用于燃氣渦輪機功率增大的系統和方法

專利名稱：用于燃氣渦輪機功率增大的系統和方法
技術領域：
本文公開的主題一般地涉及燃氣渦輪機，且更具體地，涉及用于操作燃氣渦輪機 的方法和裝置。
背景技術：
燃氣渦輪機廣泛地應用于諸如發電的領域。常規的燃氣渦輪機系統包括壓縮機， 其壓縮周圍空氣；燃燒室，其用于將壓縮空氣與燃料混合并燃燒該混合物；以及渦輪，其被 燃燒混合物驅動以產生功率和排氣。本領域已知用于增加燃氣渦輪機能夠產生的功率的量的各種策略。增加燃氣渦輪 機的功率輸出的一種方式是通過在壓縮機中壓縮入口空氣之前對其進行冷卻。冷卻導致空 氣具有更高的密度，從而產生進入壓縮機的更高的質量流率。進入壓縮機的空氣的更高的 質量流率允許壓縮更多的空氣，從而允許燃氣渦輪機產生更多功率。此外，冷卻入口空氣溫 度增加了燃氣渦輪機的效率。已經設計并實施了各種系統和方法來冷卻入口空氣，用于有效而高效的燃氣渦輪 機操作。一種此類系統通過隱藏(即蒸發性)冷卻來冷卻空氣。通過使水在腔室內的板或 格狀介質上流動且然后通過該腔室抽吸空氣，此類系統使用環境溫度下的水來冷卻空氣。 蒸發性冷卻可將進入空氣冷卻至其濕球溫度附近。蒸發性冷卻可以是冷卻入口空氣的高效 方法，因為僅需要最小量的寄生功率來操作蒸發性冷卻系統。然而，在很多情況下，蒸發性冷卻對于冷卻渦輪機入口空氣并不是有效而高效的 方法。例如，蒸發性冷卻在相對潮濕的氣候中并非工作良好。此外，使用蒸發性冷卻方法用 周圍水可形成的冷卻的量與其它方法相比可能是最小的，因而導致由燃氣渦輪機產生的功 率的增長較小。其它此類系統通過可察覺冷卻來冷卻空氣。這些類型的系統典型地使用機械制冷 機來制冷水，并隨后使該水流過入口制冷機盤管。空氣被抽吸過該盤管以使空氣冷卻。這 些系統可以是有效的，因為它們可以將入口空氣冷卻至遠低于使用隱藏冷卻方法所能達到 的水平的水平，例如低于濕球溫度，從而允許燃氣渦輪機產生多得多的功率。此外，這些系 統可用在相對潮濕的氣候中。然而，在很多情況下，可察覺冷卻方法對于冷卻渦輪機入口空氣并不是有效而高 效的方法。例如，需要用來操作機械制冷機和入口制冷機盤管系統的寄生功率會很可觀。因 此，由使用該系統所導致的一定量的增加的燃氣渦輪機功率生產將需要用來驅動該系統。 此外，大到足以應對通過燃氣渦輪機的空氣的流率的用于機械制冷機設備以及入口制冷機 盤管系統的資本成本很可觀，并且可能是高得無法承受的。另外，制冷機盤管系統典型地需 要被冷卻至40° F以下溫度的冷卻物質流，以便提供對入口空氣的充分冷卻。最后，制冷機 盤管在燃氣渦輪機入口流上強加了相當大的壓降，這代表了當盤管未操作時相當大的功率 發生損耗。因此，這樣一種系統會是有益的，其能夠在多種環境條件下有效地冷卻入口空氣，不需要高得無法承受的資本成本，強加較小的壓降，并且不需要相當大的寄生功率來操作。 此外，按需要使用隱藏冷卻或可察覺冷卻，從而在多種環境條件下提供最優燃氣渦輪機效 果和效率的用于冷卻燃氣渦輪機入口空氣的系統和方法也會是有益的。

發明內容
在以下描述中將部分地陳述本發明的多個方面和優點，或者可從該描述變得明 顯，或者可通過本發明的實踐而獲悉。在一個實施例中，提供了一種燃氣渦輪機功率增大系統，其包括制冷機、控制器、 熱交換器以及燃氣渦輪機入口空氣流。制冷機可操作以使用來自熱源的能量來制冷冷卻劑 流。控制器可以可操作地連接到制冷機上，并配置成與至少一個環境條件相關而調整制冷 機的操作。調整制冷機的操作可包括當環境條件處在第一環境條件水平時操作制冷機以制 冷冷卻劑流，而當環境條件處在第二環境條件水平時不操作制冷機來制冷冷卻劑流。熱交 換器可與制冷機成流體連通，并配置成允許冷卻劑流通過該熱交換器。燃氣渦輪機入口空 氣流可在進入燃氣渦輪機入口前被引導通過熱交換器，允許空氣流與冷卻劑流相互作用， 從而冷卻該空氣流。