CN101225769B - 通过在压缩机上游注入冷空气而实现的燃气轮机功率增大 - Google Patents

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Abstract

本发明提供通过在压缩机上游注入冷空气而实现的燃气轮机功率增大。燃气轮机发电系统(10)包括燃气轮机组件(11)，其包括：主压缩机(12)，其构造并布置成接收外界进气；主膨胀涡轮(14)，其与主压缩机在运行上相关联；燃烧室(16)，其构造并布置成接收来自主压缩机的压缩空气并向主膨胀涡轮供气；以及发电机(15)，其与主膨胀涡轮关联以产生电力。降压结构(28)构造并布置成将来自压缩空气源的压缩空气的压力降低到大气压力，以使来自压缩空气源的压缩空气在从降压结构排出时温度降低到外界温度以下。结构(32)与降压结构关联，以允许从降压结构排出的空气与外界进气相混合，从而降低主压缩机的进气的温度，因此增大燃气轮机组件的功率。

Description

通过在压缩机上游注入冷空气而实现的燃气轮机功率增大
技术领域
本发明涉及燃气轮机功率系统，更具体地涉及通过降低该系统的主压缩机入口处的空气温度而增大该系统的功率。
背景技术
公知燃气轮机发电系统随着外界温度的升高或在高海拔情况下功率显著降低。该功率损耗主要与由于进入的外界空气密度降低而引起的燃气轮机发电系统的进气流质量下降有关。
存在多种技术来对进气进行预处理从而恢复燃气轮机由于外界高温/高海拔而引起的功率损耗。例如：蒸发性冷却剂、入口雾化以及“湿压缩”技术通过进气湿化和冷却的组合来提高通过燃气轮机的质量流量从而提供功率增大。然而，这种进气冷却在水供应不充足的地区受到限制。入口冷却器也通过利用冷却器冷却外界空气而对外界空气进行处理，从而提供相应增大的质量流量和功率增大。然而，这些冷却器涉及高投资成本以及高操作和维护成本。
因此，需要通过使燃气轮机进气与例如从外部空气膨胀机排气提取的冷空气相混合而冷却燃气轮机进气，从而提供有效的可选功率增大选择：增大燃气轮机发电系统的功率，且膨胀机提供额外功率。
发明内容
本发明的目的在于实现以上提到的需求。根据本发明的原理，通过提供这样一种燃气轮机发电系统而实现该目的，该系统包括燃气轮机组件，该燃气轮机组件具有：主压缩机，该主压缩机构造并布置成接收外界进气；主膨胀涡轮，该主膨胀涡轮与所述主压缩机在运行上相关联；燃烧室，所述燃烧室构造并布置成接收来自所述主压缩机的压缩空气并向所述主膨胀涡轮供气；以及发电机，该发电机与所述主膨胀机相关联以产生电力。该系统还包括一降压结构，该降压结构构造并布置成将来自压缩空气源的压缩空气的压力降低到大气压力，并从而使来自所述压缩空气源的压缩空气在从该降压结构排出时温度降低到外界温度以下。该系统还包括一与所述降压结构相关联的结构，以允许从所述降压结构排放的空气与外界进气相混合，从而降低所述主压缩机的进气的温度。以及，该系统还包括空气储存器，所述的空气存储器形成所述压缩空气源。
根据本发明的另一方面，提供了一种降低燃气轮机组件的进气的温度的方法。所述燃气轮机组件包括主压缩机，该主压缩机构造并布置成接收外界进气；主膨胀涡轮，该主膨胀涡轮与所述主压缩机在运行上相关联；燃烧室，该燃烧室构造并布置成接收来自所述主压缩机的压缩空气并向所述主膨胀涡轮供气；以及发电机，该发电机与所述主膨胀涡轮相关联以产生电力。所述方法提供压缩空气源。将来自所述源的压缩空气的压力降低到大气压力，并从而使来自所述源的压缩空气的温度降低到外界温度以下。使温度低于外界温度的压缩空气与外界进气相混合以降低所述主压缩机的进气的温度。
参照附图考虑以下详细描述和所附权利要求，将更加清楚本发明的其它目的、特点及特征，以及结构的有关元件的运行方法和功能、部件的组合以及制造的经济状况，所述附图构成本说明书的一部分。
附图说明
从以下参照附图对本发明优选实施例的详细说明中将会更好地理解本发明，在附图中用相同的附图标记指代相同部件，其中：
图1是根据本发明原理设置的燃气轮机发电系统的示意性视图，该系统这样增大功率，即：利用压缩空气储存器向膨胀机供应在热交换器中预热的压缩空气，并使低于外界温度的膨胀机排放气流与该燃气轮机发电系统的进入流相混合。
图2是根据本发明另一实施例设置的燃气轮机发电系统的示意性视图，该系统这样增大功率，即：利用辅助压缩机向膨胀器供应在热交换器中预热的压缩空气，并使低于外界温度的膨胀器排放气流与该燃气轮机发电系统的进入流相混合。
具体实施方式
