CN116412030A - 一种多功能的燃气轮机发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能的燃气轮机发电系统，包括：第一压气机组、第二压气机组、储气装置、空气透平组、差压透平组、水气换热器及储水装置；其中，第一压气机组、第二压气机组与储气装置依次通过阀门管道连接；第一压气机组排气口还与储气装置进气口通过阀门管道连接；空气透平组进气口通过阀门管道与储气装置排气口连接；差压透平组进气口通过阀门管道与储气装置排气口连接；第一压气机组与第二压气机组中的每个压气机之后设有水气换热器；空气透平组中的每个空气透平之前设有水气换热器；差压透平组中的每个差压透平的两端设有水气换热器；每个水气换热器还与储水装置连接。本发明给出的系统可有效减少高品质热能的损失。

Description

一种多功能的燃气轮机发电系统
技术领域
本发明涉及燃气轮机发电技术领域，特别涉及一种多功能的燃气轮机发电系统。
背景技术
大型发电用燃气轮机工作时,前端压气机需要消耗大量的压缩功,以300MW功率等级燃气轮机为例,前端压气机压缩功高达400MW等级,甚至远大于发电机功率，这种配置极大的影响了燃气轮机的对外输出电功率的能力，近60%的燃气透平轴功率消耗在压缩环节，而没有对外输出为电功率。压缩空气储能系统中空气压缩机与空气透平分时工作，可以充分利用低谷电或零价电进行空气压缩，在用电高峰开启空气透平对外输出电能。将燃气轮机发电技术耦合压缩空气储能系统可以大幅度增加燃气轮机发电功率，提高发电效率，同时实现大功率长时长的物理储能功能，并可对压缩过程中产生的热量进行收集，对外供热形成能量梯级利用的热电联产技术方案。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明提出了一种多功能的燃气轮机发电系统，包括：
第一压气机组、第二压气机组、储气装置、空气透平组、差压透平组、水气换热器及储水装置；其中，
第一压气机组、第二压气机组与储气装置依次通过阀门管道连接；
第一压气机组排气口还与储气装置进气口通过阀门管道连接；
空气透平组进气口通过阀门管道与储气装置排气口连接；差压透平组进气口通过阀门管道与储气装置排气口连接；
第一压气机组与第二压气机组中的每个压气机之后设有水气换热器；空气透平组中的每个空气透平之前设有水气换热器；差压透平组中的每个差压透平的两端设有水气换热器；
每个水气换热器还与储水装置连接。
优选的，所述第二压气机组与所述储气装置之间的管路中还设置有冷却器。
优选的，所述储水装置包括热水储罐与冷水储罐，所述热水储罐与所述冷水储罐通过冷却水循环管路连接，每个水气换热器连接于冷却水循环管路中。
优选的，所述冷水储罐的进水口之前的冷却水循环管路中还设置有冷却塔。
优选的，所述差压透平组中的末级差压透平与末级差压透平排后端水气换热器之间预留有管路接口，储气装置排气口还与所述管路接口通过阀门管道连接。
优选的，还包括：燃烧器、燃气轮机、燃烧回热器及透平加热器；其中，
所述燃烧器的第一进气口与所述末级差压透平后端水气换热器的排气口连接；所述燃烧器的第二进气口与天然气供给管路连接；所述燃烧器的排气口与所述燃气轮机的进气口连接；
所述燃烧回热器用于对第一管路与第二管路进行换热；
所述透平加热器用于对第三管路与第四管路进行换热；
所述第一管路为所述燃烧器的第一进气口与所述末级差压透平后端水气换热器之间的管路；所述第二管路为所述燃气轮机的排气口第一排气支路的管路；所述第三管路为所述空气透平组中末级空气透平与所述末级空气透平对应水气换热器之间的管路；所述第四管路为所述燃气轮机的排气口第二排气支路的管路。
优选的，所述第一排气支路的排气口、所述第二排气支路的排气口分别与总排气管路的进气口连接。
优选的，所述总排气管路的进气口与排气口之间还设有用户端水气换热器，所述用户端水气换热器用于对用户端供热管网管路与总排气管路进行换热。
优选的，所述燃气轮机、所述空气透平组中的第一级空气透平、所述差压透平组中的第一级差压透平还分别与发电机连接。
