CN106460664B - 使用补充空气系统的燃气涡轮机效率和调节速度改进 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于增加燃气涡轮发动机的功率、改进燃气涡轮发动机操作并且减少满足发电厂的变化的需求所需的响应时间的新颖装置和方法。功率增大和发动机操作的改进包括附加的加热压缩空气喷射、蒸汽喷射、水回收、排气回火、燃料加热和存储的加热空气喷射。

Description

使用补充空气系统的燃气涡轮机效率和调节速度改进

相关申请的交叉引用

本申请要求美国专利申请序列号14/350469的部分继续申请的优先权，该申请要求于2013年3月31日提交的PCT/US2013/034748的优先权，该申请要求于2012年4月2日提交的美国临时专利申请序列号61/686222的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及燃气涡轮发动机动力系统，包括补充这种燃气涡轮发动机的发电容量，以及用于在峰值电力需求期间提供额外电力的能量存储。更具体地，识别对补充发电系统的一系列改进。

背景技术

目前，边际能量或峰值能量主要由燃气涡轮机产生，以简单循环或联合循环构造操作。作为负载需求分布的结果，燃气涡轮机基础系统在高需求期间循环上升，在低需求期间循环下降或关闭。这种循环通常由电网操作员在称为“有源电网控制”或AGC的程序下驱动。不幸的是，由于代表所安装的发电基础的主要部分的工业燃气涡轮机主要被设计用于基本负载操作，所以当特定单元循环时，严重的损失与该特定单元的维护成本相关。例如，运行基本负载的燃气涡轮机可能每三年或24000小时的运行时间进行一次正常的维护周期，成本在200万美元到300万美元($2000000到$3000000)之间。由于与循环该特定燃气涡轮机的维护成本相关的严重损失，对于每天被迫启动和关闭的燃气涡轮机，在一年中可能发生相同的成本。此外，即使是被设计用于快速起动能力的航空衍生发动机，在被呼叫时也可能需要十(10)分钟或更长时间来输送所需的功率。这种对循环燃气涡轮机机组的需要是一个主要问题，并且随着在电网上间歇性可再生能源的使用的增加而变得更加成问题。

目前，用于发电厂的燃气涡轮发动机可以降低到其额定容量的约50％。它们通过关闭压缩机的入口导向叶片来实现这一点，由于在所有发动机操作条件下在燃烧过程中需要恒定的燃料空气比，所以这减少了到燃气涡轮机的空气流量，从而降低了燃料流量。保持安全的压缩机操作和燃气涡轮机废气排放的目标通常限制可实际实现的调节水平。

安全地降低当前燃气涡轮机中的压缩机的操作极限的一种方式是通过将通常从压缩机上的中间级放气端口提取的暖空气引入燃气涡轮机的入口。有时，这种暖空气还被引入入口以防止结冰。在任一情况下，当这完成时，在该过程中牺牲由压缩机对空气完成的功，以便能够在较低空气流量下安全地操作压缩机，从而产生增加的调节能力。不幸的是，来自压缩机的排出空气对整个燃气涡轮机系统的效率具有进一步的负面影响，因为在排出的空气上执行的功丢失了。通常，对于从该压缩机排出的每1％的空气，为了该调节改进，损失了燃气涡轮机的总功率输出的约2％。另外，燃烧系统也对系统提出了限制。

燃烧系统通常限制系统可以调节的量，因为添加较少的燃料，火焰温度降低，增加产生的一氧化碳(“CO”)排放的量。火焰温度和CO排放之间的关系随着温度降低而呈指数关系，因此，随着燃气涡轮机系统接近调节极限，CO排放增加，因此重要的是保持从该极限的健康余量。该特征将所有燃气涡轮机系统限制为约50％的调节能力，或者对于100MW的燃气涡轮机来说，可以实现的最小功率调节为约50％或50MW。随着燃气涡轮机质量流量降低，压缩机和涡轮机效率也下降，导致机器的热率增加。一些操作者每天都面临这种情况，因此，随着负载需求下降，燃气涡轮机设备达到其较低的运行极限，并且燃气涡轮机必须关闭，这导致发电厂遭受巨大的维护成本损失。

典型的燃气涡轮机的另一个特征是，随着环境温度的升高，功率输出随着空气温度的增加因密度降低的线性效应而成比例地下降。在炎热天气期间，功率输出可以从铭牌功率额定值下降超过10％，这通常是在峰值燃气涡轮机被最频繁地呼叫以传递功率时。

典型的燃气涡轮机的另一个特征是，在燃气涡轮机的压缩机部分中被压缩和加热的空气被输送到燃气涡轮机的涡轮机部分的不同部分，在那里用于冷却各种部件。该空气通常被称为涡轮冷却和泄漏空气(以下称为“TCLA”)，这是本领域中公知的关于燃气涡轮机的术语。尽管从压缩过程加热，TCLA空气仍然比涡轮机温度显著更冷，并且因此在冷却压缩机下游的涡轮机中的那些部件方面是有效的。通常，进入压缩机入口的10％至15％的空气绕过燃烧器并用于该过程。因此，TCLA是燃气涡轮机系统的性能的显著损失。

其它功率增大系统，例如入口冷却，提供冷却器入口条件，导致通过燃气涡轮压缩机的空气流增加，并且燃气涡轮机输出成比例地增加。例如，如果入口冷却减少了热天的入口条件，使得燃气涡轮压缩机具有多5％的空气流量，则燃气涡轮机的输出也将增加5％。随着环境温度下降，入口冷却变得不太有效，因为空气已经是冷的。因此，入口冷却功率的增加在热天最大，在约45°F环境温度天逐渐减小到零。

在诸如在Nakhamkin的美国专利No.6305158(“'158专利”)中讨论的功率增大系统中，存在所定义的三种基本的操作模式：正常模式、充电模式和空气喷射模式，但受到对发电机的需要的限制，该发电机具有输送“超过燃气涡轮机系统可以输送的全额定功率”的功率的能力。该专利已经发行超过十(10)年，但是在快速上升的能量成本的时候并没有已知的应用，这证明它不能满足市场需求。首先，替换和升级发电机是非常昂贵的，因此其可以输送“超过燃气涡轮机系统当前可以输送的全额定功率”的功率。此外，虽然'158专利中公开的喷射选项提供功率增大，但是花费大量的时间来开始并上线到电网。这使得'158专利的应用在诸如旋转储备的某些市场中不切实际，其中功率增大必须在几秒钟内发生，并且由于在这些类型的系统中需要大型辅助压缩机，这需要太长时间开始。

另一个缺点是该系统不能在联合循环设备上实施，而对燃料消耗且因此效率没有显著的负面影响。在'158专利中概述的大多数实施方案使用同流换热器在简单循环操作中加热空气，这减轻了燃料消耗增加问题，然而其增加了显著的成本和复杂性。下面概述的本发明解决了在'158专利中公开的发明的成本和性能不足。

此外，如在Nakhamkin的相关美国专利No.5934063(“'063专利”)中所概述，存在一种阀结构，其“选择性地允许以下操作模式之一：“存在燃气涡轮机正常操作模式、空气从储存系统输送并与燃气涡轮机中的空气混合的模式、然后是充气模式”。'063专利也已经发布超过十(10)年，并且在世界上任何地方也没有已知的应用。其原因再次是成本和性能不足，类似于与'158专利相关的那些。尽管该系统可以在不对简单循环燃气涡轮机造成效率损失的情况下应用，但是简单循环燃气涡轮机并不经常运行，因此它们通常不能在使得该技术对发电厂运营商有吸引力的时间段内偿还资本投资。同样，如果该系统应用于联合循环燃气涡轮机，则存在显著的热速率损失，并且该技术也不能满足市场需要。下面概述的本发明解决了'063专利的成本和性能问题。

