阅读说明：本技术 一种用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统 (Compressed air energy storage system for gas turbine combined cycle generator set ) 是由 梁奇 陈海生 左志涛 张雪辉 周鑫 孙建亭 于 2020-03-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统,包括燃气轮机联合循环发电机组、压缩空气储能单元、热回收单元,压缩空气储能单元与燃气轮机联合循环发电机组共用透平装置,当低谷电能时,能够将多余的电能通过压缩空气储能单元储存在储气装置中,当用电高峰时,能够将高压气体通过燃气轮机透平装置做功转化为电能反馈到电网中,实现电网调峰,从而减少机组启停次数,增加机组年利用小时数。压缩空气储能单元与燃气轮机联合循环发电机组共用一套变频启动单元,通过动力切换实现燃气轮机装置、压缩空气储能单元的启动和脱开,能够实现燃气轮机联合循环发电机组黑启动,有效地提高系统可靠性,满足突发状况下自启动需求。(The invention discloses a compressed air energy storage system for a gas turbine combined cycle generator set, which comprises the gas turbine combined cycle generator set, a compressed air energy storage unit and a heat recovery unit, wherein the compressed air energy storage unit and the gas turbine combined cycle generator set share a turbine device, when the power is in a low-ebb, redundant electric energy can be stored in an air storage device through the compressed air energy storage unit, and when the power is in a peak, high-pressure gas can be converted into electric energy through the work of the gas turbine device and fed back to a power grid, so that the peak regulation of the power grid is realized, the start and stop times of the unit are reduced, and the annual utilization hours of the unit are increased. The compressed air energy storage unit and the gas turbine combined cycle generator set share one set of variable frequency starting unit, starting and releasing of the gas turbine device and the compressed air energy storage unit are achieved through power switching, black starting of the gas turbine combined cycle generator set can be achieved, system reliability is effectively improved, and self-starting requirements under sudden conditions are met.)

一种用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统

技术领域

本发明属于压缩空气储能技术领域，具体为一种用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统及其控制方法。

背景技术

随着能源结构的变化和清洁煤利用技术的发展，燃气轮机联合循环(IGCC)作为一种先进的发电技术，能够节省世界上日趋紧张的能源资源，又能够保护环境，逐步成为世界电力工业中的一个重要组成部分。在我国，燃气轮机联合循环发电机组多以调峰调频为主，采用昼开夜停的两班制运行方式，导致机组启停次数较多、年利用小时数较低。

此外，当燃气轮机联合循环发电机组配套的输电线路、变压器等设备发生故障时，极易引起大停电事故，从而造成灾难性的社会影响和经济损失。如果能在短时间内快速恢复电网的正常运行，使负荷损失和经济损失降低到最小，将会带来显著的社会效益。但燃气轮机联合循环发电机组本身不具备黑启动功能，需要配备额外的设备，从而增大投资。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统，以解决上述背景技术中提出的问题，本发明通过压缩空气储能单元与燃气轮机联合循环发电机组共用透平装置，当低谷电能时，将多余的电能通过压缩空气储能单元储存在储气装置中，当用电高峰时，将高压气体通过燃气轮机透平装置做功转化为电能反馈到电网中，实现电网调峰，从而减少机组启停次数，增加机组年利用小时数。此外，本发明通过压缩空气储能单元与燃气轮机联合循环发电机组共用一套变频启动单元，通过动力切换实现燃气轮机装置启动、压缩空气储能单元启动和脱开，能够实现燃气轮机联合循环发电机组的黑启动，有效地提高系统可靠性，满足突发状况下自启动需求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统，至少包括一燃气轮机联合循环发电机组、一热回收单元、一压缩空气储能单元和一变频启动单元，所述变频启动单元包括一电动机和一与所述电动机配套设置的变频器，其特征在于，

