CN103670824B - 带有湿度控制和能量回收的入口空气致冷系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及带有湿度控制和能量回收的入口空气致冷系统，提供了一种用于与燃气涡轮发动机联用的入口空气致冷系统。该入口空气致冷系统可包括入口空气过滤部、定位在入口空气过滤部内的空气致冷/加热盘管、以及在入口空气过滤部内定位在空气致冷/加热盘管下游且与空气致冷/加热盘管连通的能量回收/加热盘管。

Description

带有湿度控制和能量回收的入口空气致冷系统
技术领域
本申请和所得专利大体涉及燃气涡轮发动机，并且更特定地涉及一种用于与包括湿度控制和能量回收的燃气涡轮发动机联用的入口空气(inlet air)致冷和加热系统，以用于增加的总输出和热效率。
背景技术
燃气涡轮发动机的功率输出与离开压缩机的压缩空气流的质量流率成比例。在给定旋转速度下，压缩机具有固定能力以处理一定体积流率的空气流。空气流的质量流率随周围温度的升高而降低，因为当温度升高时，空气的密度降低。燃气涡轮发动机的效率和功率输出因此随周围温度的升高而降低。
增大功率输出的已知技术之一包括降低入口空气流的温度。功率增大系统可包括致冷盘管(coil)和/或蒸发冷却器，以便降低进入空气流的温度。然而，功率增大系统的使用可增加对进入压缩机的空气流的阻力。该阻力可被限定为入口空气系统中的压降。涡轮效率和功率输出也是入口系统压降的函数。入口系统压降越高，涡轮的效率和总功率输出便越低。此外，对现有燃气涡轮添加功率增大系统通常涉及用于这一大规模改型的相当长停工期。
较高入口系统压降的其它原因包括在非常潮湿的周围状况期间以及在成雾状况期间入口过滤器的结块。可使用入口空气加热以便降低在那些状况期间的入口空气的湿度比。然而如上，升高入口空气温度通常导致功率产生能力的降低，特别是在基本负载状况下。而且，当入口致冷/加热盘管位于空气过滤器元件的上游以降低成本和消除对涡轮停工期的需求时，在入口空气致冷运行期间，当水聚结且入口空气湿度比接近百分之百(100％)时，结块可产生在过滤器元件上。为避免可导致更高入口压降和燃气涡轮关闭的这种结块，入口空气致冷/加热盘管通常安装在终滤器的下游。
因此，存在对改进的入口空气致冷系统的需求。这种改进的入口空气致冷系统可提供入口空气温度和湿度控制两者，且因此避免结块等，同时提供总体增加的效率和功率输出。此外，这种改进的系统可为不需要大规模停工期和费用的改型。
发明内容
本申请和所得专利因而提供一种用于与燃气涡轮发动机联用的入口空气致冷系统。该入口空气致冷系统可包括入口空气过滤部(filter house)、定位在入口空气过滤部内的空气致冷/加热盘管、以及在入口空气过滤部内定位在空气致冷/加热盘管下游且与空气致冷/加热盘管连通的能量回收/加热盘管。
本申请和所得专利还提供一种调节用于燃气涡轮发动机的入口空气流的方法。该方法可包括以下步骤：使水流流过致冷/加热盘管；利用致冷/加热盘管中的经致冷水流将空气流冷却至露点以下；使用过的温水流流过能量回收/加热盘管；以及利用能量回收/加热盘管中的水流来加热空气流，以降低其中的湿度水平。
本申请和所得专利还提供一种用于与燃气涡轮发动机联用的入口空气致冷系统。该入口空气致冷系统可包括入口空气过滤部、定位在入口空气过滤部内的多程空气致冷/加热盘管、在入口过滤部内定位在多程空气致冷盘管下游的除雾器、以及在入口空气过滤部内定位在除雾器下游且与多程空气致冷/加热盘管连通的能量回收/加热盘管。
在一方面，提供了一种用于与燃气涡轮发动机联用的入口空气致冷系统，其包括：入口空气过滤部；空气致冷/加热盘管，其定位在入口空气过滤部内；以及能量回收/加热盘管，其在入口空气过滤部内定位在空气致冷/加热盘管下游且与空气致冷/加热盘管连通。
优选地，入口空气过滤部包括入口空气过滤部延伸件。
优选地，入口空气致冷系统还包括在入口过滤部延伸件下游的现有空气过滤部。
优选地，入口空气致冷系统还包括定位在入口过滤部延伸件和现有入口过滤部之间的旁路气窗。
