CN103982301B - 发电单元及用于操作此类发电单元的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发电单元及用于操作此类发电单元的方法。一种发电单元(10)包括燃气涡轮(11ˊ)，燃气涡轮(11ˊ)具有进气区段(12)、压缩机(13)、至少一个燃烧器(14,16)和至少一个涡轮(15,17)，且发电单元(10)还包括气体冷却发电机(18)，其由所述燃气涡轮(11)驱动，且具有包括至少一个冷却器的发电机冷却系统(20)，冷却水流经发电机冷却系统(20)，且发电机冷却系统(20)从所述发电机移除热。可通过将所述发电机冷却系统(20)连接到布置在所述燃气涡轮(11)的所述进气区段(12)内的进气热交换器(30)上来实现更灵活的单元操作，以便将热从流经所述发电机冷却系统(20)的所述冷却水传递至流经所述进气区段(12)的空气。

Description

发电单元及用于操作此类发电单元的方法
技术领域
本发明涉及借助于燃气涡轮和发电机来生成电功率。其涉及根据权利要求1的前序部分的发电单元。其还涉及一种用于操作此类发电单元的方法。
背景技术
通常，发电机的能力(即，其最大可能的输出)在热环境温度下降低，因为进入发电机冷却器的冷水的温度随环境温度增大而增大，特别是在冷却水在冷却水冷却器中克服环境空气(与水相反)再冷却时。
通常，降低的能力匹配燃气涡轮的降低的功率输出，燃气涡轮在更高的环境温度下驱动发电单元中的发电机。然而，当燃气涡轮功率输出利用蒸发冷却或雾化而增加，且可能通过附加的注水而进一步增加时，发电机可能不能在其规格极限(通常隔离级别E)内转化其增加的功率。
另一方面，在冷的环境温度下操作的燃气涡轮通常需要机构来防止压缩机入口和前级的结冰。
为了解决与燃气涡轮功率增加相关的问题，可使用具有更高能力的发电机：通常，这意味着更大且更昂贵的发电机来用于此特定操作窗口。如果从空气冷却发电机到氢冷却发电机的技术变化变得必要，则成本将不相称地增大。
作为备选，再冷却可提供有进气系统外的蒸发再冷却器。
作为备选，机械致冷装置(热泵)可用于再冷却发电机冷水。
然而，上文所述的解决方案复杂且/或昂贵，且需要显著的附加空间。
为了解决与燃气涡轮的结冰相关的问题，可使用来自于压缩机的放出空气，其中缺点如下：其降低了燃气涡轮的效率，且需要高温和压力等级的泵送。
作为备选，可使用热交换器。通常，来自于水蒸汽循环的低温蒸汽用于此目的。因此，这将限于联合循环发电设备(CCPP)，且因此对于简单循环设备不会可行。
文献US6,112,544公开了一种用于优化发电站中用于发电的发电机的发电机冷却系统的冷却效率。发电机具有发电机冷却器，其与其它冷却器一起布置在封闭的中间冷却回路，其经由至少一个中间冷却器将热传递至主冷却水系统。该方法包括提供用于增大流经中间冷却回路中的发电机冷却器的介质之间的平均驱动温差的器件来改善从发电机冷却器至主冷却水系统的热传递。冷却系统与燃气涡轮不相关。
文献US2012/0216546A1公开了一种用于操作在进气通路中具有蒸发进气冷却系统的燃气涡轮单元的方法及设备，其中，蒸发进气冷却系统的返回水流用于冷却燃气涡轮单元的构件和/或联接到燃气涡轮单元上的发电机和/或联接到燃气涡轮单元上的另一个元件，且燃气涡轮单元适于使用该方法操作。燃气涡轮与发电机冷却之间的连接仅通过使用返回水流来建立。
文献WO03/048545A1公开了一种燃气涡轮单元以及用于操作具有高压涡轮和低压涡轮单元的燃气涡轮的方法。在该单元中，可通过在所述压缩机的上游侧上提供至少一个液滴注入装置以用于将液体注入进气流中以便增大由燃气涡轮单元生成的轴功率来实现燃气涡轮单元的轴功率的很快且同时的可容易控制的增加或降低。对应于燃气涡轮单元的轴功率输出的期望增大或减小的水质量流的量以液滴形式以大致无级方式且在由液滴注入装置的设计特征确定的时间间隔内立即增加或降低。未公开与发电机的关系。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种根据权利要求1的前序部分的发电单元，其以简单且最有效的方式使燃气涡轮和发电机的功率和冷却要求同步。
