CN116816499A - 一种分布式能源发电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于分布式能源发电技术领域，公开了一种分布式能源发电系统及其控制方法；所述分布式能源发电系统包括：抽气储能及释能系统和燃气轮机系统；抽气储能及释能系统中，抽气阀的出口依次经干燥器、储气罐、释气阀与空气透平的进口相连通；燃气轮机系统中，压气机的进口用于输入空气，压气机的出口与燃烧室的空气进口相连通，燃烧室的燃料进口用于输入燃料，燃烧室的燃气出口与燃气透平的进口相连通；其中，压气机的出口还与抽气阀的进口相连通。本发明可提高分布式能源发电系统的灵活性以及可调节宽度，能够实时高效、灵活匹配外界负荷，满足多元化能源的供给需求问题。
Description
技术领域
本发明属于分布式能源发电技术领域，特别涉及一种分布式能源发电系统及其控制方法。
背景技术
近年来，天然气作为一种清洁、高效、优质的低碳能源而备受关注。天然气管路建设等基础设施的日益完善，进口天然气量快速增长，国内天然气储产量的丰富以及非常规天然气的迅猛发展，为天然气发电事业提供保障，也使得天然气装机容量逐渐增加。
分布式能源系统(Distributed Energy System，DES)是相对于集中式能源系统而言的，与常规集中供能系统相比，分布式能源系统具有靠近用户端，可就地取材，因地制宜发展地区电力工业，减少对外来能源依赖等特点。示例解释性的，以燃气轮机为代表的微小型动力是分布式能源系统的核心，截至2015年，国内分布式能源系统中超过80％容量的原动力装置为小型或微型燃气轮机。
分布式燃气轮机供能系统配置灵活，可配置余热锅炉、背压式蒸汽轮机、溴化锂吸收式制冷机等供能设备，按负荷需求提供冷、热、电多种形式能量，实现联供；其中，通过耦合不同用能品位的子系统一方面可以实现能的梯级利用，增加能源利用率，提高经济性；另一方面，由于靠近用户端，可以克服热、冷能不能远距离传输的缺点，同时避免了大电网输电损失。
基于上述陈述可知，虽然相比集中式供能，分布式能源系统动力装置发电效率低，装机成本高，但通过联产系统可以发挥其优势，在体现其优越性同时还是安全可靠的供能系统，可以与大电网互补，实现电力调峰，在面对极端天气引起气象灾害等突发情况时，提高终端用户用能可靠性。然而，受需求侧负荷波动的影响，分布式燃气轮机供能系统需要较频繁、间歇运行于变工况状态，运行热电比偏低、综合能效远未达到其额定值；此外，大气环境变化、燃料改变、部件性能恶化也会使得机组偏离设计工况运行。进一步解释性的，供能系统平衡的原则是跟踪用户变化，调节机组出力，保持动态平衡，因而系统的调节能力应该大于负荷变化；分布式燃气轮机供能系统可与清洁能源耦合，成为多能源互补的先进供能系统，因而在运行过程中，除平衡负荷冷/热/电变化外，还要平衡清洁能源的出力波动，对系统调节的灵活性、可调节宽度提出了更高的要求。
综上，目前现有的燃气轮机分布式供能系统可实现能量的梯级、高效利用，发展前景广阔；然而，受外界负荷波动等多因素的影响，难以实时全工况高效、灵活匹配外界负荷，故运行热电比偏低，综合能效远未达到其额定值；其中，动力源、需求负荷、热、电等多元能源的实时匹配与平衡是影响系统性能的关键所在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式能源发电系统及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，具体是一种基于压气机抽气储能的分布式能源发电系统，可提高分布式能源发电系统的灵活性以及可调节宽度，能够实时高效、灵活匹配外界负荷，满足多元化能源的供给需求问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种分布式能源发电系统，包括：抽气储能及释能系统和燃气轮机系统；
所述抽气储能及释能系统中，抽气阀的出口依次经干燥器、储气罐、释气阀与空气透平的进口相连通；其中，所述空气透平用于驱动发电机发电；
所述燃气轮机系统中，压气机的进口用于输入空气，压气机的出口与燃烧室的空气进口相连通，燃烧室的燃料进口用于输入燃料，燃烧室的燃气出口与燃气透平的进口相连通；其中，所述燃气透平用于驱动发电机发电；
