CN114810351A - 一种耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统及控制方法，系统包括高压储气系统、换热系统、综合供气系统及燃机系统；燃机系统中的压气机室入口处和出口出分别设置全角度进口可调导叶和压气机出口调节挡板，压气机出口调节挡板连接有压气机出口调节挡板控制阀；燃机系统中设置压气机防喘振阀；综合供气系统中设置储气罐、低温供气段、中温供气段和高温供气段；换热系统吸收高温高压空气热量并存储，再将热量放出至高压空气，通过综合供气系统出口输送至燃机系统；实现了燃机压气机的减负荷甚至零出力运行，有效降低压气机的功耗，在用电高峰期将外部储存的高压气体送入燃烧室进行消纳，实现了调峰‑储能‑发电的综合利用。

Description

一种耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统及控制方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体为一种耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统及控制方法。

背景技术

各类储能技术快速发展，其中以压缩空气储能技术为代表的新型储能型式以其储能容量大、充能周期长、系统效率高、运行寿命长、比投资小等优点，近些年得到快速发展。而大规模的压缩空气储能技术必然带了大量的高压储气，高压储气的合理高效消纳也成为一项难题。

另外燃机系统由于运行灵活，响应速率快，已经被广泛的应用在与储能系统的结合中。燃机系统中压气机转子、透平转子和发电机转子同轴刚性布置，其中压气机的功耗占据整个机组功耗的50％～60％，同时压气机出口的温度与压力具有强耦合关系，过高的出口温度将限制燃机带高负荷的能力。因此如何有效降低压气机的功耗，同时实现压气机出口温度与压力的解耦，进一步提升燃机的热效率，也成为未来需要突破的一个关键技术。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种耦合储能系统且压缩空气流量可调的燃机系统及控制方法；在压气机入口采用全角度进口可调导叶，压气机出口设置调节挡板，从而实现对压气机出口流量的调节，高压储气系统即可实现从现有燃机系统抽取高压空气存储，同时还可以将外部存储的高压气源进行消纳、降低燃机本身的功耗；换热系统将压气机在压缩过程产生的热量进行存储，通过对热量的优化管理实现温度-压力解耦；综合供气系统可根据燃机不同的用气需求提供低温/中温/高温的压缩空气气源。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统，包括高压储气系统、换热系统、综合供气系统及燃机系统；燃机系统中的压气机室入口处设置全角度进口可调导叶，所述压气机室出口与燃烧室之间设置压气机出口调节挡板，压气机出口调节挡板连接有压气机出口调节挡板控制阀；燃机系统中的压气机室与燃烧室连通的外部管道上设置压气机防喘振阀；综合供气系统中设置储气罐、低温供气段、中温供气段和高温供气段；换热系统包括依次连接的低温介质容器、第一换热器、高温介质容器、第二换热器，第二换热器的热侧出口连接低温介质容器；第一换热器的热侧出口连接储气罐，压气机室出口处设排气口，所述排气口连接第一换热器的热侧入口；储气罐的供气出口分别连接第二换热器的冷侧入口、中温供气段和低温供气段，第二换热器的冷侧出口分别连接中温供气段和高温供气段；高温供气段、中温供气段和低温供气段出口均连接燃机系统中的燃烧室。

低温介质容器的出口设置低温介质输送装置，高温介质容器的出口设置高温介质输送装置。

储气罐的出口设置供气调节阀，所述供气阀的阀后至中温供气段设置冷气调节阀，所述排气口至第一换热器的热侧设置调节阀，低温供气段、中温供气段和高温供气段的出口分别设置低温段供气流量调节阀、中温段供气流量调节阀和高温段供气流量调节阀；低温供气段、中温供气段和高温供气段均设置有温度测点。

压气机室入口处设置流量监测装置，所述流量监测装置、全角度进口可调导叶的控制端、压气机出口调节挡板控制阀的控制端连接控制中心，压气机防喘振阀的控制端连接至控制中心。

低温段供气流量调节阀、中温段供气流量调节阀、高温段供气流量调节阀以及冷气调节阀的阀门执行机构控制信号输入端连接控制中心；所述温度测点均连接控制中心。

储气罐还连接有外部储气系统，外部储气系统至储气罐的入口设置阀门。

换热系统中的工作介质为熔盐、导热油或固体可输送颗粒。

本发明所述耦合储能系统且压缩流量可调燃机系统的控制方法，储能阶段：在电网供电量富裕需要削峰时段，逐步关小压气机出口调节挡板控制阀，维持压气机全角度进口可调导叶在最大开度0°，对应的全开位置，压气机防喘振阀处于全关，压气机处于全流量工作状态，低温介质经第一换热器与高温高压气体换热后进入高温介质容器，高温高压空气从压气机室排出进入第一换热器放热后进入储气罐；

