CN113756953A - 燃气轮机发电系统和发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气轮机发电系统和发电方法，所述燃气轮机发电系统包括可再生能源发电装置、制氢装置、氢气储能装置、燃气轮机和辅助发电组件，所述可再生能源发电装置用于给所述制氢装置供电，所述氢气储能装置与所述制氢装置相连，所述燃气轮机可使用空气、所述制氢装置产生的氧气和所述氢气储能装置内的氢气进行发电，所述辅助发电组件可与所述燃气轮机和所述制氢装置进行热交换。根据本发明实施例的燃气轮机发电系统，利用清洁能源保证了燃气轮机持续稳定地发电，提高了燃气轮机发电系统整体的发电效率，还将燃气轮机和辅助发电装置组合，缩短系统从启动到基本负荷时间并进一步提升燃气轮机的效率。
Description
技术领域
本发明涉及发电系统技术领域，尤其涉及一种燃气轮机发电系统和发电方法。
背景技术
燃气轮机一般采用传统化石能源作为燃料，如天然气、汽油、柴油，在能源短缺、环境保护和气候变化等问题日益突出的背景下，开发清洁能源，发展低碳经济，实现能源优化配置，成为了世界各国的共同选择。
相关技术中，出现了采用氢气作为燃料的燃气轮机，但是氢气的制备同样需要消耗电力能源，利用可再生能源如风能、太阳能进行发电后再进行电解法制备氢气是一种清洁环保的氢气制备方法，但是，由于可再生能源具有间歇性，光伏与风电通常年工作时间为1000～2000小时，而燃气轮机如连续工作，年工作时间为8000小时，二者无法完全进行匹配，燃气轮机无法持续稳定地进行发电。因此，如何利用清洁能源保证燃气轮机持续稳定地发电，建设具有可靠、安全、经济、高效、环境友好新型能源电网，是本领域技术人员需要解决的关键技术问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的实施例提出一种燃气轮机发电系统，所述发电系统可以利用清洁能源保证燃气轮机持续稳定地发电。
本发明的实施例还提出一种发电方法。
根据本发明实施例的燃气轮机发电包括可再生能源发电装置、制氢装置、氢气储能装置、燃气轮机和辅助发电组件，所述可再生能源发电装置用于给所述制氢装置供电以使所述制氢装置制备氢气和氧气，所述氢气储能装置与所述制氢装置相连，所述燃气轮机分别与所述制氢装置和所述氢气储能装置相连，所述燃气轮机可使用空气、所述制氢装置产生的氧气和所述氢气储能装置内的氢气进行发电，所述辅助发电组件可与所述燃气轮机和所述制氢装置进行热交换。
根据本发明实施例的燃气轮机发电系统，通过设置氢气储能装置，利用清洁能源保证了燃气轮机持续稳定地发电，提高了燃气轮机发电系统整体的发电效率，此外，还通过设置辅助发电组件与燃气轮机进行换热，将燃气轮机和辅助发电装置组合，缩短系统从启动到基本负荷时间并进一步提升燃气轮机的效率。
在一些实施例中，所述燃气轮机发电系统还包括氢气压缩机，所述氢气压缩机的进气端与所述制氢装置相连，所述氢气压缩机的出气端所述氢气储能装置相连。
在一些实施例中，所述燃气轮机包括第一压气机、燃烧室和第一透平，所述第一压气机分别与所述制氢装置和所述氢气储能装置相连，所述燃烧室分别与所述第一压气机和所述氢气储能装置相连，所述第一透平分别与所述燃烧室和所述第一压气机相连。
在一些实施例中，所述辅助发电组件包括第二压气机、空气储能装置和第二透平，所述空气储能装置与所述第二压气机相连，所述第二透平与所述空气储能装置相连。
在一些实施例中，所述辅助发电组件还包括第一换热器和第二换热器，所述第一换热器设在所述第二压气机和所述空气储能装置之间的连接管路上，且所述第一换热器与所述制氢装置之间可进行热交换，所述第二换热器设在所述空气储能装置和所述第二透平之间的连接管路上，所述第二换热器与所述第一透平可进行热交换。
在一些实施例中，所述燃气轮机发电系统还包括余热锅炉，所述余热锅炉与所述燃气轮机相连。