其中，压气机的出口还与抽气阀的进口相连通；所述抽气阀、所述释气阀根据接收的流量指令进行开度调节，使抽气储能及释能系统分段、间歇运行于抽气储能工况或释能工况，以满足外界负荷。
本发明的进一步改进在于，还包括：
截止阀，所述截止阀设置于所述压气机的出口与所述抽气阀的进口之间。
本发明的进一步改进在于，还包括：
第一发电机，所述第一发电机用于在空气透平的驱动下发电；
第二发电机，所述第二发电机用于在燃气透平的驱动下发电。
本发明的进一步改进在于，还包括：
余热锅炉，用于回收燃气透平的排气余热并对外供热。
本发明的进一步改进在于，
所述压气机为轴流式压气机；
所述轴流式压气机与所述燃气透平同轴布置。
本发明提供的一种分布式能源发电系统的控制方法，包括：
燃气透平功率大于外界负荷时，释气阀接收流量指令进行开度调节，使得抽气储能工况投入；
燃气透平功率小于外界负荷时，抽气阀接收流量指令进行开度调节，使得释能工况投入。
本发明的进一步改进在于，释气阀接收流量指令进行开度调节的步骤中，
根据外界负荷与燃气透平功率之间的偏差，在PI控制作用下控制释气阀开度。
本发明的进一步改进在于，抽气阀接收流量指令进行开度调节的步骤中，
根据外界负荷与燃气透平功率之间的偏差，在PI控制作用下控制抽气阀开度。
本发明的进一步改进在于，抽气储能工况投入或释能工况投入时，燃气轮机系统的控制包括燃气透平功率控制和透平排气温度控制；其中，
燃气透平功率控制中，接收的输入指令为燃气透平功率指令信号、功率测量信号，经过PI及函数的作用后，实现对抽气阀的开度调节；通过调节抽气阀开度，并与来自抽气阀反馈信号比较，实现对执行器的控制；
透平排气温度控制中，接收的输入指令为透平排气温度指令信号、透平排气温度反馈信号，经过PI及函数控制作用下，输出燃料阀开度指令信号，并与来自燃料阀开度反馈信号比较后，在PID控制下输出指令，实现对执行机构的控制。
本发明的进一步改进在于，所述燃气轮机系统中配置IGV的调节方式，使得燃气透平在运行时尽快达到低的透平排气温度或大的IGV开度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的分布式能源发电系统，具体是一种基于压气机抽气储能的分布式能源发电系统，构成空气储能/释能的燃气轮机能源系统，系统根据外界负荷变化，抽气储能/释能子系统分段、间歇运行于抽气储能工况或释能工况；压气机抽气可在较大范围内改变空气流量，故可维持燃气轮机等排汽温度运行。
本发明中，当燃气轮机组供电量不够满足外界电需求时，储能/释能系统启动释能程序，空气透平以恒压储气室内储气为工质对外做功，弥补不足电力；压气机抽气可在较大范围内改变燃气透平内做功工质流量，因而可以作为燃气轮机负荷调节手段，最终能够提高分布式能源发电系统的灵活性以及可调节宽度，能够实时高效、灵活匹配外界负荷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种分布式能源发电系统的示意图；
图2是本发明实施例中，压气机抽气储能/释能的燃气轮机负荷调节示意图；
图3是本发明实施例中，抽气储能及释能系统控制示意图；
图中，1、轴流式压气机；2、截止阀；3、抽气阀；4、干燥器；5、储气罐；6、释气阀；7、空气透平；8、第一发电机；9、燃烧室；10、燃气透平；11、余热锅炉；12、第二发电机；100、抽气储能及释能系统；200、燃气轮机系统。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1，本发明实施例提供的一种分布式能源发电系统，具体是一种基于压气机抽气储能的分布式能源发电系统，主要由两个部分组成，分别是抽气储能及释能系统100和燃气轮机系统200；其中，抽气储能及释能系统100包含抽气阀3、干燥器4、储气罐5、释气阀6、空气透平7、第一发电机8等部件；燃气轮机系统200包含轴流式压气机1、燃烧室9、燃气透平10、余热锅炉11、第二发电机12等部件。
