具有形成過量空氣流的壓縮機和增大渦輪排出氣體質量流的渦輪膨脹器的發電系統的制作方法
【專利摘要】一種發電系統可包括：第一燃氣渦輪系統，其包括第一渦輪構件、第一集成壓縮機和第一燃燒器，來自第一集成壓縮機的空氣和燃料供應至該第一燃燒器。第一集成壓縮機具有比第一燃燒器和/或第一渦輪構件的吸入容量大的流動容量，從而形成過量空氣流。第二燃氣渦輪系統可包括與第一個類似的構件但在其壓縮機中沒有過量容量。渦輪膨脹器可以操作地連接到第二燃氣渦輪系統。控制閥可控制過量空氣流從第一燃氣渦輪系統到第二燃氣渦輪系統和渦輪膨脹器中的至少一者的流動，和渦輪膨脹器的排放的去往第一渦輪構件和第二渦輪構件中的至少一者的排氣的流動。
【專利說明】具有形成過量空氣流的壓縮機和増大渦輪排出氣體質量流的渦輪膨脹器的發電系統
[0001]相關申請的交叉引用
本申請涉及共同未決的美國申請號:GE卷號280346-1、申請序列號14/662，760、280347-1、申請序列號 14/662，770、280348-1、申請序列號 14/662，780、280349-1、申請序列號 14/662，785、280352-1，申請序列號 14/662，796、280353-1、申請序列號 14/662,800、和280354-1、申請序列號14/662，803，它們都是在2015年3月19日提交的。
技術領域
[0002]本公開大體上涉及發電系統，且更具體而言，涉及如下的發電系統，其包括燃氣渦輪系統和渦輪膨脹器，燃氣渦輪系統具有形成過量空氣流的壓縮機，渦輪膨脹器增強發電機輸出且增大另一燃氣渦輪系統的渦輪排出氣體質量流，該渦輪排氣可用于一個或更多個蒸汽發生器中。
【背景技術】
[0003]發電系統通常采用一個或更多個燃氣渦輪系統，其可與一個或更多個蒸汽渦輪系統聯接來發電。燃氣渦輪系統可包括具有旋轉軸的多級軸流式壓縮機。空氣進入壓縮機的入口，且由壓縮機葉片級壓縮，且然后被排放至燃燒器，在此，焚燒燃料如天然氣，以提供高能燃燒氣流來驅動渦輪構件。在渦輪構件中，熱氣體的能量被轉換成功，該功中的一些用于通過旋轉軸來驅動集成的壓縮機，其余的可用于有用功，以經由旋轉軸(例如，旋轉軸的延伸部)驅動負載如發電機以用于產生電力。多個燃氣渦輪系統可在發電系統內并聯地使用。在聯合循環系統中，一個或更多個蒸汽渦輪系統還可與燃氣渦輪系統一起使用。在此情形中，來自燃氣渦輪系統的熱排出氣體被給送到一個或更多個熱回收蒸汽發生器(HRSG)來形成蒸汽，蒸汽然后被給送到具有與燃氣渦輪系統分開的或集成的旋轉軸的蒸汽渦輪構件。在任何情況下，蒸汽的能量都轉換成功，該功可用于驅動負載如發電機，以用于產生電力。
[0004]當形成發電系統時，其零件構造成一起工作來提供具有期望的功率輸出的系統。根據需要提高功率輸出并且/或者在挑戰性環境情形下維持功率輸出的能力是本行業中的不斷挑戰。例如，在熱天，電力消耗增加，因此增大發電需求。熱天的另一個挑戰是隨著溫度升高，壓縮機流減少，這導致減少的發電機輸出。增大功率輸出(或維持功率輸出，例如，在熱天)的一個途徑是對發電系統添加可增加去往燃氣渦輪系統燃燒器的空氣流的構件。增大空氣流的一個途徑是添加儲存容器來對燃氣渦輪燃燒器進行給送。然而，該特定途徑通常需要用于儲存容器的單獨的能量源，這不是高效的。
[0005]增大空氣流的另一途徑是升級壓縮機。目前，壓縮機已得到改進，使得它們的流動容量高于它們的前代壓縮機。這些新的、更高容量的壓縮機通常制造成或者適應新的類似構造的燃燒器，或者能夠處理增大的容量的較舊的燃燒器。升級較舊的燃氣渦輪系統來使用新的、更高容量的壓縮機的一個挑戰是，目前沒有與不可處理增大的容量的系統一起在不升級系統的其他昂貴部分的情況下使用更高容量的壓縮機的機構。通常需要與壓縮機升級同時升級的其他部分包括但不限于燃燒器、燃氣渦輪構件、發電機、變壓器、開關裝置、HRSG、蒸汽渦輪構件、蒸汽渦輪控制閥等。因此，即使壓縮機升級理論上可能是可行的，但升級其他部分的額外成本由于額外的花費而使得升級是考慮不周的。
【發明內容】
[0006]本公開的第一方面提供了一種發電系統，其包括:第一燃氣渦輪系統，其包括第一渦輪構件、第一集成壓縮機和第一燃燒器，來自第一集成壓縮機的空氣和燃料供應至該第一燃燒器，該第一燃燒器布置成將熱燃燒氣體供應至第一渦輪構件，且第一集成壓縮機具有比第一燃燒器和第一渦輪構件中的至少一者的吸入容量大的流動容量，從而形成過量空氣流;第二燃氣渦輪系統，其包括第二渦輪構件、第二壓縮機和第二燃燒器，來自第二壓縮機的空氣和燃料供應至該第二燃燒器，第二燃燒器布置成將熱燃燒氣體供應至第二渦輪構件;渦輪膨脹器，其操作地連接到第二燃氣渦輪系統;第一控制閥系統，其控制過量空氣流的沿過量空氣流路徑從第一燃氣渦輪系統到第二燃氣渦輪系統和渦輪膨脹器中的至少一者的流動；和第二控制閥，其控制渦輪膨脹器的排放的去往第一渦輪構件和第二渦輪構件中的至少一者的排氣的流動。
