CN101846101B - 进口空气加热和冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及进口空气加热和冷却系统，具体而言，一种用于涡轮压缩机(20)的进口空气的加热和冷却系统(100)。该加热和冷却系统(100)可包括定位在涡轮压缩机(20)周围的流体盘管(120)和热能储存罐(170)。流体盘管(110)和热能储存罐(170)处于流体连通中，以使得流体不但从热能储存罐(170)提供至流体盘管(110)以用于与进口空气交换交换热量，而且在没有进一步的热交换的情况下返回至热能储存罐(170)。

Description

进口空气加热和冷却系统
技术领域
本申请一般地涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及提供自主式(free)进口空气加热和冷却的燃气轮机进口空气系统。
背景技术
空气制冷系统通常与燃气轮机一起使用以使进口空气温度达到要求。依赖于环境温度，与燃气涡轮发动机一起使用制冷系统可使总功率输出提高相当大的百分比。尤其地，在宽温度范围内，燃气轮机的功率输出与进口空气温度几乎成反比。例如，在约83华氏度(约28.3摄氏度)的环境温度下已知的燃气轮机仅可产生约154兆瓦特的功率，而在约50华氏度(约10摄氏度)下可产生171.2兆瓦特的功率，提高了超过约百分之十一。同样地，制冷系统可在更凉的环境温度下利用废热来调节冷的进口空气，以便为燃气轮机提供高效的部分负荷运行。
然而，已知的空气制冷系统通常使用制冷设备以产生冷水。因而，需要外部能源以运行制冷设备。因此，这种寄生功率消耗可稍微有损总动力设备输出和效率。
因此，期望改进的燃气轮机进口空气加热和冷却系统。这样的加热和冷却系统应提供燃气轮机进口空气温度的增强的加热和冷却，与此同时提高总系统功率输出和效率。
发明内容
因此，本申请提供一种用于涡轮压缩机的进口空气的加热和冷却系统。该加热和冷却系统可包括定位在涡轮压缩机周围的流体盘管和热能储存罐。流体盘管和热能储存罐处于流体连通中，以使得流体不但从热能储存罐提供至流体盘管以用于与进口空气交换热量，而且在没有进一步的热交换的情况下返回至热能储存罐。
本申请还提供一种压缩机的进口空气的自主式加热和冷却的方法。该方法可包括步骤：使流体从热能储存罐的第一端以第一温度直接流动至盘管；在盘管中与进口空气的第一进入流交换热量以使得流体达到第二温度；使流体以第二温度直接流动至热能储存罐的第二端；以及使流体从热能储存罐的第二端直接流动至盘管以与进口空气的第二进入流交换热量。
基于结合数个附图和所附权利要求来查阅下文详细的描述，对于本领域中的普通技术人员来说，本申请的这些和其它特征将变得显而易见。
附图说明
图1是带有进口空气制冷系统的燃气涡轮发动机的示意性视图。
图2是加热模式中的燃气轮机进口空气加热和冷却系统的示意性视图。
图3是冷却模式中的燃气轮机进口空气加热和冷却系统的示意性视图。
部件清单：
10    燃气涡轮发动机
20    压缩机
30    燃烧器
40    涡轮机
50    外负荷
60    进口空气加热和冷却系统
70    冷/热水盘管
100   涡轮机进口空气加热和冷却系统
110   冷/热水盘管
120    水制冷器
130    一级回路
140    水泵
141    制冷器进口泵
142    盘管进口泵
150    阀
151    制冷器进口阀
152    盘管进口阀
160    自主式进口空气加热和冷却系统
170    热能储存罐
171    顶部
172    底部
180    二级回路
190    阀
191    罐阀
192    温水阀
193    冷水阀
194    旁通阀
195    罐阀
具体实施方式
现参考附图(在其中，全部数个视图，相同的标号代表相同的元件)，图1显示了燃气涡轮发动机10的示意性视图。已知的是，燃气涡轮发动机10可包括压缩机20以压缩进入的空气流。压缩机20将压缩的空气流输送至燃烧器30。燃烧器30将压缩的空气流与燃料流相混合并点燃混合物。(虽然只显示了单个燃烧器30，但是燃气涡轮发动机10可包括任何数量的燃烧器30)。热燃烧气体顺次输送至涡轮机40。涡轮机40驱动压缩机20和例如发电机等的外负荷50。燃气涡轮发动机10可使用天然气、各种类型的合成气以及其它的燃料。在本文中，燃气涡轮发动机10可使用其它的构造和部件。
