CN101487422B - 用于保护燃气涡轮机的进气道的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种方法和系统，其增加能够用于多种操作模式的燃气涡轮发动机的轴输出。该系统包括：清洗单元，其能够将雾化水喷射进燃气涡轮发动机内，从而得以从至少一个压缩机叶片释放污物；以及至少一个喷水单元，其能够在计算流体动力学模型的控制下将雾化水喷射到燃气涡轮发动机的进气道的气流中或燃气涡轮机处的气流中，以便增加所述气流的质量流，其中能够增加所述燃气涡轮发动机的动力输出。

Description

用于保护燃气涡轮机的进气道的系统
本申请是2007年9月11日提出的名称为“用于增加涡轮机动力输出的系统和方法”的中国专利申请200710145345.6的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮机的领域。具体地，本发明涉及用以保护燃气涡轮机的进气道的系统，另外，本发明还涉及用于结合水输送设备的高压压缩机清洗的系统和方法，用于提高燃气涡轮机的质量流，从而提高其动力输出，由此使用预定的计算流体动力学转化模型控制该系统。
背景技术
产生动力需要燃气涡轮机消耗大量的空气。燃气涡轮机极大程度上依赖于用于其性能的周围空气状况。例如温度、气压和含水量等周围空气状况影响燃气涡轮机的压缩机压缩空气的能力，因此影响其性能。换句话说，燃气涡轮机动力是压缩所能达到的总质量流的函数，结合燃料和膨胀以驱动涡轮部。质量流量直接与发动机动力输出成比例。燃气涡轮机是固定体积机器(即，它们按照固定的几何形状运行)，从而，空气密度是燃气涡轮机产生动力的能力中起重要作用的一个参数。空气温度和空气密度直接相互关联。随着空气温度升高，空气密度减小，从而使得质量流的势能降低。随着质量流减小，燃气涡轮机的输出也降低。其它对燃气涡轮机的性能具有重要影响的关键参数包括压力比和压缩效率。
通过控制燃气涡轮机的进气口处的水汽含量能够控制质量流。因此，空气能够饱含水汽，以将总质量流回复到涡轮机设计的最高水平。饱和可通过仅仅使涡轮机周围的空气饱和产生。替代地，一种增大总质量流更积极的方法是向涡轮机的压缩机或燃烧室内喷水，以使空气过饱和。过饱和允许熔化热进一步向工作流体加压并且将涡轮机输出增大到高于饱和空气输出水平的水平。
然而，因为燃气涡轮机在给定的时间周期内遇到的温度的范围(即，温度以24小时或一年的时间周期变化)，难以实现适当的空气饱和。由于这些温度变化，饱和所需的水也相应地变化。对于给定的天气和发动机负载条件，要达到饱和或过饱和需要对应的水量。因而，使用了湿度检测和抽吸装备以提供适当的、用于实现适当的饱和或过饱和水平的水量。使用过多的水会导致“喷洒过多”，在此情况下，空气不能吸收/保持多余的水。通过腐蚀和/或浸没燃气涡轮机的气道，多余的水能够损害运行。相反，水太少将不会使空气饱和，并且不会实现充分的质量流增加效果。
另一个问题是涡轮机内、尤其是压缩机内污物或杂质粒子的积聚，其能够影响燃气涡轮机的效率，因此影响其动力输出。例如燃气涡轮机等机器消耗大量的空气。空气含有呈浮尘和小颗粒状的杂质粒子，通常，它们进入到压缩机并且粘附在压缩机的气体通道内的部件上。因为堆积的污物增加了部件表面的粗糙度，压缩机污物改变气体通道部件的边界层气流的特性。随着空气流过所述部件，表面粗糙度的增加导致边界层气流增厚。边界层气流的增厚对压缩机的空气动力学特性产生不利影响。在叶片的后缘，气流形成尾流。此尾流是旋涡状的湍流，对气流有不利的影响。边界层越厚，尾流湍流越强。尾流湍流和较厚的边界层一起降低了通过发动机的质量流。厚边界层和强尾流湍流使压缩压力增益减小，这转而使发动机以降低的压力比运行。压力比降低使得发动机的效率降低。另外，压缩机的污物降低了压缩机的等熵效率和多变效率。压缩机效率降低意味着压缩等量的空气时压缩机需要更多的动力。结果，驱动压缩机所需的动力增加，从而，驱动负载所能用的余量动力变少。
清洗燃气涡轮机消除污物，这可以在发动机关闭后进行，也可以在发动机运行时进行。在前面的示例中，当将清洗水喷射进压缩机内时，可以使用其起动马达曲柄起动发动机轴。曲柄起动时，通过化学作用和机械运动去除污物。水和去除的污物材料通过气流输送到发动机的排出端。此过程称为“曲柄”清洗或者“离线”清洗。离线清洗的替代方案是“在线”清洗，其中在运行中清洗发动机。当发动机燃烧燃料时，“在线”或者“燃烧”清洗发生。当转子高速旋转时，清洗水被喷射进压缩机。由于转子转速高，水的保留时间短，此冲洗不像曲柄清洗那样有效，但是却允许在运行时清洗。
