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CN203835476U - 多轴、多速式联合循环动力系统 - Google Patents

多轴、多速式联合循环动力系统 Download PDF

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CN203835476U
CN203835476U CN201320634823.0U CN201320634823U CN203835476U CN 203835476 U CN203835476 U CN 203835476U CN 201320634823 U CN201320634823 U CN 201320634823U CN 203835476 U CN203835476 U CN 203835476U
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M.J.鲍曼
A.J.特拉瓦利
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General Electric Co
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Abstract

本实用新型涉及多轴、多速式联合循环动力系统。各种实施例包括动力系统。在特定实施例中，动力系统包括联合循环动力系统，其具有：第一轴，该第一轴具有共轴地安装在其上的第一组构件，第一组构件包括：第一蒸汽涡轮机；第一燃气涡轮机；以及再热燃烧器；以及与第一轴分离的第二轴，第二轴具有共轴地安装在其上的第二组构件，第二组构件包括：第二蒸汽涡轮机；第二燃气涡轮机；以及流体联接于第二燃气涡轮机和再热燃烧器的管道，管道用于将来自第二燃气涡轮机的排放物提供至再热燃烧器。

Description

多轴、多速式联合循环动力系统
技术领域
本文公开的主题涉及动力系统。更特别地，该主题涉及联合循环动力系统。
背景技术
常规联合循环(CC)动力系统采用联接于一个或更多个电动机(例如，发电机)的燃气涡轮机(例如，燃气涡轮，GT)构件和蒸汽涡轮机(例如，蒸汽涡轮，ST)构件两者来生成电能。该电能可例如提供至电网用于给商业、民用、公用和其它应用供能。
常规涡轮(例如，GT和/或ST)通常构造成在预定速度范围处操作，但是涡轮硬件中的一些(例如，包括动叶(也被称为叶片)，诸如最后一级动叶(LSB))可以以预定速度范围以外的不同速度更有效地操作。
发明内容
本发明的各种实施例包括动力系统。在各种特定实施例中，公开了一种联合循环动力系统，系统包括：第一轴，该第一轴具有共轴地安装在其上的第一组构件，第一组构件包括：第一蒸汽涡轮机；第一燃气涡轮机；以及再热燃烧器；以及与第一轴分离的第二轴，第二轴具有共轴地安装在其上的第二组构件，第二组构件包括：第二蒸汽涡轮机；第二燃气涡轮机；以及流体联接于第二燃气涡轮机和再热燃烧器的管道，管道用于将来自第二燃气涡轮机的排放物提供至再热燃烧器。
本发明的第一方面包括所公开的联合循环动力系统，系统包括：第一轴，该第一轴具有共轴地安装在其上的第一组构件，第一组构件包括：第一蒸汽涡轮机；第一燃气涡轮机；以及再热燃烧器；以及与第一轴分离的第二轴，第二轴具有共轴地安装在其上的第二组构件，第二组构件包括：第二蒸汽涡轮机；第二燃气涡轮机；以及流体联接于第二燃气涡轮机和再热燃烧器的管道，管道用于将来自第二燃气涡轮机的排放物提供至再热燃烧器。
本发明的第二方面包括一种系统，该系统具有：第一轴，该第一轴具有共轴地安装在其上的第一组构件，第一组构件包括：构造成以第一转每分(RPM)设定操作的第一电动机；第一蒸汽涡轮机；第一燃气涡轮机；以及再热燃烧器；以及与第一轴分离的第二轴，第二轴具有共轴地安装在其上的第二组构件，第二组构件包括：构造成以高于第一RPM设定的第二RPM设定操作的第二电动机；第二蒸汽涡轮机；第二燃气涡轮机；以及流体联接于第二燃气涡轮机和再热燃烧器的管道，管道用于将来自第二燃气涡轮机的排放物提供至再热燃烧器。
