CN112594018A - 用于压缩空气储能发电系统的空气透平系统及启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于压缩空气储能发电系统的空气透平系统及启动方法，该系统依次为盐穴出口快关阀、整定阀、气水换热器、第一油气换热器、第二油气换热器、高压进气阀、高压调节阀、空气透平高压缸、第三油气换热器、第四油气换热器、低压进气阀、低压调节阀、空气透平低压缸和出口消音器。该方法包括温态启动方式和冷态启动方式；透平启动方式为空气透平高压缸单独启动，机组冲转前将低压进气阀、低压调节阀全开，并保持启动过程全过程开启，不参与调节，运行方式为定压运行。启动方法以满足温态启动快速、高效、可靠的性能需求为主，进而保证冷态启动可靠性，具备10min以下短时调相运行能力。

Description

用于压缩空气储能发电系统的空气透平系统及启动方法

技术领域：

本发明涉及一种用于压缩空气储能发电系统的空气透平系统及启动方法，属于储能发电技术领域。

背景技术：

近年来，我国新能源发展迅速，但由于风光出力的波动性，导致弃风、弃光日趋严重。此外，随着新能源占比的扩大，电网峰谷差不断加大，电网调节能力严重不足。先进的储能技术是解决弃风弃光、实现电网削峰填谷最有效、最经济的手段之一。其中，非补燃压缩空气储能技术由于其容量大、造价低、经济性好、节能环保等优点，是目前最具发展前景的大规模物理储能技术。

但目前的非补燃压缩空气储能系统中，空气透平的启动一般和火电系统或常规热力系统类似，未能按照压缩空气储能系统中的空气透平的运行特点对启动方法进行专门的设计。

目前的压缩空气储能系统中，空气透平启动方法一般按照传统火电项目中的汽轮机的启动方法进行设计。但是相比传统火电项目，压缩空气储能系统在运行上有着自己显著的特点，采用常规汽轮机启动会带来以下几个问题：

1、系统频繁启停带来的寿命问题：

常规热力系统汽轮机一般在稳定工况下运行，只有在出现事故或者检修时才会停机，而压缩空气储能系统属于间歇运行的热力系统，其主要设备在设计时必须考虑频繁启停带来的相关问题。对于空气透平来说，频繁启停会导致空气透平金属材料的热冲击，需要考虑空气透平特别是关键部件金属材料冷热冲击下的疲劳寿命问题。

2、无法快速启动满足，难以电网调峰快速响应的需求：

目前的压缩空气储能系统中，空气透平未能根据电网调峰快速响应的需求做特殊设计，难以满足电网快速响应的需求。

发明内容：

本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种用于压缩空气储能发电系统的空气透平系统及启动方法，可实现储能系统温态启动时间小于10分钟，满足电网调峰快速响应的需求。并且实现冷态启动时间小于60分钟，实现机组在检修后的快速启动。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种用于压缩空气储能发电系统的空气透平系统，包括与盐穴连接的气水换热器、与所述气水换热器串联的第一油气换热器、第二油气换热器、与所述第二油气换热器连接的空气透平高压缸、与所述空气透平高压缸串联的第三油气换热器、第四油气换热器、与所述第四油气换热器连接的空气透平低压缸；所述盐穴与所述气水换热器之间的连接管路上依次设置有盐穴出口快关阀和整定阀；所述第二油气换热器与所述空气透平高压缸之间的连接管路上依次设置有高压进气阀和高压调节阀；所述第四油气换热器和所述空气透平低压缸之间的连接管路上依次设置有低压进气阀和低压调节阀。

上述用于压缩空气储能发电系统的空气透平系统的启动方法，该方法包括温态启动方式和冷态启动方式；

所述温态启动方式执行的条件是：系统每日启停1次，透平机侧每次启动间隔时间为15小时以上或者系统两日启停1次，透平机侧每次启动间隔时间为40小时以上；

所述温态启动的方法为空气透平高压缸单独启动，机组冲转前将低压进气阀和低压调节阀全开，并保持启动过程低压进气阀和低压调节阀全过程开启，不参与调节，运行方式为定压运行，所述空气透平高压缸单独启动的具体方法包括如下步骤：