在另一個實施例中，提供了一種用于燃氣渦輪機功率增大的方法，其包括測量至 少一個環境條件，與該至少一個環境條件相關而調整制冷機的操作，其中該制冷機的操作 使用來自熱源的能量來制冷冷卻劑流，以及通過熱交換器傳送該冷卻劑流。調整制冷機的 操作包括當環境條件處在第一環境條件水平時操作制冷機以制冷冷卻劑流，而當環境條件 處在第二環境條件水平時不操作制冷機來制冷冷卻劑流。熱交換器可配置成允許燃氣渦輪 機入口空氣流通過該熱交換器以與冷卻劑流相互作用，從而在空氣流進入燃氣渦輪機入口 之前冷卻該空氣流。參考以下描述及所附權利要求書，本發明的這些和其它特征、方面以及優點將變 得更好理解。結合在本說明書中并構成本說明書的一部分的附示了本發明的實施例， 并與描述一起用于解釋本發明的原理。


在本說明書中針對本領域技術人員陳述了本發明的完整的且能夠實施的公開，包 括其最佳模式，其參考了附圖，其中
圖1提供了本發明的燃氣渦輪機功率增大系統的示意性圖表。 部件列表
參考標號 部件
10燃氣渦輪機功率增大系統
12燃氣渦輪機
13縮機
14燃燒器
15渦輪
16燃氣渦輪機入口
17燃氣渦輪機排氣出口
5
18燃氣渦輪機入口空氣流
19排氣流
20制冷機
21冷卻劑入口
22冷卻劑出口
23熱流入口
24熱流出口
25冷卻劑流
26熱流
27熱流旁通
28冷卻劑旁通
29熱源
30熱交換器
31冷卻劑入口
32冷卻劑出口
33漂浮物清除器
34補充冷卻劑流
35獨立冷卻劑源
41排氣抽吸裝置
42空氣泄放裝置
43旁通閥
45過濾器
46泵
47閥
48閥
50控制器
具體實施例方式現在將詳細參考本發明的實施例，在圖中圖示了其一個或多個示例。各示例作為 本發明的解釋而不是本發明的限制提供。實際上，對本領域技術人員將會明顯的是在本發 明中可以做出多種改型和變型，而不背離本發明的范圍或精神。例如，作為一個實施例的部 分圖示或描述的特征可與另一個實施例一起使用而產生又再一個實施例。因此，其意圖在 于本發明覆蓋在所附權利要求書及其等價物的范圍內的此類改型和變型。圖1是燃氣渦輪機功率增大系統10的示意性圖表，該系統可操作地連接到燃氣渦 輪機12上。燃氣渦輪機12可包括壓縮機13、燃燒器14以及渦輪15。燃氣渦輪機12例如 還可包括多于一個壓縮機、多于一個燃燒器以及多于一個渦輪(未示出)。燃氣渦輪機12 可包括燃氣渦輪機入口 16。該入口 16可構造成接收燃氣渦輪機入口空氣流18。例如，在 一個實施例中，入口 16可為燃氣渦輪機入口外殼。燃氣渦輪機12還可包括燃氣渦輪機排 放出口 17。該出口 17可構造成排放燃氣渦輪機排氣流19。在一個實施例中，排氣流19可被引向熱回收蒸汽發生器(“HRSG”)(未示出)。在另一個實施例中，排氣流19可消散至 環境空氣中。在另一個實施例中，排氣流可被弓I導至制冷機20。燃氣渦輪機功率增大系統10可包括制冷機20。制冷機20可包括冷卻劑入口 21 和冷卻劑出口 22，用于接收和排放冷卻劑流25。制冷機20還可包括熱流入口 23和熱流出 口 24，用于接收和排放來自熱源四的熱流26。旁通閥43可沿熱流沈的方向設置在制冷 機20的上游。旁通閥43可與熱流旁通27連通。熱流旁通27可與制冷機20下游的熱流 26連通。制冷機20可操作以制冷冷卻劑流25。例如，制冷機20可使用來自熱源四的能量 以制冷冷卻劑流25。在一個實施例中，制冷機20可為吸收式制冷機。吸收式制冷機使用熱 量而不是機械能來提供冷卻，并利用溶劑和鹽的混合物來實現制冷循環。例如，水可用作制 冷劑，并且該制冷機可依靠水和溴化鋰溶液之間的強親和性來實現制冷循環。被制冷的冷 卻劑可為純水，或可為包含乙二醇、腐蝕性抑制劑或其它添加劑的水。但是應該理解的是， 該物質不限于水，并且可為本領域中已知的任何其它流體，例如輕油。吸收式制冷機與機械和電氣制冷機相比通常具有低功率需求，并且例如當廢熱被 用作熱源時是節能的。例如，在一個實施例中，熱源四可由燃氣渦輪機12產生。例如，熱 源四可為燃氣渦輪機排氣19。