CN113833537A - 一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统，包括连通的压缩空气存储单元和压缩空气释能单元，压缩空气释能单元至少包括两级连通的透平，分别为空气透平和烟气透平，空气透平的进气端串接有用于加热压缩空气的第二换热器，烟气透平的进气端串接有第一补燃燃烧器，第一补燃燃烧器与空气透平之间连通有第三换热器，第三换热器用于加热进入第一补燃燃烧器的压缩空气，第二换热器和第三换热器的换热介质由烟气透平的排烟提供；本发明是以压缩空气为介质的补燃式储能系统，通过梯级利用烟气余热提高了电能存储效率；基于相对比较成熟的型式选择系统中的核心设备，降低了研发的难度和风险。

Description

一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统
技术领域
本发明涉及一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统，属于电能存储技术领域。
背景技术
压缩空气储能：在电网负荷低谷期间，通过压缩机压缩空气，将电能转化为压缩势能存储起来，并将压缩空气运输至岩石洞穴、废弃盐洞、废弃矿井或者其他压力容器中；在电网高负荷期间，放出储气库内高压气体，经过燃烧室或换热器加热，升高至一定温度送至涡轮膨胀机，将压缩空气的热力势能转变为膨胀机的机械功输出，驱动发电机发电。
根据系统热源的不同，压缩空气储能系统可以分为：无热源的压缩空气储能系统、带储热的压缩空气储能系统和补燃式压缩空气储能系统。其中无热源压缩空气系统结构简单，但系统能量密度和效率较低，仅应用在微小型系统中。储热式压缩空气储能系统又可以分为存储压缩热和存储外来热源两种，由于压缩热和外来热源的温度决定了膨胀透平前空气的温度上限，限制了压缩空气对外的做功能力即储能规模，同时大容量的储热装置也使得储能电站的成本大幅增加。
补燃式压缩空气系统基于燃气轮机技术，但压缩机和膨胀透平不同时工作，储能时将电能储存于储气室中，释能时释放压缩空气，进入燃烧室燃烧燃料驱动膨胀透平。由于减少了压缩机耗能，相比同类燃机发电系统可以节省压气段消耗的输出功。在膨胀透平前高压力环境下的燃烧器以燃气轮机技术为基础，可以采用扩散燃烧和预混燃烧两种不同的燃烧方式：扩散燃烧指混合扩散因素起控制作用的燃烧，燃料与空气分别送入燃烧室后边掺混、边燃烧，燃烧火焰面处当量比为1，燃烧温度高，火焰稳定性好，但NOx排放高。预混燃烧指在燃烧前燃料与空气在燃料喷嘴预混器内充分混合成可燃混合气，再在燃烧室内着火燃烧，可以通过控制掺混比降低燃烧温度，进而降低NOx的生成量，但其火焰面处当量比小于1，燃烧火焰面温度低，燃烧稳定性差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统，以带补燃的压缩空气为工作介质，实现更大规模电能的存储和转换，发挥对电网负荷“削峰填谷”的调节作用。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气释能系统，包括：
连通的压缩空气存储单元和压缩空气释能单元；
所述压缩空气释能单元至少包括连接发电机的两级连通的透平，分别为空气透平和烟气透平；
所述空气透平的进气端串接有用于加热压缩空气的第二换热器；
所述烟气透平的进气端串接有第一补燃燃烧器，所述第一补燃燃烧器与空气透平之间连通有第三换热器，所述第三换热器用于加热进入第一补燃燃烧器的压缩空气，使其温度大于预混燃烧方式稳燃时所要求的温度；
所述第二换热器和第三换热器的换热介质由烟气透平的排烟提供。
本技术方案中，压缩空气存储单元引出的压缩空气经过多个换热、膨胀做功和补燃环节，基于成熟的燃气轮机机型，充分利用烟气透平的排烟余热，形成一个自耦合的串级压缩空气释能发电系统。
进一步地，所述第二换热器用于流通换热介质的进口连通有第二补燃燃烧器，用于加热进入第二换热器的换热介质，所述换热介质进入第二补燃燃烧器的温度大于预混燃烧方式稳燃时所要求的温度，以使得换热介质进入第二补燃燃烧器后可保证稳定燃烧；
所述第三换热器用于流通换热介质的进口连通有第三补燃燃烧器，用于加热进入第三换热器的换热介质，所述换热介质进入第三补燃燃烧器的温度大于预混燃烧方式稳燃时所要求的温度，以使得换热介质进入第二补燃燃烧器后可保证稳定燃烧。
