Способ и устройство для увеличения мощности в газовых турбинах посредством мокрого сжатия

Способ и устройство для увеличения мощности в газовых турбинах посредством мокрого сжатия

Реферат

 

Способ увеличения полезной мощности промышленной газовой турбины осуществляется путем добавления к содержащему воздух рабочему телу компрессора капель жидкости, выбранных из спиртов, воды и их смесей. Количество указанных капель является достаточным, чтобы обеспечить рабочее тело, входящее во впускное отверстие компрессора, которое содержит, по меньшей мере, три четверти процента воды в виде примеси к полностью влажному воздуху. Подача жидкости осуществляется выше по потоку от впускного отверстия компрессора. Подача жидкости осуществляется в течение периода времени свыше того, который требуется для периодической очистки накопленных частиц на внутренних деталях, посредством чего снижают рост температуры рабочего тела, вызванный сжатием. Тем самым достигается увеличение полезной мощности турбины. 7 с. и 6 з. п. ф-лы, 9 ил.

Настоящее изобретение относится, вообще, к способу и к устройству для увеличения выработки энергии газовой турбины, а более конкретно к способам и устройствам для эффективного увеличения выработки энергии наземными промышленными газовыми турбинами, которые обычно используются в установках для выработки электроэнергии и в химических технологических установках.

Газовые турбины находят применение в различных областях. Авиация, судоходство, производство электроэнергии и химическая технология - области, в которых используют газовые турбины различных конструкций. Наземные газотурбинные установки для выработки энергии могут дополнительно обеспечить преимущества комбинированного цикла, когда установку для рекуперации теплоты используют для образования пара из отходящего газа, создаваемого газовой турбиной, а паровая турбина работает на этом паре.

Что касается общепринятой терминологии, то термин "газовая турбина" традиционно относится к любой турбинной системе, имеющей секцию сжатия, секцию сгорания и секцию турбины. В последние годы термин "турбина сгорания" стал более часто используемым в отношении такой машины. В этом описании будет использоваться термин "газовая турбина", охватывающий как традиционно используемый термин, так и термин "турбина сгорания", получивший некоторое распространение в настоящее время.

Газовые турбины имеют секцию компрессора для сжатия входящего воздуха, секцию сгорания для объединения сжатого входящего воздуха с топливом и окисления топлива, а также секцию турбины, в которой энергия горячего сжатого газа, образованного при окислении топлива, превращается в работу. Обычно природный газ (в большинстве случаев метан), керосин или синтетический газ (к примеру окись углерода) подают в качестве топлива в секцию сгорания, но могут использоваться другие виды топлива. Ротор, характеризуемый осью ротора, с прикрепленными лопатками ротора секции турбины и с прикрепленными лопатками секции компрессора приводит в движение секцию компрессора, и в некоторых случаях компрессор используют при проведении химических процессов и при выработке электроэнергии. Отходящий газ из секции турбины можно использовать для получения тяги, его также можно использовать как источник тепловой энергии или в некоторых случаях его сбрасывают.

В секциях некоторых турбин используют охлаждаемые текучей средой лопатки ротора, при этом, например, сжатый воздух или пар проходят по внутренним охлаждающим каналам в лопатках ротора, используемых в секции турбины. Это позволяет получать более высокую температуру на выходе секции сгорания.

По различным причинам часто бывает необходимо увеличить мощность смонтированных наземных промышленных газовых турбин в установках для выработки электроэнергии или в химических технологических установках, а в конкретных ситуациях обеспечить такую повышенную мощность, которая должна быть доступна по требованию или по необходимости. Например, в случае выработки электроэнергии сезонные запросы потребителей в некоторых местах могут быть более высокими в летние месяцы, ввиду повышенного использования, например, кондиционеров воздуха, электрических вентиляторов. Для химических технологических установок при осуществлении энергоемких химических процессов, к примеру обычного электролитического хлор-спиртового процесса, также может потребоваться увеличение мощности, отбираемой от установленной газовой турбины или от газовых турбин.

