CN114542220A - 一种基于压缩空气储能发电系统的调相机及其运行方法 - 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,包括：压缩子系统，压缩子系统用于提取大气环境中的空气经多级压缩后形成高压空气，并将高压空气进行储存；冷热循环子系统内存有带压水，用于将带压水进行加热后输出热水与高压空气进行热交换，热水放热后进行循环加热，与高压空气进行热交换输出高压热空气；膨胀子系统设有透平机，透平机以高压热空气为工作介质，高压热空气进入透平机膨胀做功，透平机用于为发电机提供驱动力。通过压缩空气储能透平驱动发电机冲转至额定转速，同期并网，发电机并网后通过调节发电机励磁系统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，同时，透平机提供并网调相运行模式下所需的驱动力。
Description
技术领域
本发明属于压缩空气储能系统领域，具体涉及一种基于压缩空气储能发电系统的调相机及其运行方法。
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CN110718923B及CN107976980B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。因此，压缩空气储能电站存在间隙性发电的特点，即存在负荷时间段和非负荷时间段，非负荷时间段机组处于盘车状态，未得到有效利用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于压缩空气储能发电系统的调相机及其运行方法，通过压缩空气储能透平驱动发电机冲转至额定转速，同期并网，发电机并网后通过调节发电机励磁系统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，同时，透平机提供并网调相运行模式下所需的驱动力。
为解决现有技术问题，本发明公开了一种基于压缩空气储能发电系统的调相机,包括：
压缩子系统，用于将空气经多级压缩后形成高压空气；
冷热循环子系统，内存有带压水，所述冷热循环子系统用于将带压水进行循环加热与高压空气进行热交换，输出高压热空气；
膨胀子系统，设有透平机，所述透平机以冷热循环子系统输出的高压热空气为工作介质进行膨胀做功，为发电机提供驱动力。
进一步地，所述压缩子系统包括压缩机和储气库，所述压缩机用于提取大气环境中的空气进行压缩形成高压空气，所述储气库用于储存高压空气。
进一步地，所述冷热循环子系统包括低温侧储热罐、低温侧循环水泵、高温侧储热罐、高温侧循环水泵、压缩侧换热器和膨胀侧换热器，低温侧储热罐的出口与低温侧循环水泵的进口连接，低温侧循环水泵的出口与压缩侧换热器的管侧进口连接，压缩侧换热器的壳侧进口与压缩机的出口连接，压缩侧换热器的壳侧出口与储气库连接，压缩侧换热器的管侧出口与高温侧储热罐进口连接，高温侧储热罐的出口与高温侧循环水泵的进口连接，高温侧循环水泵的出口与膨胀侧换热器的管侧进口连接，膨胀侧换热器的管侧出口与低温侧储热罐的进口连接，膨胀侧换热器的壳侧进口与储气库连接。
进一步地，所述膨胀子系统还包括用于调节所述透平机进气量的调节阀，所述透平机通过调节阀连接膨胀侧换热器的壳侧出口。
进一步地，所述压缩侧换热器与储气库之间设有隔断阀B。
进一步地，所述膨胀侧换热器与储气库之间设有隔断阀C。
进一步地，所述调节阀与膨胀侧换热器之间设有隔断阀A。
相应地，一种基于压缩空气储能发电系统的调相机的运行方法，包括以下步骤：
S1、通过压缩机提取大气环境中的空气进行压缩形成高压空气，高压空气通过压缩侧换热器进行换热后输出高压冷空气并在压缩侧换热器内形成高温空气，高压冷空气进入储气库储存；
S2、将低温侧储热罐中的带压水经低温侧循环水泵加压后进入压缩侧换热器与高温空气换热后向高温侧储热罐输入热水，热水经高温侧循环水泵加压进入膨胀侧换热器；
S3、热水在膨胀侧换热器中与储气库输入膨胀侧换热器的高压冷空气进行热交换后形成高压热空气和冷水，冷水输入低温侧储热罐重复步骤S2，高压热空气进入透平机，高压热空气进入透平机膨胀做功为发电机提供驱动力，通过调节阀调节透平机的进气量来控制透平机的转速。
进一步地，步骤S3中通过调节阀控制透平机拖动发电机冲转至3000转/分钟，发电机同期并网，并网后调节励磁系统使发电机以调相工况开始向电网提供无功功率。
进一步地，当发电机以调相工况开始向电网提供无功功率时，逐步开大调节阀，发电机组进入升负荷阶段，励磁系统依据电网负荷指令进行相应调整，发电机组向电网输送有功功率；逐步关小调节阀，发电机组进入降负荷阶段，励磁系统依据电网负荷指令进行相应调整，发电机组负荷降至5%以内，调节发电机励磁系统使发电机组向电网输送无功功率。
本发明具有的有益效果：
本发明通过压缩空气储能透平驱动发电机冲转至额定转速，同期并网，发电机并网后通过调节发电机励磁系统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，同时，透平机提供并网调相运行模式下所需的驱动力，提升压缩空气储能为电网提供辅助服务的能力。
附图说明
图1为本发明优选实施例的结构示意图。
