专利名称：冷却空气的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种冷却空气，特别是冷却燃气轮机的燃烧空气的方法和装置。
目前，用燃气轮机发电正日益广泛被采用，因为不仅所有国家都受水资源的限制，还因为原子能电站技术非常昂贵和复杂。
燃气轮机对环境空气温度非常敏感，所供给的供燃烧用的空气温度越高，燃气轮机产生的最大功率越低，其效率也越低，引起所生产的单位KW电能耗油的增加。通常，这一问题出现在夏季，特别是在功率消耗较大的时期。
由于功率随着燃烧用空气的温度变化，ISO国际标准以15℃干泡温度建立燃气轮机功率的标称额定值，以此为参考基准，已经发现，在35℃下运行的燃气轮机功率将下降17％之多。先有技术这样，为提高燃气轮机的效率，采用了燃烧空气冷却系统，它基本上由下列部分构成a)一个带压缩机(往复式，螺杆式或离心式)的公共冷却系统，设置或者不设(水或冰)蓄热系统；b)多个吸收装置，用蒸汽或热流体作为获得冷却作用的能源。
在具有蓄热装置的燃烧空气的冷却系统中，用燃气轮机本身的一部分功率，在夜间制冰，将冰存在适当的罐中，在次日的尖峰负荷时将冰用于冷却燃气轮机的燃烧空气，以提高其效率和功率。先有技术缺陷现有技术的燃烧空气冷却系统的第一个缺点是初期装置成本高。
另一个缺点是，由于消耗燃气轮机本身的功率仅有部分能回收，这类系统的运行成本相当高。由于冷却空气过程中不可避免地会产生水份凝结，这类系统中会产生大量能量损失。冷凝空气所需的能量，在大多数情况下，高于降低空气温度所需的的能量，也就是说所消耗的一半以上的能量毫无效果地消耗掉了。本发明的目的本发明的目的是借助降低燃气轮机的燃烧空气的温度来提高燃气轮机的效率和功率利用率。发明概要用一种冷却空气的方法实现上述目的，该方法包括a)至少一个用提高空气温度的减湿步骤之后，接着进行冷却；b)一个用冷却使空气加湿的步骤。
为实施上述方法，还提供了一种装置，它包括a)一个空气减湿器；b)供一第一外部流体进入所述减湿器的进口装置；c)伴随从减湿器中去除水份，供所述第一外部流体离开该减湿器的出口装置；d)一由一第二外部流体冷却的空气冷却器，其设置成能接收来自该减湿器的减湿空气；和e)一个空气饱和装置，其设置成能对来自所述冷却器的空气加湿。
这样，例如35℃温度的燃烧空气被引入减湿器，在第一外部流体作用下，其水份被降低，该第一外部流体包括温度范围为130℃-170℃的燃气轮机(和热回收蒸发器)的排气。这个减湿步骤的结果，使空气温度升高，因而该空气必须在一个冷却器中冷却，在该冷却器中冷却之后，近似达到同样的初始干泡温度。在该冷却器中作用的第二外部流体包括环境空气或水(作为降热源)。经过至少一个湿度降低步骤和随后的冷却之后，空气在通过再循环水的饱和器中再加湿，被冷却至20℃以下的温度。
本发明的优点，除较高的效率外，还在于采用的是通常被废弃的能量。通常由燃气轮机烟囱和/或与燃气轮机相连的回热锅炉排入大气的热排气，在减湿器中被利用。因此该空气冷却过程所需的全部能量(除用于流体的流动外)皆来自排放气流。
本发明的另一个显著的优点是，装置成本低于已有的技术中使用的机械冷却系统。
本发明第三个优点是，由于燃气轮机的效率提高，矿物燃料的消耗减少，这又减小了用燃气轮机进行电能生产对环境产生的影响。目前电能生产是造成环境污染的最重要的原因之一。
为使冷却系统达到较高的效率水平，可以采用两个或多个空气减湿级，并随后进行冷却。在高干泡温度的极端条件下，除上述用具有环境温度的水或空气冷却的热交换器外，还可采用使用冷却过的水的热交换器。本发明的详细描述以下结合各附图，以举例方式更详细地说明本发明。
图1为按照本发明的一种优选实施例给出的一个与一燃气轮机相连的空气冷却装置示意图，它具有一个减湿步骤，随后进行冷却；图2为该装置的示意图，它主要示出其中的基本部件；图3为图1所示装置的示意图，它具有两个减湿步骤，随后进行冷却；图4为图1所示装置的示意图，其中增加了冷却水热交换器；图5为图3所示装置的示意图，其中增加了冷却水热交换器；图6为具有一个减湿步骤的冷却循环图；图7为具有两个减湿步骤的冷却循环图；图8为具有三个减湿步骤的冷却循环图；和图9为具有一个减湿步骤的冷却循环图，不同的是采用了冷却水。
图1示出本发明的一种优选实施例，它具有一个减湿步骤，随后进行冷却，它包括一个与燃气轮机2相连的空气冷却装置1，该燃气轮机驱动一发电机3，其排气4可直接或者通过一回热锅炉5后用于该空气冷却装置1。