В одном известном способе увеличения мощности, отбираемой от газовой турбины, просто повышают температуру горения в турбине, но недостаток этого способа, особенно в случае работы под основной нагрузкой, заключается в том, что при повышенной температуре горения наблюдается тенденция к термическому износу деталей на горячих концах и возрастает частота отключения для текущего ремонта. Испарительное охлаждение воздуха, входящего в турбину, является другой альтернативой, которая может принести существенную пользу, особенно при горячей сухой окружающей среде, но получаемое вследствие испарительного охлаждения увеличение мощности является ограниченным и зависит от внешних условий, преобладающих в месте установки турбины. Инжекция воды в камеру сгорания турбины и инжекция пара в оболочку камеры сгорания или непосредственно в камеру сгорания хорошо известны, но за это приходится расплачиваться снижением коэффициента полезного действия топлива и ростом капитальных затрат на образование дополнительного пара.

Теперь, что касается настоящего изобретения, то изобретатель задумал и успешно продемонстрировал новый и удобный способ получения значительного увеличения мощности промышленных газовых турбин, в котором воду (или спирт, или их смесь, но предпочтительно просто и по существу только воду, принимая во внимание ее (воды) высокую скрытую теплоту парообразования, легкую доступность и предельно низкие затраты потребителя на ее получение и использование) можно добавлять в газовую турбину, работающую при полной нагрузке, с целью увеличения мощности газовой турбины сверх мощности, достигаемой в случае полностью увлажненного воздуха, поэтому в турбинах, которые были ранее снабжены средством для испарительного охлаждения, достигается дополнительная выгода вследствие осуществления первого варианта увеличения мощности или в турбинах, которые не были снабжены обычными средствами для испарительного охлаждения входящего воздуха, обеспечивается потенциальная возможность увеличения мощности за счет средства для испарительного охлаждения входящего воздуха и дополнительного увеличения мощности, при этом способ и связанный с ним эффект будут далее именоваться как "мокрое сжатие".

Не имея в виду ограничить настоящее изобретение, можно предположить, что мокрое сжатие позволяет несколькими путями увеличить мощность даже при абсолютной (100%) эффективности газотурбинных систем, снабженных устройством для испарительного охлаждения входящего воздуха. В частности, увеличение достигается путем уменьшения работы, необходимой для сжатия входящего воздуха. Эта термодинамическая выгода реализуется в компрессоре газовой турбины посредством "промежуточного охлаждения скрытой теплотой", когда вода, добавленная к воздуху, который вводится в компрессор, охлаждает этот воздух посредством испарения при сжимании воздуха вместе с добавленной водой. В этом случае добавленную воду можно считать "парообразующим жидким теплоотводом".

Поэтому способ мокрого сжатия позволяет сберечь дополнительное количество работы (необходимой для сжатия воздуха, не содержащего воды) и использовать дополнительное количество имеющейся работы для приведения в действие нагрузки, присоединенной к газовой турбине (в случае одновальной машины), или для повышения частоты вращения с целью создания большего массового расхода (значимого в одновальных и двухвальных машинах).

Увеличение мощности, даваемое мокрым сжатием, происходит отчасти за счет небольшого повышения массового расхода, которое обеспечивается добавленной испарившейся водой. Дополнительное приращение увеличения мощности также возникает за счет повышения расхода воздуха, которое в крупной наземной промышленной газовой турбине заметно уже при расходе от 38 до 76 л/мин. Следует отметить, что дополнительное топливо необходимо для повышения температуры охлажденной (соответственно сжатию сухого воздуха) смеси воздух/пар, выпущенной из компрессора, до температуры горения в газовой турбине, однако выгода, реализуемая от действия мокрого сжатия, больше, чем потребность в дополнительном топливе, в результате чего эффективность работы турбины в целом возрастает.

Возможности, обеспечиваемые добавлением воды в компрессор с целью увеличения мощности, как представляется, определены в уровне техники, по крайней мере, отчасти, на теоретическом уровне, но в других источниках сделаны различные выводы относительно общих преимуществ, обеспечиваемых водой, добавленной в компрессор газовой турбины, и относительно влияния воды на характеристики и эффективность компрессора. Первым на добавление воды в компрессор газовой турбины обратил внимание Дэвид Вильсон в работе "Проектирование высокоэффективных турбин и газовых турбин" (1984, Massachusetts Institute of Technology), в которой он описал шестиступенчатый центробежный компрессор, использованный в устаревшей турбине, изготовленной в 1903 г фирмой Эгидиус Эллинг, где вода инжектировалась между ступенями компрессора.

