CN112502838A - 一种燃气轮机储能系统及峰谷发电方式 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了燃气轮机储能系统及峰谷发电方式，燃气轮机发电机组包括核心机和自由机，所述核心机包括压气机、涡轮和燃烧室；自由机包括自由涡轮和发电机；压气机设置一备用出口，该备用出口连接第一换热器后连接至储气箱入口，涡轮出气端连接至第二换热器入口后连接自由涡轮入口，储气箱出口连接至第二换热器与涡轮的排气。本发明避免了燃气轮机在用电谷段完全停机，有效利用该时段制备高压气体以供用电峰段使用。

Description

一种燃气轮机储能系统及峰谷发电方式
技术领域
本发明涉及燃气轮机的能量利用领域，具体为一种燃气轮机储能系统及峰谷发电方式。
背景技术
分布式能源系统集节能、环保和高安全性等优势于一身，是缓解能源危机，减少环境污染和温室气体排放，提高能源安全性，实现可持续发展战略的有效途径。作为分布式能源系统的重要发展方向，微型燃气轮机是提供清洁、可靠、高质量、多用途的小型分布式能源的最佳方式之一，目前在美国、日本、欧盟等发达国家和地区及国内发展迅速。基于微型燃气轮机的分布式能源系统由于其尺寸小重量轻、燃料适应性强、燃料消耗率低、噪音震动小、污染排放低及维护费用低等优势有望广泛应用到为居民楼、办公楼等场合。
但现有的微型燃气轮机的分布式能源系统，仍存在排出的高温废气的余热未被高效利用、热循环效率不高，造成能源浪费等缺点。
根据物价局经济贸易委员会电力工业局联合发文的文件精神，居民生活用电峰谷电，是在城市居民当中开展试点的一种新电价类别。它是将一天24小时划分成两个时间段，把8:00-22:00共14小时称为峰段，执行峰电价为0.568元/kwh；22:00-次日8:00共10个小时称为谷段，执行谷电价为0.288元/kwh。"峰谷电价"意义在于，鼓励居民利用低谷电价的优惠条件大量消费低谷电力，比如电热水器、空调和其他电器设备。同时，对电力部门来说，将高峰用电转移到低谷时段，既缓解了高峰电力供需缺口，又促进了电力资源的优化配置，是一项"削峰填谷"的双赢策略。
燃气轮机作为发电机组，如果能在峰谷时段分开发电，则会大大降低用户峰段用电成本，在谷段节约的能源也可以被有效利用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种燃气轮机储能系统及峰谷发电方式。
为实现上述目的，本发明采取下述方案：
一种燃气轮机储能系统，燃气轮机发电机组包括核心机和自由机，所述核心机包括压气机、涡轮和燃烧室，所述压气机和涡轮分别套设在同一转轴两端，压气机出口连通燃烧室，燃烧室出气口连通涡轮进气端；自由机包括自由涡轮和发电机，所述涡轮和发电机分别套设于自由转轴的两端。燃气轮机正常工作时，工质从压气机入口进入经压气机压缩后从其出口进入燃烧室，在燃烧室内点火并燃烧后喷出的高温高压气体推动涡轮做功，涡轮带动同轴的压气机工作，对涡轮做功后的高温高压气体排出，推动其后侧的自由涡轮转动进而带动与其同轴的发电机发电。
压气机设置一备用出口，该备用出口连接第一换热器后连接至储气箱入口，涡轮出气端连接至第二换热器入口后连接自由涡轮入口，储气箱出口连接至第二换热器与涡轮的排气汇合。在用电低谷时，仅开启压气机，压气机备用出口排出的气体与第一换热器进行热交换后温度降低，之后进入储气箱存储起来，第一换热器对压气机备用出口排出的气体余热进行回收利用；在用电高峰时，开启燃气轮机，关闭压气机备用出口及储气箱入口，开启储气箱的出口，储气箱内在用电低谷阶段储存的气体在第二换热器内进行热交换，得到温度相对均匀的气体、与涡轮的排气汇合，共同推动自由涡轮转动进而带动与其同轴的发电机发电。
具体地，当第一换热器为液体换热器时，压气机备用出口排出的气体与第一换热器进行热交换后温度降低，之后进入储气箱存储起来，第一换热器内液体温度升高，当该液体为水时，可获得蒸馏水或生活热水供给用户；第一换热器为气体换热器时，压气机备用出口排出的气体与第一换热器进行热交换后温度降低，之后进入储气箱存储起来，第一换热器内气体温度升高，可用于与溴化锂机组连接制冷或和介质供暖装置连接以加热介质供暖或/和空气净化器连接经净化后作为暖气输送至用户。
