CN1198197A - 冷却燃气透平和内燃机等原动机进气空气的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

用于冷却可适用于各种不同负荷使用场合的内燃机和燃气透平之类的原动机的进气空气的多级方法及装置,它包括:一个适用于内燃机和燃气透平之类的原动机(42)的空气进口(18)的多级制冷冷却系统(10),它根据湿度图上截取的进气空气冷却轨迹焓曲线提供热动力效率;从一级到另一级串联起作用的制冷剂用于冷却从第一冷却级(12)来的并作为一预冷换热器冷却剂的主或辅助制冷剂,以进行热交换并对后续冷却级(14,16)的主或辅助制冷剂进行低温冷却使其冷却至理想温度;驱动该原动机(42)和制冷剂冷却系统(1)赋能装置;根据当前能量成本调节该动力装置(42),使其产生电力及有用功以优化净收益。

Description

冷却燃气透平和内燃机 等原动机进气空气的方法及装置
技术领域
本发明涉及提高燃气透平和内燃机性能的方法。具体地，本发明涉及一种新的用于冷却燃气透平和内燃机的进气空气以增加其功率输出和燃烧效率的多级方法和装置。
背景技术
Kohlenberger的美国专利No.5444971描述了一种用于冷却燃气透平和内燃机之类的原动机的进气空气的方法及装置。它借助于冷却空气进口而使流入发动机及燃气透平压气机叶片或发动机气缸的空气质量增加来提高性能。该性能的提高是借助在空气流中以串联方式设置的各级冷却盘管使冷却效果增加而实现的。通过使该主冷却剂或辅助冷却剂从一级到另一级的这种串联冷却，即使冷却剂从第一冷却级流出，去直接地或间接地再冷却用于依次冷却进入压气机的进气空气流的后续冷却级用的冷却剂可获得附加的制冷效果。透平性能的增加受到进气空气的最低温度的限制，该最低温度是借助于将相互兼容的主或辅助制冷系统的第一和第二级(或多级一如果多级串联的话)相互连通而获得，该主或辅助制冷系统可直接地或间接地互相交换从一级供到另一级的制冷剂。
因此，尽管可用单级冷却的主或辅助制冷剂供给系统进行工作并且这样做也是经济的，但借助于提供一种改进的多级恒定空气冷却系统的方法和装置使透平和发动机性能优化可获得最大的性能提高，该方法和装置利用各个使制冷剂供给可互换地从一级供到另一级的系统。这些多级系统还可设置于主/辅助冷却剂复合式装置中。这涉及在常规压缩机系统中产生的并在与冷却水/海水或井水(作为在进气空气的第一级冷却中用的任何种类的冷却器和驱动器中冷却的辅助冷却剂)结合的后续冷却级中用的主蒸发冷却剂的应用。此外，在以热能储存方式工作时，借助于在非高峰低电价时产生冷却水或海水或冰并将其储存起来以产生辅助冷却剂(冷却水，海水等)，供在产生辅助制冷剂的成本更高的高峰发电期使用。
以下所述的发明提供了一种这样的系统。
发明概述
本发明的方法和装置优化了燃气透平和内燃机之类的原动机的电力输出性能，该原动机可驱动各种旋转负荷，例如泵，发动机，压缩机或发电机装置等等。这种优化是通过使透平/发动机进气空气冷却以增加其质量密度和流量而获得的。它包括：首先开始用平均环境空气温度的空气进入该透平/发动机并将该空气温度减少到最大效率需要的冰点温度之上的最佳进气温度，从而形成一湿度图上进气冷却轨迹焓曲线。然后，将该湿度图上进气冷却轨迹焓曲线分段并分成专用的多级冷却级，从而借助于使透平沿该焓曲线上能量密度最小的各段工作而对该制冷循环效率的热力冷却进行优化。
然后构造成一多级制冷系统，并使其与该空气进口相连，从而根据该分段的湿度图上透平进气冷却轨迹焓曲线按热效率提供多级冷却。该多级冷却系统采用主(直接)或辅助(间接)冷却制冷剂，该主(直接)或辅助(间接)冷却制冷剂进行循环，从而吸收进气空气的热量并将其传递给换热器。主(直接)制冷剂限定为一种实际上在其换热器盘管表面上直接改变状态(沸腾或冷凝)以达到冷却的制冷剂。辅助(间接)制冷剂是一种不改变状态，首先由一主制冷剂进行冷却，然后再循环通过其换热器盘管表面，以便由敏锐快速的传热达到冷却的制冷剂。
