用于渦輪組件的裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及用于渦輪組件的裝置。提供一種燃氣渦輪組件(100)。燃氣渦輪組件包括第一過濾室(130)和定位在第一過濾室下游的第二過濾室(110)。第一過濾室包括第一熱交換器(140)，第一熱交換器(140)構造成通過在第一熱交換器處于第一操作模式時冷卻被導引經(jīng)過其中的空氣(105)，以及通過在第一熱交換器處于第二操作模式時加熱空氣，從而控制空氣的溫度。第二過濾室包括構造成冷卻從第一熱交換器導引的空氣的第二熱交換器(120)。
【專利說明】用于渦輪組件的裝置
【技術領域】
[0001]本公開的領域大體涉及渦輪組件，并且更具體地，涉及用于控制燃氣渦輪的壓縮機進口空氣的溫度以有利于改進渦輪的功率輸出和/或效率的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002]諸如燃氣渦輪的旋轉(zhuǎn)機器常常用來為發(fā)電機產(chǎn)生功率。例如，燃氣渦輪具有工作流體路徑，其典型地包括處于連續(xù)流關系的空氣進口、壓縮機、燃燒器、渦輪和氣體出口。壓縮機和渦輪區(qū)段包括至少一排定位在殼體內(nèi)的沿周向隔開的旋轉(zhuǎn)動葉或葉片。至少一些已知的渦輪發(fā)動機用于聯(lián)合發(fā)電設施和發(fā)電廠。
[0003]一般而言，燃氣渦輪在正常操作期間使用進口空氣用于燃燒目的。進口空氣被抽送經(jīng)過過濾室，并且朝向壓縮機，其中，壓縮機排出空氣與燃料混合，并且在燃燒器中點燃。因為燃氣渦輪是容積恒定的吸氣發(fā)動機，所以進口空氣的許多因素和特征，諸如進口空氣的溫度、壓力和/或濕度，可影響燃氣渦輪系統(tǒng)的功率輸出和整體效率。例如，當進口空氣的溫度低時，其密度增大，從而導致較高的質(zhì)量流率流經(jīng)燃氣渦輪。在這樣的操作條件期間，渦輪發(fā)動機的功率輸出和整體效率提高。
[0004]至少一些已知的渦輪組件使用蒸發(fā)冷卻或使用冷卻盤管來降低被向壓縮機導引的空氣的溫度。蒸發(fā)冷卻通過使水的蒸發(fā)來降低空氣的溫度，并且熱在流經(jīng)冷卻盤管的工作流體和進口空氣之間傳遞。但是，蒸發(fā)冷卻的有效性是周圍空氣的濕度的函數(shù)，而且其有效性在具有高的相對濕度的氣候中可顯著降低。此外，如果冷卻盤管安裝在空氣過濾器上游，并且進口空氣被冷卻到低于其露點，則飽和空氣與進口空氣中的微?；旌稀ｏ柡涂諝夂臀⒘５幕旌衔锟啥氯諝膺^濾器并使燃氣渦輪失誤，這起因于由被堵塞的過濾器引起的大的壓降。
實用新型內(nèi)容
[0005]一方面，提供一種操作渦輪組件的方法。該方法包括在過濾室處接收空氣流，過濾室包括第一熱交換器。第一熱交換器通過下者中的一個來控制空氣的溫度:選擇性地冷卻空氣以及選擇性地加熱空氣。然后空氣從第一熱交換器導引到第二熱交換器，以有利于冷卻空氣。
[0006]另一方面，提供一種用于渦輪組件的裝置。該裝置包括第一熱交換器和第二熱交換器。第一熱交換器構造成控制流到渦輪組件中的空氣的溫度，這是通過在第一熱交換器處于第一操作模式時冷卻空氣，以及通過在第一熱交換器處于第二操作模式時加熱空氣。第二熱交換器聯(lián)接在第一熱交換器下游，并且構造成冷卻從第一熱交換器導引的空氣。
[0007]又一方面，提供一種燃氣渦輪組件。該燃氣渦輪組件包括第一過濾室和定位在第一過濾室下游的第二過濾室。第一過濾室包括第一熱交換器，其構造成控制導引經(jīng)過該處的空氣的溫度，這是通過在第一熱交換器處于第一操作模式時冷卻空氣，以及通過在第一熱交換器處于第二操作模式時加熱空氣。第二過濾室包括構造成冷卻從第一熱交換器導引 的空氣的第二熱交換器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是示例性燃氣渦輪功率系統(tǒng)的示意圖。
