CN1094559C - 在高外界温度或低空气密度时使用补充压缩空气使燃气轮机发电站以全功率运行的方法 - Google Patents

在高外界温度或低空气密度时使用补充压缩空气使燃气轮机发电站以全功率运行的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种方法，保证在升高的外界温度和/或低空气密度条件下使燃气轮机(12)可在最大功率状态下运行。该方法包括：一种燃气轮机模式，在该模式中空气仅由燃气轮机压缩机(14)供应；一种压缩空气增加模式，在该模式中附加的空气由空气存储器(28)供应；以及一种空气存储器加载模式，在该模式中，来自加载压缩机(32)的空气被输到空气存储器(28)。替代的一种方法是，取消空气存储器(28)而使加载压缩机(32)的尺寸适于供应全部的补充空气流体。

Description

在高外界温度或低空气密度时使用补充压缩空气 使燃气轮机发电站以全功率运行的方法
发明领域
本发明涉及燃气轮机发电站，更具体地是涉及燃气轮机发电站的运行方法，以便恢复当燃气轮机装置在高外界温度或低空气密度条件下运行时可能产生的功率损失和/或应用补充空气流体的方法生产出比传统燃气轮机装置生产的电力更多的电力。
背景技术
燃气轮机发电站是被选用于用电峰期供电的电站。对于压倒多数的电力用户(美国的和国外的)其电力消费高峰期是在夏季期间，这一时期由于高的外界温度，正是燃气轮机的电力生产处于其最低谷时期。电力生产降低的简单解释是：高外界温度与输入空气密度较低有关，它使通过燃气轮机装置的物质流体减少，带来电力生产相应的减少。图1a、1b、1c分别表示了传统的通用电力体系7EA燃气轮机装置12分别运行在三种外界温度：华氏59°(图1a)、华氏0°(图1b)、华氏90°(图1c)时简化的热量与物质平衡情况。图1a中，总功率＝85.4兆瓦，热率＝10,420英热量单位/千瓦时；图1b中，总功率＝102.5兆瓦，热率＝10,110英热量单位/千瓦时；图1c中，总功率＝76.4兆瓦，热率＝10,630英热量单位/千瓦时。图1a-1c中，T＝温度(度，华氏)，P＝压强(磅/吋2)，M＝物质流体(磅/秒)。燃气轮机12包含压缩机14、膨胀式气轮机16及向膨胀式气轮机16供应热的燃烧成品燃气的燃烧室18。膨胀式气轮机16被联接用来驱动压缩机14及发电机20，发电机20与电力网17相联接。
图1a-1c用实例说明了传统的通用电力燃气轮机装置，其额定功率84.5MW(兆瓦)，在ISO条件下(华氏59°，相对温度60％)，当外界温度为华氏0°时，将产出的最大功率约为102.5MW；在华氏90°时，功率将减至大约76.4MW。在高外界温度期间燃气轮机装置造成的巨大功率损失需要公用事业公司购买附加的峰期电量以满足夏天峰值需求。在高外界温度时运行的联合循环发电站的功率损失近似于该条件下燃气轮机装置的功率损失。
有一些在高外界温度期间部分地恢复燃气轮机/联合循环发电站的功率损失的方便方法：蒸发冷却及各种燃气轮机入口空气冷却器(机械式的或吸收式的)。这些方法只能部分地恢复燃气轮机功率而同时显著地增加了资金成本，成本增加不能永远作为限制在高外界温度期间运行的正当理由。
因此，需要开发一种能使燃气轮机装置在最大功率条件下运行而不用顾及外界温度的方法。
类似的功率损失问题存在于燃气轮机装置安装在高海拔处的情况下。这些应用方面的问题与较低的空气密度及燃气轮机功率的相应损失有关。目前没有办法恢复与高海拔处应用有关的功率损失。
发明内容
因此，需要发展一种方法，它将使燃气轮机装置即使运行在高海拔处还能维持最大功率。
本发明的目的是要满足上述提到的各种需求。根据本发明的原理，这些目的可通过一种方法来实现，该方法通过由一个空气存储器提供馈送空气的办法可保证燃气轮机发电系统在升高的外界温度下和/或在低空气密度时和/或在超过传统燃气轮机装置的功率的条件下运行于允许的最大功率状态下。该方法包括提供至少一种燃气轮机装置，该装置包含：压缩机、工作时与该压缩机相联的膨胀式气轮机、与该膨胀式气轮机联接的发电机；向该膨胀式气轮机供气的燃烧室；流通通道结构，该通道结构使压缩机的出口与燃烧室的入口流体上相联通；压缩空气存储器；向空气存储器加载的加载压缩机；使加载压缩机的出口与空气存储器的入口流体上联通的加载结构；使空气存储器的出口与燃烧室的入口流体上联通的联接结构；以及与该联接结构及该加载结构相联的阀结构，以便分别地控制通过该联接结构及加载结构的流体。
控制上述阀结构以便允许选择以下运行模式中的一种：(1)燃气轮机运行模式，其中来自压缩机的被压缩空气流动通过流通通道结构至向膨胀式气轮机供气的燃烧室，使膨胀式气轮机驱动发电机；(2)压缩空气增加运行模式，其中除了压缩空气穿过流通通道结构流至燃烧室外，来自空气存储器的压缩空气被供输通过联接结构供给燃烧室，这增加了供给膨胀式气轮机的压缩空气及燃气的物质流体，并由于向膨胀式气轮机供应了附加的压缩空气而可使发电机增加发电量。
根据本发明的一个方面，来自空气存储器的压缩空气被导向饱和器，该压缩空气和热水在该饱和器内混合。在被注入燃烧室的上游之前，饱和的和已预热的压缩空气被送至换热器进一步加热。
