CN1664330A - 燃气轮机发电设备及空气加湿器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气加湿器，用于向燃气轮机的工作介质添加水分进行加湿，以及涉及一种燃气轮机发电设备，用于利用具有高湿度的工作介质驱动燃气轮机发电。本发明的目的是降低燃气轮机中的燃烧过的废气的压力损失，提高发电机的输出和效率。该设备包含：加湿器(3)、燃烧器(5)、涡轮机(6)、发电机(7)和水回收装置(10)，还包含废气再加热器(11)，用于利用由加湿器排出的盈余水对由水回收装置排出的燃烧过的废气进行加热。

Description

燃气轮机发电设备及空气加湿器

本发明是申请日为1998年10月23日、申请号为02100918.x、发明名称为“燃气轮机发电设备及空气加湿器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于向燃气轮机的工作介质增加湿度即加湿的空气加湿器，以及燃气轮机发电设备，其中利用高湿度的工作介质驱动燃气轮机，以及由燃气轮机废气回收水分用于再循环或环流，以及更具体地涉及一种空气加湿器和燃气轮机发电设备，降低工作介质的压力损失或燃气轮机废气的压力损失。

背景技术

作为一种与HAT(湿空气涡轮机)循环相关的在先技术，在5507141号美国专利、Hei 1-31012号日本专利公报、Hei 1-195053号日本专利公报、Hei 9-264158号日本专利公开、Nei 10-103079号日本专利公开中介绍了一种燃气轮机循环用于实现涡轮机废气的热回收；或者利用经压缩的空气/水/蒸汽的液相混合物实现涡轮机废气的热回收和压缩机的中间冷却，这种液相混合物是通过将液相水注入通过利用压缩机压缩用作自身维持的燃烧气体、工作介质气体或其它主要包含空气的气体的压缩空气中的一部分或全部得到的。

已经预计该上述燃气轮机循环可以实现高输出和高效率，其等于或大于仅利用不需汽轮机的燃气轮机综合循环的输出和高效率，但是还已指出存在消耗大量的水的问题。

于是，在“IGTI-Vol.7，ASME COGEN-TURBO 1992”中239-245页上的“利用天然气燃料的FT4000 HAT”、Hei-10-30811号日本专利公开(公报)、10-110628号日本专利公开中都提出一种用于由燃气轮机废气中回收水分用于再循环或环流的系统。从其中回收水分的废气例如处在一低于凝结温度(100℃)的接近40℃的温度下，不过由于环境问题废气在该温度下不能释出进入大气，从已回收水分的废气与回收水分之前的废气进行热交换以便将废气释出。

在上述在先技术中，回收水分之前的废气用作一种用于已回收水分的废气重新加热的介质，以便实现气体和气体之间的热交换。因此，热交换设备规模变大并且废气的压力损失增加。由于在烟囱入口的废气的压力的确定与大气压力相关，当达到之前烟囱的废气的压力损失增加时，需要使在燃气轮机出口的废气的压力增高。即，在燃气轮机的入口和出口之间的工作介质中的压力差变小，燃气轮机的输出变小。然而上述的这一点在上述的在先技术中并未研究。

此外，在上述的在先技术中，已利用加湿塔将提供到燃气轮机中的压缩空气加湿。例如在2186706号美国专利或其它文献中介绍了加湿塔的详细结构。

在上述常规加湿塔中，使压缩空气和水在相向流动中直接接触。即，在加湿塔中，喷射或落下的水滴通过多孔介质(其促进压缩空气和水接触)与沿向上方向流动的压缩空气直接接触，将水分添加到压缩空气中。

因此，由于常规加湿塔工作时利用相向流动通过多孔介质，压缩空气的压力损失是极大的。当压缩空气的压力损失大时，燃气轮机的工作介质的压力小，燃气轮机的输出小。然而，关于所述的这样一点在上述的在先技术中没有研究。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种燃气轮机发电设备，其能降低燃气轮机的燃烧过的废气的压力损失，提高发电的输出或效率。

本发明的第二个目的是提供一种燃气轮机发电设备，其能降低燃气轮机的工作介质的压力损失，提高发电的输出或效率。

本发明的第三个目的是提供一种空气加湿器，其在降低燃气轮机的工作介质的压力损失的同时，将水分添加到工作介质中用以加湿。

为了实现上述第一目的，根据本发明提供一种燃气轮机发电设备，其包含：加湿器，用于增加空气中的蒸汽的数量、相对湿度、以及绝对湿度的至少其中之一；燃烧器，用于通过利用加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由涡轮机驱动发电；水回收装置，用于冷却由涡轮机排出的废气，回收在燃烧过的废气中的水分；以及废气再加热器，用于利用其中遗留的用于利用加湿器增加空气中的蒸汽数量或相对湿度或绝对湿度的盈余水对由水回收装置排出的燃烧过的废气加热。

上述根据本发明的燃气轮机发电设备起降低燃气轮机燃烧过的废气的压力损失的作用，提高发电的输出或效率。

此外，为了实现上述第一目的，根据本发明提供一种燃气轮机发电设备，其包含：加湿器，用于增加空气中的蒸汽的数量、相对湿度、以及绝对湿度的至少其中之一；燃烧器，用于通过利用加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由涡轮机驱动发电；水回收装置，用于凝结由涡轮机排出的燃烧过的废气中的水分；以及热交换器，用于在遗留在其中的用于利用加湿器增加空气中的蒸汽数量或相对湿度或绝对湿度的盈余水和由水回收装置排出的燃烧过的废气之间的热交换。

上述的根据本发明的燃气轮机发电设备起降低燃气轮机燃烧过的废气的压力损失的作用，提高发电的输出或效率。

此外，为了实现上述第一目的，根据本发明提供一种燃气轮机发电设备，其包含：压缩机，用于压缩空气；加湿器，用于向利用压缩机得到的压缩空气添加水分；燃烧器，用于通过利用加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由涡轮机驱动发电；回热器，用于利用由涡轮机排出的燃烧过的废气对提供到燃烧器的加湿的空气加热；水加热器，用于由回热器排出的燃烧过的废气对提供到加湿器的水加热；水回收装置，用于冷却由水加热器排出的燃烧过的废气，以便回收在燃烧过的废气中的水分；以及废气再加热器，用于利用由加湿器排出的盈余水对由水回收装置排出的燃烧过的废气加热。此外，水加热器对由废气再加热器排出的盈余水加热，以便将其提供到加湿器。最好，由废气再加热器排出的盈余水提供到压缩机的入口。此外，最好，提供到加湿器的水中的一部分用于冷却涡轮机。