第二换热器为气体热交换器，用于将储气箱内在谷段存储的高压低温气体和涡轮排出的高温高压气体进行热交换，形成温度相对均匀的气体。
进一步地，压气机通过电机带动启动。
进一步地，上述电机为启发一体式电机，所述启发一体式电机起初作为电动机带动微型燃气轮机旋转，待加速到能独立运行后，所述启发一体式电机转化为发电机发电。
进一步地，本发明的核心机还设有回热器。所述回热器包括第一进口、第一出口、第二进口、第二出口；工质从压气机入口进入经压气机压缩后从其出口进入回热器的第一入口，并从第一出口流出、进入燃烧室燃烧后进入涡轮入口，工质经涡轮做工后从涡轮出口进入回热器的第二入口，在回热器内换热后从其第二出口流出、经第二换热器换热后推动自由涡轮做功，带动发电机发电。
进一步地，还包括太阳能反射镜、太阳能收集装置，太阳能收集装置设在微型燃气轮机上；微型燃气轮机位于太阳能反射镜上方，并使太阳能收集装置位于太阳能反射镜(比如碟式反光镜)聚点上。
所述太阳能收集装置为吸热板，吸热板包覆在回热器外壳上，或作为回热器的部分或全部外壳。
本发明采用峰谷启动的发电方式：在用电谷段，关闭压气机出口、储气箱出口，开启压气机备用出口、第一换热器入口及储气箱入口，压气机启动，空气被压缩后从备用出口进入第一换热器，将热量传递给用户，换热降温后的高压气体从储气箱入口进入储气箱内存储，避免了燃气轮机在用电谷段完全停机，有效利用该时段制备高压气体以供用电峰段使用，并在该过程中通过第一换热器进行余热回收；在用电峰段，关闭压气机备用出口、第一换热器及储气箱入口，开启压气机出口、储气箱出口、第二换热器，此时，工质从压气机入口进入经压气机压缩后从其出口进入燃烧室，在燃烧室内点火并燃烧后喷出的高温高压气体推动涡轮做功，涡轮带动同轴的压气机工作，对涡轮做功后的高温高压气体排出进入第二换热器，同时，储气箱内在谷段存储的高压低温气体进入第二换热器，与涡轮排出的高温高压气体换热汇合后一同推动自由涡轮做功，带动发电机发电。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、在峰谷时段分开发电，大大降低用户峰段用电成本，在谷段节约的能源也可以被有效利用。
2、避免了燃气轮机在用电谷段完全停机，有效利用该时段制备高压气体以供用电峰段使用，并在该过程中通过第一换热器进行余热回收。
3、用电峰段利用了在用电谷段存储的高压气体，发电效率更高。
4、设置回热器显著提高燃气轮机的热量利用率，通过核心机涡轮排出的高温气体导入回热器，对从压气机压缩后的气体进行加热，充分循环利用燃烧气体产生的热量，提高进入燃烧室前气体的温度，提高燃烧效率，产生更多的热，使涡轮排出的气体温度更高，形成良性循环，进而增加了进入自由机涡轮内气体的温度和能量，提高自由机的发电效率。
5、设置太阳能收集装置，提高回热器的温度，光照增加了日间回热器上聚集的热量，可以产生更多的电能和热。
6、本发明的燃气轮机为多级涡轮，包括核心机和自由机，工艺复杂度比单级涡轮小，且轴长更短，轴上零件布置更少，震动现象较平缓。在压气机气体的回收利用方面，本发明的储能结构简单，在降低整体成本的同时提高了储气箱中高压气体的利用率，储气过程不需要过多的装置，减少能源消耗，储气利用过程不需要对高压气体进行过多处理，仅需将高压低温气体与核心机涡轮排出的高温高压气体混合即可用于推动自由机涡轮转动，充分利用涡轮排气进行自由机的发电，同时启发一体式电机又保证了核心机涡轮转动产生的能量的利用，发电效率高。
附图说明
图1为本发明的燃气轮机储能系统示意图。
图2、3为本发明的燃气轮机储能系统另外两种实施方式示意图。
