CN104088703A - 间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成*** - Google Patents

间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了压缩空气蓄能发电***领域的一种间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成***。所述***包括压缩空气蓄能子***、燃气透平发电子***、汽轮机发电子***、余热锅炉子***和汽轮机预热子***。所述压缩空气蓄能子***产生的高压、高温空气穿过空气冷却装置之后进入储气室中存储；在燃气透平发电子***中，高压燃气发电采用两级膨胀做功，***发电时，存储的压缩空气被释放，与天然气混合燃烧后进入燃气透平发电，燃气透平排气进入余热锅炉加热给水产生蒸汽，蒸汽进入汽轮机发电，***产生电能送入电网调峰。本集成***发电量大、能量转换效率高，灵活性强，满足大规模电能储存和电网调峰的需求。

Description

间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成***
技术领域
本发明属于压缩空气蓄能发电***领域，特别涉及一种间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成***。
背景技术
压缩空气蓄能是一种非常具有潜力的大规模蓄能方式，具有蓄能成本低、环境影响小等特点。在一个典型的压缩空气蓄能***中，当处于电网低负荷时期或电网无法消纳大量可再生能源电力时，一部分或全部电能被用来驱动压气机完成空气压缩和存储。高压空气存储在地下洞穴或人造储气室中，在电网高负荷时期被释放出来，与补充的燃料(天然气、石油等)在燃烧室中混合燃烧并产生高温高压的燃气，燃气经过膨胀驱动透平发电。
开展电力储能和电网调峰是我国可再生能源电力大规模利用的重要措施之一。现阶段抽水蓄能受到水资源限制成为电力发展瓶颈，而压缩空气蓄能耗水量少，能够在我国大部分缺水地域发展。传统的压缩空气蓄能电站在***性能和发电能力上有所欠缺，因此，基于我国电力储能发展情况而开发的压缩空气蓄能与联合循环集成的发电***以发电量大、发电效率高等优势受到关注。
压缩空气蓄能与联合循环集成发电***是利用余热锅炉回收燃气透平高温排气中的废热产生蒸汽，并将蒸汽送入汽轮机中发电，燃气轮机和蒸汽轮机发出的电能均供给电网，集成的***发电量大、能量转换效率高。然而由于汽轮机启动时间较长，无法满足电网调峰需求。将空气压缩过程中产生的热量用于产生蒸汽并存储，在汽轮机发电前，将蒸汽用于预热汽轮机并使汽轮机处于热备用状态，可以缩短压缩空气蓄能与联合循环集成发电***中汽轮机发电的响应时间，增强***的灵活性，使集成***满足电网调峰的需求。
发明内容
本发明的目的是提出一种间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成***，其特征在于，所述压缩空气蓄能-联合循环集成***包括5个子***：压缩空气蓄能子***、燃气透平发电子***、汽轮机发电子***、余热锅炉子***以及汽轮机预热子***；所述压缩空气蓄能子***采用多级压缩、中间冷却的方式；所述汽轮机预热子***分别连接压缩空气蓄能子***和汽轮机发电子***；所述余热锅炉子***的主体为余热锅炉16，将燃气透平发电***和汽轮机发电***有机地连接为一体。
所述压缩空气蓄能子***为原动机1与压气机***连接；其中，压气机***由第一级轴流式压气机2、第二级离心式压气机5、第三级离心式压气机6和第四级离心式压气机7串联组成；其中，第一级轴流式压气机2输出连接换热器3，第二级压气机的输出、第三级压气机的输出和第四级离心式压气机的输出均通过空气冷却装置8，第四级离心式压气机的输出与储气室9连接；
所述燃气透平发电子***由第一燃烧室11、高压燃气透平12、第二燃烧室13、低压燃气透平14和第一发电机15依次连接，储气室9通过节流阀10与第一燃烧室11连接，第一燃烧室11的输出连接至高压燃气透平12的输入，第二燃烧室13的输出连接至低压燃气透平14的输入，高压燃气透平12、低压燃气透平14和第一发电机15连接在一个传动轴上；