释能阶段：逐步调节全角度进口可调导叶至90°，燃机系统的压气机防喘振阀投自动模式开启，压气机在最小流量下安全运行；高温介质进入第二换热器放热后进入低温介质容器，高压空气从储气罐分两路，第一路再分为两路进入低温供气段和中温供气段，第二路进入第二换热器吸热后再分为两路分别进入高温供气段和中温供气段，低温供气段、中温供气段和高温供气段共同向燃机系统的不同位置供气。

作为可选的实施例，高温供气段12连接至燃机系统的燃烧室，低温供气段11连接至燃机系统的仪用空气及燃机冷却吹扫部分，中温供气段13连接至燃机系统中的燃机透平叶片冷却系统。

储能阶段：首先启动低温介质输送装置，建立低温介质循环；其次根据压气机出口调节挡板的开度，逐步开启进入储气罐的调节阀，燃机系统压气机出口的高温高压气体经调节阀进入第一换热器气侧放热，放热后的气体进入储气罐，启动低温介质输送装置，低温介质进入第一换热器吸热后进入高温介质容器储热；

释能阶段：启动高温介质输送装置，建立高温介质循环；打开储气罐出口的阀门，一路高压空气进入第二换热器吸热，高温介质在第二换热器中放热后进入低温介质容器中；吸热后的高压空气进入高温供气段和中温供气段；另一路高压空气直接进入中温供气段和低温供气段，进入中温供气段的高温空气和低温空气混合后输入，中温供气段的温度通过冷气调节阀调整，高温段供气流量调节阀、中温段供气流量调节阀与低温段供气流量调节阀的控制采用自动控制，自动跟踪目前值，目标值手动输入或根据计算值实时调整；低温供气段的温度与储气罐温度相同，高温供气段的温度与第二换热器出口的工质温度相同；逐步调节全角度进口可调导叶至90°，压气机防喘振阀投自动模式开启，以满足压气机在最小流量下安全运行。

调节阀和压气机出口调节挡板投自动运行模式，自动跟踪压气机的出口流量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1)燃机压气机采用全角度进口可调导叶与出口挡板共同调节，实现了燃机压气机的减负荷甚至零出力运行，有效降低压气机的功耗；

2)高压储气系统不仅可以在用电低谷期将燃机产生的高压气体进行存储，还可以在用电高峰期将外部储存的高压气体送入燃烧室进行消纳，实现了调峰-储能-发电的综合利用；

3)综合供气系统与换热系统合理设计，通过对压缩热量的优化管理实现压气机出口温度与压力解耦，给燃机系统提供不同等级参数的供气气源，满足燃机全负荷阶段的气源需求。

附图说明

图1为耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统示意图。

附图中，1-燃机系统，2-调节阀，3-第一换热器，4-储气罐，5-外部储气系统，6-冷油罐；7-冷油泵；8-热油罐；9-热油泵，10-第二换热器，11-低温供气段，12-高温供气段，13-中温供气段，14-全角度进口可调导叶，15-调节挡板，16-压气机出口调节挡板控制阀，17-压气机防喘振阀，18-高温段供气流量调节阀、19-中温段供气流量调节阀；20-低温段供气流量调节阀；21-冷气调节阀。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所述高温和低温是介质两种相对的工作状态。

参考图1，本发明提供了一种耦合储能系统且压缩空气流量可调的燃机系统及控制方法，所述系统包括高压储气系统、换热系统、综合供气系统及可调压气机出口流量的燃机系统1；燃机系统1与现有燃机最大的区别在于压气机入口采用全角度进口可调导叶14，压气机出口设置调节挡板15，从而实现对压气机出口流量的调节。燃机系统中的压气机室与燃烧室连通的外部管道上设置压气机防喘振阀17；高压储气系统既可实现从现有燃机系统抽取高压空气存储，同时还可以将外部存储的高压气源进行消纳、降低燃机本身的功耗；换热系统将压气机在压缩过程产生的热量进行存储，通过对热量的优化管理实现温度-压力解耦；综合供气系统可根据燃机不同的用气需求提供低温/中温/高温的压缩空气气源。