В 1940-х годах Ветцель и Дженнингс в статье "Инжекция водяных брызг в осевой компрессор" (Proceedings of the Midwest Power Conference, Illinois Institute of Technology, April 18-20, 1949, с. 376-380) рассмотрели некоторые принципы, предшествующие мокрому сжатию. В статье указано, что "вода. . . распылялась во входном воздуховоде выше по течению от компрессора через систему распылительных форсунок типа 1/4 LNN6". Однако Ветцель и Дженнингс не привели фактических результатов, касающихся использования газовой турбины (в противоположность небольшой паровой турбине), известен также способ увеличения полезной мощности промышленной газовой турбины (прототип), включающий в себя осевой многоступенчатый компрессор, имеющий впускное отверстие для получения рабочего тела, содержащего воздух, путем добавления к рабочему телу компрессора капель жидкости (см. RU 2053399 C1, МПК F 02 С 7/14, 1996).

Аналогично, в публикации СССР 1973 года ("Влияние распыления воды на работу компрессора газотурбинного двигателя", Слободяник Л. И. , Энергетика, N 1, 1973, с. 92-95) описаны эффекты распыления дистиллированной воды (с размером капель от 30 до 40 мкм) в количестве 0,08 кг на 1 кг "сухого воздуха" в воздухозаборник компрессора и указано, что при этих обстоятельствах мощность газотурбинного двигателя увеличивается ориентировочно на 35%. Однако, как и в статье Ветцеля и Дженнингса, установка, указанная в публикации СССР, не была газовой турбиной, а идеализированным компрессором, в котором выпускные отверстия между ступенями использовались для забора воды, при этом компрессор приводился в действие паровой турбиной. Кроме того, в то время, как Ветцель и Дженнингс распознали эффект массового расхода, упомянутый выше в качестве вклада в увеличение мощности этот эффект не рассматривался и не выявлялся в статье Слободяника (СССР, 1973).

При разработке реактивных летательных аппаратов в отличие от наземных газовых турбин инжекция спирта или водно-спиртовых смесей рассматривалась для весьма кратковременного увеличения тяги (например, при взлете), на что было обращено внимание в статье 83-GT-230 Американского общества инженеров-механиков под названием "Использование метанола для охлаждения между ступенями компрессора газовой турбины" (ASME, New York, 1983), авторы Фортин и Бардон.

В частности, в другой связи с наземными газовыми турбинами Нолан и Тумбли в публикации "Улучшение характеристик газовой турбины с помощью системы для испарительного охлаждения с непосредственным смешиванием в установке для совместного производства тепловой и электрической энергии в Американских Атласских горах, Колорадо" (1990, ASME), описали конструкцию и принцип действия системы для испарительного охлаждения с непосредственным смешиванием "в качестве альтернативы системам с постоянно увлажненным рабочим телом, используемым для увеличения мощности газовой турбины", применительно к газовой турбине, имеющей базовую мощность 13,5 МВт. В этой системе предусмотрена "система для образования тумана", состоящая из распылительных устройств, прикрепленных к трубопроводу малого диаметра (от 12,7 до 25,4 мм), изготовленного из цветных металлов и работающего при давлениях 4,14 МПа или больше, такого вида, какой обычно используется в теплицах. Эта система была расположена на верхней части протяженной (длиной 4,88 м) вертикальной колонны воздухозаборника и рассчитана на распыление воды кверху в воздух, протекающий книзу в колонну воздухозаборника. Показано, что для обеспечения требуемого полного увлажнения воздуха, забираемого в компрессор (т. е. для создания относительной влажности 100%) расход воды в системе для образования тумана должен составлять 28,4 л/мин. Это расчетное значение расхода было удвоено, чтобы сделать поправку на дрейф, флуктуации давления и другие потери, и принималась во внимание возможность "перераспыления" (т. е. избыточной подачи воды в компрессор сверх полного насыщения) в связи с возможным загрязнением компрессора, коррозией лопаток компрессора и эрозией лопаток, а также в связи с возможным полезным увеличением массового расхода, связанного исключительно с избыточной водой.