附图标记：101-回热器，1011-第一进口，1012-第一出口，1013-第二进口，1014-第二出口，102-压气机，103-启发一体式电机，104-涡轮，105-燃烧室，2-太阳能反射镜，21-太阳能收集装置，301-自由涡轮，302-发电机，900-储气箱，901-第一换热器，902-第二换热器。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种燃气轮机储能系统，燃气轮机发电机组包括核心机和自由机，所述核心机包括压气机102、涡轮104和燃烧室105，压气机102和涡轮104分别套设在同一转轴两端，压气机102出口连通燃烧室105，燃烧室出气口连通涡轮进气端；自由机包括自由涡轮301和发电机302，自由涡轮301和发电机302分别套设于自由转轴的两端。燃气轮机正常工作时，工质从压气机102入口进入经压气机102压缩后从其出口进入燃烧室105，在燃烧室105内点火并燃烧后喷出的高温高压气体推动涡轮104做功，涡轮104带动同轴的压气机102工作，对涡轮104做功后的高温高压气体排出，推动其后侧的自由涡轮301转动进而带动与其同轴的发电机302发电。
压气机102设置一备用出口，该备用出口连接第一换热器901后连接至储气箱900入口，涡轮104出气端连接至第二换热器902入口后连接自由涡轮301入口，储气箱900出口连接至第二换热器902与涡轮104的排气汇合。在用电低谷时，仅开启压气机102，压气机102备用出口排出的气体与第一换热器901进行热交换后温度降低，之后进入储气箱900存储起来，第一换热器901对压气机102备用出口排出的气体余热进行回收利用；在用电高峰时，开启燃气轮机，关闭压气机102备用出口及储气箱900入口，开启储气箱900的出口，储气箱900内在用电低谷阶段储存的气体在第二换热器902内进行热交换，得到温度相对均匀的气体、与涡轮104的排气汇合，共同推动自由涡轮301转动进而带动与其同轴的发电机302发电。
具体地，当第一换热器901为液体换热器时，压气机102备用出口排出的气体与第一换热器901进行热交换后温度降低，之后进入储气箱900存储起来，第一换热器901内液体温度升高，当该液体为水时，可获得蒸馏水或生活热水供给用户；第一换热器901为气体换热器时，压气机102备用出口排出的气体与第一换热器901进行热交换后温度降低，之后进入储气箱900存储起来，第一换热器901内气体温度升高，可用于与溴化锂机组连接制冷或和介质供暖装置连接以加热介质供暖或/和空气净化器连接经净化后作为暖气输送至用户。
第二换热器为气体热交换器，用于将储气箱900内在谷段存储的高压低温气体和涡轮104排出的高温高压气体进行热交换，形成温度相对均匀的气体。
其中，压气机102通过启发一体式电机103带动启动，所述启发一体式电机103起初作为电动机带动微型燃气轮机旋转，待加速到能独立运行后，所述启发一体式电机转化为发电机发电。
实施例2
参见图2，在实施例1的基础上，本发明的核心机还设有回热器101。所述回热器101包括第一进口1011、第一出口1012、第二进口1013、第二出口1014；工质从压气机102入口进入经压气机102压缩后从其出口进入回热器101的第一入口1011，并从第一出口1012流出、进入燃烧室105燃烧后进入涡轮104入口，工质经涡轮104做工后从涡轮104出口进入回热器101的第二入口1013，在回热器101内换热后从其第二出口1014流出、经第二换热器902换热后推动自由涡轮301做功，带动发电机302发电。
实施例3
参见图3，在实施例2的基础上，还包括太阳能反射镜2、太阳能收集装置21，太阳能收集装置21设在微型燃气轮机上；微型燃气轮机位于太阳能反射镜2上方，并使太阳能收集装置21位于太阳能反射镜2(比如碟式反光镜)聚点上。
所述太阳能收集装置2为吸热板，吸热板包覆在回热器101外壳上，或作为回热器101的部分或全部外壳。光照增加了日间回热器101上聚集的热量，可以产生更多的电能和热。