典型地，为了增加燃气涡轮机动力，在整个涡轮机上使用了大量的测量仪表以测量机器的温度、位移、压力和填充量。然而，因为其昂贵、使用上的复杂、以及发生由于测量仪表不一致或故障所产生的操作失误的趋势和可能增加，依赖于这种大量的测量仪表的动力增加是有问题的。需要在增加燃气涡轮机动力时避免对这种复杂、大量的测量仪表的依赖性。
因此，工业上需要用于在使用计算流体动力学转化模型控制系统的操作条件的广泛范围上增加燃气涡轮机的动力输出的方法和设备，所述燃气涡轮机包括但不限于固定式燃气涡轮机。
发明内容
根据本发明提供一种用以保护燃气涡轮机的进气道不受由于通过动力增加喷雾弄湿进气道所产生的腐蚀的系统，所述系统包括：水槽，其捕获在所述进气道的内入口壁上流动的冷凝水；入口排放管，其从所述水槽接收所捕获的冷凝水；积聚器，其定位在收集所捕获的冷凝水的所述入口排放管内；液位传感器，定位在所述积聚器上，当冷凝水的液位达到所述液位传感器的高度时，所述液位传感器致动排放阀以排放积聚的冷凝水，并且其中，当致动所述排放阀时，所述排放阀在通过所述液位传感器致动时排放所捕获的冷凝水。
用于增加燃气涡轮机的动力输出的示例系统包括：
(a)泵单元，具有或不具有变频控制，具有正排量泵的优选构造；
(b)连接到泵单元的控制单元，其预先填充喷射阵列以避免起动时的动力波动，所述控制单元基于至少一个限定参数、根据预定的联合循环组和计算流体动力学分析以形成控制模型，从而调整单元调节泵单元的运转；
(c)连接到泵单元的清洗单元，清洗单元包括至少一个喷嘴和用于控制供给至所述至少一个喷嘴的水流速的至少一个阀；
(d)连接到泵单元的至少一个喷水单元，所述至少一个喷水单元包括至少一个喷嘴和用于控制供给至所述至少一个喷嘴的水流速的至少一个阀；以及
(e)连接到控制单元的天气监测单元，其中天气单元指示所述至少一个限定参数的至少其中之一；
(f)包括至少一个完全紧固的喷嘴和喷嘴支撑结构的阵列；
(g)进气道处理设计，以在与雾冷凝物接触时保护无抗蚀性的进气道。
从结合附图使用的下列描述，将会更好地理解表述本发明不同方面——关于机构和操作方法两者——的特征的特点以及进一步的目的及其优点。可以清楚地了解，这些图是出于示例和描述的目的，并非意为限制性的限定。
附图说明
在下面的详细描述中将参照附图，图中：
图1示出燃气涡轮机的代表性空气入口的示意图。
图2示出根据一种实施方式的示意图。
图3示出根据一种实施方式的示意图。
图4示出根据一种实施方式的示意图。
图5示出根据一种实施方式的示意图。
图6示出根据一种实施方式的示意性线路图。
图7示出根据一种实施方式的示意图。
图8示出根据一种实施方式的示意性线路图。
图9、9a、9b以及9c示出喷射阵列以及喷嘴与结构的紧固的示意图。
图10示出入口腐蚀保护和压缩机排水系统的示意图。
图11示出入口排放阀的示意图。
具体实施方式
燃气涡轮机具有广泛的应用，例如发电、气体压缩和许多其它机械传动应用。这里提出的各个方面能够用于任何类型的燃气涡轮机；然而为了方便，这里就发电站使用的燃气涡轮机进行描述。本领域普通技术人员能够容易地理解用于其它类型的适当涡轮机所需的调整。
图1示出燃气涡轮机进气部分的代表性构造。箭头示出气流的方向。周围空气通过露天百叶窗(weather louver)102、滤网103以及空气过滤器104进入管道101，到达燃气涡轮机10的入口。燃气涡轮机10包括具有叶片的转子和外壳11。在轴的前端，压缩机叶片12将空气压缩至高压，例如，通常是10到30倍的通常气压。压缩的空气被输送到燃烧室13。燃料(未图示)在燃烧室13内燃烧。热的燃烧气体膨胀而通过涡轮机14并通过排气道(未图示)离开设备。涡轮机动力输出大于压缩机动力需求，使得轴上能够获得动力。动力余量被用于驱动例如发电机、泵、压缩机、推进器等负载。
经过露天百叶窗、滤网和过滤器的周围空气流A的流速在约10米/秒至约20米/秒的范围内，更典型地为约10米/秒。空气从区域B流进区域C时，基本保持其速度。空气进入区域D，区域D是燃气涡轮机的进气室部分。在此实施方式中，进气室19的形状为喇叭口形，从而允许空气加速。进气室19不局限于喇叭口形，也可以采用其它形状。可以在压缩机入口面E和压缩机叶片12之前沿着进气室19设置支杆(未图示)。在压缩机入口面E处，空气速度典型地在约0.4马赫到约0.6马赫的范围内，更典型地约为声速的一半或者约180米/秒。空气被加速以获取压缩机完成压缩工作所需的高速度。典型的空气压缩比在约9∶1至约25∶1的范围内。一旦到压缩机内，空气速度随着由压缩导致的密度的增大而减小。然后，压缩空气被输送到燃烧室。当进入燃烧室时，速度典型地小于100米/秒，但是根据需要可以提供其它速度。
