CN115199347A - 空气透平系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种空气透平系统及其运行方法，空气透平系统包括：压缩空气气源，设有N个输出端，用于释放压缩空气，空气透平级，用于对压缩空气膨胀做功；空气透平级包括N段空气透平，N是大于1的整数，每段空气透平的进口均通过进气管路连通一个输出端，第i段空气透平的出口依次通过排气管路和调节管路连通第i+1段空气透平的进口，第i段空气透平的出口依次通过旁路管路连通第i+1段空气透平的出口，i取1到N‑1，进气管路、排气管路、调节管路和旁路管路上设有阀门；阀门用于切换压缩空气气源和N段空气透平之间的连接关系。通过切换连接关系，以调整流过空气透平系统的空气流量，适应系统总焓降的变化，确保多段空气透平系统稳定的功率输出。

Description

空气透平系统及其运行方法

技术领域

本公开涉及压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种能够适应气源压力大幅度变化的多段空气透平系统及其适应气源压力变化、维持稳定功率输出的运行方法。

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变化时如何维持稳定功率输出的问题，是该系统能够稳定运行的关键。

发明内容

本公开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多段空气透平系统及其运行方法，当气源压力降低时，通过切换各段空气透平之间的连接关系，实现多种组合方式运行，以调整流过空气透平系统的空气流量，适应系统总焓降的变化，确保多段空气透平系统始终维持稳定的功率输出。

为实现上述目的，本公开提供了一种空气透平系统，包括压缩空气气源，包括N个输出端，适用于释放压缩空气；空气透平级，适用于对压缩空气膨胀做功；其中，空气透平级包括N段空气透平，N是大于1的整数，每段空气透平的进口均通过进气管路连通一个输出端，第i段空气透平的出口依次通过排气管路和调节管路连通第i+1段空气透平的进口，第i段空气透平的出口依次通过旁路管路连通第i+1段空气透平的出口，i取1到N-1，进气管路、排气管路、调节管路和旁路管路上均设有阀门；阀门适用于切换压缩空气气源和N段空气透平之间的连接关系。

根据本公开的实施例，第1段空气透平设有补气口，第1段空气透平的补气口通过补气管路连通其对应的输出端。

根据本公开的实施例，阀门包括：进气阀门，设于每个输出端连通对应空气透平进口之间的进气管路上，适用于控制压缩空气气源的进气量；补气阀门，设于第1段空气透平补气口连通对应输出端之间的补气管路上，适用于对第1段空气透平补充压缩空气；排气阀门，设于每个空气透平出口的排气管路上，适用于控制每个空气透平出口的排气；调节阀门，设于每个空气透平进口的调节管路上，适用于控制每个空气透平的进气；以及旁路阀门，设于第i段空气透平的出口连通第i+1段空气透平的出口之间的旁路管路上，其中，i取1到N-1，适用于控制各个空气透平的排气。

根据本公开的实施例，连接关系包括串联：排气阀门、调节阀门以及第1段空气透平进口与其对应的输出端之间的进气阀门处于开启状态，其余进气阀门和旁路阀门均处于关闭状态。

根据本公开的实施例，连接关系包括并联：进气阀门、旁路阀门和调节阀门均处于开启状态，排气阀门处于关闭状态。

根据本公开的实施例，空气透平系统还包括：换热器，设于每个空气透平进口的管路上，适用于加热进入各个空气透平的压缩空气或排气。

根据本公开的实施例，第N段空气透平的出口还连通大气。

根据本公开的实施例，空气透平系统还包括：发电机，与空气透平级连接，适用于输出功率。

根据本公开的实施例，空气透平级通过联轴器或变速箱与发电机相连形成一个串联轴系；或者，空气透平级通过联轴器或变速箱与多台发电机相连形成多个独立轴系。

本公开另一方面提供了根据上述空气透平系统的运行方法，包括以下步骤：

当压缩空气气源的压力较高时，第1段空气透平与其对应输出端之间的进气阀门、所有调节阀门和所有排气阀门均处于开启状态，其余进气阀门、补气阀门和旁路阀门处于关闭状态，压缩空气气源释放压缩空气，经第1段空气透平进口的管路上的加热器加热并进入第1段空气透平膨胀做功，第1段空气透平的排气经由下一段空气透平进口的加热器加热并依次进入第i段空气透平膨胀做功，i取2到N，直至第N段空气透平的排气排入大气，各段空气透平形成串联组合，流过空气透平系统的空气流量与系统总焓降相匹配；

