[发明专利]燃气轮机增压系统

说明书

本申请人对1999年6月10日提交的No.60/138,848、1999年6月22日提交的No.60/139,894、1999年9月3日提交的No.60/152,277、1999年10月13日提交的No.60/159,207、2000年4月10日提交的No.60/195,302这些未决美国临时专利申请提出权利和利益的要求。本申请是1999年9月2日提交的未决专利申请No.09/388,927部分继续申请。

发明的背景技术

发明的技术领域

本发明总体上涉及燃气轮机发电系统，特别是涉及一种用于在高外界温度下提高燃气轮机发电站功率的增压系统。具体地讲，该系统中使用了一个与控制器组合的增压扇，用于将进气加压输入到燃气轮机中，以与已有燃气轮机一起操作；增压扇优选与进气冷却系统组合。

现有技术的背景

很久以前人们就认识到，燃气轮机的功率随着进气温度的升高而降低；通常功率代价为每华氏度(°F)大约0.4％，这种关系显示于图1中。这种特性对于用来发电的燃气轮机而言特别不利，因为电力需求的峰值通常出现在外界气温最高时。燃气轮机以及相关的发电机和电力分配系统通常是基于40至50°F的进气温度而评估的。这样低定额的温度意味着，在夏天用电高峰状态下的燃气轮机功率会下降高达大约20至40％，具体数值取决于结构设计、地区天气条件和特定燃气轮机的特性。

许多不同的方法用于冷却燃气轮机的进气，以降低或消除现有技术领域中公知的功率代价。这些方法的概述见于1990年6月11-14日在比利时布鲁塞尔召开的“燃气轮机和航空发动机会议和展览会(Gas Turbine and Aeroengine Conference andExposition)”中Igor Ondryas等提交的美国机械工程师协会(ASME)论文“利用进气速冷提高燃气轮机功率中的选择(Options in Gas Turbine Power Augmentation Using Inlet AirChilling)”中。各种替代性冷却系统包括直接或间接蒸发冷却、电动蒸汽压缩、吸收和热量储存系统。

在这么多替代性冷却系统中，现只看出直接蒸发冷却具有显著的工业应用性。直接蒸发冷却的优点是成本低和结构简单，但外界湿球温度限制了温度降低的可行性。在美国东部地区，直接蒸发冷却可以将进气温度降低10至20°F，这取决于地区天气。在温暖干燥的天气下，例如在美国西南部地区，可以实现大量降温。虽然直接蒸发降温有一定作用，但仍然不能使燃气轮机以全额设计功率运行。在对燃气轮机进行了50年的深入研究和开发后，仍未研制出更好的对付高外界温的方法。

一种有趣但实际上无法使用的面向这些问题的方法描述于R.W.Foster-Pegg的1965年ASME论文“利用强制抽气风扇并通过蒸发式中间冷却为燃气轮机增压(Supercharging of Gas Turbinesby Forced Draft Fans with Evaporative Intercooling)”中。该文中描述了利用高压风扇提高燃气轮机的进气压力，并且组合使用位于风扇下游的蒸发冷却器，从而形成一种提高燃气轮机功率的途径。这种方法在理论上具有很大的优点，但需要对发电机进行特殊的尺寸构造，因此限制了该方法在新式燃气轮机中的应用。此外，系统中为了实施控制而使用了带入口叶片的单一风扇，这会降低系统的效率。

Kolp等在《燃气轮机和动力工程杂志(Journal of Engineeringfor Gas Turbines and Power)》的1995年7月第117卷p.513-527中的ASME论文“LM6000燃气轮机入口的空气调节和增压的优点(Advantages of Air Conditioning and Supercharging an LM6000Gas Turbine Inlet)”中展示了系统增压和冷却的经济性问题。该文中显示，虽然蒸发冷却是非常有吸引力的，但由于对于简单循环而言回收期为10年以上，因此增压的经济性并不很有吸引力。增压在联合循环发电站中更有吸引力，但其经济性仍很勉强。该文中描述的增压系统实际上与20世纪60年代的那些相同，因此，尽管经过了几十年的燃气轮机研制，但增压方面并没有显著的进展。