11）机组冲转：缓慢开启整定阀及高压调节阀，控制空气透平高压缸进气流量小于30t/h，维持整定阀至高压进气阀之间主气管道上压力为5-11MPa，高温导热油泵同步开始向第一油气换热器供油；当机组转速大于盘车转速时，盘车装置自动脱开，否则应立即停机；目标转速选定为3000r/min，升速率选定为600~800r/min；

12）对机组进行保压检查后并网：机组到达3000r/min额定转速：整定阀至高压进气阀之间主气管道上压力维持在5-11MPa，对机组系统进行检查，做完检查以后，允许机组并网；

13）升负荷：高压调节阀持续开大，导热油泵持续增大高温导热油供应流量，使得系统满足以10~17MW/min升负荷率升负荷至30%THA工况，；

14）调节阀门切换及定速暖机：在30%THA负荷点暖机并完成整定阀与透平高压调节阀的交接，压力整定阀整定由5-11MPa调整为额定压力10-13MPa，压力整定阀逐渐打开，高压调节阀逐渐关闭使得负荷维持稳定在30%THA；

15）提升负荷至目标值：并网带负荷至30% THA，暖机充足及阀门交接完成后，机组开始升负荷至目标值，此时增大高压调阀开度，增加进气量满足升负荷要求，升负荷率选择11~18MW/min；

所述冷态启动方式执行的条件是系统首次启动或者系统停运后启动，在各油气换热器保温层外表温度不超过50℃的情况下执行冷态启动；

所述冷态启动方式的方法具体包括如下步骤：

21）预热暖管：首先将低压进气阀和低压调节阀全开，再对第一油气换热器和第三油气换热器的导热油预热，本体达到250~300℃，同时开启整定阀和高压调节阀使得透平高压缸进气流量小于30t/h，机组进入暖管、建立换热器温度场阶段，使得高压排气温度不得低于20~30℃；

22）机组冲转：目标转速选定为450~550r/min,升速率选定为100~180r/min；在暖管阶段或冲转阶段，当转速大于盘车转速时，盘车装置自动脱开，否则应立即停机；

23）500r/min摩擦检查后并网：

24）升负荷阶段，高压调阀前压力达到5-11Mpa、透平负荷达到20-30%时，整定阀全部打开，由高压调阀单独调节透平进气；缓慢开启高压调阀，以1~2MW/min升负荷率升负荷至30%THA工况；

25）调节阀门切换及定速暖机：在30%THA负荷点暖机并完成盐穴出口压力整定阀与透平调节阀的交接，压力整定阀整定由5~8MPa调整为额定压力0-13MPa，压力整定阀逐渐打开，透平前置高压调节阀逐渐关闭使得负荷维持稳定在30%THA工况；

26）提升负荷至目标值：并网带负荷至30%，暖机充足及阀门交接完成后，机组开始升负荷至目标值，此时增大高压调节阀开度，增加进气量满足升负荷要求，升负荷率选择3~5MW/min。

所述的压缩空气储能发电系统的空气透平系统的启动方法，步骤15）中所述的暖机时间为1-2分钟。

所述的压缩空气储能发电系统的空气透平系统的启动方法，步骤23）中所述的500r/min摩擦检查时关闭高压调节阀和低压调节阀，在惰走转速下进行，在此期间转速不允许小于150~200r/min，检查动静部件摩擦，停留时间不得超过8分钟。

所述的压缩空气储能发电系统的空气透平系统的启动方法，步骤21）中所述的预热暖管过程中，如果高压排气温度低于20~30℃，应调整低压调节阀，减小低压调节阀的开度使得高压排气温度不低于20~30℃。

