CN107407203A

CN107407203A - 混合燃烧轮机发电系统

Info

Publication number: CN107407203A
Application number: CN201680011792.XA
Authority: CN
Inventors: 詹姆斯·麦克纳斯滕
Original assignee: Institutt for Energiteknikk IFE
Current assignee: Energy Technologies Institute LLP; Institutt for Energiteknikk IFE
Priority date: 2015-03-06
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-11-28
Also published as: WO2016142654A1; EP3265660A1; US20180119613A1; JP2018512529A; GB201503848D0

Abstract

一种混合燃气轮机发电厂(30)，其中常规的燃气轮机(11、12、14)经允许从其进行空气注入或抽出的流体连接(32)与绝热压缩空气能量存储系统(ACAES)相集成，所述绝热压缩空气能量存储系统(ACAES)包括直接TES(热能存储器)(40)以及其下游的设置在所述TES和压缩空气存储器(60)之间的替代路径中的补充压缩机(52)和减压装置(50)。所述ACAES通过所述减压装置按所需的质量流速经所述流体连接将空气排放至所述燃气轮机中并在更长的时间段按更低的质量流速经所述补充压缩机用空气进行充气，细流充气允许使用低功率补充压缩机。使用直接TES(40)有效地返回了压缩热量。替代地，可变质量流、可反转动力机械(70)和第二TES(72)可以设置在直接TES(40)的下游，这允许进行总功率调制以及在压缩和膨胀之间的切换以分别对所述ACAES进行充气和排放，这用更低功率的可反转动力机械实现了显著的功率调制。

Description

混合燃烧轮机发电系统

技术领域

本发明涉及一种混合燃烧轮机发电系统，用于其生产的改造方法及操作方法。特别地，本发明涉及一种混合系统，其中常规燃烧轮机与绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统相集成。

背景技术

自20世纪80年代以来，已知利用热能存储(TES)装置的CAES系统。特别地，ACAES系统将压缩空气的压缩热量存储在热存储器中以便之后随着其在进行膨胀之前离开压缩空气存储器时返回至空气。TES装置可以包含热存储介质，压缩空气通过其，将热量释放至存储介质，从而加热存储器并冷却空气。热存储介质可以采用多孔储存体的形式，其可以是空气通过其直接交换热能的固体颗粒的填充床，或其可以包括设有延伸通过其的通道或互连孔的固体基质或整体，或流体可以通过将其与存储体相分离的热交换管网，诸如颗粒(例如，岩石)的填充床。替代地，压缩空气可以通过被联接至单独的热存储器的热交换器，以使得经热传递流体将热量间接传递至热存储器，在这种情况下，热存储器不需要进行加压且可能包括热存储介质，诸如熔盐或高温油。

将理解的是在优化了显热在TES装置中的存储的情况下，那么ACAES的总能量存储容量也将得到提高。基于直接热传递的热能存储器具有比间接存储热量的那些高得多的效率(例如，通常涉及经热传递流体回路被联接至远程存储器的热交换器)。申请人较早的申请WO2012/127178提出了直接热传递TES装置，其中存储介质被分成单独的各个下游部分或层。通过该层的热传递流体的流路径能够使用层中的阀调来选择性地进行改变以仅在选定的时间接入某些层，以便避免通过热前缘所在部分的上游或下游的不活动部分的压力损失并使存储器的利用最大化。结合由阀控制的分层存储器的TES装置(更特别地为结合设置在各自下游的个别接入受控层中的固体热存储介质的直接传递显热存储器)能够提供针对高达600℃或更高温度的热量的非常有效的存储。应注意的是，通过这种床的流速可以低至0.5m/s甚或更低，这促进了有效的热交换。

燃烧轮机的空气注入式功率增大用于增加燃气轮机的功率输出直到其正常的最大允许功率，例如，在功率由于降低进口空气的密度的高海拔或高环境温度已经下降的情况下。将外部压缩的加热空气注入在燃烧器上游的燃气轮机中以便提高功率输出。

Nakhamkin的US5934063提出了一种混合燃烧轮机发电(CTPGS)系统，其中燃气轮机与ACAES系统相集成，并在燃烧器注入源于空气存储器的加压空气以增大通过燃气轮机的气流，且因此当其否则会低于其最大允许水平时增加功率输出。具有其自身的空气进口的补充压缩机将空气供给至空气存储器，或该补充压缩机是由主压缩机进行供给的(而燃烧器则是未点燃的且涡轮机仅从空气存储器接收冷却流)。该系统具有选择性地允许下列操作模式中的每一个的阀结构：正常的燃气轮机发电模式、增强的燃气轮机发电模式和存储模式。

根据WO2013/116185，尚未实施US5934063，这是因为其具有高成本和高复杂性且缺少用于在存储之后的注入之前加热空气的实用方法。在US5934063中的教义为用源于涡轮机的废热(在使用简单循环燃气轮机SCGT的情况下)或源于蒸汽轮机的废热(在使用联合循环燃气轮机CCGT的情况下)来预热所返回的存储空气，其中的任一个均会在相关的涡轮机引起效率损失。作为替代方案，尤其，WO2013/116185反而提出了在存储模式期间使用各种热交换器以存储压缩热量以随后进行返回。其还提出了存储模式，其中在燃气轮机正在运行且正常地以其他方式产生功率的同时，从向下通过燃气轮机的气流抽出一些加压气体。

作为相关的问题，还具有各种提议，其提出提供一种与绝热压缩空气能量存储ACAES系统相集成的燃烧轮机(GT)系统，其具有分离装置，以使得压缩机可以选择性地与涡轮机进行联接和分离以允许其独立的操作，以使得燃气轮机能够在多种模式中操作；选择阀布置可以被设置在GT的流动路径内以在这些多种模式中将气流转入和转出GT。然而，由于开发这种可分离的燃气轮机系统的成本和复杂性，迄今为止仍没有商业系统的存在。

本发明旨在提供一种改进的混合燃烧轮机发电系统。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供了一种混合燃烧轮机发电系统(CTPGS)，其包括：

燃烧轮机(GT)系统，其包括流体连接在彼此下游的压缩机、燃烧器和涡轮机，其中涡轮机被不可拆卸地联接至压缩机且操作性地与用于发电的发电机相关联，

以及绝热压缩空气能量存储系统(ACAES)，其经设置在压缩机和涡轮机之间的一个以上的流体连接与GT系统相集成，以便允许空气从GT系统(例如，在涡轮机的上游)抽出和/或注入其中；

其中ACAES包括经至少一个直接热能存储器(TES)从一个以上的流体连接通向压缩空气存储器的流通道网络和相关联的阀结构，

还存在有设置在流通道网络内的(i)可选的充气压缩机和相关联的空气进口，其设置在一个以上的流体连接和至少一个直接TES之间用于对压缩空气存储器进行充气，以及(ii)补充(例如，第二级)压缩机和减压装置，其设置在至少一个直接TES和压缩空气存储器之间的替代的各个流路径中，

其中，流通道网络和相关联的阀结构被配置成允许在以下两种模式中对ACAES进行选择性操作：

充气模式，其中在第一质量流速上的压缩空气由GT系统的压缩机和/或可选的充气压缩机供给至至少一个直接TES，压缩空气通过至少一个直接TES并由其进行冷却，且压缩的冷却空气在存储在压缩空气存储器之前由补充压缩机进行进一步的压缩；以及

排放模式，其中在比第一质量流速更高的第二质量流速上的源于压缩空气存储器的加压空气由减压装置进行膨胀且在经一个以上的流体连接返回至燃烧器以对流经其的气流进行补充之前通过对其进行加热的至少一个直接TES；以及

其中CTPGS被配置成允许在下列操作模式中的至少每一个中进行选择性操作：

(i)正常的发电模式，其中空气分别顺流地通过GT系统的压缩机、燃烧器和涡轮机以进行发电，但气流未进行部分补充或抽出；

(ii)另一种发电模式，其中分别顺流地通过GT系统的压缩机、燃烧器和涡轮机以进行发电的空气是通过在一个以上的流体连接处注入加压空气而进行补充的，加压空气是随着其在上面指定的排放模式中进行操作而从ACAES系统的压缩空气存储器按第二质量流速返回的；以及