优选地，空气致冷/加热盘管包括多程盘管。
优选地，入口空气致冷系统还包括定位在空气致冷/加热盘管和能量回收/加热盘管之间的除雾器。
优选地，入口空气致冷系统还包括与空气致冷/加热盘管连通的给水。
优选地，给水包括水/防冻剂混合物。
优选地，入口空气致冷系统还包括定位在空气致冷/加热盘管和能量回收/加热盘管之间的能量回收/加热盘管泵。
优选地，入口空气致冷系统还包括与能量回收/加热盘管连通的回水。
优选地，空气致冷/加热盘管和能量回收/加热盘管包括功率增大系统。
优选地，入口过滤部包括定位在空气致冷/加热盘管上游的一个或多个预滤器。
优选地，入口过滤部包括在空气致冷/加热盘管下游的一个或多个终滤器。
优选地，入口过滤部包括一个或多个温度传感器和/或湿度传感器。
在另一方面，提供了一种调节用于燃气涡轮发动机的入口空气流的方法，其包括：使水流流过致冷/加热盘管；利用致冷/加热盘管中的水流将空气流冷却至露点以下；使水流流过能量回收/加热盘管；以及利用能量回收/加热盘管中的水流来加热空气流以降低其中的湿度水平。
在又一方面，提供了一种用于与燃气涡轮发动机联用的入口空气致冷系统，其包括：入口空气过滤部；多程空气致冷/加热盘管，其定位在入口空气过滤部内；除雾器，其在入口过滤部内定位在多程空气致冷/加热盘管的下游；以及能量回收/加热盘管，其在入口空气过滤部内定位在除雾器下游且与多程空气致冷/加热盘管连通。
优选地，入口空气过滤部包括入口空气过滤部延伸件。
优选地，入口空气致冷系统还包括在入口过滤部延伸件下游的现有空气过滤部。
优选地，入口空气致冷系统还包括定位在入口过滤部延伸件和现有入口过滤部之间的旁路气窗。
优选地，入口空气致冷系统还包括定位在空气致冷/加热盘管和能量回收/加热盘管之间的能量回收/加热盘管泵。
在结合若干附图和所附权利要求回顾以下详细描述后，本申请和所得专利的这些和其它特征及改进对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的示意图，示出了压缩机、燃烧器和涡轮。
图2是带有空气入口系统的燃气涡轮发动机的示意图。
图3是如本文中可能描述的空气入口致冷系统的示意图。
部件列表：
10 燃气涡轮发动机
15 压缩机
20 空气流
25 燃烧器
30 燃料流
35 燃烧气体
40 涡轮
45 轴
50 负载
55 入口空气系统
60 天气罩(weather hood)
65 入口过滤部
70 聚结垫
75 功率增大系统
80 致冷盘管
85 过渡件
90 入口导管
95 消音器
96 入口抽汽加热
100 入口空气致冷系统
110 入口过滤部
120 入口过滤部延伸件
130 天气罩
140 聚结垫
150 预滤器
160 旁路气窗
165 终滤器
170 功率增大系统
180 空气致冷/加热盘管
190 多程盘管
200 给水
205 水流
210 除雾器
220 能量回收/加热盘管
230 温度控制阀
240 能量回收/加热盘管泵
250 回水
260 湿度控制阀
270 温度传感器
280 湿度传感器。
具体实施方式
现在参考附图，在若干附图中相同标号代表相同元件。图1示出了如本文中可能使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括压缩机15。压缩机15压缩进入空气流20。压缩机15传输压缩空气流20至燃烧器25。燃烧器25将压缩空气流20与加压燃料流30混合并点燃混合物以形成燃烧气体流35。虽然仅示出单个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可包括任何数量的燃烧器25。燃烧气体流35继而被传输至涡轮40。燃烧气体流35驱动涡轮40以便产生机械功。在涡轮40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15和诸如发电机的外部负载50等。
