CN115680803B - 一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于储能技术领域，公开了一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统及其控制方法；所述闭式燃气轮机储能系统包括：空气压缩机、换热器、回热器、第一空气加热器、空气透平、储冷罐、储热罐、压缩空气储罐、第二空气加热器、电机、第一3S离合器和第二3S离合器；所述控制方法可在常规时间不需消耗额外电力即可稳定存储高压空气及热量，在用电低谷时利用低谷电力储存能量，并在用电高峰时产生额外电力满足需求。综上，本发明可根据用户需求灵活切换工作模式，实现能量储存与释放，能够在较大范围内灵活满足用户的用电需求；具有储能效率高、安全可靠性稿、系统体积小、环境友好度高等特点。

Description

一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统及其控制方法

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统及其控制方法。

背景技术

储能技术能够有效解决移峰填谷的技术难题，能够极大地提高新能源的普及率，近年来受到越来越多的重视。

目前，现有传统的储能技术有抽水蓄能、压缩空气储能以及电化学储能；其中，抽水蓄能、压缩空气储能技术在规模等级、占地面积、建设成本等方面均具有一定的局限性，无法实现能源的分布式供应；电化学储能技术具有安全性较低，易造成环境污染等弊端。

综上所述，为了能够在较大范围内灵活满足用户的用电需求，提高储能效率、安全可靠性及环境友好度等性能，亟需研发一种新的储能技术手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，可根据用户需求灵活切换工作模式，实现能量储存与释放，能够在较大范围内灵活满足用户的用电需求；具有储能效率高、安全可靠性稿、系统体积小、环境友好度高等特点。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统，包括：空气压缩机、换热器、回热器、第一空气加热器、空气透平、储冷罐、储热罐、压缩空气储罐、第二空气加热器、电机、第一3S离合器和第二3S离合器；

所述空气压缩机的出口经第一控制阀与所述换热器的第一通道进口相连通；

所述换热器的第一通道出口依次经第二控制阀、所述回热器的第一通道、所述第一空气加热器的第一通道与所述空气透平的进口相连通；所述换热器的第一通道出口还依次经第五控制阀、所述压缩空气储罐、第六控制阀、所述第二空气加热器的第一通道与所述空气透平的进口相连通；

所述空气透平的出口经所述回热器的第二通道与所述空气压缩机的进口相连通；所述空气压缩机的进口还设置有空气输送管道，所述空气输送管道设置有第四控制阀；所述空气透平的出口还设置有排气管道，所述排气管道设置有第八控制阀；

所述储冷罐的出口依次经第三控制阀、所述换热器的第二通道与所述储热罐的进口相连通，所述储热罐的出口依次经第七控制阀、所述第二空气加热器的第二通道与所述储冷罐的进口相连通；

I号转轴的一端与所述空气压缩机连接，所述I号转轴的另一端通过所述第一3S离合器与II号转轴的一端相连接，所述II号转轴的另一端与所述电机相连接；III号转轴的一端与所述电机相连接，所述III号转轴的另一端通过所述第二3S离合器与IV号转轴的一端相连接，所述IV号转轴的另一端与所述空气透平相连接。

本发明的进一步改进在于，还包括：

热源，用于与所述第一空气加热器的第二通道相连通，提供热量。

本发明的进一步改进在于，还包括：

废气处理装置，所述热源与所述第一空气加热器的第二通道进口相连通，所述第一空气加热器的第二通道出口与所述废气处理装置的进口相连通。

本发明的进一步改进在于，所述热源采用燃料燃烧产生的烟气、太阳能或高温余热中的一种或多种。

本发明的进一步改进在于，所述储冷罐和所述储热罐中的储热介质为水或导热油。

本发明提供的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统的控制方法，

常规模式下，关闭第六控制阀、第七控制阀、第八控制阀，打开第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀，连接第一3S离合器、第二3S离合器，电机处于不工作状态；

