本發(fā)明大體涉及具有燃氣渦輪和用于向電網(wǎng)提供功率的發(fā)電機的發(fā)電裝置。更具體而言，本發(fā)明涉及用于在欠頻事件期間增大來自燃氣渦輪的功率的功率增大系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

置于電力分配網(wǎng)上的電力需求的大量增加將傾向于降低電網(wǎng)的電操作頻率，導(dǎo)致“欠頻”事件。例如，繁重或突然的電需求會導(dǎo)致具有50Hz的標(biāo)稱操作頻率的特定配電網(wǎng)短暫地在49Hz下操作。欠頻事件可從幾秒持續(xù)到幾分鐘且一般持續(xù)時間短。

在采用一個或多個用于向電網(wǎng)供應(yīng)電力的重型工業(yè)燃氣渦輪的常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)中，向電網(wǎng)供應(yīng)功率的各個渦輪的旋轉(zhuǎn)速度與電網(wǎng)的電頻率同步。當(dāng)在其他參數(shù)保持相同的情況下降低燃氣渦輪的旋轉(zhuǎn)速度時，其功率輸出相應(yīng)降低。因此，在欠頻事件期間，燃氣渦輪將傾向于輸出較低功率。

電網(wǎng)導(dǎo)則(Grid code)規(guī)定通常要求功率生成設(shè)備具有在欠頻事件期間保持負載的能力。通常，響應(yīng)于電力網(wǎng)欠頻事件，燃氣渦輪操作者通過提高燃氣渦輪的點火溫度來滿足這些要求以保持發(fā)電機輸出在要求內(nèi)。提高點火溫度在給定壓力比下提高功率輸出，這在燃氣渦輪不接近任何操作限值(諸如最大壓力比能力或最大入口導(dǎo)葉(IGV)位置)時合適地起作用。

點火溫度提高通常通過增加供應(yīng)到燃燒器的燃料流實現(xiàn)。在所有其他參數(shù)相同的情況下，燃料流的增加導(dǎo)致渦輪入口處較高的壓力，其繼而在壓縮機上施加背壓。最后，加入更多流達到壓縮機壓力極限，其通常通過將壓縮機排出空氣轉(zhuǎn)移到入口(入口放氣加熱)和/或減少燃料流(以及因此點火溫度)而限制流體通過渦輪來觀察。然而，該方法對于冷的環(huán)境條件和/或低Btu燃料(例如合成氣)應(yīng)用具有滿足電網(wǎng)導(dǎo)則要求的受限能力，原因是由燃氣渦輪壓縮機面臨的可操作性限制。

一些常規(guī)功率生成燃氣渦輪包括可變?nèi)肟趯?dǎo)葉(IGV)。此可變導(dǎo)葉通過改變壓縮機的前級中的入射角(即，空氣角度和壓縮機葉片前緣的中線角度之間的差)提供調(diào)節(jié)壓縮機氣流的能力。這些可變IGV允許保持可接受的壓縮機無喘振操作裕度(margin)。通常，保持無喘振操作是燃氣渦輪的壓縮機部件的關(guān)鍵操作標(biāo)準。然而，并非所有燃氣渦輪配備有IGV以允許采用這種技術(shù)。此外，如果在試圖提高輸出的同時達到最大靜葉位置且面臨壓力比極限的話，單獨這種做法可能并不足夠。在這種情況下，必須采用其他做法來緩解壓力極限。

因此，用于在欠頻事件期間提供改進的電網(wǎng)導(dǎo)則順應(yīng)性的臨時增大燃氣渦輪的功率的系統(tǒng)將是合乎需要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的方面和優(yōu)點在以下描述中闡述，或可從該描述顯而易見，或可以通過實施本發(fā)明來學(xué)習(xí)。

本發(fā)明的一個實施例涉及用于電聯(lián)接到電力網(wǎng)的燃氣渦輪的功率增大系統(tǒng)。所述系統(tǒng)以連續(xù)流動順序包括：壓縮空氣供應(yīng)、與壓縮空氣供應(yīng)流體連通的壓縮空氣儲存罐和布置在壓縮空氣儲存罐下游的膨脹渦輪。膨脹渦輪的排氣出口與燃氣渦輪的壓縮機或入口區(qū)段中的至少一者流體連通。