在另一個實施例中，熱源四可由HRSG產生。例如，熱源四 可為HRSG水或HRSG蒸汽。在其它實施例中，熱源四可為任何廢蒸汽，諸如蒸汽渦輪機密 封蒸汽、廢熱水、發電機冷卻水或由任何放熱過程產生的熱流。應該懂得熱源四不限于廢 熱和排放熱源，而是可通過任何加熱方法供應，諸如例如太陽能加熱、輔助鍋爐加熱或地熱 加熱。應該理解的是制冷機20不限于吸收式制冷機。例如，制冷機可為通過蒸汽壓縮循 環從液體移除熱量的任何制冷機器。在一個實施例中，排氣抽吸裝置41可沿熱流沈的方向設置在制冷機20的下游。 排氣抽吸裝置41可配置成通過制冷機20傳送熱流26。在一個實施例中，空氣泄放裝置42 可沿熱流26的方向設置在制冷機20的下游以及排氣抽吸裝置41的上游。空氣泄放裝置 42可配置成允許熱流在到達排氣抽吸裝置41之前消散。因此，空氣泄放裝置42可起作用 以提供低于進入熱流26的溫度的排氣抽吸裝置41工作溫度，確保排氣抽吸裝置41的可靠 性和長壽命。燃氣渦輪機功率增大系統10還可包括熱交換器30。該熱交換器30可與吸收式制 冷機20成流體連通。在一個實施例中，熱交換器30可配置成允許冷卻劑流25通過熱交換 器30。例如，熱交換器30可包括冷卻劑入口 31和冷卻劑出口 32。在一個實施例中，冷卻 劑入口 31可為噴嘴。在另一個實施例中，冷卻劑入口 31可為多個冷卻劑入口 31。例如， 冷卻劑入口 31可為多個噴嘴。冷卻劑入口 31可起作用以將冷卻劑流25傳送至熱交換器 30。在一個實施例的一個示例性方面，冷卻劑出口 32可為沿冷卻劑流25的方向設置 在熱交換器30的下游的貯槽。該貯槽可構造成在冷卻劑流25通過熱交換器30后收集該 冷卻劑流25，包括來自冷卻過程的任何因而產生的冷凝物。熱交換器30可構造成接納入口空氣流18。例如，在一個實施例中，熱交換器30可 沿入口空氣流18的方向位于燃氣渦輪機入口 16的上游。在一個實施例中，熱交換器30可
7位于燃氣渦輪機入口 16的附近。在另一個實施例中，熱交換器30可位于燃氣渦輪機入口 16內。入口空氣流18可在進入燃氣渦輪機入口 16或壓縮機13前被引導通過熱交換器30。熱交換器30可被配置成當入口空氣流18通過熱交換器30時冷卻入口空氣流18。 例如，熱交換器30可配置成允許通過熱交換器30的入口空氣流18與冷卻劑流25相互作 用，從而冷卻入口空氣流18。在一個實施例中，入口空氣流18可被引導通過冷卻劑流25， 使得熱量從入口空氣流18傳輸至冷卻劑流25，從而冷卻入口空氣流18。在一個實施例的另一個示例性方面，熱交換器30可為直接接觸式熱交換器。例 如，熱交換器30可為介質型直接接觸式熱交換器。該介質可布置成結構化圖案、隨機圖案 或本領域中任何已知的圖案。該介質可包括基于纖維素的機制、基于塑料的介質、基于金屬 的介質、基于陶瓷的介質或本領域中已知的任何介質或介質的組合。在一個實施例中，冷卻 劑流25可沿大致向下游的方向在介質表面上被引導。在一個實施例中，入口空氣流18可 沿大致垂直于冷卻劑流25的方向的方向被引導通過熱交換器30。在一個實施例的又一示例性方面，過濾器45可沿入口空氣流18的方向設置在熱 交換器30的上游。過濾器45可配置成在入口空氣流18進入熱交換器30和燃氣渦輪機12 之前從入口空氣流18去除微粒。在另一個實施例中，過濾器45可沿入口空氣流18的方向 設置在熱交換器30的下游。過濾器45可配置成在入口空氣流18進入燃氣渦輪機12之前 從入口空氣流18去除微粒。在一個實施例中，漂浮物清除器33可沿入口空氣流18的方向 設置在熱交換器30的下游。漂浮物清除器33可起作用以在燃氣渦輪機入口空氣流18進 入燃氣渦輪機12之前從燃氣渦輪機入口空氣流18去除冷卻劑的小滴。在一個實施例中， 泵46可沿冷卻劑流25的方向設置在熱交換器30的下游。泵46可配置成將冷卻劑流25 從熱交換器30傳送至制冷機20。