DE102010061628A1

DE102010061628A1 - System und Verfahren zur Leistungssteigerung von Gasturbinen

Info

Publication number: DE102010061628A1
Application number: DE102010061628A
Authority: DE
Inventors: Jianmin S.C. Zhang; Bradly Aaron S.C. Kippel; James Patrick S.C. Tomey; Lisa Kamdar S.C. Ammann; Hua S.C. Zhang
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2011-07-21
Also published as: CH702602A2; CN102128085A; US20110173947A1; JP2011149426A

Abstract

Es sind ein Gasturbinenleistungssteigerungssystem (10) und -verfahren geschaffen. Das System (10) enthält einen Kühler (20), eine Steuereinrichtung (50), einen Wärmetauscher (30), und eine Gasturbineneinlassluftströmung (18). Der Kühler (20) kann betrieben werden, um eine Kühlmittelströmung (25) mit Energie von einer Wärmequelle (29) zu kühlen. Die Steuereinrichtung (50) kann mit dem Kühler (20) betriebsmäßig verbunden und eingerichtet sein, um den Betrieb des Kühlers (20) in Bezug auf wenigstens eine Umgebungsbedingung zu regeln. Der Wärmetauscher (30) kann mit dem Kühler (20) in Strömungsverbindung stehen und eingerichtet sein, um der Kühlmittelströmung (25) zu ermöglichen, durch den Wärmetauscher (30) hindurchzutreten. Die Gasturbineneinlassluftströmung (18) kann durch den Wärmetauscher (30) geleitet werden, bevor sie in einen Gasturbineneinlass (16) eintritt, wodurch der Luftströmung (18) ermöglicht wird, mit der Kühlmittelströmung (25) wechselzuwirken, wodurch die Luftströmung (18) gekühlt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben von Gasturbinen.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Gasturbinen sind auf Gebieten, wie beispielsweise bei der Energieerzeugung, weit verbreitet. Ein herkömmliches Gasturbinensystem enthält einen Verdichter, der Umgebungsluft verdichtet, eine Brennkammer zur Vermischung der verdichteten Luft mit Brennstoff und zur Verbrennung des Gemisches und eine Turbine, die durch das Verbrennungsgemisch angetrieben ist, um Leistung und Abgas auszugeben.
Es sind in der Technik verschiedene Strategien zur Erhöhung der Leistungsmenge, die eine Gasturbine erzeugen kann, bekannt. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Leistungsabgabe einer Gasturbine besteht darin, die Einlassluft zu kühlen, bevor diese in dem Verdichter verdichtet wird. Eine Kühlung bewirkt, dass die Luft eine höhere Dichte hat, wodurch ein höherer Massendurchsatz zu dem Verdichter geschaffen wird. Der höhere Massendurchsatz der in den Verdichter einströmenden Luft ermöglicht es, mehr Luft zu verdichten, wodurch der Gasturbine ermöglicht wird, mehr Leistung zu erzeugen. Außerdem erhöht eine Kühlung der Einlasslufttemperatur den Wirkungsgrad der Gasturbine.
Es sind verschiedene Systeme und Verfahren entworfen und implementiert worden, um die Einlassluft für einen effektiven und effizienten Gasturbinenbetrieb zu kühlen. Ein derartiges System kühlt die Luft durch latente Kühlung oder Verdunstungskühlung. Diese Systembauart verwendet Wasser bei Umgebungstemperatur, um die Luft zu kühlen, indem das Wasser über Platten oder über ein zellenartiges Medium im Inneren einer Kammer strömen gelassen und anschließend Luft durch die Kammer gezogen wird. Eine Verdunstungskühlung kann die ankommende Luft bis nahezu auf ihre Feuchtkugeltemperatur abkühlen. Die Verdunstungskühlung kann ein effizientes Verfahren zur Kühlung von Einlassluft darstellen, weil nur eine minimale Menge an parasitärer Leistung zum Betreiben eines Verdunstungskühlsystems erforderlich ist.
Jedoch stellt eine Verdunstungskühlung in vielen Situationen kein effektives und effizientes Verfahren zur Kühlung der Turbineneinlassluft dar. Zum Beispiel funktioniert eine Verdunstungskühlung nicht gut in relativ feuchten Klimazonen. Außerdem kann das Maß der Kühlung, das unter Verwendung eines Verdunstungskühlverfahrens mit Umgebungsluft erzielt werden kann, im Vergleich zu anderen Verfahren minimal sein, was folglich kleinere Steigerungen der durch die Gasturbine erzeugten Leistung ergibt.
Andere derartige Systeme kühlen die Luft durch sensible Kühlung. Diese Systembauarten verwenden gewöhnlich mechanische Kühler, um Wasser zu kühlen, und führen dieses Wasser anschließend durch Einlasskühlschlangen. Es wird Luft durch die Kühlschlange gezogen, um die Luft zu kühlen. Diese Systeme können effektiv sein, weil sie die Einlassluft auf Niveaus abkühlen können, die deutlich unterhalb derjeniger liegen, die unter Verwendung latenter Kühlverfahren erzielt werden können, wie beispielsweise unter die Feuchtkugeltemperatur, was der Gasturbine ermöglicht, deutlich mehr Leistung zu erzeugen. Außerdem können diese Systeme in relativ feuchten Klimazonen eingesetzt werden.
Jedoch stellen sensible Kühlverfahren in vielen Situationen keine effektiven und effizienten Verfahren zur Kühlung einer Turbineneinlassluft dar. Zum Beispiel könnte die zum Betreiben mechanischer Kühler und Einlasskühlschlangensysteme erforderliche parasitäre Leistung beträchtlich sein. Somit würde eine bestimmte Menge von der erhöhten Leistungserzeugung der Gasturbine, die aus dem Einsatz des Systems resultiert, erforderlich sein, um das System zu betreiben. Außerdem sind die Investitionskosten für eine mechanische Kühlanlage und ein Einlasskühlschlangensystem, die hinreichend groß sind, um die Luftdurchsätze durch Gasturbinen zu bewältigen, erheblich und können untragbar sein. Ferner erfordern Kühlschlangensysteme gewöhnlich Kühlsubstanzflüsse, die auf Temperaturen unterhalb von 40°F gekühlt werden, um eine hinreichende Kühlung der Einlassluft zu erzielen. Schließlich bringt eine Kühlschlange einen deutlichen Druckabfall in der Gasturbineneinlassströmung ein, die einen wesentlichen Verlust bei der Leistungserzeugung darstellt, wenn die Schlange nicht im Betrieb ist.
Somit kann ein System, das eine Einlassluft unter weit vielfältigen Umgebungsbedingungen hinreichend kühlen kann, keine unerschwinglichen Investitionskosten erfordert, einen kleineren Druckabfall hervorruft und keine wesentliche parasitäre Leistung für den Betrieb benötigt, von Vorteil sein. Ferner können ein System und ein Verfahren zum Kühlen der Gasturbineneinlassluft, die latente Kühlung oder sensible Kühlung in der gewünschten Weise verwenden, um optimale Gasturbineneffektivitäten und -wirkungsgrade unter weit vielfältigen Umgebungsbedingungen zu erzielen, ebenfalls von Vorteil sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung sind zum Teil in der folgenden Beschreibung angegeben oder können aus der Beschreibung deutlich sein, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in die Praxis erfahren werden.