其中，常温常压的空气经空气压缩机压缩后进入换热器换热降温，在换热器中将热量传递给来自储冷罐的低温储热介质；换热降温后的高压空气分为两路，一路进入压缩空气储罐进行储存，另一路依次经过回热器和第一空气加热器吸热升温后进入空气透平膨胀做功，以驱动空气压缩机；膨胀后的空气经回热器换热降温后重新进入空气压缩机压缩；经换热器换热升温的储热介质进入储热罐储存。

本发明的进一步改进在于，常规模式下，通过调节第二控制阀与第五控制阀的开度，以控制进入空气透平的高压空气的流量，使空气透平的输出功刚好满足空气压缩机的耗功。

本发明的进一步改进在于，用户处于用电低谷时，关闭第二控制阀、第六控制阀、第七控制阀和第八控制阀，打开第一控制阀、第三控制阀、第四控制阀和第五控制阀；电机用作电动机，连接第一3S离合器，断开第二3S离合器；

其中，常温常压的空气进入空气压缩机，由电机驱动空气压缩机对空气进行压缩，升压后的空气进入换热器换热降温，将热量传递给来自储冷罐的低温储热介质，降温后的高压空气储存在压缩空气储罐中，吸热升温后的储热介质储存在储热罐中。

本发明的进一步改进在于，用户处于用电高峰时，关闭第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀和第五控制阀，打开第六控制阀、第七控制阀和第八控制阀；断开第一3S离合器，连接第二3S离合器，电机用作发电机；

其中，压缩空气储罐中储存的高压空气进入第二空气加热器中，吸收来自储热罐中高温储热介质的热量升温，之后高温高压的空气进入空气透平膨胀做功，带动电机发电；膨胀后的空气排放至大气，经第二空气加热器换热降温的低温储热介质储存在储冷罐中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

针对现有储能技术的技术缺陷，本发明具体公开了一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统，通过控制不同阀门的开度以及3S离合器的啮合/脱开，可在极大的范围内灵活满足用户的用电需求，具有储能效率高、系统体积小、环境友好等特点。具体解释性的，本发明系统具有多种运行模式且能够根据用户的实际用电情况调节阀门开度或3S离合器的啮合/脱开，调整系统的工作状态，在常规时期不消耗外部电力的情况下储存能量，在用电低谷时期利用低谷电力储存能量，在用电高峰时期将储存的能量释放。

本发明的控制方法能够实现：在常规时间不需消耗额外电力即可稳定存储高压空气及热量；在用电低谷时利用低谷电力储存能量，并在用电高峰时产生额外电力满足需求。系统整体灵活稳定，具有较高的储能效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统的结构示意图；

图中，1、空气压缩机；2、换热器；3、回热器；4、第一空气加热器；5、空气透平；6、废气处理装置；7、储冷罐；8、储热罐；9、压缩空气储罐；10、第二空气加热器；

11、第一控制阀；12、第二控制阀；13、第三控制阀；14、第四控制阀；15、第五控制阀；16、第六控制阀；17、第七控制阀；18、第八控制阀；

21、第一3S离合器；22、第二3S离合器。

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，而不是全部的实施例。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。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

请参阅图1，本发明实施例公开的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统，包括：空气压缩机1、换热器2、回热器3、第一空气加热器4、空气透平5、废气处理装置6、储冷罐7、储热罐8、压缩空气储罐9和第二空气加热器10；此外，还包括第一控制阀11、第二控制阀12、第三控制阀13、第四控制阀14、第五控制阀15、第六控制阀16、第七控制阀17、第八控制阀18这八个控制阀门，以及第一3S离合器21、第二3S离合器22这两个3S离合器；本发明系统的工作过程中，大气经第四控制阀14连接至空气压缩机1进口，空气压缩机1出口经第一控制阀11连接至换热器2第一进口，换热器2第一出口分为两路，一路经第五控制阀15连接至压缩空气储罐9进口，完成空气的压缩与储存；另一路经第二控制阀12连接至回热器3第一进口，回热器3第一出口连接至第一空气加热器4第一进口，第一空气加热器4的第一出口连接至空气透平5进口，空气透平5出口分为两路，一路经第八控制阀18连接至大气，另一路连接至回热器3第二进口，回热器3第二出口连接至空气压缩机1进口，完成循环。