本发明的第三方面包括一种系统，该系统具有：第一轴，该第一轴具有共轴地安装在其上的第一组构件，第一组构件包括：第一蒸汽涡轮机；第一燃气涡轮机；以及再热燃烧器；与第一轴分离的第二轴，第二轴具有共轴地安装在其上的第二组构件，第二组构件包括：第二蒸汽涡轮机；第二燃气涡轮机；以及流体联接于第二燃气涡轮机和再热燃烧器的管道，管道用于将来自第二燃气涡轮机的排放物提供至再热燃烧器；以及可操作地连接于第一组构件和第二组构件的控制系统，控制系统构造成响应于确定第二组构件中的至少一个构件的操作状态偏离预定阈值范围而修改第一组构件中的至少一个构件的操作状态。
附图说明
从结合附图进行的本发明的各个方面的下列详细描述，本发明的这些和其它特征将更容易理解，该附图描绘了本发明的各种实施例，其中：
图1示出包括根据本发明的各种实施例的联合循环动力系统的系统。
注意的是，本发明的附图不一定按比例绘制。附图意图仅描绘本发明的典型方面，并且因此不应当认为是限制本发明的范围。在附图中，同样的标记在附图之间代表同样的元件。
部件列表
2  系统
4  联合循环动力系统
6  第一轴
8  第二轴
10  平面
12  第一组构件
14  第一蒸汽涡轮机(ST)
16  第一燃气涡轮机(GT)
18  再热燃烧器
20  第一电动机
22  第二组构件
24  第二蒸汽涡轮机(ST)
25  压缩机(Comp)
26  第二GT
27  燃烧器(Comb)
28  第三蒸汽涡轮机(ST)
29  管道
30  热回收蒸汽发生器(HRSG)
32  第二电动机
40  控制系统
42  传感器系统。
具体实施方式
如提到的，本文公开的主题涉及动力系统。更特别地，该主题涉及联合循环动力系统。
如文中所述，常规涡轮(例如，GT和/或ST)通常构造成在预定速度范围处操作，但是涡轮硬件中的一些(例如，包括动叶(也被称为叶片)，诸如最后一级动叶(LSB))可以以预定速度范围以外的不同速度更有效地操作。此外，在联合循环动力系统依靠共同的轴(也被称为单轴构型)操作的情况下，可难以有效地采用诸如燃烧器的辅助构件来集成ST和GT构件的操作。
与常规方法相反，本发明的各种实施例包括多轴式联合循环动力系统，其在多个轴中的每一个上具有GT构件和ST构件两者。轴中的每一个可构造成以不同速度(非零速度)操作。在各种实施例中，每个轴构造成以与另一个轴不同的速度操作，其中，两个速度为3600RPM(60赫兹)或3000RPM(50赫兹)的倍数。
在各种特定实施例中，公开了一种动力系统。动力系统可包括多轴式构型，例如双轴式构型。两个轴中的每一个可分别包括燃气涡轮构件和蒸汽涡轮构件。如文中所述，在各种实施例中，每个轴以不同速度运行，从而使系统能够以不同输出在联合循环模式下运行。根据文中所述的实施例的系统设计成以不同速度操作，该不同速度包括诸如1500-1800转每分(RPM)的较低速度。每个轴可相对于其它轴成任何合适的角度定向，以便使流体能够在不同轴上的构件之间流动。在一些特定情形中，如文中所述，第一轴定向成近似垂直于第二轴。
本发明的各个特定方面包括系统，该系统具有：第一轴，该第一轴具有共轴地安装在其上的第一组构件，第一组构件包括：第一蒸汽涡轮机；第一燃气涡轮机；以及再热燃烧器；与第一轴分离的第二轴，第二轴具有共轴地安装在其上的第二组构件，第二组构件包括：第二蒸汽涡轮机；压缩机；燃烧器；第二燃气涡轮机；以及流体联接于第二燃气涡轮机和再热燃烧器的管道，管道用于将来自第二燃气涡轮机的排气提供至再热燃烧器。在一些情形中，(多个)系统可包括可操作地连接于第一组构件和第二组构件的控制系统。控制系统可构造(例如，接线、编程或另外构造)成响应于确定第二组构件中的至少一个构件的操作状态偏离预定阈值范围而修改第一组构件中的至少一个构件的操作状态。
本发明的其它特定方面包括系统，该系统具有：第一轴，该第一轴具有共轴地安装在其上的第一组构件，第一组构件包括：构造成以第一转每分(RPM)设定操作的第一电动机；第一蒸汽涡轮机；第一燃气涡轮机；以及再热燃烧器；以及与第一轴分离的第二轴，第二轴具有共轴地安装在其上的第二组构件，第二组构件包括：构造成以高于第一RPM设定的第二RPM设定操作的第二电动机；第二蒸汽涡轮机；压缩机；燃烧器；第二燃气涡轮机；以及流体联接于第二燃气涡轮机和再热燃烧器的管道，管道用于将来自第二燃气涡轮机的排放物提供至再热燃烧器。
