CN113202584B - 燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃气‑空气‑蒸汽三工质联合循环发电***及方法。本发明利用压缩空气储能模块连接储气装置，溴化锂制冷模块中热媒水用于冷却压缩热；储气装置通过空气加热器加热后的空气供给空气透平发电模块做功发电；燃气发电模块利用燃气轮机压缩机从大气中抽取空气加压，进入燃烧室与天然气混燃后进入燃气涡轮机膨胀做功，带动燃气发电机发电；补燃型余热锅炉利用燃气涡轮机的排气加热双压蒸汽发电模块的高压与低压给水，之后通过烟道补燃器再次对烟气升温后加热空气发电模块的空气和双压蒸汽发电模块的凝结水，双压蒸汽发电模块利用蒸汽循环的给水加热后产生的高温高压的蒸汽带动蒸汽轮机发电。

Description

燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***及方法
技术领域
本发明涉及一种燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***及方法，属于压缩空气储能领域。
背景技术
目前随着新能源电力装机比例的不断上升，以及国内经济社会结构的不断变化，电网在发电端和用电端的运行方式都在发生的深刻变化，发电负荷和用电负荷都存在波动性、随机性和不可预测性，尤其是近年来电网白天和夜间用电负荷的峰谷差越来越大。目前夜间电网调峰单一依靠火电机组的情况愈加突出，这不仅降低了火电机组的利用率，造成发电煤耗增加，形成了极大的能源浪费，而且对调峰机组的寿命造成极大地伤害。
长期以来，电网在发电侧配备一定比例的燃气发电机组作为调峰调频使用，其快速启停的特点可以在白天为电网提供紧急电力备用。近年来，电力储能技术是解决上述问题的另一个重要技术方向，在电网削峰填谷、平抑可再生能源波动、提供紧急功率支撑等方面发挥了积极作用。压缩空气储能发电是大规模清洁物理储能领域的一个重要方向，目前我国国内正在快速发展过程中，国内已有多座非补燃式压缩空气储能电站正在建设过程中。
但是无论是燃气发电机组还是压宿空气储能发电机组，都有着一定的局限性。燃气轮机每天启停的运行方式只能在白天提供电力支撑，无法在夜间电网用电低谷期提供帮助。而几年来快速发展的压缩空气储能技术能够在夜间等电网用电低谷期从网上拉电，但是在白天等电网用电高峰期发电容量较低，一般不超过100MW，对电网的功率支撑不足。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***及方法，利用燃气轮机模块涡轮机的排气在补燃型余热锅炉中加热蒸汽循环的给水，使之变成高温高压的蒸汽带动蒸汽轮机发电。由于涡轮机排气热量不足，需要在余热锅炉烟道中增加布置天然气补燃器，进一步提升乏气温度，以加热从储气装置中出来的高压压缩空气。被加热后的高温、高压压缩空气进入空气透平中膨胀做功，带动空气透平发电机发电。利用空气压缩模块，以及天燃气-空气-蒸汽三工质联合循环，不仅可以为电网用电低谷期提供负向负荷支撑，在白天的发电容量能够达到200MW以上，远超储能时消耗的功率，在电网用电高峰期时顶峰发电能力更强。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，包括压缩空气储能模块、溴化锂制冷模块、燃气发电模块、双压蒸汽发电模块、空气透平发电模块、补燃型余热锅炉；所述压缩空气储能模块连接储气装置，所述溴化锂制冷模块中热媒水用于冷却压缩热；储气装置通过空气加热器加热后的空气供给空气透平发电模块做功发电；燃气发电模块利用燃气轮机压缩机从大气中抽取空气加压，进入燃烧室与天然气混燃后进入燃气涡轮机膨胀做功，带动燃气发电机发电；补燃型余热锅炉利用燃气涡轮机的排气加热双压蒸汽发电模块的高压与低压给水，之后通过烟道补燃器再次对烟气升温后加热空气发电模块的空气和双压蒸汽发电模块的凝结水，双压蒸汽发电模块利用蒸汽循环的给水加热后产生的高温高压的蒸汽带动蒸汽轮机发电。
所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，所述压缩空气储能模块包括2-4段串联的空气储能压缩机，串联的空气储能压缩机的级间带有冷却器以冷却压缩热。
所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，所述溴化锂制冷模块包括溴化锂制冷机组、冷水罐、热水罐；所述冷水罐中冷水用冷水输送泵加压后进入级间冷却器冷，从级间冷却器出来的水进入热水罐中用以作为溴化锂制冷机组的热源。
所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，所述补燃型余热锅炉包括与所述燃气涡轮机排气***顺次串联的的高压过热器、高压蒸发器、高压给水加热器、低压过热器、低压蒸发器、烟道补燃器、低压加热器、省煤器、凝水加热器。