在一些实施例中，所述可再生能源发电装置为光伏发电装置、风力发电装置、水力发电装置、地热发电装置和生物质发电装置中的一种或多种。
在一些实施例中，所述制氢装置为电解水制氢装置、质子交换膜和高温燃料电池中的一种或者多种。
根据本发明另一方面实施例的发电方法包括：
提供一可再生能源发电装置；
提供一制氢装置，并利用所述可再生能源发电装置发出的电能制备氢气和氧气；
提供一氢气压缩机，将所述制氢装置制造的氢气进行压缩生成压缩氢气；
提供一氢气储能装置，压缩氢气进入到所述氢气储能装置中进行储存；
提供一辅助发电组件，所述辅助发电包括第二压气机、空气储能装置、第二透平、第一换热器和第二换热器，空气经所述第二压气机压缩后生成压缩空气并进入所述空气储能装置内，压缩过程中放出热量，压缩空气通过所述第二透平做功发电；
提供一燃气轮机，所述燃气轮机包括第一压气机、燃烧室和第一透平，制氢装置制备的氧气和空气经过所述第一换热器进行加热，再经过所述第一压气机压缩后进入燃烧室内燃烧，当所述可再生能源发电装置处于发电低谷时，所述氢气储能装置内的储存的压缩氢气经过所述第一换热器进行加热，再进入到所述燃烧室内燃烧，燃烧后的气体通过所述第一透平进行发电，所述第一透平产生的部分热量通过所述第二换热器与所述空气储能装置内的压缩空气进行热交换。
在一些实施例中，所述发电方法还包括：
还包括提供一余热锅炉，第一透平产生的烟气进入到所述余热锅炉中转化为蒸汽或进一步发电。
附图说明
图1是根据本发明实施例的燃气轮机发电系统的示意图。
附图标记：
可再生能源发电装置1，制氢装置2，氢气压缩机3，氢气储能装置4，第一压气机5，燃烧室6，第一透平7，第二压气机8，第一换热器9，空气储能装置10，第二换热器11，第二透平12，余热锅炉13，大气14，电网15。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图描述根据发明实施例的燃气轮机发电系统。
如图1所示，根据本发明实施例的燃气轮机发电系统包括可再生能源发电装置1、制氢装置2、氢气储能装置4、燃气轮机和辅助发电组件，其中，可再生能源发电装置1为光伏发电装置、风力发电装置、水力发电装置、地热发电装置和生物质发电装置中的一种或多种。制氢装置2为电解水制氢装置2、质子交换膜和高温燃料电池中的一种或者多种。
可再生能源发电装置1用于给制氢装置2供电以使制氢装置2制备氢气和氧气，可再生能源发电装置1具有节能环保的特点，氢气储能装置4与制氢装置2相连，制氢装置2制备的氢气进入到氢气储能装置4中。燃气轮机分别与制氢装置2和氢气储能装置4相连，燃气轮机可使用空气、制氢装置2产生的氧气和氢气储能装置4内的氢气进行发电后输送至电网15。
辅助发电组件可与燃气轮机和制氢装置2进行热交换以及发电，制氢装置2制备的氢气可以与辅助发电组件进行换热升温后进入燃气轮机内，从而提升燃气轮机的效率，燃气轮机通常采用20％压缩空气用于燃气轮机的透平部分冷却，在本实施中，燃气轮机可以与辅助组件换热进行降温，从而降低冷却空气的消耗，进一步提升燃气轮机的发电效率。
根据本发明实施例的燃气轮机发电系统，通过设置氢气储能装置4，利用清洁能源保证了燃气轮机持续稳定地发电，提高了燃气轮机发电系统整体的发电效率，此外，还通过设置辅助发电组件与燃气轮机进行换热，将燃气轮机和辅助发电装置组合，缩短系统从启动到基本负荷时间并进一步提升燃气轮机的效率。
在一些实施例中，燃气轮机发电系统还包括氢气压缩机3，氢气压缩机3的进气端与制氢装置2相连，氢气压缩机3的出气端氢气储能装置4相连，制氢装置2制备的氢气经过氢气压缩机3压缩后进入到氢气储能装置4内备用。
燃气轮机包括第一压气机5、燃烧室6和第一透平7，第一压气机5分别与制氢装置2和氢气储能装置4相连，燃烧室6分别与第一压气机5和氢气储能装置4相连，第一透平7分别与燃烧室6和第一压气机5相连，制氢装置2制备的氧气和大气14中的空气可以进入到第一压气机5中压缩，再进入到燃烧室6内燃烧，氢气储能装置4内的氢气可以直接进入到燃烧室6内燃烧，提高燃气轮机的效率，透平利用燃烧室6产生的热能做功进行发电输送至电网15。
