ITMI932374A1 - Metodo ed apparecchio per aumentare la potenza prodotta da turbine a gas - Google Patents

Description

"METODO ED APPARECCHIO PER AUMENTARE LA POTENZA PRODOTTA DA TURBINE A GAS"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente Invenzione riguarda un metodo ed un apparecchio per aumentare la potenza prodotta da turbine a gas, e piu' in particolare, un metodo ed un apparecchio per aumentare la potenza prodotta da turbine a gas in un impianto generatore per uso a terra a ciclo combinato.

Un impianto generatore a ciclo combinato e? uno in cui i gas di scarico prodotti da una turbina a gas vengono utilizzati per azionare una caldaia a vapore che produce vapore alimentato ad una turbina a vapore. La potenza prodotta da un tale impianto generatore a ciclo combinato e' la somma delle uscite dei generatori guidati dalle rispettive turbine. E' convenzionale incrementare il lavoro prodotto della turbina a gas riducendo la temperatura di ingresso in turbina, ed incrementando la pressione di ingresso in turbina. Nel documento della American Society od Mechanical Engineers No. 65-GTP-8 (1965) di R.W. Foster-Pegg, l'autore descrive di supercaricare una turbina a gas (cio?', aumentare la pressione di ingresso) utilizzando una ventola a corrente d'aria forzata al fine di incrementare l?erogazione di potenza di turbina. L'effetto negativo su erogazione di potenza della turbina a gas dovuto all'aumento nella temperatura dell'aria di ingresso risultante dal funzionamento della ventola viene compensata spruzzando acqua nell 'aria che lascia la ventola e prima che 1'aria venga applicata alla turbina per effettuare il raffreddamento di quest'aria. La temperatura e l'umidita' dell'aria ambiente controllano l'effetto che questo espediente ha sull'aumento nell'erogazione di potenza della turbina. Sotto condizioni umide, calde, questa tecnica non ha dimostrato di essere efficace.

In aggiunta, le turbine a gas producono lavoro ridotto a temperature ambiente elevate a causa di una riduzione nel flusso della massa dell'aria attraverso il sistema. Tali temperature ambiente elevate, in un ciclo combinato che utilizza una turbina a vapore che funziona sul vapore generato dai gas di scarico della turbina, causano inoltre una riduzione del flusso della massa dei gas di scarico riducendo quindi il lavoro prodotto dalla turbina a gas. Anche cosi', l'effetto sul rendimento della turbina a vapore sara' parzialmente compensato, in condizioni di temperatura ambiente elevata, quando vengono utilizzati condensatori raffreddati dell?acqua, a causa della temperatura del gas di scarico aumentata. Tuttavia, quando vengono utilizzati condensatori raffreddati ad aria, le temperature ambiente elevate avranno un effetto negativo. In tal caso, il lavoro prodotto dalla turbina a vapore viene ridotto a causa del flusso di massa inferiore sui gas che escono dalla turbina, viene recuperato un poco a causa della temperatura piu' elevata dei gas, ma viene ulteriormente ridotto a causa della pressione di condensazione superiore che prevale nel condensatore raffreddato ad aria.

Il brevetto US-3.796.045 descrive un impianto generatore a turbina a gas in cui l'aria alimentata al compressore della turbina a gas viene prima fatta passare attraverso una ventola guidata da un motore che pressurizza l'aria alimentata, e quindi attraverso un refrigeratore profondo che pu?' essere un'unita' di refrigerazione del tipo a compressione convenzionale. La potenza netta sviluppata come risultato di questo approccio supera la potenza netta di un impianto generatore a turbina a gas senza precompressione e refrigerazione profonda. In un'altra forma di realizzazione mostrata nel brevetto US-3.796.045, viene previsto un convertitore di calore di scarico per utilizzare il calore nei gas di scarico della turbina a gas per guidare la ventola ed il refrigeratore profondo.

La domanda di brevetto in corso d'esame N. 07/818.123 depositata l'8 Gennaio 1992, descrive un refrigeratore migliorato per refrigerare in modo profondo l'aria da alimentare ad una turbina a gas. Il termine "refrigerazione profonda" viene utilizzato in questa descrizione per significare un refrigeramento dell'aria ambiente ad una temperatura significativamente al di sotto della temperatura dell'aria ambiente. Specificamente, la refrigerazione profonda si riferisce a refrigerare l'aria alla temperatura minima considerata opportuna per refrigerare 1'ingresso in una turbina a gas per uso a terra del tipo convenzionalmente usato dai servizi pubblici per alimentare potenza ad una rete di distribuzione dell' energie elettrica. Una tale temperatura e' di solito circa 10 C per evitare la formazione di ghiaccio nelle pale del compressore principale guidato dalla turbina a gas che tiene conto di una caduta di circa 5* C nella temperatura dell'aria statica nell'ingresso del compressore, ed un margine di sicurezza di 2 o C.

Il refrigeramento profondo alle installazioni dove l'umidita' relativa e' elevata non e' efficace da un punto di vista dei costi. Per esempio, i refrigeratori profondi, e i refrigeratori evaporativi, non sono utilizzati in Florida, o in altre localit?' umide sulla costa orientale li Stati Uniti, ma sono molto comuni in aree secche della California.