本公開的另一個實施例涉及發(fā)電裝置。該發(fā)電裝置包括燃氣渦輪，其具有入口區(qū)段、在入口區(qū)段下游的壓縮機、在壓縮機下游的燃燒區(qū)段、在燃燒區(qū)段下游的渦輪和用于向電力網(wǎng)供應(yīng)功率的發(fā)電機。該發(fā)電裝置還包括功率增大系統(tǒng)。功率增大系統(tǒng)包括壓縮空氣供應(yīng)、在壓縮空氣供應(yīng)下游并與其流體連通的壓縮空氣儲存罐和布置在壓縮空氣儲存罐下游的膨脹渦輪。膨脹渦輪的排氣出口與燃氣渦輪的壓縮機或入口區(qū)段中的至少一者流體連通。

技術(shù)方案1. 一種用于電聯(lián)接到電力網(wǎng)的燃氣渦輪的功率增大系統(tǒng)，包括：

壓縮空氣供應(yīng)；

與所述壓縮空氣供應(yīng)流體連通的壓縮空氣儲存罐；和

布置在所述壓縮空氣儲存罐下游的膨脹渦輪，其中所述膨脹渦輪的排氣出口與所述燃氣渦輪的壓縮機或入口區(qū)段中的至少一者流體連通。

技術(shù)方案2. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的功率增大系統(tǒng)，其中，所述壓縮空氣供應(yīng)包括所述燃氣渦輪的壓縮機或輔助壓縮機中的至少一者。

技術(shù)方案3. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的功率增大系統(tǒng)，其中，所述膨脹渦輪的軸聯(lián)接到所述燃氣渦輪的轉(zhuǎn)子軸。

技術(shù)方案4. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的功率增大系統(tǒng)，其中，所述壓縮空氣供應(yīng)包括輔助壓縮機，其中所述輔助壓縮機為軸流式壓縮機。

技術(shù)方案5. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的功率增大系統(tǒng)，其中，所述壓縮空氣供應(yīng)包括輔助壓縮機，所述系統(tǒng)還包括聯(lián)接到所述壓縮空氣供應(yīng)的電動馬達。

技術(shù)方案6. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的功率增大系統(tǒng)，其中，所述功率增大系統(tǒng)還包括經(jīng)由軸聯(lián)接到所述膨脹渦輪的發(fā)電機。

技術(shù)方案7. 根據(jù)技術(shù)方案6所述的功率增大系統(tǒng)，其中，所述發(fā)電機電聯(lián)接到電力網(wǎng)。

技術(shù)方案8. 根據(jù)技術(shù)方案6所述的功率增大系統(tǒng)，其中，所述壓縮空氣供應(yīng)包括輔助壓縮機，所述系統(tǒng)還包括聯(lián)接到所述壓縮空氣供應(yīng)的電動馬達，其中所述發(fā)電機電聯(lián)接到所述馬達。

技術(shù)方案9. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的功率增大系統(tǒng)，其中，所述壓縮空氣供應(yīng)包括輔助壓縮機，其中所述膨脹渦輪的排氣出口流體地聯(lián)接到所述輔助壓縮機。

技術(shù)方案10. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的功率增大系統(tǒng)，其中，所述壓縮空氣供應(yīng)包括輔助壓縮機，所述系統(tǒng)還包括軸，所述軸使所述輔助壓縮機機械地聯(lián)接到所述膨脹渦輪。

技術(shù)方案11. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的功率增大系統(tǒng)，其中，所述功率增大系統(tǒng)還包括與所述壓縮空氣儲存罐熱連通的換熱器。

技術(shù)方案12. 一種發(fā)電裝置，包括：

燃氣渦輪，其具有入口區(qū)段、在所述入口區(qū)段下游的壓縮機、在所述壓縮機下游的燃燒區(qū)段、在所述燃燒區(qū)段下游的渦輪和用于向電力網(wǎng)供應(yīng)功率的發(fā)電機；和

功率增大系統(tǒng)，所述功率增大系統(tǒng)包括：

壓縮空氣供應(yīng)；

與所述壓縮空氣供應(yīng)流體連通的壓縮空氣儲存罐；和

布置在所述壓縮空氣儲存罐下游的膨脹渦輪，其中所述膨脹渦輪的排氣出口與所述燃氣渦輪的壓縮機或入口區(qū)段中的至少一者流體連通。

技術(shù)方案13. 根據(jù)技術(shù)方案12所述的發(fā)電裝置，其中，所述壓縮空氣供應(yīng)包括所述燃氣渦輪的壓縮機或輔助壓縮機中的至少一者。