--所述燃气轮机联合循环发电机组，至少包括一燃气轮机装置和一双轴伸发电机，其中，

所述燃气轮机装置至少包括依次布置的压气机、燃烧室、透平、减速齿轮箱，所述透平一端与所述压气机传动连接、另一端与所述减速齿轮箱的输入端传动连接，所述减速齿轮箱的输出端与所述双轴伸发电机的一端传动连接，所述双轴伸发电机的另一端设置一第一离合器；

所述压气机的进气口与大气连通、出气口通过管路与所述燃烧室的高压空气进口连通，所述燃烧室的高温燃气出口与所述透平的进气口连通，所述透平的排气口与大气连通；

--所述热回收单元，至少包括一冷水罐、一热水罐、一第一换热器和一第二换热器，其中，

所述冷水罐的出水口通过管路依次经一第一开关阀、所述第一换热器的冷侧、一第二开关阀后与所述热水罐的进水口连通，

所述热水罐的出水口通过管路依次经一第三开关阀、所述第二换热器的热侧、一第四开关阀与所述冷水罐的进水口连通；

--所述压缩空气储能单元，至少包括一空气压缩机和一储气装置，其中，

所述空气压缩机的第一输入轴通过一第二离合器与所述电动机传动连接，所述空气压缩机的第二输入轴通过所述第一离合器与所述双轴伸发电机的另一端传动连接；

所述空气压缩机的进气口与大气连通、排气口通过管路经所述第一换热器的热侧、一第一控制阀后与所述储气装置的进气口连通，所述空气压缩机的排气口上还连通设置一退喘放气管路，所述退喘放气管路上设有一退喘放气阀；

所述储气装置的排气口通过管路依次经一节流阀、所述第二换热器的冷侧、一第二控制阀后与所述燃烧室的高压空气进口连通。

本发明的用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统中，所述压缩空气储能单元与燃气轮机联合循环发电机组共用透平装置，当低谷电能时，能够将多余的电能通过压缩空气储能单元储存在储气装置中，当用电高峰时，能够将高压气体通过燃气轮机透平装置做功转化为电能反馈到电网中，实现电网调峰，从而减少机组启停次数，增加机组年利用小时数。所述压缩空气储能单元与燃气轮机联合循环发电机组共用一套变频启动单元，通过第一、二离合器进行动力切换，实现燃气轮机启动、压缩空气储能单元的启动和脱开，能够实现燃气轮机联合循环发电机组的黑启动，有效地提高系统可靠性，满足突发状况下自启动需求。

作为本发明的一种优选方案，所述空气压缩机为整体齿轮式压缩机，并配备有进口可调导叶装置，具有效率高、变工况能力强、便于进行级间热回收的特性。

作为本发明的一种优选方案，所述变频器为四象限变频器，能够满足特定状况下用电需求。

作为本发明的一种优选方案，所述第一、二离合器均为设置有锁止装置的SSS离合器，当输入转速低于输出转速时，离合器分离，当输入转速与输出转速相同时，离合器自动啮合。

作为本发明的一种优选方案，所述热回收单元，能够在低谷电能时，将压缩空气储能单元产生的压缩热利用循环水储存起来，并在用电高峰时，加热储气装置节流阀后气体，提高系统热效率。

作为本发明的一种优选方案，所述储气装置为储气罐、储气管道或废弃盐穴等。

作为本发明的一种优选方案，所述热回收单元中，所述冷水罐18与热水罐21之间还设置一直接连通的管路，所述直接连通的管路上至少设置一第五开关阀，所述第五开关阀开启后，所述热水罐内的热水被输送至所述冷水罐中。

作为本发明的一种优选方案，所述热回收单元中，所述冷水罐与第一换热器冷侧之间的连通管路上、以及所述热水罐与第二换热器热侧之间的连通管路上均设有水泵。

作为本发明的一种优选方案，所述压缩空气储能单元中，所述第二换热器的热侧出口管路上还设置一第二透平，所述第二换热器热侧出口的高温高压气体通入所述第二透平中对外做功降低压力，之后通入所述燃烧室内。