根据本发明的另一个方面，压缩空气存储器被取消，而补充压缩机结构的尺寸定得可向燃烧室提供全部的补充空气流，以便可以连续地运行及增加发电量而不受空气存储器尺寸的限制。
在下列详细说明及附加权利要求书的过程中，本发明的上述及其它目的会变得明显起来。
在参考附图时能最好地理解本发明，在附图中图示了解释用的实施例，相同部分的标号是相同的。
附图简要说明
图1a是传统的GE7EA燃气轮机运行在华氏59°时的示意图；
图1b是传统的GE7EA燃气轮机运行在华氏0°时的示意图；
图1c是传统的GE7EA燃气轮机运行在华氏90°时的示意图；
图2是根据本发明的原理提供的燃气轮机发电系统的实施例图；
图3是本发明的燃气轮机发电系统的另一实施例图；
图4还是本发明的燃气轮机发电系统的另一个实施例图，该系统具有底部蒸汽循环；
图5是可应用于图2及3中说明的实施例的运行参数的示意图，其中燃气轮机装置以空气增加运行模式运行于外界温度华氏90°条件下；
图6是本发明的燃气轮机发电系统的另一实施例，包含了对补充空气流体进行加温；
图7是可应用于图6中说明的实施例的运行参数的示意图，其中燃气轮机装置以空气增加运行模式运行于外界温度华氏90°的条件下；
图8是本发明的燃气轮机发电系统的另一实施例，该实施例取消了压缩空气存储器，但含有补充空气流体的加湿；以及
图9是可应用于图8中说明的实施例的运行参数示意图，其中燃气轮机装置以空气增加运行模式运行于外界温度华氏90°的条件下。
本发明详细说明
参考图2，它图示了根据本发明的原理提供的燃气轮机发电系统，通常以标号10来指明。应该理解到对于本发明系统10在高外界温度条件下与在高海拔条件下运行，在物理学上和机械学上是一样的。因此，此处所有的说明将只描述在高外界温度下应用时的方法及其效率。再有，应明白本发明同等地应用于联合循环电站，其中燃气轮机是主要的组成部分。
参考图2，用图说明了燃气轮机发电系统10的一个实施例，该实施例包含了传统的燃气轮机装置12，该装置12可以是，例如GE7EA燃气轮机装置。该燃气轮机装置12包括传动装置及燃烧室18，该传动装置含有压缩机14及膨胀式气轮机16，而燃烧室18向膨胀式气轮机16供应热的燃烧用成品燃气。膨胀式气轮机16与压缩机14联接以驱动它。气轮机16还和发电机20联接。该发电机20与电力网17相联接。在燃气轮机运行模式中，空气在压缩机14中被压缩并流经流通通道结构21，压缩空气被送至燃烧室18，这之后热的燃烧用成品燃气在膨胀式气轮机16中膨胀以产生动力。
根据本发明，设置了燃气轮机装置12，以便把存储的压缩空气预先地注入燃烧室18的入口，该燃烧室向膨胀式气轮机16供气。如果要提供的功率超过了燃气轮机装置12产生的功率，就要提高发电机的容量，其机制将在下面更全面的解释。
在图2中说明的实施例中，设置了附加的压缩空气压缩存储及补偿系统(CACSRS)并且包含有经过管子状的加载结构34向压缩空气存储器28供应压缩空气的压缩机系32。在图示的实施例中，该压缩机系32分别地包括第一及第二压缩机36及38，它们由电机40驱动。中间冷却器42配置在第一压缩机36与第二压缩机38之间。另外，后冷却器44配置在第二压缩机38的出口与压缩空气存储器28的入口之间。阀46配置在第二压缩机38的出口与后冷却器44的入口之间。阀48配置在后冷却器的出口与压缩空气存储器28的入口之间。阀46及48构成第一阀系统。
压缩空气存储器28的出口经联接结构50与燃烧室18的入口流体上接通。在图示的实施例中，换热器52设置在空气存储器28的出口与燃烧室18的入口之间。阀54设置在换热器52的出口与燃烧室18的入口之间并且阀55设置在联接结构50之内，该联接结构50位于空气存储器28的出口与换热器52的入口之间。阀54及55构成第二阀系统。另外，任选的阀56设置在加载结构34与联接结构50之间的接合点的下流处并通向空气存储器28。可以理解的是，如果不设置换热器52，那就不需要阀54。同样地，如果不设置后冷却器44，就不需要阀46。
电机40与电力网17相联，这样在非用电高峰期间，电机40就可驱动压缩机系32以便向空气存储器28加载。
压缩空气存储器可以是地下的地质构造物，诸如盐矿圆拱、盐矿床、砂石含水层或由坚硬的岩石构成。要不然，空气存储器28也可是人造的压力容器，它可设置在地面上。
本发明的方法包含燃气轮机装置12及附加的压缩空气加载存储及补偿系统，可提供给以下三种运行模式：
(1)压缩空气存储系统加载运行模式，具有通过压缩机系32的流通通道、后冷却器44、向压缩空气存储器28加载的加载结构34；其中在加载结构34中的阀46及48是开启的而联接结构50中的阀54及55是关闭的；而使用非用电高峰期的电力网17能量的电机驱动压缩机系32把外界空气压缩至指定压力而压入空气存储器28内。