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、发电机，801、调节阀，802、隔断阀A，803、隔断阀B，804、隔断阀C。
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，本发明的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机，包括：
压缩子系统，所述压缩子系统用于提取大气环境中的空气经多级压缩后形成高压空气，并将高压空气进行储存；所述压缩子系统包括压缩机100和储气库601，所述压缩机100用于提取大气环境中的空气进行压缩形成高压空气，所述储气库601用于储存高压空气。
冷热循环子系统，所述冷热循环子系统内存有带压水，所述冷热循环子系统用于将带压水进行加热后输出热水与高压空气进行热交换，热水放热后进行循环加热，与高压空气进行热交换输出高压热空气；所述冷热循环子系统包括低温侧储热罐502、低温侧循环水泵401、高温侧储热罐501、高温侧循环水泵402、压缩侧换热器301和膨胀侧换热器302，低温侧储热罐502的出口与低温侧循环水泵401的进口连接，低温侧循环水泵401的出口与压缩侧换热器301的管侧进口连接，压缩侧换热器301的壳侧进口与压缩机100的出口连接，压缩侧换热器301的壳侧出口与储气库601连接，压缩侧换热器301的管侧出口与高温侧储热罐501进口连接，高温侧储热罐501的出口与高温侧循环水泵402的进口连接，高温侧循环水泵402的出口与膨胀侧换热器302的管侧进口连接，膨胀侧换热器302的管侧出口与低温侧储热罐502的进口连接，膨胀侧换热器302的壳侧进口与储气库601连接。压缩侧换热器301和膨胀侧换热器302均采用卧式管壳式换热器，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，采用带压水对换热器材质要求低，投资成本低。
膨胀子系统，所述膨胀子系统设有透平机200，所述透平机200以高压热空气为工作介质，高压热空气进入透平机200膨胀做功，做功后的冷空气排入大气，对环境无污染影响。透平与发电机采用同轴布置，所述透平机200用于为发电机提供驱动力。所述膨胀子系统还包括用于调节所述透平机200进气量的调节阀801，所述透平机200通过调节阀801连接膨胀侧换热器302的壳侧出口。
压缩机100、透平机200及对应的换热器级数根据储气库601边界参数进行选择，可采用一级或者多级，不局限于一级
所述压缩侧换热器301与储气库601之间设有隔断阀B803；所述膨胀侧换热器302与储气库601之间设有隔断阀C804；所述调节阀801与膨胀侧换热器302之间设有隔断阀A802；用于隔断对应的管路。
实施例二:
本发明的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机的运行方法，可以采用实施例一所述的调相机实现,包括以下步骤：
S1、通过压缩机提取大气环境中的空气进行压缩形成高压空气，高压空气通过压缩侧换热器进行换热后输出高压冷空气并在压缩侧换热器内形成高温空气，高压冷空气进入储气库储存；
S2、低温侧储热罐存有带压水，带压水经低温侧循环水泵加压后进入压缩侧换热器与高温空气换热后向高温侧储热罐输入热水，热水经高温侧循环水泵加压进入膨胀侧换热器；
S3、热水在膨胀侧换热器中与储气库输入膨胀侧换热器的高压冷空气进行热交换后形成高压热空气和冷水，冷水输入低温侧储热罐重复步骤S2，高压热空气进入透平机，高压热空气进入透平机膨胀做功为发电机提供驱动力，通过调节阀调节透平机的进气量来控制透平机的转速。
其中步骤S3中通过调节阀801控制透平机200拖动发电机冲转至3000转/分钟，发电机同期并网，并网后调节励磁系统使发电机以调相工况开始向电网提供无功功率；
当发电机以调相工况开始向电网提供无功功率时，逐步开大调节阀，发电机组进入升负荷阶段，励磁系统依据电网负荷指令进行相应调整，发电机组向电网输送有功功率；逐步关小调节阀，发电机组进入降负荷阶段，励磁系统依据电网负荷指令进行相应调整，发电机组负荷降至5%以内，调节发电机励磁系统使发电机组向电网输送无功功率。
实例三
本发明实施例提供一种基于压缩空气储能发电系统的调相机的运行方法,其与实施例二的不同之处在于,在盘车工况至调相工况下：逐步开启调节阀801使透平机200拖动发电机冲转至3000转/分钟，发电机同期并网，并网后调节励磁系统使发电机以调相模式开始向电网提供无功功率，透平机200及发电机轴系维持并网运行的驱动力由调节阀801来控制空气透平的进气量。
实例四
本发明实施例提供一种基于压缩空气储能发电系统的调相机的运行方法,其与实施例二的不同之处在于,在调相工况至负荷工况下：逐步开大调节阀801，机组进入升负荷阶段，励磁系统依据电网负荷指令进行相应调整，机组向电网输送时有功功率。
实例五