In einer Ausführungsform ist ein Leistungssteigerungssystem für eine Gasturbine geschaffen, das einen Kühler, eine Steuereinrichtung, einen Wärmetauscher und eine Einlassluftströmung einer Gasturbine enthält. Der Kühler kann betreibbar sein, um eine Kühlmittelströmung unter Verwendung von Energie von einer Wärmequelle zu kühlen. Die Steuereinrichtung kann mit dem Kühler betriebsmäßig verbunden und konfiguriert sein, um den Betrieb des Kühlers in Bezug auf wenigstens eine Umgebungsbedingung zu regeln. Ein Regeln des Betriebs des Kühlers kann ein Betreiben des Kühlers zur Kühlung der Kühlmittelströmung, wenn die Umgebungsbedingung sich bei einem ersten Umgebungsbedingungsniveau befindet, und Nichtbetreiben des Kühlers zur Kühlung der Kühlmittelströmung, wenn sich die Umgebungsbedingung bei einem zweiten Umgebungsbedingungsniveau befindet, enthalten. Der Wärmetauscher kann mit dem Kühler in Strömungsverbindung stehen und konfiguriert sein, um der Kühlmittelströmung zu ermöglichen, durch den Wärmetauscher hindurchzutreten. Die Gasturbineneinlassluftströmung kann durch den Wärmetauscher geleitet werden, bevor sie in den Gasturbineneinlass eintritt, wodurch der Luftströmung ermöglicht wird, mit der Kühlmittelströmung wechselzuwirken, wodurch die Luftströmung gekühlt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Gasturbine geschaffen, das ein Messen wenigstens einer Umgebungsbedingung, Regeln des Betriebs eines Kühlers in Bezug auf die wenigstens Umgebungsbedingung, wobei ein Betrieb des Kühlers eine Kühlmittelströmung unter Verwendung von Energie von einer Wärmequelle kühlt, und Übertragen der Kühlmittelströmung durch einen Wärmetauscher enthält. Das Regeln des Betriebs des Kühlers enthält ein Betreiben des Kühlers, um die Kühlmittelströmung zu kühlen, wenn die Umgebungsbedingung ein erstes Umgebungsbedingungsniveau einnimmt, und Nichtbetreiben des Kühlers zur Kühlung der Kühlmittelströmung, wenn die Umgebungsbedingung ein zweites Umgebungsbedingungsniveau einnimmt. Der Wärmetauscher kann konfiguriert sein, um einer Gasturbineneinlassluftströmung, die den Wärmetauscher passiert, zu ermöglichen, mit der Kühlmittelströmung wechselzuwirken, wodurch die Luftströmung gekühlt wird, bevor die Luftströmung in einen Gasturbineneinlass eintritt.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verstanden. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Offenbarung enthalten sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Eine vollständige und eine Umsetzung ermöglichende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Ausführungsart, die sich an einen Fachmann auf dem Gebiet richtet, ist in der Beschreibung gegeben, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, in denen zeigt:
1 eine schematisierte Darstellung des Gasturbinenleistungssteigerungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von der ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Erfindung und nicht zur Beschränkung der Erfindung vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass von dem Schutzumfang oder Rahmen der Erfindung abgewichen wird. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen, wie sie in dem Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente liegen, mit umfasst.
1 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Gasturbinenleistungssteigerungssystems 10, wobei das System 10 mit einer Gasturbine 12 betriebsmäßig verbunden ist. Die Gasturbine 12 kann einen Verdichter 13, eine Brennkammer 14 und eine Turbine 15 enthalten. Die Gasturbine 12 kann ferner z. B. mehr als einen einzigen Verdichter, mehr als eine einzige Brennkammer und mehr als eine einzige Turbine enthalten (nicht veranschaulicht). Die Gasturbine 12 kann einen Gasturbineneinlass 16 enthalten. Der Einlass 16 kann eingerichtet sein, um eine Gasturbineneinlassluftströmung 18 aufzunehmen. Zum Beispiel kann der Einlass 16 in einer Ausführungsform eine Gasturbineneinlassleitung sein. Die Gasturbine 12 kann einen Gasturbinenabgasauslass 17 enthalten. Der Auslass 17 kann konfiguriert sein, um eine Gasturbinenabgasströmung 19 auszugeben. In einer Ausführungsform kann die Abgasströmung 19 zu einem (nicht veranschaulichten) Abhitzedampferzeuger („HRSG”, Heat Recovery Steam Generator) geführt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Abgasströmung 19 in die Umgebungsluft verteilt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Abgasströmung zu einem Kühler 20 geleitet werden.
Das Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10 kann einen Kühler 20 enthalten. Der Kühler 20 kann einen Kühlmitteleinlass 21 und einen Kühlmittelauslass 22 zur Aufnahme und Ausgabe einer Kühlmittelströmung 25 enthalten. Der Kühler 20 kann ferner einen Wärmestromeinlass 23 und einen Wärmestromauslass 24 zur Aufnahme und Ausgabe eines Wärmestroms 26 von einer Wärmequelle 29 enthalten. Ein Bypassventil 43 kann stromaufwärts von dem Kühler 20 in der Richtung des Wärmestroms 26 angeordnet sein. Das Bypassventil 43 kann mit einem Wärmestrombypass 27 in Strömungsverbindung stehen. Der Wärmestrombypass 27 kann stromabwärts von dem Kühler 20 mit dem Wärmestrom 26 strömungsmäßig verbunden sein.
Der Kühler 20 kann betreibbar sein, um eine Kühlmittelströmung 25 zu kühlen. Zum Beispiel kann der Kühler 20 Energie von der Wärmequelle 29 verwenden, um die Kühlmittelströmung 25 zu kühlen. In einer Ausführungsform kann der Kühler 20 ein Absorptionskühler sein. Absorptionskühler verwenden Wärme anstelle mechanischer Energie, um eine Kühlung zu erzielen, und verwenden ein Gemisch aus einem Lösungsmittel und einem Salz, um einen Kühlkreislauf zu erzielen. Zum Beispiel kann Wasser als ein Kältemittel verwendet werden, und der Kühler kann auf einer starken Affinität zwischen dem Wasser und einer Lithiumbromidlösung beruhen, um einen Kühlkreislauf zu erzielen. Das Kühlmittel, das gekühlt wird, kann reines Wasser oder kann Wasser sein, das Glykol, Korrosionsinhibitoren oder sonstige Zusatzstoffe enthält. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die Substanz nicht auf Wasser beschränkt ist und ein beliebiges sonstiges in der Technik bekanntes Fluid, wie beispielsweise ein dünnflüssiges Öl, sein kann.