综合供气系统中设置储气罐4、低温供气段11、中温供气段13和高温供气段12；换热系统包括依次连接的低温介质容器、第一换热器3、高温介质容器、第二换热器10，第二换热器10的热侧出口连接低温介质容器；第一换热器3的热侧出口连接储气罐4，压气机室出口处设排气口，所述排气口连接第一换热器3的热侧入口；储气罐4的供气出口分别连接第二换热器10的冷侧入口、中温供气段13和低温供气段11，第二换热器10的冷侧出口分别连接中温供气段13和高温供气段12；高温供气段12、中温供气段13和低温供气段11出口均连接燃机系统中的燃烧室；储气罐4的出口设置供气调节阀。

低温介质容器的出口设置低温介质输送装置，高温介质容器的出口设置高温介质输送装置。

其中高压储气系统的气源来自于两部分，一是自外部储气系统5进入储气罐4，二是自燃机系统1的压气机出口经调节阀2，再经第一换热器3气侧换热后进入储气罐4。

压气机室入口处设置流量监测装置，所述流量监测装置、全角度进口可调导叶14的控制端、压气机出口调节挡板控制阀16的控制端均连接控制中心，压气机防喘振阀17的控制端均连接控制中心；低温段供气流量调节阀20、中温段供气流量调节阀19、高温段供气流量调节阀18以及冷气调节阀21的阀门执行机构控制信号输入端连接控制中心；所述温度测点均连接控制中心。

高压储气系统的控制方法，储能阶段：在电网供电量富裕需要削峰时段，逐步关小压气机出口调节挡板控制阀16，维持压气机全角度进口可调导叶14在最大开度0°，对应的全开位置，压气机防喘振阀17处于全关，保证压气机处于全流量工作状态，此时压缩机耗功量最大，燃机发电机净发电量最小，达到削峰储能效果。

释能阶段：在电网用电量不足需要顶峰时段，逐步开大压气机出口调节挡板控制阀16，逐步关小压气机全角度进口可调导叶14至最小开度，比如85°对应接近全关位置，此处压气机防喘振阀17投入自动保持全开，保证压气机处于最小流量工作状态且不发生喘振，此时压缩机耗功量最小；另一方面自综合供气系统来的高压高温(温度300～460℃，压力10～30MPa等级)气体直接送入燃机燃烧室与燃气燃烧做功，达到顶峰或填谷的释能效果。

换热系统中的工作介质为熔盐、导热油或可输送固体颗粒，其对应的高温介质输送装置分别对应采用高温熔盐输送泵、热油泵7、高温固体颗粒输送泵，低温介质输送装置分别采用低温熔盐输送泵、冷油泵7、低温固体颗粒输送泵。

当换热系统的工作介质为导热油时，换热系统包括沿着导热油的流向依次连接的冷油罐6、冷油泵7、第一换热器3油侧、热油罐8、热油泵9、第二换热器10油侧；第二换热器10连接冷油罐6。

当换热系统的工作介质为熔盐时，换热系统包括沿着熔盐的流向依次连接的低温熔盐储罐、低温熔盐输送泵、第一换热器3冷侧、高温熔盐储罐8、高温熔盐输送泵、第二换热器10热侧；第二换热器10连接低温熔盐储罐。

当换热系统的工作介质为固体颗粒时，换热系统包括沿着固体颗粒的流向依次连接的低温固体颗粒储罐、低温固体颗粒输送泵、第一换热器3冷侧、高温固体颗粒储罐8、高温固体颗粒输送泵、第二换热器10热侧；第二换热器10连接低温固体颗粒储罐。

换热系统的控制方法：

储能阶段：首先启动冷油泵7，建立冷油循环；其次根据压气机出口挡板调节阀的开度，逐步开启进入储气罐的调节阀2，二者可投自动模式，自动跟踪压气机的出口流量；最后燃机系统1压气机出口的高温高压气体经调节阀2进入第一换热器3气侧放热，放热后的气体进入储气罐4。

