專利名稱：燃氣輪機增壓系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)，特別是涉及一種用于在高外界溫度下提高燃氣輪機發(fā)電站功率的增壓系統(tǒng)。具體地講，該系統(tǒng)中使用了一個與控制器組合的增壓扇，用于將進氣加壓輸入到燃氣輪機中，以與已有燃氣輪機一起操作；增壓扇優(yōu)選與進氣冷卻系統(tǒng)組合。
現(xiàn)有技術的背景很久以前人們就認識到，燃氣輪機的功率隨著進氣溫度的升高而降低；通常功率代價為每華氏度(°F)大約0.4％，這種關系顯示于

圖1中。這種特性對于用來發(fā)電的燃氣輪機而言特別不利，因為電力需求的峰值通常出現(xiàn)在外界氣溫最高時。燃氣輪機以及相關的發(fā)電機和電力分配系統(tǒng)通常是基于40至50°F的進氣溫度而評估的。這樣低定額的溫度意味著，在夏天用電高峰狀態(tài)下的燃氣輪機功率會下降高達大約20至40％，具體數(shù)值取決于結構設計、地區(qū)天氣條件和特定燃氣輪機的特性。
許多不同的方法用于冷卻燃氣輪機的進氣，以降低或消除現(xiàn)有技術領域中公知的功率代價。這些方法的概述見于1990年6月11-14日在比利時布魯塞爾召開的“燃氣輪機和航空發(fā)動機會議和展覽會(Gas Turbine and Aeroengine Conference andExposition)”中Igor Ondryas等提交的美國機械工程師協(xié)會(ASME)論文“利用進氣速冷提高燃氣輪機功率中的選擇(Options in Gas Turbine Power Augmentation Using Inlet AirChilling)”中。各種替代性冷卻系統(tǒng)包括直接或間接蒸發(fā)冷卻、電動蒸汽壓縮、吸收和熱量儲存系統(tǒng)。
在這么多替代性冷卻系統(tǒng)中，現(xiàn)只看出直接蒸發(fā)冷卻具有顯著的工業(yè)應用性。直接蒸發(fā)冷卻的優(yōu)點是成本低和結構簡單，但外界濕球溫度限制了溫度降低的可行性。在美國東部地區(qū)，直接蒸發(fā)冷卻可以將進氣溫度降低10至20°F，這取決于地區(qū)天氣。在溫暖干燥的天氣下，例如在美國西南部地區(qū)，可以實現(xiàn)大量降溫。雖然直接蒸發(fā)降溫有一定作用，但仍然不能使燃氣輪機以全額設計功率運行。在對燃氣輪機進行了50年的深入研究和開發(fā)后，仍未研制出更好的對付高外界溫的方法。
一種有趣但實際上無法使用的面向這些問題的方法描述于R.W.Foster-Pegg的1965年ASME論文“利用強制抽氣風扇并通過蒸發(fā)式中間冷卻為燃氣輪機增壓(Supercharging of Gas Turbinesby Forced Draft Fans with Evaporative Intercooling)”中。該文中描述了利用高壓風扇提高燃氣輪機的進氣壓力，并且組合使用位于風扇下游的蒸發(fā)冷卻器，從而形成一種提高燃氣輪機功率的途徑。這種方法在理論上具有很大的優(yōu)點，但需要對發(fā)電機進行特殊的尺寸構造，因此限制了該方法在新式燃氣輪機中的應用。此外，系統(tǒng)中為了實施控制而使用了帶入口葉片的單一風扇，這會降低系統(tǒng)的效率。
Kolp等在《燃氣輪機和動力工程雜志(Journal of Engineeringfor Gas Turbines and Power)》的1995年7月第117卷p.513-527中的ASME論文“LM6000燃氣輪機入口的空氣調節(jié)和增壓的優(yōu)點(Advantages of Air Conditioning and Supercharging an LM6000Gas Turbine Inlet)”中展示了系統(tǒng)增壓和冷卻的經(jīng)濟性問題。該文中顯示，雖然蒸發(fā)冷卻是非常有吸引力的，但由于對于簡單循環(huán)而言回收期為10年以上，因此增壓的經(jīng)濟性并不很有吸引力。增壓在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站中更有吸引力，但其經(jīng)濟性仍很勉強。該文中描述的增壓系統(tǒng)實際上與20世紀60年代的那些相同，因此，盡管經(jīng)過了幾十年的燃氣輪機研制，但增壓方面并沒有顯著的進展。
現(xiàn)有技術中的一個嚴重問題是，增壓裝置需要增大相關發(fā)電機和其他輔助設備的尺寸。更換發(fā)電機和其他輔助設備的費用是如此之大，因而實際上排除了在已有發(fā)電站中的可行性。即使是在新的設施中，除非是在項目的最開始階段，否則增壓也不是一種實際可行的選擇，因為發(fā)電機、電力分配系統(tǒng)和相關硬件的基本需求必須更改。如Kolp等在他們的論文中所陳述，“與增壓相反，在添加蒸發(fā)冷卻功能時，必須增大燃氣輪機發(fā)電站設施的尺寸”。因此，傳統(tǒng)的常識是，蒸發(fā)冷卻可以添加到已有發(fā)電站中，但增壓不是一種改裝選擇。
另一種控制燃氣輪機功率的方法涉及一種變速壓縮機。相關專利包含美國專利No.3,853,432和2,693,080。這些系統(tǒng)可以提供大范圍的控制，并且通常用于飛行器用途。這些系統(tǒng)的主要問題是變速系統(tǒng)的成本和復雜性。相關問題是與這些系統(tǒng)中需要使用的大型傳動機構有關的可靠性和維護問題。尚未看到這些系統(tǒng)大量用于發(fā)電用途中。
使用發(fā)霧方法冷卻燃氣輪機進氣是現(xiàn)有技術中的另一相關方法。例如，請看Meher-Homji和Mee在1999年“第28屆燃氣輪機研討會(the 28th Turbomachinery Symposium)”中的論文“通過進氣發(fā)霧提高燃氣輪機功率(Gas turbine Power Augmentation byFogging of Inlet Air)”。除了與冷卻進氣有關的益處之外，發(fā)霧還能夠通過冷卻壓縮機內部空氣而提高燃氣輪機性能。這種中間冷卻的效果是大約提高水的質量流功率5％，水的質量流等于空氣質量流的1％。該文中顯示出，發(fā)霧中間冷卻還可以提高壓縮機效率。
發(fā)霧方法的一個限制是壓縮機所能夠安全吸入的水霧量。過量的水可能引起燃氣輪機壓縮段的銹蝕、腐蝕或其他損傷問題。至少有一家燃氣輪機制造商曾表達過對壓縮機的影響的擔心，并且在很多情況下不對其帶發(fā)霧系統(tǒng)的燃氣輪機作質量保證。雖然發(fā)霧方法相對于蒸發(fā)墊而言能夠提供一些附加優(yōu)點，但對壓縮機性能的潛在負面作用的擔心導致潮濕沿海氣候條件下的許多燃氣輪機的發(fā)霧功率效益被限制在大約10％或以下。
本發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，一種用于在高外界氣溫下提高燃氣輪機功率的系統(tǒng)包含至少一個用于對燃氣輪機進氣增壓的增壓扇和一個用于將燃氣輪機最大功率限制在不需增壓時的燃氣輪機功率值的控制器。系統(tǒng)中優(yōu)選包含一個用于降低燃氣輪機進氣溫度的空氣冷卻器。本發(fā)明的系統(tǒng)可以添加在已有的燃氣輪機上，或者設計成新的增壓燃氣輪機系統(tǒng)。
本發(fā)明的一個主要目的和優(yōu)點是能夠在夏季峰值氣溫條件下提高燃氣輪機功率，同時又能夠降低基于夏季峰值氣溫條件的系統(tǒng)的安裝費用。本發(fā)明的相關目的是產(chǎn)生相對緊湊的系統(tǒng)，其不會過度復雜，并且不會產(chǎn)生令人無法接受的可靠性和維護問題。一個附加目的是產(chǎn)生一種增壓器，其能夠改裝在已有燃氣輪機上。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種用于燃氣輪機的增壓器包括安置在燃氣輪機進氣流中的風扇和發(fā)霧器。
附圖簡述圖1是燃氣輪機功率與外界溫度之間的關系的曲線圖；圖2A-2C是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的示意圖，其中包含一個空氣冷卻器，它位于一個用于為進入燃氣輪機的空氣增壓的增壓扇的下游；圖3中示出了本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，其中使用了一個間接蒸發(fā)冷卻器；圖4中示出了本發(fā)明的一個替代性實施例，其中使用了一個軸流式風扇；圖5中示出了本發(fā)明的另一個替代性實施例，其中使用了一系列風扇；
圖6是各種不同燃氣輪機系統(tǒng)的隨溫度而變化的燃氣輪機功率的比較曲線圖；圖7A和7B是示意性壓縮機分析圖，以顯示根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的操作原理；圖8A和8B是風扇曲線圖，以顯示多重風扇是如何用于改變燃氣輪機進氣壓力的；圖9是作為燃氣輪機進氣溫度的函數(shù)的最大增壓的曲線圖；圖10中示出了本發(fā)明的一個替代性實施例，其中壓縮機輸出熱空氣被反饋到壓縮機進氣流中，以調節(jié)燃氣輪機性能；圖11中示出了本發(fā)明的一個替代性實施例，其中通過調節(jié)燃燒器輸出而控制燃氣輪機的輸出；圖12中示出了本發(fā)明的一個替代性實施例，其中通過調節(jié)壓縮機進氣溫度而控制燃氣輪機的輸出；圖13中示出了本發(fā)明的一個實施例，其中采用了一個聯(lián)合循環(huán)(燃氣輪機/汽輪機)發(fā)電站；圖14中示出了本發(fā)明的一個實施例，其中使用了一個冷卻塔和一個冷卻線圈，以冷卻離開增壓扇的空氣；圖15是與本發(fā)明一起使用的高壓管道裝置的優(yōu)選結構形式的透視圖；圖16A和16B分別是如圖15所示構造的管道裝置的擴散器/流體加速器段的結構的端視圖和剖視圖；圖17A和17B是圖15、16A和16B中所示的管道裝置結構用在增壓扇組件中時的透視圖；
圖18是本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例的示意圖，其中一個燃氣輪機增壓器包含位于燃氣輪機進氣流中的風扇和發(fā)霧器。
