CN219733596U - 一种基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，在压缩储能时段，前者将电能转化为压力势能和热能存储；在膨胀释能时段，压缩空气经过空气预热器、低温换热器和高温换热器加热后，进入空气膨胀机做功发电，出口的压缩空气在中温换热器中被加热至预混式燃烧所需的稳燃温度后，进入预混式燃烧器补燃，形成高温烟气在烟气膨胀机中做功发电，出口烟气依次通过集装在余热锅炉中的高温换热器，扩散式燃烧器、中温换热器和低温换热器，余热利用后排入大气。本实用新型针对不同燃烧方式的特点，集成配置多种燃烧器和配套的换热器，简化了热力系统，降低了研发风险，提高了系统稳定性和储能转换效率。

Description

一种基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，属于新型储能技术领域。

背景技术

压缩空气储能系统利用电能和压缩势能互换，在电网负荷低谷期间，通过压缩机压缩空气，将电能转化为压缩势能存储起来；在电网高负荷期间放出储气库内高压气体，驱动发电机发电。具有规模大、效率高、成本低、环保、场地限制少等优点，可以实现电力调峰、调频、调相、旋转备用、应急响应等储能服务，提升电力系统效率、稳定性和安全性。

根据系统热源的不同，大规模压缩空气储能系统可以分为非补燃式压缩空气储能系统和补燃式压缩空气储能系统。非补燃式压缩空气储能系统将压缩阶段的压缩热或外来热源存储在储热系统中，在膨胀释能阶段加热压缩空气以供膨胀做功。压缩热或外来热源的最高温度决定了膨胀机前空气的温度上限，限制了压缩空气对外的做功能力，同时膨胀侧所需的热量完全依赖压缩热的回收和存储，大容量的高温高压储热装置使得储能电站的成本大幅增加。

补燃式压缩空气系统基于燃气轮机技术，但压缩机和膨胀机不同时工作，储能时将电能转化为压缩势能储存于储气库中，释能时释放压缩空气，进入燃烧室辅助燃料燃烧驱动烟气膨胀机。由于在膨胀阶段没有压缩机耗能，相比同类燃机发电系统可以节省压气段消耗的输出功。补燃式压缩空气储能系统中的燃烧器可以选择扩散燃烧和预混燃烧两种不同的燃烧方式：扩散燃烧指混合扩散因素起控制作用的燃烧，燃料与空气分别送入燃烧室后边掺混、边燃烧，燃烧火焰面处当量比为1，燃烧温度高，火焰稳定性好，但NOx排放高。预混燃烧指在燃烧前燃料与空气在燃料喷嘴预混器内充分混合成可燃混合气，再在燃烧室内着火燃烧，可以通过控制掺混比降低燃烧温度，进而降低NOx的生成量，但其火焰面处当量比小于1，燃烧火焰面温度低，燃烧稳定性差。目前重型燃气轮机普遍采用预混燃烧式燃烧器以降低NOx的排放，带补燃燃烧的烟气换热器多采用扩散燃烧式燃烧器，简化系统并减少烟气温度不足对补燃燃烧稳定性的不利影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，实现补燃式压缩空气储能系统的系统优化和设备集装，减少了对主要设备和大口径烟风管道的投资，同时充分回收了系统中各环节产生的余热，提高了能源综合利用率，实现了节能提效的目的。

一种基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，包括：

压缩储能单元，包括多段串级连接的空气压缩机，各段空气压缩机的出口处连接有压缩侧换热器，用于冷却压缩后的高温压缩空气并回收压缩时产生的热量；压缩后的高压空气存储在储气库中；

膨胀释能单元，包括空气预热器、带扩散式燃烧器的补燃式余热锅炉、空气膨胀机和带预混式燃烧器的烟气膨胀机；在补燃式余热锅炉内沿烟气膨胀机出口烟气的流动方向依次布置有高温换热器、中温换热器和低温换热器，在补燃式余热锅炉内高温换热器和中温换热器间的烟道段设有一组扩散式燃烧器。

进一步地，所述压缩储能单元还包括压缩侧换热器、热水储罐、冷水储罐和冷却塔，循环冷却水在压缩侧换热器中被高温压缩空气加热后存储在热水储罐中；在释能时段放热降温后，循环冷却水进入冷水储罐，经过冷却塔进一步冷却降温后返回冷水储罐中储存，形成循环冷却水加热、储热、冷却、备用的循环过程。

