CN108798902A - 具有蓄热系统的中间冷却的涡轮机 - Google Patents

具有蓄热系统的中间冷却的涡轮机 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种具有蓄热系统的中间冷却的涡轮机。所述蓄热系统可以包括：第二冷却器，其与所述中冷器连通；热能储蓄罐，其与所述第二冷却器和所述中冷器连通；以及温度调节装置，其在所述燃气涡轮发动机附近定位，并与所述热能储蓄罐连通。

Description

具有蓄热系统的中间冷却的涡轮机
技术领域
本公开一般涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及具有蓄热系统的中冷的涡轮(intercooled turbine with a thermal storage system)，所述蓄热系统可以加热或冷却进气流，以便提高整体效率和性能。
背景技术
中间冷却的燃气涡轮发动机的整体效率和动力输出通常可以部分地取决于环境温度。在环境温度升高的环境中，不使用冷却循环，例如提供入口冷冻和充分低的中冷器温度的循环，则中冷的燃气涡轮发动机的性能可能受损失。组合高涡轮压力比和低排气温度的压缩机中冷器可以提高整体效率。为了提供这种冷却，可以提供入口冷冻器、冷却塔、干式冷却器等等。然而，这些冷却部件的加入常常导致发动机的周界很大、很贵并消耗寄生功率和大量的水。同样，低环境温度可以使压缩机中或者压缩机上游结冰。可以使用抽气来加热进气流。然而，这种抽气也可以被认为是寄生损失。
发明内容
因此，本公开提供了一种用于与具有中冷器(intercooler)的燃气涡轮发动机一起使用的蓄热系统。所述蓄热系统可以包括：第二冷却器，其与所述中冷器连通；热能储蓄罐，其与所述第二冷却器和所述中冷器连通；以及温度调节装置，其在所述燃气涡轮发动机附近定位，并与所述热能储蓄罐连通。
本公开还提供了一种将中冷(intercooled)的燃气涡轮发动机的空气入口保持在期望温度下的方法。所述方法可以包括以下步骤：在第一环境温度的时段期间，用热交换流体装载热能储蓄罐；在第二环境温度的时段期间，使所述热交换流体在所述空气入口附近流动；和/或在第二环境温度的时段期间，使所述热交换流体在所述燃气涡轮发动机的中冷器附近流动。
本公开还提供了一种燃气涡轮发动机。所述燃气涡轮发动机可以包括：低压压缩机；高压压缩机；中冷器，其位于所述低压压缩机和所述高压压缩机之间；以及蓄热系统，其与所述中冷器和所述低压压缩机连通。所述蓄热系统可以包括：与所述中冷器连通的热能储蓄罐；以及温度调节装置，其在所述低压压缩机附近定位，并与所述热能储蓄罐连通。
技术方案一：一种用于与具有中冷器的燃气涡轮发动机一起使用的蓄热系统，所述蓄热系统包括：第二冷却器，所述第二冷却器与所述中冷器连通；热能储蓄罐，所述热能储蓄罐与所述第二冷却器和所述中冷器连通；以及温度调节装置，所述温度调节装置在所述燃气涡轮发动机附近定位，并与所述热能储蓄罐连通。
技术方案二：根据技术方案一所述的蓄热系统，其中，所述中冷器位于低压压缩机和高压压缩机之间。
技术方案三：根据技术方案二所述的蓄热系统，其中，所述温度调节装置在所述低压压缩机周围定位。
技术方案四：根据技术方案三所述的蓄热系统，其中，所述温度调节装置包括蒸发冷却器。
技术方案五：根据技术方案四所述的蓄热系统，还包括冷凝物收集器，所述冷凝物收集器与所述中冷器和所述热能储蓄罐连通。
技术方案六：根据技术方案一所述的蓄热系统，其中，所述温度调节装置包括入口热交换盘管。
技术方案七：根据技术方案六所述的蓄热系统，其中，所述入口热交换盘管在所述燃气涡轮发动机周围提供加热或冷却。