優(yōu)選實施例詳細描述圖2A中示出了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。一個燃氣輪機發(fā)電站11包含一個燃氣輪機系統(tǒng)10和一個發(fā)電機28。燃氣輪機系統(tǒng)10包含一個壓縮機12、一個燃燒器14和一個燃氣輪機16。燃氣輪機16與壓縮機12和發(fā)電機28共用一根軸24。壓縮機12接收壓縮機進氣流18，并將其泵壓到更高壓力，以產(chǎn)生供應到燃燒器14的燃燒器壓縮進氣流20。燃燒器14加熱來自氣流20的空氣，并將產(chǎn)生的燃氣輪機熱進氣流22供應到燃氣輪機16。燃氣輪機16響應于接收到的燃氣輪機熱進氣流22而旋轉，從而旋轉軸24，后者又帶動發(fā)電機28旋轉而產(chǎn)生電能。排氣流26從燃氣輪機16中排出。排氣流26可以直接進入大氣中，或者，在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站的情況下，可以進入蒸汽鍋爐中，如后文中結合圖13所作描述。
雖然圖2A中為了解釋本發(fā)明而描繪了一種簡單的燃氣輪機結構，但可以認識到，更復雜的結構(例如雙柱塞結構)也可以采用，而不會改變本發(fā)明的操作原理。當然，燃氣輪機通常包含過濾、控制器、安全裝置等，如本領域的普通技術人員所公知，而且在解釋本發(fā)明時，不必提供或需要這些元件的圖示或詳細解釋。
進氣流18如下所述地供應給壓縮機12。第一增壓扇30和第二增壓扇32抽吸外界空氣40，并將壓縮空氣供應給增壓室38。之后，空氣流過用于冷卻空氣的空氣冷卻器34，從而形成進入壓縮機12的壓縮機進氣流18?？諝饫鋮s器34優(yōu)選為直接蒸發(fā)冷卻器，其用于冷卻和濕化氣流。蒸發(fā)冷卻器的可行結構實例是眾所周知的?？諝饫鋮s器的其他替代物包括直接膨脹蒸發(fā)器、速冷水線圈或直接接觸式熱交換器、間接蒸發(fā)冷卻器以及其他用于降低氣流溫度的裝置。在速冷水線圈的情況下，冷水可以由蒸汽壓縮式速冷器、吸收式速冷器供應，或者由天然冷水源例如地下水或者深湖或海洋下層水供應。在吸收式速冷器的情況下，來自燃氣輪機排氣的廢熱可以用作驅動速冷器的熱源。空氣冷卻器優(yōu)選在增壓扇與燃氣輪機之間安置在氣流中，但也可以安置在增壓扇上游。將空氣冷卻器安置在增壓扇下游的優(yōu)點是，它可以去除增壓扇添加的任何熱量。
一個旁通氣門36用于在增壓扇不運轉時使空氣能夠進入增壓室38中，而不必經(jīng)過增壓扇。第一增壓扇30在其排出段具有一個相應的第一氣門42。同樣，第二增壓扇32在其排出段具有一個相應的第二氣門44。控制器50接收來自傳感器52的輸入控制信號，并且基于這個信號控制增壓扇30和32的操作?？尚械目刂戚斎氚饬鳒囟?、壓縮機排氣壓力、發(fā)電機輸出功率和外界氣溫。控制器可以是簡單的恒溫開關；或者，它可以包含計算機(即微處理器)控制器或其他相關的電子元件，它們同樣可以控制和檢測燃氣輪機性能。
氣門42和44以及旁通氣門36用作單向閥，以防止從燃氣輪機流出反向氣流。這些氣門優(yōu)選響應于橫跨氣門的壓力梯度而打開，并在沒有壓力梯度時利用重力返回關閉位置。圖2B和2C中示出了氣門是如何響應于不同的風扇操作模式而操作的，如后文中更充分解釋。
第一和第二增壓扇30和32優(yōu)選為皮帶驅動的離心式風扇或直接驅動軸流式風扇。對于離心式風扇，優(yōu)選的結構采用了向后傾斜的翼型扇葉，以使效率最大化。這種類型的風扇可以供應大約60英寸水壓的設計靜壓，這樣的壓力基本上能夠滿足大多數(shù)商業(yè)應用中的需要值。電機—優(yōu)選為三相感應電機—通常能夠提供增壓扇的驅動動力，盡管也可以采用發(fā)動機或機械式連接到燃氣輪機本身上的裝置等替代結構。
雖然圖2A—2C中示出了兩個增壓扇，但也可以使用三個或更多的增壓扇，甚至也可以使用單一的增壓扇。多個增壓扇可以實現(xiàn)風扇分級，從而遞增式調節(jié)燃氣輪機進氣壓力，而單一的增壓扇不能提供這種控制選擇。
優(yōu)選的結構是，兩個增壓扇具有幾乎相等的壓力容量，但流量不同。前一增壓扇具有較大流量并優(yōu)選以固定的速度運轉，以降低費用。后一增壓扇具有可變流量，并且用于調節(jié)燃氣輪機進氣壓力，如后文中更充分解釋。變速驅動器，或者在軸流式風扇情況下的變節(jié)距扇葉，是用于調節(jié)增壓扇氣流的優(yōu)選工具。入口葉片是另一種替代性結構，但由于效率相對較低而不優(yōu)選采用。
圖3中示出了一個替代性實施例，其中使用了一個間接蒸發(fā)冷卻器，用于應付外界結露點溫度。其結構與圖2中的類似，只是一個間接蒸發(fā)冷卻器60安置在增壓室38與燃氣輪機10之間。與前面的實施例類似，燃氣輪機系統(tǒng)10和發(fā)電機28構成一個燃氣輪機發(fā)電站11。同樣，燃氣輪機系用10包含一個壓縮機12、一個燃燒器14和一個燃氣輪機16。間接蒸發(fā)冷卻器60中使用了二級氣流62，該氣流來自安置在間接蒸發(fā)冷卻器60和與燃氣輪機10之間的選擇性定向蒸發(fā)冷卻器68排出的主氣流64的一部分，以選擇性地進一步冷卻進入燃氣輪機的空氣。燃氣輪機進氣流66由主氣流64的剩余部分構成，并且進入燃氣輪機10中。來自二級氣流62的空氣在間接蒸發(fā)冷卻器60內被來自增壓室38的氣流加熱和濕化，并且作為排氣流65排出。
圖4中示出了一個替代性實施例，其中使用了一個電機驅動的軸流式增壓扇。增壓扇116包含一個用于驅動葉輪102的電機100，葉輪和電機均容納在殼體106中。電機100優(yōu)選為三相感應電機，并且通過導線110、112和114經(jīng)開關接觸器104連接著公用輸電線。當接觸器104閉合后，電機100啟動，從而驅動葉輪102，以提高進入燃氣輪機系統(tǒng)10中的排氣流108的壓力。當接觸器104打開后，電機100斷電，而葉輪只被氣流108驅動，因而用作降低氣流108壓力的減壓器。
接觸器104可以是簡單的手工操作裝置，在這種情況下，操作者將判斷何時燃氣輪機功率超過適宜值，并且閉合開關以使增壓扇運轉。優(yōu)選的結構包含一個恒溫開關109，其優(yōu)選安置在與氣流108接觸處，用于控制接觸器104，并且在氣流108的溫度超過預定值時使增壓扇116運轉。恒溫開關109因此而用于限制燃氣輪機輸出功率，并且因此而防止燃氣輪機發(fā)電站11過載。
可以采用更為復雜的控制方法。例如，增壓扇可以具有變節(jié)距葉片，它可以被一個用于探測壓力和溫度狀態(tài)的控制器調節(jié)并改變葉片節(jié)距，以使燃氣輪機輸出最大化?，F(xiàn)在可以利用基于微處理器的系統(tǒng)而實現(xiàn)非常復雜的控制。可以添加機械式硬件，以提高性能。例如，可以利用一個旁通氣門在增壓器未運轉時減小經(jīng)過增壓器的壓降?？梢蕴砑右粋€直接蒸發(fā)冷卻器或其他冷卻裝置，以降低燃氣輪機進氣溫度。
圖4所示系統(tǒng)的一個優(yōu)點是低成本和簡單性，這在小型燃氣輪機中特別有益。需要對商業(yè)應用進行仔細評估，以確定最佳結構。雖然并不優(yōu)選采用，但在特定的應用中，開關104可以取消。例如，如果燃氣輪機從寒冷氣候地區(qū)移至熱帶氣候地區(qū)，則希望添加一個增壓扇，其在燃氣輪機運轉時總是連續(xù)運轉。(從根本上講，增壓扇用于調節(jié)燃氣輪機的設計條件，以與更高的外界溫度相匹配。)另一種優(yōu)選性較差的選擇是直接從燃氣輪機驅動增壓扇。這種最簡單的結構可以是使用了安裝在燃氣輪機上的軸的直接機械式連接裝置。然而，通常這種結構需要采用減速齒輪，以使增壓扇以遠低于燃氣輪機的速度運行。一個渦電流離合器或機械式離合器可以用于改變風扇速度。另一種選擇可以是在制動器、發(fā)電機或其他反應器上使用差速傳動機構，從而通過控制第二根軸的速度而降低風扇速度。這些結構難以(或者可能不能)改裝到已有燃氣輪機中，而且這種方法所需的傳動機構和其他機械元件要求定期維護。因此，這種替代性實施例可能不如其他實施例可靠或理想。
圖5中示出了另一個替代性實施例，其中使用了兩個串聯(lián)布置著的增壓扇。第一增壓扇216包含位于第一殼體206中的第一葉輪202和第一電機200。第一風扇安置在引入壓縮機12中的進氣流208中。導線210、212和214經(jīng)開關204將第一電機200連接到公用輸電線。第二風扇236安置在第一風扇216上游。第二風扇包含位于第二殼體226中的第二葉輪222和第二電機220。第二電機220通過開關224和導線230、232和234連接到公用輸電線。
下面參照圖2A、2B和2C描述本發(fā)明的系統(tǒng)的操作和益處，這些圖中顯示了利用兩個并聯(lián)布置的增壓扇操作的系統(tǒng)。在圖2A中，第一和第二增壓扇30和32均運轉，而旁通氣門36關閉，以防止從燃氣輪機回流。第一和第二氣門42和44均打開，以使氣流流過風扇。
圖2B示出了第一增壓扇30關閉而第二增壓扇32接通時的操作。旁通氣門36也是關閉的。第二氣門44保持打開，而第一氣門42關閉。在圖2C中，兩個增壓扇30和32均關閉，而它們的相應氣門42和44也關閉。旁通氣門36打開，以使空氣從增壓扇30和32旁邊通過。
圖6中示出了這種系統(tǒng)的益處。這個曲線圖是基于公開了的燃氣輪機性能數(shù)據(jù)而作的。不帶任何增壓或進氣冷卻的基本系統(tǒng)在外界溫度為40°F時具有峰值電能輸出，在更高外界氣溫下其性能迅速下降。圖中顯示出，本發(fā)明的功率是基本上平坦的，而傳統(tǒng)系統(tǒng)則在高外界氣溫下迅速下降?；鞠到y(tǒng)是單循環(huán)燃氣輪機，其在40°F以下提供的最大輸出電能為100MW，但在更高外界溫度下其功率要低得多。本發(fā)明也具有相同的100MW功率，但在高外界溫度下仍保持較高。
更大基本系統(tǒng)和帶蒸發(fā)冷卻器的更大基本系統(tǒng)是單循環(huán)燃氣輪機，它們被設計得在高外界溫度下與本發(fā)明相當。更大基本系統(tǒng)也可以是取自現(xiàn)有技術中的增壓燃氣輪機。帶蒸發(fā)冷卻器的更大基本系統(tǒng)的優(yōu)點是可以通過蒸發(fā)冷卻獲得低進氣溫度，以減小具有高外界溫度下的給定功率的燃氣輪機所需的尺寸。帶蒸發(fā)冷卻器的更大基本系統(tǒng)的性能也類似于自現(xiàn)有技術中的增壓燃氣輪機。
