CN219711673U - 液态空气储能燃气轮机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及能源技术领域，特别是一种液态空气储能燃气轮机系统，该系统由燃气子系统、燃气轮机子系统、液态空气气化进气子系统和余热利用子系统四个部分组成，并整合集成为一个可替代燃气轮机压气机，并释放分配给压气机占透平2/3左右的做功用于发电的燃气轮机系统，进一步挖掘了液态空气储能的利用价值，可实现燃气子系统、液态空气气化进气子系统、余热利用子系统集成协同调控燃气轮机子系统各运行工况，该系统注重余热资源的综合利用，与现有系统相比，系统总能源利用效率、经济性、稳定性及可靠性有很大的提高，将在以新能源为主体的新型电力系统构建中发挥更大的柔性调节能力、爬坡能力和惯量支撑作用。

Description

液态空气储能燃气轮机系统

技术领域

本实用新型涉及能源技术领域，特别是一种液态空气储能燃气轮机系统。

背景技术

液态空气储能燃气轮机系统是一项先进的清洁能源高效利用发电系统技术，该项技术采用液态空气储能装置替代燃气轮机压气机，向燃气轮机燃烧室提供进气空气，并将液态空气储能装置与燃气轮机集成于一体协同运行的先进能源高效利用系统。燃气轮机是目前先进的能源利用装备之一，在电力工业中燃气轮机透平发出的机械功有2/3左右用来带动燃气轮机压气机，其余1/ 3左右的机械功用来驱动发电机发电，这使燃气轮机透平发出的机械功难以充分用于发电，能源利用效率低，能源利用价值没有充分体现。液态空气储能是目前大规模储技术的主要研究及应用方向之一，液态空气储能可以利用电网谷电、光伏、风电等生产液态空气存储起来，释能时通过液态空气气化的高压空气推动涡轮做功发电，但能源很难高效可逆利用，液态空气气化释能发电功率密度和能效较低，如将液态空气储能装置与燃气轮机集成于一体，替代燃气轮机压气机向燃烧室提供进气空气，释放透平发出的提供给压气机2/3左右的功用于发电，将有利于液态空气储能释能能效及利用价值大幅提高，以及燃气轮机系统总能效的大幅提高和能源利用价值的大幅提高，还可以减少燃气轮机单位发电量2/3左右的天然气消耗，大幅度节约了天然气资源及降低单位发电量的碳排放量，同时可以将没有惯量的光伏发电和低惯量的风电充分转变为具有惯量的燃气轮机发电，将在以新能源为主体的新型电力系统构建中提供巨大的柔性调节能力、爬坡能力和惯量支撑作用。

早在1978年BBC公司设计和制造了世界上第一台压缩空气储能燃气轮机系统在德国亨托夫安装投入使用，用压缩空气储能装置替代燃气轮机压气机工作，释放燃气轮机透平用于驱动压气机近2/3的机械功用来发电调峰，压缩空气储能装置替代压气机工作2小时，取得了预期的调峰效果。1988年瑞典ASEA公司和BBC公司合并之后，进行了一些改进，并在美国、欧盟、澳大利亚等国家和地区进行了应用，但压缩空气储能装置替代燃气轮机压气机提供燃气轮机燃烧室的进气空气持续运行时间短，发电单元处于瞬态运行环境，瞬态运行可能引起不可能预见的问题，并可能导致发电机突然跳闸，危及整个燃气轮机电站，同时存在一系列不可预见的整体集成设计和控制可靠性问题难以解决，因此尚未在世界范围推广，但空气储能装置替代燃气轮机压气机工作的构想及探索实践意义极其重大。

大力发展清洁可靠的能源技术全世界从来没有像现在这样紧迫过，新型发电技术、大容量储能技术、风光等可再生能源规模性发电接入电网消纳，天然气、氢气高效发电应用及新型电力系统的研究及技术创新突破极其重要。近几年，液态空气储能的能源存储解决方案研究及应用已经到了最前沿，利用液态空气进行能源存储，可以在没有地理位置限制的情况下，实现大规模、长时间的储能，这使得液态空气储能装置与燃气轮机的整合集成应用受到美国、英国、法国、瑞典、澳大利亚及中国的相应研究机构及企业高度关注及重视。期待集成解决方案及调控策略的突破，在“碳达峰、碳中和”及构建新型电力系统中发挥重要作用。

空气储能装置与燃气轮机集成应用，用空气储能装置替代燃气轮机压气机运用工作的研究及应用方案，目前普遍存在以下几个问题：

1、液态空气储能装置与燃气轮机压气机在结构、功能及在燃气轮机中的集成与运行机理不同，存在差异，仅注重液态空气储能装置替代燃气轮机压气机工作的工程设计及研究，而忽视液态空气储能装置与燃气轮机的运行集成机理分析、研究及设计，缺乏系统性的集成技术解决方案，导致集成不充分，耦合不充分，难以形成系统的调控策略，导致燃气轮机运行不稳定及出现不可预见的问题，未能实现全工况集成运行，仅应用于短时调峰，其应用价值尚未充分挖掘，经济性不佳，难以广泛推广应用。

2、现有空气储能燃气轮机系统的研究及应用方案，仅考虑了空气储能装置包括压缩空气储能装置和液态空气储能装置，释放的常态空气进入燃气轮机燃烧室的压力和质量流量能满足替代燃气轮机压气机向燃烧室提供进气空气的压力和质量流量等技术参数指标，忽视了压气机在压气过程中产生的温升使向燃烧室提供的进气空气温度一般达到了400℃左右，使燃烧室的进气空气中的O₂具有足够的活性，使O₂与燃料混参后能极速燃烧，满足燃烧时的传焰速度及燃料热值的充分释放要求。而空气储能装置释压空气或释能气化空气温度低，空气中的O₂的活性达不到使天然气或燃料毫秒级极速燃烧及热值极速充分释放的要求，因此能效不理想。