В период с июля по сентябрь 1989 г были проведены испытания в диапазоне условий окружающей среды при различных расходах. Сообщалось об увеличении мощности в среднем на 9,6% при базовой мощности 13,5 МВт. Из этих 9,6% на испарительное охлаждение входящего воздуха (от средней температуры окружающего воздуха 30,6^oC до температуры 19,4^oC по влажному термометру) приходятся 7,4%, а 2,2% получены за счет увеличения на 1,3% массового расхода через компрессор (указанные 1,3% появляются только при учете введения воды в воздух). Однако, в то же самое время наблюдалось падение температуры выпуска газовой турбины примерно на 8,4^oC, и, как сообщалось, в ответ на это температуру горения повышали таким образом, чтобы достигалась предельная температура выпуска, составляющая 537,8^oC.

Хотя Нолан и Тумбли в своей статье сделали попытку описать систему для образования мелкого тумана с производительностью, достаточной для непрерывного введения воды в компрессор относительно небольшой газовой турбины сверх полного увлажнения потока входящего воздуха, выполнив строгий анализ нескольких ключевых положений, содержащихся в статье, все же нельзя однозначно понять, что увеличение мощности при мокром сжатии на самом деле происходило в этой системе, как об этом сообщили Нолан и Тумбли. Фактически же, увеличение мощности при мокром сжатии промышленных газовых турбин стало возможным благодаря изобретению заявителя, особенно в части более крупных современных промышленных газовых турбин мощностью 35 МВт и больше, с достижением заявителем более высокого уровня и/или более расширенного диапазона увеличения при использовании полностью увлажненного воздуха, а именно от примерно 20 вплоть до 40% полезной мощности конкретной турбины (что достигается, например, при полной эффективности (100%) испарительной системы охлаждения входящего воздуха).

Например, хотя заявитель не сделал количественной оценки увеличения выработки энергии газовой турбиной Нолана в связи со сдвигом на 8,4^oC вверх регулировочной кривой (о чем сообщили Нолан и Тумбли), эксперименты заявителя с турбинами другого производителя, имеющими цельные лопатки, показали, что увеличение, отнесенное Ноланом и Тумбли к повышенному массовому расходу через турбину, определенно больше чем 2,2% полезной мощности. Следовательно, поскольку Нолан и Тумбли не распознали этот эффект, специалисты по эксплуатации и техническому обслуживанию таких газовых турбин могли с достаточным основанием заключить, что результирующее действие "перераспыления" (введения воды в компрессор) на суммарную мощность турбины является отрицательным или, в лучшем случае, неположительным, и, конечно, у них могли возникнуть вопросы относительно обоснованности расходов на обработку воды, когда добавленная мощность существенно меньше 2,2%, в связи с долгосрочным прогнозированием любых возможных отрицательных эффектов и увеличением эксплуатационных расходов, связанных с добавлением воды в компрессоры этих турбин в течение длительного времени.

Конечно, даже если какой-либо вид мокрого сжатия осуществить с помощью изобретения заявителя, то окажется, что отсутствует возможность обнаружения деформации корпуса турбины, происходящая при внедрении подобной "системы для образования тумана" на промышленных газовых турбинах, отсутствует какой-либо способ или мнение относительно решения этой проблемы или проблемы, связанной с противодействием образованию льда при добавлении воды для мокрого сжатия в случае низкой температуры окружающего воздуха, отсутствует представление относительно количества добавляемой воды, необходимого для увеличения мощности на 10% или больше (или намного меньше, или на 20%, или больше) сверх полезной мощности, получаемой с помощью полностью увлажненного воздуха (т. е. 10% или больше с помощью "перераспыления"), отсутствует, например, предложение относительно способа очистки, поскольку загрязнение, как установил заявитель, является характерной особенностью, связанной с осуществлением интенсивного мокрого сжатия в промышленных газовых турбинах.