傳統(tǒng)的蒸發(fā)進氣冷卻有助于提高燃氣輪機在高外界溫度下的性能，而不必增加40°F時的最大輸出電能。包含一個蒸發(fā)冷卻器的傳統(tǒng)增壓器還會在所有外界溫度下提高燃氣輪機輸出功率，這在低外界溫度下會導致燃氣輪機功率出現(xiàn)不良過載。
本發(fā)明限制了燃氣輪機的輸出，以便在高外界溫度下獲得增壓帶來的利益，同時又防止發(fā)電站在低外界溫度下過載。這種新的特點導致電力輸出在不同外界溫度下變化很小。
表1中示出了本發(fā)明的增壓器與傳統(tǒng)系統(tǒng)的費用比較(取自Kolp等的文獻)。這個表中示出，添加新增壓器的費用低于新增帶峰值燃氣輪機的功率所需費用的一半。在向系統(tǒng)中添加帶有增壓冷卻器的增壓器的情況下，每kW的費用增量為大約$300，而新增帶峰值燃氣輪機發(fā)電站的費用為$700每kW。蒸發(fā)冷卻器和增壓器的組合可以在夏季峰值條件下提高燃氣輪機功率30％以上。本發(fā)明的控制方法消除了對更大發(fā)電機和相關硬件的需要，因為燃氣輪機在低外界溫度下的峰值功率輸出是不變的。這種分析表明，本發(fā)明在新的設施中具有明顯的優(yōu)勢。在改裝情況下，添加傳統(tǒng)增壓器的費用至少要大一個量級，這是因為需要更換發(fā)電機和相關設備，以應付低外界溫度條件下增大的輸出功率。
表1費用比較


表2中示出了是如何通過添加增壓扇而提高發(fā)電站性能的。對于表中的實例，一個增壓扇可以使燃氣輪機的輸出功率提高4MW以上，而只消耗1.24MW的電能。結果是提高電能凈輸出2.8MW。這種簡單分析表明，增壓扇可以顯著提高燃氣輪機的峰值電能輸出。
表2100MW發(fā)電站的電能比較

(假定8CFM/kW，95°F干球，75°F濕球，80％風扇效率，95％風扇電機效率，0.4％的kW/°F變化，0.6％的kW/英寸水壓變化，90％的冷卻效率。)這個表中示出，增壓扇與同步動作的蒸發(fā)冷卻器的組合可以顯著提高燃氣輪機電能輸出。如前所述，向不帶冷卻機構的燃氣輪機添加增壓扇可以提高電能輸出2.80MW。另一方面，向帶有直接蒸發(fā)冷卻器的燃氣輪機添加相同的風扇可以提高4.06MW的功率。因此增壓扇在帶冷卻器時的增加值比不帶冷卻器時的幾乎高50％。這種分析表明，組合系統(tǒng)的效果比單個部分的總和要大，因此特別理想。
表2中顯示出，僅在10英寸的靜壓下就可通過增壓扇獲得顯著的功率提高。在更高靜壓下，可以利用增壓扇獲得更大的功率提高。在許多設施中，最佳增壓可能要超過60英寸的靜壓。
圖7A和7B是通過本發(fā)明可以獲得的燃氣輪機功率提高分析圖。豎直軸線是燃氣輪機壓力比，即燃氣輪機進氣壓力除以大氣壓。水平軸線是質量流參數(shù)，它由下面的公式給出 其中m是燃氣輪機質量流率，δ是壓縮機進氣壓力除以標準大氣壓，θ是壓縮機進氣絕對溫度除以設計絕對溫度。
壓力比是壓縮機排氣壓力除以大氣壓。為了進行這種分析，燃燒器壓降和其他次要因素的作用與壓縮機和燃氣輪機性能組合在一起。(各種成分相匹配的背景知識見于Blathe的《燃氣輪機基礎(Fundamentals of Gas Turbines)》第10章。)壓縮機曲線300顯示了壓縮機在設計條件下的性能，而壓縮機曲線301顯示了峰值進氣溫度下的性能。燃氣輪機曲線302顯示了燃氣輪機在設計條件下的性能，而燃氣輪機曲線303表示峰值進氣溫度下的燃氣輪機性能。壓縮機曲線300和燃氣輪機曲線302的交點確定出設計操作點304。壓縮機曲線301和燃氣輪機曲線303的交點是峰值進氣溫度下的操作點305。操作曲線306顯示了不同進氣溫度下的各個燃氣輪機可行操作點。波動線307是壓縮機穩(wěn)定操作的極限。
在操作點305，燃氣輪機功率相對于設計操作點304顯著降低。更高的進氣溫度將增大空氣的音速，從而減小壓縮機的馬赫數(shù)，并將壓縮機曲線移向圖中的左側。此外，更高的溫度將減小空氣密度，從而進一步降低質量流率。這些變化將導致壓縮機壓力比和質量流率降低，從而減小了可供驅動燃氣輪機的能量。冷卻空氣可以恢復燃氣輪機功率。
圖7B中示出了新系統(tǒng)是如何提高峰值外界溫度下的燃氣輪機功率的。將進入壓縮機的空氣壓縮可以增大燃氣輪機壓力比和壓縮機進氣溫度，從而產(chǎn)生壓縮機曲線310。新的燃氣輪機曲線312反映出略高的溫度。燃氣輪機曲線312和壓縮機曲線310的交點確定出操作點314。這個操作點對應于帶有一個增壓扇而沒有進氣冷卻時的操作。操作曲線318顯示了不同操作壓力下的各個可行操作狀態(tài)。高壓空氣的一個附加益處是提高了空氣密度，這進一步促進了功率的提高。
另一條壓縮機曲線316和燃氣輪機曲線320對應于可以利用蒸發(fā)冷卻器獲得的更低壓縮機進氣溫度。壓縮機曲線316和燃氣輪機曲線320的交點處的操作點322對應于帶有一個增壓扇和進氣冷卻裝置時的操作條件。這種分析表明，通過進氣冷卻和增壓的組合，可以接近燃氣輪機的初始設計功率。燃氣輪機功率的最終極限取決于可被燃氣輪機、發(fā)電機等接受的操作壓力和電能輸出。這些因素通常可以防止增壓扇和進氣冷卻裝置產(chǎn)生比燃氣輪機設計功率輸出顯著更高的燃氣輪機功率輸出。
圖8A中描繪了風扇曲線，以顯示并聯(lián)增壓扇是如何一起工作以產(chǎn)生燃氣輪機進氣壓力范圍的。對于并聯(lián)操作，跨越兩個風扇的壓力相等，而且氣流匯合在一起。前一風扇曲線350表示前一風扇的性能。由于流過燃氣輪機的氣流的進氣壓力只略微變化，因此燃氣輪機曲線356是近乎垂直的。操作點358位于前一風扇曲線350和燃氣輪機曲線356的交點。該操作點358對應于一個風扇運轉時的操作。
后一風扇第一曲線352對應于后一風扇滿速運轉時的性能。風扇曲線364對應于兩個風扇一起運轉時的性能。風扇曲線364與燃氣輪機曲線的交點是操作點366，其對應于兩個風扇一起運轉時的操作點。后一風扇第二曲線354對應于低速時的風扇性能，而風扇曲線360對應于兩個風扇一起運轉時的性能。操作點362表示兩個風扇一起運轉而且后一風扇以低速運轉時的操作條件。
圖8B中示出了兩個類似風扇串聯(lián)時的操作。風扇曲線372對應于只有一個風扇運轉時的操作。風扇曲線和燃氣輪機曲線370的交點表示一個風扇運轉時的操作點。風扇曲線374對應于兩個風扇運轉時的操作。操作點376表示兩個風扇運轉時的燃氣輪機操作。
圖9中示出了可以用于控制增壓器的最大增壓與進氣溫度之間的一種簡單關系?？刂破骺梢岳眠M入壓縮機的空氣溫度調節(jié)增壓器壓力。其結果是一種用于實現(xiàn)最大燃氣輪機性能的非常簡單的控制系統(tǒng)。這種方法可以非常實用地控制處于改裝狀態(tài)下的增壓器，因為它只需要對燃氣輪機發(fā)電站的已有控制裝置作很小改變或不需改變。
更為復雜的控制和操作也落在本發(fā)明的范圍內。例如，另一個優(yōu)選實施例顯示于圖10中，其具有一個環(huán)繞著壓縮機的再循環(huán)系統(tǒng)，用以控制燃氣輪機發(fā)電站421的功率。燃氣輪機發(fā)電站包括一個燃氣輪機系統(tǒng)432和一個發(fā)電機426。燃氣輪機系統(tǒng)432包含燃燒器422、壓縮機420和燃氣輪機424，后面兩個裝置共享一根公共軸430。壓縮機進氣流440進入壓縮機420中并且被壓縮而形成燃燒器進氣流442。燃燒器422加熱氣流442，以形成燃燒器排氣流/燃氣輪機進氣流444，該氣流進入燃氣輪機424中。燃氣輪機424從氣流中吸取能量，而氣流作為排氣446排出。燃氣輪機發(fā)電站還包含結構件、軸承、控制器和其他元件，它們是本技術領域中公知的，因此不再顯示出來。燃氣輪機發(fā)電站還可以包含一個底部氣流循環(huán)系統(tǒng)或多軸結構。
燃氣輪機424驅動壓縮機420和發(fā)電機426，后者也享用軸430。發(fā)電機通過導線436并且經(jīng)過一個變壓器428向公用電網(wǎng)輸送電能。
增壓扇423壓縮風扇進氣流453，以形成進入第一蒸發(fā)冷卻器425的高壓氣流455。第一蒸發(fā)冷卻器425包含一個泵437和一個蒸發(fā)墊435。第一蒸發(fā)冷卻器425冷卻高壓氣流455，以形成壓縮機進氣流440。
增壓扇供應60英寸水壓量級的靜壓，并且優(yōu)選為離心式風扇或軸流式風扇。高壓氣流455和壓縮機進氣流440被限定在能夠承受這種高壓的管道中；后文中將參照圖15、16A、16B、17A和17B描述優(yōu)選的管道結構。
第二蒸發(fā)冷卻器470設在增壓扇423的上游。該蒸發(fā)冷卻器包含一個蒸發(fā)墊434和一個泵436，后者用于將水循環(huán)通過蒸發(fā)墊，以產(chǎn)生一個濕表面，從而在外界氣流451以風扇進氣流453的形式供應到增壓扇423之前通過蒸發(fā)作用而冷卻外界氣流。每個蒸發(fā)冷卻器可以分別包含一個水箱，其帶有一個用于控制水位的浮閥和一個用于泄漏一小部分循環(huán)水以防止鹽分積累的裝置。
各式各樣的蒸發(fā)冷卻器可以從很多制造商那里購買到，因此不再描述冷卻器的結構。此外，雖然示出了直接蒸發(fā)冷卻器，但也可以采用間接蒸發(fā)冷卻器或間接一直接蒸發(fā)冷卻器。
本發(fā)明的一個關鍵特點是，可以構造增壓燃氣輪機和發(fā)電機以及相關設備的相對尺寸。具體地講，發(fā)電機和增壓燃氣輪機的尺寸被這樣構造，即發(fā)電機在夏季峰值條件下以接近滿功率運轉。(與此相反，根據(jù)現(xiàn)有技術中的結構，發(fā)電機和輔助設備基于冬季條件下的滿增壓輸出功率而構造尺寸，此時的進氣溫度通常為40°F或以下，而性能隨著外界溫度升高而從滿輸出功率下降)。因此，本發(fā)明包含用于在低外界溫度下控制燃氣輪機功率的裝置，以防止發(fā)電機過載。
優(yōu)選的結構是，一個控制器460接收來自用于探測發(fā)電機電流的電流傳感器462的電流信號468?？刂破?60中優(yōu)選包含燃氣輪機的額定功率和安全功能，但也可以是一個獨立運行的控制器。電流傳感器優(yōu)選為變流器，在這種情況下，信號采用交流電流的形式。其他可行的傳感器可以用來提供電壓、光學或射頻輸出信號，或者其他類型的輸出信號。
