當(dāng)前發(fā)明總地涉及燃氣渦輪機系統(tǒng)，并且更具體地涉及管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備。

背景技術(shù)：

在過去十年中，越來越多數(shù)量的可再生能源供應(yīng)已經(jīng)被添加至諸如美國和歐洲的主要市場的電網(wǎng)。使用可再生能源的挑戰(zhàn)之一是必須通過使用能源存儲器來補充可再生能量源以便防止由于可再生能量源的間隙性和不可預(yù)測的本質(zhì)而產(chǎn)生的供應(yīng)缺口。另一個挑戰(zhàn)是對在不同的季節(jié)期間加熱和冷卻住所的電力的需要以及對電網(wǎng)的各個部分的操作策略的需要。電力的季節(jié)性使用不一定與來自可再生資源的功率的可用性相匹配。在對電力供應(yīng)的所有這些影響因素下，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備必須能夠快速地上升和下降以便對需求作出響應(yīng)。在發(fā)電設(shè)備不能達到電網(wǎng)運營商要求的負載時，經(jīng)濟處罰適用的地方尤其如此。

常規(guī)的發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)使用簡單的循環(huán)發(fā)電設(shè)備以處理需要快速上升和下降間隔的負載。雖然簡單的循環(huán)發(fā)電設(shè)備能夠快速改變輸出，但是簡單的循環(huán)發(fā)電設(shè)備的操作成本更高，因為它們的總效率低于聯(lián)合循環(huán)設(shè)備的總效率，并且環(huán)境考量（諸如，與簡單的循環(huán)發(fā)電設(shè)備的安裝相關(guān)聯(lián)的排放）能夠削弱它們的服務(wù)期限（viability）。其他常規(guī)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)在熱回收蒸汽發(fā)生器中使用管道燃燒以增加在熱回收蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的蒸汽，從而增加蒸汽渦輪發(fā)動機的輸出。因為該系統(tǒng)在熱力學(xué)上受到要產(chǎn)生的額外蒸汽所需的時間和蒸汽渦輪發(fā)動機的限制，所以這個系統(tǒng)具有緩慢的響應(yīng)時間，一旦接收到所述額外蒸汽輸入時，這些蒸汽渦輪發(fā)動機就以更多的輸出作出響應(yīng)。當(dāng)前，最大的設(shè)備上升(rampup)能力僅僅在每分鐘五兆瓦以下。然而，電網(wǎng)控制者更頻繁地要求遠高于每分鐘五兆瓦的上升速率。因此，對具有更快的上升速率能力的發(fā)電設(shè)備存在需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

公開了一種系統(tǒng)和方法，用于通過在小于100％負載的部分負載條件下操作一個或多個燃氣渦輪發(fā)動機、操作一個或多個蒸汽渦輪發(fā)動機和一個或多個補充燃燒器而提高管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的響應(yīng)性，該一個或多個補充燃燒器向蒸汽渦輪發(fā)動機上游的熱回收蒸汽發(fā)生器（hrsg）提供額外熱量。與在部分負載條件下的燃氣渦輪發(fā)動機一起操作的蒸汽渦輪發(fā)動機和補充燃燒器的組合使得該系統(tǒng)能夠快速地改變輸出以適應(yīng)管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的輸出需求的改變。通過在部分負載條件下操作該一個或多個燃氣渦輪發(fā)動機，燃氣渦輪發(fā)動機能夠用于比依賴于通過管道燃燒增加輸出更快地增加聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的凈輸出。

在至少一個實施例中，該系統(tǒng)可以包括用于提高管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的響應(yīng)性的方法，使得燃氣渦輪發(fā)動機僅在部分負載下操作，由此提供燃氣渦輪發(fā)動機的輸出被增加或降低的能力以改變聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的輸出。如此一來，因為在聯(lián)合循環(huán)構(gòu)造中燃氣渦輪發(fā)動機的輸出可以比蒸汽渦輪發(fā)動機的輸出更迅速地改變，所以當(dāng)燃氣渦輪發(fā)動機的輸出改變時，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的輸出可以被更迅速地改變。在至少一個實施例中，用于提高管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的響應(yīng)性的方法可以包括在小于100%負載的部分負載條件下操作一個或多個燃氣渦輪發(fā)動機以及通過蒸汽操作一個或多個蒸汽渦輪發(fā)動機，該蒸汽至少部分地由燃氣渦輪發(fā)動機產(chǎn)生的熱量形成。該方法還可以包括使一個或多個補充燃燒器燃燒以向蒸汽渦輪發(fā)動機上游的熱回收蒸汽發(fā)生器提供額外熱量，使得在部分負載下的燃氣渦輪發(fā)動機和具有額外蒸汽輸入的蒸汽渦輪發(fā)動機的聯(lián)合輸出可以與在100%負載條件下操作燃氣渦輪發(fā)動機和在100%負載條件下操作蒸汽渦輪發(fā)動機至少一樣多，該額外蒸汽輸入通過使上游熱回收蒸汽發(fā)生器的上游的補充燃燒器燃燒而產(chǎn)生。該方法還可以包括控制燃氣渦輪發(fā)動機以改變?nèi)細鉁u輪發(fā)動機的輸出從而適應(yīng)管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的輸出需求的改變。