(2)空气增加运行模式，其中传统的燃气轮机装置12的运行集成了：来自空气存储器28的压缩空气流体；来自空气存储器28的空气，它在换热器52中被预热并被注入燃烧室18的上游；而且其中来自空气存储器28的压缩空气穿过联接结构50，经过换热器52至燃烧室18的上游点；在此运行期间，加载结构34中的阀46及48是关闭的而联接结构50中的阀54及55是开启的并控制来自空气存储器28的附加气流；此种运行模式的电力生产显著地超过燃气轮机装置12的，因由膨胀式气轮机16产生的功率源自总气流的膨胀，总气流是被压缩机14压缩的气流与来自压缩空气存储器28的附加气流之和；压缩机14的入口导向轮叶可被关闭以减少压缩机14的电力消耗而增加由发电机20产生的输向电力网17的电力；以及
(3)传统的燃气轮机运行模式，其中CACSRS被从燃气轮机装置12中撤除，并且加载结构34中的阀46及48以及联接结构50中的阀54及55被关闭，使得压缩空气从压缩机14穿过流通通道结构21流至向膨胀式气轮机16供气的燃烧室18。
虽然在此处实施例中显示的只是一台燃气轮机装置12，应理解的是可以设置许多台燃气轮机装置并与通用的空气存储器相联接，以提供所希望的增加的气流并因之而获得所希望的电力输出。
图3是本发明的第二实施例的图解示意图并含有燃气轮机装置12。如上所述，采取措施预先地向燃烧室18的上游注入存储的压缩空气并且采取措施向压缩机14的下游抽取压缩空气，以便在中间冷却器58中进一步冷却和在增压压缩机60中进一步压缩。还有，如果需要，发电机的容量可以进一步提高。
本方法还设置有CACSRS，它具有用于驱动加载增压压缩机的电机40，压缩机60由中间冷却器58供气。后冷却器44设置在增压压缩机60的下游，而阀46及48分别被设置在后冷却器之前及之后，并且是设置在加载结构34之中。于是，提供了从压缩机14的出口经过中间冷却器58的流通通道，它配置在汇合结构62之中，通至增压压缩机60的入口，经过后冷却器44至压缩空气存储器28。另外，压缩空气可从压缩机14的出口流出经流通通道结构21流至燃烧室18的入口。压缩空气存储器经联接结构50流体上与燃烧室18的上游点沟通。在汇合结构62中的阀64，与流通通道结构21中的阀66、在加载结构34中的阀44及46、及在联接结构50中的阀54及55一起，有选择地控制流过流通通道结构21、联接结构50、加载结构34及汇合结构62的气流。
如同在第一实施例中的情形，燃气轮机装置12及CACSRS被集成在一起以提供三种运行模式：
(1)压缩空气存储系统加载运行模式，其中流通通道存在于：从压缩机14起，经过含有中间冷却器58的汇合结构62，至增压压缩机60，经过含有后冷却器44的加载结构34，至压缩空气存储器28；一股约占名义流量5-10％的膨胀式气轮机冷却气流自压缩空气存储器28流经联接结构50至换热器52并经未点火的燃烧室18流至膨胀气轮机16并流出排气管；加载结构34中的阀46及48是开启的，联接结构50中的阀54及55是部分打开的以使冷却气流经未点火的燃烧室18流至膨胀式气轮机16；汇合结构62中的阀64是开启的而阀66被关闭；由非用电高峰时的电力网17供电的燃气轮机发电机20驱动燃气轮机轴并且增压压缩机60被电机40所驱动，电机40也是由非用电高峰时的电力网17供电的；
(2)空气增加运行模式，其中传统的燃气轮机的运行汇合了来自空气存储器28的附加压缩空气流，该气流在换热器52中被预热并被注入燃烧室18的上游；于是来自空气存储器28的压缩空气流过联接结构50，穿过换热器52至燃烧室18的上游点；加载结构34中的阀46及48是关闭的；联接结构50中的阀55及54是开启的并对来自空气存储器28的附加空气流进行控制；在汇合结构62中的阀64是关闭的而阀66是开启的；这种运行模式导致其电力生产显著地超过燃气轮机装置12的，因为由膨胀式气轮机16产生的功率源自总气流的膨胀，总气流是被压缩机14压缩的气流与来自压缩空气存储器28的附加气流之和；压缩机14的入口导向轮叶可被关闭以减少压缩机14的功率消耗，以便增加发电机20产生的输向电力网17的电力；
(3)传统的燃气轮机运行模式，其中从燃气轮机装置12中取消了CACSRS，在加载结构34中的阀46及48及在联接结构50中的阀55及54是关闭的以及汇合结构62中的阀64是关闭的而在流通通道结构中的阀66是开启的，以使压缩空气从压缩机14流过流通通道结构至向膨胀式气轮机16供气的燃烧室18。
图4是本发明的第三实施例的示意说明图，并且含有带燃气轮机装置12的联合循环发电站；装置12具有传统的地下蒸汽循环部件；热回收蒸汽发电机68；(蒸)汽轮机70，与汽轮机70联接的发电机71，冷凝器72，空气分离器74及泵76。燃气轮机装置需要采取措施预先向燃烧室18的上游注入存储的压缩空气，并从压缩机14的下游抽取压缩空气，以进一步在增压压缩机60中冷却和压缩。还有，如果需要，发电机20的容量可以提高。
本发明方法还提供附加的CACSRS，它含有驱动增压压缩机60的电机，压缩机60由中间冷却器58供气，后冷却器44、汇合结构62使从压缩机16的出口经中间冷却器58至增压压缩机入口及经过流通通道结构21至燃烧室18入口之间能够沟通。加载结构34使增压压缩机60的出口与压缩空气存储器28的入口之间得以沟通。联接结构50使压缩空气存储器28与燃烧室18的上游点之间得以沟通。阀46及48设置在加载结构34之中，阀55设置在联接结构50之中，而且阀64设置在汇合结构62之中，而阀66设置在流通通道结构21之中，以便有选择地控制流过加载结构34、联接结构50和汇合结构62及流通通道结构21的气流。