需要说明的是，燃气轮机的空气压缩过程为近似绝热压缩，燃烧过程为近似等压膨胀，燃气膨胀过程为为近似绝热膨胀过程。
在一些实施例中，辅助发电组件包括第二压气机8、空气储能装置10和第二透平12，空气储能装置10与第二压气机8相连，第二透平12与空气储能装置10相连。
大气14中的空气通过第二压气机8压缩为液态空气后储存在空气储能装置10内，在需要时通过第二透平12做功进行发电，后续空气排放至大气14中，辅助发电装置与燃气轮机系统共同发电，可以缩短系统从启动到基本负荷的时间。
进一步地，辅助发电组件还包括第一换热器9和第二换热器11，第一换热器9设在第二压气机8和空气储能装置10之间的连接管路上，且第一换热器9与制氢装置2之间可进行热交换。第二压气机8压缩空气的过程为放热过程，放出的热量与第一换热器9内的换热介质进行热交换，在氢气储能装置4内的氢气进入到燃烧室6之前，先利用第一换热器9加热到150摄氏度左右，由此，可以提高燃气轮机的效率，此外，大气14中的空气和制氢装置2制备的氢气同样可以通过第一换热器9加热后送入燃气轮机，从而减少压气机耗功，升燃气轮机效率。
第二换热器11设在空气储能装置10和第二透平12之间的连接管路上，第二换热器11与第一透平7可进行热交换，空气储能装置10内的压缩空气到第二透平12之间的过程为吸热膨胀过程，可以利用第二换热器11与第一透平7进行换热，从而降低第一燃气轮机的冷却空气消耗，进一步提升燃气轮机效率。
在一些实施例中，燃气轮机发电系统还包括余热锅炉13，余热锅炉13与燃气轮机相连，燃气轮机的余热进入到余热锅炉13中，余热锅炉13可以将烟气中的能量进一步转化为蒸汽或者再次进行发电送入电网15，最终约80摄氏度的烟气从余热锅炉13排出，至此，燃气轮机发电系统实现了能量的梯级利用。
根据本发明另一发明实施例的发电方法，可以利用上述实施例中的燃气轮机发电系统进行发电，所述发电方法包括以下步骤：
提供一可再生能源发电装置1，可再生能源发电装置1为光伏发电装置、风力发电装置、水力发电装置、地热发电装置和生物质发电装置中的一种或多种；
提供一制氢装置2，并利用可再生能源发电装置1发出的电能制备氢气和氧气，制氢装置2为电解水制氢装置2、质子交换膜和高温燃料电池中的一种或者多种；
提供一氢气压缩机3，将制氢装置2制造的氢气进行压缩生成压缩氢气；
提供一氢气储能装置4，压缩氢气进入到氢气储能装置4中进行储存；
提供一辅助发电组件，辅助发电包括第二压气机8、空气储能装置10、第二透平12、第一换热器9和第二换热器11，空气经第二压气机8压缩后生成压缩空气并进入空气储能装置10内，压缩过程中放出热量，压缩空气通过第二透平12做功发电后输送至电网15；
提供一燃气轮机，燃气轮机包括第一压气机5、燃烧室6和第一透平7，制氢装置2制备的氧气和空气经过第一换热器9进行加热，再经过第一压气机5压缩后进入燃烧室6内燃烧，当可再生能源发电装置1处于发电低谷时，氢气储能装置4内的储存的压缩氢气经过第一换热器9进行加热，再进入到燃烧室6内燃烧，燃烧后的气体通过第一透平7进行发电，第一透平7产生的部分热量通过第二换热器11与空气储能装置10内的压缩空气进行热交换。
提供一余热锅炉13，第一透平7产生的烟气进入到余热锅炉13中转化为蒸汽或进一步发电。
根据本发明实施例的发电方法，将储能系统与燃气轮机系统深度耦合，解决了可再生能源间断制氢问题，提升了燃气轮机热力循环效率，优化了储能过程，充分利用储能过程中的冷能和热能，大大提高了发电效率。
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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种燃气轮机发电系统，其特征在于，包括：
