用于涡轮组件的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及用于涡轮组件的装置。提供一种燃气涡轮组件(100)。燃气涡轮组件包括第一过滤室(130)和定位在第一过滤室下游的第二过滤室(110)。第一过滤室包括第一热交换器(140)，第一热交换器(140)构造成通过在第一热交换器处于第一操作模式时冷却被导引经过其中的空气(105)，以及通过在第一热交换器处于第二操作模式时加热空气，从而控制空气的温度。第二过滤室包括构造成冷却从第一热交换器导引的空气的第二热交换器(120)。
【专利说明】用于涡轮组件的装置
【技术领域】
[0001]本公开的领域大体涉及涡轮组件，并且更具体地，涉及用于控制燃气涡轮的压缩机进口空气的温度以有利于改进涡轮的功率输出和/或效率的系统和方法。
【背景技术】
[0002]诸如燃气涡轮的旋转机器常常用来为发电机产生功率。例如，燃气涡轮具有工作流体路径，其典型地包括处于连续流关系的空气进口、压缩机、燃烧器、涡轮和气体出口。压缩机和涡轮区段包括至少一排定位在壳体内的沿周向隔开的旋转动叶或叶片。至少一些已知的涡轮发动机用于联合发电设施和发电厂。
[0003]一般而言，燃气涡轮在正常操作期间使用进口空气用于燃烧目的。进口空气被抽送经过过滤室，并且朝向压缩机，其中，压缩机排出空气与燃料混合，并且在燃烧器中点燃。因为燃气涡轮是容积恒定的吸气发动机，所以进口空气的许多因素和特征，诸如进口空气的温度、压力和/或湿度，可影响燃气涡轮系统的功率输出和整体效率。例如，当进口空气的温度低时，其密度增大，从而导致较高的质量流率流经燃气涡轮。在这样的操作条件期间，涡轮发动机的功率输出和整体效率提高。
[0004]至少一些已知的涡轮组件使用蒸发冷却或使用冷却盘管来降低被向压缩机导引的空气的温度。蒸发冷却通过使水的蒸发来降低空气的温度，并且热在流经冷却盘管的工作流体和进口空气之间传递。但是，蒸发冷却的有效性是周围空气的湿度的函数，而且其有效性在具有高的相对湿度的气候中可显著降低。此外，如果冷却盘管安装在空气过滤器上游，并且进口空气被冷却到低于其露点，则饱和空气与进口空气中的微粒混合。饱和空气和微粒的混合物可堵塞空气过滤器并使燃气涡轮失误，这起因于由被堵塞的过滤器引起的大的压降。
实用新型内容
[0005]一方面，提供一种操作涡轮组件的方法。该方法包括在过滤室处接收空气流，过滤室包括第一热交换器。第一热交换器通过下者中的一个来控制空气的温度:选择性地冷却空气以及选择性地加热空气。然后空气从第一热交换器导引到第二热交换器，以有利于冷却空气。
[0006]另一方面，提供一种用于涡轮组件的装置。该装置包括第一热交换器和第二热交换器。第一热交换器构造成控制流到涡轮组件中的空气的温度，这是通过在第一热交换器处于第一操作模式时冷却空气，以及通过在第一热交换器处于第二操作模式时加热空气。第二热交换器联接在第一热交换器下游，并且构造成冷却从第一热交换器导引的空气。
[0007]又一方面，提供一种燃气涡轮组件。该燃气涡轮组件包括第一过滤室和定位在第一过滤室下游的第二过滤室。第一过滤室包括第一热交换器，其构造成控制导引经过该处的空气的温度，这是通过在第一热交换器处于第一操作模式时冷却空气，以及通过在第一热交换器处于第二操作模式时加热空气。第二过滤室包括构造成冷却从第一热交换器导引 的空气的第二热交换器。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是示例性燃气涡轮功率系统的示意图。
[0009]图2是可用于图1中显示的功率系统的示例性过滤系统的示意图。
[0010]图3是流经图2中显示的过滤系统的空气的示例性湿度图。
[0011]部件列表
[0012]100燃气涡轮功率系统
[0013]105 进 口空气
[0014]110现有的过滤室
[0015]115过滤器
[0016]120蒸发冷却器或喷雾器
[0017]130过滤室延伸部
[0018]135预过滤器
[0019]138摆动板