转向图1，示出根据本发明的各种实施例的系统2的示意图。如示出的，系统2可包括联合循环动力系统4(其包括可结合用于输出动力的至少一个蒸汽涡轮机和至少一个燃气涡轮机)。在各种实施例中，联合循环动力系统4可包括两个不同的轴：第一轴6和第二轴8。在一些情形中，第一轴6和第二轴8互相机械地分离(脱开)，并且在一些情形中，第一轴6和第二轴8在平面10内近似互相垂直地对齐。然而，理解的是，第一轴6和第二轴8可互相成任何角度对齐，并且所示的垂直构型不意图加以限制。
第一组构件12共轴地安装在第一轴6上，包括：第一蒸汽涡轮机(ST)14(例如，蒸汽涡轮)、第一燃气涡轮机(GT)16(例如，燃气涡轮)以及再热燃烧器18(例如，用于升高输入流体的温度以提供更热的输出流体的常规燃烧再热器)。如提到的，第一组构件12中的每一个安装在第一轴6上，使得第一组构件12中的每一个构造成与第一轴6近似一致地旋转。在一些情形中，第一ST14可包括低压(LP)蒸汽涡轮，其可包括双向流动LP蒸汽涡轮。在一些情形中，再热燃烧器18与第一GT16流体连接，例如用于将再热后的气体提供至第一气体GT16。
在一些实施例中，系统2(和联合循环动力系统4)还可包括第一电动机20(例如，第一发电机)，其共轴地安装在第一轴6上，并且构造成随第一ST14和第一GT16旋转。第一电动机20可构造成以第一转每分(RPM)设定旋转。在各种特定实施例中，第一RPM设定为近似1800RPM。在其它实施例中，第一RPM设定为近似1500RPM。
如示出的，系统2(和联合循环系统4)还可包括共轴地安装在第二轴8上的第二组构件22，其中，这些构件22构造成与第二轴8一致地旋转。在一些情形中，第二组构件22可包括：第二蒸汽涡轮机(ST)24，例如蒸汽涡轮；共轴地安装在第二轴8上的压缩机(Comp)25；共轴地安装在第二轴8上并与压缩机流体联接的燃烧器(Comb)27；与燃烧器27流体联接的第二燃气涡轮机(GT)26；以及与第二GT26和再热燃烧器18流体联接的管道29。管道29可将来自第二GT26的排气提供至再热燃烧器18，并且再热燃烧器18可使用来自该排气的热来升高输入流体(例如，气体)的温度，以将工作气态流体提供至第一GT16。如本文中将描述的，由于第一GT16以比第二GT26低的RPM设定操作，故来自第二GT26的排放物具有充分的热能，以作为对再热燃烧器18的输入工作用于将气体提供至第一GT16。
在各种实施例中，系统2(和联合循环系统4)还可包括共轴地安装在第二轴8上的第三蒸汽涡轮机(ST)28，例如蒸汽涡轮。根据本发明的各种实施例，第二蒸汽涡轮机24包括高压(HP)蒸汽涡轮机，而第三ST28包括中压(IP)蒸汽涡轮机。
再者，在一些情形中，系统2(和联合循环系统4)可包括热回收蒸汽发生器(HRSG)30。HRSG30与常规HRSG装置一样可构造成接收来自燃气涡轮机的排气，连带着诸如水和蒸汽(例如，来自水或蒸汽源)的流体，并且使用该气体的热能来加热流体和产生用于蒸汽涡轮机的蒸汽。在系统2中所示的构型中，HRSG30构造成接收来自第一GT16的排气，并且在一些情形中，使用该排气来协助产生用于第一ST14、第二ST24和/或第三ST28中的至少一个的蒸汽。
如文中所述，在各种实施例中，第一GT16构造成以比第二GT26低的速度操作，并且在一些情形中构造成以第二GT26的近似一半速度操作。
在一些实施例中，系统2(和联合循环动力系统4)还可包括第二电动机32(例如，第二发电机)，其共轴地安装在第二轴8上，并且构造成随第二ST24、第三ST28(在一些实施例中)和第二GT26旋转。第二电动机32可构造成以第二转每分(RPM)设定旋转。在各种特定实施例中，第二RPM设定为近似3600RPM。在一些其它实施例中(例如，其中，第一RPM设定为近似1500RPM)，第二RPM设定为近似3000RPM。
在各种实施例中，第二RPM设定为第一RPM设定值的近似两倍，使得第一电动机20和第二电动机32构造成在系统2的操作期间以近似1：2的RPM比运行。
