專利名稱：涉及混合動力裝置的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題涉及動力生成(power generation)，并且更具體而言涉及混合動 力裝置(hybrid power plant)中的動力發(fā)生。
背景技術(shù)：
使用蒸汽輪機的動力裝置通常包括燃氣輪機發(fā)動機?？稍谘b置的冷啟動期間使用 燃氣輪機發(fā)動機，以及在裝置操作期間使用燃氣輪機發(fā)動機來提高動力發(fā)生。在混合裝置 中，來自燃氣輪機發(fā)動機的排氣可結(jié)合到裝置的熱循環(huán)中以提高蒸汽發(fā)生的效率。包括例 如排氣溫度、燃料消耗以及排放的燃氣輪機的操作規(guī)格(operational specification)影 響混合裝置的效率。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，系統(tǒng)包括具有上游進氣管部分的第一熱回收蒸汽發(fā)生器 (HRSG)；連接至第一排氣管的第一燃氣輪機發(fā)動機，該第一排氣管用于將來自第一燃氣輪 機發(fā)動機的排氣輸出到第一 HRSG的上游進氣管部分；以及連接至第二排氣管的第二燃氣 輪機發(fā)動機，該第二排氣管用于將來自第二燃氣輪機發(fā)動機的排氣輸出到第一 HRSG的上 游進氣管部分。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，系統(tǒng)包括具有上游進氣管部分的第一熱回收蒸汽發(fā)生 器(HRSG)；連接至第一排氣管的第一燃氣輪機發(fā)動機，該第一排氣管用于將來自第一燃氣 輪機發(fā)動機的排氣輸出到第一 HRSG的上游進氣管部分；用于加熱第一燃氣輪機發(fā)動機的 輸出排氣的管燃燒器部分；以及連接至第二排氣管的第二燃氣輪機發(fā)動機，該第二排氣管 用于將來自第二燃氣輪機發(fā)動機的排氣輸出到第一 HRSG的上游進氣管部分。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，系統(tǒng)包括具有上游進氣管部分和下游進氣管部分的第 一熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)；用于將排氣輸出到第一 HRSG的上游進氣管部分的第一燃氣 輪機發(fā)動機，其中，來自第一燃氣輪機發(fā)動機的排氣用于將第一 HRSG加熱到第一溫度；用 于將排氣輸出到第一 HRSG的上游進氣管部分的第二燃氣輪機發(fā)動機，其中，來自第二燃氣 輪機發(fā)動機的排氣用于將第一 HRSG加熱到第二溫度。結(jié)合附圖從下文的描述中，這些及其它特征和優(yōu)點將變得更加顯而易見。


在說明書的結(jié)尾處的權(quán)利要求書中特別指出并明確要求保護了視為本發(fā)明的主 題。結(jié)合附圖從下文的詳細描述中，本發(fā)明的前述和其它特征和優(yōu)點是顯而易見的。圖1是混合動力系統(tǒng)的示范性的實施例。圖2是混合動力系統(tǒng)的備選的示范性的實施例。圖3是混合動力系統(tǒng)的另一備選的示范性的實施例。圖4是混合裝置的模擬輸出的圖表。
借助于參照附圖的實例，詳細的描述解釋了本發(fā)明的實施例，以及優(yōu)點和特征。部件列表100混合動力系統(tǒng)101上游進氣管部分102HRSG103下游進氣管部分104重型機架式(heavy frame)燃氣輪機發(fā)動機105 電網(wǎng)106輕型機架式(light frame)燃氣輪機發(fā)動機108蒸汽輪機110冷凝器112 空氣入口114交流發(fā)電機/發(fā)電機116交流發(fā)電機/發(fā)電機118上游進氣管風門120下游進氣管風門122 旁路煙囪(stack)124管燃燒器200 系統(tǒng)300 系統(tǒng)
具體實施例方式混合裝置包括連接到(多個)發(fā)電機上以產(chǎn)生動力的重型機架航改式燃氣輪機 發(fā)動機。例如，可在峰值動力消耗時間期間使用航改式燃氣輪機發(fā)動機來增大由蒸汽輪機 產(chǎn)生的動力。具有蒸汽輪機和燃氣輪機發(fā)動機的混合動力裝置可結(jié)合熱回收蒸汽發(fā)生器 (HRSG)，該熱回收蒸汽發(fā)生器使用來自航改式燃氣輪機發(fā)動機的排氣的熱量來產(chǎn)生對蒸汽 輪機供以動力的附加的蒸汽。使用來自航改式燃氣輪機發(fā)動機的排氣將提高部分負載下的 混合裝置的效率，并且可降低在動力裝置加載和卸載期間的燃料消耗和污染。在典型裝置的冷啟動期間，重型機架式燃氣輪機發(fā)動機在適于預熱冷HRSG的條 件下的操作將導致不期望的污染物排放水平。在將排氣溫度降低到適于高效地預熱冷HRSG 的水平的操作參數(shù)下使用航改式燃氣輪機發(fā)動機將降低不期望的污染物排放水平。在用于混合裝置的冷啟動順序期間，使用來自航改式燃氣輪機發(fā)動機的排氣來預 熱HRSG。