[发明专利]用于发电的涡轮系统内的工作流体的再热

说明书

公开了一种构造成提高汽轮机的蒸汽温度和热动力效率的原位递增再热系统。该系统包括：泵；辐射加热器；管路，其使泵、辐射加热器和汽轮机互连来产生流动回路；以及传热材料，其构造成流过流动回路且将热直接传递至用于汽轮机中的蒸汽。泵使传热材料移动穿过流动回路，且辐射加热器在传热材料将热传递至蒸汽之后再生传热材料。

技术领域

本发明大体上涉及用于发电的涡轮系统，且更具体地涉及提供原位递增再热(in-situ incremental reheating)来提高此涡轮系统的热动力效率的系统及方法。

背景技术

蒸汽兰金(steam-Rankine)功率循环是将热转化成动力的标准热动力功率循环。因此，其将热转化成功率的效率最重要是取决于蒸汽升高到的温度(越高越好)和低级热从功率循环移除所处的温度(越低越好)。蒸汽发电设备(steam-electric power plant)处的历史实践已经是使高压(HP)涡轮中的高温蒸汽膨胀，然后在蒸汽在中压(IP)涡轮中膨胀之前再热蒸汽，图1。少数发电设备使用双重再热，其中从IP涡轮发出的蒸汽在发送至低压(LP)涡轮之前又再热。通过提高至蒸汽工作流体的热增加(heat addition，有时也称为供热)的平均温度，提高总体功率循环效率和净设备效率。

单再热蒸汽兰金功率循环的使用对于大于大约150MWe容量的蒸汽发电设备而言是标准的。与双重再热相关联的提高的蒸汽管路/控制成本和更费力的启动和停机操作程序已经限制了其由发电设备开发者/所有者的接受度。现有技术的蒸汽发电设备使用直至4000psia/1120℉的主蒸汽条件和直至1120℉的单再热温度。

汽轮机大体上由呈圆形围绕涡轮轴布置的交替的静止(定子)叶片和旋转(转子)叶片构成。静止叶片转动且加速蒸汽流。蒸汽动量被传递至旋转叶片，其转动涡轮轴且最终转动发电机。定子与伴随的转子一起构成涡轮的单级。典型的HP和LP汽轮机将串联地具有超过10级。

近十年来，研究了利用高达1400℉的单再热温度将蒸汽温度提高至高达1400℉且将压力提高到高达5100psia的前景。然而，将蒸汽温度提高到高于现有技术的1120℉需要使用普通蒸汽发电设备中目前未使用的高镍合金。需要这些高镍合金来在最终过热器/再热器中产生高压主蒸汽和再热蒸汽，以将高压/高温蒸汽从锅炉传送至涡轮。

令人遗憾的是，适合的高镍合金可能消耗比现有技术的发电设备高一个数量级的钢。这已经导致了寻求将高温能量在低于主蒸汽压力的压力下从锅炉传送至涡轮、最小化强度要求且因此最小化这些异金属所需的材料量的备选方式。

因此，仍需要提高蒸汽温度而不需要昂贵的合金和管路的系统及方法。

发明内容

此需求通过本发明解决，本发明提供了一种原位递增再热系统和方法，以提高用于发电中的涡轮系统的热动力效率。

根据本发明的一个方面，一种构造成提高汽轮机的蒸汽温度和热动力效率的原位递增再热系统包括泵；辐射加热器；管路，其使泵、辐射加热器和汽轮机互连来产生流动回路；以及传热材料，其构造成流过流动回路且将热直接传递至汽轮机中使用的蒸汽。泵使传热材料移动穿过流动回路，且辐射加热器在传热材料将热传递至蒸汽之后再生传热材料。

根据本发明的一个方面，一种构造成提高具有高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮的汽轮机的蒸汽温度和热动力效率的原位递增再热系统，该系统包括流动回路和传热材料，该传热材料构造成流过流动回路，且将热直接传递至汽轮机中使用的蒸汽。流动回路包括：泵，其构造成使流体移动穿过流动回路；辐射加热器，其构造成再生流过流动回路的流体；内部流动通路，其延伸穿过汽轮机的涡轮定子叶片；以及管路，其使泵、辐射加热器和流动通路互连。