参照图1，示出了根据本发明实施例的功率增大的燃气轮机发电系统，其整体由附图标记10表示。系统10包括整体以附图标记11表示的传统燃气轮机组件11，该燃气轮机组件具有：主压缩机12，该主压缩机在入口13处接收处于外界温度下的进气源并向燃烧室16供应压缩空气；主膨胀涡轮14，该主膨胀涡轮14与主压缩机12在运行上相关联，其中燃烧室16向主膨胀涡轮14供气，而发电机15用于产生电力。
根据一实施例，设置有压缩空气储存器18。该储存器18优选为地下储存结构，储存被至少一个辅助压缩机20压缩过的空气。在本实施例中，辅助压缩机20由电机21驱动，但是其可由膨胀机或任何其它源驱动。辅助压缩机20在非高峰时间向储存器18填充压缩空气。储存器18的出口22优选与热交换器24相连接。热交换器24还接收来自主膨胀涡轮14的排气25。作为替代或除来自主膨胀涡轮14的排气25之外，热交换器24还可接收任何可用的外部热源。
热交换器24的出口26连接至诸如膨胀机28的降压结构，该膨胀机优选与用于生成该膨胀机28所产生电力的发电机30相连。对送至膨胀机28的压缩空气进行加热的热交换器是可选的。来自压缩空气源(例如，储存器18)的压缩空气可直接供应至膨胀机28。由于膨胀机28降低了压缩空气的压力，因而压缩空气的温度降低。这样，膨胀机28的冷(低于外界温度)排气通过结构32在入口13处与外界空气连通，因而外界进气与较冷的膨胀机排气相混合，从而在进气被主压缩机12接收之前就降低了进气的整体温度。在该实施例中，结构32是连接在降压结构28的排出口与主压缩机12的入口13之间的管道。
因此，在高峰时间，从储存器18抽取压缩空气在热交换器24中预热并被送至产生额外功率的膨胀机28。膨胀机排气(低于外界温度)与燃气轮机组件的外界进气相混合，从而降低了进气温度并增大了燃气轮机组件的功率。
图1表示温度为10C的膨胀机排气与外界进气混合。主压缩机12的入口处的进气温度从35C的外界温度降低到10C，这使GE 7241燃气轮机组件的功率增大了大约20MW。此外，通过在热交换器24中将与燃气轮机组件入流类似的气流预热到450至500C，膨胀机28产生大约250MW的功率。压缩机21消耗非高峰功率，并且压缩机流、排放压力以及功率消耗取决于压缩空气储存器18的性质以及其它经济参数和操作参数，并且大约等于膨胀机功率。在图1的实施例中，在10C时，燃气轮机组件的估计净功率为173.0MW，而燃气轮机组件的净耗热率为10,000KJ/kWh。膨胀机28的净耗热率为零。整个功率增大的燃气轮机系统10的总估计功率和耗热率分别为423MW和4080KJ/KWh。
具有膨胀机并且将该膨胀机的排出气流注入主压缩机入口的整个系统10的经济性受到以下因素的影响，即，投资成本，以及在高峰功率价格下出售的总功率增量减去在非高峰功率成本下购买的压缩机功率。
基于电厂的整体经济状况对系统10的整体参数进行优化，这些经济状况包括：
附加部件的投资及运行成本
燃气轮机功率增量
膨胀机28所产生的额外高峰功率
辅助压缩机20的非高峰功率消耗
图2示出了另一实施例的系统10′，其中省去了储存器18，并且至少一个辅助压缩机20通过连接件22′向热交换器24输送压缩空气。在压缩机12的进气降低到10C时，燃气轮机组件11功率增大约20MW，这与图1所示相同。功率增大的整个GE 7241燃气轮机发电系统10的总功率为约173MW加上膨胀机28的额外功率并减去辅助压缩机20的功率。
可预计，送到热交换器24(或者直接送到膨胀机28)的压缩空气源可来自任何合适的源，并且与外界进气相混合并引入主压缩机12入口的冷空气可来自任何类型的压缩处理，或者可以是比外界空气冷的任何空气源。
燃气轮机/联合循环电厂可采用膨胀机28以降低压缩机12的进气温度。该系统优选包括(燃气轮机组件11之外的)以下附加部件：
降压结构(例如，空气膨胀机28)
回收燃气涡轮14的排出热并供给膨胀机28的热交换器24
将压缩空气输送至热交换器的辅助压缩机20
BOP管道及专用件
该系统可如下操作。辅助压缩机20将压缩空气输送到热交换器24，空气在这里被预热并被送至产生额外功率的膨胀机28。膨胀机28的排气(温度低于外界温度)与燃气轮机组件11的入口13处的空气相混合，以降低其温度从而增大燃气轮机组件11的功率。与图1的实施例中相同，热交换器24是可选的。
基于工厂的整体经济状况对的整体系统参数进行优化，这些经济状况包括：
额外部件投资及运行成本
燃气轮机功率增量
膨胀机所产生的额外高峰功率减去辅助压缩机的功率消耗
尽管所述降压结构示出为空气膨胀机28，然而该结构可以是将压缩空气的压力降低到大气压力从而使压缩空气的温度降低到外界温度以下的孔或任何其它结构。
为了说明本发明的结构和功能原理并说明运用优选实施例的方法而示出并描述了上述优选实施例，并且可在不背离这些原理的情况下对所述实施例进行改变。因此，本发明包括涵盖在所附权利要求的精神内的所有修改。