控制器460向氣門450提供氣門控制信號464，以控制熱氣流452的流動，該氣流從燃燒器進氣流442中抽出并循環(huán)通過氣門450而到達壓縮機入口?？刂破?60還分別向泵436和437提供泵控制信號466和467，并向增壓扇423提供風扇控制信號465。本實施例中的風扇和泵的控制可以是簡單的開關控制，當然也可以采用帶有變速驅動器、進氣葉片或變節(jié)距葉片的可變控制。
由于系統(tǒng)的尺寸被構造，以便在夏季峰值氣溫下提供最大燃氣輪機/發(fā)電機性能，因此，隨著溫度下降和燃氣輪機輸出功率增加，發(fā)電機的輸出功率將升高并超過最大設計輸出功率。所以，隨著外界氣溫降低，電流傳感器462將探測到相應的高發(fā)電機電流信號468，并將這個信號傳輸給控制器460?？刂破魇紫茸鞒龇磻?，以停止泵436，從而關閉第二蒸發(fā)冷卻器470，并且使風扇進氣流453達到外界干球溫度。如果外界溫度繼續(xù)下降，則優(yōu)選的控制反應被啟動，以打開氣門450，從而使熱空氣452從壓縮機出口流出而與壓縮機進氣流440混合。隨著外界氣溫進一步降低，氣門將張開得更大，以將發(fā)電機電流限制在夏季峰值性能下產(chǎn)生的電流。
如果外界溫度進一步降低，則控制器460發(fā)出風扇控制信號465和泵控制信號467，以關閉第一蒸發(fā)冷卻器425的增壓扇423和泵437；這些信號將導致完全終止增壓。之后，控制器460可以發(fā)出氣門控制信號464，以關閉氣門450。
根據(jù)本發(fā)明的燃氣輪機系統(tǒng)的另一個替代性優(yōu)選實施例顯示于圖11中。與圖10中所示的實施例類似，一個控制器474接收來自用于探測發(fā)電機電流的電流傳感器462的電流信號468，而且控制器474響應于這個信號而向泵436提供泵控制信號466。然而，控制器474不是通過調節(jié)氣門而將熱壓縮機輸出空氣供應回壓縮機入口中，而是向燃燒器422提供燃燒器控制信號472，以調節(jié)燃燒器輸出，并因此而調節(jié)燃氣輪機輸出。優(yōu)選采用的是，燃氣輪機的額定操作和安全控制功能被集成在控制器474中，但控制器也可以是一個獨立運行的控制器。
圖11所示實施例中使用的控制方法與圖10所示實施例中使用的類似。隨著外界溫度降低并最終引起發(fā)電機輸出電流升高，控制器474作出反應而停止泵436，以關閉第二蒸發(fā)冷卻器470。如果發(fā)電機電流仍高于夏季峰值設計輸出電流，則控制器474作出反應而調節(jié)燃燒器控制信號472，以降低燃燒器422的輸出。在更低的外界溫度下，控制器將同時關閉增壓扇423和第一蒸發(fā)冷卻器425，以使發(fā)電站在沒有任何增壓的情況下運轉。
圖12中示出了本發(fā)明的另一個替代性實施例，其中燃氣輪機輸出是利用一個加熱器調節(jié)壓縮機進氣溫度而控制的?？刂破?84接收來自安置在壓縮機進氣流440中的溫度傳感器488的溫度信號490。控制器484向一個安置在壓縮機入口上游的加熱器480提供加熱器控制信號482，而加熱器向壓縮機420供應熱氣流486。(雖然加熱器的優(yōu)選位置為蒸發(fā)冷卻器的上游，但如果加熱器由可以承受相對高濕度而又不會被過度腐蝕的材料制成，則加熱器也可以安置在蒸發(fā)加熱器470與壓縮機420之間。)加熱器的實施有多種選擇。一種簡單的選擇是使用燃氣燃燒器。第二種選擇是使用帶單獨的液體一空氣熱交換器的鍋爐。第三種選擇是使用從燃氣輪機排氣446回收熱量的熱交換器。(這種選擇能夠提供最佳效率，并因此而在安裝費用不超標時優(yōu)選采用。)電加熱器是第四種選擇，盡管它們因效率低而不優(yōu)選采用。最后，將一部分排氣446吹入壓縮機進氣流440中是低成本的第五種選擇，但它們可能導致壓縮機420或其他元件中出現(xiàn)腐蝕問題。不論采用哪種特定類型，加熱器均應能夠調節(jié)其輸出，以將熱氣流486保持在基本恒定的溫度。
圖12所示實施例中采用的控制方法是保持增壓扇進氣流453的最低溫度。因此，隨著外界氣溫降低，控制器484作出反應而停止泵436，從而關閉蒸發(fā)冷卻器470。如果外界溫度繼續(xù)降低，則控制器484發(fā)出加熱器控制信號482，以接通加熱器480并調節(jié)其輸出，從而維持風扇進氣流453所需的溫度。
圖13中示出了另一個類似的替代性實施例，其特別適合用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站。聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機發(fā)電站506包含一個附加的蒸汽循環(huán)系統(tǒng)498，其利用燃氣輪機424的廢熱產(chǎn)生附加電力。蒸汽循環(huán)系統(tǒng)498包含一個鍋爐504、一個蒸汽燃氣輪機500、一個冷凝器502和一個供水泵503，它們均在一個電路中連接在一起。一個液體一空氣熱交換器491與泵492和熱量回收熱交換器496一起設置在一個流體回路中。泵492將熱傳輸液體512循環(huán)通過熱量回收熱交換器496，以使液體在此從排氣流508吸收熱量。泵從控制器484接收信號494，以調節(jié)熱交換液體512的流動，從而控制進入蒸發(fā)冷卻器470的熱氣流486的溫度。與圖12中的實施例類似，作為控制燃氣輪機進氣溫度的第一步，控制器也能關閉第二蒸發(fā)冷卻器470，之后可以最終關閉所有的增壓器。
(然而，利用排氣流508作為熱源的一個擔心是腐蝕問題，而且需要使用耐腐蝕材料以承受硝酸和可能有的硫酸的存在。一種可能性是各個管道使用塑料，但塑料通常具有相對較低的溫度極限。因此，希望將排氣與外界空氣混合，以降低最高溫度，這樣就可以使用塑料了。直接接觸式液體—空氣熱交換器也是一種選擇。液體中可以含有適宜的中和劑(例如碳酸氫鈉)，以防止酸濃縮的問題。這里同樣希望將排氣流與外界空氣混合，以降低最高操作溫度。)除了在高外界溫度下提高總發(fā)電功率以外，圖13所示系統(tǒng)的結構還能夠提高效率，這是因為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站實際上在高壓縮機進氣溫度下只略微提高效率。另外，雖然圖13中示出了用于回收廢熱的熱傳輸回路，但許多其他結構也是可行的。例如，來自冷凝器502的熱量可以用于加熱進氣流。在排氣流與進氣流之間設置空氣—空氣熱交換器也是一種選擇。
前面描述的圖示實施例代表了本發(fā)明的可行形態(tài)。雖然這些實施例利用發(fā)電機電流或壓縮機進氣溫度作為反饋控制參數(shù)，但也可以利用其他參數(shù)獲得類似的結果。例如，控制器輸入?yún)?shù)可以包含發(fā)電機功率、外界干球溫度、外界濕球溫度、軸扭矩或其他輸入?yún)?shù)。
此外，雖然圖10至13中示出了位于增壓扇上游的第二蒸發(fā)冷卻器，但這個特點只是一種選擇，并且可以取消，而不會顯著改變性能。第二蒸發(fā)冷卻器可以在高外界溫度下增強增壓扇的壓力容量，然而，也會因此而添加一定的附加輸出功率。
使用第一蒸發(fā)冷卻器在某種程度上也是一種選擇，但如果取消的話會顯著損害性能。因此，只有在水和/或空間被嚴格限制的情況下，才希望取消第一蒸發(fā)冷卻器。
最后，對于前面描述的各個實施例，簡單的開關控制是增壓扇的優(yōu)選控制方法。然而，使用變速驅動器或變節(jié)距扇葉的更為復雜的控制也是一種選擇，并且能夠導致一定的能量節(jié)約，但控制燃燒器或進氣溫度也能提供出調節(jié)功率輸出的措施。
圖14中示出了一個優(yōu)選實施例，其采用了一個間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)和一個增壓扇變速驅動器。如圖14所示，一個變速驅動器550從公用電網(wǎng)接受電能，并且向一個感應電機522供應變頻交流電能。感應電機552驅動一根軸554，后者驅動一個增壓扇556。增壓扇抽取外界空氣，并將高壓氣流558供應給冷卻線圈560。冷卻線圈是水一空氣熱交換器，其冷卻空氣，而不向其添加濕度。冷空氣流570從線圈中排出并且進入一個具有前面所述結構的蒸發(fā)冷卻器425中。
冷卻線圈560通過管線562連接著一個泵564和一個冷卻塔566，以構成一個回路，該回路用作間接蒸發(fā)冷卻器。冷卻塔優(yōu)選為強制抽吸濕式塔，其可以將水冷卻到接近外界濕球溫度。
(在適宜水的供應受限的地區(qū)，一種替代性方式是使用干式塔并且取消蒸發(fā)冷卻器。在這種情況下，干式冷卻塔和線圈的組件可以用作外界空氣與增壓扇排氣之間的簡單熱交換器。)其他熱交換器和冷卻器的結構也預期可以采用。例如，冷卻塔和冷卻線圈可以被替換成安置在外界氣流與增壓扇排氣之間的空氣—空氣熱交換器。在這種情況下，一個直接蒸發(fā)冷卻器可以在外界空氣側安置在熱交換器上游，以提供附加的冷卻。雖然這些結構是可行的，但它們并不是優(yōu)選的，因為所需的大熱交換器面積以及兩股氣流之間所需的大壓差將導致需要大型、昂貴的熱交換器。
在冷凍會造成潛在問題的天氣中，管道、冷卻線圈和冷卻塔需要適宜的防凍保護?？尚械奶娲员Ｗo措施包含絕熱和使用加熱器、排空設備，以及在冷卻線圈的鹽水回路中使用水—鹽水熱交換器。(水—鹽水熱交換器可以提供附加的益處，即可以將冷卻線圈與冷卻塔的相關污物隔離開；可以包含適宜的過濾器，以減少系統(tǒng)中的污物，而不需二次循環(huán)。)在這個實施例中，控制器568可以防止燃氣輪機在低外界溫度下過載。控制器568從一個在壓縮機入口處安置在壓縮機進氣流440中的溫度傳感器573接收溫度信號572?？刂破鬟€從一個安置在高壓氣流558中的壓力傳感器575接受壓力信號574。壓力傳感器575可以安置在增壓扇556與燃氣輪機系統(tǒng)432之間的氣流中的任何地方，因為在這一部分中壓力變化很小。
控制器568向變速驅動器550提供速度控制信號578。該信號用于調節(jié)增壓扇的速度，以維持最佳增壓?？刂破鬟€向冷卻塔回路中的泵564提供輸出信號576，并向蒸發(fā)冷卻器中的泵437提供輸出信號580。這兩個輸出信號通?？梢蕴峁┮环N簡單的開關控制。