本发明的另一个目的在于公开一种用于操作此类发电单元的方法。
这些及其它目的通过根据权利要求1的发电单元和根据权利要求14的方法来获得。
根据本发明的发电单元包括燃气涡轮，其具有进气区段、压缩机、至少一个燃烧器和至少一个涡轮，且发电单元还包括气体冷却发电机，其由所述燃气涡轮驱动，且具有发电机冷却系统，该系统包括至少一个冷却器，冷却水在操作期间流经发电机冷却系统，且在操作期间其从所述发电机移除热。至少一个冷却器适于具有流经该处的冷却水。
该单元的特征在于，所述发电机冷却系统连接到布置在所述燃气涡轮的所述进气区段内的进气热交换器，以便将热从流经所述发电机冷却系统的所述冷却水的热传递至流经所述进气区段的空气。
根据本发明的实施例，所述燃气涡轮的所述进气区段包括在所述进气区段的入口处的过滤器，且所述进气热交换器布置在所述过滤器的下游。
具体而言，所述燃气涡轮的所述进气区段包括所述过滤器下游的消音器，且所述进气热交换器布置在所述消音器的下游。
更具体而言，所述燃气涡轮的所述进气区段包括用于冷却流经所述进气区段的进气的器件，且所述冷却器件布置在所述过滤器与所述消音器之间。
更具体而言，所述冷却器件包括用于雾化的微滴注入装置。
作为备选，所述冷却器件包括蒸发冷却器，优选地具有布置在所述蒸发冷却器下游的微滴捕集器。
根据本发明的另一个实施例，所述燃气涡轮的所述进气区段包括所述过滤器下游的消音器，所述燃气涡轮的所述进气区段还包括用于冷却流经所述进气区段的进气的器件，该冷却器件布置在所述过滤器与所述消音器之间，且所述进气热交换器布置在所述冷却器件下游。具体而言，所述进气热交换器可布置在所述冷却器件与所述消音器之间。
具体而言，所述冷却器件包括用于雾化的微滴注入装置。
作为备选，所述冷却器件包括蒸发冷却器，优选地具有布置在所述蒸发冷却器下游的微滴捕集器。
根据本发明的另一个实施例，所述发电机冷却系统包括连接到冷却水冷却器上的发电机冷却器和润滑油冷却器，且连接器件被提供用于使所述进气热交换器与所述发电机冷却器选择性地串联连接，使得流向发电机冷却器的冷水通过将其发送经过所述进气热交换器来进一步冷却，或并联连接至所述冷却水冷却器，以防止所述燃气涡轮的压缩机入口和/或前级的结冰。
具体而言，第一阀布置在所述发电机冷却器的供给管线中，所述进气热交换器在所述第一阀上游与通向所述发电机冷却器的所述供给管线的第一供给管线连接，且在所述第一阀下游与通向所述发电机冷却器的所述供给管线的第一返回管线连接，且第二阀和第三阀布置在所述第一供给管线和第一返回管线中。
更具体而言，所述进气热交换器与通向所述发电机冷却器和所述润滑油冷却器的公共返回管线的第二供给管线连接，且与通向所述发电机冷却器和所述润滑油冷却器的公共供给管线的第二返回管线连接，且第四阀和第五阀布置在所述第二供给管线和第二返回管线中。
更具体而言，第六阀布置在所述进气热交换器与所述冷却水冷却器之间的所述公共返回管线或公共供给管线中。
用于操作根据本发明的创造性发电单元的方法的特征在于，热从所述发电机冷却系统借助于所述进气热交换器而传递至流经所述燃气涡轮的所述进气区段的进气。
根据创造性方法的实施例，所述至少一个冷却器为发电机冷却器，且流向所述发电机冷却器的冷水通过将其发送经过布置在所述燃气涡轮的所述进气区段内的所述进气热交换器来进一步冷却，以在触发空气入口冷却时使附加的冷却需求与所述燃气涡轮的更高输出固有地同步。
根据创造性方法的另一个实施例，所述进气热交换器在低环境温度下使用来用作有效的防结冰器件。
根据创造性方法的另一个实施例，所述进气热交换器用于进气预热，以便控制所述燃气涡轮的NOx排放。
附图说明
现在将借助于不同实施例且参照附图来更进一步阐释本发明。
图1示出了发电单元的基本图解，该单元具有带连续燃烧的燃气涡轮和由所述燃气涡轮驱动的发电机，且具有发电机冷却系统(实线)，其根据本发明连接到位于所述燃气涡轮的进气区段中的热交换器(虚线)；
图2示出了具有发电机冷却器和润滑油冷却器的基本发电机冷却系统的示例；
图3示出了根据本发明的利用进气热交换器完成的图2的发电机冷却系统；
图4示出了根据本发明的处于第一操作模式的利用可选择的连接器件完成的图3的发电机冷却系统；
图5示出了根据本发明的处于第二操作模式的图4的发电机冷却系统；
