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CN104769256A - 燃气轮机能量补充系统和加热系统 - Google Patents

燃气轮机能量补充系统和加热系统 Download PDF

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CN104769256A CN201380055834.6A CN201380055834A CN104769256A CN 104769256 A CN104769256 A CN 104769256A CN 201380055834 A CN201380055834 A CN 201380055834A CN 104769256 A CN104769256 A CN 104769256A
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Abstract

一种包括燃气轮机的发电容量的电力系统，其中，在峰值电力需求时间段期间，利用单独的供燃料的系统产生额外的电力。

Description

燃气轮机能量补充系统和加热系统
技术领域
本发明总体地涉及包括燃气轮机的发电容量的电力系统，并更具体地说涉及能量存储系统，该能量存储系统可用于在峰值电力需求时间段期间提供额外的电力，并且提供保持燃气轮机和蒸汽轮机温度高并且准备运行以从而缩短起动时间的系统。
背景技术
目前，最低限度的能量主要通过燃气轮机以简单循环或是以联合循环配置来产生。由于负荷需求状况，基于燃气轮机的系统在高需求时间段期间循环加快(cycled up)而在低需求时间段期间循环减慢(cycled down)或关闭。这个循环典型地由电网操作者在称为主动电网控制或AGC的程序下进行驱动。不幸的是，由于代表大部分用户基数(installed base)的工业燃气轮机被主要针对基本负荷操作设计，当它们循环时，严重的代价与特定单元的维护成本相关联。例如，运行基本负荷的燃气轮机可能经历每三年或24,000小时一次的维护，成本在2至3百万美元的范围内。而对于每天强制起动和关闭的发电厂而言，一年之内将发生相同的费用。
当前，这些燃气轮机发电厂能够降载到它们额定容量的大约50％。它们通过关闭压缩机的入口导引翼片来实现此，关闭入口导引翼片减小了到达燃气轮机的空气流，也降低了燃料流，这是因为在燃烧过程中需要恒定燃料空气比。保持安全的压缩机操作和排放典型地限制实际上能够实现的降载程度。在当前的燃气轮机中，通过将温暖的空气引入到燃气轮机的入口，典型地从来自于压缩机的中间级吹气提取，安全压缩机操作下限被提高。有时，这种温暖空气也被引入到入口以防止结冰。在任一种情况下，当这样做时，压缩机在过程中对空气所做的功被牺牲，以获得能够在较低流量下安全操作压缩机的益处，由此增加了降载能力。由于在排出的空气上做的功被损失，这对系统的效率具有进一步不利的影响。另外，燃烧系统也对系统施加限制。
燃烧系统通常限制系统能够被降载的量，这是因为随着更少的燃料被加入，火焰温度降低，增加所产生的CO排放量。火焰温度和CO排放之间的关系与降低温度成指数关系，于是，随着燃气轮机系统越靠近极限，CO排放陡升，因此健康裕度阻止了这个极限。这个特性限制所有燃气轮机系统实现大约50％的降载能力，或者对于100MW的燃气轮机而言，能够实现的最小功率大约为50％，或50MW。随着燃气轮机质量流下降，压缩机和涡轮机效率也下降，导致机器的加热率增高。一些操作者每天面对这种情况，并结果，随着负荷需求下降，燃气轮机发电厂触碰到了它们的操作下限，并不得不关闭机器，这使他们花费极大的维护成本代价。
典型的燃气轮机的另一个特性是随着周围温度升高，由于随着空气温度升高密度减小的线性影响，功率输出按比例降低。在热天里，典型地在峰值燃气轮机被要求最大限度传送功率时，功率输出能够从额定输出降低多于10％。
典型的燃气轮机的另一个特性是在燃气轮机的压缩机节段内被压缩和加热的空气被引导到燃气轮机的涡轮机节段的不同部分，在那里，它们用于冷却各种部件。这种空气被典型地称为涡轮机冷却和泄漏空气(下面称为TCLA)，这是相对于燃气轮机的技术领域中公知的术语。尽管从压缩过程被加热，TCLA空气比涡轮机温度仍显著冷，并由此可有效冷却压缩机下游的涡轮机中的那些部件。典型地，进入压缩机入口的空气的10％到15％绕过燃烧器并用于这个过程。由此，TCLA对燃气轮机系统的性能而言是明显的损害。
燃气轮机的另一特性是它们通常花费20至30分钟起动，这是由于热负载的考虑，并且在联合循环发电厂处的热回收蒸汽发生器(HRSG)会花费一个小时或更多。这会是显著的问题，因为联合循环发电厂被更多地使用以平衡在几分钟之内明显波动的可再生能源间歇性。
发明内容
取决于特定发电厂需求，本发明提供若干选项，来提高燃气轮机的功率输出的上限，由此增加新的或现存的燃气轮机系统的容量和调整能力。
