CN103244274A - 用于燃气涡轮机入口空气加热的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮机入口空气加热的系统和方法。在本发明的一个实施例中，描述了一种用于部分负荷效率改善以及入口内和压缩器入口处的防结冰的燃气涡轮机系统。该系统包括具有接收入口空气的压缩器的燃气涡轮机。在入口空气流动通过入口并且到达压缩器之前直接接触式热交换器加热入口空气。加热入口空气减小燃气涡轮机的输出并且扩大调节范围，并且避免入口内和压缩器入口喇叭口处的结冰状况。直接接触式热交换器也可以被配置成用作蒸发冷却器、空气制冷器或使用液体干燥剂。

Description

用于燃气涡轮机入口空气加热的系统和方法

技术领域

本发明所公开的主题大体而言涉及燃气涡轮机，并且更具体地涉及用于操作燃气涡轮机的方法和装置。

背景技术

本发明涉及燃气涡轮机的操作，并且更特别地涉及用于燃气涡轮机中的防结冰和部分负荷效率改善的系统和方法。

诸如燃气涡轮机、航改式等的涡轮机械通常在联合循环和/或热电联产模式(cogeneration mode)下操作。在联合循环操作中，生成蒸汽的热回收蒸汽发生器接收来自燃气涡轮机的废气；蒸汽然后流动到生成额外电力的蒸汽涡轮机。在热电联产操作中，由热回收蒸汽发生器生成的蒸汽的一部分被送到需要蒸汽的独立工艺制程。

联合循环和热电联产电厂额定为(rated to)在基本负荷下操作时生成最大量的能量(机械、电等)。然而，尽管是操作者期望的，但是基本负荷运行/操作(baseload operation)并不总是可行。在能源市场(电网等)中可能不需要在基本负荷下产生的所有能量。在这里，动力装置(powerplant)必须停机，或在产生少于最大量能量的部分负荷下操作。此外，部分负荷操作往往减小总效率，并且增加动力装置的发热率。

燃气涡轮机典型地需要在发电时避免在入口内、尤其在压缩器入口喇叭口处的结冰状况。在低环境温度下操作的燃气涡轮机可能不能保持无冰入口空气流。可以考虑入口加热以允许操作者保持入口和压缩器进口内的无冰空气流，由此避免由于压缩器叶片的结冰或冰磨蚀引起的过量压降。

入口空气加热系统可以减小与在部分负荷和低环境温度条件下操作燃气涡轮机关联的前述缺点的程度。常规方法集中于利用来自热回收蒸汽发生器的废气、或另外的独立加热机构，例如入口加热盘管，这会成本很高。因而，最小化硬件和安装的方法将是期望的。

燃气涡轮机在基本负荷操作下在更暖的温度下可能需要更高的输出以满足峰值要求。这典型地通过利用入口空气蒸发冷却器或制冷器系统来实现。当前的方法具有独立于入口加热系统的这些增强选择。燃气涡轮机入口内的附加独立系统造成系统成本、复杂性和入口压降。

由于前述原因，需要一种具有入口空气直接接触式加热系统的燃气涡轮机。与此相关的方法将允许入口和压缩器入口防结冰和调节范围的扩大。所述系统和方法将允许在部分负荷范围下操作时燃气涡轮机所消耗的燃料减小。此外，所述方法和系统也将能够灵活地提供相同结构内的入口空气蒸发冷却和制冷，以增加基本负荷下的燃气涡轮机功率输出。

发明内容

本发明的方面和优点将部分地在以下描述中进行阐述，或者可以从该描述显而易见，或者可以通过本发明的实施而获悉。

在本发明的一个实施例中，描述了一种用于部分负荷效率改善的燃气涡轮机系统。该系统包括具有接收入口空气的压缩器的燃气涡轮机。在入口空气流动到压缩器之前，直接接触式热交换器加热入口空气。加热入口空气可减小入口空气密度和涡轮机质量流量，并且因此降低燃气涡轮机的输出和扩大调节范围(turndown range)。

在另一个实施例中，描述了一种控制燃气涡轮机系统操作以用于部分负荷效率改善、以及入口和压缩器入口喇叭口的防结冰的方法。该方法包括在入口空气流动到燃气涡轮机压缩器之前利用直接接触式热交换器加热入口内的入口空气，以减小入口空气密度和涡轮机质量流量、并且因此降低输出和扩大调节范围。