[0009]圖2是可用于圖1中顯示的功率系統(tǒng)的示例性過濾系統(tǒng)的示意圖。
[0010]圖3是流經(jīng)圖2中顯示的過濾系統(tǒng)的空氣的示例性濕度圖。
[0011]部件列表
[0012]100燃氣渦輪功率系統(tǒng)
[0013]105 進 口空氣
[0014]110現(xiàn)有的過濾室
[0015]115過濾器
[0016]120蒸發(fā)冷卻器或噴霧器
[0017]130過濾室延伸部
[0018]135預過濾器
[0019]138擺動板
[0020]140入口冷卻/加熱盤管
[0021]145旁通窗
[0022]148旁通促動器
[0023]150天氣罩
[0024]155漂浮物清除器
[0025]160壓縮機
[0026]165壓縮空氣
[0027]170燃燒器
[0028]175熱氣體
[0029]180燃氣渦輪
[0030]185熱排氣混合物
[0031]188發(fā)電機
[0032]190旁通系統(tǒng)
[0033]195旁通空氣
[0034]200過濾系統(tǒng)
[0035]305 路徑
[0036]310 路徑
[0037]315 路徑
[0038]320 路徑
[0039]325 路徑
[0040]400控制閥
[0041]405隔離閥
[0042]410激冷水源
[0043]415 熱水源。【具體實施方式】
[0044]本公開的實施例涉及渦輪組件，并且更具體地，涉及用于控制用于渦輪組件的進口空氣的溫度的方法和裝置。更具體地，本公開的實施例涉及可與蒸發(fā)冷卻器結(jié)合起來使用以有利于控制壓縮機進口空氣的溫度的熱交換器。在一個實施例中，熱交換器包括在蒸發(fā)冷卻器上游的入口冷卻/加熱盤管，以在熱天期間補充進口空氣冷卻，在燃氣渦輪的部分負載操作期間加熱進口空氣，以及有利于防止在冷天期間在過濾室和壓縮機中的冰塊積聚物。更具體地，在示例性實施例中，熱交換器定位在現(xiàn)有過濾室上游，使得熱交換器可作為新的延伸部安裝(即改型)到現(xiàn)有過濾室，而不需要使燃氣渦輪停機以及更換過濾室中的現(xiàn)有蒸發(fā)冷卻器。
[0045]如1988 年 ASME 出版的作者為 R.S.Johnson 的文章“The Theory and operationof Evaporative Coolers for Industrial Gas Turbine Installation，，中所描述的那樣，進口空氣的濕球(WB)溫度限制蒸發(fā)冷卻器的冷卻能力。蒸發(fā)冷卻是絕熱過程，因為必須添加熱來使水蒸發(fā)。在蒸發(fā)冷卻期間，進口空氣對水供熱，從而降低空氣的干球(DB)溫度，即，明顯的冷卻。隨著進口空氣的DB溫度降低，WB溫度保持恒定。因此，DB溫度的最大降幅是進口空氣的DB溫度和WB溫度之間的差異。如果空氣冷卻到WB溫度，則它變得飽和，而且該過程將是100%有效的，這僅可在理論上實現(xiàn)。有效性被定義為進入和離開蒸發(fā)冷卻器的空氣的DB溫度之間的差異除以進入蒸發(fā)冷卻器的空氣的DB溫度和WB溫度之間的差異。典型地，蒸發(fā)冷卻器的有效性在80%至95%之間，這取決于蒸發(fā)冷卻器結(jié)構和構造。由于進口空氣的DB溫度和WB溫度在一天當中持續(xù)地變化，所以燃氣渦輪的功率輸出也因此改變。