燃气轮机装置12与蒸汽地下循环及附加的CACSRS相结合，通常以78来标示，以提供三种运行模式：
(1)压缩空气存储器加载运行模式，其中气流通过压缩机14，穿过含有中间冷却器58的汇合结构62至增压压缩机60，经过含有后冷却器44的加载结构34至压缩空气存储器28；约为名义气流量的5-10％的气轮机冷却气流从压缩空气存储器28流过联接结构50，并经未点火的燃烧室18，至膨胀式气轮机16而后至排气管；在加载结构34中的阀46及48是开启的，在联接结构50中的阀50是部分开启的，以提供冷却气流并经未点火的燃烧室18至膨胀式气轮机；在汇合结构62中的阀64是开启的而阀66是关闭的；由非供电高峰时的电力网17供电的燃气轮机发电机20驱动燃气轮机轴，而增压压缩机60被也由非供电高峰时的电力网17供电的电动机40所驱劝；
(2)空气增加运行模式，其中传统的燃气轮机运行汇合了来自空气存储器28的附加压缩空气气流，该气流被注入燃烧室18的上游；在该处，来自空气存储器28的压缩空气流过联接结构50至燃烧室18的上游点；在加载结构34中的阀46及48是关闭的，在联接结构50中的阀55是开启的并控制来自空气存储器28的附加气流；在汇合结构62中的阀64是关闭的而阀66是开启的；另外，设置了传统的闭环蒸汽/冷凝流通通道，在热回收蒸汽发生器68中产生的蒸汽发生膨胀并通过蒸汽轮机70，蒸汽轮机70产生输向电力网17的电力，而后通过冷凝器72、分离器74、给水泵76返回到热回收蒸汽发电机68；这种运行模式导致燃气轮机装置的电力生产显著地超过不用附加空气流的传统的燃气轮机装置的，因为由膨胀式气轮机16生产的功率源自总气流的膨胀，该总气流是压缩机14所压缩的气流与来自压缩空气存储器28的附加气流之和；还有，由于热回收蒸汽发电机68从膨胀式气轮机16排出口回收热量，产生了附加的蒸汽流，所以底下环路78的蒸汽轮机就产生了附加的电力；压缩机14的入口导向轮叶可被关闭以减少压缩机14的功率消耗而增加由发电机20发出的输向电力网17的电力；以及
(3)传统的燃气轮机运行模式，其中从燃气轮机装置12中取消了CACSRS，加载结构34中的阀46及48，联接结构50中的阀55及54是关闭的，而流通通道结构21中的阀66是开启的以使来自压缩机14的压缩空气流过流通通道结构至向膨胀式气轮机16供气的燃烧室18。
本发明方法的实际应用示于图5，这是具有可应用于根据本发明的第一及第二示例说明的实施例的运行参数的示意图，其中GE体系7EA燃气轮机装置12以空气增加模式并在外界温度华氏90°条件下运行。图5中，总功率＝129.2兆瓦，热率＝9,140英热量单位/千瓦时(没有换热器)，热率＝8,010英热量单位/千瓦时(带换热器)，其中T＝温度(度，华氏)，P＝压强(磅/吋2)，M＝物质流体(磅/秒)。图5图示说明当在外界温度上升到华氏90°时的空气增加期间，168磅/秒的附加压缩空气流从压缩空气存储器28获得补充并注入燃烧室18的上游以使燃气轮机18的电力输出从在同样的外界温度华氏90°下(见图1c)的传统燃气轮机装置运行的76.4MW(兆瓦)增加至129.2MW。补充的空气量受设计的制约条件数量的限制。对于GE体系7EA燃气轮机装置，其制约条件是当燃气轮机装置运行在华氏0°(见图1b)时，可达到的最大膨胀式气轮机的功率是228MW。
表1a表示的是传统的GE体系7EA燃气轮机装置运行的性能特性，该燃气轮机装置具有空气增加-可应用于本发明的第一及第二示例说明的实施例。表1a显示在外界温度高于华氏0°的整个范围内，空气增加导致的功率增加量：在外界温度华氏90°时为52.8MW，而华氏59°时为32.8MW。在空气增加概念方面的特性参数中，热率表示燃料消耗量，每仟瓦小时英热量单位——BTU/KWh，及压缩空气存储器补充的消耗量，仟瓦时——KWh。电力生产成本(COE)的计算：COE＝(热率，BTU/KWh)×(燃料成本，$/BTU)+(非高峰期空气补充用能量，KWh)×(非高峰期能量成本，$/BTU)/在空气增加运行模式下生产的总KWh数。
                                  表1a
体系7EA CT-简单循环总功率，MW热率(LHV及天燃气燃料)，Btu/kWh                            外  界  温  度
    0     59     70     90
102.510,110 85.410,42 82.410,520 76.410,630
基于体系7EA的增加输出总功率，MW总功率增加量，MW热率(LHV及天燃气燃料)，Btu/kWh w/o带换热器时的热率增加运行时间，小时压缩及存储压缩能，MH存储方式容积，Million Cu.Ft(百万立方英尺)洞穴内的压力增量，Psi(磅/吋2) 102.50.010,110N/AN/A 118.032.69,6108,6809.8 122.239.89,5108,3408.5 129.252.89,1408,0106.0