E' quindi uno scopo della presente invenzione quelli di fornire un metodo ed un apparecchio originali e perfezionati per aumentare la potenza prodotta da turbine a gas fornendo una tecnica originale e migliorata per precomprimere e raffreddare l?aria ambiente precompressa calda

L?invenzione prevede di aumentare la potenza prodotta da un sistema di turbina a gas del tipo avente un compressore principale per comprimere l'aria ambiente alimentata al compressore per produrre aria compressa, un combustore per riscaldare 1?aria compressa e produrre gas caldi, e una turbina a gas rispondente ai gas caldi per guidare il compressore principale ed alimentare un carico e per produrre gas di scarico caldi. In accordo con la presente invenzione, l'aumento di potenza viene ottenuto dall 'utilizzo di un dispositivo precompressore per comprimere l?aria ambiente, un raffreddatore per raffreddare indirettamente 1'aria compressa e produrre aria compressa raffreddata che viene alimentata al compressore principale, preferibilmente una caldaia rispondente ai gas caldi prodotti da detta turbina a gas per produrre vapore, e preferibilmente una turbina a vapore rispondente al vapore prodotto da detta caldaida per alimentare un carico. L?uso di un raffreddatore, di solito avente un ciclo refrigerante, invece del raffreddamento evaporativo dell'aria compressa, in unione con la precompressione, e' vantaggioso poich?* rende l'apparecchio insensibile alle condizioni di umidita' dell'aria ambiente. Preferibilmente, il fluido di lavoro del raffreddatore e' ambientalmente sicuro, per esempio, butano.

Il refrigeramento, il refrigeramento profondo od il raffreddamento utilizzando un raffreddamento evaporativo, non e' efficace dal punto di vista dei costi nelle localit?? dove l'umidita* e' relativamente alta a causa del suo carico di latente elevato imposto sul sistema. Un sistema che utilizza un precompressore ed un raffreddatore in accordo con la presente invenzione e' quasi la soluzione migliore incondizioni di umidita' elevate. In accordo con la presente invenzione, viene utilizzata una precompressione che produce un rapporto di pressione di circa 1,15.

Il raffreddamento nella presente invenzione viene utilizzato nelle gamme di temperatura differenti da quelle utilizzate nei raffreddatori evaporativi e nei refrigeratori profondi. In accordo con la presente invenzione, il raffreddamento provoca una riduzione nella temperatura dell'aria precompressa a circa quella dell'aria ambiente, mentre nel raffreddamento evaporativo e/o nel refrigeramento profondo, la temperatura dell'aria viene ridotta ben al di sotto di quella dell'aria ambiente. Di conseguenza, in accordo con 1'invenzione, 1'essiccamento dell'aria umida non viene richiesto diversamente dai metodi utilizzati con raffreddatori evaporativi e refrigeratori profondi dove il carico di raffreddamento incrementer?? per un fattore di 3 sotto condizioni di umidita'. La presente invenzione non solo migliora il coefficiente di rendimento, ma fa questo senza l'inconveniente del carico incrementato in condizioni di umidita'

Quando l ' umidita ' relativa e ' elevata, il raffreddamento nella presente invenzione ridurr?' la temperatura dell ?aria ad un livello leggermente al di sopra della temperatura dell?aria ambiente. Altrimenti, il raffreddamento ridurr?' la temperatura dell'aria ad un livello leggermente al di sotto della temperatura ambiente se questo e' efficace dal punto di vista dei costi. In un impianto generatore a ciclo combinato, in accordo con la presente invenzione, comunque, le conseguenze di ridurre la temperatura dell'aria leggermente al di sotto della temperatura ambiente devono essere tenute in considerazione. Preferibilmente, nelle localit?' dove l'umidita' relativa e' circa 80% o piu', e anche vicino al 100%, l'aria precompressa pu?' essere raffreddata a circa 5 ?C al di sopra della temperatura ambiente, e in nlle localit?? dove l'umidita' relativa e' tra 50% e 80%, l'aria precompressa pu?? essere raffreddata a circa 10 C al di sotto della temperatura ambiente, dipendendo dalla efficacia del costi del sistema.

La presente invenzione e' anche efficace nelle zone secche dove l'uso di refrigeratori profondi e raffreddatori evaporativi non e' economicamente attuabile (per esempio, nelle localit?' dove le risorse d'acqua sono limitate, o sono inquinate). Inoltre, in accordo con la presente invenzione, il funzionamento alle temperature al di sopra della temperatura ambiente permette 1'uso di scambiatori di calore meno costosi che funzionano usando l'aria ambiente come mezzo di raffreddamento, piuttosto che il refrigerante.

In aggiunta, raffreddando alle temperature in accordo con la presente Invenzione, il lavoro prodotto dalla turbina a gas, cosi' come da una turbina a vapore in un ciclo combinato, saranno aumentati. Per quanto riguarda la turbina a vapore, il lavoro prodotto sara' maggiore di quello che sarebbe il caso se fosse utilizzato un refrigeramento profondo e/o un raffreddamento evaporativo poich?' sara' disponibile piu ' calore dal momento che la temperatura dei gas di scarico che escono dalla turbina a gas sara' maggiore di quella che ci sarebbe se fosse utilizzato un refrigeramento profondo e/o un raffreddamento evaporativo. Questo e' particolarmente vero in condizioni di temperatura ambiente elevata poich?' la gamma di temperatura del raffreddamento in accordo con la presente invenzione reselizzera' un incremento nella temperatura dei gas di scarico che escono dalla turbina a gas, ad un livello sostanzialmente uguale come se non fosse usato il raffreddamento .

