专利名称：用于具有附加发电膨胀器的压缩空气储能应用的简单循环燃气轮机的改造的制作方法
技术领域：
本发明涉及压缩空气储能(CAES)系统，更具体地，涉及一种相对于传统CAES系统提供改进性能的CAES系统。参照
图1，美国专利No. 4，872，307基于使用两个燃气轮机组件。一个燃气轮机组件10具有去叶片式(debladed)涡轮机或膨胀器12，并且实际上转变为由电动机15驱动的低压压缩机14。第二燃气轮机组件16具有去叶片式压缩机18，并且实际上转变为涡轮机20，该涡轮机20具有驱动发电机22的双燃气轮机动力。除了压缩机14之外，还设置了由电动机25驱动的辅助压缩机24，用于以最优化的最大压力向空气储存器26充气。当非峰值能量以压缩空气能量的形式被储存时，所述空气储存器26储存经压缩的空气。在非高峰时间期间，具有去叶片式涡轮机12的第一燃气轮机组件10的发电机/电动机驱动压缩机14，以及电动机驱动辅助压缩机24利用可用能量并将其转换为储存在空气储存器26中的压缩空气的能量。在高峰时间，从空气储存器26中取出所述压缩空气并将其引入与第二燃气轮机组件I6的涡轮20相关联的燃烧室以产生动力。因此，美国专利No. 4，872，307提供一种动力系统，其使用多个改进的燃气轮机组件与附加设备一起提供CAES系统。虽然该传统的CAES系统是有效的，但是需要进一步改进该系统来提供改进的性能和操作弹性。
发明内容
本发明的目的是实现上面涉及的需求。根据本发明的实施方式，该目的通过如下方法实现提供基于第一燃气轮机组件和第二燃气轮机组件的压缩空气储能(CAES)系统。所述方法提供具有去叶片式涡轮元件、压缩机和用于驱动压缩机的发电机/电动机的第一燃气轮机组件。来自压缩机的出口的压缩空气优选地经由辅助压缩机与空气储存器相通，而不是与涡轮元件相通。第二燃气轮机组件具有去叶片式压缩机、燃烧室、与燃烧室关联的涡轮和与涡轮关联的发电机。来自空气储存器的压缩空气直接与第二燃气轮机组件的涡轮的上游的燃烧室相通，而不是与来自第二燃气轮机组件的压缩机的空气相通，以使涡轮可以使来自空气储存器的压缩空气膨胀，以通过发电机产生电能，而在动力上没有任何减少，这是因为第二燃气轮机组件的压缩机没有被驱动。设置有附加膨胀器和与膨胀器关联的附加发电机。所述方法确保来自空气储存器的压缩空气除了直接与燃烧室相通并因此与第二燃气轮机组件的涡轮相通外，还可以被预热且随后可以与膨胀器相通，并且确保来自膨胀器的气流可以与燃烧室相通，且因此与第二燃气轮机组件的涡轮相通，使得除了由第二燃气轮机组件的发电机所产生的电能之外，附加膨胀器可以使预热的压缩空气膨胀以通过附加的发电机产生电能。在一个实施方式中，来自膨胀器的气流的一部分可以被抽取并且被注入到第二燃气轮机组件的燃烧室的上游，所述膨胀器可以使经预热的压缩空气膨胀至大气压力。在另一个实施方式中，来自膨胀器的所有排气气流可以被提供到第二燃气轮机组件的燃烧室的上游。考虑到参照作为本说明书一部分的附图的下面详细描述和附加的权利要求，本发明的其它目的、特征和特性，还有操作的方法和结构的相关元件的功能、部件的组合和制造经济成本将会变得更明显。附图简要说明结合附图，从下面对优选实施方式的详细描述，将可以更好地理解本发明，其中相同的附图标记表示相同的部件，其中图I是在美国专利No. 4，872，307中公开的传统CAES系统的视图。图2是在共同未决的申请No. 12/582，720中公开的具有用于附加发电的附加膨胀器的CAES系统的视图。图3是根据第一实施方式提供的CAES系统。图4是根据第二实施方式提供的CAES系统。