上述的根据本发明的燃气轮机发电设备起降低燃气轮机燃烧过的废气的压力损失的作用，提高发电的输出或效率。

此外，为了实现上述第一目的，根据本发明提供一种燃气轮机发电设备，其包含：加湿器，用于增加空气中的蒸汽的数量、相对湿度、以及绝对湿度的至少其中之一；燃烧器，用于通过利用加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由涡轮机驱动发电；水加热器，用于利用由涡轮机排出的燃烧过的废气的热量加热向加湿器提供的水；水回收装置，用于冷却由水加热器排出的燃烧过的废气，以便回收在燃烧过的废气中的水分；以及废气再加热器，用于利用通过由水加热器加热得到的一部分水对由水回收装置排出的燃烧过的废气加热。

上述的根据本发明的燃气轮机发电设备起降低燃气轮机燃烧过的废气的压力损失的作用，提高发电的输出或效率。

此外，为了实现上述第一目的，根据本发明提供一种燃气轮机发电设备，其包含：加湿器，用于增加空气中的蒸汽的数量、相对湿度、以及绝对湿度的至少其中之一；燃烧器，用于通过利用加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由涡轮机驱动发电；第一热交换器，用于在由涡轮机排出的燃烧过的废气和提供到加湿器中的水之间进行热交换；水回收装置，用于凝结由第一热交换器排出的燃烧过的废气中的水分；以及第二热交换器，用于在由第一热交换器得到的一部分水和由水回收装置排出的燃烧过的废气之间进行热交换。

上述的根据本发明的燃气轮机发电设备起降低燃气轮机燃烧过的废气的压力损失的作用，提高发电的输出或效率。

此外，为了实现上述第一目的，根据本发明提供一种燃气轮机发电设备，其包含：压缩机，用于压缩空气；加湿器，用于向利用压缩机得到的压缩空气添加水分；燃烧器，用于通过利用加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由涡轮机驱动发电；回热器，用于利用由涡轮机排出的燃烧过的废气对提供到燃烧器的加湿的空气加热；水加热器，用于利用由回热器排出的燃烧过的废气对提供到加湿器的水加热；水回收装置，用于冷却由水加热器排出的燃烧过的废气，以便回收燃烧过的废气中的水分；以及废气再加热器，用于利用由水加热器加热得到的一部分水对由水回收装置排出的燃烧过的废气加热。此外，水加热器对由废气再加热器排出的废水加热，以便将其提供到加湿器。最好，由废气再加热器排出的废水提供到压缩机的入口。此外，最好，提供到加湿器的水中的一部分用于冷却涡轮机。

上述的根据本发明的燃气轮机发电设备起降低燃气轮机燃烧过的废气的压力损失的作用，提高发电的输出或效率。

此外，为了实现上述第二目的，根据本发明提供一种燃气轮机发电设备，其包含：加湿器，用于增加空气中的蒸汽的数量、相对湿度、以及绝对湿度的至少其中之一；燃烧器，用于通过利用加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由涡轮机驱动发电。此外，加湿器使蒸汽的压力与空气一样高，以便与空气合流增加空气中的蒸汽的数量、相对湿度、以及绝对湿度的至少其中之一。最好该蒸汽是饱和的蒸汽。

上述的根据本发明的燃气轮机发电设备起降低燃气轮机的工作介质(特别是燃烧的空气)的压力损失的作用，提高发电的输出或效率。

此外，为了实现上述第二目的，根据本发明提供一种燃气轮机发电设备，其包含：加湿器，用于增加空气中的蒸汽的数量、相对湿度、以及绝对湿度的至少其中之一；燃烧器，用于通过利用加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由涡轮机驱动发电。此外，加湿器包含一膨胀部分，用于膨胀其压力高于空气的加压的水，以使其压力与空气一样高；以及一混合部分，用于将在膨胀部分得到的蒸汽与空气相混合。

上述的根据本发明的燃气轮机发电设备起降低燃气轮机的工作介质(特别是燃烧的空气)的压力损失的作用，提高发电的输出或效率。

此外，为了实现上述第二目的，根据本发明提供一种燃气轮机发电设备，其包含：加湿器，用于增加空气中的蒸汽的数量、相对湿度、以及绝对湿度的至少其中之一；燃烧器，用于通过利用加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由涡轮机驱动发电。此外，加湿器包含一流过空气的流体通道，以及一与该流体通道连通的蒸发部分，以便喷射和蒸发压力高于空气的加压的水。

上述的根据本发明的燃气轮机发电设备起降低燃气轮机的工作介质(特别是燃烧的空气)的压力损失的作用，提高发电的输出或效率。

此外，为了实现上述第二目的，根据本发明提供一种燃气轮机发电设备，其包含：加湿器，用于增加空气中的蒸汽的数量、相对湿度、以及绝对湿度的至少其中之一；燃烧器，用于通过利用加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由涡轮机驱动发电。此外，加湿器包含：间隔装置，其部分开通，用以间隔加湿器的内部，将空气引入利用间隔装置隔开的一个间隔，并将压力高于空气压力的加压的水射入利用间隔装置隔开的另一个间隔。最好，该间隔装置将加湿器的内部相对于空气引入方向基本上沿直线方向分隔。

