專利名稱：用于通過再循環渦輪機械的廢熱來加熱空氣流的系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣輪機的防冰系統；且更具體地，涉及使用來自燃氣輪機的廢熱源的防冰系統。
背景技術：
一些燃氣輪機在寒冷且潮濕的環境中操作。這些環境允許冰在入口系統內以及在入口系統下游的構件上形成(下文稱為“積冰”)；其對燃氣輪機是有害的。積冰還會增加跨越入口系統的壓降；不利地影響燃氣輪機的性能。防冰系統用于防止或去除積冰。這些系統可為進氣加熱(inlet bleed heat)系統(IBH)的功能，進氣加熱系統(IBH)將熱的壓縮機排出空氣再循環至入口系統，升高入口空氣流的溫度。此外，防冰系統典型地調整IGV以降低進入壓縮機段的空氣量。在防冰操作期間，燃氣輪機的功率和效率顯著降低。在燃氣輪機的操作期間，產生了未轉換成有用功的極大量的熱。此廢熱會不利地影響各種構件。這些構件包括但不限于軸承、外殼、隔室等。輔助系統被用于從構件去除廢熱。由于前述的理由，需要一種不顯著影響燃氣輪機的輸出和效率的防冰系統。該系統應該使用由燃氣輪機產生的廢熱來提高空氣流的溫度。該系統應該減少IBH系統的使用。
發明內容
根據本發明的實施例，提供了用于加熱由發電設備機械(150)消耗的空氣流的系統，該系統包括入口系統(100)，其構造成接收空氣流，該入口系統(100)包括空氣預熱系統(143)，其構造成用于加熱空氣流，其中，空氣流在第一溫度下進入空氣預熱系統 (143)且在第二溫度下離開空氣預熱系統(143)；發電設備機械(150)，其構造成用于產生功率，其中，發電設備機械(150)在第二溫度下吸入空氣流，發電設備機械(150)定位于入口系統(100)的下游；和廢熱源，其源于發電設備機械(150)，其中，廢熱源將由發電設備機械(150)排出的廢熱轉移至空氣預熱系統(143)；廢熱升高流經空氣預熱系統(143)的空氣流的溫度。發電設備機械(150)可包括燃氣輪機(150)，燃氣輪機(150)包括在第二溫度下吸入空氣流的壓縮機段(155)。廢熱源可包括渦輪機隔室(300)，其包圍燃氣輪機(150) 的發熱部分。系統還可包括排氣扇(310)，其構造成用于將被加熱的空氣移出渦輪機隔室 (300)。該被加熱的空氣可被引導而流經至空氣預熱系統(143)，以升高空氣流的溫度。廢熱源可包括潤滑油系統G00)，其構造成用于潤滑燃氣輪機(150)的構件，其中潤滑油系統(400)循環潤滑油，將熱從構件轉移至潤滑油。
被加熱的潤滑油被引導而流經空氣預熱系統(143)；并且其中，被加熱的潤滑油升高空氣流的溫度。該系統還可包括廢熱交換器G40)，其構造成允許廢熱源間接地升高空氣流的溫度，其中，廢熱交換器(440)位于空氣預熱系統(143)的上游且在廢熱源的下游。在本發明的一個實施例中，廢熱源可包括渦輪機隔室(300)和潤滑油系統(400)。該系統可包括渦輪機控制系統(190)，其構造成判定何時使用廢熱源以升高空氣流的溫度；其中，渦輪機控制系統(190)接收關于環境狀況的數據，并且其中環境狀況包括以下的至少一個環境溫度、環境壓力、環境濕度或它們的組合。
圖1是圖示了用于升高進入燃氣輪機的空氣流的溫度的傳統系統的示意圖。圖2是圖示了根據本發明的實施例的用于升高進入燃氣輪機的空氣流的溫度的系統的示意圖。圖3是圖示了根據本發明的第一實施例的圖1的廢熱源的示意圖。圖4是圖示了根據本發明的第二實施例的圖1的廢熱源的示意圖。零部件列表100 入口系統105風雨罩110入口過濾器架120過渡件125進氣加熱127提取源130 入口管140能量源143空氣預熱系統145外部熱交換器150燃氣輪機155壓縮機段160 軸165燃燒系統170 燃料175渦輪段180發電機190渦輪機控制系統300燃氣渦輪機隔室310空氣排氣扇320管系統330通風系統400潤滑油系統