Absorptionskühler weisen im Allgemeinen einen geringen Leistungsbedarf im Vergleich zu mechanischen und elektrischen Kühlern auf und sind energieeffizient, wenn z. B. Abwärme als die Wärmequelle verwendet wird. Zum Beispiel kann die Wärmequelle 29 in einer Ausführungsform durch die Gasturbine 12 erzeugt sein. Zum Beispiel kann die Wärmequelle 29 der Gasturbinenabgas 19 sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Wärmequelle 29 durch einen HRSG erzeugt sein. Zum Beispiel kann die Wärmequelle 29 HRSG-Wasser oder HRSG-Dampf sein. In anderen Ausführungsformen kann die Wärmequelle 29 ein beliebiger Abdampf, wie beispielsweise Sperrdampf einer Dampfturbine, heißes Abwasser, Generatorkühlwasser oder durch einen beliebigen wärmeerzeugenden Prozess erzeugter Wärmestrom sein. Es sollte verstanden werden, dass die Wärmequelle 29 nicht auf Abwärme und Abgaswärmequellen beschränkt ist, sondern durch jedes beliebige Heizverfahren, wie z. B. durch Solarheizung, Hilfskesselheizung oder geothermische Heizung, geliefert werden kann.
Es sollte verstanden werden, dass der Kühler 20 nicht auf einen Absorptionskühler beschränkt ist. Zum Beispiel kann der Kühler eine beliebige Kältemaschine sein, die Wärme einer Flüssigkeit mittels eines Dampfkompressionskreislaufs entzieht.
In einer Ausführungsform kann eine Abgasabzugsvorrichtung 41 stromabwärts von dem Kühler 20 in der Richtung des Wärmestroms 26 angeordnet sein. Die Abgasabzugsvorrichtung 41 kann konfiguriert sein, um den Wärmestrom 26 durch den Kühler 20 strömen zu lassen. In einer Ausführungsform kann eine Entlüftungsvorrichtung 42 stromabwärts von dem Kühler 20 und stromaufwärts von der Abgasabzugsvorrichtung 41 in der Richtung des Wärmestroms 26 angeordnet sein. Die Entlüftungsvorrichtung 42 kann konfiguriert sein, um eine Ableitung des Wärmestroms 26 zu ermöglichen, bevor dieser die Abgasabzugsvorrichtung 41 erreicht. Somit kann die Entlüftungsvorrichtung 42 dazu dienen, eine Arbeitstemperatur der Abgasabzugsvorrichtung 41 zu erzielen, die kleiner ist als die Temperatur des ankommenden Wärmestroms 26, wodurch eine Betriebssicherheit und Langlebigkeit der Abgasabzugsvorrichtung 41 sichergestellt werden.
Das Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10 kann ferner einen Wärmetauscher 30 enthalten. Der Wärmetauscher 30 kann mit dem Absorptionskühler 20 in Strömungsverbindung stehen. In einer Ausführungsform kann der Wärmetauscher 30 konfiguriert sein, um der Kühlmittelströmung 25 zu ermöglichen, durch den Wärmetauscher 30 zu strömen. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher 30 einen Kühlmitteleinlass 31 und einen Kühlmittelauslass 32 enthalten. In einer Ausführungsform kann der Kühlmitteleinlass 31 eine Düse sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Kühlmitteleinlass 31 mehrere Kühlmitteleinlässe 31 aufweisen. Zum Beispiel kann der Kühlmitteleinlass 31 durch mehrere Düsen gebildet sein. Der Kühlmitteleinlass 31 kann dazu dienen, die Kühlmittelströmung 25 zu dem Wärmetauscher 30 zu übertragen.
In einem beispielhaften Aspekt einer Ausführungsform kann der Kühlmittelauslass 32 ein stromabwärts von dem Wärmetauscher 30 in der Richtung der Kühlmittelströmung 25 angeordneter Sumpf sein. Der Sumpf kann konfiguriert sein, um die Kühlmittelströmung 25, nachdem diese den Wärmetauscher 30 passiert hat, einschließlich jedes sich aus dem Kühlprozess ergebenden Kondensats, zu sammeln.
Der Wärmetauscher 30 kann konfiguriert sein, um die Einlassluftströmung 18 zu empfangen. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher 30 in einer Ausführungsform stromaufwärts von dem Gasturbineneinlass 16 in der Richtung der Einlassluftströmung 18 angeordnet sein. In einer Ausführungsform kann der Wärmetauscher 30 benachbart zu dem Gasturbineneinlass 16 angeordnet sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Wärmetauscher 30 im Inneren des Gasturbineneinlasses 16 angeordnet sein. Die Einlassluftströmung 18 kann durch den Wärmetauscher 30 geführt werden, bevor sie in den Gasturbineneinlass 16 oder den Verdichter 13 eintritt.
Der Wärmetauscher 30 kann konfiguriert sein, um die Einlassluftströmung 18 zu kühlen, während die Einlassluftströmung 18 durch den Wärmetauscher 30 hindurchströmt. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher 30 konfiguriert sein, um der durch den Wärmetauscher 30 strömenden Einlassluftströmung 18 zu ermöglichen, mit der Kühlmittelströmung 25 wechselzuwirken, wodurch die Einlassluftströmung 18 gekühlt wird. In einer Ausführungsform kann die Einlassluftströmung 18 durch die Kühlmittelströmung 25 derart geführt werden, dass Wärme von der Einlassluftströmung 18 auf die Kühlmittelströmung 25 übertragen wird, wodurch die Einlassluftströmung 18 gekühlt wird.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt einer Ausführungsform kann der Wärmetauscher 30 ein Wärmetauscher mit direktem Kontakt sein. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher 30 ein Mediumdirektkontakt-Wärmetauscher sein. Das Medium kann in einem strukturierten Schema, einem willkürlichen Schema oder in einem beliebigen in der Technik bekannten Schema angeordnet sein. Das Medium kann ein Medium auf Zellulosebasis, ein kunststoffbasiertes Medium, metallbasiertes Medium, keramikbasiertes Medium oder beliebige Medien oder Kombinationen von Medien, wie sie in der Technik bekannt sind, aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Kühlmittelströmung 25 in einer Richtung im Wesentlichen nach unten über der Mediumoberfläche geführt werden. In einer Ausführungsform kann die Einlassluftströmung 18 durch den Wärmetauscher 30 in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Kühlmittelströmung 25 geführt werden.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt einer Ausführungsform kann ein Filter 45 stromaufwärts von dem Wärmetauscher 30 in der Richtung der Einlassluftströmung 18 angeordnet sein. Der Filter 45 kann konfiguriert sein, um Feststoffteilchen aus der Einlassluftströmung 18 zu entfernen, bevor die Einlassluftströmung 18 in den Wärmetauscher 30 und die Gasturbine 12 eintritt. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Filter 45 stromabwärts von dem Wärmetauscher 30 in der Richtung der Einlassluftströmung 18 angeordnet sein. Der Filter 45 kann konfiguriert sein, um Feststoffteilchen aus der Einlassluftströmung 18 zu entfernen, bevor die Einlassluftströmung 18 in die Gasturbine 12 eintritt. In einer Ausführungsform kann ein Tropfenabscheider 33 stromabwärts von dem Wärmetauscher in der Richtung der Einlassluftströmung 18 angeordnet sein. Der Tropfenabscheider 33 kann dazu dienen, Kühlmittelstropfen aus der Gasturbineneinlassluftströmung 18 zu entfernen, bevor die Gasturbineneinlassluftströmung 18 in die Gasturbine 12 eintritt. In einer Ausführungsform kann eine Pumpe 46 stromabwärts von dem Wärmetauscher 30 in der Richtung der Kühlmittelströmung 25 angeordnet sein. Die Pumpe 46 kann konfiguriert sein, um die Kühlmittelströmung 25 von dem Wärmetauscher 30 zu dem Kühler 20 zu übertragen.