燃气涡轮机(GT)发电厂为电网提供大量的电力，并用于基本负载能力和电网调节。由于电力负荷需求波动和可再生能源供应波动，GT电厂需要频繁更换负载。通常，监测电网的需求、供应和频率的电网运营商在逐个工厂的基础上向燃气涡轮机机组发送信号，以提供更多或更少的电力来使电力供应满足需求，并且保持频率为50或60hz。该信号被称为有源网格控制(AGC)信号。

图9A示出了中西部Iso电网上的典型负载。从图9A中可以看出，在上午2点和4点之间需要约48000兆瓦(MW)的最小负载，并且随着人们和企业开始使用更多功率，在早晨，通常在上午4:00至10:00之间有需求的增加。因此，需要在6小时内增加18000MW，或每分钟50MW的斜坡率。根据图9A，实时斜坡率在短时间段内可以高得多。到上午10点，电网功率增加到约66000MW并保持在该水平直到约下午5点，然后例如由于一些企业关闭，功率需求减少。然而，在下午8点左右有另一个高峰需求，当人们回家并在家使用更多的电力时。图9B是典型的燃气涡轮联合循环设备的输出对效率图表。在晚上，由于需求的下降，许多工厂关闭或调节至最小负载。GT的效率处于其最小负载的最低点，并且通常随着负载增加而增加，或者约3％，对于F级燃气涡轮机来说，其约为200BTU/kWh。这代表价值1600美元的浪费燃料，假设对于单个2×1联合循环F级GT发电厂(燃气涡轮发动机和耦合到发电机的蒸汽轮机)在8小时内为$4/MMBTU燃料成本。如果上述所有18000MW的增加来自如上所述的工厂(从最小负载到满负载)，则需要七十二个2×1联合循环(CC)GT设备从250MW到500MW，并且代表115000美元的浪费燃料以满足增加的负载需求。这个数量的2×1GT发电厂在满负载时代表36000MW，或者仅仅是总66000MW负载的一半以上，这基于的事实是在美国安装的发电机的约40％是GT。对于上述的美国电网，66000MW(66GW)代表约16％，或者是由GT提供的电网上400GW的总电力需求的六分之一。因此，为了支持整个电网的负载波动，每年在美国每天浪费约700000美元的燃料成本或在一年中浪费250000000美元(250M美元)。这是一个越来越大的挑战，因为可再生能源正在成为当代的更大部分，并且其可用性也会波动。

如本领域技术人员所理解，随着发电资产的斜坡率提高，需要总共调节较少。为了支持这种支持负载波动的能力，如果能够更快地响应变化的需求，则一些电网运营商对相同容量支付更高的费率。

发明内容

本发明(在本文中可称为TurboPHASE^TM)根据具体的工厂需要提供若干选项，以在低负载下提高设备的效率和功率输出，并且降低燃气涡轮机的功率输出能力的下限同时增加燃气涡轮机的功率输出的上限，从而增加新的或现有的燃气涡轮系统的容量和调节能力。

本发明的一方面涉及允许运行燃气涡轮机系统在峰值需求的时期期间快速提供额外功率的方法和系统。

本发明的另一方面涉及用于从燃气涡轮机发电厂的现有来源获得有用功的能量存储和取回系统。

本发明的再一方面涉及允许燃气涡轮机系统在需求降低的时期期间更有效地调节的方法和系统。

本发明的一个实施例涉及包括至少一个现有燃气涡轮机的系统，该燃气涡轮机包括一个第一压缩机、至少一个发电机、连接到发电机和压缩机的至少一个涡轮机、燃烧器和燃烧箱(其是用于压缩机的排放歧管)，并且还包括与第一压缩机不同的补充压缩机。

本发明的其它优选实施例的优点是能够在较低需求期间提高燃气涡轮机系统的调节能力，并且在高需求期间提高燃气涡轮机系统的效率和输出。

本发明的实施例的另一个优点是在低需求期间通过使用由燃料发动机驱动的补充压缩机来提高燃气涡轮机系统的调节能力的能力，燃料发动机的运行独立于电网。

本发明的实施例的另一个优点是通过使用由燃料发动机驱动的补充压缩机来提高燃气涡轮机系统在低需求期间的调节能力的能力，燃料发动机产生热量，该热量可被添加到流动到燃烧箱的压缩空气，其来自补充压缩机、空气存储系统或两者，或者这样的热量可被添加到联合循环发电厂中的蒸汽循环。

本发明的一些实施例的另一个优点是在高需求期间通过使用不由燃气涡轮机系统产生的功率驱动的补充压缩机来增加燃气涡轮机系统的输出的能力。

本发明的一些实施例的另一个优点是在高需求期间通过使用由联合循环发电厂的热回收蒸汽发生器产生的蒸汽驱动的补充压缩机来增加燃气涡轮机系统的输出的能力。

本发明的另一个优点是能够将现有燃气涡轮机上的实施例的选择性部分结合以实现特定的工厂目标。

本发明的实施例的另一个优点是能够将压缩空气喷射到涡轮机冷却回路中，而不在这种喷射之前加热空气，并且因为冷却的冷却空气可以利用较少的压缩空气实现相同的期望的金属温度(与加热的压缩空气相比)，提高了效率。

本发明的另一个实施例的另一个优点是，由于可以在宽范围的环境温度下以相对恒定的速率增加增量的压缩空气，因此由燃气涡轮机实现的功率增加在宽范围的环境温度内也是相对恒定的。另外，由于补充压缩空气在没有来自燃气涡轮机的压缩机的任何显著的功率增加的情况下被输送(因为压缩空气来自单独燃料压缩机或压缩空气存储系统)，对于每1％喷射的空气(通过质量流量)，产生2％的功率增加。这是重要的，因为对于每增加1％喷射的空气，用于补充功率的其它技术(例如入口冷却器)产生更接近1％的功率增加，因此，通过涡轮机和燃烧器的相同增量空气流量实现两倍的功率增加，导致物理上更小且更低成本的电力补充系统。

本发明的一个优选实施例包括使用补充压缩机产生存储在一个或多个高压空气存储罐中的压缩空气的中间冷却压缩回路，其中中间冷却过程在压缩期间从压缩空气吸收的热量被传递到联合循环发电厂的蒸汽循环。

可选地，当与具有蒸汽循环的联合循环燃气涡轮机装置结合时，来自蒸汽循环的蒸汽可用于驱动次级蒸汽轮机，次级蒸汽轮机又驱动补充压缩机。使用高压空气存储罐连同将这种空气直接点燃在燃气涡轮机中使得燃气涡轮机能够输送比以其他方式所产生的更多的功率，因为当前由燃气涡轮机系统的压缩机输送到涡轮机的空气的最大质量流量被来自空气罐的空气补充。在现有的燃气涡轮机上，这可以将燃气涡轮机系统的输出增加到在炎热天的当前发电机极限，其可以多达额外的20％的功率输出，同时增加调节能力，比现有技术水平高25-30％。

在新的燃气涡轮机上，发电机和涡轮机可以是超大的，以在任何时间提供该附加功率，从而在远低于20％的总系统成本增加时将系统的铭牌功率额定值增加20％，其中比现有技术水平高25-30％的调节能力。

参照附图且通过考虑以下详细描述和所附权利要求书(它们形成本说明书的一部分)，本发明的其它优点、特征和特性以及操作方法和相关元件的结构和部件组合的功能将变得更加明显。