在该装置1中，风扇6吸入的排气4通过一台减湿器7后排入到大气中。气体输送管包括称为减湿器进口装置(4′)的第一部分和称为减湿器出口装置(4″)的第二部分。
关于燃气轮机的燃烧空气，产生了分步骤给出的下列过程，以有助于理解a)在排放排气的同时，燃气轮机吸入环境空气8，在其通过装置1的路径的初始段，先通过一预过滤器9，然后通过高效过滤器10；b)过滤后，环境空气8或者燃气轮机的燃烧空气8通过减湿器7，在减湿器中减湿，去除大量水蒸气。在这个过程中，它还获得热，其温度提高到60℃左右，因而需要被冷却；c)用一热交换器11进行冷却，其中采用自然冷却装置12(未用机械制冷)，用例如室温下的水或外界空气。热交换器可以是空气-空气型，其中热被传递到另一外部空气流中，可以是横向流翅片型，感应热传导转筒型，或“热管”类有翅旋管型；或者是采用冷却旋管的空气-水热交换器，其中的冷却水来自冷却塔，河流，水井，海等，或者使用这些流体的其它类型的热交换器。
d)通过热交换器11后，空气流8的温度接近外部环境温度，但具有非常低的湿度；e)之后，空气流8通过一台基本上包括空气增湿设备的绝热饱和器13，其湿度增加至接近饱和点。该饱和器13也是工业上常见的设备，并且可以是带喷淋喷嘴列的空气喷淋器或者带纸，木元件或带其它有助封闭的空气一水接触的元件的饱和器，这种接触在于使水蒸发，并且随后被空气流8吸收，直至所述空气流实际达到饱和。
从热力学的观点看，水的蒸发是等熵过程，提供水15蒸发所需热量的空气流8，因而被冷却。进入饱和器13之前的空气湿度越低，在这个过程中空气8被冷却的程度越高。因此，在减湿器7中，空气已经预先干燥。该冷却程度与空气的湿泡温度降低成正比例，也就是说，与空气的干泡温度和湿泡温度之间的差成正比例。
这样，就在饱和器13后的这一点，空气流8的干泡温度已经低于环境空气温度。这一差值可从图6，7和8的图表清楚看出。
f)一台小型泵14，其使来自罐15a的水15在饱和器13中循环，以维持水的不断蒸发；g)最后，空气流8通过一台水滴去除器16，然后进入燃气轮机，从而结束循环。
该图还示出部件17和18，它们分别控制排气温度的最大和最小极限。部件17可以是，例如一个蝴蝶阀，在一温度控制器的作用下动作，当排气4温度过高时打开外界空气19的进口。部件18可以是，例如燃料燃烧器，或电加热线圈，也在一温度控制器的作用下，在排气温度需要升高时投入工作。
当然，在所谓“开式循环”系统的情况下，不需要热回收锅炉，高温排气4直接由燃气轮机2排入冷却装置1。这种情况下，借助部件17控制温度就很重要。
该图还示出部件20，用以控制排气流量，通过减少经过减湿器7的气体质量调节减湿能力。这个部件是，例如自动操作的蝴蝶阀。
部件17，18和20可以位于，例如将排气送至减湿器的管道(4′)中。
图2是图1所示装置的示意图，主要示出其基本部件，即减湿器7，热交换器11和饱和器13。该图更清楚地示出排气4和燃气轮机的燃烧空气8的流动。
减湿器7也是可从若干个制造商处获得的标准产品，可以是，例如具有转鼓的类型，或者具有吸湿洗涤器的类型。图中示出的为转鼓型，其包括一个由电动机22驱动的转鼓21。转鼓内有例如二氧化硅吸湿物质，它可在再生区23被排气4干燥或再生。扇区24是利用干燥物质吸收空气中水份的能力对燃烧空气流8进行干燥的部位。
图3示出本发明的一第二实施例，采用两级减湿和随后的冷却。如上所述，通过饱和器前的空气越干，其经过增湿后最终温度越低。以这样的方式，采用两级或更多级数的减湿，以尽可能地减少空气中的水份。
级数越多，燃气轮机进口的燃烧空气温度越低。理想级数的确定取决于对系统的技术经济分析，考虑安装场地的气象条件等。基本上说，由于“燃烧空气”和减湿器中的“再生空气”之间的质量关系为1∶4左右，用通常获得的排气质量有可能进行三级减湿，因为允许由燃气轮机吸入的同一空气质量正是其排气中可利用的质量。
这样，如从图3可看出的，在多级循环中，排气4以并列方式进入各减湿器7的再生区23，这在图中是用部分排气流4a和4b表示的。
图3还示出一第二减湿器7′，其后接一第二热交换器11′，它也可用普通冷却空气的装置。图3的其余部件与图1相同。
图4和5为本发明的两个新实施例，它们各与图1和3所示实施例不同之处在于在增湿器13之前增加了一台热交换器25，使用低温冷却流体26，该流体可以是，例如冷却后的水。使用冷却后的水的上述实施例可用于高外界温度的恶劣条件，或者要求低燃烧空气温度的场所。然而，即使在高外界温度的条件下，不使用冷却后的水，系统也能满意地工作，这可从图6至8所示的图表中看出。
