CN203670119U - 燃气蒸汽联合循环动力设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及联合循环动力设备中独特的太阳能整合方法，提供了一种将补充蒸汽源整合到联合循环动力设备中的方法，联合循环动力设备包括燃气涡轮发动机、发电机和热回收蒸汽发生器(HRSG)，该方法提供太阳能蒸汽发生子系统，其捕获并传递使用太阳辐射的热量，以产生补充过热蒸汽；提供可操作地连接到燃气涡轮的蒸汽涡轮；以及将由太阳辐射形成的蒸汽的一部分喷入蒸汽涡轮的高压段的一个或者多个中间级中。该示例性方法在设备全容量操作时使用由HRSG(具有一个、两个或三个压力水平且带有或不带再热)产生的蒸汽以及由太阳能蒸汽发生子系统产生的蒸汽。明显地，在太阳能蒸汽发生活动或不活动时，高压蒸汽涡轮的节流压力保持基本相同。

Description

燃气蒸汽联合循环动力设备

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

本文所描述的发明包括设计和／或改造联合循环动力设备的方法，以便高效地利用使用太阳辐射的补充蒸汽源(通常是过热的)，且然后将过热蒸汽整合到包含燃气涡轮发动机、发电机、热回收蒸汽发生器(HRSG)和蒸汽涡轮的联合循环设备中。新方法包括以下步骤：提供被整合到HRSG中的太阳能收集子系统，HRSG被设计成捕获并传递使用太阳辐射的热量以及产生补充过热蒸汽；提供操作地连接到燃气涡轮的发电机和蒸汽涡轮；以及将由太阳辐射形成的过热蒸汽的一部分直接喷入蒸汽涡轮的高压段的中间级中。 

设计／改造联合循环设备的方法考虑了使蒸汽涡轮尺寸足够大的需求，以在整个设备全容量操作时利用由HRSG(其可任意地包括一种、两种或三种蒸汽压力，并可包括再热段)产生的所有过热蒸汽，包括由太阳能收集子系统产生的过热蒸汽。因此，本发明有效地将HRSG所产生的过热蒸汽与太阳辐射所形成的蒸汽结合起来。本文所述的新方法还包括专门用于太阳生成蒸汽的可选过热器，太阳能生成蒸汽能可根据补充太阳生成蒸汽的热性质在各种不同操作条件下被整合到HRSG中，并且明显不同于允许太阳能生成蒸汽进入高压蒸汽涡轮中 的已知的基于太阳能的系统，高压节流压力在太阳能收集子系统的“开”和“关”两种操作下保持基本相同。这在太阳能收集子系统“关”时提供改进的热力效率，同时获得了允许蒸汽进入高压蒸汽涡轮中的部分益处。本发明还包括被设计／改造的联合循环设备本身，其包括燃气涡轮、发电机、蒸汽涡轮、HRSG和整合的太阳能收集子系统。 

附图说明

图1是描绘了示例性联合循环设备(包括至少一个燃气涡轮、热回收蒸汽发生器和蒸汽涡轮)的设备主件和流型的工艺流程图，该设备能够并入根据本发明的太阳能蒸汽发生子系统； 

图2是图1所示的总体工艺流程图的一部分，其描绘了利用由外部太阳能设备(目关的流线以更深色形式示出)产生的蒸汽的已知选项，这导致在太阳能蒸汽发生系统“开”时与本发明相比明显更低的联合循环设备的总体热效率； 

图3描绘了图1所示的总体工艺流程图的第二部分，其示出利用由太阳能设备产生的蒸汽的另一已知选项，但是当太阳能蒸汽发生系统“开”时再次表现出与本发明工艺流程配置相比更低的热效率； 

图4示出了图1的总体工艺流程图的第三部分，其描绘了利用由太阳能设备产生的蒸汽的第三选项。当太阳能蒸汽发生系统“开”时，热效率可类似于本发明，但是当太阳能蒸汽发生系统“关”时，热效率与本发明相比将明显更低； 