[0046]在示例性實施例中，盤管安裝在壓縮機進口空氣的流路內(nèi)，并且其被供應流體，使得熱在流經(jīng)盤管的流體和進口空氣之間傳遞。工作流體可為水、水和防凍劑的混合物，或制冷劑。因而，盤管可用來保持供應到壓縮機的進口空氣的基本恒定的溫度，使得燃氣渦輪的功率輸出同樣仍然是基本恒定的，而不管周圍空氣條件如何。因此，通過使得能夠以高度確定性控制燃氣渦輪功率輸出來對設備操作者提供有價值的商業(yè)優(yōu)勢。當壓縮機入口空氣冷卻到大約45° F或大約50° F(大體低于進口空氣露點)時，燃氣渦輪的功率輸出在暖和的天氣中得到優(yōu)化。在這種實施例中，具有至少98%的濕度比的飽和空氣包含由空氣傳播的冷凝物。水分分離器或漂浮物清除器可安裝在冷卻盤管下游，以從進口空氣中移除由空氣傳播的水滴，以有利于防止壓縮機葉片受損。
[0047]大體上，可用冷卻盤管代替已經(jīng)安裝的蒸發(fā)冷卻器，以使壓縮機入口空氣溫度降低得超過已知蒸發(fā)冷卻器的容量。這種代替代價高昂，因為這需要使燃氣渦輪停工一周或兩周，拆除蒸發(fā)冷卻器，以及修改空氣進口裝置，以使其適應新的冷卻盤管。因而，冷卻/加熱盤管和蒸發(fā)冷卻器的組合有利于補償已知蒸發(fā)冷卻器的冷卻能力限制，以及有利于獲得基本恒定的較低的壓縮機入口空氣溫度，以在燃氣渦輪中實現(xiàn)較高的功率輸出和效率。
[0048]圖1是示例性燃氣渦輪功率系統(tǒng)100的示意圖。在示例性實施例中，燃氣渦輪功率系統(tǒng)100包括處于連續(xù)流關系的過濾系統(tǒng)200、軸向流壓縮機160、燃燒器170和燃氣渦輪180。進口空氣105在過濾系統(tǒng)200中過濾，并且被引導到軸向流壓縮機160。進口空氣105處于周圍空氣溫度。壓縮空氣165被引導到燃燒器170，在那里，燃料與壓縮空氣165一起噴射，用于燃燒目的。熱氣體175從燃燒器170中排出，并且被引導到燃氣渦輪180，在那里，熱氣體175的熱能轉(zhuǎn)化成功。功的一部分用來驅(qū)動壓縮機160，且剩余部分用來驅(qū)動發(fā)電機188以產(chǎn)生電功率。熱排氣混合物185從燃氣渦輪180中排出，并且被導引到大氣或熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)(未顯示)。
[0049]圖2是可用于燃氣渦輪功率系統(tǒng)100的過濾系統(tǒng)200的示意圖。在示例性實施例中，過濾系統(tǒng)200包括過濾室延伸部130、定位在過濾室延伸部130下游的現(xiàn)有過濾室110、以及定位在它們之間的旁通系統(tǒng)190。更具體地，過濾室延伸部130構建成與現(xiàn)有過濾室110隔開，使得過濾室延伸部130的結(jié)構不會不利地影響燃氣渦輪180的操作。在示例性實施例中，過濾室延伸部130包括天氣罩150、預過濾器135和入口空氣冷卻/加熱盤管140?，F(xiàn)有過濾室110包括過濾器115、蒸發(fā)冷卻器或噴霧器120以及漂浮物清除器155。旁通系統(tǒng)190包括旁通窗145，其聯(lián)接到用于選擇性地打開和關閉旁通窗145的旁通促動器148。
[0050]在操作期間，在被引導到壓縮機160之前，進口空氣105被引導經(jīng)過預過濾器135、入口空氣冷卻/加熱盤管140、空氣過濾器115和蒸發(fā)冷卻器或噴霧器120(在圖1中顯示)。由預過濾器135移除包含在進口空氣105內(nèi)的由空氣傳播的顆粒，以有利于防止入口冷卻/加熱盤管140的結(jié)垢。此外，進口空氣105在一個溫度下被引導向盤管140，并且在另一個溫度下從盤管140排出。
