专利名称：进气调温装置及其运行方法
技术领域：
本发明涉及一种尤其是用于燃气和蒸汽轮机设备的进气调温装置，以及涉及一种用于运行这种装置的方法，并且尤其涉及燃气和蒸汽轮机设备改进的峰值负荷运行方法。
背景技术：
已知的是，燃气和蒸汽轮机设备的功率还与燃气透平的进气温度有关并且在环境温度高时，产生较小的功率。在热带国家与白天有关存在用电高峰，例如由于用于制冷设备的提高的耗电导致。这种高消耗在按照供给和需求形成价格的供电市场中首先导致下午的电价过高。在晚上，尽管燃气和蒸汽轮机设备可以有更高的功率，但是用电需求和电价通常都较低。为了克服该问题，例如可以在负荷高峰时间通过蒸发冷却在燃气透平之前冷却进气。然而，该方法的有效性与空气湿度有关并且仅导致有限的功率上升。与此相关的缺点是需要水或水损失。作为替代方案，可以通过废热蒸汽发生器-附加点火补偿燃气轮机中由于高的环境温度造成的功率损失。这种方案的缺点在于额外的制造成本，效率降低和水蒸汽回路、蒸汽透平的尺寸过大，并且如果没有单轴设备的情况下，蒸汽透平-发电机的尺寸也变大。原则上当然可以通过使用保留功率补偿功率损失。然而，额外的燃气和蒸汽轮机设备和组件导致在较小的使用时间中导致高成本。最后，可以通过常规的冷却机冷却燃气透平的进气。然而，冷却机本身消耗很多电。该方法没有导致显著的功率上升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，这样改进燃气轮机设备，尤其是燃气和蒸汽轮机设备的峰值负荷运行，使得在高效率下实现高功率。按照本发明通过按权利要求1所述的装置和按权利要求11所述的方法解决该技术问题。本发明有利的扩展设计在各个从属权利要求中定义。通过在进气调温装置中，包括一方面连接在进气管中而另一方面连接在进气预热系统的回路中的换热器，可将用于传热的流体的存储器与该回路热连接，从而实现在现在和将来的燃气和蒸汽轮机设备中由于晚间和周末(Co-问题)的部分负荷下降，在许多设备中已经存在进气预热系统(空气预热系统=APH)。现在，存储器具有流体，通过该流体可以由已经存在的进气预热系统影响进气的温度。在此，进气预热系统可以用和预热空气相同的方式用于冷却。存储器可有利地与回路热连接，方式是将第一流体导管从存储器分支出并且汇入回路中，并且将第二流体导管从回路分支出并且汇入存储器中。在此，流体直接输入进气预热系统中并且可以通过进气预热系统的换热器影响燃气透平的进气的温度。作为备选将换热器连接在回路中并且通过第一和第二流体导管与存储器连接。在这种情况下，流体与存储器和换热器形成独立的回路，而进气预热系统的回路保持不变。由与进气交换加热的流体可以相宜地再次被冷却，方式是空气流体换热器一方面连接在存储器回路中，并且另一方面连接在从压缩机分支出的空气导管中，其中，存储器回路包括存储器、连接在第一和第二流体导管之间的第三流体导管，以及第一和第二流体导管从存储器到第三流体导管的部段。出于该目的，在从压缩机分支出的空气导管中沿空气的流动方向在空气流体换热器的初级侧连接用于冷却空气的至少一个另外地换热器。另外的换热器例如可以连接在燃气和蒸汽轮机设备的水-蒸汽回路中，并且被用于加热供水。为了进一步冷却压缩空气，有利地在另外的换热器和空气流体换热器之间在空气导管中连接降压阀。作为备选，可以有利地在另外的换热器和空气流体换热器之间在空气导管中连接空气膨胀透平。在本发明的一种有利的实施形式中，用于传递热量的流体是水和防冻剂(例如乙二醇或乙醇)组成的混合物。由于大的传热系数并且通过防冻剂降低水的冰点，水和防冻剂组成的混合物特别适用于这种应用。进气调温装置有利地是燃气轮机设备或燃气和蒸汽轮机设备的一部分。在用于运行带有进气预热系统的进气调温装置的、按本发明的方法中，用于传递热量的流体被从存储器供出并且输送到用于改变进气的温度的进气预热系统。为了再生流体有利地使用之前必须被冷却的压缩空气。