图5描绘了图1所示的总体工艺流程图的第四部分，其示出了利用由太阳能设备产生的蒸汽的又一选项。当太阳能蒸汽发生系统“开”时，热效率将通常高于本发明，但是当太阳能蒸汽发生系统“关”时，热效率与本发明相比将明显更低； 

图6是示出了利用外部太阳能蒸汽发生设备的本发明第一实施例的流型和设备主件的工艺流程图，其获得太阳能生成蒸汽进入高压蒸汽涡轮的大部分益处，同时在太阳能蒸汽发生系统“关”时基本消除 热效率损失；以及 

图7是示出了本发明第二实施例的流型和设备主件的工艺流程图，其也获得太阳能生成蒸汽进入高压蒸汽涡轮的大部分益处，同时在太阳能蒸汽发生系统“关”时基本消除热效率损失。 

附图标记： 

100设备 

102燃气涡轮发动机 

103空气进料 

105烃燃料 

104燃料气体加热器 

106发电机 

107高压(“HP”)涡轮段 

108中压(“IP”)段 

109低压(“LP”)段 

113高压蒸汽过热器 

110冷凝器 

111离心冷凝泵 

114、115再热器 

112加压冷凝物 

122低压蒸发器 

121中压蒸发器 

117高压蒸发器 

130蒸发器进料水平控制阀 

140高温锅炉给水流 

134、135离心高压锅炉给水泵 

136较高压力排放物 

131水平控制阀 

133Bfw排放物 

143水平控制阀 

118高压节热器(economizer) 

120低压过热器 

137过热蒸汽 

145低压蒸汽进料 

108中压段 

146“跨接”管 

119中压过热器 

142控制阀 

132高压蒸汽管线 

138结合过热蒸汽进料 

127再热蒸汽 

128控制阀 

129中压进料管线 

117高压蒸发器 

116高压过热器 

125高压过热蒸汽排放物 

126蒸汽控制阀 

139高压喷射进料管线 

123高温排气排放物 

101HRSG 

124低温排气 

200第一已知选项 

201锅炉给水流 

202低压太阳能蒸汽发生器 

203补充低压蒸汽排放 

300流型 

302太阳能蒸汽发生器 

303过热蒸汽 

301锅炉给水排放 

302太阳能蒸汽发生器 

400太阳能设备 

401高压进料 

402太阳能蒸汽发生器 

403高压蒸汽进料 

500第四选项 

502高压太阳能蒸汽发生器 

501高压给水 

503太阳能场 

113高压过热器 

600工艺流程图 

601高压高温水 

602太阳能蒸汽发生器 

603蒸汽 

604任选过热器 

605过热蒸汽排放 

606控制阀 

607过热补充蒸汽进给管 

604过热器 

700第二示例性实施例 

701高压高温水 

702高压太阳能发生器 

703太阳能发生器 

704任选过热器 

705补充过热蒸汽 

704任选过热器 

708、710高压蒸汽喷射点 

711、712蒸汽控制阀。 

具体实施方式

如上文概括的，本发明提供了使用太阳能来提高联合循环动力设备的效率和电输出的新方法和系统，特别是涉及使用由太阳能子系统产生的过热蒸汽的独特方法，该太阳能子系统可经由热回收蒸汽发生器(HRSG)被整合到联合循环设备中，并且在整合的太阳能子系统“开”时导致更高的总体设备效率，同时减轻在太阳能子系统“关”时通常观察到的效率损失。 

作为一般建议(如图1中反映的)，该方法和系统包括：至少一个燃气涡轮发动机，用以燃烧烃燃料并产生高温排气；至少一个热回收蒸汽发生器，能够从所述高温排气产生过热蒸汽；与燃气涡轮和HRSG整合的有效传热介质(水和／或蒸汽)；操作地连接至HRSG的蒸汽涡轮，HRSG尺寸确定为在燃气涡轮和太阳能蒸汽发生单元全容量操作时容纳该HRSG中产生的蒸汽；操作地整合到HRSG中的单独的“成套”太阳能蒸汽发生器单元，其捕获太阳辐射以加热传热介质(高压水)并产生高压过热蒸汽；以及蒸汽输送装置，用于将太阳能生成蒸汽运输到蒸汽涡轮的高压段的一个或多个级中。 

