CN102292533A - 在底循环式膨胀机中使用增湿的空气的caes电站 - Google Patents

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Abstract

一种发电系统包括燃气轮机组件(11)，该燃气轮机组件具有接收环境进气的主压缩机(12)、主膨胀涡轮(14)、主燃烧室(16)以及用于产生电力的发电机(15)。空气储存器(18’)具有用于储存压缩空气的容积。湿源(23，34，42)使离开空气储存器的压缩空气增湿，并从而提供增湿的压缩空气。热交换器(24)接收热源并接收增湿的压缩空气以便加热增湿的压缩空气。空气膨胀机(30)将加热的增湿的压缩空气膨胀到所排出的大气压力以产生额外的功率，并且允许被空气膨胀机膨胀的气流的一部分被注入到燃气轮机组件中以用于功率增大。发电机(31)与空气膨胀机相关联以产生额外的电力。对于相同的储能/产能，压缩空气的增湿减少了压缩空气储存器的容积。

Description

在底循环式膨胀机中使用增湿的空气的CAES电站
本申请是于2008年10月3日提交的美国申请第12/285,404号的部分继续申请，该美国申请第12/285,404号是于2008年7月11日提交的美国申请第12/216,911号的部分继续申请，该美国申请第12/216,911号是于2008年3月21日提交的美国申请第12/076,689号的部分继续申请，该美国申请第12/076,689号现在是美国专利第7,406,828号，并且是于2007年1月25提交但现已放弃的美国申请第11/657,661号的分案。
技术领域
这些实施方式涉及压缩空气蓄能(CAES)电站，更具体地，涉及减少压缩空气蓄能电站的压缩空气储存量。
背景技术
美国专利第7,389,644号以及第7,406,828号中的每一个均公开了一种CAES电站，在这种CAES电站中，压缩空气主要被储存在利用盐层、含水层或硬岩石地质建造的地下储存器中。大容量CAES站的位置受到在大型电网附近用于压缩空气储存的可接受的地质建造的支配。小容量CAES站(例如，5-25MW)用于小型风电场以及小型分布式发电电网的负载管理。小型CAES站的多个位置受到通常处于城区以及居住区的能量消费者的位置的支配。显然，这些城区并非必然具有用于压缩空气储存的良好的地质建造。即使有良好的地质建造，压缩空气的储存容积也将非常小，并且在地下的地质建造中建造该种储存库也非常昂贵。因此，对于小容量CAES电站，最好的选择方案是将压缩空气储存在地上的压力容器和/或管道中。地上储存器仍然非常昂贵，并且其成本与其容积成正比。
发明内容
需要减小CAES电站中压缩空气储存量，特别是需要减小使用地上压缩空气储存器的小型CAES电站中压缩空气储存量。
本发明的目的在于实现以上提到的需求。根据实施方式的原理，该目的是通过提供这样一种压缩空气蓄能发电系统来实现的，该压缩空气蓄能发电系统包括：燃气轮机组件，该燃气轮机组件具有：主压缩机，该主压缩机被构造并布置成接收环境进气；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；主燃烧室，该主燃烧室被构造并布置成预热来自所述主压缩机的所接收的压缩空气并向所述主膨胀涡轮进给；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。空气储存器具有一定的容积以用于储存与一定的所储存的能量相关联的压缩空气。湿源使离开所述空气储存器的压缩空气增湿，并从而提供增湿的压缩空气。热交换器被构造并布置成接收热源并接收所述增湿的压缩空气，以便加热所述增湿的压缩空气。空气膨胀机被构造并布置成将所述加热的增湿的压缩空气膨胀到所排出的大气压力以产生额外的功率，并且该空气膨胀机还被构造并布置成允许被所述空气膨胀机膨胀的气流的一部分在一定的条件下被注入到所述燃气轮机组件中以便由于所述燃气轮机的功率增大而产生额外的功率。与所述空气膨胀机相关联的发电机产生额外的电力。由于压缩空气的增湿，可以减小空气储存器的与一定储存能量相关联的容积，从而降低空气储存器的尺寸和成本。对于为所述空气储存器供应的压缩机，压缩机的尺寸、成本和所消耗的功率也相应地减少了。
