一种压缩空气与燃气蒸汽循环集成的调峰系统及其运行方法

本发明属于物理储能技术领域，具体涉及一种压缩空气与燃气蒸汽循环集成的调峰系统及其运行方法。

背景技术：

随着社会快速发展，可再生能源发电上网以及居民用电的实时变化，对电网发电侧的调峰要求越来越高，以燃气蒸汽联合循环发电系统配套物理储能技术中的压缩空气储能系统为例，由于传统的压缩空气储能系统是独立设计，在实现系统的设计功能和效果后，将储能系统与发电侧进行容量匹配。而在独立设计完成后的容量匹配过程中，压缩空气储能系统或发电侧的燃气蒸汽联合循环机组性能难以进一步改进，基于协同互补的理念，将压缩空气储能系统的设计建立在已有燃气蒸汽循环的基础上，以实现储能调峰为目的，通过系统的集成提升整体性能的同时降低总成本，将有利于压缩空气储能技术的发展。

在压缩空气储能系统中，压缩热的合理利用以及膨胀气体的加热显著影响着系统储能性能，蓄热设备的使用更是使得压缩空气储能系统成本居高不下，而在燃气循环中，为了充分回收利用燃气轮机出口烟气中的热量，往往配套蒸汽循环进行热量的回收利用，但蒸汽循环回收效率较低。

技术实现要素：

为了解决现有技术中压缩空气储能系统蓄热成本高导致在燃气蒸汽联合循环中难以配套使用实现发电侧调峰的问题，本发明的目的在于提供一种压缩空气与燃气蒸汽循环集成的调峰系统及其运行方法，通过将压缩空气储能系统的设计建立在已有燃气蒸汽循环的基础上，避免压缩空气储能系统中蓄热设备的使用，同时兼顾压缩热的合理利用和膨胀气体有效加热，实现较低成本的燃气蒸汽循环与压缩空气耦合的储能调峰效果，有助于压缩空气储能技术的推广和应用。

本发明是通过以下技术方案来实现：一种压缩空气与燃气蒸汽循环集成的调峰系统，包括燃气轮机发电单元、压缩空气储能单元、余热锅炉发电单元以及换热单元；燃气轮机发电单元的入口接入压缩空气和燃气，燃气轮机发电单元的烟气出口连通余热锅炉发电单元的烟气入口以及换热单元的热侧入口，换热单元的热侧出口连通余热锅炉发电单元的省煤器；压缩空气储能单元包括依次连通的空气压缩机组、储气容器及膨胀发电机组，空气压缩机组的排气口与储气容器之间设置吸热单元，储气容器的出气口连通换热单元的冷侧入口，换热单元的冷侧出口连通膨胀发电机组的工质入口；燃气轮机发电单元烟气出口至余热锅炉发电单元和换热单元的管路上设置流量调节阀，余热锅炉的烟气出口连通大气。

空气压缩机组低压压气机和高压压气机，空气压缩机组低压压气机的排气口连接有第一裂解反应器，高压压气机的进气口连通第一裂解反应器的空气出口，高压压气机的排气口连接有第二裂解反应器，第二裂解反应器的空气出口连通储气容器；第一裂解反应器和第二裂解反应器产出介质出口连通燃气轮机发电单元的燃气入口，所述燃气入口处设置流量调节阀。

余热锅炉的烟气出口还连通第一裂解反应器和第二裂解反应器加热介质入口。

第一裂解反应器和第二裂解反应器中裂解气出口处装有高选择性甲醇分离膜，所述高选择性甲醇分离膜为无机二氧化硅分离膜或酚醛树脂基混合基质炭分子筛膜。

换热单元包括高压换热器和低压换热器，膨胀发电机组包括高压膨胀机和低压膨胀机；储气容器出口经高压换热器冷侧连接高压膨胀机进口，高压膨胀机出口经低压换热器冷侧连接低压膨胀机入口；高压膨胀机和低压膨胀机同轴连接发电机，高压换热器和低压换热器采用板式换热器。