释能阶段：首先启动热油泵9，建立热油循环；其次打开储气罐4至综合供气系统管路上的隔离阀门让高压空气进入第二换热器10吸热。

综合供气系统的气源来自储气罐4，根据供气参数高低设置低温供气段11、中温供气段13和高温供气段12，各供气段均有控制供气流量的高温段供气流量调节阀18、中温段供气流量调节阀19和低温段供气流量调节阀20，中温供气段设置了调节供气温度的流量冷气调节阀21，各供气段均配置有温度测点，分别为高温供气段温度测点T1、中温供气段温度测点T2、低温供气段温度测点T3。

以导热油作为工作介质为例，综合供气系统的控制仅限在释能阶段，其控制方法如下：

首先保持热油泵运行，热油循环建立；其次确认储气罐4出口的气源根据使用参数的要求，分别进入低温供气段11、中温供气段13和高温供气段12；调节低温供气段的温度T3与储气罐温度相同，高温供气段的温度T1与第二换热器10出口的工质温度相同，中温供气段温度T2的调节采用冷气调节阀21，冷气调节阀21的开度自动根据目标温度T2；高温段供气流量调节阀18、中温段供气流量调节阀19与低温段供气流量调节阀20的控制采用自动控制，自动跟踪目前值，目标值可手动输入也可根据计算值实时变化。

可调压气机出口流量的燃机系统包括燃机进气室a、压气机室b、燃烧室c、排气室d、发电机e、全角度进口可调导叶14、压气机出口调节挡板15、压气机出口调节挡板控制阀16、压气机防喘振阀17，压气机防喘振阀17设置在压气机室b与燃烧室c连通的外部管道上。综合供气系统的出口连接燃烧室c的进气口处，压气机出口调节挡板15设置在压气机室b与燃烧室c连通的通道上，压气机室b的出口处设置排气口，所述排气口管道连接综合供气系统的高压进气口，全角度进口可调导叶14设置在压气机室b的入口处。

可调压气机出口流量的燃机系统的控制方法：

储能阶段：全角度进口可调导叶14具有0～90°的可调区间，当全角度进口可调导叶14为0°对应进口全开，燃机具有最大的进气流量，相反当全角度进口可调导叶14为90°时对应进口开度最小，燃机具有最小的进气流量，但仍能保证燃机不发生喘振。储能阶段保持全角度进口可调导叶14在0°，压气机出口挡板在最小开度，以满足压气机在最大功耗工作的同时燃机发电量最小，压缩过程剩余的高压气进入储气罐4。

释能阶段：逐步调节全角度进口可调导叶14至90°，自动开启压气机防喘振阀，以满足压气机在最小安全流量下运行；

作为可选的实施方式，全角度进口可调导叶14上设置角度监测装置，所述角度监测装置连接控制中心的输入端，控制中心的输出端连接压气机防喘振阀17，角度监测装置发出调至90°信号时，控制中心向压气机防喘振阀发送开启指令。

当然还可以通过在压气机室b的入口处设置流量监测装置，所述流量监测装置连接控制中心的输入端，控制中心的输出端连接压气机防喘振阀17，所述流量监测装置发出流量最小信号时，控制中心向压气机防喘振阀发送开启指令。

Claims (10)

1.一种耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统，其特征在于，包括高压储气系统、换热系统、综合供气系统及燃机系统；燃机系统中的压气机室入口处设置全角度进口可调导叶(14)，所述压气机室出口与燃烧室之间设置压气机出口调节挡板(15)，压气机出口调节挡板(15)连接有压气机出口调节挡板控制阀(16)；燃机系统中的压气机室与燃烧室连通的外部管道上设置压气机防喘振阀(17)；综合供气系统中设置储气罐(4)、低温供气段(11)、中温供气段(13)和高温供气段(12)；换热系统包括依次连接的低温介质容器、第一换热器(3)、高温介质容器、第二换热器(10)，第二换热器(10)的热侧出口连接低温介质容器；第一换热器(3)的热侧出口连接储气罐(4)，压气机室出口处设排气口，所述排气口连接第一换热器(3)的热侧入口；储气罐(4)的供气出口分别连接第二换热器(10)的冷侧入口、中温供气段(13)和低温供气段(11)，第二换热器(10)的冷侧出口分别连接中温供气段(13)和高温供气段(12)；高温供气段(12)、中温供气段(13)和低温供气段(11)出口连接燃机系统。

2.根据权利要求1所述的耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统，其特征在于，低温介质容器的出口设置低温介质输送装置，高温介质容器的出口设置高温介质输送装置。