根据实施方式的另一方面，提供了一种减小压缩空气蓄能发电系统中的空气储存器的容积的方法。所述系统包括燃气轮机组件，该燃气轮机组件具有：主压缩机，该主压缩机被构造并布置成接收环境进气；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；至少一个燃烧室，该至少一个燃烧室被构造并布置成预热来自所述主压缩机的所接收的压缩空气并向所述主膨胀涡轮进给；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。空气储存器具有一定的容积以用于储存与一定量的所储存的能量相关联的压缩空气。所述方法提供湿气以使离开所述空气储存器的压缩空气增湿，并从而提供增湿的压缩空气。然后加热增湿的压缩空气。在空气膨胀机中使加热的增湿的压缩空气膨胀。通过使用被空气膨胀机膨胀的空气的发电机来产生额外的电力。所述空气膨胀机被构造和布置成允许被所述空气膨胀机膨胀的气流的一部分在一定的条件下被抽取并注入到所述燃气轮机组件中以便通过所述燃气轮机的功率增大而产生额外的功率。
参照构成本说明书的一部分的附图，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、特点和特征，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。
附图说明
从以下结合附图对本发明优选实施方式的详细说明，将会更好地理解本发明，在附图中用相同的附图标记指示相同的部件，在附图中：
图1是美国专利第7,406,828号中所公开的类型的CAES发电系统的示意图，该CAES发电系统具有用于储存压缩空气的相对大型的地下空气储存器。
图2是根据一个实施方式的具有作为湿源的饱和器的CAES发电系统的示意图，使得由于使用了增湿的压缩空气，可以减小空气储存器的容积以及用于充填空气储存器的压缩机的尺寸。
图3是根据另一个实施方式的具有作为湿源的热回收蒸汽发生器的CAES发电系统的示意图，使得由于使用了增湿的压缩空气，可以减小空气储存器的容积以及用于充填空气储存器的压缩机的尺寸。
图4是根据本发明又一个实施方式的具有作为湿源的在所述系统的外部的蒸汽的CAES发电系统的示意图，使得由于使用了增湿的压缩空气，可以减小空气储存器的容积以及用于充填空气储存器的压缩机的尺寸。
具体实施方式
美国专利第7,389,644号以及第7,406,828号的内容在此以引用方式并入本文，这两个专利公开了，在CAES系统中，从压缩空气储存器中提取所储存的压缩空气，通过利用燃气轮机的排气热来预热所储存的压缩空气，然后将所储存的压缩空气引导到膨胀机中，该膨胀机除了产生功率增大的燃气轮机功率以外，还产生底循环功率。由底循环式膨胀机产生的功率，连同其他特征一起，与从储存器提取的压缩空气流以及膨胀机的进口温度和压力成正比。膨胀机的压缩空气流以及温度基于燃气轮机的可用的排出热/其他热源被优化。例如，图1示出了美国专利第7,406,828号的CAES电站10，该CAES电站具有来自相对大型的地下压缩空气储存器18的47.5磅/秒(1bs/sec)的提取气流，产生15.3MW的净总功率和9.44MW的底循环式膨胀机功率。选择大约15MW的CAES电站净功率仅是为了该专利的概念与新的实施方式的比较分析。净功率的范围实际上是不受限制的，而是以地上压缩空气储存器的特定概念为基础的，预计的典型净功率将在5-25MW的范围内。
参照图2，示出了整体上由附图标记10’表示的、根据本发明的一个实施方式的功率增大的CAES发电系统。该系统10’包括整体上由附图标记11表示的常规的燃气轮机组件，该燃气轮机组件具有：主压缩机12，该主压缩机在入口13处接收处于环境温度下的进气源并向主燃料燃烧室16进给压缩空气以便进行预热；主膨胀涡轮14，该主膨胀涡轮与主压缩机12在运行上相关联，其中燃烧室16为主膨胀涡轮14供给；以及用于产生电力的发电机15。