燃氣渦輪機功率增大系統10可配置成使得與一定的條件相關而調整系統10的操 作。例如，控制器50可以可操作地連接到燃氣渦輪機功率增大系統10上以調整該系統。在 一個實施例中，控制器50可以可操作地連接到制冷機20上并被配置成調整制冷機20的操 作。控制器50可用各種控制算法以及控制線路來編程以便操作并調整燃氣渦輪機功率增 大系統10和制冷機20。控制器50還可以可操作地連接到燃氣渦輪機功率增大系統10或燃氣渦輪機12 的其它元件上。在一個實施例中，控制器50可以可操作地連接到旁通閥43上。在其它實 施例中，控制器50可以可操作地連接到排氣抽吸裝置41、空氣泄放裝置42以及泵46上。 控制器50可配置成操作排氣抽吸裝置41、空氣泄放裝置42、旁通閥43以及泵46上，從而 最大化燃氣渦輪機12的輸出或效率。在其它實施例中，控制器50可以可操作地連接到燃 氣渦輪機功率增大系統10或燃氣渦輪機12的其它部件上，從而最大化燃氣渦輪機12的輸 出或效率。控制器50可配置成監視至少一個環境條件。控制器50還可配置成與該至少一個 環境條件相關而調整制冷機20的操作。例如，在一個實施例中，制冷機20的操作可與環繞 燃氣渦輪機12的空氣的周圍相對濕度相關而被調整。調整制冷機20的操作可包括當環境 條件處在第一環境條件水平時操作制冷機20以制冷冷卻劑流25，而當環境條件處在第二 環境條件水平時不操作制冷機20來制冷冷卻劑流25。例如，在一個實施例中，第一環境條 件水平可為第一周圍相對濕度水平，而第二環境條件水平可為第二周圍相對濕度水平。因此，在一個實施例的示例性方面，控制器50可調整制冷機20的操作，使得當周圍相對濕度 處在第一周圍相對濕度水平時，制冷機20被操作以制冷冷卻劑流25，而當周圍相對濕度處 在第二周圍相對濕度水平時，制冷機20不被操作以制冷冷卻劑流25。在一個實施例中，第 一周圍相對濕度水平可為處在50%或高于50%的周圍相對濕度，而第二周圍相對濕度水 平可為低于50%的周圍相對濕度。在其它實施例中，第一周圍相對濕度水平可為處在或高 于從40%到60%范圍中的任何相對濕度水平的周圍相對濕度，而第二周圍相對濕度水平 可為低于從40%到60%范圍中的任何相對濕度水平的周圍相對濕度。在一個實施例的另一個示例性方面，可調整制冷機20的操作，使得當周圍相對濕 度處在或高于固定的周圍相對濕度水平時，制冷機20被操作以制冷冷卻劑流25，而當周圍 相對濕度處在固定的周圍相對濕度水平之下時，制冷機20不被操作以制冷冷卻劑流25。在 一個實施例中，該固定的周圍相對濕度水平可為50%。在其它實施例中，該固定的周圍相對 濕度水平可為在從40%到60%的范圍中的任何相對濕度水平。在一個實施例的一個示例性方面，可調整制冷機20，使得當環境條件處在第一環 境條件水平時，通過熱交換器30的入口空氣流18主要通過可察覺冷卻而被冷卻，而當環境 條件處在第二環境條件水平時，通過熱交換器30的入口空氣流18主要通過隱藏冷卻而被 冷卻。例如，在一個實施例中，可調整制冷機20的操作，使得當周圍相對濕度處在第一周圍 相對濕度水平時，操作制冷機20以制冷冷卻劑流25。在這些條件期間，通過熱交換器30的 入口空氣流18可主要通過可察覺冷卻而被冷卻。此外，當周圍相對濕度處在第二周圍相對 濕度水平時，制冷機20可不被操作以制冷該冷卻劑流25。在這些條件期間，通過熱交換器 30的入口空氣流18可主要通過隱藏冷卻而被冷卻。在一個實施例中，第一周圍相對濕度 水平可為處在50 %或高于50 %的周圍相對濕度，而第二周圍相對濕度水平可為低于50 % 的周圍相對濕度。在其它實施例中，第一周圍相對濕度水平可為處在或高于從40%到60% 范圍中的任何相對濕度水平的周圍相對濕度，而第二周圍相對濕度水平可為低于從40 %到 60 %范圍中的任何相對濕度水平的周圍相對濕度。在一個實施例的另一示例性方面中，可調整制冷機20的操作，使得當周圍相對濕 度處在或高于固定的周圍相對濕度水平時，操作制冷機20以制冷冷卻劑流25。