[0051]在示例性實施例中，當處于第一操作模式時，入口冷卻/加熱盤管140冷卻進口空氣105，或者當處于第二操作模式時，入口冷卻/加熱盤管140加熱進口空氣10。例如，當需要在基本負載操作中提高燃氣渦輪180的功率輸出和操作效率時，對入口冷卻/加熱盤管140供應來自激冷水源410的激冷工作流體，以有利于降低進口空氣105的溫度。此外，例如，當需要在部分負載操作中有利于改進燃氣渦輪180的操作效率或者在過濾室元件或壓縮機翼型(未顯示)上可能有冰塊積聚物時，對冷卻/加熱盤管140供應來自熱水源415的熱工作流體。當周圍空氣溫度低時，或者當周圍空氣溫度和露點之間的差異小于10° F時，可出現(xiàn)這種冰塊積聚物。
[0052]在示例性實施例中，控制閥400用來控制經(jīng)過入口冷卻/加熱盤管140的流體的流量，且隔離閥405用來選擇性地對入口冷卻/加熱盤管140供應冷卻/加熱流體。因而，激冷水源410用來控制盤管140下游的進口空氣105的濕球(WB)溫度和/或濕度，以及/或者在第一操作模式期間用來補充蒸發(fā)冷卻器120的冷卻作用。在帶有加熱和/或防結(jié)冰操作的第二操作模式期間，熱水源415用來控制盤管140下游的進口空氣105的干球(DB)溫度。此外，可不期望在第一冷卻操作模式期間使得進口空氣的濕度能夠超過75%以及在第二加熱操作模式期間使得DB溫度能夠超過120° F。
[0053]當進口空氣105導引經(jīng)過過濾室延伸部130時，可出現(xiàn)進口空氣105的壓降。在一個實施例中，壓降可在0.75至1.5英寸之間，其中，以英寸水柱來測量壓降。壓縮機160上游的進口空氣壓降可降低燃氣渦輪180(在圖1中顯示)的功率輸出和效率。例如，跨過過濾室延伸部130的大約1.0英寸水的壓降可導致燃氣渦輪180的功率輸出損失大約2兆瓦(MW)。因此，在一些實施例中，以及在某些操作條件期間，可不期望使用盤管140用于流經(jīng)其中的進口空氣105的補充冷卻或加熱。例如，進口空氣105的溫度和相對濕度對于在燃氣渦輪180的部分負載下以基本負載或以最佳效率產(chǎn)生最佳輸出而言基本可為最佳的，從而使得不必使用盤管140。因而，在示例性實施例中，旁通促動器148接合旁通窗145，使得旁通空氣195繞過過濾室延伸部130，以避免由跨過天氣罩150、預過濾器135和盤管140的進口空氣105壓降引起的燃氣渦輪功率輸出和效率的損失。
[0054]在示例性實施例中，漂浮物清除器155有利于防止壓縮機160損傷和腐蝕。水攜帶物是在從蒸發(fā)冷卻器120中排出的空氣中存在水滴。這樣的水滴吸入到壓縮機160中可對壓縮機移動葉片(未顯示)引起損傷，以及對其它壓縮機部件引起腐蝕。因而，在示例性實施例中，導葉型漂浮物清除器155安裝在蒸發(fā)冷卻器120下游，以有利于防止水攜帶物進入壓縮機160中。
[0055]在示例性實施例中，天氣罩150有利于防止諸如雨、雪和由空氣傳播的大顆粒的惡劣天氣因素進入過濾系統(tǒng)200。在一個實施例中，天氣罩150可包括多個聯(lián)合墊(未顯示)，以防止水滴和雪片吸入到過濾系統(tǒng)200中。在安裝期間，從現(xiàn)有過濾室110中移除天氣罩150，并且將天氣罩150改型到過濾室延伸部130上。在備選實施例中，為了降低成本，過濾室延伸部130可把預過濾器135排除在外來選擇設備位置，其中，由空氣傳播的顆粒的濃度相當?shù)?，使得有利于降低冷卻/加熱盤管結(jié)垢的可能性。
