混合燃气轮机发电系统 |
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| 申请号 | CN201680011793.4 | 申请日 | 2016-03-02 | 公开(公告)号 | CN107407204A | 公开(公告)日 | 2017-11-28 |
| 申请人 | 能源技术研究所; | 发明人 | 詹姆斯·麦克纳斯滕; | ||||
| 摘要 | 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。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一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： |
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| 说明书全文 | 混合燃气轮机发电系统技术领域背景技术[0002] 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。 [0003] 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。 [0004] 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。 [0005] 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。 [0006] 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。 [0007] 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。 [0008] 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。 [0009] 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。 [0010] 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。 [0011] 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。 [0012] 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。 [0013] 本发明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。 发明内容[0014] 根据本发明的第一个方面，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： [0015] 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[0016] 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； [0017] 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； [0018] 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。 [0019] 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。 [0020] 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。本发明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。混合系统可以被配置成在IRF模式和不那么时间关键的FR模式中操作。 [0021] 在一个优选实施例中，CAES系统与GT系统相集成，以使得其经GT系统进行充气和排放，空气经一个以上的流体连接从其抽出并注入其中。虽然CAES系统通常将发送空气至GT系统并从GT系统接收并存储压缩空气，但并不包括其中，例如，CAES系统由单独的功率机械额外地进行充气或仅由其进行充气的其他混合系统。 [0022] 为了提高效率，压缩空气能量存储系统通常将包括绝热压缩空气能量存储系统(ACAES)，其存储热能(即，压缩热量)并将其返回至压缩空气。因此，气流通道网络可以包括第一热能储存器(TES)，其在对空气存储器进行充气和排放之后立即移除热能并将其返回至压缩空气，其设置在后者(TES)和一个以上的流体连接之间。 [0023] 在一个优选实施例中，第一TES为直接TES。基于直接热传递的存储器包含热存储介质，压缩空气通过其，将热量释放至存储介质，从而加热存储器并冷却空气。其能够有效且无延迟地将存储在其中的热量返回至气流。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。 [0024] 直接TES还可以一直具有大量的空气，这是有利的，因为其能够在阀快速打开和关闭时在TES内提供针对压力波动的一些衰减。此外，如果需要进一步的衰减，可以有利地提供一个以上的额外的压缩空气缓冲器(大量空气处于与TES相同的压力下且由打开的流体连接进行联接)，其直接链接至TES。这些通常将被连接至TES的环境温度侧。添加这些另外大量的压缩空气还将从阀的快速打开和关闭(进入或离开TES)开始在TES内减少任何的压力波动。一个以上的缓冲器可以提供额外体积的自由空气，其为TES中的自由体积的至少2倍，或为自由体积的至少3倍，或为TES中的自由体积的至少4倍。 [0025] CAES系统还可以包括间接的第一TES，即基于间接热传递的热能存储器。这可以包括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，这样的存储器没有直接TES那么有效率，且如果处于不活动状态，则需要复温。 [0027] 在一个优选实施例中，补偿质量流确保了在选定的时间段内，在燃烧器和涡轮机内的质量流速的变化速率不超过每秒6％(相对于该流速而言)。然而，更优选地，变化被限制为不超过每秒4％甚或不超过每秒2％。 [0028] 在非常优选的实施例中，补偿质量流确保了在选定的时间段内，通过燃烧器和涡轮机的质量流速基本上保持不变。因此，可以选择性地精确地调整补偿质量流以匹配通过压缩机的质量流速中的变化。通过以这种方式平衡变化，可以在燃烧器和涡轮机内保持基本上不变的质量流速(例如，以之前质量流速的+/-2％变化)。因此，在燃烧器和涡轮机内的温度和压力条件大体上保持不变。其结果是，功率的调制速率不受与保护燃气轮机相关联的通常考虑，诸如避免热应力或避免使燃烧器不稳定的限制。以这种方式，可以在非常快的响应周期内将功率在一定范围内调制。 [0029] 在一个优选方法中，在5秒以下的响应时间内将功率输出从初始功率输出(例如，在初始发电模式中)调制为第二功率输出(例如，在第二发电模式中)。 [0030] 在一个实施例中，CAES系统在一个模式中在功率调制之前操作，在该模式中，其将用于注入一个以上的流体连接中的空气保持在比燃气轮机的操作压力(例如，在燃烧器中)高至少0.5巴甚或高1巴甚或高5巴的在其上游的压力下。因此，当需要调制功率时，能够通过越过该压降操作的快速响应阀来快速地将空气(或更多的空气)注入燃气轮机中。更大的压降也意味着在任一侧(特别是在阀和TES之间的阀的上游处)的瞬态压力变化将具有较小的影响且因此能够精确地调整质量流速。优选地，配置CAES系统，以使得一旦已开始功率调制步骤，则可以在选定的时间段，诸如至少3秒，或优选的至少5秒内保持该压降。 [0031] 在一个实施例中，CAES系统包括用于调节注入一个以上的流体连接中或从其抽出的空气的质量流速的至少一个流调节装置，其可选地位于存在于网络中的任何TES或加热器系统和一个以上的流体连接之间。 [0032] 流调节装置可以是保持通过其的恒定的或变化的(但却受控的)流的机构(这可以主动地进行控制以允许恒定或变化的流，其具有穿过流调节装置的变化的压力差)。如上面所提及的，由于上面给出的原因，压力可能在流调节装置的上游发生变化。装置应选择性地(例如，优选为精细地)调整流速，从而仔细地控制补偿质量流。当需要快速响应时间时，阀的进一步的打开可以允许空气至GT系统中的快速流动(注入)。流调节装置通常将操作性地与控制器和流网络中的任何所需的传感器相关联(例如，测量，诸如压力和温度)，可以从该流网络导出质量流速。