CN108443018A - 基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，包括燃气轮机发电子***、空气液化分离子***、液态空气释能子***和蓄冷单元子***。用电低谷时，将发电子***产生的多余电能转化为低温冷能，储存在液态氮气和氧气中；用电高峰时，将空气液化分离子***中液态氮气冷能转化为电能，液态氧气吸热气化后，供给燃烧室富氧燃烧，降低进气温度；蓄冷单元在用电高峰时段，将液态空气释能子***中液态空气预热气化时释放的冷能储存在蓄冷单元中，用电低谷时段，将储存的冷能用于空气液化分离子***空气液化前的预冷。本发明能回收燃气轮机尾气余热、降低进气温度并提供富氧燃烧环境，提高效率；并网后能削峰填谷，具有较高的储能效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机发电行业大规模电力存储和管理领域，尤其涉及基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***。
背景技术
燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机之后的新一代动力装置，代表着重大装备制造业的总体水平，对国防、能源结构的改善和环境可持续发展具有重要意义。燃气轮机具有功率密度大、启动速度快、质量轻等优点，广泛应用于舰船动力、分布式能源、电厂发电等众多领域。但近年来，随着能源安全和环境污染问题的日益突出，对燃气轮机在发电领域的应用提出了更高要求。
燃气轮机发电***的原理如图1所示，空气经压缩机压缩后，被送往燃烧室与燃料混合燃烧，产生的高温燃气进入透平做功，带动发电机工作，产生电能，尾气被排出透平。然而，高温尾气若直接排入外界，会造成能量损失，降低机组热效率。此外，燃气轮机输出功率与进气温度有关，在标准工况下，随着进气温度升高，燃气轮机输出功率会持续降低。因此，如能采用某种方法降低燃气轮机的进气温度，就可有效提高燃气轮机的工作效率。
另一方面，燃气轮机因结构复杂，在功率调节时易出现喘振、低压涡轮后燃气温度过高、燃料浪费等不良现象，这对燃气轮机功率性能和控制保护不利。如果将燃气轮机发电***直接大规模并网，当电网大功率负载突变时，会使电能品质恶化且降低燃气轮机发电***性能。
因此，如何避免燃气轮机高温尾气余热浪费、进气温度过高和并网后发电输电不稳定三个问题，成为亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，以解决燃气轮机高温尾气余热浪费、进气温度过高和并网后发电输电不稳定等技术问题。
技术方案：基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，包括：
燃气轮机发电子***，该子***在用电低谷时段，以燃气轮机发电***的额定功率要求满负荷运行，其产生的多余电能用来驱动空气液化分离子***生产液态氮气和液态氧气，并且该子***在用电高峰时段，仍按燃气轮机额定功率运行，保证了燃气轮机发电的稳定性；
空气液化分离子***，该子***在用电低谷时段，将燃气轮机发电子***产生的多余电能通过空气液化分离过程转化为低温冷能储存于液态氮气和液态氧气中；
液态空气释能子***，该子***在用电高峰时段，将空气液化分离子***中储存的液态氮气的低温冷能转化为电力；
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燃气轮机发电子***和液态空气释能子***之间通过换热器换热管路相连，在用电高峰时段，燃气轮机发电子***产生的高温尾气的余热通过换热器中的管道传递给液态空气释能子***，用于加热高压氮气，使其高效膨胀做功发电。
燃气轮机发电子***包括第一压缩机，第一压缩机通过管路与燃烧室、燃气透平、第一换热器、除水器、第二换热器、二氧化碳分离器、第三换热器、第二压缩机依次相连，并且第二压缩机与第三换热器、第二换热器、第一换热器之间还依次通过回流管连接，燃气由第一压缩机压至燃烧室，与氧气及少部分氦气等混合实现富氧燃烧，燃烧产物主要为二氧化碳、水、氦气组成的高温高压烟气，其经燃气透平膨胀做功后，通过第一、第二和第三换热器进行热交换，最大程度地利用余热从而提高高压氮气膨胀做功的发电效率，燃烧产物中的水通过除水器去除，二氧化碳通过二氧化碳分离器去除，除去水和二氧化碳后的循环工质氦气由第二压缩机压缩至工作压力，再经第三、第二和第一换热器返回燃烧室与燃气和氧气混合。
