CN107939460A - 一种用于大功率等级压缩空气储能系统的膨胀机组 - Google Patents

一种用于大功率等级压缩空气储能系统的膨胀机组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于大功率等级压缩空气储能系统的膨胀机组，主要由高压储气罐、调压膨胀机、主膨胀机、电动发电机、换热器、热电阻、冷/热水罐、冷/热循环水泵、液力耦合器、调节阀门及管路组成。主膨胀机的各段透平都安装在同一轴系上，通过液力耦合器与电动发电机相联，机组滑压运行过程通过调压膨胀机、背压调节阀、发电机、热电阻回收压降能量并控制主膨胀机的进气压力，冷/热水罐存储的软化水也用于冷却或加热机组所需的润滑油，尽可能地提高机组的能量利用效率。本发明的膨胀机组可以满足100MW及更大功率等级膨胀机组定压及滑压的高效、变工况运行要求，整机结构紧凑、可靠性高，单位功率成本低。

Description

一种用于大功率等级压缩空气储能系统的膨胀机组
技术领域
本发明属于膨胀机技术领域，涉及一种用于压缩空气储能系统的膨胀机组，尤其涉及一种用于大功率等级压缩空气储能系统的膨胀机组，具体地说是一种单轴系、多级、高效、结构紧凑、低成本的膨胀机组。
背景技术
压缩空气储能系统可以显著提高电网的运行效率、经济性和安全性，近年来得到了广泛发展，为了进一步提高压缩空气储能系统的效率以及对电网调峰的促进效果，100MW及更大功率等级的储能系统亟需研制并投入运营。大功率等级压缩空气储能系统膨胀机组的系统流程与中小型系统类似，但是在主机结构、运行要求、系统综合效率方面有较大的变化，需要有更多的创新。基于以上现状，本发明提出一种单轴系、多级、低成本、运行灵活的膨胀机组，可以满足100MW及更大功率等级膨胀机组定压、滑压的高效、变工况运行要求，整机结构紧凑，综合能耗和单位功率成本都较低。
发明内容
针对现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种大功率等级压缩空气储能系统的膨胀机组，通过该结构的应用可以进一步提升储能系统定压、滑压的变工况运行效率，灵活安排控制策略，合理利用系统产热，降低单位功率成本，有效防止膨胀机组超转，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种用于大功率等级压缩空气储能系统的膨胀机组，所述膨胀机组包括高压储气罐、调压膨胀机、主膨胀机、冷水罐、热水罐，所述高压储气罐的进气口与压缩空气储能系统中的压缩机组的出气口连通，其特征在于：所述高压储气罐的出气口分为两路，一路经主路阀门V2通向所述主膨胀机的进气口，另一路经所述调压膨胀机通向所述主膨胀机的进气口，并且所述调压膨胀机的出气口设置有背压调节阀V1，所述调压膨胀机的轴系与一发电机连接，所述发电机与设置在所述热水罐中的热电阻电连接，所述调压膨胀机用于稳定主膨胀机进气压力时回收部分压降能量；所述主膨胀机包括多级膨胀段，每级膨胀段的高压进气分别通过一级换热器进行加热；热水存储于所述热水罐中，通过热水循环水泵注入各级换热器，将热量传递给各级膨胀段的高压进气后，再汇入所述冷水罐；冷水存储于所述冷水罐中，通过冷水循环水泵注入所述压缩机组的各级换热器，吸收各级压缩空气的压缩热，再汇入所述热水罐。
优选地，高压级透平可以为向心、斜流或轴流结构型式，低压级为轴流结构型式；优选地，各个膨胀段都采用多级透平，可以提高气动效率、降低叶尖线速度和排气余速损失。
优选地，系统需要电动发电机驱动压缩机工作时，可以通过变频器启动，若大功率变频器造价高昂，或者无法设计制造时，也可以由膨胀机拖动到额定转速后切换至电动工况使用。
优选地，调压膨胀机在保证主膨胀机进气压力、适应高压储气罐内随着运行时间不断下降的压力时，回收部分压降能量，通过背压调节阀、发电机和热电阻加热热水罐内的热水，使机组更好地适应高压，以及电力系统管理部门的变工况发电要求，使系统在定压或滑压运行时都能保持最高的效率。
优选地，通过油站的出水阀控制热水或冷水的消耗量，可以获得比电加热更快的控制油温的效果，并减少额外的厂用电消耗，提高储能系统的综合效率。
优选地，所述电动发电机既可用于膨胀机组发电并网，也可以用于驱动储能系统的压缩机，电动发电机的两端都通过液力耦合器与压缩机、膨胀机相联，随时切换系统的运行状态，膨胀机组出现超转等紧急情况时可以联接压缩机组进行耗功制动，使得机组结构紧凑、制造成本低。
