CN102650235A - 具有三边闪蒸循环的燃气轮机中间冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有三边闪蒸循环的燃气轮机中间冷却器。一种燃气轮机中间冷却器(12)操作来通过由燃气轮机(10)产生的热量加热预定的有机流体(14)。受热有机流体保持处于部分蒸发或未蒸发的液相，以提供达到具有小于一的蒸气干度的饱和状态的受热有机流体。膨胀机(20)将受热有机流体通过三边闪蒸循环膨胀，以增加蒸气干度和从该有机流体产生电能。

Description

具有三边闪蒸循环的燃气轮机中间冷却器

技术领域

本发明大体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体而言，涉及一种用于在称为三边闪蒸循环(Tri-Lateral F1ash cycle)的特殊有机朗肯循环中从燃气轮机的中间冷却器抽取和使用热量的系统和方法。

背景技术

在串行流布置中，燃气涡轮发动机通常包括：高压压缩机，该高压压缩机用于压缩流过发动机的空气；燃烧器，燃料在燃烧器中与压缩空气混合并点燃以形成高温气体流；以及高压涡轮。高压压缩机、燃烧器和高压涡轮有时统称为核心发动机。至少一些已知的燃气涡轮发动机还包括用于将压缩空气供给至高压压缩机的低压压缩机或增压器。

燃气涡轮发动机在包括飞行器、发电和船舶应用的许多应用中使用。当然，所需的发动机操作特性因应用彼此不同而不同。燃气轮机单独具有有限的效率，且大量的可用能量作为排放到环境中的热废气而被浪费。

中间冷却器有利于提高发动机的效率；然而，由中间冷却器排出的热量未被燃气涡轮发动机利用，并且来自被中间冷却的燃气轮机或压缩机的中间冷却器热量通常被浪费。在一些应用中，冷却塔将中间冷却器热量在低温水平下排放到环境中。在低温下排放热量需要相当大的热交换器和风机。然而，由于这是低等级热量，只在低于压缩机排放空气的温度的温度处可用，所以以高效的方式使用该热量来发电是有挑战性的。

来自对燃气轮机压缩机进行中间冷却的热量可被用来利用有机朗肯循环(ORC)发电。用于中间冷却器的合适的ORC不但必须发电，而且此外还必须提供尽可能多的冷却，因为中间冷却器的主要目的是降低空气温度。常规的ORC(类似于蒸汽循环)对于该应用具有缺点，因为大部分热量在沸点温度处被抽取，导致限制热量的量和出口空气温度的窄点问题。

鉴于上述情况，存在对于这样的系统和方法的需要：其用于从燃气轮机的中间冷却器抽取和使用热量，以用于发电，从而进一步提高系统的效率，同时减少冷却系统的寄生负载。

发明内容

根据一个实施例，三边闪蒸循环涡轮发电设备包括：

燃气轮机；

燃气轮机中间冷却器，该燃气轮机中间冷却器构造成通过由对应的燃气轮机压缩机产生的热量加热预定有机流体，其中受热有机流体保持处于部分蒸发或未蒸发的液相，以提供达到具有小于一的蒸气干度的饱和状态的受热有机流体；以及

膨胀机，该膨胀机构造成使受热有机流体通过三边闪蒸循环膨胀，以增加蒸气干度以及从该有机流体产生电能。

根据另一个实施例，一种三边闪蒸循环中间冷却的燃气轮机发电设备包括：

燃气轮机；

燃气轮机中间冷却器，该燃气轮机中间冷却器构造成通过由对应的燃气轮机压缩机产生的热量朝饱和加热预定有机流体，并且从该有机流体产生沸腾的流体；以及

涡轮膨胀机，该涡轮膨胀机构造成使沸腾的有机流体通过三边闪蒸循环而膨胀，以从该有机流体产生电能。

根据又一实施例，一种通过三边闪蒸循环涡轮发电设备产生电能的方法包括：

通过燃气轮机中间冷却器朝饱和加热预定有机流体并从该有机流体产生沸腾的流体；以及

在湿膨胀三边闪蒸循环期间通过膨胀机膨胀和过热沸腾的有机流体，以从该有机流体产生电能。

附图说明

当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中：

图1是示出根据一个实施例的燃气轮机的简化示意图，该燃气轮机包括构造成加热ORC流体的中间冷却器；

图2是示出根据一个实施例的三边闪蒸循环涡轮发电设备的简化系统图；以及

图3是示出响应于三边闪蒸循环的对于空气和有机流体两者的冷却曲线的曲线图，该三边闪蒸循环导致紧密地匹配的冷却曲线。

虽然以上所标识的附图阐述了特定实施例，但还构思了本发明的其它实施例，如在讨论中所指出。在所有情况下，本公开以代表性而非限制性方式提供了本发明的图示实施例。本领域的技术人员可想到落入本发明的原理的范围和精神之内的许多其它修改和实施例。

