CN110714804A - 一种适用于caes系统膨胀机组的旁路控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于CAES系统膨胀机组的旁路控制系统，针对各类存在CAES系统频繁启停及变工况运行的特点，通过改变设置膨胀机旁路通道及阀门结构实现各级压力控制调节，一方面可缩短启动时间，改善启动条件，延长膨胀机寿命；另一方面在运行过程中如出现机械故障或瞬间甩负荷情况，高压气体可通过旁路系统迅速排空，使机组能适应频繁起停和快速升降负荷；最后在滑压运行工况下可实现膨胀比落在中低压效率较高的膨胀机中做功。此外，本发明还能够根据CAES系统不同进气(储气)压力和用户端不同负荷要求有效调整膨胀机组运行工况，可适应于大范围变工况的运行，在有效提高其变工况运行范围、调节安全性和可靠性的同时还能提高机组运行效率。

Description

一种适用于CAES系统膨胀机组的旁路控制系统
技术领域
本发明属于压缩空气储能(CAES)领域，涉及一种膨胀机组的旁路控制系统，具体地说是一种CAES膨胀机组中的旁路管道阀门组合结构。
背景技术
近年来随着国家对能源安全、可持续发展的重视，可再生能源风能、太阳能等新能源发展迅猛，但风能、太阳能存在较大的波动性和不稳定性，储能技术是可再生能源大规模利用的迫切需要，也是提高常规电力系统效率、安全性和经济性，以及智能电网和分布式能源系统的必备关键技术，被称为能源革命的支撑技术。压缩空气储能(CAES)具有储能容量大、周期长、单位投资小等优点，被公认为两种适合大规模电力储能(100MW级)的技术之一(另一种为抽水蓄能)，但由于抽水蓄能受到特定地理资源的限制，特别是与我国风能、太阳能资源存在地域错位，CAES被认为是目前最具发展潜力的大规模储能技术之一。
目前各类CAES如传统CAES还是蓄热式CAES，基本原理均是利用低谷低质电，将空气压缩或液化储存；在用电高峰，将储存的高压或液化空气释放，驱动膨胀机发电，具有频繁启停及大范围调节的特点。而高压空气直接驱动膨胀机启动，会导致较大冲击，对设备寿命不利；另一方面在运行过程中如出现机械故障或瞬间甩负荷情况，由于容腔效应，残存高压气体仍驱动膨胀机高速运行，不利于设备安全；最后在滑压运行工况下，由于总压比大幅降低，导致低压级效率急剧下降甚至作为负载工况运行，系统效率恶化。
旁路控制系统在火电汽轮机领域具有广泛应用，可实现汽轮机组快速启动及大范围调节，并在负荷短时间变化工况下保证汽轮机、再热器的运行安全。然而CAES系统中旁路控制系统与汽轮机中的旁路控制系统又存在显著区别：对于汽轮机主要由于机炉不平衡即锅炉响应较慢，需采用旁路起到溢流作用及快速启动、调节作用。而对于CAES系统在考虑安全快速启动、调节的同时还要考虑滑压运行时各级膨胀比合理分配，保证系统高效运行。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有各类CAES系统所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种适用于CAES系统膨胀机组的旁路控制系统，在有效保障CAES系统快速启动、大范围调节的同时，还可实现系统的全工况范围内高效运行，具有操作简单、运行成本低及适用范围广等优点。
(二)技术方案
本发明所涉及的一种适用于CAES系统膨胀机组的旁路控制系统，通过以下技术方案实现：
一种适用于CAES系统膨胀机组的旁路控制系统，所述膨胀机组至少包括一高压级膨胀机和一低压级膨胀机，其特征在于：
所述高压级膨胀机的进气口通过一主进气管路与一高压气源连通、排气口通过一连通管路与所述低压级膨胀机的进气口连通，所述低压级膨胀机的排气口通过一排气管路与排空装置的进气口连通，所述主进气管路上至少设置一第一高压调阀和一第一再热器，且所述第一高压调阀设置在所述第一再热器的上游，所述连通管路上至少设置一第二再热器；
所述旁路控制系统包括至少两级旁路，所述两级旁路至少包括一级旁路和末级旁路，其中，
所述一级旁路的进口与所述高压膨胀机的主进气管路相连并与所述高压气源连通，所述一级旁路的出口与所述第二再热器入口连通，且所述一级旁路上至少设置一第二高压调阀；
所述末级旁路的进口与所述第二再热器的出口连通，所述末级旁路的出口与所述排空装置的进气口连通，且所述末级旁路上至少设置一第二控制阀；