该进气空气冷却系统的结构是，使从第一冷却级来的被冷却的主或辅助制冷剂作为预冷换热器的冷却剂从一级到另一级起串联冷却作用，产生热交换并直接地或间接地对任何后续级的主或辅助制冷剂进行低温冷却，从而加强对进气空气的冷却使其被冷却到理想的最佳性能温度(当前使透平达到最佳性能的通用最佳进气空气温度是进气空气的冰点，32°F)。这种使被冷却的主或辅助制冷剂从一级到另一级串联地起作用的技术增加了该过程的卡诺传热效率。
然后，对该透平驱动装置和该多级制冷冷却系统供给能量并将其调节到根据当前输入的能量成本运行，从而对从原动机输出的或从透平发电机装置发电的电站输出的净收益进行优化。
在优化一透平性能及动力输出的优选实施例中，透平燃料控制设置于该透平最大效率的最佳位置，并且进气导向叶片定位于该位置。然后，用该分级的制冷系统控制并调节进气温度，从而使透平在最佳温度处工作以便优化该透平性能。
一燃气透平进气空气冷却系统的变形结构目前装在Upper Midwest，用52°F的井水冷却Solar Saturn型燃气透平发电机装置的进气空气。该装置设计的进气温度是95°F，但用井水冷却系统将该空气在进入该透平之前冷却到57°F。这种冷却的效果使该透平的输出从0.97增加到1.15兆瓦，即增加19％。借助于增设以复合方式工作的将进气空气温度从57°F进一步冷却到40°F，第二级冷却盘管可进一步增加功率输出0.05兆瓦，因此输出功率总量为1.2兆瓦，或相对于95°F的环境温度输出功率增加24％。
近来对Westinghouse 501D5型燃烧天然气的燃气透平发电机装置(该装置采用直接用氨作制冷剂的三级燃气透平进气空气冷却系统)作出的研究表明：与借助于蒸发对燃气透平空气进口进行冷却所获得的输出功率相比，该装置的输出功率增加13％。此外，在功率设置为常量时，放热率下降4％。
该三级燃气透平进气空气冷却系统由三级相互串联并用氨(或其它物质)作主制冷剂的冷却盘管构成，该主制冷剂由泵打入这些盘管中进行再循环并返回到该三个专用的泵储存器容器的每一个中。该第一级盘管用61°F的氨制冷剂将空气从105°F冷却到71°F。该第二级盘管用45°F的氨将空气从71°F冷却到55°F。该第三级冷却用30°F的氨来完成将空气从55°F到40°F的冷却。三个氨压缩机从三个专用的储存器中取出蒸发的制冷剂并将其压缩以便在蒸发冷凝器的同一箱中冷凝成液体制冷剂。然后，这种高压冷凝液体制冷剂返回该吸入储存器中，反复进行热交换循环。引入第二级和第三级盘管中的制冷剂由前一级预冷并在后续各级中接着使用，从而使热效率达到最大。
更低的最佳透平运行温度可以低于空气进口的冰点，以进一步增加燃气透平或内燃机的性能。在该实施例中，将进气空气预冷到低于冰点的温度，然后再由进入的温热制冷剂或其它装置稍稍加热(温热)以便防止空气中的湿气冷凝并结冰，这将会损坏透平叶片。这种进一步冷却甚至可使燃气透平提供更多的输出功率。理论上讲，可以将湿度图上的透平进口冷却轨迹焓曲线分成许多(无限)级。该优化系统将取决于投资费和物理空间的限制。通常可采用多个焓基本上相等的级和各相应的分级冷却系统。
为了进一步节约一燃气透平进气空气冷却系统所消耗的能量，如果可利用透平/发动机废气中的废热，则该废热可成为直接吸收制冷或蒸汽透平驱动的压缩制冷的能源。这种低品位废热的利用通过减小了附加的制冷负荷而增加原动机或发电机的收益。提供的另一种可用技术是废蒸汽透平驱动制冷压缩机的复合循环，而该废蒸汽可冷凝入蒸汽吸收器/冷却器中。另外，借助于直接用气体启动吸收器/冷却器，内燃机或燃气透平制冷系统的驱动器可减少附加的制冷能量的消耗，从而由此可增加燃气透平发电机装置的输出功率。
从热动力学上讲，借助于控制透平运行参数可避免进气空气温度的频繁波动。这就使该透平/发动机处于恒温恒压下运行。这就导致磨损减少，并可对从透平发电机装置或其它原动机中输出的功率进行优化。