Das Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10 kann derart konfiguriert sein, dass der Betrieb des Systems 10 in Bezug auf bestimmte Bedingungen gesteuert/geregelt wird. Zum Beispiel kann eine Steuereinrichtung 50 mit dem Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10 betriebsmäßig verbunden sein, um das System zu regeln (bzw. zu steuern). In einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 50 mit dem Kühler 20 betriebsmäßig verbunden und konfiguriert sein, um den Betrieb des Kühlers 20 zu regeln/steuern. Die Steuereinrichtung 50 kann mit verschiedenen Steueralgorithmen und Steuerschemata programmiert sein, um das Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10 und den Kühler 20 zu betreiben und zu regeln/steuern.
Die Steuereinrichtung 50 kann ferner mit weiteren Elementen des Gasturbinenleistungssteigerungssystems 10 oder der Gasturbine 12 betriebsmäßig verbunden sein. In einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 50 mit dem Bypassventil 43 betriebsmäßig verbunden sein. In anderen Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 50 mit der Abgasabzugsvorrichtung 41, der Entlüftungsvorrichtung 42 und der Pumpe 46 betriebsmäßig verbunden sein. Die Steuereinrichtung 50 kann konfiguriert sein, um die Abgasabzugsvorrichtung 41, die Entlüftungsvorrichtung 42, das Bypassventil 43 und die Pumpe 46 zu beeinflussen, um die Ausgabe oder Effizienz der Gasturbine 12 zu maximieren. In anderen Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 50 mit anderen Komponenten des Gasturbinenleistungssteigerungssystems 10 oder der Gasturbine 12 betriebsmäßig verbunden sein, um die Leistungsabgabe oder Effizienz der Gasturbine 12 zu maximieren.
Die Steuereinrichtung 50 kann konfiguriert sein, um wenigstens eine Umgebungsbedingung zu überwachen. Die Steuereinrichtung 50 kann ferner konfiguriert sein, um den Betrieb des Kühlers 20 in Bezug auf die wenigstens eine Umgebungsbedingung zu regeln. Zum Beispiel kann der Betrieb des Kühlers 20 in einer Ausführungsform im Verhältnis zu der relativen Umgebungsfeuchte der die Gasturbine 12 umgebenden Luft geregelt werden. Ein Regeln des Betriebs des Kühlers 20 kann ein Betreiben des Kühlers 20 zur Kühlung der Kühlmittelströmung 25, wenn eine Umgebungsbedingung ein erstes Umgebungsbedingungsniveau aufweist, und ein Nichtbetreiben des Kühlers 20 zur Kühlung der Kühlmittelströmung 25, wenn die Umgebungsbedingung ein zweites Umgebungsbedingungsniveau aufweist, enthalten. Zum Beispiel kann das erste Umgebungsbedingungsniveau in einer Ausführungsform ein erstes relatives Umgebungsfeuchteniveau sein, und das zweite Umgebungsbedingungsniveau kann ein zweites relatives Umgebungsfeuchteniveau sein. Somit kann die Steuereinrichtung 50 in einem beispielhaften Aspekt einer Ausführungsform den Betrieb des Kühlers 20 derart regeln/steuern, dass der Kühler 20 betrieben wird, um den Kühlmittelstrom 25 zu kühlen, wenn die relative Umgebungsfeuchte einen ersten relativen Umgebungsfeuchtewert bzw. ein erstes relatives Umgebungsfeuchteniveau aufweist, und nicht betrieben wird, um die Kühlmittelströmung 25 zu kühlen, wenn die relative Umgebungsfeuchte einen zweiten relativen Umgebungsfeuchtewert bzw. ein zweites relatives Umgebungsfeuchteniveau aufweist. In einer Ausführungsform kann das erste relative Umgebungsfeuchteniveau eine relative Umgebungsfeuchte bei oder oberhalb von 50% sein, während das zweite relative Umgebungsfeuchteniveau eine relative Umgebungsfeuchte unterhalb von 50% sein kann. In anderen Ausführungsformen kann das erste relative Umgebungsfeuchteniveau eine relative Umgebungsfeuchte bei oder oberhalb eines beliebigen relativen Feuchtewertes in dem Bereich von 40% bis 60% sein, und das zweite relative Umgebungsfeuchteniveau kann eine relative Umgebungsfeuchte bei einem beliebigen relativen Feuchtewert in dem Bereich von 40% bis 60% sein.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt einer Ausführungsform kann der Betrieb des Kühlers 20 derart geregelt/gesteuert werden, dass der Kühler 20 betrieben wird, um die Kühlmittelströmung 25 zu kühlen, wenn die relative Umgebungsfeuchte bei oder oberhalb eines festgesetzten relativen Umgebungsfeuchtewertes liegt, und nicht betrieben wird, um das Kühlmittel 25 zu kühlen, wenn die relative Umgebungsfeuchte unterhalb eines festgesetzten relativen Umgebungsfeuchtewertes liegt. In einer Ausführungsform kann der festgesetzte relative Umgebungsfeuchtewert 50% betragen. In anderen Ausführungsformen kann der festgesetzte relative Umgebungsfeuchtewert ein beliebiger relativer Feuchtewert in dem Bereich von 40% bis 60% sein.
In einem beispielhaften Aspekt einer Ausführungsform kann der Kühler 20 derart geregelt/gesteuert werden, dass die Einlassluftströmung 18, die den Wärmetauscher 30 passiert, in erster Linie durch sensible Kühlung gekühlt werden kann, wenn die Umgebungsbedingung auf einem ersten Umgebungsbedingungsniveau liegt, und in erster Linie durch latente Kühlung gekühlt wird, wenn die Umgebungsbedingung auf einem zweiten Umgebungsbedingungsniveau liegt. Zum Beispiel kann der Betrieb des Kühlers 20 in einer Ausführungsform derart geregelt/gesteuert werden, dass der Kühler 20 betrieben wird, um die Kühlmittelströmung 25 zu kühlen, wenn die relative Umgebungsfeuchte ein erstes relatives Umgebungsfeuchteniveau einnimmt. Während dieser Bedingungen kann die durch den Wärmetauscher 30 strömende Einlassluftströmung 18 in erster Linie anhand einer sensiblen Kühlung gekühlt werden. Ferner kann der Kühler 20 nicht betrieben werden, um die Kühlmittelströmung 25 zu kühlen, wenn die relative Umgebungsfeuchte auf einem zweiten relativen Umgebungsfeuchteniveau liegt. Während dieser Bedingungen kann die durch den Wärmetauscher 30 strömende Einlassluftströmung 18 in erster Linie durch latente Kühlung gekühlt werden. In einer Ausführungsform kann das erste relative Umgebungsfeuchteniveau eine relative Umgebungsfeuchte bei oder oberhalb von 50% sein, und das zweite relative Umgebungsfeuchteniveau kann eine relative Umgebungsfeuchte unterhalb von 50% sein. In anderen Ausführungsformen kann das erste relative Umgebungsfeuchteniveau eine relative Umgebungsfeuchte bei oder oberhalb eines beliebigen relativen Feuchtewertes in dem Bereich von 40% bis 60% sein, und das zweite relative Umgebungsfeuchteniveau kann eine relative Umgebungsfeuchte unterhalb eines beliebigen relativen Feuchtewertes in dem Bereich von 40% bis 60% sein.