所披露的是用于增加燃气涡轮发动机的轴动力输出并且用于能在多种操作模式下使用的燃气涡轮机清洗的方法和系统。通过向机器内喷射液体以控制质量流，增大空气密度，并且从而增大空气质量，由此总体上增加燃气涡轮发动机的动力。典型地，液体是水，但是能够添加有酒精或者防冻剂以降低液体的凝固点。除了增加空气的质量流外，水还有利于环境，例如减小了排放。喷射到涡轮机的质量流的水量基于编程控制模型。控制模型通过使用循环模型和计算流体动力学分析(CFD)确定。
更具体地，披露了用于清洗燃气涡轮机并且增加其动力输出的系统。参照图2，所述系统典型地包括(a)泵单元201，其包括至少一个变速泵，例如具有正排量设计的变速泵，用于增大水压；(b)通过第一信号供给线路连接到泵单元201的控制单元202，其控制泵单元201的速度/运转，由此控制单元202基于至少一个限定的参数采用预定的循环组(cycle deck)和计算流体动力学分析以形成控制模型，所述参数包括周围天气状况、涡轮机几何形状、空气运动的速度场以及具体涡轮机部件的规格；(c)通过供给线路连接到泵单元201的清洗单元，清洗单元包括至少一个喷嘴和至少一个阀，所述阀通过供给管线连接到泵单元、通过管路连接到所述至少一个喷嘴并且控制供给到所述至少一个喷嘴的水的流速，清洗单元的所述至少一个喷嘴适于喷射雾化水喷雾，从而冲击在至少一个压缩机叶片上并将其弄湿，从而从所述至少一个压缩机叶片释放污物；和/或(d)至少一个喷水单元，其包括至少一个喷嘴和至少一个阀，所述阀通过供给管线连接到泵单元、通过管路连接到所述至少一个喷嘴并且适于控制供给到所述至少一个喷嘴的水的流速，喷水单元的所述至少一个喷嘴向涡轮机进气道的气流喷射雾化水喷雾，从而增加气流的质量流，其中燃气涡轮机的动力输出得到增加。
实施方式还包括(e)天气监测单元203(示于图2中)，其通过信号线路205连接到控制单元202，在此，影响燃气涡轮机性能的周围状况能够被测量并从通过使用循环组模型得到的且用于计算流体动力学分析以建立确定用于制定适当的水量以达到目标水平的进气饱和状态的基础的模型报告到控制单元202。周围状况包括可能影响燃气涡轮机的运转的环境因素，包括但不限于：温度、湿度和空气压力。在一种实施方式中，监测温度、湿度和空气压力中的每一个。在一种示例性的实施方式中，天气监测单元203(未详示)包括干球温度计和空气湿度测量装置。在另外的替代实施方式中，天气监测单元203可以包括干球温度计和湿球温度计。在另一替代实施方式中，天气监测单元203可以包括气压测量装置。在还有其它实施方式中，为了周围压力测量，天气监测单元可以包括对监测和/或测量周围天气状况的所属技术领域的技术人员来说已经熟知的其它部件和/或部件的结合。所述天气信息通过控制单元202处理，在此，控制单元202向操作装置输送例如允许的蒸发水量、结冰风险等关键操作信息。
泵单元201可以包括单泵(如果泵单元201适当地为这种应用而设计)，一台变速泵(其速度通过频率控制，并且通过频率控制器设定适当的频率)或者多台并联泵，例如，在特定实施方式中典型地有5台泵，其中每台具有不同的流量。通过以不同的结合运行一台、两台或者多台泵，能够获得范围非常大的泵容量。这些泵也可以是正排量设计，带有发射器以指示流向控制单元202的用于闭环控制的流量。
图2示出泵单元201(未详示)，其包括使用低压预先充填动力增加阵列的泵和将水泵至用于输送所制定的水喷射来增加动力的高压。在动力增加开始时，使用低压预充泵来使得用水全面稳定地增加到全部一致的水的供应，从而避免动力波动。从泵单元散发出的加压水供给到供给管线(也称作联管箱)。联管箱用作高压水向例如蒸发冷却系统、清洗系统、压缩机中间冷却系统以及燃烧室火焰冷却系统等不同用户的分配器。泵单元可以包括通过频率控制电动AC马达驱动的排量泵，其中频率控制泵速。替代地，泵单元可以包括例如DC马达等马达，其中马达电流控制泵速。其它适当的泵单元对于所属技术领域的技术人员来说是已经熟知的。在特定实施方式中，泵将水压增加到约80巴的最大值，典型地约35巴，更典型地约70巴，但是也应当理解，根据需要，也可以设置其它数值。泵的最大容量与额定的燃气涡轮机气流有关。根据水流与空气质量流的比率设定泵的容量的大小，其中水流是分子，气流是分母。在特定实施方式中，当水表示成升/分、气流表示成千克/秒时，比率典型地在约0.3至约0.5之间的范围；在其它实施方式中，此比率可以不同。