当压缩空气气源的压力随着空气释放而有所降低时，系统总焓降的降低将导致空气透平输出功率的减少，打开补气阀门，使压缩空气通入第1段空气透平膨胀做功，流过空气透平系统的空气流量与系统总焓降相匹配；

当压缩空气气源的压力随着空气释放而持续降低时，系统总焓降的降低将导致空气透平输出功率持续减少，按下述过程逐次将第i段空气透平切入并联组合，其中，i取2到N；

打开第i段空气透平与其对应输出端之间的进气阀门，使压缩空气经第i段空气透平进口的加热器加热后进入第i段空气透平膨胀做功，逐渐关闭第i-1段空气透平出口与第i段空气透平进口之间的排气阀门，打开第i段空气透平出口与第i-1段空气透平出口之间的旁路阀门，降低第1段空气透平至第i-1段空气透平的出口压力，第1段空气透平至第i段空气透平形成并联组合，该并联组合与N-i段空气透平形成串联组合，流过空气透平系统的空气流量与系统总焓降相匹配。

与现有技术相比，本公开提供的空气透平系统，至少具有以下有益效果：

(1)本系统能够适应压缩空气气源压力的大幅度变化，当气源压力变化时，通过切换各段空气透平之间的连接关系，实现多种组合方式运行，以调整流过空气透平系统的空气流量，适应系统总焓降的变化，确保多段空气透平系统始终维持稳定的功率输出，避免电网负荷波动；

(2)由于本系统具有适应压缩空气气源压力变化的能力，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公开实施例的描述，本公开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为本公开一实施例提供的空气透平系统的示意图；

图2为本公开一实施例提供的空气透平布置示意图；

图3为本公开另一实施例提供的空气透平系统的运行方法流程图；

图4为本公开另一实施例提供的空气透平系统串联组合的运行方法流程图；以及

图5为本公开另一实施例提供的空气透平系统串联组合并联状态的运行方法流程图。

【附图标记说明】

1-压缩空气气源；2-第一加热器；3-第1段空气透平；4-第二加热器；5-第2段空气透平；6-第三加热器6；7-第3段空气透平；8-第四加热器8；9-第4段空气透平；10-发电机；12-第一进气阀门；13-第一调节阀门；15-补气阀门；17-第一排气阀门；19-第一旁路阀门；21-第二进气阀门；22-第二调节阀门；24-第二排气阀门；26-第二旁路阀门；28-第三进气阀门；29-第三调节阀门；31-第三排气阀门；33-第三旁路阀门；35-第四进气阀门；36-第四调节阀门。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

如图1所示，本公开实施例提供了一种空气透平系统，包括：压缩空气气源1，包括N个输出端，适用于释放压缩空气。空气透平级，适用于对压缩空气膨胀做功。

其中，空气透平级包括N段空气透平，N是大于1的整数，每段空气透平的进口均通过进气管路连通一个输出端，第i段空气透平的出口依次通过排气管路和调节管路连通第i+1段空气透平的进口，第i段空气透平的出口依次通过旁路管路连通第i+1段空气透平的出口，i取1到N-1，进气管路、排气管路、调节管路和旁路管路上均设有阀门。

阀门适用于切换压缩空气气源和N段空气透平之间的连接关系。

在本公开的实施例中，N个输出端与N段空气透平的数量可以根据实际应用设置，本公开对该数量不做限制。示例性地，为了便于描述，空气透平级的数量包括4段空气透平，即N＝4，但不局限于此。

如图1所示，在空气透平的数量为4段时，空气透平级包括第1段空气透平3、第2段空气透平5、第3段空气透平7和第4段空气透平9，每个空气透平都对应连接一个输出端。

具体地，第一输出端与第1段空气透平3进口之间依次设有第一加热器2、第一进气阀门12和第一调节阀门13，同时，第1段空气透平3上还设有补气口，补气管路连接第一输出端连接至补气口，且该补气管路上还设有补气阀门15，用于控制补充压缩空气的流量进出。

第1段空气透平3的出口通过排气管路和调节管路连通第2段空气透平5的进口，两条管路上依次设有第一排气阀门17、第二加热器4和第二调节阀门22。且第1段空气透平3出口还通过旁路管路连通第1段空气透平3的出口，该旁路管路上设有第一旁路阀门19，用于控制第1段空气透平3的排气。第二输出端与第2段空气透平5的进口之间设有第二进气阀门21。