In einem weiteren beispielhaften Aspekt einer Ausführungsform kann der Betrieb des Kühlers 20 derart geregelt/gesteuert werden, dass der Kühler 20 betrieben wird, um die Kühlmittelströmung 25 zu kühlen, wenn die relative Umgebungsfeuchte bei oder oberhalb eines festgesetzten relativen Umgebungsfeuchteniveaus liegt. Während dieser Bedingungen kann die durch den Wärmetauscher 30 strömende Einlassluftströmung 18 in erster Linie durch eine sensible Kühlung gekühlt sein. Ferner kann der Kühler 20 nicht betrieben werden, um die Kühlmittelströmung 25 zu kühlen, wenn die relative Umgebungsfeuchte unterhalb des festgesetzten relativen Umgebungsfeuchteniveaus liegt. Während dieser Bedingungen kann die durch den Wärmetauscher 30 strömende Einlassluftströmung 18 in erster Linie durch eine latente Kühlung gekühlt sein. In einer Ausführungsform kann das festgesetzte relative Umgebungsfeuchteniveau 50% betragen. In anderen Ausführungsformen kann das festgesetzte relative Umgebungsfeuchteniveau ein beliebiger relativer Feuchtewert in dem Bereich von 40% bis 60% sein.
Sensible Kühlung bezieht sich auf ein Kühlverfahren, bei dem Wärme der Luft entzogen wird, was eine Veränderung der Trockenkugel- und Feuchtkugeltemperatur der Luft zur Folge hat. Die sensible Kühlung kann eine Kühlung einer Kühlsubstanz und einen anschließenden Einsatz der gekühlten Kühlsubstanz zum Kühlen von Luft umfassen. Wenn zum Beispiel eine Umgebungsbedingung ein erstes Umgebungsbedingungsniveau einnimmt, kann der Betrieb des Kühlers 20 derart geregelt/gesteuert werden, dass der Kühler 30 betrieben wird, um die Kühlmittelströmung 25 zu kühlen. Wenn der Kühler 20 arbeitet, um die Kühlmittelströmung 25 zu kühlen, kann die Kühlmittelströmung 25 bei einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur wirksam sein. Zum Beispiel kann die Kühlmittelströmung 25 in einer Ausführungsform gekühltes Wasser sein. Während die Kühlmittelströmung 25 durch den Wärmetauscher 30 übertragen wird, kann die Kühlmittelströmung 25 mit der Einlassluftströmung 18 Wechselwirken. Die unter einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur stehende Kühlmittelströmung 25 kann wirksam sein, um die Einlassluftströmung 18 durch sensible Kühlung zu kühlen.
Latente Kühlung bezieht sich auf ein Kühlverfahren, bei dem Wärme der Luft entzogen wird, was eine Veränderung des Feuchtegehaltes der Luft zur Folge hat. Die latente Kühlung oder Verdunstungskühlung kann die Verdunstung einer flüssigen Substanz unter Umgebungstemperatur zur Kühlung von Luft umfassen. Wenn zum Beispiel eine Umgebungsbedingung ein zweites Umgebungsbedingungsniveau einnimmt, kann der Betrieb des Kühlers 20 derart geregelt/gesteuert werden, dass der Kühler 20 nicht betrieben wird, um die Kühlmittelströmung 25 zu kühlen. In einer Ausführungsform kann der Wärmestrom 26 durch das Bypassventil 43 zu dem Bypasskühler 20 übertragen werden, so dass auf diese Weise der Kühlbetrieb des Kühlers 20 verhindert wird. In einer weiteren Ausführungsform kann der Kühler 20 außer Betrieb genommen werden, so dass die Kühlmittelströmung 25 durch den Kühler 20 strömt, der Wärmestrom 26 jedoch die Kühlmittelströmung 25 nicht kühlt. In einer noch weiteren Ausführungsform kann der Kühlmittelstrom 25 den Kühler 20 über das Ventil 47 umströmen und kann durch den Kühlmittelbypass 28 und das Ventil 48 zu dem Kühlmitteleinlass 31 strömen. Weil die Kühlmittelströmung 25 mit der Einlassluftströmung 18 Wechselwirken kann, indem sie in die Einlassluftströmung 18 verdunstet, kann eine Außenkühlmittelströmung 34 zu der Kühlmittelströmung 25 von einer unabhängigen Kühlmittelquelle 35 zugegeben werden, um den Verlust des Kühlmittels 25 auszugleichen. Ohne einen Betrieb des Kühlers 20 zum Kühlen der Kühlmittelströmung 25 kann die Kühlmittelströmung 25 bei der Umgebungstemperatur wirksam sein. Zum Beispiel kann die Kühlmittelströmung 25 in einer Ausführungsform unter Umgebungstemperatur stehendes Wasser sein. Während die Kühlmittelströmung 25 durch den Wärmetauscher 30 übertragen wird, kann die Kühlmittelströmung 25 mit der Einlassluftströmung 18 Wechselwirken. Die unter Umgebungstemperatur wirksame Kühlmittelströmung 25 kann dazu dienen, die Einlassluftströmung 18 durch latente Kühlung oder durch Verdampfungs- bzw. Verdunstungskühlung zu kühlen.
Es sollte verstanden werden, dass eine latente Kühlung und eine sensible Kühlung keine einander ausschließende Kühlverfahren darstellen. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform, wenn die Kühlmittelströmung 25 auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt wird, die Einlassluftströmung 18 nur durch sensible Kühlung gekühlt werden. In einer anderen Ausführungsform kann in dem Fall, wenn die Kühlmittelströmung 25 Umgebungstemperatur aufweist, die Einlassluftströmung 18 nur durch latente Kühlung gekühlt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann beispielsweise während eines Übergangs der Temperatur der Kühlmittelströmung 25 von einem Niveau unterhalb der Umgebungstemperatur auf die Umgebungstemperatur oder von der Umgebungstemperatur auf einen Wert unterhalb der Umgebungstemperatur, beispielsweise unmittelbar bevor oder unmittelbar nachdem der Kühler 20 betrieben wird, die Einlassluftströmung 18 sowohl durch sensible Kühlung als auch durch latente Kühlung gekühlt werden. Auf diese Weise kann das Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung sowohl eine sensible Kühlung als auch eine latente Kühlung der Einlassluftströmung 18 erzielen, und diese Verfahren können sowohl ausschließlich als auch in Kombination miteinander angewandt werden.