[0020]140入口冷却/加热盘管
[0021]145旁通窗
[0022]148旁通促动器
[0023]150天气罩
[0024]155漂浮物清除器
[0025]160压缩机
[0026]165压缩空气
[0027]170燃烧器
[0028]175热气体
[0029]180燃气涡轮
[0030]185热排气混合物
[0031]188发电机
[0032]190旁通系统
[0033]195旁通空气
[0034]200过滤系统
[0035]305 路径
[0036]310 路径
[0037]315 路径
[0038]320 路径
[0039]325 路径
[0040]400控制阀
[0041]405隔离阀
[0042]410激冷水源
[0043]415 热水源。【具体实施方式】
[0044]本公开的实施例涉及涡轮组件，并且更具体地，涉及用于控制用于涡轮组件的进口空气的温度的方法和装置。更具体地，本公开的实施例涉及可与蒸发冷却器结合起来使用以有利于控制压缩机进口空气的温度的热交换器。在一个实施例中，热交换器包括在蒸发冷却器上游的入口冷却/加热盘管，以在热天期间补充进口空气冷却，在燃气涡轮的部分负载操作期间加热进口空气，以及有利于防止在冷天期间在过滤室和压缩机中的冰块积聚物。更具体地，在示例性实施例中，热交换器定位在现有过滤室上游，使得热交换器可作为新的延伸部安装(即改型)到现有过滤室，而不需要使燃气涡轮停机以及更换过滤室中的现有蒸发冷却器。
[0045]如1988 年 ASME 出版的作者为 R.S.Johnson 的文章“The Theory and operationof Evaporative Coolers for Industrial Gas Turbine Installation，，中所描述的那样，进口空气的湿球(WB)温度限制蒸发冷却器的冷却能力。蒸发冷却是绝热过程，因为必须添加热来使水蒸发。在蒸发冷却期间，进口空气对水供热，从而降低空气的干球(DB)温度，即，明显的冷却。随着进口空气的DB温度降低，WB温度保持恒定。因此，DB温度的最大降幅是进口空气的DB温度和WB温度之间的差异。如果空气冷却到WB温度，则它变得饱和，而且该过程将是100%有效的，这仅可在理论上实现。有效性被定义为进入和离开蒸发冷却器的空气的DB温度之间的差异除以进入蒸发冷却器的空气的DB温度和WB温度之间的差异。典型地，蒸发冷却器的有效性在80%至95%之间，这取决于蒸发冷却器结构和构造。由于进口空气的DB温度和WB温度在一天当中持续地变化，所以燃气涡轮的功率输出也因此改变。
[0046]在示例性实施例中，盘管安装在压缩机进口空气的流路内，并且其被供应流体，使得热在流经盘管的流体和进口空气之间传递。工作流体可为水、水和防冻剂的混合物，或制冷剂。因而，盘管可用来保持供应到压缩机的进口空气的基本恒定的温度，使得燃气涡轮的功率输出同样仍然是基本恒定的，而不管周围空气条件如何。因此，通过使得能够以高度确定性控制燃气涡轮功率输出来对设备操作者提供有价值的商业优势。当压缩机入口空气冷却到大约45° F或大约50° F(大体低于进口空气露点)时，燃气涡轮的功率输出在暖和的天气中得到优化。在这种实施例中，具有至少98%的湿度比的饱和空气包含由空气传播的冷凝物。水分分离器或漂浮物清除器可安装在冷却盘管下游，以从进口空气中移除由空气传播的水滴，以有利于防止压缩机叶片受损。
[0047]大体上，可用冷却盘管代替已经安装的蒸发冷却器，以使压缩机入口空气温度降低得超过已知蒸发冷却器的容量。这种代替代价高昂，因为这需要使燃气涡轮停工一周或两周，拆除蒸发冷却器，以及修改空气进口装置，以使其适应新的冷却盘管。因而，冷却/加热盘管和蒸发冷却器的组合有利于补偿已知蒸发冷却器的冷却能力限制，以及有利于获得基本恒定的较低的压缩机入口空气温度，以在燃气涡轮中实现较高的功率输出和效率。
