用于燃气涡轮的功率增大系统的制作方法

本发明大体涉及具有燃气涡轮和用于向电网提供功率的发电机的发电装置。更具体而言，本发明涉及用于在欠频事件期间增大来自燃气涡轮的功率的功率增大系统。

背景技术：

置于电力分配网上的电力需求的大量增加将倾向于降低电网的电操作频率，导致“欠频”事件。例如，繁重或突然的电需求会导致具有50Hz的标称操作频率的特定配电网短暂地在49Hz下操作。欠频事件可从几秒持续到几分钟且一般持续时间短。

在采用一个或多个用于向电网供应电力的重型工业燃气涡轮的常规发电系统中，向电网供应功率的各个涡轮的旋转速度与电网的电频率同步。当在其他参数保持相同的情况下降低燃气涡轮的旋转速度时，其功率输出相应降低。因此，在欠频事件期间，燃气涡轮将倾向于输出较低功率。

电网导则(Grid code)规定通常要求功率生成设备具有在欠频事件期间保持负载的能力。通常，响应于电力网欠频事件，燃气涡轮操作者通过提高燃气涡轮的点火温度来满足这些要求以保持发电机输出在要求内。提高点火温度在给定压力比下提高功率输出，这在燃气涡轮不接近任何操作限值(诸如最大压力比能力或最大入口导叶(IGV)位置)时合适地起作用。

点火温度提高通常通过增加供应到燃烧器的燃料流实现。在所有其他参数相同的情况下，燃料流的增加导致涡轮入口处较高的压力，其继而在压缩机上施加背压。最后，加入更多流达到压缩机压力极限，其通常通过将压缩机排出空气转移到入口(入口放气加热)和/或减少燃料流(以及因此点火温度)而限制流体通过涡轮来观察。然而，该方法对于冷的环境条件和/或低Btu燃料(例如合成气)应用具有满足电网导则要求的受限能力，原因是由燃气涡轮压缩机面临的可操作性限制。

一些常规功率生成燃气涡轮包括可变入口导叶(IGV)。此可变导叶通过改变压缩机的前级中的入射角(即，空气角度和压缩机叶片前缘的中线角度之间的差)提供调节压缩机气流的能力。这些可变IGV允许保持可接受的压缩机无喘振操作裕度(margin)。通常，保持无喘振操作是燃气涡轮的压缩机部件的关键操作标准。然而，并非所有燃气涡轮配备有IGV以允许采用这种技术。此外，如果在试图提高输出的同时达到最大静叶位置且面临压力比极限的话，单独这种做法可能并不足够。在这种情况下，必须采用其他做法来缓解压力极限。

因此，用于在欠频事件期间提供改进的电网导则顺应性的临时增大燃气涡轮的功率的系统将是合乎需要的。

技术实现要素：

本发明的方面和优点在以下描述中阐述，或可从该描述显而易见，或可以通过实施本发明来学习。

本发明的一个实施例涉及用于电联接到电力网的燃气涡轮的功率增大系统。所述系统以连续流动顺序包括：压缩空气供应、与压缩空气供应流体连通的压缩空气储存罐和布置在压缩空气储存罐下游的膨胀涡轮。膨胀涡轮的排气出口与燃气涡轮的压缩机或入口区段中的至少一者流体连通。

本公开的另一个实施例涉及发电装置。该发电装置包括燃气涡轮，其具有入口区段、在入口区段下游的压缩机、在压缩机下游的燃烧区段、在燃烧区段下游的涡轮和用于向电力网供应功率的发电机。该发电装置还包括功率增大系统。功率增大系统包括压缩空气供应、在压缩空气供应下游并与其流体连通的压缩空气储存罐和布置在压缩空气储存罐下游的膨胀涡轮。膨胀涡轮的排气出口与燃气涡轮的压缩机或入口区段中的至少一者流体连通。