本发明的一个方面涉及一种方法和系统，其允许燃气轮机系统在峰值需求时间段期间更高效地提供最大额外电力，这是因为单独供燃料的发动机被用于驱动该系统，这消除了典型地与压缩空气喷射系统相关联的显著的寄生负载。
本发明的另一方面涉及排放再循环系统，其消除了来自单独供燃料的发动机的点排放源。
本发明的另一方面涉及利用与排放气体再循环系统相关联的废热的效率提高。
本发明的另一方面涉及一种供燃料的入口制冷器系统，在此，来自单独供燃料的发动机的废热增加了蒸汽轮机的功率输出，由此保持或改善联合循环发电厂的效率。
本发明的另一方面涉及在发电厂未运转的同时功率提升系统的替代使用，在此情况下，压缩空气被强制通过燃气轮机并且来自单独的供燃料发动机的废气被强制通过热回收蒸汽发生器(HRSG)，以保持整个燃气轮机和蒸汽轮机热，这缩短了起动时间。
本发明的另一方面涉及在发电厂不运转时的功率提升系统的替代使用，在此情况下，压缩空气被强制通过燃气轮机和HRSG，以将整个燃气轮机和蒸汽轮机保持热，这缩短了起动时间。
本发明的另一方面涉及一种功率提升空气喷射系统，该功率提升空气喷射系统代替(displace)通常从燃气轮机的中间级或者压缩机排放增压室取得的冷却空气，在同时，来自单独供燃料的发动机的废气被用在HRSG中以产生额外功率。被替代供给的冷却空气在温度和压力方面与被代替的空气类似，或者更冷(这导致冷却空气需求的减少以及燃气轮机(GT)效率提高)。
本发明的另一方面涉及使用相对冷的第一级喷嘴冷却空气，这导致冷却空气需求减少，这转化成提高的效率。
本发明的另一方面涉及一种功率提升系统，该功率提升系统输送相对冷的冷却空气，并且在联合循环发电厂不运行的时间段期间，输送热得压缩空气，以保持涡轮机节段热，同时在封闭的锅炉内利用单独供燃料的发动机的废气以将蒸汽运行通过HRSG和蒸汽轮机，以使得整个联合循环(CC)发电厂的起动时间最短。
本发明的另一方面涉及利用单独供燃料的发动机，以将热的压缩空气驱动到燃烧排放增压室内，同时利用从单独供燃料的发动机的废气可获得的过量的较低量(即，较低温度)热量来预热GT的燃料，由此提高GT的效率。
本发明的一个实施方式涉及一种系统，该系统包括补充压缩机、至少一个压缩机、至少一个发电机、至少一个涡轮机(连接到所述至少一个发电机和至少一个压缩机的至少一个涡轮机)以及燃烧室(它是用于所述压缩机的排放歧管)。
另一优选的实施方式的另一优点是利用补充的压缩热空气快速增加燃气轮机系统的功率输出的能力，所述补充压缩热空气由单独供燃料的发动机输送。
优选实施方式的另一优点是来自单独供燃料的发动机的废气中的一些或全部的再循环，由此使得来自发电厂的第二排放源的排放最小或消除该排放。
优选的实施方式的另一个优点是来自单独供燃料的发动机的废气中的一些或全部的再循环，由此使得与利用现有GT的排放控制系统清洁排放相关的成本最小或消除该成本。
其他优选实施方式的优点是增加功率输出同时提高整个系统的效率的能力。
本发明的实施方式的另一优点是提高功率输出以及传统制冷器系统的效率的能力。
本发明的实施方式的另一优点是在发电厂关闭的同时将燃气轮机和蒸汽轮机部件保持温暖由此缩短所需要的起动时间的能力。
本发明的一些实施方式的另一优点是通过减少与GT的冷却的冷却空气相关联的热量来提高集成的功率提升系统的效率的能力，所述热量否则会被浪费。
本发明的一些实施方式的另一优点是将冷却器的冷却空气输送到外部供给的涡轮机部件的能力，其导致GT所需要的TCLA减少并且集成的功率提升系统的效率提高。
本发明的一些实施方式的另一优点是通过冷却空气的优先的排放或直接归集(manifolding)将冷却器冷却空气输送到外部提供的涡轮机部件的能力，其导致GT所需要的TCLA减少，并且集成的功率提升系统的效率提高。
本发明的其他优点、特征和特点，以及结构的相关元件的操作方法和功能以及零件的组合将在参照附图考虑随后的详细描述以及所附的权利要求书时变得更清楚，所有的附图构成本说明书的一部分。
附图说明
图1是本发明的实施方式的示意图，其具有补充能量系统，该补充能量系统具有回热的(recuperated)供燃料发动机，废气再循环驱动补充压缩机，其中，回热发动机的废气中的一些或全部被传输到GT，用于进一步燃烧；
图2是具有补充能量系统的本发明的实施方式的示意图，所述补充能量系统带有回热的供燃料发动机，废气再循环和燃料加热驱动补充压缩机，其中，回热发动机的废气中的一些或全部被输送到GT，用于进一步燃烧，并且低量的废热被进一步用于加热GT燃料；
图3是包括补充能量增大入口制冷系统的本发明的实施方式的示意图，其利用单独供燃料发动机驱动的制冷器，其中，来自单独供燃料的发动机的废气被整合到GT的废气中；
图4是具有热回收蒸汽发生器加热系统的本发明的实施方式的示意图，所述热回收蒸汽发生器加热系统利用供燃料的发动机的废气，其中被压缩的空气和供燃料的发动机的废气二者被用于在简单或联合循环发电厂不运行时保持所述发电厂温暖；
图5是结合有利用压缩空气的快速起动系统的本发明的实施方式的示意图，其中，压缩空气和来自供燃料的发动机的压缩的废气的混合物被用于在简单或联合循环发电厂不运行时保持该发电厂温暖；