上述的根据本发明的燃气轮机发电设备起降低燃气轮机的工作介质(特别是燃烧的空气)的压力损失的作用，提高发电的输出或效率。

此外，为了实现上述第一目的和第二目的，根据本发明提供一种燃气轮机发电设备，其包含：压缩机，用于压缩空气；加湿器，用于向利用压缩机得到的压缩空气添加水分；燃烧器，用于通过利用加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由涡轮机驱动发电；回热器，用于利用由涡轮机排出的燃烧过的废气对提供到燃烧器的加湿的空气加热；水加热器，用于利用由回热器排出的燃烧过的废气对提供到加湿器的水加热；水回收装置，用于冷却由水加热器排出的燃烧过的废气，以便回收燃烧过的废气中的水分。此外，加湿器包含一流过压缩空气的流体通道，以及一与该流体通道连通的气体和液体分离部分，以便喷射由水加热器加热的水使之分离进入到蒸汽和水中。此外，该设备包含热交换器，用于在由该气体和液体分离部分分离的水和由水回收装置排出的燃烧过的废气之间进行热交换。

上述的根据本发明的燃气轮机发电设备起降低燃气轮机燃烧过的废气的压力损失的作用，提高发电的输出或效率。

为了实现上述第三目的，提供一种加湿器，用于向提供到根据本发明的燃烧器中的空气添加水分，其包含间隔装置，其部分开通，用以间隔加湿器的内部，一引入孔口，用于将空气引入利用间隔装置隔开的一个间隔，以及一喷嘴，用于将水喷射引入利用间隔装置隔开的另一个间隔。

上述的根据本发明的加湿器在降低燃气轮机的工作介质(特别是燃烧的空气)的压力损失的同时，向工作介质添加水分，用以加湿。

为了实现上述第三目的，提供一种加湿器，用于增加根据本发明的涡轮机工作流体中的蒸汽的数量、或相对湿度或绝对湿度的至少其中之一，该加湿器包含间隔装置，其部分开通，用以间隔加湿器的内部，一引入孔口，用于利用将工作流体引入由间隔装置隔开的一个间隔，以及一喷嘴，用于将水喷射引入利用间隔装置隔开的另一个间隔。

上述的根据本发明的加湿器在降低燃气轮机的工作介质(特别是燃烧的空气)的压力损失的同时，向工作介质添加水分，用以加湿。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的燃气轮机发电设备系统图。

图2是根据本发明的第一实施例的燃气轮机发电设备中的空气加湿器的结构图。

图3是根据本发明的第一实施例的燃气轮机发电设备中的另一空气加湿器的结构图。

图4是根据本发明的第一实施例的燃气轮机发电设备中的再一空气加湿器的结构图。

图5是根据本发明的第一实施例的燃气轮机发电设备中的又一空气加湿器的结构图。

图6是根据本发明的第二实施例的燃气轮机发电设备的系统图。

图7是根据本发明的第三实施例的燃气轮机发电设备的系统图。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的各个实施例。

图1是根据本发明的第一实施例的燃气轮机发电设备系统图。在图1中，标号1代表WAC装置，用于向空气(a)喷射水；标号2代表压缩机，用于压缩空气(a)；标号3代表空气加湿器，用于将压缩空气(b)加湿；标号4代表回热器，用于加热经加湿的空气(c)；标号5代表燃烧器，用于将燃料(d)和加湿的空气(c)或压缩空气(b)混合以及用于燃烧它们产生燃烧气体(e)；标号6代表涡轮机，由燃烧气体(e)驱动；标号7代表发电机，用于变换能量发电；标号8代表涡轮机转子，用于将压缩机2、涡轮机6和发电机7实现机械连接；标号9代表水加热器，用于加热水(k)；标号10代表水回收装置，用于回收在废气(f)中的水分；标号11代表废气再加热器，用于加热废气(f)；标号12代表烟囱，用于释出废气(f)；标号13代表水处理装置，用于提纯回收的水(g)；标号14代表冷却器，用于冷却回收的水(g)；标号15代表海水泵，用于用泵提升海水(j)；标号16代表补充水箱，用于存储补充水(i)；标号20和21代表调节阀，用于调节流量；标号30-34代表泵，用于将液体加压；标号50代表吸管，空气(a)从中流过；标号51和52代表压缩空气管线，压缩空气(b)从中流过；标号53-55代表加湿空气管线，加湿空气(c)从中流过；标号56代表燃料管线，燃料(d)从中流过；标号57代表燃烧气体管线，燃烧气体(e)从中流过；标号58和59代表废气管，废气(f)从中流过；标号60代表回收水管线，回收水(g)从中流过；标号61和62代表水管线，水(k)从中流过；标号63代表循环水管线，循环水(l)从中流过；标号65和66代表盈余水管线，盈余水(h)从中流过；标号67代表补充水管线，补充水(i)从中流过；标号68代表海水管线，海水(j)从中流过。虽然图中未表示，标号(a)代表空气；标号(b)代表压缩空气；标号(c)代表加湿的空气；标号d代表燃料(例如天燃气、煤气、石油及其它燃料)；标号(e)代表燃烧气体(涡轮机的工作介质)；标号(f)代表废气；标号(g)代表回收水；标号(h)代表盈余水；标号(i)代表补充水；标号(j)代表海水；标号(k)代表水；标号(l)代表循环水。

WAC装置1配置在吸管50的内部。在WAC装置1中，将水(优选地，一部分回收水)喷射到吸入压缩机2中的空气。此时，在调节阀21中，调节要喷射的水量(例如按体积计约占空气(a)中的0.1％)，使得在压缩机2中的空气(a)中的水滴可以蒸发，以此，达到的作用在于空气(a)被冷却，降低压缩机2的功率，以及作用在于，因为涡轮机6中的工作介质(燃烧气体(e))的密度增加，这是由于在压缩机2中的空气(a)中的水滴蒸发，故输出的发电量增加。

利用WAC装置1将包含水滴的空气(a)吸入到压缩机2中。在压缩机2中，将空气(a)压缩到接近15个大气压。此时，得到的压缩空气(b)的温度将接近370℃。

由压缩机2加压的压缩空气(b)经过压缩空气管线51提供到空气加湿器3。在空气加湿器3中，将水(k)与压缩空气(b)相混合，以便增加压缩空气(b)中的蒸汽的数量、或相对湿度或绝对湿度的至少其中之一。即将水分添加到压缩空气(b)中，以便将压缩空气(b)加湿。例如使得到的加湿空气(b)的湿度接近19％。在调节阀20中，考虑燃气轮机发电设备的整个系统的热平衡调节要混合的水(k)的数量。应当指出，根据燃气轮机发电设备的工作状态(例如起动、停止、负载变化、额定负载运行、局部补充运行等)可以将部分的压缩空气(b)经过压缩空气管线52提供到压缩机5，而无需空气加湿器3的介入。