在本文所描述的示例性实施例中(例如图6和7)，燃气涡轮、HRSG、太阳能蒸汽发生器和蒸汽涡轮可以是原始联合循环设备的整合部分，即，新的混合设备。备选地，太阳能蒸汽发生器可并入已有的联合循环设备中作为改造的额外工艺构件。在任何情况下，利用太阳能的联合循环／蒸汽发生系统能在不同时间不同环境下操作，例如当太阳能可用时仅在白天，或者如果太阳能输入在白天变化则在可变条件下。另外，对已有联合循环操作而言，补充加热和太阳能蒸汽发生的使用是理想的，但不是必要的。因此，该系统利用或不利用额外的太阳能生成蒸汽都提供明显的效率优点。 

如上所述，过去已使用各种改造太阳能蒸汽设计以将太阳能蒸汽引入蒸汽涡轮本身或HRSG中。为了更好地理解本发明的本质和重要性，那些不同的现有设计在下面结合图2、图3、图4和图5描述并标识为选项1到4。典型地，过去，来自太阳能场的流体流已被整合到HRSG的低压段中，从减少对HRSG中及周围的流型的改变的观点看，这是其中一种挑战最小的设计。但是这种低压整体设计遭受相对低的热力效率，因为任何额外功必须仅从蒸汽涡轮的低压段取出。 

另一已知的备选太阳能整体改造将太阳热能产生的蒸汽混入到HRSG的低温再热段。同样，该备选方案与低压整体化相比仅呈现略好的效率。 

已做出其它尝试以将太阳能生成蒸汽直接供给到HRSG的高压段中或高压蒸汽涡轮自身的入口中。当太阳能蒸汽发生活动时，太阳能蒸汽进入高压HRSG段或蒸汽涡轮入口通常提供最高的热力效率。但是，相比所提到的每个其它备选方案，那些备选方案将在太阳能蒸汽发生系统不活动时具有降低的热力效率。另外，这些选项总是包含用于太阳能场本身的复杂且昂贵的设计，例如，导致增加的制造与维护成本的上游管道和汽包／蒸发器。 

本发明表现出与这些已知太阳能蒸汽选项的明显差异。简言之，过热太阳能蒸汽利用外部成套子系统产生，该子系统在涡轮中的一个或多个中间范围压力级处将补充过热蒸汽供给到蒸汽涡轮的高压段中。如此，该系统与已知现有设计的明显区别在于在涡轮的高压、中压或低压段的入口的上游供给蒸汽。新配置(例如，如以下图6和图7所示)还通过在HRSG中任意地包含过热器段而允许供给到涡轮的太阳能蒸汽的非常精确和准确的温度匹配，过热器的需求由设备中的实时操作条件(其可能长时间或甚至整日变化)确定。最后，本发明在太阳能发生子系统“开”时相比低温再热和低压蒸汽引入导致更高的联合循环设备的总热效率，在太阳能发生子系统“关”时不经历高压引入通常引起的效率损失。另外，相比使用高压HRSG或蒸汽涡轮节流 引入的其它设计，高压级间引入所需要的较低压力实施起来更加简单且更加节省成本。 

转到附图，图1是描绘了能够并入根据本发明的太阳能蒸汽发生方法与系统的示例性联合循环设备的设备主件和流型的一般工艺流程图。整个设备大体用100表示且包括燃气涡轮102，燃气涡轮102使用经过空气处理后供入燃气涡轮中的空气进料103以及在进入燃气涡轮之前流经燃料气体加热器104的烃燃料105操作。燃气涡轮102操作地连接到发电机106，其继而联接至图1中表现为包含三个单独段的蒸汽涡轮，即高压(“HP”)涡轮段107、中压(“IP”)段108和低压(“LP”)段109。 