210盐矿圆拱5.385150
表1b说明的是本发明的第三示例说明实施例的性能特性，即基于GE体系7EA的传统联合循环发电站，以及该站在空气增加模式下的运行。其结果和第一及第二示例说明实施例相似。
表1b
体系7EACT-联合循环总功率，MW(兆瓦)热率(LHV及天燃气燃料)                        外  界  温  度
  0     59     70     90
155.66,810 134.16,800 130.76,900 123.46,970
基于体系7EA联合的增加输出总功率，MW(兆瓦)总功率增加量，MW(兆瓦)热率(LHV及天燃气燃料)增加运行的时间，(小时)压缩及存储压缩能，MH存储方式容积，Million Cu.Ft(百万立方英尺)在洞穴内的压力增量，Psi(磅/吋2) 155.60.06,810N/A 168.434.36,7309.8 172.541.96,7408.5 178.955.66,6006.0
210盐矿圆拱5.385150
带有空气增加的燃气轮机系统的换算成本如下：
·压缩空气存储成本；
·用存储器补充的压缩机系成本；
·组成整个系统时的管道互联、阀及控制部分的成本。
压缩空气存储器的尺寸应(做得)足以存储大量的空气以在升高的外界温度及在最大输出功率条件下能支持指定小时数的空气增加运行。所存储的压缩空气的压力应足以使附加的大量空气能注入燃烧室的上游。对于如图5及表1a及1b所示的实施例，当空气存储器的尺寸(造得)可供在华氏90°时及在最大输出功率129.2MW条件下连续运行6个小时，对于盐矿圆拱合适的压缩空气存储器尺寸需要540万立方英尺(深度为1000英尺及其最大与最小压力的差为150磅/吋2)，其成本约为500万美元。工程和成本评估表明：提供一台带空气增加的GE体系7EA燃气轮机装置在上述条件下的总成本约为880万美元，在外界温度为华氏90°、附加功率为52.8MW下(见表1a)或变换为比率成本约是160美元/仟瓦。这相比起来优于类似的(50兆瓦)容量的燃气轮机装置的比率成本300美元/千瓦。相似地换算到联合循环发电站(见表1b)其成本为150美元/仟瓦。这与联合循环发电站的约500美元/仟瓦相比甚至更有吸引力。
根据本发明的其它方面，图2的实施例已作了修改，而其修改的系统示于图6。在图2及6中相同的标号标明相同的部件。于是，图6的实施例含有具商业价值的饱和器80，饱和器80构成具有内填充物的塔，用于改善经联接结构50进入饱和器80的压缩空气的混合状况。水加热器82经入口管线85及出口管线87与饱和器80相联。水加热器82最好是典型的壳形或筒形结构。水泵83通过管道84向饱和器80提供制成的水，水泵81设置在入口管线85之间使水循环通过水加热器82。
来自空气存储器28的压缩空气被引导经联接结构50至饱和器80，在饱和器80中，压缩空气与在水加热器82中加热的热水混合。压缩空气在饱和器80中达到饱和并被预热，而后在注入燃烧室18的上游之前被送至换热器52中进一步加热。对于气轮机16的相同的最大功率及容积气流量，所需补充的压缩空气流量取决于给定的外界温度。对于图6的实施例，该补充空气流的加湿显著地减少了要被压缩机系32所压缩及存储在压缩空气存储器28中的压缩空气的量。图7表示图6的实施例中的热与物质流体的平衡情况，并显示在外界空气温度为华氏90°及湿度为60％的气流离开饱和器80时，从空气存储器28出去的补充压缩空气流是35磅/秒。图7中，总功率＝110.1兆瓦，净功率＝109.2兆瓦，净热率＝9,012英热量单位/千瓦时，净功率增加量＝35.2兆瓦，压缩/发电 小时＝2/1，能量比例(千瓦时输入/千瓦时输出)＝0.29。对于同样的净功率输出，从不加湿的图2实施例的100磅/秒，这个减小量相当于70％(注：图5表示的是图2的实施例中的热与物质流体的平衡状况，其总功率是129.2MW)。于是，压缩空气存储器的成本降低到约70％，而压缩机系32及换热器52的成本也能显著减少。饱和器80、水加热器82和泵81及83的成本增加是存储容积减小所节约成本的很小部分。图7表示热率为9012英热量单位/仟瓦时，它和图5的实施例(不带加湿)的相似。由于事实上图7的实施例的补充空气流与图2的实施例的相比减少到70％，在图7的实施例中，为存储器补充所需的能源也减少到70％。这对于系统来说就降低了电力成本(燃料及非高峰能源成本)。工程和成本评估工作证实：图6的系统(约170美元/仟瓦)的比率资金成本(美元/仟瓦增加量)比图2的系统的减少到约40％。
本发明还有的其它实施例示于图8。这一实施例和图6的相似而且相同的标号标注的是相同部件。图8的实施例与图6的实施例的区别在于：在图8的实施例中，压缩空气存储器被取消，压缩机系32形式的补充压缩机结构的尺寸适于提供全部补充空气流(例如约35磅/秒)。应该指出，图2及6的压缩机系的尺寸能造得适合于比全部补充空气流量小的气流量，并根据高峰电力生产小时与非高峰电力生产小时的比例把尺寸定得适于向存储器加载。