所述的压缩空气储能发电系统的空气透平系统的启动方法，步骤26）中所述的暖机时间为4~10min。

有益效果：

1、本发明提出了一种用于压缩空气储能发电系统的空气透平启动方法，加入压力整定阀，保证了空气透平在低压力小流量进气阶段的可调解性，保障设备在启动过程中的稳定性。

2、本发明提出了上一次系统停机后的保压要求，可以有效减小换热器启动的响应时间，提高了空气透平的进口温度，缩短了整体启动的时间。

3、本发明针对空气透平高排温度对透平轴承、末级叶片的温度要求，增加了压力整定阀以完成启动前管路保压和小流量切换，并取消了旁路设置、取消了高压缸排气阀，简化了系统结构。

4、本发明冷态启动过程中，将换热器暖管同空气透平启动结合，缩短换热器暖管时间，提升了设备的整体效率。

附图说明：

图1本发明的系统连接图。

图中：1、盐穴；2、第三油气换热器；3、空气透平高压缸；4、第四油气换热器；5、低压进气阀；6、低压调节阀；7、空气透平低压缸；8、出口消音器；9、盐穴出口快关阀；10、整定阀11、气水换热器；12、第一油气换热器；13、第二油气换热器；14、高压进气阀；15、高压调节阀。

具体实施方式：

现在结合附图对本技术发明作进一步详细的说明。这些附图均为示意图，仅以示意方式说明本技术发明的基本结构，因此其仅显示与本技术发明有关的构成。

如图1所示，本发明的一种用于压缩空气储能发电系统的空气透平系统，包括与盐穴1连接的气水换热器11、与所述气水换热器11串联的第一油气换热器12、第二油气换热器13、与所述第二油气换热器13连接的空气透平高压缸3、与所述空气透平高压缸3串联的第三油气换热器2、第四油气换热器4、与所述第四油气换热器4连接的空气透平低压缸7；所述盐穴1与所述气水换热器11之间的连接管路上依次设置有盐穴出口快关阀9和整定阀10；所述第二油气换热器13与所述空气透平高压缸3之间的连接管路上依次设置有高压进气阀14和高压调节阀15；所述第四油气换热器4和所述空气透平低压缸7之间的连接管路上依次设置有低压进气阀5和低压调节阀6。

空气通路依次为盐穴出口快关阀、整定阀、气水换热器、第一油气换热器、第二油气换热器、高压进气阀、高压调节阀、空气透平高压缸、第三油气换热器、第四油气换热器、低压进气阀、低压调节阀、空气透平低压缸和出口消音器。

上述用于压缩空气储能发电系统的空气透平系统的启动方法，该方法包括温态启动方式和冷态启动方式；

透平启动方式为空气透平高压缸单独启动，机组冲转前将低压进气阀、低压调节阀全开，并保持启动过程全过程开启，不参与调节，运行方式为定压运行。启动方法以满足温态启动快速、高效、可靠的性能需求为主，进而保证冷态启动可靠性，具备10min以下短时调相运行能力。

温态启动包括两种条件：

1）系统每日启停1次，透平机侧每次启动间隔时间为15小时以上；

2）系统两日启停1次，透平机侧每次启动间隔时间为40小时以上；

冷态启动的条件为系统首次启动及设备停运等级检修后启动，且油气换热器保温层外表温度不超过50℃。

温态启动过程：

11）机组冲转：将低压进气阀、低压调节阀全开，并保持启动过程全过程开启，不参与调节。缓慢开启整定阀及高压调节阀，控制空气透平高压缸进气流量小于30t/h，维持压力整定阀至高压进气阀之间主气管道上压力为5-11MPa，空气透平高压缸开始进气，高温导热油泵同步开始向第一油气换热器供油；由于高压调节阀逐渐开启，机组转速不断增加，当转速大于盘车转速时，盘车装置自动脱开，否则应立即停机；目标转速选定为3000r/min,升速率选定为600~800r/min。

2）到达3000r/min额定转速：对机组润滑系统、调节保安油等系统进行检查；为确保阀门的调节性能满足机组稳定运行的要求，此时整定阀至高压调节阀之间压力维持在5-11MPa。