具体实施例方式图2示出来自我们的共同未决的专利申请No. 12/582，720的总体上以28标示的第二代CAES系统，上述专利申请的内容通过引用并入到本说明书中。在系统28中，在非高峰时间期间，压缩机30向空气储存器32供应压缩空气，在高峰时间期间，从空气储存器32取出所储存的压缩空气，通过利用燃气轮机34的排气热量将该压缩空气预热，然后将其导入产生预热压缩空气动力还有燃气轮机动力的膨胀器36。这里的实施方式利用我们美国专利4，872，307(上面讨论的)的特征和我们的共同未决的申请No. 12/582，720以提供了一种改进的CAES系统，美国专利4，872，307的内容通过引用并入本说明书。参照图3，根据实施方式示出了一种CAES系统，其总体上由40表示。所述系统40包括总体上由42表示的第一燃气轮机组件，该第一燃气轮机组件具有接收进口空气源的压缩机44和涡轮元件46，该涡轮元件46是去叶片式的，因为这种的涡轮元件不用于产生能量。因此，在该能量吸收压缩阶段，没有燃料被供应到燃烧室48。为了补偿由于对涡轮元件46去除叶片引起的推力平衡的轴向损失，在轴52上安装有位于外部的附加推力轴承
50。轴52用于将来自从同步发电机/电动机(示例性地，电机54)的旋转能量向去叶片式涡轮元件46、压缩机44和推力轴承50传输。
传统燃气轮机组件的压缩机中通常设置有压缩机出口法兰(未示出)以将压缩空气导向燃烧室48。然而，在该实施方式中，输入到燃烧室48的这种压缩空气被排出且压缩空气通过互连58被导向中间冷却器56。除了上述的对于燃气轮机组件42的改进，还设置有中间冷却器56、由电动机62驱动的高压压缩机60和后冷却器64以完成压缩流程。高压压缩机60进一步压缩来自作为低压压缩机的压缩机44的空气。高压压缩机60优选地通过离合器66由电动机62进行驱动。可选地，高压压缩机60可以由电动机54驱动。后冷却器64用于冷却在进入空气储存器66之前从高压压缩机60流出的压缩空 气。在该实施方式中，空气储存器66优选地是地下空气储存器(例如地质构造)。可选地，所述空气储存器可以是地上压力容器。虽然在该实施方式中，压缩空气优选地储存在空气储存器66中，但是压缩空气可以被转化为液态空气并储存在空气储存器66中。当需要时，液态空气可以转化回压缩空气且用在系统40中。系统40包括总体上表示为68的第二燃气轮机组件，该第二燃气轮机组件包括涡轮70和连接到轴74上的压缩机72。离合设备76、78设置在燃气轮机组件68中以隔离压缩机72、涡轮70和燃气轮机发电机80。压缩机72最初是去叶片式的，这是因为这种压缩机不用于空气压缩。为了补偿由于对压缩机72去除叶片引起的推力平衡的轴向损失，在轴74上安装有位于外部的附加推力轴承82。轴74用于将来自涡轮70的旋转能量向同步电机(示例地,发电机80)、去叶片式压缩机72和推力轴承82传输。除了上述对于燃气轮机组件68的改进，压缩机72的之前输入到燃烧室84的压缩空气输出被作为功能器件消除。进一步，阀86和相关互连87 (例如管路)，被布置在燃烧室84和空气储存器66之间。阀86和空气储存器66取代压缩机72用作燃烧室84的压缩空气源。传统的燃气轮机组件通常连接到预定容量的电力发电机。根据本实施方式，传统燃气轮机组件的发电机被去除，并且被大约两倍容量的发电机80代替，因为一旦压缩机被去除叶片，燃气轮机组件68具有大约原始输出的两倍的输出。因此，具有单个发电机的CAES系统40输出与两个燃气涡轮机的联合效果大约相同的电能，其中每个燃气涡轮机具有其自身的发电机，且燃气润轮机由发电机构成。典型地，压缩空气被储存在地下，具有1200psia和通常大于2500psia的最大压力，以及具有巨大的能量，该能量用于环境空气的压缩和在此压力下被导入压缩空气储存器。这些压力远高于约为170-190psia的燃气轮机组件的燃烧室/涡轮入口压力。因此，储存的压缩空气应该从1200psia被节流到170_190psia。然而,这样的节流导致损失大量的压缩能量。根据实施方式，压缩能量被设置在系统40中的附加膨胀器88利用。参照图3，膨胀器88的入口经由管路等形式的互连90与空气储存器66的出口相连。在非高峰时间期间，来自电机驱动的附加压缩机60的出口的压缩空气向空气储存器66充气。在高峰时间期间，根据一种选择，压缩空气被以特定的压力从空气储存器66取出并通过流动控制和减压阀86到达涡轮70上游的燃烧室84，代替来自压缩机72的空气。