也可以在任何流调节装置的上游或下游设置简单的(例如开/关)阀，这可以允许预先将后者(阀)调整到新的所需设置。 [0033] 通常，在存在于网络中的任何TES或加热器系统和压缩空气存储器之间需要另外的流调节装置。此外，可能会有额外的阀、旁路阀或排气阀(以便当不操作时或在启动和/或关闭期间保护任何动力机械以免受到空气存储器的高压影响)。 [0034] 在一个实施例中，CAES系统和GT系统之间的补偿质量流是经在包含绕过燃烧器的气流(“旁路气流”)的GT系统的辅助通道中一个以上的流体连接提供的。 [0035] 一个以上的流体连接可以是允许空气从GT系统抽出或注入至其中的任何孔(例如，排放孔或注入孔)或开口，其包括由阀控制的那些；可以分别使用不同的流体连接以进行排放和注入。连接可以被定位成允许空气直接或间接地从向下通过燃气轮机的主要气流中抽出或注入至其中。流体连接也可以设置在包含绕过燃烧器的气流(“旁路气流”)GT系统的辅助通道中，包括将冷却空气(从压缩机)输送至燃气轮机的不同部分的管道，这是因为在这种管道中调整空气能够间接用于对燃烧器和涡轮机中的质量流提供上述平衡。 [0036] 在一个实施例中，压缩机的配置是通过改变可变进口导叶的角度来改变的。GT压缩机可以设有以下任何一种(以下可以单独使用或组合使用)以改变通过其的质量流速：可变进口导叶(IGV)、可变出口导叶(EGV)或其他可变压缩机几何形状或压缩机进口限制器或与压缩机相关联的其他进口设备(例如，过滤器)。 [0037] 压缩机配置(例如，设置)的变化可能涉及压缩机几何形状的变化且优选地将仅改变吸入空气的质量流速(例如，这与进入的空气的其他特征诸如其温度相反)。对于大型工业燃气轮机来说，压缩机的正常控制是可变进口导叶。这些通常能够将通过压缩机的质量流从70％(完全关闭)变为100％(完全打开)。还可以有一些在启动燃气轮机时使用的额外排气阀(通风口)。 [0038] 因此，通过压缩机的空气的质量流速可以通过使导叶打开得更小而减小，或通过使导叶打开得更大而增加。 [0039] 在IRF模式中，显然应选择导叶的设置，以使得其具有按下一个发电模式所需的量改变导叶设置的能力。通常，其将进行设置(在部分打开的位置上)，以使得叶片能够进一步地打开且能够进一步地关闭，这允许在两个方向上进行调制，但当需要仅具有按100％功率输出操作的同时快速增加功率的能力时则不包括其中进口导叶是完全打开的IFR模式。这通常是最有效的发电模式，且快速增加功率的能力通常比降低功率的能力更有价值，这是因为大型发电资产受损比大负载受损更常见(即，大多数发电站比其服务的客户大得多)。 [0040] 在一个实施例中，CAES系统还包括与一个以上的流体连接成流体连通的空气减压装置，其用于对从GT系统抽出的压缩空气进行减压(而不是将该空气存储在CAES中)。 [0041] 空气减压装置可以允许增加的功率调制，这是因为其可以增加压缩机质量流能够变化的范围。因此，如果燃气轮机仅能够安全地注入50kg/s的空气(为了避免压缩机喘振或失速)，且如果注入流仅用于功率调制，那么50kg/s也是压缩机质量流快速变化量的限制。因此，在初始发电模式中，排放(即，抽出模式)的战略性使用能够增加表观范围使其超过且高于在随后的功率调制步骤期间的注入所允许的范围。然而，通过空气减压装置的排放流将涉及效率损失和额外的机械成本，较大的排放流需要对GT进行更多的修改(例如，更大的孔)。 [0042] 空气减压装置可以包括提取有用功的热空气膨胀机或组合燃烧器/涡轮机。 [0043] 用于对抽出的压缩空气进行减压的空气减压装置可以包括提取有用功的热气体膨胀机，诸如具有其自身的环境空气出口的热空气膨胀机，或组合燃烧器/涡轮机，其可选地连接到主HRSG(用于GT系统)或其自身的HRSG和蒸汽轮机。热空气膨胀机或涡轮机通常应能够在与燃气轮机相同的最大压力比下操作。如果需要进行快速功率调制，这种装置则可能无法从冷启动作出响应，但当GT系统在期望号召提供快速功率调制的模式(例如，初始发电模式)中操作时却能够用于产生有用功。这样的燃烧器/涡轮机可能使至燃烧器的压缩空气用源于涡轮机的排气，而不是经HRSG提供额外功率的其排气进行预热。 [0044] 类似于GT，系统可以进行配置，以使得质量流速在热空气膨胀机或组合燃烧器/涡轮机中保持不变，或在功率调制后仅改变很小的量(例如，按小于之前的质量流速的+/-6％/秒或4％或2％的量变化)，特别是在使用燃烧器/涡轮机布置的情况下。这甚至可能是空气源(正膨胀的)在功率调制之后发生变化的情况(例如，用源于存储器的空气来代替从GT排放的空气)。 [0045] 本领域技术人员将认识到，热空气膨胀机或组合燃烧器/涡轮机被直接连接到处理大得多的量的空气的燃气轮机。因此，燃气轮机将对这能够改变的速率产生很大的影响。例如，如果至减压装置的质量流是通过节流阀进行控制的，那么上游压力将仅在主燃气轮机中的压力变化时发生变化。因此，这将所经历的变化限制为燃气轮机所看到的类似水平。 替代地，在对减压装置有可变流控制的情况下，可能显著地改变通过空气减压装置的质量流速，而不会有任何显著的温度变化。(这对于热空气膨胀机来说，不太具有挑战性，这是因为其是在可变导叶能够更容易发挥作用的温度下操作的)。 [0046] 替代地，空气减压装置可以是不提取有用功的装置，诸如，至大气的排气阀/节流阀(即，能够在更高的质量流速操作的更低成本的装置)。后者(与动力机械不同)能够从冷启动快速响应，因此不需要在需要进行快速功率调制时操作，且能够通过排放至大气在功率调制期间提供非常快速的排放，其压降可选地为在10至20巴的范围中。这可以允许对补偿质量流的良好控制以及功率的显著下降，而不仅仅是至热气体膨胀机的连接，但是由于其效率低下，这种模式显然将仅被用作瞬态模式。 [0047] 在一个实施例中，空气减压装置通过其各自单独的各个气流通道连接到一个以上的流体连接(用于独立于CAES系统状态的操作)。因此，空气减压装置可以共享气流通道中的至少一些，在气流通道中空气通常流向存储器；或可以包括至一个以上的流体连接的单独的各个(例如，直接的)气流通道，以使得其可以独立于CAES系统的操作状态而操作。 [0048] 在一个实施例中，混合系统包括控制器和相关联的传感器以(i)改变压缩机的配置以便获得对功率输出的所需调制，以及(ii)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。 [0049] 紧接在功率调制之前，GT系统可以在初始发电模式中操作，在该模式中，没有空气在CAES系统和GT系统之间传递，或可以将空气从CAES系统注入GT系统中，或可以从GT系统将空气抽至CAES系统中。因此，在调制功率之前，CAES系统可以采用不活动模式、充气模式或排放模式中的任一种。通常，为了满足高峰期的需要激增，当混合系统在或接近满(峰)负载的情况下(例如，在100％负载的15％内甚或在10％内甚或在5％内)操作时，将需要功率调制。 [0050] 为了快速响应，功率调制所需的所有装置应能够快速响应。因此，装置应该能够从冷启动响应(例如，排气或减压阀)，或替代地，对于不能这样做的装置而言，初始发电模式应是所讨论的装置已操作(例如，热空气膨胀机)或以其他方式保持在准备状态(例如，在最小设置上)的模式。例如，在CAES系统包括保持其热量的直接第一TES的情况下，CAES系统可以从不活动状态响应以提供源于存储器的所存储的热压缩空气。如果CAES系统包括间接第一TES，其中热量是经热交换器被传递到其他存储器的，那么这样的布置则可能需要在初始发电模式中操作，以使得热交换器已经是活动的且达到温度。 [0051] 在一个实施例中，在GT系统改变成不同的发电模式之前，在不超过20秒(或不超过30秒，甚或不超过1分钟)的选定的时间段内提供补偿质量流。 [0052] 在将功率从初始发电模式的初始功率输出调制到第二发电模式的第二功率输出的情况下，该模式很可能仅暂时用于提供非常快速的响应，即，作为过渡模式。因此，在其中在该第二模式中提供补偿质量流的选定时间段可以在改变成不同的发电模式之前不超过1分钟(或不超过30秒、甚或不超过20秒)。 [0053] 然后，可以按较慢的时间(例如，在接下来的5至15秒)以常规方式进行功率的进一步的调制，其具有燃烧器和涡轮机内的下游质量流速的常见的关联变化。 [0054] 然而，混合系统可以在第二发电模式下保持操作相当长的时间段(例如，超过10分钟，或超过30分钟)，例如，如果其是节能的话。 [0055] 在一个实施例中，在GT系统和空气存储器之间设有至少一个另一级的动力机械，其可选地位于存在于网络中的任何TES或其他除热系统和空气存储器之间。在GT系统和空气存储器之间的替代通道中可以设有至少一个另一级的动力机械和减压装置(例如，节流阀)。