CN113756954A - 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、空气储能装置、燃气轮机和第一透平，所述可再生能源发电装置与所述制氢装置相连制，所述空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空气储能装置相连，所述燃气轮机可使用所述制氢装置制备的氢气和所述空气储能装置内的空气和氧气进行发电，所述第一透平可利用所述燃气轮机排放的烟气和所述空气储能装置内的空气和氧气做功进行发电。根据本发明实施例的燃气轮机发电系统的发电效率高，且可以在零碳条件下将可再生能源间歇性波动性电力转化为具有转动惯量的稳定电力。
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系统包括可再生能源发电装置、制氢装置、空气储能装置、燃气轮机和第一透平，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，所述空气储能装置与所述制氢装置相连，所述空气储能装置用于储存空气和所述制氢装置制备的氧气，所述燃气轮机分别与所述制氢装置和所述空气储能装置相连，所述制氢装置制备的氢气可进入所述燃气轮机内，所述空气储能装置内的氧气和空气可进入所述燃气轮机内，所述燃气轮机可使用所述制氢装置制备的氢气和所述空气储能装置内的空气和氧气进行发电，所述第一透平分别与所述空气储能装置和所述燃气轮机相连，所述第一透平可利用所述燃气轮机排放的烟气和所述空气储能装置内的空气和氧气做功进行发电。
根据本发明实施例的燃气轮机发电系统，基于空气储能与燃气轮机伯雷登循环实际物理过程，融合燃气轮机与空气储能设备，将空气储能与燃气轮机整合为同一系统，提升了以氢为燃料的燃气轮机效率，加快了系统的响应时间和启动时间，此外，本系统还可以在零碳条件下将可再生能源间歇性波动性电力转化为具有转动惯量的稳定电力，提高了发电系统的发电效率。
在一些实施例中，所述燃气轮机发电系统还包括第一压气机，所述第一压气机的进气端分别与所述制氢装置和大气连通，所述第一压气机的出气端与所述空气储能装置相连。
在一些实施例中，所述燃气轮机包括第二压气机、燃烧室和第二透平，所述第二压气机与所述空气储能装置相连，所述燃烧室分别与所述制氢装置和所述第二压气机相连，所述第二透平分别与所述燃烧室和所述第一透平相连。
在一些实施例中，所述燃气轮机发电系统还包括第一换热器，所述第一换热器设在所述第一压气机和所述空气储能装置之间的连接管路上。
在一些实施例中，所述燃气轮机发电系统还包括第二换热器，所述第二换热器设在所述空气储能装置和所述第一透平之间的连接管路上，所述第二换热器与所述第二透平之间可进行热交换。
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；
提供一第一压气机，将所述制氢装置制造的氧气和空气压缩制备压缩空气；
提供一空气储能装置，一部分压缩空气进入到所述空气储能装置中进行短时储存；
提供一燃气轮机，所述燃气轮机包括第二压气机、燃烧室和第二透平，其余压缩空气直接进入所述第二压气机再次压缩后进入所述燃烧室燃烧，制氢装置制备的氢气进入所述燃烧室内燃烧，燃烧后的气体经过所述第二透平做功进行发电，所述第二透平产生的烟气进入所述第二透平进一步做功发电，所述空气储能装置内的压缩空气可进入所述第一压气机或所述第二透平。
在一些实施例中，所述发电方法还包括提供一第一换热器，将所述第一压气机压缩空气过程中放出热量与所述制氢装置制备的氢气通过所述第一换热器进行热交换。
在一些实施例中，所述发电方法还包括提供一第二换热器，将所述空气储能装置内的压缩空气与所述第二透平放出的热量通过所述第二换热器进行热交换。
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，空气储能装置3，第一透平4，第一压气机5，第二压气机6，燃烧室7，第二透平8，第一换热器9，第二换热器10，大气11，电网12。
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、空气储能装置3、燃气轮机和第一透平4。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，空气储能装置3与制氢装置2相连，空气储能装置3用于储存空气和制氢装置2制备的氧气，第一透平4与空气储能装置3相连，可以利用空气储能装置3进行发电后将输送至电网12。
燃气轮机分别与制氢装置2和空气储能装置3相连，制氢装置2制备的氢气可进入燃气轮机内，空气储能装置3内的氧气和空气同样可进入燃气轮机内，燃气轮机可使用制氢装置2制备的氢气和空气储能装置3内的空气和氧气进行发电，此外第一透平4还与燃气轮机相连，第一透平4可利用燃气轮机排放的烟气和空气储能装置3内的空气和氧气做功进行发电。
需要说明的是，制氢装置2制备的一部分氧气和空气可以直接进入到燃气轮机内进行压缩和燃烧，另一部分空气进入到空气储能装置3内进行短时储能，空气储能装置3内的空气和氧气可以进一步进入到燃气轮机中燃烧，缩短燃气轮机的启动时间，也可以进入到第一透平4做功发电。
根据本发明实施例的燃气轮机发电系统，基于空气储能与燃气轮机伯雷登循环实际物理过程，融合燃气轮机与空气储能设备，将空气储能与燃气轮机整合为同一系统，提升了以氢为燃料的燃气轮机效率，加快了系统的响应时间和启动时间，此外，本系统还可以在零碳条件下将可再生能源间歇性波动性电力转化为具有转动惯量的稳定电力，提高了发电系统的发电效率。
在一些实施例中，燃气轮机发电系统还包括第一压气机5，第一压气机5的进气端分别与制氢装置2和大气11连通，第一压气机5的出气端与空气储能装置3相连，大气11中的空气和制氢装置2制备的氧气经过第一压气机5压缩为液态的压缩空气，并进入到燃气轮机或者存储在空气储能装置3中，空气和氧气的压缩过程为放热过程。
