CN114526134B - 基于压缩空气储能发电系统的调相机系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压缩空气储能发电系统的调相机系统及其运行方法，所述系统包括：压缩子系统、膨胀子系统、储气库、液力耦合器和发电机；压缩子系统包括压缩机和压缩侧换热器，压缩机吸入空气进行压缩得到高压气体，高压气体输入压缩侧换热器进行冷却后输入储气库；膨胀子系统包括透平机和膨胀侧换热器，储气库储存的高压气体输入膨胀侧换热器进行加热后输入透平机，高温高压气体进入透平机膨胀做功，透平机输出轴连接液力耦合器的输入端，液力耦合器的输出端连接发电机的输入端。本发能够改善电网无功功率支撑能力不足现象，能够保留机组原有的发电功能，又能够兼具调相机功能。
Description
技术领域
本发明涉及基于压缩空气储能发电系统的调相机系统及其运行方法，属于压缩空气储能系统技术领域。
背景技术
现代电力系统中，大部分负载(如电动机、变压器等)都是感性负载，要从电源或电网吸收感性(滞后)无功功率，从而造成发电机励磁损耗增大、出力降低，并降低输电线路输电能力，降低输电质量和增大输电损耗。因此，必须在输电线路中加装容性无功设备，用容性无功补偿感性无功。在长距离高压输电系统中，由于输电线对地电容产生的容性无功功率很大，可能大于电抗消耗的无功功率，致使电压上升，危及设备和系统的安全。为了保持输电线路的无功平衡，需要在线路中装设并联电抗器或其他感性无功设备，用感性无功补偿容性无功。近年来，电力系统中由于非线性负我和新能源电源的接入，电能质量有劣化的趋势，因此也需装设无功补偿设备改善电能质量和降低电能损耗。
目前，电力系统中常用无功补偿方式有同步调相机、机械投切电容器、机械投切电抗器、晶闸管投切电容器、晶闸管控制电抗器、静止无功补偿器和静止无功发生器，现有技术包括CN202020848967.6及CN202010680265.6等各类调相机技术均需新建，且面临着运行维护工作量大，投资高等问题。
压缩空气储能是一种间接性、大型储能技术，它在电网负荷低谷期间，通过压缩机压缩空气存储电能，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。在3060双碳目标背景下，压缩空气储因其本身大容量、效率高、启动快、相应灵活等特点颇具应用前景。我国的压缩空气储能研究工作较国外起步较晚，
目前，已涌现多支颇具影响力的研发团队，多项国家示范工程有序推进，部分试验系统已开花结果。2017年5月，国家能源局批复立项我国首个AA-CAES国家示范电站——江苏金坛盐穴压缩空气储能发电系统国家示范项目；2018年3月，国家能源局《2018年能源工作指导意见》指出，积极推进江苏金坛压缩空气储能项目，研究推进100MW压缩空气储能电站。2021年9月30日，金坛盐穴压缩空气储能国家试验示范项目成功并网试验，预示着压缩空气储能电站商业化运行更近一步。根据压缩空气储能电站的运行特性可知，系统整体分为储能和释能两个过程，时间一般为8h/5h。因此，压缩空气储能电站存在间隙运行的特点，膨胀侧仅在释能过程运行，非释能阶段透平及发电机处于盘车状态，未得到充分利用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供基于压缩空气储能发电系统的调相机系统及其运行方法，能够驱动发电机冲转并网，利用液力耦合器将发电机与透平机脱开运行，通过调节励磁系统使得发电机以调相机模式向电网输送无功功率，改善电网无功功率支撑能力不足现象，能够保留机组原有的发电功能，又能够兼具调相机功能。为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种基于压缩空气储能发电系统的调相机系统，包括：压缩子系统、冷热循环子系统、膨胀子系统、储气库、液力耦合器和发电机；
