CN107448294B - 燃气涡轮机进气系统及其操作方法及燃气涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃气涡轮机进气系统及其操作方法及燃气涡轮发动机。该燃气涡轮机进气系统可以包括：定位在压缩机上游的进气水冷系统，以用于通过水流对空气流进行冷却；和水分检测系统，该水分检测系统定位在进气水冷系统的下游，以检测水流液滴是否超出进气水冷系统而在朝向所述压缩机的空气流中。

Description

燃气涡轮机进气系统及其操作方法及燃气涡轮发动机
技术领域
本发明总体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及具有进气水分检测系统(aninlet air moisture detection system)以便监测和限制水分转移到压缩机中的燃气涡轮发动机。
背景技术
总体燃气涡轮发动机功率输出可能随着环境进气空气流(inlet air flow)温度的升高而减小。这样一来，增大燃气涡轮发动机功率输出的一种方法是在压缩机中压缩空气之前通过对进气进行冷却。这种进气冷却使空气具有较高密度，以便在压缩机中产生较高的质量流速。这种进入压缩机中的空气的较高质量流速(mass flow rate)允许压缩更多的空气，从而允许燃气涡轮发动机产生更多的功率。
已将多种冷却系统用于降低进气温度，特别是在具有较高的空气温度和/或湿度的环境条件期间。这些冷却系统试图通过调节压缩机上游的空气来实现该目标。这种调节可以被看作是调节空气的至少一个物理特性的过程。这些物理特性可以包括湿球温度(wetbulb temperature)、干球温度、湿度、密度等。通过调节进入空气流的一个或多个物理特性，可以改进燃气涡轮发动机的总体性能。这些冷却系统的一些已知的例子包括介质类型蒸发冷却器(media type evaporative coolers)、制冷器系统(chiller systems)、喷雾器系统(fogger system)、高压喷雾器、湿压缩系统(wet compression system)等。这些冷却系统大体包括用于与环境空气流换热的一个或多个水流以及/或者在冷却低于露点温度时产生冷凝物的换热器。还可以使用其它类型的进气冷却系统。
在冷却操作期间，水滴可能变为被夹带于空气流中。这种水滴可能对下游压缩机轮叶造成损坏。为了捕获这种水滴，可以在冷却系统的下游使用除水器(drifteliminators)等。然而，通过(pass through)除水器的任何液滴都可以到达压缩机轮叶并且造成这种腐蚀和损坏。诸如喷雾、高压喷雾或湿压缩之类的其它方法可以依赖对离开喷嘴的液滴尺寸进行控制以避免压缩机轮叶损坏。
发明内容
本发明因此描述了一种用于向压缩机提供空气流的燃气涡轮机进气系统(a gasturbine inlet air system)。该燃气涡轮机进气系统可以包括：定位在压缩机上游的进气水冷系统以用于通过水流对空气流进行冷却；和水分检测系统(a moisture detectionsystem)，该水分检测系统定位在进气水冷系统的下游，以检测水流液滴是否超出(passbeyond)所述进气水冷系统而在朝向所述压缩机的空气流中。
较佳地，所述进气水冷系统包括除水器。
较佳地，所述进气水冷系统包括蒸发冷却系统(an evaporative coolingsystem)。
更佳地，所述蒸发冷却系统包括蒸发介质垫(an evaporative media pad)。
较佳地，所述进气水冷系统包括制冷器系统。
更佳地，所述制冷器系统包括多个制冷器盘管(a plurality of chiller coils)并且水流包括冷凝物流(a flow of condensate)。
较佳地，所述进气水冷系统包括喷雾器系统。
更佳地，所述喷雾器系统包括喷嘴阵列。
较佳地，所述水分检测系统包括一个或多个光源。
更佳地，所述一个或多个光源发射具有预定波长的光。
更佳地，所述水分检测系统包括一个或多个折射检测传感器(refractiondetection sensors)。
更佳地，所述一个或多个折射检测传感器检测由空气流中的液滴产生的光谱(spectrum)。
更佳地，所述燃气涡轮机进气系统还包括控制器，所述控制器与所述一个或多个折射检测传感器和所述进气水冷系统通信。
更佳地，所述一个或多个光源以及所述一个或多个折射检测传感器包括相对于空气流基本垂直的构造。
