CN112780409B - 一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统及方法 - Google Patents

一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统及方法，包括液态压缩空气储能系统和燃气蒸汽联合循环系统；通过液态压缩空气储能系统与燃气蒸汽联合循环多重耦合，空气压缩机采用从电网供能的电动机驱动，储能压缩过程的热量由导热油储热罐储存，释能膨胀过程的吸热由高温导热油提供，释放出的超临界压缩空气作为燃气轮机燃料空气、稀释空气和空气透平的进气。实现对压气机与涡轮的解耦，提高燃气轮机高温排气热量的梯级利用程度，改善储能调峰系统运行效率，增加系统整体的调峰容量。

Description

一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统及 方法
技术领域
本发明涉及储能综合利用技术领域，特别涉及一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统及方法。
背景技术
目前，可再生能源(风能、太阳能、水能、海洋能等)的大规模开发利用势在必行，但可再生能源存在能量密度低、间歇性、随机性等先天性缺陷，对电网削峰填谷、安全稳定运行提出了更高要求。建设大规模储能装置，提升电力系统运行灵活性及安全性，是解决新能源高比例消纳问题的有效途径。
传统的燃气轮机燃烧室采用缓燃实现化学能向热能的转换。缓燃是由扩散现象主导的化学反应放热过程，较小的组分扩散速度和热扩散速度决定了缓燃波传播速度慢，一般是m/s的量级，并且这种等压放热过程熵是熵增过程，热效率不高。经过多年发展，大幅提高基于缓燃的燃烧系统的效率提高面临瓶颈问题，而采用爆轰这种新的能量释放方式将有望解决这一问题。爆轰波是前导激波与波后化学反应放热耦合形成的一种超声速燃烧波，前导激波压缩可燃混合物，使其温度和压强升高诱发化学反应放热，同时放出的热量支持爆轰波继续向前传播。爆轰波的传播速度一般在km/s的量级，其接近等容放热，因此熵增小，热效率高，且具备自增压优势。
目前连续爆轰燃烧室工作产生反传压力波会随着爆轰频率的增加而增加，降低压气机工作效率，影响燃烧室燃料与空气的填充时间和填充均匀度。
压缩空气储能具有可靠性高、经济性好、对环境影响小等优点。但大规模地下压缩空气储能仍受到地质条件约束较多，对地质条件有较为严苛的要求。并且通常将高压压缩空气存储在容积固定的岩洞、矿洞、盐穴以及人造刚性容器中。液态压缩空气储能技术，通过对空气深冷液化实现压缩空气的液态存储，大幅度缩小储存容积，减少了对储存条件的限制，提升了系统储能密度。
常规的液态压缩空气储能效率较低，成本较高，空气透平入口温度受到压缩机限制无法大幅度提高。同时，调峰容量也容易受到限制。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统及方法，通过采用带有连续爆轰燃烧室的燃气蒸汽联合循环与液态压缩空气储能系统的耦合，实现对压气机与涡轮的解耦，提高燃气轮机高温排气热量的梯级利用程度，改善储能调峰系统运行效率，增加系统整体的调峰容量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统，包括液态压缩空气储能系统和燃气蒸汽联合循环系统；
所述液态压缩空气储能系统包括空气压缩机电机1，空气压缩机电机1驱动空气压缩机2，空气压缩机2压缩空气出口连接压缩机侧油气换热器3气侧入口，压缩机侧油气换热器3的油侧入口连接储冷罐5，油侧出口连接储热罐6，压缩机侧油气换热器3气侧出口分为两路，分别连接回冷换热器7超临界压缩空气入口和蓄冷换热器8超临界压缩空气侧入口，回冷换热器7超临界压缩空气出口和蓄冷换热器8超临界压缩空气侧出口连接低温液体膨胀机13，低温液体膨胀机13连接分离器14，分离后的低压液化空气进入低温绝热储罐15存储，所述蓄冷换热器9进入空气透平侧油气换热器4；
所述燃气蒸汽联合循环系统包括与空气透平侧油气换热器4气侧出口相连的连续爆轰燃烧室17，连续爆轰燃烧室17与燃机透平18连接，驱动燃机发电机19发电。