(iii)存储模式，其中：

(a)源于充气压缩机的压缩空气(当存在时)是按第一质量流速被供给至至少一个直接TES，且GT系统是不活动的，或是活动的并发电的；和/或，

(b)压缩空气是经一个以上的流体连接从GT系统抽出的并按第一质量流速被供给至至少一个直接TES。

以这种方式，可以产生相对低成本的混合发电系统，其中GT系统通常可以在另一个发电模式中运行以增强其功率，例如，处于或接近其允许的最大能力，这是由允许在所需的时间段内按第二质量流速进行排放的减压装置所促进的，而CAES系统则在更长的时间段内按较低的第一质量流速进行充气。充气，例如，细流充气的第一质量流速越低，那么功率越低且补充压缩机需要越便宜。

使用直接TES有效地返回了压缩热量。因此，离开直接TES的气体可以直接进入燃烧器，而不需要进一步的加热阶段。需要直接TES的原因是其比热交换器更适合于需要立即增强功率的燃气轮机所需的快速响应。热交换器在不活动时冷却且因此需要“预热”期。相比之下，直接TES存储器保持热量且可立即使用。此外，由于较高的排放速率，直接TES能够更好地提供在排放时所需的快速且有效的热传递；为了使热交换器满足这一点，其需要非常得大(与充气模式的要求相比，其过大了)。此外，可以改变存储器的配置以使用具有更短长度的更大面积的(例如，更宽的)存储器来处理更快的排放速率。如下面所讨论的，使用分层的直接TES也是非常有利的。

“减压装置”是指允许空气在其按较高的排放流速从存储器出来时膨胀而不做功，且这可以是节流阀、膨胀阀或类似的装置。该装置应理想地调节通过其的质量流(或，例如，后面有(例如，紧接在其下游处)调节质量流的装置)以避免不受控的质量流。这种装置可以选自闸阀、球阀、旋塞阀、蝶阀或相似类型的阀且可以使用电子或机械反馈来进行节流；因此，与动力机械，例如涡轮机相比，其可以是简单且便宜的，其将捕获膨胀功(并且是有效的)，但为了处理更高的排放流速，其将是大型/昂贵的。

本发明涉及常规燃烧轮机GT系统的功率调制，即，其中压缩机、燃烧器和涡轮机(永久地)流体连接在彼此下游(即，不具有直接在燃气轮机流动路径内插入的用于将气流转入或转出GT流动路径的任何阀布置)，以使得每当燃气轮机操作以产生功率时，至少一些气流相继依次顺流地通过所有那些组件(而不管该流的一部分是否是在一个以上的流体连接处抽出或增加的)的系统，以及其中涡轮机被不可拆卸地联接到压缩机，以使得当发电时，两者一起进行操作。

在一个实施例中，第二质量流速为第一质量流速的至少两倍。第二质量流速可以是第一质量流速的至少两倍或至少五倍或第一质量流速的至少7倍。替代地，质量流速可以比第一质量流速更高，以使得从存储器排放的相同数量的空气为将其充入存储器中的至少两倍、五倍或七倍那么快。

在一个实施例中，在充气模式中，通过GT系统的压缩空气中的一些在一个以上的流体连接处被抽出并按第一质量流速被供给至至少一个直接TES。该实施例是更简单且成本更低的，这是因为其不需要额外的装置，因为GT压缩机本身用作将压缩空气供给至TES的第一级压缩机；然而，如果没有对GT的操作进行其他改变，抽出GT气流的一部分将导致与在该充气模式期间移除的空气量相关的功率减小，且当然，ACAES可以仅在GT系统是活动的并发电时进行充气。

通过GT(例如，在涡轮机进口处)的总质量流的相对较小部分，例如，通常为小于10％，或小于8％，甚或小于6％或3％将被排放出来。由于排放的质量流速比充气的质量流速更高(通常为至少两倍高)，通过GT的总质量流的通常为小于20％，或16％，或12％或6％将被从存储器(和/或充气压缩机，如下所述的)注回至GT中。

ACAES经设置在压缩机和涡轮机之间的一个以上的流体连接与GT系统相集成；例如，这些可以位于压缩机外壳/出口处，在燃烧器处或在燃烧器壳体处，或在膨胀机进口处，且允许空气从流经燃烧轮机的流体抽出或注入其中。注入的加压空气中的一些或所有可以在燃烧器中燃烧，这取决于流体连接的位置。

流体连接可以是GT中现有的或修改的(例如，扩大的)或改造的进口/出口，诸如开口或孔(例如，排放孔)(例如，燃烧器壳体中的排放孔)，其被流体连接至ACAES的流通道网络。本发明的两个方面涉及常规的燃气轮机，其中压缩机、燃烧器和与燃烧器相关联的涡轮机总是流体连接的，例如，不具有直接在燃气轮机流动路径中的可能选择性地将气流转入或转出GT流动路径的任何阀布置(如在可分离的现有技术中修改的GT系统的情况下)。因此，其不旨在涵盖经流连接与GT系统相集成的ACAES，该流连接为在燃气轮机的流动路径内插入的阀/阀布置，以使得燃气轮机组件彼此选择性而非永久地流体连接。

进入该开口或孔中的加压空气的质量流速可以由位于紧接在ACAES流通道网络下游处的流控制阀进行控制，例如，以确保通过GT的气流不超过一定值。

可以在涡轮机进口的上游处设有一个以上的流体连接以作为改造适应。这可以包括改造开口或孔，例如，在燃烧器壳体中进行，且还可以包括按均匀的方式改造围绕孔组的一个以上的歧管。在这个实施例中，在充气期间的质量流速是由补充压缩机设置的，其有利地为低功率的(通常为小于30MW甚或小于15MW)压缩机，其按通常不超过GT质量流速的10％，或8％或6％的质量流速来抽出压缩空气。例如，为了将环境空气从1巴压缩至17巴，在1kg/s的流速可以使用450kW，而为了将环境温度从17巴压缩至40巴，在1kg/s的流速可以仅使用100kW。因此，补偿(例如，第二级)压缩机仅需要供给为第一级压缩的(例如，充气压缩机)功的约20至25％。

在一个优选实施例中，具有相关联的空气进口的充气压缩机被设置在一个以上的流体连接和直接TES之间，且在充气模式中，在第一质量流速上的压缩空气由充气压缩机供给至至少一个直接TES。该实施例具有较高的初始成本且需要额外的功率用于，例如，与充气压缩机操作性相关联的电机。当CAES系统在充气模式中操作时，GT系统可以是不活动的或可以是发电的。

在第一质量流速上的压缩空气可以通过从GT系统抽出以及由充气压缩机供给而被供给至至少一个直接TES。因此，可以通过充气压缩机和活动的GT系统的压缩机在充气模式中供给压缩空气(即，“排放空气”)，其条件是质量流速不超过下游的补充压缩机的最大质量流速。

在一个实施例中，流调节阀被设置在一个以上的流体连接和在排放模式中控制流速的直接TES之间的流通道网络中以便调节GT功率输出。这可以是调节质量流，例如使用电子或机械反馈的减压阀。在排放模式期间，在第一TES下游处的压力波动(与充气模式相对比，其在排放模式中可能经历穿过第一TES的更大的压降)意味着可能需要在一个以上的流体连接和直接TES之间的流调节/控制阀以进行精细的流控制，从而精细地调制GT功率输出。

在一个实施例中，至少一个直接TES包括直接传递显热存储器，其包括设置在各自下游的个别接入受控层中的固体热存储介质。至少一个直接TES包括至少一个热能存储器，通过该热能存储器，压缩空气具有用于将热能直接交换至包含在热能存储器内的热存储介质的流动路径；这可以是多孔(固体)热质量，其采用，例如填充床或颗粒，特别是分层颗粒存储器的形式。因此，流可以仅通过所选层或一组相邻层进行指引，其中正活跃地发生热传递且可以绕过存储器的活动传递区域的任一侧的层，例如，通过在每一层中设有允许流绕过在各个层中的热存储介质的各自的旁通阀而绕过。