Inoltre, un impianto generatore a ciclo combinato in accordo con la presente invenzione deve essere azionato cosi ' che la generazione di vapore di recupero del calore (HRSC) dell'Impianto ha luogo In condizioni sostanzialmente costanti (in particolare il regime flusso di volume) di fronte ad un cambiamento nelle condizioni ambiente. Questo pu?' essere ottenuto completamente controllando il livello di raffreddamento effettuato dal raffreddatore cosicch?' la temperatura dell'aria precompressa all'uscita del raffreddatore viene mantenuta sostanzialmente costante senza riguardo alle condizioni ambiente. Un tale funzionamento consente che il progetto della HRSC di un impianto generatore a ciclo combinato sia ottimizzato essenzialmente per un punto singolo cosicch?' il funzionamento dell'impianto generatore sara ' vicino al suo livello di progetto in tutte le condizioni ambientali.

Per confronto, un impianto generatore a ciclo combinato di tipo convenzionale viene progettato per funzionare su una gamma di condizioni (che include, per esempio, fluttuazioni del 30% nel flusso della massa dell'aria). Di conseguenza, L'HRSC negli impianti generatori a ciclo combinato di tipo convenzionale e' tale che vengono tenute in considerazione ugualmente tutte le condizioni che probabilmente si incontrerammo nel corso del funzionamento con il risultato che il dimensionamento e l?ottimizzazione vengono influenzati negativo. Quindi, gli impianti generatori a ciclo combinato di tipo convenzionale di solito funzioneranno in condizioni di fuori progetto nella maggior parte dell'anno. Costruendo un Impianto generatore a ciclo combinato in accordo con la presente Invenzione, il funzionamento sara ' sostanzialmente al punto ottimale tutto 1 'anno ottenendo un risparmio pari fino al 10% dei costi di capitale di progetto e di costruzione come risultato di una dimensione ridotta del HRSC e risparmi aggiuntivi di esercizio ugualmente dovuti al miglioramento nell 'efficienza.

Addizionalmente, un sistema di turbina a gas in accordo con la presente invenzione deve essere azionato in condizioni sostanzialmente costanti (in particolare flusso della massa di volume) di fronte ad un cambiamento delle condizioni ambientali. Questo pu?* essere ottenuto completamente controllando il livello di raffreddamento effettuato dal raffreddatore cosicch?' la temperatura dell'aria precompressa dall'uscita del raffreddatore viene mantenuta sostanzialmente costante senza riguardo alle condizioni ambientali. Tale funzionamento permette al sistema di turbina a gas di funzionare ad un punto sostanzialmente vicino alle condizioni di progetto cosicch?' il funzionamento dell 'impianto generatore sara' vicino al suo livello di progetto in tutte le condizioni ambientali.

In un ulteriore aspetto della presente invenzione, i gas di uscita del sistema di turbina a gas di un impianto generatore avente un dispositivo di precompressore ed un raffreddatore, possono essere usati per cogenerazione (cio? , per produrre vapore per l?uso come calore di processo). In tal caso, In accordo con la presente Invenzione, ? vantaggioso far funzionare 11 sistema sostanzialmente alle condizioni costanti (In particolare la sua portata in peso di volume) nella faccia di condizioni ambienti variabili. Questo pu?* essere ottenuto completamente controllando il livello di raffreddamento effettuato dal raffreddatore cosicch?? la temperatura dell'aria precompressa all?uscita del raffreddatore viene mantenuta sostanzialmente costante senza riguardo alle condizioni ambiente. Un tale funzionamento e* particolarmente vantaggioso nei sistemi di cogenerazione poich? ? il calore e? parte di un processo industriale che richiede un funzionamento continuo sotto condizioni costanti .

L'uso di un raffreddamento dopo la precompressione in accordo con la presente invenzione e' molto piu' efficace nei costi del refrigeramento, del refrigeramento profondo, o del raffreddamento evaporativo. Un confronto del raffreddamento dopo la precompressione con un refrigeramento profondo (con o senza raffreddamento evaporativo) quando la temperatura ambiente e' di circa 35 C, illustra questo punto

Mediante ?1 raffreddamento dopo la precompressione, la temperatura dell ' aria all ? ingresso del compressore principale scender?' dalla gamma di circa 50-60 C alla gamma di circa 25-35 C. Con un refrigeramento profondo (con o senza raffreddamento evaporativo ), la temperatura dell?aria scende da circa 35 ? C alla gamma di circa 5-10 C. Un sistema che utilizza la precompressione sara' sia piu' efficiente che meno costoso.

La precompressione ed il raffreddamento in accordo con la presente invenzione aumenta la capacita' di un sistema fino al 20-30%. Inoltre, l?erogazione di potenza resa insensibile alle condizioni atmosferica locali.

In un aspetto aggiuntivo della presente Invenzione, la precompressione pu? ' essere utilizzata come sostituto per un riscaldatore il quale e' normalmente necessario durante periodi di tempo freddo. In tal caso, il precompressore aumenter?? la temperatura dell?aria alla sommit?? di entrata del compressore principale impedendo quindi la formazione di ghiaccio in esso. Il congelamento nel precompressore pu?' essere evitato, in accordo con la presente invenzione, includendo un dispositivo centrifugo di rimozione delle gocce all ' ingresso del precompressore . In alternativa, l ' entrata al precompressore pu? ' essere progettata per assicurare che le gocce d ' acqua non influenzino in modo significativo il rendimento del precompressore . In alternativa, o in aggiunta, parte dell?aria precompressa calda pu?? essere fatta ricircolare per riscaldare l'aria che entra nel precompressore. Un tale dispositivo e' molto piu' semplice rispetto a far ricircolare l'aria estratta da uno stadio del compressore principale per preriscaldare 1 'aria che entra nel compressore principale.