[0007]本公開的第二方面提供了一種發電系統，包括:第一燃氣渦輪系統，其包括第一渦輪構件、第一集成壓縮機和第一燃燒器，來自第一集成壓縮機的空氣和燃料供應至該第一燃燒器，第一燃燒器布置成將熱燃燒氣體供應至第一渦輪構件，且第一集成壓縮機具有比第一燃燒器和第一渦輪構件中的至少一者的吸入容量大的流動容量，從而形成過量空氣流;第二燃氣渦輪系統，其包括第二渦輪構件、第二壓縮機和第二燃燒器，來自第二壓縮機的空氣和燃料供應至該第二燃燒器，第二燃燒器布置成將熱燃燒氣體供應至第二渦輪構件;渦輪膨脹器，其操作地連接到第二燃氣渦輪系統;第一控制閥系統，其控制過量空氣流的沿過量空氣流路徑從第一燃氣渦輪系統到第二燃氣渦輪系統和渦輪膨脹器中的至少一者的流動；和第二控制閥，其控制渦輪膨脹器的排放的去往第一渦輪構件和第二渦輪構件中的至少一者的排氣的流動，其中，第二控制閥系統包括第一控制閥和第二控制閥，第一控制閥控制渦輪膨脹器的排放的去往第一渦輪構件的排氣的第一部分，第二控制閥控制渦輪膨脹器的排放的去往第二渦輪構件的排氣的第二部分，其中，第二燃氣渦輪系統還包括旋轉軸，該旋轉軸聯接第二壓縮機、第二渦輪構件、起動馬達和渦輪膨脹器。
[0008]本公開的第三方面提供了一種方法，其包括:從第一燃氣渦輪系統的第一集成壓縮機獲得過量空氣流，第一燃氣渦輪系統包括第一渦輪構件、第一集成壓縮機和第一燃燒器，來自第一集成壓縮機的空氣和燃料供應至該第一燃燒器，第一集成壓縮機具有比第一燃燒器和第一渦輪構件中的至少一者的吸入容量大的流動容量;將過量空氣流沿過量空氣流路徑引導至以下中的至少一者:第二燃氣渦輪系統，其包括第二渦輪構件、第二壓縮機和第二燃燒器，來自第二壓縮機的空氣和燃料供應至該第二燃燒器，第二燃燒器布置成將熱燃燒氣體供應至第二渦輪構件;和渦輪膨脹器，其操作地連接到第二燃氣渦輪系統;和將渦輪膨脹器的排放的流動引導至第一渦輪構件和第二渦輪構件中的至少一者的排氣。
[0009]技術方案1:一種發電系統(100)，包括:
第一燃氣渦輪系統(102)，其包括第一渦輪構件(104)、第一集成壓縮機(106)和第一燃燒器(108)，來自所述第一集成壓縮機(106)的空氣和燃料供應至所述第一燃燒器(108)，所述第一燃燒器(108)布置成將熱燃燒氣體供應至所述第一渦輪構件(104)，且所述第一集成壓縮機(106)具有比所述第一燃燒器(108)和所述第一渦輪構件(104)中的至少一者的吸入容量大的流動容量，從而形成過量空氣流(200)；
第二燃氣渦輪系統(140)，其包括第二渦輪構件(144)、第二壓縮機(146)和第二燃燒器(148)，來自所述第二壓縮機(146)的空氣和燃料供應至所述第二燃燒器(148)，所述第二燃燒器(148)布置成將熱燃燒氣體供應至所述第二渦輪構件(144);
渦輪膨脹器(252)，其操作地連接到所述第二燃氣渦輪系統(140);
第一控制閥(212、274)系統(202)，其控制所述過量空氣流(200)的沿過量空氣流(200)路徑從所述第一燃氣渦輪系統(102)到所述第二燃氣渦輪系統(140)和所述渦輪膨脹器(252)中的至少一者的流動;和
第二控制閥(214)，其控制所述渦輪膨脹器(252)的排放(210、272)的去往所述第一渦輪構件(104)和所述第二渦輪構件(144)中的至少一者的排氣(172、174)的流動。
[0010]技術方案2:根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述過量空氣流(200)通過所述第一控制閥(212、274)系統(202)供應至所述第二壓縮機(146)的排放(210、272)。
[0011]技術方案3:根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述過量空氣流(200)通過所述第一控制閥(212、274)系統(202)供應至所述第二燃燒器(148)。
[0012]技術方案4:根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述過量空氣流(200)通過所述第一控制閥(212、274)系統(202)供應至所述第二渦輪構件(144)的渦輪噴嘴冷卻入口(158)0
[0013]技術方案5:根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述第一控制閥(212、274)系統(202)控制所述過量空氣流(200)的去往所述第二壓縮機(146)的排放(210、272)、所述第二燃燒器(148)和所述第二渦輪構件(144)的渦輪噴嘴冷卻入口(158)中的至少一者的流動。
[0014]技術方案6:根據權利要求5所述的發電系統(100)，其中，所述第一控制閥(212、274)系統(202)包括第一控制閥(212、274)、第二控制閥(214)、和第三控制閥(216)，所述第一控制閥(212、274)控制所述過量空氣流(200)的去往所述第二壓縮機(I 46)的排放(210、272)的第一部分，所述第二控制閥(214)控制所述過量空氣流(200)的去往所述第二燃燒器(148)的第二部分，所述第三控制閥(216)控制所述過量空氣流(200)的流動的去往所述第二渦輪構件(144)的渦輪噴嘴冷卻入口( 158)的第三部分。
[0015]技術方案7:根據權利要求6所述的發電系統(100)，還包括至少一個傳感器(220)，所述至少一個傳感器(220)用于測量所述過量空氣流(200)的至少一部分(254)的流速，各傳感器(220)可操作地聯接到所述第一控制閥(212、274)系統(202)。