优选的，所述第一压气机组的进气口之前还设置有空气过滤器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明给出的系统将压气机出口高温空气的压缩热储存起来，减少了高品质热能损失，有利于提高机组整体运行效率。本发明中的燃气轮机透平和压气机分体设计，节省了发电时压气机耗功，大幅度提高了燃气轮机机组出力。本发明给出的系统利用燃机尾气预热压缩空气，提高了进入空气透平的压缩空气做功能力。预热后的烟气用来加热热网来水，回收利用低品质热能，实现了热电联供。本发明给出的系统可在储能模式和正常供电模式两种工况下运行，灵活性较好。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例给出的多功能燃气轮机发电系统的示意图；
附图标记：1.空气过滤器；2.压气机A；3.压气机B；4.压气机C；5.压气机D；6.电动机A；7.电动机B；8.电动机C；9.电动机D；10.冷却器A；11.冷却器B；12.冷却器C；13.冷却器D；14.储气装置；15.水气换热器A；16.水气换热器B；17.水气换热器C；18.发电机A；19.空气透平A；20.空气透平B；21.空气透平C；22.水气换热器D；23.水气换热器E；24.水气换热器F；25.发电机B；26.差压透平A；27.差压透平B；28.发电机C；29.燃气轮机；30.天然气调压站；31.燃烧器；32.燃烧回热器；33.透平加热器；34.用户端水气换热器；35.热用户；36.热水储罐；37.循环水泵A；38.冷却塔；39.冷水储罐；40.循环水泵B；41.截止阀A；42.截止阀B；43.截止阀C；44.截止阀D；45.截止阀E；46.截止阀F；47.截止阀G。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
为了在一定程度上克服现有技术的缺点，本发明提出了基于耦合燃气轮机热电联供机组与压缩空气储能系统的技术的系统。本发明中燃气轮机透平和压气机分体设计，用电低谷时压气机将电能转化为压缩空气的压力能和热水的热能储存起来。用电高峰时使用热水罐中储存的热水加热压缩空气，将一部分加热后的压缩空气投入空气透平机组做功，剩余压缩空气经过差压透平释放部分压力能后投入燃烧室，产生的高温烟气驱动燃气轮机做功。做功后的烟气可用于制备热水，供给热网对外供热。同时燃气轮机产生的轴功不需要分出部分来驱动压气机，可全部输送到电网，大大提高了机组出力。
本发明给出的多功能的燃气轮机发电系统，包括：
第一压气机组、第二压气机组、储气装置、空气透平组、差压透平组、水气换热器及储水装置；其中，
第一压气机组、第二压气机组与储气装置依次通过阀门管道连接；
第一压气机组排气口还与储气装置进气口通过阀门管道连接；
空气透平组进气口通过阀门管道与储气装置排气口连接；差压透平组进气口通过阀门管道与储气装置排气口连接；
第一压气机组与第二压气机组中的每个压气机之后设有水气换热器；空气透平组中的每个空气透平之前设有水气换热器；差压透平组中的每个差压透平的两端设有水气换热器；
每个水气换热器还与储水装置连接。
根据本发明的一些实施例，第二压气机组与储气装置之间的管路中还设置有冷却器。通过设置该冷却器，可以对压气机对应冷却器冷却后的压缩空气进行进一步冷却，保证压缩空气被冷却至常温。
根据本发明的一些实施例，储水装置包括热水储罐与冷水储罐，热水储罐与冷水储罐通过冷却水循环管路连接，每个水气换热器连接于冷却水循环管路中。通过换热将压缩空气的热量转化为热水保存在热水储罐中进行保存，可以有效减少能量浪费。
根据本发明的一些实施例，冷水储罐的进水口之前的冷却水循环管路中还设置有冷却塔，保证进入冷水储罐的冷却水充分冷却。
根据本发明的一些实施例，差压透平组中的末级差压透平与末级差压透平排后端水气换热器之间预留有管路接口，储气装置排气口还与管路接口通过阀门管道连接。通过改变该阀门管道与其他阀门管道的开关状态，可使得本发明给出的系统实现在储能状态与释能状态的转化及低谷电储能与高谷电释能的转换。
根据本发明的一些实施例，本发明给出的储能系统还包括：燃烧器、燃气轮机、燃烧回热器及透平加热器；其中，
燃烧器的第一进气口与末级差压透平后端水气换热器的排气口连接；燃烧器的第二进气口与天然气供给管路连接；燃烧器的排气口与燃气轮机的进气口连接；
燃烧回热器用于对第一管路与第二管路进行换热；
透平加热器用于对第三管路与第四管路进行换热；
第一管路为燃烧器的第一进气口与末级差压透平后端水气换热器之间的管路；第二管路为燃气轮机的排气口第一排气支路的管路；第三管路为空气透平组中末级空气透平与末级空气透平对应水气换热器之间的管路；第四管路为燃气轮机的排气口第二排气支路的管路。第一支路的排气口、第二支路的排气口分别与总排气管路的进气口连接。总排气管路的进气口与排气口之间还设有用户端水气换热器，用户端水气换热器用于对用户端供热管网管路与总排气管路进行换热，燃气轮机、空气透平组中的第一级空气透平、差压透平组中的第一级差压透平还分别与发电机连接。