通常，另一级的动力机械将包括中间冷却的压缩机，其设置在至不作有用功且可以包括节流阀的减压装置的平行通道中。 [0056] 在一个实施例中，气流通道网络包括加热器系统，其将热能传递至从空气存储器排放的压缩空气。 [0057] 代替第一热能存储器(TES)或除了其之外，这种加热器系统(即，不返回所存储热量的那个)可以设置在气流通道网络中。如果其是额外设有的，那么这可以是串联的，例如，顺流地设置在TES和GT流体连接之间(例如，以便提供“额外的热量”)。替代地，其可以设置在替代(例如，平行)通道中，例如，用于提供额外的热量(用于额外的质量流)或用于按更快的速率提供热量或提供在不同温度下的热量。加热器系统可以进行配置，以使得能够考虑预期的GT系统条件而将从存储器返回的空气加热到所需的温度(例如，匹配预期的GT系统条件或按选定量超过GT系统条件)。例如，控制系统可以在快速功率调制后立即选择性地调整任何新注入流的温度(例如，在其开始涉及注入流的情况下)以确保注入流低于50℃，更通常为低于30℃或低于20℃且不同于当前GT压缩机的出口温度，以便使燃烧器中的显著温度变化最小化。直接或间接TES不太灵活，这是因为其将按与充气温度大致相同的温度(不可避免地会略微降低)返回热量。为此，在没有额外的加热器系统的情况下，可能需要对包括直接或间接TES的ACAES混合系统用压缩空气进行充气，其中GT系统在与模式(即，“初始模式”)类似的(或相对于其略微升高的)操作条件下运行，其从该模式提供了改进的频率响应，以使得经TES返回的空气接收到适当温度的热量。 [0058] 这种加热器系统可以包括直接燃烧器，其加热从空气存储器排放的空气。 [0059] 虽然比TES的效率低，但直接燃烧器(即，基于在通常具有化石燃料的气体流动路径内的内燃)是便利的且可以快速响应。它将使用比基于间接燃烧的任何加热系统更少的燃料且废气不需要单独的排气装置。这种直接燃烧的额外燃烧器可以容易地保持在准备状态以响应快速功率调制要求。 [0060] 替代地，加热器系统可以包括热交换器，其加热从空气存储器排放的空气。因此，加热器系统可以包括间接加热的热交换器，其加热从空气存储器排放的空气，通常是通过(例如，化石燃料的)燃烧间接加热的。这种布置比直接燃烧器的效率低但可能更难于保持在准备状态以进行响应。 [0061] 当设有加热器系统以加热从空气存储器排放的空气时，GT混合动力系统还可以被配置成对空气存储器进行充气且在这种情况下，气流通道网络还可以包括冷却系统(抽热系统)，其将热能从自GT系统抽出的压缩空气中移除。 [0062] 在热量未存储在CAES系统(绝热CAES)中以供随后返回的情况下，需要某种形式的冷却系统(例如，冷却热交换器)以从抽出的空气移除(并丢弃)压缩热量。任何进一步的下游压缩机将再次需要冷却器(例如，中间冷却器、后冷却器)以在存储之前移除热量。 [0063] 替代地，当设有加热器系统时，可以设有除了GT系统之外的动力机械以用经气流通道网络或单独的气流通道网络用压缩空气对空气存储器进行充气。 [0064] 例如，小型(例如，供给环境空气的)中间冷却压缩机或一系列压缩机级可以在小质量流速对压缩空气存储器，诸如管道存储器进行充气，其中混合系统仅需要在相对较少的情况下从存储器提供(例如，快速)功率调制，以使得能够使用小型功率机械缓慢地实现再充气。 [0065] 混合系统可以包括简单循环燃气轮机系统(OCGT)或形成联合循环燃气轮机系统(CCGT)的一部分或任何其他合适的衍生燃气轮机设备。 [0066] 根据第一个方面，还提供了一种混合燃气轮机发电系统(CTPGS)，该混合燃气轮机发电系统(CTPGS)包括： [0067] 燃气轮机(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[0068] 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； [0069] 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； [0070] 其中CTPGS包括控制器和相关联的传感器以经一个以上的流体连接(i)改变压缩机的配置以获得对功率输出的所需配置，以及同时(ii)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，以便部分或完全地补偿通过压缩机的质量流速的减小或增加。 [0071] 混合CTPGS还可以包括如上所述的任何一个以上的其他特性。 [0072] 在另一个方面中，提供了一种调制混合燃气轮机发电系统(CTPGS)的功率输出的方法，该混合燃气轮机发电系统(CTPGS)包括： [0073] 燃气轮机(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[0074] 绝热压缩空气能量存储系统(ACAES)，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系统抽出和/或注入其中； [0075] 其中，ACAES系统包括经第一热能存储器(TES)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，该第一热能存储器(TES)在对空气存储器进行充气和排放之后分别立即移除热能并将其返回至压缩空气；以及 [0076] 其中在第一TES和空气存储器之间设有至少一个另一级的动力机械；以及[0077] 该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ACAES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。 [0078] 在另一个方面中，提供了一种调制混合燃气轮机发电系统(CTPGS)的功率输出的方法，该混合燃气轮机发电系统(CTPGS)包括： [0079] 燃气轮机(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[0080] 绝热压缩空气能量存储系统(ACAES)，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系统抽出和/或注入其中； [0081] 其中，ACAES系统包括经第一热能存储器(TES)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，该第一热能存储器(TES)在对空气存储器进行充气和排放之后分别立即移除热能并将其返回至压缩空气；以及 [0082] 其中在第一TES和空气存储器之间设有至少一个另一级的动力机械； [0083] 该方法包括在初始发电模式中操作GT系统，在初始发电模式中，空气分别顺流地通过GT系统的压缩机、燃烧器和涡轮机以发电；并通过下列步骤中的至少一个来调制功率以实现第二发电模式(例如，具有第二功率输出)： [0084] (i)经一个以上的流体连接通过改变其配置来减小通过压缩机的空气的质量流速且同时调整多少空气要在ACAES系统和GT系统之间进行传递来增加功率输出，以使得通过燃烧器和涡轮机的质量流速保持不变； [0085] (ii)经一个以上的流体连接通过改变其配置来增加通过压缩机的空气的质量流速且同时调整多少空气要在ACAES系统和GT系统之间进行传递来减小功率输出，以使得通过燃烧器和涡轮机的质量流速保持不变。 [0086] 可以在上述方面中的任一个中使用下列实施例。 [0087] 在一个实施例中，该方法包括在初始发电模式中操作GT系统，在初始发电模式中，空气分别顺流地通过GT系统的压缩机、燃烧器和涡轮机以发电；并通过下列步骤中的至少一个来调制功率以实现第二发电模式(例如，具有第二功率输出)： [0088] (i)经一个以上的流体连接通过改变其配置来减小通过压缩机的空气的质量流速且同时调整多少空气要在CAES系统和GT系统之间进行传递来增加功率输出，以使得通过燃烧器和涡轮机的质量流速大致保持不变； [0089] (ii)经一个以上的流体连接通过改变其配置来增加通过压缩机的空气的质量流速且同时调整多少空气要在CAES系统和GT系统之间进行传递来减小功率输出，以使得通过燃烧器和涡轮机的质量流速大致保持不变。 [0090] 在步骤(i)中，可以减小抽出的(例如，至CAES系统或辅助减压装置的)空气量，或可以增加从CAES系统注入的空气的量，或这两者都存在。在步骤(ii)中，可以减小从CAES系统注入的空气量，或可以增加抽至CAES系统或辅助减压装置的空气量，或这两者都存在。在步骤(i)或(ii)中，CAES可以从在不活动模式或排放模式或充气模式中的任一个中操作切换至任何其他这样的模式，只要CAES系统能够配置有适当的响应以满足改进的响应时间段即可。 [0091] 在一个实施例中，功率输出是通过进行步骤(i)来初始增加的，由此在燃烧器和涡轮机内的质量流速保持不变；且功率输出随后是通过进行后续步骤(I)来进一步增加的，由此在燃烧器和涡轮机内的质量流增加。例如，通过压缩机的空气的质量流速可以在快速初始步骤(i)中通过使导叶打开得更小来减小以使得在CAES进行补偿以保持下游(即，在流连接的下游)GT条件不变。然后，总功率输出可以通过使导叶打开得更大并允许在GT系统中的下游质量流速(以及压力和温度)在更慢的时间框架中上升来进一步增加。替代地或除了重新打开导叶之外，CAES可以按选定的质量流速将一些空气注入GT系统中，以使得下游GT质量流速现在上升且总功率输出增加。 [0092] 替代地，在另一个实施例中，GT功率输出是通过进行步骤(ii)来初始减小的，由此在燃烧器和涡轮机内的质量流速保持不变；且GT功率输出随后是通过进行后续步骤(II)来进一步减小的，由此在燃烧器和涡轮机内的质量流减小。附图说明 [0093] 仅作为实例的，现在将参考附图来描述本发明的具体实施例。 [0094] 图1为示出燃气轮机的功率输出随环境温度的变化的图； [0095] 图2为工业燃气轮机及其辅助管道的示意图； [0096] 图3a至3e为示出在混合燃气轮机发电系统(CTPGS)中可以如何修改功率输出的示意图； [0097] 图4a至4c为示出在根据本发明的第一个实施例的CTPGS中可以如何修改功率输出的示意图； [0098] 图5a至5c为示出在根据本发明的第二个实施例的CTPGS中可以如何修改功率输出的示意图； [0099] 图6a至6c为示出在根据本发明的第三个实施例的CTPGS中可以如何修改功率输出的示意图； [0100] 图7a至7c为示出在根据本发明的第四个实施例的CTPGS中可以如何修改功率输出的示意图，而在图7d中则示出了具有排气阀的修改的CTPGS作为图7b的替代物； [0101] 图8a至8f为示出在根据本发明的第五个实施例的具有热气体膨胀机的CTPGS中可以如何修改功率输出的示意图； [0102] 图9a至9d为示出在根据本发明的第六个实施例的具有热气体膨胀机的CTPGS中可以如何修改功率输出的示意图； [0103] 图10a至10c为示出作为图4a至4c的替代物的在根据本发明的第七个实施例的CTPGS中可以如何修改功率输出的示意图； [0104] 图11a至11d为示出在根据本发明的第八个实施例的具有排气阀的CTPGS中可以如何修改功率输出的示意图； [0105] 图12a至12c为示出在注入模式期间加热空气的替代系统的示意图； [0106] 图13为根据本发明的另一个实施例的CTPGS的示意图； [0107] 图14为根据本发明的另一个实施例的CTPGS的示意图；以及 [0108] 图15a和15b为示出根据本发明的优选操作模式和步骤的各个流逻辑图。 具体实施方式[0109] 图2示出用于发电的常规现有技术的工业燃气轮机10的典型布局，其中上游压缩机2被直接联接至下游涡轮机(膨胀机)6并驱动被连接至变压器/电网的发电机(未示出)。在压缩机2和涡轮机6之间的是供给有天然气5的燃烧室4。在正常配置中，压缩机、涡轮机和发电机都直接由驱动联轴器(未示出)联接在相同的轴上。过滤的空气8在环境条件(例如， 30℃、1巴)下进入压缩机，并被压缩到更高的压力和温度(例如，400℃、16巴)。热的高压空气进入燃烧室4，在那里其与天然气混合并导致燃烧，这将气体加热到高得多的温度(例如， 1400℃、16巴)。然后，该空气在涡轮机6中膨胀回大气压并作为加热废气12离开。涡轮机产生比压缩机吸收的更多的功率，这导致能够驱动发电机的净发电。 [0110] 在使用开式循环燃气轮机(OCGT)的情况下，冷却的空气以远高于环境温度(例如，450℃、1巴)的方式从涡轮机6排出。然而，在使用联合循环燃气轮机(CCGT)的情况下，涡轮机6以稍高的排气温度操作，这是通过在较低的压力比操作或燃烧至较高的涡轮机进口温度而实现的。源于涡轮机6的废气12随后进入蒸汽轮机系统(通过热回收蒸汽发生器或HRSG)，其中在蒸汽底循环中提取另外的功率。 [0111] 在下面的附图中，为了简单起见，所有的实施例均被示为简单循环燃气轮机系统(OCGT)，但也可改为形成联合循环燃气轮机系统(CCGT)的一部分或任何其他合适的衍生燃气轮机设备。此外，所有实施例涉及常规的燃气轮机布置，其中压缩机、燃烧器和涡轮机永久地流体连接在彼此下游，以使得每当燃气轮机操作时，至少一些气流相继依次顺流地通过所有那些组件，而不管该流的一部分是否是在一个以上的流体连接处抽出或增强的，且涡轮机被不可拆卸地联接到压缩机，使得当由涡轮机产生功率时，两者一起操作。 [0112] 还如图2所示，燃气轮机通常将具有除主通道1之外的多个辅助气流通道或流体连接。空气可以在流体连接(虚线)1A处被注入或抽至主通道中。然而，在图2上还以虚线示出了其他可能的空气注入或排放点。 [0113] 例如，通常存在流体连接或管道3，其将热压缩空气3a从压缩机排放室(位于压缩机出口和涡轮机进口之间)送回至位于压缩机进口附近的排放阀。热空气被等焓膨胀回大气压且被添加至进口空气8以增加温度。这通常用于防止在压缩机的入口处形成冰，但也可以用于减小燃气轮机的功率输出。这种连接3被称为防冰线或进口排放热线(IBH)，但也可以连接至该线以从燃气轮机注入或排放空气，如虚线3A所示。 [0114] 源于压缩机不同级的另外一系列的流体连接或管道7、9、11可以用于通过提供涡轮机冷却空气(TCA)7a、9a和11a(在不同的压力下)来保持涡轮机的叶片是冷的。通过燃气轮机的空气中多达15％能够被用作TCA且不通过燃烧器4。用于高压级的空气11a是取自压缩机排放室或压缩机2的后级，而用于涡轮机后级的冷却空气7a、9a通常是取自中间压力级。可以有至旋转和静态涡轮叶片的多个不同的压力供给。再次地，能够将空气注入TCA管道中或从其抽出(例如，在点9A、11A处)，而不是直接注入燃气轮机主通道1中或从其抽出。如果注入比正常TCA供给更少的空气量(通常在更高的压力线中)，源于压缩机的TCA流则将减小类似的量。如果注入比正常TCA供给更多的空气量(通常在更高的压力线中)，则将迫使TCA流反转并通过至TCA管道的正常入口返回进入GT。因此，注入的气流将开始移位且甚至完全代替TCA。实际注入的空气将不会通过燃烧器4(除非如上所述其超过TCA的正常量)，而是将直接通向燃气轮机的涡轮机部分。然而，将通过TCA线的空气现在将通过燃烧器，而不是具有像空气已被直接注入主通道1中所获得的相同结果。 [0115] 同样地，源于TCA的排放空气将增加由TCA线取回的量；然而，重要的是冷却空气的量不是通过排放而减少的，以使得其不能向涡轮机部分提供足够的冷却。 [0116] 除了这些孔之外，还可以改造壳体以允许额外的注入孔。 [0117] 图3a至3e为示出在现有技术的混合燃气轮机发电系统(CTPGS)中通常是如何修改功率输出的比较实例，而从图4a起则是示出根据本发明可以如何调制功率的实例。在所有实例中，数值已进行了大致估计和简化(例如，基于恒定的热容量值)且仅仅是用于说明所讨论的原理。 [0118] 燃气轮机通常具有用于控制进入压缩机的质量流的进口导叶，其在大型工业燃气轮机上能够将质量流减少约30％，从而通常会导致GT功率输出的减小。 [0119] 首先参考图3a，这示出进口导叶(IGV)完全打开的在100％负载(允许环境空气条件)下操作的正常的燃气轮机(GT)。至压缩机2中的质量流为650kg/s，以及压缩后的温度为420℃且压力为17巴。 [0120] 图3b示出在频率响应(FR)模式下操作的相同GT，其中需要在10秒内向电网提供额外的功率。功率输出为在这个模式中的正常GT功率输出的85％。IGV是部分打开的且至压缩机中的质量流为550kg/s。压缩后的温度为385℃且压力为14.5巴。为了使燃气轮机在10秒期间从这种操作模式切换至图3a中所示的模式，必需通过打开IGV来增加通过压缩机的质量流。随着通过燃气轮机的质量流增加，排气温度开始下降且至燃烧器的气流增加。能够看出质量流在10秒期间增加约100kg/s，即10kg/s2。 [0121] 对空气注入的速率有两个限制。第一个与热应力相关。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。第二个问题是燃烧器的稳定性。DLN(干式低NOx)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。使用不那么稀薄的混合物能够有助于燃烧器的稳定性，然而，这并不适用于正常操作，这是因为其导致了NOx生产的增加。 [0122] 图3c至3e示出了当GT形成混合系统的一部分时可以如何调制功率。