当所述膨胀机组启动时，协调控制所述第一高压调阀、第二高压调阀的开度，以控制所述高压膨胀机的入口压力，以降低高压气体对所述高压膨胀机的冲击，实现所述高压膨胀机的安全、快速启动；
当所述膨胀机组运行过程中出现机械故障、负荷较大波动或甩负荷情况时，关闭所述第一高压调阀，打开所述一级旁路、末级旁路中的各阀门，将高压气体迅速放空，以避免所述膨胀机组的空载超转；
当所述膨胀机组运行过程中出现滑压工况，调整所述第二高压调阀的开度，以重新分配各级膨胀机的膨胀比，保证所述膨胀机组的高效稳定运行。
优选地，所述连通管路上至少还设置一止回阀和一第一控制阀，所述止回阀位于所述高压级膨胀机的排气口处，所述第一控制阀位于所述低压级膨胀机的进气口处。
优选地，所述一级旁路、末级旁路上还设置有调节阀门、切断阀和/或单向阀等，用以联合调节各旁路管道压力，继而实现不同调节功能。
本发明的上述适用于CAES系统膨胀机组的旁路控制系统，用于对所述膨胀机的启动、变工况调节及高效运行，一方面可缩短启动时间，改善启动条件，延长膨胀机寿命；另一方面在运行过程中如出现机械故障或瞬间甩负荷情况，高压气体可通过旁路系统迅速排空，使机组能适应频繁起停和快速升降负荷；最后在滑压运行工况下可实现膨胀比落在中低压效率较高的膨胀机中做功，可保证其运行可靠性和经济性。
本发明的旁路控制系统针对CAES系统中的膨胀机组，提出采用膨胀机组旁路控制系统适应于启动、调节及高效变工况运行，避免了传统主通道阀门控制方式启动冲击大、调节波动高及滑压工况下膨胀比分配不合理的缺陷，提高了CAES系统运行效率并改善了膨胀机组启动、变工况特性。
进一步地，所述一级旁路、末级旁路上的各阀门可采用气动、电动或液压自动控制阀门，便于实现快速有效自动控制和远程操作。
优选地，当旁路级数为两级及以上时，旁路通道不但可以用于放空高压气体改善启动特性及保障故障工况下设备安全，也可调节各级膨胀比分配，保证较高级膨胀机高负荷运行。
优选地，所述一级旁路、末级旁路的通流量可以为主进气管路一定比例的通流量，也可为主进气管路相等的通流量，可根据实际运行特点设计。
优选地，所述一级旁路、末级旁路上的调节阀门为用于控制高压气体与所述一级旁路、末级旁路之间连通或切断的切断阀，或采用调节阀实现一定程度的节流降压。
同现有技术相比，本发明的适用于CAES系统膨胀机组旁路控制系统，具有以下有益效果：(1)可缩短启动时间，改善启动条件，延长膨胀机寿命；(2)在运行过程中如出现机械故障或瞬间甩负荷情况，高压气体可通过旁路系统迅速排空，使机组能适应频繁起停和快速升降负荷；(3)在滑压运行工况下可实现膨胀比落在中低压效率较高的膨胀机中做功，可保证其运行可靠性和经济性。具有操作简单、运行成本低及适用范围广等优点，因此本发明的旁路控制系统在CAES系统中具有广阔应用前景。
附图说明
图1是本发明的适用于CAES系统膨胀机组的旁路控制系统示意图。
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，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例(仅采用两级旁路)，并不因此而限定本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的适用于CAES系统膨胀机组的旁路控制系统，用于对CAES系统中膨胀机组的启动、运行进行调节和控制，膨胀机组至少包括一高压级膨胀机10和低压级膨胀机20，高压级膨胀机10的进气口通过一主进气管路与一高压气源(图中未示出)连通、排气口通过一连通管路与低压级膨胀机20的进气口连通，低压级膨胀机20的排气口通过管路与排空装置30(如消音塔)的进气口连通，主进气管路上至少设置一第一高压调阀1和一第一再热器3，且第一高压调阀1设置在第一再热器3的上游，连通管路上至少设置一止回阀5、一第二再热器4和一第一控制阀6，且止回阀5位于高压级膨胀机10的排气口处，第一控制阀6位于低压级膨胀机20的进气口处，旁路控制系统包括至少两级旁路，至少两级旁路包括一级旁路、末级旁路，其中，一级旁路的进口与高压膨胀机10的主进气管路相连并与高压气源连通、出口与第二再热器4的入口连通，且一级旁路上至少设置一第二高压调阀2；末级旁路的进口与第二再热器4的出口连通、出口与排空装置30的进气口连通，且末级旁路上至少设置一第二控制阀7；还可以在旁路管道上设置其他各类阀门，例如调节阀门、切断阀及单向阀等，用以联合调节各旁路管道压力，继而实现不同调节功能。