[0016]技術方案8:根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述第一渦輪系統和所述第二渦輪系統中的各個的排氣(172、174)供應至至少一個蒸汽發生器(122、154、166)以用于對蒸汽渦輪系統(160)供能。
[0017]技術方案9:根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述第二控制閥(214)系統包括第一控制閥(212、274)和第二控制閥(214)，所述第一控制閥(212、274)控制所述渦輪膨脹器(252)的排放(210、272)的去往所述第一渦輪構件(104)的排氣(172、174)的第一部分，所述第二控制閥(214)控制所述渦輪膨脹器(252)的排放(210、272)的去往所述第二渦輪構件(144)的排氣(172、174)的第二部分。
[0018]技術方案10:根據權利要求9所述的發電系統(100)，其中，所述第一渦輪構件(104)和所述第二渦輪構件(144)中的各個的排氣(172、174)供應至至少一個蒸汽發生器(122、154、166)，以用于對蒸汽渦輪系統(160)供能。
[0019]技術方案11:根據權利要求9所述的發電系統(100)，其中，所述渦輪膨脹器(252)的排放(210、272)將質量流加至所述第一渦輪構件(104)和所述第二渦輪構件(144)中的至少一者的排氣(172、174)。
[0020]技術方案12:根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述第二燃氣渦輪系統(140)還包括旋轉軸(162) (152)，所述旋轉軸(162) (152)聯接所述第二壓縮機(146)、所述第二渦輪構件(144)、起動馬達(156) (112)和所述渦輪膨脹器(252)。
[0021]技術方案13:根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述第一燃氣渦輪系統
(102)還包括旋轉軸(162) (152)，所述旋轉軸(162) (152)聯接所述第一集成壓縮機(106)、所述第一渦輪構件(104)、和負載換流逆變器(LCI)馬達。
[0022]技術方案14:一種發電系統(100)，包括:
第一燃氣渦輪系統(102)，其包括第一渦輪構件(104)、第一集成壓縮機(106)和第一燃燒器(108)，來自所述第一集成壓縮機(106)的空氣和燃料供應至所述第一燃燒器(108)，所述第一燃燒器(108)布置成將熱燃燒氣體供應至所述第一渦輪構件(104)，且所述第一集成壓縮機(106)具有比所述第一燃燒器(108)和所述第一渦輪構件(104)中的至少一者的吸入容量大的流動容量，從而形成過量空氣流(200)；
第二燃氣渦輪系統(140)，其包括第二渦輪構件(144)、第二壓縮機(146)和第二燃燒器(148)，來自所述第二壓縮機(146)的空氣和燃料供應至所述第二燃燒器(148)，所述第二燃燒器(148)布置成將熱燃燒氣體供應至所述第二渦輪構件(144);
渦輪膨脹器(252)，其操作地連接到所述第二燃氣渦輪系統(140);
第一控制閥(212、274)系統(202)，其控制所述過量空氣流(200)的沿過量空氣流(200)路徑從所述第一燃氣渦輪系統(102)到所述第二燃氣渦輪系統(140)和所述渦輪膨脹器(252)中的至少一者的流動;和
第二控制閥(214)，其控制所述渦輪膨脹器(252)的排放(210、272)的去往所述第一渦輪構件(104)和所述第二渦輪構件(144)中的至少一者的排氣(172、174)的流動，其中，所述第二控制閥(214)系統包括第一控制閥(212、274)和第二控制閥(214)，所述第一控制閥(212、274)控制所述渦輪膨脹器(252)的排放(210、272)的去往所述第一渦輪構件(104)的排氣(172、174)的第一部分，所述第二控制閥(214)控制所述渦輪膨脹器(252)的排放(210、272)的去往所述第二渦輪構件(144)的排氣(172、174)的第二部分，
其中，所述第二燃氣渦輪系統(140)還包括旋轉軸(162) (152)，所述旋轉軸(162)(152)聯接所述第二壓縮機(146)、所述第二渦輪構件(144)、起動馬達(156) (112)和所述渦輪膨脹器(252)。
[0023]技術方案15:根據權利要求14所述的發電系統(100)，其中，所述第一控制閥(212、274)系統(202)控制所述過量空氣流(200)的去往所述第二壓縮機(146)的排放(210、272)、所述第二燃燒器(148)和所述第二渦輪構件(144)的渦輪噴嘴冷卻入口(158)中的至少一者的流動。
[0024]技術方案16:根據權利要求15所述的發電系統(100)，其中，所述第一控制閥(212、274)系統(202)包括第一控制閥(212、274)、第二控制閥(214)、和第三控制閥(216)，所述第一控制閥(212、274)控制所述過量空氣流(200)的去往所述第二壓縮機(I 46)的排放(210、272)的第一部分，所述第二控制閥(214)控制所述過量空氣流(200)的去往所述第二燃燒器(148)的第二部分，所述第三控制閥(216)控制所述過量空氣流(200)的流動的去往所述第二渦輪構件(144)的渦輪噴嘴冷卻入口( 158)的第三部分。
[0025]技術方案17:根據權利要求14所述的發電系統(100)，其中，所述第一渦輪構件