在电力收益取决于发电时间的地区，通常采用一个依据计算机模拟模型工作的核算控制系统来计算为发电而消耗的燃料能量相对用于偿付发电开销的电力比率收益的小时成本，从而形成一净成本曲线。根据这些小时计的净成本运行该系统，使运行透平发电机装置输入的燃料能量可被控制到可能对应于或可能不对应于透平的最佳效率的优化收入。例如，可用一计算机程序取代简单的物理性能最佳时的能量对比来模拟在湿度图上分段截取的透平进气空气冷却轨迹焓曲线的热动力学效率，该焓曲线是平均环境空气温度时透平的性能和在给定温度和高度处透平达到最佳性能的最佳空气进口温度的焓曲线，该计算机程序例如是由Kohlenberger AssociatesConsulting Engineers公司在苹果计算机(Apple Macintosh牌计算机)上进行模拟而生产的，其名称为“控制多种温度分级制冷系统的程序(Program for Controlling Multi-Temperature Staged RefrigerationSystems)”，其版权由Kohlenberger Associates Consulting Engineers公司1992年获得。然后该程序确定出在高峰用电期间的附加制冷冷却能量的小时价格，以减小透平燃料成本，同时优化电力输出。然后算出在给定时间引起电力收益增加的附加制冷能量的成本，从而画出一条净收益曲线。因此该计算机程序对各运行参数作出计算以便得出以小时计的最佳净收益，以对该透平发电机装置进行调节使其产生最佳净收益。
本发明的方法和装置已导致透平/发电机装置的净输出增加20-25％，同时减少燃料消耗3-5％。这些因素结合起来形成的运行收益将比采用常规的蒸发进气空气冷却系统产生的收益提高多达20-30％。这些成本节约及收益增加是很显著的，特别是在大发电厂中使用时更是如此。这些节约将可在大约两到四年时间内收回该制冷进气空气冷却系统的总成本。
附图说明
图1是Westinghouse 501D5型燃气透平用的输出功率及热效率的校正曲线的示例；
图2是Westinghouse 501D5型燃气透平进气空气冷却轨迹的典型空气湿度图的示例；
图3是一个三级透平进气空气冷却盘管热交换器的示意图；
图4是一个三级透平进气空气水冷却器制冷系统的流程示意图；
图5是一个三级透平进气空气直接作冷却剂的制冷系统的流程示意图；
图6是Westinghouse 501D5型燃气透平发电机装置的三级冷却透平进气空气的制冷系统的平面示意图；
图7是Westinghouse 501D5型燃气透平发电机装置进气空气冷却系统的制冷负荷曲线；
图8是分析/比较该Westinghouse 501D5型燃气透平发电机装置用的一典型三级进气空气冷却系统的性能的数据汇总表；
图9是该Westinghouse 501D5型燃气透平发电机装置的三级进气空气冷却系统的运行成本分析、性能、电力收益净增率的数据汇总表。
图示实施例的说明
图1表示Westinghouse 501D5型燃烧天然气的燃气透平在透平进气空气温度冷却到40°F时的透平性能的提高。在该点，最佳功率输出是在ISO温度59°F的标准状态下的透平性能的107％。
图2示出了一空气湿度图，它表示在图3所述的流程示意图中更详细说明的三级冷却方法及冷却系统用的透平进气空气冷却轨迹。该空气湿度图被画出以便用于与图5所示的透平空气进气相关的三级盘管式热交换系统。图3表示一个用氨作制冷剂并装在空气进口中以便用61°F的氨制冷剂将进气空气从105°F DBT冷却到71°F的第一级制冷盘管。从第一级冷却盘管出来的氨冷却剂被冷却，然后流入该空气进口中的第二级冷却盘管中，从而用45°F的制冷剂将空气温度从71°F降低到55°F DBT。第三级冷却盘管利用30°F的制冷剂将空气流从55°F降到40°F。
图4表示一个透平进气空气水冷却器制冷系统的流程示意图。用冷却水作冷却剂的冷却盘管1装在空气进口中的冷却盘管2的上游。第一水冷却器1与第一冷却盘管1工作相连。从第一冷却盘管来的水冷却剂用于对冷却器2中的制冷剂进行预冷。在第二水冷却器中的单独水冷却回路可用于第二盘管中以便以低温水进一步冷却进气空气。在第二回路中的冷却水也可用于对第三冷却器中的制冷剂进行预冷。最后，第三水冷却器与第三盘管一起用最低温度的冷却水将进气空气冷却到最后温度。该温度是最佳进气温度，因此优化了驱动发电机的透平性能。