所述分离器14气侧分离后的气化气输入回冷换热器7内回收冷能并将另一部分超临界空气液化，回冷换热器7出口的低压气化气则输入空气压缩机2级间重新压缩以回收压力能，所述蓄冷填充床12通过氮气循环风机10连接蓄冷换热器8，蓄冷填充床12通过氮气循环风机11连接蓄冷换热器9。
所述燃机透平18排出的高温烟气通过烟气空气换热器20与进入空气透平21前的压缩空气换热，用于提升空气透平21的进气参数，经过烟气空气换热器20的高温烟气进入余热锅炉23释放热能，产生的高温高压蒸汽进入汽轮机高压缸24做功，高压缸排汽进入余热锅炉23再热器加热后进入汽轮机中低压缸25做功，驱动汽轮发电机26发电。
所述空气压缩机2采用多级压缩，每一级压缩机对应一台压缩机侧油气换热器3，压缩机侧油气换热器3的数量与空气压缩机2的级数相同。
所述空气透平机21采用多级透平，每一级透平对应一台透平机侧油气换热器4，透平机侧油气换热器4的数量与空气透平机21的级数相同。
所述空气透平机21采用多级透平，每一级透平对应一台烟气空气换热器20，烟气空气换热器20的数量与空气透平机21的级数相同。
所述蓄冷填充床12采用石子或大理石作为蓄冷填充料来储存冷量，并通过氮气循环风机10实现超临界压缩空气的液化和氮气循环风机11实现液态空气的气化。
所述连续爆轰燃烧室17采用经过透平测油气换热器4加热后的空气作为燃烧空气和稀释空气。
一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统的运行方法，包括以下步骤：
所述方法包括储能模式与释能模式；
储能模式：
当系统以储能模式运行时，启动空气压缩机电机1驱动空气压缩机2运行，空气压缩机出口的超临界压缩空气进入压缩机侧油气换热器3，由来自储冷罐5的导热油冷却，将压缩热储存在储热罐6中，经过换热冷却的压缩空气大部分进入蓄冷换热器8，其余部分进入回冷换热器7，启动氮气循环风机10将储存在蓄冷填充12中的冷量通过氮气循环至蓄冷换热器8，在蓄冷换热器8中吸收来自蓄冷填充床12的冷量后液化成高压液化空气，与经过回冷换热器7的高压液化空气汇合后进入低温液体膨胀机13，经过绝热膨胀，形成低压液化空气和低压气化气混合物进入分离器14，分离后的低压液化空气进入低温绝热储罐15存储，分离后的气化气输入回冷换热器7内回收冷能并将另一部分超临界空气液化，回冷换热器7出口的低压气化气则输入空气压缩机2级间重新压缩以回收压力能；
释能模式：
低温绝热储罐15存储的低压液化空气经低温泵16升压后输入蓄冷换热器9超临界空气流道，启动氮气循环风机11，通过循环氮气输入蓄冷换热器9氮气侧流道并与超低温液化空气交换冷量，吸收冷能后的循环氮气在氮气循环风机11驱动下进入蓄冷填充床12内与蓄冷石子直接接触换热，将液化空气蒸发过程的冷能储存在蓄冷填充床12内，蓄冷换热器9氮气侧流道进口的循环氮气温度接近常温，提高了冷回收效率，经过蓄冷换热器9的超临界压缩空气进入空气透平侧油气换热器4，由来自储热罐6的导热油加热，加热超临界压缩空气后的导热油被冷却至常温，进入储冷罐，经过加热的超临界压缩空气一部分在与燃料混合后进入燃气轮机的连续爆轰燃烧室17进行爆轰燃烧，燃烧产生的高温高压燃气进入燃机透平18做功驱动燃机发电机19发电，另一部分加热后的超临界压缩空气进入烟气空气换热器20被来自燃机透平18出口的高温排气进行二次加热以提高空气参数，随后进入空气透平21驱动空气透平发电机22发电，经过烟气空气换热器20的高温烟气仍具有较高温度，进入余热锅炉23释放热能，产生的高温高压蒸汽进入汽轮机高压缸24做功，高压缸排汽进入余热锅炉23再热器加热后进入汽轮机中低压缸25做功，驱动汽轮发电机26发电。
本发明的有益效果：
本发明液态压缩空气储能系统与燃气蒸汽联合循环多重耦合，空气压缩机采用从电网供能的电动机驱动，储能压缩过程的热量由导热油储热罐储存，释能膨胀过程的吸热由高温导热油提供。释放出的超临界压缩空气作为燃气轮机燃料空气、稀释空气和空气透平的进气。同时燃气轮机的排气作为蒸汽动力循环的热源。本发明提出系统运行方式，可实现液态压缩空气储能系统与燃气蒸汽联合循环能量的时空转移，有利于提升机组参与电网的调峰和调频能力。本发明适用于燃气蒸汽联合循环机组，具备推广的普适性条件。