图6示出了根据本发明的实施例的具有进气区段和进气热交换器的燃气涡轮图解；以及
图7示出了根据本发明的另一个实施例的具有进气区段和进气热交换器的燃气涡轮图解。
零件清单
10发电单元
11,11',11''燃气涡轮
12进气区段
12',12''进气导管
13压缩机
14,16燃烧器
15,17涡轮
18发电机
19发电机冷却系统
20,20a发电机冷却系统
21发电机冷却器
22冷却水冷却器
23润滑油冷却器
24水泵
25,25a,b供给管线
26,26a,b返回管线
27旁通管线
28空气回路
29油回路
30,30a-c进气热交换器
31,34返回管线
32,33供给管线
35消音器
36微滴捕集器
37蒸发冷却器
38过滤器
39微滴注入装置(雾化)
CW冷却水
IA进气
V1-V7阀。
具体实施方式
图1示出了发电单元的基本图解，该单元具有带连续燃烧的燃气涡轮和由所述燃气涡轮驱动的发电机，且具有发电机冷却系统(实线)，其根据本发明连接到位于所述燃气涡轮的进气区段中的热交换器(虚线)。
图1中的发电单元10包括燃气涡轮11和气体(空气)冷却发电机18，燃气涡轮11具有进气区段12、压缩机13、第一燃烧器14、第一(高压)涡轮15、第二燃烧器16、第二(低压)涡轮17，气体(空气)冷却发电机18由燃气涡轮11驱动且具有发电机冷却系统19。现在，发电机冷却系统19连接到布置在燃气涡轮11的进气区段12内的进气热交换器30上，以便将热从流经发电机冷却系统19的冷却水传递至流经燃气涡轮11的进气区段12的空气。
图2中示出了发电机冷却系统19的示例性构造。其包括发电机冷却器21(在此情况下具有四个平行的子单元)和润滑油冷却器23。发电机冷却器21为空气回路28的一部分，从而接收来自于发电机18的热空气(例如，100℃)，且将冷空气(例如，48℃)输送至发电机。空气回路28内的冷却空气体积流可处于大约几m3/s的等级。润滑油冷却器23为油回路29的一部分，从而接收来自于发电机18的轴承的热油(例如，70℃)，且将冷却油(例如，54℃)输送至发电机。
两个冷却器21和23均利用冷却水CW操作，冷却水通过水泵24经过供给管线25a和26a而泵送，且经过返回管线26a和26b流回。冷却器21和23与其冷却水侧并联连接，且两者可连接到冷却水冷却器22上。此外，旁通管线27可设在水泵24的上游。
现在，根据本发明，图2中的发电机冷却系统19连接到进气热交换器30上，导致了图3中所示的改变的发电机冷却系统20。主要地，进气热交换器30借助于第一供给管线32和第一返回管线31而连接到发电机冷却系统20的发电机冷却器部分上，且借助于第二供给管线33和第二返回管线34而连接到两个冷却器21和23的并联回路上。
两种情况对于使用此构造的进气热交换器30是可能的：
1.发电机和润滑油废热用于防止结冰，而不会牺牲燃气涡轮的性能。在此情况下，进气热交换器30借助于管线33和34而连接到系统上，以便发电机和润滑油废热之和可用于加热燃气涡轮的进气IA。
2.冷却的进气用于进一步冷却供给至发电机冷却器21的冷却水。在此情况下，进气热交换器30借助于管线31和32而循环到发电机冷却器21的供给管线25b中，以便发电机冷却器21接收冷却水，冷却水的温度平行于进气温度的降低而降低。
因此，相同的热交换装置30和介质可用于两个目的。
如图4和图5中所示，为了能够选择这两个操作模式中的一个，若干阀V1-V6布置在管线25b,31-34中和通向冷却水冷却器22的返回管线中。第一阀V3布置在发电机冷却器21的供给管线25b中。进气热交换器30在第一阀V3上游与通向发电机冷却器21的供给管线25b的供给管线32连接，且在第一阀V3下游与通向发电机冷却器21的供给管线25b的返回管线31连接。在该示例中，第二阀和第三阀V1,V2分别布置在供给管线32和返回管线31中。
另一方面，进气热交换器30与通向发电机冷却器21和润滑油冷却器23的公共返回管线26的供给管线33连接，且与通向发电机冷却器21和润滑油冷却器23的公共供给管线25的返回管线34连接。第四阀和第五阀V4,V5分别布置在供给管线33和返回管线34中。