已经开发了一种燃气涡轮功率增大系统(TPM)，以通过使用非常快速地响应负载变化并且比燃气涡轮本身更加有效的压缩过程将空气添加回到燃气涡轮循环中来增加燃气涡轮的功率。

本发明的系统由燃料发动机比如天然气往复式发动机驱动。在一个实施例中，往复式发动机和燃烧天然气的燃气涡轮发动机都在相同的位置。用于燃气涡轮发动机的燃料输入处于相对高的压力，通常在300和500psi之间，并且处于约80华氏度的温度。另一方面，用于往复式发动机的天然气输入为约5psi，温度为约80华氏度。一个挑战是维持无液体气体，同时将气体压力降至往复式发动机两个数量级。常规方法是使用加热的压力调节器，其通常由电力供电，其中电力可以从工厂输出。下面作为本发明的一部分描述了实现这一点的改进方式。当这样做时，实现了多个益处，包括消除电加热负载以及降低中间冷却器冷却剂中的温度，这提高了中间冷却压缩过程的效率。通过使用中间冷却器冷却剂来加热燃料，提高了效率。

本发明从大气中吸取空气，通过单独的压缩机对空气加压，并将空气喷射到GT发动机中。这提供了在启动TPM之前从燃气涡轮发动机排出空气以便加热空气喷射管线和TPM系统的独特机会。将该预热循环与空气比通过燃气涡轮机的空气干燥得多的事实相结合，因为各级之间的中间冷却过程将水冷凝出来，产生了可以非常快地喷射热空气的系统。通常，在TPM系统中使用的燃料发动机用于应急动力，因此它们被设计成在几秒钟内起动。将这种快速起动能力与管道预热循环相结合，该管道预热循环在启动之前或与启动并行地反转空气喷射管道中的流动，产生空气喷射系统，其可以在几秒钟内从燃气涡轮发动机向电网增加显著的功率，多达20％的功率。该响应速度将允许电网更有效地操作。此外，对于具有蒸汽喷射系统的设备，可以使用相同的空气喷射预热系统来加速可以添加蒸汽喷射并从燃气涡轮机带走的速度。

可以在解决一些燃气涡轮发动机经历的公共部分负载问题的同时进行另一效率改进。在装备有干式低NOx燃烧系统的一些燃气涡轮发动机上，当燃气涡轮发动机在部分负载下运行时，排气温度增加到允许的温度以上。该问题的常见解决方案是将较冷空气泵入燃气涡轮发动机排气中，以有效地将温度稀释至更低、更可接受的温度。目前，该空气从燃气涡轮压缩机排气中排出，这通过减少可用于燃烧的空气量并为涡轮机提供动力而造成严重的效率损失。TPM系统是比燃气涡轮机更高效的泵送空气系统，因此当空气被泵送到GT的排气中时，可以实现显著的效率改进，因为空气不再从压缩机排气中排出。还发生了进一步改进，因为可以与GT分开控制用于排气冷却的空气的温度和压力。

本发明的另一独特方面是其可产生作为压缩空气喷射过程的副产物的水。由于中间冷却压缩过程，当空气在中间冷却器中被压缩然后冷却时，水冷凝并且由空气压力通过排出口被迫离开冷却器。水的产生量取决于相对湿度；然而，在单个TPM中名义上产生每分钟约1加仑的水。这种水可被重新引入到以蒸汽的形式被发送到燃气涡轮发动机的压缩空气流中。水可以通过使用来自TPM的废热加热并变成蒸汽。如果需要，可以以相同的方式引入另外的水源。通常，当GT是蒸汽喷射时，蒸汽从底循环蒸汽循环中取出，这导致效率的严重降低。通过使用来自TPM的废热将水转化为蒸汽，不仅从GT增加功率，而且从底循环中没有功率损失。如果需要，从冷凝过程收集的水可以存储达峰值生成需要的时间段，因此可以在需要时传递额外的功率。此外，特别是在同代发电厂，其中主要焦点是为特定过程产生蒸汽和动力，有时蒸汽和动力不平衡，并且可获得过量的蒸汽。由于蒸汽喷射启动时间为30至60分钟，所以蒸汽被浪费或使用效率低下。通过TPM逆流喷射管加热过程，通常用于TPM空气喷射的喷射管可以保持预热，使得可以更快地添加蒸汽。另外，安装蒸汽喷射系统以捕获短时间的低效率可能不具有经济意义，然而利用已经安装的TPM空气喷射系统，蒸汽系统可以以非常低的成本添加。

本发明的另一独特方面是其与空气存储系统耦合的能力。空气存储系统以与上述类似的方式增加燃气涡轮发动机的功率，然而代替实时产生的空气，空气被压缩并存储在罐中。当需要峰值功率时，空气可以从罐释放并且采用来自前述系统的废热加热。因此在先前描述的系统提供连续功率增加的情况下，空气存储系统提供短暂的功率突发，通常为30分钟。电池系统(其可以是常规的电池或超级电容器)可被添加到该系统并且担任多种角色。首先，其可以添加极快和短的功率持续时间，这使得本文描述的系统对于电网更有价值。第二，电池可以用于启动前述系统，因为它通常用电池系统启动。第三，如果需要，其可以用于给空气罐充气，这可以进一步用于为了调节目的而暂时地向电网增加负载或者调节电池的充电状态以优化组合系统的寿命或调节能力。

这些效率改进和响应速率改进的优选实施例的优点是，新的和现有的燃气涡轮发电厂将改善它们传送到电网的功率的质量和价值。

本发明的另外的优点和特征将在下面的描述中部分地阐述，并且对于本领域技术人员来说，在研究以下内容时将部分地变得显而易见，或者可以从本发明的实践中获知。下面将特别参考附图描述本发明。