在此有利的是，压缩的压缩空气在与水，例如燃气和蒸汽轮机设备的水蒸汽回路的中压或低压供水的热交换中被冷却。还有利的是，为进一步冷却而用节流阀使冷却的压缩空气膨胀。作为备选也会是相宜的是，压缩空气在膨胀透平中膨胀。根据用于传输热量的流通是否直接通入进气预热系统或者通过换热器接入，对于按本发明的装置或者按本发明的方法在带有总归存在的进气预热系统的燃气和蒸汽轮机设备中仅需要通过附加的换热器进行小的改变。另外，通常耗电量以及电流损失在晚上最小。现在，为了充分利用燃气和蒸汽轮机设备，可以将部分产生的能量例如转化并存储在冷的流体中，所述流通在白天高电流损失时用于额外的功率输出。因此，燃气和蒸汽轮机设备类似于蓄能发电站，其在电价低的时候消耗电能并且在电流损失高的时候可以产生额外的电流，而在此不需要改变额定功率。根据系统的设计，将进气从例如约+40°C冷却到+10°C使得功率上升15-20%。装置技术上的开销小于通过传统的冷却机器的方案中的开销，并且系统(尤其带有膨胀透平)的效率也明显更高。大多总归需要的进气预热系统除了迄今为止的任务(在部分负荷，弱负荷时避免CO)还额外用于在高外部温度下冷却，并因此可以明显更经济地使用。该装置也可以在冬天或者通常在低环境温度下通过存储热水明显降低燃气轮机用于所谓的抗冰运行的辅助蒸汽的需求，其中，存储器同样通过进气预热系统卸载。低外部温度和高相对空气湿度值的组合导致进气系统和整个燃气轮机明显提高的结冰危险。过滤器结冰以及由此导致空气输入的减少或闭塞属于这种危险。前者导致功率降低，后者意味着设备停止。但问题最严重的是冰晶或水滴，其会进入透平并且与透平的叶轮接触。也就是说，在有利的情况下增大磨损，在不利的情况下提前破坏设备。因此，有效地防止结冰在技术和经济上有重要意义。添加防冻剂防止水在与冷的进气热交换时结冰。用于加热由水和防冻剂组成的混合物所需的热量例如从燃气和蒸汽轮机设备的水-蒸汽回路获得。除了在抗冰运行中使用之外，还可以借助于存储的热水在部分符合运行时显著提高设备效率。也可以借助于冷或热水存储器以简单的方式实现对建筑和空间单元的加热和冷却。根据存储器的构造和运行方式，如果需要的话，在此也可以并行地冷却和加热。
示例地根据附图详细说明本发明。在附图中示意并且未按比例地示出图1是燃气轮机设备和当前的燃气轮机进气-预热系统；图2是带有直接热耦连的进气调温装置，通过从存储器将流体供入进气预热系统；图3带有通过换热器的间接热耦连的进气调温装置；图4是通过压缩空气导管中的节流阀产生冷的流体；图5是通过压缩空气导管中的膨胀透平产生冷的流体；图6燃气和蒸汽轮机设备包括产生冷流体的水蒸汽回路，以及图7是利用进气调温装置的存储器作为蓄热器。
具体实施例方式图1示意并且举例示出了燃气轮机1和燃气和蒸汽轮机设备现在的燃气透平进气预热系统2。燃气轮机设备1配备有燃气透平3，压缩机4以及至少一个布置在压缩机4和燃气透平3之间的燃烧室5。借助于压缩机4通过进气导管6抽吸、压缩新鲜空气，并且通过新鲜空气导管7将其输送到燃烧室5的一个或多个燃烧器8。输入的空气被与通过燃料导管9输入的液态或气态的燃料混合并且点燃混合物。在此产生的燃烧废气形成燃气轮机设备1的工作介质，该工作介质被输送到燃气透平3，在此工作介质膨胀做功并且驱动与燃气透平3耦连的轴10。轴10还与燃气透平3以及与空气压缩机4以及发电机11耦连，以便驱动这些装置。通过预热进气减小了单位时间可输送到燃气透平3的燃料空气混合物的总质量流，因此通过燃气轮机设备1可实现的最大功率输出小于省略预热进气时的功率。然而，在预热进气时，通过输入热量燃料消耗比最大可实现的输出功率下降得更快，因此总效率得以提尚。进气预热系统2由一方面连接在进气导管6中而另一方面连接在进气预热系统2 的回路13中的换热器12组成，在换热器中，流体由循环泵14循环泵送。在次级侧连接在回路13中的另一换热器15在初级侧连接在带有泵17的水蒸汽回路16中。