在至少一個實施例中，控制燃氣渦輪發(fā)動機以改變?nèi)細鉁u輪發(fā)動機的輸出從而適應(yīng)輸出需求的改變包括增加燃氣渦輪發(fā)動機的輸出，以便增加管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的輸出從而適應(yīng)輸出需求的增加。更具體地，增加管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的輸出以適應(yīng)輸出需求的增加可以包括以至少每分鐘五兆瓦的速率增加管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的輸出。在另一個實施例中，增加管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的輸出以適應(yīng)輸出需求的增加可以包括以至少每分鐘十兆瓦的速率增加管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的輸出。在又一個實施例中，增加管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的輸出以適應(yīng)輸出需求的增加包括以至少每分鐘十五兆瓦的速率增加管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的輸出。

該方法可以包括在小于100%負載的部分負載條件下操作一個或多個燃氣渦輪發(fā)動機，使得該燃氣渦輪發(fā)動機在小于90%-95%負載的部分負載條件下操作。該方法還可以包括上升過程，在該上升過程中，燃氣渦輪發(fā)動機上升，接著補充燃燒器的輸出增加。該方法可以包括下降（rampdown）過程，在該下降過程中，燃氣渦輪發(fā)動機的輸出下降。燃氣渦輪發(fā)動機的輸出下降的下降過程之后可以接著補充燃燒器的輸出的降低。

該方法可以包括使一個或多個補充燃燒器燃燒以通過在起動過程期間使補充燃燒器燃燒而向上游的熱回收蒸汽發(fā)生器提供額外熱量，在該起動過程中，燃氣渦輪發(fā)動機開始操作以便使熱回收蒸汽發(fā)生器能夠更快地升溫并且允許將過量蒸汽提供至壓蓋密封件和冷凝器。

該系統(tǒng)的優(yōu)點在于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備可以被操作，通過調(diào)節(jié)一個或多個燃氣渦輪發(fā)動機的輸出而具有非常迅速的改變負載的能力。

該系統(tǒng)的另一個優(yōu)點在于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備可以被操作，具有增加或降低設(shè)備的輸出多達每分鐘30兆瓦的能力。

下面更詳細地描述這些和其他實施例。

附圖說明

結(jié)合在本說明書中并形成本說明書的一部分的附圖圖示了當(dāng)前公開的發(fā)明的實施例，并且與本描述一起公開了本發(fā)明的原理。

圖1是管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的示意圖。

圖2是用于提高管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的響應(yīng)性的系統(tǒng)的示意圖。

圖3是管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的基本負載再分配圖。

圖4是管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的建議上升圖。

圖5是管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的建議下降圖。

具體實施方式

如在圖1-5中所示，公開了一種系統(tǒng)和方法，用于通過在小于100％負載的部分負載條件下操作一個或多個燃氣渦輪發(fā)動機14、操作一個或多個蒸汽渦輪發(fā)動機16和一個或多個補充燃燒器18而提高管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的響應(yīng)性，該一個或多個補充燃燒器18向蒸汽渦輪發(fā)動機16上游的熱回收蒸汽發(fā)生器20提供額外熱量。與在部分負載條件下的燃氣渦輪發(fā)動機14一起操作的蒸汽渦輪發(fā)動機16和補充燃燒器18的組合使得系統(tǒng)10能夠快速地改變輸出以適應(yīng)管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的輸出需求的變化。通過在部分負載條件下操作該一個或多個燃氣渦輪發(fā)動機14，燃氣渦輪發(fā)動機14能夠被使用以比依賴于通過管道燃燒增加輸出更快地增加聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的凈輸出。

