在燃燒室上遊注入膨脹機冷排氣實現的燃氣輪機功率增大的製作方法
2023-06-08 17:46:26 1
專利名稱：在燃燒室上遊注入膨脹機冷排氣實現的燃氣輪機功率增大的製作方法
技術領域：
本發明涉及帶有壓縮空氣能量儲存器和附加膨脹機的功率增大的燃 氣輪機功率系統；更具體地涉及這樣來增大系統的功率，即使來自儲 存器的加熱了的、高壓壓縮空氣膨脹以產生額外的膨脹機功率，從該膨 脹機抽取氣流並在燃燒室上遊將所抽取的氣流注入到燃氣輪機內以使燃 氣輪機功率增大。
背景技術：
公知燃氣輪機隨著外界溫度升高或在高海拔情況下功率顯著降低。 該功率損耗主要與由於進氣密度降低引起的燃氣輪機氣流的質量下降有 關。存在許多旨在恢復燃氣輪機由於高外界溫度/高海拔而引起的功率 損耗的功率增大技術，這些技術包括空氣注入式功率增大技術，其基於在燃燒室上遊注入由外部輔助壓 縮機輸送的(溼潤或乾燥的)額外氣流；入口冷卻器，其冷卻外界空氣從而提供相應的功率增大；蒸發性冷卻劑、入口霧化以及"溼壓縮"技術，所述技術通過將冷 卻進氣與通過燃氣輪機的質量流量的增大相結合而提供功率增大；本申請人的在先美國專利No. 5，934，063中公開了一種注入式功率增 大技術，該技術基於利用壓縮空氣能量存儲器在燃燒室上遊注入空氣， 通過引用將該專利的內容結合於此。然而，存儲器中的壓縮空氣通常具 有比用於增大功率的注入空氣所需要的壓力高很多的壓力。因此，需要利用壓縮空氣存儲器的高壓來進一步提高功率增量，並 改進系統的整體耗熱率。發明內容本發明的目的在於實現以上提到的需求。根據本發明的原理，通過 提供這樣一種燃氣輪機功率產生系統而實現該目的，該系統包括燃氣輪 機組件，該燃氣輪機組件包括主壓縮機，該主壓縮機構造並布置成接 收外界進氣；主膨脹渦輪，該主膨脹渦輪與所述主壓縮機在運行上相關 聯；燃燒室，所述燃燒室構造並布置成接收來自所述主壓縮機的壓縮空 氣並向所述主膨脹渦輪供氣；以及發電機，該發電機與所述主膨脹渦輪相關聯以產生電力。壓縮空氣儲存器儲存壓縮空氣。熱交換器構造並布 置成接收熱源並接收來自所述儲存器的壓縮空氣，從而加熱從所述儲存 器接收的壓縮空氣。空氣膨脹機與所述熱交換器相關聯，並且構造並布 置成使加熱了的壓縮空氣膨脹，以產生額外電力。從所述膨脹機抽取的 氣流在所述燃燒室上遊被注入到所述燃氣輪機組件，注入氣流的參數與 所述主壓縮機在注入位置處的流動參數一致。根據本發明的另一方面，提供了一種增大燃氣輪機組件功率的方法。該燃氣輪機組件包括主壓縮機，該主壓縮機構造並布置成接收外界進 氣；主膨脹渦輪，該主膨脹渦輪與所述主壓縮機在運行上相關聯；燃燒 室，所述燃燒室構造並布置成接收來自所述主壓縮機的壓縮空氣並向所 述主膨脹渦輪供氣；以及發電機，該發電機與所述主膨脹渦輪相關聯以 產生電力。所述方法從壓縮空氣儲存器提供存儲的壓縮空氣。來自所述 儲存器的壓縮空氣被加熱。在空氣膨脹機中使加熱了的所述壓縮空氣膨 脹，以產生額外電力。從所述膨脹機抽取氣流並在所述燃燒室上遊將所 抽取的氣流注入到所述燃氣輪機組件內，所述注入氣流的注流參數與所 述主壓縮機在注入位置處的流動參數一致。參照附圖考慮以下詳細描述和所附權利要求，將更加清楚本發明的 其它目的、特點及特徵，以及結構的有關元件的運行方法和功能、部件 的組合以及製造的經濟狀況，所述附圖構成本說明書的一部分。
從以下結合附圖對本發明優選實施例的詳細說明將會更好地理解本發明，在附圖中用相同的附圖標記指代相同部件，其中圖1是根據本發明原理提供的燃氣輪機功率產生系統的示意性視 圖，該系統這樣增大功率，即利用壓縮空氣儲存器向膨脹機供應在熱 交換器中預熱的壓縮空氣，該膨脹機使空氣膨脹以通過在燃燒室上遊注 射膨脹機排放氣流而提供額外功率。圖2是根據本發明另一實施例的原理提供的燃氣輪機功率產生系統 的示意性視圖，該系統這樣增大功率，即利用壓縮空氣儲存器向膨脹 機供應在熱交換器中預熱的壓縮空氣，該膨脹機使空氣膨脹以通過在燃 燒室上遊注射從膨脹機的一級抽取的氣流而提供額外功率。
