用於燃氣渦輪的功率增大系統的製作方法
2023-10-18 11:44:29
本發明大體涉及具有燃氣渦輪和用於向電網提供功率的發電機的發電裝置。更具體而言，本發明涉及用於在欠頻事件期間增大來自燃氣渦輪的功率的功率增大系統。
背景技術：
置於電力分配網上的電力需求的大量增加將傾向於降低電網的電操作頻率，導致「欠頻」事件。例如，繁重或突然的電需求會導致具有50Hz的標稱操作頻率的特定配電網短暫地在49Hz下操作。欠頻事件可從幾秒持續到幾分鐘且一般持續時間短。
在採用一個或多個用於向電網供應電力的重型工業燃氣渦輪的常規發電系統中，向電網供應功率的各個渦輪的旋轉速度與電網的電頻率同步。當在其他參數保持相同的情況下降低燃氣渦輪的旋轉速度時，其功率輸出相應降低。因此，在欠頻事件期間，燃氣渦輪將傾向於輸出較低功率。
電網導則(Grid code)規定通常要求功率生成設備具有在欠頻事件期間保持負載的能力。通常，響應於電力網欠頻事件，燃氣渦輪操作者通過提高燃氣渦輪的點火溫度來滿足這些要求以保持發電機輸出在要求內。提高點火溫度在給定壓力比下提高功率輸出，這在燃氣渦輪不接近任何操作限值(諸如最大壓力比能力或最大入口導葉(IGV)位置)時合適地起作用。
點火溫度提高通常通過增加供應到燃燒器的燃料流實現。在所有其他參數相同的情況下，燃料流的增加導致渦輪入口處較高的壓力，其繼而在壓縮機上施加背壓。最後，加入更多流達到壓縮機壓力極限，其通常通過將壓縮機排出空氣轉移到入口(入口放氣加熱)和/或減少燃料流(以及因此點火溫度)而限制流體通過渦輪來觀察。然而，該方法對於冷的環境條件和/或低Btu燃料(例如合成氣)應用具有滿足電網導則要求的受限能力，原因是由燃氣渦輪壓縮機面臨的可操作性限制。
一些常規功率生成燃氣渦輪包括可變入口導葉(IGV)。此可變導葉通過改變壓縮機的前級中的入射角(即，空氣角度和壓縮機葉片前緣的中線角度之間的差)提供調節壓縮機氣流的能力。這些可變IGV允許保持可接受的壓縮機無喘振操作裕度(margin)。通常，保持無喘振操作是燃氣渦輪的壓縮機部件的關鍵操作標準。然而，並非所有燃氣渦輪配備有IGV以允許採用這種技術。此外，如果在試圖提高輸出的同時達到最大靜葉位置且面臨壓力比極限的話，單獨這種做法可能並不足夠。在這種情況下，必須採用其他做法來緩解壓力極限。
因此，用於在欠頻事件期間提供改進的電網導則順應性的臨時增大燃氣渦輪的功率的系統將是合乎需要的。
技術實現要素：
本發明的方面和優點在以下描述中闡述，或可從該描述顯而易見，或可以通過實施本發明來學習。
本發明的一個實施例涉及用於電聯接到電力網的燃氣渦輪的功率增大系統。所述系統以連續流動順序包括：壓縮空氣供應、與壓縮空氣供應流體連通的壓縮空氣儲存罐和布置在壓縮空氣儲存罐下遊的膨脹渦輪。膨脹渦輪的排氣出口與燃氣渦輪的壓縮機或入口區段中的至少一者流體連通。
本公開的另一個實施例涉及發電裝置。該發電裝置包括燃氣渦輪，其具有入口區段、在入口區段下遊的壓縮機、在壓縮機下遊的燃燒區段、在燃燒區段下遊的渦輪和用於向電力網供應功率的發電機。該發電裝置還包括功率增大系統。功率增大系統包括壓縮空氣供應、在壓縮空氣供應下遊並與其流體連通的壓縮空氣儲存罐和布置在壓縮空氣儲存罐下遊的膨脹渦輪。膨脹渦輪的排氣出口與燃氣渦輪的壓縮機或入口區段中的至少一者流體連通。
技術方案1. 一種用於電聯接到電力網的燃氣渦輪的功率增大系統，包括：
壓縮空氣供應；
與所述壓縮空氣供應流體連通的壓縮空氣儲存罐；和
布置在所述壓縮空氣儲存罐下遊的膨脹渦輪，其中所述膨脹渦輪的排氣出口與所述燃氣渦輪的壓縮機或入口區段中的至少一者流體連通。
技術方案2. 根據技術方案1所述的功率增大系統，其中，所述壓縮空氣供應包括所述燃氣渦輪的壓縮機或輔助壓縮機中的至少一者。
技術方案3. 根據技術方案1所述的功率增大系統，其中，所述膨脹渦輪的軸聯接到所述燃氣渦輪的轉子軸。