3、液态空气储能装置向燃气轮机燃烧室提供的进气空气与压气机提供的进气空气，对于天然气在燃烧室燃烧各有优劣势，现有的空气储能燃气轮机系统没有充分利用空气储能装置向燃气轮机燃烧室提供进气空气的优势和很好的克服其劣势，难以克服在负荷动态变化情况下引起的变工况不利影响，缺乏不同工况下相应进气空气与天然气协同燃烧模式的调控策略及措施，现有的燃气轮机调控策略研究及应用侧重于压气机情况的调控策略，并不能适应液态空气储能燃气轮机系统，难以实现全工况及变工况调控运行。

4、天然气或燃料温度和液态空气气化空气的温度、含氧量、质量流量等参数及参混比例对燃烧、排烟温度及流量、输出功率及效率等燃气轮机运行技术参数影响较大，且各参数之间存在交互影响，燃气轮机不同运行工况时各参数的协同策略不同，机理复杂，亟待主动全工况及变工况运行调控策略解决方案。

5、空气储能装置替代燃气轮机压气机工作运行，目前仅限应用调峰，而不能全工况及变工况替代运行，故其替代价值尚未充分挖掘。

发明内容

本实用新型为了解决现有空气储能燃气轮机系统存在的不足，提出一种液态空气储能燃气轮机系统，该系统具有如下几个特点：

1、由于燃气轮机压气机与液态空气储能装置在结构、功能及特性方面存在差异，与燃气轮机集成各有优劣势，体现在与燃气轮机集成上存在涉及热能动力、空气动力、燃烧学、化学动力学、协同控制策略等技术领域的集成机理差异及优劣势。本实用新型充分利用液态空气储能装置向燃气轮机燃烧室提供进气空气的优势和克服其劣势，通过充分研究分析液态空气储能替代压气机与燃气轮机的集成机理，首次提出液态空气储能燃气轮机系统集成结构，由燃气子系统、燃气轮机子系统、液态空气气化进气子系统和余热利用子系统四个部分组成，燃气子系统由天然气输气管道、天然气截止阀门、天然气辅助截止阀门、天然气速比截止阀门、扩散燃烧天然气控制阀门、预混燃烧天然气控制阀门组成，燃气轮机子系统由混合器、燃烧室、透平、发电机、余热蒸汽锅炉、阀门组成，余热利用子系统由热交换器、导热油储罐、导热油管道、余热加热器、阀门组成，液态空气气化进气子系统由液态空气储罐、低温变频泵、空气气化器、蓄冷罐、阀门组成；其特征在于液态空气储能燃气轮机子系统中天然气输气管道经阀门一（1）再经与阀门六（6）、阀门七（7）、阀门八（8）分别连接余热利用子系统中余热加热器I、余热加热器II、余热加热器Ⅲ，余热加热器I、余热加热、器II余热加热器Ⅲ经阀门十五（15）、阀门十六（16）、阀门十七（17）分别再经阀门十九（19)连接燃气轮机子系统中燃烧室和分别再经阀门二十(20)连接燃气轮机子系统中混合器，混合器经阀门二十五(25)连接燃烧室，燃烧室连接透平，透平轴两端分别连接发电机I和发电机II，透平排烟连接余热蒸汽锅炉；液态空气生产过程产生的余热热水和余热锅炉省煤器出水、余热蒸汽锅炉烟气余热、余热蒸汽锅炉余热蒸汽分别经阀门二(2)、阀门三(3)、阀门四(4)连接余热利用子统，在余热利用子系统中阀门九(9)、阀门十(10)、阀门十一(11)、阀门十二(12)、阀门十三(13)、阀门十四(14)分别连接余热加热器I、余热加热器II、余热加热器Ⅲ、余热加热器IV、余热加热器V、余热加热器VI，余热加热器VI经阀门二十一(21)、阀门二十二(22)分别连接燃气轮机子系统中混合器、燃烧室；液态空气气化进气子系统中液态空气储罐经阀门五(5)连接低温变频泵，低温变频泵经阀门十八(18)连接空气气化器，空气气化器经阀门二十三(23)连接余热利用子系统中余热加热器IV，余热加热器IV连接余热加热器V，余热加热器V连接余热加热器VI，液态空气气化进气子系统中空气气化器经阀门二十四(24)连接燃气轮机高温部件冷却气道，空气气化器经回收气化冷能连接蓄冷罐；余热加热器VI、余热加热器∨、余热加热器IV分别连接阀门三十二(32）、阀门三十三（33）、阀门三十四（34），经阀门三十二（32）、阀门三十三（33）、阀门三十四（34）联合调节好压力和温度的清吹空气连接阀门三十五（35），并经阀门三十五（35）连接需清吹的天然气管道。所述的液态空气储能燃气轮机系统，其特征在于余热利用子系统中，液态空气生产工艺余热热水、烟气余热、余热蒸汽分别经阀门二（2）、阀门三（3）、阀门四（4）连接热交换器ll、热交换器Ⅲ、热交换器VI；经热交换器ll排出的热水连接热交换器I，经热交换器I加热的导热油I经阀门二十六（26）连接导热油储罐I，并经阀门九（9）连接余热加热器I加热经阀门六（6）的天然气，输出热天然气I，导热油I回流至热交换器I；经热交换器II加热的导热油ll经阀门二十七（27)连接导热油储罐II，并经阀门十(10)连接余热加热器ll加热经阀门七(7)的天然气，输出热天然气II，导热油II回流至热交换器ll；经热交换器Ⅲ排出烟气连接热交换器IV，经热交换器Ⅳ加热的导热油Ⅳ经阀门二十八(28)连接导热油储罐IV，并经阀门十二(12)连接余热加热器Ⅳ加热经阀门二十三(23)的气化干空气，输出热气化干空气I，导热油IV回流至热交换器IV；经热交换器Ⅲ加热的导热油Ⅲ经阀门二十九（29）连接导热油储罐Ⅲ，并通过阀门十一（11）连接余热加热器Ⅲ加热经阀门八（8）的天然气，输出热天然气Ⅲ，导热油Ⅲ回流至热交换器Ⅲ；经热交换器VI排出蒸汽连接热交换器Ⅴ，经热交换器加热的导热油Ⅴ经阀门三十（30)连接导热油储罐Ⅴ，并经阀门十三(13)连接余热加热器Ⅴ热加热热气化干空气I，输出热气化干空气II，导热油Ⅴ回流至热交换器Ⅴ；经热交换器VI加热的导热油经阀门三十一(31)连接导热油储罐VI，并经阀门十四(14)连接余热加热器VI继续热加热热气化干空气ll，输出加热进气空气，即燃气轮机系统中燃烧室的进气空气，导热油VI回流至热交换器VI，导热油储罐ll经阀门三十六(36)双向连接导热油储罐IV，导热油储罐IV经阀门三十七(37)双向连接导热油储罐Ⅲ，导热油储罐Ⅲ经阀门三十八(38)双向连接导热油储罐Ⅴ，实现余热锅炉省煤器出水、烟气余热、蒸汽余热相近品位，不同类型的余热资源互补利用。实现液态空气储能装置与燃气轮机全面整合集成，而非拼凑，使液态空气储能装置替代压气机与燃气轮机集成耦合更充分、燃烧更优，可满足系统全工况及变工况调控运行，系统运行更稳定、能源综合利用效率更高、经济性更好、NO_x排放量更低。