上述内容基本完成了一台大功率、单轴系、多级、高效的压缩空气储能系统膨胀机组，其控制策略灵活，变工况性能良好，结构紧凑，成本也较低。本发明的优点与有益效果为：
1、大功率的单轴系、多级透平结构，同已有的小功率等级储能膨胀机组相比，不再需要多轴减速器将各级透平进行耦合输出机械功，减小了系统的机械传动损耗、复杂程度和单位功率成本；
2、调压膨胀机部分替代传统进气调阀的功能，回收部分压降能量，明显减少了节流损失，使得机组在定压或滑压运行时能保持最高的能量利用效率；
3、动设备运行时，润滑油加热和冷却过程交换的热量也纳入了系统综合能耗的优化范畴，改善了加热效果，并将多个轴承产生的大量摩擦热加以合理利用，提高了系统效率；
4、采用电动发电机可以减小储能系统结构复杂度，降低成本，并且在膨胀机组出现超转等紧急情况时可以由液力耦合器联接压缩机组进行耗功制动，压缩机是膨胀机组的刹车装置，膨胀机是电动机/压缩机的启动装置，运行可靠性高。
附图说明
图1为大功率等级压缩空气储能系统膨胀机组的流程及结构示意图，图中，点划线矩形框内为膨胀机组的主要组成部分，实线管路为高压气路或者主机的机械部分，虚线管路为冷/热循环水路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
本发明的实施例如附图1所示，图1为本发明的大功率等级压缩空气储能系统膨胀机组的流程及结构示意图。
如图1所示，本发明的大功率等级压缩空气储能系统膨胀机组，主要由高压储气罐HPT、调压膨胀机T0、背压阀V1、主膨胀机4个膨胀段的多级透平T1/T2/T3/T4、主路阀门V2、电动发电机G/M、发电机G、换热器HT1/HT2/HT3/HT4/OHT、冷水罐CWT、热水罐HWT、冷循环水泵CWP、热循环水泵HWP、液力耦合器THDC/CHDC、调节阀门HWV及管路组成。其中：高压储气罐HPT的进气口与压缩空气储能系统中的压缩机组的Compressor出气口连通，高压储气罐HPT的出气口分为两路，一路经主路阀门V2通向主膨胀机的进气口，另一路经调压膨胀机T0通向主膨胀机的进气口，调压膨胀机的出气口设置有背压调节阀V1。调压膨胀机T0的轴系与发电机G连接，发电机G与设置在热水罐HWT中的热电阻电连接，热水存储于热水罐HWT中，通过热水循环水泵HWP注入各级换热器，将热量传递给各级膨胀段的高压进气后，再汇入冷水罐CWT；冷水存储于冷水罐CWT中，通过冷水循环水泵CWP注入压缩机组Compressor的各级换热器，吸收各级压缩空气的压缩热，再汇入热水罐HWT。
调压膨胀机T0以及主膨胀机的4个膨胀段T1、T2、T3、T4都为单级或多级透平，主膨胀机叶轮都安装在同一个轴系上。实施例中，T1、T2、T3、T4共轴，调压膨胀机T0为向心、斜流或轴流结构，主膨胀机的4个膨胀段T1、T2、T3、T4为轴流透平。
主膨胀机的4个膨胀段的高压空气都由进口前的换热器HT1、HT2、HT3、HT4进行加热，实施例中调压膨胀机T0用于回收部分压降能量，膨胀比分配较小，因此可以不设置级前加热。
调压膨胀机T0设计为双级透平、对称布置，两个叶轮参数相同，可以消除高压密封和较大轴向推力的设计难度，主膨胀机的进气压力由主路阀门V2和调压膨胀机的背压调节阀V1联合调整，当高压储气罐内压力较高时，T0回收的能量通过发电机和热电阻加热热水罐内的热水，最大程度地提升了系统的能量回收效率，由于热电阻对发电电压、频率、相位、相序要求不高，适应性很好，因此调压膨胀机结构容易实现；储气罐内压力下降至接近主膨胀机设计值的过程中，T0的发电功率不断减小，调节背压调节阀V1的开度至关闭，变为完全通过V2阀门控制的主气路供气。调压膨胀机T0在保证主膨胀机进气压力、适应高压储气罐HPT内随着运行时间不断下降的压力时，回收部分压降能量，通过背压调节阀V1、发电机G和热电阻加热热水罐内的热水，使机组更好地适应高压，以及电力系统管理部门的变工况发电要求，使系统在定压或滑压运行时都能保持最高的效率。
阀可以根据储罐和环境背压灵活调整各段的膨胀比以及输出功率，使系统满足高效、宽工况运行范围的要求。