图1为本发明实施例给出的适用于燃气轮机发电的基于压缩空气的多功能储能系统，该系统的工作过程如下：
储能阶段，打开截止阀B 42、截止阀C 43，关闭截止阀A 41、截止阀D 44、截止阀E45、截止阀F 46、截止阀G 47；启动电动机A 6、电动机B 7、电动机C 8、电动机D 9，带动压气机A 2、压气机B 3、压气机C 4、压气机D 5，经空气过滤器1过滤后的来自大气的常压空气被分段压缩至高压；各级压气机出口的高温空气分别经过级间冷却器A 10、冷却器B 11、冷却器C 12和末级冷却器D 13，被冷却至常温；末级冷却器D 13出口的常温高压空气储存在储气装置14中；从级间冷却器A 10、冷却器B 11、冷却器C 12出来的热水储存在热水储罐36中。冷却水循环回路由循环水泵A 37与循环水泵B 40驱动，下同。
释能阶段，关闭截止阀A 41、截止阀B 42、截止阀C 43、截止阀G 47，打开截止阀D44、截止阀E 45、截止阀F 46；从储气装置14出来的部分常温高压空气进入水气换热器A15，与来自热水储罐36的热水交换热量，被加热到200℃左右；从水气换热器A 15出来的高温高压空气进入空气透平A 19做功，驱动发电机A 18进行发电；从空气透平A 19出来的乏气进入水气换热器B 16，与来自热水储罐36的热水交换热量，被加热到200℃左右；从水气换热器B 16出来的高温高压空气进入空气透平B 20做功；从空气透平B 20出来的乏气进入水气换热器C 17，与来自热水储罐36的热水交换热量，被加热到200℃左右；从水气换热器C17出来的高温高压空气进入空气透平加热器33，被高温烟气加热至300℃左右；从空气透平加热器33出来的高温高压空气进入空气透平C 21做功，乏气排入大气；从储气装置14出来的剩余高压空气进入水气换热器D 22，与来自热水储罐36的热水交换热量，被加热到200℃左右；从水气换热器D 22出来的高温高压空气进入差压透平A 26做功，驱动发电机B 25发电；从差压透平A 26出来的乏气进入水气换热器E 23，与来自热水储罐36的热水交换热量，被加热到200℃左右；从水气换热器E 23出来的高温高压空气进入差压透平B 27做功；从差压透平B 27出来的乏气进入水气换热器F 24，与来自热水储罐36的热水交换热量，被加热到200℃左右；从水气换热器F 24出来的高温高压空气进入燃烧回热器32，被高温烟气加热至450℃左右；从燃烧回热器32出来的高温高压空气进入燃烧室燃烧器31，与来自天然气调压站30的天然气混合燃烧，生成1300℃的烟气；高温高压烟气进入燃气轮机29做功；从燃气轮机29出来的乏气约500℃，一部分乏气进入燃烧回热器32被冷却至200左右，剩余乏气进入透平加热器33被冷却至200左右；两股200℃左右的烟气汇合后进入用户端水气换热器34，与热网来水交换热量后排入大气；从水气换热器A 15、水气换热器B 16、水气换热器C17、水气换热器D 22、水气换热器E 23、水气换热器F 24出来的低温水经过冷却塔38冷却至常温后进入冷水储罐39储存起来；从用户端水气换热器34出来的热水进入供热管网，供热用户35使用。
正常供电模式下本系统工作过程如下。
低谷电时，打开截止阀A 41、截止阀C 43，关闭截止阀B 42、截止阀D 44、截止阀E45、截止阀F 46、截止阀G 47；启动电动机A6、电动机B 7，带动压气机A 2、压气机B 3工作；从压气机A 2、压气机B 3出来的高温高压空气分别通过冷却器A 10、冷却器B 11，被来自冷水储罐39的常温水冷却至常温；从冷却器B 11出来的常温高压空气进入储气装置14储存起来；从冷却器A 10、冷却器B 11出来的热水进入热水储罐36储存起来。
高峰电时，打开截止阀D 44、截止阀G 47，关闭截止阀A 41、截止阀B 42、截止阀C43、截止阀E 45、截止阀F 46；从储气装置14出来的常温高压空气进入水气换热器F 24，被来自热水储罐36的热水加热至200℃左右；从水气换热器F 24出来的高温高压空气进入燃烧回热器32，被高温烟气加热至450℃左右；从燃烧回热器32出来的高温高压空气进入燃烧器31，与来自天然气调压站30的天然气混合后燃烧，生成1300℃左右的高温烟气；从燃烧器31出来的高温烟气进入燃气轮机29做功，驱动发电机C 28；做功后的乏气约500℃，乏气经过燃烧回热器32被冷却至约200℃；从燃烧回热器32出来的烟气进入用户端水气换热器34，与热网来水交换热量后排入大气；从水气换热器F 24出来的低温水经过冷却塔38被冷却至常温，从冷却塔38出来的常温水进入冷水储罐39储存起来；从用户端水气换热器34出来的热水进入供热管网供热用户35使用。