图6是具有涡轮机冷却空气补充的本发明的实施方式的示意图，其中，冷的冷却空气被补充压缩机和供燃料的发动机供给到燃气轮机的高压冷却回路，并且供燃料的发动机的废气被加入到燃气轮机的废气中；
图7是具有下游涡轮机喷嘴冷却的冷空气补充的本发明的实施方式的示意图，其中，冷的冷却空气被补充压缩机和供燃料的发动机供给到中压冷却回路，并且供燃料的发动机的废气被加入到GT的废气中；
图8是具有第一涡轮机喷嘴冷却的冷却空气补充的本发明的实施方式的示意图，其中，冷的冷却空气被补充压缩机和供燃料的发动机供给到燃气轮机的第一级喷嘴冷却回路，并且供燃料的发动机的废气被加入到GT的废气；
图9是具有利用空气和蒸汽喷射的快速起动的本发明的实施方式的示意图，其中，冷的冷却空气被补充压缩机和供燃料的发动机供给到燃气轮机的第一级喷嘴冷却回路、高压冷却回路或中压冷却回路，并且在燃气轮机工作时供燃料的发动机的废气被用于产生用于功率增大的蒸汽，而在燃气轮机不工作时压缩空气和蒸汽用于保持发电厂温暖；
图10是具有补充能量系统的燃料加热的本发明的实施方式的示意图，该补充能量系统具有驱动补充压缩机的回热的供燃料发动机，其中，供燃料发动机的废气中的一些或全部被用于加热燃气轮机的燃料；
图11在针对具有551bs/sec喷射(+5.5％)的SW501FD2的温熵或焓熵图上示出可应用于本发明的类型的燃气轮机循环；
图12示出与中间冷却的压缩机过程相比，针对SW501FD2压缩机将空气从大气条件泵送到升高压所需的每磅质量的功的比较图。
具体实施方式
本发明的一个方面涉及允许燃气轮机系统在各种操作条件或模式下更高效运行的方法和系统。在诸如Nakhamkin的美国专利第6,305,158号(158专利)中讨论的系统中，定义了三种基本的操作模式，正常模式、装载模式和空气喷射模式，但是这受到用于发电机的需求的限制，该发电机具有输送超过燃气轮机系统能够输送的满额定功率的功率的能力。这个专利已经授权超过10年但是在快速增涨能量成本时还没有已知的用途这个事实正是这个专利没有解决市场需求的佐证。
首先，更换和升级发电机使得它能够输送超过燃气轮机系统目前能够输送的满额定功率的功率是非常昂贵的。
另一个缺点是该系统不能够在对燃料消耗没有显著不利影响的前提下在联合循环发电厂实施。大部分概述的实现方式使用回热器在简单循环操作中加热空气，这减轻了燃料消耗增加的问题，但是它明显增加了成本和复杂性。如下面概述的所提出的本发明解决了‘158专利中公开的系统的成本和性能不足。
本发明的一个实施方式涉及操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，该燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气，所述供燃料发动机的操作与电网无关；以及
(c)将加压空气喷射到燃烧器壳体内。
根据一个优选实施方式，来自单独供燃料的发动机的温暖的废气被用于预热被供给到燃烧器内的燃料。
优选地是，供燃料发动机包括水套冷却系统，并且从水套冷却系统去除的热量被用于预热被供给到燃烧器中的燃料。
根据另一个优选实施方式，在燃气轮机不工作时，供燃料的发动机的废气中的全部或一些被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器中的热量。
根据另一优选实施方式，在燃气轮机不工作时，由供燃料发动机驱动的压缩过程所产生的加压空气被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机的热量。
本发明的另一实施方式涉及操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，该燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机所驱动的补充压缩机，加压周围空气和来自供燃料发动机的废气的一部分；以及
(c)将加压的空气和废气混合物喷射到燃烧器壳体内，
其中所述供燃料发动机的操作与电网无关。
根据一个优选实施方式，来自单独供燃料的发动机的温暖废气被用于预热供给到燃烧器中的燃料。优选地是，供燃料发动机包括水套冷却系统，并且从所述水套冷却系统去除的热量被用于预热供给到燃烧器中的燃料。
根据另一优选实施方式，在燃气轮机不工作时，供燃料发动机的废气中的全部或一部分被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机的热量。
根据另一优选实施方式，在燃气轮机不工作时，由供燃料发动机驱动的压缩过程所产生的加压空气被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机的热量。
本发明的再另一个实施方式涉及操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，该燃气轮机系统包括彼此流体联接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机所驱动的补充压缩机加压周围空气和全部来自所述供燃料发动机的废气；以及