燃气轮机发电子***中加入氦气主要是为了降低燃气温度，使燃气透平达到最高使用温度，并提供循环工质。
空气液化分离子***包括第三压缩机，第三压缩机通过管路与第五换热器、气体液化分离单元依次相连，气体液化分离单元输出端分别连接液态氮气储槽和液态氧气储槽的输入端，并且第五换热器与蓄冷单元子***进行热量交换，洁净空气依次经过压缩机、第五换热器、气体液化分离单元作用后，被生成液态氮气和液态氧气，并分别储存在液态氮气储槽和液态氧气储槽中。
气体液化分离单元包括除杂质***、分馏塔、膨胀机。
液态空气释能子***包括第一低温泵和第二低温泵，第一低温泵输入端与液态氮气储槽右侧输出端相连，输出端与第四换热器中端管路输入端相连，第二低温泵输入端与液态氧气储槽右侧输出端相连，输出端与第四换热器上端管路输入端相连。第四换热器有三条管路，上端管路连接第二低温泵输出端和氧气输出管输入端，中端管路连接第一低温泵输出端和第三换热器下端管路输入端，下端管路与蓄冷单元连接进行热交换。高压透平输入端与第三换热器下端管路输出端相连，输出端与第二换热器下端管路输入端相连，中压透平输入端与第二换热器下端管路输出端相连，输出端与第一换热器下端管路输入端相连，低压透平输入端与第一换热器下端管路输出端相连，输出端通向外界。
液态空气释能子***中第三换热器、高压透平、第二换热器、中压透平、第一换热器、低压透平构成带有级间再热的氮气透平机组，能有效利用燃气轮机发电***排出的高温尾气中余热，以提高透平机组的发电效率。
液态空气释能子***中液态氧气经第四换热器吸热气化成低温氧气后，供给燃烧室富氧燃烧，同时与燃气及循环工质混合，能进一步降低进气温度，提高燃气轮机运行效率。
蓄冷单元子***包括蓄冷单元，蓄冷单元右侧端口与第一控制阀的左侧端口连接，左侧端口与第二控制阀的右侧端口连接，并且第一控制阀上侧端口依次与第一循环泵、第四换热器、第二控制阀、蓄冷单元相连构成循环回路，第二控制阀下侧端口依次与第二循环泵、第五换热器、第一控制阀、蓄冷单元相连构成循环回路。蓄冷单元的换热流体为甲醇或丙烷。
调峰***有三种运行模式：储能模式、标准模式和释能模式，以根据用户侧负荷需求的变化产生不同负荷的输出电力。
工作原理：本发明的燃气轮机发电调峰***，在用电低谷时段，将燃气轮机发电子***产生的多余电能通过空气液化分离过程转化为低温冷能，储存在液态氮气和液态氧气中；在用电高峰时段，将空气液化分离子***中储存的液态氮气的低温冷能转化为电力，同时液态氧气吸热气化后，供给燃气轮机燃烧室富氧燃烧，并能降低燃气轮机进气温度；蓄冷单元子***在用电高峰时段，将液态空气释能子***中液态空气预热气化时释放的冷能以显热的形式储存储存在蓄冷单元中，在用电低谷时段，将蓄冷单元中储存的冷能用于空气液化分离子***的空气液化前的预冷。
有益效果：与现有技术相比，本发明的燃气轮机调峰***采用液态空气储能技术，能回收燃气轮机尾气余热和降低燃气轮机进气温度，并提供富氧燃烧环境，有效提高燃气轮机燃气轮机运行经济性；实现燃气轮机发电的稳定、可调度；并网后能削峰填谷，改善电力质量；提供诸如能源管理，电压和频率调节等多种辅助服务。此外，该***无污染、效率高、初投资较低，且不受地域环境制约，随着液态空气储能技术技术的不断成熟，未来将更具应用前景。
附图说明
图1为燃气轮机工作原理结构图；
图2为本发明结构示意图；
图3为典型燃气轮机输出功率性能图；
图4为空气作为换热工质在不同压力下的定压比热容与工作温度的关系图。
其中：10：燃气轮机发电子***；20：空气液化分离子***；30：液态空气释能子***；40：蓄冷单元子***；
101：第一压缩机；102：燃烧室；103：燃气透平；104：第一换热器；105：除水器；106：第二换热器；107：二氧化碳分离器；108：第三换热器；109：第二压缩机；110：回流管；
201：第三压缩机；202：第五换热器；203：气体液化分离单元；204：液态氮气储槽；205：液态氧气储槽；
301：第一低温泵；302：第二低温泵；303：第四换热器；304：高压透平；305：中压透平；306：低压透平；307：氧气输出管；
401：蓄冷单元；402：第一控制阀；403：第一循环泵；404：第二控制阀；405：第二循环泵；
具体实施方式
如图2所示，燃气轮机发电调峰***包括四个子***，分别为燃气轮机发电子***10，空气液化分离子***20、液态空气释能子***30和蓄冷单元子***40。
