[发明专利]混合燃气轮机发电系统

说明书

技术领域

本发明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，本发明涉及一种混合系统，其中常规燃烧轮机与压缩空气能量存储(CAES)系统相集成。

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。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。