雖然這個實施例中使用了變頻驅動器控制風扇速度，但也可以采用許多其他調節(jié)風扇輸出的可行方法。其中的實例包括機電式變速驅動器，例如美國專利No.5,947,854和未決臨時專利申請No.60/164590中所描述的；渦電流離合器；直流電機；變節(jié)距扇葉；可變入口葉輪等等。
這個實施例的一個重要優(yōu)點是能夠向燃氣輪機系統(tǒng)供應相對更冷的空氣。進入冷卻塔的空氣的濕球溫度不受從增壓扇輸入的能量的影響。因此，冷卻線圈可以將氣流558冷卻到接近外界濕球溫度的溫度，而不添加任何濕度。之后，蒸發(fā)冷卻器425可以進一步冷卻和濕化氣流。其結果是，同采用單一直接蒸發(fā)冷卻器的情況相比，進入燃氣輪機系統(tǒng)的氣流溫度可以低10°F。這種溫降可以使燃氣輪機的輸出功率提高大約2.5％。由于冷卻塔風扇和泵通常只消耗這種功率增幅的10％，因此這個系統(tǒng)可以獲得2％以上的凈功率增幅。
更為復雜的冷卻系統(tǒng)也是可行的。例如機械式、干燥劑式或吸收式冷卻系統(tǒng)可以替換直接蒸發(fā)冷卻器。使用地下水或低溫湖水或海水是其他選擇。這些系統(tǒng)可以獲得低得多的溫度，從而進一步促進功率的提高。這種方法的缺點是附加冷卻系統(tǒng)會導致復雜性格費用增加。
如前所述，高壓氣流和壓縮機進氣流被限定在能夠承受相對高壓的管道中，圖15中示出了這種管道裝置的優(yōu)選實施例的細節(jié)。一個內管道610布置在一個圓形外管道611內，一個流道612用于平衡在內管道和位于兩個管道之間的空間615中流動的流體壓力。(對于本申請，流體可以是空氣，但管道組件也可以用于輸送任何高壓流體。)優(yōu)選將空間615中充滿流體，或者可以包含多孔材料如玻璃纖維、開孔泡沫塑料等。多孔填充材料的一個優(yōu)點是有助于降低噪聲并且有助于支承管道。
用于平衡跨越內管道的壓差的流道612可以是簡單的一個孔眼，也可以是一系列孔眼，或者由一個多孔表面構成。流道中還可以設有裂縫或其他小開口，這在未封式管道裝置中是常用的。流道612的設計中的重要要求是，它必須能夠通過足夠大的流體流率，以確保在圓形外管道與外界大氣之間發(fā)生泄漏時，不會導致跨越內管道出現(xiàn)過大的壓降。有益的結構是，流道可以包含一個卸壓閥，以減小發(fā)生這種泄漏時對內管道造成的危險。
雖然圖15中示出了矩形內管道，但內管道實際上也可以是除圓形之外的任何形狀，并且可以包含大的平坦表面，而不會出現(xiàn)過高的強度要求。內管道只需要承受壓降、速度壓力、擾動等與通過管道的流體運動相關的因素。
外管道優(yōu)選具有圓形橫截面，以使材料消耗最小化。其他形狀如卵形或橢圓形也可以采用，但它們可以會顯著增大強度要求，因此不優(yōu)選采用。大的圓形管道中可以包含波紋或其他加強結構，以提高剛度并減小管道被到風或意外負載損壞的危險。
用于制造管道的常用材料包含鋼或鋁等金屬。其他可行材料包含塑料、木材、陶瓷等。材料的選擇取決于流過管道的特定流體的強度、成本和相容性等因素。
圖16A和16B中分別示出了用于連接兩個不同尺寸管道的過渡管道的前視圖和剖視圖。一個圓形的圓錐外管道620套在一個四面體或金字塔形內管道612上。一個流道622設在內管道621的壁中，以平衡內管道和位于兩個管道之間的空間623中的流體之間的壓力。這種過渡管道組件可以用作擴散器或流體加速器，這取決于流體的流動方向。另外，盡管圖15、16A和16B中示出了根據(jù)本發(fā)明的高壓管道的基本結構，但本發(fā)明也可以應用在任何特定的管道部位中，包括肘管、T形接頭、轉換管道等。
圖17A和17B中示出了這種管道裝置專用于燃氣輪機增壓器時的情景。圖17A中示出了冷卻器，但沒有增壓器，其中一個直接蒸發(fā)冷卻器630位于一個用于向燃氣輪機入口供應空氣的矩形管道631的端部。矩形管道631被設計得只能夠承受幾英寸水壓或以下的壓差(與外界大氣壓相比)。
圖17B中示出了相應的增壓結構。風扇635可以將空氣靜壓增加到很高的量級-通常為大約60英寸水壓。風扇635連接著擴散管道636的一個端件639。擴散管道連接著一個套著蒸發(fā)冷卻器的直管道637和一個收縮管道638。這些管道中的每個分別包含一個圓形管道，它位于外側并且套著一個矩形內管道。
同現(xiàn)有技術相比，管道裝置的結構可以提供以下幾個明顯的優(yōu)點·同傳統(tǒng)矩形管道相比，材料的重量和成本低；·同與矩形元件一起使用的傳統(tǒng)圓形管道相比，壓降低；·幾何形狀簡單，容易安裝；以及·能夠改裝到低壓管道裝置中，以承受高壓。
這些優(yōu)點對于用在燃氣輪機增壓器中而言特別理想。高壓(接近60英寸水壓)和大管道尺寸(管道直徑為30英尺或以上)產(chǎn)生了對極其堅固的矩形管道的需求，而這種管道需大量的加強材料。本發(fā)明的新式管道結構消除了利用矩形管道承受高氣壓的需要，從而極大地減少材料成本和重量。此外，還允許使用已有的蒸發(fā)冷卻器和相關的管道，從而極大地降低了增壓器的安裝費用。雖然本發(fā)明在用于燃氣輪機增壓器中時特別有吸引力，但它也可以用于空調系統(tǒng)或其他需要移動氣體或液體的工業(yè)和商業(yè)用途中。
圖18中示出了本發(fā)明的一個替代性優(yōu)選實施例，其使用了一個位于燃氣輪機進氣流中的發(fā)霧器。燃氣輪機發(fā)電站121包括一個壓縮機120和一個膨脹器124，它們剛性連接著一根用于驅動發(fā)電機126的軸130。氣流191進入壓縮機，后者壓縮空氣并將空氣供應到燃燒器122中。燃燒器加熱空氣并將空氣供應到膨脹器124中。膨脹器從膨脹的氣體中吸收功，以驅動壓縮機和發(fā)電機。
一個增壓器190安置在燃氣輪機發(fā)電站的上游。增壓器包括一個風扇140、第一發(fā)霧器149和第二發(fā)霧器169，它們安置在一個管道147內。第一發(fā)霧器安置在風扇上游，而第二發(fā)霧器安置在風扇與燃氣輪機之間，風扇140包括一個轂141和扇葉142。風扇剛性安裝在一根電機軸144上。一個電機146驅動電機軸144，并因此而驅動風扇140。風扇優(yōu)選為變節(jié)距軸流式風扇。轂141包含一個用于調節(jié)扇葉142的機構，以調節(jié)風扇輸出壓力和流率。
電機優(yōu)選為三相感應電機或其他電機。另一種選擇是直接從主燃氣輪機驅動風扇，這就消除了對電機的需要。用于風扇的單獨原動機例如第二股氣體、汽輪機或內燃機也是一種選擇，盡管并不是優(yōu)選的。電機的一個重要的優(yōu)點是相對容易安裝到已有的燃氣輪機上。
風扇的輸出為60英寸水壓量級的靜壓。最佳壓力取決于適宜風扇的可用性、燃氣輪機功率和其他因素。
一個如圖18所示的多級軸流式風扇可以獲得這種靜壓。離心式風扇或單級軸流式風扇也是一種選擇。如果使用離心式風扇，則變節(jié)距扇葉通常不是一種選擇，因此變速驅動器是用于控制風扇效率的優(yōu)選措施。其他選擇包括可變入口葉輪或氣門，但它們的效率低。變速風扇也是軸流式風扇的一種替代物。
第一發(fā)霧器149包括第一支管156、第二支管158和第三支管160。每個直管分別具有產(chǎn)生霧162的噴嘴。第一支管從第一泵150接收高壓水。同樣，第二泵152和第三泵154分別向第二和第三支管158和160供應高壓水。泵的輸出壓力優(yōu)選為大約1000至3000psi(磅/英寸2)。一股水流164供應到泵入口中。水優(yōu)選為過濾、脫鹽水。氣流148通過第一發(fā)霧器149抽入管道147中。
第二發(fā)霧器169安置在風扇下游。與第一發(fā)霧器類似，第二發(fā)霧器包括多個支管和泵。第四、第五和第六支管176、178和180分別連接著第四、第五和第六泵170、172和174。高壓水在支管噴嘴中的作用將產(chǎn)生霧182。
發(fā)霧器的設計具有很高程度的靈活性。例如，每個發(fā)霧器中的支管的數(shù)量可以任意選擇。數(shù)量多的支管可以導致容易控制產(chǎn)生的霧量，并且提供出附加的冗余度。另一方面，數(shù)量少的支管可以簡化安裝并且可以降低成本。此外，支管的容量不必相等。
就發(fā)霧器的容量而言，第一發(fā)霧器的尺寸優(yōu)選被構造得能夠確保在風扇出口處具有近乎飽和的空氣。第二發(fā)霧器可以進一步飽和空氣，并且提供額外的濕度，以冷卻壓縮機120內部。添加到氣流中的水的總體質量優(yōu)選能夠使壓縮機入口處的飽和度為空氣質量流率加上大約0至2％。
控制器161控制增壓器190的操作?；痉椒ㄊ窃诘屯饨鐪氐南陆档惋L扇壓力和發(fā)霧量，以防止燃氣輪機發(fā)電站中的發(fā)電機和其他元件過載。風扇進氣溫度傳感器182和風扇排氣溫度傳感器184向控制器輸入信號。隨著外界濕球溫度降低，風扇入口溫度傳感器向控制器提供一個信號，后者提供一個輸出信號以減小扇葉節(jié)距，從而降低風扇功率。此外，低溫意味著需要更少的水以飽和空氣，因此控制器161可以關閉一些用于發(fā)霧器的泵。
當溫度達到結冰點時，第一發(fā)霧器的泵可以關閉，以防止產(chǎn)生冰。在這種條件下，如果發(fā)電機和其他元件的功率適宜的話，第二發(fā)霧器可以保持運轉。
在不能增壓的極低溫度下，風扇和發(fā)霧器也可以關閉，而風扇可以在氣流中自由旋轉。一個設置在風扇旁邊的旁通支管可以用于在這種狀態(tài)下降低到達燃氣輪機時的壓降。
這種基本實施例有多種改型。例如，在燃氣輪機的壓縮機對水的特別敏感的情況下，第二發(fā)霧器可以省略。在這種情況下，控制器可以調節(jié)第一發(fā)霧器的發(fā)霧量，以確保在水滴到達燃氣輪機之前將它們完全蒸發(fā)掉。
另一種選擇是，盡管并不是優(yōu)選的，取消第一發(fā)霧器。如果提高第二發(fā)霧器的功率以作出補償，則這種變化只會對性能造成非常小的影響。
在選定風扇時可以有很多種選擇。例如，多重風扇對于某些應用而言可能是理想的。多重風扇可以提供出冗余度，以提高系統(tǒng)的可靠性。它們還能通過使用通用件而降低費用，并且可以實現(xiàn)更為復雜的控制選擇。