技术方案1. 一种用于电联接到电力网的燃气涡轮的功率增大系统，包括：

压缩空气供应；

与所述压缩空气供应流体连通的压缩空气储存罐；和

布置在所述压缩空气储存罐下游的膨胀涡轮，其中所述膨胀涡轮的排气出口与所述燃气涡轮的压缩机或入口区段中的至少一者流体连通。

技术方案2. 根据技术方案1所述的功率增大系统，其中，所述压缩空气供应包括所述燃气涡轮的压缩机或辅助压缩机中的至少一者。

技术方案3. 根据技术方案1所述的功率增大系统，其中，所述膨胀涡轮的轴联接到所述燃气涡轮的转子轴。

技术方案4. 根据技术方案1所述的功率增大系统，其中，所述压缩空气供应包括辅助压缩机，其中所述辅助压缩机为轴流式压缩机。

技术方案5. 根据技术方案1所述的功率增大系统，其中，所述压缩空气供应包括辅助压缩机，所述系统还包括联接到所述压缩空气供应的电动马达。

技术方案6. 根据技术方案1所述的功率增大系统，其中，所述功率增大系统还包括经由轴联接到所述膨胀涡轮的发电机。

技术方案7. 根据技术方案6所述的功率增大系统，其中，所述发电机电联接到电力网。

技术方案8. 根据技术方案6所述的功率增大系统，其中，所述压缩空气供应包括辅助压缩机，所述系统还包括联接到所述压缩空气供应的电动马达，其中所述发电机电联接到所述马达。

技术方案9. 根据技术方案1所述的功率增大系统，其中，所述压缩空气供应包括辅助压缩机，其中所述膨胀涡轮的排气出口流体地联接到所述辅助压缩机。

技术方案10. 根据技术方案1所述的功率增大系统，其中，所述压缩空气供应包括辅助压缩机，所述系统还包括轴，所述轴使所述辅助压缩机机械地联接到所述膨胀涡轮。

技术方案11. 根据技术方案1所述的功率增大系统，其中，所述功率增大系统还包括与所述压缩空气储存罐热连通的换热器。

技术方案12. 一种发电装置，包括：

燃气涡轮，其具有入口区段、在所述入口区段下游的压缩机、在所述压缩机下游的燃烧区段、在所述燃烧区段下游的涡轮和用于向电力网供应功率的发电机；和

功率增大系统，所述功率增大系统包括：

压缩空气供应；

与所述压缩空气供应流体连通的压缩空气储存罐；和

布置在所述压缩空气储存罐下游的膨胀涡轮，其中所述膨胀涡轮的排气出口与所述燃气涡轮的压缩机或入口区段中的至少一者流体连通。

技术方案13. 根据技术方案12所述的发电装置，其中，所述压缩空气供应包括所述燃气涡轮的压缩机或辅助压缩机中的至少一者。

技术方案14. 根据技术方案12所述的发电装置，其中，所述膨胀涡轮的轴联接到所述燃气涡轮的转子轴。

技术方案15. 根据技术方案12所述的发电装置，其中，所述压缩空气供应包括辅助压缩机，其中所述辅助压缩机为轴流式压缩机。

技术方案16. 根据技术方案12所述的发电装置，其中，所述压缩空气供应包括辅助压缩机，所述系统还包括联接到所述压缩空气供应的电动马达。

技术方案17. 根据技术方案12所述的发电装置，其中，所述发电装置还包括经由轴联接到所述膨胀涡轮的发电机，其中所述发电机电联接到所述电力网。

技术方案18. 根据技术方案12所述的发电装置，其中，所述压缩空气供应包括辅助压缩机，所述系统还包括联接到所述压缩空气供应的电动马达，其中所述发电机电联接到所述马达。

技术方案19. 根据技术方案12所述的发电装置，其中，所述压缩空气供应包括辅助压缩机，其中所述膨胀涡轮的排气出口流体地联接到所述辅助压缩机。

技术方案20. 根据技术方案12所述的发电装置，其中，所述发电装置还包括与所述压缩空气储存罐热连通的换热器。

本领域普通技术人员在阅读说明书之后将更好地了解这些实施例的特点和方面及其他。

附图说明

本发明的完整和开放的公开，包括其对于本领域技术人员的最佳模式，在说明书的其余部分中更具体地描述，包括对附图的参考，在附图中：

图1为包括根据本发明的至少一个实施例的功率增大系统的示例性燃气涡轮的功能框图；且

图2为包括根据本发明的至少一个实施例的功率增大系统的示例性燃气涡轮的功能框图。

构件清单

10 燃气涡轮

12 入口区段

14 工作流体

16 压缩机

18 压缩工作流体

20 燃料

22 燃料供应

24 燃烧器

26 燃烧气体

28 涡轮

30 轴

32 发电机/马达

34 排出气体

36 排气区段

38 排气器

100 系统

102 压缩空气供应

104 压缩空气储存罐

106 膨胀涡轮

108 辅助压缩机

110 电动马达

112 轴(电动马达)