项目清单

参考符号	部件
		10	燃气轮机
12	中间冷却器
		14	ORC流体
16	压缩机
		18	燃烧器
20	高压涡轮
		22	低压压缩机
30	三边闪蒸循环涡轮发电设备
		32	膨胀机

34	膨胀后的流体
		36	冷凝器
38	供给泵

具体实施方式

图1是示出根据一个实施例的燃气轮机10的简化示意图，该燃气轮机10包括构造成加热ORC流体14的中间冷却器12。在串行流布置中，燃气涡轮发动机10包括：压缩机16，该压缩机用于压缩流过发动机的空气；燃烧器18，燃料在燃烧器18中与压缩空气混合并点燃以形成高温气体流；以及高压涡轮20。压缩机16、燃烧器18和涡轮20有时统称为核心发动机。至少一些已知的燃气涡轮发动机还包括用于将压缩空气供给至高压压缩机16的低压压缩机22或增压器。

燃气涡轮发动机在包括飞行器、发电和船舶应用的许多应用中使用，如本文所述。当然，所需的发动机操作特性因应用彼此不同而不同。燃气轮机单独具有有限的效率，且大量的可用能量作为排放到环境中的热废气而被浪费。

中间冷却器12有利于提高发动机的效率；然而，由中间冷却器12排出的热量未被燃气涡轮发动机10利用，并且来自被中间冷却的燃气轮机或压缩机的中间冷却器热量通常被浪费，如本文所述。在一些应用中，冷却塔将中间冷却器热量在低温水平下排放到环境中。在低温下排放热量需要相当大的热交换器和风机。然而，由于这是低等级热量，只在低于压缩机排放空气的温度的温度处可用，以高效方式使用该热量来发电是有挑战性的。

来自对燃气轮机压缩机进行中间冷却的热量可被用来利用有机朗肯循环(ORC)发电，如本文所述。用于中间冷却器的合适的ORC不但必须发电，而且此外还必须提供尽可能多的冷却，因为中间冷却器的主要目的是降低空气温度。常规的ORC(类似于蒸汽循环)对于该应用具有缺点，因为大部分热量在沸点温度处被抽取，导致限制热量的量和出口空气温度的窄点问题。

图2是示出根据一个实施例的三边闪蒸循环涡轮发电设备30的简化系统图。三边闪蒸循环涡轮发电设备30从燃气轮机的中间冷却器12抽取和使用热量以用于产生功率，从而进一步提高系统的效率，同时减少冷却系统的寄生负载。更具体而言，发电设备30使用中间冷却器12的热量加热处于其液相而不蒸发的有机流体，使得对应的未蒸发空气冷却曲线(一个或多个)与有机流体加热曲线(一个或多个)基本匹配。这样，可以如下方式从未蒸发的流体空气热量中抽取流体蒸气线路中的最大量的热量：该方式类似于在水冷中间冷却器或空气冷却的中间冷却器中实现的热传递的方式。

更具体而言，有机流体达到具有非常低的蒸气干度的饱和状态。受热有机流体在合适的膨胀机32中利用具有小于一的蒸气干度的湿膨胀过程进行膨胀。该膨胀过程被本领域的技术人员称为“三边闪蒸”，且因此为了保持简洁性和提高关于理解采用本文所述的三边闪蒸循环原理的燃气轮机中间冷却器的清楚性，本文将不再进一步详细描述关于三边闪蒸膨胀的更多细节。

当使用(例如)诸如异戊烷或正丁烷的典型ORC工作流体时，以上所述蒸气干度在膨胀过程期间增加。膨胀后的流体34通过合适的冷凝器36基本上完全冷凝，且然后被泵送至更高压力，以便再次通过中间冷却器12加热，从而完成热循环。热力学计算已经表明，上述循环能满足冷却需求，同时以根据特定实施例的合理效率水平产生功率。配备有该循环的中间冷却器组件将例如把泵与风机的寄生负载和水消耗转成产生额外功率的无水装置。

概括地解释，通过在合适的热交换器中冷却热的燃气轮机空气，燃气轮机中间冷却器12用于朝饱和加热合适的有机流体。饱和的有机流体随后在涡轮膨胀机32中膨胀以产生功率。在该过程中的受热有机流体不在热交换器14中蒸发或仅仅部分蒸发，且从而作为沸腾液体进入膨胀机32。由于与合适有机流体的温度-饱和特性相关的蒸气线的正斜率，利用三边闪蒸循环的膨胀过程导致进一步蒸发，并在过热状态下结束。膨胀之后的流体蒸气被引入冷凝器36和供给泵38中，以结束循环。