具體實施方式
參照圖1，示出了根據本發明實施例的功率增大的燃氣輪機功率產 生系統，其整體由附圖標記10表示。系統10包括整體以附圖標記11表 示的傳統燃氣輪機組件ll，該燃氣輪機組件具有主壓縮機12，該主壓 縮機在入口 13處接收處於外界溫度下的進氣源並向燃燒室16供應壓縮空氣；主膨脹渦輪14，該主膨脹渦輪14與主壓縮機12在運行上相關聯， 其中燃燒室16向主膨脹渦輪14供氣，而發電機15用於產生電力。設置有壓縮空氣儲存器18，該儲存器優選為地下儲存器結構，用於 儲存被至少一個輔助壓縮機20壓縮過的空氣。在本實施例中，輔助壓縮 機20由電機21驅動，但是其可由膨脹機或任何其它源驅動。輔助壓縮 機20在非尖峰時間向儲存器18填充壓縮空氣。儲存器18的出口 22優 選與熱交換器24相連接。熱交換器24還接收來自主膨脹渦輪14的排氣 25。作為替代或除來自主渦輪14的排氣25之外，熱交換器24還可接收任何可用的外部熱源。熱交換器24的出口 26連接至與發電機30相連的膨脹機28。根據 本實施例，在尖峰時間，從儲存器18抽取壓縮空氣在熱交換器24中預 熱並被送至膨脹機28。加熱後的空氣通過與發電機30相連的膨脹機28 而膨脹，從而產生額外功率。來自膨脹機28的排氣在燃燒室16的上遊 被注入燃氣輪機組件ll，射流參數由燃氣輪機的限制和優化確定。因此，如圖1所示，結構32與結構35連通以便於注入空氣。在本實施例中， 結構32和35優選為管道結構。燃氣輪機與空氣注入技術有關的功率總增量通常為20%至25%。附 加膨脹機28的額外功率大約為燃氣輪機組件11的功率的5至10。％，該 膨脹機通過大約(佔燃氣輪機組件入流)12至14%的注入氣流進行工作， 並利用入口壓力為大約60至80巴(典型的存儲的壓縮空氣的壓力)、在 熱交換器24中預熱到大約480至500C的入口溫度的存儲的壓縮空氣。 作為示例，在35C下工作的GE 7241燃氣輪機組件通過燃氣輪機組件入 流的約12%的注入的氣流可具有大約38至40 MW的總功率增量；膨脹 機28的額外功率大約為10 MW，從而總的功率增量大約為40至50 MW。 由於不通過任何額外燃料流(即耗熱率為零)而形成額外的膨脹機28功 率，從而降低了功率產生系統10的耗熱率。該系統10具有(帶有燃氣輪機組件ll、壓縮空氣儲存器18以及充氣壓縮機20的原始實施例之外的)以下附加部件附加空氣膨脹機28回收燃氣渦輪14的排出熱並供給膨脹機28的熱交換器24 BOP管道及專用件基於工廠的整體經濟狀況對系統10的整體參數進行優化，這些經濟 狀況包括額外部件的資本及運行成本燃氣輪機功率增量膨脹機28所產生的額外高峰功率圖2示出了系統10'的另一實施例，該實施例與圖1的實施例類似， 不過附加膨脹機28將預熱了的壓縮存儲空氣從存儲空氣壓力膨脹到大氣 壓力，從而產生更大的功率。此外，膨脹機流速不限制為特定燃氣輪機 組件所允許的注入流速。而且，按照特定的參數從膨脹機28抽取為了以 特定參數增大功率而需要注入燃氣輪機組件的空氣。參照圖2，來自儲存器18的壓縮空氣被引向從熱源(例如，渦輪14 的排氣)接收熱的熱交換器24。加熱了的空氣通過與發電機30相連的膨脹機28膨脹，從而產生額外功率。對膨脹機28的氣流進行優化，從而 其可與燃氣輪機進流一樣高。膨脹機28可使得抽取的氣流具有與由燃氣 輪機組件的限制所確定的空氣注入技術要求相一致的參數。換言之，注 入氣流的注入流參數與主壓縮機12在注入位置處的流動參數一致。在燃 燒室16的上遊經由結構33將所抽取的氣流注入燃氣輪機組件11 (經由 結構35)，燃氣輪機功率增量大約20至25%。