[发明专利]联合循环发电系统中用于功率增大的蒸汽源和能源回收

说明书

技术领域

本发明总体涉及动力系统，更具体地说，涉及包含Rankine循环和Brayton循环这两个类型的联合循环发电系统。更具体地说，本发明涉及用于改善这种发电系统的电力输出和效率的系统和方法。

背景技术

联合循环发电厂已经在广泛使用，因为它们包含能够从内燃机的热废气流回收热的热交换器。传统上，回收的热被用于生成蒸汽涡轮机的工作流体。比起只用燃烧涡轮机或者只用蒸汽涡轮机所获得的，这能实现更有效的发电。见例如美国专利No.5,375,410，其被转让给本发明的受让人并且通过引用并入本文。

通常，联合循环发电系统包括基于燃烧过程的第一动力源和在Rankine循环即蒸汽循环上操作的第二动力源。传统上，第一动力源是燃气涡轮机，其中来自燃烧过程的热废气的热经由热回收蒸汽发生器(HRSG)被传送至Rankine循环中的工作流体。这种系统能够在55%或者更高级别上的整体工厂效率下操作。

联合循环发电系统在稳定状态操作期间是最有效的。然而，在高峰电力需求时，经常需要快速地增加电力输出。如此做(通常称为功率增大)的一个方法涉及在从蒸汽涡轮机输出前从蒸汽循环中转移蒸汽例如去除过热的蒸汽，并将蒸汽直接供给到燃气涡轮机的燃烧室中。当联合循环发电厂以这种功率增大模式操作时，从Rankin循环去除的蒸汽处于比燃烧室的输入端处的压缩空气的压力略高的压力。一旦蒸汽进入了燃烧室，其温度大大提升，因为它与燃烧气体混合了。这导致大幅膨胀，使得从蒸汽经由燃气涡轮机部分的电力输出远大于将由蒸汽涡轮机提供的。

然而，用于功率增大的蒸汽转移在同一周期中从Rankine循环去除了能源，其中为了增加工厂电力输出已作出了努力。因此，使系统移动到较高水平的稳定状态电力输出的努力受到妨碍，因为必须通过加热比较冷的补偿水来更换失去的蒸汽。所需的补偿水量可能是存在于Rankine循环中的给水体积的20%或更多。

当如经常发生的情形那样在补偿水纯度不足时，与蒸汽转移和补偿水的注入相关联的能源损失是复杂的。在直通设计中，为了去除杂质，通常在HRSG的一个或多个阶段中包含蒸汽瓶，以实现湿气分离。虽然流动通常受到控制以在HRSG蒸发器的出口处生成干燥蒸汽，但是通过增加从锅炉流出并穿过蒸发器的给水的体积流量，蒸汽在离开HRSG蒸发器管道时保持潮湿。设置成与管道串联的蒸汽瓶有助于去除湿气，并且随着湿气，杂质成分的绝大部分也被去除。这能够实现去除大约90%的杂质，但是存在于分离出的湿气中的能源的损失会加大。

在其它HRSG设计中，湿气分离在蒸汽鼓中是连续的，其总是包含液体。

附图说明

在以下描述中结合附图说明本发明，附图中：

图1是一简化示意图，其示出了本发明一实施例的联合循环发电系统的蒸汽涡轮机系统；

图2是一简化示意图，其示出了本发明另一实施例的联合循环发电系统的蒸汽涡轮机系统；而

图3示出了本发明又一实施例的联合循环发电系统。

相似附图标记在整个附图中用于表示相似特征。

具体实施方式

参考图1，其中以简化的示意形式示出了本发明一实施例的蒸汽涡轮机系统1。虽然未示出，但是图1中的注释“去往燃气涡轮机以进行功率增大”表明系统1是一联合循环发电系统的一部分。在图3中示出了包含本发明的特征的一个示例性联合循环系统。

系统1包括从直通HRSG 3接收过热蒸汽的蒸汽涡轮机2。从涡轮机2输出的工作流体被提供至冷凝器4，然后回收到HRSG 3中。应该意识到的是，用于联合循环系统的HRSG设计通常将具有多个阶段，但是为了表示得简洁，HRSG 3的所示出的部件有联接成从冷凝器4接收水的节热器5、将水转变成蒸汽的蒸发器6、将从蒸发器接收到的饱和蒸汽转换成干燥蒸汽以注射到蒸汽涡轮机2中的过热器7、定位在蒸发器6与过热器7之间的流线(line)中的蒸汽瓶8和联接成从蒸汽瓶接收水的闪蒸罐(flash tank)9。

蒸汽瓶8用作蒸汽进入过热器7之前的湿气分离阶段。在直通蒸汽发生器中，进入蒸汽瓶8的蒸汽通常是干燥蒸汽。然而，为了引起湿气分离，流向蒸发器6的流股被增加至使进入蒸汽瓶8的蒸汽为湿的程度。然后，在湿气分离过程中，存在于进入瓶8蒸汽中的杂质大部分(例如经由补偿水引入的)被卷入蒸汽的液体部分并作为泄料从瓶8携带至闪蒸罐9。本发明的一个特征是在闪蒸罐9中被转换成蒸汽的来自蒸汽瓶的液体的部分(例如，大约20%)被用于功率增大。