預熱HRSG以冷HRSG啟動，該冷HRSG由來自航改式燃氣輪機發(fā)動機的排氣逐漸加 熱，直到HRSG達到正常操作溫度為止。操作航改式燃氣輪機來預熱HRSG會減少重型機架 在低負載下操作的時間，并且將造成較低的整個動力裝置的不期望的污染物排放。用來限 定HRSG啟動和正常操作時的操作溫度的參數(shù)典型地由特定裝置和相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)構(gòu)件的設(shè) 計規(guī)格限定。例如，裝置的蒸汽輪機的設(shè)計通常限定用來操作HRSG的規(guī)格。下面描述了用 于高效地預熱和操作混合裝置的系統(tǒng)。圖1示出了混合動力系統(tǒng)100的示范性的實施例。系統(tǒng)包括具有上游進氣管部分101和下游進氣管部分103的HRSG102、重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104、輕型機架式燃氣輪 機發(fā)動機106、蒸汽輪機108、冷凝器110、空氣入口 112、交流發(fā)電機/發(fā)電機114、交流發(fā)電 機/發(fā)電機116、電網(wǎng)105、上游進氣管風門118、下游進氣管風門120和旁路煙囪122。系統(tǒng)100可以許多不同的模式(包括例如冷裝置啟動、正常操作，以及峰值輸出操 作和調(diào)低(turn down)操作)而操作。在示范性的冷裝置啟動順序中，系統(tǒng)100以冷非操作 裝置開始。在上游進氣管風門118和下游進氣管風門120關(guān)閉的情況下啟動輕型機架式燃 氣輪機發(fā)動機106。旁路煙囪122打開。環(huán)境空氣由空氣入口 112接收、與燃料混合并且在 輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106中燃燒?？墒菇涣靼l(fā)電機/發(fā)電機116聯(lián)機(online)，并 且將來自交流發(fā)電機/發(fā)電機116的功率輸送到電網(wǎng)105。來自輕型機架式燃氣輪機發(fā)動 機106的排氣由旁路煙囪122輸出。上游進氣管風門118打開，而旁路煙囪122關(guān)閉--從 而將來自輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106的排氣運送到HRSG102的上游進氣管部分101。 來自輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106的排氣開始預熱HRSG102和/或蒸汽輪機。輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106設(shè)計成高效地且以低污染排放的方式而操作，同 時輸出在HRSG102和相關(guān)聯(lián)的蒸汽輪機的預熱溫度規(guī)格內(nèi)的溫度下的排氣。一旦HRSG102 被預熱到與輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106的排氣溫度相關(guān)聯(lián)的溫度閾值，重型機架式燃 氣輪機發(fā)動機104就啟動。重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104在高于輕型機架式燃氣輪機發(fā) 動機106的排氣溫度下高效地操作，并且將更高溫度的排氣輸出到HRSG102的上游進氣管 部分101中。一旦重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104以期望頻率操作時，就可使交流發(fā)電機 /發(fā)電機114聯(lián)機并且交流發(fā)電機/發(fā)電機114將功率輸送到電網(wǎng)105，可使輕型機架式燃 氣輪機發(fā)動機106停機，并且關(guān)閉上游進氣管風門118。重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104排 氣繼續(xù)預熱HRSG102。一旦HRSG102被預熱到期望溫度，HRSG102就可產(chǎn)生用于蒸汽輪機 108的蒸汽。在正常操作中，蒸汽輪機108可接收來自系統(tǒng)100中的其它鍋爐(未顯示)的 蒸汽，并且可使重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104停機。備選地，重型機架式燃氣輪機發(fā)動機 104可保持運行，并且對電網(wǎng)105提供功率以及提供排氣來加熱HRSG102。在峰值操作中，輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106可與交流發(fā)電機/發(fā)電機116 — 起使用，以對電網(wǎng)105提供附加的功率。