燃气涡轮发动机10可使用天然气、各种类型的燃油、各种类型的合成气和/或其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可为由纽约州斯卡奈塔第市的GE公司提供的许多不同燃气涡轮发动机中的任一种，包括但不限于诸如7系或9系重型燃气涡轮发动机等的那些。燃气涡轮发动机10可具有不同构型且可使用其它类型的部件。此处还可使用其它类型的燃气涡轮发动机。此处还可联用多个燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮和其它类型的功率产生设备。
图2示出了可与燃气涡轮发动机10等联用的入口空气系统55。入口空气系统55可包括安装在入口过滤部65上的天气罩60，以便进入空气流20穿过。天气罩60可防止诸如雨、雪等的天气要素进入其中。入口过滤部65可从空气流20移除异物和碎片。天气罩60可包括许多漂浮物消除器和/或聚结垫70。聚结垫70可降低空气流20内的液体含量。在过滤部65中，诸如脉冲空气过滤器等的许多过滤器68还可用于天气罩60的下游。
空气流20随后可穿过功率增大系统75。功率增大系统75可包括定位在入口过滤部65内的致冷盘管80和/或其它类型的致冷装置，以致冷进入空气流20。入口过滤部65还可具有带有减小截面的过渡件85。过渡件85可通向朝压缩机15延伸的入口导管90。还可使用诸如消音器95和入口抽汽加热系统97的其它部件。此处描述的涡轮入口空气过滤器系统55和部件仅为举例目的。此处可使用带有其它部件和其它构型的其它类型的入口空气系统。
图3示出如本文中可能描述的入口空气致冷系统100的示例。入口空气致冷系统100可包括入口过滤部110。入口过滤部110可为以类似以上描述的方式与燃气涡轮发动机10的压缩机15连通的完整部件，或者入口过滤部110可为入口过滤部延伸件120。具体而言，入口过滤部延伸件120可直接连接至现有入口过滤部65。入口过滤部延伸件120的使用允许容易的改型，而不需要昂贵的燃气涡轮停机和拆卸现有入口过滤部65。当燃气涡轮发动机10在运行中时，可构建入口过滤部延伸件120。入口过滤部110可具有任何尺寸、形状或构型。
入口过滤部110可包括带有定位在其前端周围的许多漂浮物消除器和/或聚结垫140的天气罩130。入口过滤部110可包括定位在聚结垫140周围或别处的一个或多个预滤器150以过滤空气流20。入口过滤部110还可包括安装在入口过滤部110的现有区段和延伸区段之间的旁路气窗160。当文中描述的入口过滤部110的部件不运行时，旁路气窗160可将空气流20直接提供至现有入口过滤部65以便降低内部压力损失。入口过滤部110内的任何压力损失可不利地影响燃气涡轮发动机10的功率输出和效率。许多终滤器165可定位在旁路气窗160的下游或别处。入口过滤部110及其部件可具有任何尺寸、形状或构型。此处可使用其它部件和其它构型。
入口空气致冷系统100还可包括定位在入口过滤部110内的功率增大系统170。功率增大系统170可包括空气致冷/加热盘管180。空气致冷/加热盘管180可为多程盘管190或任何类型的传热装置。此处可使用其它类型的致冷系统，以在进入空气流20穿过其中时将它致冷。空气致冷/加热盘管180可具有任何尺寸、形状或构型。还可使用任何构造材料。
空气致冷/加热盘管180可与给水200连通。给水200可在其中包括水流205。如可能需要的，给水200可供给经致冷的或热的水205。给水200可包括乙二醇/水混合物或其它类型的制冷剂/防冻剂流体。此处还可使用其它类型的流体。入口空气致冷系统100可包括定位在空气致冷/加热盘管180下游的一个或多个除雾器210，以在入口空气致冷模式期间当空气湿气聚结在盘管180上时从空气流中去除水滴。除雾器210可具有常规设计且可具有任何尺寸、形状或构型。此处可使用其它部件和其它构型。
