具有壓縮機和渦輪-膨脹器的功率產生系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及具有壓縮機和渦輪?膨脹器的功率產生系統。功率產生系統(100)可包括燃氣渦輪系統(102)，其包括渦輪構件(104)、一體式壓縮機(106)和燃燒器(108)，來自一體式壓縮機的空氣和燃料供應到燃燒器。燃燒器布置成將熱的燃燒氣體供應到渦輪構件，并且一體式壓縮機具有的流容量大于燃燒器和/或渦輪構件的吸入容量，從而產生過量空氣流(200)。渦輪?膨脹器(272)對發電機提供功率。第一控制閥(262)控制沿著過量空氣流路徑通往渦輪?膨脹器(272)的過量空氣流的流量。引射器(252)可定位在過量空氣流路徑中，以使用過量空氣流作為原動力，以用額外的空氣(254)擴增過量空氣流。
【專利說明】具有壓縮機和渦輪-膨脹器的功率產生系統
[0001]與相關申請的交叉引用
本申請涉及共同未決的美國申請:GE檔案N0.280356-1、申請N0.14/662 ,814 ； N0.280357-1、申請N0.14/662，822;Νο.280359-1、申請N0.14/662，836；N0.280360-1、申請N0.14/662,847;N0.280361-1、申請N0.14/662,851;N0.280362-1、申請N0.14/662,858；和N0.281470-1、申請N0.14/662，751，其均在2015年3月9日提交。
技術領域
[0002]本公開大體涉及功率產生系統，并且更具體而言，涉及包括燃氣渦輪系統的功率產生系統，燃氣渦輪系統具有壓縮機，壓縮機產生過量空氣流用于對輔助發電機提供功率的渦輪-膨脹器。引射器(eductor)可還提供來擴增過量空氣流。
【背景技術】
[0003]功率產生系統通常使用一個或多個燃氣渦輪系統，其可與一個或多個蒸汽渦輪系統聯接以產生功率。燃氣渦輪系統可包括多級軸向流壓縮機，其具有旋轉軸。空氣進入壓縮機的入口，并且被壓縮機葉片級壓縮，并且然后排出到燃燒器，在這里，諸如天然氣的燃料被燃燒，以提供高能燃燒氣體流，以驅動渦輪構件。在渦輪構件中，熱氣體的能量轉化成功，一些功可用來通過旋轉軸驅動一體式壓縮機，可用來做有用功的其余部分用于通過旋轉軸(例如，旋轉軸的延伸部)驅動負載，諸如產生電的發電機。一定數量的燃氣渦輪系統可并行地用于功率產生系統內。在聯合循環系統中，一個或多個蒸汽渦輪系統還可與燃氣渦輪系統一起使用。在這個設置中，來自燃氣渦輪系統的熱排氣饋送到一個或多個熱回收蒸汽發生器(HRSG)，以產生蒸汽，蒸汽然后饋送到蒸汽渦輪構件，其具有與燃氣渦輪系統分開或一體的旋轉軸。在任何情況下，蒸汽的能量轉化成功，這能用來驅動負載，諸如產生電的發電機。
[0004]當產生功率產生系統時，其部件構造成一起工作，以提供具有期望功率輸出的系統。按需求增加功率輸出和/或在有挑戰的環境設置下保持功率輸出的能力在工業中是持續的挑戰。例如，在熱天，電消耗增加，因而增加功率產生需求。熱天的另一個挑戰在于，隨著溫度升高，壓縮機流減小，這導致發電機輸出降低。增加功率輸出(或保持功率輸出，例如，在熱天)的一個方法為對功率產生系統添加能增加通往燃氣渦輪系統的燃燒器的空氣流的構件。增加空氣流的一個方法為添加存儲容器，以對燃氣渦輪燃燒器進行饋送。但是，這個特定方法典型地需要單獨的功率源用于存儲容器，這效率不高。
[0005]增加空氣流的另一個方法是升級壓縮機。當前，壓縮機已經改進，使得其流容量高于其前輩壓縮機。這些新的較高容量的壓縮機典型地制造成適應新的類似地構造的燃燒器，或能夠處理提高的容量的較老的燃燒器。升級較老的燃氣渦輪系統來使用較新的較高容量壓縮機的挑戰在于當前不存在機制來將較高容量壓縮機用于不能在不升級系統的其它昂貴部件的情況下處理提高的容量的系統。通常需要與壓縮機升級同時升級的其它部件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，即使壓縮機升級在理論上可為明智的，但是升級其它部件的增加的成本導致升級不明智，因為有額外的花費。
【發明內容】
[0006]本公開的第一方面提供一種功率產生系統，包括:燃氣渦輪系統，其包括渦輪構件、一體式壓縮機和燃燒器，來自一體式壓縮機的空氣和燃料供應到燃燒器，燃燒器布置成將熱的燃燒氣體供應到渦輪構件，并且一體式壓縮機具有的流容量大于燃燒器和渦輪構件中的至少一個的吸入容量，從而產生過量空氣流;渦輪-膨脹器，其對發電機提供功率；以及第一控制閥，其控制沿著過量空氣流路徑通往渦輪-膨脹器的過量空氣流的流量。
[0007]本公開的第二方面提供一種功率產生系統，包括:燃氣渦輪系統，其包括渦輪構件、一體式壓縮機和燃燒器，來自一體式壓縮機的空氣和燃料供應到燃燒器，燃燒器布置成將熱的燃燒氣體供應到渦輪構件，并且一體式壓縮機具有的流容量大于燃燒器和渦輪構件中的至少一個的吸入容量，從而產生過量空氣流;渦輪-膨脹器，其對發電機提供功率;第一控制閥系統，其控制沿著過量空氣流路徑通往渦輪-膨脹器的過量空氣流的流量；以及引射器，其定位在過量空氣流路徑中，以使用過量空氣流作為原動力，以用額外的空氣擴增過量空氣流，其中燃氣渦輪系統對不同于由渦輪-膨脹器提供功率的發電機的發電機提供功率。