进一步地，所述第二换热器的进气口连通有第一换热器，用于预热压缩空气，所述第一换热器的换热介质由烟气透平的排烟提供，充分利用烟气余热。
进一步地，在所述第一换热器、第二换热器和第三换热器用于流通换热介质的进出口均密封设有隔离风门和保温装置，能够维持换热器在较长时间处于温态，以满足压缩空气储能系统在频繁启停工况下快速启动的需求。
进一步地，所述压缩空气存储单元包括空气压缩系统、空气冷却系统和空气存储系统；
所述空气冷却系统包括流通有冷却介质的冷却装置和第四换热器，所述第四换热器设置在空气压缩系统中，用于冷却压缩空气，所述冷却介质在第四换热器中与压缩空气换热升温后进入冷却装置冷却，经冷却降温后再返回第四换热器，形成冷却循环；
所述空气压缩系统和空气存储系统连通，所述空气压缩系统输出的压缩空气存储入空气存储系统。
进一步地，所述空气压缩系统包括多段串级连接的空气压缩机，各段空气压缩机的出口处串接第四换热器，用于冷却压缩后的高温压缩气体，降低了后段空气压缩机的材质要求和制造难度，同时减少压缩空气的体积流量，降低空气压缩机的耗功。
进一步地，所述第一补燃燃烧器、第二补燃燃烧器和第三补燃燃烧器均采用预混式燃烧器，可通过控制燃料和空气的掺混比使燃烧温度低于理论燃烧温度，降低NOx的生成量。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明以带补燃的压缩空气为工作介质，实现更大规模电能的存储和装换，发挥对电网负荷“削峰填谷”的调节作用；
本发明的压缩空气在进入烟气透平前先进行补燃燃烧，补燃燃烧前先将压缩空气加热至预混燃烧方式所需的稳燃温度，有利于压缩空气与补燃燃料的混合物在补燃燃烧器内的稳定燃烧；
本发明利用补燃燃料和压缩空气混合物燃烧释放的烟气余热，增加补燃式压缩空气储能系统中压缩空气的膨胀做功能力，可有效提高电能的存储效率；
本发明的烟气透平和燃烧器的选择基于目前比较成熟的燃气轮机机型和预混燃烧方式，降低了系统核心设备研发的难度和风险、缩短研发周期，能够有效控制NOx等污染物的排放浓度。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统的结构示意图。
图中：1、空气压缩机；2、电动机；3、第四换热器；4、冷却装置；5、空气存储系统；6、第一换热器；7、第二换热器；8、空气透平；9、发电机；10、第三换热器；11、第一补燃燃烧器；12、烟气透平；14、第二补燃燃烧器；15、第三补燃燃烧器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”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”等仅用于描述目的，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”等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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统，如图1所示，包括气体连通的压缩空气存储单元和压缩空气释能单元，压缩空气存储单元在用电低谷期将空气进行压缩、冷却、存储后传输至压缩空气释能单元，压缩空气释能单元在用电高峰期将压缩的空气释能并转化为机械能进行发电，从而实现大规模电能的存储和转换，发挥对电网负荷“削峰填谷”的调节作用。
压缩空气释能单元包括气体连通的空气透平8和烟气透平12，空气透平8和烟气透平12的输出端均传动连接有发电机9。
空气透平8连通压缩空气存储单元，接收压缩空气存储单元输入的压缩空气，进行膨胀做功，驱动发电机9发电，空气透平8的进气端串接有第二换热器7，用于在压缩空气膨胀做功之前加热压缩空气，使压缩空气具备并提高膨胀做功能力。
烟气透平12的进气端串接有第一补燃燃烧器11，经空气透平8膨胀做功后的压缩空气通入烟气透平12前先进入第一补燃燃烧器11，第一补燃燃烧器11内部通有燃料，第一补燃燃烧器11中压缩空气与燃料预混后点燃，燃烧形成的高温烟气通入烟气透平12进行膨胀做功，驱动发电机9发电。
第一补燃燃烧器11压缩空气的进气口设置有第三换热器10，用于加热进入第一补燃燃烧器11的压缩空气，使其温度大于预混燃烧方式所需要的稳燃温度，以保证其燃烧的稳定性。
第二换热器7的压缩空气进气口串联有第一换热器6，用于利用较低品位热源预热从压缩空气存储单元输入的常温压缩空气。