另外，为了清洗的目的，使用热水(例如用于压缩机清洗)和化学品(例如在运转周期结束时用作洗涤剂或者作为压缩机防腐剂)将是有利的。因此，泵单元201可以进一步包括水箱和加热器(即，用于提供热水)，还有用于将化学品喷入水中化学品喷射单元。
因为在清洗和/或动力增加时废水从燃气涡轮发动机散发出，可以通过管路209将泵单元201连接到集水单元和水处理单元(即能够净化水)206。水处理单元206可以包括颗粒分离过滤器和去离子过滤器。例如，废水可以呈水蒸汽的形式通过排水管，或者可以以冷凝的形式产生，其中在离线清洗的情况下，废水将从燃气涡轮发动机的压缩机排水管冲出。此废水含有所有所释放的污物材料以及油、脂和来自于燃气涡轮机本身的金属离子。典型地，此水有毒，并且优选地必需被收集和处理或者释放到受控的排放管。当实行蒸发喷洒冷却时，水还可以出现在进气道内。此水能够被集水单元收集，并且在水处理单元206中处理。替代地，水处理单元206还能处理通过管路207供应的来自水源(未图示)的未经净化的水。净化水通过管路209供给到泵单元201。处理后的废水能够再循环并且重新用于清洗，从而提供了没有水散发出的闭环系统。另外，水的重新利用减小了总水量消耗。
水处理单元206将水净化为达到去除矿物质的水质，以便水适于喷射到燃气涡轮机的空气质量路径，其中，在特定实施方式中总溶解固体在约1-5ppm的范围。适当的净水系统对所属技术领域的技术人员来说是已知的。
泵单元201通过控制单元202控制。作为示例，能够从泵单元201旁边的控制室或者控制面板控制所述控制单元202。控制单元202包括手动控制和可编程控制，其能够通过单个信号供给线路204操作泵单元201。控制单元202包括存储装置218。存储装置218可以包括随机存取存储器(RAM)和/或例如只读存储器(ROM)的非易失性存储器。所属技术领域的技术人员能够容易地理解，存储装置可以包括用于临时和/或永久保存数据的各种类型的物理装置，包括但不限于固态、磁、光和组合装置。例如，存储装置可以使用一个或者多个物理装置实现，例如DRAM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存等。存储装置218可以进一步包括计算机程序产品——包括用于当计算机程序产品在计算机装置上运行时执行根据实施方式的方法步骤的软件代码部分，例如，控制阀的开度以进而控制供应到至少一个喷嘴的水流速，以及执行由循环组和计算流体动力学控制转化安排所限定的喷水进度表以实现控制模型。另外，控制单元202可以监测通过与实际输送的流量对比而制定的流量。如果实际流量低于预期水平，可以向操作者提供喷嘴堵塞的警告。如果实际流量比制定流量大，可以向操作者提供检漏警告。
当要求动力增加系统运转时，预填充泵可以通过控制单元202致动，以用水充填增加喷射喷嘴阵列。采取此步骤以避免间断的动力步进。
另外，联管箱20和所有的管路(例如，28、29和215)可以包括液压式的高压软管，从而简化安装。替代地，可以安装固定管。阀(例如24、27、210和216)可以从控制室或者其它远程位置打开或关闭。替代地，阀可以手动地打开或者关闭。
控制单元202也能够用于执行计算流体动力转化分析(CFD)。CFD允许预报(即，模型的公式)需要喷射进燃气涡轮发动机以使空气完全饱和或者过饱和的水量。CFD提供表示根据实施方式的系统的计算模型。接下来，根据一个或者多个限定的参数可以分析和预报通过系统的流体流的动态，这些参数包括但不局限于周围的天气状况和与燃气涡轮机有关的特定参数(即，涡轮机几何形状和空气运动的速度场)以及涡轮机的负载极限设计方面(即，压缩机叶片、发动机外壳、燃烧室部件和热气通道工作元件)。CFD提供用于调整喷水水平的编程逻辑控制器(PLC)所解释和执行的控制模型。所限定的参数或者边界能够被手动地或者通过使用多种传感器和/或天气监测单元自动地输入进根据实施方式的系统内。CFD提供模拟流体流并从而提供预报的燃气涡轮机性能水平——其对应于通过涡轮机的空气质量流。由于所产生的模型，实施方式能够调整连续或者间歇喷射的水的水平，从而优化燃气涡轮机的动力输出。在一种示例性实施方式中，基本CFD过程包括：限定燃气涡轮机的几何形状；确定流体(例如水汽)占据的体积，在此，体积分成分立的小单元(小单元的总体形成网筛)；限定边界条件，例如所用的流体的具体特性(即，关于限定的边界经受基本恒量变化的那些过程，通常限定了初始边界)；采用算法和方程(即，计算机软件或者能够加载到数字计算设备上的计算机可加载产品)来计算预报的结果；解释预报结果以形成模型。
