CN114991959B - 一种燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统及方法，包括燃气透平、燃烧室、发电机、离合器、无极变速箱、空气压缩机、余热锅炉、蒸汽透平、空气透平、储能装置、冷油储罐、热油储罐、冷油泵、热油泵、第一换热器、第二换热器、天然气管道、第一流量阀、第二流量阀、第三流量阀、第四流量阀及第五流量阀，该系统及方法能够满足灵活高效调峰的需求。

Description

一种燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统及方法

技术领域

本发明属于火力发电灵活性调峰领域，涉及一种燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统及方法。

背景技术

随着最近几年能源互联网的开展，特高压建设的加快，建成投产的特高压工程越来越多。同时随着最近几年国家的政策支持和节能减排的要求，光伏和风电等新能源的建设和发展很快，为受端电网的火力发电机组带来了很大的压力。燃气联合循环电站因其较为突出的调峰性能和调峰速度，得到较快的发展。随着近几年的燃气机组大量建设和投产，燃机的比重越来越大，已然成为电网调峰主力军。很多燃气机组呈现早起晚停或夜间低负荷运行的状态，有些机组更是被选做核心区域的黑启动电源点。

针对当前电网的形势和要求，燃机机组的深度调峰主要包括燃机机组的早起晚停和燃机机组的低负荷运行深度调峰运行两种情况。为达到深度调峰的目的，对于不同配置类型的燃气机组来说运行仍存在很多不足，主要不足如下。

1、对于日启夜停机组，频繁启停，设备疲劳损伤，增加维护费用，人员要求较高，无形中增加成本。虽然燃机启动较快，但对于联合循环机组，热态启动对轴封汽要求较高，在启动准备阶段，辅汽暖管和轴封蒸汽温度、抽真空等满足耗时较多，对运行人员数量、素质水平都有较高的要求。启动准备工作耗时约50分钟，燃机启动、冲击汽轮机至带满负荷用时约60分钟。

2、对于夜间低负荷运行的机组，当燃机负荷降至IGV全关后排烟温度急剧下降，造成主蒸汽温度快速下降，影响蒸汽轮机运行安全。故很多电厂不得不提高参与调峰负荷的下限，无形中也降低了机组的调峰能力。

3、对于配置供热负荷的联合循环机组，为保证供热用户需求，往往造成调峰区间变得更窄，无法满足电网要求，灵活性不高。

4、燃机在接近基本负荷时由于IGV已经全开，出口温度控制模式激活，造成燃机在基本负荷附近的向上调峰和调频能力较弱。

5、因传统燃机启动需要SFC拖动压气机，SFC启动所需电能较大故实现黑启动所需的电源容量较大，需配置特种容量的黑启动柴油机组，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统及方法，该系统及方法能够满足灵活高效调峰的需求。

为达到上述目的，本发明所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统包括燃气透平、燃烧室、发电机、离合器、无极变速箱、空气压缩机、余热锅炉、蒸汽透平、空气透平、储能装置、冷油储罐、热油储罐、冷油泵、热油泵、第一换热器、第二换热器、天然气管道、第一流量阀、第二流量阀、第三流量阀、第四流量阀及第五流量阀；

空气压缩机的驱动轴经无极变速箱、离合器、发电机及蒸汽透平与燃气透平相连接，燃气透平的出口与余热锅炉的入口相连通，余热锅炉的蒸汽出口经第五流量阀与蒸汽透平的入口相连通，空气压缩机的出口分为两路，其中一路经第一换热器的壳侧及第一流量阀与储能装置相连接，另一路经第四流量阀后分为两路，其中一路与燃烧室的入口相连通，另一路与第二流量阀的入口相连通，燃烧室的出口与燃气透平的入口相连通，第二流量阀的出口分为两路，其中一路经第三流量阀与空气透平的入口相连通，另一路经第二换热器的壳侧与储能装置相连通，蒸汽透平的出口经供热调阀向用户供热；

冷油储罐的出口经冷油泵与第一换热器的管侧入口相连通，第一换热器的管侧出口与热油储罐的入口相连通，热油储罐的出口经热油泵及第二换热器的管侧与冷油储罐的入口相连通。

第一流量阀经第一逆止阀与储能装置相连通。

第四流量阀经第二逆止阀后分为两路。

所述第二流量阀经第三逆止阀后分为两路。

冷油泵及热油泵均配置有频率调节装置。

本发明所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰方法包括以下步骤：

空气压缩机输出的压缩空气分为两路，其中，一路经第二换热器的管侧放热后经第一流量阀进入到储能装置中，另一路经第四流量阀后分为两路，其中一路进入到燃烧室中，另一路经第二流量阀后分为两路，其中一路经第三流量阀后进入到空气透平中做功，另一路经第二换热器的壳侧吸热后进入到储能装置中，燃烧室输出的烟气进入到燃气透平中做功，然后进入到余热锅炉中放热，余热锅炉输出的蒸汽经第五流量阀进入到蒸汽透平中做功；