压缩空气存储器可以包括可变压力的压缩空气存储器。

在这种情况下，补充压缩机应适合于按与压缩空气存储器的操作压力范围相关联的可变压力比进行操作。然而，存储器也可以是恒定压力的空气存储器；在现有技术中存在对恒定压力的空气存储器，诸如水下存储器的各种提议，其允许补充压缩机按固定或接近固定的压力比进行工作。

压缩空气存储器可以包括一个以上的气体管道和/或洞穴。在系统是基于允许使用低功率的补充压缩机的在适当的低质量流速上的细流充气的情况下，可以在仅仅几年的时间间隔内收回CAES管道的初始成本。

ACAES可以在任何一次在充气模式、存储模式或排放模式中进行操作，以及完全是不活动的。因此，还可以配置流通道网络和相关联的阀结构以允许在存储模式中对ACAES进行选择性操作，在该存储模式中，将热量存储在至少一个直接TES中，同时将压缩空气存储在压缩空气存储器中，且没有空气进出存储器。阀结构可以包括在一个以上的流体连接和能够打开和关闭的第一直接TES之间的开/关阀或流调节阀。阀结构还可以包括位于第一直接TES和压缩空气存储器之间的一个以上的选择阀，其允许将流切换成在替代的(例如，平行的)各个流路径(在至少一个直接TES和压缩空气存储器之间)中的任一个中流动，在该流路径中，设置有补充压缩机(在充气中使用)和减压装置(在排放中使用)。

此外，在存在充气压缩机的情况下，CTPGS可以被配置成允许在下列另外的操作模式中进行选择性操作：

(iv)另外的发电模式，其中加压空气从充气压缩机被供给至GT系统并在一个以上的流连接处进行注入以补偿在GT系统中的气流。

在另外的发电模式中，如果需要的话，可以不存在源于压缩空气存储器和充气压缩机的排放，当存在时，可以简单地增强分别顺流地通过GT系统的压缩机、燃烧器和涡轮机的空气。虽然这种模式将需要向充气压缩机供给功率，但GT功率输出的增加将会大得多；例如，供给至充气压缩机的3MW可能导致功率输出增加6MW。这在例如，ACAES已完全进行排放，但仍需要功率增强的情况下可能是有用的。

此外，CTPGS可以被配置成允许在下列另外的操作模式中进行选择性操作：

(v)替代的另外的发电模式，其中，除了如上所述的从充气压缩机供给的加压空气外，从压缩空气存储器返回的加压空气在一个以上的流连接处进行注入，这通常用于补偿在GT系统中的气流以进一步地增强功率。

此外，CTPGS可以被配置成允许在下列进一步的操作模式中进行选择性的操作，其中加压空气是从充气压缩机供给至GT系统的且在一个以上的流连接处进行注入以补偿在GT系统中的气流，但该加压空气中的一些是通过按选定的质量流速操作补偿压缩机来向下抽吸至存储器中的。

根据第一个方面，还提供了一种操作混合燃气轮机发电系统(CTPGS)的方法，该混合燃气轮机发电系统(CTPGS)包括：

燃气轮机(GT)系统，其包括流体连接在彼此下游的压缩机、燃烧器和涡轮机，其中涡轮机被不可拆卸地联接至压缩机且操作性地与用于发电的发电机相关联，

该方法包括：

在下列操作模式中的至少每一个中选择性地操作CTPGS：

(iii)存储模式，其中：

根据第一个方面，还提供了一种改造方法，其中如上面所指定的ACAES被改造成如上面所指定的现有燃气轮机系统以获得如上面所指定的混合CTPGS。

特别地，提供了一种在发电厂对现有燃气轮机(GT)系统进行改造以结合绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统以便提供如上面所指定的混合燃气轮机发电系统(CTPGS)的方法，其包括下列步骤(按任何合适的顺序)：

a)在现有GT系统的地方安装至少一个直接热能存储器(TES)，其包括流体连接在彼此下游的压缩机、燃烧器和涡轮机，其中涡轮机被不可拆卸地联接至压缩机且操作性地与用于发电的发电机相关联；

b)设有或修改设置在压缩机和涡轮机之间的一个以上的流体连接，以便允许空气从GT系统抽出和/或注入其中；

c)安装经至少一个直接(TES)从一个以上的流体连接通向压缩空气存储器的流通道网络和相关联的阀结构；

d)可选地在流通道网络内安装充气压缩机和相关联的空气进口，其设置在一个以上的流体连接和至少一个直接TES之间用于对压缩空气存储器进行充气；

e)安装补充(例如，第二级)压缩机和减压装置，其设置在至少一个直接TES和压缩空气存储器之间的流通道网络内的替代的各个流路径中；以及

f)配置混合CTPGS以按上面指定的进行操作。

根据本发明的第二个方面，提供了一种混合燃气轮机发电系统(CTPGS)，其包括：

以及绝热压缩空气能量存储系统(ACAES)，其经设置在压缩机和涡轮机之间的一个以上的流体连接与GT系统相集成，以便允许空气从GT系统(例如，在涡轮机的上游)抽出和注入其中；

其中ACAES包括经第一直接热能存储器(TES)从一个以上的流体连接通向压缩空气存储器的流通道网络和相关联的阀结构；

其中第二更高压力级可变质量流的可反转动力机械(膨胀做有用功的气体)以及第二热能存储器(TES)被相继布置在流体通道网络中的彼此下游处(在充气方向上)；

其中混合CTPGS可在发电模式中操作，在发电模式中，空气分别顺流地通过GT系统的压缩机、燃烧器和涡轮机以进行发电；

且其中，在那个模式中，可反转动力机械被选择性地配置成按下列方式中的每一个中调制GT系统的功率输出：

i.通过作为压缩机进行操作并选择性地调整其质量流速以在ACAES充气模式中改变(例如，增加或减小)从GT系统抽出空气且将空气传至压缩空气存储器的速率；

ii.通过作为膨胀机进行操作并选择性地调整其质量流速以在ACAES排放模式中改变(例如，增加或减小)从压缩空气存储器取出空气以注入至GT系统中的速率；以及

iii.通过在作为压缩机运作至作为膨胀机运作的切换或反向切换以便将ACAES从其中从GT系统抽出空气的充气模式切换至其中将空气注入GT系统中的排放模式，且反之亦然。

以这种方式，当燃气轮机在其最大允许操作功率之下操作时(其通常是这种情况，除非例如，环境温度已降至最低季节值)，第二更高压力级的可变质量流的可反转动力机械能够在有用功率范围(例如，高达+/-5％甚或+/-8％或10％)内按快速的方式调制动力涡轮机的输出功率，其中通过按上述iii)中所述的使功能反转来在上述i)和ii)中精细地调整或更粗略地调整该速率。应注意的是，能够处理不超过40kg/s的质量流速的约5MW的小型低成本的可反转动力机械仍然能够在高达其最大允许操作功率的+/-40MW的范围内调整CCGT的功率输出。此外，可反转动力机械所使用的5MW使这个数字增加，即，总共为CCGT的+/-45MW的变化。因此，可以使用不超过20MW甚或不超过10MW功率的低功率的可反转动力机械以实现显著的功率调制。

在ACAES排放模式中，GT系统在空气注入模式中操作，在该模式中，通过用在一个以上的流体连接处从存储子系统注入的加压空气来补充GT气流将其功率增加至更大或更小的程度。在ACAES充气模式中，GT系统在空气抽取模式中操作，在该模式中，通过在一个以上的流体连接处将GT气流中的一些抽取至存储子系统中来将其功率减小至更大或更小的程度。

ACAES包括流通道网络和相关联的阀结构，其经用于在空气已在GT压缩机中进行压缩之后存储和返回压缩热量的第一热能存储器(TES)从一个以上的流体连接通向压缩空气存储器；第二更高压力级可变质量流的可反转动力机械，其用于在充气模式期间将空气压缩至更高的压力并在排放模式中从更高的压力向下膨胀空气；以及第二热能存储器(TES)，其用于在空气已在可反转动力机械中进行压缩之后存储和返回压缩热量，所有组件与辅助组件，诸如热交换器或除湿装置均分别相继布置在流体通道网络中彼此的下游处。

