CN102518516A - 压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统及集成发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于压缩空气蓄能发电系统领域的一种压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统及集成发电方法，所述一体化系统包括压缩空气蓄能系统，煤气化系统以及透平发电系统3个子系统：当处于用电低谷或电网无法接纳大量可再生能源电力时，剩余电力驱动压气机压缩空气，并将高压空气储存于大型储气室；同时通过气化炉等装置产生合成煤气，储存于煤气储存室。在用电高峰时，将高压空气和煤气分别引出驱动空气膨胀透平和煤气透平发电、然后进入燃烧室中燃烧、高温燃气再进入燃气透平发电。系统中，合成煤气显热、压气机间冷热通过蓄热装置储存并利用。本系统可用于大规模电能储存与高效利用，有益于电网的安全运行、提高电网深度调峰性能。

Description

压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统及集成发电方法
技术领域
本发明属于压缩空气蓄能发电系统领域，特别提出一种压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统及集成发电方法。具体涉及利用气化炉产生的煤气作为压缩空气蓄能的燃料气，在用电高峰时，将高压空气和煤气分别引出驱动空气膨胀透平和煤气透平发电、然后进入燃烧室中燃烧、高温燃气再驱动燃气透平发电；同时将气化炉产生的煤气热和压缩空气过程中产生的热量进行蓄热集成，从而实现热能的优化利用。
技术背景
压缩空气蓄能(CAES)是一种公认的有发展前景的大规模蓄能方式，它既可实现低成本、大容量蓄能，又对环境几乎没有污染。在一个典型的压缩空气系统中，在电网的低负荷时期，一部分电能或全部电能用来驱动空气压缩机。压缩的空气储存在某种特定的空间(如地下盐洞、矿洞、溶洞或人造的储气室等)里。然后，在高负荷时期，压缩的空气被释放出来，经过膨胀驱动透平发电。一般使用某种气体或液体燃料(通常是天然气)在压缩空气中燃烧以提高压缩空气的温度，从而提高系统的效率。与传统的燃气轮机发电不同，CAES系统的压缩空气由低谷电压缩并储存得到，减少了机组在用电高峰时运行的燃料需求。
我国能源结构的特点为多煤少油、少气，煤成为我国最重要的污染源之一。煤气化技术是洁净煤技术领域的重点，它不仅提高了煤的利用效率，还能减少污染物的排放，达到清洁用煤的目的。典型的煤气化技术，是将固体的煤炭在一定的温度和压力条件下，通过加入气化剂(多为氧气和水蒸气)，使之转化为气态产物的工艺过程。煤经过气化得到的气态产品，可以直接用作各种用途的燃料气，如民用燃气、工业用燃气、发电用燃气等。煤气化技术对解决我国煤炭利用过程中存在的资源与环境问题，实现经济、能源、环境的协调发展具有重要的现实意义，已成为切实可行的战略选择。
压缩空气蓄能系统与煤气化发电技术两者存在一些契合点。第一，煤气化过程产生的煤气可直接作为燃料气供给CAES系统利用，这样就无需消耗天然气，从而使CAES系统获得稳定的气源保证、更加适合我国国情；第二，煤气可采用专门的储气室进行储存，从而可以选择较小容量的气化炉，节省投资，同时，由于有储存煤气的装置、能够确保合成煤气的连续供应，且气化炉的连续运行时间等技术要求可适当降低、有利于降低成本；第三，在气化炉中产生的高温煤气的显热可以通过蓄热再利用方式，用于加热高压空气、煤气等，提高透平的出功，进一步提高系统效率；第四，多级压缩的CAES系统在制备压缩空气的过程中，压缩机产生的间冷热通过蓄热后，可用于加热产生蒸汽回收功率，从而提高系统的整体性能。这样，就将CAES与煤气化炉有机地结合起来，集成为一个新的系统。
由此可见，将压缩空气蓄能系统与煤气化发电技术结合对于可再生能源发电来说，显得尤为重要。既实现了低附加值的低谷电、以及不稳定可再生能源发电向稳定、高品质的调峰电能的转换，同时又能实现压缩空气蓄能系统与煤气化系统的热量合理分配利用，提高能源利用效率。
发明内容