2、针对液态空气储能装置气化干空气温度低，燃气轮机燃烧室所需进气空气质量流量大，流速快，因此要提升进气空气温度到320℃左右才能满足天然气毫秒级极速燃烧的进气空中O₂的活性要求，所需的加热热量大，品位较高，仅须加热热交换速率快及加热均匀，并且为提高天然气单位质量的焓值，降低天然气耗量和NO_x的排放，需根据燃气轮机不同工况预热天然气。本实用新型根据天然气预热和燃气轮机燃烧室进气空气的加热要求首次提出了液态空气储能燃气轮机多品位、多类型的余热利用子系统，该余热利用子系统首次提出液态空气储能燃气轮机系统的余热综合利用方案，所述液态空气储能燃气轮机系统余热利用子系统，使有限的多类型、多品位余热资源梯阶、互补充分有效利用，比现有的电加器和燃料加热器节约了能源，并且解决了加热热交换过程中热传递时滞问题及加热均匀问题。

3、首次提出液态空气储能燃气轮机系统能全工况主动调控的集成结构和功能，天然气或燃料温度及流量和液态空气气化空气加热后形成的燃气轮机燃烧室进气空气的温度、含氧量、质量流量等参数及参混比例对燃烧模式、燃烧速率、传焰速度及长度、天然气或燃料耗量、排烟温度及流量、输出功率及效率等燃气轮机运行技术参数影响较大，利用本实用新型提出的集成结构、余热利用方式及阀门节点，通过各阀门的组合调节实现系统各工况运行参数的主动调控，实现燃气子系统、液态空气气化进气子系统、余热利用子系统主动协同燃气轮机子系统全工况及变工况运行，还可以克服液态空气储能燃气轮机系统变工况对系统能效的不利影响，可满足不同工况的燃烧模式要求。

4、注重系统的节能减排，将节能减排贯彻到系统每个工艺流程节点的设计，保障节能减排和生态环保作用的充分发挥。

为了解决现有空气储能燃气轮机系统的不足和实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是提供一种液态空气储能燃气轮机系统，使液态空气储能装置替代燃气轮机压气机与燃气轮机充分耦合集成，充分利用系统的余热资源和主动调控策略，以满足多种工况条件下天然气和燃气轮机燃烧室进气空气的技术参数要求，充分利用液态空气储能装置气化空气作为燃气轮机燃烧室进气空气的优势和充分克服其劣势，以解决液态空气储能燃气轮机系统耦合集成难题，挖掘其能源综合利用效率、节能减排潜力及作为柔性电源的调控能力和电网支撑能力，使液态空气储能燃气轮机系统在“碳达峰、碳中和”及构建新型电力系统中发挥巨大作用。

