具有扭矩轉換器系統的燃氣渦輪壓縮機入口加壓系統的製作方法
2023-05-30 05:49:26 1
具有扭矩轉換器系統的燃氣渦輪壓縮機入口加壓系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及具有扭矩轉換器系統的燃氣渦輪壓縮機入口加壓系統。一種用於燃氣渦輪系統的增壓系統包括壓縮機、燃燒器、渦輪和軸。增壓系統包括提供空氣流的風機組件和聯接到軸和風機組件上的扭矩轉換器。增壓系統還包括用於將空氣流輸出的第一部分傳送到壓縮機的子系統，以及可選地傳送空氣流輸出的第二部分用於其它用途的旁路子系統。
【專利說明】具有扭矩轉換器系統的燃氣渦輪壓縮機入口加壓系統
[0001]相關申請的交叉引用
本申請涉及以Sanji Ekanayake和Alston 1.Scipio的名義共同提交的、名稱為「SUPERCHARGED SYSTEM WITH AIR FLOW BYPASS (具有空氣流旁路的增壓系統)」的同時提交的申請 N0.13/485，160,以及以 John Anthony Conchieri>Robert Thomas Thatcher 和Andrew Mitchell Rodwell 的名義共同提交的、名稱為 「GAS TURBINE COMPRESSOR INLETPRESSURIZATION AND FLOW CONTROL SYSTEM (燃氣渦輪壓縮機入口加壓和流控制系統)」的申請N0.13/485，216，它們均已轉讓給本發明的受讓人通用電氣公司。
【技術領域】
[0002]本文公開的主題大體涉及燃氣渦輪系統，並且更具體而言，涉及具有壓縮機入口加壓和流控制系統的燃氣渦輪系統。
【背景技術】
[0003]公用功率發生器使用聯合循環系統，因為它們有內在地高的效率和安裝成本優點。聯合循環系統典型地包括燃氣渦輪、熱回收蒸汽發生器、發電機、控制器和蒸汽渦輪。聯合循環系統使用來自燃氣渦輪的熱排氣來產生蒸汽，蒸汽驅動蒸汽渦輪。與單獨所可能實現的相比，燃氣渦輪和蒸汽渦輪的組合實現更高的效率。聯合循環系統的輸出受到海拔和環境溫度變化的影響。
[0004]有各種方法可用於改進聯合循環功率裝置的性能。可在裝置輸出或效率方面進行改進，超過通過較高的蒸汽溫度、多個蒸汽-壓力水平或再熱循環可實現的那些。例如，在新的聯合循環功率裝置上安裝氣體燃料加熱以改進裝置效率已經成為普遍現象。另外，燃氣渦輪入口空氣冷卻有時被認為是為了提高燃氣渦輪和聯合循環輸出。另一種方法是增壓(壓縮機入口加壓)。燃氣渦輪的增壓需要添加額外的風機來提升進入壓縮機的入口的空氣的壓力。典型地，在增壓的情況下，額外的壓縮級不是由主燃氣渦輪軸驅動，而是由電動馬達驅動。在一些情況下，風機馬達的寄生功率高於燃氣渦輪的額外輸出，所以最終結果是容量損失。
【發明內容】
[0005]根據一個示例性的非限制性實施例，本發明涉及用於燃氣渦輪系統的增壓系統，燃氣渦輪系統具有壓縮機、燃燒器、渦輪和軸。增壓系統包括提供空氣流的風機組件和聯接到軸和風機組件上的扭矩轉換器。增壓系統還包括用於將空氣流輸出的第一部分傳送到壓縮機的子系統，以及可選地傳送空氣流輸出的第二部分用於其它用途的旁路子系統。
[0006]在另一個實施例中，一種燃氣渦輪系統包括壓縮機、燃燒器、渦輪，以及聯接到渦輪上的軸。燃氣渦輪系統包括扭矩轉換器和聯接到扭矩轉換器上的風機，風機產生空氣流。旁路子系統在壓縮機和其它用途之間分配空氣流。
[0007]在另一個實施例中，一種運行燃氣渦輪的方法包括用扭矩轉換器將風機組件聯接到渦輪系統軸上。方法還包括:確定待提供給燃氣渦輪中的壓縮機的第一流率；確定待提供給其它用途的第二流率；以及對壓縮機提供第一流率，而對其它用途提供第二流率。
[0008]一種用於燃氣渦輪系統的增壓系統，所述燃氣渦輪系統具有壓縮機、燃燒器、渦輪和軸，所述增壓系統包括:
提供空氣流的風機組件；