2）并网：在透平发电机组做完试验或检查完成以后，通知运行人员允许机组并网；在整个升速和并网带负荷过程中维持高压进气阀前压力不变。

3）升负荷：高压调节阀持续开大，导热油泵持续增大高温导热油供应流量，使得系统以10~17MW/min升负荷率升负荷至30%THA工况；

4）调节阀门切换及定速暖机：在30%THA负荷点停留约1min，在此段时间内完成整定阀与高压调节阀的交接，整定阀整定由5-11MPa调整为额定压力10-13MPa，整定阀逐渐打开，高压调节阀逐渐关闭，这个过程中维持负荷稳定在30%THA。

5）提升负荷至目标值：并网带负荷至30%，暖机充足及阀门交接完成后，机组开始升负荷至目标值，此时由于主气压力及温度接近额定参数，升负荷主要增大高压调节阀开度，增加进气量满足升负荷要求，升负荷率选择11~18MW/min。

冷态启动过程：

1）暖管及机组冲转：为避免高压缸膨胀完成后，对换热器等形成冷冲击，第一油气换热器、第二油气换热器采用混温导热油预热，本体达到250~300℃，同时开启整定阀和高压调节阀使得透平高压缸进气流量小于30t/h，机组进入暖管、建立换热器温度场阶段；此时需严密监视高压排气温度，高压排气温度不得低于20~30℃，否则应调整低压调节阀，减小低压调节阀的开度；暖管完成后，机组进入冲转阶段，目标转速选定为450~550r/min,升速率选定为100~180r/min；在暖管阶段或冲转阶段，由于高压调节阀逐渐开启，机组转速不断增加，当转速大于盘车转速时，盘车装置自动脱开，否则应立即停机。

2）500r/min摩擦检查：在此转速下对机组作全面检查，检查时都应关闭高、中压调节阀，在惰走转速下进行。在此期间转速不允许小于150~200r/min，检查动静部件摩擦，停留时间不得超过8分钟。

3）在透平发电机组做完试验或检查完成以后，通知运行人员允许机组并网；在整个升速和并网带负荷过程中维持高压主气阀前压力不变。

4）缓慢开启高压调节阀，以1~2MW/min升负荷率升负荷至30%THA工况。

5）在30%THA负荷点暖机约4~10min。在此段时间内完成整定阀与高压调节阀的交接，整定阀整定由5~8MPa调整为额定压力0-13MPa，整定阀逐渐打开，高压调节阀逐渐关闭，维持负荷稳定在30%THA工况。

6）提升负荷至目标值：并网带负荷至30%，暖机充足及阀门交接完成后，机组开始升负荷至目标值，此时由于主气压力及温度接近额定参数，升负荷主要增大调阀开度，增加进气量满足升负荷要求，升负荷率选择3~5MW/min。

采用上述方法后，实现储能系统温态启动时间小于10分钟，满足电网调峰快速响应的需求。并且实现冷态启动时间小于60分钟，实现机组在检修后的快速启动。

以上说明书中描述的只是本技术发明的具体实施方式，各种举例说明不对本技术发明的实质构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本技术发明的实质和范围。

Claims (6)

1.一种用于压缩空气储能发电系统的空气透平系统，包括与盐穴连接的气水换热器、与所述气水换热器串联的第一油气换热器、第二油气换热器、与所述第二油气换热器连接的空气透平高压缸、与所述空气透平高压缸串联的第三油气换热器、第四油气换热器、与所述第四油气换热器连接的空气透平低压缸；其特征在于：

所述盐穴与所述气水换热器之间的连接管路上依次设置有盐穴出口快关阀和整定阀；所述第二油气换热器与所述空气透平高压缸之间的连接管路上依次设置有高压进气阀和高压调节阀；所述第四油气换热器和所述空气透平低压缸之间的连接管路上依次设置有低压进气阀和低压调节阀。

2.上述用于压缩空气储能发电系统的空气透平系统的启动方法，其特征在于：该方法包括温态启动方式和冷态启动方式；

所述温态启动方式执行的条件是：系统每日启停1次，透平机侧每次启动间隔时间为15小时以上或者系统两日启停1次，透平机侧每次启动间隔时间为40小时以上；

所述温态启动的方法为空气透平高压缸单独启动，机组冲转前将低压进气阀和低压调节阀全开，并保持启动过程低压进气阀和低压调节阀全过程开启，不参与调节，运行方式为定压运行，所述空气透平高压缸单独启动的具体方法包括如下步骤：