所述储气库的输入端通过气体管道与压缩子系统的输出端连接，所述储气库的输出端通过气体管道与所述膨胀子系统的输入端连接；所述膨胀子系统的输出端通过轴依次与液力耦合器、发电机连接；
所述压缩子系统包括压缩机和压缩侧换热器，所述压缩机吸入空气进行压缩得到高压气体，高压气体输入所述压缩侧换热器进行冷却后输入所述储气库；
所述膨胀子系统包括透平机和膨胀侧换热器，所述储气库储存的高压气体输入所述膨胀侧换热器进行加热后输入所述透平机，高温高压气体进入所述透平机膨胀做功，做功后的冷空气排入大气；
所述透平机输出轴连接所述液力耦合器的输入端，所述液力耦合器的输出端连接所述发电机的输入端，所述液力耦合器用于调节透平机与发电机之间的转速关系；
所述冷热循环子系统一端连接所述压缩侧换热器吸收压缩侧的热量，另一端连接所述膨胀侧换热器提供膨胀侧需要的热量。
结合第一方面，优选地，所述透平机和所述发电机采用同轴布置。
结合第一方面，进一步地，所述压缩侧换热器和所述膨胀侧换热器采用卧式管壳式散热器，换热器管侧循环工质为压缩空气，壳侧循环工质为储热介质。
结合第一方面，优选地，所述压缩侧换热器的管侧出口与储气库进口连接的管道上设有隔断阀。
结合第一方面，进一步地，所述储热介质采用带压水。
结合第一方面，优选地，所述带压水的压力为1MPa。
结合第一方面，进一步地，所述冷热循环子系统包括低温侧循环水泵、高温侧循环水泵、高温储热罐和低温储热罐，
所述低温侧循环水泵的输入端连接低温储热罐，低温侧循环水泵输出端连接压缩侧换热器的壳侧进口，将低温储热介质输入压缩侧换热器壳侧，与管侧的压缩空气进行热交换，所述压缩侧换热器的壳侧出口连接所述高温储热罐的进口；所述高温储热罐出口连接所述高温侧循环水泵的输入端，所述高温侧循环水泵的输出端连接膨胀侧换热器的壳侧进口，将高温储热介质输入膨胀侧换热器壳侧，与管侧的压缩空气进行热交换，所述膨胀侧换热器的壳侧出口连接所述低温储热罐的进口。
结合第一方面，优选地，所述膨胀侧换热器的管侧进口与储气库出口连接的管道上设有隔断阀。
结合第一方面，进一步地，所述压缩机、所述压缩侧换热器、所述透平机、所述膨胀侧换热器和所述发电机的级数根据储气库边界参数进行选择，采用一级或者多级。
结合第一方面，进一步地，所述膨胀子系统还包括调节阀，所述调节阀设于所述膨胀侧换热器与所述透平机之间的气体管路上。
结合第一方面，优选地，所述调节阀的入口处设有隔断阀。
第二方面，基于第一方面的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机系统运行方法，包括：
所述压缩子系统和储气库为膨胀子系统提供高压气体；
所述膨胀子系统以高压空气为工作介质，调节发电机转速，向电网输送无功功率。
结合第二方面，进一步地，当发电机从盘车工况进入调相工况：
逐渐开启透平机前的调节阀，使透平机带动发电机运转，当发电机转速达到3000转/分钟，发电机同期并网，并网后调节励磁系统，向电网提供无功功率；调节液力耦合器使发电机与透平机脱开，逐步关闭透平机前的调节阀，透平机缓慢惰走至盘车状态。
结合第二方面，优选地，发电机与透平机脱开过程中需要全程监控透平机转速，规避透平机超速引发安全事故。
结合第二方面，进一步地，当发电机从调相工况进入负荷工况：
逐渐开启透平机前的调节阀，使透平机转速达到3000转/分钟，调节液力耦合器使透平机与发电机实现同速运行，由DEH控制机组提高发电机功率，使发电机功率逐渐提升至额定负荷。
结合第二方面，进一步地，当发电机从负荷工况进入调相工况：
逐步关闭透平机前的调节阀，当发电机负荷降至1％以内后，调节液力耦合器使得透平机与发电机脱开，逐渐关闭透平机前的调节阀，使透平惰走至盘车状态，发电机仍处于并网状态，调节励磁系统向电网输送无功功率。