透平轴系通过液力耦合器THDC与电动发电机M相联，压缩机Compressor的轴系通过液力耦合器CHDC与电动发电机M相联，可随时切系统的运行状态。膨胀机组出现超转等紧急情况时可以联接压缩机组进行耗功制动，使得机组结构紧凑、制造成本低。系统需要电动发电机M驱动压缩机Compressor工作时，可以通过变频器启动，若大功率变频器造价高昂，或者无法设计制造时，也可以由膨胀机拖动到额定转速后切换至电动工况使用。
热水存储于热水罐HWT中，通过热水循环水泵HWP注入各级换热器，将热量传递给高压空气后，再汇入冷水罐CWT。冷水罐存储的软化水也通过冷水泵CWP注入机组润滑油站的换热器OHT，通过油站的出水阀OWV，控制热水或冷水的消耗量，可以获得比电加热更快的控制油温的效果，并减少额外的厂用电消耗，提高储能系统的综合效率。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡依本发明专利构思所述构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于大功率等级压缩空气储能系统的膨胀机组，所述膨胀机组包括高压储气罐、调压膨胀机、主膨胀机、冷水罐、热水罐，所述高压储气罐的进气口与压缩空气储能系统中的压缩机组的出气口连通，其特征在于：
所述高压储气罐的出气口分为两路，一路经主路阀门V2通向所述主膨胀机的进气口，另一路经所述调压膨胀机通向所述主膨胀机的进气口，并且所述调压膨胀机的出气口设置有背压调节阀V1，所述调压膨胀机的轴系与一发电机连接，所述发电机与设置在所述热水罐中的热电阻电连接，所述调压膨胀机用于稳定主膨胀机进气压力时回收部分压降能量；
所述主膨胀机包括多级膨胀段，每级膨胀段的高压进气分别通过一级换热器进行加热；
热水存储于所述热水罐中，通过热水循环水泵注入各级换热器，将热量传递给各级膨胀段的高压进气后，再汇入所述冷水罐；
冷水存储于所述冷水罐中，通过冷水循环水泵注入所述压缩机组的各级换热器，吸收各级压缩空气的压缩热，再汇入所述热水罐。
2.根据上述权利要求所述的膨胀机组，其特征在于，所述主膨胀机用来发电，各级膨胀段的透平都安装在一根主轴或由若干根主轴联接的具有相同转速的轴系上，所述轴系通过液力耦合器与一电动发电机相联。优选地，所述轴系的额定转速满足发电频率的要求，不需要齿轮箱来改变输出转速。
3.根据权利要求1所述的膨胀机组，其特征在于，所述冷水罐、热水罐存储的软化水还通过管路接入机组润滑油站的换热器，通过阀门切换用途，用于冷却或加热机组所需的润滑油。
4.根据上述权利要求所述的膨胀机组，其特征在于，高压级透平可以为向心、斜流或轴流结构型式，低压级透平优选为轴流结构型式；各级膨胀段都可以设计为单级或多级透平。
5.根据上述权利要求所述的膨胀机组，其特征在于，所述调压膨胀机在保证所述主膨胀机进气压力、适应所述高压储气罐内随着运行时间不断下降的压力时，回收部分压降能量，通过所述背压调节阀V1、发电机和热电阻加热热水罐内的热水，使机组更好地适应高压，以及电力系统管理部门的变工况发电要求，使系统在定压或滑压运行时都能保持最高的效率。
6.根据上述权利要求所述的膨胀机组，其特征在于，通过机组润滑油站的出水阀控制热水或冷水的消耗量，可以获得比电加热更快的控制油温的效果，并减少额外的厂用电消耗，提高储能系统的综合效率。
7.根据上述权利要求所述的膨胀机组，其特征在于，所述电动发电机既可用于膨胀机组的发电工况，也可以用于驱动储能系统的压缩机，所述电动发电机的两端分别通过液力耦合器与所述压缩机组、主膨胀机相联，可以随时切换系统的运行状态，当膨胀机组出现超转等紧急情况时可以联接压缩机组进行耗功制动，使得机组结构紧凑、制造成本低、控制灵活。
8.根据上述权利要求所述的膨胀机组，其特征在于，所述电动发电机驱动压缩机时，可以通过变频器启动，也可以由膨胀机拖动到额定转速后切换至电动工况使用。
9.根据上述权利要求所述的膨胀机组，其特征在于，所述调压膨胀机设计为双级透平、对称布置，两个叶轮参数相同。
10.根据上述权利要求所述的膨胀机组，其特征在于，所述主膨胀机的进气压力由主路阀门V2和所述调压膨胀机的背压调节阀V1联合调整，当所述高压储气罐内压力较高时，所述调压膨胀机回收的能量通过发电机和热电阻加热热水罐内的热水。
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