附图说明
图1为本发明的热力系统示意图。
其中：1-空气压缩机电机，2-空气压缩机，3-压缩机侧油气换热器，4-空气透平侧油气换热器，5-储冷罐，6-储热罐，7-回冷换热器，8-蓄冷换热器，9-蓄冷换热器，10-氮气循环风机，11-氮气循环风机，12-蓄冷填充床，13-低温液体膨胀机，14-分离器，15-低温绝热储罐，16-低温泵，17-连续爆轰燃烧室，18-燃机透平，19-燃机发电机，20-烟气空气换热器，21-空气透平，22-空气透平发电机，23-余热锅炉，24-汽轮机高压缸，25-汽轮机中低压缸，26-汽轮发电机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1本发明采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统，包括液态压缩空气储能系统和燃气蒸汽联合循环系统。
所述液态压缩空气储能系统包括：空气压缩机电机1以及空气压缩机2，空气压缩机电机1驱动空气压缩机2，空气压缩机2压缩空气出口连接压缩机侧油气换热器3，压缩机侧油气换热器3油侧入口连接储冷罐5，压缩机侧油气换热器3油侧出口连接储热罐6，压缩机侧油气换热器3气侧出口分别连接回冷换热器7超临界压缩空气入口和蓄冷换热器8超临界压缩空气侧入口，回冷换热器7超临界压缩空气出口和蓄冷换热器8超临界压缩空气侧出口连接低温液体膨胀机13，低温液体膨胀机13连接分离器14，分离后的低压液化空气进入低温绝热储罐15存储，分离器14气侧分离后的气化气输入回冷换热器7内回收冷能并将另一部分超临界空气液化，回冷换热器7出口的低压气化气则输入空气压缩机2级间重新压缩以回收压力能。蓄冷填充床12分别与蓄冷换热器8和蓄冷换热器9通过氮气循环风机10和氮气循环风机11连接。储能时，通过蓄冷换热器8的超临界压缩空气被储存于蓄冷填充床12石子中的冷量通过氮气循环风机10进行冷却液化，通过蓄冷换热器8氮气侧出口的循环氮气温度接近常温，从而提高冷利用效率。低温绝热储罐15与低温泵16连接，低温绝热储罐15存储的低压液化空气经低温泵16升压后输入蓄冷换热器9超临界空气流道，循环氮气输入蓄冷换热器9氮气侧流道并与超低温液化空气交换冷量，吸收冷能后的循环氮气在氮气循环风机11驱动下进入蓄冷填充床12内与蓄冷石子直接接触换热，将液化空气蒸发过程的冷能储存在蓄冷填充床12内。蓄冷换热器9氮气侧流道进口的循环氮气温度接近常温，提高冷回收效率。空气透平侧油气换热器4油侧入口连接储热罐6，空气透平侧油气换热器4油侧出口连接储冷罐5。空气透平侧油气换热器4气侧出口分别连接连续爆轰燃烧室17和烟气空气换热器20，连续爆轰燃烧室17与燃机透平18连接，驱动燃机发电机19发电。燃机透平排气18排气经过烟气空气换热器20进一步加热进入空气透平21前的压缩空气，提高空气透平21的进气参数，空气透平21驱动空气透平发电机22发电。
所述燃气蒸汽联合循环系统包括：与空气透平侧油气换热器4气侧出口相连的连续爆轰燃烧室17，连续爆轰燃烧室17与燃机透平18连接，驱动燃机发电机19发电。燃机透平18排出的高温烟气通过烟气空气换热器20与进入空气透平21前的压缩空气换热，提升空气透平21的进气参数。经过烟气空气换热器20的高温烟气进入余热锅炉23释放热能，产生的高温高压蒸汽进入汽轮机高压缸24做功，高压缸排汽进入余热锅炉23再热器加热后进入汽轮机中低压缸25做功，驱动汽轮发电机26发电。
本发明的工作原理：
储能模式
当系统以储能模式运行时，启动空气压缩机电机1驱动空气压缩机2运行，空气压缩机出口的超临界压缩空气进入压缩机侧油气换热器3，由来自储冷罐5的导热油冷却，将压缩热储存在储热罐6中，经过换热冷却的压缩空气大部分进入蓄冷换热器8，其余部分进入回冷换热器7，启动氮气循环风机10将储存在蓄冷填充12中的冷量通过氮气循环至蓄冷换热器8，在蓄冷换热器8中吸收来自蓄冷填充床12的冷量后液化成高压液化空气，与经过回冷换热器7的高压液化空气汇合后进入低温液体膨胀机13，经过绝热膨胀，形成低压液化空气和低压气化气混合物进入分离器14，分离后的低压液化空气进入低温绝热储罐15存储，分离后的气化气输入回冷换热器7内回收冷能并将另一部分超临界空气液化，回冷换热器7出口的低压气化气则输入空气压缩机2级间重新压缩以回收压力能。