典型地，为了完全饱和，喷射进燃气涡轮机入口中的喷射物呈精细分割的喷雾形式，其具有大小在约10至约50微米范围的液滴，但是也应当了解，根据需要也可以使用其它大小的液滴。当使空气饱和时，CFD产生的模型限定输入进燃气涡轮机中的空气质量流以保持燃气涡轮机的动力输出。
替代地，实施方式可以提供空气的过饱和，因此产生比在完全饱和状态下更高的空气质量。此例中，另外的计算流体动力学模型优选地考虑燃气涡轮机中喷水的位置，以及通过过饱和质量流产生的特定的机器加载。喷射点可以包括但不局限于，例如那些这里所描述的与蒸发冷却、压缩机中间冷却、燃烧室火焰冷却或者发动机清洗结合的喷射点。当使空气过饱和时，所述模型限定输入进燃气涡轮机中的空气质量，同时燃气涡轮机部件限定为设置喷水水平限制，从而空气质量流处于燃气涡轮发动机设计的可接受极限内。接下来，周围天气状况和燃气涡轮机负载需求可以被输进编程逻辑控制器。
编程逻辑控制器根据控制模型起作用，以调整通过燃气涡轮发动机的质量空气流。更具体地，编程逻辑控制器通过操作泵单元201至特定的压力以及通过调整用于各目的的特定喷嘴，调整用于动力增加和/或清洗的水的流量。而且，为了动力增加，至少一个喷嘴被致动或者解除作用以实现与CFD模型一致的适当流速，从而其匹配动力需求和周围空气状况。从而，CFD模型和编程逻辑控制器提供空气饱和或者过饱和。当动力增加被启动时，基于从循环模型预报得到的计算空气流量，控制单元202计算喷水水平。然后此空气流量用于计算目标相对湿度水平以限定待喷射的水量。然后，当水被排定为允许喷水速率收敛为稳定流量时，循环此计算。
所述实施方式可以进一步包括操作单元300，如图3所示，其可以安装在控制室内并通过信号供给线路301连接到控制单元202。控制单元可以包括输入装置——包括但不限于键盘302，其允许操作者输入系统指令，例如，用于泵单元201的控制指令等。可以使用显示器、监测器或者屏幕304来提供与操作泵单元201相关的信息，例如，操作参数的时间历史或者泵的状态信息等。因此，操作者能够监测泵的运转以及不同的运转参数。替代地，显示器304可以是触摸屏，具有例如多个设置在屏幕上的软键，用来在显示器上给出不同的界面时提供不同的指令。操作单元300可以进一步包括存储装置(未图示)，例如那些上面所描述的。
根据一种实施方式，清洗单元和所述至少喷射单元两者都包括至少一个喷嘴和至少一个阀。清洗单元供水子系统能够从适于饮用的供应物产生去离子水，并分配到水保持箱，以用作清洗液或者用作动力增加。例如，清洗单元可以采用但不局限于反渗透系统，其提供具有总溶解固体在例如约1-5ppm的范围内的水。清洗单元和至少一个喷射单元可以作为分离单元安装在燃气涡轮机内，或者清洗单元也可以用作所述至少一个喷射单元其中之一。所述至少一个喷嘴(例如，1-10个喷嘴)可以用来将水喷洒进压缩机和燃烧室。所述至少一个喷嘴可以定位在进气部分内、位于支杆之间。所述喷嘴定位可以减小喇叭状进气室19的壁和支柱变湿的情形。所述至少一个喷嘴可以耦连到环状供给器，在该处，所述至少一个喷嘴开口通向发动机内，包括安装在进气道区域内和压缩机与燃烧室内。软管(例如，高压柔性软管)可以被连接到环形供给器和水容器两者(即，水容器可以包括但不限于由地面支撑的容器或者其它合适的水源)，从其进行的水供应可以远程控制。替代地，软管可以连接到地面停靠的车辆，由此能够从不同的位置远程控制清洗过程，例如地面停靠的车辆或者从固定式燃气轮机设备的控制室。
典型地，所述至少一个喷嘴提供大量的精细分开的水进入并通过燃气涡轮机，用于清洗或者用于增加质量流。水能够被精细地分开为使得水滴遵循与质量流相同的流动路线。当清洗时，水滴遵循与空气传播的弄脏燃气轮机的污物一样的路线。