作为本发明的另一发明目的，本发明还提供了一种上述用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于，

当所述燃气轮机联合循环发电机组处于启动模式时，

首先，将所述空气压缩机的进口可调导叶装置、退喘放气阀均设置为全开状态，并将所述第一、二控制阀设置为全关状态，将所述第一、二离合器设置为啮合状态；

其次，当所述燃气轮机联合循环发电机组准备就绪后，通过所述变频器启动电动机，并逐渐提升所述电动机的转速，使得所述燃气轮机装置依次完成清吹、点火和暖机流程；

当所述燃气轮机装置达到自持转速后，通过所述变频器维持所述电动机的转速处于所述燃气轮机装置的自持转速；

当所述燃气轮机装置继续提升转速时，所述第一离合器的输出端转速大于输入端而自动脱开，之后所述燃气轮机装置继续提升转速到全速状态，同时通过所述变频器逐步降低所述电动机的转速，直至所述电动机停止转动，至此，完成所述燃气轮机联合循环发电机组的启动。

作为本发明的一种优选方案，在所述燃气轮机联合循环发电机组运行过程中，通过所述压缩空气储能单元进行调峰，具体为：

在启动所述空气压缩机前，将其进口可调导叶装置设置为全关状态，将所述退喘放气阀设置为全开状态，将所述第一、二控制阀设置为全关状态，将所述第一离合器设置为脱开状态，将所述第二离合器设置为啮合状态；

当所述空气压缩机准备就绪后，通过所述变频器启动所述电动机并逐渐提升其转速，当所述空气压缩机的转速达到所述燃气轮机联合循环发电机组的全速状态时，将所述第一离合器设置为啮合状态，并将其锁止装置设置为锁定状态，将所述第二离合器设置为脱开状态，通过所述变频器逐步降低所述电动机的转速直至停止转动；

当所述空气压缩机达到全速状态后，逐渐开启所述第一控制阀，建立压缩机背压，并逐渐关闭所述退喘放气阀，并调节所述空气压缩机的进口导叶装置，逐步增加所述空气压缩机的负载，使其达到满载状态。

进一步地，当所述储气装置达到设定压力后，所述空气压缩机进入停机流程，此时，逐渐关闭所述第一控制阀，并逐渐打开所述退喘放气阀，将所述第一离合器的锁止装置由锁定变为解锁状态，脱开所述第一离合器，使得所述空气压缩机的转速逐渐降低直至停止转动。

进一步地，所述压缩空气储能单元运行过程中，开启所述第一、二开关阀，关闭所述第三、四开关阀，所述冷水罐中冷水被输送至所述第一换热器的冷侧提升温度后进入所述热水罐内储存。

作为本发明的一种优选方案，所述压缩空气储能单元进行释能时，关闭所述第一控制阀，开启所述第二控制阀，通过所述节流阀调节进入所述燃烧室内的气体流量和压力。

进一步地，所述压缩空气储能单元在释能过程中，开启所述第三、四开关阀，关闭所述第一、二开关阀，所述热水罐中热水被输送至所述第二换热器的热侧降温后进入所述冷水罐内储存。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统，其中的压缩空气储能单元与燃气轮机联合循环发电机组共用透平装置，当低谷电能时，能够将多余的电能通过压缩空气储能单元储存在储气装置中，当用电高峰时，能够将高压气体通过燃气轮机透平装置做功转化为电能反馈到电网中，实现电网调峰，从而减少机组启停次数，增加机组年利用小时数。本发明提出的用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统，其中的压缩空气储能单元与燃气轮机联合循环发电机组共用一套变频启动系统，通过动力切换实现燃气轮机装置启动、压缩空气储能单元启动和脱开，能够实现燃气轮机联合循环发电机组的黑启动，有效地提高系统可靠性，满足突发状况下自启动需求。