系统2还可包括控制系统40(为了清楚说明以两部分示出)，其可可操作地连接(例如，经由通过虚线表示的无线和/或硬连线器件)于第一组构件12、第二组构件22、HRSG30、第一电动机20和/或第二电动机32中的任一个。控制系统40可包括任何常规涡轮机和/或电动机硬件和/或软件，包括例如存储器、一个或更多个处理器、用户接口、一个或更多个通信总线、(多个)(无线)发射器、(多个)(无线)接收器等。控制系统40可编程或另外构造成监视其所连接的(多个)构件的操作状态。控制系统40可包括传感器系统42，其可包括用于测量文中提到的构件的一个或更多个操作状态的一个或更多个传感器(未示出)。在一些情形中，控制系统40可监视涡轮机的操作状态，诸如流体温度、泄漏、流率、转速、输出等。在一些情形中，控制系统40可监视电动机的操作状态，诸如转速、输出、温度等。
在特定实施例中，控制系统40可操作地连接于第一组构件12和第二组构件22，并且控制系统40构造成响应于确定第二组构件22中的至少一个构件的操作状态偏离预定阈值范围而修改第一组构件12中的至少一个构件的操作状态。就是说，控制系统40可构造成提供指令以响应于确定第二轴8上的构件的操作状态(例如，操作速度、气体/蒸汽流率等)偏离预定阈值范围而修改第一轴6上的构件的操作状态(例如，操作速度、气体/蒸汽流率等)。该预定阈值范围可包括诸如上限和下限操作速度、气体/蒸汽流率、输出等的操作状态的范围。在一些特定情形中，在控制系统40确定第二轴8上的构件偏离阈值范围(例如，下降到该范围内的下限阈值以下)的情况下，控制系统40可向管道27发送指令以开启并允许来自第二GT26的气体进入再热燃烧器18并将气态流体提供至第一GT16。在一些情形中，从第一GT16排出的气体可提供至HRSG30(例如，经由导管44)用于产生用以供给至第一ST14、第二ST24和/或第三ST28的蒸汽。
在本发明的各种实施例中，系统2构造成响应于确定第二轴8上的构件在预定阈值范围以下操作而接合第一轴6上的构件。在一些情形中，系统2设计成使用两轴(第一轴6和第二轴8)上的构件而操作，从而允许第一轴6上的构件中与第二轴8相对的不同硬件。更具体地，系统2中的构件布置允许在第一ST14和/或第一GT16中使用比常规长的最后一级动叶(LSB)，这是因为这些LSB将在以较低(例如，一半)速度运行的涡轮内操作。另外，双轴系统2的使用允许再热燃烧器18的实施，这可使系统2比常规联合循环系统更有效。
文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并且不意图为本公开的限制。如文中所用，单数形式“一”、“一个”和“该”意图还包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还将理解，用语“包括”和/或“包含”在用于该说明书中时表明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但不排除一个或更多其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组的存在或增加。还理解的是，用语“前”和“后”不意图加以限制，而是意图在适当的情况下可互换。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种联合循环动力系统，其包括：
第一轴，其具有共轴地安装在其上的第一组构件，所述第一组构件包括：
       第一蒸汽涡轮机；
       第一燃气涡轮机；以及
       再热燃烧器；以及
与所述第一轴分离的第二轴，所述第二轴具有共轴地安装在其上的第二组构件，所述第二组构件包括：
       第二蒸汽涡轮机；
       第二燃气涡轮机；以及
       管道，其流体联接于所述第二燃气涡轮机和所述再热燃烧器，所述管道用于将来自所述第二燃气涡轮机的排放物提供至所述再热燃烧器。
2.根据权利要求1所述的联合循环动力系统，其特征在于，还包括共轴地安装在所述第二轴上的第三蒸汽涡轮机。