(104)和所述第二渦輪構件(144)中的各個的排氣(172、174)供應至至少一個蒸汽發生器(122、154、166)，以用于對蒸汽渦輪系統(160)供能。
[0026]技術方案18:根據權利要求14所述的發電系統(100)，其中，所述渦輪膨脹器(252)的排放(210、272)將質量流加至所述第一渦輪構件(104)和所述第二渦輪構件(144)中的至少一者的排氣(172、174)。
[0027]技術方案19:根據權利要求14所述的發電系統(100)，其中，所述第一燃氣渦輪系統(102)還包括旋轉軸(162) (152)，所述旋轉軸(162) (152)聯接所述第一集成壓縮機
(106)、所述第一渦輪構件(104)、和負載換流逆變器(LCI)馬達。
[0028]技術方案20:—種方法，包括:
從第一燃氣渦輪系統(102)的第一集成壓縮機(106)獲得過量空氣流(200)，所述第一燃氣渦輪系統(102)包括第一渦輪構件(104)、所述第一集成壓縮機(106)和第一燃燒器
(108)，來自所述第一集成壓縮機(106)的空氣和燃料供應至所述第一燃燒器(108)，所述第一集成壓縮機(106)具有比所述第一燃燒器(108)和所述第一渦輪構件(104)中的至少一者的吸入容量大的流動容量；
將所述過量空氣流(200)沿過量空氣流(200)路徑引導至以下中的至少一者:
第二燃氣渦輪系統(140)，其包括第二渦輪構件(144)、第二壓縮機(146)和第二燃燒器(148)，來自所述第二壓縮機(146)的空氣和燃料供應至所述第二燃燒器(148)，所述第二燃燒器(148)布置成將熱燃燒氣體供應至所述第二渦輪構件(144)，和
渦輪膨脹器(252)，其操作地連接到所述第二燃氣渦輪系統(140);和將所述渦輪膨脹器(252)的排放(210、272)的流動引導至所述第一渦輪構件(104)和所述第二渦輪構件(144)中的至少一者的排氣(172、174)。
[0029]本公開的例示性方面設計成解決在本文中所述的問題和/或未論述的其他問題。
【附圖說明】
[0030]根據結合附圖作出本公開的各種方面的以下詳細描述，將更容易理解本公開的這些和其他特征，附圖繪出了本公開的各種實施例，在附圖中:
圖1示出了根據本發明的實施例的發電系統的示意圖。
[0031]應注意，本公開的附圖不按照比例。附圖旨在僅繪出本公開的典型方面，且因此不應認作是限制本公開的范圍。在附圖中，相似的標號表示附圖之間的相似元件。
[0032]部件列表
100發電系統
102第一燃氣渦輪系統 104第一渦輪構件
106第一集成壓縮機
108第一燃燒器
110渦輪旋轉軸
112起動馬達
120入口過濾器殼體
122、154、166 發電機
140第二燃氣渦輪系統
144第二渦輪構件
146第二壓縮機
148第二燃燒器
150以后開發的入口過濾器殼體
152旋轉軸
156起動馬達
158噴嘴冷卻入口
160蒸汽渦輪系統
162旋轉軸
168、170蒸汽發生器
172、174排氣
178排放物控制系統
180控制系統
200空氣流
202第一控制閥系統
210、272排放
274第一控制閥
214第二控制閥
216第三控制閥
220傳感器
250過量空氣流路徑
252渦輪膨脹器
254至少一部分
256、266控制閥
270第二控制閥系統。
【具體實施方式】
[0033]如上所述，本公開提供了一種發電系統，其包括燃氣渦輪系統，燃氣渦輪系統包括形成過量空氣流的壓縮機。本發明的實施例提供了使用過量空氣流來改善發電系統輸出的方式。
[0034]參看圖1，提供了根據本發明的實施例的發電系統100的示意圖。系統100包括第一燃氣渦輪系統102。第一燃氣渦輪系統102除其他構件外可包括第一渦輪構件104、第一集成壓縮機106和第一燃燒器108。如在本文中使用的，第一“集成”壓縮機106如此稱呼是因為壓縮機106和渦輪構件104可尤其由公共壓縮機/渦輪旋轉軸110(有時稱為轉子110) —體地聯接在一起。該結構不同于被單獨地供能且不與渦輪構件104集成的許多壓縮機。
[0035]燃燒器108可包括任何現在已知或以后開發的燃燒器系統，該燃燒器系統大體上包括燃燒區和燃料噴嘴組件。燃燒器108可采用環形燃燒系統或筒環形燃燒系統(如附圖中所例示的)的形式。在操作中，來自第一集成壓縮機106的空氣和燃料如天然氣被供應至燃燒器108。稀釋劑也可選地以任何現在已知或以后開發的方式輸送至燃燒器108。由第一集成壓縮機106吸取的空氣可穿過任何現在已知或以后開發的入口過濾器殼體120。如所理解的，燃燒器108布置成通過燃料和空氣混合物的燃燒來將熱燃燒氣體供應至第一渦輪構件104。在渦輪構件104中，熱燃燒氣體的能量被轉換成功，該功中的一些可用于通過旋轉軸110來驅動壓縮機106，其余的可用于有用功，以驅動負載(諸如但不限于用于產生電力的發電機122)，并且/或者經由旋轉軸110(旋轉軸110的延伸部)驅動另一渦輪。起動馬達112(諸如但不限于常規起動馬達或負載換流逆變器(LCI)馬達(未示出))也可聯接到旋轉軸110，以用于第一燃氣渦輪系統102的起動目的。渦輪構件104可包括用于借助于旋轉軸110將熱燃燒氣流轉換成功的任何現在已知或以后開發的渦輪。