以上技术方案的有益效果在于：1.将压气机出口高温空气的压缩热储存起来，减少了高品质热能损失，有利于提高机组整体运行效率。2.燃气轮机透平和压气机分体设计，节省了发电时压气机耗功，大幅度提高了燃气轮机机组出力。3.利用燃机尾气预热压缩空气，提高了进入空气透平的压缩空气做功能力。预热后的烟气用来加热热网来水，回收利用低品质热能，实现了热电联供。4.机组可在储能模式和正常供电模式两种工况下运行，灵活性较好。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种多功能的燃气轮机发电系统，其特征在于，包括：
第一压气机组、第二压气机组、储气装置、空气透平组、差压透平组、水气换热器及储水装置；其中，
第一压气机组、第二压气机组与储气装置依次通过阀门管道连接；
第一压气机组排气口还与储气装置进气口通过阀门管道连接；
空气透平组进气口通过阀门管道与储气装置排气口连接；差压透平组进气口通过阀门管道与储气装置排气口连接；
第一压气机组与第二压气机组中的每个压气机之后设有水气换热器；空气透平组中的每个空气透平之前设有水气换热器；差压透平组中的每个差压透平的两端设有水气换热器；
每个水气换热器还与储水装置连接。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二压气机组与所述储气装置之间的管路中还设置有冷却器。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述储水装置包括热水储罐与冷水储罐，所述热水储罐与所述冷水储罐通过冷却水循环管路连接，每个水气换热器连接于冷却水循环管路中。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述冷水储罐的进水口之前的冷却水循环管路中还设置有冷却塔。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述差压透平组中的末级差压透平与末级差压透平排后端水气换热器之间预留有管路接口，储气装置排气口还与所述管路接口通过阀门管道连接。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：燃烧器、燃气轮机、燃烧回热器及透平加热器；其中，
所述燃烧器的第一进气口与所述末级差压透平后端水气换热器的排气口连接；所述燃烧器的第二进气口与天然气供给管路连接；所述燃烧器的排气口与所述燃气轮机的进气口连接；
所述燃烧回热器用于对第一管路与第二管路进行换热；
所述透平加热器用于对第三管路与第四管路进行换热；
所述第一管路为所述燃烧器的第一进气口与所述末级差压透平后端水气换热器之间的管路；所述第二管路为所述燃气轮机的排气口第一排气支路的管路；所述第三管路为所述空气透平组中末级空气透平与所述末级空气透平对应水气换热器之间的管路；所述第四管路为所述燃气轮机的排气口第二排气支路的管路。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一排气支路的排气口、所述第二排气支路的排气口分别与总排气管路的进气口连接。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述总排气管路的进气口与排气口之间还设有用户端水气换热器，所述用户端水气换热器用于对用户端供热管网管路与总排气管路进行换热。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述燃气轮机、所述空气透平组中的第一级空气透平、所述差压透平组中的第一级差压透平还分别与发电机连接。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一压气机组的进气口之前还设置有空气过滤器。
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