混合燃气轮机发电系统技术方案

一种用包括压缩空气存储器(16)的压缩空气能量存储系统(CAES)经允许从其进行空气注入或抽出的流体连接(1A、9A、11A)来调制其中集成有常规(GT)燃气轮机(2、4、6)的混合燃气轮机发电厂的功率输出的方法。功率是经所述流体连接通过选择性地配置所述GT压缩机(2)来减小或增加其质量流速且同时选择性地调整多少空气要作为补偿质量流在所述CAES和GT系统之间进行传递来增加或减小的，以便暂时地使在燃烧器(4)中的质量流速且从而使操作条件中的任何变化最小化，从而提供一种改进的频率响应模式，其中功率进行了调制以在十秒内满足电网波动。使用具有直接TES(14)的绝热CAES系统能够立即返回热量并减少由于存储在其中的空气的体积而导致的压力波动。通过使用在所述CAES中的快动排气阀(26)排放到大气可以暂时实现快速排放速率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】混合燃气轮机发电系统
本专利技术涉及一种混合燃烧轮机发电系统以及一种调制其功率输出的方法。特别地，本专利技术涉及一种混合系统，其中常规燃烧轮机与压缩空气能量存储(CAES)系统相集成。
技术介绍
自20世纪80年代以来，已知利用热能存储(TES)装置的CAES系统。绝热压缩空气能量存储(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，压缩空气通过热存储介质，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存储质量的形式，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质量相分离的热交换管网，诸如颗粒(例如，岩石)的填充床。替代地，一些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。然而，基于间接热传递(间接TES)的热能存储器具有比如上所述的直接存储热量的那些(直接TES)低得多的效率。此外，间接TES的热交换器通常需要有限的时间量来达到平衡条件，且从而，如果处于不活动状态，则需要在使用前进行升温。而且，对于大的热传递速率而言，这可能是相当昂贵的热交换器。燃烧轮机的空气注入式功率增强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。图1示出燃气轮机的功率输出随环境温度的变化。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系统(CTPGS)，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强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。在US5934063中，用源于涡轮机或源于下游的蒸汽轮机的废热来加热返回的存储空气。WO2013/116185涉及另一种混合CTPGS，其替代地提出在存储模式期间使用各种热交换器级以存储压缩热量以随后进行返回。也已提出将燃烧轮机(GT)系统与ACAES系统进行集成，由此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燃烧涡轮机流动路径内以在这些多种模式中将气流转入和转出燃烧轮机。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。将ACAES集成至燃气轮机系统中能够允许这种混合系统响应于变化的电网要求升高或降低其功率输出。然而，在混合动力系统是基于常规布置的燃气轮机的情况下，其中压缩机和涡轮机总是联接在一起以同时操作且气流总是依次顺流地通过压缩机、燃烧器和涡轮机，任何功率调制则受到燃气轮机的固有极限和特征的限制。现有技术已集中于扩展各个升高和降低限制以及提高这种操作模式的效率。然而，还需要提高响应速率。当前的电网要求需要发电厂能够在10秒内将输出增加10％。由TSO(输电系统运营商)使用这种方式以在发生大量发电量损失-例如，发电站跳闸或互连器丢失的情况下向网络供给额外的快速功率增加。TSO通常需要能够管理任何正常事件的足够的容量或为其进行支付。当大型发电机有损失时，系统频率立即开始下降。频率下降的速率是已丢失的发电量、剩余发电量以及在系统上旋转惯性的函数。大型热电厂具有直接联接到电网的电网同步机械。这个纺纱厂具有惯性且其降低了频率下降的速率。传统上，在大多数大型电网上，十秒的响应时间足以应付突发事件。然而，风力涡轮机和太阳能光伏(PV)正在大规模采用且其对系统有双重影响。其未向系统提供惯性且其没有边际生产成本。因此，当产生大量可再生能源时，热电厂关闭。这意味着系统上的惯性量降低且频率变化速率增加。还存在一个潜在的问题，发电机组的大小变得越来越大。例如，提议的新核电站为每个机组约1600MW，且这意味着电网运营商需要允许更大的发电量损失以及更快的变化频率。因此，期望的是发电厂能够在几秒内而不是十秒内增加功率，优选为增加量比10％的范围更大。通常仅在短时间段内需要这种对快速功率的要求，这是因为其他发电资产通常能够在几分钟上线以代替损失的发电量。增加或减小功率输出的方法涉及改变燃气轮机内的质量流速。例如，可以通过从存储器注入更多的空气来增加功率输出，但是对能够注入的空气速率存在限制。例如，需要管理热应力：随着压力比变化，压缩机和涡轮机部分中的温度都会发生变化，且这会产生对燃气轮机有潜在危害的热应力且会导致维护的增加以及发生不可预测的强制停电的可能性。另一个问题是燃烧器的稳定性。DLN燃烧器通常用非常稀薄的混合物操作且如果空燃比变化得太快，则可能将混合物“吹”出来。因此，为了避免这些问题，通常需要限制燃烧轮机内的质量流速的变化速率，以使得燃烧器内的空燃比不会变化得太快。本专利技术旨在提供一种改进的混合燃烧轮机发电系统，且特别是系统能够在非常短的时间段内(例如，在几秒内)调制其功率输出的系统。
技术实现思路
