专利名称：联合循环电厂到压缩空气蓄能电厂的转变的制作方法
技术领域：
实施方式涉及压缩空气蓄能(CAEQ电厂，更特别地涉及发电联合循环(CC)电厂到负荷管理CAES电厂的转变。
背景技术：
美国专利No. 7389644和No. 7406828披露了 CAES电厂概念，其发电部分包括作为主发电部件的燃气轮机，其换热器(recuperator)回收燃气轮机废热以使从存储器中取出的存储压缩空气预热，从而使其膨胀穿过用来驱动发电机的底循环膨胀机，该发电机利用燃气轮机的相关联的功率增大生成具有通过对燃气轮机组件的空气注入所生成的附加能量的底循环附加能量。这些CAES电厂可以基于现有的燃气轮机构建。在所披露的CAES电厂概念和CC电厂之间存在明显的概念相似性，它们都包括燃气轮机，其具有用来回收燃气轮机废热的热回收蒸汽发生器(HRSG)，以便生成蒸汽，该蒸汽将要膨胀穿过底循环发电蒸汽轮机。在采用可再生能源(例如，不可控的风能和太阳能)时，CAES电厂需要在非峰荷时间期间在不需要能量时存储该可再生能量并且在峰荷时间期间当需要能量时释放出该
能量°需要将现有的CC电厂至CAES电厂转变为负荷管理CAES电厂，以便显著降低成本并且改善需要进行负荷管理并且提高可再生资源的经济性的CAES电厂的经济效益。
发明内容
本发明的一个目的在于满足上面指出的需求。根据一种实施方式的原理，该目的是通过一种将CC电厂转变成CAES电厂的方法来实现的。该CC电厂包括至少一个燃气轮机；HRSG，其被构造和设置为从相关联的燃气轮机接收废热以用于生成蒸汽，从而使该蒸汽通过底循环能量生成而膨胀；与HRSG相关联的蒸汽轮机；以及与蒸汽轮机相关联的发电机。该方法在CAES电厂中提供了用于转变所需的附加外部部件。因此，提供了空气存储器以用于存储压缩空气。至少一个马达驱动的压缩机被构造和设置为在非峰荷时间期间将压缩空气提供到空气存储器中。该方法确保能够利用相应参数由HRSG接收来自存储器的压缩空气。HRSG对从空气存储器接收的压缩空气供热。蒸汽轮机从HRSG接收经加热的压缩空气以使经加热的压缩空气膨胀至大气压，从而产生能量。发电机与蒸汽轮机相关联。而且，由蒸汽轮机膨胀的一部分气流可以在一定条件下注入燃气轮机组件中，以便由于燃气轮机的功率增大而产生附加能量。虽然HRSG和蒸汽轮机可以按照原样使用，但是，优选地对其进行改造，将热传递部件添加到HRSG中以便增强压缩空气预热，并且，将蒸汽轮机转变成空气膨胀机。根据将CC电厂转变成CAES电厂的实施方式的另一个方面，CAES电厂包括至少一个燃气轮机。HRSG被构造和设置为从相关联的燃气轮机接收废热。HRSG可以按照原样使用或者改造成能够对压缩空气供热。蒸汽轮机与HRSG相关联。蒸汽轮机可以按照原样使用或改造成能够使经加热的压缩空气膨胀至大气压以产生能量。发电机与蒸汽轮机相关联。而且，由蒸汽轮机膨胀的一部分气流能够在一定的条件下注入燃气轮机组件中，以便由于燃气轮机的功率增大而产生附加能量。CAES电厂中的转变需要附加外部部件。空气存储器被构造和设置为存储压缩空气。HRSG与空气存储器相关联以从空气存储器接收压缩空气。至少一个压缩机被构造和设置为在非峰荷时间期间将压缩空气提供至空气存储器中。空气存储器被构造为确保可以利用相应参数由HRSG接收来自存储器的压缩空气。通过参照附图阅读下面的详细说明书和所附权利要求，将能更清楚地了解本发明的其它目的、特征和特性以及该结构中相关元件的操作方法和功能、部件的组合以及制造的经济性，所有这些均形成了说明书的一部分。