当环境温度低到足以引起结冰问题时，阀V1和V2闭合，且阀V4和V5开启(图4)，以便两个冷却器21和23的废热借助于进气热交换器30来用于加热燃气涡轮11处的进气。阀V6可取决于进气IA的所需加热来闭合或部分地闭合。空气预热可用于保持进气温度高于最低，例如，对于俄罗斯西伯利亚等的很低环境温度。对于防结冰，由润滑油冷却器23和发电机冷却器21释放的热足以预热进气大约10K。
当鉴于由进气区段12处的增加程序引起的更高燃气涡轮输出而需要附加的发电机冷却时，阀V3,V4和V5闭合，且阀V1和V2开启(图5)。然后，通常从普通再冷却器22达到T环境+5K的经过供给管线25b流向发电机冷却器21的冷水通过将其发送经过空气入口系统中的热交换器30来进一步冷却，空气入口系统位于燃气涡轮进气系统的空气入口冷却机构的后方。因此，当触发空气入口冷却时，需求固有地与更高燃气涡轮输出同步。在干热的日子中，发电机冷却空气将冷却大约附加的10K(例如，环境温度＝55℃，蒸发冷却后的入口空气温度大约42℃≥借助于进气交换器30的再冷却比用于冷却发电机冷却水的现有技术的空气水冷却器冷却低10℃以上)。
取决于进气区段12的构造，进气热交换器30可布置在进气区段12的不同位置。
图6示出了具有燃气涡轮11'的进气区段12'的实施例，其中进气热交换器30a位于消音器35的上游和具有后续的微滴捕集器36的蒸发冷却器37的下游。此外，过滤器38可设在进气导管12'的入口处。
图7示出燃气涡轮11''的进气区段12''的两个其它实施例，其中进气热交换器30b位于消音器35的下游或整体结合到消音器35中，或进气热交换器30c刚好位于微滴注入(雾化)装置39的下游。
大体上，根据本发明的发电单元具有以下特征和优点：
·相同的热交换器用于发电机冷却目的以解决燃气涡轮处的功率增加的问题，且可在低环境温度下使用来替换更低效的防结冰系统；
·相同的热交换器可用于燃气涡轮处的空气预热以控制NOx排放；
·用于发电机再冷却/进气预热目的的热交换器可整体结合到消音器中来最大限度地减小附加压力损失。

Claims (18)

1.一种发电单元(10)，包括燃气涡轮(11,11',11'')，其具有进气区段(12,12',12'')、压缩机(13)、至少一个燃烧器(14,16)和至少一个涡轮(15,17)，且所述发电单元(10)还包括气体冷却发电机(18)，所述气体冷却发电机(18)由所述燃气涡轮(11,11',11'')驱动且具有包括至少一个冷却器(21,23)的发电机冷却系统(20,20a)，冷却水(CW)流经所述发电机冷却系统(20,20a)，且所述发电机冷却系统(20,20a)从所述发电机移除热，其特征在于，所述发电机冷却系统(20,20a)连接到布置在所述燃气涡轮(11,11',11'')的所述进气区段(12,12',12'')内的进气热交换器(30,30a-c)上，以便将热从流经所述发电机冷却系统(20,20a)的所述冷却水(CW)传递至流经所述进气区段(12,12',12'')的空气；
其中，所述发电机冷却系统(20,20a)包括连接到冷却水冷却器(22)上的发电机冷却器(21)和润滑油冷却器(23)，且连接器件(V1-V6,31-34)被提供用于使所述进气热交换器(30,30a-c)选择性地与所述发电机冷却器(21)串联连接，使得流向所述发电机冷却器(21)的冷水通过将其发送经过所述进气热交换器(30,30a-c)来进一步冷却，或并联连接到所述冷却水冷却器(22)上，以防止所述燃气涡轮(11,11',11'')的压缩机入口和/或前级的结冰。
2.根据权利要求1所述的发电单元，其特征在于，所述燃气涡轮(11,11',11'')的所述进气区段(12,12',12'')包括所述进气区段(12,12',12'')的入口处的过滤器(38)，且所述进气热交换器(30,30a-c)布置在所述过滤器(38)的下游。
3.根据权利要求2所述的发电单元，其特征在于，所述燃气涡轮(11'')的所述进气区段(12'')包括所述过滤器(38)下游的消音器(35)，且所述进气热交换器(30b)布置在所述消音器(35)的下游。