每个流连接可以是与阀相对的排放孔或注入孔且可以如在第一个方面中所述的。

在GT在发电模式中进行操作的同时GT系统从将空气从GT系统抽出至将空气注入GT系统中(例如，气流方向至/从存储器的切换)或反向的切换可以(仅)通过作为压缩机运作至作为膨胀机运作的可反转动力机械的切换或反向切换来实现。

因此，当GT系统在发电模式中连续操作时，可反转动力机械能够使其功能反转，且该反转可能是流至存储器/从存储器流出以进行反转，即，将ACAES从在充气(即，存储)模式中操作切换至在排放模式中操作所需的所有操作，即，不需要，例如，打开或关闭在阀结构中的任何阀(或，为了避免疑问，不需要改变在燃气轮机中的任何阀布置，这是因为其是不具有用于将流转入或转出GT的任何阀工具的正常配置)。因此，在压缩空气存储器和燃气轮机之间的阀结构通常将是打开的且在切换期间保持打开。然而，出于操作原因，诸如调整压缩机的几何形状(例如，进口导叶以应对变化的压力比)，可能还需要进行其他调整。

在一个实施例中，可反转动力机械是正排量机械，优选为往复式正排量机械。正排量机械可以是基于活塞的机械。基于活塞的机械在作为压缩机和作为膨胀机运作之间的切换或反向切换可以仅通过改变阀定时来实现的。

在一个实施例中，可反转动力机械可以进行定尺寸以匹配与燃气轮机所需的最大功率调制相关联的最大质量流速。

ACAES和可反转动力机械的作用仅仅是调制GT功率，因此其能够是相当小的动力机械。例如，流通道网络和热存储器和可反转动力机械都不需要进行定尺寸以适应甚至为可能通过GT压缩机的最大质量流速的30％，例如，甚或最大质量流速的25％。通常，这些组件将处理通过GT的最大流速的仅仅15％甚或仅仅10％。

在一个实施例中，充气压缩机和相关联的空气进口可以设置在一个以上的流体连接和至少一个直接TES之间用于对压缩空气存储器进行充气。充气压缩机和相关联的空气进口可以当GT系统为不活动的或为活动的且发电的时候允许压缩空气存储器在充气模式中进行充气；但不需要从GT系统抽取空气。因此，虽然该实施例涉及更高的成本和复杂性(尽管充气压缩机仅需要与用其进行充气所需的最大质量流速相匹配)，但其提供了更大的灵活性。

充气压缩机可以在混合CTPGS的发电模式中进行操作，其中加压空气从充气压缩机供给至GT系统并在一个以上的流连接处注入以补充在GT系统中的气流，例如，当没有源于压缩空气存储器的压缩空气是可用的时候。

减压装置(当膨胀气体时不做有用功)可以被设置在至少一个直接TES和压缩空气存储器之间的替代的各个流路径中，以使得源于压缩空气存储器的加压空气可以经减压装置，或经第二热能存储器(TES)和可反转动力机械返回至至少一个直接TES。该实施例允许对功率进行快速和更大的调制，这是因为减压装置仍然能够是低成本的，但却能处理比可反转动力机械高得多的质量流速，从而当按比在可反转动力机械的情况下高得多的流速将空气注入GT系统中时实现功率大得多的增长。如果以这种方式对压缩空气存储器进行排放，与通过可反转机械相对比，这将允许在更短的期间实现更高的峰值功率。再次地，这提供了更大的灵活性，但却具有更高的复杂性，然而不捕获有用功的减压装置(例如，节流阀)却是相对低成本的。例如，能够处理20kg/s的可反转动力机械可用于CCGT的正常操作，其具有按+/-22.5MW调制功率的能力。减压装置可能处理另外的20kg/s，即40kg/s，以使得总的功率调制为-22.5MW至+42.5MW。

如上面相关于第一个方面所说明的，为了允许快速响应，为第一存储器使用直接TES是很重要的。

第二TES暴露于更高的压力下，且因此更通常是间接存储器，然而其也可以是直接TES。

在一个实施例中，压缩空气存储器是可变压力的存储器且第二TES能够以变化的温度曲线存储热量。例如，如果第二TES包括由热交换器联接的间接液体存储器，其优选为在不同的各个层中存储不同温度的热量的分层存储器，例如沿一个方向在连续相邻区域中逐渐增加温度，以使得可以尽可能地接近原始的进口温度按相反的顺序返回热量。如果第二TES是具有固体介质的直接存储器，其可以是简单的整体或者填充床存储器，而不是分层存储器。

根据第二个方面，还提供了一种操作混合燃气轮机发电系统(CTPGS)的方法，该混合燃气轮机发电系统(CTPGS)包括：

该方法包括：

在发电模式中操作混合CTPGS，在发电模式中，空气分别顺流地通过GT系统的压缩机、燃烧器和涡轮机以进行发电；

且在那个模式中，选择性地使用可反转动力机械以按下列方式中的每一个中调制GT系统的功率输出：

在一个实施例中，可反转动力机械进行操作且优选为进行定尺寸以进行操作，通过其的质量流速不超过在GT压缩机的出口处的在GT内的质量流速的25％。“进行定尺寸以进行操作”意味着该质量流速为其最大质量流容量。以这种方式，相对较低功率的机械能够用于按放大的方式调制GT功率输出以在GT系统的(未使用的)全理论容量内实现相当大的功率调制，如之前所描述的；而且，在GT是CCGT而不是OCGT的一部分的情况下，进一步放大了调制效果。

根据第二个方面，还提供了一种改造方法，其中如上面所指定的ACAES被改造成如上面所指定的现有燃气轮机系统以获得如上面所指定的混合CTPGS。

特别地，提供了一种在发电厂对现有燃气轮机(GT)系统进行改造以结合绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统以便提供如上面所指定的混合燃气轮机发电系统(CTPGS)的方法，其包括下列步骤：

e)将第二更高压力级可变质量流的可反转动力机械(膨胀做有用功的气体)以及第二热能存储器(TES)相继安装在所述流体通道网络中的彼此下游处(在充气方向上)；以及

f)配置混合CTPGS以按上面指定的进行操作。

附图说明

仅作为实例的，现在将参考附图来描述本发明的具体实施例。

图1为现有技术的常规联合循环燃气轮机(CCGT)的示意图；

图2a示出根据本发明的第一个方面的第一个实施例；

图2b示出根据本发明的第一个方面的第二个实施例；

图3a示出根据本发明的第二个方面的第一个实施例；

图3b示出根据本发明的第二个方面的第二个实施例；以及

图3c示出根据本发明的第二个方面的第三个实施例。

具体实施方式

图1示出用于调峰发电的常规现有技术的联合循环燃气轮机(CCGT)1的典型布局，其中上游压缩机11被直接联接至下游涡轮机(膨胀机)14并驱动发电机15(例如，被连接至变压器/电网)。在压缩机11和涡轮机14之间的是供给有天然气13的燃烧室12。在正常配置中，压缩机、涡轮机和发电机都直接由驱动联轴器(未示出)联接在相同的轴上。过滤的空气在环境条件(例如，30℃、1巴)下进入压缩机，并被压缩到更高的压力和温度(例如，400℃、16巴)。热的高压空气进入燃烧室，在那里其与天然气混合并导致燃烧，这将气体加热到高得多的温度(例如，1400℃、16巴)。随后，该空气在涡轮机中被膨胀回大气压力，这产生了比压缩机所吸收的更多的功率，因此，存在能够驱动发电机15的净发电。

