CN101363367B - 为燃气轮机的喷雾进口温度抑制器提供压力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

为燃气轮机的喷雾进口温度抑制器提供压力的方法和装置。具体来说，该装置是一种为燃气轮机进口的起雾系统供水的装置，包括：使已加热给水从环路分流到泵的分流器，所述泵向起雾系统提供高压给水。还提供了一种联合循环发电厂和一种供水方法。

Description

为燃气轮机的喷雾进口温度抑制器提供压力的方法和装置

技术领域

本发明涉及燃气轮机，且本发明具体涉及对燃气轮机进气温度控制的锅炉给水的使用。

背景技术

已经熟知在燃气轮机运转中，汽轮机输出功率的减小与环境气温的增大成比例。然而，燃气轮机操作员经常遇到在提高的环境温度下的峰值功率发电要求(例如，由于主要城市中的高空调负荷)。在这些峰值功率需求期间通过辅助系统产生额外的电力是经济且有利的。一种用于增加功率输入的辅助系统是进口起雾或雾化系统，其向进口管道中提供水的直接喷雾，通过蒸发过程降低燃气轮机的气温并从而增加输出功率。

压缩机进口起雾系统通常试图使进入进口管道的水喷雾与流向燃气轮机的空气的蒸发潜力(evaporation potential)相匹配。因为环境温度条件是可变的，所以需要可变的水喷雾和喷水的显著减弱。现有的起雾系统使用多个格栅，每个格栅具有相当多的喷嘴以将水喷溅到进口管道中。然而，当供水减弱时，进口管道中的喷雾形式就变得较为不一致，导致较少的蒸发和较多的携带水。进入压缩机的携带水(即，大滴的水)具有侵蚀初级压缩机的可能。另外，气流被进口管道中的喷嘴和辅助管系扰乱，导致减少的蒸发。这些扰乱经常不利地在歧管的流动下游区中形成漩涡。因此，需要有一种起雾系统，其在低于满需求的条件下向燃气轮机中提供基本一致的喷水，最少地阻碍流动和产生漩涡。

在2005年5月19日公布的题为“Spray nozzle gridconfiguration for gasturbine inlet misting system”的美国专利申请第2005/0102995号中公开了解决该需求的一种尝试。该申请公开了一种起雾器，其包括在管道的相对侧之间延伸的多个歧管。每个歧管沿着歧管的长度在侧向隔开的位置处支撑多个喷嘴。歧管沿管道中的气流方向相继地隔开，连接中间和上游歧管的喷嘴的导管绕过下游歧管以在垂直于管道中的气流方向的公共平面中提供喷嘴。这种布置提供了均匀的喷雾，从而向压缩机的进口提供了均匀的润湿空气。虽然该申请中的教导提供了很多优点，但现有技术的某些缺点仍然存在。例如，分立的高压泵送系统的使用是高成本的，且在一些实施例中是不可靠的。

所需要的是向燃气轮机提供节省成本且可靠的高压水源的方法和装置，例如本文公开的方法和装置。

发明内容

在一个实施例中，公开了一种为燃气轮机进口的起雾系统供水的装置，所述装置包括：从环路到泵的加热给水分流器，所述泵向起雾系统提供高压给水。

也公开了联合循环发电厂的一个实施例，包括：利用燃气轮机废气的热传递来加热给水的环路；来自所述环路的已加热给水的分流器；以及泵，用于接收已加热给水并为起雾系统提供高压给水以向燃气轮机的进口提供水雾。

还公开了一种为燃气轮机的起雾系统供水的方法的实施例，所述方法包括：使给水分流到泵；加压给水；以及向起雾系统提供高压给水。

附图说明

图1绘制了联合循环发电厂的各方面；

图2绘制了布置在汽轮机的压缩机的进气管道中的现有技术起雾器的各方面；

图3和图4绘制了图2的起雾器布置的各方面；

图5是根据本文的教导绘制温度装置的各方面的示意图；和

图6是绘制了图5的装置的压力供给的各方面的示意图。

具体实施方式

公开了为联合循环发电厂的燃气轮机提供高压给水的方法和装置。本文的教导替换了现有技术的橇装泵机组(pump skid)及关联部件。对橇装泵机组的去除提供了改善的系统可靠性和操作特性。为此，现在讨论联合循环发电厂和燃气轮机的现有技术起雾系统的各方面。