可再生能源发电装置；
制氢装置，所述可再生能源发电装置用于给所述制氢装置供电以使所述制氢装置制备氢气和氧气；
氢气储能装置，所述氢气储能装置与所述制氢装置相连；
燃气轮机，所述燃气轮机分别与所述制氢装置和所述氢气储能装置相连，所述燃气轮机可使用空气、所述制氢装置产生的氧气和所述氢气储能装置内的氢气进行发电；
辅助发电组件，所述辅助发电组件可与所述燃气轮机和所述制氢装置进行热交换。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，还包括氢气压缩机，所述氢气压缩机的进气端与所述制氢装置相连，所述氢气压缩机的出气端所述氢气储能装置相连。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述燃气轮机包括：
第一压气机，所述第一压气机分别与所述制氢装置和所述氢气储能装置相连；
燃烧室，所述燃烧室分别与所述第一压气机和所述氢气储能装置相连；
第一透平，所述第一透平分别与所述燃烧室和所述第一压气机相连。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述辅助发电组件包括：
第二压气机；
空气储能装置，所述空气储能装置与所述第二压气机相连；
第二透平，所述第二透平与所述空气储能装置相连。
5.根据权利要求4所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述辅助发电组件还包括：
第一换热器，所述第一换热器设在所述第二压气机和所述空气储能装置之间的连接管路上，且所述第一换热器与所述制氢装置之间可进行热交换；
第二换热器，所述第二换热器设在所述空气储能装置和所述第二透平之间的连接管路上，所述第二换热器与所述第一透平可进行热交换。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，还包括余热锅炉，所述余热锅炉与所述燃气轮机相连。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述可再生能源发电装置为光伏发电装置、风力发电装置、水力发电装置、地热发电装置和生物质发电装置中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述制氢装置为电解水制氢装置、质子交换膜和高温燃料电池中的一种或者多种。
9.一种发电方法，其特征在于，包括：
提供一可再生能源发电装置；
提供一制氢装置，并利用所述可再生能源发电装置发出的电能制备氢气和氧气；
提供一氢气压缩机，将所述制氢装置制造的氢气进行压缩生成压缩氢气；
提供一氢气储能装置，压缩氢气进入到所述氢气储能装置中进行储存；
提供一辅助发电组件，所述辅助发电包括第二压气机、空气储能装置、第二透平、第一换热器和第二换热器，空气经所述第二压气机压缩后生成压缩空气并进入所述空气储能装置内，压缩过程中放出热量，压缩空气通过所述第二透平做功发电；
提供一燃气轮机，所述燃气轮机包括第一压气机、燃烧室和第一透平，制氢装置制备的氧气和空气经过所述第一换热器进行加热，再经过所述第一压气机压缩后进入燃烧室内燃烧，当所述可再生能源发电装置处于发电低谷时，所述氢气储能装置内的储存的压缩氢气经过所述第一换热器进行加热，再进入到所述燃烧室内燃烧，燃烧后的气体通过所述第一透平进行发电，所述第一透平产生的部分热量通过所述第二换热器与所述空气储能装置内的压缩空气进行热交换。
10.根据权利要求9所述的发电方法，其特征在于，还包括提供一余热锅炉，第一透平产生的烟气进入到所述余热锅炉中转化为蒸汽或进一步发电。
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