Ein Regeln des Gasturbinenleistungssteigerungssystems 10 und des Kühlers 20 ist nicht auf ein Regeln in Bezug auf die relative Umgebungsfeuchte der Luft beschränkt. Zum Beispiel können das Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10 und der Kühler 20 in Bezug auf die Temperatur der Einlassluftströmung 18 stromabwärts von dem Wärmetauscher 30 geregelt/gesteuert werden. In einem beispielhaften Aspekt einer Ausführungsform kann der Kühler 20 geregelt/gesteuert werden, um die Temperatur der Einlassluftströmung 18 stromabwärts von dem Wärmetauscher 30 in einem gewünschten Temperaturbereich einzustellen oder aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel kann der Kühler 20 derart geregelt/gesteuert werden, dass die durch den Wärmetauscher 30 strömende Einlassluftströmung 18 in erster Linie durch sensible Kühlung gekühlt werden kann, wenn die Temperatur der Luft stromabwärts von dem Wärmetauscher 30 ein erstes Niveau aufweist, und in erster Linie durch latente Kühlung gekühlt werden kann, wenn die Temperatur der Luft stromabwärts von dem Wärmetauscher ein zweites Niveau einnimmt.
Ferner kann die Regelung des Gasturbinenleistungssteigerungssystems 10 und des Kühlers 20 eine Regelung des Kühlers 20 umfassen, um verschiedene Ausmaße der Kühlung der Kühlmittelströmung 25 zu erzielen. Zum Beispiel kann der Betrieb des Kühlers 20 in einer Ausführungsform geregelt/gesteuert werden, um die Temperatur der Kühlmittelströmung 25 zu steuern. In einer anderen Ausführungsform kann der Betrieb des Kühlers 20 geregelt/gesteuert werden, um die Durchflussrate der Kühlmittelströmung 25 zu steuern. Auf diese Weise können zum Beispiel die Temperatur und die Durchflussrate der Kühlmittelströmung 25 derart eingestellt werden, dass die Einlassluftströmung 18 stromabwärts von dem Wärmetauscher 30 trotz Veränderungen der relativen Umgebungsfeuchte der Einlassluftströmung 18 stromaufwärts von dem Wärmetauscher 30 in erster Linie durch sensible Kühlung bis zu einer Sollwerttemperatur gekühlt werden kann. Ferner kann der Betrieb des Kühlers 20 in einer Ausführungsform geregelt/gesteuert werden, um die Durchflussrate der Kühlmittelströmung 25 derart zu steuern, dass z. B. die Einlassluftströmung 18 stromabwärts von dem Wärmetauscher 30 trotz Veränderungen der relativen Umgebungsfeuchte in der Einlassluftströmung 18 stromaufwärts von dem Wärmetauscher 30 in erster Linie durch latente Kühlung bis zu einer Sollwerttemperatur gekühlt werden kann.
In einem beispielhaften Aspekt einer Ausführungsform kann die Regelung des Gasturbinenleistungssteigerungssystems 10 und des Kühlers 20 durch die Steuereinrichtung 50 außer Kraft gesetzt bzw. aufgehoben werden, um Betriebsbedingungen zu bewältigen. Zum Beispiel kann die Regelung des Kühlers 20 aufgehoben werden, um die Netzstabilität, beispielsweise eines Netzes einer Energieversorgungsanlage, zu bewältigen. Zum Beispiel kann die Regelung des Kühlers 20 in einer Ausführungsform aufgehoben werden, um diesen zur Kühlung der Kühlmittelströmung 25 unter allen Umgebungsbedingungen zu betreiben, so dass die Kühlmittelströmung 25 dazu dient, die Einlassluftströmung 18 unter allen Umgebungsbedingungen in erster Linie durch sensible Kühlung zu kühlen. In dieser Ausführungsform kann die Gasturbine 12 andauernd eine wesentliche Leistungsmenge erzeugen, obwohl sie ineffizient arbeitet, wenn bestimmte Umgebungsbedingungen vorliegen. Die Leistung kann verwendet werden, um die Netzstabilität aufrechtzuerhalten. In einer weiteren Ausführungsform kann der Kühler 20 außer Kraft gesetzt werden, um nicht zur Kühlung der Kühlmittelströmung 25 unter allen Umgebungsbedingungen zu arbeiten, so dass die Kühlmittelströmung 25 wirksam ist, um die Einlassluftströmung 18 unter allen Umgebungsbedingungen in erster Linie durch latente Kühlung zu kühlen.
Die vorliegende Offenbarung ergibt ferner ein Verfahren zur Steigerung der Gasturbinenleistung. Das Verfahren kann ein Messen wenigstens einer Umgebungsbedingung enthalten. Wie vorstehend erläutert, kann die Umgebungsbedingung in einer Ausführungsform die relative Umgebungsfeuchte der Luft stromaufwärts von einem Wärmetauscher 30 sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Umgebungsbedingung die Temperatur der Einlassluftströmung 18 stromabwärts von dem Wärmetauscher 30 sein.
Das Verfahren kann ferner ein Regeln des Betriebs eines Kühlers 20 in Bezug auf die wenigstens eine Umgebungsbedingung enthalten. Wie vorstehend erläutert, kann der Betrieb des Kühlers 20 eine Kühlmittelströmung 25 kühlen. In einer Ausführungsform kann der Kühler 20 ein Absorptionskühler sein. In einer Ausführungsform kann das Kühlmittel Wasser sein. In einer Ausführungsform kann der Kühler 20 Energie von einer Wärmequelle 29 verwenden, um die Kühlmittelströmung 25 zu kühlen. Wie vorstehend erläutert, kann die Wärmequelle 29 z. B. HRSG-Wasser oder HRSG-Dampf sein. In anderen Ausführungsformen kann die Wärmequelle 29 jeder beliebige Abdampf, wie beispielsweise Dampfturbinensperrdampf, heißes Abwasser, Generatorkühlwasser oder ein von einem beliebigen wärmeerzeugenden Prozess erzeugter Wärmestrom sein.
Wie vorstehend erläutert, kann ein Regeln des Betriebs des Kühlers 20 ein Betreiben des Kühlers 20 zur Kühlung einer Kühlmittelströmung 25, wenn eine Umgebungsbedingung ein erstes Umgebungsbedingungsniveau einnimmt, und ein Nichtbetreiben des Kühlers 20 zur Kühlung der Kühlmittelströmung 25, wenn die Umgebungsbedingung ein zweites Umgebungsbedingungsniveau einnimmt, enthalten. Zum Beispiel kann die Umgebungsbedingung in einer Ausführungsform die relative Umgebungsfeuchte der Luft stromaufwärts des Wärmetauschers sein. In einer Ausführungsform kann das erste Umgebungsbedingungsniveau ein erster relativer Umgebungsfeuchtewert sein, und das zweite Umgebungsbedingungsniveau kann ein zweites relatives Umgebungsfeuchteniveau sein. In einer Ausführungsform kann der erste relative Umgebungsfeuchtewert eine relative Umgebungsfeuchte bei oder oberhalb von 50% sein, und der zweite relative Umgebungsfeuchtewert kann eine relative Umgebungsfeuchte unterhalb von 50% sein. In anderen Ausführungsformen kann der erste relative Umgebungsfeuchtewert eine relative Umgebungsfeuchte bei oder oberhalb eines beliebigen relativen Feuchtewertes in dem Bereich von 40% bis 60% sein, und der zweite relative Umgebungsfeuchtewert kann eine relative Umgebungsfeuchte unterhalb eines beliebigen relativen Feuchtewertes in dem Bereich von 40% bis 60% sein.