与现有技术相比，本发明实施例所提供的基于压缩空气储能发电系统的调相机系统及其运行方法，所达到的有益效果包括：
本发明包括：压缩子系统、冷热循环子系统、膨胀子系统、储气库、液力耦合器和发电机；压缩子系统包括压缩机和压缩侧换热器，压缩机吸入空气进行压缩得到高压气体，高压气体输入压缩侧换热器进行冷却后输入储气库；膨胀子系统包括透平机和膨胀侧换热器，储气库储存的高压气体输入膨胀侧换热器进行加热后输入透平机，高温高压气体进入透平机膨胀做功，做功后的冷空气排入大气；透平机输出轴连接液力耦合器的输入端，液力耦合器的输出端连接发电机的输入端，液力耦合器用于调节透平机与发电机之间的转速关系；膨胀子系统以高压空气为工作介质，对环境无污染影响；本发明能够驱动发电机冲转并网，利用液力耦合器将发电机与透平机脱开运行，通过调节励磁系统使得发电机以调相机模式向电网输送无功功率，改善电网无功功率支撑能力不足现象，能够用于改善功率因数、降低网络损耗、调节地区电压、提高电压稳定水平。相比于电容器等常规静态无功补偿装置，动态无功补偿设备不受电压约束，响应速率快，可进一步提高暂态电压稳定性；
本发明采用冷热循环子系统连接压缩侧换热器吸收压缩侧的热量，连接膨胀侧换热器提供膨胀侧需要的热量；本发明能够循环利用热量；
本发明能够保留机组原有的发电功能，又能够兼具调相机功能；通过对绝热压缩空气储能系统改造，使其成为具备参与电网调相过程的新型调相机系统，有效缓解国内电网长距离输送过程中大容量交直流并列运行造成的的电网动态无功支撑能力不足的现象；通过将压缩空气储能系统改造，使其具备调相功能，实现压缩空气储能系统非负荷工况的高效利用，促进了压缩空气储能系统的优化升级，为压缩空气储能系统在以新能源为主体的新型电力系统中大规模推广应用创造了有利条件。
附图说明
图1是本发明提供的基于压缩空气储能发电系统的调相机系统的示意图。
图中：
100、压缩机；
200、透平机；
301、压缩侧换热器；302、膨胀侧换热器；
401、低温侧循环水泵；402、高温侧循环水泵；
501、高温储热罐；502、低温储热罐；
601、储气库；
701、液力耦合器；
801、调节阀；802、隔断阀A；803、隔断阀B；804、隔断阀C；
901、发电机。
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。
实施例一：
如图1所示，一种基于压缩空气储能发电系统的调相机系统，包括压缩子系统、冷热循环子系统、膨胀子系统、储气库601、液力耦合器701、发电机901、调节阀801；隔断阀A802、隔断阀B 803和隔断阀C 804。压缩子系统包括压缩机100和压缩侧换热器301。膨胀子系统包括透平机200和膨胀侧换热器302。冷热循环子系统包括低温侧循环水泵401、高温侧循环水泵402、高温储热罐501和低温储热罐502。
压缩侧换热器301和膨胀侧换热器302采用卧式管壳式散热器，换热器壳侧循环工质为压缩空气，管侧循环工质为储热介质。采用带压水作为储热介质，带压水的压力为1MPa。采用带压水对换热器材质要求低，投资成本低。
压缩子系统以空气作为工作介质。压缩机100出口与压缩侧换热器301的管侧进口相连，压缩侧换热器301管侧出口与储气库601连接，中间设有隔断阀B 803。压缩机100吸入来自大气环境中的空气，经压缩机100多级压缩后，经压缩侧换热器301冷却，冷却后的高压空气经隔断阀B 803送入储气库601储存，输入的压缩空气用于建立储气库601压缩空气压力，为膨胀子系统提供高压的工作介质。