技術(shù)方案14. 根據(jù)技術(shù)方案12所述的發(fā)電裝置，其中，所述膨脹渦輪的軸聯(lián)接到所述燃氣渦輪的轉(zhuǎn)子軸。

技術(shù)方案15. 根據(jù)技術(shù)方案12所述的發(fā)電裝置，其中，所述壓縮空氣供應(yīng)包括輔助壓縮機，其中所述輔助壓縮機為軸流式壓縮機。

技術(shù)方案16. 根據(jù)技術(shù)方案12所述的發(fā)電裝置，其中，所述壓縮空氣供應(yīng)包括輔助壓縮機，所述系統(tǒng)還包括聯(lián)接到所述壓縮空氣供應(yīng)的電動馬達。

技術(shù)方案17. 根據(jù)技術(shù)方案12所述的發(fā)電裝置，其中，所述發(fā)電裝置還包括經(jīng)由軸聯(lián)接到所述膨脹渦輪的發(fā)電機，其中所述發(fā)電機電聯(lián)接到所述電力網(wǎng)。

技術(shù)方案18. 根據(jù)技術(shù)方案12所述的發(fā)電裝置，其中，所述壓縮空氣供應(yīng)包括輔助壓縮機，所述系統(tǒng)還包括聯(lián)接到所述壓縮空氣供應(yīng)的電動馬達，其中所述發(fā)電機電聯(lián)接到所述馬達。

技術(shù)方案19. 根據(jù)技術(shù)方案12所述的發(fā)電裝置，其中，所述壓縮空氣供應(yīng)包括輔助壓縮機，其中所述膨脹渦輪的排氣出口流體地聯(lián)接到所述輔助壓縮機。

技術(shù)方案20. 根據(jù)技術(shù)方案12所述的發(fā)電裝置，其中，所述發(fā)電裝置還包括與所述壓縮空氣儲存罐熱連通的換熱器。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在閱讀說明書之后將更好地了解這些實施例的特點和方面及其他。

附圖說明

本發(fā)明的完整和開放的公開，包括其對于本領(lǐng)域技術(shù)人員的最佳模式，在說明書的其余部分中更具體地描述，包括對附圖的參考，在附圖中：

圖1為包括根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施例的功率增大系統(tǒng)的示例性燃氣渦輪的功能框圖；且

圖2為包括根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施例的功率增大系統(tǒng)的示例性燃氣渦輪的功能框圖。

構(gòu)件清單

10 燃氣渦輪

12 入口區(qū)段

14 工作流體

16 壓縮機

18 壓縮工作流體

20 燃料

22 燃料供應(yīng)

24 燃燒器

26 燃燒氣體

28 渦輪

30 軸

32 發(fā)電機/馬達

34 排出氣體

36 排氣區(qū)段

38 排氣器

100 系統(tǒng)

102 壓縮空氣供應(yīng)

104 壓縮空氣儲存罐

106 膨脹渦輪

108 輔助壓縮機

110 電動馬達

112 軸(電動馬達)

114 換熱器

116 發(fā)電機

118 排氣出口

120 軸(發(fā)電機)

121-199 未使用

200 壓縮空氣

202 排出空氣

PG 電力網(wǎng)。

具體實施方式

現(xiàn)在將詳細參考本發(fā)明的提出的實施例，在附圖中示出了其一個或多個示例。該詳細描述使用數(shù)字和字母標(biāo)記來指出附圖中的特征。附圖和描述中的相似或類似的標(biāo)記用于指出本發(fā)明的相似或類似的部分。如本文中所用的用語“第一”、“第二”和“第三”可互換地使用以使一個構(gòu)件與另一個構(gòu)件區(qū)分，且并不意在表示獨立構(gòu)件的位置或重要性。用語“上游”和“下游”是指關(guān)于流體通道中的流體流的相對方向。例如，“上游”是指流體從其流出的方向，且“下游”是指流體流向的方向。

各個示例通過解釋本發(fā)明而不是限制本發(fā)明提供。實際上，本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚的是，在不偏離其范圍或精神的情況下，可在本發(fā)明中進行修改和改變。例如，作為一個實施例的部分說明或描述的特征可用于另一個實施例以產(chǎn)生更進一步的實施例。因此，意在使本發(fā)明涵蓋落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的這些修改和改變及其等同物。