本发明实施例提供的系统，还包括热源；热源连接至第一空气加热器4第二进口，第一空气加热器4第二出口连接至尾气处理装置6进口，完成热量供应与废气处理。

储冷罐7出口经第三控制阀13连接至换热器2第二进口，换热器2第二出口连接至储热罐8进口，完成热量储存，以上各部件构成整个储能部分。

本发明实施例中，压缩空气储罐9出口经第六控制阀16连接至第二空气加热器10第一进口，第二空气加热器10第一出口连接至空气透平5进口，完成空气的膨胀。

储热罐8出口经第七控制阀17连接至第二空气加热器10第二进口，第二空气加热器10第二出口连接至储冷罐7进口，完成热量的释放，以上各部件构成整个释能部分。

本发明实施例中，储冷罐7与储热罐8中的储热介质可以是水或导热油。

本发明实施例系统中，利用3S离合器连接轴系，实现系统的灵活控制：I号转轴一端连接空气压缩机1，I号转轴另一端通过第一3S离合器21与II号转轴一端相连，II号转轴另一端连接电机。III号转轴一端连接电机，另一端通过第二3S离合器22与IV号转轴一端相连，IV号转轴另一端连接空气透平5。

本发明实施例进一步优选的，系统热源可选择燃料燃烧产生的烟气、太阳能或高温余热中的一种或几种；可选的，尾气处理装置6可根据热源情况进行选配。

本发明实施例的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统的控制方法，具体包括以下步骤：

常规模式下，关闭第六控制阀16、第七控制阀17、第八控制阀18，打开第一控制阀11、第二控制阀12、第三控制阀13、第四控制阀14、第五控制阀15。连接第一3S离合器21、第二3S离合器22。此时电机不工作。常温常压的空气经空气压缩机1压缩后进入换热器2换热降温，将热量传递给来自储冷罐7中的低温储热介质，换热降温后的高压空气分为两路，一路进入压缩空气储罐9进行储存，另一路依次经过回热器3和第一空气加热器4吸热升温后进入空气透平5膨胀做功，用于驱动空气压缩机1。膨胀后的空气经回热器3换热降温后重新进入空气压缩机1压缩。经换热器2换热升温的储热介质进入储热罐8储存。至此完成空气的压缩与热量储存。

本发明实施例的控制方法中，可以通过调节第二控制阀12与第五控制阀15的开度，控制进入空气透平5的高压空气的流量，使空气透平5的输出功恰好能够满足空气压缩机1的耗功。

本发明实施例提供的控制方法中，当用户处于用电低谷时，本发明实施例的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统以储能模式运行：关闭第二控制阀12、第六控制阀16、第七控制阀17、第八控制阀18，打开第一控制阀11、第三控制阀13、第四控制阀14、第五控制阀15，此时电机用作电动机，连接第一3S离合器21，断开第二3S离合器22。常温常压的空气进入空气压缩机1，由电机驱动空气压缩机1对空气进行压缩，升压后的空气进入换热器2换热降温，将热量传递给来自储冷罐7中的低温储热介质，降温后的高压空气储存在压缩空气储罐9中，吸热升温后的储热介质储存在储热罐8中，至此完成空气压缩与热量储存。

本发明实施例提供的控制方法中，当用户处于用电高峰时，本发明实施例的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统以释能模式运行：关闭第一控制阀11、第二控制阀12、第三控制阀13、第四控制阀14、第五控制阀15，打开第六控制阀16、第七控制阀17、第八控制阀18，断开第一3S离合器21，连接第二3S离合器22，此时电机用作发电机。压缩空气储罐9中储存的高压空气进入第二空气加热器10中，吸收来自储热罐8中高温储热介质的热量升温，之后高温高压的空气进入空气透平5膨胀做功，带动发电机发电。膨胀后的空气排放至大气，经第二空气加热器10换热降温的低温储热介质储存在储冷罐7中，至此完成空气膨胀做功与热量释放。