冷油储罐输出的导热油经冷油泵进入到第一换热器的管侧中吸热，然后储存于热油储罐中，热油储罐输出的导热油经热油泵进入到第二换热器的管侧中放热，然后再进入到冷油储罐中；

蒸汽透平的排汽经供热调阀向用户供热；发电机输出的电上网。

正常情况下，燃烧室输入的空气及燃料始终处于满负荷状态并保持不动，燃气透平及蒸汽透平驱动发电机运行；

当电力过剩时，离合器啮合，无极变速箱接收电网负荷指令，以提高空气压缩机的转速，增加空气压缩机的功耗，减少发电机的上网负荷；多余压缩空气通过第一流量阀进入储能装置中；

当电力短缺时，无极变速箱接收电网负荷指令，降低空气压缩机的转速，减少空气压缩机的功耗，增加发电机上网负荷。

当储能满载或压缩机组故障时，无极变速箱保持最小出力或者零出力不动，燃烧室输入的空气及燃料随动，调整负荷运行；

当电力过剩时，电网负荷指令转换空气流量指令，关小第二流量阀及第四流量阀，天然气管道根据燃气透平排烟自动减燃料，通过降低燃烧，以降低发电机的上网负荷；

当电力短缺时，则增大第二流量阀及第四流量阀的开度，增强燃烧，以增加发电机上网负荷。

当电网电力严重短缺时，储能装置中的压缩空气依次通过第二换热器及第三流量阀进入空气透平中做功，以增加上网负荷，实现高效调峰，空气透平入口处的空气温度通过调节热油泵的流量调节。

供热调阀根据供热用户的负荷指令调整开度，由此引起的上网功率变化通过无极变速箱进行解耦，实现热电比的灵活高效调整。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统及方法在具体操作时，在燃气-蒸汽联合循环中引入空气压缩机储能，燃气透平长期处于基本负荷运行，安全稳定且燃烧效率高，符合燃气透平设计初衷。通过燃气透平同轴驱动空气压缩机进行耦合变功率储能，属于机械能转机械能，比单独空气储能的机械能转电能、电能再转机械能进行储能效率要高，功率调节范围广，调峰灵活调节范围大。另外，燃气透平基本负荷运行，无需调整燃烧，仅需调整变速箱输出便可在电源侧实现宽负荷调峰，无需来回启停机组，节省大量人力和维护成本。同时，本发明配置同轴压缩机组解耦了燃气-蒸汽循环机组热电负荷强耦合作用，打破人们常说的“以热定电”模式，使得联合循环机组输出功率在送至电网、供热、压缩储能三者之间灵活分配，提高系统平衡性。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

图2a为基本负荷模式功率控制方法的流程图；

图2b为可变负荷模式功率控制方法的流程图；

图2c为空气透平功率控制方法的流程图；

图2d供热负荷控制方法的流程图。

其中，1为燃气透平、2为燃烧室、3为发电机、4为离合器、5为无极变速箱、6为空气压缩机、7为余热锅炉、8为蒸汽透平、9为空气透平、10为储能装置、11为冷油储罐、12为热油储罐、13为冷油泵、14为热油泵、15为第一换热器、16为第二换热器、17为天然气管道、18为第一流量阀、19为第二流量阀、20为第三流量阀、21为第四流量阀、22为第五流量阀。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

参考图1，本发明所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统包括燃气透平1、燃烧室2、发电机3、离合器4、无极变速箱5、空气压缩机6、余热锅炉7、蒸汽透平8、空气透平9、储能装置10、冷油储罐11、热油储罐12、冷油泵13、热油泵14、第一换热器15、第二换热器16、天然气管道17、第一流量阀18、第二流量阀19、第三流量阀20、第四流量阀21及第五流量阀22；

空气压缩机6的驱动轴经无极变速箱5、离合器4、发电机3及蒸汽透平8与燃气透平1相连接，燃气透平1的出口与余热锅炉7的入口相连通，余热锅炉7的蒸汽出口经第五流量阀22与蒸汽透平8的入口相连通，空气压缩机6的出口分为两路，其中一路经第一换热器15的壳侧及第一流量阀18与储能装置10相连接，另一路经第四流量阀21后分为两路，其中一路与燃烧室2的入口相连通，另一路与第二流量阀19的入口相连通，燃烧室2的出口与燃气透平1的入口相连通，第二流量阀19的出口分为两路，其中一路经第三流量阀20与空气透平9的入口相连通，另一路经第二换热器16的壳侧与储能装置10相连通，储能装置10为压缩空气储罐或者盐穴。