在峰值操作中，重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104高 效地操作；使交流發(fā)電機/發(fā)電機114轉(zhuǎn)動，并且將排氣輸出到HRSG102的上游進氣管部分 101。在上游進氣管風門118和下游進氣管風門120關(guān)閉并且旁路煙囪122打開的情況下 啟動輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106。一旦輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106以期望的輸出 操作，下游進氣管風門120就打開并且旁路煙囪122關(guān)閉一從而將來自輕型機架式燃氣輪 機發(fā)動機106的排氣運送到HRSG102的下游進氣管部分103。當輕型機架燃氣輪機發(fā)動機106和重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104各自以高效輸 出水平操作時，燃氣輪機發(fā)動機的排氣溫度是不同的。典型地，以期望效率操作的輕型機架 式燃氣輪機發(fā)動機106的排氣溫度低于以期望效率操作的重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104 的溫度。運送輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106的較冷排氣以在HRSG102的上游進氣管部 分101處與重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104的較熱的排氣混合是不期望的，因為輕型機架 式燃氣輪機發(fā)動機106的較冷排氣將降低重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104的較熱的排氣的 有效性。當來自重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104的排氣向下游流過HRSG102時，排氣通過 在HRSG102中產(chǎn)生蒸汽而冷卻。最后，來自重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104的排氣將達到有效地匹配輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106的排氣溫度的溫度。來自重型機架式燃氣輪機 發(fā)動機104的排氣達到有效地匹配輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106的排氣溫度的區(qū)域為 HRSG102的下游進氣管部分103的輸入?yún)^(qū)域。因此，重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104的排氣在HRSG102的下游進氣管部分103 中與處于類似溫度下的輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106的排氣混合。運送輕型機架式燃氣 輪機發(fā)動機106的排氣以在排氣溫度相匹配的區(qū)域中與HRSG102中的重型機架式燃氣輪機 發(fā)動機104的排氣混合，允許重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104和輕型機架式燃氣輪機發(fā)動 機106以高效的輸出水平操作；對電網(wǎng)105提供功率，并且對HRSG102高效地提供排氣。圖2示出了混合動力系統(tǒng)的備選的示范性的實施例。系統(tǒng)200類似于上文描述的 系統(tǒng)100，并且包括連接至第二重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104的第二 HRSG102和交流發(fā)電 機/發(fā)電機114。在操作中，系統(tǒng)200以類似于系統(tǒng)100的方式操作，并且可單獨或串聯(lián)地 使用HRSG102 (與重型機架燃氣輪機發(fā)動機104和交流發(fā)電機/發(fā)電機114 一起)組合來 操作。圖3示出了混合動力系統(tǒng)的另一備選的示范性的實施例。系統(tǒng)300類似于上文描 述的系統(tǒng)100，并且包括管燃燒器124，但可不包括圖1的下游進氣管部分103和下游進氣 管風門120。管燃燒器124設(shè)置在圖1的輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106的排氣路徑中。 管燃燒器可使來自燃氣輪機發(fā)動機106的排氣流溫度升高以匹配燃氣輪機發(fā)動機104的排 氣流溫度。所產(chǎn)生的混合排氣流溫度保持在規(guī)定的設(shè)計點溫度下，從而提供最優(yōu)的HRSG蒸 汽產(chǎn)量。