Несмотря на ограниченное (и сомнительное в части аргументации) увеличение мощности при мокром сжатии, описанное в статье Нолана, существует ряд опасностей для газотурбинной системы, на что было обращено внимание в нескольких осторожных замечаниях, приведенных в этой же статье, и на эти опасности сразу же указали специалисты в данной области техники при рассмотрении непосредственной инжекции воды в компрессор в качестве альтернативного способа достижения увеличения мощности в промышленной газовой турбине и, особенно, при рассмотрении ее применительно к большим, более современным моделям промышленных газовых турбин, которые могут иметь базовую мощность 100 МВт и больше.

Как отмечалось, одна опасность проистекает из действия эрозии на лопатки, тогда как другая трудность (особенно в крупных газотурбинных системах) связана с проблемами локализованного и неравномерного охлаждения (вызванного неравномерным распределением добавляемой воды) внутри компрессора, вследствие чего физические детали газотурбинной системы могут искривляться таким образом, что возникает повреждение из-за трения ротора относительно внутренней стенки корпуса и соответствующих уплотнений. Дополнительная существенная опасность для деталей возникает из-за возможности теплового удара, если газовая турбина при полной нагрузке находится, по существу, в термодинамическом равновесии, а добавление жидкости резко прекращают.

Другой элемент риска обусловлен возможностью того, что детали системы для добавления жидкости могут оторваться и столкнуться с относительно чувствительными движущимися частями газотурбинной системы. Еще один предвидимый элемент опасности связан с дополнительным загрязнением или коррозией деталей газовой турбины из-за возможного присутствия примесей в воде, добавляемой к входящему воздуху компрессора, поскольку эти примеси осаждаются на деталях газовой турбины в результате испарения воды, в которой они растворены.

Что касается наземных газотурбинных установок для выработки энергии и установок химической технологии, то применительно к ним вышеуказанные факторы опасности усугубляются значительными капиталовложениями в газовые турбины, последствиями поломки турбины и перерывами в работе для выполнения других операций, а также их повышенной значимостью применительно к турбинам этих типов.

Здесь заявитель предлагает и заявляет, по существу, способ и систему, которые обеспечивают возможность практического осуществления мокрого сжатия даже при высоких уровнях и в течение продолжительного времени работы в промышленных газотурбинных установках выработки энергии и в установках химической технологии. Такая система при ее реализации на базе существующих газотурбинных установок выработки энергии и установок химической технологии обеспечивает получение немедленной выгоды. Возможно более важно, что такая система, предположительно, позволит оптимизировать газовые турбины к мокрому сжатию на стадии проектирования, открывая новые возможности в технике выработки энергии.

Поэтому задача настоящего изобретения заключается в создании устройства и способа, которые позволяют достичь увеличения полезной мощности газовой турбины путем подачи воды во впускное отверстие газовой турбины сверх уровня насыщения или полного увлажнения входящего воздуха компрессора. Один уже отмеченный эффект от этого добавления заключается в снижении роста температуры рабочего тела, вызванного сжатием, и тем самым в увеличении полезной мощности для приведения без ограничения в движение присоединенного генератора или компрессора химического производства при вышеупомянутой полезной мощности, которая является доступной при сравнимых во всех других отношениях условиях. В предпочтительных вариантах осуществления, по меньшей мере, 10% прироста полезной мощности промышленной газовой турбины можно получить относительно достигаемой при совершенно эффективном испарительном охлаждении входящего воздуха компрессора.

Дальнейшая задача изобретения заключается в создании устройства и способа, в которых расход при добавлении (или уменьшении количества) воды регулируется с целью исключения вышеупомянутых, вызывающих повреждения тепловых ударов.

Еще одна дальнейшая задача настоящего изобретения заключается в создании устройства и способа, обеспечивающих подачу теплоты и влаги в рабочее тело с целью получения возможности непрерывного увеличения мощности в течение периодов времени, когда температура рабочего тела в противном случае будет падать до уровня, при котором допускается вредное льдообразование во впускном отверстии осевого многоступенчатого компрессора газовой турбины.