图1以及相关的图2至图7均涉及一种“单轴”配置，即单个燃气涡轮和仅仅一个蒸汽涡轮在单根轴上与一个发电机联接。但是，本发明也可适用于“多轴”配置，且因此将包括两个或三个燃气涡轮发动机(每个都连接到其自身的HRSG，且每个都给单个蒸汽涡轮供应蒸汽)。在多轴配置中，每个燃气涡轮和蒸汽涡轮将具有其自身专用的发电机。因此，尽管本文的附图和说明书示出了示例性的单轴实施例，但是应当理解，本发明还适用于其它混合／联合循环配置，包括但不限于，一机双轴、一机三轴、一机四轴、无再热HRSG、单流低压蒸汽涡轮和类似的联合循环系统。 

在图1中，来自蒸汽涡轮的低压排放物作为离心冷凝泵111的主要进料传入冷凝器110中(泵进料包括额外的补给水)。冷凝泵111尺寸确定为将增压冷凝物112供入低压蒸发器122中，而流量经由蒸发器进料水平控制阀130监测和控制。低压蒸发器122利用从燃气涡轮排气传来的一部分热量产生高温锅炉给水流140，其一部分被供入离心高压锅炉给水泵134和135中。来自锅炉给水泵135的更高压力排放物136(连同来自低压蒸发器122的一部分锅炉给水(bfw))使用监测并控制进料量的水平控制阀131直接供入中压蒸发器121中。 

来自锅炉给水泵134的bfw排放133经水平控制阀143传入高压 节热器118中。从工艺设计观点来看，图1中的高压节热器118可以是在一侧带有高温水而在另一侧带有作为加热介质的燃气涡轮排气的一部分的常规换热器。由低压蒸发器122产生的饱和蒸汽供入低压过热器120中，然后所得的过热蒸汽137作为低压蒸汽进料145经蒸汽控制阀传入蒸汽涡轮的低压段109中。低压蒸汽进料145经由“跨接”管146与来自蒸汽涡轮的中压段108的排气结合。 

同时，由中压蒸发器121产生的饱和蒸汽传入中压过热器119中，成为通过控制阀142且然后如所示那样进入再热器114和115中的组合进料的一部分。供给至再热器114的蒸汽还包括经高压蒸汽管线132从高压涡轮107排出的蒸汽，其与由中压过热器119产生的蒸汽结合而形成进入再热器115中的组合过热蒸汽进料138。再热蒸汽127然后可使用控制阀128经由中压进料管线129被直接供入蒸汽涡轮的中压段108中。 

作为在一侧有水且在另一侧有高温排气的高压换热器操作的高压节热器118将在节热器中加热后的锅炉水供入高压蒸发器117中，以产生非常高压的饱和蒸汽(例如名义上高达2400psi)。饱和高压蒸汽经过高压过热器116，其同样利用由燃气涡轮发动机提供的热量来产生过热蒸汽。过热蒸汽然后经过高压蒸汽过热器113。所得高压过热蒸汽排放物125经蒸汽控制阀126和所示高压喷射进料管线139直接供入蒸汽涡轮的最高压段107中。 

如图1清楚表明的，在使用HRSG的常规联合循环系统中，来自燃气涡轮102的高温排气排放物123直接供入HRSG101中，其在本实施例中限定包括高、中、低压再热器作为HRSG和联合循环的整合部分的“三压力再热”型HRSG。在所有这样的三压力再热系统中，来自燃气涡轮的高温排气如图所示直接供入HRSG中并最终作为相对低温的排气124离开。 