410 油箱420 泵430 軸承440熱交換器
具體實施例方式以下對優選實施例的詳細描述參考圖示了本發明的具體實施例的附圖。具有不同結構和操作的其他實施例并不脫離本發明的范圍。某些術語在本文中僅僅為了讀者的方便而被使用，且并不作為在本發明的范圍上的限制，比方說，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“頂”、“底”、“水平”、“垂直”、“上游”、“下游”、“前部”、“后部”等；僅僅描述在圖中所示的構造。事實上，本發明的實施例的一個元件或多個元件可被定向成任何方向，而術語因而應該被理解成包括此類變化，除非另外指定。在文中公開了詳細的示例性實施例。然而在文中公開的具體結構和功能性細節僅僅代表描述示例性實施例的目的。然而，示例性實施例可以以許多備選的形式被實施，并且不應認為僅限于文中闡述的實施例。因此，盡管示例性實施例能夠有各種改型和備選形式，它們的實施例作為圖中的示例被圖示且將在本文中被詳細描述。然而，應該理解的是并非意圖將示例性實施例限于所公開的特定形式，而是相反，示例性實施例試圖覆蓋落入示例性實施例范圍內的所有的改型、等同物和備選形式。將理解的是盡管可在文中使用措辭第一、第二等以描述各種元件，但這些元件不應由這些措辭限制。這些措辭僅僅用于互相區分元件。例如，第一元件可被稱為第二元件， 并且類似地，第二元件可被稱為第一元件，而不脫離示例性實施例的范圍。如在本文中使用，措辭“和/或”包括一個或多個相關的所列項目的任何或全部的組合。在文中所用的術語僅用于描述特定實施例，并非意圖成為示例性實施例的限制。 如在文中使用的，單數形式“一”、“一個”和“該”意圖也包括復數形式，除非上下文另外清楚地指出。還將理解的是措辭“包含”、“包含了 ”、“包括”和/或“包括了”在文中使用時， 規定了所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或構件的存在，但并不排除一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、構件和/或它們的集合的存在或添加。本發明的實施例可應用于廣泛多樣的吸入空氣流的燃氣輪機。這可包括但不限于航改式渦輪機、燃氣渦輪機等。這些燃氣輪機主要地起作用以升高所吸入的空氣流的壓力。 這些燃氣輪機可消耗廣泛多樣的能量源，例如但不限于燃氣、液體燃料、空氣、水、蒸汽、風、 電力、熱力、蒸氣或它們的任意組合。還應該指出的是在一些備選的實施例中，所指出的功能/動作可以不按附圖中所指出的順序發生。取決于所涉及的功能性/操作，兩張連續的附圖例如可幾乎同時地執行或有時可以以倒序執行。本發明的一個實施例采取了結合廢熱源以升高進入燃氣輪機的入口部的空氣流的溫度的應用和過程的形式。本發明的一個實施例可執行減少操作IBH系統的需要的防冰操作。
現在參考附圖，貫穿若干附圖，不同的標號代表相似的元件，圖1是圖示了用于升高進入燃氣輪機150的空氣流的溫度的傳統系統的示意圖。圖1圖示了包括入口系統100 的位置；與燃氣輪機150結合；和渦輪機控制系統190。入口系統100引導由壓縮機段155吸入的空氣流(由指向入口系統100的箭頭表示)。空氣流直接或間接地源于燃氣輪機150操作的環境。最初，空氣流環繞風雨罩105流動，風雨罩105可防止天氣要素(例如雨、雪等)進入壓縮機段155。空氣流然后可流經入口過濾器架110 ；入口過濾器架110通常從空氣流中去除外來的物質和碎片。接著，空氣流可經過過渡件120和入口管130 ；這些構件可調整空氣流在進入壓縮機段155之前的速度和壓力。空氣流還可流經IBH系統125。在操作時，IBH系統125通過經由提取源127或類似物再循環壓縮機排出空氣的一部分來升高空氣流的溫度。