[0036]在一個實施例中，燃氣禍輪系統102可包括可從General Electric Company ,Greenville, S.C商業地獲得的型式MS7001FB，有時稱為7FB發動機。然而，本發明不限于任一種特定的燃氣禍輪系統，且可結合其他系統來實現，包括例如Genera I ElectricCompany 的型式 MS7001FA(7FA)和 MS9001FA(9FA)。
[0037]不同于常規燃氣渦輪系統型式，第一集成壓縮機106具有比渦輪構件104和/或第一燃燒器108的吸入容量大的流動容量。即，壓縮機106相比于構造成與燃燒器108和渦輪構件104匹配的壓縮機是升級的壓縮機。如在本文中使用的，“容量”指流速容量。例如，燃氣渦輪系統102的初始壓縮機可具有大約487千克/秒(kg/s) (I，075鎊質量/秒(lbm/s))的最大流速容量，且渦輪構件104可具有基本上相等的最大流動容量，即，大約487 kg/s。然而，在此，壓縮機108替換了初始壓縮機，且可具有例如大約544 kg/s(1200 lbm/s)的增大的最大流動容量，而渦輪構件104繼續具有例如大約487 kg/s的最大流動容量。(在需要時，起動馬達112也可升級，例如，升級至所例示的LCI驅動馬達，以適應用于第一集成壓縮機106的起動的增大的功率要求)。因此，渦輪構件104不可利用壓縮機106的所有容量，且過量空氣流200由壓縮機106在高于例如渦輪構件104的最大容量下形成。類似地，集成壓縮機106的流動容量可超過燃燒器108的最大吸入容量。以類似的方式，如果暴露于集成壓縮機106的滿流動容量，則渦輪構件104的功率輸出可超過用于發電機122的最大允許輸入。盡管本文中已描述了特定的示例流速值，但要強調的是，流速容量可取決于燃氣渦輪系統和所使用的新的大容量集成壓縮機106來大大地改變。如本文中將描述的那樣，本發明提供了在發電系統100的其他部分中使用過量空氣流的發電系統100的各種實施例。
[0038]在圖1中所示的實施例中，發電系統100還包括一個或更多個第二燃氣渦輪系統140。各第二燃氣渦輪系統140可包括第二渦輪構件144、第二壓縮機146和第二燃燒器148。各第二燃氣渦輪系統140可基本上類似于第一燃氣渦輪系統102，只是其壓縮機146未升級或替換，且繼續具有構造成匹配其相應渦輪構件144和/或燃燒器148流動容量的流動容量。如在本文中關于第一集成壓縮機106所述的，來自第二壓縮機146的空氣與燃料一同供應至第二燃燒器148，且第二燃燒器148布置成將熱燃燒氣體供應至第二渦輪構件144。稀釋劑也可以可選地以任何現在已知或以后開發的方式輸送至第二燃燒器148。由第二壓縮機146吸取的空氣可穿過任何現在已知或以后開發的入口過濾器殼體150。在第二渦輪構件144中，熱燃燒氣體的能量被轉換成功，該功中的一些用于通過旋轉軸152來驅動壓縮機146，其余的可用于有效功來驅動負載，諸如但不限于用于發電的發電機154，和/或經由旋轉軸152(旋轉軸152的延伸部)驅動另一渦輪。用于與第二燃氣渦輪系統140的起動有關的操作的起動馬達156也可聯接到旋轉軸152。
[0039]第二渦輪構件144還可包括一個或更多個渦輪噴嘴冷卻入口 158。如本領域中理解的那樣，渦輪構件中的靜止噴嘴可包括多個入口(未示出)，以用于噴射冷卻流體來尤其冷卻渦輪構件的噴嘴。噴嘴內和周圍的通路在需要時引導冷卻流體。盡管為了清楚起見，在渦輪構件144的第一級處僅示出一個入口，但應理解的是，渦輪構件144的各級可包括例如圍繞渦輪構件沿周向間隔的一個或更多個入口。此外，盡管渦輪噴嘴冷卻入口 158示為在第二渦輪構件144的第一級處或附近進入，但應理解，入口可設在實際上任何級處。
[0040]還如圖1中所示，在一個實施例中，發電系統100可以可選地采用包括蒸汽渦輪系統160的聯合循環發電設備的形式。蒸汽渦輪系統160可包括任何現在已知或以后開發的蒸汽渦輪布置。在所示的實例中，示出了高壓(HP)、中壓(IP)和低壓(LP)區段;然而，并非全部是在所有情況下都需要的。如本領域中已知的那樣，在操作中，蒸汽進入蒸汽渦輪區段的入口，且被導送穿過靜止導葉，導葉向下游相對于聯接到旋轉軸162(轉子)的葉片引導蒸汽。蒸汽可穿過其余級，從而將力施加在葉片上，從而導致旋轉軸162旋轉。旋轉軸162的至少一個端部可附接到負載或機器，諸如但不限于發電機166、和/或另一渦輪，例如，燃氣渦輪102、140中的一個。用于蒸汽渦輪系統160的蒸汽可由一個或更多個蒸汽發生器168、170生成，即，熱回收蒸汽發生器(HSRG) ARSG 168可聯接到第一渦輪系統102的排氣172，且HSRG170可聯接到第二渦輪系統140的排氣174。即，燃氣渦輪系統102和/或燃氣渦輪系統104的排氣172、174分別可供應至至少一個HRSG 168、170，以用于對蒸汽渦輪系統160供能。各燃氣渦輪系統可聯接到專用的HRSG，或者一些系統可共用HRSG。在后一情況中，盡管例示了兩個HRSG 168、170，但可僅提供一個，且排氣172、174 二者都被引導至其。在穿過蒸汽發生器168、170之后，現在耗盡熱的燃燒氣流可經由任何現在已知或以后開發的排放物控制系統178來排氣，例如，煙道、選擇性催化還原(SCR)單元、一氧化二氮過濾器等。盡管圖1示出了聯合循環實施例，但應強調的是，可省略包括蒸汽發生器168、170的蒸汽渦輪系統160。在此后一情況中，排氣172、174將直接地傳送至排放物控制系統180或用于其他過程中。