在使用开式循环燃气轮机(OCGT)的情况下，冷却的空气以远高于环境温度(例如，450℃、1巴)的方式从涡轮机排出。然而，在使用CCGT的情况下，涡轮机以稍高的排气温度进行操作，这是通过在较低的压力比操作或燃烧至较高的涡轮机进口温度而实现的。在从涡轮机14排气后，热的高温废气(例如，在550℃、1巴)进入热交换器16，在那里，在加热高压水的逆流的同时冷却废气。在热交换过程期间水通常变得过热且随后通过蒸汽轮机17被膨胀至更低的压力。然后，该蒸汽在通过水泵19被泵回高压之前在冷凝器20中冷凝以返回至热交换器16。冷凝器20通常供给有源于河流或大海的冷却水流。蒸汽轮机17通常通过发电机18直接联接至水泵19且在蒸汽轮机17中的蒸汽的膨胀产生了比水泵19所吸收的更多的功率，结果是实现补充性的净功率产生。

剩余的图示出了根据本发明的实施例。所有实施例涉及常规的燃气轮机布置，其中压缩机、燃烧器和涡轮机永久地流体连接在彼此下游，以使得每当燃气轮机操作时，至少一些空气相继依次顺流地通过所有那些组件，而不管该流的一部分是否是在一个以上的流体连接处抽出或增强的，且涡轮机被不可拆卸地联接到压缩机，使得当由涡轮机产生功率时，两者一起操作。

此外，所有的实施例均被示为简单循环燃气轮机系统(OCGT)，但也可改为形成联合循环燃气轮机系统(CCGT)的一部分或任何其他合适的衍生燃气轮机设备。

第一个方面

图2a示出根据本发明的第一个方面的第一个实施例，其包括简单循环燃气轮机系统(OCGT)30。然而，其替代地可以形成联合循环系统(CCGT)的一部分，如图1所示。

如上所述，GT是具有直接(且不可拆卸地)联接至下游涡轮机(膨胀机)14的上游压缩机11的常规GT布置，其驱动连接至，例如变压器/电网的发电机15。在压缩机11和涡轮机14之间的是具有燃料进口13的燃烧室/燃烧器12。

绝热压缩空气能量存储系统(ACAES)与GT相集成，这通常被作为改造过程。ACAES经设置在压缩机下游和涡轮机上游的一个以上的流体连接32，例如，在压缩机出口、在涡轮机进口或在那两个之间，例如在燃烧器壳体中进行集成。当GT系统是活动的时(气流相继向下通过压缩机、燃烧器和涡轮机)，这些允许气流中的一部分从在涡轮机上游的GT系统抽出和/或允许一些加压空气被注入GT系统中。一个以上的流体连接可以是单个流体连接或多个连接，例如，用于各自的抽取和注入。例如，对于具有多个罐式燃烧器的燃气轮机而言，其可以包括至每个燃烧器壳体中的各个孔，其具有将孔都连接至加压空气源的歧管。

ACAES包括流通道网络33和相关联的阀结构，其被配置成允许在各种模式中进行选择性操作。在流体连接32的下游，存在有阀31、至少一个直接TES存储器40，且随后为在阀49之后的设置在充气流路径中的第二级压缩机52，其中减压装置50被设置在替代的排放流路径中，这两个(第二级压缩机52和减压装置50)均位于直接TES 40和压缩空气存储器60之间。

在这种情况下，平行地布置替代的流路径。将理解的是，替代路径不需要是平行的：压缩机52和减压装置50可以沿单个流通道串联地进行布置，其中适当的旁路通道围绕其中的每一个，以允许在替代的各自的充气和排放流路径中进行其替代的操作。然而，与排放流路径相反，充气流路径通常应包括紧接在补充压缩机52上游的热交换器48和紧接在其下游的热交换器54。

直接TES系统可以包括基于直接热传递的一个以上的热存储器40。热存储器40可以是直接TES，其具有固体热存储介质46，诸如粉碎的岩石、混凝土或其它合适的颗粒材料和绝热容器44。替代地，其可以具有更多的结构化材料，诸如成形的陶瓷块。存储器可以具有整体或填充床结构且可以是分层或不分层的设计。特别地，热介质46可以包括合适的热介质，诸如高温混凝土、陶瓷组件、耐火材料、天然矿物(粉碎的岩石)或其它合适材料的填充床。

绝热容器44必须进行设计，以使得高压流(通常在15和25巴之间且在450至600℃之间)能够通过直接将热量按所需的充气速率和排放速率传递至热介质46/从热介质46进行传递的容器。由于介质43采用具有至压缩气体的直接热交换的填充床的形式，绝热容器44将需要是绝缘的压力容器。

在图2a中，在充气(至存储器)的模式中，在操作中的燃气轮机11/12/14正在发电。

阀31(其可以仅仅是开/关阀，但优选地也是流控制阀)必须被打开且使压力在热存储器40和至燃气轮机的连接之间为相等的。阀49(其可以仅仅是开/关管道选择器)被设置成确保任何流必须经压缩机52通过。

压缩机52开始操作并将从存储器40且进而从燃气轮机30抽出的空气压缩至更高的压力。这种高压气体比其进入压缩机52时更热并通过热交换器54，在进入高压压缩空气存储器60之前该高压气体在该热交换器54中进行冷却。理想地，在热交换器54中将空气冷却至接近环境温度。

现在，随着在压缩机11后的空气中的一些从该流排出，燃气轮机在稍微降低的功率输出下进行操作。排出的GT质量流的百分比通常不超过15％，更通常为不超过10％。这意味着当压缩机11的功保持恒定的同时，进入涡轮机14的气体量减少，这导致了功率输出的降低。要排出的量是由通过补充压缩机52的质量流确定/控制的。

排出的空气通过阀31并进入热TES 40，当排出的空气将热量传递至热介质46时，其在热TES 40中进行冷却。要注意的是这是直接TES，其中热量传递直接发生在热介质和处于或接近燃气轮机的压缩后的压力的气流之间。

气体通常将在略高于环境温度的温度下离开TES 40且在对其进一步压缩前，可以在热交换器48中将该气体冷却回接近环境温度。以这种方式冷却压缩空气减少了压缩器52中的压缩功，且由于该能量在排放后不能立即恢复，这是优选的。

补充(或第二级)压缩机52可以是往复式(例如，基于活塞的压缩机)、旋转式、涡轮式、离心式或一些其他合适形式的压缩机，其能够在高压压缩空气存储器60的工作范围上进行操作，其可能为至少40巴，更通常为至少60或80巴。

高压压缩空气存储器60可以是制造的压力容器，诸如高压管或焊接的钢容器或更大的容纳工具，诸如地下气体洞穴。压缩空气存储器60可以是可变的或恒压的空气存储器，在这种情况下，补充压缩机52可能需要在宽或窄的压力比下进行操作。

阀50(未在充气期间使用)是减压阀(例如，节流阀)，其被设计成按一定质量流速将空气从高压压缩空气存储器中的压力降低至热TES 40中的压力。排放时的阀31也可以用作减压阀(其能够调节质量流)，然而，这却在小得多的压力比下操作。例如，阀50可以被设计成在高达5:1的压力比下操作，即，将压力从100巴降至20巴，而阀31可以仅被设计成在1.25:1的压力比下降低压力，即，从20巴至16巴。通常，阀50将按大于1.5：1的比(例如，该比可以是3：1或4：1)降低压力，而位于第一TES和GT之间的阀31将按小于1.5：1的比(例如，该比可以是1.2：1或1.4：1)降低压力。

在排放模式中，阀49被设置成确保流经阀50和阀31通过，其在打开的位置上且优选为用作如上所述的减压阀。

燃气轮机30在操作当中且可能处于或接近满功率。要注意的是，本领域的技术人员将理解的是燃气轮机的功率输出随温度发生变化。大多数燃气轮机是针对ISO条件(即，15℃)进行额定的，然而，其通常能够产生比在非常冷的条件(0℃或更低)中的该额定值高10至15％之间的电力。同样，在非常热的条件下，其可以产生比ISO额定值少10至15％的电力。因此，燃气轮机可以在满容量下操作以用于当前的进口条件，但也仍可以在远低于其最大能力的功率下操作。