本发明实施例的分布式能源发电系统中，空气输入至轴流式压气机1，输出为高压的压缩空气；压缩空气分流至两个部分，一部分与燃料混合后进入燃烧室9，充分燃烧产生高温高压的燃气；高温高压德燃气进入燃气透平10中膨胀做功，在第二发电机12的作用下，将机械能转化为电能，用于供电；燃气透平10排气进入余热锅炉11(HRSG)中，产生的高温蒸汽用于供热；另一部分剩余的压缩空气在流量指令作用下，分别在抽气阀3和截止阀2作用下进入干燥器4中，然后进入储气室进行储存；在流量指令作用至释气阀6下，压缩空气进入空气透平7中膨胀做功，通过第一发电机8将机械能转化为电能，用于供电；空气透平7中的排气具有部分余热，产生的排气用于供暖风。
本发明实施例提供的技术方案中，燃气轮机系统的排气余热由余热锅炉回收，对外供热。储气罐是压缩空气储能系统体积最大、占地面积最广的设备，其技术特点也与储能效率密切相关；因此，合理的选型、布局及技术优化是系统研究的关键问题之一。
本发明实施例进一步优选的技术方案中，根据外界负荷变化，抽气储能及释能系统分段、间歇运行于抽气储能工况或释能工况，以满足外界负荷为目标；恒速燃气轮机的变工况运行一般主要有两个控制变量，即空气流量与燃料流量，可以根据透平排气温度的要求改变燃气轮机的燃料/空气比。
本发明实施例提供的一种基于压气机抽气储能的分布式能源发电系统运行的控制方法，包括以下步骤：
(1)当燃气轮机功率高于外界负荷时，抽气储能工况投入，根据外界负荷与燃气轮机功率之间的偏差确定其开度，此时空气透平7接收到负荷指令信号，作用至释气阀6，进一步提高空气透平7及燃气轮机的输出功率，以响应外界电负荷的增加，弥补供电的不足，直至燃气轮机运行于满载时，截止阀2或抽气阀3关闭，系统停止抽气储能；
(2)当燃气轮机功率低于外界负荷时，释能工况投入，外界负荷与燃气轮机功率之间的偏差在PI控制作用下，共同控制抽气阀3的开度，在抽气阀3作用下，储气室中空气量减小，从而进一步降低燃气轮机输出功率，实现供电与耗电的供给平衡。
本发明实施例中，抽气储能及释能系统100中，当抽气阀3打开时，抽气储能工况投入，抽气将影响燃气轮机的功率输出，故必须适当改变基准系统燃气轮机的控制逻辑及燃烧调整逻辑。燃烧调整的目的是保证各负荷阶段燃烧稳定、燃烧脉动小、热部件不超温等要求，并达到NOx排放目标。
本发明实施例中，燃气轮机系统200中，配置IGV的调节方式，使得燃气轮机在运行时需要尽快达到低的透平排气温度或大的IGV开度，其等透平排气温度调节过程可简述为：改变IGV开度，燃料流量跟随，达到设定的透平排气温度，最终满足功率指令。其实质是：压气机在变IGV、等速线上较小幅度调整燃料/空气比，在一定负荷以上维持燃气透平10进气温度T3为较高值，该调节方式的负荷范围与压气机IGV级数、空气流量调节范围有关。
请参阅图2，该图为压气机抽气储能/释能的燃气轮机供能系统，为兼顾分布式能源发电系统供热/冷，本发明按燃气轮机等排气温度调节发电负荷，具体的调节过程如下：
燃气轮机供能系统包含两个部分，第一部分为燃气轮机功率的控制，第二部分为透平排气温度的控制；其中，第一部分中，发电系统接收的输入指令为：燃气轮机功率指令信号、功率测量信号，经过PI及函数的作用后，实现对抽气阀3的控制，通过调节其开度，与来自抽气阀3反馈信号作比较，实现对执行器的共同控制；第二部分输入指令为：透平排气温度指令信号、透平排气温度反馈信号，经过PI及函数等控制作用下，输出燃料阀开度指令信号，与来自燃料阀开度反馈信号作比较后，在PID控制下，输出指令实现对执行机构的控制。
其中，在发电系统中，燃气轮机组基于大气环境接收燃气轮机功率指令信号，当机组输出功率高于外界负荷时，开启截止阀2，并调节抽气阀3开度，以改变燃气透平10做功工质流量，分流出去的高温高压气体作为压气机旁路抽气储能子系统的工质。另一部分高温高压空气则进入燃烧室9，混合燃料燃烧，燃料阀接收排气温度指令信号，控制阀门开度调节进气燃料流量，以保证机组安全运行。
除此外，带压气机抽气储能/释能的燃气轮机供能系统因压气机抽气可在较大范围内改变其空气流量，可维持燃气轮机等透平排气温度运行。