膨脹機28中的剩餘氣流 通過低壓級而膨脹到大氣壓。膨脹機的額外功率是進行優化的對象，其 可以等於燃氣輪機的功率。作為示例，在35度下工作的GE 7241燃氣輪機通過(從附加膨脹機 28)抽取並注入佔燃氣輪機入流的約12%的氣流可具有大約38至40MW 的總功率增量；膨脹機的額外功率可以和燃氣輪機功率一樣大，並且是 進行優化的對象。燃氣輪機/聯合循環電廠可採用膨脹機28。該系統優選包括(燃氣輪 機組件ll、壓縮空氣儲存器18以及充氣壓縮機20之外的)以下附加部 件空氣膨脹機28回收燃氣渦輪14的排出熱並供給膨脹機28的熱交換器24 BOP管道及專用件為了說明本發明的結構和功能原理並說明運用優選實施例的方法而 示出並描述了上述優選實施例，並且可在不背離這些原理的情況下對所 述實施例進行改變。因此，本發明包括涵蓋在所附權利要求的精神內的 所有修改。
權利要求
1. 一種燃氣輪機功率產生系統，該系統包括燃氣輪機組件，該燃氣輪機組件包括主壓縮機，該主壓縮機構造並布置成接收外界進氣；主膨脹渦輪，該主膨脹渦輪與所述主壓縮機在運行上相關聯；燃燒室，所述燃燒室構造並布置成接收來自所述主壓縮機的壓縮空氣並向所述主膨脹渦輪供氣；以及發電機，該發電機與所述主膨脹渦輪相關聯以產生電力；用於儲存壓縮空氣的壓縮空氣儲存器；熱交換器，該熱交換器構造並布置成接收熱源並接收來自所述儲存器的壓縮空氣，從而加熱從所述儲存器接收的壓縮空氣，以及空氣膨脹機，該空氣膨脹機與所述熱交換器相關聯，並且構造並布置成使加熱了的壓縮空氣膨脹，以產生額外電力；其中，從所述膨脹機抽取的氣流在所述燃燒室上遊被注入到所述燃氣輪機組件。
2、 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，抽取並注入的所述氣 流是所述膨脹機的排放氣流，並且注入氣流的注流參數與所述主壓縮機 在注入位置處的流動參數一致。
3、 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，抽取並注入的所述氣 流是來自所述膨脹機的第一級的氣流部分，並且所述注入氣流的注流參 數與所述主壓縮機在注入位置處的流動參數一致，剩餘部分的氣流通過 所述膨脹機的至少一個第二級被膨脹到大氣壓力。
4、 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述熱交換器構造並 布置成接收來自所述主膨脹渦輪的排氣，從而形成所述熱源。
5、 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，該系統還包括至少一 個用於對所述壓縮空氣儲存器進行充氣的輔助壓縮機。
6、 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，該系統還包括與所述 膨脹機相關聯的發電機，用於產生額外電力。
7、 一種燃氣輪機功率產生系統，該系統包括燃氣輪機組件，該燃氣輪機組件包括主壓縮機，該主壓縮機構造 並布置成接收外界進氣；主膨脹渦輪，該主膨脹渦輪與所述主壓縮機在 運行上相關聯；燃燒室，所述燃燒室構造並布置成接收來自所述主壓縮 機的壓縮空氣並向所述主膨脹渦輪供氣；以及發電機，該發電機與所述 主膨脹渦輪相關聯以產生電力，用於儲存壓縮空氣的裝置；接收熱源並從所述用於儲存的裝置接收壓縮空氣的裝置，該裝置用 於加熱從所述用於儲存的裝置接收的壓縮空氣，以及與所述用於加熱的裝置相關聯、用於使加熱了的壓縮空氣膨脹以產 生額外電力的裝置；其中，從所述用於膨脹的裝置抽取的氣流在所述燃燒室上遊被注入 所述燃氣輪機組件。
8、 根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述用於膨脹的裝置 是空氣膨脹機。