典型地，在示例性实施方式中，清洗单元在约10至约80巴的压力下运转，并且更典型地约50巴至约80巴，但是清洗单元可以在所需的任意压力下运转。典型地，根据特定实施方式的水喷雾液滴具有约80-250μm(基于平均质量)的直径以及在约40-240米/秒(流速从约0.2至约240升/分)范围内的速度。在其它实施方式中，根据需要，水喷雾液滴的直径和/或速度可以被提供为不同的值。例如，清洗单元的所述至少一个喷嘴能够供应0.1升水/秒、持续约30秒、压力为约70巴，其中水滴具有约150μm的大小(直径)。在特定实施方式中，典型地，总体积水流量在约0.2至约240升/分的范围内，而在其它实施方式中，总体积水流量可以发生在不同的范围内。当清洗过程中使用数个喷嘴时，水体积流量同时施加到所有喷嘴。授予Asplund的美国专利申请5,868,860号披露了使用高水压来清洗燃气涡轮机压缩机的示例，并且在这里全文引入以作参考。
在示例性实施方式中，典型地，所述至少一个喷射单元在约50巴至约160巴的压力下工作，更典型地约80巴至约140巴。典型地，水喷雾液滴的直径为约＜10至约20μm，更典型地约＜10至约15μm，并且颗粒速度在约20米/秒至约80米/秒范围。例如，所述至少一个喷射单元的所述至少一个喷嘴能够供应0.1升水/秒、持续约6小时、压力为约120巴，其中水滴具有约10μm的大小(直径)。典型地，总体积水流量在约4升/分的范围内。当在喷射过程中使用数个喷嘴时，水体积流量同时施加到所有喷嘴。
精细分开的水的喷洒或者喷射表现出用于增加质量流的方法。图2示出图1所示燃气涡轮机的空气入口。图2示出蒸发冷却系统、清洗系统、压缩机中间冷却系统和燃烧室火焰冷却系统的应用。蒸发冷却系统是“雾化”系统，其中水在空气入口喷洒成蒸发的精细液滴雾(雾)。清洗系统是用于将水喷洒进压缩机入口的系统。压缩机中间冷却系统是“湿压缩”系统，用于将水喷洒进压缩机级间处的高密度气流中。燃烧室冷却系统是用于将水喷洒到燃烧室内的系统。
在特定实施方式中，蒸发冷却、压缩机中间冷却、燃烧室火焰冷却或者发动机清洗很少根据固定的计划运行。例如，当空气温度——例如按钟点——变化时，蒸汽冷却的可行性也变化。
示意性的蒸发冷却系统示于图4中。联管箱20通过阀24连接到管路23。当阀24打开时，高压水被供给到喷嘴保持装置21，其安装在管道内、位于压缩机入口面的上游远处。喷嘴保持装置21典型地包括具有多个喷嘴的管，喷嘴将水雾化成精细液滴喷雾22，液滴例如典型地在约10至约20微米的范围内，并且更典型地在约10至约15微米的范围内。液滴是例如典型地在约80至约140巴的压力下雾化的结果。液滴通过气流承载/悬浮，并且在进入压缩机前蒸发——因为有足够长的逗留时间用于空气从喷嘴端移动到压缩机入口。蒸发将水的潜热换成空气显热，因此通过蒸发降低了空气温度。较低空气温度对应于较高的空气密度以及因此的产生较高轴输出的较高质量流。通过变速泵设定所需的水流速。蒸发冷却操作通过关闭阀24而关闭。授予Kopko的美国专利No.6,718,771描述了一种蒸汽冷却系统，其使得燃气涡轮机能够在高温度下运转，在此全文引入以供参考。供应到喷嘴的水量根据计算流体动力学分析所产生的控制模型确定，并且通过编程逻辑控制器调整。
示例性压缩机中间冷却系统示于图5中。此系统是湿压缩系统，意思是在压缩工作时呈小液滴形式的水在压缩机内部蒸发。空气通过压缩机的保留时间是在毫秒范围内。这段时间期间，由于初始的液滴的大小，液滴蒸发。蒸发过程通过压缩工作产生的快速温度增加驱动。在示例性系统中，联管箱20通过阀210连接到管路29。当阀210打开时，高压水被供给到至少一个喷嘴212。所述至少一个喷嘴212安装用来将水喷射进压缩机燃气通道(例如，喷嘴可以安装成将水喷射进两个盘之间)。所述至少一个喷嘴212将水雾化成小液滴的喷雾211，例如，小液滴在约10至约50微米的范围内，并且优选地在约10至约30微米的范围内。小液滴大小优选地在约10至约80巴压力下产生于雾化，但是也可以应用其它适当的压力。小液滴将在离开压缩机以前蒸发。授予Ingistov的美国专利申请No.6,644,935描述了用于级间的压缩机水喷射的示例性喷嘴组件，该文献这里全文引入以作参考。蒸发将空气冷却，并且因此增加空气密度，这增加了质量流并且产生更高的动力输出。另外，压缩机的冷却产生更低的压力机排出温度，这意味着向燃烧室供送更冷的空气。此更冷的空气被供送到燃烧室意味着在保持恒定的燃烧温度的同时能够燃烧更多的燃料，因此动力输出增加。所需水流速通过变速泵设定。为了关闭湿压缩，关闭操作阀210。替代地，用于湿压缩的喷嘴可以安装在压缩机入口的上游。主要操作与如上所述的级间安装的喷嘴相同。供应到所述至少一个喷嘴的水量根据通过计算流量动力学分析产生的控制模型确定，并且通过编程逻辑控制器调整。