所述的液态空气储能燃气轮机系统，其所述使液态空气储能装置替代压气机与燃气轮机集成耦合更充分、系统运行更稳定、能源综合利用效率更高、经济性更好、燃烧更优、NO_x排放量更低。液态空气储能装置中液态空气气化时需将气化冷能回收，实际应用中通常采用大气空气作为液态空气复温气化的热交换介质，液态空气气化空气通常为常温，相对于压气机出口温度通常在400℃左右来说，显然液态空气气化空气作为燃气轮机燃烧室的进气空气温度太低、所需的质量流量大、进气空气中O₂的活性较差，无法实现天然气在燃气轮机燃烧室毫秒级的极速燃烧速率，天然气无法实现充分燃烧和热值充分释放。因此，对进气空气升温所需的热量大、温度较高，如采用电加热和燃料加热方式，将使系统总能效低且经济性差，难以推广应用。液态空气储能装置中的液态空气在生产工艺中除去了空气中的水蒸汽、CO₂及杂质，故气化空气为干净的干空气。干空气和湿空气在相同质量流量的情况下，干空气流速比湿空气流速慢、含氧量高，这有利于解决天然气燃烧中发生的链式化学反应中产生的CO充分燃烧的难题，提高了能效。在燃气轮机应用中进气空气的质量流量对燃气轮机的输出功率及效率有显著作用，进气空气质量流量越大，输出功率越大，效率越高，工程实践中通常采用压气机进口空气冷却或蒸汽回注燃烧室增加湿度提高流速来提高空气质量流量的措施来增大透平作功，采用压气机进口空气冷却比蒸汽回注燃烧室对提高燃气轮机输出功率及效率的作用要稍大一些。另外，由于干空气不含水蒸汽，故不存在潜热，只有显热，较湿空气易加热、易升温，同等热量加热时加热温度要高一些。在充分分析上述机理及因素的基础上，发挥液态空气储能装置气化空气作为燃气轮机燃烧室进气空气的优势和弥补其劣势，提出液态空气储能燃气轮机系统方案，使液态空气储能装置替代压气机与燃气轮机集成耦合更充分、系统运行更稳定、能源综合利用效率更高、经济性更好、燃烧更优、NO_x排放量更低。

所述的液态空气储能燃气轮机系统，其所述余热综合利用方案，使余热资源充分有效利用。系统的余热资源较为丰富，但余热资源品位多种，高品位余热利资源不足。特别是为了满足燃气轮机燃烧室所需进气空气流速快、质量流量大、温度较高，余热加热时热交换须极速且均匀的要求，通过对多种品位的余热资源科学合理分配利用、梯阶利用、互补利用，并针对进气空气采用冷加热形成扩散气流，再通过热加热形成湍流，最后再热加热形成更强烈的湍流，使进气空气中分子运动更激烈，热交换极速且均匀的余热综合利用技术方案，达到余热资源充分有效利用。另外其它导热介质加热均匀方面不如导热油，而燃气轮机燃烧室对进气空气升温均匀要求严格，因为直接影响到燃烧室燃烧状态及稳定性。燃气轮机压气机进口空气温度通常在400℃左右，该温度范围研究及工程实践中通常作为经验值，针对燃气轮机燃烧室排烟中存在不少未烧尽CO可燃气体，有的专家、工程师认为根据天然气燃烧过程的链式化学反应CO是最后完成反应的，天然气的燃烧速率应由链式化学反应中CO的燃烧速率来决定，依据阿累尼乌斯定律提高燃气轮机燃烧室进气空气温度，可以提高CO的燃烧速率，减少燃气轮机燃烧室排烟中CO的含量，但要进一步提高燃气轮机燃烧室进气空气温度在燃气轮机和空气储能燃气轮机系统应用中是很困难的。本实用新型研究认为燃气轮机压气机出口温度通常在400℃左右，是由于压气机压缩空气时被动的升温，对于液态空气储能燃气轮机系统来说燃气轮机燃烧室进气空气温度320℃左右为宜，就能满足天然气亳秒级的极速燃烧，因为液态空气气化空气为干空气，干空气比湿空气比热容小，容易升温，含氧量大，在燃烧室喷嘴口火焰预热区，完全可以使预混气体极速温升至天然气点燃温度530℃左右，空气中O₂的活化能要小于N₂的活化能，燃气轮机燃烧室进气空气温度320℃左右进气空气中O₂的活性完全可以满足天然气毫秒级极速燃烧，但降低了N₂的活性，使O₂和N₂反应速率极其缓慢，降低了O₂和N₂反应的竞争能力，使在1320℃以下的火焰温度下很难快速反映，有利于提高参与燃烧的O₂浓度。燃气轮机燃烧室排烟中CO含量较高，未能充分燃烧并非进气空气温度低，O₂的活性不够影响了CO与O₂的反应速率，而是O₂的浓度不够，故单纯提高通过进气温度来提高CO与O₂的化学反应速率作用并不显著。干空气的含氧量高于湿空气，在相同质量流量的情况下且流速比湿空气慢，适当延长了CO与O₂充分反应的时间，故CO可以完全燃烧，但干空气燃烧时比湿空气燃烧温度高，且也比湿空气N₂浓度稍高，不利于NO_x的控制，但可以减少混合气体中天然气的比例，降低燃烧温度的方式减少NO_x的排放，同时也节约了天然气。

所述的液态空气储能燃气轮机系统，其所述主动调控策略，即系统各运行工况下燃气轮机燃烧室进气空气的温度，湿度、压力，质量流量和天然气热值、预热温度对燃烧室预混气体配比、燃烧模式、燃烧速率、火焰温度、排烟温度及质量流量、排放指标，以及燃气轮机的输出功率及效率有着显著影响，故需要液态空气储能燃气轮机系统具有上述运行参数的主动组合调控集成结构、功能及方法。本实用新型所述的主动调控策略是建立在所述液态空气储能燃气轮机系统的集成结构及功能上，通过各阀门的主动协同组合调控，实现燃气子系统、余热利用子系统、液态空气气化进气子系统各运行技术参数主动动态组合匹配协同燃气轮机的运行工况。解决了燃气轮机及液态空气储能燃气轮机系统主动调控策略难题，克服动态负荷对燃气轮机子系统不利的变工况影响，使系统运行更稳定、能效更优、经济性更好。