本发明实施例提供一种基于压缩空气储能发电系统的调相机的运行方法,其与实施例二的不同之处在于,在负荷工况至调相工况下：逐步关小调节阀801，机组进入降负荷阶段，励磁系统依据电网负荷指令进行相应调整，机组负荷降至5%以内，调节发电机励磁系统使机组向电网输送无功功率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。同时在本发明的描述中，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”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设备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。且在本发明的附图中，填充图案只是为了区别图层，不做其他任何限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于压缩空气储能发电系统的调相机，其特征在于,包括：
压缩子系统，用于将空气经多级压缩后形成高压空气；
冷热循环子系统，内存有带压水，所述冷热循环子系统用于将带压水进行循环加热与高压空气进行热交换，输出高压热空气；
膨胀子系统，设有透平机（200），所述透平机（200）以冷热循环子系统输出的高压热空气为工作介质进行膨胀做功，为发电机提供驱动力。
2.根据权利要求1所述的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机，其特征在于：
所述压缩子系统包括压缩机（100）和储气库（601），所述压缩机（100）用于提取大气环境中的空气进行压缩形成高压空气，所述储气库（601）用于储存高压空气。
3.根据权利要求2所述的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机，其特征在于：
所述冷热循环子系统包括低温侧储热罐（502）、低温侧循环水泵（401）、高温侧储热罐（501）、高温侧循环水泵（402）、压缩侧换热器（301）和膨胀侧换热器（302），低温侧储热罐（502）的出口与低温侧循环水泵（401）的进口连接，低温侧循环水泵（401）的出口与压缩侧换热器（301）的管侧进口连接，压缩侧换热器（301）的壳侧进口与压缩机（100）的出口连接，压缩侧换热器（301）的壳侧出口与储气库（601）连接，压缩侧换热器（301）的管侧出口与高温侧储热罐（501）进口连接，高温侧储热罐（501）的出口与高温侧循环水泵（402）的进口连接，高温侧循环水泵（402）的出口与膨胀侧换热器（302）的管侧进口连接，膨胀侧换热器（302）的管侧出口与低温侧储热罐（502）的进口连接，膨胀侧换热器（302）的壳侧进口与储气库（601）连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机，其特征在于：
所述膨胀子系统还包括用于调节所述透平机（200）进气量的调节阀（801），所述透平机（200）通过调节阀（801）连接膨胀侧换热器（302）的壳侧出口。
5.根据权利要求3所述的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机，其特征在于：
所述压缩侧换热器（301）与储气库（601）之间设有隔断阀B（803）。
6.根据权利要求3所述的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机，其特征在于：
所述膨胀侧换热器（302）与储气库（601）之间设有隔断阀C（804）。
7.根据权利要求4所述的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机，其特征在于：
所述调节阀（801）与膨胀侧换热器（302）之间设有隔断阀A（802）。
8.根据权利要求4所述的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过压缩机提取大气环境中的空气进行压缩形成高压空气，高压空气通过压缩侧换热器进行换热后输出高压冷空气并在压缩侧换热器内形成高温空气，高压冷空气进入储气库储存；
S2、将低温侧储热罐中的带压水经低温侧循环水泵加压后进入压缩侧换热器与高温空气换热后向高温侧储热罐输入热水，热水经高温侧循环水泵加压进入膨胀侧换热器；
S3、热水在膨胀侧换热器中与储气库输入膨胀侧换热器的高压冷空气进行热交换后形成高压热空气和冷水，冷水输入低温侧储热罐重复步骤S2，高压热空气进入透平机，高压热空气进入透平机膨胀做功为发电机提供驱动力，通过调节阀调节透平机的进气量来控制透平机的转速。
9.根据权利要求8所述的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机的运行方法，其特征在于，步骤S3中通过调节阀（801）控制透平机（200）拖动发电机冲转至3000转/分钟，发电机同期并网，并网后调节励磁系统使发电机以调相工况开始向电网提供无功功率。
10.根据权利要求9所述的一种基于压缩空气储能发电系统的调相机的运行方法，其特征在于，当发电机以调相工况开始向电网提供无功功率时，逐步开大调节阀，发电机组进入升负荷阶段，励磁系统依据电网负荷指令进行相应调整，发电机组向电网输送有功功率；逐步关小调节阀，发电机组进入降负荷阶段，励磁系统依据电网负荷指令进行相应调整，发电机组负荷降至5%以内，调节发电机励磁系统使发电机组向电网输送无功功率。
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