附图说明

下面参照附图详细描述本发明，其中：

图1是具有补充能量系统的本发明实施例的示意图，补充能量系统具有驱动补充压缩机的同流换热发动机。

图2是具有补充能量系统的本发明实施例的示意图，补充能量系统具有驱动补充压缩机和能量存储器的同流换热发动机。

图3是并入有连续功率增大系统的本发明实施例的示意图。

图4是本发明实施例的示意图，其中辅助蒸汽涡轮机驱动补充压缩机。

图5是本发明实施例的示意图，其中包括驱动补充压缩机和能量存储器的辅助蒸汽涡轮机。

图6是结合两个燃气涡轮机和蒸汽涡轮机安装的本发明实施例的示意图。

图7是结合一个燃气涡轮机和蒸汽涡轮机安装的本发明实施例的示意图。

图8是结合一个燃气涡轮机安装的本发明实施例的示意图。

图9A是存在于电网上的典型每日负载模式的示意图。

图9B是描绘典型的2×1F级联合循环燃气涡轮发电厂的输出和效率对时间的图表。

图10是本发明实施例的示意图，在天然气燃料供应对系统的冷却剂冷却时使其系统将功率增大空气输送到燃气涡轮发动机。

图11是根据本发明实施例的冷却系统的示意图。

图12是能够将功率增大空气输送到燃气涡轮发动机并且使用功率增大空气冷却燃气涡轮发动机的排气的本发明实施例的示意图。

图13是本发明实施例的示意图，其将功率增大空气输送到燃气涡轮发动机，同时在压缩过程中冷凝的水作为蒸汽喷射功率增大被重新引入到燃气涡轮发动机。

图14是具有用于将功率增大空气输送到燃气涡轮发动机的系统和向相同的燃气涡轮发动机输送中间动力的存储系统的本发明实施例的示意图。

图15A是存在于本发明操作的电网上的典型每日负载模式的示意图。

图15B是描绘根据本发明实施例的燃气涡轮发电厂的输出和效率对时间的图表。

具体实施方式

本发明的一个实施例的部件在图1中示出为它们与现有燃气涡轮机系统1一起使用。压缩环境空气2的现有燃气涡轮机系统1包括压缩机10、燃烧器12、燃烧箱14、涡轮机16和发电机18。使用燃料发动机20以驱动多级中间冷却补充压缩机22，其压缩环境空气24并排出压缩空气26。如本文所使用，术语“燃料发动机”是指往复式内燃机、燃气涡轮机(除了现有燃气涡轮机系统1中的燃油涡轮机)或通过诸如燃烧(例如汽油、柴油、天然气或生物燃料和类似燃料)的放热反应将燃料转化为能量的类似机器。燃料发动机吸入环境空气42，并且作为燃烧过程的结果，产生热排放气体32。如本领域技术人员将容易理解的，随着补充压缩机22中的空气从一个压缩机级传递到下一个压缩机级，空气通过使用中间冷却器热交换器28中间冷却，比如作为冷却塔，以减少在随后的压缩机级压缩空气所需的功。如本文所使用，术语“中间冷却器热交换器”是指从压缩机的上游级接收压缩空气并在将其输送到上游压缩机级下游的另一压缩级之前冷却该空气的热交换器。中间冷却器热交换器28的使用增加了补充压缩机22的效率，这使得其比现有燃气涡轮机系统1的压缩机10更有效。如本领域技术人员将容易理解的，虽然在本文中被称为“中间冷却器“，但中间冷却器热交换器28实际上包括中间冷却器和后冷却器，如下面更详细地描述。

该实施例还包括同流换热器30，其是接收来自燃料发动机20的排气32和来自补充压缩机22的压缩空气26的热交换器。由同流换热器流动控制阀44控制压缩空气从补充压缩机22流动到同流换热器30。在同流换热器30内，热排气32加热压缩空气26，然后作为基本上更冷的排气34离开同流换热器30。同时，在同流换热器30中，压缩空气26吸收来自排气32的热，然后作为基本上比当其进入同流换热器30时更热的压缩空气36离开同流换热器30。然后，基本上更热的压缩空气36从同流换热器30排放到燃气涡轮机系统1的燃烧箱14中，其中它成为通过涡轮机16的质量流量的附加。

然后，较冷的排气34排放到大气中。本领域已知类型的选择性催化还原(“SCR”)装置(未示出)可以插在同流换热器30之前、中间或之后，以实现SCR功能的最理想条件。可替代地，在SCR装置之后，较冷的排气34可以喷射到涡轮机16的排气38中，如图1所示，然后混合流排气38将被排放到大气(在用于简单循环燃气涡轮机的情况下)或被引导到联合循环发电厂中的本领域已知类型的蒸汽涡轮机(未示出)的热回收蒸汽发生器(“HRSG”)。如果混合流排气38要被排放到HRSG中，则所使用的装置必须确保排气38从涡轮机16流入HRSG以及SCR装置不被打断。在“F级”发动机(例如通用电气框架9FA工业燃气涡轮机)上，存在大的压缩机排气管线，为了起动目的，绕过涡轮机部分旁通空气并且将空气排入涡轮机16的排气集气室。这些排气管线在燃气涡轮机系统1被加载时不使用，并且因此是在较冷的排气34离开同流换热器30之后将其排放的良好位置，因为这些压缩机排气管线已经被设计成尽可能地减小对HRSG及SCR装置的影响。通过将来自燃料发动机20的排气32喷射到燃气涡轮系统1的排气38中，燃气涡轮机系统1的SCR可用于清洁排气32，从而消除了燃料发动机20上的昂贵系统。

结果是，汽油、柴油、天然气或生物燃料和类似的往复式发动机对背压不敏感，因此将同流换热器30放置在燃料发动机20上不会对燃料发动机20的性能造成可测量的影响。这是重要的，因为其它热回收系统，例如在典型的燃气涡轮机发电厂的排气中使用的HRSG，独立于是否使用功率增大系统而在所有时间都会产生显著的功率损失。

来自燃料发动机20的功率用于驱动中间冷却的压缩机22。如果设备包括HS G和蒸汽涡轮机，则来自燃料发动机20上的发动机护套、油冷却器和涡轮增压器的辅助热量可以通过HSRG(通常是低压和温度冷凝物管线)被传递到蒸汽涡轮机的蒸汽循环中。同样地，中间冷却器热交换器28从在多级补充压缩机22中被压缩的空气中除去的热量可以在压缩空气被冷却塔冷却之前以类似的方式转移到蒸汽循环中，以降低在进入补充压缩机22的后续压缩级之前将压缩空气的温度降低到期望温度。如果辅助燃气涡轮机用作燃料发动机20而不是往复式发动机，则可实现较低的排放速率，这将允许即使在最严格的环境领域也允许排放。此外，如果辅助燃气涡轮机用作燃料发动机20，则来自辅助燃气涡轮机的排气可以直接管道输送到上述现有燃气涡轮机系统1的排气排放管，从而避免了附加SCR装置的成本和维护。

当使用该系统达到峰值时，燃气涡轮机系统1将很可能在功率输出和流量方面下降(假定当更高的环境空气温度降低通过燃气涡轮机系统1的总质量流量时，在夏天需要峰值，燃气涡轮机系统1作为整体又减少燃气涡轮系统1的功率输出，并且补充压缩机22将仅使通过燃气涡轮系统1的空气质量流量返回到更冷一天(即可实现燃气涡轮机系统1的全额定功率的那天)的情况。

图2示出了图1的实施例，增加了压缩空气存储。压缩空气存储系统包括空气存储箱50、液压流体箱52和用于在液压流体箱52与空气存储箱50之间传送诸如水的液压流体的泵54。根据优选实施例，在需要增大功率输送的时期期间，空气出口阀46打开，空气旁通阀48打开，空气入口阀56关闭，并且补充压缩机22由燃料发动机20驱动而运行。如本领域技术人员将容易地理解，如果要存储压缩空气用于以后使用，则可能需要在更高的压力下存储，因此与图1所示的实施例的补充压缩机22相比，补充压缩机22优选地具有额外的压缩级。这些附加级可以始终由燃料发动机20驱动，或者可通过安装离合器类型机构来间歇地驱动，该离合器类型机构在燃料发动机20被操作以将压缩空气储存在空气存储箱50中时仅接合附加级(其中期望的存储压力基本上更高，以尽量减小空气存储箱50的所需体积)。可替代地，附加级可以与燃料发动机20分离并且由单独燃料发动机(未示出)或其它装置(例如电动机)驱动。

由于控制从中间冷却器热交换器28离开的空气流的空气入口阀56关闭，因此从补充压缩机22流出的压缩空气26被迫流向混合器58，而不是朝向中间冷却器热交换器28。从补充压缩机22的出口流出的压缩空气26在混合器58中与离开空气存储箱50的压缩空气混合，并且被引入到同流换热器30，在那里其在使用下述方法被引入到燃烧箱14中之前从燃料发动机20的排气吸收热量。如本领域技术人员将容易理解的，出于热效率的目的，同流换热器30将理想地是逆流热交换器，因为这将允许来自排气32的最大量的热被传递到离开空气存储箱50的压缩空气。可替代地，如果同流换热器30由一个或多个横流式热交换器构成，则其可以具有第一级，其是第一横流式热交换器，随后是第二级，其是第二横流式热交换器。在该构造中，排气32首先进入同流换热器的第一级，被部分冷却，然后流到同流换热器的第二级。同时，离开空气存储箱50的压缩空气首先进入同流换热器30的第二级，其中从部分冷却的排气32提取额外的热量，从而“预加热”压缩空气。然后，压缩空气流到同流换热器30的第一级，在那里其在流到混合器58以加入从补充压缩机22流出的空气之前，由尚未被部分冷却的排气32加热。在这种情况下，“两级”同流换热器更像是逆流热交换器，在加热压缩空气时产生更高的热效率。