示例性的燃烧冷却系统示于图6中。燃烧冷却系统包括至少一个用于将水滴喷射进燃烧室的喷嘴。水的潜热被转换成火焰的显热，因此抑制了火焰的温度。联管箱20通过阀216连接到管路215。阀216打开并允许将高压水供给到所述至少一个喷嘴214。所述至少一个喷嘴214将水雾化成喷雾213。喷雾213包括液滴，典型地，液滴的大小在约10至约50微米的范围内，并且更典型地在约10至约30微米的范围内。这些液滴产生于在约100至约200巴压力下的雾化。应当了解，根据需要也可以应用其它大小的液滴和/或在其它压力下的雾化。火焰将水蒸发以形成水汽。水汽膨胀而通过涡轮机，从而有助于增加质量流，并且提供动力增加作用。另外，由于火焰温度受到抑制，所以在保持在恒定的燃烧温度的同时，能够燃烧更多的燃料。燃烧更多的燃料提供额外的动力输出。所需的水流速通过变速泵设定。要关闭燃烧室冷却，则关闭阀216。供应到所述至少一个喷嘴的水量根据计算流体动力学分析产生的控制模型确定，并且通过编程逻辑控制器调整。授予Cheng的美国专利申请No.3,976,661是通过向燃烧室内喷射来获得动力增加效果的示例，并且在这里全文引入以作参考。
现在参照图8，整个动力增加和清洗系统的进一步特征是使用计算机或者PLC数据记录器监测动力增强和/或水清洗的性能变化。收集周围天气状况和动力设备性能数据以允许准备性能趋势数据，以示出先前和以后的状况。此数据可以有助于保证经济性和确保动力增强和/或清洗系统正常、预期的运转。使用此数据，可以检测到损伤状态并对其处理。使用任何适当的通信平台(例如普通的手机因特网连接)对这些数据进行的传输可以在数据逻辑系统中提供。
喷射阵列系统900可以被连接到控制单元202。喷射阵列系统900可以在燃气涡轮机的动力增加之前被预先充填，其可以通过控制单元202管理。喷射阵列系统900可以是喷嘴阵列。
如图9、9a和9b中所示，可以使用夹紧装置910保持动力增加喷射阵列系统900。夹紧装置910可以是定位在压缩机入口面的上游的喷嘴保持件。夹紧装置910可以装满固定在过滤器壳壁外侧的配合杆装置，以防止释放异物。如图9c所示，可以使用有键的支撑系统920以支撑喷射阵列系统900。在一种实施方式中，有键的支撑系统920有利于通过喷水预制件降低成本。
夹具可以保证所有阵列元件的完全紧固。在过滤器壳入口壁外侧的第二夹具紧固阵列支撑杆。为了动力增加到完全饱和，一些水冷凝在过滤器壳壁上。为了保护碳钢或者镀锌钢，过滤器壳壁可以包覆有保护性防水涂层，并且涂层可以由防腐铺片(例如不锈钢铺片)固定。如图10中所示，铺片可以用通过过滤器壳壁连接的机械紧固装置保持在其位置。通过绕入口的结构和入口喇叭形开口的适当大小的水槽提供额外的冷凝物控制。这些水槽将水引向入口的底面，在那里，具有积聚器和液位传感器的排水管允许排放所收集的冷凝物。这些特征示于图10和11中。
水槽是绕着向压缩机开口的喇叭形开口或者绕着入口内的结构形成圆形的J形结构。水槽以防止水流进压缩机的方式捕获内部入口壁上的流水。特别地，水槽将水引至入口的底面并且引向入口排水管。当水集聚在入口排水管附近时，排水管内的积聚器将收集液态水，并且当液位达到传感器的高度时，传感器致动电磁阀以排放积聚的液体。
实施方式还涉及到用于增加燃气涡轮发动机的动力输出的方法，燃气涡轮发动机包括涡轮机进气道和燃气涡轮机，燃气涡轮机包括燃烧室和具有至少一个压缩机叶片的压缩机。此方法包括：(1)使用包括至少一个变速泵的泵单元增加水压；(2)使用通过信号供给线路连接到泵单元的控制单元控制泵单元的速度，其中控制单元基于至少一个限定参数的输入、根据预设的循环组和计算流体动力学分析以形成控制模型，从而调整泵单元的运转；(3)将水供应到(a)通过供给管线连接到泵单元的清洗单元和/或(b)至少一个通过供给管线连接到泵单元的喷射单元；(4)使用阀控制供应到清洗单元或者所述至少一个喷射单元的所述至少一个喷嘴的水的流速；(5)从清洗单元的所述至少一个喷嘴喷射雾化水滴的喷雾，以冲击在所述至少一个压缩机叶片上并将其弄湿，从而释放所述至少一个压缩机叶片上的污物，雾化水滴以足够高的速度喷射以穿透在所述发动机的运转时产生的所述气流；(6)从所述至少一个喷水单元的至少一个喷嘴将雾化水的喷雾喷射进涡轮机进气道的气流中或者燃气涡轮机处的气流中，从而增加气流的质量流，其中燃气涡轮发动机的动力输出被增加，其中典型地基本上所有喷雾的液滴在进入到压缩机之前蒸发；以及(7)通过测量干球温度、测量空气压力、测量空气湿度以及测量湿球温度至少其中之一使用天气监测单元监测环境状况，其中所监测的状况通过第二信号传达到控制单元。