阀50被打开并允许一定质量的气体以受控的压降通过该阀。更低压力的气体通过热TES 40，在该气体通过阀31之前，其在热TES 40中被加热，且在气体随后进入压缩机之后的燃气轮机之前，压力在阀31中可以进一步地下降。以这种方式，额外的质量被添加至不需要源于压缩机(如其之前已进行了压缩)的功率的气流蒸汽，但也可以燃烧额外的燃料且使通过涡轮机的质量流增加。以这种方式，对于5％的质量流的添加而言，可以将CCGT的输出提高高达8至9％。

排放时的质量流速比充气时的流速高得多。其可以是充气时的质量流速的两倍、三倍或五倍甚或十倍。因此，当流通过TES以及还在将其连接至燃气轮机的管道和管网中时，可能有高得多的压降。其结果是，在TES 40中的压力在排放时将比在充气时高，可能会高几个巴。(例如，压力在TES的上游处可以是20巴且在TES的下游处，即在GT处为17巴)。重要点是进入燃气轮机的气体的状态在用于燃气轮机的正确状态下，即，在正确的流速和压力下。直接TES 40可以被设计为具有比仅在暴露于充气条件下所需的更短的宽高比，即，宽度/口径可能更大，且长度更短以适应更快的质量流排放速率。根据申请人的较早的申请公开号WO2012/127178，通过对热前缘特性的更有效的控制，使用如之前所述的分层的存储器可以允许存储器长度的减小。

大型直接热存储器可以具有大量被压缩空气占有的体积。该体积可以在增加至直接TES中的质量流和看到至燃气轮机中的流速增加之间产生滞后。因此，使用两个减压阀可能对此具有额外的控制，其中阀50用作“粗”控制，且阀31用作“精细”(快速)控制。

以这种方式，提供了一种系统，其使用最少的机械(即，仅压缩机52)来使功率输出有显著且快速的增加。在高压压缩空气存储器中的空气量将确定这种“提高”能够持续多长时间。例如，使用3kg/s的充气质量流，压缩机52在对高压压缩空气存储器进行充气时平均可以使用400kW。在燃气轮机的功率输出中将会有约为3MW的下降，这是因为较少的质量流经涡轮机且仍需要能量以用于压缩。在排放时，质量流速可能为40kg/s且CCGT的功率输出的增加可能是增加40MW。与平均仅使用400kW的单个压缩机的添加相比，该额外的功率非常高，即，高出100倍。

图2b示出根据本发明的第一个方面的第二个实施例。

该系统130在原理上类似于图2a，但是添加了用作(至少)替代的第一级压缩机的充气压缩机62；这具有其自身的上游进口和下游阀64(其是开/关阀)。充气压缩机的存在意味着高压压缩空气存储器的充气能够在燃气轮机是不活动的时候或在其是活动的时候发生，但却用于避免减小燃气轮机的功率输出。

在燃气轮机是不活动的充气模式中，阀31是关闭的且阀64是打开的。充气压缩机62将热的高压空气提供至热TES 40，其在补充压缩机52中进行进一步的压缩之前冷却空气，如前所述。

如果燃气轮机正在操作/是活动的且从充气压缩机和燃气轮机供给空气，那么两个阀31和64必须都打开。压缩机52必须进行定尺寸以实现最大的组合质量流速。

可能有多种充气模式，其包括从充气压缩机62进行充气，充气压缩机62和源于燃气轮机的排放空气的组合或仅仅是源于燃气轮机的排放空气。

在排放模式中，存在有如上面相关于图2a所述的正常排放模式。还存在稍微增强的模式，其中发生了排放且充气压缩机62也进行操作，其中阀64打开以增加至燃气轮机中的质量流。由于充气压缩机62需要电力来驱动其，所以这具有稍微降低的益处。

存在另一种发电模式，其中阀64和31是打开的，阀49是关闭的，没有流通过TES和充气压缩机62，这简单地增强了燃气轮机的功率输出。

第一个方面的实例-用充气压缩机进行的细流充气

进口温度/℃	CCGT燃气轮机的功率输出/MW
		-5	340
15	315
		35	285

表1-GT进口温度对功率的影响

GT系统可以通过用源于存储器的压缩空气来增强通过GT系统的质量流速来在升高的环境温度和/或低空气密度/高海拔按处于或接近其最大操作功率进行操作。

本领域的技术人员将理解在压缩机和涡轮机之间注入空气将趋于提高压缩机必须按其进行操作的压缩比。对能够提高的压力的限制与压缩机的失速特征相关。喘振线用于限定压缩机将发生失速的操作区域。压缩机失速可能对压缩机造成损害，这是因为气流将通过压缩机在相反的方向上按非常快的速率进行排放。

燃气轮机将被设计用于与最大功率操作条件(即处于低温和海平面下)相关的最大扭矩。只要压缩机不失速，燃气轮机就能够使空气注入以将操作提高至该最大扭矩状态。因此，装配喘振(失速)检测装置可能有益于确保能够按靠近喘振线推动GT而非在喘振线上方推动其的速率注入空气。

不同的压缩机将具有不同的设计点，且因此，保持在喘振线下方时可以安全注入的空气量意味着其不能达到最大操作功率状态。

表2-用充气压缩机进行的细流充气

第二个方面

图3a示出根据本发明的第二个方面的第一个实施例。

在这个实施例中，电路是从图2a和2b中所示的电路进行修改的，然而燃气轮机组件、第一直接TES和压缩空气存储器仍保持不变。压缩机52是用可反转压缩机/膨胀机70进行替换的，其可以是正排量装置，诸如能够通过阀定时的变化来在压缩和膨胀之间变化的往复式活塞压缩机。移除阀50且添加第二级TES 72，其可以是直接TES或间接TES。如果其是间接TES，那么将需要有热传递流体和存储介质，该存储介质不处于与压缩空气相同的压力下。

本发明的第二个方面涉及快速调制燃气轮机的功率输出的能力。例如，在充气模式中，压缩机/膨胀机70充当压缩机并通过对热的压缩空气进行冷却的TES 40抽出源于燃气轮机的排放空气。在被压缩至更高压力之前，随着空气通过热交换器48，其被进一步地冷却。热的高压空气通过第二热TES，在该空气进入热交换器54且随后进入高压压缩空气存储器60之前其在第二热TES中进行冷却。优选地，热交换器54将把气体冷却至接近环境温度。

以这种方式，如果压缩机/膨胀机处理15kg/s的空气，那么平均地，其将使用2MW。然而，其将使燃气轮机的输出功率减少15MW，即，功率的总体下降为17MW(15MW+2MW)。

通过将功能从压缩机改变至膨胀机，压缩机/膨胀机70将在充气和排放模式之间移动。

在排放模式中，高压空气离开高压压缩空气存储器60并经可以或可以不是活动的交换器54通向第二热TES，在空气在压缩机/膨胀机70中进行膨胀之前，其在第二热TES中进行加热。在膨胀后，温度应接近环境温度，但是机器损耗意味着温度可能略高一些。对于确保在压缩机/膨胀机70中没有形成冰，在TES中添加热量是重要的。如果需要的话，在进入热TES40之前在热交换器48中对空气进行进一步的冷却，在空气被添加至燃气轮机的气流之前其在热TES40中被重新加热。

以这种方式，添加15kg/s将把功率输出从比正常功率低17MW的充气模式改变为几乎比其高17MW，即对于平均功率要求为+/-2MW的单个压缩机/膨胀机的添加而言，实现了34MW的调制。要注意的是，存在一些损失，其意味着在充气功率降低和排放功率提高之间将存在差异-即，存在一些系统损耗，这意味着如果在相同的时间段内进行，提高的MW将低于功率降低。

在这个实施例中，热存储器72需要进行定尺寸，以使得对于所有存储的气体而言，具有足够的热容量。而且，在压缩机/膨胀机70后的压缩空气的温度将随着在高压压缩空气存储器60中的压力增加而增加。这意味着，如果热存储器72能够以变化的温度曲线存储热量，那么则是优选的。例如，如果第二TES为(经热交换器联接的)间接液体存储器，其优选为分层存储器并在各个层中存储不同温度的热量，例如沿一个方向在连续相邻区域中逐渐增加温度，以使得可以尽可能地接近原始的进口温度按相反的顺序返回热量。如果第二TES是具有固体介质的直接存储器，其将是简单的整体或者填充床存储器，而不是分层存储器。