进一步地，所述空气膨胀机和烟气膨胀机均连接有发电机。

进一步地，各段所述空气压缩机均连接有电动机，在压缩储能时段由外接来电驱动，将外部电能转化为压力势能和热能存储。

进一步地，所述发电机和电动机采用同一套机组。

进一步地，在所述空气压缩机的出口处与压缩侧换热器前均设置有气液分离器，用于去除空气在压缩过程中析出的水分。

进一步地，所述高温换热器、中温换热器和低温换热器均整体集装布置在补燃式余热锅炉的烟气通道内，在所述高温换热器、中温换热器和低温换热器各换热介质的进出口均设有密封风门和保温装置。

进一步地，所述补燃式余热锅炉采用扩散式燃烧器，所述扩散式燃烧器为布置在烟道中的喷嘴补燃燃烧器或布置在烟道壁面、伸入烟道的烟道燃烧器。

进一步地，所述预混式燃烧器与烟气膨胀机采用整体集装式。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果：

（1）本实用新型公开了一种基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，针对在不同补燃阶段不同燃烧方式的特点，通过配置不同燃烧方式的燃烧器和相配套的换热器，在满足不同燃烧方式所需工质温度的前提下优化了系统，减少了补燃的环节数量，降低了燃料消耗量，提高了系统效率。

（2）通过将预混式燃烧器和烟气膨胀机集装，以及将扩散式燃烧器和多级不同温度段的换热器集装，大大减少实际工程中的设备数量和连接设备间的管道长度，降低散热损失，提高系统效率，节省工程造价。

（3）本实用新型中带预混燃烧器的烟气膨胀机和带补燃的以空气为介质的余热锅炉分别基于目前比较成熟的燃气轮机和以水蒸汽为介质的余热锅炉进行开发，降低了核心设备研发的难度和风险、缩短研发周期。余热锅炉中选择扩散式燃烧器，避免变工况运行条件下，燃烧器入口工质温度不足对于维持燃烧稳定性可能产生的不利影响。

附图说明

图1是本实用新型提供的结构示意图；

图中：1、空气压缩机；2、电动机；3、压缩侧换热器；4、热水储罐；5、冷水储罐；6、冷却塔；7、储气库；8、空气预热器；9、低温换热器；10、高温换热器；11、空气膨胀机；12、发电机；13、中温换热器；14、预混式燃烧器；15、烟气膨胀机；16、补燃式余热锅炉；17、扩散式燃烧器。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

本实用新型公开了一种基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，如图1所示，包括压缩储能单元和膨胀释能单元。压缩储能单元在储能时段，即电网负荷低谷期利用外部电能驱动空气压缩机将环境空气进行压缩，同时储存压缩空气的势能和压缩过程中释放出的热能。膨胀释能单元在释能时段，即电网负荷的高峰期利用压缩空气的势能、存储的热能和补燃燃料燃烧释放的热能，驱动空气膨胀机和烟气膨胀机带动电动机对外发电，从而实现大规模电能的存储和转换，发挥调节电网负荷的作用。

压缩储能单元包括空气压缩系统、储换热系统和空气存储系统。

空气压缩系统包括多段串级连接的空气压缩机1， 各段空气压缩机1由电动机2引入外部电能驱动。空气压缩机1的类型、数目和连接方式可根据空气压缩要求具体设置。各段空气压缩机可以根据不同热力系统的温度需要选择不同的冷却方式，可以选择段后冷却方式，也可以选择段间和段后共同冷却的方式。

段后冷却方式：空气压缩机1的出口处串接压缩侧换热器3，经空气压缩机1压缩产生的高温空气通入压缩侧换热器3进行换热冷却，采用段后冷却的方式使得此段空气的压缩过程更接近绝热压缩，空气压缩机的出口侧温度更高，在提高了压缩侧换热器3出口冷却水温度的同时，也对空气压缩机的耐热性提出了更高要求。