此方法还可以包括步骤(8)，通过管路使用连接到泵单元的集水单元收集从燃气涡轮发动机散发出的水，并且使用水处理单元净化水。
此方法可以离线执行，并且其中清洗单元的所述至少一个喷嘴定位在压缩机的上游并且通入压缩机的入口。从此位置能够将水喷射进压缩机燃气通道。类似地，所述至少一个喷射单元的至少一个喷嘴可以邻近燃烧室定位。
替代地，根据实施方式的方法可以在线执行，下面描述示例的在线清洗系统。在线清洗期间，当转子高速转动、空气高速进入压缩机时，发动机燃烧燃料。如图2-6中所示，管路28通过阀27连接到联管箱20。当阀27打开时，高压水供给至至少一个喷嘴25，其中水离开喷嘴的速度为约40米/秒。所述至少一个喷嘴25安装在压缩机入口面的上游。喷嘴25将水雾化成喷雾26。喷嘴25基本朝向压缩机入口。此高速喷雾将穿透进高速气流。喷雾由气流带进压缩机内。在压缩机内部，液滴冲击在所述至少一个叶片和轮叶上，从而将其弄湿。至少一个叶片和轮叶的变湿释放了污物，从而清洁了压缩机。清洁导致边界层厚度减小，这增加了质量流。质量流的增加增大发动机动力输出。喷雾26包括液滴，液滴的尺寸在约80至约250微米的范围内，并且优选地在约80至约180微米的范围内。液滴的大小由在约10到约80巴的压力下的雾化产生。所需的水流速通过变速泵设定。要关闭清洗操作，则关闭阀27。
下面描述离线清洗系统的实施方式。此实施方式中离线清洗使用与在线清洗相同的喷嘴组。在离线清洗期间，发动机不燃烧燃料。管路28通过阀27连接到联管箱20。当阀27打开时，高压水被供给到至少一个喷嘴25。所述至少一个喷嘴25安装在压缩机入口面的上游。喷嘴25基本指向压缩机入口。喷嘴25将水雾化成喷雾26。由于所述至少一个喷嘴基本指向压缩机入口，水滴进入压缩机。这些液滴具有适当的大小以冲击在所述至少一个压缩机叶片和轮叶上，从而将它们弄湿。叶片和叶轮的变湿释放污物，从而清洁了压缩机。清洁使得发动机运转时边界层厚度减小。减小的边界层厚度增加了质量流。质量流的增加增大了发动机动力输出。喷雾26包括液滴，液滴的大小在约80至约250微米(基于平均质量)范围内，并且优选地在约80至约180微米的范围内。液滴的大小是在约10巴至约80巴的压力下雾化的结果。所需的水流速通过变速泵设定。要关闭清洗操作，则关闭阀27。替代地，离线清洗可以使用不同的喷嘴组，但是主要的操作将会根据如上所述进行。
另外，水的使用降低了燃料消耗。降低的燃料消耗是燃气涡轮机部件——例如压缩机和涡轮机——更有效运转的结果。
实施方式的一个方面是灵活性，以根据最有利于操作的方式打开和关闭系统。如示例中所示，在需要时可以迅速致动一个系统并解除另一系统的作用。
应当注意，虽然本发明是根据“优选”的实施方式进行描述，但是上述实施方式仅是示例，用来提供对本发明的清楚的理解。在不偏离本发明的精神的前提下，对这些实施方式可以做出许多改型、转化和等同物。因此，后面的权利要求组应当解释为包括落入本发明的精神和范围的所有这些改型、转化和等同物。

Claims (4)

1.一种用以保护燃气涡轮机的进气道不受由于通过动力增加喷雾弄湿进气道所产生的腐蚀的系统，所述系统包括：
水槽，其捕获在所述进气道的内入口壁上流动的冷凝水；
入口排放管，其从所述水槽接收所捕获的冷凝水；
积聚器，其定位在收集所捕获的冷凝水的所述入口排放管内；
液位传感器，定位在所述积聚器上，当冷凝水的液位达到所述液位传感器的高度时，所述液位传感器致动排放阀以排放积聚的冷凝水，并且
其中，当致动所述排放阀时，所述排放阀在通过所述液位传感器致动时排放所捕获的冷凝水。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统包括防腐涂层和/或防腐涂层与防腐铺片的组合。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述排放阀是电磁阀。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述水槽为绕着进气道的开口或结构形成圆的J形结构。
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