明显地，由于本文所述的基于太阳能的蒸汽发生单元的模块化本质，根据联合循环设备中的HRSG的初始设计和操作特性，本发明可 用在带有三个、两个或一个压力水平且带有或不带有再热的HRSG上。到太阳能蒸汽发生子系统的进料还可源于设备中的许多不同源，并且仍用于提高系统的总体效率，例如包括来自图1中高压节热器118的蒸汽或来自较低温度水源，例如来自冷凝泵111的排放。 

因此，图1中HTSG的三压力再热流型包括在HRSG的不同部分中再热高压蒸汽的装置(参见再热器114和115)。但是，本发明不仅可用于三压力再热系统，还可用于较老的两压力或单压力再热系统，或者甚至无再热HRSG配置。一般而言，两压力再热系统将不包括上文结合图1描述的中压HRSG段，而是仅仅依靠高压和低压HRSG段。单压力再热系统将在名义上仅仅包括高压段而没有图1中的中压和低压段。无再热实施例将不再热蒸汽涡轮的高压排气，而是把排气(处于大约600-700°F)直接供入蒸汽涡轮的中压段中。 

如还在图1中所见，蒸汽涡轮的中压排气经“跨接管”146供入蒸汽涡轮的低压段中，从而与低压过热器120的排气结合成为如以145所示供入涡轮低压段的组合蒸汽。图1中的各种低压、中压和高压蒸发器(分别是项122，121和117)都利用来自燃气涡轮的热量操作，以将它们各自的高温水进料蒸发成饱和蒸汽以在相应饱和蒸汽温度下排出。所得饱和蒸汽进料如上所指之后在下游的操作中被过热。 

附图的图2示出了图1中所示的一般工艺流程图的一部分，其描绘了利用由外部太阳能设备(用实线表示相关流线)产生的蒸汽的第一已知选项(大体显示为200)，并且表现了带有比本发明低得多的总热效率的设计。图2中绘出的低压蒸汽段名义上在约50-150psi的范围内操作，与在大约350-550psi下操作的中压段和在大约1800-2400psi下操作的高压段相比。如图2所示，太阳能设备所产生的蒸汽直接供入HRSG的低压段(在约50-100psi下操作)中。 

图2中的该第一已知选项蒸发锅炉给水，过热在从低压汽包抽取后的所得饱和蒸汽，并且将过热蒸汽直接引入HRSG的低压段中。虽然该设计从设计图看不那么复杂并且可能更容易被改造到已有的联 合循环设备中，但是它与本发明相比遭受显著的低热效率。例如，因为太阳能生成蒸汽仅被允许进入蒸汽涡轮的低压段中(且提供相对较小的机会用于膨胀做功)，该第一选项的热效率是图2至图5所讨论的已知设计选项中最低的。 

具体参照图2的流配置，锅炉给水流201从低压节热器(参见图1)的排放物提取并进入低压太阳能蒸汽发生器202中，如前面所述，其通常包括成套的整合太阳能蒸汽生产单元。由太阳能产生的低压蒸汽通过所示的补充低压蒸汽排放203直接送回系统，并且与正由上文结合图1所述的低压蒸发器122生成的蒸汽组合。 

图3示出了图1中的一般工艺流程图的第二隔离部分，其描绘了利用使用太阳能非现场产生的蒸汽且通常称为“低温再热蒸汽引入”的第二已知选项。这里使用的术语“低温再热”是指使用太阳能来蒸发和过热中压给水且将太阳能生成蒸汽混入高压排气流中。 

大体以300示出的图3流型包括利用来自锅炉给水泵134(参见图1)的锅炉给水排放301的部分产生过热蒸汽303的太阳能蒸汽发生器302。图3还示出，由太阳能蒸汽发生器302提供的过热蒸汽与由中压过热器119提供的过热蒸汽结合为到再热器115(再参见图1)的单一蒸汽进料。 