Дальнейшая, связанная с вышеуказанными задача настоящего изобретения заключается в создании используемых при увеличении мощности посредством мокрого сжатия устройства и способа для измерения температуры во впускном отверстии компрессора газовой турбины с целью, во-первых, защиты от образования льда во впускном отверстии в такой степени, что этот лед, откалываясь, может повредить детали газовой турбины, находящиеся ниже по течению, во-вторых, снижения до минимума использования материалов, регулирующих замерзанием, таких как депрессанты потока или точки замерзания, и/или, в-третьих, получения входных данных для системы регулирования, которая используется для координации, контроля и/или регулирования в целом устройства и способа для добавления воды. В предпочтительном дополнительном варианте осуществления вблизи впускного отверстия компрессора предусмотрено смотровое окно, посредством которого можно визуально контролировать льдообразование.

Дальнейшая задача настоящего изобретения заключается в создании устройства и способа, которые обеспечивают достаточно равномерное распределение воды в рабочем теле с целью ограничения деформации корпуса (кожуха) до заданного приемлемого уровня (который определяется, как установлено ранее, допусками в обычном режиме работы), вследствие чего повреждение осевого многоступенчатого компрессора газовой турбины предотвращается. Еще одна дальнейшая задача заключается в измерении и регулировании деформации или углового искривления, наблюдаемого в промышленной газовой турбине, в которую добавляется вода в количестве, достаточном для получения увеличения полезной мощности турбины примерно на 10% и больше по сравнению с тем, что можно получить при полностью увлажненном воздухе, в результате чего повреждение корпуса предупреждается.

Дальнейшая задача настоящего изобретения заключается в создании используемых при увеличении мощности посредством мокрого сжатия устройства и способа для эффективного добавления массы воды в воздух, входящий в секцию компрессора газовой турбины, с обеспечением минимальной дополнительной опасности для турбины со стороны деталей устройства для добавления воды, которые отрываются и переносятся входящим воздухом по направлению к впускному отверстию компрессора турбины, во-первых, путем расположения устройства для добавления такой воды на значительном расстоянии от впускного отверстия секции компрессора, посредством чего, если даже какая-либо деталь на самом деле оторвется и будет увлекаться входящим воздухом по направлению к впускному отверстию компрессора, то эта деталь под действием силы тяжести притянется к нижней поверхности входного воздуховода, используемого для передачи воздуха в газовую турбину, до попадания во впускное отверстие компрессора, и, во-вторых, путем подачи распыленной воды из устройства (предпочтительно в виде некоторого количества приращений, упорядоченных во времени и по пространству, чтобы образовать контролируемое приращение массового расхода воды в компрессоре), которая при заданном расстоянии устройства от впускного отверстия компрессора эффективно захватывается входящим воздухом и переносится им в секцию компрессора турбины для увеличения в нужной степени мощности, отбираемой от турбины.

Еще одна дальнейшая задача настоящего изобретения заключается в создании используемых при увеличении мощности посредством мокрого сжатия устройства и способа для контроля профиля температуры охлаждаемых текучей средой лопаток ротора секции турбины, посредством чего засорение каналов охлаждения в этих лопатках ротора, например, примесями в добавленной воде можно обнаружить посредством способа и устройства в самый ранний возможный момент времени.

Дальнейшая связанная задача настоящего изобретения заключается в создании способа для эффективной очистки в рабочем состоянии промышленной газовой турбины, в которой использован описанный здесь способ увеличения мощности, способа, соответствующим образом направленного на поглощение и сбор примесей, осажденных за пределами первых нескольких рядов лопаток компрессора из воды, добавленной посредством соответствующих устройства и способа.

В этом отношении в настоящее время компрессоры газовых турбин периодически очищают с целью удаления с внутренних деталей осажденных частиц. Некоторые виды этой очистки можно выполнять без полной остановки газовой турбины, а материалы, такие как воду, размолотую лузгу ореха-пекана, рис или химические чистящие смеси, можно распылять, вдувать или иным путем вводишь во впускное отверстие газовой турбины после того, как установлен режим работы, соответствующий такой очистке. По меньшей мере, одна такая химическая смесь раскрыта в патенте США N 4808235 А (Вудсон и другие) под названием "Очистка компрессоров газовых турбин", опубликованном 28 февраля 1989 г.