根据本专利技术的第一个方面，提供了一种调制混合燃烧轮机发电系统(CTPGS)的功率输出的方法，该混合燃烧轮机发电系统(CTPGS)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；以及压缩空气能量存储(CAES)系统，其经一个以上的至GT系统的流体连接与GT系统相集成以允许空气从GT系统抽出或注入其中；其中CAES系统包括从一个以上的流体连接通向压缩空气存储器的气流通道网络以及相关联的阀结构；方法包括经一个以上的流体连接通过改变其配置来分别选择性地减小或增加通过压缩机的空气的质量流速且同时选择性地调整多少空气要作为补偿质量流在CAES系统和GT系统之间进行传递来在空气分别顺流地通过压缩机、燃烧器和涡轮机的同时调制功率输出，以便部分或完全地补偿在通过压缩机的质量流速的减小或增加，从而使至少在选定的时间段内通过燃烧器和涡轮机的质量流速中的任何变化最小化或防止其发生。通过压缩机的质量流速的减小或增加将分别导致其消耗功率的等量的减小或增加，且因此导致(总)功率输出的相应增加或减小。通过按选定的质量流速(例如，按小于或大致等于压缩机质量流速中的变化的质量流速)从或至集成的CAES系统注入和/或排放一些或更多的作为补偿质量流的空气，借助于适当位于GT中的流体连接，可能使在选定的时间段通过燃烧器和涡轮机的质量流速中的任何变化，且从而使在那里的压力和温度条件中的任何变化最小化或防止其发生。通过以这种方式主动地部分或完全平衡质量流速，能够按比通常的方法更快的速率改变功率，这涉及通过GT的质量流速中的更显著的变化且具有在GT操作条件中的相关联(时间敏感)的变化。目前，可以号召发电厂在“频率响应”模式(FR模式)中操作，即其能够在十秒内从初始发电模式将输出增加10％以满足电网波动。本专利技术可以允许发电厂提供“改进的频率响应模式”或IFR模式，即其能够在10秒内，例如在7秒以下甚或优选为5秒以下甚或3秒以下的响应时间内从初始发电模式将功率调制为第二功率输出。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种调制混合燃烧轮机发电系统发电系统(CTPGS)的功率输出的方法，所述混合燃烧轮机发电系统发电系统(CTPGS)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；以及压缩空气能量存储(CAES)系统，其经一个以上的至GT系统的流体连接与所述GT系统相集成以允许空气从所述GT系统抽出或注入其中；其中所述CAES系统包括从所述一个以上的流体连接通向压缩空气存储器的气流通道网络以及相关联的阀结构；所述方法包括在空气朝下游分别通过所述压缩机、燃烧器和涡轮机的同时调制功率输出，经由通过改变其配置来分别选择性地减小或增加流经所述压缩机的所述空气的质量流速，并且同时选择性地调整多少空气要作为补偿质量流通过所述一个以上的流体连接在所述CAES系统和所述GT系统之间进行传递来增加或减少所述功率输出而进行该调制，以便部分或完全地补偿流经所述压缩机的质量流速的减小或增加，从而使至少在选定的时间段内流经所述燃烧器和涡轮机的质量流速中的任何变化最小化或防止其发生。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.06 GB 1503848.2;2015.12.23 GB 1522742.41.一种调制混合燃烧轮机发电系统发电系统(CTPGS)的功率输出的方法，所述混合燃烧轮机发电系统发电系统(CTPGS)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；以及压缩空气能量存储(CAES)系统，其经一个以上的至GT系统的流体连接与所述GT系统相集成以允许空气从所述GT系统抽出或注入其中；其中所述CAES系统包括从所述一个以上的流体连接通向压缩空气存储器的气流通道网络以及相关联的阀结构；所述方法包括在空气朝下游分别通过所述压缩机、燃烧器和涡轮机的同时调制功率输出，经由通过改变其配置来分别选择性地减小或增加流经所述压缩机的所述空气的质量流速，并且同时选择性地调整多少空气要作为补偿质量流通过所述一个以上的流体连接在所述CAES系统和所述GT系统之间进行传递来增加或减少所述功率输出而进行该调制，以便部分或完全地补偿流经所述压缩机的质量流速的减小或增加，从而使至少在选定的时间段内流经所述燃烧器和涡轮机的质量流速中的任何变化最小化或防止其发生。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述CAES系统与所述GT系统相集成，以使得其经所述GT系统进行充气和排放，空气经所述一个以上的流体连接从其抽出并注入其中。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述气流通道网络包括第一热能储存器(TES)，其在对所述空气存储器进行充气和排放之后移除热能和将其返回至所述压缩空气，其设置在后者(TES)和所述一个以上的流体连接之间。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一TES为直接TES。5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述补偿质量流确保了在所述选定的时间段内，在所述燃烧器和涡轮机内的质量流速的变化速率不超过每秒6％。6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述补偿质量流确保了在所述选定的时间段内，通过所述燃烧器和涡轮机的质量流速基本上保持不变。7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中在5秒以下的响应时间内将所述功率输出从初始功率输出调制为第二功率输出。8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述CAES系统在一个模式中在功率调制之前操作，在所述模式中，其将用于注入所述一个以上的流体连接中的空气保持在比所述燃气轮机的操作压力高至少0.5巴的在其上游的压力下。9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述CAES系统包括至少一个流调节装置，用于调节注入所述一个以上的流体连接中或从其抽出的空气的质量流速，所述至少一个流调节装置可选地位于存在于所述网络中的任何TES或加热器系统和所述一个以上的流体连接之间。10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中在所述CAES系统和所述GT系统之间的所述补偿质量流是经由一个以上设置在GT系统的辅助通道中的流体连接提供的，所述辅助通道包含绕过所述燃烧器的气流。11.根据任一前述权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·麦克纳斯滕，
申请(专利权)人：能源技术研究所，
类型：发明
国别省市：英国,GB