专利名称：燃气轮机冷却介质供应方法
技术领域：
本发明涉及借助于独立的压缩机将用于增补(augmenting)的压 缩空气和/或冷却介质供应至燃气轮机。
背景技术：
绝大多数燃气轮机利用从一体式压缩机的一个或多个位置泄放出 的空气而在涡轮部件中提供冷却和密封。为此目的，从压缩机中泄放出 的空气可按一定路线在内部通过压缩机-涡轮转子的孔或其它适当的内 部通路而到达涡轮部分中的需要冷却和密封的位置。另一种可选方式 是，空气可按一定路线在外部通过压缩机壳体且通过外部(对于壳体而 言)管道而到达需要冷却和密封的位置。许多燃气轮机采用使冷却和密 封空气在内部按一定路线到达涡轮部件与使冷却和密封空气在外部按 一定路线到达涡轮部件相结合的做法。 一些燃气轮机利用热交换器而在 按一定路线通过外部管道的冷却和密封空气被引入涡轮部件内之前对 所述冷却和密封空气进行冷却。
燃气轮机的输出或容量随着压缩机部件入口处温度的升高而降低。 特别地，用来将空气供应至燃烧过程且随后使其膨胀通过涡轮机的压缩 机部件的容量随着压缩机入口温度的升高(这通常是由于环境温度的升 高而造成的)而降低。因此，当在高于特定入口温度下运行时，燃气轮 机的涡轮部件和燃烧部件通常能够接收比压缩机部件所能供应的压缩 空气更多的压缩空气。
发明内容
本发明通过利用独立的压缩机而对通过一体式压缩机供应的压缩 空气和/或冷却介质进行增补。因此，本发明可被实施为一种基于地面 的燃气轮机设备，所述基于地面的燃气轮机设备包括 一体式压缩机； 涡轮部件；燃烧器，燃料和来自所述一体式压缩机的空气被供应至所述 燃烧器，所述燃烧器被布置成将热燃烧气体供应至所述涡轮部件；被操 作性地连接至所述涡轮以便发电的发电机；和被布置且被连接以便将冷
却空气或其它冷却介质供应至所述涡轮部件中的热气体路径部件部分 的外部压缩机，所述外部压缩机还被布置且净皮连接以便选择性地供应雾 化空气从而对被供应至所述燃烧器的所述燃料进行雾化。
本发明还可被实施为一种基于地面的燃气轮机设备，所述基于地面
的燃气轮机设备包括 一体式压缩机；涡轮部件；燃烧器，燃料和来自 所述一体式压缩机的空气被供应至所述燃烧器，所述燃烧器被布置成将 热燃烧气体供应至所述涡轮部件；被操作性地连接至所述涡轮以便发电 的发电机；和被布置且被连接以便将压缩空气供应至贮存室从而选择性 地贮存所述压缩空气的外部压缩机，所述贮存室的出口被连接以便将作 为冷却介质的所述压缩空气从贮存罐供应至所述涡轮部件中的热气体 路径部件部分。
本发明还可被实施为一种基于地面的燃气轮机设备，所述基于地面 的燃气轮机设备包括 一体式压缩机；涡轮部件；燃烧器，燃料和来自 所述一体式压缩机的空气被供应至所述燃烧器，所述燃烧器被布置成将 热燃烧气体供应至所述涡轮部件；被操作性地连接至所述涡轮以便发电 的发电机；和被布置且被连接以便将冷却空气或其它冷却介质供应至所 述涡轮部件中的热气体路径部件部分的外部压缩机；和用于产生在所述 外部压缩机中对所述冷却空气进行压缩所需的功中的至少一些功的外 部涡轮，其中所述一体式压缩机被操作性地联接至所述外部涡轮以便选 择性地将压缩空气从所述一体式压缩机供应至所述外部涡轮。
本发明还可被实施成一种确保基于地面的燃气轮机发电设备的峰 值功率性能的方法，所述基于地面的燃气轮机发电设备包括一体式压缩 机、涡轮部件、燃烧器和发电机，其中所述涡轮部件中的热气体路径部 分通过冷却空气被冷却，所述方法包括a)将压缩空气从所述一体式 压缩机供应至所述燃烧器；b)将冷却空气或其它冷却介质从外部压缩 机供应至所述涡轮部件中的所述热气体路径部分；和c)供应来自所述 外部压缩机的压缩空气以便对被供应至所述燃烧器的燃料进行雾化。
通过仔细研究下面对本发明的目前优选的示例性实施例进行的详 细描述并结合附图将能更充分地理解和意识到本发明的这些和其它目 的和优点，其中
图l是现有技术中的用于燃气轮机的冷却布置的示意图； 图2是另一种现有技术中的用于燃气轮机的冷却布置的示意图； 图3是又一种现有技术中的用于燃气轮机的冷却布置的示意图； 图4是再一种现有技术中的用于燃气轮机的冷却布置的示意图； 图5是根据本发明的一个示例性实施例的用于燃气轮机的冷却布 置的示意图6是根据本发明的另一示例性实施例的用于燃气轮机的冷却布 置的示意图；和