余热锅炉发电单元包括余热锅炉、蒸汽轮机、冷却器以及水泵，冷却器出口连接水泵入口，水泵出口连接余热锅炉冷侧入口，余热锅炉冷侧出口连接蒸汽轮机入口；蒸汽轮机出口连接冷却器入口。

低压压气机和高压压气机的电能输入端连接燃气轮机发电单元、余热锅炉发电单元的电能输出端或可再生能源发电系统电能输出端。

基于本发明所述的压缩空气与燃气蒸汽循环集成的调峰系统的运行方法，具体如下：

空气经过压缩机组压缩后进入储气容器存储；

压缩空气储能单元释能调峰阶段，燃气轮机发电单元燃气发电产生的烟气进入余热锅炉发电单元和换热单元，推动余热锅炉发电单元保持最低负荷工作，同时，储气容器的压缩空气进入换热单元，所述烟气在换热单元加热压缩空气，压缩空气加热后进入膨胀发电机组膨胀做功发电，做功后的空气排至大气；换热单元出口烟气进入余热锅炉省煤器部分热侧入口；余热锅炉发电单元的烟气排出或热量回收后排出。

低压压气机的排气进入第一裂解反应器放热后进入高压压气机，经高压压气机压缩的空气进入第二裂解反应器放热后进入储气容器，同时，余热锅炉发电单元的热侧出口烟气分别预热即将进入第一裂解反应器和第二裂解反应器的甲醇，甲醇在第一裂解反应器和第二裂解反应器吸热裂解产生裂解气，所述裂解气进入燃气轮机发电单元燃烧做功。

余热锅炉发电单元的烟气在用于预热甲醇或用于加热生活热水。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明将燃气轮机与热量利用率较高的压缩气体吸热膨胀过程耦合，达到系统发电量较燃气蒸汽联合循环发电量显著提高的效果，实现储能调峰系统的功能。

进一步地，结合甲醇裂解技术回收压缩热，提高热量品味之后直接用于燃气轮机发电系统，实现了压缩热的合理利用，系统整体上避免了高成本蓄热设备的使用。

进一步地，裂解气直接进入燃气轮机发电系统克服了裂解气储存的高成本和不安全问题，同时减少了裂解气储存前的热量释放或再次换热利用的过程，减少了热量浪费或因换热造成的热量损失。

进一步地，本发明中压缩空气储能系统驱动压缩机的电能可以来自于可再生能源发电也可以来自燃气蒸汽联合循环的发电，既可以用于可再生能源发电也可以用于传统发电系统。

进一步地，余热锅炉热侧出口烟气在储能时段可用于预热即将进入裂解反应器的甲醇，在释能时段和其余时段可用于生活热水热量供应等，实现了低温热源能量的充分利用。

进一步地，释能时段换热器热侧出口气体进入余热锅炉省煤器热侧入口用于预热蒸汽循环中的高压水，回收了热量，提高了系统效率。

进一步地，在本发明释能过程工作方式的启示下，提供了一种燃气循环与等温压缩气体循环联合的发电方式。

附图说明

图1为本发明一种压缩空气与燃气蒸汽循环集成的调峰系统。

图1中：1、低压压气机；2、第一裂解反应器；3、高压压气机；4、第二裂解反应器；5、储气容器；6、高压换热器；7、高压膨胀机；8、低压换热器；9、低压膨胀机；10、空压机；11、燃烧室；12、燃气轮机；13、余热锅炉；14、蒸汽轮机；15、冷却器；16、水泵。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明进行详细阐述。

本发明将燃气轮机与热量利用率较高的压缩气体吸热膨胀过程耦合，可以达到系统发电量较燃气蒸汽联合循环发电量显著提高的效果，实现储能调峰系统的功能，与此同时，结合甲醇裂解技术将压缩热回收，提高热量品味之后直接用于燃气轮机发电系统，实现了压缩热的合理利用，系统整体上避免了高成本蓄热设备的使用。

