CN114991886A - 空气透平系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空气透平系统，包括：空气气源，包括第一输出端和第二输出端；高压空气透平，高压空气透平的进气口连通至第一输出端；低压一号空气透平和低压二号空气透平，低压一号空气透平的进气口、低压二号空气透平的进气口均连通至第二输出端；高压空气透平的出气口还分别连通低压一号空气透平的进气口、低压二号空气透平的进气口。调节阀，设置于空气气源、高压空气透平、低压一号空气透平和低压二号空气透平相互连通的路径上。通过调节调节阀以切换高压空气透平、低压一号空气透平和低压二号空气透平之间的连接关系，实现多种组合方式运行，调整流过空气透平的空气流量，以适应系统总焓降的变化，确保空气透平系统维持足够的功率输出。

Description

空气透平系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及压缩空气储能领域，尤其涉及一种能够适应气源压力大幅度变化的空气透平系统及其运行方法。
背景技术
压缩空气储能是一种电能存储技术。在电网负荷低谷期，用电能将空气压缩并存储到盐穴、矿井、储气罐等大容量密闭空间中，在电网负荷高峰期，释放压缩空气进入空气透平膨胀做功，带动发电机发电，从而实现电网削峰填谷，提升电网对新能源的消纳能力。
储存压缩空气的密闭空间是一个固定容积系统。如果储气容积有限，那么在压缩空气释放过程中，随着空气的流出，储气压力将逐渐降低、系统总焓降将逐渐减小，导致空气透平的输出功率逐渐减少，无法满足出力要求。因此，针对储气容积有限的压缩空气储能系统，解决空气透平在气源压力降低时如何维持足够功率输出的问题，是该系统能够稳定运行的关键。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种能够适应气源压力大幅度变化的空气透平系统及其运行方法，当气源压力变化时，通过切换三个气缸之间的连接关系，实现多种组合方式运行，调整流过空气透平的空气流量，以适应系统总焓降的变化，确保空气透平系统始终维持足够的功率输出。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种空气透平系统，包括空气气源，包括第一输出端和第二输出端，用于释放压缩空气。高压空气透平，高压空气透平的进气口连通至第一输出端。低压一号空气透平和低压二号空气透平，低压一号空气透平的进气口、低压二号空气透平的进气口均连通至第二输出端，高压空气透平的出气口还分别连通低压一号空气透平的进气口和低压二号空气透平的进气口。
调节阀，设置于空气气源、高压空气透平、低压一号空气透平和低压二号空气透平相互连通的路径上，其中，通过调节调节阀以切换高压空气透平、低压一号空气透平和低压二号空气透平之间的连接关系。
根据本发明的实施例，调节阀包括高压进气阀门和高压调节阀门，依次设于第一输出端连通高压空气透平的进气口的路径上，用于调节空气气源进入高压空气透平的流量。高压排气阀门，设于高压空气透平的出气口连通低压一号空气透平的进气口的路径上，用于调节高压空气透平进入低压一号空气透平的排气流量。高压旁路阀门，设于高压空气透平的出气口连通低压二号空气透平的进气口的路径上，用于调节高压空气透平进入低压二号空气透平的排气流量。低压进气阀门，设于第二输出端的路径上，用于调节空气气源进入低压一号空气透平、低压二号空气透平的流量。一号调节阀门，设于低压一号空气透平的进气路径上，用于调节进入低压一号空气透平的流量。二号调节阀门，设于低压二号空气透平的进气路径上，用于调节进入低压二号空气透平的流量。
根据本发明的实施例，高压空气透平的出气口、低压一号空气透平的出气口和低压二号空气透平的出气口均与大气连通，其中，高压空气透平的出气口与大气连通的路径上还设有高压排空阀门，以控制高压空气透平的排气。
根据本发明的实施例，通过调节调节阀以切换高压空气透平、低压一号空气透平和低压二号空气透平之间的连接关系，包括关闭高压排空阀门、低压进气阀门和二号调节阀门，打开其余阀门，压缩空气进入高压空气透平、低压一号空气透平膨胀做功，高压空气透平和低压一号空气透平串联运行，低压二号空气透平零出力。