在本示例中，燃气涡轮发动机10还包括进口空气加热和冷却系统60。进口空气加热和冷却系统60可定位在压缩机20周围并将进入的空气流加热或冷却至期望的温度。进口空气加热和冷却系统60包括冷/热水盘管70。热水或冷水流过盘管70并与进入的空气流交换热量。进口空气加热和冷却系统60在其中可使用任何类型的热交换装置。如上文所述，冷水可由水制冷设备提供，而热水可通过废热回收系统或从其它的来源中提供。
图2和图3显示如本文所描述的涡轮机进口空气加热和冷却系统100。类似于上文所述的系统，涡轮机进口空气加热和冷却系统100包括冷/热水盘管110。如上文所述，冷/热水盘管110可定位在压缩机20的进口周围。冷/热水盘管110通过行进通过其的水流来加热或冷却进口空气。在本文中，可使用其它类型的热交换装置。
冷/热水盘管110可与水制冷器120相连通。水制冷器120可为机械式制冷器、吸收式制冷器，或任何传统类型的制冷装置。已知的是，水制冷器120将冷水提供至冷/热水盘管110，在该冷/热水盘管110中与进入的空气流交换热量。然后，温水返回至水制冷器120。冷/热水盘管110可通过一级回路130与水制冷器120相连通。来自废热或其它的来源的热水也可通过一级回路130提供至冷/热水盘管110。一级回路可包括数个水泵140(其包括制冷器进口泵141和盘管进口泵142)和数个阀150(其包括制冷器进口阀151和盘管进口阀152)，以控制通过其的水流。
值得注意的是，术语“热”、“温”、“冷”以及“凉”以相对意义加以使用。在本文中，不意在限制可适用的温度范围。
涡轮机进口空气加热和冷却系统100还可包括自主式进口空气加热和冷却系统160。自主式进口空气加热和冷却系统160可包括热能储存罐170。热能储存罐170可为传统的分层水热储存系统。在本文中，还可使用其它类型的液体。温水上升至罐170的顶部分171，而较凉的水下落至罐170的底部分172。热能储存罐170可通过二级回路180与冷/热水盘管110相连通。二级回路180通过数个二级回路阀190联结到一级回路130中。这些阀包括罐阀191和195、温水阀192、冷水阀193、以及旁通阀194。
图2显示加热模式中的自主式进口空气加热和冷却系统160的使用。在该模式中，切断水制冷器120。冷水阀193和罐阀195关闭，而罐阀191、温水阀192以及旁通阀194打开。来自热能储存罐170的顶部171的温水通过温水阀192并进入到一级回路130中。温水通过冷/热水盘管110，在该冷/热水盘管110中，温水对冷的进入空气进行加温。此时较冷的水流通过一级回路130、旁通阀194以及罐阀191返回到热能储存罐170的底部172中。
可将在约40华氏度(约4.4摄氏度)以下的冷的环境空气调节到约55华氏度(约12.8摄氏度)，以便提供在非峰荷时间期间可为有利的高效的部分加荷。通过冷/热水盘管110的水将从约58华氏度(约14.4摄氏度)冷却至约42华氏度(约5.6摄氏度)。
因此，自主式进口空气加热和冷却系统160的加热模式在不消耗外部热能的情况下加热进入的空气流。行进通过冷/热水盘管110的温水还可用于压缩机防冻，以便避免使用进口排热(inlet bleed heat)。同样地，在无外部能量或不使用防冻剂的情况下温水给冷/热水盘管110以及进口过滤器提供防冻。
图3显示冷却模式中的自主式进口空气加热和冷却系统160的使用。在该模式中，再次切断水制冷器120。同样地，切断制冷器进口泵141。温水阀192和旁通阀194关闭，而冷水阀193以及罐阀191和195打开。来自热能储存罐170的底部172的冷水通过罐阀191并通过冷水阀193进入一级回路130中。然后，冷水被泵送进入并通过冷/热水盘管110。因此，冷水冷却温的进入的空气流。此时较温的水继续流过一级回路130和罐阀195并进入到热能储存罐170的顶部171中。
当环境空气为约62华氏度(约16.7摄氏度)时，处于约42华氏度(约5.6摄氏度)下的排出冷水可将环境空气流冷却至低约45华氏度(约7.2摄氏度)。此时较温的水流可以约58华氏度(约14.4摄氏度)返回。这种冷却效果将在峰值需求时间期间增大总功率输出。因此，冷却模式在不消耗制冷能量的情况下提供进口空气的制冷。