114 换热器

116 发电机

118 排气出口

120 轴(发电机)

121-199 未使用

200 压缩空气

202 排出空气

PG 电力网。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的提出的实施例，在附图中示出了其一个或多个示例。该详细描述使用数字和字母标记来指出附图中的特征。附图和描述中的相似或类似的标记用于指出本发明的相似或类似的部分。如本文中所用的用语“第一”、“第二”和“第三”可互换地使用以使一个构件与另一个构件区分，且并不意在表示独立构件的位置或重要性。用语“上游”和“下游”是指关于流体通道中的流体流的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流出的方向，且“下游”是指流体流向的方向。

各个示例通过解释本发明而不是限制本发明提供。实际上，本领域技术人员将清楚的是，在不偏离其范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和改变。例如，作为一个实施例的部分说明或描述的特征可用于另一个实施例以产生更进一步的实施例。因此，意在使本发明涵盖落入所附权利要求的范围内的这些修改和改变及其等同物。

现在参看附图，其中相同的数字在贯穿附图表示相同的元件，图1提供了包括根据本发明的至少一个实施例的功率增大系统100和燃气涡轮10的示例性发电装置的功能框图。如图所示，燃气涡轮10大体包括入口区段12，其可包括一系列过滤器、冷却盘管、水分分离器和/或用以纯化和另外地调节进入燃气涡轮10的空气14或其他工作流体的其他装置。空气14流动到压缩机区段，在那里压缩机16逐渐向空气14赋予动能以产生压缩空气18。

压缩空气18与来自燃料供应系统22的燃料20混合以在一个或多个燃烧器24内形成可燃烧混合物。使可燃烧混合物燃烧以产生具有高的温度、压力和速度的燃烧气体26。燃烧气体26流动通过涡轮区段的涡轮28以做功。例如，涡轮28可连接到轴30，从而使涡轮28的旋转驱使压缩机16以产生压缩空气18。备选地或另外，轴30可使涡轮28连接到发电机32以发电。发电机32电联接或连接到电力网PG和/或与电力网PG同步。来自涡轮28的排出气体34流动通过使涡轮28连接到涡轮28下游的排气器38的排气区段36。排气区段36可包括例如用于在释放到环境之前从排出气体34清洁和提取额外的热的热回收蒸汽发生器(未示出)。

在各种实施例中，功率增大系统100或“系统”以连续流动顺序包括：至少一个压缩空气供应102、本文中称为“空气罐”的压缩空气储存罐104和膨胀涡轮106。压缩空气供应102经由至空气罐104的各种流体管道、阀和/或联结器提供经由箭头200示例性指出的压缩空气。

压缩空气供应102可包括一个或多个压缩空气供应。例如，在一个实施例中，压缩空气供应102包括独立于燃气涡轮10的压缩机16操作的辅助压缩机108。辅助压缩机108可为任何合适的压缩机类型。例如，辅助压缩机108可为往复式压缩机、旋转螺旋压缩机或离心压缩机。在一个实施例中，如图1中所示，辅助压缩机108为轴流式压缩机。在特定实施例中，辅助压缩机108可通过电动马达110和/或通过轴112驱动。轴112可使辅助压缩机108联接到马达110和/或可使辅助压缩机108联接到膨胀涡轮106。在一个实施例中，压缩空气供应102包括燃气涡轮10的压缩机16。在一个实施例中，系统100可包括辅助压缩机108和燃气涡轮10的压缩机16两者，两者均与空气罐104流体连通。