参看图1，示出有现有技术联合循环发电厂1001的示范性方面。发电厂1001包括燃气轮机140、两个发电机160、蒸汽轮机130、冷凝器150、给水泵170和蒸汽发生器180。在运转中，燃汽轮机140用作发电机160之一的直接驱动器。另外，燃汽轮机140的废气加热给水并产生过热蒸汽。过热蒸汽被引导至蒸汽轮机130以驱动发电机160中的一个。送到蒸汽轮机130的过热蒸汽一般是高压高温的。例如，在一些实施例中，给水的压力在大约2600psig和大约2800psig之间，而给水的温度在大约300°F和大约320°F之间。

可以想到，联合循环发电厂1001通过用来自燃气轮机140的机械能使第一发电机160旋转以及用由蒸汽轮机130得来的机械能使第二发电机160旋转来提供电力。

参看图2，图示有现有技术起雾系统99的一个示范性实施例。现有技术的系统99一般被引入到燃气轮机140中。在这个示例中，系统99包括进口管道10，用于向汽轮机14驱动的压缩机12的进口提供环境空气。如前所述，燃气轮机输出功率的减小与环境气温的增大成比例，因此，总体上标记为20的起雾器装置设置在进口管道10中以提供直接喷水蒸发冷却系统，从而增大燃气轮机140的输出功率。

现在参看图3和4，现有技术起雾器装置包括一排喷嘴，用于在管道10中喷水以对压缩机12的进气口蒸发和增湿。如图4所示，沿着管道的一侧或两侧的一系列集管30、32和34向一系列歧管36、38和40供水，所述歧管从集管伸出并大致侧向地位于管道的相对侧壁之间。因此，如图所示，垂直地彼此隔开的第一组侧向延伸的歧管36在起雾器的下游侧上在管道的相对壁之间延伸。垂直地彼此隔开的第二组侧向延伸的歧管38也在管道的相对侧之间延伸。第二组歧管38设置在下游歧管36和第三组上游歧管40之间。上游歧管40在管道的相对侧之间侧向地延伸且彼此垂直地隔开。通过管道的气流方向由标记为41的箭头示出。

歧管36、38、40的每一个包括多个喷嘴。例如，第一或下游歧管36各自支撑多个喷嘴42，所述多个喷嘴42沿平行于气流方向的下游方向从歧管伸出。类似地，中间或第二歧管38在侧向隔开的位置处支撑多个喷嘴44，所述喷嘴44也沿下游方向且沿气流方向从歧管伸出。上游或第三歧管40也在隔开的侧向位置处支撑多个喷嘴46，所述喷嘴46沿着气流方向朝下游方向延伸。喷嘴42、44和46从而分别构成从相应歧管36、38和40沿下游方向延伸的第一、第二和第三组多个喷嘴。如图4所示，喷嘴42、44和46基本上终止于标记为48的公共平面，所述公共平面延伸横穿管道且大致垂直于经过管道10的气流方向。

如图3和4所示，导管50从相应的歧管38支撑喷嘴44，所述导管50与下游歧管36垂直地错开。上游歧管34的喷嘴46由导管52支撑，导管52分别沿着中间和下游歧管38和36的垂直相对侧延伸，使喷嘴42、44和46能够位于公共平面48中。应当了解，喷嘴42、44和46具有喷雾羽流(spray plume)(例如锥形羽流)。根据所述的喷嘴的布置，还可以理解，喷雾羽流彼此不干涉且不被相邻的喷嘴或歧管干涉。