在這些條件 期間，通過熱交換器30的入口空氣流18可主要通過可察覺冷卻而被冷卻。此外，當周圍相 對濕度低于固定的周圍相對濕度水平時，制冷機20可不被操作以制冷該冷卻劑流25。在這 些條件期間，通過熱交換器30的入口空氣流18可主要通過隱藏冷卻而被冷卻。在一個實 施例中，該固定的周圍相對濕度水平可為50%。在其它實施例中，該固定的周圍相對濕度水 平可為在從40%到60%的范圍中的任何相對濕度水平。可察覺冷卻指的是一種冷卻方法，此處熱量被從空氣去除，導致空氣的干球溫度 和濕球溫度上的變化。可察覺冷卻可涉及制冷冷卻物質且然后使用該被制冷的物質來冷卻 空氣。例如，當環境條件處在第一環境條件水平時，制冷機20的操作可被調整，使得制冷機 20被操作以制冷冷卻劑流25。在制冷機20操作以制冷冷卻劑流25的情況下，冷卻劑流25 可在低于周圍的溫度下操作。例如，在一個實施例中，冷卻劑流25可為被制冷的水。由于 冷卻劑流25通過熱交換器30被傳送，冷卻劑流25可與入口空氣流18相互作用。在低于 周圍的溫度下操作的冷卻劑流25可起作用以通過可察覺冷卻來冷卻入口空氣流18。隱藏冷卻指的是一種冷卻方法，此處熱量被從空氣去除，導致空氣的濕量上的變化。隱藏冷卻，即蒸發式冷卻，可涉及液體物質在周圍溫度下的蒸發以冷卻空氣。例如，當 環境條件處在第二環境條件水平時，制冷機20的操作可被調整，使得制冷機20不被操作以 制冷冷卻劑流25。在一個實施例中，熱流沈可通過旁通閥43傳送至旁通制冷機20，從而 阻止制冷機20的制冷操作。在另一個實施例中，制冷機20可被停止操作，使得冷卻劑流25 流過制冷機20，但是熱流沈并不制冷冷卻劑流25。在又另一個實施例中，冷卻劑流25可 經由閥47繞過制冷機20，并且可流過冷卻劑旁通28以及閥48流向冷卻劑入口 31。因為 冷卻劑流25可與入口空氣流18相互作用，蒸發到入口空氣流18中，可從獨立的冷卻劑源 35將補充冷卻劑流34加入冷卻劑流25，以彌補冷卻劑25的損失。在制冷機20不操作以 制冷冷卻劑流25的情況下，冷卻劑流25可在周圍溫度下操作。例如，在一個實施例中，冷 卻劑流25可為周圍溫度下的水。由于冷卻劑流25通過熱交換器30被傳送，冷卻劑流25 可與入口空氣流18相互作用。在周圍溫度下操作的冷卻劑流25可起作用以通過隱藏冷卻 即蒸發式冷卻來冷卻入口空氣流18。應該理解的是隱藏冷卻和可察覺冷卻不是互相排斥的冷卻方法。例如，在一個實 施例中，當冷卻劑流25被制冷至低于周圍的溫度時，入口空氣流18可僅通過可察覺冷卻來 被冷卻。在另一個實施例中，當冷卻劑流25處在周圍溫度時，入口空氣流18可僅通過隱藏 冷卻來被冷卻。在另一個實施例中，例如在冷卻劑流25的溫度從低于周圍到周圍或從周圍 到低于周圍的過渡期間，例如正好在制冷機20被操作前或正好在制冷機20被操作后，入口 空氣流18可通過可察覺冷卻和隱藏冷卻兩者而被冷卻。因此，本公開的燃氣渦輪機功率增 大系統10可提供入口空氣流18的可察覺冷卻和隱藏冷卻兩者，并且這些方法可被單獨應 用或組合應用。燃氣渦輪機功率增大系統10以及制冷機20的調整不限于與空氣的周圍相對濕度 相關而調整。例如，燃氣渦輪機功率增大系統10和制冷機20可與熱交換器30下游的入口 空氣流18的溫度相關而調整。在一個實施例的示例性方面，制冷機20可被調整以將熱交 換器30下游的入口空氣流18的溫度調節或維持在期望的溫度范圍中。例如，制冷機20可 被調整，使得通過熱交換器30的入口空氣流18在熱交換器30下游的空氣的溫度處在第一 水平時可主要通過可察覺冷卻來冷卻，而在熱交換器30下游的空氣的溫度處在第二水平 時主要通過隱藏冷卻來冷卻。此外，燃氣渦輪機功率增大系統10和制冷機20的調整可包括調整制冷機20以提 供對冷卻劑流25的各種制冷水平。例如，在一個實施例中，可調整制冷機20的操作以控制 冷卻劑流25的溫度。