图7是根据本发明的又一示例性实施例的用于燃气轮机的冷却布 置的示意图。
具体实施例方式
图1示出了一种常规的冷却的燃气轮机系统，所述冷却的燃气轮机 系统包括一体式压缩机10、燃烧器12和涡轮部件14。压缩机10、涡轮 部段14和发电机32在图中被示作呈单轴构型，且所述单根轴34还对 发电机32进行驱动。
入口空气借助于流16被供应至压缩机。压缩空气从压缩机中的各 个位置处被抽吸出来并且被供应至涡轮部件14中的需要冷却和密封的 位置。抽吸位置被选择成在所需压力下供应空气。物质流26、 28、 30 表示从一体式压缩机中抽吸出来的冷却空气抽吸物，所述冷却空气抽吸
物按一定路线到达机器的涡轮部段以便对热气体路径部件部分进行冷 却和密封。分别供应低压冷却剂和中压冷却剂的流26和28可借助于位 于压缩机壳体外部的管道沿一定路线行进，且被重新引导通过涡轮机壳 体而进入需要冷却的部件内。流30供应最高压冷却剂且通常在机器内 部按一定路线行进，例如通过压缩机-涡轮转子的孔。剩余的压缩空气 在高压下借助于流18被供应至压缩机，在所述压缩机中，所述剩余的 压缩机空气与由流2 0供应的燃料进行混合。
热燃烧气体借助于流22被供应至涡轮部件14。 一些压缩机空气可 借助于流24产生转向而绕过燃烧器，从而在进入涡轮之前进入热燃烧 气体。
图2示出了现有技术中的冷却燃气轮机系统的一个实例，其中通过 利用外部压缩机将加压冷却空气供应至涡轮部件。在美国专利No.6， 389， 793中披露了图2所示的冷却燃气轮机系统，所述专利的整体披 露内容在此作为参考被引用。
为了便于且易于理解起见，与图1中使用的那些附图标记相似的附 图标记被应用于图2中相应的部件，但增加了前缀"1"。正如在上述 常规系统中那样，入口空气借助于流116被供应至压缩机110。压缩空 气借助于流118被供应至燃烧器112，在所述燃烧器中，所述压缩空气 与借助于流120被供应至燃烧器的燃料进行混合。旁通空气可借助于流 124被供应至热燃烧气体。然而，在此处，相应的低压冷却空气流126、 中压冷却空气流128和高压冷却空气流130 (或其它冷却介质)是由独 立的外部压缩机136产生的，所述外部压缩机由马达138来驱动。在该 实施例中，所有的空气或其它冷却介质都是由该外部压缩机136供应的， 因此使得允许燃气轮机压缩机空气中有更多的燃气轮机压缩机空气被 用于燃烧过程中。由于压缩机136可专用于仅供应冷却空气或其它冷却 介质，因此，无论压缩机的性能由于环境温度的升高而产生怎样的变化， 涡轮部件114的冷却需求都会得到满足。换句话说，由于不需要一体式 压缩机IIO承担冷却负栽，因此有足够的空气来满足燃烧器和涡轮部件 的性能，由此增加了输出。
图3示出了一种现有技术的变型，其中以纯增补(pure augmentation )才支术中既通过一体式涡轮压缩机210又通过外部压缩机 236 (该外部压缩机可以是有中间冷却的压缩机)来供应冷却空气。换 句话说，外部压缩机236被用来对从一体式压缩机210供应至涡轮部件 以便实现冷却和密封目的的压缩空气进行增补。在此处，通过一体式压 缩机210借助于相应的流226、 228和230来供应低压、中压和高压冷 却空气，但还根据需要借助于相应的低压流242、中压流244和高压流 246而通过由外部压缩机236供应的冷却空气对所述低压、中压和高压 冷却空气进行补充。由于外部压缩机236对冷却负载需求进行了增补， 因此使得增加了从压缩机210供应至燃烧器212的压缩空气，从而导致 增加了输出。
如图4所示，在另一种现有技术的变型中，来自流246的压缩空气 可借助于管线218被供应至燃烧器(而不是借助于流230被供应至涡轮 部段)以便对来自一体式压缩机210的空气供应进行增补。除此之外， 图4所示的布置与图3所示的布置是相同的。此外，可切断借助于流242