燃烧室84使压缩空气与燃料结合，并使之燃烧产生热气，所述热气驱动连接到发电机80的涡轮70以产生电能，而由于压缩机72不被驱动而不会有任何能量降低。此外或可选地，压缩空气从空气储存器66通过流动控制阀98被传送，并且在利用涡轮70的排气热量或其它任何热源的同流换热器92中被预热，以及通过绿色发电膨胀器88被膨胀，从而驱动发电机94以产生附加电能。膨胀器88具有通过互连96和通过阀100的空气抽取，以在特定入口压力和流动参数下将抽取的空气供给到燃烧室84的上游。剩余空气流在膨胀器88的低压部分被膨胀为大气压力，从而产生附加的绿色电能。可 以设置燃烧室或管道燃烧器(ductburner) 102来燃烧燃料以加热在膨胀器88中膨胀的空气。图4不出了总体上由40’表不的CAES系统的另一实施方式。系统40’与图3中的系统40基本上相似，其中压缩空气从空气储存器66以特定压力释放，在利用来自涡轮70的排气热量或其它任何热源的同流换热器92中被预热，且通过绿色发电膨胀器88被膨胀，从而驱动发电机94。然而，膨胀器88的所有排气气流通过互连96’和通过阀100以特定的进口压力和流动参数被供应到燃烧室84的上游。表I示出了图I中所示的美国专利No. 4，872，307的系统、图2中所示的申请No. 12/582，720的系统和图3与图4的两个实施例的性能特征的概要。该表显示了图3和图4的实施例的性能改进非常显著。表I
权利要求
1.一种从第一燃气轮机组件和第二燃气轮机组件提供压缩空气储能(CAES)系统的方法，所述方法包括以下步骤 提供第一燃气轮机组件，该第一燃气轮机组件具有去叶片式涡轮元件、压缩机和用于驱动该压缩机的电动机； 提供空气储存器； 确保来自所述压缩机的出口的压缩空气与所述空气储存器相通，而不是与所述涡轮元件相通； 提供第二燃气轮机组件，该第二燃气轮机组件具有去叶片式压缩机、燃烧室、与该燃烧室关联的涡轮以及与该涡轮关联的发电机； 确保来自所述空气储存器的压缩空气与所述燃烧室相通且因此与所述第二燃气轮机组件的涡轮相通，而不是与来自所述第二燃气轮机组件的所述压缩机的空气相通，使得所述涡轮能够使来自所述空气储存器的压缩空气膨胀以通过所述发电机产生电能； 提供膨胀器和与该膨胀器关联的附加发电机；以及 确保来自所述空气储存器的压缩空气除了选择性地直接与所述燃烧室相通并因此与所述第二燃气轮机组件的涡轮相通之外，还能够被预热并接着能够与所述膨胀器相通，以及确保来自所述膨胀器的气流能够与所述燃烧室相通并因此与所述第二燃气轮机组件的涡轮相通，使得除了由所述第二燃气轮机组件的发电机所产生的电能之外，所述膨胀器能够使经预热的压缩空气膨胀以通过附加发电机产生电能。
2.根据权利要求I所述的方法，该方法进一步包括 将附加压缩机耦接到所述第一燃气轮机组件，所述附加压缩机具有输入部，该输入部连接到所述第一燃气轮机组件的压缩机的输出部，所述附加压缩机的输出部连接到所述空气储存器。
3.根据权利要求2所述的方法，该方法进一步包括 提供电动机以驱动所述附加压缩机。
4.根据权利要求I所述的方法，该方法进一步包括 将第一推力轴承耦接到所述第一燃气轮机组件的轴上，以对将所述涡轮元件去除叶片进行补偿；以及 将第二推力轴承耦接到所述第二燃气轮机组件的轴上，以对将所述第二燃气轮机组件的压缩机去除叶片进行补偿。
5.根据权利要求2所述的方法，该方法进一步包括 在所述第一燃气轮机组件的压缩机的输出部与所述附加压缩机的输入部之间插入中间冷却器；以及 在所述附加压缩机的输出部与所述空气储存器之间插入后冷却器。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，确保步骤确保气流的一部分能够从所述膨胀器中抽取并被注入到所述第二燃气轮机组件的燃烧室的上游，和确保所述膨胀器能够使经预热的压缩空气膨胀到大气压力。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，确保步骤确保来自所述膨胀器的所有排气气流能够被所述燃烧室接收，并因此被所述第二燃气轮机组件的涡轮接收。