[0008]本公開的第三方面提供一種方法，包括:從燃氣渦輪系統的一體式壓縮機抽取過量空氣流，燃氣渦輪系統包括渦輪構件、一體式壓縮機和燃燒器，來自一體式壓縮機的空氣和燃料供應到燃燒器，燃燒器布置成將熱的燃燒氣體供應到渦輪構件，并且一體式壓縮機具有的流容量大于燃燒器和渦輪構件中的至少一個的吸入容量;使用引射器擴增過量空氣流，引射器定位在過量空氣流路徑中，引射器使用過量空氣流作為原動力，以用額外的空氣擴增過量空氣流，從而產生經擴增的過量空氣流;將經擴增的過量空氣流沿著過量空氣流路徑引導到渦輪-膨脹器;以及使用渦輪-膨脹器對發電機提供功率。
[0009]技術方案1.一種功率產生系統(100)，包括:
燃氣渦輪系統(102)，其包括渦輪構件(104)、一體式壓縮機(106)和燃燒器(108)，來自所述一體式壓縮機(106)的空氣和燃料供應到燃燒器(108)，所述燃燒器(108)布置成將熱的燃燒氣體供應到所述渦輪構件(104)，并且所述一體式壓縮機(106)具有的流容量大于所述燃燒器(108)和所述渦輪構件(104)中的至少一個的吸入容量，從而產生過量空氣流(200);
渦輪-膨脹器(272)，其對發電機(122，166，274)提供功率;以及第一控制閥(262)系統(202)，其控制沿著過量空氣流(200)路徑通往所述渦輪-膨脹器(272)的所述過量空氣流(200)的流量。
[0010]技術方案2.根據技術方案I所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述渦輪構件(104)的排氣(172，276)供給熱回收蒸汽發生器(122，166，274) (HRSG)，以產生用于蒸汽渦輪系統(160)的蒸汽。
[0011]技術方案3.根據技術方案2所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述HRSG還將蒸汽饋送到熱電聯產蒸汽負載(170)。
[0012]技術方案4.根據技術方案I所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述第一控制閥(262)系統(202)包括:壓縮機排出口控制閥(206)，其控制從所述一體式壓縮機(106)的排出口得到的所述過量空氣流(200)的第一部分；以及上游控制閥(262)，其控制從所述一體式壓縮機(106)的在所述排出口上游的級得到的所述過量空氣流(200)的第二部分。
[0013]技術方案5.根據技術方案4所述的功率產生系統(100)，其特征在于，進一步包括至少一個傳感器(220)，以測量所述過量空氣流(200)的各個部分的流率，各個傳感器(220)可操作地聯接到相應的控制閥(262)上。
[0014]技術方案6.根據技術方案4所述的功率產生系統(100)，其特征在于，進一步包括引射器(252)，其定位在所述過量空氣流(200)路徑中，以使用所述過量空氣流(200)作為原動力，以用額外的空氣(254)擴增所述過量空氣流(200)。
[0015]技術方案7.根據技術方案6所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述引射器(252)包括吸力側流路徑(258)，并且進一步包括在所述吸力側流路徑(258)中的第二控制閥系統(262)，其控制進入所述弓I射器(252)的所述額外的空氣(254)的流量。
[0016]技術方案8.根據技術方案7所述的功率產生系統(100)，其特征在于，進一步包括傳感器(220)，其用于測量所述吸力側流路徑(258)中的所述額外的空氣(254)的流率，所述傳感器(220)可操作地聯接到所述第二控制閥系統(262)上。
[0017]技術方案9.根據技術方案7所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述吸力側流路徑(258)在流體方面聯接到所述一體式壓縮機(106)的入口過濾器上。
[0018]技術方案10.根據技術方案I所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述燃氣渦輪系統(102)對不同于由所述渦輪-膨脹器(272)提供功率的發電機(122，166，274)的發電機(122，166，274)提供功率。
[0019]技術方案11.根據技術方案I所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述額外的空氣(254)包括周圍空氣。