聯接到所述軸和所述風機組件上的扭矩轉換器；
用於將空氣流輸出的第一部分傳送到所述壓縮機的子系統；以及 用於可選地傳送所述空氣流輸出的第二部分用於其它用途的旁路子系統。
[0009]在另Iv實施例中，進一步包括控制所述芳路子系統的控制系統。
[0010]在另一個實施例中，進一步包括控制所述扭矩轉換器、從而控制空氣流流率的控制子系統。
[0011]在另一個實施例中，所述旁路子系統包括可變幾何構造式分流器。
[0012]在另一個實施例中，控制所述扭矩轉換器的所述控制子系統包括控制所述扭矩轉換器中的工作流體泵和可調導葉的控制子系統。
[0013]在另一個實施例中，所述燃氣渦輪系統進一步包括熱回收蒸汽發生器，以及其中，所述旁路子系統將所述空氣流輸出的所述第二部分傳送到所述熱回收蒸汽發生器。
[0014]在另一個實施例中，所述增壓器控制器控制所述空氣流輸出的所述第二部分。
[0015]一種燃氣渦輪系統，包括:
壓縮機；
燃燒器；
渦輪；
聯接到所述渦輪上的軸；
扭矩轉換器；
聯接到所述扭矩轉換器上的、產生空氣流的風機；以及 在所述壓縮機和其它用途之間分配所述空氣流的旁路子系統。
[0016]在另一個實施例中，所述扭矩轉換器包括工作流體泵和可調導葉。
[0017]在另一個實施例中，進一步包括聯接到所述渦輪上的熱回收蒸汽發生器，以及設置在所述風機和所述熱回收蒸汽發生器之間的可變幾何構造式分流器。
[0018]在另一個實施例中，所述旁路子系統包括可變幾何構造式分流器。
[0019]在另Iv實施例中，進一步包括控制所述芳路子系統的控制系統。
[0020]在另一個實施例中，所述可變幾何構造式分流器包括管道和閘門。
[0021 ] 在另一個實施例中，所述風機包括可變槳距式葉片。
[0022]在另一個實施例中，進一步包括控制所述工作流體泵和所述可調導葉的控制子系統。
[0023]一種運行燃氣渦輪的方法，包括:
用扭矩轉換器將風機組件聯接到渦輪系統軸上；
確定待提供給所述燃氣渦輪中的壓縮機的第一流率；
確定待提供給其它用途的第二流率；以及
對所述壓縮機提供所述第一流率，而對所述其它用途提供所述第二流率。[0024]在另一個實施例中，所述燃氣渦輪是具有熱回收蒸汽發生器的聯合循環系統的一部分，並且所述方法進一步包括以所述第二流率吹掃所述熱回收蒸汽發生器。
[0025]在另一個實施例中，進一步包括:
檢測脫開事件；以及
從所述扭矩轉換器排出工作流體。
[0026]在另一個實施例中，對所述壓縮機提供所述第一流率以及對所述其它用途提供所述第二流率的方法要素包括控制所述扭矩轉換器中的工作流體泵和可調導葉。
[0027]在另一個實施例中，進一步包括:
確定期望何時重新聯接；以及 對所述扭矩轉換器提供工作流體。
[0028]結合附圖，根據優選實施例的以下更詳細的描述，本發明的其它特徵和優點將是顯而易見的，附圖以示例的方式示出本發明的原理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是增壓系統的示意圖。
[0030]圖2是扭矩轉換器的實施例的簡明側視圖。
[0031]圖3是運行增壓系統的示例性方法的流程圖。
[0032]圖4是使風機與燃氣渦輪系統脫開的示例性方法的流程圖。
[0033]部件列表 11增壓系統
13燃氣渦輪系統
15HRSG系統 17增壓器及旁路系統 19控制系統 21壓縮機 23燃燒器 25渦輪 27軸
29發電機和/或機械負載 31燃料或輔助蒸汽 33給水供應 35閥
37外部蒸汽主機 39風機組件 41風機
43空氣冷卻子系統 45可變幾何構造式分流器 46扭矩轉換器系統 47空氣冷卻管道 49分流器管道
51HRSG管道
53渦輪控制子系統
55HRSG控制子系統
57增壓器及旁路控制子系統
58扭矩轉換器控制子系統
59芳路子系統
60扭矩轉換器
61殼體
63泵葉輪
65渦輪葉輪