利用泵31将用于对在空气加湿器3中压缩空气(b)加湿的剩余的水(k)增压，然后作为盈余水(h)(与空气加湿器3的内侧压力即压缩空气(b)的压力相关联的饱和水，)提供到废气再加热器11。

在空气加湿器3中加湿的空气(c)中的一部分或全部经过加湿空气管线53提供到回热器4。回热器4是一相向流动和间接热交换型的热交换器。在回热器4中，加湿的空气(c)和废气(f)通过热传导管线或类似管线间接进行热交换，以此将加湿的空气(c)加热到例如约572℃，并将废气(f)冷却到例如约361℃。即，废气(f)的热量传输到加湿的空气(c)，以此由涡轮机6排出的热量再次提供到涡轮机6的上游侧，并作为能量由涡轮机6回收。因此，涡轮机6的输出增加。此外，在回热器4中，燃料(d)和废气(f)进行热交换，以此，废气(f)的热量可以由燃料(d)回收。

由回热器4加热的加湿的空气(c)经过加湿空气管线55提供到燃烧器5。另一方面，燃料(d)经过燃料管线56提供到燃烧器5。在燃烧器5中，加湿的空气(c)和燃料(d)混合并燃烧，产生例如约1260℃的燃烧气体(e)等。为了防止由于用于燃烧的空气的湿度太大使火焰熄灭，燃烧器5的结构在其中心最好装有具有耐高火焰温度的扩散燃烧部分，以及在其周边的具有耐相对低火焰温度的倾斜(lean)燃烧部分。

在燃烧器5中产生的燃烧气体(e)经过燃烧气体管线57提供到涡轮机6。在该过程中，在燃烧气体(e)膨胀时，可转动叶片旋转，安装有可转动叶片的涡轮机转子8旋转。连接到其中一个涡轮机转子8上的发电机7旋转，以及在发电机7中，将动能转变为电能进行发电。这种电能就是发电机的输出。

在涡轮机6中膨胀的燃烧气体(e)将成为废气(f)(其温度例如为约602℃，压力例如为约1.12大气压)，其经过废气管提供到回热器4。在回热器4中，废气(f)和加湿的气体(c)进行热交换以便冷却废气(f)。

通过回热器4的废气(f)提供到水加热器9。该水加热器9是一种相向流动和间接热交换型的热交换器，其与回热器4相似。在水加热器9中，水(k)和废气(f)通过热传导管线或类似管线间接进行热交换，以此将水(k)加热到约250℃，以及废气(f)被冷却到例如约93℃。即，与回热器4相似，废气(f)的热量传输到水(k)，以此由涡轮机6排出的热量再次提供到涡轮机6的上游侧，以便将其回收作为涡轮机6的能量。以此，增加了涡轮机6的输出。然而，利用作为一种液体的水(k)以便由废气(f)回收热量的水加热器9，比利用作为一种气体(蒸汽)的加湿的气体(c)以便由废气(f)回收热量的回热器4热传导效率高。假设回收相同的热量，水加热器9比回热器4可以降低热传导面积，因此使得结构能够小型化。

通过水加热器9的废气(f)提供到水回收装置10。在水回收装置10中，循环水(l)(其温度最好为20-40℃，例如为30℃)自水回收装置10的上部喷射或下落到废气(f)，使得废气(f)和循环水(l)直接接触，冷却废气(f)(加热循环水(l)以此凝结包含在废气(f)中的水分并由废气(f)中回收水分)。由此，在水回收装置10中，废气(f)中的气体部分和液体部分分离，使得气体部分沿其流动通道排出，同时液体部分(水分)由底部部分排出。在水回收装置10中，废气(f)和循环水(l)或海水(j)通过热传导管线或类似管线间接接触。然而，可按另外方式使废气(f)和循环水(l)直接接触，形成的热传导面积可能大，热传导效率高，因此是优选的。废气(f)中热量排出的数量越大，循环水(l)的温度就越低，热传导效率就越高，因此，废气(f)中饱和的蒸汽的量就越小，可以回收的湿度增加。

在水回收装置10中得到的部分凝结水将作为循环水(l)，经过循环水管线63由泵34增压，在此之后提供到冷却器14。冷却器14是一种相向流动和间接热交换型的热交换器。在冷却器14中，循环水(l)和海水(j)通过热传导管线或类似管线间接进行热交换，以此冷却循环水(l)和加热海水(j)。利用水回收装置10冷却的循环水(l)再次提供到水回收装置10以及由水回收装置10的上部部分喷射或下落。利用海水泵15将加压海水(j)提升，并经过海水管线68提供到冷却器14，由于传输到海水(j)中的热量在燃气轮机发电设备的外侧散出，成为燃气轮机发电设备的损耗。因此，加热海水(j)中的热量越小，即循环水(l)的移走的热量越少，燃气轮机发电设备的的热效率越高。作为一种冷却循环水(l)的介质，其温度要充分低于除海水(j)以外的循环水(l)。

将存储在补充水箱16中的补充水经过补充水管线67添加到循环水(l)中。因此，可以补充在燃气轮机发电设备系统中短缺的水分，即包含在废气(f)中的水分和在系统外侧排出的水分。在根据本发明提供的燃气轮机发电设备中，添加到涡轮机6上游侧的水分在涡轮机6下游侧回收，回收的水分用作要在涡轮机6上游侧添加的水分，以此该水分在燃气轮机发电设备系统内部循环。因此，在燃气轮机发电设备系统中短缺的水是很少的。然而，所有在涡轮机6上游侧添加的水分不能在涡轮机6下游侧回收。这是由于在由水回收装置10排出的废气(f)中包含的水分数量(对应于废气(f)中饱和蒸汽的数量)比在空气(a)中包含的水分数量大。因此，补充水是需要的。