通过结合附图，根据以下对本发明优选实施方式的详细说明，将能更好地理解本发明，在附图中，相同的附图标记表示相同的部分，其中图1为根据本发明实施方式，CC电厂(具有基于两个燃气轮机的典型组合循环结构，其具有将蒸汽送入单个底循环蒸汽轮机的HRSG)到CAES电厂的转变的示意图。
具体实施例方式本实施方式将CC电厂转变为CAES电厂。需要添加至CC电厂(被转变成CAES电厂)的通常用于CAES电厂的仅有附加部件是外部压缩机和空气存储器，以便外部压缩机将利用非峰荷能量以将其转变成存储在空气存储器中的压缩空气能量。在转变成CAES电厂的CC电厂中，从存储器抽取的所存储的压缩空气在现有或经适当改造的HRSG中进行预热并且在现有或经适当改造的蒸汽轮机中膨胀。由于采用了燃气轮机和底循环部件，发电CC电厂至负荷管理CAES电厂的这种转变能够显著节约成本。因此，根据实施方式并参见图1，将CC电厂转变成总体地以10标示的CAES电厂。 电厂10包括总体地以11标示的至少一个传统燃气轮机(例如，汽轮机)(GT)，其具有主压缩机12，在入口 13处接收室温下的入口空气源并且向主燃料燃烧器14供给压缩空气以便预热；主膨胀轮机14，其与主压缩机12可操作地相关联，通过燃烧器14给主膨胀轮机16 进行供给；以及用于生成电能的发电机17。每个热回收蒸汽发生器(HRSG) 18与每个GT相关联。更具体地，每个HRSG 18从相关联的轮机14接收废气热量。由于HRSG 18为热交换器，所以其可以按照原样使用或者进行改造，以对存储的压缩空气进行预热。根据该实施方式，通过对HRSG18添加热传递部件，可以对HRSG 18进行微小改造以提供(deliver)压缩空气预热。备选地，通过对HRSG18进行转变以限定对于最佳且最有效的热量回收而言最优的换热器，来进行HRSG 18的显著改造/优化。HRSG改造的方案取决于经济性和CAES电厂操作要求。电厂10还包括用于从每个HRSG 18接收经加热的压缩空气的蒸汽轮机20。发电机22与蒸汽轮机20相关联以便产生电能。蒸汽轮机20照原样使用或者通过根据适当优化的入口压缩空气质量流量和温度参数而将其转变成空气膨胀机来进行改造，并且，在不明显改造蒸汽轮机的流道的情况下，排放到大气压。这种类型的转变是典型并切合实际的， 并且，存在大量转变成空气/气体膨胀机的传统蒸汽轮机。因此，根据该实施方式，一种将CC电厂转变成CAES电厂的方法提供了被构造和设置为存储压缩空气的空气存储器对。提供由马达观驱动的至少一个压缩机26，以便经管道四对空气存储器M提供压缩空气。空气存储器M的出口 30通过管道32与每个HRSG 18连接，以使得可以通过每个HRSG 18接收压缩空气。每个HRSG18按照原样使用，或者，如上所述进行改造以便能够对从空气存储器接收到的压缩空气供热。蒸汽轮机20按原样使用，或者，如上所述进行改造以便能够从每个HRSG18接收经加热的压缩空气，并且，使经加热的压缩空气膨胀来发电。从蒸汽轮机20抽取出的气流按照由燃气轮机限制条件和优化条件确定的注入流参数，注入优选位于燃烧器16上游的燃气轮机组件11中。如图1所示，结构34支持将空气注入燃气轮机组件。在该实施方式中，结构34优选为管道结构。在某些条件下可以对注入进行限制或局限。例如，基于燃气轮机制造商公布的数据，在低环境温度下进行注入可能是不允许或不可能的，或者，可能由于注入位置的可接近性而不允许或不可能进行注入，或者，由于操作判断而可能不发生注入。