本发明实施例上述的控制方法能够实现：在常规时间不需消耗额外电力即可稳定存储高压空气及热量；在用电低谷时利用低谷电力储存能量，并在用电高峰时产生额外电力满足需求。系统整体灵活稳定，具有较高的储能效率。本发明实施例提供的技术方案中，系统温度、压力水平较低，有利于提升系统安全性，降低系统成本。在选定的系统最高压力及透平进口温度参数下，800m³的高压空气储罐即可使系统在释能模式下提供500kWh的电力，保障了系统结构的紧凑性，有利于提升系统的适应性，使系统能够布置在小区、医院、学校等众多用电单位，有利于实现能源的分布式储存与供给。

综上所述，本发明实施例公开了一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统及其控制方法，能够灵活实现能量的储存与释放，降低用户用电成本；具体优点包括：

(1)系统具有多种运行模式，且能够根据用户的实际用电情况调节阀门开度或3S离合器的啮合/脱开，调整系统的工作状态：在常规时期不消耗外部电力的情况下储存能量，在用电低谷时期利用低谷电力储存能量，在用电高峰时期将储存的能量释放；

(2)通过控制系统各个模式的运行时长，实现对系统储存容量及供电容量的控制，进一步提升系统灵活性；

(3)系统整体参数要求不高，具有较高的安全性，且系统部件尤其是透平机械及高压空气储罐的制造难度小，成本低。此外，较低的参数使系统整体结构紧凑，易实现宽范围设计与分布式布置，有利于实现能量的分布式储存与供给；

(4)系统工质为空气，安全无毒且容易获取，进一步增加了系统的安全性，降低系统运行成本；

(5)系统可利用燃料燃烧产生的烟气、太阳能以及高温余热中的一种或几种作为热源，有效提升系统环境适应性；

(6)当选用烟气作为热源时，区别于常规燃气轮机，本系统的空气与燃烧产生的烟气不直接接触，避免了空气的污染以及燃烧产生的杂质对部件的影响，提升了系统的稳定性与安全性，降低系统维护成本；

(7)系统燃料适应性广，可以使用生活垃圾或秸秆等农作物副产物，避免其可能造成的污染，并降低了化石能源的消耗。同时，烟气处理装置可以根据燃料类型选用不同处理方式，有效针对各类燃烧产物，进一步降低燃料燃烧对环境的污染。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统，其特征在于，包括：空气压缩机(1)、换热器(2)、回热器(3)、第一空气加热器(4)、空气透平(5)、储冷罐(7)、储热罐(8)、压缩空气储罐(9)、第二空气加热器(10)、电机、第一3S离合器(21)和第二3S离合器(22)；

所述空气压缩机(1)的出口经第一控制阀(11)与所述换热器(2)的第一通道进口相连通；

所述换热器(2)的第一通道出口依次经第二控制阀(12)、所述回热器(3)的第一通道、所述第一空气加热器(4)的第一通道与所述空气透平(5)的进口相连通；所述换热器(2)的第一通道出口还依次经第五控制阀(15)、所述压缩空气储罐(9)、第六控制阀(16)、所述第二空气加热器(10)的第一通道与所述空气透平(5)的进口相连通；

所述空气透平(5)的出口经所述回热器(3)的第二通道与所述空气压缩机(1)的进口相连通；所述空气压缩机(1)的进口还设置有空气输送管道，所述空气输送管道设置有第四控制阀(14)；所述空气透平(5)的出口还设置有排气管道，所述排气管道设置有第八控制阀(18)；

所述储冷罐(7)的出口依次经第三控制阀(13)、所述换热器(2)的第二通道与所述储热罐(8)的进口相连通，所述储热罐(8)的出口依次经第七控制阀(17)、所述第二空气加热器(10)的第二通道与所述储冷罐(7)的进口相连通；