或者，关闭高压排气阀门、高压旁路阀门，打开其余阀门，压缩空气进入高压空气透平、低压一号空气透平和低压二号空气透平膨胀做功，高压空气透平、低压一号空气透平、低压二号空气透平并联运行。
根据本发明的实施例，空气透平系统还包括高压换热器，设于第一输出端连通高压空气透平的进气口的路径上，用于加热第一输出端输出的压缩空气。低压换热器，设于第二输出端连通的路径上，用于加热第二输出端输出的压缩空气或高压空气透平的排气。
根据本发明的实施例，高压空气透平、低压一号空气透平和低压二号空气透平分别包括至少一根转子，高压空气透平的转子、低压一号空气透平的转子和低压二号空气透平的转子依次通过联轴器连接形成串联轴系。
根据本发明的实施例，低压二号空气透平的转子不串入该串联轴系，采用分轴布置。
根据本发明的实施例，空气透平系统包括至少一台发电机，高压空气透平的转子、低压一号空气透平的转子和低压二号空气透平的转子所组成的串联轴系通过联轴器与发电机连接。
或者低压二号空气透平的转子采用分轴布置时，通过联轴器单独与一台发电机连接。
根据本发明的实施例，空气气源、高压空气透平、低压一号空气透平和低压二号空气透平之间通过管路连接。
本发明另一方面提供了根据上述实施例空气透平系统的运行方法，当空气气源的压力充足时，高压排空阀门、低压进气阀门、二号调节阀门均处于关闭状态，其余阀门处于打开状态，第一输出端输出的压缩空气经高压换热器加热后，进入高压空气透平膨胀做功，高压空气透平的一股排气经低压换热器加热后，进入低压一号空气透平膨胀做功，高压空气透平的另一股排气作为冷却空气进入低压二号空气透平，将低压二号空气透平鼓风产生的热量带走，低压一号空气透平、低压二号空气透平的排气排入大气。
当空气气源的压力降低时，打开低压进气阀门和二号调节阀门，关闭高压旁路阀门，在打开低压进气阀门的过程中逐渐关闭高压排气阀门并逐渐打开高压排空阀门，第一输出端输出的压缩空气经高压换热器加热后，进入高压空气透平膨胀做功，第二输出端输出的压缩空气经低压换热器加热后，进入低压一号空气透平和低压二号空气透平膨胀做功，高压空气透平、低压一号空气透平、低压二号空气透平的排气排入大气。
与现有技术相比，本发明提供的空气透平系统，至少具有以下有益效果：
(1)本发明能适应空气气源压力的大幅度变化，当气源压力变化时，通过切换三个气缸之间的连接关系，实现多种组合方式运行，调整流过空气透平的流量，以适应系统总焓降的变化，确保空气透平系统始终维持足够的功率输出，避免电网负荷波动。
(2)当气源压力充足时，低压二号空气透平可处于零出力状态，来自高压空气透平的一股排气作为冷却空气将低压二号空气透平鼓风产生的热量带走，以避免其温度超过安全值。由于高压空气透平的排气温度较低，可以有效减少所需的冷却空气流量，从而减少系统出力的损失。
(3)由于本发明的空气透平系统具有适应空气气源压力大幅度变化的能力，则存储压缩空气的密闭空间可以适当控制所需储气容积，对于使用储气罐、人工造穴等需要加工成本的储气单元，本系统有利于减少初始投资。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本发明实施例的空气透平系统示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的空气透平系统的使用方法流程图。
【附图标记说明】
1-空气气源；2-第一输出端；3-第二输出端；4-高压空气透平；5-低压一号空气透平；6-低压二号空气透平；7-高压进气阀门；8-高压调节阀门；9-高压排气阀门；10-高压旁路阀门；11-低压进气阀门；12-一号调节阀门；13-二号调节阀门；14-高压排空阀门；15-高压换热器；16-低压换热器；17-发电机。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种空气透平系统，包括空气气源1，包括第一输出端2和第二输出端3，用于释放压缩空气。高压空气透平4，高压空气透平4的进气口连通至第一输出端2。低压一号空气透平5和低压二号空气透平6，低压一号空气透平5的进气口和低压二号空气透平6的进气口均连通至第二输出端3。高压空气透平4的出气口还分别连通低压一号空气透平5的进气口、低压二号空气透平6的进气口。