3.根据权利要求1所述的耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统，其特征在于，储气罐(4)的出口设置供气调节阀，所述供气阀的阀后至中温供气段(13)设置冷气调节阀(21)，所述排气口至第一换热器(3)的热侧设置调节阀(2)，低温供气段(11)、中温供气段(13)和高温供气段(12)的出口分别设置低温段供气流量调节阀(20)、中温段供气流量调节阀(19)和高温段供气流量调节阀(18)；低温供气段(11)、中温供气段(13)和高温供气段(12)均设置有温度测点。

4.根据权利要求3所述的耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统，其特征在于，压气机室入口处设置流量监测装置，所述流量监测装置、全角度进口可调导叶(14)的控制端、压气机出口调节挡板控制阀(16)的控制端均连接控制中心，压气机防喘振阀(17)的控制端连接控制中心。

5.根据权利要求3所述的耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统，其特征在于，低温段供气流量调节阀(20)、中温段供气流量调节阀(19)、高温段供气流量调节阀(18)以及冷气调节阀(21)的阀门执行机构控制信号输入端连接控制中心；所述温度测点均连接控制中心。

6.根据权利要求1所述的耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统，其特征在于，储气罐(4)还连接有外部储气系统(5)，外部储气系统(5)至储气罐(4)的入口设置控制阀门。

7.根据权利要求1所述的耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统，其特征在于，换热系统中的工作介质为熔盐、导热油或固体可输送颗粒。

8.根据权利要求1所述的耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统，其特征在于，高温供气段(12)连接至燃机系统的燃烧室，低温供气段(11)连接至燃机系统的仪用空气及燃机冷却吹扫部分，中温供气段(13)连接至燃机系统中的燃机透平叶片冷却系统。

9.权利要求1至8中任一项所述耦合储能系统且压缩流量可调燃机系统的控制方法，其特征在于，储能阶段：在电网供电量富裕需要削峰时段，逐步关小压气机出口调节挡板控制阀(16)，维持压气机全角度进口可调导叶(14)在最大开度0°，对应的全开位置，压气机防喘振阀(17)处于全关，压气机处于全流量工作状态，低温介质经第一换热器(3)与高温高压气体换热后进入高温介质容器，高温高压空气从压气机室排出进入第一换热器(3)放热后进入储气罐(4)；

释能阶段：逐步调节全角度进口可调导叶(14)至90°，燃机系统的压气机防喘振阀(17)投自动模式开启，压气机在最小安全流量下运行；高温介质进入第二换热器(10)放热后进入低温介质容器，高压空气从储气罐(4)分两路，第一路再分为两路进入低温供气段(11)和中温供气段(13)，第二路进入第二换热器(10)吸热后再分为两路分别进入高温供气段(12)和中温供气段(13)，低温供气段(11)、中温供气段(13)和高温供气段(12)共同向燃机系统各个位置供气。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，储能阶段：首先启动低温介质输送装置，建立低温介质循环；其次根据压气机出口调节挡板(15)的开度，逐步开启进入储气罐(4)的调节阀(2)，燃机系统(1)压气机出口的高温高压气体经调节阀(2)进入第一换热器(3)气侧放热，放热后的气体进入储气罐(4)，启动低温介质输送装置，低温介质进入第一换热器(3)吸热后进入高温介质容器储热；

释能阶段：启动高温介质输送装置，建立高温介质循环；打开储气罐(4)出口的阀门，一路高压空气进入第二换热器(10)吸热，高温介质在第二换热器(10)中放热后进入低温介质容器中；吸热后的高压空气进入高温供气段(12)和中温供气段(13)；另一路高压空气直接进入中温供气段(13)和低温供气段(11)，进入中温供气段(13)的高温空气和低温空气混合后输入，中温供气段(13)的温度通过冷气调节阀(21)调整，高温段供气流量调节阀(18)、中温段供气流量调节阀(19)与低温段供气流量调节阀(20)的控制采用自动控制，自动跟踪目标值，目标值可手动输入或根据计算值实时调整；低温供气段(11)的温度与储气罐温度相同，高温供气段(12)的温度与第二换热器(10)出口的工质温度相同；逐步调节全角度进口可调导叶(14)至90°，压气机防喘振阀(17)投自动模式开启，以满足压气机在最小流量下安全运行；调节阀(2)和压气机出口调节挡板(15)投自动运行模式，自动跟踪压气机的出口流量。

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