技術方案4. 根據技術方案1所述的功率增大系統，其中，所述壓縮空氣供應包括輔助壓縮機，其中所述輔助壓縮機為軸流式壓縮機。
技術方案5. 根據技術方案1所述的功率增大系統，其中，所述壓縮空氣供應包括輔助壓縮機，所述系統還包括聯接到所述壓縮空氣供應的電動馬達。
技術方案6. 根據技術方案1所述的功率增大系統，其中，所述功率增大系統還包括經由軸聯接到所述膨脹渦輪的發電機。
技術方案7. 根據技術方案6所述的功率增大系統，其中，所述發電機電聯接到電力網。
技術方案8. 根據技術方案6所述的功率增大系統，其中，所述壓縮空氣供應包括輔助壓縮機，所述系統還包括聯接到所述壓縮空氣供應的電動馬達，其中所述發電機電聯接到所述馬達。
技術方案9. 根據技術方案1所述的功率增大系統，其中，所述壓縮空氣供應包括輔助壓縮機，其中所述膨脹渦輪的排氣出口流體地聯接到所述輔助壓縮機。
技術方案10. 根據技術方案1所述的功率增大系統，其中，所述壓縮空氣供應包括輔助壓縮機，所述系統還包括軸，所述軸使所述輔助壓縮機機械地聯接到所述膨脹渦輪。
技術方案11. 根據技術方案1所述的功率增大系統，其中，所述功率增大系統還包括與所述壓縮空氣儲存罐熱連通的換熱器。
技術方案12. 一種發電裝置，包括：
燃氣渦輪，其具有入口區段、在所述入口區段下遊的壓縮機、在所述壓縮機下遊的燃燒區段、在所述燃燒區段下遊的渦輪和用於向電力網供應功率的發電機；和
功率增大系統，所述功率增大系統包括：
壓縮空氣供應；
與所述壓縮空氣供應流體連通的壓縮空氣儲存罐；和
布置在所述壓縮空氣儲存罐下遊的膨脹渦輪，其中所述膨脹渦輪的排氣出口與所述燃氣渦輪的壓縮機或入口區段中的至少一者流體連通。
技術方案13. 根據技術方案12所述的發電裝置，其中，所述壓縮空氣供應包括所述燃氣渦輪的壓縮機或輔助壓縮機中的至少一者。
技術方案14. 根據技術方案12所述的發電裝置，其中，所述膨脹渦輪的軸聯接到所述燃氣渦輪的轉子軸。
技術方案15. 根據技術方案12所述的發電裝置，其中，所述壓縮空氣供應包括輔助壓縮機，其中所述輔助壓縮機為軸流式壓縮機。
技術方案16. 根據技術方案12所述的發電裝置，其中，所述壓縮空氣供應包括輔助壓縮機，所述系統還包括聯接到所述壓縮空氣供應的電動馬達。
技術方案17. 根據技術方案12所述的發電裝置，其中，所述發電裝置還包括經由軸聯接到所述膨脹渦輪的發電機，其中所述發電機電聯接到所述電力網。
技術方案18. 根據技術方案12所述的發電裝置，其中，所述壓縮空氣供應包括輔助壓縮機，所述系統還包括聯接到所述壓縮空氣供應的電動馬達，其中所述發電機電聯接到所述馬達。
技術方案19. 根據技術方案12所述的發電裝置，其中，所述壓縮空氣供應包括輔助壓縮機，其中所述膨脹渦輪的排氣出口流體地聯接到所述輔助壓縮機。
技術方案20. 根據技術方案12所述的發電裝置，其中，所述發電裝置還包括與所述壓縮空氣儲存罐熱連通的換熱器。
本領域普通技術人員在閱讀說明書之後將更好地了解這些實施例的特點和方面及其他。
附圖說明
本發明的完整和開放的公開，包括其對於本領域技術人員的最佳模式，在說明書的其餘部分中更具體地描述，包括對附圖的參考，在附圖中：
圖1為包括根據本發明的至少一個實施例的功率增大系統的示例性燃氣渦輪的功能框圖；且
圖2為包括根據本發明的至少一個實施例的功率增大系統的示例性燃氣渦輪的功能框圖。
構件清單
10 燃氣渦輪
12 入口區段
14 工作流體
16 壓縮機
18 壓縮工作流體
20 燃料
22 燃料供應
24 燃燒器
26 燃燒氣體
28 渦輪
30 軸
32 發電機/馬達
34 排出氣體
36 排氣區段
38 排氣器
100 系統
102 壓縮空氣供應
104 壓縮空氣儲存罐
106 膨脹渦輪
108 輔助壓縮機
110 電動馬達
112 軸(電動馬達)
114 換熱器
