CN103256120A

CN103256120A - 具有固态热泵的燃气涡轮机进气口系统

Info

Publication number: CN103256120A
Application number: CN2013100554173A
Authority: CN
Inventors: S.R.甘地; M.A.肯尼; A.拉姆什; H.森达拉姆; P.南达戈帕尔
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2013-08-21
Also published as: US20130213054A1; EP2631452A2; RU2013107136A; JP2013170579A

Abstract

本发明涉及并公开一种燃气涡轮机进气口系统。所述燃气涡轮机进气口系统包括将进气口空气输送到压缩机的第一通道、将燃料输送到燃烧室的第二通道，以及通过消耗电力将热量从所述进气口空气传递到所述燃料的热泵。所述热传递使得涡轮机进气口空气温度下降、燃料温度上升，从而对涡轮机输出量与热效率形成有益影响。

Description

具有固态热泵的燃气涡轮机进气口系统

技术领域

本发明涉及燃气涡轮机进气口系统，更确切地说，涉及包括固态热泵的燃气涡轮机进气口系统。

背景技术

燃气涡轮发动机一般包括用于压缩进入的空气流(燃气涡轮机进气口空气或GT进气口空气)的压缩机。所述空气流与燃料混合并在燃烧室中点燃以产生热的燃烧气体。所述燃烧气体继而流入涡轮机中。所述涡轮机从气体中提取能量以对轴进行驱动。所述轴为压缩机提供动力，并且一般还为另一个元件(例如，发电机)提供动力。

在较高的环境温度下，由于压缩机进气口空气密度较低，因此燃气涡轮机的输出量会下降。现有系统在蒸发冷却器的帮助下执行对进气口空气的调节，随着环境温度的下降或湿度的增加，所述蒸发冷却器的有效性变低。在缺水地区还使用进气口制冷器来冷却进气口空气，然而所述进气口制冷器的缺点是操作及维护成本较高。传统上，燃料加热的实现是通过外部热源或来自底循环的低级热量的。

期望的是能够提供一种既能实现进气口空气的调节又能减少相对于环境温度的功率输出流失的系统。还期望的是将燃料流用作散热器，从而通过燃料加热效应来提高设备的热效率。

发明内容

在一项示例性实施例中，提供燃气涡轮机进气口系统用于燃气涡轮机，该燃气涡轮机包括压缩机，该压缩机对燃气涡轮机进气口空气进行压缩以便在燃烧室中燃烧，所述燃烧室输出燃烧产物用于驱动涡轮机。所述进气口系统包括将燃气涡轮机进气口空气传送到压缩机的主要进气口空气通道、热泵以及经由热泵将燃料传送到燃烧室的燃料通道。分流进气口空气通道连接至主要进气口空气通道，并且使一部分燃气涡轮机进气口空气发生分流，经过热泵并返回到主要进气口空气通道。分流进气口空气通道中的燃气涡轮机进气口空气所产生的热量经由热泵与燃料通道中的燃料发生交换。

在另一项示例性实施例中，燃气涡轮机进气口系统包括：将进气口空气输送到压缩机的第一通道、将燃料输送到燃烧室的第二通道，以及通过消耗电力将热量从所述进气口空气传递到所述燃料的热泵。

在又一项示例性实施例中，一种在燃气涡轮机中输送空气和燃料的方法包括以下步骤：将燃气涡轮机进气口空气从主要进气口空气通道分流至热泵；经过热泵传送燃料；将热量从燃气涡轮机进气口空气传递到热泵中的燃料；将较冷的空气返送回主要进气口空气通道从而输送到压缩机；并且将较热的燃料输送到燃烧室。

在另一项示例性实施例中，涡轮机进气口系统包括：热泵、至少部分经由热泵将燃气涡轮机进气口空气传送到压缩机的进气口空气通道、将燃料传送到燃烧室的燃料通道，以及将压缩机出口空气传送到燃烧室的出口空气通道。进气口空气通道中燃气涡轮机进气口空气所产生的热量经由热泵与燃料通道中的燃料或压缩机出口空气中的一者发生交换。

附图说明

图1是包括燃气涡轮机进气口系统的燃气涡轮机的示意图，该系统具有一体式固态热泵；

图2是示出了热泵管道的截面图；以及

图3是一项替代性实施例的示意图。

具体实施方式

所述实施例的燃气涡轮机进气口系统利用热交换器或固态热泵(例如，热离子装置或热电装置)通过消耗电力将热量从源头(GT进气口空气)传递到散热器(燃料流)。这种热传递使得GT进气口空气温度下降、燃料温度上升，从而增大了输出量与热效率方面的有益影响。