因此，涡轮机进口空气加热和冷却系统100可以许多模式运行：(1)仅使用制冷器120的进口冷却；(2)仅使用热能储存罐170的进口冷却；(3)通过制冷器120和热能储存罐170的组合的进口冷却；(4)仅使用制冷器120来充填热能储存罐170；(5)使用通过余热回收热交换器(未显示)的废热回收的进口加热；(6)仅使用热能储存罐170的充填的进口加热；以及(7)使用来自余热回收热交换器的废热和热能储存罐170的充填的组合的进口加热。模式2和模式6提供完全自主式的冷却和加热。在本文中，可使用其它的构造。在本文中，还可使用其它类型的热源。
涡轮机进口空气加热和冷却系统100俘获并储存进口空气自身的热能量或冷能量以用于随后的高效使用。因此，可提供相当大的量的自主式加热和冷却。同样地，可降低寄生功率，与此同时可提高总功率生成。
应显而易见的是，前述内容只涉及本申请的某些实施例，并且在此可由本领域中的普通技术人员进行许多变化和改型，而不脱离如由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的一般的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于涡轮压缩机(20)的进口空气的加热和冷却系统(100)，包括：
定位在所述涡轮压缩机(20)周围的流体盘管(110)；
热能储存罐(170)，包括分层流体热储存罐，所述分层流体热储存罐包括具有较温流体的顶部分(171)和具有较冷流体的底部分(172)：
一级回路，包括所述流体盘管、水制冷器(120)、水制冷器阀(151)和冷水阀(193)；
包括旁通阀(194)的旁通线路，所述旁通线路具有在所述水制冷器和水制冷阀上游连接至所述一级回路的第一端、和在所述水制冷器和水制冷器阀下流连接至所述一级回路的第二端；
在所述旁通线路第二端和所述冷水阀之间连接至所述一级回路的第一线路，所述第一线路将所述一级回路连通至所述热能储存罐的底部分；
在所述旁通线路第一端和所述流体盘管之间连接至所述一级回路的第二线路，所述第二线路将所述一级回路连通至所述热能储存罐的顶部分，所述第二线路包括罐阀(195)；及
具有连接至所述第二线路的第一端的第三线路，所述第三线路具有在所述冷水阀(193)和流体盘管入口泵(142)之间连接至所述一级回路的第二端，所述第三线路包括温水阀(192)。
2.根据权利要求1所述的加热和冷却系统(100)，其特征在于，所述流体盘管包括冷/热水盘管(110)。
3.一种压缩机(20)的进口空气的自主式加热和冷却的方法，包括：
加热模式，包括：
使流体以第一温度从热能储存罐(170)的顶部分直接流动至盘管(110)；
在所述盘管(110)中与所述进口空气流交换热量，以使得所述流体达到第二温度，其中所述第二温度低于第一温度；以及
使所述流体从所述流体盘管直接流动至所述热能储存罐(170)的底部分，其中，在此步骤中包括绕过水制冷器；以及
冷却模式，包括：
使所述流体以第二温度从所述热能储存罐(170)的底部分直接流动至所述盘管(110)；
使所述流体与进口空气流在盘管中进行热交换；及
使所述流体从盘管流到所述热能储存罐的顶部分。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述使流体从热能储存罐(170)的底部分以第二温度直接流动至盘管(110)的步骤包括使冷水从所述热能储存罐(170)的底部(172)流动至水盘管(110)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在盘管(110)中与所述进口空气流交换热量以使得所述流体达到第一温度的步骤包括与温的所述进口空气流交换热量。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述使流体从热能储存罐(170)的顶部分以第一温度直接流动至盘管(110)的步骤包括使温水从所述热能储存罐(170)的顶部(171)流动至水盘管(110)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在盘管(110)中与所述进口空气流交换热量以使得所述流体达到第二温度的步骤包括与凉的所述进口空气流交换热量。
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