[发明专利]提高燃气轮机运转能力和效率的方法与装置

说明书

本发明涉及燃气轮机的发电。更具体地说，该发明涉及处理涡轮机进气，提高燃气轮机的运转能力和效率。

电站采用核动力设备，水力发电设备及矿物燃料发电设备等满足基本负荷要求，即大量发电，保证满足用户日常电力需求。不过，电站还应有满足高峰要求的能力，例如夏季高峰用电，即夏天最热季节产生的需求。另外，参加所谓“联网”的电站，还必须满足储备容量的要求，这时，电站必须能在通知后10分钟内迅速完成并入电网规定增加的容量。所以，为了满足高峰需求和联网储备容量的需要，电站应当设有通常用燃气轮机驱动的快速起动峰值发电机。

任何以低于新涡轮机成本，提高现有峰值燃气轮机能力的方法和装置，将大大影响电站在满足高峰需求和联网容量信贷要求所表现的成本。处理涡轮机进气有这样一种方法，如本文下面所述。

上述快速起动峰值燃气轮机系统(使用天然气或燃油)采用布雷顿循环操作，这种循环是进气用压缩机压缩，在燃烧室加热，再在涡轮机中膨胀，机轴驱动发电机。在全部这种说明中，如果只是使用术语“涡轮机”或“涡轮机系统”，则通常指的是整个燃气轮机系统，包括有压缩机，燃烧室和涡轮发电机，而不是系统的特殊膨胀涡轮机部件。

众所周知，驱动电网同步发电机的燃气轮机以恒速运转，是重要的“等容机”，即以固定体积流量的进气操作。人们还知道，燃气轮机系统的发电容量与燃气轮机系统进气质量流量大约成正比。所以，在大气环境温度高时，进气不密集，导致发电机容量降低，非常出乎意料的事是，许多电站，特别是夏季高峰电站，在天气最热条件下，涡轮机运转能力和效率，由于进气密度比较低，而处于最低状态时，发生高峰需求。因此，在夏季月份受到峰值负荷的电站可冷却燃气轮机进气，以提高其峰值发电容量，条件是这种冷却能以低于附加涡轮机建造成本做到。

设法做到，在热天把空气导入涡轮机系统之前，冷却进气。这些冷却方法包括蒸发冷却，直接作用冷却，以及最近采用来自集冰系统的冷却水，结合循环加热盘管换热器，蒸发冷却局限于局部湿球，而使用来自冰库水的循环加热盘管实际上有大约40°F(4.5℃)的设计极限，除非采用盐水或防冻溶液。然而，不管采用冷却装置，压缩机构造仍出现特有实际低温极限(“结冰”极限)，其进气可无除湿冷却。这种极限的存在是由于进气中含有水份，在进气温度低于该实际低温极限时，竟然冻结在入口导向叶片及其他金属表面上。理论上，产生这种冻结是因为在进入压缩机的空气加速到大约0.5马赫速度时，进气静温度降低到冻结程度。所以，合理进气冷却达到密度提高和有效运转的优点看来受到限制。

还可采用风机和/或鼓风机压缩一定数量的空气，如达到大约160”H₂O(39.8RKa)，增压空气，来提高进气密度。但是，这种方法的应用也有限制，因为耗电量寄生于涡轮机，而使净输出降低。

美国专利No.3,796,045还建议，把上述冷却与增压方法结合起来，及基本负荷燃气轮机系统达到所谓的进气“超低温致冷”。首先进气用风机或鼓风机增压，压缩进气，使压力级适度大于大气压力，然后采用废热回收，结合循环系统驱动冷冻循环进行制冷。

最后，在某些有关地区，以前工艺建议用巨大的液力压缩机，如美国专利No.5,099,648公开的示例，提出在燃烧室加热前，压缩全部进气，从而省去全部机械压缩机。这种系统利用水塔中夹杂的空气所形成的极大水头如1000英尺(305m)，以便达到大约10个大气压(1010kpa)增压。尽管这些建议论及燃气轮机，但在机械结构上根本不同，所以不适用于峰值燃气轮机进气密度提高。

因此，电力工业仍旧急需一种切实可行的合理方法，显著降低与保证峰值容量有关的成本。只要一种方法毫不费力地建造和安装越来越多的燃气轮机，特别是在热天气条件下，提高燃气轮机运转能力和效率的方法，就可达到真正最大节约资金的最好愿望。这种系统需要在长期运转使用期间可靠，并保证以远低于新燃气轮机原价的价格显著提高容量，另外更重要的是这种系统对燃气轮机快速起动能力没有消极影响。实际上，增强快速起动能力是合乎需要的。另外，如有可能，系统还应有其他运转优点，例如，通过较高调节比和更好方式可达到增强负荷跟踪能力，调制电站所用峰值涡轮机的输出。