第2段空气透平5的出口通过排气管路和调节管路连通第3段空气透平7的进口，两条管路上依次设有第二排气阀门24、第三加热器6和第三调节阀门29。且第2段空气透平5的出口还通过旁路管路连通第3段空气透平7的出口，该旁路管路上设有第二旁路阀门26，用于控制第2段空气透平5的排气。第三输出端与第3段空气透平7的进口之间设有第三进气阀门28。

第3段空气透平7的出口通过排气管路和调节管路连通第4段空气透平9的进口，两条管路上依次设有第三排气阀门31、第四加热器8和第四调节阀36。且第3段空气透平7的出口还通过旁路管路连通第4段空气透平9的出口，该旁路管路上设有第三旁路阀门33，用于控制第3段空气透平7的排气。第四输出端与第4段空气透平9的进口之间设有第四进气阀门35。

在本公开的实施例中，第4段空气透平9的出口连通大气，将空气透平级的排气排入大气。

通过开启或关闭上述阀门，来控制各个空气透平与压缩空气气源1的连接关系。

具体地，连接关系包括串联：开启第一进气阀门12、第一调节阀门13、第一排气阀门17、第二调节阀门22、第二排气阀门24、第三调节阀门29、第三排气阀门31和第四调节阀门36，其余阀门均关闭，1段空气透平3、第2段空气透平5、第3段空气透平7和第4段空气透平9串联。

进一步地，打开补气阀门15，此时，各个透平级段仍然为串联组合。

具体地，连接关系包括并联：打开第二进气阀门21和第一旁路阀门19，关闭第一排气阀门17，第1段空气透平3、第2段空气透平5形成并联组合，该并联组合与第3段空气透平7和第4段空气透平9形成串联。

进一步地，打开第三进气阀门28和第二旁路阀门26，关闭第二排气阀门24，第1段空气透平3、第2段空气透平5、第3段空气透平7形成并联组合，该并联组合与第4段空气透平9串联。

进一步地，打开第四进气阀门35和第三旁路阀门33，关闭第三旁路阀门33，第1段空气透平3、第2段空气透平5、第3段空气透平7和第4段空气透平9并联。

在本公开的实施例中，空气透平系统还包括：发电机(10)，与空气透平级连接，适用于输出功率。

具体地，空气透平级通过联轴器或变速箱与发电机相连形成一个串联轴系；

或者，空气透平级通过联轴器或变速箱与多台发电机相连形成多个独立轴系。

具体地，各段空气透平的通流面积与其进气、排气参数相适应，通流面积的变化满足压缩空气的膨胀规律。

具体地，各段空气透平可采用单向流动布置，也可采用双向流动布置。

如图2所示，第1段空气透平3和第2段空气透平5可以采用单向流动布置，也可采用双向流动布置。第1段空气透平3和第2段空气透平5的转子可通过联轴器或变速箱相连，并通过联轴器或变速箱与发电机相连形成一个串联轴系，也可分别通过联轴器或变速箱与发电机相连形成独立轴系。

如图3所示，本公开另一实施例提供了一种根据上述空气透平系统的运行方法，包括以下步骤S101-S501。

S101，第一进气阀门12、第一调节阀门13、第二调节阀门22、第三调节阀门29、第四调节阀门36、第一排气阀门17、第二排气阀门24和第三排气阀门31均处于打开状态，第二进气阀门21、第三进气阀门28、第四进气阀门35、第一旁路阀门19、第二旁路阀门26和第三旁路阀门33均处于关闭状态，经第一加热器2加热到一定温度，各个空气透平均膨胀做功。此时，各段空气透平形成串联组合。

S201，逐渐打开补气阀门15，开大第二调节阀门22、第三调节阀门29、第四调节阀门36，适应补气流量。此时，各段空气透平仍是串联。

S301，逐渐打开第二进气阀门21并适当开大第二调节阀门22，使一定量的压缩空气经第二换热器4加热到一定温度。在打开第二进气阀门21的过程中，逐渐关闭第一排气阀门17，并逐渐打开第一旁路阀门19，开大第二调节阀门22、第三调节阀门29、第四调节阀门36，适应压缩空气流量。此时，第1段空气透平3、第2段空气透平5形成并联组合，该并联组合与第3段空气透平7和第4段空气透平9形成串联组合。

