Kohlenberger的美国专利No.5444971描述了一种用于冷却燃气透平 和内燃机之类的原动机的进气空气的方法及装置。它借助于冷却空气进口 而使流入发动机及燃气透平压气机叶片或发动机气缸的空气质量增加来提 高性能。该性能的提高是借助在空气流中以串联方式设置的各级冷却盘管 使冷却效果增加而实现的。通过使该主冷却剂或辅助冷却剂从一级到另一 级的这种串联冷却，即使冷却剂从第一冷却级流出，去直接地或间接地再 冷却用于依次冷却进入压气机的进气空气流的后续冷却级用的冷却剂可获 得附加的制冷效果。透平性能的增加受到进气空气的最低温度的限制，该 最低温度是借助于将相互兼容的主或辅助制冷系统的第一和第二级(或多 级一如果多级串联的话)相互连通而获得，该主或辅助制冷系统可直接地 或间接地互相交换从一级供到另一级的制冷剂。
因此，尽管可用单级冷却的主或辅助制冷剂供给系统进行工作并且这 样做也是经济的，但借助于提供一种改进的多级恒定空气冷却系统的方法 和装置使透平和发动机性能优化可获得最大的性能提高，该方法和装置利 用各个使制冷剂供给可互换地从一级供到另一级的系统。这些多级系统还 可设置于主/辅助冷却剂复合式装置中。这涉及在常规压缩机系统中产生的 并在与冷却水/海水或井水(作为在进气空气的第一级冷却中用的任何种类 的冷却器和驱动器中冷却的辅助冷却剂)结合的后续冷却级中用的主蒸发 冷却剂的应用。此外，在以热能储存方式工作时，借助于在非高峰低电价 时产生冷却水或海水或冰并将其储存起来以产生辅助冷却剂(冷却水，海 水等)，供在产生辅助制冷剂的成本更高的高峰发电期使用。
以下所述的发明提供了一种这样的系统。
发明概述
本发明的方法和装置优化了燃气透平和内燃机之类的原动机的电力输 出性能，该原动机可驱动各种旋转负荷，例如泵，发动机，压缩机或发电 机装置等等。这种优化是通过使透平/发动机进气空气冷却以增加其质量密 度和流量而获得的。它包括：首先开始用平均环境空气温度的空气进入该 透平/发动机并将该空气温度减少到最大效率需要的冰点温度之上的最佳 进气温度，从而形成一湿度图上进气冷却轨迹焓曲线。然后，将该湿度图 上进气冷却轨迹焓曲线分段并分成专用的多级冷却级，从而借助于使透平 沿该焓曲线上能量密度最小的各段工作而对该制冷循环效率的热力冷却进 行优化。
然后构造成一多级制冷系统，并使其与该空气进口相连，从而根据该 分段的湿度图上透平进气冷却轨迹焓曲线按热效率提供多级冷却。该多级 冷却系统采用主(直接)或辅助(间接)冷却制冷剂，该主(直接)或辅 助(间接)冷却制冷剂进行循环，从而吸收进气空气的热量并将其传递给 换热器。主(直接)制冷剂限定为一种实际上在其换热器盘管表面上直接 改变状态(沸腾或冷凝)以达到冷却的制冷剂。辅助(间接)制冷剂是一 种不改变状态，首先由一主制冷剂进行冷却，然后再循环通过其换热器盘 管表面，以便由敏锐快速的传热达到冷却的制冷剂。
该进气空气冷却系统的结构是，使从第一冷却级来的被冷却的主或辅 助制冷剂作为预冷换热器的冷却剂从一级到另一级起串联冷却作用，产生 热交换并直接地或间接地对任何后续级的主或辅助制冷剂进行低温冷却， 从而加强对进气空气的冷却使其被冷却到理想的最佳性能温度(当前使透 平达到最佳性能的通用最佳进气空气温度是进气空气的冰点，32°F)。这 种使被冷却的主或辅助制冷剂从一级到另一级串联地起作用的技术增加了 该过程的卡诺传热效率。
然后，对该透平驱动装置和该多级制冷冷却系统供给能量并将其调节 到根据当前输入的能量成本运行，从而对从原动机输出的或从透平发电机 装置发电的电站输出的净收益进行优化。