在特定实施例中，换热器114可热联接到空气罐104。在这种方式下，可调节储存在空气罐104内的压缩空气200的温度。在特定实施例中，发电机116可经由轴118联接到膨胀涡轮106。发电机116可用于产生电力。发电机116可电联接到电力网PG和/或可联接到压缩空气供应102的马达110。膨胀涡轮106可经由流体地联接到膨胀涡轮106的排气出口118的各种流体管路、阀和/或联结器流体地联接到燃气涡轮10和/或压缩空气供应102。在一个实施例中，膨胀涡轮106流体地联接到入口区段12。在一个实施例中，膨胀涡轮106的排气出口118流体连接到压缩机16。在一个实施例中，膨胀涡轮106的排气出口118可流体地联接到入口区段12和压缩机16两者。

在操作中，压缩空气供应102利用压缩空气200充入或加压空气罐104至需要的压力P1。在特定实施例中，辅助压缩机108可经由马达110操作以向空气罐104提供压缩空气200。另外或作为备选，压缩空气200的至少一部分可从燃气涡轮的压缩机16流到空气罐104。

储存在空气罐104中的压缩空气200的压力可经由各种压力传感器监测并按照需要经由压缩空气供应102和/或各种阀调节以在空气罐104内保持可操作的压力。如果如此配备的话，换热器114可冷却或加热空气罐104内的压缩空气200至需要的或可操作的温度。例如，换热器114可帮助保持储存在空气罐104中的压缩空气200为大约环境空气温度或低于环境空气温度。

在欠频电网事件期间，当轴30的旋转速度下降时，燃气涡轮10的功率输出降低，至少部分因为轴30是同步的且以与电网频率相同的旋转速度运转。作为响应，系统100可以自动地或经由控制器(未示出)启用从而以计量方式释放压缩空气200到膨胀涡轮106。当压缩空气200流动通过膨胀涡轮106时，压缩空气200快速膨胀。压缩空气200在膨胀涡轮106内快速膨胀导致从膨胀涡轮106的排气出口118流出的排出空气202具有比环境空气温度低的温度。例如，排出空气202可以达到低于-200℉，这取决于系统100和/或燃气涡轮10的操作条件。

在这点上，至少一部分或所有排出空气202可提供到压缩机16和/或入口区段12中的一者或两者，且可随后吸入压缩机16中。在一个实施例中，将排出空气202传送到压缩机16的入口。相对冷的排出空气202与环境空气14混合，由此引起压缩机入口温度下降。这种冷却效果临时增大或提高燃气涡轮10的功率输出，由此降低或消除燃气涡轮10过燃的潜在的负面的热作用和/或机械作用以临时提高功率输出。

在特定实施例中，通过使压缩空气在膨胀涡轮106内快速膨胀形成的动能可经由联接到轴的涡轮叶片(未示出)转化成旋转能量，因此导致使膨胀涡轮106联接到发电机116的轴120旋转，由此导致发电机116产生用于电网的额外的功率和/或用于操作附连到辅助压缩机108和/或现场的其他辅助设备的马达110的功率。

在特定实施例中，在燃气涡轮10的正常操作(即非欠频操作)期间，压缩空气200的一部分可以以计量方式从空气罐104引导通过膨胀涡轮106，因此导致轴120旋转并产生用于电网的功率和/或用于操作附连到辅助压缩机108和/或现场的其他辅助设备的马达110的功率。在这点上，至少一部分或所有排出空气202可提供到压缩机16和/或入口区段12中的一者或两者且可随后吸入压缩机16中。另外或作为备选，排出空气202可分配回到辅助压缩机108。

图2提供了包括根据本发明的至少一个实施例的功率增大系统100和燃气涡轮10的一部分的示例性发电装置的功能框图。在特定实施例中，如图2中所示，膨胀涡轮106可经由轴120和/或包括回转装置(未示出)的各种其他构件和/或其他器具联接到燃气涡轮的轴30。在这种方式下，膨胀涡轮106可用作启动马达或负载传递变换器(LCI)。在一个实施例中，膨胀涡轮106可联接到发电机32和/或发电机116以用于发电。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其他示例处于权利要求的范围内。