S401，逐渐打开第三进气阀门28并适当开大第三调节阀门29，使一定量的压缩空气经第三换热器6加热到一定温度，在打开第三进气阀门28的过程中，逐渐关闭第二排气阀门24，并逐渐打开第二旁路阀门26，同时，开大第二调节阀门22、第三调节阀门29、第四调节阀门36，适应压缩空气流量。此时，第1段空气透平3、第2段空气透平5、第3段空气透平7形成并联组合，该并联组合与第4段空气透平9形成串联组合。

S501，逐渐打开第四进气阀门35并适当开大第四调节阀门36，使一定量的气源压缩空气经第四换热器8加热到一定温度。在打开第四进气阀门35的过程中，逐渐关闭第三排气阀门31，并逐渐打开第三旁路阀门33，以提升第1段空气透平3、第2段空气透平5、第3段空气透平7的输出功率。同时，开大第二调节阀门22、第三调节阀门29、第四调节阀门36，适应压缩空气流量。此时，第1段空气透平3、第2段空气透平5、第3段空气透平7和第4段空气透平9形成并联组合。

如图4所示，根据上述S101-201的步骤，在控制阀门开启或关闭时，随着压缩空气气源的压力逐渐降低，各个空气透平串联，还包括以下步骤S102-S202。

S102，当压缩空气气源1的压力较高时，压缩空气气源1释放的压缩空气，经第1段空气透平3膨胀做功，第1段空气透平3的排气经第二加热器4再加热进入第2段空气透平5膨胀做功，第2段空气透平5的排气经第三加热器6加热至一定温度并进入第4段空气透平9膨胀做功，第4段空气透平9的排气排入大气。流过空气透平系统的空气流量与系统总焓降相匹配，发出所需的功率。

S202，当压缩空气气源1的压力随着空气释放而有所降低时，系统总焓降的降低将导致空气透平输出功率的减少。使一定量的压缩空气补入第1段空气透平3中部膨胀做功，增加的空气量顺畅流入，以提升第1段空气透平3的输出功率，同时，适当开大其余各段的调节阀门，使增加的空气量顺畅流入，以提升其余各段空气透平的输出功率。流过空气透平系统的空气流量与系统总焓降相匹配，发出所需的功率。

如图5所示，根据上述S301-501的步骤，在控制阀门开启或关闭时，随着压缩空气气源的压力逐渐降低，各个空气透平形成并联组合，还包括以下步骤S302-S502。

S302，当压缩空气气源1的压力随着空气释放而继续降低时，系统总焓降的降低将导致空气透平输出功率继续减少。压缩空气进入第2段空气透平5膨胀做功，以提升第2段空气透平5的输出功率，降低第1段空气透平3的出口压力，提升第1段空气透平3的输出功率，同时，适当开大其余各段的调节阀门，使增加的空气量顺畅流入，以提升其余各段空气透平的输出功率。流过空气透平系统的空气流量与系统总焓降相匹配，发出所需的功率。

S402，当压缩空气气源1的压力随着空气释放而继续降低时，系统总焓降的降低将导致空气透平输出功率继续减少。压缩空气进入第3段空气透平7膨胀做功，以提升第3段空气透平7的输出功率。降低第1段空气透平3、第2段空气透平5的出口压力，以提升第1段空气透平3、第2段空气透平5的输出功率。同时，适当开大第3、第4段的调节阀门，使增加的空气量顺畅流入，以提升其余各段空气透平的输出功率。流过空气透平系统的空气流量与系统总焓降相匹配，发出所需的功率。

S502，当压缩空气气源1的压力随着空气释放而继续降低时，系统总焓降的降低将导致空气透平输出功率继续减少。压缩空气进入第4段空气透平9膨胀做功，以提升第4段空气透平9的输出功率，降低第1段空气透平3、第2段空气透平5、第3段空气透平7的出口压力，以提升第1段空气透平3、第2段空气透平5、第3段空气透平7的输出功率。流过空气透平系统的空气流量与系统总焓降相匹配，发出所需的功率。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。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。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开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公开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。在本公开的描述中，“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。此外，位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空气透平系统，其特征在于，包括：