附图说明

图1为本发明的用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统的组成示意图。

图2为本发明的用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统的优选示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统，至少包括一燃气轮机联合循环发电机组、一热回收单元和一压缩空气储能单元。其中，燃气轮机联合循环发电机组，至少包括一燃气轮机装置和一双轴伸发电机5，其中，燃气轮机装置至少包括依次布置的压气机1、燃烧室2、燃气透平3、减速齿轮箱4，燃气透平3一端与压气机1传动连接、另一端与减速齿轮箱4的输入端传动连接，减速齿轮箱4的输出端与双轴伸发电机5的一端传动连接，双轴伸发电机5的另一端设置一第一离合器6(优选为SSS离合器)；压气机1的进气口与大气连通、出气口通过管路与燃烧室2的高压空气进口连通，燃烧室2的高温燃气出口与燃气透平3的进气口连通，燃气透平3的排气口与大气连通。

热回收单元，至少包括一冷水罐18、一热水罐21、一第一换热器12和一第二换热器16，其中，冷水罐18的出水口通过管路依次经一第一开关阀19、第一换热器12的冷侧、一第二开关阀20后与热水罐21的进水口连通，热水罐的出水口通过管路依次经一第三开关阀22、第二换热器16的热侧、一第四开关阀17与冷水罐18的进水口连通；冷水罐18与热水罐21之间还设置一设置有第五开关阀23的连通管路。

压缩空气储能单元，至少包括一空气压缩机7和一储气装置14，其中，空气压缩机7为设置有进口可调导叶装置的整体齿轮式压缩机，空气压缩机7的第一输入轴通过一第二离合器8(优选为SSS离合器)与一电动机9传动连接，电动机9配套设置一变频器10，空气压缩机7的第二输入轴通过第一离合器6与双轴伸发电机5的另一端传动连接；空气压缩机7的进气口与大气连通、排气口通过管路经第一换热器12的热侧后与储气装置14的进气口连通，空气压缩机7的排气口上还连通设置一退喘放气管路，退喘放气管路上至少设有一退喘放气阀11，储气装置14的进气管路上还至少设置一第一控制阀13；储气装置14的排气口通过管路依次经一节流阀15、第二换热器16的冷侧、一第二控制阀24后与燃烧室2的高压空气进口连通。

本发明的用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统中，当燃气轮机联合循环发电机组处于启动模式时，启动过程借助第一离合器6、第二离合器8、通过变频器10变频启动的电动机9来实现。

具体地，如图1所示，在燃气轮机联合循环发电机组启动前，整体齿轮式压缩机7中的进口可调导叶装置处于全关状态，退喘放气阀11处于全开状态，第一控制阀13、第二控制阀24处于全关状态；第一SSS离合器6、第二SSS离合器8的输入端和输出端均处于啮合状态，能够传递扭矩和转速。

当燃气轮机联合循环发电机组准备就绪后，在变频器10中设定电动机9某一较低转速，之后通过变频器10启动电动机9，并逐渐提升转速，此时燃气轮机装置依次完成清吹、点火和暖机流程；燃气轮机装置达到自持转速后，通过变频器10保证电动机9处于燃气轮机装置自持转速，当燃气轮机装置继续提升转速时，第一SSS离合器6输出端转速大于输入端，导致离合器6脱开；第一SSS离合器6脱开后，燃气轮机装置继续提升转速到全速状态，电动机9通过变频器10逐步降低转速，并达到停机状态。至此，燃气轮机联合循环发电机组完成启动过程。

本发明的用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统中，在燃气轮机联合循环发电机组运行过程中压缩空气储能单元进行调峰时，其储能过程通过空气压缩机7和储气装置14实现，释能过程通过储气装置14和燃气轮机联合循环发电机组的燃气透平3实现。

具体地，如图1所示，燃气轮机联合循环发电机组在运行过程中，通过第一、二SSS离合器6/8、通过变频器10变频启动的电动机9实现整体齿轮式压缩机7的启动、运行和停机，完成压缩空气储能单元的储能过程。