4.根据权利要求3所述的发电单元，其特征在于，所述燃气涡轮(11'')的所述进气区段(12'')包括用于冷却流经所述进气区段(12'')的进气(IA)的冷却器件(36,37,39)，且所述冷却器件(36,37,39)布置在所述过滤器(38)与所述消音器(35)之间。
5.根据权利要求4所述的发电单元，其特征在于，所述冷却器件(36,37,39)包括用于雾化的微滴注入装置(39)。
6.根据权利要求4所述的发电单元，其特征在于，所述冷却器件(36,37,39)包括蒸发冷却器(37)。
7.根据权利要求6所述的发电单元，其特征在于，所述蒸发冷却器(37)具有布置在所述蒸发冷却器(37)下游的微滴捕集器(36)。
8.根据权利要求2所述的发电单元，其特征在于，所述燃气涡轮(11',11'')的所述进气区段(12',12'')包括所述过滤器(38)下游的消音器(35)，所述燃气涡轮(11',11'')的所述进气区段(12',12'')还包括用于冷却流经所述进气区段(12',12'')的进气(IA)的冷却器件(36,37,39)，所述冷却器件(36,37,39)布置在所述过滤器(38)与所述消音器(35)之间，且所述进气热交换器(30a,c)布置在所述冷却器件(36,37,39)下游。
9.根据权利要求8所述的发电单元，其特征在于，所述冷却器件(36,37,39)包括用于雾化的微滴注入装置(39)。
10.根据权利要求8所述的发电单元，其特征在于，所述冷却器件(36,37,39)包括蒸发冷却器(37)。
11.根据权利要求10所述的发电单元，其特征在于，所述蒸发冷却器(37)具有布置在所述蒸发冷却器(37)下游的微滴捕集器(36)。
12.根据权利要求1所述的发电单元，其特征在于，第一阀(V3)布置在所述发电机冷却器(21)的供给管线(25b)中，所述进气热交换器(30,30a-c)在所述第一阀(V3)上游与通向所述发电机冷却器(21)的所述供给管线(25b)的第一供给管线(32)连接，且在所述第一阀(V3)下游与通向所述发电机冷却器(21)的所述供给管线(25b)的第一返回管线(31)连接，且第二阀和第三阀(V1,V2)布置在所述第一供给管线(32)和所述第一返回管线(31)中。
13.根据权利要求12所述的发电单元，其特征在于，所述进气热交换器(30,30a-c)与通向所述发电机冷却器(21)和所述润滑油冷却器(23)的公共返回管线(26)的第二供给管线(33)连接，且与通向所述发电机冷却器(21)和所述润滑油冷却器(23)的公共供给管线(25)的第二返回管线(34)连接，且第四阀和第五阀(V4,V5)布置在所述第二供给管线(33)和所述第二返回管线(34)中。
14.根据权利要求13所述的发电单元，其特征在于，第六阀(V6)布置在所述进气热交换器(30,30a-c)与所述冷却水冷却器(22)之间的所述公共返回管线(26)或公共供给管线(25)中。
15.一种用于操作根据权利要求1所述的发电单元的方法，其特征在于，热借助于所述进气热交换器(30,30a-c)而从所述发电机冷却系统(20,20a)传递至流经所述燃气涡轮(11,11',11'')的所述进气区段(12,12',12'')的进气(IA)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述至少一个冷却器为发电机冷却器(21)，且流向所述发电机冷却器(21)的冷水通过将其发送经过布置在所述燃气涡轮(11,11',11'')的所述进气区段(12,12',12'')内的所述进气热交换器(30,30a-c)来进一步冷却，以在触发空气入口冷却时使附加的冷却需求与所述燃气涡轮(11,11',11'')的更高输出固有地同步。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述进气热交换器(30,30a-c)在低环境温度下使用来用作有效的防结冰器件。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述进气热交换器(30,30a-c)用于进气预热以便控制所述燃气涡轮(11,11',11'')的NOx排放。
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