[0020]技術方案12.根據技術方案I所述的功率產生系統(100)，其特征在于，進一步包括引射器(252)，其定位在所述過量空氣流(200)路徑中，以使用所述過量空氣流(200)作為原動力，以用額外的空氣(254)擴增所述過量空氣流(200)。
[0021]技術方案13.—種功率產生系統(100)，包括:
燃氣渦輪系統(102)，其包括渦輪構件(104)、一體式壓縮機(106)和燃燒器(108)，來自所述一體式壓縮機(106)的空氣和燃料供應到所述燃燒器(108)，所述燃燒器(108)布置成將熱的燃燒氣體供應到所述渦輪構件(104)，并且所述一體式壓縮機(106)具有的流容量大于所述燃燒器(108)和所述渦輪構件(104)中的至少一個的吸入容量，從而產生過量空氣流(200);
渦輪-膨脹器(272)，其對發電機(122，166，274)提供功率；
第一控制閥(262)系統(202)，其控制沿著過量空氣流(200)路徑通往所述渦輪-膨脹器(272)中的所述過量空氣流(200)的流量；以及
引射器(252)，其定位在所述過量空氣流(200)路徑中，以使用所述過量空氣流(200)作為原動力，以用額外的空氣(254)擴增所述過量空氣流(200)，
其中所述燃氣渦輪系統(102)對不同于由所述渦輪-膨脹器(272)提供功率的發電機(122,166,274)的發電機(122，166，274)提供功率。
[0022]技術方案14.根據技術方案13所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述渦輪構件(104)的排氣(172，276)供給熱回收蒸汽發生器(122，166，274)(HRSG)，以產生用于蒸汽渦輪系統(160)的蒸汽。
[0023]技術方案15.根據技術方案14所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述HRSG還將蒸汽饋送到熱電聯產蒸汽負載(170)。
[0024]技術方案16.根據技術方案13所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述第一控制閥(262)系統(202)包括:壓縮機排出口控制閥(206)，其控制從所述一體式壓縮機(106)的排出口得到的所述過量空氣流(200)的第一部分；以及上游控制閥(262)，其控制從所述一體式壓縮機(106)的在所述排出口上游的級得到的所述過量空氣流(200)的第二部分。
[0025]技術方案17.根據技術方案13所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述引射器(252)包括吸力側流路徑(258)，并且進一步包括在所述吸力側流路徑(258)中的第二控制閥系統(262)，其控制進入所述弓I射器(252)的所述額外的空氣(254)的流量。
[0026]技術方案18.根據技術方案17所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述吸力側流路徑(258)在流體方面聯接到所述一體式壓縮機(106)的入口過濾器上。
[0027]技術方案19.一種方法，包括:
從燃氣渦輪系統(102)的一體式壓縮機(106)抽取過量空氣流(200)，所述燃氣渦輪系統(102)包括渦輪構件(104)、所述一體式壓縮機(106)和燃燒器(108)，來自所述一體式壓縮機(106)的空氣和燃料供應到所述燃燒器(108)，所述燃燒器(108)布置成將熱的燃燒氣體供應到所述渦輪構件(104)，并且所述一體式壓縮機(106)具有的流容量大于所述燃燒器(108)和所述渦輪構件(104)中的至少一個的吸入容量；
使用引射器(252)來擴增所述過量空氣流(200)，所述引射器(252)定位在過量空氣流(200)路徑中，所述引射器(252)使用所述過量空氣流(200)作為原動力，以用額外的空氣(254)擴增所述過量空氣流(200)，從而產生經擴增的過量空氣流(270 )(200)；
將所述經擴增的過量空氣流(270)(200)沿著所述過量空氣流(200)路徑引導到渦輪-膨脹器(272);以及
使用所述渦輪-膨脹器(272)對發電機(122，166，274)提供功率。
[0028]技術方案20.根據技術方案19所述的方法，其特征在于，進一步包括將所述渦輪-膨脹器(272)的排氣(172，276)以及所述渦輪構件(104)的排氣(172，276)引導到熱回收蒸汽發生器(122，166，274) (HRSG)，以產生用于蒸汽渦輪系統(160)的蒸汽。
[0029]技術方案21.—種功率產生系統，包括:
燃氣渦輪系統，其包括渦輪構件、一體式壓縮機和燃燒器，來自所述一體式壓縮機的空氣和燃料供應到所述燃燒器，所述燃燒器布置成將熱的燃燒氣體供應到所述渦輪構件，并且所述一體式壓縮機具有的流容量大于所述燃燒器和所述渦輪構件中的至少一個的吸入容量，從而產生過量空氣流；