[0048]图1是示例性燃气涡轮功率系统100的示意图。在示例性实施例中，燃气涡轮功率系统100包括处于连续流关系的过滤系统200、轴向流压缩机160、燃烧器170和燃气涡轮180。进口空气105在过滤系统200中过滤，并且被引导到轴向流压缩机160。进口空气105处于周围空气温度。压缩空气165被引导到燃烧器170，在那里，燃料与压缩空气165一起喷射，用于燃烧目的。热气体175从燃烧器170中排出，并且被引导到燃气涡轮180，在那里，热气体175的热能转化成功。功的一部分用来驱动压缩机160，且剩余部分用来驱动发电机188以产生电功率。热排气混合物185从燃气涡轮180中排出，并且被导引到大气或热回收蒸汽发生器(HRSG)(未显示)。
[0049]图2是可用于燃气涡轮功率系统100的过滤系统200的示意图。在示例性实施例中，过滤系统200包括过滤室延伸部130、定位在过滤室延伸部130下游的现有过滤室110、以及定位在它们之间的旁通系统190。更具体地，过滤室延伸部130构建成与现有过滤室110隔开，使得过滤室延伸部130的结构不会不利地影响燃气涡轮180的操作。在示例性实施例中，过滤室延伸部130包括天气罩150、预过滤器135和入口空气冷却/加热盘管140。现有过滤室110包括过滤器115、蒸发冷却器或喷雾器120以及漂浮物清除器155。旁通系统190包括旁通窗145，其联接到用于选择性地打开和关闭旁通窗145的旁通促动器148。
[0050]在操作期间，在被引导到压缩机160之前，进口空气105被引导经过预过滤器135、入口空气冷却/加热盘管140、空气过滤器115和蒸发冷却器或喷雾器120(在图1中显示)。由预过滤器135移除包含在进口空气105内的由空气传播的颗粒，以有利于防止入口冷却/加热盘管140的结垢。此外，进口空气105在一个温度下被引导向盘管140，并且在另一个温度下从盘管140排出。
[0051]在示例性实施例中，当处于第一操作模式时，入口冷却/加热盘管140冷却进口空气105，或者当处于第二操作模式时，入口冷却/加热盘管140加热进口空气10。例如，当需要在基本负载操作中提高燃气涡轮180的功率输出和操作效率时，对入口冷却/加热盘管140供应来自激冷水源410的激冷工作流体，以有利于降低进口空气105的温度。此外，例如，当需要在部分负载操作中有利于改进燃气涡轮180的操作效率或者在过滤室元件或压缩机翼型(未显示)上可能有冰块积聚物时，对冷却/加热盘管140供应来自热水源415的热工作流体。当周围空气温度低时，或者当周围空气温度和露点之间的差异小于10° F时，可出现这种冰块积聚物。
[0052]在示例性实施例中，控制阀400用来控制经过入口冷却/加热盘管140的流体的流量，且隔离阀405用来选择性地对入口冷却/加热盘管140供应冷却/加热流体。因而，激冷水源410用来控制盘管140下游的进口空气105的湿球(WB)温度和/或湿度，以及/或者在第一操作模式期间用来补充蒸发冷却器120的冷却作用。在带有加热和/或防结冰操作的第二操作模式期间，热水源415用来控制盘管140下游的进口空气105的干球(DB)温度。此外，可不期望在第一冷却操作模式期间使得进口空气的湿度能够超过75%以及在第二加热操作模式期间使得DB温度能够超过120° F。
[0053]当进口空气105导引经过过滤室延伸部130时，可出现进口空气105的压降。在一个实施例中，压降可在0.75至1.5英寸之间，其中，以英寸水柱来测量压降。压缩机160上游的进口空气压降可降低燃气涡轮180(在图1中显示)的功率输出和效率。例如，跨过过滤室延伸部130的大约1.0英寸水的压降可导致燃气涡轮180的功率输出损失大约2兆瓦(MW)。因此，在一些实施例中，以及在某些操作条件期间，可不期望使用盘管140用于流经其中的进口空气105的补充冷却或加热。例如，进口空气105的温度和相对湿度对于在燃气涡轮180的部分负载下以基本负载或以最佳效率产生最佳输出而言基本可为最佳的，从而使得不必使用盘管140。因而，在示例性实施例中，旁通促动器148接合旁通窗145，使得旁通空气195绕过过滤室延伸部130，以避免由跨过天气罩150、预过滤器135和盘管140的进口空气105压降引起的燃气涡轮功率输出和效率的损失。