再次参看图3和4，喷嘴42、44和46优选排布成三个相应喷嘴为一组，喷嘴组在管道10的相对侧壁之间横越管道10彼此隔开。喷嘴42和44与每组的中央喷嘴46隔开相等的距离。三个相应喷嘴的组60沿歧管的方向彼此侧向隔开的各组的中心线到中心线的距离至少且优选为每组的侧向相邻喷嘴之间的距离的四倍。也就是，如图3所示，沿着相邻组的中央喷嘴46之间的歧管的距离是沿着每组的喷嘴42、46或44、46之间的歧管的距离的至少四倍。喷嘴42、44和46的组60也优选彼此垂直对准，尽管这种垂直隔开的喷嘴组也可侧向地错开。这样，喷嘴组彼此隔开以在进气管道中提供基本均匀的水分配，而不形成由喷嘴喷雾羽流和相邻喷嘴或歧管之间的干涉产生的漩涡。

返回参看图2，起雾器装置20一般位于对应于管道10内最均匀气流的位置的进口壳体的部分中。已经发现，通过在消声器61和至汽轮机的肘管62或降液管之间设置额外长度的进口管道，可以获得基本的流动均匀性。通过在均匀流动的区域中设置起雾器装置也获得润湿流动的均匀性。也应当了解，在起雾器装置中的喷嘴的数量可例如在单个格栅中包含大约九百或更多的喷嘴。另外，喷嘴可以是涡流式喷嘴，其中，喷嘴羽流不仅是锥形形状，而且围绕大致平行于穿过管道的流动方向的轴线旋转。

关于图2至图4描述的现有技术系统99独创地设计为介质型蒸发冷却器的替代物，并且提供优于介质型蒸发冷却器的某些优点。在操作中，现有技术系统为位于紧接在进口放热管的下游的进口管道中的喷雾歧管提供软化水。现有技术系统99的功能是通过细微水滴的蒸发降低进入燃气轮机压缩机的空气的进口干球温度。由此产生的空气密度的增大和流向燃气轮机140的空气质量的增大导致从燃气轮机140增大的功率输出。现有技术系统99设计成使流向喷雾歧管的水随压缩机气流、环境干球温度、环境相对湿度和期望的近似饱和度而定。在现有技术系统99的各个实施例中包含了某些已知的部件。这些部件包括：高压橇装泵机组，其包含高压水泵、过滤器、隔离阀和流量计；安装在进口管道内的多个喷雾嘴阵列；输水系统，其为橇装泵机组和喷雾嘴阵列之间的一组互连管系；喷雾器装置，包含消声器部分的下游的进口管道部分、通路、窗口等；多个排水槽、和假进口增压室地板(falseinlet plenum floor)；气象站；各种控制器；以及排水系统。应当注意，上述这些部件仅仅是对包含在燃气轮机140中的部件的说明，所述部件的这个清单既不是限制性的也不是详尽的。在此提供的本发明通过使用高压锅炉给水消除了对橇装泵机组的需要。

现有技术的橇装泵机组一般包括四个具有恒速电动机的高压容积式柱塞泵。橇装泵机组通常设置为具有自动开始、停止和报警的完全独立的系统。现有技术的橇装泵机组通常从水处理设施接收软化水并以所需的流率输送过滤的高压水以在任何设计的操作条件下满足可适用的进口冷却条件要求。

对高压锅炉给水的使用消除了对橇装泵机组的需要。对橇装泵机组的去除提供了改善的系统可靠性和操作。

现在参看图5，示出有根据本文教导的示范性给水温度抑制系统1000的示意图。给水温度抑制系统1000利用了燃气轮机140和锅炉给水泵170。也就是，由燃气轮机140的废气加热的给水中有些被给水泵170分流和加压。因此，锅炉给水泵170向喷雾阀64和喷雾分配歧管38提供高压锅炉给水以通过喷嘴42、44、46进行分配。

已经提供了各种橇装泵机组设计以尝试压制来自活塞泵的压力脉动、捕获导致系统故障的泵密封脱落(正常磨损)(例如通过增加过滤)，以及通过重新设计或重新设置泵的再循环设备以提供增加的系统可靠性和减少的系统维护。然而，这些努力仍然不满足温度抑制系统的操作员所期望的目标。