调节阀，调节阀可以设置于空气气源1、高压空气透平4、低压一号空气透平5和低压二号空气透平6相互连通的路径上，其中，通过调节调节阀以切换高压空气透平4、低压一号空气透平5和低压二号空气透平6之间的连接关系。
具体地，调节阀例如可以包括高压进气阀门7、高压调节阀门8、高压排气阀门9、高压旁路阀门10、低压进气阀门11、一号调节阀门12、二号调节阀门13。其中，高压进气阀门7和高压调节阀门8依次设于第一输出端2连通高压空气透平4的进气口的路径上，用于调节空气气源1进入高压空气透平4的流量。
高压排气阀门9设于高压空气透平4的出气口连通低压一号空气透平5的进气口的路径上，用于调节高压空气透平4排气进入低压一号空气透平5的流量。
高压旁路阀门10设于高压空气透平4的出气口连通低压二号空气透平6的进气口的路径上，用于调节高压空气透平4排气进入低压二号空气透平6的流量。
低压进气阀门11设于第二输出端3连通低压一号空气透平5的进气口、低压二号空气透平6的进气口的路径上，用于调节空气气源1进入低压一号空气透平5、低压二号空气透平6的流量。
一号调节阀门12设于低压一号空气透平5的进气路径上，用于调节进入低压一号空气透平5的流量。
二号调节阀门13设于低压二号空气透平6的进气路径上，用于调节进入低压二号空气透平6的流量。
具体地，高压进气阀门7和高压调节阀门8例如可以合并为一个阀门，既可以控制流量，又可以关闭或打开开关。
可选地，一号调节阀门12和二号调节阀门13可以例如设置为二通阀或其他同时控制两条路径流量的阀门，但不限于此。
进一步地，高压空气透平4的出气口、低压一号空气透平5的出气口和低压二号空气透平6的出气口均与大气连通，其中，高压空气透平4的出气口与大气连通的路径上还设有高压排空阀门14，以控制高压空气透平4的排气。
在本发明的实施例中，通过调节调节阀以切换高压空气透平4、低压一号空气透平5和低压二号空气透平6之间的连接关系。
具体地，关闭高压排空阀门14、低压进气阀门11和二号调节阀门13，打开高压进气阀门7、高压调节阀门8、高压排气阀门9、高压旁路阀门10和一号调节阀门12，压缩空气进入高压空气透平4、低压一号空气透平5膨胀做功，高压空气透平4的一股排气用于冷却低压二号空气透平6，高压空气透平4和低压一号空气透平5串联运行，低压二号空气透平6零出力。
关闭高压排气阀门9、高压旁路阀门10，打开高压进气阀门7、高压调节阀门8、低压进气阀门11、一号调节阀门12、二号调节阀门13和高压排空阀门14，压缩空气进入高压空气透平4、低压一号空气透平5和低压二号空气透平6膨胀做功，高压空气透平4、低压一号空气透平5、低压二号空气透平6并联运行。
在本发明的实施例中，在第一输出端2连通高压空气透平4的进气口的路径上设有高压换热器15，用于加热第一输出端2输出的压缩空气，在第二输出端3连通低压一号空气透平5的进气口、低压二号空气透平6的进气口的路径上设有低压换热器16，用于加热第二输出端3输出的压缩空气或高压空气透平4的排气。
在本发明的实施例中，高压空气透平4、低压一号空气透平5和低压二号空气透平6分别可以包括至少一根转子，高压空气透平4的转子、低压一号空气透平5的转子和低压二号空气透平6的转子通过联轴器连接形成串联轴系。或者低压二号空气透平6的转子也可以不串入该串联轴系，而是采用分轴布置。
在本发明的实施例中，高压空气透平4的转子、低压一号空气透平5的转子和低压二号空气透平6的转子所组成的串联轴系通过联轴器与发电机17连接。
在本发明的实施例中，当低压二号空气透平6的转子采用分轴布置时，通过联轴器单独与一台发电机连接。
在本发明的实施例中，空气气源1、高压空气透平4、低压一号空气透平5和低压二号空气透平6之间通过管路连接。
如图2所示，本发明另一实施例提供了一种根据上述空气透平系统的使用方法，包括以下步骤S1-S2。