燃气轮机发电子***10在用电低谷时段，即用户负荷需求小于燃气轮机发电***额定运行负荷的第一时段，以燃气轮机发电***的额定功率要求满负荷运行，其产生的多余电能用来驱动空气液化分离子***20生产液态氮气和液态氧气，并且该子***在用电高峰时段，即用户负荷需求大于燃气轮机发电***额定运行负荷的第二时段，仍按燃气轮机额定功率运行，保证了燃气轮机发电的稳定性。
空气液化分离子***20在用电低谷时段，将燃气轮机发电子***10产生的多余电能通过空气液化分离过程转化为低温冷能储存于液态氮气和液态氧气中。
液态空气释能子***30在用电高峰时段，将空气液化分离子***20中储存的液态氮气的低温冷能转化为电力。
蓄冷单元子***40内有传热流体，传热流体在用电高峰时段，将液态空气释能子***30中液态氮气和液态氧气预热气化时释放的冷能以显热的形式储存在蓄冷单元中，在用电低谷时段，将蓄冷单元中储存的冷能用于空气液化子***20的空气液化前的预冷。
其中燃气轮机发电子***10和液态空气释能子***30之间通过管路连接，在用电高峰时段，燃气轮机发电子***10产生的高温尾气的余热通过换热器中的管道流向液态空气释能子***30，用于加热高压氮气，使其高效膨胀做功发电。在此释能过程中，***整体的储能效率可达70％。另外，燃气轮机发电子***10中加入有降低燃气温度的氦气，使燃气透平达到最高使用温度，并提供循环工质。
整个集成***根据用户侧负荷需求的不同有以下三种运行模式：
(1)储能模式：在用电低谷时段，即用户侧负荷需求小于燃气轮机发电***的额定负荷时，集成***以储能模式运行。燃气轮机发电子***10按其额定负荷要求满负荷运行，其产生的多余电能驱动空气液化分离子***20生产液态氮气和液态空气，即将多余的电能以液态氮气和液态氧气冷能的形式储存起来。
(2)标准模式：在平均用电负荷时段，即用户侧负荷需求和燃气轮机发电***的额定负荷接近，集成***以标准模式运行。空气液化分离子***20和液态空气释能子***30均停止工作，而燃气轮机发电子***10按标准额定功率运行发电。
(3)释能模式：在用电高峰时段，即用户侧负荷需求大于燃气轮机发电***的额定负荷时，集成***以释能模式运行。空气液化分离子***20处于关闭状态，而液态空气释能子***30被开启用于生产更多的电力。作为优选方案，在此过程中燃气轮机发电子***10产生的高温尾气的余热通过换热器中的管路传递给液态空气释能子***30，用于加热高压氮气，使其高效膨胀做功发电。
基于上述三种运行模式，集成***可以根据用户侧负荷需求的变化产生不同负荷的输出电力，同时燃气轮机能保持满负荷稳定运行，这样解决了燃气轮机发电连续稳定运行的自身要求与削峰填谷的功能要求之间的矛盾，实现了燃气轮机发电中的调峰技术。
其中燃气轮机发电子***10包括第一压缩机101，其输入端进燃气，输出端与燃烧室102连接；燃烧室102输入端分别与第一压缩机101输出端、回流管110输出端、氧气输出管307输出端连接，其右侧输出端与燃气透平103输入端连接；第一换热器104有三条管路，上端管路用于回流管110热交换，中端管路连接燃气透平103输出端和除水器105输入端，下端管路连接低压透平306输入端和中压透平305输出端；第二换热器106有三条管路，上端管路用于回流管110热交换，中端管路连接除水器105输出端和二氧化碳分离器107输入端，下端管路连接中压透平305输入端和高压透平304输出端；第三换热器108有三条管路，上端管路用于回流管110热交换，中端管路连接二氧化碳分离器107输出端和第二压缩机109输入端，下端管路连接高压透平304输入端和第四换热器303中端管路输出端；第二压缩机109输出端连接回流管110，回流管110流经第三换热器108、第二换热器106、第一换热器104返回到燃烧室，从而构成一个闭口布雷顿循环。
空气液化分离子***20包括第三压缩机201，其输入端进洁净空气，输出端与第五换热器202连接；第五换热器202有两条管路，上端管路与蓄冷单元40连接进行热交换实现空气液化分离前的预冷，下端管路连接第三压缩机201输出端和气体液化分离单元203输入端；气体液化分离单元203输出端分别连接液态氮气储槽204和液态氧气储槽205。
在用电低谷时段，集成***以储能模式运行。此时，燃气轮机发电子***10仍以额定功率工作，即燃烧室102产生的含二氧化碳、水、氦气等高温高压燃烧产物用于推动燃气透平103发电，而同时其生产的多余的电能用于空气液化分离过程，将其以低温冷能的形式存储起来。在空气液化分离子***20工作时，空气先经第三压缩机201压缩至工作压力，作为一种优选过程，被压缩的空气经过第五换热器202热交换实现预冷，以提高循环过程储能效率，之后高压空气被送往气体液化分离单元203以生产氮气和氧气，所生产的液态氮气和液态氧气分别储存在液态氮气储槽204和液态氧气储槽205中。
