CN106460545B - 燃气轮机发电机冷却 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气轮机设备，其具有压缩机(1)、燃烧室(2)、涡轮(3)和发电机(4)，所述发电机由涡轮(3)驱动，其中在发电机(4)的壳体(4b)上连接有冷却空气管路(7)，经由所述冷却空气管路能够将冷却空气输送给发电机(4)的内部空间，其特征在于，冷却空气管路(7)在入口侧连接到压缩机(1)上并且在冷却空气管路(7)中依次设置有至少一个换热器(9)和膨胀机(10)、尤其涡轮膨胀机，其中为了冷却发电机(4)，预压缩的空气在输送给发电机(4)的内部空间之前，经由冷却空气管路(7)从压缩机(1)中分出，在换热器(9)中冷却并且在膨胀机(10)中膨胀以进一步冷却。

Description

燃气轮机发电机冷却
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机设备，其具有压缩机、燃烧室、涡轮和发电机，所述发电机由涡轮驱动，其中在发电机的壳体上连接有冷却空气管路，经由所述冷却空气管路能够将冷却空气输送给发电机的内部空间。此外，本发明涉及一种用于运行燃气轮机设备的方法，所述燃气轮机设备具有压缩机、燃烧室、涡轮和发电机，所述发电机由涡轮驱动，其中将冷却空气输送给发电机。
背景技术
在流体机械中，例如在燃气轮机中，通过流入的热的工作流体、例如热气，由此得到膨胀功。
燃气轮机设备原则上包括空气进口、压缩机部段、燃烧室和涡轮部段。压缩机部段能够由轴流式或径流式压缩机形成。轴流式压缩机通常由多个具有轴向设置的压缩机叶片的叶轮构成，其中所述叶轮通常划分为低压压缩机级和高压压缩机级。通过压缩机部段，流入的空气质量借助于被供给的动能在压缩机叶片的扩散器形的间隙中得到压力能。根据伯努利定理，在横截面越来越大的通道中静压升高，而流动速度降低。丧失的动能再次在转子级中被供给。因此，轴流式压缩机的整个压缩机级由转子级和定子级构成，在转子级中压力和温度以及速度升高，而在定子级中不利于速度的压力升高。
在燃烧室中，被压缩的且由于压缩而被加热的空气与燃料混合，并且所产生的燃料-空气混合物被燃烧。由于放热反应，温度再次急剧升高并且气体膨胀。因此产生热气，所述热气在随后的涡轮部段中膨胀，其中热能转换为机械能，所述机械能被部分利用，以便驱动压缩机部段，并且此外还用于驱动发电机等。
为了提高燃气轮机设备的效率，特别力图实现热气的尽可能高的温度。因此，直接经受热气的构件受到特别强的热负荷。在燃气轮机的情况下，这例如涉及在涡轮中的叶片组以及涡轮的对具有流动的热气的空间限界的壁元件。由于该原因，经受热气的构件设有耗费的隔热层系统，所述隔热层系统尤其应保护涡轮叶片免受热气。此外，经受热气的部件被冷却。例如所谓的薄膜冷却被证明可用于冷却涡轮叶片。在此，从燃气轮机设备的压缩机中抽取预压缩的空气作为冷却剂，并且输送给空心地构成的涡轮叶片的内部，以便在内侧冷却所述涡轮叶片。然后，冷却空气穿过相应的、贯穿涡轮叶片的壁的冷却流体通道到达涡轮叶片的外表面，在此所述冷却空气构成冷却膜，所述冷却膜应防止涡轮叶片与热气直接接触。
燃气轮机设备的发电机的功率输出同样是与发电机部件的允许的内部加热相关的。所谓的绝缘等级限定温度的绝对值。普遍的是，根据等级B或F进行利用，这对应于130℃或155℃的允许的部件温度。超过允许的部件温度引起加速的部件老化进而引起减少的使用寿命。为了冷却发电机，例如能够设有开放式空气冷却装置(所谓的open air cooling，OAC)，在所述开放式空气冷却装置中环境空气被抽吸，被引导穿过发电机的要冷却的部件且被加热并再次被输出给环境。在环境空气较冷时得到如下可能性：通过在冷却空气与允许的部件温度之间的温差的增大提高发电机的电功率输出，而不超过允许的部件温度。因此，以期望的方式，发电机能够遵循涡轮功率，所述涡轮功率同样由于更低的环境空气温度而增加。此外，例如从WO 2004/017494A1中已知，发电机配备有封闭的冷却回路。在此，在封闭的回路中环绕引导的冷却空气在发电机冷却器中用冷却水回路冷却，其中冷却水的温度在进入发电机冷却器之前附加地在制冷设备中降低。在此，在发电机中的出现的冷却气体温度与发电机的相应最大可能的视在功率相关联。