(c)将加压空气和废气混合物喷射到燃烧器壳体内，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
根据一个优选实施方式，来自单独供燃料的发动机的温暖废气被用于预热供给到燃烧器的燃料。优选地是，所述供燃料发动机包括水套冷却系统，并且从所述水套冷却系统去除的热量用于预热供给到燃烧器内的燃料。
根据另一优选实施方式，在所述燃气轮机不工作时，供燃料发动机的废气中的全部或一些被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机中的热量。
根据另一优选实施方式，在燃气轮机不工作时，由供燃料发动机驱动的压缩过程所产生的加压空气被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机的热量。
本发明的再另一个实施方式涉及操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机，仅加压来自所述供燃料发动机的废气；以及
(c)将加压空气和废气混合物喷射到燃烧器壳体内，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
根据一个优选实施方式，来自单独供燃料的发动机的温暖废气用于预热供给到燃烧器内的燃料。优选地是，所述供燃料发动机包括水套冷却系统，并且从所述水套冷却系统去除的热量被用于预热供给到燃烧器内的燃料。
根据另一优选实施方式，在燃气轮机不工作时，供燃料发动机的废气中的全部或一部分被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机的热量。
根据另一优选实施方式，在燃气轮机不工作时，由供燃料发动机驱动的压缩过程所产生的加压空气被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机中的热量。
再另一个实施方式涉及操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充制冷过程冷却燃气轮机入口空气；以及
(c)将来自单独供燃料发动机的废气喷射到所述燃气轮机的废气中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
再另一实施方式涉及操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充制冷过程冷却燃气轮机入口空气；以及
(c)将来自单独供燃料发动机的废气喷射到燃气轮机的废气中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
再另一实施方式涉及操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气；以及
(c)将加压空气喷射到转子空气冷却器上游的转子冷却空气回路中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
优选地是，来自替代的供燃料发动机的废气被排放到涡轮机的废气中。
再另一实施方式涉及一种燃气轮机能量系统，包括：
(a)操作燃气轮机系统，该燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机所驱动的补充压缩机加压周围空气；以及
(c)将加压空气喷射到转子空气冷却器下游的转子冷却空气回路中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
优选地是，来自替换供燃料发动机的废气被排放到涡轮机的废气中。
另一实施方式涉及一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气；
(c)将加压空气喷射到中间压力冷却回路中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
优选地是，来自替供燃料发动机的废气被排放到涡轮机的废气中。
另一实施方式涉及操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气；
(c)将加压空气喷射到第一级喷嘴冷却回路中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
优选地是，来自交替换供燃料发动机的废气被排放到涡轮机的废气中。
另一实施方式涉及操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气；
(c)将加压空气喷射到燃气轮机冷却回路中；以及
(d)将利用来自替换供燃料的发动机的热量产生的蒸汽喷射到涡轮机中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