如图1所示，一种压缩空气与燃气蒸汽循环集成的调峰系统，包括燃气轮机发电单元、压缩空气储能单元、余热锅炉发电单元以及换热单元；燃气轮机发电单元的入口接入压缩空气和燃气，燃气轮机发电单元的烟气出口连通余热锅炉发电单元的烟气入口以及换热单元的热侧入口，换热单元的热侧出口连通余热锅炉发电单元的省煤器；压缩空气储能单元包括依次连通的空气压缩机组、储气容器5及膨胀发电机组，空气压缩机组的排气口与储气容器5之间设置吸热单元，储气容器5的出气口连通换热单元的冷侧入口，换热单元的冷侧出口连通膨胀发电机组的工质入口；燃气轮机发电单元烟气出口至余热锅炉发电单元和换热单元的管路上设置流量调节阀，余热锅炉的烟气出口连通大气；

具体包括低压压气机1、第一裂解反应器2、高压压气机3、第二裂解反应器4、储气容器5、高压换热器6、高压膨胀机7、低压换热器8、低压膨胀机9、空压机10、燃烧室11、燃气轮机12、余热锅炉13、蒸汽轮机14、冷却器15、水泵16；低压压气机1排气管路经第一裂解反应器2连接高压压气机3进口；高压压气机3排气管路经第二裂解反应器4连接储气容器5进口；储气容器5出口经高压换热器6冷侧连接高压膨胀机7进口；高压膨胀机7出口经低压换热器8冷侧连接低压膨胀机9入口；低压压气机1和高压压气机3分别连接电动机，高压膨胀机7和低压膨胀机9同轴连接发电机。

空压机10排气口连接燃烧室11；燃烧室11烟气出口连接燃气轮机12入口；燃气轮机12出口连接余热锅炉13热侧管路入口，同时，燃气轮机12出口分别连接低压换热器8和高压换热器6的热侧管路入口，高压换热器6和低压换热器8热侧出口接入余热锅炉13的省煤器部分的热侧入口；冷却器15出口连接水泵16入口；水泵16出口连接余热锅炉13冷侧入口；余热锅炉13冷侧出口连接蒸汽轮机14入口；蒸汽轮机14出口连接冷却器15入口。

所述吸热单元采用甲醇裂解反应器或换热器。

燃烧室11燃气入口分别连接燃料源和甲醇源；甲醇管路分别通过第一裂解反应器2和第二裂解反应器4将甲醇源和燃烧室11燃料入口进行连接；所述燃气入口处设置流量调节阀。

作为一个优选的实施例，第一裂解反应器2和第二裂解反应器4中裂解气出口处装有高选择性甲醇分离膜，如无机二氧化硅分离膜或酚醛树脂基混合基质炭分子筛膜等。

可选的，高压换热器6和低压换热器8采用板式换热器。

余热锅炉发电单元包括余热锅炉13、蒸汽轮机14、冷却器15以及水泵16，冷却器15出口连接水泵16入口，水泵16出口连接余热锅炉13冷侧入口，余热锅炉13冷侧出口连接蒸汽轮机14入口；蒸汽轮机14出口连接冷却器15入口；余热锅炉13内根据加热温度区间大致分为三部分，即过热器部分、蒸发器部分和省煤器部分；水泵16出口的带压水在余热锅炉13中经过预热、蒸发和过热，进入蒸汽轮机14膨胀释能，膨胀后的蒸汽或气液两相在冷却器15中冷凝为液态，冷却器15出口的液态水在水泵16中加压，余热锅炉的烟气出口还连通第一裂解反应器和第二裂解反应器加热介质入口；余热锅炉13热侧出口烟气可用于预热即将进入第一裂解反应器2和第二裂解反应器4的甲醇。

燃气轮机12出口连接余热锅炉13、高压换热器6和低压换热器8的管路上均设置流量调节阀，实现进入各部分的烟气流量可调。

低压压气机1和高压压气机3的电能输入端连接燃气轮机发电单元、余热锅炉发电单元的电能输出端或可再生能源发电系统电能输出端；驱动低压压气机1和高压压气机3的电能可以来自于可再生能源发电也可以来自燃气轮机12或蒸汽轮机14的发电。