在电费最低时，即在透平发电机在非用电高峰期间产生较少的电力而产生较多的制冷剂时，一种任选的冷却水、冰或其它热能储存箱或装置可合适地用于该水冷却回路中，以便储存在非用电高峰期间产生的用作制冷系统冷却剂的冷却水。在用电高峰期间，所储存的冷却水或冰在该冷却器不工作时对进气空气进行冷却，从而减少制冷消耗的附加功率并增加该透平/发电机装置的净输出。
图5表示一氨制冷系统，其中，一第一级压气机(No.1)，一第二级压气机(No.2)及一第三级压气机(No.3)都与一第一级冷却盘管1，一第二级冷却盘管2及一第三级冷却盘管3可工作相连，从而以上述相似的方式逐级阵低进气空气的温度。
图6是Westinghouse 501D5型燃气透平的进气空气制冷系统10的平面示意图。三个冷却盘管12，14，16设置于透平空气进口18内，并与三个压气机20，22，24可操作地相连。如图所示，三个冷却盘管12，14，16氨冷却剂由冷却线路26相互连通形成一回路，该回路带有三个氨回收器(再循环器)28，30，32，和三个蒸发冷凝器34，36，38组成一个完整的三级系统以便将燃气透平发电机用的进气空气进行冷却。该燃气透平发电机装置40由一简单循环的烧天然气的Westinghouse 501D5型燃气透平42驱动一个80兆瓦发电机44组成。发动机/透平控制中心46控制进入燃气透平42中的燃料的供给及点火，并控制操作电动压缩机驱动器(未示出)以降低这些冷却盘管12，14，16的温度所需的电力。该发动机/透平控制中心46带有设置于空气进口中的传感器(未示出)，以便保证进入透平工作室48中的空气处于恒定温度和压力，从而优化该燃气透平42的性能。
三个蒸发冷凝器34，36，38与该制冷系统10相连以便将该制冷循环中的压缩和冷凝热带走。
图7示出一条在24小时期间冷却进气空气的典型制冷负荷曲线。图8和9示出了一典型的三级进气空气冷却系统运行成本分布。图8是分析/比较该Westinghouse 501D5型燃气透平发电机装置用的一典型三级进气空气冷却系统的性能数据汇总表。图9是该Westinghouse 501D5型燃气透平发电机装置的三级进气空气冷却系统的运行成本分析、性能、电力收益净增量的数据汇总表。
从表8和9中可看出，用于支付发电费用的电力收入通常随着每天中供电时间不同而变化。因此常常将一个带有收入/成本核算的计算机(未示出)连接到该发动机/透平控制中心46上，从而通过于在高电价期间产生最大的电力而按小时地优化净电力输出。如果采用了热能储存系统，则在非高峰电价期间产生并储存的辅助冷却剂在高峰电价期间再循环使用，从而优化电力生产，以最小的制冷成本产生电力。
因此，该三级透平进气空气制冷系统借助于对透平发电机装置40的性能进行优化而产生显著的净收益。
尽管说明书是参照图示实施例进行详尽说明的，但这并不是用来限制后附各权利要求的范围。各权利要求本身所述乃是本发明的实质特征。

Claims (11)

1.一种用于对诸如燃气透平和内燃机之类的燃烧原动机的输出功率及性能进行优化的方法，该原动机具有吸入为了防止该原动机及辅助部件损坏而处于最小可接受的进气空气温度的并与燃烧用的燃料混合的进气空气的空气进口，且与原动机负荷状态相配合，从而增加功率输出并减小燃料消耗，该方法包括：
a.将包含原动机输出性能，燃料消耗，放热率，负荷使用功率，输出功率，附加负荷消耗及其它相应的系统性能数据的数据库的数据输入一计算机处理器；
b.计算机得出最佳热力冷却效率，该效率对应于平均环境空气温度原动机性能的，及原动机最佳性能所用的最佳空气进气温度的，并在湿度图上相继分段截取的透平进气空气冷却轨迹焓曲线；
c.构造出并提供一制冷剂分级冷却系统，该系统具有装在空气进口内并与其配合的各单独的制冷剂冷却部件，通过循环该制冷剂吸收进气空气的热量并将该热量传递给换热器而增加该制冷系统的循环效率，并由冷却的冷凝物对该液体制冷剂在膨胀前进行低温冷却，从而实现进气空气的连续递增的分级冷却；