对于5-25MW的压缩空气蓄能电站，提供了空气储存器18’，该空气储存器优选为利用压力容器和/或管道的地上类型，所述压力容器和/或管道储存由至少一个辅助压缩机20压缩的空气。中间冷却器19可以与压缩机20相关联。在该实施方式中，辅助压缩机20由马达21驱动，但可以由膨胀机或任何其他源驱动。辅助压缩机20在非峰荷时间向储存器18’提供压缩空气。根据该实施方式，一湿源与空气储存器18’的出口22相关联。如图2所示，该湿源是饱和器23，该饱和器被构造和布置成接收来自空气储存器18’的压缩空气，并且用热水使所接收的压缩空气增湿。常规的水加热器25和泵27与饱和器23相关联。热交换器24被构造和布置成接收热源(例如，来自主膨胀涡轮14的排气29)并接收来自饱和器23的增湿的压缩空气，以便加热所接收的增湿的压缩空气。代替或附加于来自主涡轮14的排气29，热交换器24可以接收任何可从外部获得的热源。
热交换器24的出口26连接到向膨胀机30进给的任选的燃烧器28，将在下面对该任选的燃烧器的功能进行解释。膨胀机30优选地连接到发电机30，以产生由膨胀机30产生的额外的电力。将送到膨胀机30的压缩空气加热的热交换器24也是任选的。
在峰荷时间并且燃烧室28不运行期间的主功率产生运行模式中，来自空气储存器18’的压缩空气穿过饱和器23供应从而被增湿，在热交换器24中被预热，然后被送至膨胀机30。增湿的加热的空气通过膨胀机30膨胀并产生额外的电力，该膨胀机连接到发电机31。从膨胀机30提取的气流被注入到燃气轮机组件11中，优选在燃烧室16的上游以由燃气轮机的限制因素以及优化所确定的注入流的参数被注入到燃气轮机组件中。如图2所示，结构32与结构33相连通，以便于空气的注入。在该实施方式中，结构32和结构33优选是管道结构。在一定的条件下，可以对注入进行限制或约束。例如，基于燃气轮机制造商公开的数据，在低环境温度下进行注入可能是不被允许或不可能的，或者注入可能由于注入点的可达性而不被允许或是不可能的，或者注入可能由于操作上的判断而不会发生。在燃烧室16的上游注入到燃气轮机组件11中的所提取的气流提供了大约高达20％至25％的燃气轮机功率增大。膨胀机30中剩余的气流通过多个低压级被膨胀到大气压力。因此，当有可能或期望注入时，不是来自膨胀机30的所有气流都被排出达到大气压力。
另选地，在峰荷时间并且燃烧室28不运行期间的主功率产生运行模式中，由于膨胀机30减少了预热的增湿的压缩空气的压力，压缩空气的温度降低。因此，来自膨胀机30的冷(低于环境温度)空气可经由结构32’在入口13处与环境空气相连接，以便环境进气和更冷的膨胀机排气相混合，从而在被主压缩机12接收之前降低进气的总体温度。在被主压缩机12接收之前降低进气的总体温度提供了大约高达20％至25％的燃气轮机功率增大。在该实施方式中，结构32’是在膨胀机30的排气级和主压缩机12的入口13之间连接的管道，该结构32’是管道32的替代方案。
由于压缩空气经由饱和器而被增湿，与不使用饱和器23的图1中的47.5磅/秒(1bs/sec)相比，来自空气储存器18’的流速被减少到28磅/秒。由于在基本上维持净总功率(例如，图2的15MW和图1的15.3MW)的同时，来自空气储存器18’的流速被减少了，所以可以有利地减小空气储存器18’的容积，从而降低空气储存器的成本。在图2的实施方式中，空气储存器18’的容积可以被减少到大约10/17，以提供与图1的空气储存器18的容积相比而言相同的一定的储能/产能。此外，因为需要更少的空气来供应到空气储存器18’，所以随着压缩机20的功率消耗的降低，可以减小压缩机20的尺寸以及由此的成本。
在作为持续时间非常短的应急运行模式的同步备用功率运行模式中，燃烧室28运行，而燃气轮机组件11不运行。热交换器24和饱和器23也可以不运行。来自储存器18’的压缩空气由燃烧室28预热，该燃烧室用于燃烧向膨胀机30供给的燃料。加热的空气通过被连接到发电机31的膨胀机30膨胀，以独立于燃气轮机组件11的运行而产生用于同步备用功率运行的直接的立即启动。