图8的系统的热与物质的平衡示于图9中。图9中，总功率＝110.1兆瓦，净功率＝102.2兆瓦，净热率＝9,645英热量单位/千瓦时，净功率增加量＝28.2兆瓦。对于增加发出的高峰电力，由具有压缩机的压缩机系32连续地提供补充空气流，排出的气流在饱和器80中达到饱和，饱和器80中有水加热器82中产生的热水。在注入燃烧器18的上游之前，饱和的和已预热的空气进一步在换热器52中被加热。
图8的系统的主要优点在于：当要提供增加的功率时，它可以连续的运行。在以实际的高峰时间来确定压缩空气存储器的尺寸方面没有什么强制性的限制。空气存储器尺寸可被过多的资金成本或场地局限所制约。同样，图8的系统在运行及维护方面是简单的。
如图9所示，图8的系统的性能特性与图7所示的相似。例如，两个实施例具有与燃料及非高峰期能量相关的相同运行成本。人们期望图8的系统由于没装空气存储器而具有较低的运行及维护成本。工程和成本评估工作显示图8的系统具有的比率资金成本大约与图6的系统的相同(较大流量压缩机系的成本增加量大约等于取消空气存储器节约的成本)。
于是我们看到本发明的目的已完全地和有效地达到。但是，应该理解，前述的及优先的各实施例，为说明本发明的结构及功能原理，以及说明实现优先实施例的方法，在不偏离这种原理情况下已有了变化。因此，本发明包括所有的包容于下列权利要求的精神内的各种变型。

Claims (30)

1、一种燃气轮机发电系统及派生物的运行方法，包括：
提供至少一台燃气轮机装置，该装置包含：压缩机，运行时与所述压缩机相联的膨胀式气轮机，与所述膨胀式气轮机相联接的发电机；向所述膨胀式气轮机供气的燃烧室；把所述压缩机的出口与所述燃烧室的入口流体上接通的流通通道结构；补充的压缩机结构；把所述补充压缩机结构的出口与饱和器的入口流体上接通的联接结构，用于加热导至所述饱和器的水的水加热器，用于容纳已预热和饱和的压缩空气的换热器，所述换热器的出口与所述燃烧室是沟通的；以及与所述联接结构相联的阀结构以控制流过所述联接结构的流体，
控制所述阀结构以便从下列运行模式中选择一种：
燃气轮机运行模式，其中来自所述压缩机的被压缩空气流过所述流通通道结构至向所述膨胀式气轮机供气的所述燃烧室，所以所述膨胀式气轮机驱动所述发电机，以及
压缩空气增加运行模式，其中除压缩空气通过所述流通通道结构至所述燃烧室外，来自所述补充压缩机结构的补充压缩空气被供输通过所述联接结构并在所述饱和器中达到饱和及被预热并在所述换热器中被进一步加热而后被导至所述燃烧室，这增加了流至所述膨胀式气轮机的压缩空气及燃气的物质流体。
2、根据权利要求1所述方法，其中当流至所述膨胀式气轮机的压缩空气及燃气的物质流体被减少至使所述膨胀式气轮机不运行在允许的最大功率水平时，在此运行期间，实施所述增加运行模式。
3、根据权利要求2所述方法，其中所述补充的压缩空气在外界温度升高期间内进行供输。
4、根据权利要求2所述方法，其中当空气密度太低至使所述膨胀式气轮机不能运行于允许的最大功率状况下进行所述补充压缩空气供输。
5、根据权利要求1所述方法，其中所述补充压缩机结构含有压缩机系，而电机驱动所述压缩机系。
6、根据权利要求5所述方法，其中所述压缩机系包括至少第一及第二压缩机，中间冷却器设置在所述第一压缩机的出口与所述第二压缩机的入口之间，所述第一压缩机的入口吸纳外界空气，所述第二压缩机的出口经所述联接结构与所述饱和器相联，后冷却器设置在所述联接结构中，该联接结构位于所述第二压缩机的出口与所述饱和器的入口之间。
7、根据权利要求1所述方法，其中所述燃气轮机系统的所述发电机具有发电量超过所述燃气轮机系统运行于所述燃气轮机运行模式时发出的电量，这样在所述空气增加运行模式期间，由于补充压缩空气被供输至所述燃气轮机装置的所述膨胀式气轮机，所述发电机可发出所述超过的电量。
8、根据权利要求1所述方法，其中设置了第一水泵用于向所述饱和器供水，并且设置了第二水泵用于使所述水加热器与所述饱和器之间的水进行循环。
9、一种提供集成了补充压缩空气系统的燃气轮机派生发电站的方法，所述发电站包含燃气轮机装置，该燃气轮机装置具有：至少一台压缩机，在运行时与所述至少一台压缩机及与至少一个向所述至少一台膨胀式气轮机供气的燃烧室相联的至少一台膨胀式气轮机，以及与所述至少一台膨胀式气轮机及与所述至少一台压缩机相联的至少一台发电机，所述至少一台压缩机经流通通道结构与所述至少一个燃烧室相沟通，该方法包括：
提高该发电机的容量；
提供补充压缩空气系统，它含有：
压缩机结构，其尺寸适于提供一定量的补充空气流；
至少一台电机，用于驱动该压缩机结构；
至少一个中间冷却器，它与该压缩机结构相联；
位于所述压缩机结构下游的后冷却器；
位于所述后冷却器下游的饱和器；
水加热器，它与所述饱和器沟通以向所述饱和器提供热水来预热导向所述饱和器的压缩空气；以及
换热器，它与所述饱和器的出口沟通以进一步加热从所述饱和器排出的已预热的饱和的压缩空气，
通过提供以下结构来集成所述燃气轮机装置及所述补充压缩空气系统：
