液态空气储能燃气轮机系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及能源技术领域，特别是一种液态空气储能燃气轮机系统及方法，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，并整合集成为一个协同统一的可替代燃气轮机压气机，并释放分配给压气机占透平2/3左右的作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、余热利用子系统协同调控燃气轮机子系统各运行工况，解决了液态空气储能装置替代压气机与燃气轮机集成及运行调控难题，该系统注重系统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、系统经济性、系统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。爬坡能力和惯量支撑作用。爬坡能力和惯量支撑作用。

【技术实现步骤摘要】
液态空气储能燃气轮机系统及方法


[0001]本专利技术涉及能源
，特别是一种液态空气储能燃气轮机系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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，在构建新型电力系统中发挥重要作用。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。

技术实现思路

[0010]本专利技术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及方法，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
的集成机理差异及优劣势。本专利技术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，首次提出权利要求1、权利要求2所述的液态空气储能燃气轮机系统集成结构，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。
[0011]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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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1再经与阀门6、阀门7、阀门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15、阀门16、阀门17分别再经阀门19连接燃气轮机子系统中燃烧室和分别再经阀门20连接燃气轮机子系统中混合器，混合器经阀门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2、阀门3、阀门4连接余热利用子统，在余热利用子系统中阀门9、阀门10、阀门11、阀门12、阀门13、阀门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21、阀门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5连接低温变频泵，低温变频泵经阀门18连接空气气化器，空气气化器经阀门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32、阀门33、阀门34，经阀...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈戈，
申请(专利权)人：华久智能控制技术深圳研究中心，
类型：发明
国别省市：