9、 根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，從所述膨脹機抽取並 注入到所述燃氣輪機組件內的所述氣流是所述膨脹機的排放氣流，並且 所述注入氣流的注流參數與所述主壓縮機在注入位置處的流動參數一 致。
10、 根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，從所述膨脹機抽取 並注入到所述燃氣輪機組件內的所述氣流是來自所述膨脹機的第一級的 氣流部分，並且注入氣流的注流參數與所述主壓縮機在注入位置處的流 動參數一致，剩餘部分的氣流通過所述膨脹機的至少一個第二級被膨脹 到大氣壓力。
11、 根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述用於加熱的裝 置是熱交換器，該熱交換器構造並布置成接收來自所述主膨脹渦輪的排 氣，從而形成所述熱源。
12、 根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述用於儲存的裝 置是地下空氣儲存器。
13、 根據權利要求12所述的系統，其特徵在於，該系統還包括至少一個用於對所述空氣儲存器進行充氣的輔助壓縮機。
14、 根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，該系統還包括與所 述膨脹機相關聯的發電機，用於產生額外電力。
15、 一種增大燃氣輪機組件功率的方法，該燃氣輪機組件包括主 壓縮機，該主壓縮機構造並布置成接收外界進氣；主膨脹渦輪，該主膨 脹渦輪與所述主壓縮機在運行上相關聯；燃燒室，所述燃燒室構造並布 置成接收來自所述主壓縮機的壓縮空氣並向所述主膨脹渦輪供氣；以及 發電機，該發電機與所述主膨脹渦輪相關聯以產生電力；該方法包括從壓縮空氣儲存器提供存儲的壓縮空氣； 對來自所述儲存器的壓縮空氣進行加熱；在一空氣膨脹機中使加熱了的所述壓縮空氣膨脹，以產生額外電力；以及從所述膨脹機抽取氣流並在所述燃燒室的上遊將所抽取的氣流注入 到所述燃氣輪機組件內。
16、 根據權利要求15所述的方法，其中，所述抽取並注入的氣流是 所述膨脹機的排放氣流，並且注入氣流的注流參數與所述主壓縮機在注 入位置處的流動參數一致。
17、 根據權利要求15所述的方法，其中，所述抽取並注入的氣流是 來自所述膨脹機的第一級的氣流部分，並且所述注入氣流的注流參數與 所述主壓縮機在注入位置處的流動參數一致，剩餘部分的氣流通過所述 膨脹機的至少一個第二級被膨脹到大氣壓力。
18、 根據權利要求15所述的方法，其中，所述加熱步驟包括利用來 自所述主膨脹渦輪的排熱。
19、 根據權利要求15所述的方法，其中，該方法包括通過提供與所 述膨脹機相結合的發電機而產生額外電力。
全文摘要
本發明提供通過在燃燒室上遊注入膨脹機冷排氣而增大功率的燃氣輪機。燃氣輪機功率產生系統(10)包括燃氣輪機組件(11)，其包括構造並布置成接收外界進氣的主壓縮機(12)；與主壓縮機運行關聯的主膨脹渦輪(14)；構造並布置成接收來自主壓縮機的壓縮空氣並向主膨脹渦輪供氣的燃燒室(16)；和與主膨脹渦輪關聯以產生電力的發電機(15)。壓縮空氣儲存器(18)儲存壓縮空氣。熱交換器(24)構造並布置成接收熱源並接收來自儲存器的壓縮空氣，以加熱從儲存器接收的壓縮空氣。與熱交換器關聯的空氣膨脹機(28)構造並布置成使加熱的壓縮空氣膨脹以產生額外電力。從膨脹機抽取的氣流在燃燒室上遊注入燃氣輪機組件，以增大燃氣輪機組件的功率。
文檔編號F02C6/06GK101230799SQ20071012817
公開日2008年7月30日 申請日期2007年7月9日 優先權日2007年1月25日
發明者米歇爾·納哈姆京 申請人:米歇爾·納哈姆京