和244而供应至涡轮部段214的增补冷却介质，从而使得外部压缩机对 仅供应至燃烧器的空气进行增补。
已公知地，可在独立的空气冷却介质供应系统中加入冷却介质的湿 化。 一种适当的湿化方式是采用饱和剂和受到废能或原始能量加热的热 水。图2、图3和图4示出了分别借助于流140、 240来引入湿气的方式。 还已公知地，废热易于从单循环系统中的涡轮机排出物中获得从而使水 汽化，所述水可随后适当地被引入压缩机136或236的泄放空气流中的 任何泄放空气流内。冷却剂供应系统可对所供应的冷却介质的流量、压 力、温度和成分进行调制。
上述系统因此提高了燃气轮机的功率性能，特别是当环境温度升高 到一定水平而导致减少了通往一体式涡轮压缩机的流，从而导致减少了 输出时更是如此。换句话说，随着环境温度的升高以及流入涡轮压缩机 内的空气流的减少，可采用外部压缩机136或236来保持或增加输出， 这是通过以对为了通往涡轮部段的热气体路径部分的冷却空气流进行 优化和/或为了对通往燃烧过程的空气或其它冷却介质的流进行增补所 需的量来供应所有的，或附加的，冷却空气(或其它冷却介质)而实现 的。进一步就这方面而言，通过利用外部压缩机，可提供比可从一体式 涡轮压缩机获得的冷却空气流更多的冷却空气流，这是因为来自涡轮压
缩机的空气中仅有占一小部分百分比的空气被用于冷却负栽。换句话 说，在常规系统中，冷却空气的量受到一体式压缩机容量的限制。通过 从外部压缩机供应冷却空气，其中所有的空气或其它冷却介质可被用于 冷却负载，涡轮压缩机可将更多空气供应至燃烧过程，由此增加涡轮输 出。无论外部压缩机136、 236是单独使用还是与一体式涡轮压缩机110、 210相结合地使用，这一点都是毋庸置疑的。
然而，这并不是说，不能对上述系统做出进一步的改进。实际上， 本文所披露的发明涉及与借助于独立压缩机供应用于增补的压缩空气 和/或冷却介质这方面相关的进一步的系统改进。
通常情况下，燃气轮机被构造成双燃料单元。就这方面而言，燃烧 器被设置成燃烧天然气或燃料油。为了通过燃料油充分地运行，常规的 做法是，该单元配备有雾化空气(AA)制动器(skid)。该常规制动器 包括高压压缩机，所述高压压缩机将空气提供给液体燃料尖端以便对燃 料喷射物进行雾化。在大多数情况下，燃料油(和雾化空气制动器)是
很少使用的，例如在需要进行维修或者在暂时中断气体燃料供应的过程 中会用到燃料油，或者通过燃料成本的权衡来确定燃料油的使用。根据
本发明的一个实施例，如图5所示，外部压缩机不仅或独立地或出于对 一体式燃烧器和可能的功率增补空气进行增补(正如上面结合图2-图4 所述)的目的而提供冷却空气，而且可将来自外部压缩机236的压缩空 气248选择性地用作雾化空气，由此使得消除了雾化空气制动器。由于 燃料油的使用是有限的且因此其雾化空气的使用也是有限的，因此通过 选择性地传导来自外部压缩机236的压缩冷却空气"8以便用作雾化空 气这种方式将大大节约成本投入。
根据本发明进一步的特征，外部压缩机可被用作增加燃气轮机降载 (turndown)的手段。降载被定义为使得燃气轮机在符合排放规定条件 下运行的最低负载。对于干式低N0x (DLN)燃烧器而言，这取决于燃烧 器出口温度。在低于特定温度的情况下，将不再可能实现预混合燃烧且 燃烧器被转换至其它模式(例如扩散燃烧)。这些并非完全预混合的模 式导致产生了多得多的排放物且由于存在强制性排放物法规而使得该 单元无法运行。因此，所希望的是在可能的最低负载下(希望达到全速 空负栽或甚至达到运转备用)将燃烧器排出物温度保持在特定界限以 上。如果这是可能的，则燃气轮机的操作者将具有最大程度的操作灵活 性。在现有技术中，例如通过减少入口导引轮叶来延伸降载。通过这种 方式使得减少了通往燃烧器的空气流且可在低负载下保持更高的温度。 空气流可以降低达到的界限(低于该界限，压缩机无法运行-还存在机 械界限)限制了降栽。现在考虑根据本发明的燃气轮机，其中可通过外 部压缩机或通过内部压缩机来供应冷却空气。在最小的(一体式)压缩 机空气流下，外部压缩机被关闭且现在通过一体式压缩机(通过为控制 阀提供能量)来供应所需的冷却流。这导致进一步减少了在恒定的压缩 机流下的燃烧空气流。结果是，可在更低的负栽下保持升高的燃烧器出 口温度，且增加了降载。