[0054]在示例性实施例中，漂浮物清除器155有利于防止压缩机160损伤和腐蚀。水携带物是在从蒸发冷却器120中排出的空气中存在水滴。这样的水滴吸入到压缩机160中可对压缩机移动叶片(未显示)引起损伤，以及对其它压缩机部件引起腐蚀。因而，在示例性实施例中，导叶型漂浮物清除器155安装在蒸发冷却器120下游，以有利于防止水携带物进入压缩机160中。
[0055]在示例性实施例中，天气罩150有利于防止诸如雨、雪和由空气传播的大颗粒的恶劣天气因素进入过滤系统200。在一个实施例中，天气罩150可包括多个联合垫(未显示)，以防止水滴和雪片吸入到过滤系统200中。在安装期间，从现有过滤室110中移除天气罩150，并且将天气罩150改型到过滤室延伸部130上。在备选实施例中，为了降低成本，过滤室延伸部130可把预过滤器135排除在外来选择设备位置，其中，由空气传播的颗粒的浓度相当低，使得有利于降低冷却/加热盘管结垢的可能性。
[0056]如上所述，当周围空气温度低时，冰块积聚物可在预过滤器135上积累。这种冰块积聚物可堵塞预过滤器135，以及导致燃气涡轮180停机。因此，在示例性实施例中，预过滤器135安装在摆动板138上，在某些操作条件期间，摆动板138可选择性地且暂时地移动，使得进口空气105能够绕过预过滤器135。例如，为了有利于防止在预过滤器135上有冰块积聚物，摆动板138移动，使得进口空气105向入口冷却/加热盘管140直接导引。暂时绕过预过滤器135可不对入口冷却/加热盘管140和压缩机160引起损伤，因为盘管140结垢一般出现在长期操作期间，且由空气过滤器115保护压缩机160不受由空气传播的微粒的存在的影响。更具体地，在示例性实施例中，空气过滤器115从进口空气105中移除大小高达大约3μ(微米)的微粒。
[0057]图3是流经过滤室延伸部130和现有过滤室110 (在图2中显示)的进口空气105的示例性湿度图。在示例性实施例中，进口空气105具有大约105° F的干球(DB)温度、大约68° F的湿球(WB)温度和大约15%的湿度。在示例性实施例中，当仅使用来自有效性为大约85%的蒸发冷却器120 (在图2中显不)的蒸发冷却时,进口空气105的温度降低大约31.75° F，同时WB温度沿着路径305保持基本恒定。
[0058]当盘管140处于第一操作模式时，使用来自入口冷却/加热盘管140 (在图2中显示)的入口激冷和来自蒸发冷却器120的蒸发冷却，以有利于冷却被导引经过过滤室延伸部130和现有过滤室110的进口空气105。更具体地，在示例性实施例中，通过从进口空气105中抽取热，沿着路径310的入口激冷将进口空气105从大约105° F冷却到大约73.25° F。因而，进口空气105的相对湿度提高至少15%，并且更具体地，从大约15%提高到大约40%，并且有利于进口空气105的干球温度从大约68° F降低到大约57° F，同时空气湿度比保持基本恒定。当通过沿着路径310的入口激冷来从进口空气105中抽取热时，进口空气105的相对湿度可不超过75%，且进口空气105的温度应保持高于其露点，使得盘管140内的冷凝物的产生基本消除。在示例性实施例中，利用蒸发冷却器120的沿着路径315的蒸发冷却然后用来将进口空气105额外地冷却到大约62° F。
[0059]此外，当盘管140处于第二加热操作模式时，利用盘管140的沿着路径320的入口加热用来提高进口空气105温度。更具体地，在示例性实施例中，进口空气105具有从大约45° F升高到大约95° F的干球温度，同时空气湿度比沿着路径320保持基本恒定，以有利于在部分负载操作期间提高涡轮效率。在另一个实施例中，进口空气105的温度沿着路径325从大约25° F升高到大约35° F，以有利于在基本负载操作期间防止过滤室110和130与压缩机160(在图1中显示)中有冰块积聚物。在一些实施例中，进口空气105的温度升高可局限为高于其露点大约10° F，以有利于防止冰块积聚物且有利于优化燃气涡轮功率系统100的功率输出。
