一個(gè)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料加熱回路，其特征在于，出自所述第二加熱器的所述輸出管線將從所述第二加熱器輸出的水輸送到所述第一燃料加熱器的加熱器入口。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料加熱回路，其特征在于，所述燃料加熱回路還包括在所述第一加熱器的上游的燃料預(yù)熱器，所述燃料預(yù)熱器用從給送泵供應(yīng)的水預(yù)加熱燃料并且然后將來(lái)自所述給送泵的水噴射到燃料中。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的燃料加熱回路，其特征在于，從中壓給送泵排出或高壓給送泵排出之一供應(yīng)用于所述給送泵的水。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的燃料加熱回路，其特征在于，所述燃料加熱回路包括噴管，所述噴管被定位成將來(lái)自所述給送泵的水噴灑到燃料中。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)改善聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)械效率的方法，所述方法可以通過(guò)以兩級(jí)方式加熱燃?xì)鉁u輪機(jī)燃料管線中的燃料而改善聯(lián)合循環(huán)效率，(i)在第二級(jí)中使用來(lái)自熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)的HP節(jié)約器的熱水并且(ii)在第一級(jí)中使用來(lái)自HRSG的IP節(jié)約器的熱水和來(lái)自第二級(jí)的水輸出流。可以通過(guò)加入使用來(lái)自IP給送泵的熱水的一個(gè)或多個(gè)燃料預(yù)熱器并且將熱水順序地噴射到燃料中而進(jìn)一步改善效率。
文檔編號(hào)F02C7/224GK103016157SQ20121036064
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者J.E.肖勒斯, D.F.比迪伊, K.芒德拉 申請(qǐng)人:通用電氣公司