CN113864051A - 快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统及方法，它包括燃气轮机燃烧室，燃气轮机燃烧室与燃气轮机连接；余热回收装置进口设置排气母管，排气母管上设置第一阀门；燃气轮机与余热回收装置进口排气母管通过管路I连接；燃气轮机与第一换热器通过管路II连接；储能压缩机透平与第一换热器连接；第一换热器与高压储气罐连接；高压储气罐与第二换热器连接；燃气轮机与第二换热器通过管路III连接；第二换热器与储能膨胀机连接；余热回收装置与热量储存单元连接；保证了系统的快速响应和后续稳定的供能。该方法灵活简单，启动响应速度快，且实现能源和燃料多级利用，能够提升系统能效，同时也达到了减少排放的目的。

Description

快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统及方法
技术领域
本发明涉及储能及综合能源应用领域。主要涉及一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统及方法。
背景技术
随着“双碳”政策的逐步落实，可再生能源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。
目前电网已采用燃机机组来满足部分调峰调频的需求。由于燃气轮机系统自身特点，导致启动过程较漫长，其快速启动响应能力受限。压缩空气储能装置具有启动响应快、可靠性高、运行灵活的特点，可以与燃气轮机系统进行耦合，利用两者启动时产生的时间差，在燃气轮机未能开始出力时提前启动储能装置，快速响应电网调峰需求，通过利用燃气轮机的排气余热加热压缩空气，延长压缩空气储能的工作时间，待到燃气轮机启动正常并网，退出储能系统，实现整个系统对电网调峰调频需求的快速响应和保证稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统及方法，当电网产生调峰调频需求时，已有调峰调频燃气轮机组如何快速响应需求进行启动和调整，快速达到电网需求。
本发明的技术方案是：
一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统，它包括燃气轮机燃烧室，所述燃气轮机燃烧室与燃气轮机连接；余热回收装置进口设置排气母管，排气母管上设置第一阀门；燃气轮机与余热回收装置进口排气母管通过管路I连接；燃气轮机与第一换热器通过管路II连接；储能压缩机透平与第一换热器连接；第一换热器与高压储气罐连接；高压储气罐与第二换热器连接；燃气轮机与第二换热器通过管路III连接；第二换热器与储能膨胀机连接；余热回收装置与热量储存单元连接。
燃气轮机与燃气轮发电机连接。
储能膨胀机与储能发电机连接。
储能压缩机透平与储能压缩机电机连接。
燃气轮机与排气母管通过管路I连接，并在管路I上设置第二阀门；燃气轮机与第一换热器通过管路II连接，连接管道上设置有第三阀门；燃气轮机与第二换热器通过管路III连接，管路III上设置有第四阀门；三路管道并入排气母管。
一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统的响应方法，所述方法为:首先启动储能系统满足调峰需求；通过耦合换热器加热，延续压缩空气储能运行时间保证燃机启动需求；当燃气轮机启动正常后，退出储能膨胀机和发电机，压缩机对空气重新进行压缩，通过第一换热器加热后进入高压储气罐，保证储能装置的下一次正常启动。
所述方法的具体步骤包括：
步骤1、储能时，当电网处于波谷期间，储能压缩机电机开始运行，通过带动储能压缩机透平将常温常压的空气压缩成符合储能装置要求的压缩空气，并储存于高压储气罐内；
步骤2、当电网产生调峰调频需求时，释放高压储气罐压缩空气推动储能膨胀机，带动储能发电机做功来首先响应和满足电网调整需求；
步骤3、在启动储能系统的同时，启动燃气轮机燃烧室运行，并带动燃气轮机开始启动；
步骤4、当燃气轮机完成启动后，带动燃气轮发电机运行，此时退出储能膨胀机与储能发电机，储能压缩机透平再次进行空气压缩；开启第三阀门，关闭第四阀门使燃机排气通过管路II→第一加热器→第一逆止门→排气母管→第一阀门进入余热回收装置，并通过第一换热器加热压缩空气；压缩空气被加热后进入高压储气罐，为储能装置的下一次正常启动提供条件；
步骤5、当高压储气罐储存完毕后，开启第二阀门，关闭第三阀门，使燃机排气通过管路I排出。
燃气轮机在启动时，通过打开第一阀门和第二阀门，关闭第三阀门和第四阀门使燃机排气从管路I→排气母管→第一阀门正常排出，压缩空气系统持续供能；当压缩空气温度下降时，开启第四阀门，关闭第二阀门，使燃气轮机的排气通过管路III→第二加热器→第二逆止门→排气母管→第一阀门进入余热回收装置；第二换热器对压缩空气进行加热并维持温度，延长储能装置的运行时间，保证燃气轮机正常启动。