67可調導葉
68流體腔體
69導葉促動器
70工作流體泵
71工作流體供應
72工作流體返回線路
75輸入軸
77輸出軸
81運行增壓系統的方法
83確定待提供給壓縮機21的第一流率
85確定待提供給其它用途(方法要素85)的第二流率
87然後確定由增壓器及旁路系統17提供的總流率
89確定待提供給扭矩轉換器60的工作流體的合適的量
91確定可調導葉67的合適的位置
93然後可促動工作流體泵70，以提供合適的量的工作流體
95然後可接合導葉促動器69，以將可調導葉67定位到合適的位置
97然後可促動旁路子系統，以對壓縮機21提供第一流率，以及對其它用途提供第二
流率
99脫開風機的方法
101檢測脫開事件
103接合工作流體泵
105從扭矩轉換器中排出工作流體
107確定期望何時重新聯接
109對扭矩轉換器提供工作流體。
【具體實施方式】
[0034]圖1示出增壓系統11，其包括燃氣渦輪系統13。增壓系統11還可包括熱回收蒸
汽發生器(HRSG系統15)、增壓器及旁路系統17，以及控制系統19。[0035]燃氣渦輪系統13包括聯接到燃燒器23和渦輪25上的壓縮機21。軸27將壓縮機21聯接到渦輪25上，並且可用來驅動發電機和/或機械負載29。燃料和空氣在燃燒器23中混合，並且然後被點燃，從而對來自壓縮機21的氣體流提供能量。燃燒排氣被迫進入到渦輪區段中，在那裡，高速且大量的氣體流通過噴嘴(未顯示)被引導到渦輪25的葉片(未顯示)上面，從而旋轉渦輪25，渦輪25又旋轉軸27。軸27對壓縮機21提供功率，並且可用來驅動發電機和/或機械負載29。
[0036]HRSG系統15是從燃燒排氣中回收熱的熱交換器。在一些情況下，HRSG系統15可設有燃料或輔助蒸汽31。燃料可用來點燃輔助燃燒室，以提高產生速率。用來產生蒸汽的水由給水供應33提供。水的供應可由閥35控制。
[0037]HRSG系統15可用來產生蒸汽，以驅動外部蒸汽主機37，諸如蒸汽渦輪。燃氣渦輪和蒸汽渦輪的這個組合比燃氣渦輪或蒸汽渦輪任何單獨一個都更高效地產生電。由HRSG系統15產生的蒸汽也可用於其它過程中，諸如區域加熱或其它過程加熱。
[0038]增壓器及旁路系統17可包括風機組件39、空氣冷卻子系統43、可變幾何構造式分流器45和扭矩轉換器系統46。
[0039]風機組件39可包括風機41。風機41通過扭矩轉換器系統46而聯接到軸上。風機41可具有固定槳距式葉片或可變槳距式葉片。風機組件39可包括其它構件，諸如軸承、護罩、管道、過濾器等(未顯示)。風機組件39在特定的溫度和壓力下提供空氣流。
[0040]增壓器及旁路系統17可包括用以控制空氣流的溫度的空氣冷卻子系統43。風機組件39可提高燃氣渦輪入口溫度，因此，空氣冷卻子系統43對於避免超過壓縮機溫度極限和高入口體積流率來說是必要的。空氣冷卻子系統43可利用傳統的冷凍技術，諸如機械冷凍器、介質型蒸髮式冷卻器和吸收式冷凍器。
[0041]增壓器及旁路系統17還可設有可變幾何構造式分流器45，分流器45可包括閘門和旁路管道。可變幾何構造式分流器45可用來在燃氣渦輪系統13的加速和功率加載序列期間，優化來自風機組件39的空氣流和排出壓力。可變幾何構造式分流器45還可用來根據變化的環境狀況而調節功率輸出。增壓器及旁路系統17與空氣冷卻管道47、分流器管道49和HRSG管道51共同運行，以管理被引導到空氣冷卻子系統43和HRSG系統15的空氣流的量。由風機組件39提供的空氣流可分成傳送到空氣冷卻子系統43的第一部分和傳送到HRSG系統15的第二部分。將空氣從風機組件39排到排氣流中可用來控制來自風機組件39的空氣流和排出壓力。