第一换热器6、第二换热器7和第三换热器10均为烟气-压缩空气换热器，其换热热源均由烟气透平12膨胀做功后产出的烟气提供，烟气透平12的出口端依次串接第二换热器7、第三换热器10和第一换热器6的烟气侧。
第二换热器7烟气侧进口前串接有第二补燃燃烧器14，换热烟气在进入第二换热器7之前在第二补燃燃烧器14内进行加热升温，以便与第二换热器7中的压缩空气进行换热时，使得压缩空气获得更高的热量，以提高第二换热器7出口压缩空气的做功能力，并保证第二换热器7出口的烟气温度满足在第三补燃燃烧器15中预混燃烧方式所需的稳燃温度。
第三换热器10烟气侧的进口处串接有第三补燃燃烧器15，用于加热进入第三换热器10的换热烟气，使得第三换热器10中的换热烟气获得较高的换热温度，以保证进入第三换热器10的换热烟气可将流经第三换热器10、即将进入第一补燃燃烧器11的压缩空气加热至大于预混燃烧方式稳燃时所需要的温度，以保证压缩空气补燃燃烧的稳定性。
第一换热器6的烟气侧进口接收第三换热器10流出的换热烟气，在对压缩空气存储系统5输出的常温压缩空气进行预加热后，通入大气。
常温压缩空气从压缩空气存储单元引出后，通过第一换热器6进行预热后通入第二换热器7进一步加热，然后进入空气透平8膨胀做功，带动发电机9发电，膨胀降温后的压缩空气进入第三换热器10，加热至能够满足预混燃料稳燃的温度后进入第一补燃燃烧器11燃烧升温，补燃燃烧产生的烟气进入烟气透平12膨胀做功带动发电机9发电，膨胀做功后的烟气其温度仍满足预混燃烧的稳燃条件，可以将膨胀做功后的烟气通入第二补燃燃烧器14进行补燃升温，升温后通入第二换热器7的换热烟气通道，以加热即将进入空气透平8的压缩空气，并在温度降至预混燃烧稳燃温度前引出第二换热器7，然后通入第三补燃燃烧器11进行补燃升温，升温后通入第三换热器10的换热烟气通道，加热即将进入第一补燃燃烧器11的压缩空气至预混燃烧的稳燃温度，第三换热器10的换热烟气通道流出的烟气仍具有较高的温度，将其通入第一换热器6的换热烟气通道用于预热从压缩空气存储单元接出的常温压缩空气，然后排入大气。
在实施例中，各补燃燃烧器的补燃燃料均采用天然气，为满足预混式补燃燃烧器的稳定燃烧，各补燃燃烧器入口压缩空气温度为417℃，压力小于天然气补入的压力。为避免各烟气-压缩空气换热器材料的升级，第二补燃燃烧器14出口烟气的温度设为600℃，第三补燃燃烧器15的出口烟气温度设为467℃。
在第一换热器6、第二换热器7和第三换热器10用于流通换热烟气和压缩空气的进出口处均设置密封的隔离风门，并设置有效的保温装置，能够利用换热介质的余热长时间内维持换热器温态，减少压缩空气释能单元在频繁启停工况下的启动时间。
本发明提供的压缩空气释能单元的数量可依工作需求进行设置，本发明所提供的压缩空气释能单元以带补燃的压缩空气为工作介质，实现大规模电能的存储和转换，发挥对电网负荷“削峰填谷”的作用，并梯级利用气体燃料燃烧后释放的烟气余热，提高电能存储效率，同时，烟气透平12和燃烧器的选择基于目前比较成熟的燃气轮机机型和预混燃烧方式，降低了系统核心设备研发的难度和风险，能够有效控制NOx等污染物的排放浓度。
压缩空气存储单元包括空气压缩系统、空气冷却系统和空气存储系统5，在用电低谷期，空气存储系统5吸收并压缩外界空气，存入空气存储系统5。
空气冷却系统包括流通有冷却介质的冷却装置4和第四换热器3，第四换热器3设置在空气压缩系统中，用于在空气压缩过程中冷却空气，冷却介质在第四换热器3中与压缩空气换热升温后进入冷却装置4冷却，经冷却降温后的冷却介质通入第四换热器3，以此形成冷却循环，本实施例中冷却装置4选用冷却塔。
空气压缩系统包括多段串级连接的空气压缩机1，各段空气压缩机1由电动机2提供动力，空气压缩机1的类型、数目和连接方式可根据空气压缩要求具体设置。
本实施例优选选用三级串级分段压缩方案，第一级空气压缩机1的出口压力为0.29MPa.a，选用轴流压缩机，采用段间冷却方式，出口排气温度为150℃。
第二级和第三级空气压缩机1选用离心压缩机，采用段间冷却方式和段内冷却方式，第三段空气压缩机1压缩空气的出口压力为储气压力，空气在被压缩过程中温度不超过150℃。
段间冷却方式：空气压缩机1的出口处串接第四换热器3，经空气压缩机1压缩产生的高温空气通入第四换热器3进行换热冷却，采用段间冷却的方式使得空气压缩机1的压缩过程更接近绝热压缩，换热器在进行热交换时温度足够高的冷却介质，可用于供给外部热负荷用户。