Claims (13)

1.一种燃气轮机发电系统，该系统包括：
燃气轮机组件，该燃气轮机组件包括：主压缩机，该主压缩机构造并布置成接收外界进气；主膨胀涡轮，该主膨胀涡轮与所述主压缩机在运行上相关联；燃烧室，该燃烧室构造并布置成接收来自所述主压缩机的压缩空气并向所述主膨胀涡轮供气；以及发电机，该发电机与所述主膨胀涡轮相关联以产生电力，
降压结构，该降压结构构造并布置成将来自压缩空气源的压缩空气的压力降低到大气压力，并从而使来自所述压缩空气源的压缩空气在从该降压结构排出时温度降低到外界温度以下，以及
与所述降压结构相关联的结构，该结构构造并布置成允许从所述降压结构排出的空气与外界进气相混合，以降低所述主压缩机的进气的温度，以及
空气储存器，所述的空气存储器形成所述压缩空气源。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述降压结构是空气膨胀机。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，该系统还包括热交换器，该热交换器构造并布置成接收来自热源的热并接收来自所述压缩空气源的压缩空气，所述膨胀机构造并布置成接收被所述热交换器加热的压缩空气。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述热交换器接收来自所述主膨胀涡轮的排气，从而形成所述热源。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括至少一个用于为所述空气储存器充气的辅助压缩机。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，该系统还包括发电机，该发电机与所述膨胀机相关联以产生电力。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，允许混合的所述结构是在所述降压结构的排气和所述主压缩机的进气之间相连接的管道。
8.一种降低燃气轮机组件的进气的温度的方法，所述燃气轮机组件包括主压缩机，该主压缩机构造并布置成接收外界进气；主膨胀涡轮，该主膨胀涡轮与所述主压缩机在运行上相关联；燃烧室，该燃烧室构造并布置成接收来自所述主压缩机的压缩空气并向所述主膨胀涡轮供气；以及发电机，该发电机与所述主膨胀涡轮相关联以产生电力；该方法包括：
提供压缩空气源；
将来自所述源的压缩空气的压力降低到大气压力，并从而使来自所述源的压缩空气的温度降低到外界温度以下；以及
使温度低于外界温度的压缩空气与外界进气相混合以降低所述主压缩机的进气的温度，
其中，所述压缩空气源是空气储存器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，该方法还包括在所述降压步骤之前，加热来自所述压缩空气源的压缩空气。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述加热压缩空气的步骤包括提供热交换器，该热交换器接收来自所述源的压缩空气并接收来自所述主膨胀涡轮的排气。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述加热压缩空气的步骤包括提供热交换器，该热交换器接收来自所述源的压缩空气并接收来自热源的热。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述降压步骤包括使来自所述压缩空气源的压缩空气膨胀。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，使压缩空气膨胀包括提供膨胀机，并且该方法还包括提供与所述膨胀机相关联的发电机，该发电机被构造并布置以产生电力。
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