11）机组冲转：缓慢开启整定阀及高压调节阀，控制空气透平高压缸进气流量小于30t/h，维持整定阀至高压进气阀之间主气管道上压力为5-11MPa，高温导热油泵同步开始向第一油气换热器供油；当机组转速大于盘车转速时，盘车装置自动脱开，否则应立即停机；目标转速选定为3000r/min，升速率选定为600~800r/min；

12）对机组进行保压检查后并网：机组到达3000r/min额定转速：整定阀至高压进气阀之间主气管道上压力维持在5-11MPa，对机组系统进行检查，做完检查以后，允许机组并网；

13）升负荷：高压调节阀持续开大，导热油泵持续增大高温导热油供应流量，使得系统满足以10~17MW/min升负荷率升负荷至30%THA工况，；

14）调节阀门切换及定速暖机：在30%THA负荷点暖机并完成整定阀与透平高压调节阀的交接，压力整定阀整定由5-11MPa调整为额定压力10-13MPa，压力整定阀逐渐打开，高压调节阀逐渐关闭使得负荷维持稳定在30%THA；

15）提升负荷至目标值：并网带负荷至30% THA，暖机充足及阀门交接完成后，机组开始升负荷至目标值，此时增大高压调阀开度，增加进气量满足升负荷要求，升负荷率选择11~18MW/min；

所述冷态启动方式执行的条件是系统首次启动或者系统停运后启动，在各油气换热器保温层外表温度不超过50℃的情况下执行冷态启动；

所述冷态启动方式的方法具体包括如下步骤：

21）预热暖管：首先将低压进气阀和低压调节阀全开，再对第一油气换热器和第三油气换热器的导热油预热，换热器本体达到250~300℃时，同时开启整定阀和高压调节阀使得透平高压缸进气流量小于30t/h，机组进入暖管、建立换热器温度场阶段，使得高压排气温度不得低于20~30℃；

22）机组冲转：目标转速选定为450~550r/min,升速率选定为100~180r/min；在暖管阶段或冲转阶段，当转速大于盘车转速时，盘车装置自动脱开，否则应立即停机；

23）500r/min摩擦检查后并网：

24）升负荷阶段，高压调阀前压力达到5-11Mpa、透平负荷达到20-30%时，整定阀全部打开，由高压调阀单独调节透平进气；缓慢开启高压调阀，以1~2MW/min升负荷率升负荷至30%THA工况；

25）调节阀门切换及定速暖机：在30%THA负荷点暖机并完成盐穴出口压力整定阀与透平调节阀的交接，压力整定阀整定由5~8MPa调整为额定压力0-13MPa，压力整定阀逐渐打开，透平前置高压调节阀逐渐关闭使得负荷维持稳定在30%THA工况；

26）提升负荷至目标值：并网带负荷至30%，暖机充足及阀门交接完成后，机组开始升负荷至目标值，此时增大高压调节阀开度，增加进气量满足升负荷要求，升负荷率选择3~5MW/min。

3.根据权利要求2所述的压缩空气储能发电系统的空气透平系统的启动方法，其特征在于：步骤15）中所述的暖机时间为1-2分钟。

4.根据权利要求2所述的压缩空气储能发电系统的空气透平系统的启动方法，其特征在于：步骤23）中所述的500r/min摩擦检查时关闭高压调节阀和低压调节阀，在惰走转速下进行，在此期间转速不允许小于150~200r/min，检查动静部件摩擦，停留时间不得超过8分钟。

5.根据权利要求2所述的压缩空气储能发电系统的空气透平系统的启动方法，其特征在于：步骤21）中所述的预热暖管过程中，如果高压排气温度低于20~30℃，应调整低压调节阀，减小低压调节阀的开度使得高压排气温度不低于20~30℃。

6.根据权利要求2所述的压缩空气储能发电系统的空气透平系统的启动方法，其特征在于：步骤26）中所述的暖机时间为4~10min。

Images