图3b示出根据本发明的第二个方面的第二个实施例。在这个实施例中，热存储器72不需要被设计成存储等于所有压缩热量的热量。存储器可以是“过充气”的且一些热量可以经热交换器54丢弃。

本发明具有经压力调节阀80的额外的旁通流，其意味着如果需要额外且进一步的功率增强，这能够平行于经压缩机/膨胀机70进行的排放而发生。例如，压缩机/膨胀机70可能处理15kg/s并使GT功率输出提高17MW，同时能够通过减压阀80排放另外的35kg/s。以这种方式，GT输出能够提高约52MW。

经减压阀进行的排放的效率将低于压缩机/膨胀机70的效率，然而该另外的额外的功率提高的成本是非常低的。热TES 40必须能够应对这两者的组合质量流，即50kg/s，而第二TES 72仅需要应对通过压缩机/膨胀机70的流，即15kg/s。

如果当第二TES 72排放时压缩机/膨胀机70不继续排放，则是优选的，这是因为其可能导致与在机器中冰的形成相关的问题。

在所有图3a至3c的实施例中，尽管未示出，可以在可反转动力机械和压缩空气存储器之间的任何地方的流通道中插入截止阀，以使得当ACAES不主动进行充气或排放而是存储压缩空气时，截止阀在可反转机械的较高压力侧密封该系统。

图3c示出根据本发明的第二个方面的第三个实施例。

该图类似于图3b，但却添加了充气压缩机62和阀64。

以这种方式，可能具有如在图2b中所述的多个充气模式，即，经排放的空气从主要GT进行充气，经充气压缩机进行充气和/或这两者的组合。

现在还可能具有额外的排放或增强模式，其包括：

i.在使和不使充气压缩机62运行的情况下经压缩机/膨胀机70进行排放

ii.在使和不使充气压缩机62运行的情况下经减压阀80进行排放

iii.在使和不使充气压缩机62运行的情况下经压缩机/膨胀机70和减压阀80的组合进行排放

iv.使充气压缩机62运行以将一些增加功率传递至GT并将一些充气气流传递至压缩机/膨胀机70

v.使压缩机62运行以在不转向充气系统的情况下提高GT功率。

作为相关事项，可以单独地或组合地使用可变进口导叶、可变出口导叶和可变压缩机的几何形状以有助于在使用增强的质量流时防止压缩机失速。增加从存储器返回的空气的质量流速，例如，可以通过改变在压缩机出口的压力和流条件来影响压缩机流。如果压缩机流速改变，压缩机导叶能够旋转，以便在关键的压缩机级(进口或出口)保持正确的入射以增加失速裕度并允许更多增强的质量流注入。

关于一个方面描述的特性可以结合另一方面使用，其中这与后一个方面是不一致的。

虽然已经参考某些优选实施例详细描述了本发明，但是本发明的其它实施例也是可能的。因此，所附权利要求的范围不应限于对本文所包含的优选实施例的描述。如前所述，CTPGS可以是简单循环SCCT/开式循环OCGT，其仅具有一个功率循环且无需进行废热回收，或这可以是其任何已知或合适的未来变型或衍生物，其仍能够受益于上述第一和/或第二方面的集成，诸如联合循环燃气轮机CCGT(即，除了顶循环之外，其具有燃气轮机的底循环)或其变型，例如具有中间冷却、重新加热、复原或具有蒸汽注入的CTPGS。

Claims

1.一种混合燃烧轮机发电系统(CTPGS)，其包括：

燃烧轮机(GT)系统，其包括流体连接在彼此下游的压缩机、燃烧器和涡轮机，其中所述涡轮机被不可拆卸地联接至所述压缩机且操作性地与用于发电的发电机相关联，

以及绝热压缩空气能量存储系统(ACAES)，其经设置在所述压缩机和涡轮机之间的一个以上的流体连接与所述GT系统相集成，以便允许空气从所述GT系统抽出和/或注入其中；

其中所述ACAES包括经至少一个直接热能存储器(TES)从所述一个以上的流体连接通向压缩空气存储器的流通道网络和相关联的阀结构，

还存在有设置在所述流通道网络内的(i)可选的充气压缩机和相关联的空气进口，其设置在所述一个以上的流体连接和所述至少一个直接TES之间用于对所述压缩空气存储器进行充气，以及(ii)补充压缩机和减压装置，其设置在所述至少一个直接TES和所述压缩空气存储器之间的替代的各个流路径中，

其中，所述流通道网络和相关联的阀结构被配置成允许在以下两种模式中对所述ACAES进行选择性操作：

充气模式，其中第一质量流速的压缩空气由所述GT系统的所述压缩机和/或所述可选的充气压缩机供给至所述至少一个直接TES，所述压缩空气通过所述至少一个直接TES并由其进行冷却，且所述压缩的冷却空气在被存储在所述压缩空气存储器中之前由所述补充压缩机进行进一步的压缩；以及

排放模式，其中比所述第一质量流速更高的第二质量流速的、源于所述压缩空气存储器的加压空气由所述减压装置进行膨胀，并且在经由所述一个以上的流体连接返回至所述燃烧器以对流经其的气流进行补充之前，通过对其进行加热的所述至少一个直接TES；以及

其中所述CTPGS被配置成允许在所述下列操作模式中的至少每一个中进行选择性操作：

(i)正常的发电模式，其中空气朝下游分别通过所述GT系统的所述压缩机、燃烧器和涡轮机以进行发电，但所述气流未进行部分补充或抽出；

(ii)另一种发电模式，其中朝下游分别通过所述GT系统的所述压缩机、燃烧器和涡轮机以进行发电的空气是通过在所述一个以上的流体连接处注入加压空气而进行补充的，所述加压空气是随着其在上面限定的所述排放模式中进行操作而按所述第二质量流速从所述ACAES系统的所述压缩空气存储器返回的；以及

(iii)存储模式，其中：

(a)源于所述充气压缩机的压缩空气，当存在时，是按所述第一质量流速被供给至所述至少一个直接TES，且所述GT系统是不活动的，或是活动的并发电的；和/或，

(b)压缩空气是经所述一个以上的流体连接从所述GT系统抽出的并按所述第一质量流速被供给至所述至少一个直接TES。

2.根据权利要求1所述的混合CTPGS，其中所述第二质量流速为所述第一质量流速的至少两倍。

3.根据根据权利要求1或权利要求2所述的混合CTPGS，其中在所述充气模式中，通过所述GT系统的所述压缩空气中的一些在所述一个以上的流体连接处被抽出并按所述第一质量流速被供给至所述至少一个直接TES。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的混合CTPGS，其中具有所述相关联的空气进口的所述充气压缩机被设置在所述一个以上的流体连接和所述直接TES之间，且在所述充气模式中，所述第一质量流速的压缩空气由所述充气压缩机供给至所述至少一个直接TES。

5.根据权利要求3和4所述的混合CTPGS，其中所述第一质量流速的压缩空气是通过根据权利要求3从所述GT系统抽出以及根据权利要求4由所述充气压缩机供给而被供给至所述至少一个直接TES。

6.根据任一前述权利要求所述的混合CTPGS，其中流调节阀被设置在所述一个以上的流体连接和在排放模式中控制所述流速的所述直接TES之间的所述流通道网络中以便调节所述GT功率输出。

7.根据任一前述权利要求所述的混合CTPGS，其中所述至少一个直接TES包括直接传递显热存储器，其包括设置在各自下游的个别接入受控层中的固体热存储介质。

8.根据任一前述权利要求所述的混合CTPGS，其中所述压缩空气存储器包括可变压力的压缩空气存储器。

9.根据任一前述权利要求所述的混合CTPGS，其中所述压缩空气存储器包括一个以上的管道。

10.根据任一前述权利要求所述的混合CTPGS，其中存在所述充气压缩机，且所述CTPGS被配置成允许在下列进一步的操作模式中进行选择性操作：

(iv)另外的发电模式，其中加压空气从所述充气压缩机被供给至所述GT系统并在所述一个以上的流连接处进行注入以补偿在所述GT系统中的所述气流。

11.根据权利要求10所述的混合CTPGS，其中所述CTPGS被配置成允许在下列进一步的操作模式中进行选择性操作：

(v)替代的另外的发电模式，其中，除了根据权利要求10从所述充气压缩机供给的所述加压空气外，从所述压缩空气存储器返回的加压空气在所述一个以上的流连接处进行注入以补偿在所述GT系统中的所述气流。