附图说明

图1是液态空气储能燃气轮机系统结构图；

图2是余热利用子系统结构图。

实施方式

本实用新型提供一种液态空气储能燃气轮机系统，燃气轮机子系统在燃气子系统、余热利用子系统和液态空气气化进气子系统的主动协同调控下，使余热资源充分优化利用和各工况优化运行，提高液态空气储能燃气轮机系统能源综合利用效率与稳定性，降低排放。下面通过附图说明和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

实施方式1

余热利用子系统实施方式：用液态空气生产过程回收余热存储的热水作为起动热源，待燃气轮机点火、启动、热机及提供燃烧室扩散燃烧，使燃气轮机运行并逐步产生烟气、余热蒸汽、省煤器出水等予以利用，导热油储罐用来调节燃气轮机变工况运行时，余热资源供应动态变化，提供可靠、稳定的天然气预热和进气空气加热流程。导热油I采用低温导热油、导热油ll、导热油Ⅲ、导热油IV、导热油Ⅴ采用高温导热油，高温导热油之间可以建立互连互通的高温导热油循环，有利于多类类型余热互补，导热油VI采用超高温导热油。如图2预热天然气时，液态空气生产工艺余热热水与燃气轮机点火、热机、启动运行后余热蒸汽锅炉省煤器的出水经阀门2通过热交换器ll加热导热油ll，热交换器ll排出热水经热交换器l加热导热油I，经阀门26流入导热油储罐I，再经阀门9流入余热加热器I预热经阀门6流入的天然气I，流出导热油I回流至热交换器I入口，热交换器ll流出导热油ll经阀门27流入导热油储罐ll，并经阀门10流入余热加热器ll预热经阀门7流入的天然气II，流出导热油ll回流至热交换器II入口；烟气余热经阀门3通过热交换器Ⅲ加热导热油Ⅲ，经阀门29流入导热油储罐Ⅲ，再经阀门11流入余热加热器Ⅲ预热经阀门8流入的天然气Ⅲ。在低温天气和冬天如余热资源不足，可以在天然气入气管道前端，即阀门1前加装电加器，预热天然气在15.5℃和0.103Mpa以上。如图2加热进气空气时，余热锅炉排出的烟气余热经阀门3通过热交换器Ⅲ加热导热油Ⅲ，热交换器Ⅲ排出烟气余热经热交换器IV加热导热油IV，经阀门28流入导热油储罐IV，再经阀门12流入余热加热器IV加热气化干空气I，余热锅流出导热油IV回流至热交换器IV入口，余热锅炉余热蒸汽经阀门4通过热交换器VI加热导热油VI，热交换器VI排出蒸汽经热交换器∨加热导热油V，经阀门30流入导热油储罐V，并经阀门13流入余热加热器V加热气化干空气I，流出导热油V回流至热交换器V入口，导热油VI经阀门31流入导热油储罐VI，再经阀门14流入余热加热器VI再加热热气化干空气ll，形成热进气空气。在低温天气和冬天如余热资源不足，可以用电加热气化器替代空气气化器，加热气化空气至15℃。气化干空气满足燃气轮机燃烧室进气空气厂家额定压力及质量流量技术参数要求。

实施方式2

天然气预热供气实施方式：如图1、如图2，打开阀门1、阀门2，阀门6、阀门7、阀门9、阀门10、阀门15、阀门16、阀门19，使经过阀门7的天然气通过余热加热器II先用液态空气生产过程回收余热存储的100℃左右的热水和后可以用余热蒸汽锅炉省煤器的出水利用余热利用子系统加热天然气至49℃，以保证天然气有一定的过热度，防止天然气结露，使经过阀门6的天然气通过余热加热器l用热交换器ll排出热水利用余热利用子系统加热天然气至49℃，实现余热资源的梯阶利用，经余热加热器I、余热加热器ll预热的天然气先经阀门15、阀门16、再合并经阀门19喷入燃烧室，实现燃气轮机的点火、启动、热机及提供燃烧室扩散燃烧；打开阀门3、阀门8、阀门11、阀门17，阀门20、阀门25，关闭阀门6、阀门15、阀门19，使经过阀门7的天然气通过余热加热器II用液态空气生产过程回收余热存储的100℃左右的热水和余热蒸汽锅炉省煤器的出水利用余热利用子系统逐步加热天然气至185℃，使经过阀门8的天然气通过余热加器Ⅲ用余热锅炉排烟烟气余热利用余热利用子系统逐步加热天然气至185℃，并先经阀门16、阀门17、再合并经阀门20喷入混合器，与加热进气空气混合，形成预混气体后经阀门25喷入燃烧室，实现亚先导预混燃烧模式、先导预混燃烧模式、预混燃烧模式。

实施方式3

进气空气加热进气实施方式：进气空气即液态空气储能装置气化空气加热后作为燃气轮机燃烧室的入口进气空气，如图1、图2液态空气经阀门18流入空气气化器通过与大气空气热交换复温至常温气化干空气，并回收气化冷能，打开阀门23、阀门12、阀门13、阀门14使常温气化干空气通过余热加热器IV用热交换器Ⅲ排出烟气利用余热利用子系统冷加热后的热气化干空气l，流入余热加器Ⅴ，打开阀门4，使余热锅炉余热蒸汽利用余热利用模块热加热后的热气化干空气II，流入余热加热器VI使余热锅炉余热蒸汽利用余热利用模块再热加热后形成320℃左右的热进气空气，打开阀门22，使热进气空气经阀门22流入燃烧室与预热天然气形成扩散燃烧，实现燃气轮机子系统点火、启动、热机。打开阀门21、关闭阀门22，使热进气空气流入混合器与预热天然气混合形成预混气体经阀门25喷入燃烧室，实现亚先导预混燃烧模式、先导预混燃烧模式、预混燃烧模式。