所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，所述双压蒸汽发电模块包括双压型蒸汽轮机、蒸汽发电机、凝汽器、循环水泵、凝结水泵、低压给水泵、高压给水泵；双压型蒸汽轮机的排汽进入凝汽器中，被循环水泵输送来的循环水冷却成凝结水，凝结水通过凝结水泵升压后进入凝水加热器和省煤器加热，之后再分成两路，一路进入低压给水泵，另一路进入高压给水泵。
所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，所述空气透平发电模块包括空气透平机、空气发电机、空气加热器，所述空气加热器连接在余热锅炉的烟道上，所述空气加热器连接储气装置的出气管到空气透平机，所述空气透平机为双压型空气透平机。
用上述燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***进行燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电的方法，该方法包括：
（1）压缩空气储能模块经过2-4级对空气的压缩，使得末端压缩机出口压缩空气压力6-14MPa，并通过级间冷却器的冷却使得压缩空气温度不高于50℃，进入储气装置存储；
（2）储气装置出口的压缩空气流量为600-1800t/h，压力为8-12MPa ，温度30-50℃，经过空气加热器吸收涡轮机排气热量后，温度升高至350-550℃进入空气透平机做功，空气透平机排气压力略高于大气压，温度为80-130℃，通过烟囱排放到大气，空气透平发电功率为60-200MW；
（3）燃气轮机压缩机从大气中抽取空气加压至1.0-3.0MPa，温度升高至300-450℃，之后进入燃烧室与天然气混燃后，将温度进一步提升至1100-1350℃，进入燃气涡轮机膨胀做功，带动燃气发电机发电，燃气涡轮机发电功率可为100-300MW，燃气涡轮机排气进入补燃型余热锅炉，将余热通过各级受热面传递给蒸汽循环的给水。其中烟道补燃器将天然气与排气再次混燃后提升温度，加热高压压缩空气，最终温度降低至80-130℃后排入大气；
（4）低压给水泵出口压力为0.5-1.5MPa，低压给水分别进过低压蒸发器、低压过热器加热后变成低压蒸汽，低压蒸汽压力为0.5-1.5MPa，温度为200—300℃，进入双压型蒸汽轮机低压缸；高压给水泵出口压力为5.0-10.0MPa，分别进过高压蒸发器、高压过热器加热后变成高压蒸汽，高压蒸汽压力为5.0-10.0MPa，温度为300—400℃，高压蒸汽进入双压型蒸汽轮机高压缸，在高压缸中完成部分膨胀的蒸汽，与低压蒸汽共同进入低压缸；在低压缸中完全膨胀做功的蒸汽在此进入凝汽器凝结成水，完成一个工作循环，蒸汽透平机发电功率为50-150MW。
有益效果：
本发明采用压缩燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电，主要包括包括压缩空气储能模块、溴化锂制冷模块、燃气发电模块、双压蒸汽发电模块、空气透平发电模块、补燃型余热锅炉。在夜间电网用电低谷期时，从电网中拉电带动压缩机模块将空气储存在储气装置中，并用循环热媒水进行换热与储热，热媒水用作溴化锂制冷机组的热源。在白天等电网用电高峰期时，利用燃气轮机模块压缩机从大气中抽取空气加压，进入燃烧室与天然气混燃后进入涡轮机膨胀做功，带动燃气发电机发电。燃气涡轮机的排气在补燃型余热锅炉中加热蒸汽循环的给水，使之变成高温高压的蒸汽带动蒸汽轮机发电。由于涡轮机排气热量不足，在余热锅炉烟道中布置天然气补燃器，进一步提升乏气温度，以加热从储气装置中出来的高压压缩空气，被加热后的高温、高压压缩空气进入空气透平中膨胀做功，带动空气透平发电机发电，压缩空气降低温度后排入大气。
附图说明
图1是本发明的***示意图。
图中1、储气装置；2、空气加热器；3、燃气轮机压缩机；4、燃烧室；5、燃气涡轮机；6、燃气发电机；7、烟道补燃器；8、蒸汽轮机；9、空气储能压缩机；10、冷却器；11、溴化锂制冷机组；12、冷水罐；13、热水罐；14、高压过热器；15、高压蒸发器；16、高压给水加热器；17、低压过热器；18、低压蒸发器；19、空气发电机；20、低压加热器；21、省煤器；22、凝水加热器；23、蒸汽发电机；24、凝汽器；25、低压给水泵；26、高压给水泵；27、空气透平机。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示：本实施例的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，包括压缩空气储能模块、溴化锂制冷模块、燃气发电模块、双压蒸汽发电模块、空气透平发电模块、补燃型余热锅炉；所述压缩空气储能模块连接储气装置1，