所述汽轮机发电子***由串联连接的汽轮机高压缸17、汽轮机中压缸18、汽轮机低压缸19和第二发电机20组成，并且同轴连接；汽轮机低压缸19的排汽与凝汽器21连接，凝汽器21的输出经第1号阀门22与给水泵23连接，给水泵23通过分流器24分别连接余热锅炉16和加压泵25，加压泵25再连接余热锅炉16；其中汽轮机低压缸19的进汽一股来自余热锅炉16，一股来自汽轮机中压缸18的排汽。
所述汽轮机预热子***分别连接压缩空气蓄能子***与汽轮机发电子***，换热器3经第3号阀门29与蒸汽存储罐4的输入连接，蒸汽存储罐4输出经第4号阀门30与汽轮机高压缸17输入连接，汽轮机高压缸17、汽轮机中压缸18、汽轮机低压缸19串联后与凝汽器21的输入连接，冷凝水经第2号阀门26后与储水箱27连接，储水箱27的输出连接到常温水泵28，常温水泵28的输出连接至换热器3；
所述压缩空气蓄能子***产生的高压、高温空气穿过空气冷却装置8之后进入储气室9中存储；在燃气透平发电子***，高压燃气发电采用两级膨胀做功，设两个燃烧室，储气室9输出的压缩空气经节流阀10调节后进入高压燃气透平12做功之前在第一燃烧室11中与补充的天然气混合燃烧，使混合气体温度达到500-600℃；高压燃气透平12出来的高压混合气体进入低压燃气透平14之前在第二燃烧室13中与补充的天然气混合燃烧，使气体温度达到800-1000℃；低压燃气透平14出来的高温气体进入余热锅炉16，余热锅炉采用三压再热式，利用低压燃气透平14的排汽作为热源，加热给水泵23的给水，产生两股蒸汽，一股蒸汽经汽轮机高压缸17膨胀做功之后进入余热锅炉16再热，再热蒸汽进入汽轮机中压缸18膨胀做功后再进入汽轮机低压缸19；另一股蒸汽直接进入汽轮机低压缸19，之后汽轮机低压缸19的排汽进入凝汽器21；凝汽器21产生的冷凝水分两路，一路经第2号阀门26后进入储水箱27；另一路通过第1号阀门22后进入进入给水泵23；进入循环利用。
所述第一级轴流式压气机2输出的高温空气在换热器3中与储水箱输出的常温水换热后进入第二级离心式压气机，第二级压气机的输出作为第三级离心式压气机的输入，第三级压气机的输出作为第四级离心式压气机的输入，第二、三级离心式压气机输出的高温空气在空气冷却装置中降温之后进入下一级压气机，第四级压气机输出的高温空气穿过空气冷却装置8之后进入储气室9。
所述燃气透平发电子***中储气室9输出的压缩空气经节流阀10调节后进入第一燃烧室11与补给的天然气混合燃烧，高压燃气透平12输出的燃气进入第二燃烧室13与补充的天然气混合燃烧，第二燃烧室13输出的燃气进入低压燃气透平14做功，带动第一发电机发电15发电，低压燃气透平14的高温排汽进入余热锅炉16；给水泵23的输出经分流器24之后分成两股水流，一股经加压水泵25后进入余热锅炉16，另一股直接进入余热锅炉16；低压燃气透平14的排气进入余热锅炉16，余热锅炉16产生的高压蒸汽进入汽轮机高压缸17；经余热锅炉16的再热蒸汽经汽轮机高压缸17排汽并输送到汽轮机中压缸18，汽轮机中压缸18的排汽与余热锅炉16产生的低压蒸汽共同进入汽轮机低压缸19做功，带动第二发电机发电20发电；
所述压缩空气蓄能子***中，空气压缩部分采用多级压缩、中间冷却的方式，在空气压缩时，第一级轴流式压气机2压比设为6，空气流经第一级轴流式压气机2后温度达到220-250℃，高温空气进入换热器3中加热常温水，产生温度为150℃，压力为5bar的蒸汽，蒸汽被存储在蒸汽存储罐4中；第二级离心式压气机5、第三级离心式压气机6、第四级离心式压气机7出口的高温空气均进入冷却装置8中降温冷却，高压空气最终被送入储气室9中存储。
所述汽轮机预热子***中，压气机工作阶段，打开第3号阀门29，关闭第4号阀门30，储水箱27输出的常温水经常温水泵28增压至5bar后进入换热器3与高温空气进行热交换，换热器3中产生的参数为150℃、5bar的蒸汽进入蒸汽存储罐4中存储，汽轮机发电前，关闭第1号阀门22和第3号阀门29，打开第2号阀门26和第4号阀门30，蒸汽存储罐4中的蒸汽被送入汽轮机发电子***，对汽轮机高压缸17、汽轮机中压缸18、汽轮机低压缸19预热，并使汽轮机处于热备用状态，蒸汽从汽轮机低压缸19排出后进入凝汽器21冷凝，冷凝水经第2号阀门26后送入储水箱27。
本发明有益效果是压缩空气蓄能与联合循环集成发电，燃气轮机和蒸汽轮机发出的电能均供给电网，集成的***发电量大、能量转换效率高。本发明将空气压缩过程中产生的热量用于产生蒸汽并存储，在汽轮机发电前，将蒸汽用于预热汽轮机并使汽轮机处于热备用状态，可以缩短压缩空气蓄能与联合循环集成发电***中汽轮机发电的响应时间，增强***的灵活性，使集成***满足电网调峰的需求。
附图说明