在优化一透平性能及动力输出的优选实施例中，透平燃料控制设置于 该透平最大效率的最佳位置，并且进气导向叶片定位于该位置。然后，用 该分级的制冷系统控制并调节进气温度，从而使透平在最佳温度处工作以 便优化该透平性能。
一燃气透平进气空气冷却系统的变形结构目前装在Upper Midwest，用 52°F的井水冷却Solar Saturn型燃气透平发电机装置的进气空气。该装置 设计的进气温度是95°F，但用井水冷却系统将该空气在进入该透平之前冷 却到57°F。这种冷却的效果使该透平的输出从0.97增加到1.15兆瓦，即 增加19％。借助于增设以复合方式工作的将进气空气温度从57°F进一步冷 却到40°F，第二级冷却盘管可进一步增加功率输出0.05兆瓦，因此输出功 率总量为1.2兆瓦，或相对于95°F的环境温度输出功率增加24％。
近来对Westinghouse 501D5型燃烧天然气的燃气透平发电机装置(该 装置采用直接用氨作制冷剂的三级燃气透平进气空气冷却系统)作出的研 究表明：与借助于蒸发对燃气透平空气进口进行冷却所获得的输出功率相 比，该装置的输出功率增加13％。此外，在功率设置为常量时，放热率下 降4％。
该三级燃气透平进气空气冷却系统由三级相互串联并用氨(或其它物 质)作主制冷剂的冷却盘管构成，该主制冷剂由泵打入这些盘管中进行再 循环并返回到该三个专用的泵储存器容器的每一个中。该第一级盘管用 61°F的氨制冷剂将空气从105°F冷却到71°F。该第二级盘管用45°F的氨将 空气从71°F冷却到55°F。该第三级冷却用30°F的氨来完成将空气从55°F 到40°F的冷却。三个氨压缩机从三个专用的储存器中取出蒸发的制冷剂并 将其压缩以便在蒸发冷凝器的同一箱中冷凝成液体制冷剂。然后，这种高 压冷凝液体制冷剂返回该吸入储存器中，反复进行热交换循环。引入第二 级和第三级盘管中的制冷剂由前一级预冷并在后续各级中接着使用，从而 使热效率达到最大。
更低的最佳透平运行温度可以低于空气进口的冰点，以进一步增加燃 气透平或内燃机的性能。在该实施例中，将进气空气预冷到低于冰点的温 度，然后再由进入的温热制冷剂或其它装置稍稍加热(温热)以便防止空 气中的湿气冷凝并结冰，这将会损坏透平叶片。这种进一步冷却甚至可使 燃气透平提供更多的输出功率。理论上讲，可以将湿度图上的透平进口冷 却轨迹焓曲线分成许多(无限)级。该优化系统将取决于投资费和物理空 间的限制。通常可采用多个焓基本上相等的级和各相应的分级冷却系统。
为了进一步节约一燃气透平进气空气冷却系统所消耗的能量，如果可 利用透平/发动机废气中的废热，则该废热可成为直接吸收制冷或蒸汽透平 驱动的压缩制冷的能源。这种低品位废热的利用通过减小了附加的制冷负 荷而增加原动机或发电机的收益。提供的另一种可用技术是废蒸汽透平驱 动制冷压缩机的复合循环，而该废蒸汽可冷凝入蒸汽吸收器/冷却器中。另 外，借助于直接用气体启动吸收器/冷却器，内燃机或燃气透平制冷系统的 驱动器可减少附加的制冷能量的消耗，从而由此可增加燃气透平发电机装 置的输出功率。
从热动力学上讲，借助于控制透平运行参数可避免进气空气温度的频 繁波动。这就使该透平/发动机处于恒温恒压下运行。这就导致磨损减少， 并可对从透平发电机装置或其它原动机中输出的功率进行优化。