尤其，由于燃气轮机技术的改进和基于此的功率提高能够发生：初始耦联到燃气轮机的发电机具有过小的视在功率(在给出冷却值温度时)，以至于不能够在仍提供足够的无功功率的同时满足升高的有功功率(燃气轮机的提高的轴功率)。因此，燃气轮机升级的销售带来发电机的功效增强或必要时甚至发电机的替换，这使经济性变差。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种开头时提到类型的燃气轮机设备，其具有改善的发电机冷却装置。
根据本发明，所述目的在开头时提到类型的燃气轮机设备中通过如下方式实现：冷却空气管路在入口侧连接到压缩机上并且在冷却空气管路中依次设置有至少一个换热器和膨胀机、尤其涡轮膨胀机，其中为了冷却发电机，预压缩的空气在输送给发电机的内部空间之前，经由冷却空气管路从压缩机中分出，在换热器中冷却并且在膨胀机中膨胀以进一步冷却。
在开头时提到类型的方法中，前述目的相应地通过如下方式实现：为了产生冷却空气，在将预压缩的空气输送给发电机之前，将其从压缩机中抽出，在换热器中冷却，并且随后在膨胀机中膨胀以进一步冷却。
根据本发明，为了改善发电机冷却，将已经压缩的空气的一小部分分出。这些被压缩的、仍热的空气通过换热器冷却并且在膨胀机中、尤其在涡轮膨胀机中膨胀至“发电机压力”并且在此利用包含在压缩的空气中的能量。空气由此进一步冷却。结果是，经由输送给发电机的空气提供冷却功率，所述冷却功率实现以满意的方式冷却发电机部件，使得所述发电机部件的温度保持低于期望的允许的温度。
因此，本发明基于的思想是：将燃气轮机设备的压缩机与根据本发明提出的、用于输出热量的一个或多个换热器、膨胀机和发电机联接为利用空气作为工作介质的压缩制冷机。在此，空气在断开的回路中被引导，即所述空气在流过发电机之后通过适当尺寸的发电机废气通道导出给周围环境。因此，防止在发电机壳体中的压力升高。
根据本发明的解决方案的优点在于，通过降低冷却气体温度使预设的、空气冷却的发电机的视在功率升高。所述升高的视在功率远超出通过修改标准的散热系统可实现的方案，所述标准的散热系统将其热量简单地输出给周围环境，进而是受限制的。
能够暂时地、即仅在对发电机的功率要求相应高时提供或也持久地提供改善的冷却进而提供视在功率的可能的提高。
根据本发明的制冷机设计方案尤其适合于翻新业务，然而对于新设备也表现出成本优势，因为必要时能够防止突然转变为明显更昂贵的、例如氢冷却的发电机。
还有利的是，借助于相对小的耗费能够使现有的发电机功效增强，并且由此例如不再作为限制而阻碍燃气轮机的功率提高。在此适合于，仅相对少量的空气能刚好能够到达发电机处的需要更好的冷却的区域。对此，尤其能够涉及发电机转子。然而也能够通过根据本发明的设计方案提供更大量的冷却空气。
通过所述冷却装置尤其也能够补充现有的利用环境空气的直接冷却装置，使得仅在峰值负荷时需要接入根据本发明提出的冷却装置，所述直接冷却装置在低的环境空气温度下具有其优势。
在此，冷却空气与环境空气能够在进入发电机之前混合。替代地，冷却空气能够经由相应的冷却空气引导装置(通道、管道)仅输送给发电机的需要特别冷却的区域。
作为指导值能够假定：在大的空气冷却的发电机中，冷却气体温度每降低一摄氏度带来大约2MVA的附加的视在功率。最终得到多少视在功率与应提供多少附加的冷却的空气相关。然而，总的来说，即使在另外由于高的环境温度或冷却水温度而引起的差的再冷却条件下，也能够以合理的损耗实现直至30MVA-40MVA。
根据本发明的一个实施方式提出，冷却空气管路配属有进气阀，经由所述进气阀与可供发电机使用的冷却功率相关地设定从压缩机中分出的空气的量。
为了使在换热器中从由压缩机分出的空气中获取的热量不损失效率地仅输出给周围环境，根据本发明的一个优选的实施方式提出，换热器的冷侧连接到燃气供应管路上，经由所述燃气供应管路为燃烧室供给燃气，以便将燃气在换热器中预热。所述设计方案视为特别有利的，因为在燃气轮机功率升高时，燃气质量流也直接升高，并且就此而言在功率升高时，散热直接引起发电机冷却需求升高。替代地，也可能的是，将从换热器中的空气中获取的热量输送给燃气和蒸汽轮机设备的水蒸气回路。例如，水蒸气冷凝物能够在其进入冷凝预热器之前被加热。同样可能的是，在换热器中加热中压给水。