实施方式4

协同调控运行实施方式：燃气轮机燃烧室的性能对天然气和进气空气的参混比例是非常灵敏的，进气空气和天然气的协同控制是一个燃烧调整的复杂过程，应在不同的负荷段作出相应的调整控制，还应兼顾燃烧脉动与NOx排放，燃气轮机燃烧室的动态特性跟天然气的温度、燃烧值、成份，燃烧室入口空气质量流量、压力、温湿度等有很大关系，为了保证调控的准确性针对根据季节或气侯气温、系统工况的动态变化、余热综合利用、天然气预热、进气空气加热和参混比例等情况，对图1、图2所示的电动阀门根据本实用新型的液态空气储能燃气轮机系统介绍的机理及实施方式1、实施方式2、实施方式3进行开启、调节流量和关闭；液态空气气化进气子系统协同燃气轮机系统协同起动调控时，燃气轮机起动过程中天然气需求量变化范围大，不应根据厂家提供的上限控制天然气量使燃气轮机快速启动产生较大的热应力导致材料热疲劳，应根据天然气和进气空气质量流量的混合比例和厂家提供的随转速和时间进程而变化的天然气供应的上限，即燃气轮机起动控制天然气行程基准，确定液态空气协同气化为空气质量流量行程基准，即控制进气空气质量流量协同行程基准；根据燃气轮机点火天然气行程基准，确定点火控制进气空气质量流量协同行程基准，点火成功后应根据暖机天然气行程基准值，确定暖机控制液态空气协同气化空气质量流量行程基准，即控制进气空气质量流量协同行程基准，并保持稳定；燃气轮机由暖机进入转速逐渐上升阶段，天然气供应流量也随之增加，根据转速随时间斜升的速率，确定液态空气协同控制启动转速斜升速率的气化空气及进气空气行程基准，并协同控制燃气轮机启动转速达到预设的加速值，即启动成功完成；液态空气气化进气子系统协同转速控制时，根据燃气轮机有差转速控制方式和无差转速控制方式分别确定，发电机并网运行时选用有差转速控制方式，单机运行时则选用无差转速控制方式，根据燃气轮机有差转速控制时的转速控制天然气行程基准和无差转速控制时的转速控制天然气行程基准，确定液态空气协同气化的空气质量流量行程基准及进气空气质量流行程基准；液态空气气化进气子系统协同温度控制时，燃气轮机内部喷嘴处的温度，即工作温度为控制目标，燃气轮机透平长时间工作在高温高速下，承受的应力极大，容易引起透平叶片烧毁、断裂等事故，应将工作温度控制在一定范围内，液态空气气化进气子系统协同燃烧控制时，根据进气空气质量流量与天然气的配比比例，以及燃气轮机生产厂家规定的工作温度范围，严格控制液态空气协同气化的空气质量流量和进气空气质量流量范围，燃气轮机透平排气温度超过允许基准值时，温度控制进入控制天然气行程基准将减少天然气量，液态空气协同气化的空气及进气空气行程基准应减少气化的空气量及进气空气量，协同控制燃气轮机透平排气温度返回温度控制基准值内，燃气轮机透平排气温度低于温控基准时，提高温度控制天然气行程基准，使温度控制天然气行程基准超过转速控制天然气行程基准，液态空气协同气化的空气质量流量及进气空气质量流量应超过转速控制气化的空气质量流量及进气空气质量流量，协同温度控制系统退出控制；燃气轮机运行在尖峰负荷时，在控制排气温度基准内提高温控基准，控制液态空气协同气化的空气质量流量及进气空气质量流量行程基准也应协同提高，使燃气轮机机组带更大的负荷，燃气轮机透平排气温度分散度超过定值，发出警报和温度控制切除加载回路，停止加载时液态空气协同气化的空气及进气空气协同天然气控制行程停止进气空气质量流量的加载，确保燃气轮机工作温度不升高；用燃气轮机透平排气温度间接控制燃气轮机工作温度时，温控基准随环境温度而变化，应用温控基准随天然气供应量而变的温控线和随燃气轮机燃烧室进气空气压力而变的温控线均可；液态空气气化进气子系统协同停机控制时，燃气轮机停机过程天然气的减少和切断，使燃气轮机的热通道部份受到温度变化的冲击而产生应力，和启动过程一样，升温和降温速度过快同样影响机组部件的使用寿命，根据燃气轮机停机控制天然气行程基准的递减速率来确定协同停机控制液态空气协同气化的空气及进气空气质量流量行程基准，直到天然气控制行程切断天然气供应，液态空气气化进气子系统协同负荷控制及一次调频时，燃气轮机的负荷主要由燃气控制系统和温度控制系统来完成，主要体现在对机组的天然气行程基准的控制上，根据负荷调控天然气行程基准，确定负荷调控液态空气协同气化的空气及进气空气质量流量行程基准，协同燃气系统对燃气轮机进行负荷调控，并受排气温度基准限制；燃气轮机并网后按预选负荷状态或基来负荷状态，分别选择确定预定负荷控制和基本负荷控制的液态空气协同气化的空气及进气空气质量流量行程基准；在基本负荷控制方式时，燃气轮机的排气温度随负荷的增加而升高，在运行工况的最大负荷附近进入温度控制，在并网发电时，升高转速控制天然气行程基准增加出力，分别按温度控制、转速控制液态空气协同气化的空气及进气空气质量流量行程基准，排气温度升到温控基准，转速控制系统退出控制，转为温度控制液态空气协同气化的空气及进气空气质量流量行程控制基准；在预选负荷控制方式时，燃气轮机输出功率总是跟踪设定负荷点，转速控制天然气行程基准作为燃气轮机天然气行程控制基准，当燃气轮机机组到达温度控制时，转速控制继续计算，应提供比温度控制天然气行程基准高的转速控制天然气行程基准，确保机组稳定在温度控制而不应闪回到转速控制，液态空气气化进气子系统应协同设置温度控制液化空气协同气化的空气及进气空气质量流量基准高的转速控制液化空气协同气化的空气及进气空气质量流量行程基准；电网调度要求燃气轮机参与电网一调频时，一次调频死区控制在±0.033Hz内，一次调频负荷调整限幅不小于额定负荷的±10％，一次调频被触发后15s内其负荷响应达到一次调频最大负荷调整幅度的内50％以上，45s机组实际出力与响应目标偏差的平均值应在调整幅度的±3％内，基本负荷时液态空气协同气化的空气及进气空气质量流量协同单向一次调频，通过实际转速与100％转速比较，建立转速差（频差）与变化天然气行程基准的函数，此变化的天然气行程基准与温度控制天然气行程基准叠加，液态空气协同气化的空气质量流量协同控制变化进气空气质量流量基准与温度控制进气空气质量流量基准的叠加，并协同实现燃气轮机升降负荷，由受排烟温度温控保护，当网频低要求燃气轮机加负荷时，应考虑到对机组寿命的影响不予执行，液态空气气化进气子系统只能在网频高要求燃气轮机降负荷的情况下协同单向一次调频；预选负荷时液态空气气化进气子系统协同一次调频，应符合燃气轮机厂家设定的可以预选负荷一次调频的条件，且转速控制天然气行程基准只跟踪转速和预选负荷点变化，液态空气气化进气子系统应按在预选负荷控制方式时的要求执行，协同燃气轮机实现一次调频，并还应协同避免负荷控制死区，而影响调频效果。燃气系统协同控制时，为满足燃气轮机多种运行工况下的控制燃气行程基准的天然气流量要求，布置了相关控制阀门，其中阀门1为天然气截止阀门，阀门6、阀门7、阀门8为天然气辅助截止阀门，阀门15、阀门16、阀门17为天然气速比截止阀门，阀门19为扩散燃烧天然气控制阀门，阀门22为扩散燃烧进气空气控制阀门，阀门20为预混燃烧天然气控制阀门，阀门21为预混燃烧进气空气控制阀门，阀门25为预混气体流量控制阀门，天然气速比截止阀门来维持控制阀门与速比阀门之间所需压力，预混天然气控制阀门接收控制天然气行程基准的指令调控送至燃气轮机的天然气流量，天然气控制阀根据燃气轮机生产企业提供的燃烧模式，包括扩散燃烧、亚先导预混模式、先导预混模式、预混模式、甩负荷模式制定参与天然气控制阀的组合和调控运行方式，天然气与进气空气应协同燃烧模式转换，燃烧模式在不同的工况下应进行合理转换来实现对燃烧基准温度的控制，使燃气轮机机组保持在最优运行工况和符合排放要求，根据燃气轮机厂家提供的燃烧模式转换点和转换条件，确定燃烧控制天然气和进气空气协同的转换点调控方案，包括天然气控制行程基准、天然气预热控制温度、进气空气质量流量控制行程基准，在调试期间，应结合燃气轮机厂家的经验和调试测试方案，得出合适的燃烧模式切换点，天然气和进气空气得出协同切换点方案，以保证燃烧室运行在正常范围内和排放符合环保要求。