Другие системы для уменьшения осадков частиц на внутренних деталях газовых турбин направлены на очистку воздуха, входящего в газовую турбину, как, например, раскрытая в патенте США N 4926620 А (Донли) под названием "Очистка воздуха, входящего в газовую турбину", опубликованном 22 мая 1990 г.

Дальнейшая задача настоящего изобретения заключается в создании способа очистки газовой турбины в нерабочем состоянии, который особенно пригоден для применения в турбинах с использованием устройства и способа для увеличения мощности согласно изобретению.

Дальнейшая задача настоящего изобретения заключается в создании используемых при увеличении мощности посредством мокрого сжатия устройства и способа, широко применимых совместно с осевым компрессором, с ротационным объемным компрессором или с центробежным компрессором.

Дальнейшая задача настоящего изобретения заключается в создании используемых при увеличении мощности посредством мокрого сжатия устройства и способа, которые особенно применимы совместно с газотурбинной системой, включающей в себя газовую турбину, имеющую осевой компрессор и входной воздуховод, ось потока которого, по существу, совпадает с осью вращения ротора газовой турбины.

Дальнейшая задача настоящего изобретения заключается в создании используемых при увеличении мощности посредством мокрого сжатия устройства и способа, применимых совместно с газотурбинной системой, включающей в себя газовую турбину, имеющую осевой компрессор и входной воздуховод, ось которого, по существу, перпендикулярна оси вращения ротора газовой турбины.

Дальнейшая задача настоящего изобретения заключается в создании используемых при увеличении мощности посредством мокрого сжатия устройства и способа, которые предоставляют возможность предварительного фильтрования сжатого воздуха секции осевого компрессора до того, как он применяется для охлаждения лопаток ротора секции турбины, посредством чего связанное с примесями воды закупоривание каналов охлаждения в лопатках ротора секции турбины снижается или, по существу, не происходит.

Дальнейшая задача настоящего изобретения заключается в создании устройства и способа, без труда вводимых в действие на эксплуатируемых в настоящее время газотурбинных системах без необходимости проведения существенных ремонтных работ, модификации или "демонтажа" газотурбинного двигателя.

Еще одна дальнейшая задача настоящего изобретения заключается в создании устройства, которое пригодно для осуществления экономичного полностью испарительного охлаждения воздуха, входящего в компрессор, а также для увеличения мощности путем дополнительного добавления воды на газовых турбинах, не снабженных средством для испарительного охлаждения входящего воздуха.

В одном аспекте настоящее изобретение относится, в общем, к способу, предназначенному для использования в течение шести часов или более в пределах заданного двадцатичетырехчасового периода времени для увеличения полезной мощности промышленной газовой турбины, приводящей в движение генератор или компрессор, при этом газовая турбина включает в себя осевой многоступенчатый компрессор, имеющий впускное отверстие для получения рабочего тела, содержащего воздух, где способ содержит стадию подачи в достаточном количестве воды, содержащей капли жидкости, в рабочее тело, получаемое осевым компрессором, таким образом, чтобы рост температуры рабочего тела, вызванный сжатием, снижался, а полезная мощность газовой турбины, имеющаяся в распоряжении для приведения в движение генератора или компрессора, увеличивалась, при этом увеличение измеряется относительно полезной мощности газовой турбины, находящейся в сравнимых условиях, но без снабжения указанной водой.