释能模式
低温绝热储罐15存储的低压液化空气经低温泵16升压后输入蓄冷换热器9超临界空气流道，启动氮气循环风机11，通过循环氮气输入蓄冷换热器9氮气侧流道并与超低温液化空气交换冷量，吸收冷能后的循环氮气在氮气循环风机11驱动下进入蓄冷填充床12内与蓄冷石子直接接触换热，将液化空气蒸发过程的冷能储存在蓄冷填充床12内。蓄冷换热器9氮气侧流道进口的循环氮气温度接近常温，提高了冷回收效率。经过蓄冷换热器9的超临界压缩空气进入空气透平侧油气换热器4，由来自储热罐6的导热油加热，加热超临界压缩空气后的导热油被冷却至常温，进入储冷罐。经过加热的超临界压缩空气一部分在与燃料混合后进入燃气轮机的连续爆轰燃烧室17进行爆轰燃烧，燃烧产生的高温高压燃气进入燃机透平18做功驱动燃机发电机19发电。另一部分加热后的超临界压缩空气进入烟气空气换热器20被来自燃机透平18出口的高温排气进行二次加热以提高空气参数，随后进入空气透平21驱动空气透平发电机22发电。经过烟气空气换热器20的高温烟气仍具有较高温度，进入余热锅炉23释放热能，产生的高温高压蒸汽进入汽轮机高压缸24做功，高压缸排汽进入余热锅炉23再热器加热后进入汽轮机中低压缸25做功，驱动汽轮发电机26发电。
本发明液态压缩空气储能系统与燃气蒸汽联合循环多重耦合，空气压缩机采用从电网供能的电动机驱动，储能压缩过程的热量由导热油储热罐储存，释能膨胀过程的吸热由高温导热油提供。释放出的超临界压缩空气作为燃气轮机燃料空气、稀释空气和空气透平的进气。同时燃气轮机的排气作为蒸汽动力循环的热源。本发明提出系统运行方式，可实现液态压缩空气储能系统与燃气蒸汽联合循环能量的时空转移，有利于提升机组参与电网的调峰和调频能力。本发明适用于燃气蒸汽联合循环机组，具备推广的普适性条件。

Claims (7)

1.一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统，其特征在于，包括液态压缩空气储能系统和燃气蒸汽联合循环系统；
所述液态压缩空气储能系统包括空气压缩机电机(1)，空气压缩机电机(1)驱动空气压缩机(2)，空气压缩机(2)压缩空气出口连接压缩机侧油气换热器(3)气侧入口，压缩机侧油气换热器(3)的油侧入口连接储冷罐(5)，油侧出口连接储热罐(6)，压缩机侧油气换热器(3)气侧出口分为两路，分别连接回冷换热器(7)超临界压缩空气入口和蓄冷换热器(8)超临界压缩空气侧入口，回冷换热器(7)超临界压缩空气出口和蓄冷换热器(8)超临界压缩空气侧出口连接低温液体膨胀机(13)，低温液体膨胀机(13)连接分离器(14)，分离后的低压液化空气进入低温绝热储罐(15)存储，所述蓄冷换热器(9)的超临界压缩空气进入空气透平侧油气换热器(4)；
所述燃气蒸汽联合循环系统包括与空气透平侧油气换热器(4)气侧出口相连的连续爆轰燃烧室(17)，连续爆轰燃烧室(17)与燃机透平(18)连接，驱动燃机发电机(19)发电；
所述分离器(14)气侧分离后的气化气输入回冷换热器(7)内回收冷能，并将另一部分超临界空气液化，回冷换热器(7)出口的低压气化气则输入空气压缩机(2)级间重新压缩以回收压力能，所述蓄冷填充床(12)通过氮气循环风机(10)连接蓄冷换热器(8)，蓄冷填充床(12)通过氮气循环风机(11)连接蓄冷换热器(9)；
所述燃机透平(18)排出的高温烟气通过烟气空气换热器(20)与进入空气透平(21)前的压缩空气换热，用于提升空气透平21的进气参数，经过烟气空气换热器(20)的高温烟气进入余热锅炉(23)释放热能，产生的高温高压蒸汽进入汽轮机高压缸(24)做功，高压缸排汽进入余热锅炉(23)再热器加热后进入汽轮机中低压缸(25)做功，驱动汽轮发电机(26)发电。