在电力收益取决于发电时间的地区，通常采用一个依据计算机模拟模 型工作的核算控制系统来计算为发电而消耗的燃料能量相对用于偿付发电 开销的电力比率收益的小时成本，从而形成一净成本曲线。根据这些小时 计的净成本运行该系统，使运行透平发电机装置输入的燃料能量可被控制 到可能对应于或可能不对应于透平的最佳效率的优化收入。例如，可用一 计算机程序取代简单的物理性能最佳时的能量对比来模拟在湿度图上分段 截取的透平进气空气冷却轨迹焓曲线的热动力学效率，该焓曲线是平均环 境空气温度时透平的性能和在给定温度和高度处透平达到最佳性能的最佳 空气进口温度的焓曲线，该计算机程序例如是由Kohlenberger Associates Consulting Engineers公司在苹果计算机(Apple Macintosh牌计算机) 上进行模拟而生产的，其名称为“控制多种温度分级制冷系统的程序 (Program for Controlling Multi-Temperature Staged Reftigeration Systems)”，其版权由Kohlenberger Associates Consulting Engineers 公司1992年获得。然后该程序确定出在高峰用电期间的附加制冷冷却能量 的小时价格，以减小透平燃料成本，同时优化电力输出。然后算出在给定 时间引起电力收益增加的附加制冷能量的成本，从而画出一条净收益曲 线。因此该计算机程序对各运行参数作出计算以便得出以小时计的最佳净 收益，以对该透平发电机装置进行调节使其产生最佳净收益。
本发明的方法和装置已导致透平/发电机装置的净输出增加20-25％， 同时减少燃料消耗3-5％。这些因素结合起来形成的运行收益将比采用常 规的蒸发进气空气冷却系统产生的收益提高多达20-30％。这些成本节约 及收益增加是很显著的，特别是在大发电厂中使用时更是如此。这些节约 将可在大约两到四年时间内收回该制冷进气空气冷却系统的总成本。
附图说明
图1是Westinghouse 50105型燃气透平用的输出功率及热效率的校正 曲线的示例；
图2是Westinghouse 50105型燃气透平进气空气冷却轨迹的典型空气 湿度图的示例；
图3是一个三级透平进气空气冷却盘管热交换器的示意图；
图4是一个三级透平进气空气水冷却器制冷系统的流程示意图；
图5是一个三级透平进气空气直接作冷却剂的制冷系统的流程示意 图；
图6是Westinghouse 501D5型燃气透平发电机装置的三级冷却透平进 气空气的制冷系统的平面示意图；
图7是Westinghouse 501D5型燃气透平发电机装置进气空气冷却系统 的制冷负荷曲线；
图8是分析/比较该Westinghouse 501D5型燃气透平发电机装置用的 一典型三级进气空气冷却系统的性能的数据汇总表；
图9是该Westinghouse 501D5型燃气透平发电机装置的三级进气空气 冷却系统的运行成本分析、性能、电力收益净增率的数据汇总表。
图示实施例的说明
图1表示Westinghouse 501D5型燃烧天然气的燃气透平在透平进气空 气温度冷却到40°F时的透平性能的提高。在该点，最佳功率输出是在ISO 温度59°F的标准状态下的透平性能的107％。
图2示出了一空气湿度图，它表示在图3所述的流程示意图中更详细 说明的三级冷却方法及冷却系统用的透平进气空气冷却轨迹。该空气湿度 图被画出以便用于与图5所示的透平空气进气相关的三级盘管式热交换系 统。图3表示一个用氨作制冷剂并装在空气进口中以便用61°F的氨制冷剂 将进气空气从105°F DBT冷却到71°F的第一级制冷盘管。从第一级冷却盘 管出来的氨冷却剂被冷却，然后流入该空气进口中的第二级冷却盘管中， 从而用45°F的制冷剂将空气温度从71°F降低到55°F DBT。第三级冷却盘 管利用30°F的制冷剂将空气流从55°F降到40°F。
