專利名稱：整體渦輪機(jī)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所公開的主題大體上涉及氣化發(fā)電設(shè)備。更具體而言，本主題公開涉及用于在發(fā)電中使用的空氣分離設(shè)備。
背景技術(shù)：
典型的氣化發(fā)電設(shè)備使用氧將進(jìn)料(例如，煤)轉(zhuǎn)換成燃料氣體用于在燃?xì)鉁u輪中燃燒，以便經(jīng)由連接到燃?xì)鉁u輪上的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。在整體氣化發(fā)電設(shè)備中，從燃?xì)鉁u輪的壓縮機(jī)供應(yīng)氧氣從其分離的空氣，因而改善了設(shè)備的效率且降低了成本。空氣在燃?xì)鉁u輪的壓縮機(jī)中壓縮，并且通過(guò)使空氣分離單元中的氧氣與壓縮空氣的其它成分分離來(lái)由壓縮空氣產(chǎn)生氧氣。常用的一種類型的空氣分離單元為基于膜片的空氣分離單元。在基于膜片的分離單元中，空氣分離發(fā)生在高于大約1400F的溫度下，通常在大約1400F至大約 1600F的范圍內(nèi)。然而，來(lái)自于燃?xì)鉁u輪壓縮機(jī)的壓縮空氣在大約600F至大約1000F的范圍內(nèi)可用。因此，經(jīng)由熱交換器或燃料加熱器將壓縮空氣加熱來(lái)將溫度升高到所需的1400F至1600F用于在空氣分離單元中使用。使用這種熱交換器會(huì)增加附加成本且需要附加的燃料來(lái)操作。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種整體渦輪機(jī)設(shè)備，且該渦輪機(jī)設(shè)備包括燃燒器；可操作地連接到燃燒器上且包括壓縮機(jī)和渦輪膨脹器的渦輪機(jī)；用以使壓縮空氣從壓縮機(jī)流過(guò)渦輪膨脹器來(lái)加熱壓縮空氣的通路；附加通路，采用通過(guò)其從渦輪機(jī)輸出的高溫流體以加熱壓縮空氣；以及可操作地連接到通路上且構(gòu)造成用以將加熱的壓縮空氣分離成氧氣和貧氧空氣的空氣分離單元。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種整體渦輪機(jī)設(shè)備，且該渦輪機(jī)設(shè)備包括燃燒器、可操作地連接到燃燒器且包括壓縮機(jī)和渦輪膨脹器的渦輪機(jī)、用以使壓縮空氣從壓縮機(jī)流過(guò)渦輪膨脹器以加熱壓縮空氣的第一通路和第二通路，用以使壓縮空氣從第一通路流動(dòng)的第三通路、用以使從渦輪膨脹器的出口輸出的高溫流體分流成其第一部分和第二部分的附加通路，附加通路構(gòu)造成用以至少加熱第二部分且用以至少使加熱的第二部分流動(dòng)至第一通路、第二通路和第三通路的組合中的一個(gè)或至第三通路以繼而加熱其壓縮空氣，以及可操作地連接到第一通路、第二通路和第三通路上且構(gòu)造成用以將加熱的壓縮空氣分離成氧氣和貧氧空氣的空氣分離單元。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種操作整體渦輪機(jī)設(shè)備的方法，且該方法包括使壓縮空氣沿通路從壓縮機(jī)流過(guò)渦輪膨脹器以加熱壓縮空氣、使高溫流體沿附加通路從渦輪膨脹器的出口流動(dòng)、使用附加通路的高溫流體以在壓縮空氣流過(guò)渦輪膨脹器之后加熱壓縮空氣，以及將加熱壓縮空氣分離成氧氣和貧氧空氣。這些和其它優(yōu)點(diǎn)和特征將從結(jié)合附圖的以下描述中變得更為明顯。


視為本發(fā)明的主題在說(shuō)明書的總結(jié)處的權(quán)利要求中具體指出且明確地主張權(quán)利。本發(fā)明的前述及其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從結(jié)合附圖的以下詳細(xì)說(shuō)明中顯而易見，在附圖中
圖I為聚焦于渦輪機(jī)的整體渦輪機(jī)設(shè)備的簡(jiǎn) 圖2為根據(jù)實(shí)施例的整體渦輪機(jī)設(shè)備的簡(jiǎn)圖；以及 圖3為根據(jù)備選實(shí)施例的整體渦輪機(jī)設(shè)備的簡(jiǎn)圖。詳細(xì)說(shuō)明通過(guò)參照附圖舉例的方式闡述了本發(fā)明的實(shí)施例，以及優(yōu)點(diǎn)和特征。部件列表· 10 設(shè)備
28 燃燒器 16 渦輪機(jī)
30燃燒產(chǎn)物 22 壓縮機(jī) 220輔助壓縮機(jī)
24渦輪膨脹器 18 軸
34 空氣流通路 36 空氣分離單元 40 氧氣 42 空氣 47，48 熱交換器 100，101 基礎(chǔ)流 102 補(bǔ)充流 104 高溫流