現(xiàn)在參看附圖，其中相同的數(shù)字在貫穿附圖表示相同的元件，圖1提供了包括根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施例的功率增大系統(tǒng)100和燃氣渦輪10的示例性發(fā)電裝置的功能框圖。如圖所示，燃氣渦輪10大體包括入口區(qū)段12，其可包括一系列過濾器、冷卻盤管、水分分離器和/或用以純化和另外地調(diào)節(jié)進入燃氣渦輪10的空氣14或其他工作流體的其他裝置?？諝?4流動到壓縮機區(qū)段，在那里壓縮機16逐漸向空氣14賦予動能以產(chǎn)生壓縮空氣18。

壓縮空氣18與來自燃料供應(yīng)系統(tǒng)22的燃料20混合以在一個或多個燃燒器24內(nèi)形成可燃燒混合物。使可燃燒混合物燃燒以產(chǎn)生具有高的溫度、壓力和速度的燃燒氣體26。燃燒氣體26流動通過渦輪區(qū)段的渦輪28以做功。例如，渦輪28可連接到軸30，從而使渦輪28的旋轉(zhuǎn)驅(qū)使壓縮機16以產(chǎn)生壓縮空氣18。備選地或另外，軸30可使渦輪28連接到發(fā)電機32以發(fā)電。發(fā)電機32電聯(lián)接或連接到電力網(wǎng)PG和/或與電力網(wǎng)PG同步。來自渦輪28的排出氣體34流動通過使渦輪28連接到渦輪28下游的排氣器38的排氣區(qū)段36。排氣區(qū)段36可包括例如用于在釋放到環(huán)境之前從排出氣體34清潔和提取額外的熱的熱回收蒸汽發(fā)生器(未示出)。

在各種實施例中，功率增大系統(tǒng)100或“系統(tǒng)”以連續(xù)流動順序包括：至少一個壓縮空氣供應(yīng)102、本文中稱為“空氣罐”的壓縮空氣儲存罐104和膨脹渦輪106。壓縮空氣供應(yīng)102經(jīng)由至空氣罐104的各種流體管道、閥和/或聯(lián)結(jié)器提供經(jīng)由箭頭200示例性指出的壓縮空氣。

壓縮空氣供應(yīng)102可包括一個或多個壓縮空氣供應(yīng)。例如，在一個實施例中，壓縮空氣供應(yīng)102包括獨立于燃氣渦輪10的壓縮機16操作的輔助壓縮機108。輔助壓縮機108可為任何合適的壓縮機類型。例如，輔助壓縮機108可為往復(fù)式壓縮機、旋轉(zhuǎn)螺旋壓縮機或離心壓縮機。在一個實施例中，如圖1中所示，輔助壓縮機108為軸流式壓縮機。在特定實施例中，輔助壓縮機108可通過電動馬達110和/或通過軸112驅(qū)動。軸112可使輔助壓縮機108聯(lián)接到馬達110和/或可使輔助壓縮機108聯(lián)接到膨脹渦輪106。在一個實施例中，壓縮空氣供應(yīng)102包括燃氣渦輪10的壓縮機16。在一個實施例中，系統(tǒng)100可包括輔助壓縮機108和燃氣渦輪10的壓縮機16兩者，兩者均與空氣罐104流體連通。

在特定實施例中，換熱器114可熱聯(lián)接到空氣罐104。在這種方式下，可調(diào)節(jié)儲存在空氣罐104內(nèi)的壓縮空氣200的溫度。在特定實施例中，發(fā)電機116可經(jīng)由軸118聯(lián)接到膨脹渦輪106。發(fā)電機116可用于產(chǎn)生電力。發(fā)電機116可電聯(lián)接到電力網(wǎng)PG和/或可聯(lián)接到壓縮空氣供應(yīng)102的馬達110。膨脹渦輪106可經(jīng)由流體地聯(lián)接到膨脹渦輪106的排氣出口118的各種流體管路、閥和/或聯(lián)結(jié)器流體地聯(lián)接到燃氣渦輪10和/或壓縮空氣供應(yīng)102。在一個實施例中，膨脹渦輪106流體地聯(lián)接到入口區(qū)段12。在一個實施例中，膨脹渦輪106的排氣出口118流體連接到壓縮機16。在一個實施例中，膨脹渦輪106的排氣出口118可流體地聯(lián)接到入口區(qū)段12和壓縮機16兩者。

在操作中，壓縮空氣供應(yīng)102利用壓縮空氣200充入或加壓空氣罐104至需要的壓力P1。在特定實施例中，輔助壓縮機108可經(jīng)由馬達110操作以向空氣罐104提供壓縮空氣200。另外或作為備選，壓縮空氣200的至少一部分可從燃氣渦輪的壓縮機16流到空氣罐104。