本发明采用峰谷启动的发电方式：在用电谷段，关闭压气机102出口、储气箱900出口，开启压气机102备用出口、第一换热器901入口及储气箱900入口，压气机102启动，空气被压缩后从备用出口进入第一换热器901，将热量传递给用户，换热降温后的高压气体从储气箱900入口进入储气箱900内存储，避免了燃气轮机在用电谷段完全停机，有效利用该时段制备高压气体以供用电峰段使用，并在该过程中通过第一换热器901进行余热回收；在用电峰段，关闭压气机102备用出口、第一换热器901及储气箱900入口，开启压气机102出口、储气箱900出口、第二换热器902，此时，工质从压气机102入口进入经压气机102压缩后从其出口进入燃烧室105，在燃烧室105内点火并燃烧后喷出的高温高压气体推动涡轮104做功，涡轮104带动同轴的压气机102工作，对涡轮104做功后的高温高压气体排出进入第二换热器902，同时，储气箱900内在谷段存储的高压低温气体进入第二换热器902，与涡轮104排出的高温高压气体换热汇合后一同推动自由涡轮301做功，带动发电机302发电。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种燃气轮机储能系统，其特征在于，燃气轮机发电机组包括核心机和自由机，所述核心机包括压气机、涡轮和燃烧室，所述压气机和涡轮分别套设在同一转轴两端，压气机出口连通燃烧室，燃烧室出气口连通涡轮进气端；自由机包括自由涡轮和发电机，所述涡轮和发电机分别套设于自由转轴的两端；
压气机设置一备用出口，该备用出口连接第一换热器后连接至储气箱入口，涡轮出气端连接至第二换热器入口后连接自由涡轮入口，储气箱出口连接至第二换热器与涡轮的排气汇合。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机储能系统，其特征在于，第一换热器为液体换热器。
3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机储能系统，其特征在于，第一换热器为气体换热器。
4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机储能系统，其特征在于，第二换热器为气体热交换器。
5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机储能系统，其特征在于，压气机通过电机带动启动。
6.根据权利要求5所述的一种燃气轮机储能系统，其特征在于，电机为启发一体式电机，所述启发一体式电机起初作为电动机带动微型燃气轮机旋转，待加速到能独立运行后，所述启发一体式电机转化为发电机发电。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种燃气轮机储能系统，其特征在于，核心机还设有回热器；所述回热器包括第一进口、第一出口、第二进口、第二出口；工质从压气机入口进入经压气机压缩后从其出口进入回热器的第一入口，并从第一出口流出、进入燃烧室燃烧后进入涡轮入口，工质经涡轮做工后从涡轮出口进入回热器的第二入口，在回热器内换热后从其第二出口流出、经第二换热器换热后推动自由涡轮做功，带动发电机发电。
8.根据权利要求7所述的一种燃气轮机储能系统，其特征在于，还包括太阳能反射镜、太阳能收集装置，太阳能收集装置设在微型燃气轮机上；微型燃气轮机位于太阳能反射镜上方，并使太阳能收集装置位于太阳能反射镜聚点上。
9.根据权利要求8所述的一种燃气轮机储能系统，其特征在于，所述太阳能收集装置为吸热板，吸热板包覆在回热器外壳上，或作为回热器的部分或全部外壳。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种燃气轮机储能系统的峰谷启动发电方式，其特征在于，在用电谷段，关闭压气机出口、储气箱出口，开启压气机备用出口、第一换热器入口及储气箱入口，压气机启动，空气被压缩后从备用出口进入第一换热器，将热量传递给用户，换热降温后的高压气体从储气箱入口进入储气箱内存储，有效利用该时段制备高压气体以供用电峰段使用；在用电峰段，关闭压气机备用出口、第一换热器及储气箱入口，开启压气机出口、储气箱出口、第二换热器，此时，工质从压气机入口进入经压气机压缩后从其出口进入燃烧室，在燃烧室内点火并燃烧后喷出的高温高压气体推动涡轮做功，涡轮带动同轴的压气机工作，对涡轮做功后的高温高压气体排出进入第二换热器，同时，储气箱内在谷段存储的高压低温气体进入第二换热器，与涡轮排出的高温高压气体换热汇合后一同推动自由涡轮做功，带动发电机发电。
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