膨胀子系统以高压空气为工作介质。储气库601出口与膨胀侧换热器302的管侧进口相连，中间设置有隔断阀C 804，膨胀侧换热器302管侧出口与透平机200进口相连，中间设有隔断阀A 802和调节阀801，透平机200通过轴与液力耦合器701相连，液力耦合器701通过轴与发电机901相连。储气库601储存的高压气体经隔断阀C 804送入膨胀侧换热器302加热，加热后依次经过隔断阀A 802和调节阀801输入透平机200。高温高压气体进入透平机200膨胀做功，做功后的冷空气排入大气，对环境无污染影响。液力耦合器701用于调节透平机200与发电机901之间的转速关系。
冷热循环子系统以带压水作为工作介质。低温侧储热罐出口与低温侧循环水泵401进口相连，低温侧循环水泵401出口与压缩侧换热器301壳侧进口相连，压缩侧换热器301壳侧出口与高温侧储热罐进口相连接，高温侧储热罐出口与高温侧循环水泵402进口相连接，高温侧循环水泵402出口与膨胀侧换热器302壳侧进口相连，膨胀侧换热器302壳侧出口与低温侧储热罐进口相连。压缩子系统运行时，低温储热罐502中的水经低温侧循环水泵401升压后，送入压缩侧换热器301与高温空气换热，受热后进入高温储热罐501存储。膨胀子系统运行时，高温储热罐501中的热水经高温侧循环水泵402升压后送入膨胀侧换热器302，加热由储气库601输送过来的冷空气，温度降低后进入低温储热罐502。
需要说明的是，压缩机100、压缩侧换热器301、所平机、膨胀侧换热器302和发电机901的级数根据储气库601边界参数进行选择。能够采用一级或者多级，不局限于图中的一级。
本发明通过对绝热压缩空气储能系统改造，使其成为具备参与电网调相过程的新型调相机系统，有效缓解国内电网长距离输送过程中大容量交直流并列运行造成的电网动态无功支撑能力不足的现象。
本发明通过将压缩空气储能系统改造，使其具备调相功能，实现压缩空气储能系统非负荷工况的高效利用，促进了压缩空气储能系统的优化升级，为压缩空气储能系统在新型电力系统的大规模推广应用创造了有利条件。
实施例二：
基于实施例一的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机系统运行方法，包括：
压缩子系统和储气库610为膨胀子系统提供高压气体；
膨胀子系统以高压空气为工作介质，调节发电机901转速，向电网输送无功功率。
具体运行方法包括：
运行方式1，当发电机901从盘车工况进入调相工况：
逐渐开启透平机200前的调节阀801，使透平机200带动发电机901运转，当发电机901转速达到3000转/分钟，发电机901同期并网，并网后调节励磁系统，向电网提供无功功率；调节液力耦合器701使发电机901与透平机200脱开，逐步关闭透平机200前的调节阀801，透平机200缓慢惰走至盘车状态。
需要指明的是，发电机901与透平机200脱开过程中需要全程监控透平机200转速，规避透平机200超速引发安全事故。
运行方式2，当发电机901从调相工况进入负荷工况：
逐渐开启透平机200前的调节阀801，使透平机200转速达到3000转/分钟，调节液力耦合器701使透平机200与发电机901实现同速运行，由DEH控制机组提高发电机901功率，使发电机901功率逐渐提升至额定负荷。
运行方式3，当发电机901从负荷工况进入调相工况：
逐步关闭透平机200前的调节阀801，当发电机901负荷降至1％以内后，调节液力耦合器701使得透平机200与发电机901脱开，逐渐关闭透平机200前的调节阀801，使透平惰走至盘车状态，发电机901仍处于并网状态，调节励磁系统向电网输送无功功率。
本发明的基于绝热压缩空气储能发电系统的新型调相机系统基于励磁系统调节进行无功补偿，能快速向电网提供无极连续调节的容性或感性无功，可用于改善功率因数、降低网络损耗、调节地区电压、提高电压稳定水平。相比于电容器等常规静态无功补偿装置，动态无功补偿设备不受电压约束，响应速率快，可进一步提高暂态电压稳定性。