段内冷却方式：采用段内冷却方式的空气压缩机1包括若干串级连接的压气级，若干压缩级按热力系统对于工质温度的控制要求分为多个冷却段，各冷却段间均串接有用于换热冷却的第四换热器3，采用段内冷却的方式使得空气压缩机1的压缩过程更接近等温压缩，减少空气压缩机1所耗费的能量，同时降低空气压缩机1内的工质温度，降低材质要求和制造难度。
空气存储系统5用于接收并存储经空气压缩系统和空气冷却系统压缩、冷却后的压缩空气，在实施例中，压缩空气的存储压力为12 MPa -14 MPa，流量为每小时40万方。在发电时向压缩空气释能单元输送压缩空气，输送空气的压力为12MPa.a，40℃。
本实施例的空气存储系统5包括地下盐穴，地下盐穴储存压缩空气具有储气容量大、储气压力高、稳定性高、密封性好、占地面积少的特点，同时对环境的影响较小、建造费用低、运行维护成本低、分布广泛并且技术成熟，可为压缩空气储能系统大规模安全高效地建设和运行提供优良条件。
第四换热器3依据换热量的大小设计使用数目和串并联方式，第四换热器3为空气冷却器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于：
包括连通的压缩空气存储单元和压缩空气释能单元；
所述压缩空气释能单元至少包括连接发电机(9)的两级连通的透平，分别为空气透平(8)和烟气透平(12)；
所述空气透平(8)的进气端串接有用于加热压缩空气的第二换热器(7)；
所述烟气透平(12)的进气端串接有第一补燃燃烧器(11)，所述第一补燃燃烧器(11)与空气透平(8)之间连通有第三换热器(10)，所述第三换热器(10)用于加热进入第一补燃燃烧器(11)的压缩空气，使其温度大于预混燃烧方式稳燃时所要求的温度；
所述第二换热器(7)和第三换热器(10)的换热介质由烟气透平(12)的排烟提供。
2.根据权利要求1所述的一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于：
所述第二换热器(7)用于流通换热介质的进口连通有第二补燃燃烧器(14)，用于加热进入第二换热器(7)的换热介质，所述换热介质进入第二补燃燃烧器(14)的温度大于预混燃烧方式稳燃时所要求的温度；
所述第三换热器(10)用于流通换热介质的进口连通有第三补燃燃烧器(15)，用于加热进入第三换热器(10)的换热介质，所述换热介质进入第三补燃燃烧器(15)的温度大于预混燃烧方式稳燃时所要求的温度。
3.根据权利要求1所述的一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于：
所述第二换热器(7)的进气口连通有第一换热器(6)，用于预热压缩空气，所述第一换热器(6)的换热介质由烟气透平(12)的排烟提供。
4.根据权利要求3所述的一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于：
在所述第一换热器(6)、第二换热器(7)和第三换热器(10)用于流通换热介质的进出口均密封设有隔离风门和保温装置。
5.根据权利要求1所述的一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于：
所述压缩空气存储单元包括空气压缩系统、空气冷却系统和空气存储系统(5)；
所述空气冷却系统包括流通有冷却介质的冷却装置(4)和第四换热器(3)，所述第四换热器(3)设置在空气压缩系统中，用于冷却压缩空气，所述冷却介质在第四换热器(3)中与压缩空气换热升温后进入冷却装置(4)冷却，经冷却降温后再返回第四换热器(3)，形成冷却循环；
所述空气压缩系统和空气存储系统(5)连通，所述空气压缩系统输出的压缩空气存储入空气存储系统(5)。
6.根据权利要求5所述的一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于：
所述空气压缩系统包括多段串级连接的空气压缩机(1)，各段空气压缩机(1)的出口处串接第四换热器(3)，用于冷却压缩后的高温压缩气体。
7.根据权利要求1所述的一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于；
所述第一补燃燃烧器(11)、第二补燃燃烧器(14)和第三补燃燃烧器(15)均采用预混式燃烧器。
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