12.一种操作混合燃烧轮机发电系统(CTPGS)的方法，所述混合燃烧轮机发电系统(CTPGS)包括：

充气模式，其中第一质量流速的压缩空气由所述GT系统的所述压缩机和/或所述可选的充气压缩机供给至所述至少一个直接TES，所述压缩空气通过所述至少一个直接TES并由其进行冷却，且所述压缩的冷却空气在存储在所述压缩空气存储器之前由所述补充压缩机进行进一步的压缩；以及

所述方法包括：

在下列操作模式中的至少每一个中选择性地操作所述CTPGS：

(iii)存储模式，其中：

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述系统如在权利要求2至11中任一项中所限定的且如所限定的进行操作。

14.一种在发电厂对现有燃烧轮机(GT)系统进行改造以结合绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统以便提供根据权利要求1所述的混合燃烧轮机发电系统(CTPGS)的方法，其包括下列步骤：

g)在所述现有GT系统的地方安装至少一个直接热能存储器(TES)，其包括流体连接在彼此下游的压缩机、燃烧器和涡轮机，其中所述涡轮机被不可拆卸地联接至所述压缩机且操作性地与用于发电的发电机相关联；

h)提供或改造设置在所述压缩机和涡轮机之间的一个以上的流体连接，以便允许空气从所述GT系统抽出和/或注入其中；

i)安装经所述至少一个直接(TES)从所述一个以上的流体连接通向压缩空气存储器的流通道网络和相关联的阀结构；

j)可选地在所述流通道网络内安装充气压缩机和相关联的空气进口，其设置在所述一个以上的流体连接和所述至少一个直接TES之间用于对所述压缩空气存储器进行充气；

k)安装补充压缩机和减压装置，其设置在所述至少一个直接TES和所述压缩空气存储器之间的所述流通道网络内的替代的各个流路径中；以及

l)配置所述混合CTPGS以按权利要求1中限定的进行操作。

15.一种基本上如之前参考附图的图2a和2b所述的系统或方法。

16.一种混合燃烧轮机发电系统(CTPGS)，其包括：

其中所述ACAES包括经第一直接热能存储器(TES)从所述一个以上的流体连接通向压缩空气存储器的流通道网络和相关联的阀结构；

其中第二更高压力级可变质量流的可反转动力机械以及第二热能存储器(TES)被相继布置在所述流体通道网络中的彼此下游处；

其中所述混合CTPGS可在发电模式中操作，在所述发电模式中，空气朝下游分别通过所述GT系统的所述压缩机、燃烧器和涡轮机以进行发电；

且其中，在那个模式中，所述可反转动力机械被选择性地配置成按下列方式中的每一个调制所述GT系统的功率输出：

i.通过作为压缩机进行操作并选择性地调整其质量流速以在ACAES充气模式中改变从所述GT系统抽出空气且将所述空气传至所述压缩空气存储器的速率；

ii.通过作为膨胀机进行操作并选择性地调整其质量流速以在ACAES排放模式中改变从所述压缩空气存储器取出空气以注入至所述GT系统中的速率；以及

iii.通过在作为压缩机运作至作为膨胀机运作的切换或反向切换，以便将所述ACAES从其中从所述GT系统抽出空气的充气模式切换至其中将空气注入所述GT系统中的排放模式，且反之亦然。

17.根据权利要求16所述的混合CTPGS，其中当所述GT在所述发电模式中进行操作的同时，所述GT系统从将空气从所述GT系统抽出切换至将空气注入所述GT系统中或反向的切换是仅由作为压缩机运作至作为膨胀机运作的所述可反转动力机械的切换或反向切换来实现的。

18.根据权利要求16或17所述的混合CTPGS，其中所述可反转动力机械是正排量机械。

19.根据权利要求18所述的混合CTPGS，其中所述正排量机械是基于活塞的机械。

20.根据权利要求19所述的混合CTPGS，其中所述基于活塞的机械在作为压缩机和作为膨胀机运作之间的切换或反向切换是仅通过改变阀定时来实现的。

21.根据权利要求16至20中的任一项所述的混合CTPGS，其中所述可反转动力机械的尺寸设置成匹配与所述燃烧轮机所需的最大功率调制相关联的最大质量流速。

22.根据权利要求16至21中的任一项所述的混合CTPGS，其中充气压缩机和相关联的空气进口被设置在所述一个以上的流体连接和所述至少一个直接TES之间用于对所述压缩空气存储器进行充气。

23.根据权利要求22所述的混合CTPGS，其中所述充气压缩机可在所述混合CTPGS的发电模式中进行操作，其中加压空气从所述充气压缩机被供给至所述GT系统并在所述一个以上的流连接处进行注入以补偿在所述GT系统中的所述气流。

24.根据权利要求16至23中的任一项所述的混合CTPGS，其中减压装置被设置在所述至少一个直接TES和所述压缩空气存储器之间的替代的各个流路径中，以使得源于所述压缩空气存储器的加压空气可以经所述减压装置，或经所述第二热能存储器(TES)和所述可反转动力机械返回至所述至少一个直接TES。

25.根据权利要求16至24中的任一项所述的混合CTPGS，其中所述第二TES为直接TES。

26.根据权利要求16至25中的任一项所述的混合CTPGS，其中所述压缩空气存储器是可变压力的存储器且所述第二TES能够以变化的温度曲线存储热量。

27.一种操作混合燃烧轮机发电系统(CTPGS)的方法，所述混合燃烧轮机发电系统(CTPGS)包括：

所述方法包括：

在发电模式中操作所述混合CTPGS，在所述发电模式中，空气朝下游分别通过所述GT系统的所述压缩机、燃烧器和涡轮机以进行发电；

且在那个模式中，选择性地使用所述可反转动力机械以按下列方式中的每一个调制所述GT系统的功率输出：

iv.通过作为压缩机进行操作并选择性地调整其质量流速以在ACAES充气模式中改变从所述GT系统抽出空气且将所述空气传至所述压缩空气存储器的速率；

v.通过作为膨胀机进行操作并选择性地调整其质量流速以在ACAES排放模式中改变从所述压缩空气存储器取出空气以注入至所述GT系统中的速率；以及

vi.通过在作为压缩机运作至作为膨胀机运作的切换或反向切换，以便将所述ACAES从其中从所述GT系统抽出空气的充气模式切换至其中将空气注入所述GT系统中的排放模式，且反之亦然。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述可反转动力机械以流经其的一质量流速进行操作，且优选为将尺寸设定为处理流经其的一质量流速，该质量流速不超过在所述GT压缩机的出口处的所述GT内的质量流速的25％。

29.根据权利要求27或权利要求28所述的方法，其中所述系统如在权利要求17至26中任一项中所限定的且如所限定的进行操作。

30.一种在发电厂对现有燃烧轮机(GT)系统进行改造以结合绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统以便提供根据权利要求1所述的混合燃烧轮机发电系统(CTPGS)的方法，其包括下列步骤：

g)在所述现有GT系统的场所安装至少一个直接热能存储器(TES)，其包括流体连接在彼此下游的压缩机、燃烧器和涡轮机，其中所述涡轮机被不可拆卸地联接至所述压缩机且操作性地与用于发电的发电机相关联；

k)将第二更高压力级可变质量流的可反转动力机械以及第二热能存储器(TES)相继安装在所述流体通道网络中的彼此下游处；以及

l)配置所述混合CTPGS以按权利要求1中限定的进行操作。

31.一种基本上如之前参考附图的图3a和3c所述的系统或方法。