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 (6)
1.一种基于压缩空气储能发电系统的调相机系统，其特征在于，包括：压缩子系统、冷热循环子系统、膨胀子系统、储气库、液力耦合器和发电机；
所述储气库的输入端通过气体管道与压缩子系统的输出端连接，所述储气库的输出端通过气体管道与所述膨胀子系统的输入端连接；所述膨胀子系统的输出端通过轴依次与液力耦合器、发电机连接；
所述压缩子系统包括压缩机和压缩侧换热器，所述压缩机吸入空气进行压缩得到高压气体，高压气体输入所述压缩侧换热器进行冷却后输入所述储气库；
所述膨胀子系统包括透平机和膨胀侧换热器，所述储气库储存的高压气体输入所述膨胀侧换热器进行加热后输入所述透平机，高温高压气体进入所述透平机膨胀做功，做功后的冷空气排入大气；
所述透平机输出轴连接所述液力耦合器的输入端，所述液力耦合器的输出端连接所述发电机的输入端，所述液力耦合器用于调节透平机与发电机之间的转速关系；
所述冷热循环子系统一端连接所述压缩侧换热器吸收压缩侧的热量，另一端连接所述膨胀侧换热器提供膨胀侧需要的热量；
所述压缩子系统和储气库为膨胀子系统提供高压气体；
所述膨胀子系统以高压空气为工作介质，调节发电机转速，向电网输送无功功率；
当发电机从盘车工况进入调相工况：
逐渐开启透平机前的调节阀，使透平机带动发电机运转，当发电机转速达到3000转/分钟，发电机同期并网，并网后调节励磁系统，向电网提供无功功率；调节液力耦合器使发电机与透平机脱开，逐步关闭透平机前的调节阀，透平机缓慢惰走至盘车状态；
当发电机从调相工况进入负荷工况：
逐渐开启透平机前的调节阀，使透平机转速达到3000转/分钟，调节液力耦合器使透平机与发电机实现同速运行，由DEH控制机组提高发电机功率，使发电机功率逐渐提升至额定负荷；
当发电机从负荷工况进入调相工况：
逐步关闭透平机前的调节阀，当发电机负荷降至1%以内后，调节液力耦合器使得透平机与发电机脱开，逐渐关闭透平机前的调节阀，使透平惰走至盘车状态，发电机仍处于并网状态，调节励磁系统向电网输送无功功率。
2.根据权利要求1所述的基于压缩空气储能发电系统的调相机系统，其特征在于，所述压缩侧换热器和所述膨胀侧换热器采用卧式管壳式散热器，换热器管侧循环工质为压缩空气，壳侧循环工质为储热介质。
3.根据权利要求2所述的基于压缩空气储能发电系统的调相机系统，其特征在于，所述储热介质采用带压水。
4.根据权利要求2所述的基于压缩空气储能发电系统的调相机系统，其特征在于，所述冷热循环子系统包括低温侧循环水泵、高温侧循环水泵、高温储热罐和低温储热罐，
所述低温侧循环水泵的输入端连接低温储热罐，低温侧循环水泵输出端连接压缩侧换热器的壳侧进口，将低温储热介质输入压缩侧换热器壳侧，与管侧的压缩空气进行热交换，所述压缩侧换热器的壳侧出口连接所述高温储热罐的进口；所述高温储热罐出口连接所述高温侧循环水泵的输入端，所述高温侧循环水泵的输出端连接膨胀侧换热器的壳侧进口，将高温储热介质输入膨胀侧换热器壳侧，与管侧的压缩空气进行热交换，所述膨胀侧换热器的壳侧出口连接所述低温储热罐的进口。
5.根据权利要求1所述的基于压缩空气储能发电系统的调相机系统，其特征在于，所述压缩机、所述压缩侧换热器、所述透平机、所述膨胀侧换热器和所述发电机的级数根据储气库边界参数进行选择，采用一级或者多级。
6.根据权利要求1所述的基于压缩空气储能发电系统的调相机系统，其特征在于，所述膨胀子系统还包括调节阀，所述调节阀设于所述膨胀侧换热器与所述透平机之间的气体管路上。
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