[0056]如上所述，當周圍空氣溫度低時，冰塊積聚物可在預過濾器135上積累。這種冰塊積聚物可堵塞預過濾器135，以及導致燃氣渦輪180停機。因此，在示例性實施例中，預過濾器135安裝在擺動板138上，在某些操作條件期間，擺動板138可選擇性地且暫時地移動，使得進口空氣105能夠繞過預過濾器135。例如，為了有利于防止在預過濾器135上有冰塊積聚物，擺動板138移動，使得進口空氣105向入口冷卻/加熱盤管140直接導引。暫時繞過預過濾器135可不對入口冷卻/加熱盤管140和壓縮機160引起損傷，因為盤管140結(jié)垢一般出現(xiàn)在長期操作期間，且由空氣過濾器115保護壓縮機160不受由空氣傳播的微粒的存在的影響。更具體地，在示例性實施例中，空氣過濾器115從進口空氣105中移除大小高達大約3μ(微米)的微粒。
[0057]圖3是流經(jīng)過濾室延伸部130和現(xiàn)有過濾室110 (在圖2中顯示)的進口空氣105的示例性濕度圖。在示例性實施例中，進口空氣105具有大約105° F的干球(DB)溫度、大約68° F的濕球(WB)溫度和大約15%的濕度。在示例性實施例中，當僅使用來自有效性為大約85%的蒸發(fā)冷卻器120 (在圖2中顯不)的蒸發(fā)冷卻時,進口空氣105的溫度降低大約31.75° F，同時WB溫度沿著路徑305保持基本恒定。
[0058]當盤管140處于第一操作模式時，使用來自入口冷卻/加熱盤管140 (在圖2中顯示)的入口激冷和來自蒸發(fā)冷卻器120的蒸發(fā)冷卻，以有利于冷卻被導引經(jīng)過過濾室延伸部130和現(xiàn)有過濾室110的進口空氣105。更具體地，在示例性實施例中，通過從進口空氣105中抽取熱，沿著路徑310的入口激冷將進口空氣105從大約105° F冷卻到大約73.25° F。因而，進口空氣105的相對濕度提高至少15%，并且更具體地，從大約15%提高到大約40%，并且有利于進口空氣105的干球溫度從大約68° F降低到大約57° F，同時空氣濕度比保持基本恒定。當通過沿著路徑310的入口激冷來從進口空氣105中抽取熱時，進口空氣105的相對濕度可不超過75%，且進口空氣105的溫度應保持高于其露點，使得盤管140內(nèi)的冷凝物的產(chǎn)生基本消除。在示例性實施例中，利用蒸發(fā)冷卻器120的沿著路徑315的蒸發(fā)冷卻然后用來將進口空氣105額外地冷卻到大約62° F。
[0059]此外，當盤管140處于第二加熱操作模式時，利用盤管140的沿著路徑320的入口加熱用來提高進口空氣105溫度。更具體地，在示例性實施例中，進口空氣105具有從大約45° F升高到大約95° F的干球溫度，同時空氣濕度比沿著路徑320保持基本恒定，以有利于在部分負載操作期間提高渦輪效率。在另一個實施例中，進口空氣105的溫度沿著路徑325從大約25° F升高到大約35° F，以有利于在基本負載操作期間防止過濾室110和130與壓縮機160(在圖1中顯示)中有冰塊積聚物。在一些實施例中，進口空氣105的溫度升高可局限為高于其露點大約10° F，以有利于防止冰塊積聚物且有利于優(yōu)化燃氣渦輪功率系統(tǒng)100的功率輸出。
[0060]通過控制進口空氣的溫度，本文描述的過濾室有利于提高渦輪組件的功率輸出。更具體地，過濾室以組合的方式使用冷卻/加熱盤管和蒸發(fā)冷卻器來控制進口空氣的溫度。冷卻/加熱盤管定位在現(xiàn)有蒸發(fā)冷卻器上游，以補充蒸發(fā)冷卻器溫度控制。例如，在熱天期間，冷卻/加熱盤管有利于在進口空氣進入渦輪組件之前冷卻進口空氣。在冷天期間，冷卻/加熱盤管加熱進口空氣，以有利于防止過濾室中有冰塊積聚物，以及/或者在部分負載操作期間提高渦輪效率。此外，將過濾室延伸部安裝在現(xiàn)有過濾室上游有利于基本消除使燃氣渦輪停機以及更換現(xiàn)有過濾室中的蒸發(fā)冷卻器的需要。因而，渦輪輸出提高，而且設備停工基本消除，從而優(yōu)化渦輪組件的成本和效率。