根据一个实施例的合适的热交换器构造包括曲折盘管，该曲折盘管带有封闭在压力壳体内的大型的紧密间隔且增强的连续性的板式翅片。热空气和流体可在逆流方向上流动，并且流体管布置在多个平行的管程(pass)内。根据另一个实施例，作为直接在中间冷却器12中加热有机流体的备选形式，可利用具有用于流体的额外的热交换器的中间回路来将有机流体与空气分离。该实施例针对泄漏进行防护来增强安全性，并且可使用诸如水或导热油的更惰性的热传递流体。

相比于其中流体在膨胀之前被预热、蒸发和过热的典型ORC或蒸汽循环，利用本文所述三边闪蒸循环原理的燃气轮机中间冷却器对于一个实施例而言将设备的效率有利地提高了约3％。三边闪蒸循环允许不改变相的平滑的流体加热曲线。由于在例如沸腾期间的恒温处不增加热量，因而不出现窄点。该特征使得能够匹配加热曲线和冷却曲线，并且导致更高效的空气冷却。图3是示出与根据一个实施例的中间冷却器相关的空气冷却曲线和有机流体加热曲线的曲线图，该中间冷却器导致紧密地匹配的冷却曲线/加热曲线。

由于典型冷却系统被ORC系统取代，上述提高的效率以较低的成本增加实现。由于不需要额外的燃料，功率有利地与效率大致相同地增加了来自ORC系统的净功率输出的量。

本文所述的实施例因此可被看作利用来自三边闪蒸循环中的燃气轮机的中间冷却器热量来产生电力。应该指出的是，根据本文所述的原理，只有中间冷却器热量被作为热源用来通过热力学循环产生电力；而不使用或不需要其它热源来实现所需结果。

虽然已经关于多个特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，在权利要求的精神和范围内，可利用修改来实践本发明。

Claims (10)

1.一种三边闪蒸循环涡轮发电设备，包括：

燃气轮机(10)；

燃气轮机中间冷却器(12)，其构造成通过由对应的燃气轮机压缩机(22)产生的热量加热预定有机流体(14)，其中受热有机流体(14)保持处于部分蒸发或未蒸发的液相，以提供达到具有小于一的蒸气干度的饱和状态的受热有机流体；以及

膨胀机(20)，其构造成使所述受热有机流体(14)通过三边闪蒸循环膨胀，以增加所述蒸气干度、降低压力和从所述有机流体产生电能。

2.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于，所述有机工作流体(14)以如下方式基本上匹配压缩空气的热容率：允许将所述空气冷却至所需出口温度，同时将所述流体加热至所需饱和出口状态。

3.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于，所述燃气轮机中间冷却器(12)是与所述发电设备相关联的唯一热源。

4.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于，还包括：

冷凝器，其构造成使膨胀的有机流体冷凝；以及

泵，其构造成在高压下将冷凝的流体泵送回所述中间冷却器。

5.一种三边闪蒸循环涡轮发电设备，包括：

燃气轮机(10)；

燃气轮机中间冷却器(12)，其构造成通过由对应的燃气轮机压缩机(22)产生的热量朝饱和加热预定有机流体，以及从所述有机流体产生沸腾的流体；以及

涡轮膨胀机(20)，其构造成使所述沸腾的有机流体通过三边闪蒸循环膨胀，以从所述有机流体产生电能。

6.根据权利要求5所述的发电设备，其特征在于，所述有机流体(14)选自烃和制冷剂。

7.根据权利要求5所述的发电设备，其特征在于，所述沸腾的流体包括液体部分和气态空气部分，使得对于预定的温度和饱和极限，所述空气部分的冷却特性与所述液体部分的加热特性基本匹配。

8.根据权利要求5所述的发电设备，其特征在于，所述燃气轮机中间冷却器(12)是与所述发电设备相关联的唯一热源。

9.根据权利要求5所述的发电设备，其特征在于，还包括：

冷凝器，其构造成使膨胀的有机流体冷凝；以及

泵，其构造成在高压下将冷凝的流体泵送回所述中间冷却器。

10.根据权利要求5所述的发电设备，其特征在于，还包括包含用于加热所述有机流体的热交换器的中间热传递流体回路，其中所述中间热传递流体被所述燃气轮机中间冷却器中的所述压缩空气加热，而所述有机流体不会直接由所述中间冷却器加热，并且所述有机流体不会穿过所述中间冷却器。

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