In einem beispielhaften Aspekt einer Ausführungsform kann das Regeln des Betriebs des Kühlers 20 ein Betreiben des Kühlers 20 zur Kühlung einer Kühlmittelströmung 25, wenn die relative Umgebungsfeuchte bei oder oberhalb eines festgesetzten relativen Umgebungsfeuchtewertes liegt, und ein Nichtbetreiben des Kühlers 20 zur Kühlung der Kühlmittelströmung 25 umfassen, wenn die relative Umgebungsfeuchte unterhalb des festgesetzten relativen Umgebungsfeuchtewertes liegt. In einer Ausführungsform kann der festgesetzte relative Umgebungsfeuchtewert 50% betragen. In anderen Ausführungsformen kann der festgesetzte relative Umgebungsfeuchtewert ein beliebiger relativer Feuchtewert in dem Bereich von 40% bis 60% sein.
Das Verfahren kann ferner ein Übertragen einer Kühlmittelströmung 25 durch einen Wärmetauscher 30 enthalten. Wie vorstehend erläutert, kann der Wärmetauscher 30 benachbart zu oder im Inneren eines Gasturbineneinlasses 16 angeordnet sein. Der Wärmetauscher 30 kann eingerichtet sein, um der Einlassluftströmung 18, die durch den Wärmetauscher 30 hindurchtritt, zu ermöglichen, mit der Kühlmittelströmung 25 wechselzuwirken, wodurch die Einlassluftströmung 18 gekühlt wird, bevor die Einlassluftströmung 18 in den Gasturbineneinlass 16 oder den Verdichter 13 eintritt. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher 30 in einer Ausführungsform ein Wärmetauscher mit direktem Kontakt sein.
Wie vorstehend erläutert, kann das Regeln des Betriebs des Kühlers 20 durch die Steuereinrichtung 50 in einem beispielhaften Aspekt einer Ausführungsform außer Kraft gesetzt werden. Zum Beispiel kann die Regelung des Betriebs des Kühlers 20 außer Kraft gesetzt werden, um Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Netzstabilität, zu bewältigen.
Durch Bereitstellung eines Kühlers 20 und eines Wärmetauschers 30 in einem einzelnen Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10, kann die Gasturbineneinlassluftströmung 18 unter Verwendung der latenten Kühlung und der sensiblen Kühlung in einem einzigen System in der durch Umgebungsbedingungen vorgegebenen Weise gekühlt werden. Diese Anordnung ergibt ein Gasturbinenleistungssteigerungssystem mit erheblicher Flexibilität, insofern als ein einziges System in der Lage ist, die Gasturbineneinlassluftströmung 18 unter Verwendung von Kühlverfahren zu kühlen, die sich zur Optimierung des Betriebs der Gasturbine 12 eignen und die unter allen Umgebungsbedingungen die maximale Gasturbineneffizienz ergeben.
Zum Beispiel kann das Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10 in einem beispielhaften Aspekt einer Ausführungsform die Einlassluftströmung 18 primär durch latente Kühlung kühlen, wenn die relative Umgebungsfeuchte der Luft relativ niedrig ist, beispielsweise unterhalb von 50% liegt. Die latente Kühlung kann unter diesen Bedingungen die maximale Gasturbineneffizienz ergeben, weil z. B. im Gegensatz zu der sensiblen Kühlung nur eine minimale Menge der parasitären Leistung erforderlich ist, um die latente Kühlung zu erzielen, so dass eine Erhöhung der Nettoeffizienz bei der Leistungserzeugung der Gasturbine vorliegt.
Jedoch ist unter anderen Bedingungen, wie beispielsweise wenn die relative Umgebungsfeuchte der Luft relativ hoch ist, z. B. oberhalb von 50% liegt, die latente Kühlung nicht so effektiv. Somit kann das Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10 in einer Ausführungsform die Einlassluftströmung 18 in erster Linie durch sensible Kühlung kühlen, wenn die relative Umgebungsfeuchte der Luft relativ hoch ist, beispielsweise oberhalb von 50% liegt. Die sensible Kühlung kann unter diesen Bedingungen die maximale Gasturbineneffizienz ergeben, weil z. B. die latente Kühlung unter Bedingungen mit hoher relativer Feuchte nicht so effektiv ist, und die sensible Kühlung kann die Einlassluftströmung 18 auf Niveaus weit unterhalb derjeniger abkühlen, die mit latenter Kühlung erzielbar sind, wie beispielsweise unter die Feuchtkugeltemperatur, so dass eine Erhöhung der Nettoleistungsabgabe der Gasturbine vorliegt.
Außerdem kann eine Kombination aus einem Kühler 20 und einem Wärmetauscher 30 den Druckabfall der Einlassluftströmung 18 an dem Gasturbineneinlass 16 im Verhältnis zu Einlasskühlschlangenkonfigurationen verringern. Zum Beispiel kann der Druckabfall in einer Ausführungsform um ungefähr 0,5 Zoll Wassersäule („WS”) verringert werden.