另一实施方式涉及操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气；
(c)当燃气轮机系统不运行时将加压空气喷射到涡轮机中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
另一实施方式涉及操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；以及
(b)在燃气轮机系统不运行的同时，将蒸汽注入到热回收蒸汽发生器中，所述蒸汽是利用来自替换供燃料发动机的热量产生的。
另一实施方式涉及操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)在燃气轮机系统不运行时，将单独供燃料的发动机的废气喷射到热回收蒸汽发生器中。
本发明的再另一实施方式涉及被构造成执行根据本发明的方法的设备，所述设备包括燃气轮机系统以及一个或多个额外部件(例如，供燃料发动机)，它们被构造成执行根据本发明的方法，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机。
本发明的一个实施方式的部件在图1中示出为它们与现有燃气轮机系统1一起使用。燃气轮机系统1包括压缩机10、燃烧器12、燃烧器壳体14、涡轮机16和发生器18。作为往复式内燃机、燃气轮机或类似机器的供燃料发动机151用于驱动多级中冷补充压缩机116，其中，所述供燃料发动机151通过放热反应(如燃烧)将燃料转变成能量，所述多级中冷补充压缩机116压缩周围空气115和/或冷却的废气154并排出被压缩的空气/废气117。如本领域技术人员轻易理解到的，随着补充压缩机内的空气/废气从一个压缩机级穿行到另一个，通过利用热交换器(如冷却塔)冷却空气，以减少在后续压缩机级中压缩空气所需的功。这样做提高了补充压缩机116的效率，这使其比燃气轮机系统1的压缩机10更高效。
这个实施方式还包括回热器144，该回热器144是热交换器，其接收来自供燃料发动机151的废气152以及来自补充压缩机116的压缩空气/废气117。在回热器144中，热的废气152加热压缩空气/废气117并然后作为基本上较冷的废气153离开回热器144。同时，在回热器144中，压缩空气/废气117从废气152吸收热量，并然后作为与它进入回热器144时相比相当热的压缩空气/废气118离开回热器144。相当热的压缩空气/废气118然后被排放到燃气轮机系统1的燃烧壳体14内，在此，它成为通过燃烧器12和涡轮机16的质量流的添加部分。
从回热器144排出的温暖的废气153进入阀161，该161阀将该温暖的废气153中的一些或全部引导到冷却塔130，以进一步冷却。冷的废气154进入补充压缩机116的入口。额外的周围空气115也可加入到补充压缩机116的入口。没有被阀161转移到冷却塔130的任何温暖废气153可以被排放到大气，排放到燃料加热系统或排放到GT废气22。
本发明的部分废气再循环系统减少了来自单独供燃料的发动机的排放，同时，100％废气再循环系统消除了单独供燃料的发动机作为排放源。对于许可原因以及降低成本而言这是非常有益的，因为现有的燃气轮机废气清洁系统能够被使用，由此消除该项目的潜在成本。
经证实汽油、柴油、天然气或双燃料以及类似的往复式发动机对背压相对不敏感，因此将回热器144设置在供燃料发动机151上不会对供燃料发动机151的性能造成明显可测量的影响。图11在TS或HS(温熵或焓熵)图上示出燃气轮机循环。由于温度和熵彼此成比例(Cp)，14.7psi的环境压力(P10)和压缩机排放压力(CDP)过程之间的垂直距离表示将空气泵送达到CDP所需要的压缩机功。点线(P11)示出在没有喷射情况下的压缩机排放压力，它是218.1psi，而虚线(PI2)示出喷射情况下的压缩机排放压力，它是230.5psi。压缩机排放温度从没有压缩空气喷射情况下的770F(P13)增加到压缩空气喷射情况下的794F(PI4)，这是因为增大的压缩压力比。这个额外的24F导致将空气加热到2454F的燃烧温度所需的燃料少了1％，并也导致在压缩机功方面+1.3％或3.5MW的增加(与没有压缩空气喷射情况下的压缩机功(PI5)相比较)。温度从大约750F升高(以及相应的熵升高)到大约2454F的涡轮机入口温度(TIT)(燃烧温度(P16))，这表示英热单位(BTU)的燃料输入。从CDP(P11，P12)到右手侧14.7psi(P10)的垂直距离表示涡轮机功(P17)，它大约是压缩机功(P15)的两倍。由于更高的膨胀器压力比，在喷射情况下，废气温度从987F(P18)下降到967F(P19)，减少20F，或者每磅空气多+0.81％的能量，或者在基本流量下+4.7MW。