使所述后冷却器的出口与所述饱和器的入口之间沟通及使所述换热器的出口与所述至少一个燃烧室的入口之间沟通的联接结构，以及安装阀门以控制流过所述联接结构的流体，
该集成保证以下两种运行模式的选择措施：a)燃气轮机运行模式，以及b)空气增加运行模式，通过把来自所述补充压缩机结构的补充压缩空气流导至所述饱和器及导至所述换热器而后导至向所述至少一台膨胀式气轮机供气的至少一个燃烧室，来使该运行模式提供的发电量高于由所述燃气轮机运行模式提供的发电量。
10、根据权利要求9所述方法，其中运行于所述燃气轮机运行模式期间，所述阀是关闭的，以便构成从所述至少一台压缩机经过所述流通通道结构至所述至少一个燃烧室的流通通道。
11、根据权利要求9所述方法，其中运行于所述空气增加运行模式期间，所述阀是开启的以构成燃气及空气流通通道，在该通道内来自所述补充压缩机结构的补充压缩空气流过所述联接结构并流至饱和器而后流至所述换热器并和来自所述至少一台压缩机的出口的空气混合并流向所述至少一个向所述至少一台膨胀式气轮机提供燃品的燃烧室，这样使所述至少一台膨胀式气轮机产生出允许的最大功率，于是增加了由所述发电机产生的输向电力网的电力。
12、根据权利要求9所述方法，其中所述一定量的补充空气流大约是35磅/秒。
13、一种燃气轮机发电系统及其派生物运行的方法，该系统包含用于发电的至少一种燃气轮机装置，该燃气轮机装置包括：至少一台优选的用于全额功率发电的燃气轮机装置中的压缩机；至少一台运行时与所述压缩机相联的膨胀式气轮机，其结构及安排使得上述全额功率发电的燃气轮机装置得以运行，以及至少一个向所述至少一台膨胀式气轮机供气的燃烧室；该系统包含：与所述至少一台膨胀式气轮机及所述至少一台压缩机中的一个相联的发电机，该发电机具有的发电量超过该燃气轮机装置的全额发电量；把所述的至少一台压缩机的出口与所述的至少一个燃烧室的入口在流体上接通的流通通道结构；补充压缩机结构，其构造使得其提供的最大的补充压缩空气量是燃气轮机装置的至少一台压缩机提供的最大压缩空气量的一小部分；把所述补充压缩机结构的出口与所述至少一个燃烧室的上游点流体上接通的联接结构；与所述联接结构相联的阀结构以便控制流过所述联接结构的流体，该方法包括：
有选择地控制全系统及所述阀结构以便从下列运行模式中选择一种：
采用关闭阀结构的燃气轮机运行模式，其中被所述压缩机压缩的空气流过所述流通通道结构至向所述膨胀式气轮机供气的所述燃烧室，以使所述膨胀式气轮机驱动所述发电机及所述至少一台压缩机，以及
当需要比燃气轮机装置的全额功率高的功率时，利用至少部分地开启阀结构来实现间歇的电力增加运行模式；其中除了压缩空气流过所述流通通道结构至向所述至少一台膨胀式气轮机供气的所述至少一个燃烧室之外，来自所述补充压缩机结构的补充压缩空气被供输流过所述联接结构并被导至向所述至少一台膨胀式气轮供气的所述至少一个燃烧室，这增加了流向所述至少一个膨胀式气轮机的压缩空气及燃气的物质流体，使得发出的功率超过燃气轮机装置的全额功率而同时保持燃气轮机装置的固有频率。
14、根据权利要求13所述方法，进一步在所述联接结构中设置有饱和器及换热器，该联接结构位于补充压缩机结构的出口与向所述膨胀式气轮机供气的所述燃烧室的入口之间。
15、根据权利要求13所述方法，其中所述补充压缩机结构含有至少一台补充压缩机并且由电机驱动所述至少一台压缩机。
16、根据权利要求13所述方法，其中所述补充压缩机含有至少第一及第二压缩机，中间冷却器设置在所述第一压缩机的出口与所述第二压缩机的入口之间，所述第一压缩机的入口用于吸纳外界空气，所述第二压缩机的出口与所述联接结构相联。
17、根据权利要求13所述方法，进一步在所述联接结构中设置有换热器，该联接结构位于补充压缩机结构的出口及向所述至少一台膨胀式气轮机供气的燃烧室的入口之间，以对来自所述补充压缩机结构的空气在进入向所述至少一台膨胀式气轮机供气的燃烧室之前用排出的燃气热进行预热。
18、一种提供燃气轮机派生的发电站的方法，集成有补充压缩空气结构以供两种运行模式之用，该两种运行模式包括燃气轮机运行模式与电力增加运行模式，该方法包括：
为发电提供的燃气轮机装置具有：至少一台压缩机，至少一台在工作时与所述至少一台压缩机及与至少一个向所述至少一台膨胀式气轮机供气的燃烧室相联的膨胀式气轮机；至少一台与所述至少一台膨胀式气轮机及所述至少一台压缩机中的一个相联的发电机，经过流通通道结构与所述至少一个燃烧室的入口沟通的所述至少一台压缩机，
对于燃气轮机装置的全额功率运行，保证至少一台压缩机是优选的；
保证至少有一台膨胀式气轮机其结构及安置可使上述燃气轮机装置全额功率运行；
保证至少有一台发电机具有的发电量超过燃气轮机装置的全额功率；
提供补充压缩空气系统，它包括：
补充压缩机结构，其构造使得所提供的最大的补充压缩空气量是燃气轮机装置的至少一台压缩机所提供的最大压缩空气量的一小部分；以及
至少一台电机用于驱动补充压缩机结构；
通过提供下列结构来集成所述燃气轮机装置及所述补充压缩空气结构：
使所述补充压缩机结构的出口与向所述至少一台膨胀式气轮机供气的所述至少一个燃烧室的上游点沟通的联接结构，以及