本发明控制方法的具体控制策略中，当燃气轮机功率高于外界负荷时，抽气储能工况投入，根据外界负荷与燃气轮机功率之间的偏差确定其开度，此时空气透平7接收到负荷指令信号，作用至释气阀6，提高空气透平7及燃气轮机的输出功率，以响应外界电负荷的增加，弥补供电的不足，直至燃气轮机运行于满载时，截止阀2关闭，系统停止抽气储能；当燃气轮机功率低于外界负荷时，释能工况投入，外界负荷与燃气轮机功率之间的偏差在PI控制作用下，共同控制抽气阀3的开度，在抽气阀3作用下，储气室中空气量减小，从而降低燃气轮机输出功率，实现供电与耗电的供给平衡。
请参阅图3，该图为抽气储能及释能系统100的运行控制，控制系统的输入为：外界电负荷、燃气轮机功率指令，在PI控制的作用下，输出为空气透平7负荷指令，该指令与来自空气透平7负荷反馈信号作比较后，在PI及函数的控制做属下，输出调阀的控制指令。
当外界电负荷高于燃气轮机发电功率时，根据外界负荷与燃气轮机功率之间的偏差确定其开度，此时空气透平7接收到负荷指令信号，作用至释气阀6，进一步提高空气透平7及燃气轮机的输出功率，以响应外界电负荷的增加，弥补供电的不足，直至燃气轮机运行于满载时，截止阀2或抽气阀3关闭，系统停止抽气储能。
当外界电负荷低于燃气轮机发电功率时，外界负荷与燃气轮机功率之间的偏差在PI控制作用下，共同控制抽气阀3的开度，在抽气阀3作用下，储气室中空气量减小，从而进一步降低燃气轮机输出功率，实现供电与耗电的供给平衡。
综上所述，现有的燃气轮机分布式供能系统可实现能的梯级、高效利用，发展前景广阔，然而受外界负荷波动等多因素的影响，难以实时全工况高效、灵活匹配外界负荷，故运行热电比偏低，综合能效远未达到其额定值。源(动力源)/荷(需求负荷)热、电等多元能源的实时匹配与平衡是影响系统性能的关键所在。为解决这一问题，本发明提出了一种基于压气机抽气储能的分布式能源发电系统，在单轴燃气轮机机组的压气机出口抽气，构成空气储能/释能的燃气轮机供能系统；压气机抽气可在较大范围内改变燃气透平内做功工质流量，因而可以作为燃气轮机负荷调节手段。进一步具体解释性的，本发明设计了单轴燃气轮机系统的压气机出口抽气，构成空气储能/释能的燃气轮机能源系统，系统根据外界负荷变化，抽气储能/释能子系统分段、间歇运行于抽气储能工况或释能工况；并提出了可行的机组负荷控制策略，压气机抽气可在较大范围内改变空气流量，故可维持燃气轮机等排汽温度运行；系统中，当燃气轮机组供电量不够满足外界电需求时，储能/释能系统启动释能程序，空气透平以恒压储气室内储气为工质对外做功，弥补不足电力。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分布式能源发电系统，其特征在于，包括：抽气储能及释能系统(100)和燃气轮机系统(200)；
所述抽气储能及释能系统(100)中，抽气阀(3)的出口依次经干燥器(4)、储气罐(5)、释气阀(6)与空气透平(7)的进口相连通；其中，所述空气透平(7)用于驱动发电机发电；
所述燃气轮机系统(200)中，压气机的进口用于输入空气，压气机的出口与燃烧室(9)的空气进口相连通，燃烧室(9)的燃料进口用于输入燃料，燃烧室(9)的燃气出口与燃气透平(10)的进口相连通；其中，所述燃气透平(10)用于驱动发电机发电；
其中，压气机的出口还与抽气阀(3)的进口相连通；所述抽气阀(3)、所述释气阀(6)根据接收的流量指令进行开度调节，使抽气储能及释能系统(100)分段、间歇运行于抽气储能工况或释能工况，以满足外界负荷。
2.根据权利要求1所述的一种分布式能源发电系统，其特征在于，还包括：
截止阀(2)，所述截止阀(2)设置于所述压气机的出口与所述抽气阀(3)的进口之间。
3.根据权利要求1所述的一种分布式能源发电系统，其特征在于，还包括：
第一发电机(8)，所述第一发电机(8)用于在空气透平(7)的驱动下发电；
第二发电机(12)，所述第二发电机(12)用于在燃气透平(10)的驱动下发电。
4.根据权利要求1所述的一种分布式能源发电系统，其特征在于，还包括：
余热锅炉(11)，用于回收燃气透平(10)的排气余热并对外供热。
5.根据权利要求1所述的一种分布式能源发电系统，其特征在于，
所述压气机为轴流式压气机(1)；
所述轴流式压气机(1)与所述燃气透平(10)同轴布置。