渦輪-膨脹器，其對發電機提供功率;以及
第一控制閥系統，其控制沿著過量空氣流路徑通往所述渦輪-膨脹器的所述過量空氣流的流量。
[0030]技術方案22.根據技術方案21所述的功率產生系統，其特征在于，所述渦輪構件的排氣供給熱回收蒸汽發生器(HRSG)，以產生用于蒸汽渦輪系統的蒸汽。
[0031]技術方案23.根據技術方案22所述的功率產生系統，其特征在于，所述HRSG還將蒸汽饋送到熱電聯產蒸汽負載。
[0032]技術方案24.根據技術方案21所述的功率產生系統，其特征在于，所述第一控制閥系統包括:壓縮機排出口控制閥，其控制從所述一體式壓縮機的排出口得到的所述過量空氣流的第一部分；以及上游控制閥，其控制從所述一體式壓縮機的在所述排出口上游的級得到的所述過量空氣流級的第二部分。
[0033]技術方案25.根據技術方案24所述的功率產生系統，其特征在于，進一步包括至少一個傳感器，以測量所述過量空氣流的各個部分的流率，各個傳感器可操作地聯接到相應的控制閥上。
[0034]技術方案26.根據技術方案24所述的功率產生系統，其特征在于，進一步包括引射器，其定位在所述過量空氣流路徑中，以使用所述過量空氣流作為原動力，以用額外的空氣擴增所述過量空氣流。
[0035]技術方案27.根據技術方案26所述的功率產生系統，其特征在于，所述引射器包括吸力側流路徑，并且進一步包括在所述吸力側流路徑中的第二控制閥系統，其控制進入所述引射器中的所述額外的空氣的流量。
[0036]技術方案28.根據技術方案27所述的功率產生系統，其特征在于，進一步包括傳感器，以測量在所述吸力側流路徑中的所述額外的空氣的流率，所述傳感器可操作地聯接到所述第二控制閥系統上。
[0037]技術方案29.根據技術方案27所述的功率產生系統，其特征在于，所述吸力側流路徑在流體方面聯接到所述一體式壓縮機的入口過濾器上。
[0038]技術方案30.根據技術方案21所述的功率產生系統，其特征在于，所述燃氣渦輪系統對不同于由所述渦輪-膨脹器提供功率的發電機的發電機提供功率。
[0039]技術方案31.根據技術方案21所述的功率產生系統，其特征在于，所述額外的空氣包括周圍空氣。
[0040]技術方案32.根據技術方案21所述的功率產生系統，其特征在于，進一步包括引射器，其定位在所述過量空氣流路徑中，以使用所述過量空氣流作為原動力，以用額外的空氣擴增所述過量空氣流。
[0041 ]技術方案33.—種功率產生系統，包括:
燃氣渦輪系統，其包括渦輪構件、一體式壓縮機和燃燒器，來自所述一體式壓縮機的空氣和燃料供應到所述燃燒器，所述燃燒器布置成將熱的燃燒氣體供應到所述渦輪構件，并且所述一體式壓縮機具有的流容量大于所述燃燒器和所述渦輪構件中的至少一個的吸入容量，從而產生過量空氣流；
渦輪-膨脹器，其對發電機提供功率；
第一控制閥系統，其控制沿著過量空氣流路徑通往所述渦輪-膨脹器的所述過量空氣流的流量；以及
引射器，其定位在所述過量空氣流路徑中，以使用所述過量空氣流作為原動力，以用額外的空氣擴增所述過量空氣流，
其中所述燃氣渦輪系統對不同于由所述渦輪-膨脹器提供功率的發電機的發電機提供功率。
[0042]技術方案34.根據技術方案33所述的功率產生系統，其特征在于，所述渦輪構件的排氣供給熱回收蒸汽發生器(HRSG)，以產生用于蒸汽渦輪系統的蒸汽。
[0043]技術方案35.根據技術方案34所述的功率產生系統，其特征在于，所述HRSG還將蒸汽饋送到熱電聯產蒸汽負載。
[0044]技術方案36.根據技術方案33所述的功率產生系統，其特征在于，所述第一控制閥系統包括:壓縮機排出口控制閥，其控制從所述一體式壓縮機的排出口得到的所述過量空氣流的第一部分；以及上游控制閥，其控制從所述一體式壓縮機的在所述排出口上游的級得到的所述過量空氣流級的第二部分。
[0045]技術方案37.根據技術方案33所述的功率產生系統，其特征在于，所述引射器包括吸力側流路徑，并且進一步包括在所述吸力側流路徑中的第二控制閥系統，其控制進入所述引射器中的所述額外的空氣的流量。
[0046]技術方案38.根據技術方案37所述的功率產生系統，其特征在于，所述吸力側流路徑在流體方面聯接到所述一體式壓縮機的入口過濾器上。
[0047]技術方案39.—種方法，包括:
從燃氣渦輪系統的一體式壓縮機抽取過量空氣流，所述燃氣渦輪系統包括渦輪構件、所述一體式壓縮機和燃燒器，來自所述一體式壓縮機的空氣和燃料供應到所述燃燒器，所述燃燒器布置成將熱的燃燒氣體供應到所述渦輪構件，并且所述一體式壓縮機具有的流容量大于所述燃燒器和所述渦輪構件中的至少一個的吸入容量；
使用引射器來擴增所述過量空氣流，所述引射器定位在過量空氣流路徑中，所述引射器使用所述過量空氣流作為原動力，以用額外的空氣擴增所述過量空氣流，從而產生經擴增的過量空氣流；
將所述經擴增的過量空氣流沿著所述過量空氣流路徑引導到渦輪-膨脹器；以及使用所述渦輪-膨脹器對發電機提供功率。