在另一個實施例中，可調整制冷機20的操作以控制冷卻劑流25的流 率。因此，例如，冷卻劑流25的溫度和流率可以被調節，使得熱交換器30下游的入口空氣 流18可以主要通過可察覺冷卻被冷卻到設定點溫度，而不管熱交換器30上游的入口空氣 流18的周圍相對濕度上的變化如何。此外，在一個實施例中，可以調整制冷機20的操作來 控制冷卻劑流25的流率，使得例如熱交換器30下游的入口空氣流18可以主要通過隱藏冷 卻被冷卻到設定點溫度，而不管熱交換器30上游的入口空氣流18的周圍相對濕度上的變 化如何。在一個實施例的示例性方面，可以使通過控制器50對燃氣渦輪機功率增大系統 10和制冷機20進行的調整被超馳而管理操作條件。例如，可使制冷機20的調整被超馳來 管理電網穩定性，例如發電設備的電網。例如，在一個實施例中，可使制冷機20的調整被超
10馳來操作以在任何環境條件下制冷冷卻劑流25，使得冷卻劑流25起作用來在任何環境條 件下主要通過可察覺冷卻來冷卻入口空氣流18。在此實施例中，燃氣渦輪機12可持續地產 生大量功率，盡管當存在一定的環境條件時會是低效的。此功率可被用來維持電網穩定性。 在另一個實施例中，可使制冷機20被超馳來不操作以在任何環境條件下制冷冷卻劑流25， 使得冷卻劑流25起作用來在任何環境條件下主要通過隱藏冷卻來冷卻入口空氣流18。本公開還提供了一種用于增大燃氣渦輪機功率的方法。該方法可包括測量至少一 個環境條件。如以上所討論的，在一個實施例中該環境條件可為熱交換器30的上游的空氣 的周圍相對濕度。在另一個實施例中該環境條件可為熱交換器30下游的入口空氣流18的 溫度。該方法還可包括與該至少一個環境條件相關而調整制冷機20的操作。如以上所 討論的，制冷機20的操作可制冷冷卻劑流25。在一個實施例中，制冷機20可為吸收式制冷 機。在一個實施例中，冷卻劑可為水。在一個實施例中，制冷機20可使用來自熱源四的能 量以制冷冷卻劑流25。如以上所討論的，熱源四例如可為HRSG水或HRSG蒸汽。在其它實 施例中，熱源四可為任何廢蒸汽，諸如蒸汽渦輪機密封蒸汽、廢熱水、發電機冷卻水或由任 何放熱過程產生的熱流。如以上所討論的，調整制冷機20的操作可包括當環境條件處在第一環境條件水 平時操作制冷機20以制冷冷卻劑流25，而當環境條件處在第二環境條件水平時不操作制 冷機20來制冷冷卻劑流25。例如，在一個實施例中，該環境條件可為熱交換器的上游的空 氣的周圍相對濕度。在一個實施例中，第一環境條件水平可為第一周圍相對濕度水平，而第 二環境條件水平可為第二周圍相對濕度水平。在一個實施例中，第一周圍相對濕度水平可 為處在50%或高于50%的周圍相對濕度，而第二周圍相對濕度水平可為低于50%的周圍 相對濕度。在其它實施例中，第一周圍相對濕度水平可為處在或高于從40%到60%范圍中 的任何相對濕度水平的周圍相對濕度，而第二周圍相對濕度水平可為低于從40%到60% 范圍中的任何相對濕度水平的周圍相對濕度。在一個實施例的示例性方面，調整制冷機20的操作可包括當周圍相對濕度處在 或高于固定的周圍相對濕度水平時，制冷機20被操作以制冷冷卻劑流25，而當周圍相對濕 度處在固定的周圍相對濕度水平之下時，制冷機20不被操作以制冷冷卻劑流25。在一個實 施例中，該固定的周圍相對濕度水平可為50%。在其它實施例中，該固定的周圍相對濕度水 平可為在從40%到60%的范圍中的任何相對濕度水平。該方法還可包括通過熱交換器30傳送冷卻劑流25。如以上所討論的，熱交換器 30可位于燃氣渦輪機入口 16附近或其內。熱交換器30可配置成允許通過熱交換器30的 入口空氣流18與冷卻劑流25相互作用，從而在空氣流18進入燃氣渦輪機入口 16或壓縮 機13前冷卻該入口空氣流18。例如，在一個實施例中，熱交換器30可為直接接觸式熱交換器。如以上所討論的，在一個實施例的示例性方面，通過控制器50對制冷機20的操作 的調整可以被超馳。例如，制冷機20的操作的調整可以被超馳以管理操作條件，例如電網