In un altro aspetto dell'invenzione, un dispositivo di filtro viene interposto tra il dispositivo precompressore e il compressore principale per filtrare l'aria dal dispositivo precompressore ed introdurre una caduta di pressione nell'aria alimentata. Il dispositivo precompressore e' costruito e disposto in modo tale che l'aumento di pressione introdotto con ci?' e' almeno piu' grande in dimensione della caduta di pressione introdotta dal dispositivo di filtro. Inoltre, il raffreddatore previsto per raffreddare l'aria alimentata introducendo una caduta di temperatura in esso preferibilmente pu?' essere posizionato a monte o a valle del dispositivo di filtro.

I filtri usati nella presente invenzione saranno piu' efficienti, ed avranno vita piu' lunga poich?' essi funzionano piu' vicini al regime flusso di massaiprogetto, e ad altre condizioni di progetto per periodi di tempo piu' lunghi .

La caduta di pressione relativamente modesta che avviene in ragione del filtro davanti al compressore principale della turbina a gas, un componente che e' assolutamente necessario in una installazione per uso a terra per i servizi pubblici che forniscono energia elettrica ad una e' facilmente compensata da un compressore del tipo a ventola che e' semplice da azionare e mantenere e richiede solo una piccola quantit?' di energia per funzionare. Inoltre, la caduta di temperatura relativamente modesta che viene ottenuta dalla bassa capacita' di raffreddamento dell'aria pu?* essere ottenuta senza una spesa significativa di energia.

L'aria che esce dallo stadio di precompressione e dal raffreddatore in un tale dispositivo, sara' sostanzialmente alla temperatura dell'aria ambiente ma aduna pressione almeno alta a suffici?nza per compensare la caduta di pressione nel filtro associato col compressore principale della turbina a gas. L'energia totale richiesta per il funzionamento pu?? essere ottenuta facilmente da una parte dell 'uscita della turbina a vapore di un impianto generatore a ciclo combinato, per esempio, rispondente scarico della turbina a gas. Come risultato, pu?' essere ottenuto un sistema complessivo che e? piu' efficiente dell'impianto generatore a turbina a gas originale, senza aumentare in modo significativo il costo e la complessit?' dell'impianto generatore, cosi' come la sua manutenzione.

Forme di realizzazione della presente invenzione vengono descritte a titolo di esempio e con riferimento ai disegni allegati in cui:

la Figura 1 e' un diagramma a blocchi, in forma schematica, di una forma di realizzazione della presente invenzione che mostra un ciclo combinato che utilizza la precompressione ed il raffreddamento;

la Figura 2 e? un diagramma a blocchi, in forma schematica, di un'altra forma di realizzazione della presente invenzione che mostra la precompressione ed il raffreddamento a bassa capacita' che utilizza una sorgente di potenza guidata esternamente;

la Figura 3 e' un diagramma a blocchi schematico simile alla Figura 1 ma che mostra il precompressore ed il raffreddatore a bassa capacita azionati da una unita' di turbina a vapore in risposta ai gas di scarico dalla turbina a gas;

la Figura 4 e' una modifica dell'invenzione che mostra la precompressione e il refrigeramento che avvengono in stadi paralleli; e

la Figura 5 mostra una forma di realizzazione di un raffreddatore usato nella presente invenzione che include una forma di realizzazione di un controllore per controllare il livello di raffreddamento ottenuto dal raffreddatore.

Riferendosi ora ai disegni, il numero di riferimento 100 indica la prima forma di realizzazione della presente invenzione, comprendente un impianto generatore a ciclo combinato, per uso a terra avente un compressore principale 130 per comprimere l'aria ambiente alimentata al compressore per produrre aria compressa, un combustore 140 per riscaldare l'aria compressa e produrre gas caldi, e una turbina 150 a gas rispondente ai gas caldi per guidare il compressore principale attraverso l'albero 160 di interconnessione, e per alimentare il carico 170 che, tipicamente, e? nella forma di un generatore elettrico. La turbina 150 produce gas di scarico caldi che sono diretti alla caldaia 180 che contiene acqua che viene evaporata in vapore dai gas di scarico che sono scaricati quindi alla atmosfera ambiente, di solito attraverso un silenziatore (non mostrato). Il vapore viene applicato alla turbina 181 a vapore dove ha luogo l'espansione che produce lavoro che viene alimentato al carico 182. Il vapore scaricato dalla turbina dopo che e' stato prodotto del lavoro, viene condensato nel condensatore 183 che produce condensa che viene riportata al la caldaia mediante una pompa 184 per ripetere il ciclo.

L'aria compressa per il compressore principale 130 viene alimentata dal precompressore 110 guidato dal motore 111. L'aria compressa, essendo stata riscaldata dal processo di compressione, viene applicata al raffreddatore 112 che raffredda l'aria riducendo la sua temperatura circa alla temperatura ambiente. Il raffreddatore pu?' essere parte di un sistema di refrigerazione meccanico (non mostrato) e fornisce refrigerante al raffreddatore. Preferibilmente, l'aria compressa raffreddata viene fatta passare attraverso il filtro 113 prima di essere alimentata al compressore principale 130. Un filtro centrifugo viene preferito.