[0048]技術方案40.根據技術方案39所述的方法，其特征在于，進一步包括將所述渦輪-膨脹器的排氣以及所述渦輪構件的排氣引導到熱回收蒸汽發生器(HRSG)，以產生用于蒸汽渦輪系統的蒸汽。
[0049]本公開的說明性方面設計成解決本文描述的問題和/或未論述的其它問題。
【附圖說明】
[0050]根據結合附圖得到的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它特征，附圖描繪本公開的各種實施例，其中:
圖1顯示根據本發明的實施例的功率產生系統的示意圖。
[0051]圖2顯示根據本發明的實施例的包括引射器的功率產生系統的示意圖。
[0052]要注意，本公開的附圖未按比例繪制。附圖意圖僅描繪本公開的典型的方面，并且因此應當不看作限制本公開的范圍。在附圖中，相同標號在不同的圖之間表示相同元件。
[0053]部件列表:
100功率產生系統 102燃氣渦輪系統 104渦輪構件
106—體式壓縮機 108燃燒器 110渦輪旋轉軸 112起動馬達 120入口過濾器殼體 122，166，274發電機 160蒸汽渦輪系統 162旋轉軸 168蒸汽發生器 170蒸汽負載 172，276排氣 178排放控制系統 180控制系統 200空氣流 202控制閥系統 204上游排出口 206排出口控制閥 210上游閥 220傳感器 250過量空氣流路徑 252引射器 254額外的空氣 256額外的空氣源 258側流路徑 260第二控制閥系統 262控制閥
270經擴增的過量空氣流 272渦輪-膨脹器。
【具體實施方式】
[0054]如上面所指示，本公開提供一種功率產生系統，其包括燃氣渦輪系統，燃氣渦輪系統包括產生過量空氣流的壓縮機。本發明的實施例提供一種方式來使用過量空氣流以改進功率產生系統的輸出和值。
[0055]參照圖1，提供根據本發明的實施例的功率產生系統100的示意圖。系統100包括燃氣渦輪系統102。除了其它構件之外，燃氣渦輪系統102可包括渦輪構件104、一體式壓縮機106和燃燒器108。如本文所使用，“一體式”壓縮機106被稱為壓縮機106，而渦輪構件104可尤其通過公共壓縮機/渦輪旋轉軸110(有時稱為轉子110)—體地聯接在一起。這個結構與被單獨地提供功率并且與渦輪構件104不成一體的許多壓縮機相反。
[0056]燃燒器108可包括大體包括燃燒區域和燃料噴嘴組件的任何現在已知或以后開發的燃燒器系統。燃燒器108可采取環形燃燒系統或筒-環形燃燒系統(如圖中示出)的形式。在操作中，來自一體式壓縮機106的空氣和燃料(諸如天然氣)供應到燃燒器108。稀釋劑還可可選地以任何現在已知或以后開發的方式輸送到燃燒器108。一體式壓縮機106抽取的空氣可傳送通過任何現在已知或以后開發的入口過濾器殼體120。如理解的那樣，燃燒器108布置成通過燃燒燃料和空氣混合物而將熱的燃燒氣體供應到渦輪構件104。在渦輪構件104中，熱的燃燒氣體的能量轉化成功，其中一些可用來通過旋轉軸110驅動壓縮機106，而可用于有用功的其余部分用來通過旋轉軸110(旋轉軸110的延伸部)驅動負載(諸如但是不限于用于產生電的發電機122)和/或驅動另一個渦輪。起動馬達112(諸如但是不限于傳統的起動馬達或負載換流逆變器(LCI)馬達(顯示))還可聯接到旋轉軸110上，以便以任何傳統的方式起動燃氣渦輪系統102。渦輪構件104可包括任何現在已知或以后開發的渦輪，以借助于流旋轉軸110將熱的燃燒氣體轉化成功。
[0057]在一個實施例中，燃氣渦輪系統102可包括可從南卡羅來納州的格林維爾的通用電氣公司商購獲得的型號MS7001FB，有時稱為7FB發動機。但是，本發明不限于任何一種特定燃氣渦輪系統，并且可結合其它系統實施，包括，例如，通用電氣公司的MS7001FA(7FA)和MS9001FA(9FA)型號。
[0058]與傳統的燃氣渦輪系統型號相反，一體式壓縮機106具有的流容量大于渦輪構件104和/或第一燃燒器108的吸入容量。也就是說，與構造成匹配燃燒器108和渦輪構件104的壓縮機相比，壓縮機106為已升級的壓縮機。如本文使用，“容量”表示流率容量。例如，燃氣渦輪系統102的初始壓縮機具有的最大流率容量可為大約487千克/秒(kg/s )(1075鎊-質量/秒(lbm/s))，并且渦輪構件104可具有基本相等的最大流容量，S卩，大約487kg/s。但是，這里，壓縮機106已經替代初始壓縮機，并且具有的增大的最大流容量可為例如大約544kg/s(1200 lbm/s)，而渦輪構件104繼續具有例如大約487kg/s的最大流容量。(在需要的情況下，起動馬達112也可被升級成例如示出的LCI馬達，以適應起動一體式壓縮機106的增加的功率需求)。因此，渦輪構件104不可利用壓縮機106的所有容量，并且過量空氣流200由壓縮機106在例如渦輪構件104的最大容量以上產生。類似地，一體式壓縮機106的流容量可超過燃燒器108的最大吸入容量。以類似的方式，如果暴露于一體式壓縮機106的完全流容量，則渦輪構件104的功率輸出可超過發電機122的最大允許輸入。雖然本文描述了特定說明性流率值，但是要強調，流率容量可廣泛地改變，這取決于使用的燃氣渦輪系統和新的高容量一體式壓縮機106。如本文將描述的那樣，本發明提供功率產生系統100的各種實施例，以在功率產生系統100的其它部件中使用過量空氣流。