注入到燃烧器14上游的燃气轮机组件11中的抽取气流提供了大约高达20-25%的燃气轮机组件的功率增大。蒸汽轮机20中的剩余气流膨胀通过低压级到大气压。因此，在可能或期望进行注入时，不将来自蒸汽轮机20的所有气流都排放到大气压。备选地，由于蒸汽轮机20降低了预热压缩空气的压力，所以，降低了压缩空气的温度。因此，来自蒸汽轮机20的冷(低于环境温度)空气可以经由结构34’与在主压缩机入口 13处的环境空气连通，以便混合环境入口空气和较冷的膨胀机排出空气，从而在由主压缩机12接收之前降低了入口空气的整体温度。在由主压缩机12接收之前降低入口空气的整体温度提供了大约高达20-25%的燃气轮机功率增大。在该实施方式中，结构34’为连接在蒸汽轮机20的排气级和通向主压缩机12的入口 13之间的管道，该管道为管道34的备选。在转变到图1的CAES电厂10的联合循环中，优选在峰荷时间期间，从空气存储器 24抽取存储的压缩空气，并将其输送至每个现有或经改造的HRSG，并且，在其中进行预热。 然后，被加热的压缩空气在现有或经改造的蒸汽轮机20中膨胀以产生能量。该能量可以通过发电机22转变成电能。从蒸汽轮机中抽取的气流能够注入到燃烧器14上游的燃气轮机组件11中，以提供大约高达20-25%的燃气轮机功率增大。备选地，来自蒸汽轮机20的冷 (低于环境温度)空气可以经由结构34’与在主压缩机入口 13处的环境空气连通，以使得在由主压缩机12接收之前入口空气的整体温度的降低提供了大约高达20-25%的燃气轮机功率增大。由于在CAES电厂10中采用了燃气轮机和底循环部件，因此，将联合循环电厂转变成CAES电厂10能够显著降低成本。存在对联合循环电厂到CAES电厂10的转变进行优化的机会。例如，传统联合循环电厂的底循环功率大约为GT功率的50-60%。在经优化的CAES电厂中，底循环功率大约为GT功率的150-200%。因此，在经优化的CAES电厂10中，除了经改造的蒸汽轮机20之外，可能需要附加的底循环膨胀机36，如在图1中用虚线所示。膨胀机36也从HRSG 18接收被加热的压缩空气。发电机38可以与膨胀机36相关联以产生电能。在经优化的CAES 电厂10中，将HRSG改造成换热器可能需要附加的热回收热交换器表面和/或附加的平行热交换器(未示出)。为了说明本发明的结构和功能原理，以及为了说明采用优选实施方式的方法，前面已经示出和描述了优选实施方式，并且，在不脱离这些原理的情况下，可以对这些优选实施方式进行改变。因此，本发明包括涵盖在所附权利要求范围内的所有变型。
权利要求
1.一种将联合循环电厂转变成压缩空气蓄能电厂的方法，所述联合循环电厂包括至少一个燃气轮机、被构造和设置为从相关联的燃气轮机接收废热的热回收蒸汽发生器 (HRSG)、与所述HRSG相关联的蒸汽轮机以及与所述蒸汽轮机相关联的发电机，该方法包括以下步骤提供空气存储器，其被构造和设置为存储压缩空气； 提供至少一个压缩机，其被构造和设置为向所述空气存储器提供压缩空气； 确保来自所述空气存储器的压缩空气能够由所述HRSG接收； 利用所述HRSG对从所述空气存储器接收的压缩空气供热；以及利用所述蒸汽轮机，从所述HRSG接收经加热的压缩空气并且使所述经加热的压缩空气膨胀来产生能量。
2.如权利要求1所述的方法，该方法还包括允许在一定条件下抽取由所述蒸汽轮机膨胀的一部分气流并且将其注入所述燃气轮机组件内以便进行功率增大。