图3c示出了在满负载下操作的相同的燃气轮机，其中将热压缩空气注入燃气轮机中。至压缩机中的质量流为650kg/s，另外的50kg/s是在压缩机后在大致相同的温度下注入的。压缩后的温度为435℃且压力为18.5巴。 [0123] 像这样的系统已由Powerphase、Nakhamkin和申请人提出。这样系统的目的是增加通过燃烧器和涡轮机而不通过压缩机的质量流。这意味着，对于将例如50kg/s的空气注入GE 9Fa燃气轮机中来说，燃气轮机的功率能够增加至在该环境条件下的额定功率的116％。基于在正常频率响应模式中质量流速能够按10kg/s2的速率增加，那么则能够在5秒期间实现50kg/s的增加(从空气注入开始)。 [0124] 图3d示出了根据图3c的要求在排放模式中操作以传递50kg/s的热压缩空气的整个混合系统。这个系统包括直接TES 14以及下游的热交换器、中间冷却压缩机18、两个减压阀22和20和压缩空气存储器16。该系统通过第一阀20(绕过中间冷却压缩机18)且随后通过TES 14从压缩空气存储器16按50kg/s的速率进行排放，其中在流体连接处通过打开的高速阀22进入燃气轮机之前，气体进行再次加热。在这个和所有后续的附图中，流体连接可以是任何一个以上的至GT的合适的连接或孔，如上面相关于图2所述的，且相同或单独的各个连接可以用于注入和抽出(排放)。 [0125] 在图3e中，示出了相同的系统，但在充气模式中，在流体连接处是以25kg/s从燃气轮机进行排放的。热空气通过存储热量的TES 14。现在冷却(但却加压的)空气离开TES且通过中间冷却压缩机18被压缩至在压缩空气存储器中的压力。除非使用恒压存储器，否则压缩空气存储器16中的压力通常会随着将额外的空气添加至存储器中而增加。 [0126] 优选的是，至位于燃气轮机附近的快动阀22的热存储器14和连接管是在略高于燃气轮机2/4/6的操作压力的压力下进行加压的。其优点在于，空气注入的响应时间将更快，且其允许更精确地控制正注入的流速，这对于保护燃气轮机来说是理想的。此外，还可以存在用于将空气的压力降低至热存储器中的压力的源于压缩空气存储器的额外的压力下泄阀20或其他减压装置。例如，压缩空气存储器可以是250巴，TES中的空气是20巴且燃气轮机中的操作压力为17巴。以这种方式，当需要额外功率时，快动阀22以受控的速率(这由燃气轮机的类型确定)打开以将额外的空气注入燃气轮机中，且额外的阀20打开以确保在TES中的压力停留在约20巴。应注意的是，在存在直接热存储器的情况下，在该存储器中可能存在针对残留空气的重要缓冲区，且因此如果使用额外的阀20来控制空气注入的速率，那么在存储器中的压力变化将相对较慢。这也是为什么优选为使用接近燃气轮机的快动阀的原因，其中供给是在高于燃气轮机的操作压力的情况下进行的。 [0127] 以示例的方式，图4至7示出根据本发明的各种方法，其用于在短得多的时间段增加燃气轮机混合系统的功率输出的改变速率，且同时避免对热应力和燃烧器稳定性的正常限制。那些图(除了用于图7d所示的修改的系统之外)是基于图3d和3e的混合系统的，然而为了简单起见已省略了ACAES系统。 [0128] 参考图4a，燃气轮机混合系统在100％负载(允许环境空气条件)下操作，其进口导叶(IGV)是完全打开的。再次地，至压缩机中的质量流为650kg/s，以及压缩后的温度为420℃且压力为17巴。未从热空气注入系统注入额外的空气。 [0129] 图4b示出在IGV部分打开(通过压缩机的质量流已降至600kg/s)且具有源于存储器的50kg/s的空气注入的情况下操作的相同的系统。要注意的重要一点是压缩后的压力和温度与图4a的相同。通过燃烧器的质量流也是相同的。因此，机器内的任何温度或压力都没有变化，这意味着热应力不是个问题。通过燃烧器的气流质量也是恒定的，因此不存在燃烧器稳定性的问题。然而，燃气轮机的功率输出仍高出8％。 [0130] 能够通过在将额外的空气注入燃气轮机中以补偿通过压缩机的质量流的减小的同时关闭IGV而实现系统从4a模式中操作至4b模式中操作的改变。通过重新打开IGV且同时减少所注入的空气量也能够快速地使该过程从模式4b)反转回模式4a)。由于燃烧器的稳定性不再是个问题，因此一个剩下的技术约束是压缩机喘振。如果注入太多空气，则可能使压缩机失速或喘振。这个限制将因不同的燃气轮机而发生变化，但上限通常在10％额外质量流的附近。 [0131] 这种方法允许燃气轮机的功率输出在短到1至2秒内按约10％变化，而不会对燃气轮机施加任何热应力或具有燃烧器不稳定性的风险。要注意的是实际的变化将是压缩机处理额外质量流的能力的函数。在10％的空气注入下，功率增加将是GT输出的约13％。 [0132] 在图4b模式中操作的系统能够通过打开IGV在约为5秒的更短的时间内进一步地将至电网的功率输出增加额外的8％。这在图4c中示出，其中压缩机返回至650kg/s的原始质量流。该质量流的增加能够在5秒的时间内实现-即，其在5秒内以10kg/s2增加。因此： [0133] 图4a至图4b示出：增加将空气注入燃气轮机中的速率且同时减小通过具有IGV的压缩机的质量流，以减小压缩机的功率并产生GT功率输出的增加，且同时保持通过燃烧器和涡轮机的质量流速(且因此保持压力和温度条件)不变。 [0134] 图4b至图4a示出：减小将空气注入燃气轮机中的速率且同时增加通过具有IGV的压缩机的质量流，以增加压缩机的功率并产生GT功率输出的减小，且同时保持通过燃烧器和涡轮机的质量流速(且因此保持压力和温度条件)不变。 [0135] 图4a至图4b至图4c示出：增加将空气注入燃气轮机中的速率且同时减小通过具有IGV的压缩机的质量流，以减小燃气轮机压缩机的功率并产生GT功率输出的增加，且同时保持通过燃烧器和涡轮机的质量流速(且因此保持压力和温度条件)不变。在这之后，将IGV向后进一步打开以在更长的时间段增加功率输出。 [0136] 图4a至c示出可以如何快速地增加功率。将理解的是，这需要对混合系统的仔细控制。为此，混合系统通常将包括控制器和相关联的传感器以(i)改变压缩机的配置以便获得对功率输出的所需调制，以及(ii)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。 [0137] 关于对系统的适当控制，存在多个影响有多少通过压缩机的质量流将随着其IGV的位置的变化而改变的因素，包括，例如环境空气密度(即，环境温度和压力)、压缩机操作时的压力比及其相对年龄。对于给定的燃气轮机而言，通常将存在压缩机图，其考虑了这些因素并可能准确地计算有多少通过压缩机的质量流将随着IGV的位置的变化而改变。如果控制IGV位置的致动器的控制规律和响应特征也是已知的，那么则可能准确地计算出多少质量流将随着IGV从一个位置移动至另一个而随时间变化。 [0138] ACAES系统还将需要依靠快速响应的阀来对进入或离开燃气轮机进行准确的质量流控制，这大体上匹配源于压缩机的质量流的变化。通常，流是在两个空间之间的压力差和互连管道系统的排放系数的结果。如果空间紧密连接在一起且具有大型连接管(高排放系数)，那么则能够以小的压降实现高流速。如果空间以长距离间隔开且连接管较小(低排放系数)，那么其结果将是以更高的压降实现相同的流。此外，对于快动系统而言，当阀打开时，存在加速或减速能够导致瞬态压降的流所需的一定量的能量。 [0139] 在混合系统中，需要具有能够传递源于燃气轮机的准确量的质量注入或排放的快速响应的阀。此外，热存储器和压缩空气系统的位置可以与燃气轮机相距一些距离。因此，优选地，当系统处于频率响应模式中(即，其中其能够注入空气)时，其被保持在高于燃气轮机中压力的压力下。这可能比燃气轮机的操作压力高0.5巴、高1巴甚或高5巴。使其在显著更高的压力下进行的优点是如果存在更高的压降，则更易于提供准确的质量流速，这是因为至任一侧的任何瞬态压力变化将对通过装置的实际质量流具有较小的影响。此外，孔口的大小也减小了，这是因为如果压降增加，那么则可能使更大的质量流通过具有固定大小的孔。 [0140] 就阀而言，存在正在发生的两个功能。第一个是密封源于燃气轮机的更高的压力供给。第二个是控制质量流速以及其如何随时间而变化。这意味着可以用通道内的简单的阀和流控制器来代替也控制该流的阀。这种流控制器能够在阀的上游或下游。任一种解决方案都是可以接受的，且通过使用进口温度和压力和出口压力的组合，可以，例如，校准该装置，以使得在不同设置下的质量流是已知的。为了确保稳定的进口温度(和流速)，优选的是对至燃气轮机和任何阀的连接管网进行绝缘和加热，以使得将其保持为接近热存储器且因此接近离开热存储器的空气的温度。再次地，如果致动器特征是已知的，那么则可以准确地计算随着打开阀多少质量流将随时间变化以及所提供的开口大小。 [0141] 以这种方式，可以同时改变IGV和阀，以使得将通过燃烧器和涡轮机的质量流的变化保持为最小的。