图1是一种间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成***的示意图。
具体实施方式
本发明提出一种间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成***，下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。
图1所示为一种间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成***示意图。所述压缩空气蓄能-联合循环集成***包括5个子***：压缩空气蓄能子***、燃气透平发电子***、汽轮机发电子***、余热锅炉子***以及汽轮机预热子***；所述压缩空气蓄能子***采用多级压缩、中间冷却的方式；所述汽轮机预热子***分别连接压缩空气蓄能子***和汽轮机发电子***，所述余热锅炉子***的主体为余热锅炉16，将燃气透平发电***和汽轮机发电***有机地连接为一体。
如图1所示，所述压缩空气蓄能子***为原动机1与压气机***连接；其中，压气机***由第一级轴流式压气机2、第二级离心式压气机5、第三级离心式压气机6和第四级离心式压气机7串联组成；其中，第一级轴流式压气机2输出连接换热器3，第二级压气机的输出、第三级压气机的输出和第四级离心式压气机7的输出均通过空气冷却装置8，第四级离心式压气机7的输出与储气室9连接；
所述燃气透平发电子***由第一燃烧室11、高压燃气透平12、第二燃烧室13、低压燃气透平14和第一发电机15依次连接，储气室9通过节流阀10与第一燃烧室11连接，第一燃烧室11的输出连接至高压燃气透平12的输入，第二燃烧室13的输出连接至低压燃气透平14的输入，高压燃气透平12、低压燃气透平14和第一发电机15连接在一个传动轴上；
所述汽轮机发电子***由串联连接的汽轮机高压缸17、汽轮机中压缸18、汽轮机低压缸19和第二发电机20组成，并且同轴连接；汽轮机低压缸19的排汽与凝汽器21连接，凝汽器21的输出经第1号阀门22与给水泵23连接，给水泵23通过分流器24分别连接余热锅炉16和加压泵25，加压泵25再连接余热锅炉16；其中汽轮机低压缸19的进汽一股来自余热锅炉16，一股来自汽轮机中压缸18的排汽。
所述汽轮机预热子***分别连接压缩空气蓄能子***与汽轮机发电子***，换热器3经第3号阀门29与蒸汽存储罐4的输入连接，蒸汽存储罐4输出经第4号阀门30与汽轮机高压缸17输入连接，汽轮机高压缸17、汽轮机中压缸18、汽轮机低压缸19串联后与凝汽器21的输入连接，冷凝水经第2号阀门26后与储水箱27连接，储水箱27的输出连接到常温水泵28，常温水泵28的输出连接至换热器3；
所述压缩空气蓄能子***产生的高压、高温空气穿过空气冷却装置8之后进入储气室9中存储；在燃气透平发电子***，高压燃气发电采用两级膨胀做功，设两个燃烧室，储气室9输出的压缩空气经节流阀10调节后进入高压燃气透平12做功之前在第一燃烧室11中与补充的天然气混合燃烧，使混合气体温度达到500-600℃；高压燃气透平12出来的高压混合气体进入低压燃气透平14之前在第二燃烧室13中与补充的天然气混合燃烧，使气体温度达到800-1000℃；低压燃气透平14出来的高温气体进入余热锅炉16，余热锅炉采用三压再热式，利用低压燃气透平14的排汽作为热源，加热给水泵23的给水，产生两股蒸汽，一股蒸汽经汽轮机高压缸17膨胀做功之后进入余热锅炉16再热，再热蒸汽进入汽轮机中压缸18膨胀做功后再进入汽轮机低压缸19；另一股蒸汽直接进入汽轮机低压缸19，之后汽轮机低压缸19的排汽进入凝汽器21；凝汽器21产生的冷凝水分两路，一路经第2号阀门26后进入储水箱27；另一路通过第1号阀门22后进入进入给水泵23；进入循环利用。
当电网处于用电低谷时，将剩余电力供给原动机1，用来驱动四级压气机压缩空气并将高压空气存入储气室9中，压缩过程中，储气室9内压力控制在46-72bar，第一轴流式压气机2压比维持在6，后三级离心式压气机压比不断增大，变化范围为2-2.3；第一级轴流式压气机2出口的220-250℃的高温空气被用来与冷却水换热产生蒸汽，蒸汽参数达到150℃、5bar，此时，第3号阀门29打开，第4号阀门30关闭，蒸汽存储在蒸汽存储罐4中。