3.根据权利要求2所述的联合循环动力系统，其特征在于，所述第二蒸汽涡轮机包括中压蒸汽涡轮机，而所述第三蒸汽涡轮机包括高压蒸汽涡轮机。
4.根据权利要求1所述的联合循环动力系统，其特征在于，还包括联接于所述第一燃气涡轮机的热回收蒸汽发生器，其中，所述热回收蒸汽发生器构造成接收来自所述第一燃气涡轮机的排气。
5.根据权利要求1所述的联合循环动力系统，其特征在于，还包括：
与所述第二燃气涡轮机流体联接的燃烧器；以及
与所述燃烧器流体联接的压缩机。
6.根据权利要求1所述的联合循环动力系统，其特征在于，还包括与所述第一轴联接的第一电动机。
7.根据权利要求6所述的联合循环动力系统，其特征在于，还包括与所述第二轴联接的第二电动机。
8.根据权利要求7所述的联合循环动力系统，其特征在于，所述第一电动机构造成以第一转每分设定操作，而所述第二电动机构造成以与所述第一转每分设定不同的第二转每分设定操作。
9.根据权利要求8所述的联合循环动力系统，其特征在于，所述第二转每分设定为所述第一转每分设定的两倍快。
10.根据权利要求9所述的联合循环动力系统，其特征在于，所述第一转每分设定为1800转每分，而所述第二转每分设定为3600转每分。
11.根据权利要求1所述的联合循环动力系统，其特征在于，所述第一蒸汽涡轮机包括低压蒸汽涡轮机。
12.根据权利要求11所述的联合循环动力系统，其特征在于，所述低压蒸汽涡轮机包括双向流动蒸汽涡轮机。
13.根据权利要求1所述的联合循环动力系统，其特征在于，所述第一燃气涡轮机构造成以比所述第二燃气涡轮机低的速度操作。
14.一种联合循环动力系统，其包括：
第一轴，其具有共轴地安装在其上的第一组构件，所述第一组构件包括：
       第一电动机，其构造成以第一转每分设定操作；
       第一蒸汽涡轮机；
       第一燃气涡轮机；以及
       再热燃烧器；以及
与所述第一轴分离的第二轴，所述第二轴具有共轴地安装在其上的第二组构件，所述第二组构件包括：
       第二电动机，其构造成以高于所述第一转每分设定的第二转每分设定操作；
       第二蒸汽涡轮机；
       第二燃气涡轮机；以及
       管道，其流体联接于所述第二燃气涡轮机和所述再热燃烧器，所述管道用于将来自所述第二燃气涡轮机的排放物提供至所述再热燃烧器。
15.根据权利要求14所述的联合循环动力系统，其特征在于，还包括共轴地安装在所述第二轴上的第三蒸汽涡轮机。
16.根据权利要求15所述的联合循环动力系统，其特征在于，还包括与所述第一燃气涡轮机的排放物流体连接的热回收蒸汽发生器，其中，所述热回收蒸汽发生器构造成接收来自所述第一燃气涡轮机的排气。
17.根据权利要求14所述的联合循环动力系统，其特征在于：
所述第一转每分设定为1800转每分，而所述第二转每分设定为3600转每分，或者
所述第一转每分设定为1500转每分，而所述第二转每分设定为3000转每分。
18.一种联合循环动力系统，其包括：
第一轴，其具有共轴地安装在其上的第一组构件，所述第一组构件包括：
       第一蒸汽涡轮机；
       第一燃气涡轮机；以及
       再热燃烧器；
与所述第一轴分离的第二轴，所述第二轴具有共轴地安装在其上的第二组构件，所述第二组构件包括：
       第二蒸汽涡轮机；
       第二燃气涡轮机；以及
       管道，其流体联接于所述第二燃气涡轮机和所述再热燃烧器，所述管道用于将来自所述第二燃气涡轮机的排放物提供至所述再热燃烧器；以及
控制系统，其可操作地连接于所述第一组构和所述第二组构件，所述控制系统构造成响应于确定所述第二组构件中的至少一个构件的操作状态偏离预定阈值范围而修改所述第一组构件中的至少一个构件的操作状态。
19.根据权利要求18所述的联合循环动力系统，还包括：
与所述第一轴联接的第一电动机；以及
与所述第二轴联接的第二电动机。
20.根据权利要求19所述的联合循环动力系统，其特征在于，所述第一电动机构造成以第一转每分设定操作，而所述第二电动机构造成以与所述第一转每分设定不同的第二转每分设定操作。
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