图12示出将空气从大气条件(14.7psi)泵送到稍高于CDP的压力(230psi)使得它可以被排放到CDP增压室内所需要的每磅质量的功的比较图。如可以看到的，虚线曲线表示每级具有大约2.45压缩比的3级中冷压缩机(在第一级之后36psi，在第2级之后92psi，在第三级之后230psi)。利用中冷过程(P20)压缩1lbm的空气的功明显小于非中冷压缩机，甚至考虑类似级压缩效率的情况下。实事求是地说，由于中冷器压力在每一级损失并且空气实际上必须被泵送到比CDP高的压力以将空气有效喷射到GT中的事实，比图12所暗示的需要更多个功。但是，以每磅为基础，甚至考虑这些因素，中冷的压缩机使用比GT所需的功(P21)更少的功率，来压缩用于涡轮机循环的空气。
图2示出图1的实施方式，其中，利用温暖的废气153在燃料加热器201中加热燃料来完成燃料加热。这进一步提高了发电厂的效率，这是因为燃料加热减少了将压缩机10排放空气升高到涡轮机入口温度所需的BTU燃料输入，这导致GT所需要的燃料量24减少。
图3利用替代的技术，入口制冷系统(inlet chilling system)401，用来功率增大。通过提供冷的制冷剂，入口冷却起作用，该制冷剂用于冷却在散热器405内循环的流体。冷却的流体403进入散热器405并冷却穿过散热器405的燃气轮机入口空气20，使得冷的空气402被排放到GT的入口中，导致GT循环更有效并且产生更多功率。冷却流体然后从散热器405排出404，比它进入时温暖，并且制冷器系统401冷却退回的流体。传统上，这些系统由电机驱动，这在发电厂试图产生额外功率的同时给发电厂施加了大得寄生负载，这转化成明显的热耗损失。当单独供燃料的发动机被用于驱动制冷器时，寄生负载被消除。利用新出现的、目前流行的并且现金的高效天然气往复式发动机，来自往复式发动机的废气被加入到燃气轮机废气中，以在用于蒸汽轮机的HRSG中产生额外的蒸汽。如果需要的话，这个额外蒸汽中的全部或一部分也可以被提取并用作用于功率增大的蒸汽喷射。这些特征对于联合循环发电厂来说都是明显的效率提高。在简单循环发电厂中，辅助锅炉(未示出)可以利用热的废气352来产生蒸汽，该蒸汽可以用于向GT中的蒸汽喷射，导致功率增大。
图4示出图1的替代实施方式，其中，阀501设置在单独供燃料发动机151的废气152中，该阀将废气502从发动机151转移到联合循环发电厂的HSG503，在此，它用于预热系统或保持系统温暖，实现更快的起动时间。当这个系统被操作时，液力或机械离合器504被用于将供燃料发动机151的轴与压缩机116脱开，使得它不工作。
图5与图4非常相似，但是，用于补充压缩机116的离合器被消除，并且压缩机116将压缩空气/废气混合物602提供到HRSG503且/或将压缩空气/废气混合物118经回热器114提供到燃气轮机。这比图4所示的低压废气有利，因为加压的空气/废气混合物能够比相对低压的空气/废气混合物更容易被引导以流动到各区域。另外，单独供燃料的发动机151将产生更热的废气温度，这对于加热目的而言是期望的。这种构造可以被改变使得低压但是非常高温度的废气(未示出)可以用于HRSG503和GT的能够利用更热温度的空气的预热区域，而低温的压缩空气/废气可以用于HRSG503和涡轮机的能够利用较冷温度的空气的区域中。
图6是简化的方法，以将压缩空气喷射到燃气轮机系统1中，这是因为压缩空气117不需要被加热，因为该空气用于替代通常由燃气轮机601供给并且被转子空气冷却系统155中的空气或蒸汽冷却的被冷却的冷却空气602。例如，在Siemens Westinghouse 501F、501D5、和501B6发动机的普通操作下，压缩机10压缩的空气中的大约6.5％从压缩机排放增压室14通过单个大管道(直径大约20”)吹出。被吹出的空气601大约200至250psi和650至750F。这种热空气进入转子空气冷却系统155，在此，空气或蒸汽被用于冷却吹出空气601。当空气被用于冷却吹出空气601时热量被排放到大气603并浪费掉。但是，如果蒸汽用作冷却剂来冷却吹出空气601，热量从吹出空气601转移到蒸汽，由此增加了蒸汽的焓，并且蒸汽然后可以用于蒸汽循环。在两种情况下，如果根本没有热量排出的话，燃气GT1循环的效率提高。通过将冷的加压空气117喷射到转子空气冷却器155的上游601或下游602，排斥的热量603被最小化或被消除，由此提高了GT1循环效率，同时，有效增加了通过燃烧器12节段和涡轮机节段16的空气的质量流。大部分燃气轮机具有专用的中压压缩机吹气701，其用于冷却涡轮机的后面级，在此，需要降低的压力，如图7所示。而且，所有燃气轮机给第一翼片冷却回路供给可获得的最高压力，如图8所示，其处于压缩机排放封罩(dischargewrapper)14(或燃烧器壳体)内。
取决于喷射位置，如图6所示的转子冷却空气、如图7所示的中压冷却或如图8所示的第一翼片冷却处，需要不同的压力。这些压力可以通过中冷补充压缩机116的出口提供或来自用于较低压力用途的中冷补充压缩机116的前面级。在所有情况下，由于这种类型的喷射利用较少(未示出)或不利用回热来加热空气，单独供燃料的发动机的废气152能够加入到燃气轮机废气22中，如图所示，以增加联合循环发电厂的废气能量。如果本发明的功率提升系统位于简单循环发电厂中，热的废气152能够用在所封装的锅炉901中，以产生用于注入燃气轮机903的蒸汽，如图9所示。由于TurboPHASE封装(如本发明中所称谓的)意在模块化，有利的是，将封装的锅炉901结合在至少一个单元上，使得在非峰值时间期间，TurboPHASE模块化封装能够被运行，以利用加压的热空气117循环保持燃气轮机温暖，并且利用蒸汽循环保持蒸汽轮机/HPvSG503温暖，以减少起动时间需求。