段间和段后共同冷却的方式：在段后冷却的基础上，增加了在压缩段中间进行冷却的方式。采用这种冷却方式的空气压缩机1’包括若干串级连接的压气级，若干压缩级按照热力系统对于工质温度的控制要求分为多个冷却段，各冷却段的中间均串接有用于冷却压缩空气的压缩侧换热器3，采用段间和段后共同冷却的方式使得空气压缩机1’的压缩过程在每一压缩段内更加接近于等温压缩过程，降低空气压缩机1’内的工质温度，降低材质要求和制造难度，同时减少空气压缩机1’所耗费的能量。

在各段空气压缩机1的出口处，压缩侧换热器3前均设置有气液分离器，以去除空气在压缩过程中析出的微小水滴，减少水滴对压缩机叶片的冲击，延长设备使用寿命，同时提高压缩侧换热器的换热效率。

在实施例的空气压缩系统中，各段空气压缩机的出口还设置有必要的放空管道和隔断阀门组，供空气压缩系统在刚启动时分段启动，避免过大的启动电流对电气系统的冲击，并在启动过程中，压缩空气尚未达到排入储气库8的压力时，将各段出口的压缩空气及时排空。

在储换热系统中，循环冷却水通过压缩侧换热器3将压缩过程中产生的热量带出并存储在热水储罐4中，热水储罐中的热水可根据需要向外界连续不间断的供热，也可以在膨胀释能时加热储气库7中释放出的压缩空气以提高系统的储能效率。在实施例中，热水储罐中的循环水将储气库7中压缩空气预热，温度降低后进入冷水储罐5，再通过冷却水泵将循环水打入冷却塔6中进一步冷却降温后，再返回冷水储罐5中储存，供在储能时段中引入压缩侧换热器3冷却高温压缩空气，形成循环冷却水在一个储能周期中的加热、储热、冷却、备用的循环过程。

在本实施例中，选用三段空气压缩机串级的方案，第一段空气压缩机1的出口压力为0.62MPa.a，采用段后冷却方式，出口排气温度为102℃；第二段、第三段空气压缩机1采用段间冷却和段后冷却相结合的方式，第三段空气压缩机1压缩空气的出口压力略高于储气库的储气压力，空气在被压缩过程中温度不超过102℃。

空气存储系统包括存储高压压缩空气的储气库7，储气库可以为天然矿穴、人工硐室、压力容器等。地下盐穴储存压缩空气具有储气容量大、储气压力高、稳定性高、密封性好、占地面积少的特点，同时对环境的影响较小、建造费用低、运行维护成本低、分布广泛并且技术成熟，可为压缩空气储能系统大规模安全高效地建设和运行提供优良条件。人工硐室具有备选场址范围广，储气压力波动范围大、储气库容积要求低等特点。在实际工程中也可以根据储气量和储气压力，经过经济性比较后采用管线钢、储气罐等多种储气方式。

膨胀释能单元包括空气预热器8、带扩散式燃烧器17的补燃式余热锅炉16、空气膨胀机11和带预混式燃烧器14的烟气膨胀机15。

在实施例中，热水储罐4中的部分热水被用来在膨胀释能时加热储气库7中释放出的压缩空气以提高系统的储能效率，其余部分热水被用来对场外供热。

被空气预热器8加热后的高压压缩空气引入带补燃的余热锅炉16的高压压缩空气侧入口，进入余热锅炉的低温换热器9。在带补燃的余热锅炉16的烟道内，沿烟气流动方向依次布置有高温换热器10、扩散式燃烧器17、中温换热器13和低温换热器9。在实施例中，高压压缩空气在低温换热器中被加热至264℃后引入高温换热器10进一步将温度提高。此时的压缩空气具备足够的势能和内能，进入空气膨胀机11膨胀做功，并带动发电机12发电。

释放过部分能量的中压压缩空气仍具备一定的压力势能约3MPa，但温度不足以支撑压缩空气完全膨胀，有必要在补燃后再通入烟气膨胀机13。目前国内还没有烟气膨胀机及其入口处配套燃烧器的成熟产品，相关设备的研发基于目前相对比较成熟的燃气轮机机型的扩压段和与之相配套的采用预混燃烧方式的燃烧室。在实施例中，各种燃烧器的补燃燃料均采用天然气，为满足预混式补燃燃烧器的稳定燃烧，预混式燃烧器14入口的压缩空气温度应不小于417℃，压力应略小于天然气补入的压力。