实施方式5

燃气轮机高温部件冷却实施方式：燃气轮机运行时需对透平等高温部件采取空气冷却的方法对高温部件进行降温冷却，打开阀门24使液态空气气化的一部空气进入燃气轮机冷却空气通道，冷却高温部件后随燃烧室烟气一同排出，气化空气经阀门24后，由于气化空气为干空气，为使燃气轮机高温部件起到较好的冷却效果，应喷入适量的水，由于燃气轮机的设计及制造均按照ISO标准，即1个标准大气压、大气空气温度15℃、相对湿度60％，由于进气空气和冷却空气均为液态空气气化空气为干空气，而燃烧室燃烧温度及透平前端温度采用测量燃气轮机排烟温度场，然后进行推算的间接办法获得，另为了配合余热锅炉的余热烟气热量及流量的计算，在冷却空气中喷入水量使燃气轮机的排出烟气含水量与如同进气空气和冷却空气相对湿度60％的含水量相当。当然进气空气为干空气，计算燃气轮机燃烧室排出烟气热量时只计算显热部份和燃烧时产生少量水蒸汽部份的潜热，并以此推算透平前端温度，即初温。

实施方式6

燃气管道开启在不输天然气时应空气清吹，清吹采用余热加热液态空气气化空气，清吹压力和吹气温度应满足设备厂家提出的技术要求和防止天然气回流以及燃气喷嘴与燃烧室间的来回干扰。如图1打开阀门32、阀门33、阀门34联合调节清吹空气压力和温度，调节好的清吹空气经阀门35至天然气相关管道。

实施方式7

液态空气储能燃气轮机系统废热实施方式：液态空气储能燃气轮机系统在余热热水、余热蒸汽、余热烟气利用后会有大量废热资源排出，虽不能为液气空气储能燃气轮机系统品位对口经济利用，但仍有其利用价值，如利用螺杆膨胀机发电、提供生活热水、驱动溴化锂吸收式制机冷机组与吸收式除湿机，冬季或低温天气预热天然气和气化液态空气，减少电热器的使用。