如本领域技术人员将容易理解的，由于在补充压缩机22中被压缩的空气由于旁通阀48打开而绕过中间冷却器热交换器28，所以离开补充压缩机22的压缩空气保留了一些压缩热，并且当与从空气存储箱50流出的压缩空气混合时，将增加混合空气的温度，使得当混合空气进入同流换热器30时，其比如果仅来自空气存储箱50的压缩空气被供给到同流换热器30中的情况更热。同样，如果离开空气存储箱50的空气在进入混合器58之前首先在如上所述的同流换热器的“第二级”中预热，则将产生更热的压缩空气混合物，这在一些条件下可能是期望的。

随着燃气涡轮机系统1以这种方式继续操作时，空气存储箱50中的压缩空气的压力减小。如果空气存储箱50中的压缩空气的压力达到燃烧箱14中的空气的压力，则压缩空气将停止从空气存储箱50流入燃气涡轮机系统1。为了防止这种情况发生，随着空气存储箱50中的压缩空气的压力接近燃烧箱14中的空气的压力，流体控制阀60保持关闭，并且液压泵54开始以足够高的压力从液压流体箱52将流体比如水泵送到空气存储箱50中，以将其中的压缩空气驱动出空气存储箱50，从而允许空气存储箱中的基本上所有的压缩空气被输送到燃烧箱14。

如本领域技术人员将容易理解的，如果附加的压缩机级或高压压缩机级与由燃料发动机20驱动的补充压缩机22分开添加，则如果需要的话，来自燃气涡轮机燃烧箱14的空气可被排出并且允许从基本上更热的压缩空气36反向流动作为来自燃气涡轮机燃烧箱14的排出空气，并代替来自驱动补充压缩机22的单独燃料发动机20的空气。在这种情况下，排出空气可以在中间冷却器热交换器28或冷却塔中被冷却，然后被输送到补充压缩机22的高压级的入口。如果需要低调节能力，则这可能是特别期望的，因为排出空气产生额外的燃气涡轮功率损失，并且用于补充压缩机22的高压级的驱动系统可以由电动机驱动，消耗由燃气涡轮机系统1产生的电功率，这也导致额外的燃气涡轮机功率损失。如本领域技术人员将容易理解的，这不是在期望来自燃气涡轮机系统的补充功率产生期间期望的操作模式。

根据优选实施例，独立于是否使用液压系统，当空气停止从空气存储箱50流动时，补充压缩机22可以继续运行并且向燃气涡轮机系统1输送功率增加。根据其它优选实施例，例如图1所示的实施例，补充压缩机22在不使用空气存储箱50的情况下启动和运行。优选地，中间冷却器热交换器28用于将空气从低压级冷却到补充压缩机22中的高压级，其通过多级压缩机22压缩环境空气24。

进气阀56、空气出口阀46、旁通阀48和补充流量控制阀44操作为获得燃气涡轮机系统1的期望操作条件。例如，如果希望采用压缩空气填充空气存储箱50，则关闭空气出口阀46、旁通阀48和补充流量控制阀44，打开空气入口阀56，并且使用燃料发动机20来驱动补充压缩机22。随着空气在补充压缩机22中被压缩，其由中间冷却器热交换器28冷却，因为旁通阀48关闭，迫使压缩空气流过中间冷却器热交换器28。然后，离开补充压缩机22的空气流过空气入口阀56并进入空气存储箱50。同样，如果需要从空气存储箱50排出压缩空气并且进入燃烧箱14，则空气出口阀46、旁通阀48和补充流量控制阀44打开，并且空气入口阀56可以关闭，并且燃料发动机20可以用于驱动补充压缩机22。

随着空气在补充压缩机22中被压缩，其由于压缩热而被加热，并且由于旁通阀48打开，所以空气在中间冷却器热交换器中不被冷却，从而绕过中间冷却器热交换器。来自空气存储箱50的压缩空气然后流过混合器58，在那里其与来自补充压缩机22的热空气混合，然后流动到同流换热器30，在那里其吸收从燃料发动机20的排气32传递到同流换热器30的热量，然后流动到燃烧箱14。在来自补充压缩机22的所有气流不由燃气涡轮机系统1需要的情况下，本实施例可以以混合模式操作，其中从补充压缩机22流出的一些空气流向混合器58，并且来自补充压缩机22的一些空气流流过中间冷却器热交换器28，然后流过空气入口阀56并进入空气存储箱50。

如本领域技术人员将容易理解的，预热的空气混合物可以根据期望的目标在其它位置引入燃气涡轮机中。例如，预热的空气混合物可被引入涡轮机16中以冷却其中的部件，从而减少或消除从压缩机提取排出空气以冷却这些部件的需要。当然，如果这是预热的空气混合物的预期用途，则混合物的期望温度将较低，并且混合器58中的混合物比率将需要相应地改变，考虑到有多少热量(如果有任何的话)在将压缩空气混合物引入涡轮机16的冷却回路之前通过同流换热器30被添加到预热的空气混合物中。注意，对于这种预期用途，预热的空气混合物可在相同的温度下被引入到涡轮机16中，来自压缩机10的冷却空气在该温度下通常被引入到涡轮机16的TCLA系统中，或者在较冷的温度下以提高总燃气涡轮效率(因为需要更少的TCLA冷却空气来冷却涡轮部件)。

应当理解的是，当空气存储箱50在充气循环开始之前在其中具有液压流体以将压缩空气添加到空气存储箱50时，流体控制阀60打开，使得随着压缩空气流入空气存储箱50，其将其中的液压流体驱动出空气存储箱50，通过流体控制阀60，并返回到液压流体箱52中。通过控制进入涡轮机系统1的空气的压力和温度，燃气涡轮机系统的涡轮机16可以以增加的功率操作，因为有效地增加了燃气涡轮机系统1的质量流量，这尤其允许增加进入燃气涡轮机的燃烧器12的燃料流量。燃料流量的这种增加类似于与燃气涡轮系统1的冷天操作相关的燃料流量的增加，其中由于环境空气密度大于在较暖(正常)天的环境空气密度，因此发生通过整个燃气涡轮机系统1的增加的质量流量。

在较高能量需求的时期期间，从空气存储箱50和补充压缩机22流出的空气可以以补偿从压缩机10排出冷却空气的需要的方式引入到燃气涡轮机系统1，从而允许更多的在压缩机10中压缩的空气流过燃烧器12并到达涡轮机16，从而增加燃气涡轮机系统1的净可用功率。燃气涡轮机16的输出与通过燃气涡轮机系统1的质量流率成正比，并且与现有技术专利相比，上述系统在具有相同的空气存储容积和相同的补充压缩机尺寸的情况下向燃气涡轮机16提供更高的流率增加，当两者同时用于提供压缩空气时，导致混合系统的成本远低于现有技术系统的价格，同时提供相当水平的功率增大。