技术方案八：根据技术方案六所述的蓄热系统，还包括冷冻器，所述冷冻器与所述入口热交换盘管和所述热能储蓄罐连通。
技术方案九：根据技术方案八所述的蓄热系统，还包括在所述冷冻器周围的冷冻器旁路管线。
技术方案十：根据技术方案八所述的蓄热系统，还包括盘绕式泵，所述盘绕式泵与所述入口热交换盘管和所述热能储蓄罐连通。
技术方案十一：根据技术方案一所述的蓄热系统，还包括：第二罐入口管线，所述第二罐入口管线与第一热能储蓄罐管线连通；以及第二罐出口管线，所述第二罐出口管线与第二热能储蓄罐管线连通。
技术方案十二：根据技术方案十一所述的蓄热系统，其中，所述第一热能储蓄罐管线包括在其上的第一泵，并且其中，所述第二热能储蓄罐管线包括在其上的第二泵。
技术方案十三：根据技术方案一所述的蓄热系统，其中，所述热能储蓄罐包括其中的水流。
技术方案十四：根据技术方案十三所述的蓄热系统，其中，所述热能储蓄罐包括分层罐。
技术方案十五：一种将中冷的燃气涡轮发动机的空气入口保持在期望温度下的方法，所述方法包括：在第一环境温度的时段期间，用热交换流体装载热能储蓄罐；在第二环境温度的时段期间，使所述热交换流体围绕所述空气入口四周流动；和/或在所述第二环境温度的时段期间，使所述热交换流体围绕所述燃气涡轮发动机的中冷器四周流动。
技术方案十六：一种燃气涡轮发动机，包括：低压压缩机；高压压缩机；中冷器，所述中冷器位于所述低压压缩机和所述高压压缩机之间；以及蓄热系统，所述蓄热系统与所述中冷器和所述低压压缩机连通；所述蓄热系统包括与所述中冷器连通的热能储蓄罐；以及温度调节装置，所述温度调节装置在所述低压压缩机周围定位，并与所述热能储蓄罐连通。
技术方案十七：根据技术方案十六所述的燃气涡轮发动机，还包括第二冷却器，所述第二冷却器与所述中冷器和所述热能储蓄罐连通。
技术方案十八：根据技术方案十六所述的燃气涡轮发动机，其中，所述温度调节装置包括蒸发冷却器。
技术方案十九：根据技术方案十八所述的燃气涡轮发动机，其中，所述温度调节装置包括入口热交换盘管。
技术方案二十：根据技术方案十九所述的燃气涡轮发动机，还包括冷冻器，所述冷冻器与所述入口热交换盘管和所述热能储蓄罐连通。
对于结合若干图式及所附权利要求书检阅过以下详细描述的所属领域的一般技术人员而言，本申请案及所得专利的这些以及其它特征及改进将变得显而易见。
附图说明
图1是中冷的燃气涡轮发动机的示意图。
图2是具有可以如本说明书中描述的蓄热系统的图1中冷的燃气涡轮机的示意图。
图3是具有可以如本说明书中描述的蓄热系统的替代性实施例的图1中冷的燃气涡轮机的示意图。
具体实施方式
现在参考图式，其中在若干视图中相同数字指代相同元件，图1是包括中冷器系统12的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括以串流关系(in serialflow relationship)的低压压缩机或增压器14、高压压缩机16、环形筒燃烧器18、高压涡轮20、中压涡轮22和动力涡轮或自由涡轮24。低压压缩机或增压器14可以具有入口26和出口28。高压压缩机16可以包括入口30和出口32。每个燃烧筒18可以具有入口34和出口36，入口34与高压压缩机出口32基本一致(substantially coincident)。燃烧器18可以是环形燃烧器、干式低排放(DLE)燃烧器等等。
高压涡轮20可以用第一转子轴40联接到高压压缩机16。中间涡轮22可以用第二转子轴42联接到低压压缩机14。转子轴40和42各自可以基本上关于燃气涡轮发动机10的纵向中心轴线43基本同轴对齐。可以使用燃气涡轮发动机10驱动负载(未示出)，负载可以联接到动力涡轮轴44。替代性地，负载可以联接到转子轴42的前向延伸部(未示出)。