流过另一换热器15的蒸汽加热环绕的流体并且同时冷凝。由此产生的冷凝液通过泵17输出。被加热的流体再次在换热器12中将吸收的热量释放给进气导管6中的进气。图2示出了按本发明的第一种实施形式的进气调温装置18，其中直接将冷的流体供入进气预热系统2。流体例如可以是水、防冻剂或者水和防冻剂的混合物。在此，通过第一流体导管20从存储器19将冷流体直接供入进气预热系统2。冷的流体经由旁路21绕流过通常加热进气预热系统2的流体的换热器15并且到达连接在进气导管6中的换热器 12。在此，冷的流体从进气吸收热量，在此进气被冷却并且接着通过第二流体导管22再次泵回到存储器19中。通过阀M和25可以在需要时将存储器19与进气预热系统2脱耦。图3示出了按本发明的第二种实施形式的进气调温装置18，其中间接地冷却在进气预热系统2中循环的流体。在此，换热器23 —方面连接在进气预热系统2的回路13中而另一方面连接在第一流体导管20和第二流体导管22之间。为装载存储器19，封闭第一流体导管20和第二流体导管22中的阀对，25。第三流体导管沈连接第一流体导管20和第二流体导管22，并且经过换热器27，冷空气流过该换热器的次级侧。泵观用于连续循环并且进一步冷却回路66中的流体。冷却的流体例如在直至-40°C保存在存储器19中。该日用容器可以根据设计容纳例如直至1000m3。图4和图5示出了如何产生用于冷却流体的冷空气。来自燃气透平压缩机4的热压缩空气四在与来自水-蒸气回路的水的热交换中被冷却，其中，同时在废热蒸汽发生器中提高蒸汽产量。为此，在图4和图5中，用于中压供水31的换热器30和用于冷凝液33 的换热器32连接在压缩空气导管34中。节流阀35 (如图4所示)或者膨胀透平36 (如图5所示)使冷却的空气膨胀到环境压力，其中，空气温度被进一步降低。产生的水或冰在水冰分离器37中从冷却空气分离。该冷空气通过由图2和图3公开的换热器27冷却流体并且接着输送到烟囱41 (参见图6)。作为替换，冷空气也可以在冷却回路中用于冷却发电机或者用在冷凝器中。在另一种方案中，也可以通过传统的制冷机器制冷。图6示出了燃气和蒸汽轮机设备38。结合图1的描述，燃气轮机设备1的热废气通过排气导管39输送到废热蒸汽发生器40并且流过废热蒸汽发生器，直至通过烟@ 41到达环境中。在其经过废热蒸汽发生器40的路径中，废气将其热量输送到高压过热器42，然后是高压中间过热器43，高压蒸发器44，高压预热器45，然后是中压过热器46、中压蒸发器 47、中压预热器48、然后是低压过热器49、低压蒸发器50并且最后是冷凝液预热器51。在高压过热器42中过热的蒸汽通过蒸汽导管52输送到蒸汽透平M的高压级53， 并且在此膨胀做功。类似于在燃气透平中提供的功，轴10并且发电机11为产生电能通过所述功运动。在高压级53中部分膨胀的热蒸汽接着被输送到高压中间过热器43，在此重新加热并且通过导管阳或蒸汽导管输送到蒸汽透平M的中压级56，并且在此膨胀做机械功。在此部分膨胀的蒸汽通过导管57与来自低压过热器49的低压蒸汽一起输送到蒸汽透平M的低压级58，并且在此在释放机械能的同时进一步膨胀。膨胀的蒸汽在冷凝器59中被冷凝，并且这样产生的冷凝液通过冷凝泵60直接输送到废热蒸汽发生器40的低压级61或者通过输送泵62，并由该输送泵施加相应的压力，输送到废热蒸汽发生器40的中压级63或者高压级64，在此冷凝液被蒸发。在排出蒸汽和过热之后，蒸汽通过废热蒸汽发生器40的相应导管再次输送到蒸汽透平M膨胀并且做机械功。如图4和图5所示，为将制冷装置接入燃气和蒸汽轮机设备38的水蒸汽回路中， 将热压缩空气四从燃气透平压缩机4分支出，在与中压供水31和冷凝液33的热交换中冷却并且在流体冷却过程的末尾回导到烟囱41中。图7示出了利用存储器19作为蓄热器的替代方案。存储在存储器19中的流体由泵观泵入进气预热系统2中。通过空气流体换热器27的导管沈和旁路导管21在此封闭。 流体在换热器15中通过来自燃气和蒸汽轮机设备38的水-蒸汽回路16的蒸汽加热。加热的流体接着不通过换热器12，而是直接通过导管67导回到存储器19中。为了存储热量，也就是为了加热进气，将流体从存储器19泵入进气预热系统2并且导引经过在图1至图3所示的进气换热器12。