另外，现有技术中的增加降载的方法是采用0BB(over boardbleed) 技术。在这种情况下，在最小的压缩机空气流下，通过将压缩空气中的 一些压缩空气排入大气内从而减少通往燃烧器的空气流并且允许获得 更高的燃烧器出口温度从而增加降栽。显然，这是在消费者有很大损失 的情况下实现的，原因在于损失了用于循环的压缩空气。假设利用额外
空气来进行冷却会导致提高复杂性，而根据如图6所示的本发明的另一 实施例，压缩的OBB空气250 (要不然会损失到环境中)在涡轮252中 产生膨胀(这与汽车增压器相似)从而产生了为了在外部压缩机236中 对冷却空气进行压缩所需的功中的一些(或所有)功。电动马达238可 被平行地使用以便覆盖任何功率不足。
作为上述方式的进一步的可选方式，外部压缩机仅被用在低负载下 以便增加降栽。因此，在正常运行过程中，利用的是如图2_图4所示的 现有技术构型。而在低负载下，采用OBB技术来驱动小型外部压缩机从 而提供冷却空气，如图6所示。
根据本发明进一步的特征，外部空气(为实现所有目的的外部空气 冷却空气、雾化空气、功率增加空气等)通过贮存器被输送。这将允许 获得极大的灵活性和优化可能性。例如，可利用任何类型的压缩机(包 括往复压缩机或混合的组合)，同时仍可保持引擎端口处的所需参数(流 量、压力、温度、稳定性)。此外，可大大改进发电设备的经济性。在 许多情况下，引擎都是循环运行的。在峰值需求期间(通常是白天)实 现的输出是昂贵的，但消费者在夜间可能会有过多的容量。在减少的需 求期间，电价较低或者消费者可能被迫远离输电线路。为了更好低利用 峰值时间和需求的波动，大多数消费者选择使单元在夜间在一定损失下 以某种停车模式(在尽可能最低的负载下-最大降载)来运行。利用具 有贮存罐的外部压缩机将允许消费者利用过多的容量产生白天所需的 空气并且使峰值小时期间外部压缩机中的功率损耗最小化。
因此，根据本发明进一步的特征，提供了压缩空气贮存和回收系统， 且在图7所示的实施例中，所述系统包括由电动马达驱动的外部压缩机 236以便借助于以管道形式存在的供料结构256将压缩空气供应至压缩 空气贮存装置254。
如图中示意性示出地，压缩空气贮存器254的出口被流体联接至从 一体式压缩机210延伸至涡轮机214的冷却空气供应管线226、228、230。 在所示实施例中，阀258被设置在压缩空气贮存装置的出口与供应管线 之间。
压缩空气贮存装置可以是地下的地质层组，如盐穹、盐层、地下蓄 水层，或可由硬岩石构成。另一种可选方式是，空气贮存器254可以是 人造压力容器，所述人造压力容器可被设置在地上。
如图7所示，热交换器260可被设置在外部压缩机236 (或者在可 能的情况下为罐254 )与涡轮机之间以便控制冷却介质的温度。冷却有 效性取决于流量和温度。对于同样的流而言，更低的温度可增加冷却有 效性。这允许在燃料消耗、压缩机的尺寸与可变(实际的循环条件)的 冷却需求之间进行优化和权衡。热交换器可以是闭路或者开路的。
尽管在本文所述的实施例中仅示出了 一个燃气轮机组件，但应该意 识到，可设置多个燃气轮机组件且使它们与共用的外部压缩机和/或与 共用的压缩空气贮存器相联从而提供所需的冷却空气流、增补的空气流 和/或功率增加。
尽管已经结合目前被认为是最实际且最优选的实施例对本发明作 出了描述，但应该理解本发明并不限于所披露的实施例，而是相反地， 本发明旨在覆盖被包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种变型 和等效布置。
权利要求