La Figura 2 mostra una seconda forma di realizzazione della presente invenzione in cui il numero di riferimento 10 indica un impianto generatore comprendente un impianto generatore 11 convenzionale al quale viene applicata una precompressione ed un raffreddamento a bassa capacita? ed mediante l?apparecchio 12. L'impianto generatore 11 rappresenta un impianto generatore, su larga scala, per uso a terra, usato convenzionalmente per fornire elettrica ad una rete di distribuzione di energia elettrica. L'impianto 11 comprende un compressore principale 13 per comprimere 1'aria ambiente alimentata al compressore per produrre aria compressa, il combustore 14 per riscaldare l'aria compressa per produrre gas caldi, e una turbina a gas 15 rispondente ai gas caldi per. guidare il compressore principale attraverso l'albero 16 di interconnessione, e per guidare il carico 17, tipicamente, e' nella forma di un generatore elettrico. La turbina 15 produce gas di scarico caldi che di solito sono espulsi nell'aria ambiente attraverso un sistema silenziatore (non mostrato).

Nelle grandi installazioni per uso a terra usate dai servizi pubblici per generare potenza che viene fornita ad una rete di distribuzione dell'energia elettrica il dispositivo 18 di filtro e' una parte integrale del sistema di alimentazione dell'aria per mantenere il compressore 13, ed e? necessario al fine di proteggere il precompressore da particelle trascinate che potrebbero danneggiare la palettatura del compressore. Il dispositivo 18 di filtro introduce una caduta di pressione nell'aria alimentata al compressore principale. Come conseguenza, la pressione dell'aria all?ingresso del compressore 13 sara' al di sotto della pressione dell'aria all'ingresso del dispositivo 18 di filtro.

La pressione sviluppata dal dispositivo 20 precompressore pu?' essere utilizzata almeno per compensare la caduta di pressione attraverso il filtro. Il dispositivo 20 comprime l'aria ambiente applicata al compressore principale introducendo cosi' sia un aumento di temperatura che un aumento di pressione nell'aria alimentata. Il termine "aria alimentata", come usata in questa descrizione, si riferisce all'aria alimentata attraverso il compressore principale.

Come mostrato in Figura 2, 1'aumento di temperatura e di pressione del dispositivo precompressore e ' indicato da del T e del P II dispositivo 20 precompressore viene costruito e disposto in modo tale che 1?aumento di pressione introdotta dal dispositivo e' almeno maggiore in dimensione della caduta di pressione introdotta dal dispositivo 18 di filtro. Comunque, in accordo con la presente invenzione, la pressione dell'aria alimentata al compressore 13 principale sara ' maggiore della pressione dell?aria ambiente. Interposto tra il dispositivo 20 precompressore e il filtro 18 di ingresso dell'aria vi e' un raffreddatore 21 a bassa capacita ' che introduce una caduta della tempratura di circa -del T nell'aria alimentata al compressore. Il progetto del raffreddatore 21 e? tale che la temperatura introdotta dal raffreddatore e' sostanzialmente paragonabile in dimensione all 'aumento di temperatura introdotto dal dispositivo 20 precompressore. Come conseguenza del' raffreddatore 21, la temperatura dell ?aria che entra nel compressore principale 13 di solito e' sostanzialmente vicina alla temperatura ambiente .

Invece di un motore esterno guidato elettricamente esterno per guidare il precompressore, quest'ultimo pu?' essere guidato direttamente da una unita' di turbina a, vapore azionata dai gas di scarico provenienti dalla turbina a gas, per esempio, quando viene utilizzato un ciclo combinato in cui il prodotto principale prodotto dalla turbina a vapore e' l'energia elettrica. Riferendosi ora alla Figura 3, l'impianto generatore 30 comprende un dispositivo 20A di precompressore ed un raffreddatore 21A a bassa capacita? simile ai componenti corrispondenti mostrati in Figura 1. Tuttavia 1?impianto generatore 30 include una unita' 31 di turbina a vapore che include il vaporizzatore 32 che contiene acqua come fluido di lavoro, e rispondente di scarico prodotti dalla turbina a gas 15 per produrre vapore. Il vapore viene applicato alla turbina 33 attraverso il condotto 34, la turbina essendo rispondente al vapore per produrre potenza e anche per guidare direttamente il dispositivo 20A precompressore per mezzo dell'albero 35 che accoppia direttamente la turbina al dispositivo precompressore. L'espansione del vapore nella turbina 33 produce lavoro che motorizza anche il dispositivo 20A precompressore con il vapore che esce dalla turbina allo scarico 36 dopo che e' stato prodotto del lavoro. In aggiunta, come mostrato, il raffreddatore 21A pu?' essere motorizzato dalla turbina 33.