液态空气释能子***30包括第一低温泵301和第二低温泵302，其中第一低温泵301输入端与液态氮气储槽204右侧输出端相连，输出端与第四换热器303中端管路输入端相连。第二低温泵302输入端与液态氧气储槽205右侧输出端相连，输出端与第四换热器303上端管路输入端相连。第四换热器303有三条管路，上端管路连接第二低温泵302输出端和氧气输出管307输入端，中端管路连接第一低温泵301输出端和第三换热器108下端管路输入端，下端管路与蓄冷单元40连接进行热交换。高压透平304输入端与第三换热器108下端管路输出端相连，输出端与第二换热器106下端管路输入端相连。中压透平305输入端与第二换热器106下端管路输出端相连，输出端与第一换热器104下端管路输入端相连。低压透平306输入端与第一换热器104下端管路输出端相连，输出端通向外界。
在用电高峰时段，集成***以释能模式运行。此时，空气液化分离子***20停止工作，而空气液化分离子***20储存的液态氮气通过液态空气释能子***30生产电能，与燃气轮机发电子***10生成的电能匹配以满足用户的需求。此时，液态氮气储槽204中的液态氮气先被第一低温泵301加压至工作压力，而后流经第四换热器303预热，同时其释放的冷能以传热流体的显热的形式被存储在蓄冷单元40中。作为优选，燃气轮机发电子***10的高温高压尾气通过第一换热器104、第二换热器106、第三换热器108中对高压氮气进行过热和级间再热，使高压氮气依次通过高压透平304、中压透平305、低压透平306膨胀做功发电。
此外，蓄冷单元的冷能回收再利用过程能有效提高集成***的储能效率。在空气液化分离子***和液态空气释能子***中，空气的热交换都是在极高的工作压力下进行的。如图3、图4所示，当工作压力非常高时，空气的定压比热容几乎不随温度变化而变化，即空气在高压条件下的换热过程接近于显热换热过程。因此，本发明中提出以传热流体显热储冷的方式回收和再利用低温冷能，即如图2中所示的蓄冷单元401所示，考虑多种传热流体的优缺，本发明中的传热流体选择甲醇和丙烷。
本实施例中以一个净输出功为200MW的燃气轮机发电***为例，假定集成***以天为单位周期运行，且每天的用电高峰时段持续1小时，用电低谷时段持续8小时。在此运行模式下，空气液化分离单元的液化能力约为每小时生产345.6吨液态氮气和86.4吨液态氧气，这样规模的空气液化分离设备在空气液化分离行业较为普遍。整个集成***净出功量可达500MW，为燃气轮机净出功的2.5倍，从而极大提高了***的调峰能力。整个运行过程中的液态空气储能效率可达70％。
Claims (10)
1.一种基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，其特征在于：包括：
燃气轮机发电子***(10)，所述发电子***(10)在用电低谷时段，以燃气轮机发电***的额定功率要求满负荷运行，其产生的多余电能用来驱动空气液化分离子***(20)生产液态氮气和液态氧气，并且所述子***在用电高峰时段，仍按燃气轮机额定功率运行；
空气液化分离子***(20)，所述子***(20)在用电低谷时段，将燃气轮机发电子***(10)产生的多余电能通过空气液化分离过程转化为低温冷能储存在液态氮气和液态氧气中；
液态空气释能子***(30)，所述子***(30)在用电高峰时段，将空气液化分离子***(20)中储存的液态氮气的低温冷能转化为电力；
蓄冷单元子***(40)，所述子***(40)内含有传热流体，所述传热流体在用电高峰时段，将液态空气释能子***(30)中液态氮气和液态氧气预热气化时释放的冷能以显热的形式储存在蓄冷单元中，在用电低谷时段，将蓄冷单元中储存的冷能用于空气液化分离子***(20)的空气液化分离前的预冷。
2.根据权利要求1所述的基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，其特征在于：所述燃气轮机发电子***(10)和液态空气释能子***(30)之间通过换热器换热管路相连，在用电高峰时段，所述燃气轮机发电子***(10)产生的高温尾气的余热通过换热器中的管路传递给液态空气释能子***(30)，用于加热高压氮气，使其高效膨胀做功发电。