儲存在空氣罐104中的壓縮空氣200的壓力可經(jīng)由各種壓力傳感器監(jiān)測并按照需要經(jīng)由壓縮空氣供應(yīng)102和/或各種閥調(diào)節(jié)以在空氣罐104內(nèi)保持可操作的壓力。如果如此配備的話，換熱器114可冷卻或加熱空氣罐104內(nèi)的壓縮空氣200至需要的或可操作的溫度。例如，換熱器114可幫助保持儲存在空氣罐104中的壓縮空氣200為大約環(huán)境空氣溫度或低于環(huán)境空氣溫度。

在欠頻電網(wǎng)事件期間，當(dāng)軸30的旋轉(zhuǎn)速度下降時，燃氣渦輪10的功率輸出降低，至少部分因為軸30是同步的且以與電網(wǎng)頻率相同的旋轉(zhuǎn)速度運轉(zhuǎn)。作為響應(yīng)，系統(tǒng)100可以自動地或經(jīng)由控制器(未示出)啟用從而以計量方式釋放壓縮空氣200到膨脹渦輪106。當(dāng)壓縮空氣200流動通過膨脹渦輪106時，壓縮空氣200快速膨脹。壓縮空氣200在膨脹渦輪106內(nèi)快速膨脹導(dǎo)致從膨脹渦輪106的排氣出口118流出的排出空氣202具有比環(huán)境空氣溫度低的溫度。例如，排出空氣202可以達到低于-200℉，這取決于系統(tǒng)100和/或燃氣渦輪10的操作條件。

在這點上，至少一部分或所有排出空氣202可提供到壓縮機16和/或入口區(qū)段12中的一者或兩者，且可隨后吸入壓縮機16中。在一個實施例中，將排出空氣202傳送到壓縮機16的入口。相對冷的排出空氣202與環(huán)境空氣14混合，由此引起壓縮機入口溫度下降。這種冷卻效果臨時增大或提高燃氣渦輪10的功率輸出，由此降低或消除燃氣渦輪10過燃的潛在的負面的熱作用和/或機械作用以臨時提高功率輸出。

在特定實施例中，通過使壓縮空氣在膨脹渦輪106內(nèi)快速膨脹形成的動能可經(jīng)由聯(lián)接到軸的渦輪葉片(未示出)轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)能量，因此導(dǎo)致使膨脹渦輪106聯(lián)接到發(fā)電機116的軸120旋轉(zhuǎn)，由此導(dǎo)致發(fā)電機116產(chǎn)生用于電網(wǎng)的額外的功率和/或用于操作附連到輔助壓縮機108和/或現(xiàn)場的其他輔助設(shè)備的馬達110的功率。

在特定實施例中，在燃氣渦輪10的正常操作(即非欠頻操作)期間，壓縮空氣200的一部分可以以計量方式從空氣罐104引導(dǎo)通過膨脹渦輪106，因此導(dǎo)致軸120旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生用于電網(wǎng)的功率和/或用于操作附連到輔助壓縮機108和/或現(xiàn)場的其他輔助設(shè)備的馬達110的功率。在這點上，至少一部分或所有排出空氣202可提供到壓縮機16和/或入口區(qū)段12中的一者或兩者且可隨后吸入壓縮機16中。另外或作為備選，排出空氣202可分配回到輔助壓縮機108。

圖2提供了包括根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施例的功率增大系統(tǒng)100和燃氣渦輪10的一部分的示例性發(fā)電裝置的功能框圖。在特定實施例中，如圖2中所示，膨脹渦輪106可經(jīng)由軸120和/或包括回轉(zhuǎn)裝置(未示出)的各種其他構(gòu)件和/或其他器具聯(lián)接到燃氣渦輪的軸30。在這種方式下，膨脹渦輪106可用作啟動馬達或負載傳遞變換器(LCI)。在一個實施例中，膨脹渦輪106可聯(lián)接到發(fā)電機32和/或發(fā)電機116以用于發(fā)電。

該書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā)明可申請專利的范圍由權(quán)利要求限定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他示例。如果這些其他示例包括不與權(quán)利要求的字面語言不同的結(jié)構(gòu)要素，或如果它們包括與權(quán)利要求的字面語言無實質(zhì)差異的等同結(jié)構(gòu)要素，則意在使這些其他示例處于權(quán)利要求的范圍內(nèi)。