再循環的空氣然后流經IBH熱交換器或類似物。入口系統100通常與燃氣輪機150結合；燃氣輪機150包括壓縮機段155(壓縮機段155可包括IGV系統185)、燃燒系統165和渦輪段175。空氣流通常離開入口系統100 且進入壓縮機段155，并且被壓縮且隨后被排向燃燒系統165，在燃燒系統165處，例如天然氣的燃料170可被點燃以提供驅動渦輪段175的高能量的燃燒氣體。在渦輪段175中，熱氣體的能量被轉換成功，其中的一些用于通過軸160驅動壓縮機段155，而剩余可用于有用功來驅動例如發電機180的負載。渦輪機控制系統190通常控制燃氣輪機150的操作。該渦輪機控制系統190可接收關于空氣流的環境狀況的操作數據。該操作數據可被用來安排IBH系統125的操作。例如但并非限制性的，如果環境溫度在大約華氏40度以下并且如果空氣流溫度在空氣流露點溫度的大約華氏10度內，渦輪機控制系統190可啟動IBH系統125。此處，渦輪機控制系統190可使用閉環控制模式以將空氣流溫度維持在露點以上大約華氏10度，以防止冷凝，冷凝在大約華氏32度下可在表面上形成冰。圖2是根據本發明的實施例，圖示了用于增加進入燃氣輪機150的空氣流的溫度的系統的示意圖。圖2根據本發明的第一實施例圖示了圖1的與廢熱源140和空氣預熱系統143結合的入口系統100。廢熱源140的操作目標是當環境狀況允許發生積冰時升高在入口系統100內流動的空氣流的溫度。這可減少操作IBH系統125的需要，有可能增加燃氣輪機150的效率和輸出。廢熱源于燃氣輪機150，并且以在需要時升高空氣流溫度為目的而被回收。廢熱源 140從燃氣輪機150的相關構件去除熱。本發明的實施例可使用多種方法以升高空氣流溫度。一個方法可被認為是直接加熱方法。此處，空氣調節系統143可包括熱交換器的形式，熱交換器包括多個管。當廢熱源140的被加熱的流體流經管時，空氣流可流動越過管。該過程可將被加熱的流體的熱的一部分轉移至空氣流。另一個方法可被認為是間接的加熱方法，其結合外部熱交換器145。此處，外部熱交換器145的流程可位于空氣調節系統143和廢熱源140之間。外部熱交換器145可循環水，水由廢熱源140的被加熱的流體加熱。該被加熱的水然后可循環通過空氣調節系統 143，在空氣調節系統143處可升高空氣流的溫度。如果發生泄漏，該間接的加熱方法可用于避免被加熱的流體和空氣流的混合。
如以下所述，聯系圖3和圖4，廢熱源140可源于產生廢熱的燃氣輪機150的各種系統。本發明的廢熱源140的非限制性實施例包括渦輪機隔室300和潤滑油系統400。它們在文中各自參考圖3和圖4描述。本發明并非意圖限于僅兩個廢熱源。本發明意圖覆蓋未在文中討論的來自燃氣輪機150的其他廢熱源140。現在參考附圖3，其是根據本發明的第一實施例，圖示了圖1的廢熱源140的示意圖。圖3圖示了渦輪機隔室300，其可用于包圍特別是燃燒系統165和渦輪段175。在燃氣輪機150的操作期間，燃燒系統165和渦輪段175將熱釋放進渦輪機隔室300。排氣扇310 將被加熱的空氣吸出渦輪機隔室300。在一些燃氣輪機150上，被加熱的空氣的溫度可在華氏300度-華氏400度的范圍中。在本發明的一個實施例中，管系統320可引導該被加熱的空氣從渦輪機隔室300 出來并且進入空氣預熱系統143。在流經空氣預熱系統143后，被加熱的空氣可通過通風系統330離開至大氣。這可在空氣流流經空氣預熱系統143 (在較低溫度Tl下進入且在較高的溫度Tl，下離開)時發生。使用渦輪機隔室300作為廢熱源140的好處的非限制性示例在表格1中顯示。隨后給出的是能量平衡對表格1的數據的應用。表格 權利要求