[0059]如也在圖1中顯示，在一個實施例中，功率產生系統100可以可選地采取聯合循環動力裝置的形式，其包括蒸汽渦輪系統160。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組件。在顯示的示例中，示出高壓(HP)、中壓(IP)和低壓(LP)區段;但是，不是所有的在所有情況下都必要。如現有技術中已知的那樣，在操作中，蒸汽進入蒸汽渦輪區段的入口且被引導通過固定導葉，固定導葉將蒸汽向下游引導到葉片上，葉片聯接到旋轉軸162(轉子)上。蒸汽可傳送通過其余級，從而在葉片上施加力，從而使旋轉軸162旋轉。旋轉軸162的至少一個端部可附連到負載或機器(諸如但是不限于發電機166)和/或另一個渦輪，例如，燃氣渦輪系統102或另一個燃氣渦輪系統。用于蒸汽渦輪系統160的蒸汽可由一個或多個蒸汽發生器168產生，S卩，熱回收蒸汽發生器(HRSG) ARSG 168可聯接到例如燃氣渦輪系統102的排氣172。在傳送通過HRSG 168之后，現在耗盡熱量的燃燒氣體流可經由任何現在已知或以后開發的排放控制系統178排出，例如、煙囪、選擇性催化還原(SCR)單元、一氧化二氮過濾器等。雖然圖1顯示聯合循環實施例，但是要強調，可省略包括HRSG 168的蒸汽渦輪系統160。在這個后一種情況下，排氣172將直接傳送到排放控制系統178或用于其它過程中。
[0060]功率產生系統100還可包括任何現在已知或以后開發的控制系統180，用于控制其各種構件。雖然顯示為與構件分開，但是要理解，控制系統180電聯接到所有構件和其相應的可控制結構，例如，閥、栗、馬達、傳感器、齒輪、發電機控制器等。
[0061 ]轉到燃氣渦輪系統102的細節，如本文所提到，一體式壓縮機106具有的流容量大于渦輪構件104和/或燃燒器108的吸入容量，這產生過量空氣流200。如示出的那樣，過量空氣流200可通過從壓縮機106抽取空氣來形成。在一個實施例中，第一控制閥系統202控制沿著過量空氣流路徑250通往渦輪-膨脹器272的過量空氣流200的流量，渦輪-膨脹器272對發電機274提供功率。第一控制閥系統202可包括供應期望過量空氣流200所需要的任何數量的閥，例如，一個、兩個(如顯示的那樣)或不止兩個。在一個實施例中，可使用壓縮機排出口控制閥206從一體式壓縮機106在其排出口 204處抽取過量空氣流200。也就是說，壓縮機排出口控制閥206控制從一體式壓縮機106的排出口 204得到的第一部分的過量空氣流200。在這個情況下，可省略另一個上游閥210。在另一個實施例中，但是，在期望的情況下，可使用適當的閥和相關的控制系統在壓縮機106的一個或多個級處抽取過量空氣流200，例如，在排出口 204上游的一個或多個位置處、在排出口204處和在排出口上游的一個或多個位置處等。在這個情況下，第一控制閥系統202可進一步包括一個或多個上游控制閥210，其控制從一體式壓縮機106的在排出口 204上游的級得到的第二部分的過量空氣流200。可在第一控制閥系統202中使用任何數量的上游控制閥210，以從一體式壓縮機106提供任何期望過量空氣流200，即，具有期望壓力、流率、體積等。在其它上游控制閥210提供期望過量空氣流200的情況下，壓縮機排出口閥210能省略。第一控制閥系統202可還包括至少一個傳感器220，用于測量各個部分的過量空氣流的流率，各個傳感器220可操作地聯接到相應的控制閥或整個控制系統180上。控制閥系統202可包括任何現在已知或以后開發的工業控制器，用于進行示出的各種控制閥的自動操作。
[0062]過量空氣流200最終沿著過量空氣流路徑250(其可包括一個或多個管)傳送到渦輪-膨脹器272。雖然示出了似乎過量空氣流200在單個管道中被引導到渦輪-膨脹器272，但是要理解，過量空氣流可被引導到渦輪-膨脹器272的一個或多個位置。渦輪-膨脹器272可包括任何現在已知或以后開發的軸向或離心流渦輪，其能夠接收高壓氣體，諸如過量空氣流200(或經擴增的過量空氣流270(圖2)(在下面描述))，并且由高壓氣體的膨脹產生功。在本情況下，如本文將描述的那樣，過量空氣流200可用來對渦輪-膨脹器272提供功率。如示出的那樣，渦輪-膨脹器272可對發電機274提供功率，發電機274可在本文稱為“輔助發電機”，因為其可不同于聯接到燃氣渦輪系統102上的發電機122。輔助發電機274還可不同于蒸汽禍輪系統160的發電機166。在備選實施例中，發電機274可與發電機122或發電機166相同。在任何情況下，過量空氣流200可用來通過渦輪-膨脹器272產生功率，因而以高效的方式使用一體式壓縮機106的過量容量。渦輪-膨脹器的排氣276可輸送到渦輪構件104的排氣172，以用來在HRSG 168中產生蒸汽時。在備選實施例中，排氣276可輸送到排放控制系統178，例如，煙囪、選擇性催化還原(SCR)單元、一氧化二氮過濾器等。