补充压缩机22通过至少一个压缩阶段增加环境空气24的压力，然后在中间冷却器热交换器28中冷却，在补充压缩机22的后续阶段中进一步压缩，然后在中间冷却器热交换器28中后冷却(其中离开补充压缩机22的最后级的压缩空气然后在相同的中间冷却器热交换器28中后冷却)，且然后冷却的压缩高压空气经由打开的空气入口阀56和进气歧管62被输送到空气存储箱50，并且存储在空气存储箱50中。

随着流过中间冷却器热交换器28的加压空气被冷却，从其传递的热量可以用于加热H SG中的水，以提高蒸汽轮机的效率。在中间冷却器热交换器28中冷却压缩空气的替代方法是使用来自联合循环设备上的蒸汽循环(未示出)的相对冷的水。在这种构造中，水将流入中间冷却器热交换器28并且拾取从来自补充压缩机22的压缩空气中提取的热量，然后较热的水将离开中间冷却器热交换器28并流回到蒸汽循环。采用这种构造，在本段落中描述的存储循环和下面描述的功率增大循环期间捕获热量。

根据优选实施例，空气存储箱50在地面上，优选地在驳船、滑道、拖车或其它移动平台上，并且适于或配置成易于安装和运输。除燃气涡轮机系统1之外的附加部件应该对发电厂的总体占据面积增加小于20000平方英尺，优选地小于15000平方英尺，并且最优选地小于10000平方英尺。本发明的连续增大系统占据联合循环设备的占地面积的1％，并且与该设备的其余部分相比，提供每平方英尺三到五倍的功率，因此它是非常空间有效的，而具有存储系统的本发明的连续增大系统占据联合循环设备的占地面积的5％，并且提供发电厂每平方英尺一到两倍的功率。

图3示出了本发明的另一个实施例，其中辅助燃气涡轮机64用于在需要从燃气涡轮系统1输出额外的功率时提供补充的空气流。辅助燃气涡轮机64包括补充压缩机部分66和补充涡轮机部分68。在该实施例中，辅助燃气涡轮机被设计成使得由补充涡轮机部分68产生的基本上所有的功率用于驱动补充压缩机部分66。如本文所使用，术语“基本上所有”是指由补充涡轮机部分68产生的功率的多于90％用于驱动补充压缩机66，因为主要附件例如与燃气涡轮机系统1一起使用的发电机不从辅助燃气涡轮机部分68获取功率。小型燃气涡轮机的制造商(例如太阳能涡轮机公司(Solar Turbines Inc.))具有混合和匹配压缩机和燃烧器/涡轮机的能力，因为它们利用多个轴承构建其系统以支撑补充压缩机部分66和补充涡轮机部分68。具有过大尺寸的燃气涡轮压缩机66和具有常规尺寸的涡轮机/燃烧系统68的专用涡轮机用于向燃气涡轮机系统1提供额外的补充气流，从尺寸过大的压缩机66输出的超过运行涡轮机/燃烧系统68所需的过量压缩空气70在其处于打开位置时流过燃烧箱流量控制阀74，并且被排放到燃气涡轮机系统1的燃烧箱14中，以增加通过燃气涡轮机系统1的涡轮机16的总质量流量，并且因此增加由燃气涡轮机系统1输出的总功率。例如，通常额定为4MW的50lb/sec燃烧器/涡轮机部分68实际上可以产生8MW，但是压缩机抽取4MW，因此发电机的净输出为4MW。如果这种涡轮机与其上的100lb/sec压缩机耦合，但是仅50lbs/sec被供给到燃烧器/涡轮机部分68，则另一50lb/sec可被供给到燃气涡轮机系统1的燃烧箱。类似于图1所示的实施例中描述的方式，50lb/sec燃烧器/涡轮机部分68的排气72可被喷射到主涡轮机16的排气38中，并联合发送到SCR。任选地，如果需要的话，可以单独处理排气。

显然，来自100lb/sec压缩机66的压力必须足以将从其压缩的空气输出驱动到燃烧箱14中。幸运的是，许多较小的燃气涡轮发动机基于飞行器发动机的衍生物，并且具有比大多数发电厂使用的大型工业燃气涡轮机高得多的压力。如图3所示，本发明的该实施例不包括图1和图2所示的同流换热器30、中间冷却压缩机22或中间冷却器热交换器28。当然，图3所示的实施例不提供图1和图2所示的中间冷却实施例的效率改进，然而图3所示的实施例的初始成本显著更少，这可使得其对于通常在峰值需求的时间提供功率并且因此不运行很多并且对燃料效率较不敏感的发电厂的操作者来说是有吸引力的选择。当辅助燃气涡轮机64不运转时，燃烧箱流量控制阀74关闭。

图4所示的实施例示出了将补充压缩机22结合到燃气涡轮机系统1中的另一种方式。在一些情况下，本发明的燃气涡轮增压具有(i)到HRSG的附加质量流量，和/或(ii)来自中间冷却器热交换器28和燃料发动机20的附加热(与不包括本发明的燃气涡轮机系统1相比)，对于蒸汽涡轮机和/或蒸汽涡轮发电机来说可能太多，以处理是否所有的附加热流到蒸汽涡轮发电机(特别是如果发电厂具有管道燃烧器以替代热天的缺失排气能量)。在这种情况下，可以从蒸汽循环HRSG提取由于添加由补充压缩机22产生的压缩热而产生的附加蒸汽。随着其发生，当压缩空气增加被添加到燃气涡轮机系统1时，从中间冷却器热交换器28提取的热能产生与驱动补充压缩机22所需的大约相同量的能量。换句话说，如果你具有当补充压缩机22将压缩空气喷射到燃气涡轮机系统1中时正常产生100MW和108MW的蒸汽涡轮机，则额外8MW约等于驱动中间冷却补充压缩机22所需的功率。因此，如果一些蒸汽从发电厂的蒸汽循环中提取，并且蒸汽涡轮机保持在100MW，则小的辅助蒸汽涡轮机76可以用于驱动中间冷却补充压缩机22，并且在发电厂将不存在额外的排放源。

在图4中，辅助蒸汽涡轮机76驱动中间冷却补充压缩机22，并且用于驱动来自发电厂的HRSG(未示出)的蒸汽发动机76的蒸汽78是由热产生的额外蒸汽，被添加到HRSG，其在压缩补充压缩机22中的空气期间由中间冷却器热交换器22提取。蒸汽发动机76的排气80返回到HRSG，在那里其用于产生更多的蒸汽。本发明的该实施例导致显著的效率改进，因为补充压缩机22的压缩过程比燃气涡轮机系统1的压缩机10更加有效。在这种情况下，功率增大水平当然将得到减少，因为蒸汽轮机将不会推出额外的MW，但是将不存在排放/燃料燃烧的其他来源。

图5示出了图4的实施例，增加压缩空气存储。压缩空气能量存储的这种实施方式类似于关于图2所描述的，其操作也是如此。如本领域技术人员将容易理解的，图5所示的实施例的功率增大水平小于图2所示的实施例，由于蒸汽涡轮机将不输出额外的MW，然而将不存在排放/燃料燃烧的其他来源。

图6-8示出了图1所示的实施例的各种实施方式，简称为“TurboPHASE系统”。TurboPHASE(其是用于燃气涡轮机系统的补充动力系统)是一种模块化封装的“涡轮增压器”，其可以添加到大多数(如果不是全部)燃气涡轮机，并且可以将多达20％的输出添加到现有的简单循环和联合循环设备，同时将效率(即“热速率”)提高高达7％。TurboPHASE系统与所有类型的入口冷却或雾化系统兼容，并且在正确实施时，将保持排放速率(例如NOx、CO等的ppm)不变，同时特定排放速率将由于热速率的改进而改善。由于只有在适当温度下的清洁空气被喷射到涡轮机中，因此TurboPHASE系统对燃气涡轮机维护要求没有负面影响。由于工厂组装和测试的模块组成了TurboPHASE系统，在现有发电厂的安装很快，只需要几天的燃气涡轮机系统停机就可完成连接和调试。