明显地，图3绘出的第二选项在原理上类似于图2所示的低压蒸汽引入(第一选项)，因此同样遭受类似的低热效率和实施问题。图2和图3中的选项1和2的增加热效率被发现为大约35％或以下。相比图2的第一选项，图3选项中使用的锅炉给水在中压汽包的上游但在中压锅炉给水泵(在大约300-650psi下操作)的下游被取出。水然后在蒸汽涡轮高压排气的下游但在再热器的上游的点被引入。 

图3中引入补充太阳能生成蒸汽的方法可能比图2中的低压选项具有更高的热效率，因为太阳能生成蒸汽经蒸汽涡轮的中压和低压段两者膨胀。但是，该第二选项已被证实当在联合循环中实施时由于涉及到更高压力而会更加复杂和昂贵。另外，将太阳能生成蒸汽引入图 3中的低温再热管中增加了中压入口处以及高压出口处的压力，由此将膨胀功从蒸汽涡轮的高压段转移到中压段(基于压力比)。由于更热的高压排气温度(减少的膨胀和对应的低温下降的结果)和更高的中间入口压力，膨胀功的实质转移不利地影响现有蒸汽涡轮设计。该设计甚至可引起蒸汽涡轮轴推力不平衡。虽然图中3的选项2不遭受明显的太阳能“关”损失，但是该系统仍然被发现比图6和图7中绘出的发明低效。 

图4示出了图1的一般工艺流程图的第三部分，其描绘了利用太阳能设备所产生的蒸汽的另一已知选项(大体示出为400)。当太阳能蒸汽发生“开”时，该选项显出类似于本发明的热效率，但是当太阳能蒸汽发生子系统“关”时，该选项也观察到明显的效率损失。图4选项在原理上类似图3所示的低温再热系统。但是，水从高压汽包的上游抽出，且蒸汽通过高压过热器113上游的高压过热器之一被重新允许回到HRSG中。第三选项依靠来自高压节热器(图1中的118)的单独高压进料401，其传入并通过太阳能蒸汽发生器402，从而产生与到高压过热器116(图1)的进料结合的高压蒸汽进料403。 

图4所示的系统可为当补充太阳能加热子系统活动时上文结合图2、图3和图4讨论的三种选项中热效率最高的。但是，与前两个选项不同，图4设计遭受大得多的太阳能“关”性能损失。特别地，高压节流压力成为确定蒸汽涡轮和HRSG设计(例如冲击壳厚度、螺栓设计、阀尺寸、管道、管厚度等)的主导因素。因此，如果联合循环蒸汽涡轮已被设计用于给定的高压节流压力(例如，假设1900psi以用于说明目的)，则该压力限定了使用高压太阳能蒸汽喷射的最大操作压力。因此，如果过热太阳能蒸汽例如占整个高压蒸汽产量的25％，那么当太阳能蒸汽不可用时，设计压力必须降低到大约1450psi。结果，当在太阳能“关”条件下操作时，设备将被迫接受与较低总压力相关联的性能损失。 

明显地，上述第二选项不会出现相同问题。在图3中，当太阳能 蒸汽不可用时，中压比降低而高压比升高，且高压节流压力保持不变。实质上，压力比从中压切换到高压，但蒸汽涡轮的总功保持基本不变。 

图5描绘了图1中用于联合循环设备的一般工艺流程图的又一部分，其示出了利用太阳能设备所产生的蒸汽的第四选项(大体以500表示)。类似于选项3，当太阳能蒸汽发生“开”时该选项显出类似于本发明的热效率。但是，当太阳能蒸汽发生子系统“关”时该选项也遭受明显的效率损失。因此，图5示出，在某些条件下可能将来自高压太阳能蒸汽发生器502(其处理从高压节热器118排出的高压给水501)的过热蒸汽如图所示直接供入蒸汽涡轮的高压段中。来自太阳能场503的排放物在被供给至蒸汽涡轮的高压段107之前与来自高压过热器113的进料结合。 