本发明还提供一种操作燃气涡轮机进气系统的方法。该方法可以包括以下步骤：通过水流对进气水冷系统中的空气流进行冷却；将水分检测系统定位在进气水冷系统的下游；通过水分检测系统对空气流进行光学监测(optically monitoring)，以确定其中是否有水滴产生光谱；以及如果检测到其中有超过预定量的水滴，就停止进气水冷系统。
本发明还提供一种操作空气流的燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机可以包括：压缩机；进气水冷系统，该进气水冷系统定位在压缩机上游，以用于通过水流对空气流进行冷却；除水器，该除水器定位在进气水冷系统的下游；和水分检测系统，该水分检测系统定位在除水器的下游，以检测水流液滴是否超出所述除水器而在朝向所述压缩机的空气流中。
较佳地，所述进气水冷系统包括蒸发冷却系统。
较佳地，所述进气水冷系统包括制冷器系统。
较佳地，所述入口水冷系统包括喷雾器系统。
较佳地，所述水分检测系统包括一个或多个光源以及一个或多个折射检测传感器。
当结合若干附图以及所附权利要求书阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它的特征以及改进对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的示意图，其中示出了压缩机、燃烧器、涡轮、和负载。
图2是具有进气系统的燃气涡轮发动机的示意图。
图3是具有可以如本发明中所描述的水分检测系统的进气系统的示意图。
图4是图3的水分检测系统的示意图。
图5是使用中的图3的水分检测的示意图。
图6是具有可以如本发明中所描述的水分检测系统的进气系统的备选实施例的示意图。
图7是具有可以如本发明中所描述的水分检测系统的进气系统的备选实施例的示意图。
具体实施方式
现在参照附图，其中相似的附图标记在若干附图中表示相似的元件，图1示出了如可以在本发明中使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15对进入空气流20进行压缩。压缩机15将压缩空气流20输送至燃烧器25。燃烧器25将压缩空气流20与加压燃料流30混合并且点燃混合物以产生燃烧气体流35。尽管仅示出单个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可以包括以周向阵列构造的任何数量的燃烧器25。燃烧气体流35随后被输送至涡轮40。燃烧气体流35驱动涡轮40，以便产生机械功。涡轮40中所产生的机械功通过轴45驱动压缩机15以及外部负载50(例如发电机等)。一个或多个抽气部可以从压缩机15延伸至涡轮40以用于冷却空气流。
燃气涡轮发动机10可以使用天然气、多种类型的合成气、多种类型的液体燃料、以及/或者其它类型的燃料及其共混物。燃气涡轮发动机10可以是由纽约斯卡奈塔第的通用电气公司提供的多种不同的燃气涡轮发动机中的任何一种，其中包括但不限于例如7系列或9系列重型燃气涡轮发动机等。燃气涡轮发动机10可以具有不同的构造并且可以使用其它类型的部件。本发明中也可以使用其它类型的燃气涡轮发动机。本发明中还可以一起使用多种燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机、以及其它类型的发电设备。
燃气涡轮发动机10可以与进气系统(inlet air system)55一起操作。进气系统55可以包括天气防护罩60，该天气防护罩60安装于入口过滤器壳体65上以用于使进入空气流20通过其中。消声器部段(silencer section)70以及一个或多个屏(screens)75也可以用于本发明中并且可以定位于进气增压室(plenum)80内。空气流20因此通过天气防护罩60、进气增压室80、并且进入压缩机15中，以用于如上文所描述的压缩和燃烧。
进气系统55还可以包括进气水冷系统85。进气水冷系统85可以是蒸发冷却系统、制冷器系统、喷雾器系统、或者用于冷却进入空气流20的任何类型的传统水冷系统及其组合。进气水冷系统85可以沿进气系统55以及压缩机15的上游定位于任何位置处。进气水冷系统85可以与水滑道(water skid)90或者其它类型的传统水源连通。一个或多个除水器95可以定位在水冷系统85的下游。除水器95可以具有传统设计。诸如喷雾器、高压喷雾器、湿压缩等之类的某些类型的系统可以不使用除水器。本发明中所描述的进气系统55和进气水冷系统85仅用于举例目的。本发明中还可以使用具有其它部件和其它布置的进气系统和进气水冷系统。