[0041 ]發電系統100還可包括用于控制其各種構件的任何現在已知或以后開發的控制系統180。盡管與構件分開示出，但應理解的是，控制系統180電聯接到所有構件和它們相應的可控制特征，例如，閥、栗、馬達、傳感器、齒輪裝置、電網、發電機控制件等。
[0042]回到第一燃氣渦輪系統102的細節，如本文中所提到的，第一集成壓縮機106具有比渦輪構件104和/或第一燃燒器108的吸入容量大的流動容量，這形成了過量空氣流200。過量空氣流200示為從第一集成壓縮機106在其排放處獲得的流。然而，應強調的是，過量空氣流200可在期望的情況下在集成壓縮機106的任何級處使用適合的閥和相關控制系統獲得，例如，在排放上游的一個或更多個位置處，在排放和排放上游的一個或更多個位置處，等。在任何情況下，過量空氣流200最終沿過量空氣流路徑250穿過，路徑250可包括去往第二渦輪系統140的一個或更多個管。在圖1實施例中，控制閥系統202提供成用于控制去往第二燃氣渦輪系統140的過量空氣流200的流動。盡管示為好像過量空氣流200被引導至僅一個第二燃氣渦輪系統140，但應理解的是，過量空氣流可在期望時被引導至一個或更多個第二燃氣渦輪系統140，且其中，過量空氣流可支持多于一個的系統。
[0043]發電系統100還可包括操作地聯接到第二渦輪系統140的渦輪膨脹器252。渦輪膨脹器252可包括能夠接收高壓氣體如空氣或蒸汽且由高壓氣體的膨脹生成功的任何現在已知或以后開發的軸流式或離心流式渦輪。在舉例的情況中，過量空氣流200的至少一部分254可用于對渦輪膨脹器252供能。過量空氣流200的至少一部分254可由另一高壓氣體源(例如，來自HRSG 168和/或170的蒸汽)或另一加壓空氣源(如果需要)來增強。在本文中將描述渦輪膨脹器252的操作和優點。
[0044]過量空氣流200可以以多種方式從第一燃氣渦輪系統102引導至第二渦輪系統140和/或渦輪膨脹器252。在一個實施例中，第一控制閥系統202控制過量空氣流200沿過量空氣流路徑250去往第二燃氣渦輪系統140和渦輪膨脹器252中的至少一者的流動。就第二燃氣渦輪系統140而言，第一控制閥系統202可控制過量空氣流200的去往第二壓縮機146的排放210、第二燃燒器148和第二渦輪構件144的渦輪噴嘴冷卻入口 158中的至少一者的流動。控制閥系統202可包括對第二渦輪系統140的期望部分供應過量空氣流200的至少一部分所需的任何數目的閥。如所例示的，控制閥系統202可包括三個閥。第一控制閥212可控制過量空氣流200的去往第二壓縮機146的排放210的第一部分。以此方式，由此，過量空氣流200可被加至來自壓縮機146的空氣流，而沒有額外的能量消耗。第二控制閥214可控制過量空氣流200的去往第二燃燒器148的第二部分，從而提供用于燃燒的額外空氣。第三控制閥216可控制過量空氣流200的去往第二渦輪構件144的渦輪噴嘴冷卻入口 158的第三部分，以尤其對渦輪構件的噴嘴提供冷卻流體。在操作中，所示實例可如下地作用:首先，在控制閥210打開且控制閥212、214關閉的情況下，將過量空氣流200供應至第二壓縮機146的排放210;接著，在控制閥210和216關閉且控制閥214打開的情況下，將過量空氣流200供應至燃燒器148;和最后，在控制閥210、212關閉且控制閥216打開的情況下，將過量空氣流200供應至第二渦輪構件144的渦輪噴嘴冷卻入口 158。第一控制閥系統202還可包括用于控制過量空氣流路徑250中的過量空氣流200的控制閥256。就輸送至渦輪膨脹器252的過量空氣流200而言，第一控制閥系統202還可包括控制閥266，控制閥266控制過量空氣流200的至少一部分254，該至少一部分254從過量空氣流路徑250供應至渦輪膨脹器252(即，至渦輪膨脹器252的入口)以用于對渦輪膨脹器供能。
[0045]第二控制閥系統270可控制渦輪膨脹器252的排放272至第一渦輪構件104和第二渦輪構件144中的至少一者的排氣的流動(為了清楚起見以虛線示出的管路)。即，第二控制閥系統270控制排放272的一部分至第一渦輪構件104的排氣172的流動和排放272的一部分至第二渦輪構件144的排氣174的流動。如圖所示，第二控制閥系統270可包括第一控制閥274和第二控制閥276，第一控制閥274控制渦輪膨脹器252的排放272的去往第一渦輪構件104的排氣172的第一部分，第二控制閥276控制渦輪膨脹器252的排放272的去往第二渦輪構件144的排氣174的第二部分。排放272的各部分可為排放272中的任何百分比，包括零。SP，排放272的任何部分可輸送至第一渦輪構件排氣172和第二渦輪構件排氣174，或者所有的排放272可被輸送至排氣172或排氣174。
[0046]進一步參照各控制系統202、270，其各控制閥可定位在打開與關閉之間的任何位置，以對規定的構件通過期望的部分流。此外，盡管去往各構件的一個通路例示在各控制閥之后，但應強調的是，可提供其他管路和控制閥，以將過量空氣流200的相應部分進一步分送至各種子部分，例如，第二渦輪構件144上的多個渦輪噴嘴冷卻入口 158、燃燒器148的多個燃燒筒、渦輪膨脹器252的各種輸入等。還如所例示的，可提供至少一個傳感器220以用于測量過量空氣流200的至少一部分的流速，該至少一部分例如為，如從第一集成壓縮機106獲取的、各控制閥212、214、216之后的，等。各傳感器220可以可操作地聯接到控制閥系統202、270，控制閥系統202、270各自可包括用于所示各種控制閥和控制系統180的自動操作的任何現在已知或以后開發的工業控制。用于測量流動的其他傳感器220可在需要時遍布發電系統100地提供。