116 發電機
118 排氣出口
120 軸(發電機)
121-199 未使用
200 壓縮空氣
202 排出空氣
PG 電力網。
具體實施方式
現在將詳細參考本發明的提出的實施例，在附圖中示出了其一個或多個示例。該詳細描述使用數字和字母標記來指出附圖中的特徵。附圖和描述中的相似或類似的標記用於指出本發明的相似或類似的部分。如本文中所用的用語「第一」、「第二」和「第三」可互換地使用以使一個構件與另一個構件區分，且並不意在表示獨立構件的位置或重要性。用語「上遊」和「下遊」是指關於流體通道中的流體流的相對方向。例如，「上遊」是指流體從其流出的方向，且「下遊」是指流體流向的方向。
各個示例通過解釋本發明而不是限制本發明提供。實際上，本領域技術人員將清楚的是，在不偏離其範圍或精神的情況下，可在本發明中進行修改和改變。例如，作為一個實施例的部分說明或描述的特徵可用於另一個實施例以產生更進一步的實施例。因此，意在使本發明涵蓋落入所附權利要求的範圍內的這些修改和改變及其等同物。
現在參看附圖，其中相同的數字在貫穿附圖表示相同的元件，圖1提供了包括根據本發明的至少一個實施例的功率增大系統100和燃氣渦輪10的示例性發電裝置的功能框圖。如圖所示，燃氣渦輪10大體包括入口區段12，其可包括一系列過濾器、冷卻盤管、水分分離器和/或用以純化和另外地調節進入燃氣渦輪10的空氣14或其他工作流體的其他裝置。空氣14流動到壓縮機區段，在那裡壓縮機16逐漸向空氣14賦予動能以產生壓縮空氣18。
壓縮空氣18與來自燃料供應系統22的燃料20混合以在一個或多個燃燒器24內形成可燃燒混合物。使可燃燒混合物燃燒以產生具有高的溫度、壓力和速度的燃燒氣體26。燃燒氣體26流動通過渦輪區段的渦輪28以做功。例如，渦輪28可連接到軸30，從而使渦輪28的旋轉驅使壓縮機16以產生壓縮空氣18。備選地或另外，軸30可使渦輪28連接到發電機32以發電。發電機32電聯接或連接到電力網PG和/或與電力網PG同步。來自渦輪28的排出氣體34流動通過使渦輪28連接到渦輪28下遊的排氣器38的排氣區段36。排氣區段36可包括例如用於在釋放到環境之前從排出氣體34清潔和提取額外的熱的熱回收蒸汽發生器(未示出)。
在各種實施例中，功率增大系統100或「系統」以連續流動順序包括：至少一個壓縮空氣供應102、本文中稱為「空氣罐」的壓縮空氣儲存罐104和膨脹渦輪106。壓縮空氣供應102經由至空氣罐104的各種流體管道、閥和/或聯結器提供經由箭頭200示例性指出的壓縮空氣。
壓縮空氣供應102可包括一個或多個壓縮空氣供應。例如，在一個實施例中，壓縮空氣供應102包括獨立於燃氣渦輪10的壓縮機16操作的輔助壓縮機108。輔助壓縮機108可為任何合適的壓縮機類型。例如，輔助壓縮機108可為往復式壓縮機、旋轉螺旋壓縮機或離心壓縮機。在一個實施例中，如圖1中所示，輔助壓縮機108為軸流式壓縮機。在特定實施例中，輔助壓縮機108可通過電動馬達110和/或通過軸112驅動。軸112可使輔助壓縮機108聯接到馬達110和/或可使輔助壓縮機108聯接到膨脹渦輪106。在一個實施例中，壓縮空氣供應102包括燃氣渦輪10的壓縮機16。在一個實施例中，系統100可包括輔助壓縮機108和燃氣渦輪10的壓縮機16兩者，兩者均與空氣罐104流體連通。
在特定實施例中，換熱器114可熱聯接到空氣罐104。在這種方式下，可調節儲存在空氣罐104內的壓縮空氣200的溫度。在特定實施例中，發電機116可經由軸118聯接到膨脹渦輪106。發電機116可用於產生電力。發電機116可電聯接到電力網PG和/或可聯接到壓縮空氣供應102的馬達110。膨脹渦輪106可經由流體地聯接到膨脹渦輪106的排氣出口118的各種流體管路、閥和/或聯結器流體地聯接到燃氣渦輪10和/或壓縮空氣供應102。在一個實施例中，膨脹渦輪106流體地聯接到入口區段12。在一個實施例中，膨脹渦輪106的排氣出口118流體連接到壓縮機16。在一個實施例中，膨脹渦輪106的排氣出口118可流體地聯接到入口區段12和壓縮機16兩者。