图3至图5示出了可以如本发明中所描述的进气系统100的例子。进气系统100可以与燃气涡轮发动机10等一起使用。进气系统100可以包括进气水冷系统110。在该例子中，进气水冷系统110可以是蒸发冷却系统120。总体而言，蒸发冷却系统120可以包括水总管(awater header)130、蒸发介质垫(an evaporative media pad)140、和集水器(a sump)150。水流155可以从水总管130流动、通过蒸发介质垫140以用于与进入空气流20换热、通过集水器150离开、并且可以被再次泵送到水总管130。蒸发介质垫140中的水通过潜在冷却或可感测冷却对环境空气流20进行冷却。蒸发介质垫140允许环境空气和冷却水流155之间的热和/或质量传递。具体而言，当水通过浸泡(soaked)蒸发器介质垫时，发生蒸发，以便增加空气的密度，从而接着增加总体燃气涡轮发动机10的质量流量输出(mass flow output)。除水器160可以定位在蒸发介质垫140的下游。除水器160可以具有传统设计。本发明中可以使用其它部件和其它构造。
进气系统100还可以包括水分检测系统170。水分检测系统170可以定位在空气增压室80内的进气水冷系统110的下游。水分检测系统170可以包括一个或多个光源或发射器(emitter)180。本发明中可以使用具有总光谱的任何部分中的任何波长的任何类型的传统光源180。水分检测系统170还可以包括一个或多个折射检测传感器或接收器190。折射检测传感器或接收器190可以基于光谱法来检测由空气流20中的水滴产生的光谱。折射检测传感器或接收器190可以具有传统设计。控制器200可以被配置成从折射检测传感器或接收器190接收与发射光的强度相对应的信号。控制器200可以具有传统设计。
光源或发射器180可以与折射检测传感器或接收器190间隔开，以用于使进入空气流20以基本垂直的配置通过其中。具体而言，光源或发射器180可以将具有预定强度和/或波长的光束发射到空气流20中。折射检测传感器或接收器190接收发射光束的至少一部分。如果空气流中存在水转移(carryover)，则光束将通过其中的液滴并且将产生彩虹形式的光谱。光谱的特性(the nature of the spectrum)可以被折射检测传感器或接收器190捕获并且传输到控制器200。
可以分别通过光谱强度和宽度来检测液滴尺寸和水转移量(即，液滴数量)。随着时间过去(over time)的多个光谱强度可以用作操作进气水冷系统110的容许限度(allowable limit)。在1至10的等级中，例如如果强度大于5达5秒或更长时间，水分检测系统170可以关闭进气水冷系统110，使得可以对进气水冷系统110进行相应的校准。类似地，如果液滴的尺寸和/或液滴数量超过预定值，水分检测系统170可以关闭进气水冷系统110。本发明中可以使用其它时间、其它强度、和其它参数。本发明中可以使用其它部件和其它构造。
图6示出了可以如本发明中所描述的进气系统210的进一步的实施例。进气系统210可以包括进气水冷系统220。在该例子中，进气水冷系统220可以是制冷器系统230。制冷器系统230可以包括多个制冷器盘管240。制冷器盘管240可以使用蒸汽吸收热力学循环(avapor absorption thermodynamic cycle)来冷却进入空气流20。具体而言，制冷器盘管240通过产生冷凝物来间接冷却进入空气流20。制冷器系统230可以具有传统设计。除水器250可以定位在制冷器系统230的下游，以在低于露点温度冷却时消除来自制冷器盘管240的冷凝物。进气系统210还可以包括定位在进气水冷系统220下游的水分检测系统170。水分检测系统170可以如上文所描述地那样操作。本发明中可以使用其它部件和其它构造。
图7示出了可以如本发明中所描述的进气系统260的进一步的实施例。进气系统260可以包括进气水冷系统270。在该例子中，进气水冷系统270可以是喷雾器系统280。喷雾器系统280可以包括喷嘴阵列290。喷嘴阵列290可以将水流雾化成小液滴，以对进入空气流20进行冷却。喷雾器系统280可以具有传统设计。尽管通常不使用，但是除水器300可以定位在喷雾器系统280的下游。进气系统260还可以包括定位在进气水冷系统270下游的水分检测系统170。水分检测系统170可以如上文所描述地那样操作。可以与高压喷雾器系统、湿压缩等一起使用类似的构造。本发明中可以使用其它部件和其它构造。
