CN109944698A - 一种提高燃气轮机电热冷联供灵活性的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种提高燃气轮机电热冷联供灵活性的方法及系统，电负荷低谷时，由燃气轮机压气机后部抽取一定比例压缩空气，经一级冷却、再压缩、二级冷却后，高压空气进入储气罐存储，从而减少联供系统发电功率；电负荷高峰时，储气罐中的高压空气，经加热器加热后，与压气机中部抽取的低压空气混合成为中压空气，进入燃气轮机燃烧室前参与膨胀做功，从而提高联供系统发电功率。本公开将燃气轮机电热冷联供与压缩空气储能相结合，可有效增加燃气轮机电热冷联供系统热电比调节范围、降低燃气轮机三联供对电网峰谷差的影响，并具有系统简单、综合热效率高、操作维护简单等特点。

Description

一种提高燃气轮机电热冷联供灵活性的方法及系统

技术领域

本公开涉及一种提高燃气轮机电热冷联供灵活性的方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

天然气是一种宝贵的资源，如何对其合理利用是政府和能源工业界共同关注的焦点。

燃气轮机电热冷三联供是一种靠近用户侧配置的综合能源系统，其基于能量梯级利用原则，可同时提供电、热、冷三种负荷，从而有效提高一次能源利用率至80％以上。近年来，燃气轮机电热冷联供技术发展尤为迅速，国内建成和在建的工程项目达数十个，已成为天然气高效利用的重要技术选择之一。

目前，燃气轮机电热冷三联供系统的设计运行模式主要有：以热定电和以电定热。而结合我国当下实际国情来看，较多地区发电负荷过量，供热负荷严重不足，因而以热定电的运行模式更符合实际。然而，燃气轮机自身的的特点决定了联产系统的热电比不高，且很难实现电、热输出的解耦合调节，在降低发电功率的时候往往会导致供热能力的降低；其次，燃气轮机部分负荷性能差，通过变负荷方式调节热电比，与联合循环发电(取供电效率50％)+燃气锅炉供热+电制冷的分供系统相比，联供系统往往不节能；最后，由于人类昼行夜伏的生活特点，以及不同类型用户的负荷需求差异，使得不同时段或不同季节的电网存在巨大的负荷峰谷差，以及宽范围的热电比波动，且用热高峰往往与用电高峰不一致，这是全球面临的难题。相比之下，燃气轮机电热冷联供热电比通常在1-1.5之间，不能满足宽范围的热电负荷波动，并增加电网峰谷变化。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种提高燃气轮机电热冷联供灵活性的方法及系统，本公开将压缩空气储能和燃气轮机电热冷三联供相结合，可有效提高燃气轮机三联供系统热电比调节灵活性。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种提高燃气轮机电热冷联供灵活性的系统，包括燃气轮机子系统、余热锅炉子系统和压缩空气储能子系统；

所述燃气轮机子系统，包括压气机、燃烧室、透平机和发电机，其中透平机带动发电机，发电机输出用户所需电负荷，透平机的烟气出口与余热锅炉烟气进口连接；压气机与燃烧室之间的管路上布置抽气口和注气口，其中抽气口与压缩空气储能子系统进口连接，注气口与压缩空气储能子系统出口连接；

所述余热锅炉子系统，包括余热锅炉和锅炉给水泵，其中锅炉给水泵出口与余热锅炉水进口连接，余热锅炉的蒸汽出口连接供热管网或蒸汽吸收式制冷机提供用户所需热/冷负荷；

所述压缩空气储能系统包括一级换热器、二级换热器、再压缩机、储气罐、加热器、引射混合器和给水泵，其中抽气口依次经一级换热器、再压缩机、二级换热器、止回阀与储气罐进口连通，构成压缩空气储气回路；储气罐出口依次经加热器与引射混合器高压流体进口连通，引射混合器低压空气进口与压气机级间抽气口连通，引射混合器出口与注气口连通，构成压缩空气放气回路；给水泵出口分为两路，一路与一级换热器进口连接，另一路与二级换热器水进口连接，一级换热器水出口与二级换热器水出口汇合后连接供热管网。