在水回收装置10中得到的部分凝结水将成为经过回收水60管线提供到水处理装置13的回收水(g)。在水处理装置13中，将回收水(g)脱氮和脱硫。利用泵30对在水处理装置13中提纯的回收水(g)中的一部分或全部增压到例如50大气压，在此之后提供到水加热器9作为水(k)。当水(k)的压力上升时，水(k)的饱和温度也上升，因此能防止在水加热器9中水(k)沸腾。因此，能够回收热量，而不会受热交换器的窄点的限制，该窄点会使利用综合循环发电厂中的废热回收锅炉在热回收时造成问题。另一方面，利用泵32对在水处理装置13中提纯的的回收水(g)中的一部分增压，在此之后将其提供到WAC装置1作为水(k)。

另一方面，在水回收装置10中该其中将水分排出到一定程度的废气(f)提供到废气再加热器11。废气再加热器11是一种相向流动和间接热交换型的热交换器。在废气再加热器11中废气(f)和盈余水(h)进行热交换，以此将废气(f)例如加热到约140℃，以及盈余水(h)例如冷却到约77℃。在废气再加热器11中，废气(f)和盈余水(h)可以直接接触。然而，当使废气(f)和盈余水(h)直接接触时，水分再次添加到该已将水分排出到一定程度的废气(f)中。因此最好，使废气(f)和盈余水(h)间接接触。

由废气再加热器11加热的废气(f)通过废气管线59提供到烟囱12，并排入大气中。另一方面，在废气再加热器11中冷却的盈余水(h)利用泵33增压到例如约50大气压，在此之后提供到水加热器以便与水(k)合流。

根据第一实施例，作为在废气再加热器11中的用于加热废气(h)的加热介质，使用作为液体的盈余水(h)，因此与使用气体作为加热介质相比较，热传导效率高，热传导面积小，因而能够使废气再加热器11小型化。因此，可以降低废气再加热器11中的废气(h)的压力损失。由于在烟囱12中的废气(f)的压力是确定的，当在废气再加热器11中的废气(f)的压力损失降低时，可以使在涡轮机6的出口处的废气(h)形成的压力低。因此，涡轮机6的工作介质(燃烧气体(e))在涡轮机6入口和涡轮机6出口之间的压力差大，因此，在涡轮机6中得到的功率即涡轮机转子8的旋转作用力大，发电的输出可以提高。

此外，根据本实施例，在废气再加热器11中的作为用于加热废气(f)的加热介质，使用盈余水(h)，因此，改进了燃气轮机发电设备的整个系统的热平衡，使得在空气加湿器3中的温度上升。因此，不需要在考虑整个系统的热平衡时为了降低空气加湿器3中的温度而冷却压缩空气(b)，以及不必要为了使冷却压缩空气(b)在压缩空气管线51上后面配置冷却器或配置类似装置。由此，可以降低压缩空气(b)的压力损失，可以降低涡轮机6中的工作介质(燃烧气体(e))的压力损失，以及在涡轮机6入口处的涡轮机6中的工作介质(燃烧气体(e))的压力变高，因此，能够增加发电的输出。此外，由于该部分不装设后面配置的冷却器或配置的类似装置，由压缩机2到燃烧器5的流动通道的体积小，因此，提高了系统的响应并能降低压缩机2的空气动力学特性的恶化。此外，消除了在后面配置的冷却器或类似装置的通道中产生的压缩空气(b)的热传导损失。

再者，根据第一实施例，由于空气加湿器3中的温度上升，加湿的空气(c)的温度也上升，在回热器4中的加湿的空气(c)和废气(f)之间的热交换量小，因此必然使回热器4变得更紧凑。以此，在回热器4中的废气(f)的压力损失小，以及可以使在涡轮机6的出口处的废气(f)压力变低。据此，由于涡轮机的工作介质(燃烧气体(e))在涡轮机6的入口和涡轮机6的出口之间压力差大，在涡轮机6处得到的功率，即涡轮机转子8的旋转作用力大，能够增加发电的输出。

下面介绍空气加湿器3的详细结构。

图2表示根据本发明第一实施例的燃气轮机发电设备中的空气加湿器结构图。在图2中，标号3a代表一合流部分(压缩空气(b)从中流过的流动通道)，在其中膨胀的水(k)(例如为约50大气压的加压的水)与压缩空气(b)合流；标号3b代表一膨胀部分(一其中水(k)蒸发的蒸发部分)，在其中水(k)膨胀；标号80代表一隔板，用于将空气加湿器3的内部隔成合流部分3a和膨胀部分3b；标号81代表一喷嘴，用于喷射水(b)；标号82代表一形成在隔板80中的开口(一连通部分，用于在合流部分3a和膨胀部分3b之间连通)。

空气加湿器3的内部由隔板80分成上面部分和下面部分。由隔板80隔成的上部区域是合流部分3a，由隔板80隔成的下部区域是膨胀部分3b。与水管线61连通的喷嘴81配置在膨胀部分3b中。在沿压缩空气(b)和膨胀的水(k)流动方向的下游侧隔板80中形成有开口82。

压缩空气(b)流入合流部分3a。另一方面，水(k)由喷嘴81喷入到膨胀部分3b，其中的一部分蒸发成蒸汽(m)(具有膨胀部分3b的压力即与压缩空气(b)相应的压力的饱和蒸汽)，其余为盈余水(h)(具有膨胀部分3b的压力即与压缩空气(b)相应的压力的饱和水)。然后蒸汽(m)由开口82流入合流部分3a与压缩空气(b)合流，成为加湿的空气(c)。另一方面，盈余水(h)由膨胀部分3b的底部排出到空气加湿器3的外侧。