3.如权利要求1所述的方法，其中，在利用所述HRSG的步骤之前，该方法包括通过将热传递部件添加至所述HRSG而对所述HRSG进行改造，以便增强压缩空气预热。
4.如权利要求1所述的方法，其中，在利用所述HRSG的步骤之前，该方法包括通过将所述HRSG转变成最优换热器而对所述HRSG进行改造。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在利用所述蒸汽轮机的步骤之前，该方法包括通过基于入口压缩空气质量流量和温度参数以及排放大气压，将所述蒸汽轮机转变为空气膨胀机，而对所述蒸汽轮机进行改造。
6.如权利要求1所述的方法，其中，提供多个燃气轮机，并且，HRSG与每个燃气轮机相关联，该方法包括利用每个HRSG对从所述空气存储器接收的压缩空气进行加热，并且，每个HRSG被构造和设置为将经加热的压缩空气递送至所述蒸汽轮机。
7.如权利要求1所述的方法，该方法还包括提供附加的底循环膨胀机，其用于从所述 HRSG接收经加热的压缩空气。
8.—种压缩空气蓄能电厂，其包括 至少一个燃气轮机；热回收蒸汽发生器(HRSG)，其被构造和设置为从相关联的燃气轮机接收废热，以便对压缩空气供热；与所述HRSG相关联的蒸汽轮机； 与所述蒸汽轮机相关联的发电机； 空气存储器，其被构造和设置为存储压缩空气；以及至少一个压缩机，其被构造和设置为向所述空气存储器供应压缩空气， 其中，所述HRSG与所述空气存储器相关联以从所述空气存储器接收压缩空气，并且， 所述蒸汽轮机被构造和设置为从所述HRSG接收经加热的压缩空气，并且使所述经加热的压缩空气膨胀来产生能量。
9.如权利要求8所述的电厂，其中，所述HRSG被改造成包括用于增强压缩空气预热的附加部件。
10.如权利要求9所述的电厂，其中，所述经改造的HRSG限定了最优换热器。
11.如权利要求8所述的电厂，其中，提供多个燃气轮机，并且，HRSG与每个燃气轮机相关联，每个HRSG能够对从所述空气存储器接收的压缩空气供热，每个HRSG被构造和设置为向所述蒸汽轮机递送经加热的压缩空气。
12.如权利要求8所述的电厂，其中，所述蒸汽轮机被改造，以便能够基于入口压缩空气质量流量和温度参数以及排放大气压使经加热的压缩空气膨胀。
13.如权利要求8所述的电厂，其还包括被构造和设置为允许在一定条件下抽取由所述蒸汽轮机膨胀的一部分气流并且将其注入到所述燃气轮机组件内以便增大功率的结构。
14.如权利要求8所述的电厂，其还包括从所述HRSG接收经加热的压缩空气的附加底循环膨胀机。
15.如权利要求14所述的电厂，其还包括与所述附加底循环膨胀机相关联以便产生电能的发电机。
全文摘要
一种设备和方法将发电联合循环(CC)电厂转变成负荷管理压缩空气蓄能(CAES)电厂。CC电厂包括至少一个燃气轮机、从相关联的燃气轮机接收废热的热回收蒸汽发生器(HRSG)、与HRSG相关联的蒸汽轮机以及与所述蒸汽轮机相关联的发电机。空气存储器存储压缩空气。至少一个压缩机向空气存储器供应压缩空气，从而能够将非峰荷能量转变成存储在空气存储器中的压缩空气能量。来自空气存储器的压缩空气由HRSG接收，并且，HRSG对从空气存储器接收的压缩空气供热。蒸汽轮机从HRSG接收经加热的压缩空气，并使经加热的压缩空气膨胀来产生能量。
文档编号F02C6/00GK102308065SQ200980156143
公开日2012年1月4日 申请日期2009年6月22日 优先权日2009年2月4日
发明者米歇尔·纳哈姆京 申请人:米歇尔·纳哈姆京