安装阀门以控制流过所述联接结构的流体，保证因控制阀门及全系统使该集成有选择地提供两种运行模式：a)燃气轮机运行模式，其中当阀结构是关闭的时，被所述至少一台压缩机所压缩的空气流过所述流通通道结构至向所述至少一台膨胀式气轮机供气的所述至少一台燃烧室，使得所述至少一台膨胀式气轮机驱动所述至少一台发电机及所述至少一台压缩机，以及b)在需要有比燃气轮机装置的全额功率高的功率时提供的电力增加运行模式，其中当阀门至少是部分地开启时，除了压缩空气经过所述流通通道结构至向所述至少一台膨胀式气轮机供气的所述至少一个燃烧室，来自所述补充压缩机结构的补充压缩空气被供输经过所述联接结构并被导至向所述至少一台膨胀式气轮机供气的所述至少一个燃烧室，这增加了流向所述至少一台膨胀式气轮机的压缩空气及燃气的物质流体，以使所发生的电力超过燃气轮机的全额功率而同时保持该燃气轮机装置的固有频率。
19、根据权利要求18所述方法，其中该集成步骤提供了：当阀门是关闭的时，形成了从所述至少一台压缩机经所述流通通道结构至向所述至少一台膨胀式气轮机供气的所述至少一个燃烧室构成一条流通通道。
20、根据权利要求18所述方法，进一步在所述联接结构中设置有换热器，该联接装置位于补充压缩机结构的出口与向所述至少一台膨胀式气轮机供气的所述燃烧室的入口之间，以使来自所述补充压缩机结构的空气在进入向所述至少一台膨胀式气轮机供气的所述至少一个燃烧室之前用排出的废热进行预热。
21、根据权利要求20所述方法，其中集成步骤提供了：当阀门至少是部分地开启时，构成了燃气及空气流通通道，在该通道中来自所述补充压缩机结构的补充压缩空气流过所述联接结构，并在换热器中被预热并与来自所述至少一台压缩机的出口的空气混合并流至向所述至少一台膨胀成气轮机供应燃品的所述至少一个燃烧室，这样使得所述至少一台膨胀式气轮机产出的所述功率超过全额功率，于是增加了所述发电机生产的输向电力网的电力。
22、根据权利要求18所述方法，进一步在联接结构中设置了饱和器和换热器，该联接结构位于补充压缩机结构的出口与所述至少一个燃烧器的入口之间。
23、根据权利要求18所述方法，其中保证发电机发电量的措施包括提高发电机的容量。
24、一种提供燃气轮机派生发电站的方法，集成了补充压缩空气结构以提供两种运行模式，它们是燃气轮机运行模式及电力增加运行模式，该方法包括：
为发电提供燃气轮机装置，该装置含有至少一台压缩机，运行时与所述至少一台压缩机及与至少一个向所述至少一台膨胀式气轮机供应燃品的燃烧室相联的至少一台膨胀式气轮机；至少一台发电机，该发电机与所述至少一台膨胀式气轮机及所述至少一台压缩机中的一个联接；所述至少一台压缩机经流通通道结构与所述至少一台燃烧室的入口沟通；
对于全额功率运行的燃气轮机装置，保证至少有一台压缩机是优选的；
保证至少有一台膨胀式气轮机其结构及安置能实现上述燃气轮机装置的全额功率运行；
保证发电机的容量能使发出的电量超过该燃气轮机装置的全额功率；
提供补充压缩空气系统；该系统含有：
补充压缩机结构，其构造使得能提供的最大的补充压缩空气量，该最大的补充压缩空气量是燃气轮机装置的至少一台压缩机所提供的最大的压缩空气量的一小部分；
至少一台电机用于驱动补充压缩机结构；
通过提供下列结构来集成所述燃气轮机装置及所述补充压缩空气结构：
使所述补充压缩机结构的出口与加湿结构的入口之间沟通的联接结构，该加湿结构的出口与所述至少一个燃烧室的上游点沟通；以及
用于控制流经所述联接结构的流体的阀结构；
保证因对阀及全系统进行控制，上述集成可有选择地提供两种运行模式：a)燃气轮机运行模式，其中当阀结构关闭时，来自所述至少一台压缩机的压缩空气流过所述流通通道至向所述至少一台膨胀式气轮机供应燃品的所述至少一个燃烧室，这样使得所述至少一台膨胀式气轮机驱动所述至少一台发电机及所述至少一台压缩机，以及b)在需要的功率高于燃气轮机装置的全额功率时提供的电力增加运行模式，其中当阀结构至少是部分地开启时，除了压缩空气流过所述流通通道结构至向所述至少一台膨胀式气轮机供气的所述至少一个燃烧室，来自所述补充压缩机结构的补充压缩空气被供输流过所述联接结构并在所述加湿结构中被加湿并被导至向所述至少一台膨胀式压缩机供气的所述至少一个燃烧室，这增加了流向所述至少一台膨胀式气轮机的压缩空气及燃气的物质流体，使得发出的电力超过燃气轮机装置的全额功率而同时保持燃气轮机装置的固有频率。
25、根据权利要求24所述方法，进一步在所述联接结构中提供换热器，该联接结构位于加湿结构的出口与向所述至少一台膨胀式气轮机供气的所述燃烧室的入口之间，以对来自所述加湿结构的空气在进入向所述至少一台膨胀式气轮机供气的所述燃烧室之前用排出的燃气热量进行预热。
26、根据权利要求24所述方法，其中的加湿结构是饱和器。
27、根据权利要求24所述方法，其中加湿结构的构造及安置使得它能容纳增湿介质。
28、根据权利要求27所述方法，其中增湿介质是热水。
29、根据权利要求27所述方法，其中增湿介质是蒸汽。
30、根据权利要求24所述方法，其中保证发电机容量的措施包括提高发电机的容量。
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