在至少一個實施例中，系統(tǒng)10可以包括用于提高管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的響應(yīng)性的方法，使得燃氣渦輪發(fā)動機14僅在部分負載下操作，由此提供燃氣渦輪發(fā)動機14的輸出被增加或降低的能力以便改變聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的輸出。如此一來，因為燃氣渦輪發(fā)動機14的輸出可以比蒸汽渦輪發(fā)動機16的輸出更迅速地改變，所以當(dāng)燃氣渦輪發(fā)動機14的輸出改變時，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的輸出可以被更迅速地改變。在至少一個實施例中，系統(tǒng)10可以包括在小于100%負載的部分負載條件下操作一個或多個燃氣渦輪發(fā)動機14，以及操作一個或多個蒸汽渦輪發(fā)動機16。在至少一個實施例中，可以通過至少部分地由燃氣渦輪發(fā)動機16產(chǎn)生的熱量形成的蒸汽來操作蒸汽渦輪發(fā)動機16。該方法可以包括使一個或多個補充燃燒器18燃燒，如在圖2中所示，以便向蒸汽渦輪發(fā)動機16上游的熱回收蒸汽發(fā)生器20提供額外熱量，使得在部分負載下的燃氣渦輪發(fā)動機14和具有額外蒸汽輸入的蒸汽渦輪發(fā)動機16的聯(lián)合輸出與在100%負載條件下操作燃氣渦輪發(fā)動機14和在100%負載條件下操作蒸汽渦輪發(fā)動機14至少一樣多，該額外蒸汽輸入通過使在上游的熱回收蒸汽發(fā)生器20上游的補充燃燒器18燃燒而產(chǎn)生。該方法還可以包括控制燃氣渦輪發(fā)動機14以改變?nèi)細鉁u輪發(fā)動機14的輸出從而適應(yīng)由電網(wǎng)的控制者或其他控制決策制訂者等置于管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12上的輸出需求的改變，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12連接至該電網(wǎng)。

在系統(tǒng)10內(nèi)使用的燃氣渦輪發(fā)動機14可以具有任意適當(dāng)?shù)臉?gòu)造以使得燃氣渦輪發(fā)動機14能夠在燃料源上操作并且形成聯(lián)接至發(fā)生器的軸的旋轉(zhuǎn)運動以便產(chǎn)生動力。在至少一個實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機14可以被控制成使得控制燃氣渦輪發(fā)動機14以改變?nèi)細鉁u輪發(fā)動機14的輸出從而適應(yīng)輸出需求的改變包括增加燃氣渦輪發(fā)動機14的輸出，以便增加管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的輸出從而適應(yīng)輸出需求的增加。在至少一個實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機14可以通過以至少每分鐘五兆瓦的速率增加管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的輸出而適應(yīng)輸出需求的改變。在另一個實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機14可以通過以至少每分鐘十兆瓦的速率增加管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的輸出而適應(yīng)輸出需求的改變。在又一個實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機14可以通過增加輸出而適應(yīng)輸出需求的改變，這是通過以至少每分鐘十五兆瓦的速率增加管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的輸出。

例如，如在圖1中所示，管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12可以是使燃氣渦輪發(fā)動機14在小于100%部分負載下運行的1x1的設(shè)備，至少一個補充燃燒器18與至少一個蒸汽渦輪發(fā)動機16一起操作以使得總的設(shè)備負載等于在至少一個補充燃燒器18關(guān)閉的情況下燃氣渦輪發(fā)動機14和至少一個蒸汽渦輪發(fā)動機16在100%下運行的設(shè)備負載。在這種情況中，發(fā)電設(shè)備12由一個燃氣渦輪機和一個蒸汽渦輪機形成。在其他實施例中，2x1的設(shè)備具有兩個燃氣渦輪機和一個蒸汽渦輪機。利用熱回收蒸汽發(fā)生器20，可以使一個或多個燃氣渦輪發(fā)動機14處于部分負載條件，因為在燃氣渦輪發(fā)動機14的基本負載操作之前，補充燃燒器18可以與蒸汽渦輪發(fā)動機16一起啟動。如在圖3中所示，管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的輸出可以與設(shè)備12在不使用補充燃燒器18的情況下利用100%負載下的燃氣渦輪發(fā)動機14實現(xiàn)的輸出處于相同的負載水平。例如，如果燃氣渦輪發(fā)動機14處于90%負載下并且是f級，該f級是指燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒溫度和效率，沒有快速起動能力，則對于在約每分鐘10兆瓦的速率下的1x1設(shè)備上的非常迅速的負載改變，管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12可以以約15兆瓦的靈活性操作。燃氣渦輪發(fā)動機14上升的上升過程之后可以接著補充燃燒器18的輸出的增加。如此一來，近似15兆瓦的增量燃氣渦輪發(fā)動機輸出可以由來自蒸汽渦輪發(fā)動機16的增量功率增加，該增量功率由來自燃氣渦輪發(fā)動機14以約每分鐘3-4兆瓦的速率增加的排出能量產(chǎn)生，這給設(shè)備12提供了約每分鐘15-20兆瓦的有效的設(shè)備上升能力。