图6示出了图1所示的本发明实施例的实施方式，结合具有135MW蒸汽轮机86(“ST”)的联合循环构造中的两个135MW通用电气框架9E工业燃气涡轮机82、84。此实施方式的结果如下表1所示。

表1

从表1中可以清楚地看出，实施方式将来自每个燃气涡轮机的功率输出增加了23MW，并且将来自蒸汽涡轮机的功率输出增加了6MW，总共52MW(2×23MW+6MW＝52MW)。TurboPHASE系统将到燃气涡轮机的空气流量增加7％，在任何环境温度下都可操作，并且产生4％的热速率改进。在这样做时，在每个燃气涡轮机的燃气涡轮机出口处的压力比(“PR”)增加了5.6，同时压缩机负载的PR显示出减小了3.3。用于联合循环(“CC”)设备的总燃料消耗率增加了54MMBTU/hr，而用于CC设备的热速率减少了416BTU/kWh。为了信息的目的，表1还显示，如果实施方式是在简单循环(“SC”)设备上，则来自每个燃气涡轮机的增加的功率输出将总计为46MW，而热速率将减少767BTU/kWh。作为选择，可以去除中间冷却器热交换器，并且补充压缩机热量和发动机热量被添加到蒸汽涡轮循环，这将ST输出从+6MW增加到+16MW(总共62MW)，并且将热速率提高6％。

图7示出了在包括一个通用电气框架9FA工业燃气涡轮机82和一个138MW蒸汽涡轮机的CC设备上的图1所示的实施例的实施方式。在该实施方式中，由9FA工业燃气涡轮机82输出的功率从260MW增加了42MW，并且由蒸汽轮机88输出的功率增加了8MW，总功率输出增加50MW，以及热速率提高了0.25％。作为选择，可以去除中间冷却器热交换器28，并且补充压缩机22的压缩热和来自燃料发动机的排气32的热可被添加到蒸汽循环中的H SG，这将ST输出从+8MW增加至+14MW(总共56MW)，并将热速率提高到1.8％。

图8示出了在包括一个通用电气框架9B(或9E)工业燃气涡轮机90的SC设备上的图1所示的实施例的实施方式。在该实施方式中，由9B输出的功率从135MW增加了23MW，连同7％的热速率改进。

本发明实施例的实施方式优选地提供以下益处：(i)安装快速且简单，不需要大的电气连接；(ii)燃气涡轮机燃烧温度没有变化，因此燃气涡轮机维修成本不变；(iii)利用燃气涡轮机系统的燃烧箱上的现有端口喷射空气；(iv)高效率，回热和内燃机驱动的中间冷却补充压缩机改善了SC和CC热速率；(v)与注水、雾化、入口冷却、蒸汽喷射和管道燃烧器兼容；(vi)在兼容的温度和压力下将空气喷射到燃气涡轮机燃烧箱中；(vii)内燃式往复运动的燃料发动机可以燃烧天然气、低BTU生物燃料或柴油(也可用于小型蒸汽涡轮驱动器和用于燃料发动机的小型燃气涡轮驱动器)；以及(viii)能量存储选项也可用：约2倍的价格和2倍的效率提高。

下面参考图10，本发明的一个实施例涉及通过将热从TPM冷却剂传递到进入TPM的燃料来提高TPM压缩过程的效率。典型的燃气涡轮机1具有轴向压缩机10、燃烧系统12、压缩机排气室14、涡轮机16和发电机18，其压缩空气20并添加燃料24以反应并产生穿过涡轮机16和离开燃气涡轮机的排气的热气体22。

本发明包括驱动中间冷却压缩机116的燃料发动机151，其吸取环境空气115，压缩空气115，并产生离开中间冷却压缩机116的相对冷的压缩空气117。压缩空气117随后在同流换热器171中加热，导致加热的压缩空气141，当喷射控制阀142打开时，然后将其喷射到燃气涡轮发动机1中，其中传递到同流换热器171中的空气的热量来自燃料发动机151的排气152，其驱动压缩机116。在一些能量传递到压缩空气117之后，暖排气153离开同流换热器171。

压缩机中间冷却器205具有进入冷却器的冷却剂202，其通常是水或具有添加剂的水，以防止其冻结。冷却剂温度是中间冷却压缩机116的效率的主要成分。冷却剂202越冷，压缩过程越有效。燃料调节器125用于将管道气体126的压力降低几个数量级到接近环境压力气体127，其是天然气往复式发动机(例如燃料发动机151)所需的。当气体中的压力下降时，温度显著降低，通常对于每100psi压降约10F。在本发明的一个方面，用于中间冷却压缩过程162的冷却剂162用于加热位于燃料调节器125下游的燃料加热器181中的天然气127。该过程还降低进入中间冷却器205的冷却剂202的温度，这导致系统的另一效率改进。在现有技术的系统中，提供电加热器来加热燃料。然而，电加热器降低总效率，因为它们消耗功率以便操作。

本发明的另一方面涉及中间冷却压缩机的通过冷却布置。通常，往复式发动机使用空气冷却器(散热器)冷却，然而由于中间冷却压缩机需要水冷却剂，因此完整的一次通过包装冷却系统是更加成本有效的，并且允许在不同的发动机冷却剂和压缩机冷却剂系统中优化温度控制。参考图11，示出了中间冷却压缩机205、齿轮箱218和燃料发动机212以及一次通过冷却剂系统201。冷却剂202进入系统201并分成四路，三个主路径204穿过每个中间冷却器205和用于齿轮箱218的冷却器209的路径。应当理解的是，主路径204的数量不限于三个，而是对应于存在的中间冷却器205的数量。然后，从中间冷却器205排出的冷却剂206在歧管207中连接在一起，歧管207又与离开齿轮箱冷却器209的冷却剂210结合在一起，以形成用于冷却燃料发动机212的发动机冷却剂211。发动机冷却剂211供给具有三个单独路径的歧管213：高温(HT)冷却器214，其通常冷却燃料发动机212的发动机套并用作涡轮增压的往复式发动机空气的两个级中的第一级；低温(LT)冷却器216，其是涡轮增压往复式发动机空气上的第二冷却级；和旁路215。这些回路214、215和216中的每一个提供临界冷却功能，其必须受到严格控制以提供最佳发动机性能和排放。在冷却剂通过这三个与发动机相关的冷却器214和216以及旁路215之后，冷却剂进入出口歧管217并在出口220离开系统。由于系统201是“一次通过”系统，其捕获该系统释放的最大量的热量，这对于若干个原因是重要的。首先，因为它是单个系统，所以系统安装简单。第二，如果希望热量输入到另一过程中，例如联合循环发电设备的底循环，则捕获最大热量，这将导致最佳效率。

本发明的另一方面涉及一种功率增大和排气冷却系统。图12示出了联合的功率增大系统和排气回火系统300。当需要来自GT1的最大功率时，使用上述功率增大系统。当需要最小功率时，代替离开中间冷却压缩机116并被引导到燃气涡轮机1的冷却空气117，压缩空气被引导到排气中的歧管304，并且用于降低GT排气22的温度至更低温度排气322。歧管304可以位于热回收蒸汽发生器305的内部或外部。当需要排气回火时，位于中间冷却压缩机116的第一级的下游的阀302关闭，并且回火阀301打开。这允许空气在被压缩机116的第一级压缩之后离开中间冷却压缩机205。该空气通过使用当前回火空气使用的约30％的燃料而产生，因此可以实现显著的部分负载效率。然后冷空气穿过管303到达歧管304。当不再需要冷空气时，上述过程反转。