在效率方面，存在通过结合低量热能够实现的进一步提高。例如，在图10中，燃气轮机燃料输入24能够用来自供燃料发动机的水套冷却系统1011和1012的热量来预热1023。通过这样做，将减少发电厂冷却需求，并且燃气轮机燃料在进入燃料加热器201之前将被预热，由此需要较少的热量输入来实现期望的燃料温度，或者能够实现更高的燃料温度。图10还示出可替代的实施方式，其中，来自回热器144的废气153被用于在注入GT之前将最终热量加入到燃气轮机燃料1024中。在这种情况下，交替供燃料的发动机151的废气153在流过燃料加热器201并被排放1002之后是相对冷的。
虽在此描述并且详细描述的特定系统、部件、方法和装置完全能够实现本发明的上述目的和优点，但是要理解的是这些是本发明的目前优选的实施方式并因此代表本发明广泛构想的主题，本发明的范围完全涵盖对本领域技术人员而言是显而易见的其他实施方式，并且本发明的范围于是仅由所附的权利要求书限定，权利要求中为单数的元件的引用意味着“一个或多个”而非“一个仅一个”，除非在权利要求书中如此描述。
将理解本发明的修改和变型由上述教导所覆盖，并且在所附权利要求书的范围内，而不背离本发明的精髓和期望范围。

Claims (34)

1.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气，所述供燃料发动机的操作与电网无关；以及
(c)将所述加压空气喷射到所述燃烧器壳体中。
2.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机，加压周围空气和来自所述供燃料发动机的废气中的一部分；以及
(c)将所述加压空气和废气混合喷射到所述燃烧器壳体中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
3.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气和来自所述供燃料发动机的全部废气；以及
(c)将所述加压空气和废气混合物喷射到所述燃烧器壳体内，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
4.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机仅压缩来自所述供燃料发动机的废气；以及
(c)将所述加压空气和废气混合物喷射到所述燃烧器壳体内，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
5.如权利要求1所述的方法，其中，来自单独供燃料的发动机的温暖废气被用于预热供给到燃烧器的燃料。
6.如权利要求2所述的方法，其中，来自单独供燃料的发动机的温暖废气被用于预热供给到燃烧器的燃料。
7.如权利要求3所述的方法，其中，来自单独供燃料的发动机的温暖废气被用于预热供给到燃烧器的燃料。
8.如权利要求4所述的方法，其中，来自单独供燃料的发动机的温暖废气被用于预热供给到燃烧器的燃料。
9.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充制冷过程冷却燃气轮机入口空气；以及
(c)将来自单独供燃料发动机的废气喷射到所述燃气轮机的废气中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
10.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充制冷过程冷却燃气轮机入口空气；以及
(c)将来自单独供燃料发动机的废气喷射到所述燃气轮机的废气中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
11.如权利要求1所述的方法，其中，在所述燃气轮机不工作时，供燃料发动机的废气中的全部或一部分被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器的热量。
12.如权利要求2所述的方法，其中，在所述燃气轮机不工作时，供燃料发动机的废气中的全部或一部分被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机的热量。
13.如权利要求3所述的方法，其中，在所述燃气轮机不工作时，供燃料发动机的废气中的全部或一部分被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机的热量。