Il vapore che esce dalla turbina allo scarico 36 viene condensato nel condensatore 37 producendo condensa che viene diretta attraverso il condotto 38 alla pompa 39 che riporta la condensa al vaporizzatore completando quindi il ciclo del fluido di lavoro. Il condensatore 37 e' preferibilmente raffreddato ad aria, qualsiasi mezzo di ventola necessario (non mostrato) essendo azionato di solito da motori esterni. Il comando diretto del dispositivo 20A precompressore cosi' come del raffreddatore 21A, con la turbina 33 che usa l'albero 35, porta ad una riduzione sia nella dimensione di un generatore (indicato in Figura 3 dal carico 22) associato con la turbina, che nelle sue perdite In funzionamento, l?aria ambiente viene condotta nel dispositivo 20A precompressore, che introduce un alimento di temperatura e di pressione. L'aria che lascia il dispositivo 20A precompressore passa al raffreddatore 21A a bassa capacita? che introduce una caduta di temperatura di solito sostanzialmente vicina all 'aumento di temperatura introdotto dal dispositivo 20A precompressore. L'aria quindi passa al dispositivo 18 di filtro che introduce una caduta di pressione. Come risultato, la temperatura dell'aria alimentata al compressore 13 principale di solito sar?' sostanzialmente vicina alla temperatura ambiente, e la pressione sara' leggermente al di sopra della pressione atmosferica. Il compressore principale comprime quest'aria, la alimenta al combustore 14 dove l'aria viene riscaldata dalla combustione di carburante e alimentata alla turbina 15 che guida il carico 17. I gas di scarico dalla turbina vengono di solito presentati all'unita? 31 di turbina a vapore cosicch?' la turbina 33 produce energia ed anche guida il dispositivo 20A compressore e il raffreddatore 21A. In alternativa, una parte dell'energia elettrica prodotta dalla turbina 33 pu?? essere resa disponibile ad un sistema di refrigerazione convenzionale che alimenta fluido raffreddante al raffreddatore 21A.

La forma di realizzazione 40 della presente invenzione mostrata in Figura 4 e' simile a quella mostrata in Figura 2 ad eccezione che la precompressione, e il raffreddamento a bassa capacita' sono eseguiti in parallelo in unita' separate in parallelo. A questo fine, il dispositivo di precompressore e' nella forma di precompressore individuali 41, 42, 43 che alimentano aria ambiente in parallelo al dispositivo 18A di filtro che comprende anche una pluralit?' di filtri individuali 45, 46, 47 che sono rispettivamente associati con i compressori individuali. In questa forma di realizzazione, il raffreddatore 21A a bassa capacita' comprende raffreddatori individuali 48, 49, 50 che sono rispettivamente associati con i compressori individuali. Un vantaggio di questo dispositivo mostrato in Figura 4 e? che i vari filtri dell'aria e i vari precompressori cosi' come i raffreddatori a bassa capacita? possono essere inseriti e distaccati dalla linea individualmente senza influenzare il funzionamento dell'impianto generatore HA. Un ulteriore vantaggio di un tale dispositivo e' che facilita la costruzione per il fatto che un filtro per un impianto generatore completo e' un pezzo grande e costoso dell 'equipaggiamento.

In aggiunta, in accordo con la presente invenzione, la forma di realizzazione mostrata in Figura 4 pu? ' essere realizzata in modo che un impianto generatore a ciclo combinato che utilizza la forma di realizzazione di Figura 4 pu? ' essere incluso in un modo simile a quello mostrato e descritto con riferimento alle Figure 1 e 3

In accordo con la presente invenzione la precompressione utilizzata produce un rapporto di pressione di circa 1, 15, e il raffreddamento viene eseguito per ridurre la temperatura dell ' aria precompressa ad una temperatura circa uguale a quella dell ' aria ambiente . In contrasto, nel raffreddamento evaporativo, e/o nel refrigeramento profondo, la temperatura dell ' aria viene ridotta ad un livello notevolmente al di sotto della temperatura ambiente. .

In condizioni di umidita ' relativamente elevata, sistema che utilizza un precompressore ed un raffreddatore in accordo con le forme di realizzazione sopra descritte della presente invenzione e' particolarmente vantaggioso. In accordo con la presente invenzione, la deumidificazione di aria molto umida non e? necessaria; infatti, il coefficiente di rendimento e' migliorato in condizioni di umidita' . In contrasto, nei sistemi convenzionali che utilizzano raffreddatori vaporativi e refrigeratori profondi, il carico di raffreddamento pu? ' triplicare sotto condizioni di umidita ? a meno che non venga prima eseguita la deumidificazione

In condizioni di umidita', cio?', quando l'umidita' relativa e' relativamente alta, il raffreddamento in accordo con la presente invenzione ridurr?' la temperatura dell'aria precompressa ad un livello leggermente sopra la temperatura dell'aria ambiente. Se e' efficiente da un punto di vista del costo, comunque, l'aria sara 1 raffreddata ad una temperatura leggermente al di sotto di quella ambiente. Comunque, quando viene utilizzato un impianto generatore di ciclo combinato avente una turbina a vapore, l?effetto della temperatura ridotta dei gas di scarico prodotti dalla turbina a gas sulla potenza prodotta dalla turbina a vapore deve essere tenuto in considerazione. Preferibilmente, nelle localit?' dove l'umidita' relativa e' circa l'80% o maggiore, ed anche vicino al 100%, l'aria precompressa pu?' essere raffreddata a circa 5 C al di sopra della temperatura ambiente, e nelle localit? ' dove l ' umidita ? relativa e ' tra il 50 e l ' 80%, l ' aria precompressa pu? ' essere raffreddata a circa 10 0 C al di sotto della temperatura ambiente, dipendendo dall 'efficienza dei costi dei sistemi.

Inoltre, un impianto generatore a ciclo combinato in accordo con la presente invenzione, per esemplo, come mostrato e descritto in riferimento alle Figure 1 e 3, deve essere azionato in modo tale che la generazione di vapore di recupero del calore (HRSC) dell'Impianto ha luogo in condizioni sostanzialmente costanti (in particolare regime di flusso in volume) di fronte a condizioni ambientali variabili. Questo pu?' essere ottenuto completamente controllando il livello di raffreddamento effettuato dal raffreddatore (un esempio di mezzo per tale controllo viene mostrato in Figura 5) cosicch?? la temperatura dell'aria precompressa all'uscita del raffreddatore viene mantenuta sostanzialmente costante senza riguardo alle condizioni ambientali . Tale funzionamento permette al progetto del HRSC di un impianto generatore a ciclo combinato di essere ottimizzato essenzialmente ad un punto singolo tale che il funzionamento dell 'impianto generatore sara' vicino al suo livello di progetto in tutte le condizioni ambiente.