上述系统中，将压缩空气储能系统集成到燃气轮机电热冷三联供系统中，可部分解耦燃气轮机三联供系统的热、电输出，从而在燃气轮机不降负荷运行前提下，可以通过增加热电比调节范围，提高燃气轮机三联供系统的灵活性和适用性。

作为进一步的限定，所述压缩空气储气回路和压缩空气放气回路上均设置有截止阀。

作为进一步的限定，所述再压缩机由电动机带动。

作为进一步的限定，所述燃气轮机压气机出口的空气，即作为燃气轮机助燃空气，也作为压缩空气储能子系统的工作介质。

作为进一步的限定，所述一/二级换热器可以是管壳式、板式或热管式换热器中的任何一种。

作为进一步的限定，所述引射混合器也可采用节流阀代替，此时不需压气机级间抽气，二是直接将高压空气节流至压力略微高于压气机出口空气。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

储能过程，电负荷低谷时，压缩空气储能子系统的储气回路开启。燃气轮机压气机出口压缩空气分为两路，一路作为燃气轮机工质进入燃烧室，另一路经一级冷却、再压缩、二级冷却后，进入储气罐存储，从而减少燃气轮机联供系统发电功率，同时空气压缩过程产生的热量提供至供热管网用于补充燃气轮机工质减少所损失的供热量；

释能过程，电负荷高峰时，开启压缩空气储能子系统的放气回路，储气罐中的高压空气，经加热器加热后，与压气机中部抽取的低压空气混合成为中压空气，经注气口进入燃气轮机燃烧室并参与膨胀做功。

上述设计，从而提高联供系统发电功率，同时由于燃气轮机工质流量增加所增加的热量用于加热高压空气。

初始状态下，储气罐内充满压缩空气，并维持储气罐内压力比燃气轮机操作压力高0.2-0.3MPa。

作为进一步的限定，对于不同季节或不同类型用户造成的热电比差异，通过改变压缩空气储能子系统的储气速度和放气速度进行调节。

压缩空气储气过程中，从压气机后部抽取的空气流量为流过压气机总空气流量的5-10％，且压缩热用于供热或生活热水。

压缩空气放气过程中，引射混合器将储气罐中释放的高压空气掺混压气机级间抽取的低压空气混合至压力略微高于压气机出口空气。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)将压缩空气储能集成到燃气轮机电热冷三联供系统中，可部分解耦燃气轮机三联供系统的热、电输出，从而在燃气轮机不降负荷运行前提下，增加热电比调节范围，提高燃气轮机三联供系统的灵活性和适用性。

(2)通过压缩空气储能技术降低电网低谷时段燃气轮机三联供系统的电能输出，提高电网高峰时段燃气轮机三联供系统的电能输出，从而减小燃气轮机三联供系统对电网峰谷差的影响。

(3)结合燃气轮机三联供自身特点，将储能过程的空气压缩热外供，而在释能过程中，利用燃气轮机排气加热高压空气，并利用引射混合器减少高压空气节流损失，从而取消常规压缩空气储能系统的复杂储热装置。

(4)集成系统还具有流程简单、综合热效率高、操作维护方便的特点。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开的集成压缩空气储能的燃气轮机电热冷联供系统示意图。

1-压气机；2-燃烧室；3-透平；4-余热锅炉；5-第一截止阀；6-一级换热器；7-再压缩机；8-二级换热器；9-止回阀；10-储气罐；11-第二截止阀；12-加热器；13-引射混合器；14-给水泵；15-锅炉给水泵；16-电动机；17-发电机；18-低压空气；19-中压高温空气；20-中压低温空气；21-高压高温空气；22-高压低温空气；23-高压高温空气；24-中压高温混合空气；25-做功空气；26-燃气轮机排气；27-高压低温水；28-高压高温水。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