以上只是本实用新型的实施方式原则和典型实施方式，本领域的工程师及技术人员可以参照实施方式原则和典型实施方式根据燃气轮机相关具体技术参数、进气空气与冷却空气分配方式、控制曲线及燃烧模式、风电和光伏发电波动情况、大电网动态负荷变化及惯量支撑水平以及和其他能源系统的动态负荷变化情况组合实施方式。本实用新型以后还可应用于渗氢和纯氢燃气轮机，待渗氢和纯氢燃气轮机技术发展成熟以后，调整相关调控技术参数，即可应用。

Claims (2)

1.一种液态空气储能燃气轮机系统，由燃气子系统、燃气轮机子系统、液态空气气化进气子系统和余热利用子系统四个部分组成，燃气子系统由天然气输气管道、天然气截止阀门、天然气辅助截止阀门、天然气速比截止阀门、扩散燃烧天然气控制阀门、预混燃烧天然气控制阀门组成，燃气轮机子系统由混合器、燃烧室、透平、发电机、余热蒸汽锅炉、阀门组成，余热利用子系统由热交换器、导热油储罐、导热油管道、余热加热器、阀门组成，液态空气气化进气子系统由液态空气储罐、低温变频泵、空气气化器、蓄冷罐、阀门组成；

其特征在于液态空气储能燃气轮机子系统中天然气输气管道经阀门一（1）再经与阀门六（6）、阀门七（7）、阀门八（8）分别连接余热利用子系统中余热加热器I、余热加热器II、余热加热器Ⅲ，余热加热器I、余热加热、器II余热加热器Ⅲ经阀门十五（15）、阀门十六（16）、阀门十七（17）分别再经阀门十九（19)连接燃气轮机子系统中燃烧室和分别再经阀门二十(20)连接燃气轮机子系统中混合器，混合器经阀门二十五(25)连接燃烧室，燃烧室连接透平，透平轴两端分别连接发电机I和发电机II，透平排烟连接余热蒸汽锅炉；液态空气生产过程产生的余热热水和余热锅炉省煤器出水、余热蒸汽锅炉烟气余热、余热蒸汽锅炉余热蒸汽分别经阀门二(2)、阀门三(3)、阀门四(4)连接余热利用子统，在余热利用子系统中阀门九(9)、阀门十(10)、阀门十一(11)、阀门十二(12)、阀门十三(13)、阀门十四(14)分别连接余热加热器I、余热加热器II、余热加热器Ⅲ、余热加热器IV、余热加热器V、余热加热器VI，余热加热器VI经阀门二十一(21)、阀门二十二(22)分别连接燃气轮机子系统中混合器、燃烧室；液态空气气化进气子系统中液态空气储罐经阀门五(5)连接低温变频泵，低温变频泵经阀门十八(18)连接空气气化器，空气气化器经阀门二十三(23)连接余热利用子系统中余热加热器IV，余热加热器IV连接余热加热器V，余热加热器V连接余热加热器VI，液态空气气化进气子系统中空气气化器经阀门二十四(24)连接燃气轮机高温部件冷却气道，空气气化器经回收气化冷能连接蓄冷罐；余热加热器VI、余热加热器∨、余热加热器IV分别连接阀门三十二(32）、阀门三十三（33）、阀门三十四（34），经阀门三十二（32）、阀门三十三（33）、阀门三十四（34）联合调节好压力和温度的清吹空气连接阀门三十五（35），并经阀门三十五（35）连接需清吹的天然气管道。

2.如权利要求1所述的液态空气储能燃气轮机系统，其特征在于余热利用子系统中，液态空气生产工艺余热热水、烟气余热、余热蒸汽分别经阀门二（2）、阀门三（3）、阀门四（4）连接热交换器ll、热交换器Ⅲ、热交换器VI；经热交换器ll排出的热水连接热交换器I，经热交换器I加热的导热油I经阀门二十六（26）连接导热油储罐I，并经阀门九（9）连接余热加热器I加热经阀门六（6）的天然气，输出热天然气I，导热油I回流至热交换器I；经热交换器II加热的导热油ll经阀门二十七（27)连接导热油储罐II，并经阀门十(10)连接余热加热器ll加热经阀门七(7)的天然气，输出热天然气II，导热油II回流至热交换器ll；经热交换器Ⅲ排出烟气连接热交换器IV，经热交换器Ⅳ加热的导热油Ⅳ经阀门二十八(28)连接导热油储罐IV，并经阀门十二(12)连接余热加热器Ⅳ加热经阀门二十三(23)的气化干空气，输出热气化干空气I，导热油IV回流至热交换器IV；经热交换器Ⅲ加热的导热油Ⅲ经阀门二十九（29）连接导热油储罐Ⅲ，并通过阀门十一（11）连接余热加热器Ⅲ加热经阀门八（8）的天然气，输出热天然气Ⅲ，导热油Ⅲ回流至热交换器Ⅲ；经热交换器VI排出蒸汽连接热交换器∨，经热交换器加热的导热油∨经阀门三十（30)连接导热油储罐Ⅴ，并经阀门十三(13)连接余热加热器∨热加热热气化干空气I，输出热气化干空气II，导热油∨回流至热交换器Ⅴ；经热交换器VI加热的导热油经阀门三十一(31)连接导热油储罐VI，并经阀门十四(14)连接余热加热器VI继续热加热热气化干空气ll，输出加热进气空气，即燃气轮机系统中燃烧室的进气空气，导热油VI回流至热交换器VI，导热油储罐ll经阀门三十六(36)双向连接导热油储罐IV，导热油储罐IV经阀门三十七(37)双向连接导热油储罐Ⅲ，导热油储罐Ⅲ经阀门三十八(38)双向连接导热油储罐Ⅴ，实现余热锅炉省煤器出水、烟气余热、蒸汽余热相近品位，不同类型的余热资源互补利用。