冷油储罐11的出口经冷油泵13与第一换热器15的管侧入口相连通，第一换热器15的管侧出口与热油储罐12的入口相连通，热油储罐12的出口经热油泵14及第二换热器16的管侧与冷油储罐11的入口相连通。

所述空气压缩机6配置有防喘振，便于在不同工况启动时建立合适压力及流量。

第一流量阀18经第一逆止阀与储能装置10相连通，防止空气压缩机6不运行时，储能装置10内高压空气倒流。

第四流量阀21经第二逆止阀后分为两路，防止空气压缩机6不运行时燃烧室2内的高压烟气倒流。

所述第一换热器15的加热热源为压缩空气的压缩热，也可以替换为太阳能。

所述第二流量阀19经第三逆止阀后分为两路，防止储能装置10内压力低时燃烧室2内的高压烟气倒流。

空气透平9的排气可以用于加热生活用水。

所述无极变速箱5为液压可调转矩变速箱，实现发电机3输出轴大范围平滑调节。

蒸汽透平8的出口经供热调阀向用户供热。

空气压缩机6的入口处设置有过滤器。冷油储罐11及热油储罐12外设置有绝热保温材料层，冷油泵13及热油泵14均配置有频率调节装置。

本发明的工作过程为：

空气压缩机6输出的压缩空气分为两路，其中一路经第二换热器16的管侧放热后经第一流量阀18进入到储能装置10中，另一路经第四流量阀21后分为两路，其中一路进入到燃烧室2中，另一路经第二流量阀19后分为两路，其中一路经第三流量阀20后进入到空气透平9中做功，另一路经第二换热器16的壳侧吸热后进入到储能装置10中，燃烧室2输出的烟气进入到燃气透平1中做功，然后进入到余热锅炉7中放热，余热锅炉7输出的蒸汽经第五流量阀22进入到蒸汽透平8中做功；

冷油储罐11输出的导热油经冷油泵13进入到第一换热器15的管侧中吸热，然后储存于热油储罐12中，热油储罐12输出的导热油经热油泵14进入到第二换热器16的管侧中放热，然后再进入到冷油储罐11中。

蒸汽透平8的排汽经供热调阀向用户供热；发电机3输出的电上网。

本发明涉及的方法包括：

如图2a所示，正常情况下，机组处于基本负荷模式功率控制方法，即，燃烧室2进空气及燃料始终处于满负荷状态并保持不动，燃气透平1及蒸汽透平8驱动发电机3运行。

当电力过剩时，离合器4啮合，无极变速箱5接收电网负荷指令，以提高空气压缩机6的转速，增加空气压缩机6的功耗，减少发电机3的上网负荷；多余压缩空气通过第一流量阀18进入储能装置10中。

当电力短缺时，无极变速箱5接收电网负荷指令，降低空气压缩机6的转速，减少空气压缩机6的功耗，增加发电机3上网负荷。

如图2b所示，当储能满载或压缩机组故障时，机组处于可变负荷模式功率控制方法，此时，无极变速箱5保持最小出力或者零出力不动，燃烧室2输入的空气及燃料随动，调整负荷运行。

当电力过剩时，电网负荷指令转换空气流量指令，关小第二流量阀19及第四流量阀21，天然气管道17根据燃气透平1排烟自动减燃料，通过降低燃烧，从而降低发电机3的上网负荷；

当电力短缺时，则增大第二流量阀19及第四流量阀21的开度，增强燃烧，从而增加发电机3上网负荷。

如图2c所示，空气透平9的功率控制方法：

当电网电力严重短缺时，释能功能激活，储能装置10中的压缩空气依次通过第二换热器16及第三流量阀20进入空气透平9中做功，以增加上网负荷，实现高效调峰，空气透平9入口处的空气温度通过调节热油泵14的流量调节。

如图2d所示，为供热负荷控制方法：供热调阀根据供热用户的负荷指令调整开度，由此引起的上网功率变化通过无极变速箱5进行解耦，实现热电比的灵活高效调整。

本发明取消了常规燃气轮机的压气机部分，故不配置SFC,启动时可以利用压缩空气储罐提供启动所需空气。在黑启动工况下，由于没有了大功率启动耗电设备(SFC)，使用常规柴油发电机3加上压缩空气便可实现燃气透平1的点火、并网发电。

Claims (10)

1.一种燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统，其特征在于，包括燃气透平(1)、燃烧室(2)、发电机(3)、离合器(4)、无极变速箱(5)、空气压缩机(6)、余热锅炉(7)、蒸汽透平(8)、空气透平(9)、储能装置(10)、冷油储罐(11)、热油储罐(12)、冷油泵(13)、热油泵(14)、第一换热器(15)、第二换热器(16)、天然气管道(17)、第一流量阀(18)、第二流量阀(19)、第三流量阀(20)、第四流量阀(21)及第五流量阀(22)；