整体齿轮式压缩机7启动前，将其进口可调导叶装置设置为全关状态，退喘放气阀11处于全开状态，第一、二控制阀13/24处于全关状态，第一SSS离合器6处于脱开状态，第二SSS离合器8处于啮合状态。当整体齿轮式压缩机7准备就绪后，在变频器10中设定电动机9某一较低转速，之后通过变频器10启动电动机9，并逐渐提升转速；当整体齿轮式压缩机7转速达到燃气轮机联合循环发电机组全速状态时，第一SSS离合器6输出端和输入端自动啮合，且锁止装置处于锁定状态，保证输出端能够传递扭矩到输入端；第一SSS离合器6自动啮合后，电动机9通过变频器10逐步降低转速，此时第二SSS离合器8脱开，电动机9逐步降低转速并达到停机状态。

当整体齿轮式压缩机7达到全速状态后，逐渐开启第一控制阀13，建立压缩机背压，此时逐渐关闭退喘放气阀11，并调节进口导叶装置，逐步增加整体齿轮式压缩机7的负载，使其达到满载状态。

当储气装置14达到设定压力后，整体齿轮式压缩机7进入停机流程。此时，逐渐关闭第一控制阀13，逐渐打开退喘放气阀11；第一SSS离合器6锁止装置由锁定变为解锁状态，由于输出端转速大于输入端转速，离合器6脱开，整体齿轮式压缩机7转速逐渐降低，并达到停机状态。

燃气轮机联合循环发电机组在运行过程中，变频器10可对外输出电能，满足特定状况下用电需求。在变频器10中设定电动机9某一较低转速，之后通过变频器10启动电动机9，并逐渐提升转速，当电动机9转速达到整体齿轮式压缩机7的转速时，第二SSS离合器8输出端和输入端自动啮合，且锁止装置处于锁定状态，保证输出端能够传递扭矩到输入端，从而通过变频器10对外输出电能。

如图1所示，燃气轮机联合循环发电机组在运行过程中，通过储气装置14、节流阀15和燃气透平3实现压缩空气储能系统释能过程。释能过程中，第一控制阀13关闭，第二控制阀24开启，通过节流阀15调节进入燃烧室2内气体流量和压力，从而满足电网用电需求。压缩空气储能系统释能过程后，储气装置14内压力保持一定水平，满足燃气轮机联合循环发电机组黑启动压力需求。

如图1所示，压缩空气储能单元具备热回收单元。在储能过程中，第一、二开关阀19/20开启，第三～五开关阀17/22/23关闭，冷水罐18中冷水通过水泵进入第一换热器12的冷侧内提升温度后，进入热水罐21内储存；在释能过程中，第三、四开关阀17/22开启，第一、二、五开关阀19/20/23关闭，热水罐18中热水通过水泵进入第二换热器16的热侧内加热从储气装置14的节流阀15后的气体，降低温度后进入冷水罐18内储存；第五开关阀23开启后，通过水泵能够将热水罐21内热水输送到冷水罐18中。

本发明的用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统，通过节流阀15调节进入燃烧室2内气体流量和压力，满足燃气轮机装置启动扭矩要求。之后，燃气轮机装置逐渐提升转速，并依次完成清吹、点火和暖机流程后，逐步加载，达到满载状态，逐步扩大系统的供电恢复范围，最终实现整个系统的恢复。

作为本发明的一种优选方案，请参阅图2，本发明的用于燃气轮机联合循环发电机组的压缩空气储能系统中，在第二控制阀24前增加透平25，此时储气装置14中的高压气体通过节流阀15降低压力，并通过第二换热器16提升温度后，进入透平25中对外做功降低压力，能够进一步提升系统效率。

本发明提出的压缩空气储能系统与燃气轮机联合循环发电机组共用透平装置，当低谷电能时，能够将多余的电能通过压缩系统储存在储气装置中，当用电高峰时，能够将高压气体通过燃气轮机透平装置做功转化为电能反馈到电网中，实现电网调峰，从而减少机组启停次数，增加机组年利用小时数。本发明提出的压缩空气储能系统与燃气轮机联合循环发电机组共用一套变频启动系统，通过动力切换系统实现燃气轮机启动、压缩系统启动和脱开，能够实现燃气轮机联合循环发电机组黑启动，有效地提高系统可靠性，满足突发状况下自启动需求。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。