燃气轮机包括第二压气机6、燃烧室7和第二透平8，第二压气机6与空气储能装置3相连，燃烧室7分别与制氢装置2和第二压气机6相连，第二透平8分别与燃烧室7和第一透平4相连。第二透平8利用燃烧室7产生的热能做功进行发电后输送至电网12，其中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。
经过第一压气机5压缩的一部分压缩空气直接进入第二压气机6内进一步压缩，达到燃气轮机的工作压力，另一部分压缩空气进入空气储能装置3后可进一步进入到第二压气机6内进行压缩，再进入燃烧室7内燃烧，制氢装置2制备的氢气可以直接进入到燃烧室7内燃烧。需要说明的是，压缩空气进入燃气轮机做功与空气储能做功比例可调。
在一些实施例中，燃气轮机发电系统还包括第一换热器9，第一换热器9设在第一压气机5和空气储能装置3之间的连接管路上，第一压气机5压缩空气和氧气过程中放出的热量可以通过第一换热器9内的热交换介质进行换热，释放的热量可以给制氢装置2制备的氢气进行加热，氢气经过第一换热器9预热至150摄氏度左右再进入到燃烧室7内进行燃烧，可以大大提升燃气轮机的效率。
进一步地，燃气轮机发电系统还包括第二换热器10，第二换热器10设在空气储能装置3和第一透平4之间的连接管路上，第二换热器10与第二透平8之间可进行热交换。
如此设置，当空气储能装置3内的压缩空气膨胀进入到第一透平4时，压缩空气可以与第二透平8进行换热，降低燃气轮机本身冷却空气的消耗，从而进一步提高燃气轮机的效率。
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；
提供一第一压气机5，将制氢装置2制造的氧气和空气压缩制备压缩空气；
提供一空气储能装置3，一部分压缩空气进入到空气储能装置3中进行短时储存；
提供一燃气轮机，燃气轮机包括第二压气机6、燃烧室7和第二透平8，其余压缩空气直接进入第二压气机6再次压缩后进入燃烧室7燃烧，制氢装置2制备的氢气进入燃烧室7内燃烧，燃烧室7内燃烧后的气体经过第二透平8做功进行发电，第二透平8产生的烟气进入第二透平8进一步做功发电，空气储能装置3内的压缩空气可进入第一压气机5内以缩短燃气轮机的启动时间，还可以通过第二透平8做功发电。
在一些实施例中，所述发电方法还包括：
提供一第一换热器9，将第一压气机5压缩空气过程中放出热量与进入燃烧室7内的氢气通过第一换热器9进行热交换。
提供一第二换热器10，空气储能装置3内的压缩空气与第二透平8放出的热量通过第二换热器10进行热交换。
根据本发明实施例的发电方法，将空气储能过程和燃气轮机空气压缩过程相结合，提高了燃气轮机的效率，并且通过第一换热器9和第二换热器10，缩短燃气轮机的启动时间，降低透平部分冷却空气消耗，降低储能过程本身能耗，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；
空气储能装置，所述空气储能装置与所述制氢装置相连，所述空气储能装置用于储存空气和所述制氢装置制备的氧气；
燃气轮机，所述燃气轮机分别与所述制氢装置和所述空气储能装置相连，所述制氢装置制备的氢气可进入所述燃气轮机内，所述空气储能装置内的氧气和空气可进入所述燃气轮机内，所述燃气轮机可使用所述制氢装置制备的氢气和所述空气储能装置内的空气和氧气进行发电；
第一透平，所述第一透平分别与所述空气储能装置和所述燃气轮机相连，所述第一透平可利用所述燃气轮机排放的烟气和所述空气储能装置内的空气和氧气做功进行发电。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，还包括第一压气机，所述第一压气机的进气端分别与所述制氢装置和大气连通，所述第一压气机的出气端与所述空气储能装置相连。
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：
第二压气机，所述第二压气机与所述空气储能装置相连；
燃烧室，所述燃烧室分别与所述制氢装置和所述第二压气机相连；
第二透平，所述第二透平分别与所述燃烧室和所述第一透平相连。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，还包括第一换热器，所述第一换热器设在所述第一压气机和所述空气储能装置之间的连接管路上。
5.根据权利要求3所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，还包括第二换热器，所述第二换热器设在所述空气储能装置和所述第一透平之间的连接管路上，所述第二换热器与所述第二透平之间可进行热交换。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机发电系统，其特征在于，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。
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。
8.一种发电方法，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；
提供一第一压气机，将所述制氢装置制造的氧气和空气压缩制备压缩空气；
提供一空气储能装置，一部分压缩空气进入到所述空气储能装置中进行短时储存；
提供一燃气轮机，所述燃气轮机包括第二压气机、燃烧室和第二透平，其余压缩空气直接进入所述第二压气机再次压缩后进入所述燃烧室燃烧，制氢装置制备的氢气进入所述燃烧室内燃烧，燃烧后的气体经过所述第二透平做功进行发电，所述第二透平产生的烟气进入所述第二透平进一步做功发电，所述空气储能装置内的压缩空气可进入所述第一压气机或所述第二透平。
9.根据权利要求8所述的发电方法，其特征在于，还包括：
提供一第一换热器，将所述第一压气机压缩空气过程中放出热量与所述制氢装置制备的氢气通过所述第一换热器进行热交换。
10.根据权利要求8所述的发电方法，其特征在于，还包括：
提供一第二换热器，将所述空气储能装置内的压缩空气与所述第二透平放出的热量通过所述第二换热器进行热交换。
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