空气压缩机(6)的驱动轴经无极变速箱(5)、离合器(4)、发电机(3)及蒸汽透平(8)与燃气透平(1)相连接，燃气透平(1)的出口与余热锅炉(7)的入口相连通，余热锅炉(7)的蒸汽出口经第五流量阀(22)与蒸汽透平(8)的入口相连通，空气压缩机(6)的出口分为两路，其中一路经第一换热器(15)的壳侧及第一流量阀(18)与储能装置(10)相连接，另一路经第四流量阀(21)后分为两路，其中一路与燃烧室(2)的入口相连通，另一路与第二流量阀(19)的入口相连通，燃烧室(2)的出口与燃气透平(1)的入口相连通，第二流量阀(19)的出口分为两路，其中一路经第三流量阀(20)与空气透平(9)的入口相连通，另一路经第二换热器(16)的壳侧与储能装置(10)相连通，蒸汽透平(8)的出口经供热调阀向用户供热；

冷油储罐(11)的出口经冷油泵(13)与第一换热器(15)的管侧入口相连通，第一换热器(15)的管侧出口与热油储罐(12)的入口相连通，热油储罐(12)的出口经热油泵(14)及第二换热器(16)的管侧与冷油储罐(11)的入口相连通。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统，其特征在于，第一流量阀(18)经第一逆止阀与储能装置(10)相连通。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统，其特征在于，第四流量阀(21)经第二逆止阀后分为两路。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统，其特征在于，所述第二流量阀(19)经第三逆止阀后分为两路。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统，其特征在于，冷油泵(13)及热油泵(14)均配置有频率调节装置。

6.一种燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰方法，其特征在于，基于权利要求1所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰系统，包括以下步骤：

空气压缩机(6)输出的压缩空气分为两路，其中，一路经第二换热器(16)的管侧放热后经第一流量阀(18)进入到储能装置(10)中，另一路经第四流量阀(21)后分为两路，其中一路进入到燃烧室(2)中，另一路经第二流量阀(19)后分为两路，其中一路经第三流量阀(20)后进入到空气透平(9)中做功，另一路经第二换热器(16)的壳侧吸热后进入到储能装置(10)中，燃烧室(2)输出的烟气进入到燃气透平(1)中做功，然后进入到余热锅炉(7)中放热，余热锅炉(7)输出的蒸汽经第五流量阀(22)进入到蒸汽透平(8)中做功；

冷油储罐(11)输出的导热油经冷油泵(13)进入到第一换热器(15)的管侧中吸热，然后储存于热油储罐(12)中，热油储罐(12)输出的导热油经热油泵(14)进入到第二换热器(16)的管侧中放热，然后再进入到冷油储罐(11)中；

蒸汽透平(8)的排汽经供热调阀向用户供热；发电机(3)输出的电上网。

7.根据权利要求6所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰方法，其特征在于，正常情况下，燃烧室(2)输入的空气及燃料始终处于满负荷状态并保持不动，燃气透平(1)及蒸汽透平(8)驱动发电机(3)运行；

当电力过剩时，离合器(4)啮合，无极变速箱(5)接收电网负荷指令，以提高空气压缩机(6)的转速，增加空气压缩机(6)的功耗，减少发电机(3)的上网负荷；多余压缩空气通过第一流量阀(18)进入储能装置(10)中；

当电力短缺时，无极变速箱(5)接收电网负荷指令，降低空气压缩机(6)的转速，减少空气压缩机(6)的功耗，增加发电机(3)上网负荷。

8.根据权利要求6所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰方法，其特征在于，当储能满载或压缩机组故障时，无极变速箱(5)保持最小出力或者零出力不动，燃烧室(2)输入的空气及燃料随动，调整负荷运行；

当电力过剩时，电网负荷指令转换空气流量指令，关小第二流量阀(19)及第四流量阀(21)，天然气管道(17)根据燃气透平(1)排烟自动减燃料，通过降低燃烧，以降低发电机(3)的上网负荷；

当电力短缺时，则增大第二流量阀(19)及第四流量阀(21)的开度，增强燃烧，以增加发电机(3)上网负荷。

9.根据权利要求6所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰方法，其特征在于，当电网电力严重短缺时，储能装置(10)中的压缩空气依次通过第二换热器(16)及第三流量阀(20)进入空气透平(9)中做功，以增加上网负荷，实现高效调峰，空气透平(9)入口处的空气温度通过调节热油泵(14)的流量调节。

10.根据权利要求6所述的燃气轮机耦合压缩空气储能灵活高效调峰方法，其特征在于，供热调阀根据供热用户的负荷指令调整开度，由此引起的上网功率变化通过无极变速箱(5)进行解耦，实现热电比的灵活高效调整。