图4表示一个透平进气空气水冷却器制冷系统的流程示意图。用来自 一冷却塔201的冷却水作冷却剂的冷却盘管1装在空气进口100中的冷却 盘管2的上游，其中空气进气口100通过入口进气栅101和空气过滤器102 向冷却盘管装置提供空气。第一水/海水冷却器1′与第一冷却盘管1工作相 连。从第一冷却盘管1来的水冷却剂用于对水/海水冷却器2′中的制冷剂进 行预冷。单独水冷却回路可用于盘管2中以便以低温水进一步冷却进气空 气。冷却水也可用于对水/海水冷却器3′中的制冷剂进行预冷。最后，冷却 器3′与冷却盘管3一起用最低温度的冷却水将进气空气冷却到最后温度。 该温度是最佳进气温度，因此优化了驱动发电机的透平性能。在通过废气 排出口105离开之前空气则经过一透平103，其中发电机103′位于一机壳 104中。
在电费最低时，即在透平发电机在非用电高峰期间产生较少的电力而 产生较多的制冷剂时，一种任选的冷却水、冰或其它热能储存箱或装置200 可合适地用于该水冷却回路中，以便储存在非用电高峰期间产生的用作制 冷系统冷却剂的冷却水。在用电高峰期间，所储存的冷却水或冰在该冷却 器不工作时对进气空气进行冷却，从而减少制冷消耗的附加功率并增加该 透平/发电机装置的净输出。
图5表示一氨制冷系统相同的部件用与图4中相同的附图标记表示。 其中，一第一级压气机1″，一第二级压气机2″及一第三级压气机3″都与一 第一级冷却盘管1，一第二级冷却盘管2及一第三级冷却盘管3可工作相连， 从而以上述相似的方式逐级降低进气空气的温度。图4的冷却塔由一蒸发 冷凝器202代替。
图6是Westinghouse 501D5型燃气透平的进气空气制冷系统10的 平面示意图。三个冷却盘管12,14,16设置于透平空气进口18内，并与 三个压气机20,22,24可操作地相连。如图所示，三个冷却盘管12,14, 16氨冷却剂由冷却线路26相互连通形成一回路，该回路带有三个氨回收 器(再循环器)28,30,32，和三个蒸发冷凝器34,36,38组成一个完 整的三级系统以便将燃气透平发电机用的进气空气进行冷却。该燃气透平 发电机装置40由一简单循环的烧天然气的Westinghouse 501D5型燃气 透平42驱动一个80兆瓦发电机44组成。发动机/透平控制中心46控制进 入燃气透平42中的燃料的供给及点火，并控制操作电动压缩机驱动器(未 示出)以降低这些冷却盘管12,14,16的温度所需的电力。该发动机/透 平控制中心46带有设置于空气进口中的传感器(未示出)，以便保证进入 透平工作室48中的空气处于恒定温度和压力，从而优化该燃气透平42的 性能。
三个蒸发冷凝器34,36,38与该制冷系统10相连以便将该制冷循环 中的压缩和冷凝热带走。
图7示出一条在24小时期间冷却进气空气的典型制冷负荷曲线。图8 和9示出了一典型的三级进气空气冷却系统运行成本分布。图8是分析/比 较该Westinghouse 501D5型燃气透平发电机装置用的一典型三级进气空 气冷却系统的性能数据汇总表。图9是该Westinghouse 501D5型燃气透 平发电机装置的三级进气空气冷却系统的运行成本分析、性能、电力收益 净增量的数据汇总表。
从表8和9中可看出，用于支付发电费用的电力收入通常随着每天中 供电时间不同而变化。因此常常将一个带有收入/成本核算的计算机(未示 出)连接到该发动机/透平控制中心46上，从而通过于在高电价期间产生 最大的电力而按小时地优化净电力输出。如果采用了热能储存系统，则在 非高峰电价期间产生并储存的辅助冷却剂在高峰电价期间再循环使用，从 而优化电力生产，以最小的制冷成本产生电力。
因此，该三级透平进气空气制冷系统借助于对透平发电机装置40的性 能进行优化而产生显著的净收益。