如果水(k)的压力高于压缩空气(b)的压力，水(k)在膨胀部分3b膨胀，不过当水(k)的压力和压缩空气(b)的压力之间的压力差小时，水(k)的蒸发量是那样小，以致使压缩空气(b)不能被充分加湿。因此，水(k)的压力和压缩空气(b)的压力之间的压力差最好例如为20大气压或其以上。即，假设压缩空气(b)的压力为15大气压，则水(k)的压力最好为35大气压或其以上。然而，根据用于增压水(k)的泵30增压能力和水管线61的压力阻抗确定水(k)的压力的上限。例如，假设压缩空气(b)的压力为15大气压及温度为366℃，水(k)的压力为50大气压及温度为250℃，则水(k)在膨胀部分3b中的约15大气压下膨胀，因此水(k)按照约为10％的重量比率蒸发。即，约为10％的水(k)将为蒸汽(m)，约为90％的其余部分将为盈余水(h)。当水(k)在高压力下膨胀时，温度变为与膨胀后的压力相对应的饱和蒸汽的温度。然而，由于盈余的热能作为蒸发潜热释放，产生蒸汽。因此在需要得到更大数量蒸汽(m)的情况下，通过例如使压缩空气(b)的压力和水(k)的压力之间的压力差变大，例如为50、100、150和200大气压，就可以实现这一点。此外，经加湿的空气(c)中的蒸汽的数量、相对湿度和绝对湿度取决于蒸汽(m)的数量，即水(k)的流量和压力。因此，通过控制水(k)的流量和压力，可以控制经加湿的空气(c)中的蒸汽的数量、相对湿度和绝对湿度。

根据上述的空气加湿器，由于使具有与压缩空气(b)的压力相同压力的蒸汽(m)和压缩空气(b)沿压缩空气(b)的流动方向合流，与公知的其中使压缩空气和水滴沿相反的流动方向直接接触加湿塔相比较，在压缩空气(b)的流动中较少发生扰动，可以降低压缩空气(b)(加湿的空气(c))的压力损失。此外，与常规的其中使压缩空气和水滴沿相反的流动方向直接接触的加湿塔相比较，空气加湿器的结构简单，此外可以将空气加湿器小型化。在常规的加湿塔中，由于通过利用压缩空气的热量使水滴变为蒸汽，需要促进压缩空气和水滴之间的接触，以便得到所需数量的蒸汽，因为必须使压缩空气和水滴在通过多孔介质的相反的流动中接触。另一方面，在上述空气加湿器中可以得到作为一种其中包含最大数量水分的蒸汽的饱和蒸汽，不仅利用压缩空气的热量而且利用由于膨胀水本身产生的热量，因为在相反的流动中或没有多孔介质不能保证蒸汽所需的热量。

此外，根据在本实施例中的装有上述空气加湿器的燃气轮机发电设备，由于在空气加湿器3中的压缩空气(b)(加湿的空气(c))的压力损失较小，可以降低涡轮机6中的工作介质(压缩空气(e))的压力损失，以及由于在涡轮机入口处的涡轮机6中的工作介质(压缩空气(e))的压力高，发电机输出增加。

下面介绍空气加湿器3的另一种结构。

图3表示，根据在本发明的第一实施例的燃气轮机发电设备中的另一种空气加湿器的结构。在图3中，标号3c和3d代表其中使水(k)膨胀的膨胀部分，标号83和84代表用于喷射水(k)的喷嘴，标号85和86代表形成在隔板80中的开孔。

与图2中所示的空气加湿器的区别在于，具有多个膨胀部分(3b、3c和3d)，以及喷射不同压力的水(k)。经水管线61提供的水(k)由喷嘴81喷射，并在膨胀部分3b中膨胀产生蒸汽(m)。膨胀部分3b与膨胀部分3c相连通，在膨胀部分3b中产生的蒸汽(m)由喷嘴83喷射。在喷射膨胀部分3c中蒸汽(m)进一步膨胀产生蒸汽(n)。膨胀部分3c与膨胀部分3d相连通，在膨胀部分3c中产生的蒸汽(n)由喷嘴84喷射。在喷射膨胀部分3d中蒸汽(n)进一步膨胀产生蒸汽(o)。即，存在如下关系：(蒸汽(m)的压力)＞(蒸汽(n)的压力)(蒸汽(o)的压力)＝(压缩空气(b)的压力)。蒸汽(o)的压力对应于压缩空气(b)的压力，蒸汽(o)由开口80流入合流部分3a与压缩空气(b)合流。

根据本实施例，在水(k)的膨胀部分中的膨胀范围(压力降低宽度)是那样小，以致水(k)的膨胀使能水(k)的膨胀平稳地进行，因此在当膨胀时产生的声音或振动可以降低。当压缩空气(b)和水(k)之间的压力差大例如为50大气压或其以上时，达一点特别有效。

此外，图4表示根据本发明的第一实施例的燃气轮机发电设备中的再一种空气加湿器的结构。在图4中，标号3e代表用于将盈余水(h)和压缩空气(b)混合的混合部分，标号85代表用于喷射盈余水(h)的喷嘴。

与图3中所示的空气加湿器的区别在于，将提供有压缩空气(b)的区域分成为多个并列的合流部分3a和混合部分3e。在合流部分3a中，压缩空气(b)和蒸汽(m)合流，在混合部分3e中，喷射来自膨胀部分3d或其它部分的盈余水(h)，以便压缩空气(b)和盈余水(h)混合。即，在混合部分3e中，使压缩空气(b)和盈余水(h)直接接触。

根据本空气加湿器，由于在混合部分3e中盈余水(h)蒸发，通过蒸发带走气化热，由此可以降低排放到盈余水管线65中的盈余水(h)的温度。

图5表示根据本发明的第一实施例的燃气轮机发电设备中的又一种空气加湿器的结构。在图5中，标号87代表多孔介质，标号88代表涡轮机，标号89代表压缩机，标号90代表涡轮机转子，标号91代表一其中使合流部分3a和混合部分3e连通的连通部分。

与图4中所示的空气加湿器的区别在于，多孔介质87配置在混合部分3e中，以便增加压缩空气(b)和盈余水(h)之间的接触量。当利用多孔介质87使压缩空气(b)和盈余水(h)接触时，压缩空气(b)和盈余水(h)之间的接触量增加，同时压缩空气(b)(加湿的空气(c))的压力损失增加。因此，通过利用水(k)的压能，将压缩空气(b)压缩，以便校正压缩空气(b)的压力降低。