参照图3，在系统10”中，代替饱和器23，湿源是热回收蒸汽发生器(HRSG)34。因此，来自空气储存器18’的压缩空气与由HRSG 34产生的蒸汽相混合，然后被热交换器24进一步预加热以及被膨胀机30膨胀。HRSG 34优选地利用来自涡轮14的排气作为热源。燃烧器36可以设置在热交换器24的上游，或设置在热交换器24与HRSG 34、节约器40和空气预热器38之间。由于压缩空气经由HRSG 34增湿，与不利用HRSG 34的图1的47.5磅/秒相比，来自空气储存器18’的流速被减少到28磅/秒。由于在基本上维持净总功率(例如，图3的15MW和图1的15.3MW)的同时减小了来自空气储存器18’的流速，所以可以有利地减小空气储存器的用于提供相同的一定的储能/产能的容积，从而降低空气储存器的成本。
参照图4，在系统10”’中，代替HRSG 34，湿源是在系统10”’的外部产生的蒸汽38。由于压缩空气经由所附加的蒸汽38而被增湿，与不利用附加的蒸汽38的图1的47.5磅/秒相比，来自空气储存器18’的流速被减少到28磅/秒。由于在基本上维持净总功率(例如，图4的15MW和图1的15.3MW)的同时减小了来自空气储存器18’的流速，所以可以有利地减小空气储存器的用于提供相同的一定的储能/产能的容积，从而降低空气储存器的成本。
因此，这些实施方式的系统将所储存的压缩空气在被引导到膨胀机30之前增湿，以用于额外的功率产生。压缩空气的增湿明显地将增湿的压缩气流的质量增加到大约1.5倍到2.5倍(取决于增湿温度和压力)，并且明显地增加了膨胀机30的功率。引入到膨胀机30的增湿的压缩空气流及该空气流的温度基于可利用的燃气轮机组件11的排出热和/或其他热源来优化。在经由膨胀机30产生了基本上相同的功率(与图1的系统10相比)的同时，膨胀机30使用增湿的压缩空气流明显地将所储存的“干”压缩气流质量减少到大约2/3到2/5，并且相应地减少了压缩空气储存器的容积及其成本。因此，对于实际上提供大约15MW的相同净总功率以及相同的储能/产能的图2、图3和图4的小型CAES系统而言，地上储存器18’的成本现在被明显地减少并且是可行的。
已经示出并描述了上述优选实施方式，以说明本发明的结构原理和功能原理并说明运用该优选实施方式的方法，并且可在不背离这些原理的情况下对所述实施方式进行改变。因此，本发明包括涵盖在所附权利要求的范围内的所有改型。

Claims (20)

1.一种压缩空气蓄能发电系统，该压缩空气蓄能发电系统包括：
燃气轮机组件，该燃气轮机组件包括：主压缩机，该主压缩机被构造并布置成接收环境进气；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；主燃烧室，该主燃烧室被构造并布置成接收和预热来自所述主压缩机的压缩空气并向所述主膨胀涡轮进给；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，
空气储存器，该空气储存器具有用于储存压缩空气的容积；
湿源，该湿源使离开所述空气储存器的压缩空气增湿，并从而提供增湿的压缩空气；
热交换器，该热交换器被构造并布置成接收热源并接收所述增湿的压缩空气以便加热所述增湿的压缩空气；
空气膨胀机，该空气膨胀机被构造并布置成将所述加热的增湿的压缩空气膨胀到所排出的大气压力以产生额外的功率，并且该空气膨胀机还被构造并布置成允许被所述空气膨胀机膨胀的气流的一部分在一定的条件下被注入到所述燃气轮机组件中以用于功率增大，以及
发电机，该发电机与所述空气膨胀机相关联以产生额外的电力。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述湿源是饱和器。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述湿源是热回收蒸汽发生器。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述湿源是来自所述系统的外部的源的蒸汽。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述湿源足以提供所述增湿的压缩空气以便使得，当所述系统与不具有湿源的第二系统产生大体上相同的净总功率和所存储的能量时，所述空气储存器的容积与所述第二系统中的空气储存器的容积相比能够被减少到大约2/3到2/5。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述热源是来自所述主膨胀涡轮的排气。