燃气发电采用两级膨胀做功，高压空气由储气室9中释放，经节流阀10使压力稳定在42-50bar范围内的某一固定值，高压空气进入高压燃气透平12之前在燃烧室11中与天然气混合燃烧，产生500-600℃、42-50bar的燃气，在进入低压燃气透平14之前在燃烧室13中与天然气混合燃烧，产生800-1000℃、11bar左右的燃气。低压燃气透平14的排气温度在500-600℃左右，能够进入余热锅炉16中与给水换热并产生的蒸汽，而余热锅炉16的排气温度降低到100℃左右。
余热锅炉16采用三压再热式，锅炉内产生两股不同参数的蒸汽，一股进入汽轮机高压缸17之后，经余热锅炉16再热并进入汽轮机中压缸18，最后进入汽轮机低压缸19；一股直接进入汽轮机低压缸19。
同时，在对外发电期间，经给水泵23加压后的给水经分流器分成两股水流，一股进入给水泵25中二次增压后进入余热锅炉16，一股直接进入余热锅炉16中，两股水流在余热锅炉16中生成的蒸汽经汽轮机发电子***后进入凝汽器21；而1号阀门22打开、2号阀门26关闭，冷凝水再次进入给水泵23中，形成封闭的汽轮机发电循环。
汽轮机的启动和预热由汽轮机预热子***完成，汽轮机预热时，2号阀门26、4号阀门30打开，1号阀门22、3号阀门29关闭，蒸汽存储罐4中的蒸汽流经汽轮机之后进入凝汽器21，冷凝水经2号阀门26进入储水箱27；在下一个压缩空气阶段，储水箱27中的常温水经水泵28增压之后进入换热器3中与高温空气换热，产生的蒸汽再次进入蒸汽存储罐4中，形成一个封闭的水循环。
本发明可用其他的不违背本发明的思想和主要特征的具体形式来概述。因此，本发明的上述实施方案是对本发明进行说明，并非对本发明进行限定。因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (9)

1.一种间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成***，其特征在于，所述压缩空气蓄能-联合循环集成***包括5个子***：压缩空气蓄能子***、燃气透平发电子***、汽轮机发电子***、余热锅炉子***以及汽轮机预热子***；所述压缩空气蓄能子***采用多级压缩、中间冷却的方式；所述汽轮机预热子***分别连接压缩空气蓄能子***和汽轮机发电子***；所述余热锅炉子***的主体为余热锅炉(16)，将燃气透平发电***和汽轮机发电***有机地连接为一体。
2.根据权利要求1所述一种间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成***，其特征在于，所述压缩空气蓄能子***为原动机(1)与压气机***连接；其中，压气机***由第一级轴流式压气机(2)、第二级离心式压气机(5)、第三级离心式压气机(6)和第四级离心式压气机(7)串联组成；其中，第一级轴流式压气机(2)输出连接换热器(3)，第二级压气机的输出、第三级压气机的输出和第四级离心式压气机的输出均通过空气冷却装置(8)，第四级离心式压气机的输出与储气室(9)连接。
3.根据权利要求1所述一种间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成***，其特征在于，所述燃气透平发电子***由第一燃烧室(11)、高压燃气透平(12)、第二燃烧室(13)、低压燃气透平(14)和第一发电机(15)依次连接，储气室(9)通过节流阀(10)与第一燃烧室(11)连接，第一燃烧室(11)的输出连接至高压燃气透平(12)的输入，第二燃烧室(13)的输出连接至低压燃气透平(14)的输入，高压燃气透平(12)、低压燃气透平(14)和第一发电机(15)连接在一个传动轴上。
4.根据权利要求1所述一种间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成***，其特征在于，所述汽轮机发电子***由串联连接的汽轮机高压缸(17)、汽轮机中压缸(18)、汽轮机低压缸(19)和第二发电机(20)组成，并且同轴连接；汽轮机低压缸(19)的排汽与凝汽器(21)连接，凝汽器(21)的输出经第1号阀门(22)与给水泵(23)连接，给水泵(23)通过分流器(24)分别连接余热锅炉(16)和加压泵(25)，加压泵(25)再连接余热锅炉(16)；其中汽轮机低压缸(19)的进汽一股来自余热锅炉(16)，一股来自汽轮机中压缸(18)的排汽。