固定風扇輸出是另一種簡單的替代性控制方法。在發(fā)電機的尺寸被構造得能夠在額定運行狀態(tài)下承受燃氣輪機全額輸出時，這種方法可以作為一種選擇。在另一燃氣輪機功率控制裝置例如燃燒器輸出調節(jié)裝置或進氣流加熱裝置能夠防止發(fā)電機和其他元件過載的情況下，也可以選擇這種方法。
與傳統(tǒng)燃氣輪機發(fā)電站一樣，這種系統(tǒng)中通常設有過濾器和消音器。風扇和發(fā)霧器的操作通常不會受到塵土的影響，因此過濾器的安置位置主要考慮方便性。霧滴會在一定程度上增大過濾器的壓降，因此優(yōu)選的位置通常是在發(fā)霧器的上游。一個消音器優(yōu)選安置在風扇上游，以防止發(fā)出噪聲。
這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)大量級的功率增加。對于帶有效率為90％而增壓效果為60英寸水壓的傳統(tǒng)蒸發(fā)墊的傳統(tǒng)增壓器，功率可以提高20至30％。發(fā)霧冷卻可以導致功率額外提高最多10％。此外，發(fā)霧可以有效地提供100％的蒸發(fā)效率，并且降低風扇理論動力消耗幾個百分點。所產(chǎn)生的系統(tǒng)可以容易地實現(xiàn)功率提高20至40％或以上，具體數(shù)值取決于氣候和燃氣輪機發(fā)電站的特定結構限制。
本實施例的優(yōu)點本發(fā)明的這個優(yōu)選實施例具有以下若干重要優(yōu)點1)大量提高功率系統(tǒng)可以使大多數(shù)燃氣輪機實現(xiàn)20-40％的效率提高。
2)低成本風扇和發(fā)霧器的成本遠低于新增燃氣輪機功率所需的費用。
3)結構緊湊取消了傳統(tǒng)增壓器所需的大蒸發(fā)墊，極大地減小了蒸發(fā)冷卻器和相關管道裝置的尺寸和成本。
4)容易改裝系統(tǒng)的小尺寸和能夠用于已有發(fā)電機使之能夠安裝在已有的燃氣輪機上。
5)改進控制控制裝置使得系統(tǒng)能夠在寬廣范圍內的外界條件下與燃氣輪機發(fā)電站的功率相匹配。
6)降低風扇能耗第一發(fā)霧器產(chǎn)生的霧能夠冷卻流經(jīng)風扇的空氣，從而降低了對于給定增壓和質量流率所需的風扇理論能耗。
7)簡易性本發(fā)明只使用少量簡單的元件。
8)可靠性系統(tǒng)中使用被證明具有良好可靠性的元件。此外，燃氣輪機發(fā)電站在發(fā)出元件故障或其他問題的情況下，不需要增壓器就能夠連續(xù)運轉。
總體而言，燃氣輪機的增壓系統(tǒng)的優(yōu)點是顯著和大量的。其中最重要的優(yōu)點有·在高外界溫度下大量提高燃氣輪機功率；·即使是在潮濕天氣中也能夠實現(xiàn)大量級的功率提高；·安裝成本低；·結構簡單；·結構緊湊；·可以實現(xiàn)柔性控制；
·可以改裝在已有的燃氣輪機上；·旁通氣門使得燃氣輪機能夠在沒有增壓扇的情況下運轉；·多重風扇和氣門提供了可靠操作的冗余度；·吹風機和冷卻裝置同步運行，以實現(xiàn)大量級的功率提高。
總而言之，這種系統(tǒng)代表了燃氣輪機技術的重要突破。它的簡便性和低成本使之針對目前在高外界溫度下面臨嚴重性能代價的發(fā)電應用而言極為理想。雖然前面如此描述了本發(fā)明，但對于本領域的普通技術人員而言，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，顯然可以對它作出各種方式的改變。任何以及所有這樣的改變均被認為覆蓋在附屬權利求書中的范圍內。
權利要求
1.一種增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，上述系統(tǒng)包括一個燃氣輪機子系統(tǒng)和一個發(fā)電機，上述燃氣輪機子系統(tǒng)包括一個壓縮機、一個燃燒器和一個燃氣輪機，其中一股燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流被上述壓縮機壓縮，被上述燃燒器加熱，再膨脹流過上述燃氣輪機，以導致上述燃氣輪機旋轉，從而使上述燃氣輪機驅動上述發(fā)電機發(fā)出電能；一個增壓子系統(tǒng)，其包括至少一個增壓扇，用以提高上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的壓力，從而使得上述燃氣輪機的功率輸出以及上述發(fā)電機的電力輸出可以增加；以及一個系統(tǒng)控制器；其中，上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測至少一個系統(tǒng)參數(shù)并且控制至少一個系統(tǒng)元件的操作，從而隨著外界溫度下降，使得在其他形態(tài)下會隨外界溫度降低而增加的燃氣輪機功率輸出不會超過最大增壓狀態(tài)下的夏季峰值功率輸出。
2.如權利要求1所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的溫度。
3.如權利要求2所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器以上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的溫度的函數(shù)的方式控制上述至少一個增壓扇的操作。
4.如權利要求1所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的壓力。
5.如權利要求4所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器以上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的壓力的函數(shù)的方式控制上述至少一個增壓扇的操作。
6.如權利要求1所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)包括兩個或多個并聯(lián)布置的增壓扇，上述增壓扇對一個增壓室加壓，上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流是從上述增壓室中抽取的，上述增壓室具有一個旁通氣門，以使上述系統(tǒng)在上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流未被增壓扇增壓的情況下能夠運轉。
7.如權利要求1所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)包括兩個或多個串聯(lián)布置的增壓扇。
8.如權利要求1所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述增壓子系統(tǒng)包括第一空氣冷卻器，其布置在上述至少一個增壓扇與上述燃氣輪機子系統(tǒng)之間，用于冷卻上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流。
9.如權利要求8所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述第一空氣冷卻器包括一個直接蒸發(fā)冷卻器。
10.如權利要求8所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，一股二級氣流從上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流中抽出，并且回流經(jīng)過上述第一空氣冷卻器，以加強上述第一空氣冷卻器的冷卻效果。
11.如權利要求8所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器以上述至少一個監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)的方式控制上述第一空氣冷卻器的操作。
12.如權利要求11所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述第一空氣冷卻器是一個直接蒸發(fā)冷卻器，上述直接蒸發(fā)冷卻器布置在一個回路中，上述回路包含一個泵和一個冷卻塔。
13.如權利要求12所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述冷卻塔是強制抽吸濕式塔。
14.如權利要求11所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，還包括布置在上述至少一個增壓扇上游的第二空氣冷卻器，其中上述系統(tǒng)控制器以上述至少一個監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)的方式控制上述第二空氣冷卻器的操作。
15.如權利要求1所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測外界氣溫。
16.如權利要求15所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器以外界氣溫的函數(shù)的方式控制上述至少一個增壓扇的操作。
17.如權利要求1所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測上述發(fā)電機的電力輸出，并且以上述電力輸出的函數(shù)的方式控制至少一個系統(tǒng)元件的操作。
18.如權利要求1所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，一個再循環(huán)流動系統(tǒng)將壓縮機排氣流的一部分輸送到上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流中，而且上述系統(tǒng)控制器以上述至少一個監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)的方式控制上述再循環(huán)流動系統(tǒng)的操作。