[0042]控制系統19可用來控制增壓系統11的運行。控制系統19可包括控制渦輪運行的渦輪控制子系統53和控制HRSG系統15的運行的HRSG控制子系統55，以及控制風機組件39和可變幾何構造式分流器45的增壓器及旁路控制子系統57，以及控制扭矩轉換器系統46的扭矩轉換器控制子系統58。旁路子系統59包括分流器管道49、可變幾何構造式分流器45和增壓器及旁路控制子系統57。渦輪控制子系統53、HRSG控制子系統55、增壓器及旁路控制子系統57和扭矩轉換器控制子系統58可為聯合控制系統的一部分，或者可為共同成網絡化的單獨的控制器。
[0043]扭矩轉換器系統46可包括扭矩轉換器60和額外的構件，諸如工作流體儲存器、潤滑流體儲存器、注入閥和排出閥等(未顯示)。在其中控制子系統分開的一些情況下，扭矩轉換器系統46還可包括單獨的扭矩轉換器控制子系統58。扭矩轉換器60 (液力流體聯接件)可包括殼體61、泵葉輪63、渦輪葉輪65和可調導葉67。泵葉輪63、渦輪葉輪65和可調導葉67在工作流體流過的流體腔體內相互作用。扭矩轉換器60還可包括定位可調導葉67的導葉促動器69。扭矩轉換器60可還包括聯接到工作流體供應71和工作流體返回線路72上的工作流體泵70。燃氣渦輪系統軸27可連接到輸入軸75上，輸入軸75又可連接到泵葉輪63上。輸出軸77可連接到渦輪葉輪65上，而且可聯接到風機41上。
[0044]在運行中，輸入軸75的機械能通過泵葉輪63而轉換成液壓能。渦輪葉輪65將液壓能轉換回機械能，機械能被傳遞到輸出軸77。可調導葉67調整迴路中的質量流量。當可調導葉67關閉時(小的質量流量)，功率傳遞為最小。隨著可調導葉完全打開(大的質量流量)，功率傳遞為最大。因為質量流量的變化(由於可調導葉67的原因)，可調節渦輪葉輪65的速度，以使其匹配風機41的各種運行點。在低速下，渦輪形成其最高扭矩。隨著渦輪速度增加，輸出扭矩減小。
[0045]通過改變工作流體的量，可改變從輸入軸75到輸出軸77的聯接程度。這提供改變風機41的旋轉速度的能力。
[0046]可通過使扭矩轉換器60清空工作流體來使風機41與軸27脫開。
[0047]用可變速度式流體聯接件(扭矩轉換器60)代替直接驅動構造來驅動風機41允許以可變的速度運行風機41，從而對風機41所提供的空氣流提供流率控制。風機41與扭矩轉換器系統46 —起改進系統的部分負載效率和整體柔性和可靠性。可變速度式液力流體聯接件(扭矩轉換器60)通過最大程度地減少對固定速度式增壓器風機上的節流的需要來改進系統的部分負載效率。扭矩轉換器60通過提供在風機41或增壓器及旁路系統17的其它構件失效的情況下，使風機41與軸27迅速脫開的手段來改進系統的整體可靠性。
[0048]圖3示出運行增壓系統11的方法(方法81)。方法81可確定待提供給壓縮機的第一流率(方法要素83)。除了其它參數以外，可基於燃氣渦輪系統13的運行狀況、期望輸出和運行包絡來確定第一流率。例如,增壓水平可由對以較快的速率增加功率輸出的期望確定，或者在具有HRSG系統15的增壓系統11的情況下，由吹掃HRSG系統15所需的空氣量確定。諸如壓縮機風機限制、風機可操作性水平(吹掃管路)、燃氣渦輪系統是否在其啟動循環下運行的其它因素可確定待提供給壓縮機21的第一流率。方法81可確定待提供給其它用途的第二流率(方法要素85)。第一流率還可隨第二流率的用途而改變。例如如果燃氣渦輪系統13是具有HRSG系統15 (其帶有管燃燒)的增壓系統11的一部分，則可基於管燃燒所期望的氧水平來確定第二部分，從而確定第一流率。第二流率的其它用途可包括控制排氣溫度，控制排氣的氧含量、隔室通風、裝置HVAC和其它冷卻空氣/加熱空氣服務。方法81可確定待由增壓器及旁路系統17提供的總流率(方法要素87)。然後方法81可確定待提供給扭矩轉換器60的工作流體的合適的量(方法要素89)。方法81可確定可調導葉67的合適的位置(方法要素91)。方法81可促動工作流體泵70 (方法要素93)，以提供合適的量的工作流體。方法81可接合導葉促動器69，以將可調導葉67定位在合適的位置(方法要素95)。方法81可控制旁路子系統59，以對壓縮機21提供第一流率，以及對其它用途提供第二流率(方法要素97)。