1.一種用于加熱由發電設備機械(150)消耗的空氣流的系統，所述系統包括入口系統(100)，其構造成用于接收空氣流，所述入口系統(100)包括空氣預熱系統 (143)，其構造成用于加熱所述空氣流；其中，所述空氣流在第一溫度下進入所述空氣預熱系統(143)且在第二溫度下離開所述空氣預熱系統(143)；發電設備機械(150)，其構造成用于產生功率，其中，所述發電設備機械(150)在所述第二溫度下吸入所述空氣流，其中所述發電設備機械(150)定位于所述入口系統(100)的下游；以及源于所述發電設備機械(150)的廢熱源，其中，所述廢熱源將由所述發電設備機械 (150)排出的廢熱轉移至所述空氣預熱系統(143)；其中，所述廢熱升高了流經所述空氣預熱系統(143)的空氣流的溫度。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述發電設備機械(150)包括燃氣輪機 (150)，所述燃氣輪機(150)包括在所述第二溫度下吸入所述空氣流的壓縮機段(155)。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述廢熱源包括渦輪機隔室(300)，所述渦輪機隔室(300)包圍所述燃氣輪機(150)的發熱部分。
4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述系統還包括排氣扇(310)，所述排氣扇(310)構造成用于將被加熱的空氣移出所述渦輪機隔室(300)。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述被加熱的空氣被引導流經至所述空氣預熱系統(143)，以升高所述空氣流的溫度。
6.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述廢熱源包括潤滑油系統000)，所述潤滑油系統(400)構造成用于潤滑所述燃氣輪機(150)的構件，其中，所述潤滑油系統 (400)循環潤滑油，將熱從所述構件轉移至所述潤滑油。
7.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，被加熱的潤滑油被引導流經所述空氣預熱系統(143)；并且其中所述被加熱的潤滑油升高了所述空氣流的溫度。
8.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統還包括廢熱交換器G40)，所述廢熱交換器(440)構造成允許所述廢熱源間接地升高所述空氣流的溫度，其中所述廢熱交換器(440)位于所述空氣預熱系統(143)的上游且在所述廢熱源的下游。
9.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述廢熱源包括渦輪機隔室(300)和潤滑油系統(400)。
10.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統還包括渦輪機控制系統(190)， 所述渦輪機控制系統(190)構造成判定何時使用廢熱源以升高所述空氣流的溫度；其中， 所述渦輪機控制系統(190)接收關于環境狀況的數據，并且其中所述環境狀況包括以下至少一個環境溫度、環境壓力、環境濕度或它們的組合。
全文摘要
本發明涉及用于通過再循環渦輪機械的廢熱來加熱空氣流的系統。本發明的一個實施例采取結合了廢熱源以升高進入燃氣輪機(150)的入口部(100)的空氣流的溫度的應用和過程的形式。本發明的一個實施例可執行減少操作IBH系統(125)的需要的防冰操作。
文檔編號F02C7/08GK102235239SQ20111011634
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月29日 優先權日2010年4月9日
發明者R·J·基拉, S·G·烏帕迪亞伊 申請人:通用電氣公司