图1是包括所述实施例中的燃气涡轮机进气口系统的燃气涡轮机的方框图。所述燃气涡轮机包括压缩机12，该压缩机对GT进气口空气进行压缩以便在燃烧室14中燃烧，该燃烧室输出燃烧产物用于驱动涡轮机16。

进气口系统20包括将GT进气口空气传送到压缩机12的主要进气口空气通道22。一部分GT空气经由连接至主要进气口空气通道22的分流进气口空气通道24从主要进气口空气通道22中发生分流。这一部分的分流GT空气被引导至热交换器26。一项分析显示出有25％的空气发生分流的良好结果，但是任何数量的空气均可能发生分流。优选地，热交换器26为固态热泵，例如，使用热离子装置或热电装置将热量从源头传递至散热器。

燃料通道28经由热泵26将燃料传送到燃料室14。热泵26消耗电力以将热量从进气口空气流(源头)传递到燃料流(散热器)。

在热泵26的下游处，相对较冷的GT进气口空气经由分流进气口空气通道24的下游部分返回到主要进气口空气通道22。如图1所示，在热泵26的下游处，GT进气口空气温度(T_ambient)较低(例如，低于T_ambient)。该较冷的空气返回到压缩机进气口前方的主要进气口空气通道22，以得到适当的温度分布。

相对较热的燃料直接被传送到燃烧室14。在示例性应用中，热交换器上游的燃料一般为约80°F，而热交换器26下游的燃料高于80°F。对于燃气涡轮机和蒸汽涡轮机联合循环操作，温度可能为365°F。

图2为固态热泵26的截面图。热泵26包括包括外管道30和内管道32。如图所示，外管道30与内管道32可以是同心的。另外，管道30、32可包括大体上呈正方形的横截面。燃料通道28与内管道32耦接，而分流进气口空气通道24与外管道30耦接。多个热离子装置或多个热电装置34可附接至内管道32的外表面。热离子装置或热电装置以串联方式电连接并且以并联方式热连接。热离子装置或热电装置34消耗电力从而将热量从外管道30中的GT进气口空气传递到内管道32中的燃料流。

GT进气口空气温度的下降导致流的质量变大，这使得涡轮机输出量对应地增加。燃料温度的上升带来了热效率方面的益处。由于系统的迅速响应，输出量及热效率方面的改善几乎是瞬间发生的。由于热离子/热电冷却效果依赖于电力供应，因此可轻易地对系统进行控制并可轻易将其与现有控制系统整合起来，并且可将对用于燃料加热的外部热源的依赖程度最小化。另外，该系统是安静可靠的，这是因为热泵可安静地运行并且基本上不需要维护。此外，涡轮机输出量的增加大大抵消了发动热泵所需的电能。

图3是一项替代性实施例的示意图。在此项实施例中，热交换器26插入在压缩机级之间，例如，在第一级压缩机112和第二级压缩机212之间。可对进入压缩机的空气进行冷却从而提高压缩机效率(即，提高总的设备输出量)。在现有系统中，这可由中间冷却器实现。在图3所示的实施例中，热交换器26对即将进入上游压缩机112的进气口空气进行冷却，并且使用废热对源自下游压缩机212的出口空气进行加热。经加热的出口空气输送到燃烧室，使得燃烧室进气口温度上升。

通过这种结构，有利地是，对即将进入上游(例如，1级)压缩机112的进气口空气进行冷却有助于增加压缩机效率，并且因此，减少了寄生压缩器功率，由此提高了净设备输出量。另外，通过对源自下游压缩机(例如，2级压缩机)的压缩机出口空气进行加热，使得燃气涡轮机的热效率因燃烧室进气口温度较高而得以提高。

尽管已结合当前被视为最实际且优选的实施例对本发明进行了描述，但应了解，本发明并不限于所揭示的实施例，相反，本发明意图涵盖属于所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。例如，系统可以间歇性地操作，以便在例如服从欠频电网规范期间，提供瞬态事件所需的功率提升。还可进一步改善管道设计以实现最小压力损失和最大热传递。此外，针对IBH(进气口放气加热)应用，可反向地使用热泵(通过使电流流动的方向反向)来加热进气口空气。尽管此类应用中当前装置的成本是昂贵的，然而未来对装置效率的改进有可能证明该装置是实用的。

Claims

1.一种用于燃气涡轮机的燃气涡轮机进气口系统，所述燃气涡轮机包括压缩机，所述压缩机对燃气涡轮机进气口空气进行压缩以便在燃烧室中进行燃烧，所述燃烧室输出燃烧产物用于驱动涡轮机，所述进气口系统包括：