在另一個實施例中，如在圖4中所示，管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12可以利用處于小于90%負載下（諸如，處于80%負載下）的一個或多個燃氣渦輪發(fā)動機14操作，而不是在補充燃燒器18關(guān)閉的情況下在100%負載下操作的燃氣渦輪發(fā)動機14的等效總功率輸出。如此一來，燃氣渦輪發(fā)動機14可以具有約30兆瓦的靈活可用輸出，該輸出可以通過增加燃氣渦輪發(fā)動機14的輸出而添加至設(shè)備12的輸出?；谏厦嬗懻摰乃俾剩?0兆瓦的額外輸出可以在約二至三分鐘內(nèi)被添加設(shè)備12的輸出。

使用系統(tǒng)10的方法可以包括下降過程，在該下降過程中，燃氣渦輪發(fā)動機14的輸出下降。燃氣渦輪發(fā)動機14的輸出下降的下降過程之后可以接著補充燃燒器18的輸出的降低。如在圖5中所示，使用系統(tǒng)10的方法，因此燃氣渦輪發(fā)動機14的下降以比常規(guī)系統(tǒng)更快的斜升速率（ramprate）實現(xiàn)，在常規(guī)系統(tǒng)中，該下降僅通過中斷使用管道燃燒器來初始地控制。更具體地，圖5描繪了下降過程，其中，燃氣渦輪發(fā)動機14以約每分鐘10-15兆瓦的速率下降，在約4-5分鐘內(nèi)功率輸出的總下降約為70兆瓦。

在一個或多個燃氣渦輪發(fā)動機14具有快速起動能力的實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機14可以以約每分鐘30兆瓦的速率上升或下降。因此，管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的上升或下降的過程可以僅利用燃氣渦輪發(fā)動機14（而不是補充燃燒器18和蒸汽渦輪發(fā)動機16）而在時間上減少至約一分鐘。燃氣渦輪發(fā)動機14的斜升速率驅(qū)動整個管道燃燒的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備12的斜升（ramp）。蒸汽渦輪發(fā)動機16在方向上跟隨燃氣渦輪發(fā)動機14的斜升速率，但是處于由熱回收蒸汽發(fā)生器20的時間常數(shù)和設(shè)備12的系統(tǒng)的平衡（balance）驅(qū)動的速率下。蒸汽渦輪發(fā)動機16的改變速率還將由特定渦輪機產(chǎn)品的蒸汽渦輪機瞬時需求界定。

在至少一個實施例中，系統(tǒng)10還可以被構(gòu)造成使得其中使至少一個補充燃燒器18燃燒以便向熱回收蒸汽發(fā)生器20提供額外熱量，補充燃燒器18可以在起動過程期間燃燒，在該起動過程中，燃氣渦輪發(fā)動機14開始操作以便使得熱回收蒸汽發(fā)生器20能夠更快升溫并且允許將過量蒸汽提供至壓蓋密封件和冷凝器。通過允許將過量蒸汽提供至壓蓋（gland）密封件和冷凝器，輔助鍋爐的需求將變少以使得輔助鍋爐能夠被較少使用或去除。系統(tǒng)10還可以被構(gòu)造成使得熱回收蒸汽發(fā)生器20的加熱表面可以被設(shè)置成使整個熱回收蒸汽發(fā)生器20的設(shè)計最優(yōu)化以便最大化來自補充燃燒器18下游的加熱表面的蒸汽產(chǎn)量。例如，在1x1循環(huán)設(shè)計中，中壓過熱器可以定位在補充燃燒器18的下游。在1x1循環(huán)設(shè)計中，高壓過熱器可以定位在補充燃燒器18的下游。

為了圖示、解釋并描述本發(fā)明的實施例的目的提供了前述內(nèi)容。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，對這些實施例的修改和更改是明顯的并且可以在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下做出這些修改和更改。