本发明的目的是提出一种压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统及集成发电方法，其特征在于，所述的压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统包括3个子系统：压缩空气蓄能系统，煤气化系统以及透平发电系统；其中，
所述的压缩空气蓄能系统为原动机1连接三个串联的压气机组成的压气机系统2，其中后两级压气机的输入分别连接20-1空气冷却器和20-2空气冷却器的输出；三个串联的压气机的输出分别与低温蓄热器3连接，20-1空气冷却器和20-2空气冷却器的输入与低温蓄热器3连接，低温蓄热器3通过20-3空气冷却器和储气室5连接，储气室5再与换热器17连接；
所述煤气化系统为空气分离装置6与气化炉7连接，气化炉7输出串联连接高温蓄热器8、中温蓄热器9、煤气净化装置10和煤气储气室11，煤气储气室11出口再返回连接中温蓄热器9；中温蓄热器9输出连接煤气膨胀透平12；
所述的透平发电系统为空气膨胀透平13输出连接燃气透平14输入，燃气透平14输出接第二发电机15，煤气透平12单独连接第一发电机23；燃烧室16的输入分别连接高温蓄热器8输出和煤气透平12输出，燃烧室16的输出接至燃气透平14输入；空气膨胀透平13和燃气透平14均连接至换热器17；两级蒸汽轮机18串联，两级蒸汽轮机18的输入均连接至低温蓄热器3输出；第一级蒸汽轮机连接凝汽器19，凝汽器19输出通过两个并联的给水泵4和低温蓄热器3连接；第一级蒸汽轮机通过单向阀21和低温蓄热器3连接。
所述煤气储气室为利用现存的盐洞、矿洞，或是专门挖掘而成的岩石洞。
所述压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统的集成发电方法为当电网处于用电低谷或者电网面临大规模不稳定的可再生能源电源、无法消纳多余电能时，将剩余电力用作压缩空气蓄能系统的原动力，驱动压缩空气蓄能发电系统中的原动机1和压气机系统2压缩空气，并将高压空气储存于储气室5；同时通过气化炉7产生合成煤气，依次经过高温蓄热器8、中温蓄热器9、净化装置10冷却、净化后，进入煤气储气室11储存；在用电高峰时，将高压空气和煤气分别引出，经过换热器17、中温蓄热器9预热后驱动煤气透平12、空气膨胀透平13发电、其后在燃烧室16中燃烧并进入燃气透平14发电，供给电网，实现压缩空气蓄能-煤气一体化发电。
所述燃气透平14做功采用一级燃烧，充分利用煤气化系统中产生的热量，60-150bar的压缩空气先经换热器17预热到400-550℃，进入空气膨胀透平13膨胀做功，空气膨胀透平13排出250-300℃的热空气，热空气首先进入换热器17中进行一级再热，将温度升高到280-330℃，然后经过高温蓄热器8二级再热到400-550℃，之后与再热后的煤气一同在燃烧室16中混合燃烧。
所述煤气化系统中，冷却、净化后的煤气最终储存于专门的煤气存储室11中，保证随时供给燃气透平的燃料需求，实现煤气的不间断供给。在调峰发电时，50-100bar的高压煤气从煤气储存室11中释放出来，首先进入中温蓄热器9预热到280-320℃，之后在煤气膨胀透平12中膨胀做功，达到回收压强势能的目的，煤气透平12的排出温度为180-220℃，压力为15-30bar的煤气，与再热后的高温空气一同进入燃烧室16燃烧并驱动燃气透平14发电。
所述压缩空气蓄能系统中，空气压缩部分采用多级压缩、中间冷却的方式，在空气压缩蓄能时期，多级压气机2的各级出口的压缩空气进入低温蓄热器3，将其所具有的部分低温热储存于其中，而后经各级冷却器降至常温后进入下一级压气机以及最终进入储气室5；在发电期间，给水泵4驱动给水进入蓄热器3，接收其中储存的热量产生中低压蒸汽、进入小型汽轮机18做功，小汽轮机18排汽进入凝汽器19冷凝，冷凝水经并联给水泵4后回到蓄热器3。
本发明的有益效果为在一体化系统中，压缩空气蓄能系统与煤气化发电技术紧密结合，形成一体化系统。当电网处于用电低谷时，将剩余电力用作压缩空气蓄能系统的原动力，驱动压气机系统压缩空气蓄能、并将高压空气储存于大型储气室；同时通过煤气化炉、余热利用及煤气净化装置等产生合成煤气，储存于煤气储存室，在用电高峰时，将高压空气和煤气分别引出，驱动煤气膨胀透平、空气膨胀透平、燃气透平发电供给电网。在对外供电时期，低温蓄热器中储存的大部分热量被用来加热中低压蒸汽、驱动小型汽轮机做功，从而回收间冷热，提高一体化系统的能源利用效率。
附图说明
