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用于联合循环发电设备的再热气体和排气再生器系统
技术领域
本发明涉及联合循环发电设备技术，具体地，涉及具有再热气体涡轮(reheat gas turbine)和排气再生器(exhaust gas regenerator)的联合循环发电设备。
背景技术
通常，燃气涡轮发动机燃烧燃料/空气混合物来释放热能，从而形成通过热气通道被导入涡轮节(turbine section)的高温气流。更具体地说，压缩机将吸入的气体压缩成高压气体。该高压气体被输送到燃烧室和燃料混合并形成可燃混合物。可燃混合物然后被点燃以形成被输送到涡轮的高压、高速气流。涡轮将来自高温、高速气流的热能转换成驱动涡轮轴的机械能。涡轮轴和压缩机相联并驱动压缩机及和涡轮相联的其它机械，如发电机。
在将来自高压、高速气流的热能转化为机械能之后，形成排气并被排出该涡轮机。排气既可被排放进环境大气，也可用来预加热燃烧室并提高涡轮机效率。优化不同条件下，尤其是排放典型地处于高水平时的部分载荷条件下的涡轮机效率是所关注的问题。
发明内容
根据本发明的一个示范性实施例，联合循环发电设备包括压缩机，可操作地联接到该压缩机上的第一涡轮，可操作地联接到该压缩机上的第二涡轮，流体地连接到该第一涡轮上的第一燃烧器，以及流体地连接到该第二涡轮上的第二燃烧器。联合循环发电设备还包括流体地连接到第二涡轮上的热回收蒸汽发生器，以及流体地连接到该压缩机、第一燃烧器、第二燃烧器和热回收发生器上的热交换器。控制器可选择性地令联合循环发电设备运行在第一模式，其中，压缩机气体在被输送至第一和第二燃烧器之前通过该热交换器，而来自第二涡轮的排气被送往该热交换器。来自第二涡轮的排气预加热通过该热交换器到第一和第二燃烧器的压缩机气体。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种运行联合循环发电设备的方法，该联合循环发电设备具有压缩机，第一涡轮，第二涡轮，流体地连接到该第一涡轮上的第一燃烧器，流体地连接到该第二涡轮上的第二燃烧器，以及热回收蒸汽发生器；该方法包括在第一模式下运行该联合循环发电设备，其中压缩机气体和来自第二涡轮的排气经过至少一个热交换器。排气预热从该至少一个热交换器传递到第一和第二燃烧器中的每一个燃烧器的压缩机气体。
当结合附图时，通过下列对被说明方面的详细描述，本发明的示范性实施例的另外的目标、特征和优势将变得更为明显，在附图中，相似的标号指若干视图中的相应部件。
附图说明
图1为根据本发明的第一示范性实施例建造的包括再热和排气再生系统的联合循环发电设备的原理示意图。
图2为根据本发明的第二示范性实施例建造的包括再热和排气再生系统的联合循环发电设备的原理示意图。
图3为根据本发明的第三示范性实施例建造的包括再热和排气再生系统的联合循环发电设备的原理示意图；和
图4为根据本发明的第四示范性实施例建造的包括再热和排气再生系统的联合循环发电设备的原理示意图。
部件列表
 

2联合循环发电设备90热交换器(1)
 4压缩机94热交换器(2)6环境大气100第一阀8高压气流104第二阀10主燃烧器106第三阀12燃料120被加热的高压气流14第一/高压涡轮123被加热的高压气流15轴144电厂20再热燃烧器148第三热交换器22燃料150第四阀24第二/低压涡轮154排气26轴155涡轮部件冷却气体27发电机28轴29电网负载表30热交换器34第一阀36第二阀40第三阀44热回收蒸汽发生器(HRSG)46控制器48排气(24)53被加热的高压气流54被加热的高压气流65电厂67第三阀84电厂
具体实施方式