5.根据权利要求1所述一种间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成***，其特征在于，所述汽轮机预热子***分别连接压缩空气蓄能子***与汽轮机发电子***，换热器(3)经第3号阀门(29)与蒸汽存储罐(4)的输入连接，蒸汽存储罐(4)输出经第4号阀门(30)与汽轮机高压缸(17)输入连接，汽轮机高压缸(17)、汽轮机中压缸(18)、汽轮机低压缸(19)串联后与凝汽器(21)的输入连接，冷凝水经第2号阀门(26)后与储水箱(27)连接，储水箱(27)的输出连接到常温水泵(28)，常温水泵(28)的输出连接至换热器(3)。
6.一种权利要求1所述的间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成发电方法，其特征在于，所述压缩空气蓄能子***产生的高压、高温空气穿过空气冷却装置(8)之后进入储气室(9)中存储；在燃气透平发电子***，高压燃气发电采用两级膨胀做功，设两个燃烧室，储气室(9)输出的压缩空气经节流阀(10)调节后进入高压燃气透平(12)做功之前在第一燃烧室(11)中与补充的天然气混合燃烧，使混合气体温度达到500-600℃；高压燃气透平(12)出来的高压混合气体进入低压燃气透平(14)之前在第二燃烧室(13)中与补充的天然气混合燃烧，使气体温度达到800-1000℃；低压燃气透平(14)出来的高温气体进入余热锅炉(16)，余热锅炉采用三压再热式，利用低压燃气透平(14)的排汽作为热源，加热给水泵(23)的给水，产生两股蒸汽，一股蒸汽经汽轮机高压缸(17)膨胀做功之后进入余热锅炉(16)再热，再热蒸汽进入汽轮机中压缸(18)膨胀做功后再进入汽轮机低压缸(19)；另一股蒸汽直接进入汽轮机低压缸(19)，之后汽轮机低压缸(19)的排汽进入凝汽器(21)；凝汽器(21)产生的冷凝水分两路，一路经第2号阀门(26)后进入储水箱(27)；另一路通过第1号阀门(22)后进入进入给水泵(23)；进入循环利用。
7.根据权利要求6所述的间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成发电方法，其特征在于，所述燃气透平发电子***中储气室(9)输出的压缩空气经节流阀(10)调节后进入第一燃烧室(11)与补给的天然气混合燃烧，高压燃气透平(12)输出的燃气进入第二燃烧室(13)与补充的天然气混合燃烧，第二燃烧室(13)输出的燃气进入低压燃气透平(14)做功，带动第一发电机发电(15)发电，低压燃气透平(14)的高温排汽进入余热锅炉(16)；给水泵(23)的输出经分流器(24)之后分成两股水流，一股经加压水泵(25)后进入余热锅炉(16)，另一股直接进入余热锅炉(16)；低压燃气透平(14)的排气进入余热锅炉(16)，余热锅炉(16)产生的高压蒸汽进入汽轮机高压缸(17)；经余热锅炉(16)的再热蒸汽经汽轮机高压缸(17)排汽并输送到汽轮机中压缸(18)，汽轮机中压缸(18)的排汽与余热锅炉(16)产生的低压蒸汽共同进入汽轮机低压缸(19)做功，带动第二发电机发电(20)发电。
8.根据权利要求6所述的间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成发电方法，其特征在于，所述压缩空气蓄能子***中，空气压缩部分采用多级压缩、中间冷却的方式，在空气压缩时，第一级轴流式压气机(2)压比设为6，空气流经第一级轴流式压气机后温度达到220-250℃，高温空气进入换热器(3)中加热常温水，产生温度为150℃，压力为5bar的蒸汽，蒸汽被存储在蒸汽存储(4)中；第二级离心式压气机(5)、第三级离心式压气机(6)、第四级离心式压气机(7)出口的高温空气均进入冷却装置(8)中降温冷却，高压空气最终被送入储气室(9)中存储。
9.根据权利要求6所述的间冷热预热汽轮机的压缩空气蓄能-联合循环集成发电方法，其特征在于，所述汽轮机预热子***中，压气机工作阶段，打开第3号阀门(29)，关闭第4号阀门(30)，储水箱(27)输出的常温水经常温水泵(28)增压至5bar后进入换热器(3)与高温空气进行热交换，换热器(3)中产生的参数为150℃、5bar的蒸汽进入蒸汽存储罐(4)中存储，汽轮机发电前，关闭第1号阀门(22)和第3号阀门(29)，打开第2号阀门(26)和第4号阀门(30)，蒸汽存储罐(4)中的蒸汽被送入汽轮机发电子***，对汽轮机高压缸(17)、汽轮机中压缸(18)、汽轮机低压缸(19)预热，并使汽轮机处于热备用状态，蒸汽从汽轮机低压缸(19)排出后进入凝汽器(21)冷凝，冷凝水经第2号阀门(26)后送入储水箱(27)。
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