图1是压缩空气蓄能-煤气化一体化发电系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。
实施例
图1为压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统示意图。如图1所示，一体化系统包括3个子系统：压缩空气蓄能系统，煤气化系统以及透平发电系统；其中，
所述的压缩空气蓄能系统为原动机1连接三个串联的压气机组成的压气机系统2，其中后两级压气机的输入分别连接20-1空气冷却器和20-2空气冷却器的输出；三个串联的压气机的输出分别与低温蓄热器3连接，20-1空气冷却器和20-2空气冷却器的输入与低温蓄热器3连接，低温蓄热器3通过20-3空气冷却器和储气室5连接，储气室5再与换热器17连接；
所述煤气化系统为空气分离装置6与气化炉7连接，气化炉7输出串联连接高温蓄热器8、中温蓄热器9、煤气净化装置10和煤气储气室11(利用现存的盐洞、矿洞，或是专门挖掘而成的岩石洞)，煤气储气室11出口再返回连接中温蓄热器9；中温蓄热器9输出连接煤气透平12；
所述的透平发电系统为空气膨胀透平13输出连接燃气透平14输入，燃气透平14输出接发第二电机15，煤气透平12单独连接一个发电机23；燃烧室16的输入分别连接高温蓄热器8输出和煤气透平12输出，燃烧室16的输出接至燃气透平14输入；空气膨胀透平13和燃气透平14均连接至换热器17；两级蒸汽轮机18串联，两级蒸汽轮机18的输入均连接至低温蓄热器3输出；第一级蒸汽轮机连接凝汽器19，凝汽器19输出通过两个并联的给水泵4和低温蓄热器3连接；第一级蒸汽轮机通过单向阀21和低温蓄热器3连接。
当电网处于用电低谷时，将剩余电力供给原动机1，用来驱动三级压气机系统2压缩空气，压缩过程产生的绝大部分间冷热被低温蓄热器3储存，在对外供电时期，蓄热用于加热给水，产生中低压蒸汽、驱动小型汽轮机18做功，此过程实现了间冷热的充分回收，换热后的压缩空气进入储气室5中储存。
在煤气化系统中，空气经空气分离装置6制得氧气，然后作为气化剂进入气化炉7中，水煤浆在气化剂的作用下转化为合成煤气，出炉合成煤气的温度高达1300-1500℃，合成煤气依次经过高温蓄热器8、中温蓄热器9将其中的高、中温显热储存起来，冷却后的合成煤气再经煤气净化装置10净化，之后进入煤气储存室11中储存。
在用电高峰时期，将高压空气和高压煤气分别引出，经预热、回收压能、再热后，进入燃烧室16燃烧。CAES系统的发电部分采用一级燃烧多级膨胀的模式，在进入燃烧室16混合之前，压缩空气与煤气均处于高压低温状态，两者通过各种蓄热器、换热器升高温度，分别在煤气透平12和空气膨胀透平13中做功，然后进入燃烧室16燃烧、高温燃气进入燃气透平14中做功。具体做功发电过程如下：
压缩空气从储气室5中释放出来，首先在换热器17中与燃气透平14的废气进行换热，温度升高，接着进入空气膨胀透平13中膨胀做功，驱动发电机15发电，膨胀后的压缩空气温度和压力均降低，首先进入换热器17中进行一级再热，温度升高至300℃左右，然后进入煤气化系统的高温蓄热器8中进行二级再热，温度进一步升高至450-550℃左右，最后进入到燃烧室16燃烧。
煤气从储气室11中释放出来，首先在中温蓄热器9中吸热，温度升高，预热后的高压煤气首先进入煤气膨胀透平12中做功，以此回收一部分压能，膨胀后的煤气进入燃烧室16燃烧。
高温空气与煤气充分混合燃烧后，驱动燃气透平14做功，带动第二发电机15发电，供给电网。燃气透平的排气进入换热器17中，与储气室出来的高压空气及高压空气膨胀透平13的排气充分换热。
本发明可用其他的不违背本发明的思想和主要特征的具体形式来概述。因此，本发明的上述实施方案是对本发明进行说明，并非对本发明进行限定。权利要求书指出了本发明要求保护的构思和范围，而上述的说明并未全部指出本发明的范围。因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统，其特征在于，所述的压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统包括3个子系统：压缩空气蓄能系统，煤气化系统以及透平发电系统；其中，