即，将水(k)提供到涡轮机88。另一方面，将压缩空气(b)提供到压缩机89。在涡轮机88中，通过利用水(k)的膨胀，涡轮机中可转动叶片旋转，涡轮机转子90旋转。通过利用涡轮机转子90的旋转，连接到涡轮机转子90的另一端的压缩机89旋转。因此，将压缩空气(b)进一步压缩。由压缩机89压缩的压缩空气(b)提供到混合部分3e。在涡轮机88中膨胀的水(k)提供到膨胀部分3b，用以进一步膨胀使之分离为蒸汽(m)和盈余水(h)。然后将蒸汽(m)提供到合流部分3a并与压缩空气(b)合流。另一方面，将盈余水(h)提供到混合部分3e以便与压缩机89压缩通过多孔介质87的压缩空气(b)混合。因此，可以防止在具有多孔介质87的混合部分3e中的压缩空气(b)的压力损失。

下面介绍根据本发明的燃气轮机发电设备的另一种结构。

图6表示表示根据本发明的第二实施例的燃气轮机发电设备的系统图。在图6中，标号17代表用于对压缩空气(b)加湿的空气加湿器，标号18代表用于冷却压缩空气(b)的后面配置的冷却器，标号35-37代表用于将液体增压的泵，标号69代表其中流过盈余水(h)的盈余水(h)管线，标号70代表压缩空气管线，其中流过在后面配置的冷却器18中冷却的压缩空气(b)；标号71-74代表其中流过水(k)的水管线。

与图1中所示的燃气轮机发电设备的区别在于，对于空气加湿器17使用一种公知的加湿塔，其中使压缩空气和水滴在相向流动中直接接触，以及在于废气再加热器11利用部分水(k)对废气(f)加热。

即，将压缩空气(b)通过压缩空气管线51提供到后面配置的冷却器18。后面配置的冷却器18是一种相向流动间接热交换的类型的热交换器。在后面配置的冷却器18中，压缩空气(b)和通过水管线61的水(k)通过热交换器管线进行间接热交换，因此将压缩空气(b)冷却到例如约100℃，以及将水(k)加热到80℃。更具体地说，通过盈余水管线69的盈余水(h)与通过水管线61的水(k)合流，以便提供到后面配置的冷却器18。

由后面配置的冷却器18冷却的压缩空气(b)通过压缩空气管线70提供到空气加湿器17。另一方面，在后面配置的冷却器18加热的水(k)通过水管线71提供到空气加湿器17。通过水管线73的水(k)也提供到空气加湿器17。在空气加湿器17中，通过水管线71的水(k)和通过水管线73的水(k)落下的同时，通过压缩空气管线72的压缩空气(b)由空气加湿器17的底部向上吹，通过水管线71的水(k)、通过水管线73的水(k)和通过压缩空气管线72的压缩空气(b)在相向流动中直接接触以便将压缩空气(b)加湿。即，空气加湿器17使空气中的湿度增加，直到由空气加湿器17的下部进入的压缩空气(b)由其上部吹出。在空气加湿器17的内部，水(k)由塔的上部朝底部向下流动并与相向流动的空气直接接触。向下流动的水(k)按照其中当水蒸发时失去其蒸发潜热的原理而降低其自身的温度，由上部朝底部向下流动的水(k)的温度随其向下运动而降低，在空气加湿器17下端的水(k)(即处于盈余水(h)的状态)的温度低于该流入空气加湿器17的压缩空气(b)的温度。于是，空气加湿器17由废气(f)回收热量并再次向上提供到空气加湿器17。在回收热量的过程中，最好使回收的温度范围的尽可能地低，用于回收热量的盈余水(h)的温度低。为了得到低温的盈余水(h)需要降低流入空气加湿器17的压缩空气(b)的温度，为此装设后面配置的冷却器18。

在空气加湿器17中加湿的压缩空气(b)作为加湿的空气(c)经过加湿的空气53提供到回热器4。空气加湿器17的盈余水(h)中的一部分由空气加湿器17的底部排出，并经过盈余水管线69在泵35中增压，在其与通过水管线61的水(k)会合之后，提供到后面配置的冷却器18。

空气加湿器17的盈余水(h)中的一部分或全部由空气加湿器17的底部排出，并经过盈余水管线65由泵36增压，在此之后，作为水(k)提供到水加热器9。在水加热器9中，水(k)和废气(f)进行热交换，因此加热水(k)。

由水加热器9加热的水(k)中的一部分经过水管线72由泵37增压，在此之后提供到废气再加热器11。通过在废气(f)和水(k)之间进行热交换，将废气(f)加热到例如140℃，将水(k)冷却到例如约77℃。通过废气再加热器11冷却的水(k)经过水管线74再次返回到水加热器9。最好在水加热器9内部的该由废气再加热器11冷却的水(k)的返回位置(在水加热器9和水管线74之间的连接点)处在由在水加热器9内部的排出由水加热器9加热的水(k)中的一部分的位置(即在水加热器9和水管线72之间的连接点)沿水(k)流动的上游侧(即在水(k)的低温侧)。

根据第二实施例，成为利用由水加热器9加热的水(k)中的一部分的液体作为加热介质，用于在废气再加热器11中加热废气(f)，因此，与在将气体作为加热介质的情况相比较，热传导效率高以及热传导面积小，所以能够使废气再加热器11小型化。因此，可以降低在废气再加热器11中的废气(f)的压力损失。由于在烟囱12中的废气(f)的压力是确定的，当降低在废气再加热器11中的废气(f)的压力损失时，可以使涡轮机6的出口处的废气(f)的压力低。由于在涡轮机6的入口和涡轮机6的出口之间涡轮机6的工作介质(燃烧气体(e))的压力差大，在涡轮机中得到的能量即涡轮机转子8的旋转作用力大，因此能够增加发电的输出。