应当显而易见的是，上文仅涉及本发明的某些实施例。本领域普通技术人员可以对本发明进行多种改变和改型，而不偏离所附权利要求书及其等同形式所限定的本发明的大体精神和范围。

Claims (19)

1.一种用于向压缩机提供空气流的燃气涡轮进气系统，包括：
定位在所述压缩机上游的进气水冷系统；
所述进气水冷系统包括除水器；
所述进气水冷系统通过水流对空气流进行冷却；和
水分检测系统，所述水分检测系统定位在所述进气水冷系统的下游，以检测在去往所述压缩机的空气流中是否存在夹带水越过所述进气水冷系统，并且如果检测到夹带水，关闭所述进气水冷系统。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮进气系统，其特征在于，所述进气水冷系统包括蒸发冷却系统。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮进气系统，其特征在于，所述蒸发冷却系统包括蒸发介质垫。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮进气系统，其特征在于，所述进气水冷系统包括制冷器系统。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮进气系统，其特征在于，所述制冷器系统包括多个制冷器盘管并且其中所述水流包括冷凝物流。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮进气系统，其特征在于，所述进气水冷系统包括喷雾器系统。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮进气系统，其特征在于，所述喷雾器系统包括喷嘴阵列。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮进气系统，其特征在于，所述水分检测系统包括一个或多个光源。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮进气系统，其特征在于，所述一个或多个光源发射具有预定波长的光。
10.根据权利要求8所述的燃气涡轮进气系统，其特征在于，所述水分检测系统包括一个或多个折射检测传感器。
11.根据权利要求10所述的燃气涡轮进气系统，其特征在于，所述一个或多个折射检测传感器检测由空气流中的液滴产生的光谱。
12.根据权利要求10所述的燃气涡轮进气系统，其特征在于，所述燃气涡轮进气系统还包括控制器，所述控制器与所述一个或多个折射检测传感器和所述进气水冷系统通信。
13.根据权利要求10所述的燃气涡轮进气系统，其特征在于，所述一个或多个光源以及所述一个或多个折射检测传感器包括相对于空气流基本垂直的构造。
14.一种操作燃气涡轮进气系统的方法，包括：
通过水流对进气水冷系统中的空气流进行冷却；
在除水器中消除水滴；
将水分检测系统定位在所述进气水冷系统的下游；
通过所述水分检测系统对空气流进行光学监测，以确定在其中是否有水滴产生光谱；以及
如果检测到有夹带水，就停止所述进气水冷系统。
15.一种操作空气流的燃气涡轮发动机，包括：
压缩机；
进气水冷系统，所述进气水冷系统定位在所述压缩机的上游；
所述进气水冷系统通过水流对空气流进行冷却；
除水器，所述除水器定位在所述进气水冷系统的下游；和
水分检测系统，所述水分检测系统定位在所述除水器的下游，以检测在去往所述压缩机的空气流中是否存在夹带水越过所述除水器，并且如果检测到夹带水，关闭所述进气水冷系统。
16.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述进气水冷系统包括蒸发冷却系统。
17.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述进气水冷系统包括制冷器系统。
18.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述进气水冷系统包括喷雾器系统。
19.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述水分检测系统包括一个或多个光源以及一个或多个折射检测传感器。
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