运行中，环境空气可以被吸入到低压压缩机入口26中，在其中压缩，并经通道向下游传送到高压压缩机16。高压压缩机16进一步压缩空气，并将当前的高压空气传送到燃烧器18。燃烧器18将空气流与燃料流混合，并点燃混合物以产生高温燃烧气体。燃烧气体可以经通道从燃烧器18传送，以驱动一个或多个涡轮20、22和24。
燃气涡轮发动机10可以使用天然气、液态燃料、各种类型的合成气、和/或其它类型的燃料和其共混物。燃气涡轮发动机10可以是由纽约斯卡奈塔第(Schenectady,NewYork)的通用电气公司提供的多个不同燃气涡轮发动机中的任一个，包括但不限于例如LMS100航改燃气涡轮机(aero-derivative gas turbine)、7系或9系重型燃气涡轮发动机等等的那些燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可以具有不同配置，并且可以使用其它类型的部件。本说明书也可以使用其它类型的燃气涡轮发动机。也可以在本说明书中共同使用多个燃气涡轮发动机、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的动力输出至少部分地与沿气流路径的各个位置处的气流的温度有关。更具体地，在燃气涡轮发动机10的运行期间，可以密切监测高压压缩机出口32处的气流的运行温度。降低进入高压压缩机16的气流的运行温度可以有利于降低高压压缩机16所需的动力输入。
为了有利于降低进入高压压缩机16的气流的运行温度，中冷器系统12可以包括中冷器50，中冷器50流体连通地联接到低压压缩机14。进入到低压压缩机14中的气流51可以在其中被加压，加压的流53可以经通道传送到中冷器50以在冷却的空气55返回高压压缩机16之前提供冷却。
运行期间，中冷器50可以具有通过其流动的冷却流体58，用于去除从气流路径提取的热。冷却流体58可以是空气，中冷器50可以是空气-空气热交换器。替代性地，冷却流体58可以是水，中冷器50可以是空气-水热交换器。中冷器50可以从被压缩的气流53中提取热能，并且可以将冷却的被压缩的空气55返回高压压缩机16。更具体地，中冷器50可以包括许多管道(未示出)，冷却流体58通过这些管道循环。热可以从被压缩的空气53通过许多管壁(未示出)传递到冷却流体58，冷却流体58通过入口60被供应到中冷器50。相应地，中冷器50有利于在低压压缩机14和高压压缩机16之间注入热量。降低进入高压压缩机16的空气的温度由此有利于降低高压压缩机16将空气压缩到期望的运行压力所消耗的能量。这种降低可以有利于提高燃气涡轮发动机的压力比，以便提供从燃气涡轮发动机10提取的能量的增加、以及较高的净运行效率。
图2是可以用于燃气涡轮发动机10的蓄热系统100的一个实例的示意图。蓄热系统100可以包括第二冷却器110。第二冷却器110可以与流动通过中冷器50的冷却流体58交换热。第二冷却器110可以在其中具有第二冷却流体120。(冷却流体120可以与上面的冷却流体流58相同或不同。)第二冷却器110可以具有任何适合的大小、形状或配置。第二冷却流体120可以在中冷器50和第二冷却器110之间通过第二泵130循环。第二泵130可以具有任何适合的大小、形状、配置或容量。可以使用第二入口管线140和第二出口管线150循环第二冷却流体120。可在本说明书中使用其它组件及其它配置。