7.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括与所述空气储存器相关联以为所述空气储存器供应压缩空气的压缩机。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统被构造和布置成提供大约5-25MW的净总功率，并且所述压缩空气储存器包括压力容器或管道。
9.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括管道，使得所述气流的全部或所述一部分能在所述主燃烧室的上游被注入到所述燃气轮机组件中。
10.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括管道，使得所述气流的全部或一部分能和与所述主压缩机相关联的空气混合。
11.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括在所述空气储存器和所述空气膨胀机之间的副燃烧室，该副燃烧室被构造成接收来自所述空气储存器的压缩空气并通过燃烧燃料来预热所述压缩空气以为所述空气膨胀机进给预热的压缩空气，以在所述燃气轮机组件没有运行时提供同步备用功率。
12.一种减小压缩空气蓄能发电系统的空气储存器的容积的方法，所述压缩空气蓄能发电系统具有燃气轮机组件，该燃气轮机组件包括：主压缩机，该主压缩机被构造并布置成接收环境进气；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；至少一个燃烧室，该至少一个燃烧室被构造并布置成接收和预热来自所述主压缩机的压缩空气并向所述主膨胀涡轮进给；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，所述方法包括：
从空气储存器释放压缩空气，
使从所述空气储存器释放的所述压缩空气增湿，
加热增湿的压缩空气，
在空气膨胀机中使加热的增湿的所述压缩空气膨胀，所述空气膨胀机被构造和布置成允许被所述空气膨胀机膨胀的气流的一部分在一定的条件下被抽取并注入到所述燃气轮机组件中以用于功率增大，以及
使用被所述空气膨胀机膨胀的空气，经由发电机产生额外的电力，
其中，将所述压缩空气增湿的步骤使得，储存在所述空气储存器中的压缩空气的体积与没有增湿步骤时的体积相比被减小。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述系统被构造和布置成提供大约5-25MW的净总功率，并且所述方法包括使用压力容器或管道来作为所述压缩空气储存器。
14.如权利要求12所述的方法，其中，饱和器将所述压缩空气增湿。
15.如权利要求12所述的方法，其中，热回收蒸汽发生器将所述压缩空气增湿。
16.如权利要求12所述的方法，其中，来自所述系统的外部的源的蒸汽将所述压缩空气增湿。
17.如权利要求12所述的方法，其中，增湿的步骤确保，当所述系统与不使所释放的所述压缩空气增湿的第二系统产生大体上相同的净总功率并具有相同的储能/产能时，所述空气储存器的容积与所述第二系统中的空气储存器的容积相比能够被减少到大约2/3到2/5。
18.如权利要求12所述的方法，其中，加热步骤包括使用来自所述主膨胀涡轮的排气作为热源。
19.如权利要求12所述的方法，其中，所述气流的所述一部分在所述主燃烧室的上游被注入。
20.如权利要求12所述的方法，其中，所述气流的全部或所述一部分和与所述主压缩机相关联的空气混合。
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