本发明应用在CAES系统膨胀机组中，膨胀机组启动时，通过第一高压调阀1和第二高压调阀2的共同作用，精确控制高压膨胀机10的入口压力，实现高压膨胀机10的安全、快速启动，避免了单阀启动死区导致对膨胀机的较大冲击，不利于频繁起停和设备寿命；膨胀机组运行过程中如出现机械故障、负荷较大波动甚至甩负荷情况，第一高压调阀1迅速关闭的同时，各级旁路中的各阀门全开，将阀后高压气体迅速放空，避免设备空载超转带来的设备损坏；对于滑压工况，根据气源压力不同调整第二高压调阀2，以控制各级膨胀机膨胀比分配，保证膨胀机组的高效稳定运行。
本发明的适用于CAES系统膨胀机组的旁路控制系统，针对各类存在CAES系统频繁启停及变工况运行的特点，采用膨胀机组旁路结构一方面可缩短启动时间，改善启动条件，延长膨胀机寿命；另一方面在运行过程中如出现机械故障或瞬间甩负荷情况，高压气体可通过旁路系统迅速排空，使机组能适应频繁起停和快速升降负荷；最后在滑压运行工况下可实现膨胀比落在中低压效率较高的膨胀机中做功。
本发明通过改变设置膨胀机旁路通道及阀门结构实现各级压力控制调节，能够根据CAES系统不同进气(储气)压力和用户端不同负荷要求有效调整膨胀机组运行工况。本发明针对各类CAES系统，提出采用膨胀机旁路系统适应于大范围变工况的运行，在有效提高其变工况运行范围、调节安全性和可靠性的同时还能提高机组运行效率。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (7)

1.一种适用于CAES系统膨胀机组的旁路控制系统，所述膨胀机组至少包括一高压级膨胀机和一低压级膨胀机，其特征在于：
所述高压级膨胀机的进气口通过一主进气管路与一高压气源连通、排气口通过一连通管路与所述低压级膨胀机的进气口连通，所述低压级膨胀机的排气口通过一排气管路与排空装置的进气口连通，所述主进气管路上至少设置一第一高压调阀和一第一再热器，且所述第一高压调阀设置在所述第一再热器的上游，所述连通管路上至少设置一第二再热器；
所述旁路控制系统包括至少两级旁路，所述两级旁路至少包括一级旁路和末级旁路，其中，
所述一级旁路的进口与所述高压膨胀机的主进气管路相连并与所述高压气源连通，所述一级旁路的出口与所述第二再热器入口连通，且所述一级旁路上至少设置一第二高压调阀；
所述末级旁路的进口与所述第二再热器的出口连通，所述末级旁路的出口与所述排空装置的进气口连通，且所述末级旁路上至少设置一第二控制阀；
当所述膨胀机组启动时，协调控制所述第一高压调阀、第二高压调阀的开度，以控制所述高压膨胀机的入口压力，以降低高压气体对所述高压膨胀机的冲击，实现所述高压膨胀机的安全、快速启动；
当所述膨胀机组运行过程中出现机械故障、负荷较大波动或甩负荷情况时，关闭所述第一高压调阀，打开所述一级旁路、末级旁路中的各阀门，将高压气体迅速放空，以避免所述膨胀机组的空载超转；
当所述膨胀机组运行过程中出现滑压工况，调整所述第二高压调阀的开度，以重新分配各级膨胀机的膨胀比，保证所述膨胀机组的高效稳定运行。
2.根据上述权利要求所述的旁路控制系统，其特征在于：所述连通管路上至少还设置一止回阀和一第一控制阀，所述止回阀位于所述高压级膨胀机的排气口处，所述第一控制阀位于所述低压级膨胀机的进气口处。
3.根据上述权利要求所述的旁路控制系统，其特征在于：所述一级旁路、末级旁路上还设置有调节阀门、切断阀和/或单向阀等，用以联合调节各旁路管道压力，继而实现不同调节功能。
4.根据上述权利要求所述的旁路控制系统，其特征在于：所述一级旁路、末级旁路上的各阀门可采用气动、电动或液压自动控制阀门，便于实现快速有效自动控制和远程操作。
5.根据上述权利要求所述的旁路控制系统，其特征在于：当旁路级数为两级及以上时，旁路通道不但可以用于放空高压气体改善启动特性及保障故障工况下设备安全，也可调节各级膨胀比分配，保证较高级膨胀机高负荷运行。
6.根据上述权利要求所述的旁路控制系统，其特征在于：所述一级旁路、末级旁路的通流量可以为主进气管路一定比例的通流量，也可为主进气管路相等的通流量，可根据实际运行特点设计。
7.根据上述权利要求所述的旁路控制系统，其特征在于：所述一级旁路、末级旁路上的调节阀门为用于控制高压气体与所述一级旁路、末级旁路之间连通或切断的切断阀，或采用调节阀实现一定程度的节流降压。
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