在本发明的备选实施例中，描述了一种控制燃气涡轮机系统操作以用于部分负荷效率改善以及入口和压缩器入口喇叭口的防结冰、同时也提供在基本负荷下供应入口空气的蒸发冷却或制冷的能力的方法。该方法包括为了扩大调节范围、在低环境温度下防结冰或在基本负荷下增加涡轮机功率输出，在入口空气流动到燃气涡轮机压缩器之前利用直接接触式热交换器加热、冷却或制冷入口内的入口空气。

参考以下描述和附带的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。包含在该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

在参考附图的说明书中阐述了包括对于本领域的普通技术人员来说是本发明的最佳模式的本发明的完整和允许公开，其中：

图1提供了根据本发明的各方面的燃气涡轮机的示意图。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的实施例，所述实施例的一个或多个例子在附图中示出。每个例子作为本发明的解释而不是作为本发明的限制而被提供。实际上，本领域的技术人员将显而易见可以在本发明中进行各种修改和变化而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施例以产生又一个实施例。因此，本发明旨在涵盖属于附带的权利要求及其等效物的范围内的这样的修改和变型。

本发明通过加热入口空气扩大调节范围。根据本发明，扩大的调节范围从燃气涡轮机的最大额定负荷的大约5％至大约70％。一般而言，燃气涡轮机的输出(电、机械等)由进入压缩器的质量流量的量控制。质量流量(mass-flow)可以被认为是进入压缩器的入口空气的密度和体积流量(volume-flow)的乘积。进入压缩器的体积流量的量可以根据环境温度条件和燃气涡轮机上的可变入口导向叶片(IGV)的角(如果有的话)而变化。IGV角可以确定压缩器的入口处的流动面积。IGV角可以减小到最小角，限制调节的量。在最小IGV角，相应的最小体积流量被吸引到压缩器中。

根据本发明，入口空气的加热减小密度，允许更低密度的入口空气进入压缩器。在这里，在指定负荷点，进入压缩器的体积流量可以保持恒定，然而质量流量由于入口空气的密度的减小而减小。如上所述，燃气涡轮机的输出可以由进入燃气涡轮机的质量流量确定；所以相比于未加热入口空气，由于入口空气的加热而产生更小的输出。

图1是根据本发明的各方面的燃气涡轮机入口加热系统10的示意图，该系统可操作地连接到燃气涡轮机12。燃气涡轮机12可以包括压缩器13、燃烧器14和涡轮机15。燃气涡轮机12还可以包括例如一个以上的压缩器、一个以上的燃烧器和一个以上的涡轮机(未显示)。燃气涡轮机12可以包括燃气涡轮机入口16。入口16可以被配置成接收燃气涡轮机入口空气流18。例如，在一个实施例中，入口16可以是燃气涡轮机入口过滤器壳体。燃气涡轮机12还可以包括燃气涡轮机废气出口17。出口17可以被配置成排出燃气涡轮机废气流19。在一个实施例中，废气流19可以被引导到热回收蒸汽发生器(“HRSG”)(未显示)。在另一个实施例中，废气流19可以被分散到环境空气中。在另一个实施例中，废气流19可以被直接引导到热交换器，如本说明书中进一步所述。

例如当废热用作热源时本系统可以是节能的。例如，在一个实施例中，热源29可以由燃气涡轮机12生成。例如，热源29可以是燃气涡轮机废气19。在另一个实施例中，热源29可以由HRSG生成。例如，热源29可以是HRSG水或HRSG蒸汽。在其它实施例中，热源29可以是任何废蒸汽(例如蒸汽涡轮机密封蒸汽)、废热水、发生器冷却水或由任何发热过程生成的热流。应当理解热源29不限于废热和废气热源，而是可以通过任何加热方法供应，例如太阳能加热、辅助锅炉加热或地热加热。