S1，当空气气源1的压力充足时，高压排空阀门14、低压进气阀门11、二号调节阀门13处于关闭状态，高压进气阀门7、高压调节阀门8、高压排气阀门9、高压旁路阀门10和一号调节阀门12均处于打开状态，第一输出端2输出的压缩空气经高压换热器15加热后，进入高压空气透平4膨胀做功。高压空气透平4的一股排气经低压换热器16加热后，进入低压一号空气透平5膨胀做功。高压空气透平4的另一股排气作为冷却空气进入低压二号空气透平6，将低压二号空气透平6鼓风产生的热量带走。低压一号空气透平5、低压二号空气透平6的排气排入大气。此时，高压空气透平4和低压一号空气透平5处于串联运行状态，低压二号空气透平6处于零出力状态，流过空气透平的流量与系统总焓降相匹配，确保发出足够的功率。
S2，当空气气源1的压力降低时，打开低压进气阀门11和二号调节阀门13，关闭高压旁路阀门10，在打开低压进气阀门11的过程中逐渐关闭高压排气阀门9并逐渐打开高压排空阀门14。第一输出端2输出的压缩空气经高压换热器15加热后，进入高压空气透平4膨胀做功。第二输出端3输出的压缩空气经低压换热器16加热后，进入低压一号空气透平5和低压二号空气透平6膨胀做功。高压空气透平4、低压一号空气透平5、低压二号空气透平6的排气排入大气。此时，高压空气透平4、低压一号空气透平5、低压二号空气透平6处于并联运行状态，流过空气透平的流量与系统总焓降相匹配，确保发出足够的功率。
当空气气源1压力充足时，若低压二号空气透平6分轴布置，则不需要低压二号空气透平6投入运行。高压旁路阀门10处于关闭状态，高压空气透平4的全部排气经低压换热器16加热后，进入低压一号空气透平5膨胀做功，高压空气透平4和低压一号空气透平5处于串联运行状态。
综上所述，本发明实施例提供了一种空气透平系统及其运行方法，该系统包括：空气气源1、高压空气透平4、低压一号空气透平5、低压二号空气透平6、调节阀。通过调节调节阀的关闭和打开，切换高压空气透平4、低压一号空气透平5、低压二号空气透平6的连接状态，以适应系统总焓降的变化，确保空气透平系统始终维持足够的功率输出。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”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。因此，限定有“第一”、“第二”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，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空气透平系统，其特征在于，包括：
空气气源(1)，包括第一输出端(2)和第二输出端(3)，用于释放压缩空气；
高压空气透平(4)，所述高压空气透平(4)的进气口连通至所述第一输出端(2)；
低压一号空气透平(5)和低压二号空气透平(6)，所述低压一号空气透平(5)的进气口、所述低压二号空气透平(6)的进气口均连通至所述第二输出端(3)，所述高压空气透平(4)的出气口还分别连通所述低压一号空气透平(5)的进气口和所述低压二号空气透平(6)的进气口；
调节阀，设置于所述空气气源(1)、所述高压空气透平(4)、所述低压一号空气透平(5)和所述低压二号空气透平(6)相互连通的路径上；
其中，通过调节所述调节阀以切换所述高压空气透平(4)、所述低压一号空气透平(5)和所述低压二号空气透平(6)之间的连接关系。
2.根据权利要求1所述的空气透平系统，其特征在于，所述调节阀包括：
高压进气阀门(7)和高压调节阀门(8)，依次设于所述第一输出端(2)连通所述高压空气透平(4)的进气口的路径上，用于调节所述空气气源(1)进入所述高压空气透平(4)的流量；
高压排气阀门(9)，设于所述高压空气透平(4)的出气口连通所述低压一号空气透平(5)的进气口的路径上，用于调节所述高压空气透平(4)排气进入所述低压一号空气透平(5)的流量；
高压旁路阀门(10)，设于所述高压空气透平(4)的出气口连通所述低压二号空气透平(6)的进气口的路径上，用于调节所述高压空气透平(4)排气进入所述低压二号空气透平(6)的流量；
低压进气阀门(11)，设于所述第二输出端(3)连通所述低压一号空气透平(5)的进气口、所述低压二号空气透平(6)的进气口的路径上，用于调节所述空气气源(1)进入所述低压一号空气透平(5)、所述低压二号空气透平(6)的流量；