蓄热系统100还可以包括热能储蓄罐(“TES(thermal energy storage)罐”)160。TES罐160可以是常规的分层水蓄热系统，即分层罐，在罐的顶部产生温水，较冷的水沉到底部。TES罐160可以具有任何适合的大小、形状或配置。本说明书中可以使用其它类型的热能储蓄装置。第一TES罐管线170可以与第二入口管线140连通。第二TES罐管线180可以与第二出口管线150连通。可以使用多个TES阀190、TES旁路200和TES泵210。TES部件可以具有任何适合的大小、形状的配置。因此，根据需要，TES罐管线170、180在中冷器50、第二冷却器110和TES罐160之间循环冷却流体58和/或第二冷却流体120。可在本说明书中使用其它组件及其它配置。
蓄热系统100还可以包括冷凝物收集器220。冷凝物收集器220可以与中冷器50连通。根据环境湿度水平和其它参数，冷凝物收集器220可以收集在中冷器50中产生的冷凝物。冷凝物收集器220可以通过冷凝物管线230和冷凝物泵240与TES罐160连通。冷凝物的流可以用来装载TES罐160。冷凝物收集器220和其部件可以具有任何适合的大小、形状、配置或容量。可在本说明书中使用其它组件及其它配置。
蓄热系统100还可以包括温度调节装置245。在此实例中，温度调节装置245可以是蒸发冷却器250等等。蒸发冷却器250可以在低压压缩机14的入口26附近定位以便冷却进气流51。蒸发冷却器250可以是常规设计。蒸发冷却器250可以具有任何适合的大小、形状、配置或容量。蒸发冷却器250可以通过进入(in-coming)蒸发冷却器管线260、引出(out-going)蒸发冷却器管线270和蒸发冷却器泵275与TES罐160连通。蒸发冷却器部件可以具有任何适合的大小、形状、配置或容量。可在本说明书中使用其它组件及其它配置。
使用中，在燃气涡轮发动机10运行或关闭时，很可能在夜晚，在相对低的环境温度和电价下，可以用来自第二冷却器110的冷却的水装载TES罐160。当第二冷却器110运行或不利用白天/夜晚温度和电价浮动时，可以排放第二冷却器110。冷却的水可以在白天被泵送到蒸发冷却器250以冷却进气流51，而TES罐160可以通过冷凝物收集器220重新填充。替代性地，也可以使用冷却的水通过中冷器50和/或发电机等等冷却高压压缩机16。可在本说明书中使用其它组件及其它配置。
图3示出可以如本说明书描述的蓄热系统280的替代性实施例。代替冷凝物收集器220和温度调节装置245作为蒸发冷却器250，此实例可以包括入口热交换盘管290作为温度调节装置245。入口热交换盘管(inlet heat exchange coil)290可以与冷冻器(chiller)300连通。入口热交换盘管290可以在低压压缩机14的入口26附近定位，以加热或冷却进气流51。入口热交换盘管290可以是常规设计，并且可以具有任何适合的大小、形状、配置或容量。在需要时，冷冻器300可以将冷却流体提供至入口热交换盘管290。冷冻器300可以是常规设计，并且可以具有任何适合的大小、形状、配置或容量。可以使用适合的进入管线310、引出管线320、盘绕式泵(coil pumps)330、冷冻器旁路340和冷冻器阀350。可在本说明书中使用其它组件及其它配置。
可以使用蓄热系统280加热或冷却进入低压压缩机14的进气流51，或者冷却进入高压压缩机16和/或发电机等等的空气流53。同上，蓄热系统280可以将来自TES罐160的冷却的水提供至入口热交换盘管290或中冷器50，以便在白天提供冷却，在夜晚储存冷却的水。在加热模式中，蓄热系统280可以储存来自中冷器50的温水，并使用在入口热交换器250中存储的温水以防止结冰。