虽然可以使用传感器和反馈回路来调整流速，但对于更快的快动系统而言，如果能够避免这种情况则是优选的，这是因为这可能导致延迟。 [0142] 对于在操作的同时进行微调和重新校准而言，可能的情况是这种传感器将是有用的。例如，可以简单地通过测量燃气轮机的变化来估计任一系统的模型是否由于磨损而随时间发生变化。例如，如果IGV和阀都移动到减少通过压缩机的质量流并增加空气注入速率的位置上且燃气轮机中的压力比预期的升高的更多，那么一个选择可能是燃气轮机的压缩机略有退化。为了补偿这一点，需要进一步地稍微关闭IGV或需要减少空气注入的速率(即，流控制器的打开区域)。由于可能会随着时间发生变化，这应允许随时间对每个系统的相对性能进行准确的重新映射。 [0143] 虽然映射和校准方法可以用于在功率调制期间限制通过燃烧器的质量流的变化，但也可以使用基于模型的控制器以实现相同的最终结果。这样的控制器可以包含描述压缩机、IGV硬件、燃气轮机和具有相关联的控制阀的ACAES系统等的物理模型的等式或代码。这种方法可能产生控制系统，其能够应对复杂的相互作用、非线性和延迟，否则，这些将必须进行广泛映射以实现稳定且快速响应的系统。 [0144] 现在转向图5a至c，这些示出在混合系统中可以如何快速相等地向上和向上调整功率。 [0145] 在图5a中，燃气轮机在94％负载(允许环境空气条件)下操作，其进口导叶(IGV)是部分打开的。至压缩机中的质量流为600kg/s，以及压缩后的温度为406℃且压力为16巴。未从热空气注入系统注入额外的空气。 [0146] 图5b示出在IGV完全打开(通过压缩机的质量流已升至650kg/s)且具有50kg/s的排放速率的情况下操作的相同的燃气轮机。然而，再一次地，压缩后的压力和温度与图5a的相同，且通过燃烧器的质量流也是相同的。因此，机器内的任何温度或压力都没有变化，这意味着热应力不是个问题。通过燃烧器的气流质量也是恒定的，因此不存在燃烧器稳定性的问题。然而，与图5a的相比，在图5b中的燃气轮机的功率输出已下降7％(20MW)。 [0147] 能够通过在将额外的空气从燃气轮机排放以补偿通过压缩机的质量流的增加的同时打开IGV而实现系统从图5a模式中操作至图5b模式中操作的改变。通过部分关闭IGV且同时减少所排放的空气量也能够快速地使该过程从模式5b)反转回模式5a)。由于燃烧器的稳定性不再是个问题，因此一个剩下的技术约束是压缩机喘振。排放空气增加了喘振裕度，因此实际上减小了这种风险。 [0148] 图5c示出在IGV部分打开(通过压缩机的质量流已降至550kg/s)且具有50kg/s的空气注入的情况下操作的相同的系统。要注意的重要一点是压缩后的压力和温度与图5a和5b的相同。通过燃烧器的质量流也是相同的。因此，机器内的任何温度或压力都没有变化，这意味着热应力不是个问题。通过燃烧器的气流质量也是恒定的，因此不存在燃烧器稳定性的问题。然而，在图5c中的燃气轮机的功率输出已比图5a的高出8％(20MW)。 [0149] 能够通过在减小空气注入速率甚或使其反转(至排放)以补偿通过压缩机的质量流的增加的同时打开IGV来实现系统从图5c模式中操作至图5a模式中操作的改变。这种方法允许燃气轮机的功率输出在1至2秒内按约10％向上或向下变化，而不会对燃气轮机施加任何热应力或具有燃烧器不稳定性的风险。要注意的是实际的变化将是压缩机处理注入的质量流的能力的函数。在10％的空气注入下，功率增加将是GT输出的约13％。排放速率能够更高。 [0150] 在这些附图中使用的燃气轮机具有ISO条件下的通过压缩机的质量流，其中IGV完全关闭时为450kg/s且IGV完全打开时为650kg/s。 [0151] 图6a至6c示出了相同的GT系统，其中其在初始模式中以较低的功率设置操作，但再次地，其中能通过选择性地调整IGV并选择性地调整空气注入/排放的速率以提供补偿质量流以确保通过燃烧器的接近恒定的质量流来在不同的模式(类似于图5a至5c)之间切换输出。因此，在图6a中，初始GT功率输出为204MW，这能够通过开启排放模式来快速地减小至186MW，如在图6b中所示。替代地，从图6a中的初始功率输出开始，能够通过开启注入模式(例如，从存储器开始)快速地增加至222MW，如在图6c中所示。 [0152] 图5a至c和图6a至c示出在仍保持快速上升或下降功率的能力的同时可以改变燃气轮机的功率输出。在图5a中，这是上功率带，同时保持相同的向上和向下调制的能力，且图6a为下功率带。 [0153] 图7a至7c示出可以如何在不同功率输出之间转换，且同时保持使功率上升和下降的灵活性。图7a示出了与图5a相同的情况(即，239MW的输出且以600kg/s通过燃烧器和压缩机)，且图7b示出了与图5b相同的情况，其中功率输出已根据本发明的方法快速减小至219MW。然而，图7c然后示出了能够如何重新调整IGV以改变通过燃烧器的质量流且同时减小排放速率以将燃气轮机重置在为219MW的较低的功率输出。考虑到在燃烧器/涡轮机中的条件变化的可接受速率，通常将在较慢的时间框架中进行这种后续变化。 [0154] 在图7d中，系统已进行修改以通过排放至大气而实现快速的排放速率。为此，在位于至GT的流体连接的下游的CAES通道网络中设有快动排气阀26。其优点是能够在短时间段内管理高排放速率，而不需要为这些高流速设计中间冷却压缩机。排放能够在TES 14之前或之后进行。然而，阀可以经其自身的各个通道与流体连接中的一个以上成流体连通，以便允许其操作而不管CAES系统的操作状态如何。 [0155] 图8a至8f示出用于增加燃气轮机混合发电厂的峰值功率输出以及增加能够在短时间段内进行管理的功率范围的方法。在这些实例中，图3d/3e的混合系统已通过添加热空气膨胀机28，其能够是动态机器(轴向流、离心式、涡轮膨胀机)或正排量机器(往复式、旋转螺丝)或提取有用功并能够管理温度的其他合适的机器来进行修改。例如，热空气膨胀机28可以围绕修改的蒸汽轮机，这是因为温度与蒸汽轮机操作中所看到的那些是不相似的。 [0156] 参考图8a，这示出了具有以IGV完全打开且从燃气轮机排放50kg/s而操作的相同的燃气轮机的系统。因此，600kg/s的空气通过燃烧器且压缩后的温度为406℃，压力为16巴。压缩空气的排放的优点是其增加了燃气轮机能够升高的量。例如，可能有需要能够在许多小时内快速提供额外功率的电网要求。然而，如果空气是从系统排放的并进行存储的，那么则可能存在大量的热存储器、动力机械和压缩空气存储器。此外，需要在稍后阶段重新注入该热压缩空气。在重新注入期间，由于之前提到的喘振限制，这意味着进一步减小功率的能力(通过额外的空气注入进行)受到很大的限制。 [0157] 使用热空气膨胀机28意味着压缩空气实际上不需要进行存储(或重新注入)，且因此在不具有大的资本成本的情况下提供了在功率范围内增加的上升侧的益处。此外，只要有存储的热压缩空气，热空气膨胀机28则能够增加该厂的额定功率容量。存在与压缩和重新膨胀空气相关联的明显损失，然而，快速改变功率的能力是有价值的且可能胜过这些较高损失的缺点。这可能是一种非常低成本的额外容量的形式。在这种操作模式中，将50kg/s从16巴重新膨胀回环境压力。压缩功为约20MW且膨胀功为约16MW，因此对于这个实例而言，在4MW的区域内有损失。热空气膨胀机28能够进行大小调整以匹配所排放的质量流或其可能具有不同的容量以允许在存储空气和在某些时间段具有更大或更小的容量之间进行一些优化。例如，热空气膨胀机可能具有100kg/s的容量和33MW。在正常的排放操作中，通过膨胀机的流为50Kg/s且随后在高峰期，这能够用源于压缩空气存储器的补充空气增加至100kg/s。还可以优选的是在热空气膨胀机上游插入流控制阀以调节至该机器中的流或使用某个形式的可变几何形状以允许质量流按受控的方式变化。 [0158] 在图8a中，功率输出为用于GT的219MW+用于热空气膨胀机28的16MW。从模式8a)快速切换至模式8b)涉及部分关闭IGV，且同时从压缩空气系统注入100kg/s，以使得反转从燃气轮机至热空气膨胀机的流，且由压缩空气系统而不是GT提供至热空气膨胀机的气流。能够看出，将50kg/s注入燃气轮机中且将类似的量提供至热空气膨胀机。这两种操作模式之间的功率输出的变化为约40MW，因此热空气膨胀机使功率范围又增加了20MW。如前述实例中一样，在图8a中有与图8b中相同的量的空气通过燃烧器，且压缩后的温度为406℃，压力为16巴，其也是相同的。此外，热空气膨胀机也具有相同的质量流、温度和压力条件。重要的一点是，该设计允许用至两者的注入空气来代替从燃气轮机排放的空气并将额外的空气注入燃气轮机中。 [0159] 图8c示出了具有完全重新打开的IGV的图8b的系统。