[0047]如上面提到的，控制閥256可操作成控制過量空氣流動路徑250中的過量空氣流200的量，且控制閥266可操作成控制從過量空氣流路徑250提供至渦輪膨脹器252的空氣254的量。控制閥系統202、270且因此過量空氣流200的流動和渦輪膨脹器252的操作可使用任何現在已知或以后開發的工業控制器來控制，該工業控制器可為總體發電系統100控制系統180的一部分。控制系統180可以以已知的方式控制發電系統100的所有各種構件的操作，包括對控制閥系統202進行控制。
[0048]包括第一燃氣渦輪系統102的發電系統100與常規系統相比提供了多個優點，第一燃氣渦輪系統102具有形成過量空氣流200的第一集成壓縮機106。例如，相對于在系統中升級所有壓縮機(在在使用多個燃氣渦輪的情況下可能是非常昂貴的)，壓縮機106可以以較低的成本改善發電系統100的動力塊峰、基本和熱天輸出。此外，本發明的實施例降低了升級的壓縮機(即，壓縮機106)的相對成本，且又通過提供有效地消耗更多過量空氣流的方式改善了升級的壓縮機的耐久性和合意性。此外，包括第一集成壓縮機106的發電系統100通過在以下示范性子系統中的任何一個或更多個尺寸過小的情況下改善項目耐久性來擴大系統100的操作包線:渦輪構件104、發電機122、變壓器(未示出)、開關裝置、HRSG 168、蒸汽渦輪系統160、蒸汽渦輪控制閥等。以此方式，與升級兩個壓縮機106、146或無所作為的情況相比，系統100提供了升級例如兩個燃氣渦輪和一個蒸汽渦輪聯合循環(2x1 CC)系統中的單個壓縮機的改善的情況。
[0049]渦輪膨脹器252可單獨地或與形成過量空氣流200的第一集成壓縮機106結合地提供多個優點。一個優點是，其可在起動期間對旋轉軸152提供額外的轉動動力，以便增強起動馬達156功率。如圖所示，第二燃氣渦輪系統140可包括旋轉軸152，該旋轉軸152聯接第二壓縮機146、第二渦輪構件144、起動馬達156和渦輪膨脹器252。發電機154也可聯接到旋轉軸152。起動馬達156可包括用于第二燃氣渦輪系統140的起動的任何現在已知或以后開發的馬達。如本領域中理解的那樣，起動可包括起動馬達156在一個檔位速度(gear speed)(即，旋轉軸152持續轉動以便防止其彎曲的速度)下轉動，然后在馬達的影響下增大至吹掃速度(即，允許空氣流過的速度)，然后減小速度，在該速度下，燃燒器148點燃初始燃料流。隨后，旋轉軸152和系統的其余部分在馬達156的影響下加速，直到其達到全速空載狀態(FSNL)。此時，燃氣渦輪系統140未生成功率，而是自保持的，且燃燒器148內的燃料控制速度。隨后，燃氣渦輪系統140可被加載(閉合斷路器)，以便其開始使用發電機154生成功率，此后，可進行調整，諸如去往燃燒器148的燃料流、第二渦輪構件144中的導葉等，直到達到全速滿載(FSFL)狀態。類似的起動過程可使用LCI馬達112來用在第一燃氣渦輪系統102上。在第二燃氣渦輪系統140的構件已升級的一些情況中，初始起動馬達156可能尺寸過小。即，構件諸如第二壓縮機146和/或第二渦輪構件144可在尺寸確定成使得起動馬達156沒有足以作用以用于起動第二燃氣渦輪系統140的功率。然而，通過提供渦輪膨脹器252，額外的轉動功率可在起動期間提供至旋轉軸152，以便增強起動馬達156。以此方式，可能不需要替換尺寸過小的起動馬達156，且可避免較大的馬達如負載換流逆變器(LCI)馬達的成本。(第一燃氣渦輪系統102示為具有LCI馬達112)。此外，渦輪膨脹器252的轉矩輸出也可在峰負載操作期間增強發電機154功率輸出，其中，來自第一壓縮機106的過量空氣流200供應大于可由第二燃氣渦輪系統140消耗的量。
[0050]根據本發明實施例的渦輪膨脹器252的另一優點是其排放272具有分別大于第一渦輪構件104和第二渦輪構件144的排氣172、174的溫度。因此，渦輪膨脹器252的排放272的去往排氣172、174中的一者或二者(S卩，使用第二控制閥系統270)的輸送用于加熱一個或更多個排氣172、174，將氣體質量流加至一個或更多個排氣172、174且增大一個或兩個HRSG168、170的輸出以形成用于蒸汽渦輪系統160的蒸汽。
[0051]在本文中使用的用語僅用于描述特定實施例的目的，且不旨在限制本公開。如在本文中使用的，單數形式“一個”、“一種”和“該”旨在也包括復數形式，除非上下文另外清楚地指出。還將理解的是，用語“包括”和/或“包含”當用于此說明書中時表示所規定的特征、整體、步驟、操作、元件、和/或構件的存在，但不排除存在或添加一個或更多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、構件、和/或其組合。