19.如權利要求1所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器以上述至少一個監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)的方式控制上述燃燒器的操作。
20.如權利要求1所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)還包括一個安置在上述壓縮機上游的氣流加熱器，而且上述系統(tǒng)控制器以上述至少一個監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)的方式控制上述氣流加熱器的操作。
21.如權利要求20所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的溫度，并且以上述溫度的函數(shù)的方式控制上述氣流加熱器的操作。
22.如權利要求20所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述氣流加熱器包括第一熱交換器，其用于使一股熱交換流體從中循環(huán)通過，上述熱交換器流體循環(huán)通過第二熱交換器，在此上述熱交換流體從上述燃氣輪機吸收熱量。
23.如權利要求22所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)包括一個聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站，并且還包含一個輔助氣流循環(huán)子系統(tǒng)，上述輔助氣流循環(huán)子系統(tǒng)利用來自上述燃氣輪機的廢熱產(chǎn)生附加的電能。
24.如權利要求1所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述增壓子系統(tǒng)包括一個變速驅動器，其驅動上述至少一個增壓扇。
25.如權利要求1所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述燃氣輪機子系統(tǒng)和上述發(fā)電機是預先存在的，而上述增壓子系統(tǒng)和上述系統(tǒng)控制器是通過改裝提供的。
26.一種用在增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)中的增壓子系統(tǒng)，上述增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)包括一個燃氣輪機子系統(tǒng)和一個發(fā)電機，上述燃氣輪機子系統(tǒng)包括一個壓縮機、一個燃燒器和一個燃氣輪機，其中一股燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流被上述壓縮機壓縮，被上述燃燒器加熱，再膨脹流過上述燃氣輪機，以導致上述燃氣輪機旋轉，從而使上述燃氣輪機驅動上述發(fā)電機發(fā)出電能，上述增壓子系統(tǒng)包括至少一個增壓扇，其用于提高上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的壓力，從而使得上述燃氣輪機的功率輸出以及上述發(fā)電機的電力輸出可以增加；以及一個系統(tǒng)控制器；其中，上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測至少一個系統(tǒng)參數(shù)并且控制至少一個系統(tǒng)元件的操作，從而隨著外界溫度下降，使得在其他形態(tài)下會隨外界溫度降低而增加的燃氣輪機功率輸出不會超過最大增壓狀態(tài)下的夏季峰值功率輸出。
27.如權利要求26所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的溫度。
28.如權利要求27所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器以上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的溫度的函數(shù)的方式控制上述至少一個增壓扇的操作。
29.如權利要求26所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的壓力。
30.如權利要求29所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器以上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的壓力的函數(shù)的方式控制上述至少一個增壓扇的操作。
31.如權利要求26所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)包括兩個或多個并聯(lián)布置的增壓扇，上述增壓扇對一個增壓室加壓，上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流是從上述增壓室抽取的，上述增壓室具有一個旁通氣門，以使上述系統(tǒng)在上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流未被增壓扇增壓的情況下能夠運轉。
32.如權利要求26所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)包括兩個或多個串聯(lián)布置的增壓扇。
33.如權利要求26所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述增壓子系統(tǒng)包括第一空氣冷卻器，其布置在上述至少一個增壓扇與上述燃氣輪機子系統(tǒng)之間，用于冷卻上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流。
34.如權利要求33所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述第一空氣冷卻器包括一個直接蒸發(fā)冷卻器。
35.如權利要求33所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，一股二級氣流從上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流中抽出，并且回流經(jīng)過上述第一空氣冷卻器，以加強上述第一空氣冷卻器的冷卻效果。
36.如權利要求33所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器以上述至少一個監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)的方式控制上述第一空氣冷卻器的操作。
37.如權利要求36所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述第一空氣冷卻器是一個直接蒸發(fā)冷卻器，上述直接蒸發(fā)冷卻器布置在一個回路中，上述回路包含一個泵和一個冷卻塔。
38.如權利要求37所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述冷卻塔是強制抽吸濕式塔。
39.如權利要求36所述的增壓子系統(tǒng)，還包括布置在上述至少一個增壓扇上游的第二空氣冷卻器，其中上述系統(tǒng)控制器以上述至少一個監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)的方式控制上述第二空氣冷卻器的操作。
40.如權利要求26所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測外界氣溫。
41.如權利要求40所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器以外界氣溫的函數(shù)的方式控制上述至少一個增壓扇的操作。
42.如權利要求26所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測上述發(fā)電機的電力輸出，并且以上述電力輸出的函數(shù)的方式控制至少一個系統(tǒng)元件的操作。
43.如權利要求26所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，一個再循環(huán)流動系統(tǒng)將壓縮機排氣流的一部分輸送到上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流中，而且上述系統(tǒng)控制器以上述至少一個監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)的方式控制上述再循環(huán)流動系統(tǒng)的操作。
44.如權利要求26所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器以上述至少一個監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)的方式控制上述燃燒器的操作。
45.如權利要求26所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述子系統(tǒng)還包括一個安置在上述壓縮機上游的氣流加熱器，而且上述系統(tǒng)控制器以上述至少一個監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)的方式控制上述氣流加熱器的操作。
46.如權利要求45所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的溫度，并且以上述溫度的函數(shù)的方式控制上述氣流加熱器的操作。