14.如权利要求4所述的方法，其中，在所述燃气轮机不工作时，供燃料发动机的废气中的全部或一部分被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机的热量。
15.如权利要求1所述的方法，其中，当所述燃气轮机不工作时，由所述供燃料发动机驱动的压缩过程所产生的加压空气被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机的热量。
16.如权利要求2所述的方法，其中，当所述燃气轮机不工作时，由所述供燃料发动机驱动的压缩过程所产生的加压空气被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机的热量。
17.如权利要求3所述的方法，其中，当所述燃气轮机不工作时，由所述供燃料发动机驱动的压缩过程所产生的加压空气被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机的热量。
18.如权利要求4所述的方法，其中，当所述燃气轮机不工作时，由所述供燃料发动机驱动的压缩过程所产生的加压空气被转移，以提供输入到热回收蒸汽发生器和/或涡轮机的热量。
19.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气；以及
(c)将所述加压空气喷射到转子空气冷却器的转子冷却空气回路上游，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
20.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气；以及
(c)将所述加压空气喷射到转子空气冷却器的转子冷却空气下游，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
21.如权利要求19所述的方法，其中，来自交替供燃料发动机的废气被排放到涡轮机的废气中。
22.如权利要求20所述的方法，其中，来自交替供燃料发动机的废气被排放到涡轮机的废气中。
23.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气；以及
(c)将所述加压空气喷射到所述中压冷却回路中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
24.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气；以及
(c)将所述加压空气喷射到所述第一级喷嘴冷却回路中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
25.如权利要求23所述的方法，其中，来自交替供燃料发动机的废气被排放到涡轮机的废气中。
26.如权利要求24所述的方法，其中，来自交替供燃料发动机的废气被排放到涡轮机的废气中。
27.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气；
(c)将所述加压空气喷射到燃气轮机冷却回路中；以及
(d)将利用来自交替供燃料发动机的热量产生的蒸汽喷射到涡轮机中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
28.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；
(b)利用供燃料发动机驱动的补充压缩机加压周围空气；
(c)在燃气轮机系统不运行时将所述加压空气喷射到所述涡轮机中，
其中，所述供燃料发动机的操作与电网无关。
29.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；以及
(b)在所述燃气轮机系统不运行时将蒸汽喷射到热回收蒸汽发生器中，所述蒸汽是利用来自交替供燃料发动机的热量产生的。
30.一种操作燃气轮机能量系统的方法，包括：
(a)操作燃气轮机系统，所述燃气轮机系统包括彼此流体连接的压缩机、燃烧器壳体、燃烧器和涡轮机；以及
(b)在燃气轮机系统不运行时将单独供燃料的发动机的废气喷射到热回收蒸汽发生器中。
31.如权利要求5所述的方法，其中，所述供燃料发动机包括水套冷却系统，并且从所述水套冷却系统去除的热量被用于预热供给到燃烧器的燃料。
32.如权利要求6所述的方法，其中，所述供燃料发动机包括水套冷却系统，并且从所述水套冷却系统去除的热量被用于预热供给到燃烧器的燃料。
33.如权利要求7所述的方法，其中，所述供燃料发动机包括水套冷却系统，并且从所述水套冷却系统去除的热量被用于预热供给到燃烧器的燃料。
34.如权利要求8所述的方法，其中，所述供燃料发动机包括水套冷却系统，并且从所述水套冷却系统去除的热量被用于预热供给到燃烧器的燃料。
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