d.从一级到另一级串联作用的并从第一冷却级中流出的冷却后的作为预冷换热器冷却剂的主或辅助制冷剂接着使其与后续冷却级中用于继续冷却进气空气的主或辅助制冷剂相互换热并对其进一步进行低温冷却，从而使进气空气冷却到最佳的原动机性能所需的理想温度；
e.将涉及原动机的燃料消耗、维护及其它相关的运行成本的当前运行成本以及由原动机负荷应用而得到的当前发电收益输入计算机处理器；
f.形成一条原动机及原动机负荷应用的最佳净收益性能曲线；及
g.根据该最佳净收益性能曲线对动力装置提供动力并对其进行调节，从而驱动该原动机及多级制冷剂冷却系统。
2.如权利要求1所述的用于对燃烧原动机的输出功率及性能进行优化的方法，其特征在于：该湿度图上的透平进气空气冷却轨迹焓曲线被分成多个基本上相等的级。
3.如权利要求2所述的用于对燃烧原动机的输出功率及性能进行优化的方法，其特征在于：该多级制冷系统采用使冷却的主或辅助制冷剂相结合而一同在各单独冷却级的冷却盘管中作为换热工质。
4.如权利要求2所述的用于对燃烧原动机的输出功率及性能进行优化的方法，其特征在于：该分级制冷系统采用诸如冷却水，海水等等之类的间接辅助冷却剂作为换热工质。
5.如权利要求1所述的用于对燃烧原动机的输出功率及性能进行优化的方法，其特征在于：将进气空气预冷到冰点之下，然后用温热制冷剂使其温热以防结冰，从而使原动机的性能及冷却循环效率达到最佳。
6.一种用于对燃烧原动机的输出功率及性能进行优化的装置，该原动机具有吸入为了防止该原动机及辅助部件损坏而处于最小可接受的进气空气温度的并与燃烧用的燃料混合的进气空气的空气进口，且与原动机负荷状态相配合，该装置包括：
a.一分级制冷冷却系统，该系统包括：第一压缩机及至少一个与第一冷却盘管工作相连的后续压缩机，至少一个后续冷却盘管装在该原动机的空气进口内并与其配合，以便根据表示平均环境温度原动机性能及原动机最佳性能时的最佳空气进气温度的，并在湿度图上分段截取的透平进气空气冷却轨迹焓曲线，以多级方式进一步冷却进气空气，借助于在各盘管中进行后续循环，制冷剂吸收各级进气空气的热量并将该吸收的热量传递给换热器，从而由冷却的冷凝物对液体制冷剂在膨胀前进行低温冷却而增加该制冷系统的循环效率，
b.用于驱动该原动机及多级制冷剂冷却系统压缩机部件的动力装置，
c.与该冷却系统相配合的传递及串联装置，该装置用于传递从该制冷剂冷却系统的第一冷却级来的并用作预冷换热器冷却剂的已冷却过的主或辅助制冷剂，使其与该制冷剂冷却系统的后续冷却级中的直接或间接制冷剂进行换热，从而进一步将进气空气冷却到最佳原动机性能时的进气空气温度，
d.一计算机处理器，它带有与原动机的燃料消耗、维护及其它有关运行成本和由原动机负荷应用而获得的当前发电收益的数据库，由该计算机处理器得出该原动机及原动机负荷应用的最佳净收益性能曲线，
f.根据该最佳净收益性能曲线调节用于驱动该原动机及分级制冷剂冷却系统压缩机部件的动力装置的动力控制装置。
7.如权利要求6所述的用于对燃烧原动机的输出功率及性能进行优化的装置，其特征在于：原动机是燃气透平，所用负荷是一发电的发电机。
8.如权利要求6所述的用于对燃烧原动机的输出功率及性能进行优化的装置，其特征在于：该冷却系统采用直接主制冷剂。
9.如权利要求6所述的用于对燃烧原动机的输出功率及性能进行优化的装置，其特征在于：该冷却系统采用利用原动机的废热作动力的吸收制冷系统进行冷却的间接辅助制冷剂。
10.如权利要求6所述的用于对燃烧原动机的输出功率及性能进行优化的装置，其特征在于：带有一收益和成本核算模拟模型的计算机，该计算机具有一个涉及功率控制的模拟程序，以优化以小时计的净能量输出。
11.如权利要求6所述的用于对燃烧原动机的输出功率及性能进行优化的装置，其特征在于：该原动机是一个透平，该透平带有透平燃料控制装置及进气导叶，该控制装置设置于为使透平效率达到最佳的最佳位置处，该进气导叶处于该最佳位置中，然后用该分级制冷系统控制并模拟进气空气温度以便控制该透平处于最佳温度，从而优化透平性能。
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