应当指出的是，不同于那些一半以上的空气冷却能量消耗在空气水份的凝结上的已有的冷却系统，本发明的系统中，使用冷却后的水的情况下，没有任何能量用在空气水份的凝结上，因为空气已经干燥。因此，冷却水螺旋管25是在全干的条件下工作，勿需减湿，因为空气的露点低于冷却水系统中通常使用的温度。这样，用于空气附加的冷却所消耗的能量将非常小。
在现有技术的冷却系统已经存在的地方，采用冷却水的上述替换方案也是非常实用的。需要再次强调指出的是，用冷却后的水冷却空气，被现存冷却系统消耗的能量将相当低，因为系统的这一点空气具有低的湿度。
图6示出绘制在空气湿度图上的具有一个减湿步骤的空气冷却循环，室外温度为35℃(干泡温度)和26.5℃湿泡温度。根据图1所示装置图表中各点和各线段标明如下-点A表示进入冷却装置1之前的外界空气状态，即温度35℃，湿度0.017kg/kg；-线段AB表示减湿器7中的减湿；-点B表示通过减湿器后的空气状态，可以看出，空气湿度降至0.012kg/kg，其干泡温度已升至60℃左右；-线段BC表示热交换器11中空气的冷却；-点C表示离开热交换器11后的空气状态，可以看出，其干泡温度已降至接近A点的同一温度，同时湿度仍保持在0.012kg/kg，即低于A点的湿度；-线段CD表示空气在饱和器13中增湿；-点D表示离开饱和器13准备进入燃气轮机的空气状态，可以看出，其湿度已升高，而干泡温度已从35℃降至接近23℃。
图7根据图3所示的装置，示出在图6中相同外界空气状态下，具有两个减湿步骤的空气冷却循环，结合图6可以看出，第二减湿步骤(在减湿器7′中进行)由线段CD表示，随后接一第二冷却段DE(在热交换器11中进行)，而空气的增湿(在饱和器13中进行)用线段EF表示。在这种情况下应注意的是，燃气轮机的燃烧空气的温度已从35℃(外界空气温度)降至燃气轮机允许的20℃左右。
图8示出在图6中相同外界空气状态下，具有三个减湿步骤的空气冷却循环，结合图7可以看出，第三减湿步骤由线段EF表示，随后接一第三冷却段DE，而空气的增湿用线段GH表示。
在这种情况下应注意的是，燃气轮机的燃烧空气的温度已从35℃(外界空气温度)降至燃气轮机允许的约15℃。尽管图中未示出具有三级的任何装置，但仅需在图3所示的装置中增加一级减湿器和随后的热交换器。
图9示出一种空气冷却循环，与图6所示循环不同之处在于，在这种情况下，可预见到用冷却后的水进行的附加冷却，这已在图4和5的装置中示出。
可以看出，该用冷却后的水进行的附加冷却级是用线段CD表示的。在这种情况下，有可能在进入减湿级之前，将空气冷却至接近25℃(点D)。
除上述给出的实施例外，同样的发明原理还可用在采用本发明的其它各种替换方案和可能的方案。
例如，本发明还可用于推进船舶的燃气轮机。其它例子包括将本发明的冷却系统用于冷却工厂车间，船舱或其它类型的车辆，或者存在热气排放的任何场所，廉价地取代使用压缩机和/或吸附循环的传统空调系统。在工厂，例如可用锅炉排气；船舶上来自锅炉的以及自身交流电动机的气体等。另一种能取代传统空调系统的例子是，本发明的装置可连接在一直燃吸附式深冷器上。众所周知，直燃吸附式深冷器-加热器是借助燃烧燃料，例如天然气，LPG(液化石油气)或可燃性燃油，生产冷却水的。燃料燃烧产生的通常不加任何利用就排入大气的气体可用于本发明的装置，制造用于房间的冷却空气。为更好地理解后一个实施例，只要用吸附式装置取代图1至5中的燃气轮机(2)和回热锅炉5即可。在这种情况下，也没有发电机(3)，冷却后的空气(8)一旦由装置(1)出来，便被送去冷却房间和/或工艺设备。
应当理解，本发明的范围仅由各权利要求限定。
权利要求
1.一种冷却空气的方法，其特征在于其包括a)至少一级随空气加热进行减湿的步骤，并随后进行冷却；和然后b)一个随冷却进行空气增湿的步骤，