启动阶段的所有燃气尾气，均经过余热回收装置和热量储存单元后，再排入大气。
排气管路配置第一逆止阀和第二逆止阀。
本发明有益效果：
本发明提出了一套新型燃气轮机- -压缩空气储能系统，该系统设置简单，运行切换方便；提出了一种快速响应电网调峰调频的新方法：根据储能系统启动快速、响应特性好的特点，首先启动压缩空气储能系统响应调峰调频需求，随后立即启动燃气轮机；在储能系统响应需求后，使用燃气轮机的排气来提升压缩空气工作温度，延长储能装置工作时间，为燃气轮机的正常启动提供保障；当燃气轮机启动正常后，切除储能装置，由燃气轮机提供能量，保证了系统的快速响应和后续稳定的供能。该方法灵活简单，启动响应速度快，且实现能源和燃料多级利用，能够提升系统能效，同时也达到了减少排放的目的。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统，所述燃气轮机燃烧室1与燃气轮机2连接；余热回收装置11进口设置排气母管，并在排气母管上设置第一阀门13；燃气轮机2与余热回收装置进口排气母管通过管路I连接，燃气轮机排气通过管路I与排气母管直接进入余热回收装置；燃气轮机2与第一换热器7通过管路II连接，燃气轮机的尾气可通过管路II进入第一换热器7加热压缩空气；储能压缩机透平5与第一换热器7连接，压缩后的高温高压空气可进入第一换热器7；第一换热器7与高压储气罐6连接；高压储气罐6与第二换热器8连接；燃气轮机2与第二换热器8通过管路III连接，燃气轮机的尾气可通过管路III进入第二换热器8加热来自高压储气罐6的压缩空气；第二换热器8与储能膨胀机9连接；余热回收装置11与热量储存单元12连接。
燃气轮机2与燃气轮发电机3连接。
储能膨胀机9与储能发电机10连接。
储能压缩机透平5与储能压缩机电机4连接。
燃气轮机2与排气母管通过管路I连接，并在管路I上设置第二阀门14；燃气轮机2与第一换热器7通过管路II连接，连接管道上设置有第三阀门15；燃气轮机2与第二换热器8通过管路III连接，并设置有第四阀门16。三路管道并入排气母管，通过调整第二阀门14、第三阀门15和第四阀门16，控制燃气轮机2排气的流向。
排气管路配置第一逆止阀17和第二逆止阀18，防止排气倒灌；排放尾气进入余热回收装置11后，部分热量储存至热量储存单元12，排放尾气最终排入大气。
所述的一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统的响应方法，通过压缩空气储能系统响应电网调峰特性速度快的特点，首先启动储能系统满足调峰需求；通过耦合换热器加热，延续压缩空气储能运行时间，保证燃机启动需求；当燃气轮机启动正常后，退出储能膨胀机和发电机，压缩机对空气重新进行压缩，通过第一换热器7加热后进入高压储气罐6，保证储能装置的下一次正常启动。
所述方法的具体步骤包括：
步骤1、储能时，当电网处于波谷期间，储能压缩机电机4开始运行，通过带动储能压缩机透平5将常温常压的空气压缩成符合储能装置要求的压缩空气，并储存于高压储气罐6内；
步骤2、当电网产生调峰调频需求时，释放高压储气罐6压缩空气推动储能膨胀机9，带动储能发电机10做功来首先响应和满足电网调整需求；
步骤3、在启动储能系统的同时，启动燃气轮机燃烧室1运行，并带动燃气轮机2开始启动。在启动时，通过打开第一阀门13和第二阀门14，关闭第三阀门15和第四阀门16使燃机排气从管路I→排气母管→第一阀门13正常排出，压缩空气系统持续供能；当压缩空气温度下降时，开启第四阀门16，关闭第二阀门，使燃气轮机的排气通过管路III→第二加热器8→第二逆止门18→排气母管→第一阀门13进入余热回收装置；第二换热器8对压缩空气进行加热并维持温度，延长储能装置的运行时间，保证燃气轮机正常启动；
步骤4、当燃气轮机完成启动后，带动燃气轮发电机3运行，此时退出储能膨胀机9与储能发电机10，储能压缩机透平5再次进行空气压缩；开启第三阀门15，关闭第四阀门16使燃机排气通过管路II→第一加热器7→第一逆止门17→排气母管→第一阀门13进入余热回收装置，并通过第一换热器7加热压缩空气；压缩空气被加热后进入高压储气罐6，为储能装置的下一次正常启动提供条件；
步骤5、当高压储气罐6储存完毕后，开启第二阀门14，关闭第三阀门15，使燃机排气通过管路I排出。
启动阶段的所有燃气尾气，均经过余热回收装置11和热量储存单元12后，再排入大气。

Claims (10)