即，即使利用该用于使压缩空气和水滴在相向流动中直接接触的公知的加湿塔作为空气加湿器17，利用水(k)中的一部分在废气再加热器11中将废气(f)加热，以此降低废气(f)的压力损失，因此能够增加发电的输出。

应注意，即使使用在图2-5中所示的空气加湿器作为在第二实施例中的空气加湿器17，也可以得到相似的效果。

图7表示根据本发明的第三实施例的燃气轮机发电设备的系统图。在图7中，标号22代表用于调节流量的调节阀，标号75和76代表叶片冷却水管线，通过该管线流动叶片冷却水(p)。

与图1中所示的燃气轮机发电设备的区别在于，在废气再加热器11中冷却的盈余水(h)中的一部分用于冷却涡轮机6。

即，在废气再加热器11中冷却的盈余水(h)中的一部分作为叶片冷却水(p)经过叶片冷却水管线75提供到涡轮机6。在涡轮机6中，叶片冷却水(p)在涡轮机静止叶片或类似部分中循环，以便冷却该涡轮机静止叶片或类似部分。冷却该涡轮机静止叶片或类似部分，以此使在涡轮机6中被加热的叶片冷却水(p)与经过叶片冷却水管线76通过水管线61的水(k)合流并提供到空气加湿器3。即，利用已冷却该涡轮机静止叶片或类似部分之后的叶片冷却水(p)将压缩空气(b)加湿。可以根据发电机的输出，或例如涡轮机静止叶片的温度，或燃烧气体(e)的温度，或燃气轮机发电设备的工作状态的至少其中之一控制调节阀22，以便调节叶片冷却水(p)的流量。

根据第三实施例，除了前述的第一实施例的作用以外，可以有效地冷却涡轮机静止叶片或类似部分。即由于利用作为涡轮机静止叶片或类似部分的冷却介质的叶片冷却水(p)的液体，热传导效率高于利用加湿的空气(c)冷却涡轮机静止叶片或类似部分时的热传导效率，高于公知的蒸汽冷却或公知的空气冷却时的热传导效率。

此外，由于例如为用于冷却涡轮机静止叶片或类似部分的加湿的空气(c)的冷却介质，公知的蒸汽冷却和公知的空气冷却通常包含影响发电的空气或蒸汽，出现的问题在于当利用空气或蒸汽冷却涡轮机静止叶片或类似部分时，发电效率低。然而，根据第三实施例，不影响发电的叶片冷却水(p)用作冷却涡轮机静止叶片或类似部分，以此能够防止由于冷却涡轮机静止叶片而降低发电效率。

根据本发明的燃气轮机发电设备及空气加湿器用于提供电力的发电领域。

Claims (7)

1.一种燃气轮机发电设备，其包含：加湿器，用于增加空气中的蒸汽的数量、相对湿度、以及绝对湿度的至少其中之一；燃烧器，用于通过利用所述加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由所述燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由所述涡轮机驱动发电，

其中，所述加湿器包含一膨胀部分，用于膨胀其压力高于所述空气的加压的水，以使其压力与所述空气一样高；以及一混合部分，用于将在所述膨胀部分得到的蒸汽与所述空气相混合。

2.一种燃气轮机发电设备，其包含：加湿器，用于增加空气中的蒸汽的数量、相对湿度、以及绝对湿度的至少其中之一；燃烧器，用于通过利用所述加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由所述燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由所述涡轮机驱动发电，

其中所述加湿器包含一流过所述空气的流体通道，以及一蒸发部分，以便喷射和蒸发压力高于所述空气的加压的水，以及一隔板，用于间隔所述流体通道和所述蒸发部分，所述隔板形成有一连通部分，用于将所述流体通道和所述蒸发部分连通。

3.一种燃气轮机发电设备，其包含：加湿器，用于增加空气中的蒸汽的数量、相对湿度、以及绝对湿度的至少其中之一；燃烧器，用于通过利用所述加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由所述燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由所述涡轮机驱动发电，

其中所述加湿器包含：间隔装置，其部分开通，用以间隔所述加湿器的内部，将空气引入利用所述间隔装置隔开的一个间隔，并将压力高于所述空气压力的加压的水射入利用所述间隔装置隔开的另一个间隔。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机发电设备，其中所述间隔装置将所述加湿器的内部相对于空气引入方向基本上沿直线方向分隔。

5.一种燃气轮机发电设备，其包含：压缩机，用于压缩空气；加湿器，用于向利用所述压缩机得到的压缩空气添加水分；燃烧器，用于通过利用所述加湿器得到的加湿的空气和燃料产生燃烧气体；涡轮机，利用由所述燃烧器产生的燃烧气体驱动；发电机，由所述涡轮机驱动发电；回热器，用于利用由所述涡轮机排出的燃烧过的废气对提供到所述燃烧器的所述加湿的空气加热；水加热器，用于利用由所述回热器排出的燃烧过的废气对提供到所述加湿器的水加热；以及水回收装置，用于冷却由所述水加热器排出的燃烧过的废气，以便回收所述燃烧过的废气中的水分，

其中所述加湿器包含一流过所述压缩空气的流体通道，以及一与所述流体通道连通的气体和液体分离部分，以便喷射由所述水加热器加热的水使之分离成蒸汽和水，以及所述设备还包含一热交换器，用于在由所述气体和液体分离部分分离的水和由所述水回收装置排出的燃烧过的废气之间进行热交换。

6.一种加湿器，用于向提供到一燃烧器中的空气添加水分，其包含间隔装置，其部分开通，用以间隔所述加湿器的内部，一引入孔口，用于将空气引入利用所述间隔装置隔开的一个间隔，以及一喷嘴，用于将水喷射引入利用所述间隔装置隔开的另一个间隔。

7.一种加湿器，用于增加涡轮机工作流体中的蒸汽的数量、或相对湿度或绝对湿度的至少其中之一，所述加湿器包含间隔装置，其部分开通，用以间隔所述加湿器的内部，一引入孔口，用于将所述工作流体引入由所述间隔装置隔开的一个间隔，以及一喷嘴，用于将水喷射引入利用所述间隔装置隔开的另一个间隔。

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