8.根据权利要求I所述的方法，该方法进一步包括在所述空气储存器和所述膨胀器之间提供同流换热器；以及 确保所述同流换热器能够接收热源以预热被所述膨胀器接收的压缩空气。
9.根据权利要求I所述的方法，其中，所述热源是来自所述第二燃气轮机组件的涡轮的排气。
10.一种压缩空气储能(CAES)系统，该系统包括 第一燃气轮机组件，其具有耦接到电动机的轴、压缩机和去叶片式的涡轮元件； 第二燃气轮机组件，其具有耦接到发电机的轴、涡轮和去叶片式的压缩机； 空气储存器； 从所述第一燃气轮机组件的压缩机的输出部至所述空气储存器的第一互连； 从所述空气储存器至所述第二燃气轮机组件的涡轮的第二互连； 膨胀器； 与所述膨胀器关联的发电机； 从所述空气储存器至所述膨胀器的第三互连； 热源，其用于在所述第三互连中预热压缩空气；和 从所述膨胀器至所述第二燃气轮机组件的涡轮的第四互连。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述空气储存器被构造和设置成储存压缩空气。
12.根据权利要求10所述的系统，该系统进一步包括 与所述第二燃气轮机组件的涡轮关联的燃烧室，其中所述第四互连位于所述膨胀器和所述燃烧室之间，且被构造和设置成允许来自所述膨胀器的气流被所述燃烧室的上游接收。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述膨胀器被构造和设置成从所述膨胀器向所述燃烧室的上游提供所有排气气流。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述膨胀器被构造和设置成使得气流的一部分能够被从所述膨胀器抽取并被注入到所述燃烧室的上游，以及使得经预热的压缩空气中的其余部分通过所述膨胀器膨胀到大气压力。
15.根据权利要求10所述的系统，该系统进一步包括 与所述第一燃气轮机组件关联的附加电动机驱动的压缩机，所述附加压缩机具有与所述第一燃气轮机组件的压缩机的输出部相连接的输入部，所述附加压缩机的输出部连接到所述空气储存器。
16.根据权利要求10所述的系统，该系统进一步包括 第一推力轴承，其连接到所述第一燃气轮机组件的轴，以对将所述涡轮元件去除叶片进行补偿；和 第二推力轴承，其连接到所述第二燃气轮机组件的轴，以对将所述第二燃气轮机组件的压缩机去除叶片进行补偿。
17.根据权利要求15所述的系统，该系统进一步包括 中间冷却器，其位于所述第一燃气轮机组件的所述压缩机的输出部与所述附加压缩机的输入部之间；和 后冷却器，其位于所述附加压缩机的输出部与所述空气储存器之间。
18.根据权利要求10所述的系统，该系统进一步包括 位于所述空气储存器和所述膨胀器之间的同流换热器，所述同流换热器被构造和设置成接收热源以对被所述膨胀器接收之前的压缩空气进行预热。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述热源是来自所述第二燃气轮机组件的所述涡轮的排气。
全文摘要
压缩空气储能(CAES)系统包括第一燃气轮机组件(42)，该第一燃气轮机组件具有连接到电动机(54)的轴(52)、压缩机(44)和去叶片式涡轮元件(46)。第二燃气轮机组件(68)具有连接到发电机(80)的轴(74)、涡轮(70)和去叶片式压缩机(72)。第一互连(58)是从所述第一燃气轮机组件的压缩机(44)的输出部到空气储存器(66)。第二互连(87)是从所述空气储存器到用于产生电力的第二燃气轮机组件的涡轮(70)。设置有膨胀器(88)和发电机(94)。第三互连(90)是从所述空气储存器(66)到膨胀器(88)。热源预热第三互连中的压缩空气。第四互连(96)是从膨胀器到涡轮(70)。
文档编号F02C6/16GK102822474SQ201080056173
公开日2012年12月12日 申请日期2010年10月28日 优先权日2009年12月8日
发明者米歇尔·纳哈姆京 申请人:德赛尔-兰德公司