本发明的另一方面涉及一种来自在中间冷却过程中产生的冷凝物的水回收系统。参考图13，公开了根据本发明实施例的水回收和蒸汽喷射系统400。随着来自压缩机116的空气在压缩机中间冷却器205中被冷却，水冷凝且中间冷却器205中的压力迫使水401离开中间冷却器205中的排水口。水401被泵402收集并加压。在泵402之后，高压水401通过次级同流换热器404，其中来自同流换热器171的暖排气153增加次级同流换热器404中的水401的温度，并将水401变成蒸汽406。然后蒸汽406被喷射到主TPM同流换热器171的压缩空气中，然后喷射到压缩机排气室14中。排气温度降低，然后在出口405处离开次级同流换热器404。

如果需要额外的蒸汽喷射，可以通过泵408将次级水源407类似地泵送到系统400中，然后发送到次级同流换热器404用于加热。另外，到补充压缩机116的入口空气115可以有意地从具有比环境空气更高的湿度水平的空气源取得，以便产生更多的水用于回收或蒸汽喷射目的。例如，用于燃气涡轮机能量系统的非常普通的冷却系统是开放式冷却塔，其中冷却水有意地暴露于大气中以促进蒸发，其产生较冷的冷却水。这种蒸发导致局部高于环境湿度，并且如果在该源处获取补充压缩机空气，则与从环境中获取空气相比，在中间冷却器中将产生更多的水。通过这样做，发电厂可以以其他方式回收丢失的水。这种水可以在如上所述的TPM中使用或被引导回到厂水补充系统。

在本发明的替代实施例中，由压缩机中间冷却器205中的冷凝产生的水401可被捕获并用于其他目的。水401是来自环境空气的冷凝的结果，因此是可饮用水。收集的水可以从发电厂输出，收集和储存以备将来使用，或者立即在发电厂内使用。水也可以被管道输送到相邻的设施，比如在典型的热电联产设施中。为了便于交替使用或收集产生的水，将阀410放置在水管线411中，在泵402之前或之后，使得水401可以在穿过用于产生蒸汽的次级同流换热器404之前选择性地转向。然后，水401可以被收集在存储箱412中或者从发电厂(未示出)管道输送。

本发明的另一方面涉及一种与空气存储系统706和/或诸如电池或超级电容器的高频功率调节装置701耦合的组合式连续空气喷射系统710。图14示出了空气喷射系统710，其使用燃料发动机151以经由补充压缩机116压缩环境空气115，以产生在通过喷射阀142喷射到GT中之前在同流换热器171中被加热的压缩空气117。燃气涡轮机中的功率增大水平与喷射到GT中的空气的质量流量成正比，对于喷射的每2.5lb/sec空气通常为约1MW的功率。例如，具有2MW发动机的系统将产生约12lb/sec的空气，并且将导致7FA联合循环发电厂增加约5MW的功率。

以上描述了在本发明的该实施例中使用的存储系统706，并且还在图14中示出。存储系统706存储加压空气并且可以将加压空气添加到空气喷射系统710。为了增加在高斜坡或间歇负载需求期间来自发电厂的功率提升，存储系统喷射控制阀707可被打开，释放预先存储的压缩空气以与来自系统710的压缩空气组合。来自存储系统706的空气在作为存储系统706的一部分的第二同流换热器(未示出)中使用暖排气出口153预热，导致相对冷的约250F的排气被排放到大气711。来自存储系统706的加热空气在通过喷射控制阀142喷射到GT1之前与来自系统710的空气141混合。

系统700的另一附加是电池和变压器701，其提供两种功能。首先，其用作用于通过给燃料发动机151上的起动电机通电来启动空气喷射系统710的电源702。其次，其向与来自GT1的发电机输出705相关的电网节点703提供非常高速的调节能力704。这些系统中的每一个都具有特征响应时间。GT1以分钟响应，空气喷射系统710在约30-60秒内响应，空气存储系统706在1-30秒内响应，电池701响应为毫秒。通过将这三个系统组合成提供多个功能的一个系统700，产生非常经济和高价值的系统。

图15A和15B示出了燃气涡轮发动机的典型负载模式，其中存在初始斜坡上升615，然后是具有中午峰值617的相对水平负载，然后是傍晚的次级峰值618。通过使本发明在发电厂操作，发电厂的标称输出可以增加10％至20％，同时与图9B相比，提供相同的容量以增加能力，如图15B所示。这允许设备在非高峰时间期间更有效地操作约1％，如由601所示，图15B中的58％对图9B中的57％。在存储系统706在同一发电厂可用的情况下，发电厂的斜坡率(如605所示)可以通过选择性地从存储系统706释放空气来匹配负载的斜坡率，如615所示。此外，来自存储系统706的空气可以用于覆盖在中午617和晚上618期间经历的极端峰值。可以监测存储系统706中的空气量，并且可以做出可允许其他峰化GT设备启动的储备，同时来自存储系统的空气被消耗。例如，在中午峰期间，如图15A中的617所示，需要15分钟启动的50MW简单循环峰化装置通常可以在一些最小负载下运行以提供必需的旋转储备，因此存在在基本负载下以25MW操作的联合循环设备和在25MW部分负载下的峰化装置，只有50MW的备用。在将存储系统应用于GT的情况下，可以关闭峰化单元并且在基本负载下联合循环，在存储系统中具有15分钟的备用空气，以确保在实际需要更高负载的情况下有足够的时间启动峰化单元。这将导致电网的效率改进。当图14的电池系统701添加到本发明中，可以实现进一步的电网效率。示出为607的高频调节能力被证明可以减少电网所需的实际调节量，以保持频率控制，因此在三个系统集成在一起时，较少的发电厂必须在线提供相同电平的频率调节。本发明可以在尺寸上定制以满足特定的电网要求，并且可以根据电网要求单独地组合或操作。

尽管已经以目前优选的实施例描述了本发明，但应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，旨在覆盖在以下权利要求的范围内的各种修改和等同布置。已经关于特定实施例描述了本发明，这些特定实施例在所有方面都旨在是说明性的而不是限制性的。

从上述内容可以看出，本发明很好地适于实现上述所有目的和目标，以及具有系统和方法显而易见和固有的其它优点。应当理解的是，某些特征和子组合是有用的，并且可以在不参考其它特征和子组合的情况下使用。这是由权利要求的范围预期的并且在权利要求的范围内。

Claims (1)

1.一种利用通过冷却布置来冷却燃料发动机、由所述燃料发动机驱动的中间冷却空气压缩机和齿轮箱中的每一个的方法，所述方法包括：

将第一部分的液体冷却剂从液体冷却剂源供给到所述中间冷却空气压缩机；

将第二部分的液体冷却剂从液体冷却剂源供给到所述齿轮箱；

在第一歧管中将所述第一部分的液体冷却剂结合在一起，然后与所述第二部分的液体冷却剂结合以形成发动机冷却剂；以及

引导所述发动机冷却液通过第二歧管，所述第二歧管具有用于提供第一级发动机冷却的高温路径、用于提供第二级发动机冷却的低温路径和旁路路径，其中高温路径用于冷却燃料发动机的发动机套；

在出口歧管中将在高温路径、低温路径以及旁路路径中的发动机冷却剂结合在一起。

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