6.一种权利要求1所述的分布式能源发电系统的控制方法，其特征在于，包括：
燃气透平(10)功率大于外界负荷时，释气阀(6)接收流量指令进行开度调节，使得抽气储能工况投入；
燃气透平(10)功率小于外界负荷时，抽气阀(3)接收流量指令进行开度调节，使得释能工况投入。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，释气阀(6)接收流量指令进行开度调节的步骤中，
根据外界负荷与燃气透平(10)功率之间的偏差，在PI控制作用下控制释气阀(6)开度。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，抽气阀(3)接收流量指令进行开度调节的步骤中，
根据外界负荷与燃气透平(10)功率之间的偏差，在PI控制作用下控制抽气阀(3)开度。
9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，抽气储能工况投入、释能工况投入时，燃气轮机系统(200)的控制包括燃气透平(10)功率控制和透平排气温度控制；其中，
燃气透平(10)功率控制中，接收的输入指令为燃气透平(10)功率指令信号、功率测量信号，经过PI及函数的作用后，实现对抽气阀(3)的开度调节；通过调节抽气阀(3)开度，并与来自抽气阀(3)反馈信号比较，实现对执行器的控制；
透平排气温度控制中，接收的输入指令为透平排气温度指令信号、透平排气温度反馈信号，经过PI及函数控制作用下，输出燃料阀开度指令信号，并与来自燃料阀开度反馈信号比较后，在PID控制下输出指令，实现对执行机构的控制。
10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述燃气轮机系统(200)中配置IGV的调节方式，使得燃气透平(10)在运行时尽快达到低的透平排气温度或大的IGV开度。
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| CN202310814023.5A CN116816499A (zh) | 2023-07-04 | 2023-07-04 | 一种分布式能源发电系统及其控制方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310814023.5A CN116816499A (zh) | 2023-07-04 | 2023-07-04 | 一种分布式能源发电系统及其控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116816499A true CN116816499A (zh) | 2023-09-29 |
Family
ID=88127415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310814023.5A Pending CN116816499A (zh) | 2023-07-04 | 2023-07-04 | 一种分布式能源发电系统及其控制方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117691642A (zh) * | 2024-02-02 | 2024-03-12 | 百穰新能源科技(深圳)有限公司 | 储能系统释能控制方法、系统、控制设备和存储介质 |
| CN117691642B (zh) * | 2024-02-02 | 2024-05-10 | 百穰新能源科技(深圳)有限公司 | 储能系统释能控制方法、系统、控制设备和存储介质 |
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2023
- 2023-07-04 CN CN202310814023.5A patent/CN116816499A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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