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，环境空气(8)的减湿借助一第一外部流体(4)，在一个减湿器(7，7′)中随着升高空气温度进行，空气的冷却，借助一第二外部流体(12)，在一个冷却器(11，11′)中进行，以及空气(8)的增湿，借助循环水(15)，在一个饱和器(13)中进行。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它具有两级或三级空气减湿步骤，每一步骤后接着进行冷却。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一外部流体(4)包括来自一热机的热排气。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第二外部流体(12)为室温水。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第二外部流体(12)为室温空气。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在减湿之前，空气在一冷却器(25)中由冷凝水(26)或制冷剂的直接膨涨额外冷却
8.一种用于进行权利要求1限定的方法的装置，其特征在于，其包括a)一个空气(8)的减湿器(7，7′)；b)供一第一外部流体(4)进入所述减湿器(7，7′)的进口装置(4′)；c)供从减湿器去除空气水份的所述第一外部流体(4)流出减湿器(7)的出口装置(4″)；d)一个由一第二外部流体(12)冷却，并设置成能接收来自减湿器的减湿空气(8)的空气冷却器(11，11’)；和e)一个设置成能对来自冷却器(11，11’)的空气增湿的饱和器(13)，
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，减湿器(7，7′)是转鼓型，作用在其上的第一外部流体(4)包括来自一热机的排气。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，减湿器(7，7′)是带吸湿洗涤器的类型。
11.如权利要求8、9或10所述的装置，其特征在于，设有控制排气(17)的高温的控制装置，它附着在减湿器(7，7′)上。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，控制排气(17)的高温的控制装置是能自动操作的打开外部空气(19)进口的阀。
13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，设有控制排气(18)的低温的控制装置，它附着在减湿器(7，7′)上。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，控制排气(18)的低温的控制装置是一燃料燃烧炉。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，控制低温的装置是一电阻器。
16.如权利要求8所述的装置，其特征在于，设有控制落到减湿器上的排气(20)的流量的装置。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，控制排气(20)的流量的装置是一能自动操作的阀。
18.如权利要求8所述的装置，其特征在于，空气冷却器(11，11’)是一热交换器，冷却它的第二外部流体(12)为室温水。
19.如权利要求8所述的装置，其特征在于，空气冷却器(11，11’)是一热交换器，冷却它的第二外部流体(12)为室温空气。
20.一种用于进行权利要求1限定的方法的装置，其特征在于，其包括a)一个减湿器(7，7′)；b)供一第一外部流体(4’)进入所述减湿器(7，7′)的进口装置(4′)；c)供从减湿器去除空气水份的所述第一外部流体(4)流出减湿器(7)的出口装置(4″)；d)一个由一第二外部流体(12)冷却，并设置成能接收来自减湿器的减湿空气(8)的空气冷却器(11，11’)；和e)一个由冷凝水(26)冷却的空气冷却器(26)且其设置在冷却器(11，11’)的后面，和f)一个设置成能对来自冷却器(25)的空气增湿的饱和器(13)。
全文摘要
本发明涉及冷却空气,特别是冷却燃气轮机的燃烧空气的方法和装置,其中借助一第一外部流体(4)在一减湿器(7,7′)中先减少空气湿度,然后借助一第二外部流体(12)在一冷却器(11,11′)中冷却空气,近似达到原始干泡温度,在至少一级减湿步骤之后进行冷却,空气然后在一饱和器(13)中增湿。
文档编号F24F3/14GK1199445SQ9619751
公开日1998年11月18日 申请日期1996年3月8日 优先权日1995年8月9日
发明者爱迪生·蒂托·圭马拉斯 申请人:爱迪生·蒂托·圭马拉斯