压缩空气气源(1)，包括N个输出端，适用于释放压缩空气；

空气透平级，适用于对所述压缩空气膨胀做功；

其中，所述空气透平级包括N段空气透平，N是大于1的整数，每段所述空气透平的进口均通过进气管路连通一个所述输出端，第i段空气透平的出口依次通过排气管路和调节管路连通第i+1段空气透平的进口，第i段空气透平的出口依次通过旁路管路连通所述第i+1段空气透平的出口，i取1到N-1，所述进气管路、所述排气管路、所述调节管路和所述旁路管路上均设有阀门；

所述阀门适用于切换所述压缩空气气源(1)和所述N段空气透平之间的连接关系。

2.根据权利要求1所述的空气透平系统，其特征在于，第1段空气透平设有补气口，第1段空气透平的所述补气口通过补气管路连通其对应的所述输出端。

3.根据权利要求2所述的空气透平系统，其特征在于，所述阀门包括：

进气阀门，设于每个所述输出端连通其对应所述空气透平进口之间的所述进气管路上，适用于控制所述压缩空气气源(1)的进气量；

补气阀门，设于所述第1段空气透平的补气口连通对应所述输出端之间的所述补气管路上，适用于对所述第1段空气透平补充所述压缩空气；

排气阀门，设于每个所述空气透平出口的所述排气管路上，适用于控制每个所述空气透平出口的排气；

调节阀门，设于每个所述空气透平进口的所述调节管路上，适用于控制每个所述空气透平的进气；以及

旁路阀门，设于所述第i段空气透平的出口连通所述第i+1段空气透平的出口之间的旁路管路上，其中，i取1到N-1，适用于控制各个空气透平的排气。

4.根据权利要求3所述的空气透平系统，其特征在于，所述连接关系包括串联：

所述排气阀门、所述调节阀门以及第1段空气透平进口与其对应的所述输出端之间的所述进气阀门处于开启状态，其余所述进气阀门和所述旁路阀门均处于关闭状态。

5.根据权利要求3所述的空气透平系统，其特征在于，所述连接关系包括并联：

所述进气阀门、所述旁路阀门和所述调节阀门均处于开启状态，所述排气阀门处于关闭状态。

6.根据权利要求5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：

换热器，设于每个所述空气透平进口的管路上，适用于加热进入各个所述空气透平的所述压缩空气或排气。

7.根据权利要求1所述的空气透平系统，其特征在于，第N段空气透平的出口还连通大气。

8.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：

发电机(10)，与所述空气透平级连接，适用于输出功率。

9.根据权利要求8所述的空气透平系统，其特征在于，所述空气透平级通过联轴器或变速箱与所述发电机(10)相连形成一个串联轴系；

或者，所述空气透平级通过联轴器或变速箱与多台所述发电机(10)相连形成多个独立轴系。

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：

当压缩空气气源的压力较高时，第1段空气透平与其对应输出端之间的进气阀门、所有调节阀门和所有排气阀门均处于开启状态，其余进气阀门、补气阀门和旁路阀门处于关闭状态，压缩空气气源释放压缩空气，经第1段空气透平进口的管路上的加热器加热并进入第1段空气透平膨胀做功，第1段空气透平的排气经由下一段空气透平进口的加热器加热并依次进入第i段空气透平膨胀做功，i取2到N，直至第N段空气透平的排气排入大气，各段空气透平形成串联组合，流过空气透平系统的空气流量与系统总焓降相匹配；

当压缩空气气源的压力随着空气释放而有所降低时，系统总焓降的降低将导致空气透平输出功率的减少，打开补气阀门，使压缩空气通入第1段空气透平膨胀做功，流过空气透平系统的空气流量与系统总焓降相匹配；

当压缩空气气源的压力随着空气释放而持续降低时，系统总焓降的降低将导致空气透平输出功率持续减少，按下述过程逐次将第i段空气透平切入并联组合，其中，i取2到N；

打开第i段空气透平与其对应输出端之间的进气阀门，使压缩空气经第i段空气透平进口的加热器加热后进入第i段空气透平膨胀做功，逐渐关闭第i-1段空气透平出口与第i段空气透平进口之间的排气阀门，打开第i段空气透平出口与第i-1段空气透平出口之间的旁路阀门，降低第1段空气透平至第i-1段空气透平的出口压力，第1段空气透平至第i段空气透平形成并联组合，该并联组合与N-i段空气透平形成串联组合，流过空气透平系统的空气流量与系统总焓降相匹配。

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