上文描述的實施例顯示了示范性的系統(tǒng)。其它實施例可包括燃氣輪機發(fā)動機、 HRSG和蒸汽輪機的各種各樣的組合。實施例不限于例如一個或二個HRSG，而是可包括任何 數(shù)量的HRSG、燃氣輪機發(fā)動機以及相關(guān)聯(lián)的裝備。術(shù)語輕型機架式和重型機架式燃氣輪機 發(fā)動機不是限制性的，并且用于說明性的目的。例如，具有期望的設(shè)計規(guī)格的重型機架式燃 氣輪機發(fā)動機可由輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機代替。同樣，在一些應(yīng)用中，輕型機架式燃氣 輪機發(fā)動機可由重型機架式燃氣輪機發(fā)動機或也可在燃氣輪機發(fā)動機的航改分支中的任 何其它燃氣輪機發(fā)動機代替。圖4示出了類似于上文所描述的實施例的混合裝置的模擬輸出的圖表。該圖表示 出了以千瓦(kW)為單位的輸出、以每千瓦時英國熱量單位(Btu/KWh)為單位的熱耗率，以 及以(MMBtu/hr)為單位的熱輸入。裝置復合熱耗率函數(shù)顯示了隨kW變化的混合裝置的實 施例的熱耗率。在100000kW以下，裝置在輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106聯(lián)機的情況下操 作，從而從冷裝置中產(chǎn)生功率。在大約125000kW下，使重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104聯(lián) 機，從而開始在輕型機架式燃氣輪機操作和重載燃氣輪機操作之間的轉(zhuǎn)換。之后，可使輕型 機架式燃氣輪機發(fā)動機106脫機。在大約525000kW下顯示了峰值操作，此處，使輕型機架 式燃氣輪機發(fā)動機106聯(lián)機，從而提高系統(tǒng)的峰值功率輸出。圖表的底部函數(shù)示出了隨kW 變化的系統(tǒng)的熱輸入。示出了非復合裝置熱耗率的函數(shù)以表示在未使用輕型機架式燃氣 輪機發(fā)動機106時系統(tǒng)的熱耗率。在大約100000kW下的非復合裝置熱耗率高于裝置復合 熱耗率，并且在100000kW以下非復合裝置不會產(chǎn)生功率，因為輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機 106未操作。非復合裝置的最高位(highend)kW輸出也低于復合裝置。圖4中所示的函數(shù)示出了上文所描述的系統(tǒng)的實施例在輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106操作時在裝置啟動時提供提高的效率，并在輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106和重 型機架式燃氣輪機發(fā)動機104兩者均操作時提供提高的峰值裝置輸出。在動力系統(tǒng)中使用 輕型機架式和重型機架式燃氣輪機兩者使得在較大的功率輸出范圍內(nèi)提供了提高的靈活 性、系統(tǒng)效率以及較低的總污染排放。在操作中，圖3的系統(tǒng)300的冷裝置啟動順序類似于圖1的系統(tǒng)100的冷裝置啟 動順序，其中，管燃燒器脫機。在峰值操作中，重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104和輕型機架 式燃氣輪機發(fā)動機106以高效的輸出水平操作。上游進氣管風門118打開，并且管燃燒器 啟動。管燃燒器使燃料與來自輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106的排氣混合并且燃燒混合 物一從而使來自輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106的排氣的溫度升高，以有效地匹配重型機 架式燃氣輪機發(fā)動機104的排氣的溫度。重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104的排氣在HRSG102 的上游進氣管部分101中與輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106的排氣混合，并且排氣混合物 流過HRSG102，從而在HRSG102中產(chǎn)生蒸汽。在使輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106的排氣與 重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104的排氣混合之前使用管燃燒器124來加熱輕型機架式燃氣 輪機發(fā)動機106的排氣允許HRSG102高效地操作，同時輕型機架式燃氣輪機發(fā)動機106和 重型機架式燃氣輪機發(fā)動機104以峰值高效操作水平操作。雖然結(jié)合了僅僅有限數(shù)量的實施例來詳細地描述本發(fā)明，但是應(yīng)當容易理解的 是，本發(fā)明不限于這些公開的實施例。相反，本發(fā)明可修改成結(jié)合此前未描述過但與本發(fā)明 的精神和范圍相當?shù)?、任何?shù)量的變化、變更、替換或等同布置。另外，雖然已經(jīng)描述了本發(fā) 明的各種實施例，但是應(yīng)理解的是，本發(fā)明的方面可僅包括所描述的實施例中的一些。因 此，本發(fā)明不應(yīng)視為由前述描述限定，而是僅由所附權(quán)利要求書的范圍限定。