一种提高燃气轮机电热冷联供灵活性的系统，包括：燃气轮机子系统、余热锅炉子系统和压缩空气储能子系统，其中压缩空气储能子系统包括截止阀、一级/二级换热器、再压缩机、止回阀、储气罐、加热器、引射混合器、给水泵。电负荷低谷时，由燃气轮机压气机后部抽取一定比例压缩空气，经一级冷却、再压缩、二级冷却后，高压空气进入储气罐存储，从而减少联供系统发电功率；电负荷高峰时，储气罐中的高压空气，经加热器加热后，与压气机中部抽取的低压空气混合成为中压空气，进入燃气轮机燃烧室前参与膨胀做功，从而提高联供系统发电功率。本公开将燃气轮机电热冷联供与压缩空气储能相结合，可有效增加燃气轮机电热冷联供系统热电比调节范围、降低燃气轮机三联供对电网峰谷差的影响，并具有系统简单、综合热效率高、操作维护简单等特点。

如图1所示，一种集成压缩空气储能的燃气轮机电热冷联供系统，包括压气机1、燃烧室2、透平3、发电机17、余热锅炉4、第一截止阀5、一级换热器6、再压缩机7、电动机16、二级换热器8、止回阀9、储气罐10、第二截止阀11、加热器12、引射混合器13、给水泵14、锅炉给水泵15。

压气机1、燃烧室2、透平3依次连接，透平3通过传动轴带动发电机17，发电机17输出电负荷，从而构成燃气轮机子系统。透平3烟气出口与余热锅炉4烟气进口连接，锅炉给水泵15出口与余热锅炉4水进口连接，余热锅炉4蒸汽出口连接供热管网或蒸汽吸收式制冷机输出热/冷负荷，从而构成余热锅炉子系统。

压气机1与燃烧室2间管路上布置抽气口和注气口，抽气口经第一截止阀5与一级换热器6空气进口连接，一级换热器6空气出口与再压缩机7进口连接，再压缩机7出口与二级换热器8空气进口连接，二级换热器8空气出口通过止回阀9与储气罐10空气进口连接，从而构成压缩空气储气回路；储气罐10空气出口经第二截止阀11与加热器12空气进口连接，加热器12空气出口与引射混合器13高压流体进口连接，引射混合器13低压空气进口与压气机1的级间抽气口连接，引射混合器13出口与注气口连接，从而构成压缩空气放气回路。给水泵14出口分为两路，分别与一级换热器6和二级换热器8的水进口连接，一级换热器6的水出口与二级换热器8的水出口汇合后连接供热管网。再压缩机7通过传动轴与电动机16连接。

以下介绍本实施例压缩空气储能子系统调节燃气轮机电热冷三联供热电比的储能和释能过程。

(1)初始状态下，截止阀5、11均为关闭状态。储气罐10充满中压压缩空气，并维持储气罐内压力比压气机1出口空气压力高0.2-0.3MPa。

(2)储能过程：用户电负荷处于低谷时，燃气轮机子系统和余热锅炉子系统按照额定工况运行，打开第一截止阀5，启动给水泵14。压气机1出口的中压高温空气19分为两路，一路作为燃气轮机工质进入燃烧室2，另一路经一级换热器6冷却为中压低温空气20，进入再压缩机7被压缩为高压高温空气21，进入二级换热器8被冷却为高压低温空气22后，经止回阀9进入储气罐10储存，其中再压缩机7由电动机16驱动，电动机16所需电能来自于燃气轮机发出的电能，从而减少燃气轮机联供系统向用户输出电能。给水泵14排出的高压低温水27分为两路，分别进入一级换热器6和二级换热器8被加热，在一级换热器6和二级换热器8后部汇合为高压高温水28，高压高温水28被接入供热管网。储能过程结束后，关闭第一截止阀5，关闭给水泵14。

(3)释能过程：用户电负荷处于高峰时，打开第二截止阀11，储气罐中的高压低温空气进入加热器12被加热为高压高温空气23，进入引射混合器主路的高压空气进口，同时从压气机1中间级引射一定流量的低压空气18进入引射混合器13，高压高温空气23和低压空气18在引射混合器内混合成为中压高温混合空气24后，进入燃烧室2前的注气口，随后进入燃烧室2并参与膨胀做功，从而提高联供系统发电功率。同时，燃气轮机排气26分为两路，一路进入余热锅炉4生产蒸汽，另一路进入加热器12加热高压低温空气。释能过程结束后，关闭第二截止阀11。