一号调节阀门(12)，设于所述低压一号空气透平(5)的进气路径上，用于调节进入所述低压一号空气透平(5)的流量；
二号调节阀门(13)，设于所述低压二号空气透平(6)的进气路径上，用于调节进入所述低压二号空气透平(6)的流量。
3.根据权利要求1所述的空气透平系统，其特征在于，所述高压空气透平(4)的出气口、所述低压一号空气透平(5)的出气口和所述低压二号空气透平(6)的出气口均与大气连通，其中，所述高压空气透平(4)的出气口与大气连通的路径上还设有高压排空阀门(14)，以控制所述高压空气透平(4)的排气。
4.根据权利要求1所述的空气透平系统，其特征在于，通过调节所述调节阀以切换所述高压空气透平(4)、所述低压一号空气透平(5)和所述低压二号空气透平(6)之间的连接关系，包括：
关闭所述高压排空阀门(14)、所述低压进气阀门(11)和所述二号调节阀门(13)，打开其余阀门，所述压缩空气进入所述高压空气透平(4)、所述低压一号空气透平(5)膨胀做功，所述高压空气透平(4)的一股排气用于冷却所述低压二号空气透平(6)，所述高压空气透平(4)和所述低压一号空气透平(5)串联运行，所述低压二号空气透平(6)零出力；
或者，关闭所述高压排气阀门(9)、所述高压旁路阀门(10)，打开其余阀门，所述压缩空气进入所述高压空气透平(4)、所述低压一号空气透平(5)和所述低压二号空气透平(6)膨胀做功，所述高压空气透平(4)、所述低压一号空气透平(5)、所述低压二号空气透平(6)并联运行。
5.根据权利要求1所述的空气透平系统，其特征在于，所述空气透平系统还包括：
高压换热器(15)，设于所述第一输出端(2)连通所述高压空气透平(4)的进气口的路径上，用于加热所述第一输出端(2)输出的所述压缩空气；
低压换热器(16)，设于所述第二输出端(3)连通所述低压一号空气透平(5)的进气口、所述低压二号空气透平(6)的进气口的路径上，用于加热所述第二输出端(3)输出的所述压缩空气或所述高压空气透平(4)的排气。
6.根据权利要求1所述的空气透平系统，其特征在于，所述高压空气透平(4)、所述低压一号空气透平(5)和所述低压二号空气透平(6)分别包括至少一根转子，所述高压空气透平(4)的转子、所述低压一号空气透平(5)的转子和所述低压二号空气透平(6)的转子依次通过联轴器连接形成串联轴系。
7.根据权利要求6所述的空气透平系统，其特征在于，所述低压二号空气透平(6)的转子不串入该串联轴系，而是采用分轴布置。
8.根据权利要求7所述的空气透平系统，其特征在于，所述空气透平系统包括至少一台发电机，所述高压空气透平(4)的转子、所述低压一号空气透平(5)的转子和所述低压二号空气透平(6)的转子所组成的串联轴系通过联轴器与发电机(7)连接；
或者所述低压二号空气透平(6)的转子采用分轴布置时，通过联轴器单独与一台发电机连接。
9.根据权利要求1所述的空气透平系统，其特征在于，所述空气气源(1)、所述高压空气透平(4)、所述低压一号空气透平(5)和所述低压二号空气透平(6)之间通过管路连接。
10.一种应用权利要求1-9中任一项所述空气透平系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
当空气气源的压力充足时，高压排空阀门、低压进气阀门、二号调节阀门均处于关闭状态，其余阀门处于打开状态，第一输出端输出的压缩空气经高压换热器加热后，进入高压空气透平膨胀做功，高压空气透平的一股排气经低压换热器加热后，进入低压一号空气透平膨胀做功，高压空气透平的另一股排气作为冷却空气进入低压二号空气透平，将低压二号空气透平鼓风产生的热量带走，低压一号空气透平、低压二号空气透平的排气排入大气；
当空气气源的压力降低时，打开低压进气阀门和二号调节阀门，关闭高压旁路阀门，在打开低压进气阀门的过程中逐渐关闭高压排气阀门并逐渐打开高压排空阀门，第一输出端输出的压缩空气经高压换热器加热后，进入高压空气透平膨胀做功，第二输出端输出的压缩空气经低压换热器加热后，进入低压一号空气透平和低压二号空气透平膨胀做功，高压空气透平、低压一号空气透平、低压二号空气透平的排气排入大气。
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