所述的压缩空气蓄能系统为原动机(1)连接三个串联的压气机组成的压气机系统(2)，其中后两级压气机的输入分别连接20-1空气冷却器和20-2空气冷却器的输出；三个串联的压气机的输出分别与低温蓄热器(3)连接，20-1空气冷却器和20-2空气冷却器的输入与低温蓄热器(3)连接，低温蓄热器(3)通过20-3空气冷却器和储气室(5)连接，储气室(5)再与换热器(17)连接；
所述煤气化系统为空气分离装置(6)与气化炉(7)连接，气化炉(7)输出串联连接高温蓄热器(8)、中温蓄热器(9)、煤气净化装置(10)和煤气储气室(11)，煤气储气室(11)出口再返回连接中温蓄热器(9)；中温蓄热器(9)输出连接至煤气透平(12)；
所述的透平发电系统为空气膨胀透平(13)和燃气透平(14)连接至第二发电机(15)；煤气透平(12)单独连接第一发电机(23)；燃烧室(16)的输入分别连接高温蓄热器(8)输出和煤气透平(12)输出，燃烧室(16)的输出接至燃气透平(14)输入；空气膨胀透平(13)和燃气透平(14)的排气均连接至换热器(17)；两级蒸汽轮机(18)串联并连接至发电机(22)，两级蒸汽轮机(18)的输入均连接至低温蓄热器3输出；末级蒸汽轮机连接凝汽器(19)，凝汽器(19)输出通过两个并联的给水泵(4)和低温蓄热器(3)连接；第一级蒸汽轮机通过单向阀(21)和低温蓄热器(3)连接。
2.根据权利要求1所述一种压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统，其特征在于，所述煤气储气室为利用现存的盐洞、矿洞，或是专门挖掘而成的岩石洞。
3.一种压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统的集成发电方法，其特征在于，所述压缩空气蓄能-煤气一体化发电系统的集成发电方法为当电网处于用电低谷或者电网面临大规模不稳定的可再生能源电源、无法消纳多余电能时，将剩余电力用作压缩空气蓄能系统的原动力，驱动压缩空气蓄能发电系统中的原动机(1)带动压气机系统(2)压缩空气，并将高压空气储存于储气室(5)；同时通过气化炉7产生合成煤气，依次经过高温蓄热器(8)、中温蓄热器(9)、净化装置(10)冷却、净化后，进入煤气储气室(11)储存；在用电高峰时，将煤气和高压空气分别释放出来，煤气经中温蓄热器(9)预热后驱动煤气透平(12)发电，高压空气经过换热器(17)预热后驱动空气膨胀透平(13)发电、并再次经过换热器(17)和高温蓄热器(8)后，与煤气在燃烧室(16)中燃烧并进入燃气透平(14)发电，供给电网，实现压缩空气蓄能-煤气一体化发电。
4.根据权利要求3所述压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统的集成发电方法，其特征在于，所述燃气透平(14)做功采用一级燃烧，并充分利用煤气化系统中产生的热量，60-150bar的压缩空气先经换热器(17)预热到400-550℃，进入空气膨胀透平(13)膨胀做功，空气膨胀透平(13)排出250-300℃的热空气，热空气首先进入换热器(17)中进行一级再热，将温度升高到280-330℃，然后经过高温蓄热器(8)二级再热到400-550℃，之后与煤气透平(12)出口的煤气一同在燃烧室(16)中混合燃烧，产生高温(1000-1350℃)燃气，并驱动燃气透平(14)做功。
5.根据权利要求3所述压缩空气蓄能-煤气化发电一体化系统的集成发电方法，其特征在于，所述煤气化系统中，冷却、净化后的煤气最终储存于专门的煤气存储室(11)中，保证随时供给燃气透平的燃料需求，实现煤气的不间断供给。在调峰发电时，50-100bar的高压煤气从煤气储存室(11)中释放出来，首先进入中温蓄热器(9)预热到250-350℃，之后在煤气透平(12)中膨胀做功，达到回收压强势能的目的，煤气透平(12)的排出温度为140-240℃，压力为15-30bar的煤气，与再热后的高温空气一同进入燃烧室(16)燃烧并驱动燃气透平(14)发电。在空气压缩蓄能时，多级压气机(2)各级出口的压缩空气进入低温蓄热器(3)并将其所具有的部分热能储存于其中；在发电期间，给水泵(4)驱动给水进入蓄热器(3)，接收其中储存的热量产生中低压蒸汽、进入小型汽轮机(18)做功并驱动发电机(22)发电。
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