Ferner ermöglicht die Bereitstellung eines Kühlers 20 und eines Wärmetauschers 30 in einem einzigen Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10 eine Kühlung der Gasturbineneinlassluftströmung 18 mit der Kühlmittelströmung 25 bei Temperaturen oberhalb derjeniger, die von Einlasskühlschlangen benötigt werden. Mechanische Schlangenkühlsysteme erfordern gewöhnlich Kühlsubstanzflüsse, die auf Temperaturen unterhalb von 35°F abgekühlt sind. Die Investitionskosten für mechanische Kälteanlagen und Kühlschlangensysteme sind erheblich und können untragbar sein. Jedoch erfordert ein einziges Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10 mit einem Kühler 20 und einem Wärmetauscher 30, wie vorgesehen, nur Kühlsubstanzflüsse, die auf Temperaturen oberhalb von 35°F, beispielsweise zwischen 35°F und 50°F, z. B. zwischen 40°F und 45°F, z. B. ungefähr 43°F, abgekühlt sind. Zum Beispiel können ein Absorptionskühler 20 und ein Direktkontakt-Wärmetauscher 30 in einer Ausführungsform eine hinreichende Kühlung der Einlassluftströmung 18 mit einer Kühlmittelströmung 25 bei einer Temperatur oberhalb von 35°F, beispielsweise zwischen 35°F und 50°F, z. B. zwischen 40°F und 45°F, z. B. ungefähr 43°F, erzielen. Dieses System 10 ergibt eine deutliche Verringerung der mit Gasturbinenleistungssteigerungssystemen verbundenen Investitionskosten.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Bespiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Es sind ein Gasturbinenleistungssteigerungssystem 10 und -verfahren geschaffen. Das System 10 enthält einen Kühler 20, eine Steuereinrichtung 50, einen Wärmetauscher 30, und eine Gasturbineneinlassluftströmung 18. Der Kühler 20 kann betrieben werden, um eine Kühlmittelströmung 25 mit Energie von einer Wärmequelle 29 zu kühlen. Die Steuereinrichtung 50 kann mit dem Kühler 20 betriebsmäßig verbunden und eingerichtet sein, um den Betrieb des Kühlers 20 in Bezug auf wenigstens eine Umgebungsbedingung zu regeln. Der Wärmetauscher 30 kann mit dem Kühler 20 in Strömungsverbindung stehen und eingerichtet sein, um der Kühlmittelströmung 25 zu ermöglichen, durch den Wärmetauscher 30 hindurchzutreten. Die Gasturbineneinlassluftströmung 18 kann durch den Wärmetauscher 30 geleitet werden, bevor sie in einen Gasturbineneinlass 16 eintritt, wodurch der Luftströmung 18 ermöglicht wird, mit der Kühlmittelströmung 25 wechselzuwirken, wodurch die Luftströmung 18 gekühlt wird.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinenleistungssteigerungssystem
12: Gasturbine
13: Verdichter
14: Brennkammer
15: Turbine
16: Gasturbineneinlass
17: Gasturbinenabgasauslass
18: Gasturbineneinlassluftströmung
19: Abgasströmung
20: Kühler
21: Kühlmitteleinlass
22: Kühlmittelauslass
23: Wärmestromeinlass
24: Wärmestromauslass
25: Kühlmittelströmung
26: Wärmestrom
27: Wärmestrombypass
28: Kühlmittelbypass
29: Wärmequelle
30: Wärmetauscher
31: Kühlmitteleinlass
32: Kühlmittelauslass
33: Tropfenabscheider
34: Außenkühlmittelströmung
35: Unabhängige Kühlmittelquelle
41: Abgasabzugsvorrichtung
42: Entlüftungsvorrichtung
43: Bypassventil
45: Filter
46: Pumpe
47: Ventil
48: Ventil
50: Steuereinrichtung

Claims

Gasturbinenleistungssteigerungssystem (10), das aufweist: einen Kühler (20), wobei der Kühler (20) betreibbar ist, um eine Kühlmittelströmung (25) mit Energie von einer Wärmequelle (29) zu kühlen; eine Steuereinrichtung (50), die mit dem Kühler (20) betriebsmäßig verbunden und eingerichtet ist, um den Betrieb des Kühlers (20) in Bezug auf wenigstens eine Umgebungsbedingung zu regeln, wobei die Regelung des Betriebs des Kühlers (20) ein Betreiben des Kühlers (20) zur Kühlung der Kühlmittelströmung (25), wenn die Umgebungsbedingung ein erstes Umgebungsbedingungsniveau einnimmt, und ein Nichtbetreiben des Kühlers (20) zur Kühlung der Kühlmittelströmung (25) aufweist, wenn die Umgebungsbedingung ein zweites Umgebungsbedingungsniveau einnimmt; einen Wärmetauscher (30), der mit dem Kühler (20) in Strömungsverbindung steht und eingerichtet ist, um der Kühlmittelströmung (25) zu ermöglichen, durch den Wärmetauscher (30) zu strömen; und eine Gasturbineneinlassluftströmung (18), wobei die Luftströmung (18) durch den Wärmetauscher (30) geleitet wird, bevor sie in einen Gasturbineneinlass (16) eintritt, wodurch der Luftströmung (18) ermöglicht wird, mit der Kühlmittelströmung (25) wechselzuwirken, wodurch die Luftströmung (18) gekühlt wird.
Gasturbinenleistungssteigerungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Umgebungsbedingung die relative Umgebungsfeuchte der Luft stromaufwärts von dem Wärmetauscher ist.
Gasturbinenleistungssteigerungssystem (10) nach einem beliebigen der Ansprüche 1–2, wobei das erste Umgebungsbedingungsniveau eine relative Umgebungsfeuchte stromaufwärts von dem Wärmetauscher bei oder oberhalb von 50% ist und das zweite Umgebungsbedingungsniveau eine relative Umgebungsfeuchte der Luft stromaufwärts von dem Wärmetauscher unterhalb von 50% ist.
Gasturbinenleistungssteigerungssystem (10) nach einem beliebigen der Ansprüche 1–3, wobei die Regelung des Betriebs des Kühlers (20) durch die Steuereinrichtung (50) in Bezug auf wenigstens eine Umgebungsbedingung außer Kraft gesetzt werden kann, um wenigstens eine Betriebsbedingung zu bewältigen.
Gasturbinenleistungssteigerungssystem (10) nach einem beliebigen der Ansprüche 1–4, wobei die Luftströmung (18) in erster Linie durch sensible Kühlung gekühlt wird, wenn die Umgebungsbedingung das erste Umgebungsbedingungsniveau einnimmt, und in erster Linie durch latente Kühlung gekühlt wird, wenn die Umgebungsbedingung das zweite Umgebungsbedingungsniveau einnimmt.
Gasturbinenleistungssteigerungssystem (10) nach einem beliebigen der Ansprüche 1–5, wobei der Kühler (20) ein Absorptionskühler ist.
Gasturbinenleistungssteigerungssystem (10) nach einem beliebigen der Ansprüche 1–6, wobei der Wärmetauscher (30) ein Direktkontakt-Wärmetauscher ist.
Verfahren zur Steigerung der Gasturbinenleistung, das aufweist: Messen wenigstens einer Umgebungsbedingung; Regeln des Betriebs eines Kühlers (20) in Bezug auf die wenigstens eine Umgebungsbedingung, wobei der Betrieb des Kühlers (20) eine Kühlmittelströmung mit Energie von einer Wärmequelle (29) kühlt und wobei das Regeln des Betriebs des Kühlers (20) ein Betreiben des Kühlers (20) zur Kühlung der Kühlmittelströmung (25), wenn die Umgebungsbedingung ein erstes Umgebungsbedingungsniveau einnimmt, und ein Nichtbetreiben des Kühlers (20) zur Kühlung der Kühlmittelströmung (25), wenn die Umgebungsbedingung ein zweites Umgebungsbedingungsniveau einnimmt, aufweist; und Übertragen der Kühlmittelströmung (25) durch einen Wärmetauscher (30), wobei der Wärmetauscher (30) eingerichtet ist, um einer durch den Wärmetauscher (30) strömenden Gasturbineneinlassluftströmung (18) zu ermöglichen, mit der Kühlmittelströmung (25) wechselzuwirken, wodurch die Luftströmung (18) gekühlt wird, bevor die Luftströmung (18) in einen Gasturbineneinlass (16) eintritt.
Verfahren zur Steigerung der Gasturbinenleistung nach Anspruch 8, wobei die Umgebungsbedingung die relative Umgebungsfeuchte der Luft stromaufwärts von dem Wärmetauscher ist.
Verfahren zur Steigerung der Gasturbinenleistung nach einem beliebigen der Ansprüche 8–9, wobei das erste Umgebungsbedingungsniveau eine relative Umgebungsfeuchte der Luft stromaufwärts von dem Wärmetauscher bei oder oberhalb von 50% ist und das zweite Umgebungsbedingungsniveau eine relative Umgebungsfeuchte der Luft stromaufwärts von dem Wärmetauscher unterhalb von 50% ist.