在操作中，壓縮空氣供應102利用壓縮空氣200充入或加壓空氣罐104至需要的壓力P1。在特定實施例中，輔助壓縮機108可經由馬達110操作以向空氣罐104提供壓縮空氣200。另外或作為備選，壓縮空氣200的至少一部分可從燃氣渦輪的壓縮機16流到空氣罐104。
儲存在空氣罐104中的壓縮空氣200的壓力可經由各種壓力傳感器監測並按照需要經由壓縮空氣供應102和/或各種閥調節以在空氣罐104內保持可操作的壓力。如果如此配備的話，換熱器114可冷卻或加熱空氣罐104內的壓縮空氣200至需要的或可操作的溫度。例如，換熱器114可幫助保持儲存在空氣罐104中的壓縮空氣200為大約環境空氣溫度或低於環境空氣溫度。
在欠頻電網事件期間，當軸30的旋轉速度下降時，燃氣渦輪10的功率輸出降低，至少部分因為軸30是同步的且以與電網頻率相同的旋轉速度運轉。作為響應，系統100可以自動地或經由控制器(未示出)啟用從而以計量方式釋放壓縮空氣200到膨脹渦輪106。當壓縮空氣200流動通過膨脹渦輪106時，壓縮空氣200快速膨脹。壓縮空氣200在膨脹渦輪106內快速膨脹導致從膨脹渦輪106的排氣出口118流出的排出空氣202具有比環境空氣溫度低的溫度。例如，排出空氣202可以達到低於-200℉，這取決於系統100和/或燃氣渦輪10的操作條件。
在這點上，至少一部分或所有排出空氣202可提供到壓縮機16和/或入口區段12中的一者或兩者，且可隨後吸入壓縮機16中。在一個實施例中，將排出空氣202傳送到壓縮機16的入口。相對冷的排出空氣202與環境空氣14混合，由此引起壓縮機入口溫度下降。這種冷卻效果臨時增大或提高燃氣渦輪10的功率輸出，由此降低或消除燃氣渦輪10過燃的潛在的負面的熱作用和/或機械作用以臨時提高功率輸出。
在特定實施例中，通過使壓縮空氣在膨脹渦輪106內快速膨脹形成的動能可經由聯接到軸的渦輪葉片(未示出)轉化成旋轉能量，因此導致使膨脹渦輪106聯接到發電機116的軸120旋轉，由此導致發電機116產生用於電網的額外的功率和/或用於操作附連到輔助壓縮機108和/或現場的其他輔助設備的馬達110的功率。
在特定實施例中，在燃氣渦輪10的正常操作(即非欠頻操作)期間，壓縮空氣200的一部分可以以計量方式從空氣罐104引導通過膨脹渦輪106，因此導致軸120旋轉並產生用於電網的功率和/或用於操作附連到輔助壓縮機108和/或現場的其他輔助設備的馬達110的功率。在這點上，至少一部分或所有排出空氣202可提供到壓縮機16和/或入口區段12中的一者或兩者且可隨後吸入壓縮機16中。另外或作為備選，排出空氣202可分配回到輔助壓縮機108。
圖2提供了包括根據本發明的至少一個實施例的功率增大系統100和燃氣渦輪10的一部分的示例性發電裝置的功能框圖。在特定實施例中，如圖2中所示，膨脹渦輪106可經由軸120和/或包括迴轉裝置(未示出)的各種其他構件和/或其他器具聯接到燃氣渦輪的軸30。在這種方式下，膨脹渦輪106可用作啟動馬達或負載傳遞變換器(LCI)。在一個實施例中，膨脹渦輪106可聯接到發電機32和/或發電機116以用於發電。
該書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳模式，且還使本領域技術人員能夠實施本發明，包括製造和使用任何裝置或系統以及執行任何包含的方法。本發明可申請專利的範圍由權利要求限定，且可包括本領域技術人員想到的其他示例。如果這些其他示例包括不與權利要求的字面語言不同的結構要素，或如果它們包括與權利要求的字面語言無實質差異的等同結構要素，則意在使這些其他示例處於權利要求的範圍內。