仅依靠通过中温换热器13换热，烟气不足以将空气膨胀机13出口压缩空气的温度提高到预混式燃烧方式稳燃所需要的温度，有必要在余热锅炉中温换热器前的烟气段通过补燃提高加热压缩空气的烟气温度。目前国内还没有成熟的供烟气-压缩空气换热的补燃式余热锅炉产品，相关设备研发基于目前相对比较成熟的带扩散式燃烧器的烟气-蒸汽余热锅炉，燃烧器的具体型式可以采用布置在烟道中的喷嘴补燃燃烧器，也可以采用布置在烟道壁面、伸入烟道的烟道燃烧器。

压缩空气经过中温换热器13后，压力和温度满足进入预混式燃烧器14的基本要求，在燃烧器中与燃料混合燃烧，生成高温中压的烟气进入烟气膨胀机15膨胀做功并带动发电机12发电。

膨胀做功后的烟气通入带补燃的余热锅炉16的烟气侧、依次通过高温换热器10、扩散式燃烧器17、中温换热器13和低温换热器9后然后排入大气。在实施例中，烟气膨胀机15出口的烟气压力略高于大气压，由于在通过高温换热器后的烟气温度无需满足预混式燃烧入口处烟气温度的要求（即对于实施例中使用的天然气燃料，烟气温度不小于417℃），烟气膨胀机15的出口烟气温度无需过高，因此烟气膨胀机15入口处的烟气温度也可以相应降低，显著降低了烟气膨胀机高温段的材料要求，降低了研发难度，延长了设备使用寿命。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，包括：

压缩储能单元，包括多段串级连接的空气压缩机（1），各段空气压缩机（1）的出口处连接有压缩侧换热器（3），用于冷却压缩后的高温压缩空气并回收压缩时产生的热量；压缩后的高压空气存储在储气库（7）中；

膨胀释能单元，包括空气预热器（8）、带扩散式燃烧器（17）的补燃式余热锅炉（16）、空气膨胀机(11)和带预混式燃烧器（14）的烟气膨胀机(15)；在补燃式余热锅炉（16）内沿烟气膨胀机（15）出口烟气的流动方向依次布置有高温换热器（10）、中温换热器（13）和低温换热器（9），在补燃式余热锅炉内高温换热器（10）和中温换热器（13）间的烟道段设有一组扩散式燃烧器（17）。

2.根据权利要求1所述的基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩储能单元还包括压缩侧换热器（3）、热水储罐（4）、冷水储罐（5）和冷却塔（6），循环冷却水在压缩侧换热器（3）中被高温压缩空气加热后存储在热水储罐（4）中；在释能时段放热降温后，循环冷却水进入冷水储罐（5），经过冷却塔（6）进一步冷却降温后返回冷水储罐（5）中储存，形成循环冷却水加热、储热、冷却、备用的循环过程。

3.根据权利要求1所述的基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气膨胀机（11）和烟气膨胀机（15）均连接有发电机（12）。

4.根据权利要求3所述的基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，各段所述空气压缩机（1）均连接有电动机（2），在压缩储能时段由外接来电驱动，将外部电能转化为压力势能和热能存储。

5.根据权利要求4所述的基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，所述发电机（12）和电动机（2）采用同一套机组。

6.根据权利要求1所述的基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，在所述空气压缩机(1)的出口处与压缩侧换热器（3）前均设置有气液分离器，用于去除空气在压缩过程中析出的水分。

7.根据权利要求1所述的基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，所述高温换热器（10）、中温换热器（13）和低温换热器（9）均整体集装布置在补燃式余热锅炉（16）的烟气通道内，在所述高温换热器（10）、中温换热器（13）和低温换热器（9）各换热介质的进出口均设有密封风门和保温装置。

8.根据权利要求1所述的基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，所述补燃式余热锅炉（16）采用扩散式燃烧器，所述扩散式燃烧器为布置在烟道中的喷嘴补燃燃烧器或布置在烟道壁面、伸入烟道的烟道燃烧器。

9.根据权利要求1所述的基于多种燃烧方式组合的补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，所述预混式燃烧器（14）与烟气膨胀机（15）采用整体集装式。