[0052]以下權利要求中的所有裝置或步驟加功能要素的對應結構、材料、動作、和等同物旨在包括用于與如特別規定的其他要求保護的要素結合地執行功能的任何結構、材料或動作。本公開的描述是出于例示和描述的目的而提出的，但不意圖為窮舉的或將本公開限于所公開的形式。許多改型和變型對本領域技術人員而言將是顯而易見的，而不脫離本公開的范圍和精神。選擇和描述實施例，以便最佳地闡釋本公開的原理及其實際應用，且使本領域技術人員因適于所構想的特定用途的具有各種修改的各種實施例而能夠理解本公開。
【主權項】
1.一種發電系統(100)，包括: 第一燃氣渦輪系統(102)，其包括第一渦輪構件(104)、第一集成壓縮機(106)和第一燃燒器(108)，來自所述第一集成壓縮機(106)的空氣和燃料供應至所述第一燃燒器(108)，所述第一燃燒器(108)布置成將熱燃燒氣體供應至所述第一渦輪構件(104)，且所述第一集成壓縮機(106)具有比所述第一燃燒器(108)和所述第一渦輪構件(104)中的至少一者的吸入容量大的流動容量，從而形成過量空氣流(200)； 第二燃氣渦輪系統(140)，其包括第二渦輪構件(144)、第二壓縮機(146)和第二燃燒器(148)，來自所述第二壓縮機(146)的空氣和燃料供應至所述第二燃燒器(148)，所述第二燃燒器(148)布置成將熱燃燒氣體供應至所述第二渦輪構件(144); 渦輪膨脹器(252)，其操作地連接到所述第二燃氣渦輪系統(140); 第一控制閥(212、274)系統(202)，其控制所述過量空氣流(200)的沿過量空氣流(200)路徑從所述第一燃氣渦輪系統(102)到所述第二燃氣渦輪系統(140)和所述渦輪膨脹器(252)中的至少一者的流動;和 第二控制閥(214)，其控制所述渦輪膨脹器(252)的排放(210、272)的去往所述第一渦輪構件(104)和所述第二渦輪構件(144)中的至少一者的排氣(172、174)的流動。2.根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述過量空氣流(200)通過所述第一控制閥(212、274)系統(202)供應至所述第二壓縮機(146)的排放(210、272)。3.根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述過量空氣流(200)通過所述第一控制閥(212、274)系統(202)供應至所述第二燃燒器(148)。4.根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述過量空氣流(200)通過所述第一控制閥(212、274)系統(202)供應至所述第二渦輪構件(144)的渦輪噴嘴冷卻入口( 158)。5.根據權利要求1所述的發電系統(I00 )，其中，所述第一控制閥(212、274)系統(202)控制所述過量空氣流(200)的去往所述第二壓縮機(146)的排放(210、272)、所述第二燃燒器(148)和所述第二渦輪構件(144)的渦輪噴嘴冷卻入口( 158)中的至少一者的流動。6.根據權利要求5所述的發電系統(I00 )，其中，所述第一控制閥(212、274)系統(202)包括第一控制閥(212、274)、第二控制閥(214)、和第三控制閥(216)，所述第一控制閥(212、274)控制所述過量空氣流(200)的去往所述第二壓縮機(146)的排放(210、272)的第一部分，所述第二控制閥(214)控制所述過量空氣流(200)的去往所述第二燃燒器(148)的第二部分，所述第三控制閥(216)控制所述過量空氣流(200)的流動的去往所述第二渦輪構件(144)的渦輪噴嘴冷卻入口( 158)的第三部分。7.根據權利要求6所述的發電系統(100)，還包括至少一個傳感器(220)，所述至少一個傳感器(220)用于測量所述過量空氣流(200)的至少一部分(254)的流速，各傳感器(220)可操作地聯接到所述第一控制閥(212、274)系統(202)。8.根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述第一渦輪系統和所述第二渦輪系統中的各個的排氣(172、174)供應至至少一個蒸汽發生器(122、154、166)以用于對蒸汽渦輪系統(160)供能。9.根據權利要求1所述的發電系統(100)，其中，所述第二控制閥(214)系統包括第一控制閥(212、274)和第二控制閥(214)，所述第一控制閥(212、274)控制所述渦輪膨脹器(252)的排放(210、272)的去往所述第一渦輪構件(104)的排氣(172、174)的第一部分，所述第二控制閥(214)控制所述渦輪膨脹器(252)的排放(210、272)的去往所述第二渦輪構件(144)的排氣(172、174)的第二部分。10.根據權利要求9所述的發電系統(100)，其中，所述第一渦輪構件(104)和所述第二渦輪構件(144)中的各個的排氣(172、174)供應至至少一個蒸汽發生器(122、154、166)，以用于對蒸汽渦輪系統(160)供能。
【文檔編號】F02C7/32GK105986900SQ201610155319
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月18日
【發明人】S.埃卡納亞克, 唐永明, 金基亨, A.I.西皮奧, D.J.戴維斯
【申請人】通用電氣公司