Per confronto, un impianto generatore a ciclo combinato di tipo convenzionale e' progettato per funzionare su una gamma di condizioni (che include, per esempio, fluttuazioni del 30% nel flusso dell'aria). Di conseguenza, l'HRSC negli impianti generatori a ciclo combinato di tipo convenzionale e' tale che si tengono in considerazione tutte le condizioni che e' probabile si incontrino ugualmente nel corso del funzionamento con il risultato che il dimensionamento e l'ottimizzazione vengono influenzati in modo negativo. Quindi, gli impianti generatori a ciclo combinato di tipo convenzionale di solito funzionano in condizioni di fuoriprogetto per la maggior parte dell'anno. Costruendo un Impianto generatore a ciclo combinato In accordo con la presente Invenzione, 11 funzionamento sar? sostanzialmente al punto di ottimo per tutto 1'anno con 11 risultato di un risparmio fino al 10% nel costi di capitale di progetto e costruzione come risultato della dimensione ridotta del HRSC, ed anche risparmi aggiuntivi sul funzionamento dovuti al miglioramento della efficienza.

In aggiunta, un sistema di turbina a gas in accordo con la presente invenzione deve essere azionato in condizioni sostanzialmente costanti (in particolare il flussi della massa in volume) di fronte a condizioni ambientali variabili. Questo pu?' essere ottenuto completamente controllando il livello di raffreddamento effettuato dal raffreddatore (un esempio di mezzo per tale controllo viene mostrato in Figura 5) cosicch?' la temperatura dell'aria precompressa all'uscita del raffreddatore viene' mantenuta sostanzialmente costante senza riguardo alle condizioni ambiente. Tale funzionamento permette al sistema di turbina a gas di funzionare ad un punto sostanzialmente vicino alle condizioni di progetto cosicch?- il funzionamento dell'impianto generatore sara' vicino al suo livello di progetto in tutte le condizioni ambientali.

In un ulteriore aspetto della presente Invenzione, come descritto in relazione alle Figure 1 e 3, i gas di uscita del sistema di turbina a gas di un impianto generatore avente un dispositivo precompressore ed un raffreddatore, possono .essere utilizzati per cogenerazione (cio?' per produrre vapore per 1'uso come calore di processo). In tal caso, in accordo con la presente Invenzione, e* vantaggioso far funzionare il sistema sostanzialmente alle condizioni costanti (in particolare il suo regime di flusso in volume) di fronte a condizioni ambientali variabili. Questo pu?' essere ottenuto completamente controllando il livello di raffreddamento effettuato dal raffreddatore cosicch?' la temperatura dell'aria precompressa all?uscita del raffreddatore viene mantenuta sostanzialmente costante senza riguardo alle condizioni ambiente. Tale funzionamento e' particolarmente vantaggioso in sistemi di cogenerazione poich?' il calore e? parte di un processo industriale che richiede un funzionamento continuo sotto condizioni costanti .

Quando le turbine a gas o gli impianti generatori costruiti in accordo con la presente invenzione vengono costruiti vicino a risorse naturali di acqua, come un mare, un fiume, o un lago, eccetera, o vicino ad una torre di raffreddamento comporta la riduzione della di acqua di raffreddamento, l'acqua da tale sorgente pu?' essere utilizzata come mezzo di raffreddamento nel raffreddatore indiretto della turbina a gas per raffreddare i gas precompressi. In tal caso, in particolare dove il raffreddamento coinvolge per ridurre la temperatura dei gas precompressi ad una temperatura vicina alla temperatura ambiente, sara' sufficiente uno scambiatore di calore acquaaria indiretto, semplice, con un raffreddatore meccanico poich?' la temperatura della sorgente di acqua sara' al di sotto della temperatura dell'aria ambiente.

In ancora un ulteriore aspetto dell'invenzione, quando una turbina a gas o un impianto generatore a ciclo combinato viene azionato in accordo con la presente invenzione in una localit?' umida nella condizione che i gas precompressi vengono raffreddati ad una temperatura leggermente al di sotto della temperatura ambiente, l'acqua prodotta dalla condensazione del vapor d'acqua nell'aria quando l'aria precompressa viene raffreddata pu?? essere usata per controllare gli ossidi di azoto nei gas di scarico aggiungendo quest'acqua al processo di combustione che ha luogo nel combustore della turbina a gas. Questo e' reso possibile poich?' l'acqua prodotta ha un livello relativamente alto di purezza.

Le forme di realizzazione della presente invenzione sono anche efficaci nelle aree secche dove le limitazioni particolari portano al desiderio di evitare l?uso di refrigeratori profondi o raffreddatori evaporativi, per esempio, un luogo dove la disponibilit?' di risorse di acqua e ' limitata rendendo costoso l'uso di raffreddatori evaporativi, dove le risorse d?acqua sono inquinate, eccetera. Inoltre, in accordo con la presente Invenzione, dal momento che spesso il raffreddamento.e ' alle temperature al di sopra delle temperature ambiente, i raffreddatori ad aria, cio?' scambiatori di calore che non utilizzano un ciclo di refrigerazione ma che utilizzano invece aria ambiente come mezzo di raffreddamento, possono essere utilizzati come raffreddatori nelle forme di realizzazione sopra descritte.