權(quán)利要求
一種系統(tǒng)，包括具有上游進氣管部分(101)的第一熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)(102)；連接至第一排氣管的第一燃氣輪機發(fā)動機(106)，所述第一排氣管用于將來自所述第一燃氣輪機發(fā)動機(106)的排氣輸出到所述第一HRSG(102)的上游進氣管部分(101)；以及連接至第二排氣管的第二燃氣輪機發(fā)動機(104)，所述第二排氣管用于將來自所述第二燃氣輪機發(fā)動機(104)的排氣輸出到所述第一HRSG(102)的上游進氣管部分(101)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括連接至所述第一燃氣輪 機發(fā)動機(106)的、用于將來自所述第一燃氣輪機發(fā)動機(106)的排氣輸出到所述第一 HRSG(102)的下游進氣管部分(103)的排氣管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括具有上游進氣管部分 (101)的第二 HRSG (102)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括連接至所述第一燃氣輪 機發(fā)動機(106)的、用于將來自所述第一燃氣輪機發(fā)動機(106)的排氣輸出到所述第二 HRSG(102)的上游進氣管部分(101)的排氣管。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括連接至所述第二燃氣輪 機發(fā)動機(104)的、用于將來自所述第二燃氣輪機發(fā)動機(104)的排氣輸出到所述第二 HRSG(102)的上游進氣管部分(101)的排氣管。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括連接至所述第一燃氣輪 機發(fā)動機(106)的、用于將來自所述第一燃氣輪機發(fā)動機(106)的排氣輸出到所述第二 HRSG(102)的下游進氣管部分(103)的排氣管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，從所述第一燃氣輪機發(fā)動機(106)到所述 第一 HRSG(102)的上游進氣管部分(101)的輸出排氣用于加熱所述第一 HRSG(102)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，從所述第二燃氣輪機發(fā)動機(104)到所述 第一 HRSG(102)的上游進氣管部分(101)的輸出排氣用于加熱所述第一 HRSG(102)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，從所述第一燃氣輪機發(fā)動機(106)到所述 第一HRSG(102)的下游進氣管部分(103)的輸出排氣的溫度低于從所述第二燃氣輪機發(fā)動 機(104)到所述第一 HRSG(102)的上游進氣管部分(101)的輸出排氣的溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種涉及混合動力裝置的系統(tǒng)，具體而言，系統(tǒng)包括具有上游進氣管部分(101)的第一熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)(102)；連接至第一排氣管的第一燃氣輪機發(fā)動機(106)，該第一排氣管用于將來自第一燃氣輪機發(fā)動機(106)的排氣輸出到第一HRSG(102)的上游進氣管部分(101)；以及連接至第二排氣管的第二燃氣輪機發(fā)動機(104)，該第二排氣管用于將來自第二燃氣輪機發(fā)動機(104)的排氣輸出到第一HRSG(102)的上游進氣管部分(101)。
文檔編號F02C6/02GK101865031SQ201010167020
公開日2010年10月20日 申請日期2010年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者D·A·斯奈德, M·J·亞歷山大, M·S·施羅德, S·F·約翰遜 申請人:通用電氣公司