穩定性。通過在單個燃氣渦輪機功率增大系統10中提供制冷機20和熱交換器30，燃氣渦 輪機入口空氣流18可按環境條件所決定的在一個系統中使用隱藏冷卻和可察覺冷卻來冷卻。此布置給燃氣渦輪機功率增大系統提供了相當大的靈活性，因為一個系統能夠使用適 當的冷卻方法來冷卻燃氣渦輪機入口空氣流18，從而優化燃氣渦輪機12的操作，并在所有 環境條件下提供最大的燃氣渦輪機效率。例如，在一個實施例的示例性方面，當空氣的周圍相對濕度相對低，例如低于50% 時，燃氣渦輪機功率增大系統10可主要通過隱藏冷卻來冷卻入口空氣流18。隱藏冷卻可在 這些條件下提供最大的燃氣渦輪機效率，因為例如與可察覺冷卻相反，僅需要最少量的寄 生功率來提供隱藏冷卻，因此在凈燃氣渦輪機功率發生效率上有提升。然而，在諸如當空氣的周圍相對濕度相對高(例如高于50%)的其它條件下，隱藏 冷卻不是那么有效。因此，在一個實施例中，當空氣的周圍相對濕度相對高，例如高于50% 時，燃氣渦輪機功率增大系統10可主要通過可察覺冷卻來冷卻入口空氣流18。可察覺冷卻 可在這些條件下提供最大的燃氣渦輪機效率，因為例如在高相對濕度條件下隱藏冷卻不是 有效的，而可察覺冷卻可以將入口空氣流18冷卻至遠低于用隱藏冷卻所能達到的水平的 水平，例如低于濕球溫度，因此在凈燃氣渦輪機功率輸出上有提升。此外，制冷機20和熱交換器30的組合可降低入口空氣流18在燃氣渦輪機入口 16 處相對于入口制冷機盤管構造的壓降。例如，在一個實施例中，壓降可被降低大約0.5英寸 水柱(“W. c. ”)。另外，在單個燃氣渦輪機功率增大系統10中提供制冷機20和熱交換器30允許在 高于入口制冷機盤管所要求的那些溫度的溫度下使用冷卻劑流25來冷卻燃氣渦輪機入口 空氣流18。機械盤管冷卻系統典型地需要被冷卻至低于35° F的溫度的冷卻物質流。機 械制冷機設備和盤管系統的資本成本是可觀的并且可能是高得無法承受的。然而，如上提 供的帶有制冷機20和熱交換器30的單個燃氣渦輪機功率增大系統10僅需要被冷卻至高 于35° F的溫度的冷卻物質流，例如介于35° F和50° F之間，例如介于40° F和45° F 之間，例如大約43° F。例如，在一個實施例中，吸收式制冷機20和直接接觸式熱交換器30 可使用處在高于35° F的溫度下的冷卻劑流25來對入口空氣流18提供足夠的冷卻，例如 介于35° F和50° F之間，例如介于40° F和45° F之間，例如大約43° F。此系統10 提供與燃氣渦輪機功率增大系統相關的資本成本方面的明顯降低。本書面說明書使用示例來公開本發明，包括最佳模式，并且還使得本領域技術人 員能夠實踐本發明，包括制造和使用任何裝置或系統，并執行任何結合的方法。本發明可授 予專利的范圍由權利要求書限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果此類 其它示例具有無異于權利要求書的字面語言的結構性元件，或者如果它們包括與權利要求 書的字面語言并無實質性區別的等價結構性元件，則此類其它示例意在處在權利要求書的 范圍內。
權利要求
1.一種燃氣渦輪機功率增大系統(10)，包括制冷機(20)，所述制冷機00)可操作以使用來自熱源09)的能量制冷冷卻劑流 (25)；控制器(50)，其可操作地連接到所述制冷機00)上，并配置成與至少一個環境條件相 關而調整所述制冷機OO)的操作，其中，調整所述制冷機OO)的操作包括當所述環境條件 處在第一環境條件水平時操作所述制冷機OO)以制冷所述冷卻劑流(25)，而當所述環境 條件處在第二環境條件水平時不操作所述制冷機OO)以制冷所述冷卻劑流05)；熱交換器(30)，其與所述制冷機OO)成流體連通，并配置成允許所述冷卻劑流05)通 過所述熱交換器(30)；以及燃氣渦輪機入口空氣流(18)，其中所述空氣流(18)在進入燃氣渦輪機入口(16)前被 引導通過所述熱交換器(30)，允許所述空氣流(18)與所述冷卻劑流0 相互作用，從而冷 卻所述空氣流(18)。