实质上，图5示出，在某些受限的工艺条件下，太阳能场可引入足量的过热到蒸汽中，以允许其被直接供入涡轮的高压入口中。但是，该第四选项在太阳能场不操作时同样遭受明显的热效率损失。当太阳能场开启时，高压节流压力明显升高，由此要求蒸汽涡轮自身尺寸增大(导致高得多的设备和操作成本)。当太阳能场关闭时，节流压力明显下降，又导致涡轮和整个设备的明显总体性能损失。如下面结合图6和图7描述的，本发明基本避免了同样的太阳能“关”损失，从而导致明显更低的发电成本(COE)和更高的效率。 

图6是描绘本发明第一实施例的流型和设备主件的工艺流程图，其大体以600示出，利用导致联合循环设备的明显更高热效率的外部太阳能蒸汽发生设备。在图6中，来自高压节热器118的高压高温水601供入高压太阳能蒸汽发生器602中，其继而供给过热蒸汽603进入和通过任选过热器604。来自任意过热器604的过热蒸汽排放605经控制阀606经由过热补充蒸汽供给管607直接传入蒸汽涡轮高压段上的一个或多个中压位置。 

如前面所述，图6中使用的太阳能技术(大体由太阳能蒸汽发生器602表示)包括可被该装到现有联合循环设备中的一个或多个模块化太 阳能场，并且增大基于太阳能的蒸汽产量。该系统还可按比例缩放以满足使用带有一个、两个或三个压力水平且带有或不带再热的HRSG配置的广泛发电系统。典型地，太阳能蒸汽发生器602包括能将太阳能热量反射到安装在中央动力塔顶部的热接收器的多个追日定日镜。会聚的热量使热接收器内的水沸腾以产生过热蒸汽。设备用管道输送来自每个热接收器的蒸汽并将过热蒸汽汇集以供入设备中。 

图6中过热器604(也参见图7中的项704)的使用被认为在实施本发明时是“任选的”，因为其使用主要依赖于被产生并经HRSG整合到联合循环设备中的太阳能蒸汽的热特性。另外太阳能蒸汽的物理和热特性继而依赖于所涉及太阳能技术的具体类型。例如，某些油基太阳能系统通常不能提供高于约700-750°F的蒸汽。在此类情况下，本发明设想到包括如图所示的任选过热器604。最近，其它技术具有提供更高温度和压力下的太阳能蒸汽(例如高达约1100°F)的能力。因此，任选过热器604可不被需要，但为了兼容某些操作模式而仍然被期望。另外，由太阳能设备在这种升高的温度和压力下产生的蒸汽有时候可被直接引入蒸汽涡轮的高压段中。 

在图6的实施例中，标示为“高压太阳能蒸汽发生”的工艺步骤(项602)涉及一种商业上可用的示例性太阳能蒸汽系统，例如由位于加利福尼亚州伯班克市的eSolar有限公司生产的系统。eSolar已经研发出一种民用级太阳能动力设备，其使用小型平坦预制镜(定日镜)来非常准确地追踪太阳并将其热量反射到塔装的接收器，其继而产生过热蒸汽。系统地间隔开的字面上数千定日镜可使用软件算法对齐并受控，以精确地会聚太阳能。定日镜组合而形成模块化集热场，其通常包括南北朝向的定日镜子场。定日镜场将日光集中到安装在中央塔上的热接收器。该设计由此可选地优化了布局并增大了用于产生补充蒸汽源的积蓄热能。 

在图6中，到太阳能蒸汽发生场(参见高压太阳能蒸汽发生器602)的初始进料可来源于联合循环设备中一些不同源，且仍然用以提高系 统的总体热效率，包括例如来自图1中高压节热器118或者来自其它低温水源的进料，例如来自高压锅炉给水泵134的排放物。因此，本领域技术人员将了解，图6所示的过热器604(图7中项704)的需要被认为在实施本发明时是任选的，并且主要依赖于并入联合循环设备中的太阳能蒸汽的热特性。那些物理和热特性继而依赖于太阳能技术的具体类型。 