I号转轴的一端与所述空气压缩机(1)连接，所述I号转轴的另一端通过所述第一3S离合器(21)与II号转轴的一端相连接，所述II号转轴的另一端与所述电机相连接；III号转轴的一端与所述电机相连接，所述III号转轴的另一端通过所述第二3S离合器(22)与IV号转轴的一端相连接，所述IV号转轴的另一端与所述空气透平(5)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统，其特征在于，还包括：

热源，用于与所述第一空气加热器(4)的第二通道相连通，提供热量。

3.根据权利要求2所述的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统，其特征在于，还包括：

废气处理装置(6)，所述热源与所述第一空气加热器(4)的第二通道进口相连通，所述第一空气加热器(4)的第二通道出口与所述废气处理装置(6)的进口相连通。

4.根据权利要求2所述的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统，其特征在于，所述热源采用燃料燃烧产生的烟气、太阳能或高温余热中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统，其特征在于，所述储冷罐(7)和所述储热罐(8)中的储热介质为水或导热油。

6.一种权利要求1所述的多运行模式的闭式燃气轮机储能系统的控制方法，其特征在于，

常规模式下，关闭第六控制阀(16)、第七控制阀(17)、第八控制阀(18)，打开第一控制阀(11)、第二控制阀(12)、第三控制阀(13)、第四控制阀(14)、第五控制阀(15)，连接第一3S离合器(21)、第二3S离合器(22)，电机处于不工作状态；

其中，常温常压的空气经空气压缩机(1)压缩后进入换热器(2)换热降温，在换热器(2)中将热量传递给来自储冷罐(7)的低温储热介质；换热降温后的高压空气分为两路，一路进入压缩空气储罐(9)进行储存，另一路依次经过回热器(3)和第一空气加热器(4)吸热升温后进入空气透平(5)膨胀做功，以驱动空气压缩机(1)；膨胀后的空气经回热器(3)换热降温后重新进入空气压缩机(1)压缩；经换热器(2)换热升温的储热介质进入储热罐(8)储存。

7.根据权利要求6所述的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统的控制方法，其特征在于，常规模式下，通过调节第二控制阀(12)与第五控制阀(15)的开度，以控制进入空气透平(5)的高压空气的流量，使空气透平(5)的输出功刚好满足空气压缩机(1)的耗功。

8.根据权利要求6所述的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统的控制方法，其特征在于，

用户处于用电低谷时，关闭第二控制阀(12)、第六控制阀(16)、第七控制阀(17)和第八控制阀(18)，打开第一控制阀(11)、第三控制阀(13)、第四控制阀(14)和第五控制阀(15)；电机用作电动机，连接第一3S离合器(21)，断开第二3S离合器(22)；

其中，常温常压的空气进入空气压缩机(1)，由电机驱动空气压缩机(1)对空气进行压缩，升压后的空气进入换热器(2)换热降温，将热量传递给来自储冷罐(7)的低温储热介质，降温后的高压空气储存在压缩空气储罐(9)中，吸热升温后的储热介质储存在储热罐(8)中。

9.根据权利要求6所述的一种多运行模式的闭式燃气轮机储能系统的控制方法，其特征在于，

用户处于用电高峰时，关闭第一控制阀(11)、第二控制阀(12)、第三控制阀(13)、第四控制阀(14)和第五控制阀(15)，打开第六控制阀(16)、第七控制阀(17)和第八控制阀(18)；断开第一3S离合器(21)，连接第二3S离合器(22)，电机用作发电机；

其中，压缩空气储罐(9)中储存的高压空气进入第二空气加热器(10)中，吸收来自储热罐(8)中高温储热介质的热量升温，之后高温高压的空气进入空气透平(5)膨胀做功，带动电机发电；膨胀后的空气排放至大气，经第二空气加热器(10)换热降温的低温储热介质储存在储冷罐(7)中。