权利要求
1.一种进气调温装置(18)，该进气调温装置包括一方面连接在进气导管(6)中而另一方面连接在进气预热系统O)的回路(13)中的换热器(12)，其特征在于，用于传递热量的流体的存储器(1 可与所述回路(1 热连接。
2.如权利要求1所述的进气调温装置(18)，其中，所述存储器(19)由此可与所述回路 (13)热连接，即，第一流体导管00)从存储器(19)分支出并且通入所述回路(1 中，以及第二流体导管0 从所述回路(1 分支出并且通入所述存储器(19)中。
3.如权利要求1所述的进气调温装置(18)，其中，换热器03)连接在所述回路(13) 中并且通过第一和第二流体导管(20,2 与所述存储器(19)连接。
4.如权利要求1至3之一所述的进气调温装置(18)，其中，该进气调温装置带有存储器回路(66)，该存储器回路包括存储器(19)，连接在所述第一流体导管OO)和所述第二流体导管0 之间的第三流体导管06)，以及第一流体导管OO)和第二流体导管0 的从所述存储器(19)到所述第三流体导管06)的部分，其中，空气-流体换热器(XT) 一方面连接在存储器回路(66)中且另一方面连接在从压缩机(4)分支出的空气导管(34)中。
5.如权利要求4所述的进气调温装置(18)，其中，至少一个用于冷却空气的另一换热器(30,3 在初级侧沿空气的流动方向在所述空气流体换热器(XT)之前连接在所述空气导管(34)中。
6.如权利要求5所述的进气调温装置(18)，其中，在所述至少一个另一换热器(30，32) 和所述空气-流体换热器(XT)之间在所述空气导管(34)中连接降压阀(35)。
7.如权利要求5所述的进气调温装置(18)，其中，空气膨胀透平(36)在所述另一换热器(30,3 和所述空气流体换热器(XT)之间连接在所述空气导管(34)中。
8.如权利要求1至7之一所述的进气调温装置(18)，其中，用于传递热量的流体包含水和防冻剂。
9.一种燃气轮机设备(1)，该燃气轮机设备带有如权利要求1至8之一所述的进气调温装置(18)。
10.一种燃气和蒸汽轮机设备(1)，该燃气和蒸汽轮机设备带有如权利要求1至8之一所述的进气调温装置(18)。
11.一种用于运行带有进气预热系统(2)的进气调温装置(18)的方法，其特征在于，将用于传递热量的流体从存储器(19)供出并且输送到进气预热系统O)，用于改变进气的温度。
12.如权利要求11所述的方法，其中，压缩的压缩空气在与水的热交换中被冷却。
13.如权利要求12所述的方法，其中，节流阀(35)使冷却的压缩空气膨胀。
14.如权利要求12所述的方法，其中，膨胀透平(36)使所述压缩空气膨胀。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中，膨胀的压缩空气在热交换中冷却流体。
全文摘要
本发明涉及一种进气调温装置(18)，该进气调温装置包括一方面连接在进气导管(6)中而另一方面连接在进气预热系统(2)的回路(13)中的换热器(12)，其中，用于传递热量的流体的存储器(19)可与所述回路(13)热连接。本发明还涉及一种用于运行该进气调温装置(18)的方法。
文档编号F02C7/08GK102449288SQ201080023406
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月25日 优先权日2009年5月28日
发明者D.霍夫曼, E.施密德, M.肖特勒 申请人:西门子公司