所述溴化锂制冷模块中热媒水用于冷却压缩热；所述储气装置通过空气加热器2加热后的空气供给所述空气透平发电模块做功发电；所述燃气发电模块利用燃气轮机压缩机3从大气中抽取空气加压，进入燃烧室4与天然气混燃后进入燃气涡轮机5膨胀做功，带动燃气发电机6发电；所述补燃型余热锅炉利用燃气涡轮机的排气加热双压蒸汽发电模块的高压与低压给水，之后通过烟道补燃器7再次对烟气升温后加热空气发电模块的空气和双压蒸汽发电模块的凝结水所述双压蒸汽发电模块利用蒸汽循环的给水加热后产生的高温高压的蒸汽带动蒸汽轮机8发电。
所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，所述压缩空气储能模块包括2-4段串联的空气储能压缩机9，串联的空气储能压缩机的级间带有冷却器10以冷却压缩热。
所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，所述溴化锂制冷模块包括溴化锂制冷机组11、冷水罐12、热水罐13；所述冷水罐中冷水用冷水输送泵加压后进入级间冷却器冷，从级间冷却器出来的水进入热水罐中用以作为溴化锂制冷机组的热源。
所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，所述补燃型余热锅炉包括与所述燃气涡轮机排气***顺次串联的的高压过热器14、高压蒸发器15、高压给水加热器16、低压过热器17、低压蒸发器18、烟道补燃器7、低压加热器20、凝水加热器22、省煤器21。
所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，所述双压蒸汽发电模块包括双压型蒸汽轮机、蒸汽发电机23、凝汽器24、循环水泵、凝结水泵、低压给水泵25、高压给水泵26；双压型蒸汽轮机的排汽进入凝汽器中，被循环水泵输送来的循环水冷却成凝结水，凝结水通过凝结水泵升压后进入凝水加热器和省煤器加热，之后再分成两路，一路进入低压给水泵，另一路进入高压给水泵。
所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，所述空气透平发电模块包括空气透平机27、空气发电机、空气加热器2，所述空气加热器布置在余热锅炉烟道内，所述空气加热器连接储气装置的出气管到空气透平机，所述空气透平机为双压型空气透平机。
用上述燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***进行燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电的方法，该方法包括：
（1）压缩空气储能模块经过2-4级对空气的压缩，使得末端压缩机出口压缩空气压力6-14MPa，并通过级间冷却器的冷却使得压缩空气温度不高于50℃，进入储气装置存储；储能时通过压缩机将空气压缩至储气装置，压缩机低压段空气来源于空气透平排气，压缩机分成2-4段压缩，级间带有冷却器以冷却压缩热，冷却器之后的压缩空气温度降低从而降低下一级压缩过程中的压缩电能消耗。压缩储能过程压缩空气流量大于20万m3/h，压缩时间持续6-8小时；冷水罐中冷水用冷水输送泵加压后进入级间冷却器冷却各段压缩机出口的空气，冷水被加热成热水（75-95℃）后储存在热水罐中，用以作为溴化锂制冷机组的热源，制冷时用热水输送泵送入溴化锂制冷机组。从溴化锂制冷机组放热后，热媒水进入冷水罐储存备用。
（2）储气装置出口的压缩空气流量为600-1800t/h，压力为8-12MPa ，温度30-50℃，经过空气加热器吸收涡轮机排气热量后，温度升高至350-550℃进入空气透平机做功，空气透平机排气压力略高于大气压，温度为80-130℃，通过烟囱排放到大气，空气透平发电功率为60-200MW；
（3）燃气轮机压缩机从大气中抽取空气加压至1.0-3.0MPa，温度升高至300-450℃，之后进入燃烧室与天然气混燃后，将温度进一步提升至1100-1350℃，进入燃气涡轮机膨胀做功，带动燃气发电机发电，燃气涡轮机发电功率可为100-300MW，燃气涡轮机排气进入补燃型余热锅炉，将余热通过各级受热面传递给蒸汽循环的给水。其中烟道补燃器将天然气与排气再次混燃后提升温度，加热高压压缩空气，最终温度降低至80-130℃后排入大气；
（4）低压给水泵出口压力为0.5-1.5MPa，低压给水分别进过低压蒸发器、低压过热器加热后变成低压蒸汽，低压蒸汽压力为0.5-1.5MPa，温度为200—300℃，进入双压型蒸汽轮机低压缸；高压给水泵出口压力为5.0-10.0MPa，分别进过高压蒸发器、高压过热器加热后变成高压蒸汽，高压蒸汽压力为5.0-10.0MPa，温度为300—400℃，高压蒸汽进入双压型蒸汽轮机高压缸，在高压缸中完成部分膨胀的蒸汽，与低压蒸汽共同进入低压缸；在低压缸中完全膨胀做功的蒸汽在此进入凝汽器凝结，完成一个工作循环，蒸汽透平机发电功率为50-150MW。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征等同替换所组成 的技术方案。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (5)