先参见图1，根据本发明的一个示范性实施例建造的联合循环发电设备一般地标示于2处。发电设备2包括压缩机4，该压缩机4压缩环境空气或大气6以形成高压气流8。高压气流8在被点燃以形成被送至第一或高压涡轮14的高压、高温燃烧产物前被送往第一或主燃烧器10以与燃料12混和。第一涡轮14驱动压缩机4。为此，第一涡轮14通过轴15连接到压缩机4上。除了供给主燃烧器10，压缩机4还将高压气流8输送给第二或再热燃烧器2。在被点燃以形成被送到第二或低压涡轮24的高压、高温燃烧产物之前，高压气流8和燃料22混和。在任何情况下，第二涡轮24均通过轴26连接到第一涡轮14，并通过轴28连接到发电机27。来自发电机27的电气需求由电网负载表29监控。如将在下面更详尽地讨论，发电设备2运行在第一模式，其中高压气流8被直接输送到主燃烧器12和再热燃烧器20，而当电力需求降至低于基础负载水平时，运行在第二或部分载荷模式，其中高压气流8在被输送进主燃烧器12和再热燃烧器20之前首先通过热交换器30以被加热。典型地，当发电设备2的输出降至低于基础负载运行的80％时发生在第二模式下的运行。
根据图1中所示的示范性实施例，发电设备2包括在压缩机4、主燃烧器12和热交换器30之间流体地连接的第一阀34。发电设备2还包括在压缩机4、再热燃烧器20和热交换器30之间流体地连接的第二阀36。发电设备2还包括在低压涡轮24、热交换器30和热回收蒸汽发生器(HRSG)44之间流体地连接的第三阀40。在所示的该示范性实施例中，各阀34、36和40均可操作地连接到控制器46上。通过此布置，当需要部分载荷运行时(如当电力需求下降时)，以及不再要求基础负载时(如非用电高峰时间)，控制器46操作第一阀和第二阀将高压气流8送至热交换器30。与此同时，控制器46操作第三阀40导致从低压涡轮24逸出的排气48偏离HRSG 44而至热交换器30。这样，排气48预热经过热交换器30的高压气流8，以形成分别被送至主燃烧器2和再热燃烧器20的第一被加热高压气流53和第二被加热高压气流54。通过用这种方式加热高压气流8，在燃烧器12和20内达成更有效的燃烧，导致在部分载荷运行期间更低的排放。根据所示示范性实施例的一个方面，在检测到如由电网负载表29所测得的电力需求的下降后，控制器46自动地将发电设备2从基础负载运行(如运行在第一状态)切换至部分载荷状态(如运行在第二状态)。
关于这一点应该懂得，控制器46包括任何适合的高功率固态切换装置。如图所示，控制器46表示为计算机。然而，这仅是本发明范围内的适合的高功率控制器的例子。例如但不限于本发明，控制器46包括可控硅整流器(SCR)、半导体闸流管、MOS控制晶闸管(MCT)和绝缘栅双极晶体管中的至少一种。在图示的实施例中，控制由单独的专用集成电路，如ASIC来实施，该集成电路具有用于总体的系统级控制的主处理器部分或中央处理器部分，和专用于执行各种不同组合、功能和中央处理器部分控制下的其它过程的单独的部分。本领域技术人员将了解，控制器46也可使用多种单独的专用或可编程集成电路或其它电路或装置来实施，例如硬布线的电子或逻辑电路，包括分立元件电路或如PLDs，PALs，PLAs等的可编程逻辑装置。控制器46还能够用适当地编程的通用计算机来实施，如微处理器或微控制器，或者其它的处理器装置，例如CPU或MPU，它们既可单独使用，也可和一个或多个周边数据和信号处理装置共同使用。
现在参见图2，其中在描述根据本发明的第二示范性实施例建造的联合循环发电设备65时，几个视图中相似的参考标号代表对应的部件。如图2中所示，第三阀40被移除，并用位于热交换器30下游的第三阀67代替。第三阀67在热交换器30、HRSG44、环境大气以及燃烧器12和20之间流体地连接。通过此布置，当运行在第一模式时，为了支持燃烧，排气48的一部分被输送至主燃烧器12和再热燃烧器20。通过直接在燃烧器12和20内加热空气，氮氧化物通过稀释被减少，从而进一步减少来自发电设备2的排放。当运行在第二模式时，高压气流8经过热交换器30在进入燃烧器12和20之前以一种与上述类似的方式被排气48加热。