105，106 第一部分和第二部分
107又一部分
110又一熱交換系統(tǒng)
111分流器
113第一熱交換單元
114加熱器 1141 電加熱器
115第二熱交換單元
210 備選的又一熱交換系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式參看圖I和圖2，提供了一種整體渦輪機(jī)設(shè)備10。設(shè)備10可包括氣化器，氣化器由諸如例如煤的進(jìn)料來(lái)產(chǎn)生燃料氣體。將燃料氣體供應(yīng)至可操作地連接到渦輪機(jī)16上的燃燒器28，渦輪機(jī)16例如為燃?xì)鉁u輪。燃燒器28燃燒燃料氣體且產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物30，燃燒產(chǎn)物30驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)16的渦輪軸，其連接到例如發(fā)電機(jī)上以產(chǎn)生電能。渦輪機(jī)16包括沿軸定位且可操作地連接到渦輪膨脹器24上的壓縮機(jī)22?？諝饬鬏斎胫翂嚎s機(jī)22中，被壓縮并輸出至燃燒器28，以與燃料氣體一起燃燒。將燃燒產(chǎn)物30路由至渦輪膨脹器24以驅(qū)動(dòng)軸18。設(shè)備10可包括空氣分尚系統(tǒng),其將空氣中的氧氣與其它成分分尚開。從壓縮機(jī)22轉(zhuǎn)移在壓縮機(jī)輸出溫度下的一部分壓縮空氣流，壓縮機(jī)輸出溫度通常是在大約600F至1000F的范圍內(nèi)。經(jīng)由第一和第二(即，主)壓縮空氣流通路34中的一個(gè)或多個(gè)將壓縮空氣流路由至渦輪膨脹器24和/或燃燒器28以提供用于其中的構(gòu)件的冷卻，這些構(gòu)件通常在遠(yuǎn)高于大約600F至1000F的溫度下操作，且還需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行此種冷卻來(lái)達(dá)到使用壽命。在路由通過(guò)渦輪膨脹器24之后，在一些實(shí)施例中壓縮空氣流現(xiàn)在處于大約1400F至1600F的溫度下，且作為基礎(chǔ)流100、101路由至空氣分離單元36，在一些實(shí)施例中，空氣分離單元36基于離子轉(zhuǎn)運(yùn)膜片且具有大約1400F至1600F的范圍內(nèi)的操作溫度，從而便于匹配膨脹器的流出物。如果在一些情況下膨脹器流出物處于小于空氣分離單元36的操作溫度范圍的溫 度，則需要壓縮空氣流的附加加熱，且從壓縮機(jī)22輸出的壓縮空氣流可作為補(bǔ)充流102沿第三(即，副)通路流動(dòng)穿過(guò)另一熱交換系統(tǒng)110，以將壓縮空氣流的溫度提高至在空氣分離單元36的操作溫度內(nèi)。補(bǔ)充流102可從壓縮機(jī)22的任何一級(jí)或多級(jí)行進(jìn)，或從第一和第二壓縮空氣流通路34中的一個(gè)或多個(gè)中的任一個(gè)行進(jìn)。當(dāng)補(bǔ)充流102從第一壓縮空氣流通路34行進(jìn)的情況下，補(bǔ)充流102的分流可出現(xiàn)在壓縮機(jī)22與渦輪膨脹器24之間。一旦壓縮空氣流流至空氣分離單元36，則空氣分離單元36將壓縮空氣流分成低壓高溫氧氣40的流和貧氧空氣42的流。在一些實(shí)施例中，貧氧空氣42可經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)貧氧空氣通路流至渦輪膨脹器24，以驅(qū)動(dòng)軸18的旋轉(zhuǎn)，因而提高渦輪機(jī)16的效率。此外，在一些實(shí)施例中，經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)燃燒器通路來(lái)將至少一部分貧氧空氣42從空氣分離單元36路由至燃燒器28且引入燃燒器28中。將貧氧空氣42引入燃燒器28中來(lái)與燃料氣體一起燃燒提高了設(shè)備10的效率和輸出，且例如減少了從燃燒器28的氮氧化物(NOx)的排放。在一些實(shí)施例中，在引入燃燒器28中之前，將貧氧空氣42冷卻至所期望的燃燒器28入口溫度。在又一些實(shí)施例中，輔助壓縮機(jī)220連接到一個(gè)或多個(gè)燃燒器通路上。輔助壓縮機(jī)220用于通過(guò)將附加高壓空氣引入流至燃燒器28的貧氧空氣42的流中來(lái)使通過(guò)一個(gè)或多個(gè)燃燒器通路的流動(dòng)加壓，以進(jìn)一步提高設(shè)備10的效率和功率輸出?？梢砸栽S多不同的方式來(lái)使用高溫氧氣40的流。例如，在一些實(shí)施例中，除進(jìn)料之外，還可將高溫氧氣40引入氣化器中以產(chǎn)生燃料氣體?？