[0049]圖4中示出的是用於脫開和重新聯接風機41與燃氣渦輪系統13的方法(方法99)。方法99可檢測脫開事件(方法要素101)。脫開事件可為風機41或增壓器及旁路系統17的其它構件失效。方法99可接合工作流體泵(方法要素103)，以從扭矩轉換器中排出工作流體(方法要素105)。為重新聯接扭矩轉換器60，方法99可確定期望何時重新聯接(方法要素107)。方法99可將工作流體提供給扭矩轉換器(方法要素109)，以將風機41重新聯接到燃氣渦輪系統13上。
[0050]增壓系統11提供許多優點。在技術上，增壓系統改變和提高燃氣渦輪基本負載容量。增壓器及旁路系統17與扭矩轉換器系統46—起允許風機41以可變的速度運行。增壓系統11沒有與馬達驅動式裝備相關聯的電損耗。
[0051]在商業上，增壓系統11可與較少的燃氣渦輪系統13 —起運行，以對具有處於高的環境溫度和/或低的大氣壓力的設計(額定)點的大型功率生產設施實現期望的電輸出容量。這對較低成本的燃料源的應用和/或在高峰電力需求時進行受限制的季節性運行特別有益。
[0052]本書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳模式，並且還使本領域任何技術人員能夠實踐本發明，包括製造和使用任何裝置或系統，以及實行任何結合的方法。本發明的可取得專利的範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果這樣的其它示例具有不異於權利要求的字面語言的結構要素，或者如果它們包括與權利要求的字面語言無實質性差異的等效結構要素，則它們意於處在權利要求的範圍之內。
【權利要求】
1.一種用於燃氣渦輪系統的增壓系統，所述燃氣渦輪系統具有壓縮機、燃燒器、渦輪和軸，所述增壓系統包括: 提供空氣流的風機組件； 聯接到所述軸和所述風機組件上的扭矩轉換器； 用於將空氣流輸出的第一部分傳送到所述壓縮機的子系統；以及 用於可選地傳送所述空氣流輸出的第二部分用於其它用途的旁路子系統。
2.根據權利要求1所述的增壓系統，其特徵在於，進一步包括控制所述旁路子系統的控制系統。
3.根據權利要求1所述的增壓系統，其特徵在於，進一步包括控制所述扭矩轉換器、從而控制空氣流流率的控制子系統。
4.根據權利要求1所述的增壓系統，其特徵在於，所述旁路子系統包括可變幾何構造式分流器。
5.根據權利要求3所述的增壓系統，其特徵在於，控制所述扭矩轉換器的所述控制子系統包括控制所述扭矩轉換器中的工作流體泵和可調導葉的控制子系統。
6.根據權利要求5所述的增壓系統，其特徵在於，所述燃氣渦輪系統進一步包括熱回收蒸汽發生器，以及其中，所述旁路子系統將所述空氣流輸出的所述第二部分傳送到所述熱回收蒸汽發生器。
7.根據權利要求5所述的增壓系統，其特徵在於，所述增壓器控制器控制所述空氣流輸出的所述第二部分。
8.一種燃氣渦輪系統，包括: 壓縮機； 燃燒器； 渦輪； 聯接到所述渦輪上的軸； 扭矩轉換器； 聯接到所述扭矩轉換器上的、產生空氣流的風機；以及 在所述壓縮機和其它用途之間分配所述空氣流的旁路子系統。
9.根據權利要求8所述的燃氣渦輪系統，其特徵在於，所述扭矩轉換器包括工作流體泵和可調導葉。
10.根據權利要求8所述的燃氣渦輪系統，其特徵在於，進一步包括聯接到所述渦輪上的熱回收蒸汽發生器，以及設置在所述風機和所述熱回收蒸汽發生器之間的可變幾何構造式分流器。
【文檔編號】F02C3/04GK103452667SQ201310210268
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年5月31日 優先權日:2012年5月31日
【發明者】S.埃卡納亞克, A.I.西皮奧 申請人:通用電氣公司