功率增大系统170还可包括在入口过滤部110内定位在除雾器210下游的能量回收/加热盘管220。能量回收/加热盘管220可具有任何尺寸、形状、材料或构型。能量回收/加热盘管220可经由温度控制阀230和能量回收/加热盘管泵240与空气致冷/加热盘管180连通。能量回收/加热盘管泵240可具有常规设计。能量回收/加热盘管220因而可利用由离开空气致冷/加热盘管180的水流205去除的热量来加热离开空气致冷/加热盘管180的空气流20。能量回收/加热盘管220可经由湿度控制阀260与回水250连通。此处还可使用一个或多个温度传感器270和湿度传感器280。此处可使用其它部件和其它构型。
一般而言，在引入现有入口过滤部65和压缩机15中之前，潮湿热空气流20流过天气罩130、预滤器150、空气致冷/加热盘管180、除雾器210和能量回收/加热盘管220以被冷却和干燥。具体而言，当穿过空气致冷/加热盘管180时，空气流20可被冷却至其露点以下。考虑到随后的加热和除湿步骤，空气流20可被冷却至目前的入口空气温度限制以下而不担心压缩机结冰。空气流20可能饱和，使得空气流中的一些湿气可聚结在空气致冷/加热盘管180上。聚结物可被收集和/或处置，同时除雾器210防止任何聚结物带过。从空气流20吸收的热量因而可升高循环通过空气致冷/加热盘管180的水流205的温度。温度控制阀230可调节通过空气致冷/加热盘管180的水流205，以便维持离开盘管的空气流的温度处于期望的设定点。
至少部分用过的经加热水流205可经由能量回收/加热盘管泵240被泵送至能量回收/加热盘管220。备选地，热水可从二级源供给。离开空气致冷/加热盘管180的冷饱和空气因此可在能量回收/加热盘管220中被加热以便降低其中的湿度水平。离开能量回收/加热盘管220的水流205随后可被引至回水250。湿度控制阀260调节通过能量回收/加热盘管220的水流205，以便维持离开盘管的空气流20的期望湿度水平。维持期望湿度水平将保证在终滤器中不产生结块。离开功率增大系统170的空气流20因此具有低温和低湿度两者。
入口空气致冷系统100调节进入燃气涡轮发动机10的压缩机15的空气流20的温度和湿度比两者。将入口空气湿度从空气致冷/加热盘管180下游的饱和(100％)降低至能量回收/加热盘管220处的小于约百分之八十五(85％)减轻了压缩机叶片腐蚀和侵蚀的问题。考虑到湿度水平的降低，空气流20还可被冷却而不担心压缩机结冰。这样，入口空气系统100相比现有的入口空气致冷/加热系统可提供更高水平的功率增大，因为即使使用能量回收/加热盘管220，空气流20仍然具有总体较低的温度。
整个入口空气致冷系统100可安装在现有过滤部65前方以便避免目前所需用于入口致冷/加热盘管安装的长停机。具体而言，入口空气致冷系统100可为燃气涡轮发动机10的总体改型的部分，具有降低的停工期和费用。入口过滤部延伸件120可为现有过滤部的预先设计的独立延伸件。当现有燃气涡轮发动机10运行时，可安装入口空气致冷系统100。
入口空气致冷系统100因此提供改进的功率增大，其具有温度控制以在热和潮湿的周围状况期间避免结块等。此外，在总体简化设计中，入口空气致冷系统100的空气致冷/加热盘管180和能量回收/加热盘管220还提供入口加热、除雾和防冻。入口加热和防冻过程两者需要水源200以在比入口空气流20的温度更高的温度下将热水205供给至入口空气致冷/加热盘管180。入口加热改进了处于部分负载运行状况下的涡轮和联合循环功率设备的热效率。防冻过程加热非常冷的周围空气以将温度升高至露点以上，以防止在入口过滤部110表面和元件上的结冰。同样，通过最初将空气冷却至远低于露点以聚结湿气含量且随后加热空气以降低湿度水平，可提供入口空气的除雾而没有功率输出损失。
应当显而易见的是，前述内容仅涉及本申请和所得专利的某些实施例。本领域普通技术人员可在文中做出众多改变和修改而不偏离如由所附权利要求及其等同物限定的本发明的一般精神和范围。

Claims (11)

1.一种用于与燃气涡轮发动机中的压缩机联用的入口空气致冷系统，包括：
入口空气过滤部，其用于入口空气流，所述入口空气过滤部包括第一部分和第二部分；