В одном варианте осуществления, соответствующем этому первому аспекту изобретения, это увеличение достигается просто путем непрерывной подачи в течение продолжительного времени (т. е. за пределами того, которое требуется, если принимать во внимание промывку в рабочем состоянии), по меньшей мере, обычной дозы воды, необходимой для промывки водой компрессора, во впускное отверстие компрессора промышленной газовой турбины и, особенно, во впускное отверстие промышленной газовой турбины, включающей в себя обычное средство для испарительного охлаждения входящего воздуха, например холодильные аппараты для вымораживания или системы испарительного охлаждения промежуточного типа. Когда в настоящее время выполняют промывку компрессора с целью восстановления некоторых характеристик турбины (мощности), то потери, связанные с загрязнением из-за сжатия обычным образом увлажненного воздуха, обычно ограничены во времени длительностью от примерно тридцати до, возможно, примерно девяноста минут, что определяется на практике возможностью восстановления характеристик в нужных границах при непрерывной промывке в зависимости от затрат энергии на такую непрерывную промывку, степени эрозии лопаток, степени нарушения покрытия лопаток и т. д.

В соответствии с этим конкретным аспектом настоящего изобретения дозу воды для промывки компрессора водой непрерывно наращивают, например, посредством существующей системы промывки компрессора в рабочем состоянии или наращивание осуществляют вне зависимости от цикла промывки в рабочем состоянии, чтобы увеличить выработку энергии промышленной газовой турбиной, снабженной такой системой промывки компрессора в рабочем состоянии, в ответ на ожидаемое или самом деле требуемое увеличение мощности турбины или с целью поддержания необходимого уровня выработки энергии при изменении характеристик окружающего воздуха. Однако в противоположность распыленной воде с крупными каплями, образуемыми преимущественно используемыми системами для промывки компрессора в рабочем состоянии, в этой ситуации увеличения мощности воду предпочтительно подавать, преимущественно или полностью, в виде мелкого тумана с каплями, имеющими среднее значение диаметра предпочтительно 200 мкм или меньше.

В свете вышеописанного способа второй аспект изобретения относится к регулируемому увеличению или изменению количества воды, подаваемой во впускное отверстие осевого многоступенчатого компрессора, для достижения увеличения полезной мощности газовой турбины, измеренного относительно полезной мощности газовой турбины, находящейся в сравнимых условиях, но без снабжения водой.

В связанном контексте изобретение относится к способу увеличения полезной мощности газовой турбины, имеющей осевой многоступенчатый компрессор для получения и сжатия рабочего тела, содержащего воздух, включающему в себя добавление капель воды в рабочее тело, получаемое компрессором, при осуществлении которого массовый расход капель жидкости изменяют во времени с целью обеспечения умеренных тепловых напряжений внутри газовой турбины, связанных с подачей воды в рабочее тело, а затем подают капли воды в рабочее тело, получаемое компрессором, при по существу постоянном массовом расходе, чтобы увеличить полезную мощность газовой турбины посредством мокрого сжатия.

Другой аспект способа согласно изобретению относится к подаче теплоты и влаги в рабочее тело с целью обеспечения непрерывного увеличения мощности в течение периодов времени, когда температура рабочего тела в противном случае будет падать до уровня, при котором допускается вредное льдообразование, происходящее во впускном отверстии.

Еще один дополнительный аспект способа согласно изобретению относится к стадии обеспечения достаточно равномерного распределения воды в рабочем теле для ограничения угловой деформации корпуса в пределах, как правило, заданного приемлемого интервала значений, в котором предупреждается повреждение осевого многоступенчатого компрессора.

Еще один дополнительный аспект способа согласно изобретению относится к стадии контроля угловой деформации корпуса, которая вызывается подачей воды в рабочее тело.

В дополнение к этому в настоящем изобретении предусмотрены устройство и способ для контроля профиля температуры охлаждаемых текучей средой лопаток ротора в секции турбины, где сгорающий газ передает свою кинетическую энергию лопаткам ротора. Профиль температуры охлаждаемых текучей средой лопаток ротора является мерой, помогающей обнаружить закупорку, которая может возникнуть под действием минералов или других твердых осадков из воды, распыленной в поток воздуха компрессора, когда этот поток используется для охлаждения лопаток ротора секции турбины. Профиль температуры также полезен при распознавании дефектов, которые могут возникать на поверхности многослойной лопатки секции турбины вследствие вызывающего эрозию действия воды, переносимой через компрессор в секцию турбины, или из-за твердых осадков, имеющихся в воздушном потоке компрессора.

Дополнительно в настоящем изобретении предусмотрены устройство и способ для измерения температуры во впускном отверстии