压缩空气储气过程中，从压气机后部抽取的空气流量为流过压气机总空气流量的5-10％。

压缩空气储气过程中的压缩热用于供热或生活热水。

通过一级/二级换热器得到的压缩热用途，包括：直接用于供热；为用户提供生活热水；连接至锅炉给水泵与余热锅炉之间的管路，用作余热锅炉给水的一部分。

压缩空气放气过程中，引射混合器将储气罐中释放的高压空气掺混压气机级间抽取的低压空气混合至压力略微高于压气机出口空气。

在其他实施例中，引射混合器也可采用节流阀代替，此时不需压气机级间抽气，二是直接将高压空气节流至压力略微高于压气机出口空气。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种提高燃气轮机电热冷联供灵活性的系统，其特征是：包括燃气轮机子系统、余热锅炉子系统和压缩空气储能子系统；

所述燃气轮机子系统，包括压气机、燃烧室、透平机和发电机，其中透平机带动发电机，发电机输出用户所需电负荷，透平机的烟气出口与余热锅炉烟气进口连接；压气机与燃烧室之间的管路上布置抽气口和注气口，其中抽气口与压缩空气储能子系统进口连接，注气口与压缩空气储能子系统出口连接；

所述余热锅炉子系统，包括余热锅炉和锅炉给水泵，其中锅炉给水泵出口与余热锅炉水进口连接，余热锅炉的蒸汽出口连接供热管网或蒸汽吸收式制冷机提供用户所需热/冷负荷；

所述压缩空气储能系统包括一级换热器、二级换热器、再压缩机、储气罐、加热器、引射混合器和给水泵，其中抽气口依次经一级换热器、再压缩机、二级换热器、止回阀与储气罐进口连通，构成压缩空气储气回路；储气罐出口依次经加热器与引射混合器高压流体进口连通，引射混合器低压空气进口与压气机级间抽气口连通，引射混合器出口与注气口连通，构成压缩空气放气回路；给水泵出口分为两路，一路与一级换热器进口连接，另一路与二级换热器水进口连接，一级换热器水出口与二级换热器水出口汇合后连接供热管网。

2.如权利要求1所述的一种提高燃气轮机电热冷联供灵活性的系统，其特征是：所述压缩空气储气回路和压缩空气放气回路上均设置有截止阀。

3.如权利要求1所述的一种提高燃气轮机电热冷联供灵活性的系统，其特征是：所述燃气轮机压气机出口的空气，即作为燃气轮机助燃空气，也作为压缩空气储能子系统的工作介质。

4.如权利要求1所述的一种提高燃气轮机电热冷联供灵活性的系统，其特征是：所述一/二级换热器是管壳式、板式或热管式换热器中的任何一种。

5.如权利要求1所述的一种提高燃气轮机电热冷联供灵活性的系统，其特征是：所述引射混合器替换为节流阀，此时不需压气机级间抽气；或，直接将高压空气节流至压力略微高于压气机出口空气。

6.基于权利要求1-5中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

储能过程，电负荷低谷时，压缩空气储能子系统的储气回路开启。燃气轮机压气机出口压缩空气分为两路，一路作为燃气轮机工质进入燃烧室，另一路经一级冷却、再压缩、二级冷却后，进入储气罐存储，从而减少燃气轮机联供系统发电功率，同时空气压缩过程产生的热量提供至供热管网用于补充燃气轮机工质减少所损失的供热量；

释能过程，电负荷高峰时，开启压缩空气储能子系统的放气回路，储气罐中的高压空气，经加热器加热后，与压气机中部抽取的低压空气混合成为中压空气，经注气口进入燃气轮机燃烧室并参与膨胀做功。

7.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：初始状态下，储气罐内充满压缩空气，并维持储气罐内压力比燃气轮机操作压力高0.2-0.3MPa。

8.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：对于不同季节或不同类型用户造成的热电比差异，通过改变压缩空气储能子系统的储气速度和放气速度进行调节。

9.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：压缩空气储气过程中，从压气机后部抽取的空气流量为流过压气机总空气流量的5-10％，且压缩热用于供热或生活热水。

10.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：压缩空气放气过程中，引射混合器将储气罐中释放的高压空气掺混压气机级间抽取的低压空气混合至压力高于压气机出口空气。