2.根據權利要求1所述的燃氣渦輪機功率增大系統(10)，其特征在于，所述環境條件 是所述熱交換器的上游的空氣的周圍相對濕度。
3.根據權利要求1-2中任一項所述的燃氣渦輪機功率增大系統(10)，其特征在于，所 述第一環境條件水平是所述熱交換器的上游的空氣的周圍相對濕度處于或高于50%，而所 述第二環境條件水平是所述熱交換器的上游的空氣的周圍相對濕度低于50%。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的燃氣渦輪機功率增大系統(10)，其特征在于，通 過所述控制器(50)與至少一個環境條件相關對所述制冷機OO)的操作進行的調整能夠被 超馳，以管理至少一個操作條件。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的燃氣渦輪機功率增大系統(10)，其特征在于，當 所述環境條件處于所述第一環境條件水平時，所述空氣流(18)主要通過可察覺冷卻來冷 卻，而當所述環境條件處于第二環境條件水平時，所述空氣流(18)主要通過隱藏冷卻來冷 卻。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的燃氣渦輪機功率增大系統(10)，其特征在于，所 述制冷機OO)是吸收式制冷機。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的燃氣渦輪機功率增大系統(10)，其特征在于，所 述熱交換器(30)是直接接觸式熱交換器。
8.一種用于增大燃氣渦輪機功率的方法，包括測量至少一個環境條件；與所述至少一個環境條件相關而調整制冷機OO)的操作，其中所述制冷機OO)的操 作使用來自熱源09)的能量制冷冷卻劑流，并且其中調整所述制冷機OO)的操作包括當 所述環境條件處在第一環境條件水平時操作所述制冷機OO)來制冷所述冷卻劑流05)， 而當所述環境條件處在第二環境條件水平時不操作所述制冷機OO)來制冷所述冷卻劑流 (25)；以及通過熱交換器(30)傳送所述冷卻劑流(25)，其中，所述熱交換器(30)配置成允許通過 所述熱交換器(30)的燃氣渦輪機入口空氣流(18)與所述冷卻劑流0 相互作用，從而在 所述空氣流(18)進入燃氣渦輪機入口(16)前冷卻所述空氣流(18)。
9.根據權利要求8所述的增大燃氣渦輪機功率的方法，其特征在于，所述環境條件是所述熱交換器的上游的空氣的周圍相對濕度。
10.根據權利要求8-9中任一項所述的增大燃氣渦輪機功率的方法，其特征在于，所述 第一環境條件水平是所述熱交換器的上游的空氣的周圍相對濕度處于或高于50%，而所述 第二環境條件水平是所述熱交換器的上游的空氣的周圍相對濕度低于50%。
全文摘要
本發明涉及用于燃氣渦輪機功率增大的系統和方法，具體而言，提供了一種燃氣渦輪機功率增大系統及方法。該系統包括制冷機，控制器，熱交換器以及燃氣渦輪機入口空氣流。制冷機可操作以使用來自熱源的能量來制冷冷卻劑流。控制器可操作地連接到制冷機上，并配置成與至少一個環境條件相關而調整制冷機的操作。熱交換器可與該制冷機成流體連通，并配置成允許冷卻劑流通過熱交換器。燃氣渦輪機入口空氣流可在進入燃氣渦輪機入口前被引導通過熱交換器，允許空氣流與冷卻劑流相互作用，從而冷卻該空氣流。
文檔編號F02C7/141GK102128085SQ20111002842
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月19日 優先權日2010年1月19日
發明者B·A·基佩爾, J·P·托米, L·K·安曼, 張華 , 章建民 申請人:通用電氣公司