扇Q于氣化器的輸入要求來(lái)改變高溫氧氣40的流。作為另一實(shí)例，可在熱交換器47、48，諸如氧氣回流換熱器中冷卻高溫氧氣40的流，在熱交換器47、48中，氧氣40的熱分別與基礎(chǔ)流101和與補(bǔ)充流102交換，補(bǔ)充流102行進(jìn)至又一熱交換系統(tǒng)110。此外，如果期望更高壓的氧氣40的流，則可將氧氣40的流引入氧氣壓縮機(jī)中以將壓力升高至所期望的水平。該設(shè)備10的其它實(shí)例可使用常規(guī)燃?xì)鉁u輪燃料，諸如天然氣或油，且產(chǎn)生的氧氣可輸出用于在工業(yè)設(shè)備中使用。在提供低于空氣分離單元36的操作溫度范圍的溫度下的膨脹器流出物的情況下，又一熱交換系統(tǒng)110加熱補(bǔ)充流102用于將其噴射到空氣分離單兀36中。又一熱交換系統(tǒng)110包括如下文將描述的附加通路和分流器111，分流器111接收作為輸入的高溫流104，高溫流104包括從渦輪機(jī)16的出口輸出的在大約1100F至1150F的溫度下的排出氣體。分流器111將高溫流104分成第一部分105和第二部分106。分流器111可聯(lián)接到控制單元上，且受控制以調(diào)制第一部分105和第二部分106的相對(duì)量。第一部分105從分流器111行進(jìn)至第一部分與其它流體流結(jié)合的結(jié)合單元。第二部分106從分流器111按順序行進(jìn)至第一熱交換器單元113和加熱器114。第一熱交換器單元113可為例如自舉型(bootstrap-type)熱交換器，在該熱交換器中，將第二部分106加熱至大約1300F至1400F。加熱器114可例如為焚燒管(duct burner)，焚燒管設(shè)有燃料流，且在一些情況下，加熱器114還可包括電熱器1141，電熱器1141將第二部分106加熱至大約1500F至1600F。第二部分106從加熱器114行進(jìn)至第二熱交換單元115，第二熱交換單元115可例如為排出空氣熱交換器。在第二熱交換單元115處，第二部分106被采用以加熱朝空氣分離單元36行進(jìn)的基礎(chǔ)流100、101和補(bǔ)充流102的組合。第二部分106從第二熱交換單元115以環(huán)路構(gòu)造行進(jìn)回到第一熱交換單元113，在第一熱交換單元113中，采用現(xiàn)在已經(jīng)加熱的第二部分106 來(lái)加熱第二部分106。然后，第二部分106作為又一部分107從第一熱交換單元113行進(jìn)，又一部分107可與第一部分105組合。參看圖3，根據(jù)備選實(shí)施例提供了備選的又一熱交換系統(tǒng)210。在基礎(chǔ)流100、101的溫度超過(guò)空氣分離單元36的操作溫度范圍的情況下，可采用備選的又一熱交換系統(tǒng)210。如圖所示，補(bǔ)充流102分流成流至熱交換器48的一部分和與基礎(chǔ)流100、101組合以冷卻基礎(chǔ)流100、101的剩余部分。備選的又一熱交換系統(tǒng)210還包括分流器111，分流器111將高溫流104作為輸入接收，如上文所述。另外，分流器111將高溫流104分成第一部分105和第二部分106。第一部分105從分流器111行進(jìn)至第一部分與其它流體流結(jié)合的結(jié)合單元。如上文所述，第二部分106從分流器111行進(jìn)至加熱器114中。第二部分106從加熱器114行進(jìn)至第二熱交換單元115。在第二熱交換單元115處，第二部分106被采用以加熱引送至熱交換器48且通過(guò)熱交換器48的補(bǔ)充流102的一部分。然后，第二部分106可與第一部分105組合。同時(shí)，補(bǔ)充流102的一部分從第二熱交換單元115行進(jìn)，且與基礎(chǔ)流100、101和補(bǔ)充流102的剩余部分的組合組合在一起。然后，在具有在空氣分離單元36的操作范圍內(nèi)的溫度時(shí)，將該組合提供至空氣分離單元36。盡管本發(fā)明結(jié)合僅有限數(shù)目的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)容易理解的是，本發(fā)明不限于這種公開的實(shí)施例。而是，本發(fā)明可修改以合并任何數(shù)目的目前未描述的、但與本發(fā)明的精神和范圍相稱的變型、改變、替換或等同布置。此外，盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的方面可僅包括所述實(shí)施例中的一些。因此，本發(fā)明并未看作是由前述說(shuō)明限制，而是僅由所附權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.