2.根据权利要求1所述的一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统，其特征在于，所述空气压缩机(2)采用多级压缩，每一级压缩机对应一台压缩机侧油气换热器(3)，压缩机侧油气换热器(3)的数量与空气压缩机(2)的级数相同。
3.根据权利要求1所述的一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统，其特征在于，所述空气透平机(21)采用多级透平，每一级透平对应一台透平机侧油气换热器(4)，透平机侧油气换热器(4)的数量与空气透平机(21)的级数相同。
4.根据权利要求1所述的一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统，其特征在于，所述空气透平机(21)采用多级透平，每一级透平对应一台烟气空气换热器(20)，烟气空气换热器(20)的数量与空气透平机(21)的级数相同。
5.根据权利要求1所述的一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统，其特征在于，所述蓄冷填充床(12)采用石子或大理石作为蓄冷填充料来储存冷量，并通过氮气循环风机(10)实现超临界压缩空气的液化和氮气循环风机(11)实现液态空气的气化。
6.根据权利要求1所述的一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统，其特征在于，所述连续爆轰燃烧室(17)采用经过透平测油气换热器(4)加热后的空气作为燃烧空气和稀释空气。
7.基于权利要求1所述的一种采用连续爆轰的燃机与液态压缩空气储能耦合系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述方法包括储能模式与释能模式；
储能模式：
当系统以储能模式运行时，启动空气压缩机电机(1)驱动空气压缩机(2)运行，空气压缩机出口的超临界压缩空气进入压缩机侧油气换热器(3)，由来自储冷罐(5)的导热油冷却，将压缩热储存在储热罐(6)中，经过换热冷却的压缩空气大部分进入蓄冷换热器(8)，其余部分进入回冷换热器(7)，启动氮气循环风机(10)将储存在蓄冷填充(12)中的冷量通过氮气循环至蓄冷换热器(8)，在蓄冷换热器(8)中吸收来自蓄冷填充床(12)的冷量后液化成高压液化空气，与经过回冷换热器(7)的高压液化空气汇合后进入低温液体膨胀机(13)，经过绝热膨胀，形成低压液化空气和低压气化气混合物进入分离器(14)，分离后的低压液化空气进入低温绝热储罐(15)存储，分离后的气化气输入回冷换热器(7)内回收冷能并将另一部分超临界空气液化，回冷换热器(7)出口的低压气化气则输入空气压缩机(2)级间重新压缩以回收压力能；
释能模式：
低温绝热储罐(15)存储的低压液化空气经低温泵(16)升压后输入蓄冷换热器(9)超临界空气流道，启动氮气循环风机(11)，通过循环氮气输入蓄冷换热器(9)氮气侧流道并与超低温液化空气交换冷量，吸收冷能后的循环氮气在氮气循环风机(11)驱动下进入蓄冷填充床(12)内与蓄冷石子直接接触换热，将液化空气蒸发过程的冷能储存在蓄冷填充床(12)内，蓄冷换热器(9)氮气侧流道进口的循环氮气温度接近常温，提高了冷回收效率，经过蓄冷换热器(9)的超临界压缩空气进入空气透平侧油气换热器(4)，由来自储热罐(6)的导热油加热，加热超临界压缩空气后的导热油被冷却至常温，进入储冷罐，经过加热的超临界压缩空气一部分在与燃料混合后进入燃气轮机的连续爆轰燃烧室(17)进行爆轰燃烧，燃烧产生的高温高压燃气进入燃机透平(18)做功驱动燃机发电机(19)发电，另一部分加热后的超临界压缩空气进入烟气空气换热器(20)被来自燃机透平(18)出口的高温排气进行二次加热以提高空气参数，随后进入空气透平(21)驱动空气透平发电机(22)发电，经过烟气空气换热器(20)的高温烟气仍具有较高温度，进入余热锅炉(23)释放热能，产生的高温高压蒸汽进入汽轮机高压缸(24)做功，高压缸排汽进入余热锅炉(23)再热器加热后进入汽轮机中低压缸(25)做功，驱动汽轮发电机(26)发电。
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