[0063]參照圖2，功率產生系統100還可以可選地包括引射器252，其定位在過量空氣流路徑250中，以使用過量空氣流200作為原動力，以用額外的空氣254擴增過量空氣流。額外的空氣254與過量空氣流200形成經擴增的過量空氣流270，其輸送到渦輪-膨脹器272。也就是說，經擴增的過量空氣流270被供應到渦輪-膨脹器272。經擴增的過量空氣流270對渦輪-膨脹器272提供增加的總空氣質量，并且因而可從輔助發電機274產生更多的功率。另外，經擴增的過量空氣流270可對HRSG 168提供額外的質量流和氧。
[0064]引射器252可采取任何栗的形式，其使用移動的流體流來抽吸吸入流體，S卩，額外的空氣254。這里，引射器252使用過量空氣流200作為移動流體，以沿著吸力側流路徑258從額外的空氣源256將額外的空氣254添加到過量空氣流200，即通過吸入額外的空氣。額外的空氣源256可采取各種形式。在一個實施例中，額外的空氣源256可采取一體式壓縮機106的入口過濾器殼體120的形式。在這個情況下，通往引射器252的吸力側流路徑258可聯接到一體式壓縮機106(以虛線顯示)的入口過濾器殼體120，使得額外的空氣254包括周圍空氣。在另一個實施例中，額外的空氣254可包括來自入口過濾器殼體120以外的額外的空氣源256(例如，另一個過濾器殼體)的周圍空氣、直接來自環境但是后來在流路徑258內過濾的空氣等。第二控制閥系統260可設置在吸力側流路徑258中，以控制進入引射器252的額外的空氣254的流量。第二控制閥系統260可包括控制閥262，其可操作來控制進入引射器252的額外的空氣254的量。第二控制閥系統260可還包括至少一個傳感器220，以測量吸力側流路徑258中的額外的空氣254的流率，傳感器可操作地聯接到第二控制閥系統260上，以測量額外的空氣254的流率。
[0065]如也示出的那樣，在任一實施例中(圖1和2)，渦輪構件104的排氣172可饋送到HRSG 168，以產生用于蒸汽渦輪系統160的蒸汽。渦輪-膨脹器272的排氣276可添加到排氣172，以增加通往HRSG 168的總流的質量流量和氧含量。渦輪-膨脹器272的排氣276可還用在功率產生系統100中的別處或通過排放控制系統178排出。如示出的那樣，HRSG 168可還將蒸汽饋送到熱電聯產蒸汽負載170。熱電聯產蒸汽負載170可包括例如通往石油化工設施的蒸汽、用于區域加熱的蒸汽、用于“瀝青砂”油抽取的蒸汽，等。
[0066]進一步參照各個控制閥系統202、260，其各個控制閥可定位在打開和關閉之間的任何位置，以對所述構件提供期望的部分流。進一步，雖然在各個控制閥之后示出通往各個構件的一個通道，但是要強調，可提供另外的管道和控制閥來進一步將相應的部分的過量空氣流200分配到各種子部件，例如，引射器252的多個入口等。各個傳感器220可操作地聯接到控制閥系統202、260和控制系統180上，以便以已知方式進行自動控制。用于測量流量的其它傳感器200能設置在功率產生系統100中需要的地方。控制閥系統202、260且因此過量空氣流200的流量和引射器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，所述工業控制器可為整個功率產生系統100的控制系統180的一部分。控制系統180可以已知的方式控制功率產生系統100的所有各種構件的操作，包括控制控制閥系統202、260。
[0067]功率產生系統100包括具有一體式壓縮機106的燃氣渦輪系統102，一體式壓縮機106產生過量空氣流200，與傳統的系統相比，功率產生系統100提供許多優點。例如，相對于升級系統中的所有壓縮機，壓縮機106可以較低的成本改進功率產生系統100的功率框峰值、基本輸出和熱天輸出，在使用一定量的燃氣渦輪的情況下，升級系統中的所有壓縮機可為非常昂貴的。在本發明的額外的實施例中，通過提供一種方式來高效地消耗更多的過量空氣流，降低已升級的壓縮機(即，壓縮機106)的相關成本，并且又改進已升級的壓縮機的壽命和合意性。另外，通過在任何一個或多個以下說明性子系統不夠大的情況下改進設計壽命，包括一體式壓縮機106的功率產生系統100擴展系統100的操作范圍:渦輪構件104、發電機122、變壓器(未顯示)、開關裝置、HRSG 168、蒸汽渦輪系統160、蒸汽渦輪控制閥等。與什么都不做的情況下相比，以這個方式，系統100提供改進的情況，以升級例如在單燃氣渦輪和單蒸汽渦輪聯合循環(1x1 CC)系統中的單個壓縮機。另外，在提供引射器252(圖2)的情況下，通往渦輪-膨脹器272的經擴增的過量空氣流270可對HRSG 168提供額外的功率和額外的質量流和氧。