Inoltre, in un aspetto aggiuntivo della presente invenzione, la precompressione prodotta dai precompressori nelle forme di realizzazione sopra descritte, pu?' essere anche utilizzate invece di un riscaldatore necessario per l'uso con tempo freddo. Di conseguenza, il precompressore aumenta la temperatura dell?aria alla sua uscita cosi' da minimizzare la possibilit?' di formazione di ghiaccio nel compressore principale. Il verificarsi di congelamento nel precompressore viene sostanzialmente evitato in accordo con la presente invenzione includendo un dispositivo di rimozione di gocce meccanico centrifugo. In alternativa, l'entrata del precompressore viene progettata per assicurare che le gocce d'acqua non influenzino in modo significativo il rendimento del.precompressore. Inoltre, o in unione con ambedue queste alternative, parte dell'aria precompressa calda pu?' essere fatta ricircolare al fine di riscaldare l?aria che entra nel precompressore. Una tale disposizione e ' molto piu' semplice che far ricircolare 1'aria estratta da uno stadio nel compressore principale per riscaldare 1 'aria entra nel compressore principale.

La precompressione di un rapporto di pressione di 1,15 ed il raffreddamento in combinazione in accordo con le forme di realizzazione sopra descritte della presente invenzione fornisce una capacita' aumentata fino al 20% a 35 C di temperatura ambiente. Inoltre, la capacita? alimentata e' quasi totalmente indipendente dalle condizioni atmosferiche con il risultato che un impianto generatore basato sulla presente invenzione e' efficace nei costi nella maggior parte delle nazioni industrializzate dove le condizioni di estate umida, calda sono la norma.

I vantaggi ed i risultati migliorati forniti dal metodo e dall'apparecchio della presente Invenzione sono chiari dalla descrizione precedente della forma di realizzazione preferita dell'invenzione. Vari cambiamenti e modifiche possono essere apportate senza uscire dallo spirito e dallo ambito dell'invenzione come descritto nelle rivendicazioni allegate.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchio per aumentare la potenza prodotta da un sistema di turbina a gas del tipo avente un compressore principale per comprimere 1'aria ambiente alimentata a detto compressore per produrre aria compressa, un combustore per riscaldare l?aria compressa e produrre gas caldi, e una turbina a gas rispondente a detti gas caldi per guidare detto compressore principale e un carico per produrre gas di scarico caratterizzato da: (a) un precompressore per comprimere 1'aria ambiente introducendo cosi? aumenti di temperatura e di pressione nell'aria alimentata al compressore principale; e (b) un raffreddatore per raffreddare indirettamente l'aria compressa introducendo una caduta di temperatura in essa.
2. 2. Apparecchio secondo con la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la caduta di temperatura introdotta da detto raffreddatore e' sostanzialmente paragonabile in dimensione all'aumento di temperatura introdotto da detto dispositivo precompressore.
3. 3. Apparecchio in secondo con la rivendicazione 1, caratterizzato dalla previsione di un dispositivo di filtro interposto tra detto dispositivo precompressore e detto compressore principale per filtrare aria proveniente da detto dispositivo precompressore ed introdurre una caduta di pressione nell'aria alimentata.
4. 4. Apparecchio secondo con la rivendicazi?ne 3, caratterizzato dal fatto che detto raffreddatore e' interposto tra detto dispositivo precompressore e detto dispositivo di filtro.
5. 5. Apparecchio secondo con la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il raffreddatore e* un raffreddatore a ciclo di refrigerazione.
6. 6. Apparecchio secondo con la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il raffreddatore e' uno scambiatore di calore di raffreddatore ad aria indiretto che utilizza l'aria ambiente come mezzo di raffreddamento.
7. 7. Apparecchio secondo con la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il precompressore ha un rapporto di pressione di 1,15.
8. 8. Apparecchio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dalla previsione di: (a) una caldaia rispondente ai gas caldi prodotti da detta turbina a gas per produrre vapore, e (b) una turbina a vapore rispondente al vapore prodotto da detta caldaia per alimentare un carico.
9. 9. Apparecchio secondo con la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la caduta di temperatura introdotta da detto raffreddatore e' sostanzialmente paragonabile in dimensione all'aumento di temperatura introdotto dal dispositivo di precompressore.
10. 10.Apparecchio secondo 1'una o l?altra delle rivendicazioni 8 o 9, caratterizzato dalla previsione di un dispositivo di filtro interposto tra detto dispositivo precompressore e detto compressore principale per filtrare 1 'aria proveniente da detto dispositivo precompressore ed introdurre una caduta di pressione nell'aria alimentata.
11. 11. Metodo per aumentare la potenza prodotta da un sistema di turbina a gas del tipo avente un compressore principale per comprimere l'aria ambiente alimentata a detto compressore per produrre aria compressa, un combustore per riscaldare l?aria compressa e produrre gas caldi, ed una turbina a gas rispondente a detti gas caldi per guidare detto compressore principale ed un carico e per produrre gas di scarico caldi caratterizzato dalle fasi di: (a) precomprimere 1'aria ambiente introducendo cosi' aumenti di temperatura e di pressione nell'aria alimentata al compressore principale; e (b) raffreddare l'aria alimentata introducendo in essa una caduta di temperatura.