现在将参考图3，其中在描述根据本发明的第三示范性实施例建造的联合循环发电设备84时，几个视图中类似的标号代表对应的部件。以类似于如上所述的方式，发电设备84配置成运行于第一或基础负载模式以及第二或部分载荷模式。然而，和上述的布置相反的是，发电设备84包括多个热交换器。更具体地说，发电设备84包括当运行在第一模式时接收高压气流8的第一热交换器或燃烧气体冷却器90，以及当运行在第二模式时接收高压气流8的第二热交换器或排气再生器94。为此，发电设备84包括在压缩机4、主燃烧器10、第一热交换器90和第二热交换器94之间流体地连接的第一阀100。类似地，第二阀104在压缩机4、再热燃烧器20、第一热交换器90和第二热交换器94之间流体地连接。第三阀106流体地连接第二涡轮24、HRSG44和第二热交换器94。
当运行在第一模式时，高压气流8经过第一阀100和第二阀104到热交换器90。高压气流8在热交换器90内冷却并被送进主燃烧器12和再热燃烧器20。与此同时，排气48经过第三阀106直接到HRSG44。当运行在第二即部分载荷模式时，高压气流8经过第一阀100和第二阀104到第二热交换器94。同样地，来自第二涡轮24的排气48经过第三阀10进入第二交换器94。排气48在第二热交换器94内加热高压气流8，以形成被加热的高压气流120和123，它们各自被输送至主燃烧器10和再热燃烧器20。当运行在第一模式时，通过在进入燃烧器10和20之前冷却压缩机空气，以及在第二模式中，在引入燃烧器10和20之前加热压缩机气体，发电设备84在基础负载条件下更有效地运行，而在部分载荷运行时将排放维持在要求的水平之下。
现在将参见图4，其中在描述根据本发明的第三示范性实施例建造的联合循环发电设备144时，几个视图中类似的标号代表对应的部件。如图所示，发电设备144包括联接到第四阀150上的附加的或第三热交换器148。当发电设备2运行在第一模式时，阀150选择性地将来自第二涡轮24的涡轮部件冷却气体送至压缩机4，而当发电设备2运行在第二模式时，输送至热交换器94。更具体地，当运行在第一模式时，来自第二涡轮24的排气154经过阀106并送至HRSG44，而涡轮部件冷却气体155被输送进第三热交换器148进行冷却，并经由阀150输出而回到压缩机4。当运行在第二模式时，排气154送至第二热交换器94，用来加热被输送至燃烧器12和20的高压气流8。为了进一步便于高压气流8的加热，涡轮部件冷却气体155也被输送进第二热交换器94。以这种方式，当运行在第一模式时，涡轮部件冷却气体155被输送回压缩机4，以重新用于燃烧来提供额外的效率。然而，当运行于第二模式时，排气和来自第二涡轮的涡轮部件冷却气体被用于预热高压压缩机气流以便降低排放。
关于这一点应懂得，当发电设备2在低于满载或基础负载运行时，产生的热量不足以燃尽燃烧的副产品(如氮化物)。本发明的示范性实施例提供了不同的系统来预热压缩机气流，以便在发电设备在低于基础负载运行时获得导致排放显著降低的燃烧效率。还应懂得，除了附图中所示的部件之外，联合循环发电设备可包括如下系统，诸如节热器、再热器、过热器以及为附图的清晰起见而未示出的类似装置。
总的来说，此书面说明使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并使得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，以及执行任何所结合的方法。本发明可授予专利权的范围由权利要求书限定，且可包含本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有的结构要件与权利要求书的字面语言并无不同，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等价结构要件，则此类其它实例意在属于本发明的范围之内。