[0068]本文使用的術語是僅為了描述特定實施例，并且不意圖限制本公開。如本文使用，單數形式〃一〃，〃一種〃和〃該〃還包括復數形式，除非上下文另外清楚指示。將進一步理解，當在本說明書中使用時，用語"包括"和/或"包含"規定存在所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或構件，但是不排除存在或添加一個或多個其它特征、整數、步驟、操作、元件、構件和/或其組合。
[0069]在所附權利要求中的所有器件或步驟加功能元素的對應的結構、材料、動作和等效物意圖包括用于結合特別要求保護的其它要求保護的元件而執行功能的任何結構、材料或動作。提供本公開的描述來示出和描述，但是不意圖為詳盡的或限于公開的形式的公開內容。許多修改和變型對于本領域普通技術人員將顯而易見，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述本公開和實際應用的原理，并且使得其它普通技術人員能夠理解，具有各種修改的各種實施例的公開內容適于設想到的特定用途。
【主權項】
1.一種功率產生系統(100)，包括: 燃氣渦輪系統(102)，其包括渦輪構件(104)、一體式壓縮機(106)和燃燒器(108)，來自所述一體式壓縮機(106)的空氣和燃料供應到燃燒器(108)，所述燃燒器(108)布置成將熱的燃燒氣體供應到所述渦輪構件(104)，并且所述一體式壓縮機(106)具有的流容量大于所述燃燒器(108)和所述渦輪構件(104)中的至少一個的吸入容量，從而產生過量空氣流(200); 渦輪-膨脹器(272)，其對發電機(122，166，274)提供功率；以及 第一控制閥(262)系統(202)，其控制沿著過量空氣流(200)路徑通往所述渦輪-膨脹器(272)的所述過量空氣流(200)的流量。2.根據權利要求1所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述渦輪構件(104)的排氣(172，276)供給熱回收蒸汽發生器(122，166，274)(HRSG)，以產生用于蒸汽渦輪系統(160)的蒸汽。3.根據權利要求2所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述HRSG還將蒸汽饋送到熱電聯產蒸汽負載(170)。4.根據權利要求1所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述第一控制閥(262)系統(202)包括:壓縮機排出口控制閥(206)，其控制從所述一體式壓縮機(106)的排出口得到的所述過量空氣流(200)的第一部分；以及上游控制閥(262)，其控制從所述一體式壓縮機(106)的在所述排出口上游的級得到的所述過量空氣流(200)的第二部分。5.根據權利要求4所述的功率產生系統(100)，其特征在于，進一步包括至少一個傳感器(220)，以測量所述過量空氣流(200)的各個部分的流率，各個傳感器(220)可操作地聯接到相應的控制閥(262)上。6.根據權利要求4所述的功率產生系統(100)，其特征在于，進一步包括引射器(252)，其定位在所述過量空氣流(200)路徑中，以使用所述過量空氣流(200)作為原動力，以用額外的空氣(254)擴增所述過量空氣流(200)。7.根據權利要求6所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述引射器(252)包括吸力側流路徑(258)，并且進一步包括在所述吸力側流路徑(258)中的第二控制閥系統(262)，其控制進入所述引射器(252)的所述額外的空氣(254)的流量。8.根據權利要求7所述的功率產生系統(100)，其特征在于，進一步包括傳感器(220)，其用于測量所述吸力側流路徑(258)中的所述額外的空氣(254)的流率，所述傳感器(220)可操作地聯接到所述第二控制閥系統(262)上。9.根據權利要求7所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述吸力側流路徑(258)在流體方面聯接到所述一體式壓縮機(106)的入口過濾器上。10.根據權利要求1所述的功率產生系統(100)，其特征在于，所述燃氣渦輪系統(102)對不同于由所述渦輪-膨脹器(272)提供功率的發電機(I22，166，274)的發電機(122，166，274)提供功率。
【文檔編號】F02C6/08GK105986905SQ201610155231
【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, M.S.邁爾, J.D.梅默, A.I.斯西皮奧, D.C.沃維克
【申請人】通用電氣公司