给水温度抑制系统1000消除了对分立的高压泵送系统的需要。给水温度抑制系统1000的另一优点是对热水的使用，其提供了改善的进口成雾。

也就是，通过提供具有高压高温的水(例如压力在大约800psig和大约3000psig之间，且更经常在大约2600psig和大约2800psig之间，温度在大约240°F和大约320°F之间，且更经常在大约300°F和大约320°F之间)，水在被喷嘴42、44、46喷射时迅速地分散(作为蒸汽)。因此，喷嘴42、44、46可包括改善高压给水分配的设计元素。

通过去除分立的泵送系统，减少了维修和操作成本。此外，在给水温度抑制系统1000的运转期间在高压锅炉给水泵101上没有附加载荷。因此，实现了优于现有技术设计的相当大的成本节省。

现在参看图6，提供了一个示范性实施例的示意图。在这个示例中，给水温度抑制系统1000包括对现有技术的改进，包括：增加直列式(inline)过滤器；增加各种隔离阀；对系统启动和排水停止的控制逻辑的修改；对排水系统的更新；以及，用不包含过滤器的喷嘴替换格栅喷嘴阵列。包含了各种歧管，可以重新设计一些歧管。例如，给水温度抑制系统1000可包括现有技术系统，例如后备系统或者用于增强流动的系统。

在一些实施例中，仅仅在燃气轮机140完全运转时(即，当压力在大约2600psig和大约2800psig之间，温度在大约300°F和大约320°F之间的时候)提供高压给水。然而，应当注意，可以例如在联合循环发电厂1001的功率上升期间或在低功率运转期间命令提供较低压力或温度的给水。这种规定在本文的教导范围内。

在一些实施例中，给水温度抑制系统1000汲取大约七十(70)加仑每分钟(gpm)的给水流。在一般的联合循环发电厂1001中，流量超过2000gpm。因此，在一些实施例中，不需要额外的补充水。也就是，给水中的一些分流不会对联合循环发电厂1001的给水造成显著的损失，并且现有的补充水系统足够地补偿了消耗。在一些其它实施例中，高压给水的分流被监测并包括在补充水的供给之内。也就是，可以包括用于监测分流的给水量和/或提供附加补充水的装置。

本领域技术人员会推测出给水温度抑制系统1000可引入到适于向压缩机的进口提供润湿空气的装置的各个实施例中。因此，本文提出的喷雾嘴构造及其它方面仅仅是对利用给水温度抑制系统1000的教导的说明。本文提出的喷雾嘴构造及其它方面仅仅是说明性的且不是对本发明的限制。

虽然已经根据示范性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下可以进行各种改变且等价物可代替本发明的元件。另外，在不偏离本发明的本质范围的情况下可以进行很多改进以使特定的情形或材料适用于本发明的教导。因此，预期的是本发明不限于公开为设想用于实施本发明的最优方式的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (9)

1.一种联合循环发电厂，包括：

利用燃气轮机废气的热传递来加热给水的环路；来自所述环路的已加热给水的分流器；以及泵，用于接收已加热给水并为起雾系统提供高压已加热给水，以在不使用分立的泵送系统下向所述燃气轮机的进口提供水雾。

2.根据权利要求1所述的发电厂，其特征在于：还包括橇装泵机组，连接到所述起雾系统，用于补充和/或增强高压给水的供给。

3.根据权利要求1所述的发电厂，其特征在于：所述起雾系统的喷嘴不包括过滤器。

4.根据权利要求1所述的发电厂，其特征在于：补充水系统提供足够的供水以构成分流的给水量。

5.根据权利要求1所述的发电厂，其特征在于：还包括用于监测分流的给水量和/或提供附加补充水的装置。

6.根据权利要求1所述的发电厂，其特征在于：给水的压力在800psig和3000psig之间，而给水的温度在240°F和320°F之间。

7.一种对如权利要求1所述的联合循环发电厂的燃气轮机的起雾系统供水的方法，所述方法包括：

使已加热给水分流到泵；

加压所述给水；以及

向起雾系统提供已加热高压给水，以在不使用分立的泵送系统下向所述燃气轮机的进口提供水雾。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：还包括加热所述给水。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：加热所述给水包括从燃气轮机的废气向所述给水传热。