3.根据权利要求1或2所述的基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，其特征在于：所述燃气轮机发电子***(10)包括第一压缩机(101)，所述第一压缩机(101)通过管路与燃烧室(102)、燃气透平(103)、第一换热器(104)、除水器(105)、第二换热器(106)、二氧化碳分离器(107)、第三换热器(108)、第二压缩机(109)依次相连，并且所述第二压缩机(109)与第三换热器(108)、第二换热器(106)、第一换热器(104)之间还依次通过回流管(110)连接。
4.根据权利要求3所述的基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，其特征在于：所述燃气轮机发电子***(10)中加入有降低燃气温度的氦气，以使燃气透平达到最高使用温度，并提供循环工质。
5.根据权利要求1所述的基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，其特征在于：所述空气液化分离子***(20)包括第三压缩机(201)，所述第三压缩机(201)通过管路与第五换热器(202)、气体液化分离单元(203)依次相连，所述气体液化分离单元(203)输出端分别连接液态氮气储槽(204)和液态氧气储槽(205)的输入端，所述第五换热器(202)与所述蓄冷单元子***(40)进行热量交换，洁净空气依次经过压缩机、第五换热器、气体液化分离单元作用后，被生成液态氮气和液态氧气，并分别储存在液态氮气储槽和液态氧气储槽中。
6.根据权利要求1所述的基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，其特征在于：所述液态空气释能子***(30)包括第一低温泵(301)和第二低温泵(302)，所述第一低温泵(301)输入端与液态氮气储槽(204)右侧输出端相连，输出端与第四换热器(303)中端管路输入端相连，所述第二低温泵(302)输入端与液态氧气储槽(205)右侧输出端相连，输出端与第四换热器(303)上端管路输入端相连，所述第四换热器(303)有三条管路，上端管路连接第二低温泵(302)输出端和氧气输出管(307)输入端，中端管路连接第一低温泵(301)输出端和第三换热器(108)下端管路输入端，下端管路与蓄冷单元(40)连接进行热交换，高压透平(304)输入端与第三换热器(108)下端管路输出端相连，输出端与第二换热器(106)下端管路输入端相连，中压透平(305)输入端与第二换热器(106)下端管路输出端相连，输出端与第一换热器(104)下端管路输入端相连，低压透平(306)输入端与第一换热器(104)下端管路输出端相连，输出端通向外界。
7.根据权利要求6所述的基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，其特征在于：所述液态空气释能子***(30)中第三换热器(108)、高压透平(304)、第二换热器(106)、中压透平(305)、第一换热器(104)、低压透平(306)构成带有级间再热的氮气透平机组，以有效利用燃气轮机发电***排出的高温尾气中余热，提高透平机组的发电效率。
8.根据权利要求6所述的基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，其特征在于，所述液态空气释能子***(30)中液态氧气经第四换热器(303)吸热气化成低温氧气后，供给燃烧室富氧燃烧，同时与燃气及循环工质混合，进一步降低进气温度，提高燃气轮机运行效率。
9.根据权利要求1所述的基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，其特征在于，所述蓄冷单元子***(40)包括蓄冷单元(401)，所述蓄冷单元(401)右侧端口与第一控制阀(402)的左侧端口连接，左侧端口与第二控制阀(404)的右侧端口连接，并且所述第一控制阀(402)上侧端口依次与第一循环泵(403)、第四换热器(303)、第二控制阀(404)、蓄冷单元(401)相连构成循环回路，所述第二控制阀(404)下侧端口依次与第二循环泵(405)、第五换热器(202)、第一控制阀(402)、蓄冷单元(401)相连构成循环回路。
10.根据权利要求1所述的基于液态空气储能技术的燃气轮机发电调峰***，其特征在于：所述调峰***有三种运行模式：储能模式、标准模式和释能模式，根据用户侧负荷需求的变化产生不同负荷的输出电力。
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