蓄热系统280可以具有不同的运行模式。在第一模式中，TES罐160可以与第二冷却器110和冷冻器300两者隔离，使得TES罐160既不装载也不排放。在第二模式中，只使用冷冻器300冷冻入口空气热交换盘管290，不使用第二冷却器110，而使用来自TES罐160的冷却的水冷却中冷器50。在第三模式中，只使用冷冻器300冷冻入口空气热交换盘管290，而使用来自TES罐160和第二冷却器110的冷却的水冷却中冷器50。在第四模式中，使用来自TES罐160的冷却的水冷却入口空气热交换盘管290和中冷器50两者。在第五模式中，使用来自TES罐160的冷却的水冷却入口空气热交换盘管290，而使用来自TES罐160和第二冷却器110的冷却的水冷却中冷器50。此方法可以不包括冷冻器。在第六模式中，可以用来自第二冷却器110的冷却的水装载TES罐160。在第七模式中，温水可以连续地在第二冷却器110和冷冻器300中被冷冻，然后储存在TES罐160中。在此装载之后，所得冷却的水可以在环境温度以下。在加热模式中，来自第二冷却器110的温水可以储存在TES罐160中，然后泵送到入口空气热交换盘管290以防止结冰。在本说明书中可以使用其它运行模式。
因此，蓄热系统280可以将进入低压压缩机14和高压压缩机16和/或发电机等等的空气保持在期望温度下，以最大化整体燃气涡轮发动机10的输出和效率。在本说明书中可以使用一个或多个TES罐160等等。蓄热系统280可以在热天等等提高中冷的燃气涡轮机的整体性能。
应显而易见的是，上文仅涉及本公开的某些实施例。在不脱离如由以下权利要求书及其等效物界定的本发明的一般精神和范围的情况下，本领域一般技术人员可以对本说明书作出许多改变和修改。

Claims (10)

1.一种用于与具有中冷器的燃气涡轮发动机一起使用的蓄热系统，所述蓄热系统包括：
第二冷却器，所述第二冷却器与所述中冷器连通；
热能储蓄罐，所述热能储蓄罐与所述第二冷却器和所述中冷器连通；以及
温度调节装置，所述温度调节装置在所述燃气涡轮发动机附近定位，并与所述热能储蓄罐连通。
2.根据权利要求1所述的蓄热系统，其中，所述中冷器位于低压压缩机和高压压缩机之间。
3.根据权利要求2所述的蓄热系统，其中，所述温度调节装置在所述低压压缩机周围定位。
4.根据权利要求1所述的蓄热系统，其中，所述温度调节装置包括蒸发冷却器。
5.根据权利要求4所述的蓄热系统，还包括冷凝物收集器，所述冷凝物收集器与所述中冷器和所述热能储蓄罐连通。
6.根据权利要求1所述的蓄热系统，其中，所述温度调节装置包括入口热交换盘管。
7.根据权利要求6所述的蓄热系统，其中，所述入口热交换盘管在所述燃气涡轮发动机周围提供加热或冷却。
8.一种将中冷的燃气涡轮发动机的空气入口保持在期望温度下的方法，所述方法包括：
在第一环境温度的时段期间，用热交换流体装载热能储蓄罐；
在第二环境温度的时段期间，使所述热交换流体围绕所述空气入口四周流动；和/或
在所述第二环境温度的时段期间，使所述热交换流体围绕所述燃气涡轮发动机的中冷器四周流动。
9.一种燃气涡轮发动机，包括：
低压压缩机；
高压压缩机；
中冷器，所述中冷器位于所述低压压缩机和所述高压压缩机之间；以及
蓄热系统，所述蓄热系统与所述中冷器和所述低压压缩机连通；
所述蓄热系统包括与所述中冷器连通的热能储蓄罐；以及
温度调节装置，所述温度调节装置在所述低压压缩机周围定位，并与所述热能储蓄罐连通。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，还包括第二冷却器，所述第二冷却器与所述中冷器和所述热能储蓄罐连通。
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