1.一种基于地面的燃气轮机设备，所述基于地面的燃气轮机设备包括:一体式压缩机(210)；涡轮部件(214)；燃烧器(212)，燃料(220)和来自所述一体式压缩机的空气(218)被供应至所述燃烧器，所述燃烧器被布置成将热燃烧气体(222)供应至所述涡轮部件(214)；被操作性地连接至所述涡轮以便发电的发电机(232)；和被布置且被连接以便将冷却空气(242、244、246)或其它冷却介质供应至所述涡轮部件(214)中的热气体路径部件部分的外部压缩机(236)，所述外部压缩机还被布置且被连接以便选择性地供应雾化空气(248)从而对被供应至所述燃烧器的所述燃料进行雾化。
2、 根据权利要求1所述的基于地面的燃气轮机设备，其中所述外 部压缩机被布置且被连接以便将压缩空气供应至贮存室(254 )从而选 择性地贮存所述压缩空气，所述贮存室的出口被连接以便将作为冷却介 质的所述压缩空气从贮存罐供应至所述涡轮部件中的热气体路径部件 部分。
3、 根据权利要求2所述的基于地面的燃气轮机设备，其中所述贮 存室的所述出口被操作性地连接至从所述一体式压缩机(210)延伸至 所述涡轮(214、 226、 228、 230 )的冷却空气供应管线。
4、 根据权利要求2所述的基于地面的燃气轮机设备，进一步包括 介于所述贮存室(254 )与所述涡轮之间用以控制所述冷却介质的温度 的热交换器(260 )。
5、 根据权利要求2所述的基于地面的燃气轮机设备，进一步包括 介于所述压缩空气贮存室(254 )的出口与所述涡轮(214)之间用以选 择性地控制从所述压缩空气贮存室流向所述涡轮的冷却介质流量的阀(258 )。
6、 根据权利要求1所述的基于地面的燃气轮机设备，进一步包括 用于产生在所述外部压缩机(236 )中对所述冷却空气进行压缩所需的 功中的至少一些功的外部涡轮(252 )，其中所述一体式压缩机(210) 被操作性地联接至所述外部涡轮(252 )以便选择性地将压缩空气(250 ) 从所述一体式压缩机供应至所述外部涡轮。
7、 根据权利要求6所述的基于地面的燃气轮机设备，进一步包括 与所述外部涡轮(252 )联成一线用以选择性地使所述外部压缩机(236 ) 运行的电动马达(238 )。
8、 一种确保基于地面的燃气轮机发电设备的峰值功率性能的方法， 所述基于地面的燃气轮机发电设备包括一体式压缩机(210)、涡轮部 件(214)、燃烧器(212)和发电机(232 )，其中所述涡轮部件中的 热气体路径部分通过冷却空气被冷却，所述方法包括a)将压缩空气(218)从所述一体式压缩机(210)供应至所述燃 烧器(212);b )将冷却空气(242、 244、 246 )或其它冷却介质从外部压缩机(236 ) 供应至所述涡轮部件(214)中的所述热气体路径部分；以及c)供应来自所述外部压缩机的压缩空气(248 )以便对被供应至所 述燃烧器(212)的燃料进行雾化。
9、 根据权利要求8所述的方法，其中步骤(b)包括将压缩空气从 所述外部压缩机供应至贮存室(254 )并且选择性地将所述压缩空气从 所述贮存室供应至所述涡轮部件中的所述热气体路径部分。
10、 根据权利要求9所述的方法，进一步包括利用被设置在所述!& 存室(254 )与所述涡轮部件(214)之间的热交换器(260 )对从所述 贮存室供应至所述涡轮部件的压缩空气的温度进行控制。
全文摘要
一种基于地面的燃气轮机设备包括一体式压缩机(210)；涡轮部件(214)，所述涡轮部件具有燃烧器(212)，燃料(220)和来自所述一体式压缩机的空气(218)被供应至所述燃烧器；和被操作性地连接至所述涡轮以便发电的发电机(232)；其中通过由外部压缩机供应的冷却空气(242、244、246)或其它冷却介质对所述涡轮部件中的热气体路径部件部分进行整体冷却或至少部分地冷却。还提供了一种方法，所述方法包括的步骤有将压缩空气(218)从所述一体式压缩机(210)供应至所述燃烧器(212)；和将冷却空气(242、244、246)或其它冷却介质中的至少一部分从外部压缩机(236)供应至所述涡轮部件(214)中的所述热气体路径部分。
文档编号F01D25/08GK101372900SQ20081021002
公开日2009年2月25日 申请日期2008年8月22日 优先权日2007年8月22日
发明者C·A·迪努 申请人:通用电气公司