[0061]本書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領域任何技術人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可取得專利的范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果這樣的其它示例具有不異于權利要求的字面語言的結(jié)構要素，或者如果它們包括與權利要求的字面語言無實質(zhì)性差異的等效結(jié)構要素，則它們旨在處于權利要求的范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種用于渦輪組件(100)的裝置，所述裝置包括: 第一熱交換器(140)，其構造成通過在所述第一熱交換器處于第一操作模式時冷卻流到所述渦輪組件中的空氣(105)，以及通過在所述第一熱交換器處于第二操作模式時加熱所述空氣，從而控制所述空氣的溫度；以及 聯(lián)接在所述第一熱交換器下游的第二熱交換器(120)，所述第二熱交換器構造成冷卻從所述第一熱交換器導弓I的所述空氣。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一熱交換器包括用于接收經(jīng)過此處的流體流的盤管(140)，其中，所述流體構造成進行如下的至少一者:從所述空氣中傳遞熱，以及將熱傳遞到所述空氣。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述盤管構造成在所述空氣被導引經(jīng)過所述第一熱交換器時接觸所述空氣。
4.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述盤管包括入口和出口，其中，所述入口構造成接收再生流體，且所述出口構造成排出已用流體。
5.一種燃氣渦輪組件,包括: 第一過濾室(130)，所述第一過濾室包括第一熱交換器(140)，其構造成通過在所述第一熱交換器處于第一操作模式時冷卻被導引經(jīng)過所述第一過濾室的空氣(105)，以及通過在所述第一熱交換器處于第二操作模式時加熱所述空氣，從而控制所述空氣的溫度；以及 定位在所述第一過濾室下游的第二過濾室(110)，所述第二過濾室包括第二熱交換器(120)，其構造成冷卻從所述第一熱交換器導引的所述空氣。
6.根據(jù)權利要求5所述的組件，其特征在于，所述第二熱交換器包括蒸發(fā)冷卻器(120)。
7.根據(jù)權利要求5所述的組件，其特征在于，所述第二過濾室還包括位于所述第二熱交換器下游的漂浮物清除器(155)。
8.根據(jù)權利要求5所述的組件，其特征在于，所述第一過濾室還包括定位在所述第一熱交換器上游的第一過濾器(135)，且所述第二過濾室還包括定位在所述第二熱交換器上游的第二過濾器(115)。
9.根據(jù)權利要求8所述的組件，其特征在于，還包括定位在所述第一過濾室和所述第二過濾室之間的旁通系統(tǒng)(190)，所述旁通系統(tǒng)構造成繞過所述第一過濾室且選擇性地將空氣向所述第二過濾室導引。
10.根據(jù)權利要求8所述的組件，其特征在于，所述第一過濾器安裝在擺動板(138)上，所述擺動板構造成移動所述第一過濾器，使得空氣向所述第一熱交換器直接導引。
【文檔編號】F02C7/143GK203626968SQ201320600493
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權日:2012年10月1日
【發(fā)明者】A.莫塔克夫, J.E.梅斯特羅尼 申請人:通用電氣公司