1.一种燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电方法，其特征在于：该方法基于燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电***，包括：
（1）压缩空气储能模块经过2-4级对空气的压缩，使得末端压缩机出口压缩空气压力6-14MPa，并通过级间冷却器的冷却使得压缩空气温度不高于50℃，进入储气装置存储；
（2）储气装置出口的压缩空气流量为600-1800t/h，压力为8-12MPa ，温度30-50℃，经过空气加热器吸收涡轮机排气热量后，温度升高至350-550℃进入空气透平机做功，空气透平机排气压力略高于大气压，温度为80-130℃，通过烟囱排放到大气，空气透平发电功率为60-200MW；
（3）燃气轮机压缩机从大气中抽取空气加压至1.0-3.0MPa，温度升高至300-450℃，之后进入燃烧室与天然气混燃后，将温度进一步提升至1100-1350℃，进入燃气涡轮机膨胀做功，带动燃气发电机发电，燃气涡轮机发电功率可为100-300MW，燃气涡轮机排气进入补燃型余热锅炉，将余热通过各级受热面传递给蒸汽循环的给水，其中烟道补燃器将天然气与排气再次混燃后提升温度，加热高压压缩空气，最终温度降低至80-130℃后排入大气；
（4）低压给水泵出口压力为0.5-1.5MPa，低压给水分别进过低压蒸发器、低压过热器加热后变成低压蒸汽，低压蒸汽压力为0.5-1.5MPa，温度为200—300℃，进入双压型蒸汽轮机低压缸；高压给水泵出口压力为5.0-10.0MPa，分别进过高压蒸发器、高压过热器加热后变成高压蒸汽，高压蒸汽压力为5.0-10.0MPa，温度为300—400℃，高压蒸汽进入双压型蒸汽轮机高压缸，在高压缸中完成部分膨胀的蒸汽，与低压蒸汽共同进入低压缸；在低压缸中完全膨胀做功的蒸汽在此进入凝汽器凝结成水，完成一个工作循环，蒸汽透平机发电功率为50-150MW；
所述***包括压缩空气储能模块、溴化锂制冷模块、燃气发电模块、双压蒸汽发电模块、空气透平发电模块、补燃型余热锅炉；所述压缩空气储能模块连接储气装置，所述溴化锂制冷模块中热媒水用于冷却压缩热；储气装置通过空气加热器加热后的空气供给空气透平发电模块做功发电；燃气发电模块利用燃气轮机压缩机从大气中抽取空气加压，进入燃烧室与天然气混燃后进入燃气涡轮机膨胀做功，带动燃气发电机发电；补燃型余热锅炉利用燃气涡轮机的排气加热双压蒸汽发电模块的高压与低压给水，之后通过烟道补燃器再次对烟气升温后加热空气发电模块的空气和双压蒸汽发电模块的凝结水，双压蒸汽发电模块利用蒸汽循环的给水加热后产生的高温高压的蒸汽带动蒸汽轮机发电；
所述溴化锂制冷模块包括溴化锂制冷机组、冷水罐、热水罐；所述冷水罐中冷水用冷水输送泵加压后进入级间冷却器冷，从级间冷却器出来的水进入热水罐中用以作为溴化锂制冷机组的热源。
2.根据权利要求1所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电方法，其特征在于：所述压缩空气储能模块包括2-4段串联的空气储能压缩机，串联的空气储能压缩机的级间带有冷却器以冷却压缩热。
3.根据权利要求1所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电方法，其特征在于：所述补燃型余热锅炉包括与所述燃气涡轮机排气***顺次串联的的高压过热器、高压蒸发器、高压给水加热器、低压过热器、低压蒸发器、烟道补燃器、低压加热器、省煤器、凝水加热器。
4.根据权利要求1所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电方法，其特征在于：所述双压蒸汽发电模块包括双压型蒸汽轮机、蒸汽发电机、凝汽器、循环水泵、凝结水泵、低压给水泵、高压给水泵；双压型蒸汽轮机的排汽进入凝汽器中，被循环水泵输送来的循环水冷却成凝结水，凝结水通过凝结水泵升压后进入凝水加热器和省煤器加热，之后再分成两路，一路进入低压给水泵，另一路进入高压给水泵。
5.根据权利要求1所述的燃气-空气-蒸汽三工质联合循环发电方法，其特征在于：所述空气透平发电模块包括空气透平机、空气发电机、空气加热器，所述空气加热器连接在余热锅炉的烟道上，所述空气加热器连接储气装置的出气管到空气透平机，所述空气透平机为双压型空气透平机。
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