1.一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统，它包括燃气轮机燃烧室（1），其特征在于：所述燃气轮机燃烧室（1）与燃气轮机（2）连接；余热回收装置（11）进口设置排气母管，排气母管上设置第一阀门（13）；燃气轮机（2）与余热回收装置进口排气母管通过管路I连接；燃气轮机（2）与第一换热器（7）通过管路II连接；储能压缩机透平（5）与第一换热器（7）连接；第一换热器（7）与高压储气罐（6）连接；高压储气罐（6）与第二换热器（8）连接；燃气轮机（2）与第二换热器（8）通过管路III连接；第二换热器（8）与储能膨胀机（9）连接；余热回收装置（11）与热量储存单元（12）连接。
2.根据权利要求1所述的一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统，其特征在于：燃气轮机（2）与燃气轮发电机（3）连接。
3.根据权利要求1所述的一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统，其特征在于：储能膨胀机（9）与储能发电机（10）连接。
4.根据权利要求1所述的一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统，其特征在于：储能压缩机透平（5）与储能压缩机电机（4）连接。
5.根据权利要求1所述的一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统，其特征在于：燃气轮机（2）与排气母管通过管路I连接，并在管路I上设置第二阀门（14）；燃气轮机（2）与第一换热器（7）通过管路II连接，连接管道上设置有第三阀门（15）；燃气轮机（2）与第二换热器（8）通过管路III连接，管路III上设置有第四阀门（16）；三路管道并入排气母管。
6.如权利要求1所述的一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统的响应方法，其特征在于：所述方法为:首先启动储能系统满足调峰需求；通过耦合换热器加热，延续压缩空气储能运行时间保证燃机启动需求；当燃气轮机启动正常后，退出储能膨胀机和发电机，压缩机对空气重新进行压缩，通过第一换热器（7）加热后进入高压储气罐（6），保证储能装置的下一次正常启动。
7.根据权利要求6所述的一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统的响应方法，其特征在于：所述方法的具体步骤包括：
步骤1、储能时，当电网处于波谷期间，储能压缩机电机（4）开始运行，通过带动储能压缩机透平（5）将常温常压的空气压缩成符合储能装置要求的压缩空气，并储存于高压储气罐（6）内；
步骤2、当电网产生调峰调频需求时，释放高压储气罐（6）压缩空气推动储能膨胀机（9），带动储能发电机（10）做功来首先响应和满足电网调整需求；
步骤3、在启动储能系统的同时，启动燃气轮机燃烧室（1）运行，并带动燃气轮机（2）开始启动；
步骤4、当燃气轮机完成启动后，带动燃气轮发电机（3）运行，此时退出储能膨胀机（9）与储能发电机（10），储能压缩机透平（5）再次进行空气压缩；开启第三阀门（15），关闭第四阀门（16）使燃机排气通过管路II→第一加热器（7）→第一逆止门（17）→排气母管→第一阀门（13）进入余热回收装置，并通过第一换热器（7）加热压缩空气；压缩空气被加热后进入高压储气罐（6），为储能装置的下一次正常启动提供条件；
步骤5、当高压储气罐（6）储存完毕后，开启第二阀门（14），关闭第三阀门（15），使燃机排气通过管路I排出。
8.根据权利要求7所述的一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统的响应方法，其特征在于：燃气轮机（2）在启动时，通过打开第一阀门（13）和第二阀门（14），关闭第三阀门（15）和第四阀门（16）使燃机排气从管路I→排气母管→第一阀门（13）正常排出，压缩空气系统持续供能；当压缩空气温度下降时，开启第四阀门（16），关闭第二阀门（14），使燃气轮机的排气通过管路III→第二加热器8→第二逆止门18→排气母管→第一阀门（13）进入余热回收装置；第二换热器（8）对压缩空气进行加热并维持温度，延长储能装置的运行时间，保证燃气轮机正常启动。
9.根据权利要求7所述的一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统的响应方法，其特征在于：启动阶段的所有燃气尾气，均经过余热回收装置（11）和热量储存单元（12）后，再排入大气。
10.根据权利要求1所述的一种快速响应调峰调频需求的燃机与压缩空气耦合系统，其特征在于：排气管路配置第一逆止阀（17）和第二逆止阀（18）。
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