一種整體渦輪機(jī)設(shè)備(10)，包括 燃燒器(28)； 渦輪機(jī)(16)，其可操作地連接到所述燃燒器(28)上，且包括壓縮機(jī)(22)和渦輪膨脹器(24)； 通路(34)，其用以使壓縮空氣從所述壓縮機(jī)(22)流過(guò)所述渦輪膨脹器(24)以加熱所述壓縮空氣； 附加通路(104)，通過(guò)所述附加通路(104)從所述渦輪機(jī)(16)輸出的高溫流體被采用以加熱所述壓縮空氣；以及 空氣分離單元(36)，其可操作地連接到所述通路(34)上，且構(gòu)造成用以將所述加熱的壓縮空氣分離成氧氣和貧氧空氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備(10)，其特征在于，還包括沿所述附加通路(104)設(shè)置的熱交換器(113，115)，通過(guò)所述熱交換器(113，115)將熱從所述高溫流體和所述氧氣傳送至所述壓縮空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備(10)，其特征在于，所述熱交換器(113，115)中的一個(gè)或多個(gè)包括氧氣回流換熱器、排出空氣熱交換器和自舉熱交換器中的一個(gè)或多個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備(10)，其特征在于，還包括沿所述附加通路(104)設(shè)置的加熱器(114,1141)以加熱所述高溫流體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備(10)，其特征在于，所述加熱器(114，1141)中的一個(gè)或多個(gè)包括焚燒管。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備(10)，其特征在于，所述空氣分離單元(36)包括離子轉(zhuǎn)運(yùn)膜片。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備(10)，其特征在于，還包括用以使壓縮空氣從所述通路(34)或所述壓縮機(jī)(22)流動(dòng)的副通路(102)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備(10)，其特征在于，所述附加通路(104)構(gòu)造成使得采用所述高溫流體以加熱所述通路(34)和所述副通路(102)的組合中的所述壓縮空氣。
9.一種整體渦輪機(jī)設(shè)備(10)，包括 燃燒器(28)； 渦輪機(jī)(16)，其可操作地連接到所述燃燒器(28)上，且包括壓縮機(jī)(22)和渦輪膨脹器(24)； 第一通路和第二通路(34)，其用以使壓縮空氣從所述壓縮機(jī)(22)流過(guò)所述渦輪膨脹器(24)以加熱所述壓縮空氣； 第三通路(102)，其用以使壓縮空氣從所述第一通路(34)流動(dòng)； 附加通路(100，101和104)，其用以使從所述渦輪膨脹器(24)的出口輸出的高溫流體分流成所述高溫流體的第一部分(105)和第二部分(106)，所述附加通路(104)構(gòu)造成用以至少加熱所述第二部分且至少使所述加熱的第二部分流動(dòng)至所述第一通路、所述第二通路和所述第三通路的組合中的一個(gè)或至所述第三通路以繼而加熱其壓縮空氣；以及 空氣分離單元(36)，其可操作地連接到所述第一通路、所述第二通路和所述第三通路上，且構(gòu)造成用以將所述加熱的壓縮空氣分離成氧氣和貧氧空氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備(10)，其特征在于，所述第三通路(102)構(gòu)造成用以使所述壓縮空氣從限定在所述壓縮機(jī)(22)與所述渦輪膨脹器(24)之間的所述第一通路的位 置流動(dòng)。
全文摘要
提供了一種整體渦輪機(jī)設(shè)備(10)，且該設(shè)備(10)包括燃燒器(28)；可操作地連接到燃燒器(28)上且包括壓縮機(jī)(22)和渦輪膨脹器(24)的渦輪機(jī)(16)；用以使壓縮空氣從壓縮機(jī)(22)流過(guò)渦輪膨脹器(24)以加熱壓縮空氣的通路(34)；附加通路(104)，采用通過(guò)其從渦輪機(jī)(16)輸出的高溫流體以加熱壓縮空氣；以及可操作地連接到通路上且構(gòu)造成用以將加熱的壓縮空氣分離成氧氣和貧氧空氣的空氣分離單元(36)。
文檔編號(hào)F02C6/00GK102953822SQ20121030334
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月24日
發(fā)明者A.K.阿南德, J.E.肖爾斯, V.穆泰亞 申請(qǐng)人:通用電氣公司