利用热源29来加热热交换器20中的加热流体流25。例如，在一个实施例中，热交换器20可以是加热流体流25的吸收式制冷装置系统。在这方面，燃气涡轮机入口加热系统10包括开放式热交换器30。在一个实施例中，热交换器30可以被配置成允许加热流体流25穿过热交换器30。例如，热交换器30可以包括加热流体入口31和加热流体出口32。在一个实施例中，加热流体入口31可以是喷嘴。在另一个实施例中，加热流体入口31可以是多个加热入口31。例如，加热流体入口31可以是多个喷嘴。加热流体入口31可以用于将加热流体流25传递到热交换器30。

在实施例的示例性方面中，加热流体出口32可以包括在加热流体流25的方向上布置在热交换器30的下游的收集槽(sump)。收集槽可以被配置成在加热流体流25穿过热交换器30之后收集它。

热交换器30可以被配置成接收入口空气流18。例如，在一个实施例中，热交换器30可以在入口空气流18的方向上位于燃气涡轮机入口16的上游。在一个实施例中，热交换器30可以位于燃气涡轮机入口16附近。在另一个实施例中，热交换器30可以位于燃气涡轮机入口16的内部。入口空气流18可以在进入燃气涡轮机入口16或压缩器13之前被引导通过热交换器30。

当入口空气流18穿过热交换器30时热交换器30可以被配置成加热入口空气流18。例如，热交换器30可以被配置成允许入口空气流18穿过热交换器30以与加热流体流25相互作用，由此加热入口空气流18。在一个实施例中，入口空气流18可以被引导通过加热流体流25，使得冷却从入口空气流18传递到加热流体流25，由此加热入口空气流18。

在实施例的另一个示例性方面中，热交换器30可以是直接接触式热交换器。例如，热交换器30可以是介质型直接接触式热交换器。介质可以以结构化图案、随机图案或本领域中已知的任何图案布置。介质可以包括纤维素基介质、塑料基介质、金属基介质、陶瓷基介质、玻璃纤维基介质、合成纤维基介质或本领域中已知的任何介质或介质的组合。在一个实施例中，加热流体流25可以在大体向下方向上在介质表面上被引导。在一个实施例中，入口空气流18可以在大致垂直于加热流体流25的方向的方向上被引导通过热交换器30。

在实施例的又一个示例性方面中，热交换器30可以仅仅接收接近环境温度的水流28。当未加热水流28直接接触入口空气18时，热交换器30可以用作本领域中已知的蒸发冷却器。

同样在另一个示例性实施例中，热交换器30可以仅仅接收被制冷的流体流25。例如，热交换器20可以是制冷流体流25的吸收式制冷装置。当经制冷的流体流25与入口空气18直接接触时，热交换器30可以用作本领域已知的空气制冷器。

在某些实施例中，加热流体可以是纯净水、具有矿物添加剂的水、具有乙二醇的水、具有液体干燥剂的水或本领域的技术人员已知的任何其它流体或流体组合。在一个实施例中，加热流体流25包含液体干燥剂成分，并且液体干燥剂抑制可以释放到入口空气中的水蒸汽，这是有利的，原因是水从加热流体的蒸发对明显加热起反作用。

一般而言，未加热入口空气18的温度可以由环境条件或位于本入口加热系统10的上游的任何空气调节系统(未示出)的出口温度确定。本发明的实施例可以将入口空气的温度增加到入口加热系统所允许的任何温度。例如，系统10可以将入口空气18的温度从大约59华氏度增加到大约120华氏度。在某些实施例中，入口空气被加热到超过入口空气的未加热温度大约10至大约200华氏度的范围。在某些实施例中，入口空气被加热到超过入口空气的未加热温度大约50至大约100华氏度的范围。在其它某些实施例中，为了入口和入口压缩器防结冰，入口空气被加热到超过入口空气的未加热温度大约1至10华氏度的范围。

在实施例的另一个示例性方面中，过滤器45可以在入口空气流18的方向上布置在热交换器30的上游。过滤器45可以被配置成在入口空气流18进入热交换器30和燃气涡轮机12之前从入口空气流18去除颗粒。在另一个实施例中，过滤器45可以在入口空气流18的方向上布置在热交换器30的下游。过滤器45可以被配置成在入口空气流18进入燃气涡轮机12之前从入口空气流18去除颗粒、气体和/或流体小滴。在一个实施例中，漂浮物清除器33可以在入口空气流18的方向上布置在热交换器30的下游。漂浮物清除器33可以用于在燃气涡轮机入口空气流18进入燃气涡轮机12之前从燃气涡轮机入口空气流18去除流体的小滴。在一个实施例中，泵46可以在加热流体流25的方向上布置在热交换器30的下游。泵46可以被配置成将来自热交换器30的加热流体流25传递到加热流体加热器20。