膨胀机能够安置在与发电机相同的轴上，以便驱动所述发电机。在此，膨胀机与发电机轴尤其能够经由同步自换挡离合器(SSS)连接，当膨胀机轴的轴转速达到发电机轴的转速时，经由所述同步自换挡离合器自动地进行膨胀机与发电机的耦联。所述设计方案也提供如下优点：能够根据需求毫无问题地接通或关断发电机冷却装置。
同样可能的是，膨胀机与附加的辅助发电机连接，以便驱动所述辅助发电机。通过在膨胀机中膨胀之前确定相应低的压缩机抽汽压力和/或空气的相应高的温度能够实现：被输送的空气的温度在完成膨胀之后下降到露点以下。如果空气温度还应降低或所述空气尤其在压缩机中压缩之前或压缩期间附加地被润湿，那么必须将空气在膨胀之前除湿，否则造成不期望地形成水或在低于0℃的情况下形成冰。对于这种情况，根据本发明的一个实施方式，在换热器上或在换热器和膨胀机之间设有除湿器，所述除湿器从换热器处的空气中抽出多余的湿气以用于散热，或在进入膨胀机之前从空气中抽出多余的湿气。
原则上，根据本发明的冷却技术也适用于蒸汽轮机发电机，所述蒸汽轮机发电机是燃气和蒸汽发电厂(GUD发电厂)的部分。由于需要少量的压缩空气，燃气轮机也能够为蒸汽轮机发电机供给冷却空气。在此情况下，从膨胀机中排出的冷却空气的一部分被输送到燃气轮机的发电机中。那么，所述发电机也可能配设有相应的废气通道，以便避免在发电机壳体内部的压力升高。
此外，膨胀机借助于SSS离合器与发电机轴的连接是相对小的进而是适宜的。
附图说明
在下文中，根据附图阐述根据本发明的燃气轮机设备的一个实施方式。在附图中，唯一的图示出根据本发明的燃气轮机设备的实施例的示意图。所述燃气轮机设备包括以常规方式构成的压缩机1、燃烧室2、燃气涡轮3和发电机4。在此，压缩机1安置在燃气涡轮3的涡轮轴3a上，使得压缩机1由燃气涡轮3驱动。此外，涡轮轴3a与发电机轴4a连接，以便驱动发电机。
具体实施方式
发电机4配设有空气冷却装置，所述空气冷却装置根据开放式空气冷却的原理工作，其中将从周围环境抽取的冷却空气经由进气管路5输送给发电机4的内部空间，并且在流过发电机4之后经由废气通道6再输出给周围环境。
在进气管路5上连接有冷却空气管路7，所述冷却空气管路在入口侧经由进气阀8与燃气轮机设备的压缩机1连接。在冷却空气管路7中依次设置有换热器9和涡轮膨胀机10。在此，换热器9示例地示出，也能够设有多个依次连接的换热器。经由进气阀8能够从压缩机1抽取预压缩的空气，所述空气然后在换热器9中被冷却并且在涡轮膨胀机10中膨胀以进一步冷却。以这种方式，能够提供具有相对低的温度的冷却空气，所述冷却空气在进气通道5中被混入环境空气，以便提高可供使用的冷却功率。特别有利的是，所述冷却空气不在进气通道中与环境空气混合，而是完全有针对性地经由适合的冷却空气引导装置(通道、管道)仅能到达发电机中的需要特别冷却的区域。在此，能够经由进气阀8设定混入的冷却空气的量。尤其也可能的是，冷却空气仅在需要的情况下经由换热器9和膨胀机10产生。
在示出的实施例中，涡轮膨胀机10的膨胀机轴10a经由同步自换挡离合器(SSS离合器)11和配属于发电机4的激励器12连接到发电机轴4a上，以便驱动所述发电机，使得能够利用在涡轮膨胀机10中释放的能量。
仅示意地示出：在换热器9和涡轮膨胀机10之间的冷却空气管路7中设有除湿器13，在需要情况下，能够经由所述除湿器从在换热器9中冷却的空气中抽出湿气。换热器9本身同样能够配属有除湿装置，以便直接从空气中消除在放热时产生的空气湿气或冷凝物。
在燃气轮机设备的运行中，所抽吸的空气在压缩机1中被压缩。在燃烧室2中，被压缩的且由于压缩而被加热的空气与燃料混合，并且所产生的燃料-空气混合物被燃烧。由于放热反应，温度再次急剧升高并且气体膨胀。因此产生热气，所述热气在随后的燃气涡轮3中膨胀，其中热能转换为机械能，所述机械能一方面能用于驱动压缩机1，并且此外还用于驱动发电机4。所述发电机经由环境空气冷却，所述环境空气穿过进气管路5输送给发电机4的内部并且经由废气通道6再此被抽出到周围环境中。当经由环境空气可实现的冷却不足时，通过操纵进气阀8经由冷却空气管路7从压缩机1抽取具有1.5bar至3bar的预压缩的空气。在此，根据所需的冷却功率，可经由进气阀8设定所抽取的冷却空气的量。从压缩机1抽取的空气在换热器9中被冷却，必要时在除湿器13中被除湿并且紧接着在涡轮膨胀机10中膨胀，以进一步冷却，使得提供具有低的温度的冷却空气，所述冷却空气在进气管路5中被混入环境空气或者有针对性地经由适合的冷却空气引导装置(通道、管道)提供给在发电机中的尤其要冷却的部位。