旁路气窗，其设置在所述入口空气过滤部的第一部分和第二部分之间；
空气致冷/加热盘管，其定位在所述入口空气过滤部的所述第二部分内；以及
能量回收/加热盘管，其在所述入口空气过滤部内定位在所述空气致冷/加热盘管下游且在所述第二部分内；
多个终滤器，其定位在所述能量回收/加热盘管的下游且在所述入口空气过滤部的第一部分内；
其中入口空气流在供应到所述压缩机之前，依次流经所述空气致冷/加热盘管、所述能量回收/加热盘管以及所述多个终滤器；
其中所述空气致冷/加热盘管中的致冷的水流与所述入口空气流交换热以使所述入口空气流的温度到达入口空气流的露点以下；
其中离开所述空气致冷/加热盘管中的水流的一部分在被所述入口空气流加热之后被引导到能量回收/加热盘管以加热所述入口空气流而将所述入口空气流的相对湿度从100％降低到85％以避免多个终滤器潮湿和结块；
其中当所述入口空气过滤部的第二部分中的所述空气致冷/加热盘管以及所述能量回收/加热盘管不运行时，所述旁路气窗将入口空气流直接提供至所述入口空气过滤部的第一部分以便降低内部压力损失。
2.根据权利要求1所述的入口空气致冷系统，其特征在于，所述入口空气过滤部的第一部分包括在所述入口空气过滤部的第二部分下游的现有入口空气过滤部，所述入口空气过滤部的第二部分包括入口空气过滤部延伸件。
3.根据权利要求1所述的入口空气致冷系统，其特征在于，所述空气致冷/加热盘管包括多程盘管。
4.根据权利要求1所述的入口空气致冷系统，其特征在于，还包括定位在所述空气致冷/加热盘管和所述能量回收/加热盘管之间的除雾器，以去除和处理在所述空气致冷/加热盘管中产生的任何空气冷凝水滴。
5.根据权利要求1所述的入口空气致冷系统，其特征在于，还包括与所述空气致冷/加热盘管连通的给水。
6.根据权利要求1所述的入口空气致冷系统，其特征在于，还包括定位在所述空气致冷/加热盘管和所述能量回收/加热盘管之间的能量回收/加热盘管泵，以向所述能量回收/加热盘管供应离开所述空气致冷/加热盘管的被加热的水。
7.根据权利要求1所述的入口空气致冷系统，其特征在于，所述空气致冷/加热盘管和所述能量回收/加热盘管共同形成功率增大系统。
8.根据权利要求1所述的入口空气致冷系统，其特征在于，还包括安装在所述入口空气过滤部前端的天气罩。
9.根据权利要求8所述的入口空气致冷系统，其特征在于，所述入口空气过滤部包括定位在所述天气罩的下游并定位在所述空气致冷/加热盘管上游的一个或多个预滤器。
10.根据权利要求1所述的入口空气致冷系统，其特征在于，所述入口空气过滤部包括一个或多个温度传感器和/或湿度传感器。
11.一种调节用于燃气涡轮发动机的压缩机的入口空气流的方法，包括：
提供包括第一部分和第二部分的入口空气过滤部以及设置在所述第一部分和第二部分之间的旁路气窗，其中所述第二部分内设置有空气致冷/加热盘管和能量回收/加热盘管，所述能量回收/加热盘管定位在所述空气致冷/加热盘管的下游；
提供定位在所述能量回收/加热盘管下游且在所述入口空气过滤部的第一部分内的多个终滤器；
使水流流过所述空气致冷/加热盘管；
利用所述致冷/加热盘管中的水流将入口空气流冷却至露点以下；
使离开所述空气致冷/加热盘管中的所述水流在被所述入口空气流加热之后流过能量回收/加热盘管；
利用所述能量回收/加热盘管中的所述水流来加热所述入口空气流以降低其中的湿度水平，以及
使被降湿的所述入口空气流流经所述多个终滤器，其中通过所述能量回收/加热盘管中的所述水流的加热所述入口空气流的相对湿度从100％降低到85％以避免多个终滤器潮湿和结块；
其中所述入口空气流在供应到所述压缩机之前，依次流经所述空气致冷/加热盘管、所述能量回收/加热盘管以及所述多个终滤器；
其中当所述入口空气过滤部的第二部分中的所述空气致冷/加热盘管以及所述能量回收/加热盘管不运行时，所述旁路气窗将入口空气流直接提供至所述入口空气过滤部的第一部分以便降低内部压力损失。
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