燃气涡轮机入口加热系统10可以被配置成使得关于某些条件调节系统10的操作。例如，控制器50可以可操作地连接到燃气涡轮机入口加热系统10以调节系统。在一个实施例中，控制器50可以可操作地连接到热交换器，并且被配置成调节热交换器20的操作。控制器50可以用各种控制算法和控制方案编程，以操作和调节燃气涡轮机入口加热系统10和热交换器20。

本发明揭示了一种控制器，所述控制器具有的作用是控制集成有本发明的入口加热系统的燃气涡轮机的操作。在本发明的某些实施例中，控制器可以被配置成自动地、和/或连续地监测燃气涡轮机以确定入口加热系统是否应当操作/运行。在其它实施例中，控制器50可以可操作地连接到燃气涡轮机入口加热系统10或燃气涡轮机12的其它部件，以最大化燃气涡轮机12的效率。

在本发明的某些方面中描述了一种控制燃气涡轮机系统操作以用于部分负荷效率改善的方法。该方法包括在入口空气流动到燃气涡轮机压缩器之前利用如本说明书中所述的直接接触式热交换器加热入口空气。该方法还包括将经加热的入口空气给送到燃气涡轮机压缩器，其中经加热的入口空气减小了燃气涡轮机的输出、并且扩大了调节范围。

本说明书使用例子来公开包括最佳模式的本发明，并且也使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它例子。这样的其它例子旨在属于权利要求的范围内，只要它们包括与权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。

Claims (20)

1.一种用于部分负荷效率改善以及入口内和压缩器入口处的防结冰的燃气涡轮机系统，所述系统包括：

燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括接收入口空气的压缩器；以及

直接接触式热交换器，在入口空气流动到所述压缩器之前所述直接接触式热交换器被配置成加热入口空气，其中加热入口空气能够防止入口系统内的结冰、减小燃气涡轮机的输出并且扩大调节范围。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，扩大的调节范围包括从所述燃气涡轮机的最大额定负荷的大约5％至大约70％。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，入口空气被加热到超过入口空气的未加热温度大约10至大约200华氏度的范围。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，入口空气被加热到超过入口空气的未加热温度大约1至10华氏度的范围。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直接接触式热交换器被配置成用作蒸发冷却器。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直接接触式热交换器被配置成用作入口空气制冷器。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，入口空气还包括湿空气。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直接接触式热交换器利用以液体干燥剂混合物为特征的工作流体。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直接接触式热交换器减小入口空气的含湿量。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括收集槽，所述收集槽被配置成收集来自所述热交换器的液体，以将所述液体再循环回到所述热交换器。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括漂浮物清除器，其中所述收集槽也被配置成收集来自所述漂浮物清除器的液体，以将所述液体再循环回到所述热交换器。

12.一种控制燃气涡轮机系统操作以用于部分负荷效率改善以及入口内和压缩器入口处的防结冰的方法，所述方法包括：

在入口空气流动到燃气涡轮机入口或燃气涡轮机压缩器之前利用直接接触式热交换器加热入口空气；

将经加热的入口空气给送到所述燃气涡轮机压缩器；并且

其中经加热的入口空气减小燃气涡轮机的输出，并且扩大调节范围。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，扩大的调节范围包括从涡轮机的最大额定负荷的大约5％至大约70％。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将入口空气加热到超过入口空气的未加热温度大约10至大约200华氏度的范围。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将入口空气加热到超过入口空气的未加热温度大约1至10华氏度的范围的能力。

16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述直接接触式热交换器被配置成用作蒸发冷却器。

17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述直接接触式热交换器被配置成用作入口空气制冷器。

18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述直接接触式热交换器利用以液体干燥剂混合物为特征的工作流体，所述液体干燥剂混合物减小入口空气的含湿量。

19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括利用收集槽收集来自所述热交换器的液体，并且将所述液体再循环回到所述热交换器。

20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将经加热的入口空气提供给燃气涡轮机入口，其中经加热的入口空气防止入口内的结冰。

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