将所述燃气涡轮机进气口空气传送到所述压缩机的主要进气口空气通道；

热泵；

经由所述热泵将燃料传送到所述燃烧室的燃料通道；以及

连接至所述主要进气口空气通道的分流进气口空气通道，所述分流进气口空气通道使一部分所述燃气涡轮机进气口空气发生分流，经过所述热泵返回到所述主要进气口空气通道，其中所述分流进气口空气通道中的所述燃气涡轮机进气口空气的热量经由所述热泵与所述燃料通道中的所述燃料发生交换。

2.根据权利要求1所述的进气口系统，其中所述热泵为包括热离子装置和热电装置之一的固态热泵。

3.根据权利要求2所述的进气口系统，其中所述固态热泵包括外管道和同心的内管道，并且其中所述燃料通道与所述内管道连接，而所述分流进气口空气通道与所述外管道连接。

4.根据权利要求3所述的进气口系统，其中多个热离子装置或多个热电装置附接到所述内管道的外表面。

5.根据权利要求2所述的进气口系统，其中所述内管道和所述外管道包括大体上呈正方形的横截面。

6.根据权利要求1所述的进气口系统，其中所述固态热泵包括外管道和同心的内管道，并且其中所述燃料通道与所述内管道连接，而所述分流进气口空气通道与所述外管道连接。

7.根据权利要求6所述的进气口系统，其中所述内管道和所述外管道包括大体上呈正方形的横截面。

8.根据权利要求1所述的进气口系统，其中所述固态热泵与电源连接。

9.一种燃气涡轮机，其包括权利要求1所述的进气口系统。

10.一种燃气涡轮机进气口系统，其包括：

将进气口空气输送到压缩机的第一通道；

将燃料输送到燃烧室的第二通道；以及

通过消耗电力将热量从所述进气口空气传递至所述燃料的热泵。

11.根据权利要求10所述的进气口系统，其进一步包括第三通道，所述第三通道使来自所述第一通道的一部分所述进气口空气发生分流，经过所述热泵返回到所述第一通道。

12.根据权利要求11所述的进气口系统，其中所述热泵为包括热离子装置和热电装置之一的固态热泵。

13.根据权利要求12所述的进气口系统，其中所述固态热泵包括外管道和同心的内管道，并且其中所述第二通道与所述内管道连接，而所述第三通道与所述外管道连接。

14.根据权利要求13所述的进气口系统，其中多个热离子装置或多个热电装置附接到所述内管道的外表面。

15.根据权利要求13所述的进气口系统，其中所述内管道和所述外管道包括大体上呈正方形的横截面。

16.根据权利要求11所述的进气口系统，其中所述热泵包括外管道和同心的内管道，并且其中所述第二通道与所述内管道连接，而所述第三通道与所述外管道连接。

17.根据权利要求16所述的进气口系统，其中所述内管道和所述外管道包括大体上呈正方形的横截面。

18.一种在燃气涡轮机中输送空气和燃料的方法，所述方法包括：

将燃气涡轮机进气口空气从主要进气口空气通道分流至热泵；

通过所述热泵传送燃料；

将热量从所述燃气涡轮机进气口空气传递到所述热泵中的所述燃料；

将较冷空气返送回所述主要进气口空气通道以输送到压缩机；并且

将较热燃料输送到燃烧室。

19.一种用于燃气涡轮机的燃气涡轮机进气口系统，所述燃气涡轮机包括压缩机，所述压缩机对燃气涡轮机进气口空气进行压缩以便在燃烧室中进行燃烧，所述燃烧室输出燃烧产物用于驱动涡轮机，所述进气口系统包括：

热泵；

至少部分经由所述热泵将所述燃气涡轮机进气口空气传送到所述压缩机的进气口空气通道；

将燃料传送到所述燃烧室的燃料通道；以及

将压缩机出口空气传送到所述燃烧室的出口空气通道，

其中所述进气口空气通道中的所述燃气涡轮机进气口空气的热量经由所述热泵与所述燃料通道中的燃料或所述压缩机出口空气之一发生交换。

20.根据权利要求19所述的燃气涡轮机进气口系统，其中所述压缩机包括至少一个上游压缩机级和一个下游压缩机级，其中所述进气口空气通道经由所述热泵将所述燃气涡轮机进气口空气传送到所述上游压缩机级，并且其中所述出口空气通道在所述下游压缩机级之间经由所述热泵连接至所述燃烧室。