这是比在模式8a和8b之间的切换更慢的过程，但除了快速的40MW变化之外其还提供了为34MW的进一步的功率增加。该方法的优点是可以增加快速功率增加量以使其高于在图3至7中所示的。此外，在快速增加之后，大量的正常功率增量仍可用于添加。最终，应注意的是随着热空气膨胀机将额外的17MW添加至该厂的总功率输出，燃气轮机的总功率输出也增加了。 [0160] 图8d示出了在一个模式中的相同的厂，在该模式中，按50kg/s的速率对TES 14和压缩空气存储器16进行再充气。在这个模式中，TES处于与燃气轮机相同的压力下，且未使用热空气膨胀机。系统可能被视为不处于快速响应模式中，这是因为在TES和燃气轮机之间没有允许快速注入发生的压力差。在未向电网提供作为服务的快速功率增加的期间可能使用这种模式。 [0161] 在图8a至8b的步骤中，额外的热气体膨胀机的功能与GT从在排放模式中操作至在注入模式中操作的切换相组合，这增加了功率调制的范围(在这种情况下-为增加)。CAES系统本身从不活动(存储模式)切换至处于排放模式中。在图8a中，IGV开始完全打开。 [0162] 图8e和8f示出了替代的布置，其中热空气膨胀机28通过包括与GT的一个以上的流体连接成流体连通的其各自单独的各个通道32的替代的流动路径被单独地连接至燃气轮机。在图8e中，GT输出与图8a中的相同，且排放和排出50kg/s，且同时CAES是不活动的。然而，在图8f的重新注入上(对应于图8b)，进入燃气轮机的注入的质量流更高，然而用于通过涡轮机的总质量流的附图不会随着至热空气膨胀机的相同排放速率的持续而发生变化。 [0163] 在图8e至8f的步骤中，额外的热气体膨胀机的功能与GT从在排放模式中操作至在双模式中操作的切换相组合，在双模式中，GT继续从一个以上的流体连接进行排放，同时现在还注入气体，这再一次有效地增加了功率调制的范围(在这种情况下-为增加)。CAES系统再次从不活动(存储模式)切换至处于排放模式中。在图8e中，IGV再次开始完全打开。在图8f中，非常需要在至GT的合适的(例如，单独的)位置上发生注入和抽出，其中注入和抽出的效果不会使在GT内或围绕燃烧器的流产生任何不期望的变形。 [0164] 图9a至9d大体上遵循与图8a至8d相同的原则，但却使其扩展以实现甚至更高的功率增加量，这是由于(i)使用了更高功率的热气体膨胀机以及(ii)通过将通过压缩机的质量流从650kg/s(IGV完全打开)改变至450kg/s(IGV完全关闭)来充分利用了IGV的功能。因此，从图9a至9b的功率调制步骤/切换是非常快速的响应，这是因为其再次保持操作条件与在两个涡轮机中的相同，而从图9b至9c的另外的功率调制步骤/切换(在相同的方向上，即增加)是较慢类型的响应，这是因为在两个膨胀机中，操作条件需要进行改变，同时图9d再次示出了用于CAES的充气模式。 [0165] 因此，参考图9a，燃气轮机是以IGV(完全)打开且通过热气体膨胀机从燃气轮机排放150kg/s(CAES存储器是不活动的)的情况而操作的。因此，约500kg/s通过燃烧器且压缩后的温度为375℃，压力为13巴。与压缩和再膨胀相关联的损失在11MW的区域内，且热空气膨胀机产生约45MW的功率。当包括45W时，燃气轮机的功率输出约为满负载容量的75％。 [0166] 在图9b中，燃气轮机现在已通过完全关闭IGV以显著地将通过压缩机的质量流减小至450kg/s且同时还将向外为150kg/s的空气排放反转成至燃气轮机中的为50kg/s的注入而切换至更高的功率模式。同时，还通过现在为从空气存储器排放的空气的气流保持了至热空气膨胀机的150kg/s流。如之前已示出的，如果质量流变化以使得通过燃烧器的流大体上保持恒定，且对于额外的热气体膨胀机(或如果使用膨胀机/燃烧器)来说也同样如此，那么在GT系统内的温度和压力应大体上保持恒定。燃气轮机的压缩机功的降低在图9a和图9b的发电模式之间的72MW的区域内，因此可以在几秒内将燃气轮机的功率输出增加72MW。 假定使用合适的阀和控件，这可能在一秒内发生。 [0167] 图9c示出了已从图9b的模式转换成满功率模式的燃气轮机。因为将存在从13巴和375℃的压缩后的条件至18.5巴和-440℃的压缩后条件的切换所涉及的热应力，因此这可能需要更长的时间段。此外，热空气膨胀机还使总发电厂的输出进一步地增加约50MW。 [0168] 图9d示出了在一个模式中的相同的厂，在该模式中，按50kg/s的速率对TES和压缩空气存储器进行再充气。在这个模式中，TES处于与燃气轮机相同的压力下，且未使用热空气膨胀机。系统可能被视为不处于非常快速的响应模式(即，改进的频率响应模式)中，这是因为在TES和燃气轮机之间没有允许快速注入发生的压力差。在未向电网提供作为服务的快速功率增加的期间可能使用这种模式。 [0169] 根据本发明，为了获得仅为几秒的改进的步骤响应，通过GT的质量流速且因此燃烧器和涡轮机的操作条件应主动地进行控制，以使得在功率调制的时间段期间GT质量流速未发生变化或仅有最小的变化。这是通过选择性地改变压缩机的质量流速且使用源于压缩空气系统的补偿质量流速来主动地部分或完全平衡GT质量流速而实现的。尽管图4至9的实例是通过用等效补偿质量流来完全平衡由压缩机中的IGV变化而引起的质量流速的变化来实现这一点的，但应理解的是，仍可能在这种理想情况的小偏差内成功地实现功率调制，如下面在图10a至10c中所示的。特别地，当通过燃烧器和涡轮机的质量流应保持为大致恒定时，燃烧器质量流每秒小于6％的变化是可接受的(这取决于GT)，更优选的是燃烧器质量流每秒小于4％的变化，且理想地为燃烧器质量流每秒小于2％的变化。 [0170] 图10a至10c示出这种情况，其具有与图4a至4c中所示的相类似的混合系统，然而不同之处在于在第一秒内允许通过燃烧器和涡轮机的质量流增加3％(通过燃烧器/涡轮机为20kg/s的质量流速的变化)，而IGV尚未关闭，且仍注入50kg/s(如在图4b中所示)。因此，关于多少空气要经一个以上的流体连接在CAES系统和GT系统之间作为补偿质量流进行传递的所选变更略微超过通过选择性地改变其配置而实现的通过压缩机的空气的质量流速的所选变化。以这种方式，可以在第一秒内将功率增加至输出的111％且随后在5秒内进一步增加至输出的116％。 [0171] 图11a至11d示出了相同的GT系统，但是其再次进行修改(如在图7d中所示)以包括采用快动排气阀26的形式的辅助减压装置以通过排放到大气来实现快速排放速率。排气阀26可以再次位于连接至GT的其自身独立的各个通道中或经过与CAES网络共享的通道。至大气的节流在快速减小功率时是特别有用的，且由于其不产生功率其能够使该减小扩展到上述热空气膨胀机的方案，但显然由于该原因，除了作为瞬态模式外，其通常效率太低。 [0172] 图11a示出在-80％的较低功率设置下在初始模式中操作的GT系统(类似于图6a的实例)，而图11b至d示出系统能够在不过度干扰燃气轮机条件的情况下非常快速地切换至的三个替代的“平衡模式”，切换是通过选择性地调整IGV并选择性地调整空气注入/排放速率以提供补偿质量流以确保通过燃烧器的接近恒定(例如，平衡的)质量流来进行的。因此，从图11a中的初始功率输出开始，功率能够通过完全关闭IGV至222MW，即图11b中的-88％(类似于图6c)且通过开启注入模式(例如，从存储器开始)来平衡GT质量流速而快速增加。替代地，从图11a的初始模式开始，功率输出能够通过对压缩机功率进行适当的IGV调整至 186MW的总输出，即-73％(类似于图6b)并通过开启至由第二级压缩机(未示出)抽吸的存储器的小排放模式(这平衡了GT质量流速)或替代地，通过开启通过至大气的快动排气阀26的显著的排放模式(这也平衡了GT质量流速)来更显著的降低至150MW，即-60％而快速地减小。将理解的是，其中CAES系统(和任何存在的热能存储系统)为不活动的初始模式能够长周期操作，而不会触及由于存储容量而造成的任何限制。然而，在一些情况下，对于初始模式(即，保持在准备状态以进行非常快速的功率调制)来说，包括至存储器的(如在图11d中的)小的(例如，最小的)排放或源于存储器的(如在图11d中的)小的(例如，最小的)注入，例如，以提高响应性可能是有利的。 [0173] 现在转向图12a至c、13和14，这些示出了可以对在上面的附图中描述的混合系统进行的修改。 [0174] 在上述附图中，提出了直接TES 14以存储和返回热量，因为这种存储器更有效地传递了热量且将热量保持在准备状态，以使其能够无延迟地返回。然而，在混合系统内也可以使用间接TES(例如，被联接至例如不需要在高压存储热量的液体存储器的热交换器)，然而其也许不能提供快速响应注入模式，除非采取步骤以保持其达到温度。 [0175] 在使用间接TES或直接TES的情况下，对于ACAES系统而言，可能有利的情况是，包括链接至TES的存储气体的气体缓冲器(优选为尚未被TES加热的)，以使得当需要快速功率调制时，气体是即时可用的。 [0176] 通常，GT系统将与其中存储和返回压缩热量的绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统相集成。然而，并不排除其他CAES系统。 [0177] 图12a至12c为示出在注入模式期间加热空气的替代系统的示意图。图12a示出对插入在压缩空气存储器16和GT系统之间的网络中的直接TES 14的使用，如在先前的附图中所示的。相比之下，图12b和12c示出可以使用的且不返回所存储的热量的替代加热器系统。 [0178] 图12c示出插入在压缩空气存储器16和GT系统之间的网络中的直接燃烧器214。随着在设置于流通道网络内的燃烧室214内发生燃烧，直接燃烧器将使用比间接燃烧器更少的燃料104，其中废气方便地顺流通至GT中。这种直接燃烧的额外燃烧器可以容易地保持在准备状态以响应快速功率调制要求。例如，可以保持小火焰连续运行，将其中(在加压室中)的空气保持在所需温度和压力下，例如，用源于压缩空气存储器或源于小的辅助压缩机的小排放进行以提供足够的氧气来保持该火焰。其应该还能够满足质量流的变化，例如，具有快速响应的燃料阀和合适的燃烧器容量。与任何基于热交换器的系统不同，如果通过小火焰(如上所述)将其保持在温度上，那么在功率调制后其将不会经历热循环导致的应力或温度变化。 [0179] 替代地，图12b示出设置在流通道网络内且间接地通过源于燃料(例如，化石燃料)燃烧的火焰102加热的热交换器114。这种布置需要用于废气的排气烟囱。这种布置比直接燃烧器的效率低但可能更难于保持在准备状态(例如，可能总是需要少量的燃烧)。而且，热膨胀问题以及当投入操作时建立热梯度的问题需要认真的管理。 [0180] 代替TES或除了其之外，这种替代的加热器系统可以设置在气流通道网络中，在这种情况下，其可以串联地进行设置或设置在替代(例如，平行)的通道中，例如用以提供额外的热量(用于额外的质量流)，或以更快的速率提供热量，或提供在不同温度下的热量。加热器系统可以进行配置，以使得能够考虑GT系统条件而将从存储器返回的空气加热到所需的温度(例如，匹配预期的GT系统条件或按选定量超过GT系统条件)，然而TES将仅返回其温度与充气的温度大致相同的热量。图13和14示出基于替代加热器系统的混合CAES系统的实例。 [0181] 转向图13，如在先前的附图中所示的，该混合系统使用GT系统来对空气存储器16充气。在网络中的充气和排放路径被分别示为实线和点线箭头。从GT系统排放的空气通过抽热系统106，诸如冷却热交换器(其设置在至(关闭的)快动减压阀22的平行路径中)，其中移除并丢弃了压缩热量。然后，空气通过第二级的动力机械，其包括将空气升高至压缩空气存储器16中的压力的中间冷却压缩机18。在从其进行排放后，返回的空气立即相继地通过减压阀20(其中，空气是等焓膨胀的)和间接燃烧器114，这两个都被设置在至中间冷却压缩机18的平行路径中。在通过第二减压阀22并进入GT系统之前，空气由间接燃烧器加热至合适的选定温度(例如，匹配GT条件的)。该系统避免了对压缩热能存储器的需要以及保持其在正确的温度下进行充气的必要性。 [0182] 图14示出了与更基本的压缩空气系统相集成的GT系统，其中GT系统不用于对压缩空气存储器进行充气。 [0183] 如图所示的系统具有最少的设备且因此是对现有GT系统的更简单的改装。为此，设有小型(例如，供给环境空气的)中间冷却压缩机108或一系列压缩机级以在小质量流速对压缩空气存储器，诸如管道存储器进行充气，其中混合系统仅需要在相对较少的情况下从存储器提供(例如，快速)功率调制，以使得能够使用小型功率机械缓慢地实现再充气。当需要快速响应时，减压阀20用于以合适的流速将压缩空气排出存储器。空气在减压阀22之前通过直接燃烧器214，其将空气加热至合适的选定温度(例如，匹配GT条件的)，其具有更精细的质量流速控制，这允许空气按所需的流速进入越过压降的GT系统。 [0184] 要注意的是允许直接燃烧器214是可操作的，可能需要使很小的空气进料通过阀20和22，如之前所说明的。 [0185] 如图所示的系统不能从GT系统抽出空气，且因此其有关提供快速响应的功能相应地受限于仅能用于增加空气注入。然而，如果，例如，要设有如在图8e和8f中所示的热气体膨胀机布置，进一步的修改则可以允许这种情况。 [0186] 最后，图15a和15b是分别以示例的方式示出混合系统可以在其之间进行切换的可能模式(如上面所例示的)以及用于实现这一点的相关联的优选步骤的流程逻辑图。 [0187] 因此，系统可以在初始发电模式“初始模式”中操作，在该模式中，其准备在5秒以下提供改进的频率响应，涡轮机的质量流速为M且GT的功率为W0。这可能涉及选择合适的初始压缩机配置(例如，确保IGV具有要按所需的功率变化ΔW1所需的预期量进行改变的容量)，以及可选地，用于该模式的进或出该GT系统的任何排放或注入的质量流速。该排放模式可以是至压缩空气存储器的排放和/或至提取有用功的空气减压装置，例如热气体膨胀机或组合燃烧器和膨胀机(可选地，具有下游装置以提取进一步的功率)的排放或至不提取有用功的减压装置，诸如排气阀的排放。 [0188] 当需要改进的频率响应时，控制系统(具有相关联的传感器)选择性地将压缩机调整至用于第二发电模式或“平衡模式”的新功率设置W1(＝W0+ΔW1)的新压缩机配置，如此命名是因为同时，通过压缩机的质量流速的预期变化是由经流体连接调整传递进或出GT系统的质量流的控制系统进行平衡的，以便保持M在燃烧器和涡轮机中大致恒定，且在其可以按高达每秒+/-6％×M的限制内。 [0189] 从图15a可以看出，如果系统是可持续的和方便的，系统随后则可以留在平衡模式中一段时间。 [0190] 更通常地说，平衡模式将不会是理想的长期运行模式，且该模式将仅被用作瞬态模式(例如，持续时间可能不超过10秒，或最多30秒，或最多一分钟)。因此，随后，系统可以反转回初始模式以为另一个改进的频率响应做准备。 [0191] 替代地，其可以从平衡模式切换至具有相同功率W1的新的(例如，更有效的或可持续的)运行模式1，但是这目前通常是通过重置压缩机的配置来按较慢节奏的(正常的频率响应，例如，最多10秒)变化来改变至通过燃烧器和涡轮机的新的质量流速M1来实现的；图7c是新运行模式1的实例。从平衡模式进行的另一个选择是切换至新的运行模式2，其具有不同的功率W2，通常这在平衡模式实现的初始功率增加上实现了进一步的功率增加(或，较不常见地，为在初始减小上的进一步的减小)，再次地，这是以较慢节奏的(正常的频率响应，例如，最多10秒)变化实现的，这会产生通过燃烧器和涡轮机的新的质量流速M2；图4c为新的运行模式2的实例。 [0192] 较大的功率调制可能需要将GT系统从在排放模式中操作切换至注入模式(或反之亦然)且可能需要匹配或几乎补偿在或接近完全打开至在或接近完全关闭的IGV的改变。虽然本发明涉及包括压缩空气系统的混合发电系统的操作，但应理解的是，一些排放模式不需要必然涉及压缩空气存储器。例如，图8a和9a是将功率从“初始模式”进行调制的实例，在“初始模式”中，GT系统经单独的热气体膨胀机向大气进行排放且同时为快速响应做准备，但空气存储器是不活动的，且GT系统随后进行该响应以采用涉及从空气存储器进行的空气注入的“平衡模式”。优选地，在涉及从空气存储器进行的注入的快速功率调制之前存在任何至减压装置的排放的情况下，如果减压装置通过相同的通道被流体连接至一个以上的流连接以使得其供给不会被CAES存储器从不活动至排放的改变所中断且使在GT中的流的变化最小化，则是优选的。 [0193] 为了避免疑问，本发明涉及基于常规燃气轮机设计的混合发电系统的操作，在该设计中，压缩机和涡轮机总是(机械地)联接并被流体连接在彼此下游。这与现有技术提出的燃气轮机的设计相反，在该设计中，压缩机和涡轮机能够联接在一起并随意地进行分离，且其中需要流连接器(例如，具有多向阀)以允许或防止气流从压缩机至燃烧器和涡轮机依次顺流地通过。 [0194] 此外，虽然基于存储并返回热量且仅包括提取有用功的动力机械的ACAES系统的混合系统可能是最有效的存储/发电方案，但本发明更侧重于提供能够在几秒内响应电网要求的混合GT系统。因此，其包含如上面详细描述的更广泛的系统布置，其具有替代的组件或子系统。(例如，作为CAES中的第二级或作为辅助减压装置提供的动力机械受到其能够处理的(且较慢地进行冷启动的)流速的限制，而与加热器系统相比，直接和间接TES系统则可能具有较差的灵活性或响应性。) |
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