[0060]通过控制进口空气的温度，本文描述的过滤室有利于提高涡轮组件的功率输出。更具体地，过滤室以组合的方式使用冷却/加热盘管和蒸发冷却器来控制进口空气的温度。冷却/加热盘管定位在现有蒸发冷却器上游，以补充蒸发冷却器温度控制。例如，在热天期间，冷却/加热盘管有利于在进口空气进入涡轮组件之前冷却进口空气。在冷天期间，冷却/加热盘管加热进口空气，以有利于防止过滤室中有冰块积聚物，以及/或者在部分负载操作期间提高涡轮效率。此外，将过滤室延伸部安装在现有过滤室上游有利于基本消除使燃气涡轮停机以及更换现有过滤室中的蒸发冷却器的需要。因而，涡轮输出提高，而且设备停工基本消除，从而优化涡轮组件的成本和效率。
[0061]本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们旨在处于权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种用于涡轮组件(100)的装置，所述装置包括: 第一热交换器(140)，其构造成通过在所述第一热交换器处于第一操作模式时冷却流到所述涡轮组件中的空气(105)，以及通过在所述第一热交换器处于第二操作模式时加热所述空气，从而控制所述空气的温度；以及 联接在所述第一热交换器下游的第二热交换器(120)，所述第二热交换器构造成冷却从所述第一热交换器导弓I的所述空气。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一热交换器包括用于接收经过此处的流体流的盘管(140)，其中，所述流体构造成进行如下的至少一者:从所述空气中传递热，以及将热传递到所述空气。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述盘管构造成在所述空气被导引经过所述第一热交换器时接触所述空气。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述盘管包括入口和出口，其中，所述入口构造成接收再生流体，且所述出口构造成排出已用流体。
5.一种燃气涡轮组件,包括: 第一过滤室(130)，所述第一过滤室包括第一热交换器(140)，其构造成通过在所述第一热交换器处于第一操作模式时冷却被导引经过所述第一过滤室的空气(105)，以及通过在所述第一热交换器处于第二操作模式时加热所述空气，从而控制所述空气的温度；以及 定位在所述第一过滤室下游的第二过滤室(110)，所述第二过滤室包括第二热交换器(120)，其构造成冷却从所述第一热交换器导引的所述空气。
6.根据权利要求5所述的组件，其特征在于，所述第二热交换器包括蒸发冷却器(120)。
7.根据权利要求5所述的组件，其特征在于，所述第二过滤室还包括位于所述第二热交换器下游的漂浮物清除器(155)。
8.根据权利要求5所述的组件，其特征在于，所述第一过滤室还包括定位在所述第一热交换器上游的第一过滤器(135)，且所述第二过滤室还包括定位在所述第二热交换器上游的第二过滤器(115)。
9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，还包括定位在所述第一过滤室和所述第二过滤室之间的旁通系统(190)，所述旁通系统构造成绕过所述第一过滤室且选择性地将空气向所述第二过滤室导引。
10.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述第一过滤器安装在摆动板(138)上，所述摆动板构造成移动所述第一过滤器，使得空气向所述第一热交换器直接导引。
【文档编号】F02C7/143GK203626968SQ201320600493
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2012年10月1日
【发明者】A.莫塔克夫, J.E.梅斯特罗尼 申请人:通用电气公司