[实用新型]燃气蒸汽联合循环动力设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的燃气蒸汽联合循环动力设备，包括燃气涡轮单元、发电机、热回收蒸汽发生器(HRSG)、蒸汽涡轮、和提供补充热量的基于整体太阳能的蒸汽发生单元，该补充热量提高了联合循环设备的热效率和电力输出。本发明还涉及用于操作带有燃气涡轮和蒸汽涡轮两者的联合循环设备的方法，其中太阳能热量被整合到联合循环中，以使用本文所描述的新传热配置和设备在太阳能“开”和太阳能“关”的条件下有效地利用。 

背景技术

当前美国和全世界的环境关注以及不管烃类燃料日益短缺而增加的能量需求促进了动力设备新技术的迅速发展，特别是能够利用不同的可联合和／或可交换能源的混合动力设备。近年来，燃气联合循环动力设备实现了比燃煤或燃油朗肯循环设备更高的效率，且通常依靠不止单个热力循环来产生涡轮动力。典型的联合循环动力设备和联产设施使用燃气涡轮基于公知的布雷顿循环原理来产生动力，且通常具有高排气流和非常高的涡轮排气温度。当引入热回收锅炉系统例如热回收蒸汽发生器(HRSG)时，设备在被用于产生额外动力的独立涡轮中产生蒸汽和／或为其它相关的工业目的提供工艺蒸汽。燃气涡轮经由布雷顿循环(通常称为“顶循环”)产生功，且蒸汽涡轮经由朗肯循环(“底循环”)产生动力，从而限定术语“联合循环”。 

因为联合循环系统中的蒸汽动力设备(例如HRSG)的效率可通过添加太阳能所产生的蒸汽而提高，所以之前已有多种系统尝试将太阳能热量整合到联合循环设备中。在大部分太阳能热量动力设备中，太 阳的辐射能利用太阳能接收器(称为“吸收器”或“收集器”)捕获，该接收器呈多个精确排列的反射器的形式，反射器带有会聚入射阳光并追踪太阳日间轨迹的表面。当太阳照射时，自动定位镜面(定日镜)自行对准，使得阳光直接反射在中央接收器上。辐射能然后传递到传热介质中例如空气、液体盐或水／蒸汽流程，其然后被用于在蒸汽涡轮动力设备中产生蒸汽且最终通过联接到蒸汽涡轮的发电机产生电力。 

用以更有效地将太阳能与联合循环动力设备整合的各种先前尝试是已知的。当前大部分太阳能热能是利用由大面积抛物面槽式收集器、传热流体／蒸汽发生系统、蒸汽涡轮／发电机朗肯循环以及一些形式的化石燃料备用系统构成的“抛物面槽”技术来生产。一般地，太阳能场本质上是模块化的，且包括多行沿南北水平轴线对齐的单轴追踪抛物面槽式太阳能收集器。每个太阳能收集器包括抛物面形反射器，其将太阳辐射会聚到定位在抛物面焦轴上的直线接收器上并在白天从东至西追踪太阳。在大部分这种系统中，传热流体的温度上升到大约400℃并经过接收器循环且返回到一系列换热器，在此太阳热能被传热流体(典型地合成油)吸收。热量然后使用蒸发器和换热器的组合被取出，以产生过热蒸汽。蒸汽然后被供给至蒸汽涡轮／发电机以产生电能。来自涡轮的膨胀蒸汽最后被冷凝，且冷却的传热流体再循环通过太阳能场。 

如下面所描述，由本发明实现的总体时间加权热效率水平明显高于现有的常规设计，本发明被具体设计为以连续方式在太阳能“开”和“关”的条件下操作。新方法和系统允许由太阳能收集系统产生的过热蒸汽被更有效地被整合到HRSG中且最终用于驱动联合循环设备中的蒸汽涡轮。根据本发明使用太阳能用于减少烃燃料气体(例如天然气)的总量，否则为了产生给定的电力输出必须一直消耗该烃燃料气体。例如，本发明依靠恒定的燃料流在用电高峰时期提高了设备的电力输出，在用电高峰时期电能的经济价值通常更高(例如夏季对比冬季，或者午后对比午夜)。本发明还提高了设备的总体热效率，而不在 太阳能蒸汽产生被临时中断(“关”)时遭受损失。 

相比而言，下面的专利和专利公开例示了其中一些已知的(但低效的)基于太阳能的联合循环系统：美国专利No.5,444,972、No.5,417,052以及专利公开No.2006／0260314。如下面所述的补充太阳能的使用还在为不牺牲或限制设备自身功能的“绿色”能源的市场上具有额外的商业价值。另外，本文所描述的示例性太阳能收集系统由于它们的基本模块化设计而可被加入不可用至它们最大生产能力的联合循环设备，包括被设计和建造为在更高能力下操作但由于增加的成本或操作燃气涡轮发动机所需的烃燃料的减少可用性而在操作中降低产量的那些。 

实用新型内容