当涡轮膨胀机10的膨胀机轴10a的转速相当于发电机轴4a的转速时，这两个轴4a、10a经由换挡离合器11彼此连接，使得发电机4通过涡轮膨胀机10被(一同)驱动。
尽管本发明在细节上通过优选的实施例详细说明和描述，但是本发明不局限于公开的实例并且本领域技术人员能够从其中推导出其他变型方案，而不偏离本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种燃气轮机设备，具有压缩机(1)、燃烧室(2)、涡轮(3)和发电机(4)，所述发电机由所述涡轮(3)驱动，其中在所述发电机(4)的壳体(4b)上连接有冷却空气管路(7)，经由所述冷却空气管路能够将冷却空气输送给所述发电机(4)的内部空间，其特征在于，所述冷却空气管路(7)在入口侧连接到所述压缩机(1)上，并且在所述冷却空气管路(7)中依次设置有至少一个换热器(9)和膨胀机(10)，其中为了冷却所述发电机(4)，预压缩的空气在被输送给所述发电机(4)的内部空间之前，经由所述冷却空气管路(7)从所述压缩机(1)中分出，在所述换热器(9)中冷却并且在所述膨胀机(10)中膨胀以进一步冷却，所述膨胀机(10)与所述发电机(4)连接，以便驱动所述发电机。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机设备，
其特征在于，
所述冷却空气管路(7)配属有进气阀(8)，经由所述进气阀与可供所述发电机(4)使用的冷却功率相关地设定从所述压缩机(1)中分出的空气的量。
3.根据上述权利要求中任一项所述的燃气轮机设备，
其特征在于，
所述换热器(9)的冷侧连接到燃气供应管路上，经由所述燃气供应管路为所述燃烧室(2)供给燃气，以便使所述燃气在所述换热器(9)中预热。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机设备，
其特征在于，
所述膨胀机(10)与所述发电机(4)经由同步自换挡离合器(11)连接。
5.根据权利要求1或2所述的燃气轮机设备，
其特征在于，
所述膨胀机与附加的辅助发电机连接，以便驱动所述辅助发电机。
6.根据权利要求1或2所述的燃气轮机设备，
其特征在于，
在所述换热器(9)和所述膨胀机(10)之间设有除湿器(13)，以便在所述换热器(9)中冷却的空气在进入所述膨胀机(10)之前被抽出湿气。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机设备，
其特征在于，
所述膨胀机(10)是涡轮膨胀机。
8.一种用于运行燃气轮机设备的方法，所述燃气轮机设备具有压缩机(1)、燃烧室(2)、涡轮(3)和发电机(4)，所述发电机由所述涡轮(3)驱动，其中将冷却空气输送给所述发电机(4)，其特征在于，为了产生所述冷却空气，在将预压缩的空气输送给所述发电机(4)之前，将其从所述压缩机(1)中抽出，将预压缩的空气在换热器(9)中冷却并且随后在膨胀机(10)中膨胀以进一步冷却。
9.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，
将从所述压缩机(1)抽出的空气在所述膨胀机(10)中膨胀之前除湿。
10.根据权利要求8或9所述的方法，
其特征在于，
将在所述膨胀机(10)中膨胀的冷却空气有针对性地仅输送给在所述发电机中的需要特别冷却的部位。
11.根据权利要求8或9所述的方法，
其特征在于，
将在所述膨胀机(10)中膨胀的冷却空气在进入所述发电机(4)中之前与被输送给所述发电机(4)的环境空气混合。
12.根据权利要求8或9所述的方法，
其特征在于，
将从所述膨胀机中排出的冷却空气的一部分输送给蒸汽轮机的发电机。
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