47.如權利要求45所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述氣流加熱器包括第一熱交換器，其用于使一股熱交換流體從中循環(huán)通過，上述熱交換器流體循環(huán)通過第二熱交換器，在此上述熱交換流體從上述燃氣輪機吸收熱量。
48.如權利要求26所述的增壓子系統(tǒng)，其特征在于，上述增壓子系統(tǒng)包括一個變速驅動器，其驅動上述至少一個增壓扇。
49.一種操作增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)的方法，該方法包括監(jiān)測至少一個系統(tǒng)參數(shù)并且控制至少一個系統(tǒng)元件的操作，從而隨著外界溫度下降，使得上述燃氣輪機系統(tǒng)的功率輸出不會超過上述系統(tǒng)在最大增壓狀態(tài)下的夏季峰值功率輸出。
50.一種用于輸送高壓流體的管道，該管道包括一個內管道，其布置在一個外管道中，上述內管道具有多邊形橫截面，而上述外管道具有弧形橫截面，上述內管道和上述外管道之間形成了一個空間，上述內管道具有一個位于其壁中的流道，以提供流體連通功能并且平衡上述內管道內部與上述空間之間的壓力。
51.如權利要求50所述的管道，其特征在于，上述內管道具有矩形橫截面。
52.如權利要求51所述的管道，其特征在于，上述管道是一個流量擴散或流量加速管道，而上述內管道具有四面體或金字塔形橫截面。
53.如權利要求50所述的管道，其特征在于，上述外管道具有圓形橫截面。
54.如權利要求53所述的管道，其特征在于，上述流量擴散或流量加速管道和上述外管道具有圓錐形橫截面。
55.如權利要求50所述的管道，其特征在于，上述流道是由選自下面一組中的裝置形成的一個孔眼、一系列孔眼和一個多孔表面。
56.如權利要求50所述的管道，其特征在于，上述空間中充有流體或多孔材料。
57.如權利要求50所述的管道，其特征在于，上述內管道通過上述外管道中的與上述內管道咬合的內表面而支承在上述外管道中。
58.一種增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個燃氣輪機子系統(tǒng)和一個發(fā)電機，上述燃氣輪機子系統(tǒng)包括一個壓縮機、一個燃燒器和一個燃氣輪機，其中一股燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流被上述壓縮機壓縮，被上述燃燒器加熱，再膨脹流過上述燃氣輪機，以導致上述燃氣輪機旋轉，從而使上述燃氣輪機驅動上述發(fā)電機發(fā)出電能；一個增壓子系統(tǒng)，其包括至少一個增壓扇，用以提高上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的壓力，從而使得上述燃氣輪機的功率輸出以及上述發(fā)電機的電力輸出可以增加；一個系統(tǒng)控制器；其中上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測至少一個系統(tǒng)參數(shù)并且控制至少一個系統(tǒng)元件的操作，從而隨著外界溫度下降，使得在其他形態(tài)下會隨外界溫度降低而增加的燃氣輪機功率輸出不會超過最大增壓狀態(tài)下的夏季峰值功率輸出；以及一個管道，其用于輸送高壓氣流通過上述系統(tǒng)，上述管道包括一個內管道，其布置在一個外管道中，上述內管道具有多邊形橫截面，而上述外管道具有弧形橫截面，上述內管道和上述外管道之間形成了一個空間，上述內管道具有一個位于其壁中的流道，以提供流體連通功能并且平衡上述內管道內部與上述空間之間的壓力。
59.一種增壓式燃氣輪機發(fā)電站，其包括一個燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)，其包含一個壓縮機、一個燃燒器和一個燃氣輪機，其中供應到上述發(fā)電系統(tǒng)中的一股進氣流被上述壓縮機壓縮，被上述燃燒器加熱，再膨脹流過上述燃氣輪機，以導致上述燃氣輪機旋轉，從而使上述燃氣輪機驅動一個發(fā)電機發(fā)出電能；以及多個增壓扇，它們安置在上述發(fā)電系統(tǒng)的上游，以提高供應到上述發(fā)電站中的上述進氣流的壓力。
60.如權利要求59所述的增壓器，其特征在于，上述多個增壓扇處于并聯(lián)流動形態(tài)。
61.如權利要求60所述的增壓器，還包括用于防止空氣從上述燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)中流走的裝置，用于在增壓扇不運行時防止空氣從上述燃氣輪機中流走。
62.如權利要求61所述的增壓器，其特征在于，上述多個增壓扇具有不同的流量。
63.如權利要求62所述的增壓器，還包括一個控制器，其控制上述增壓扇的操作，從而在低外界溫度下限制燃氣輪機的功率。
64.如權利要求63所述的增壓器，還包括響應于來自上述控制器的信號而改變至少一個增壓扇的流量的裝置。
65.如權利要求64所述的增壓器，其特征在于，上述改變流量的裝置包括用于改變上述至少一個增壓扇的速度的裝置。
66.如權利要求59所述的增壓器，還包括一個在上述增壓扇與上述燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)之間安置在氣流中的空氣冷卻器。
67.如權利要求59所述的增壓器，其特征在于，上述多個增壓扇處于串聯(lián)流動形態(tài)。
68.如權利要求67所述的增壓器，其特征在于，上述增壓扇是軸流式風扇。
69.如權利要求68所述的增壓器，還包括一個控制器，其控制上述風扇的操作，從而在低外界溫度下限制燃氣輪機的功率。
70.如權利要求67所述的增壓器，其特征在于，上述多個增壓扇具有幾乎相等的流量。
71.如權利要求69所述的增壓器，還包括響應于來自上述控制器的信號而改變至少一個增壓扇的流量的裝置。
72.如權利要求71所述的增壓器，其特征在于，上述改變流量的裝置包括用于改變風扇速度的裝置。
73.如權利要求72所述的增壓器，其特征在于，上述改變流量的裝置包括用于改變扇葉節(jié)距的裝置。
74.如權利要求59所述的增壓器，還包括一個旁通氣門，其能夠在上述增壓扇不運轉時使空氣從增壓扇旁邊流過。
75.如權利要求59所述的增壓器，還包括一個圓形管道，其在上述增壓扇與上述燃氣輪機發(fā)電站之間提供了一個流道。
76.一種增壓式燃氣輪機發(fā)電站，上述發(fā)電站具有一個燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)，其包含一個壓縮機、一個燃燒器和一個燃氣輪機，其中供應到上述發(fā)電系統(tǒng)中的一股進氣流被上述壓縮機壓縮，被上述燃燒器加熱，再膨脹流過上述燃氣輪機，以導致上述燃氣輪機旋轉，從而使上述燃氣輪機驅動一個發(fā)電機發(fā)出電能；還具有一個增壓系統(tǒng)，其用于提高輸送到壓縮機中的進氣流的壓力，從而向壓縮機供應高壓進氣流，上述增壓式燃氣輪機發(fā)電站的改進之處在于包括一個具有圓形橫截面區(qū)域的管道，其在上述增壓系統(tǒng)與上述燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)之間提供出一個用于上述高壓進氣流的流道。
77.一種增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，上述系統(tǒng)包括一個燃氣輪機子系統(tǒng)和一個發(fā)電機，上述燃氣輪機子系統(tǒng)包括一個壓縮機、一個燃燒器和一個燃氣輪機，其中一股燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流被上述壓縮機壓縮，被上述燃燒器加熱，再膨脹流過上述燃氣輪機，以導致上述燃氣輪機旋轉，從而使上述燃氣輪機驅動上述發(fā)電機發(fā)出電能；一個增壓子系統(tǒng)，其包括至少一個增壓扇，用以提高上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的壓力，從而使得上述燃氣輪機的功率輸出以及上述發(fā)電機的電力輸出可以增加；以及至少一個發(fā)霧器，其安置在上述燃氣輪機子系統(tǒng)進氣流的上游，以提供出一個霧源，用于在上述進氣流被輸入到上述壓縮機之前對其濕化和冷卻。
78.如權利要求77所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述至少一個發(fā)霧器安置在上述風扇的上游。
79.如權利要求77所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，其特征在于，上述至少一個發(fā)霧器安置在上述風扇與上述壓縮機之間。
80.如權利要求77所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，還包括第二發(fā)霧器，其中上述至少一個發(fā)霧器安置在上述風扇的上游，上述第二發(fā)霧器安置在上述風扇與上述壓縮機之間。
81.如權利要求77所述的增壓式發(fā)電燃氣輪機系統(tǒng)，還包括一個系統(tǒng)控制器；其中上述系統(tǒng)控制器監(jiān)測至少一個系統(tǒng)參數(shù)并且控制上述至少一個發(fā)霧器的操作，從而隨著外界溫度下降，使得在其他形態(tài)下會隨外界溫度降低而增加的燃氣輪機功率輸出不會超過最大增壓狀態(tài)下的夏季峰值功率輸出。
全文摘要
一種用于燃氣輪機發(fā)電站(11)的增壓系統(tǒng)。系統(tǒng)包含一個增壓扇(30,32)和一個控制器(50),控制器用于限制燃氣輪機的功率輸出,以防止發(fā)電機(28)在低外界溫度下過載?？刂破骺梢酝ㄟ^燃燒器控制、進氣溫度控制、增壓扇壓力控制以及其他選擇控制項目而限制功率輸出。系統(tǒng)可以改裝到已有燃氣輪機上,而不需要更換發(fā)電機和相關部件。
文檔編號F02C7/08GK1355869SQ00808727
公開日2002年6月26日 申請日期2000年6月9日 優(yōu)先權日1999年6月10日
發(fā)明者威廉·L·科普科 申請人:渦輪動力輸出控股有限責任公司