最后，图7是针对本发明的第二实施例(大体标示为700)示出流型和设备主件的工艺流程图，其同样在太阳能蒸汽发生子系统“开”时导致类似于选项3的热效率，但是在太阳能蒸汽发生子系统“关”时避免明显的效率损失。该备选实施例包括来自高压太阳能蒸汽发生的多种可能进料，带有或不带有以上结合图6中所描述的任选过热器。过热蒸汽被直接喷入高压蒸汽涡轮的一个或多个中间级中。来自高压节热器118(参见图1)的高压高温水701供入高压太阳能发生器702中，且来自太阳能发生器的所得过热蒸汽703如上所述经过任选过热器704。来自任选过热器704的补充过热蒸汽705然后分别使用单独的蒸汽控制阀711和712在高压蒸汽喷射点708和710供入高压蒸汽涡轮的一个或多个相关级中。 

如上所述，进入高压蒸汽涡轮107的相关中间级中的太阳能生成的一种或多种蒸汽的使用已被发现给蒸汽涡轮和整个联合循环提供操作益处。另外，其中存在多个中间蒸汽引入的各种不同操作情境导致明显的总体操作益处。作为一个示例，当外部环境温度变化时或者当整个联合循环设备负载一直变化时，实施例可依赖于太阳能生成蒸汽与局部级间温度的温度匹配。 

虽然已结合被认为最实际和优选的实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明意图覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。 

Claims (10)

1.一种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，用于使用从高温排气传来的热量产生过热蒸汽；

操作地连接到所述热回收蒸汽发生器的蒸汽涡轮；

与所述热回收蒸汽发生器整合的单独太阳能蒸汽发生子系统，用于产生额外量的高压过热蒸汽；

传热介质，用于产生高压过热蒸汽；以及

高压蒸汽喷射装置，用于将来自所述太阳能发生单元的过热蒸汽喷入所述蒸汽涡轮的高压段的一个或多个中间级中。

2.根据权利要求1所述的燃气蒸汽联合循环动力设备，其特征在于，还包括蒸汽喷射装置，以用于将由太阳辐射形成的所述过热蒸汽喷入所述蒸汽涡轮的高压段的一个或多个中间级中。

3.根据权利要求1所述的燃气蒸汽联合循环动力设备，其特征在于，所述蒸汽涡轮的尺寸足以在全容量操作时利用由所述热回收蒸汽发生器和由所述太阳能蒸汽发生子系统产生的所有过热蒸汽。

4.根据权利要求1所述的燃气蒸汽联合循环动力设备，其特征在于，在所述太阳能蒸汽发生子系统活动或不活动时，所述蒸汽涡轮的所述高压段的节流压力保持基本相同。

5.根据权利要求4所述的燃气蒸汽联合循环动力设备，其特征在于，所述太阳能蒸汽发生子系统提供热效率益处并在所述子系统“关”时避免效率损失。

6.根据权利要求1所述的燃气蒸汽联合循环动力设备，其特征在于，还包括太阳能蒸汽喷射装置，以用于将由太阳辐射形成的所述过热蒸汽供入所述蒸汽涡轮的所述高压段的一个或多个中间级中。

7.根据权利要求1所述的燃气蒸汽联合循环动力设备，其特征在于，所述蒸汽涡轮包括高、中和低蒸汽压力子段。

8.根据权利要求1所述的燃气蒸汽联合循环动力设备，其特征在于，还包括进料分离装置，以用于将所述高压过热蒸汽分成一个或多个流以喷入所述高压蒸汽涡轮的对应中间级中。

9.根据权利要求1所述的燃气蒸汽联合循环动力设备，其特征在于，所述热回收蒸汽发生器包括一个或多个蒸汽再热段。

10.根据权利要求1所述的燃气蒸汽联合循环动力设备，其特征在于，所述热回收蒸汽发生器包括至少一个蒸发器、一个或多个蒸汽过热器以及一个或多个节热器。

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