本发明所述压缩空气与燃气蒸汽循环集成的调峰系统的运行方法，具体如下：

在储能时段，空气被低压压气机1压缩，压缩后的空气进入第一裂解反应器2放热，随后被高压压气机3压缩，压缩后在第二裂解反应器4放热，放热后的空气储存进储气容器5中。在此过程中，被余热锅炉13热侧出口烟气预热后的甲醇分别进入第一裂解反应器2和第二裂解反应器4，吸收压缩热完成裂解反应，第一裂解反应器2和第二裂解反应器4中的裂解气通入燃烧室11与来自空压机10的高压空气混合燃烧，燃烧室11中的燃烧烟气驱动燃气轮机12运行发电，燃气轮机12出口烟气进入余热锅炉13热侧入口，依次通过过热器部分、蒸发器部分和省煤器部分，余热锅炉13热侧出口烟气用于预热进入即将进入第一裂解反应器2和第二裂解反应器4的甲醇；水泵16出口的带压水在余热锅炉13中经过预热、蒸发和过热，进入蒸汽轮机14膨胀释能，膨胀后的蒸汽或气液两相在冷却器15中冷凝为液态，冷却器15出口的液态水在水泵16中加压。

在释能时段，燃料与来自空压机11的高压空气在燃烧室11混合燃烧，燃烧室11中的烟气驱动燃气轮机12运行发电，燃气轮机12出口烟气少部分进入余热锅炉13保障蒸汽循环最低功率运行，其余烟气分别进入高压换热器6和低压换热器8的热侧用于加热即将进入高压膨胀机7和低压膨胀机9的带压气体，高压换热器6和低压换热器8热侧出口气体进入余热锅炉13省煤器热侧入口用于预热蒸汽循环中的高压水，放热后的烟气从余热锅炉13热侧出口排出。水泵16出口的带压水在余热锅炉13中经过预热、蒸发和过热，进入蒸汽轮机14膨胀释能，膨胀后的蒸汽或气液两相在冷却器15中冷凝为液态，冷却器15出口的液态水在水泵16中加压。储气容器5中高压空气在高压换热器6中加热后进入高压膨胀机7膨胀发电，高压膨胀机7出口空气在低压换热器8中被加热，随后进入低压膨胀机9中膨胀发电。由于在相同热量供应下，压缩空气储能系统的释能做功量远大于蒸汽循环的做功量，因此，通过燃气轮机12出口烟气的分配调整实现了释能时系统总发电量的显著提升，可有效应对用电高峰时段需求。

其余时段：燃料与来自空压机10的高压空气在燃烧室11混合燃烧，燃烧室11中的烟气驱动燃气轮机12运行发电，燃气轮机12出口烟气进入余热锅炉13放热后排出。水泵16出口的带压水在余热锅炉13中经过预热、蒸发和过热，进入蒸汽轮机14膨胀释能，膨胀后的蒸汽或气液两相在冷却器15中冷凝为液态，冷却器15出口的液态水在水泵16中加压。压缩空气储能部分不运行。

作为优选的实施例，燃烧室11的燃料入口的燃料源与甲醇源流量可调。

作为进一步的优化，第一裂解反应器2和第二裂解反应器4中裂解气出口处的高选择性甲醇分离膜可将裂解气和甲醇有效分离。

余热锅炉13热侧出口烟气在储能时段可用于预热即将进入第一裂解反应器2和第二裂解反应器4的甲醇；在释能时段和其余时段可用于生活热水热量供应等。

与传统的电站配套的压缩空气储能系统相比，本系统中的压缩空气储能系统避免了高成本的蓄热设备的使用，同时利用甲醇裂解反应有效回收了压气机的压缩热，提升了能量品质；与传统的利用甲醇裂解反应回收压缩热的能量回收或储能系统相比，将甲醇裂解气直接用于燃气循环，避免了裂解气储存带来了高成本和不安全性，同时减少了裂解气储存前的热量释放或再次换热利用的过程，减少了热量浪费或因换热造成的热量损失；本系统将压缩空气储能系统释能过程的气体吸热膨胀与燃气循环中尾气热量利用结合，保证了压缩空气储能系统高效释能，集成系统较一般时段通过蒸汽循环利用燃气循环中尾气热量显著提高了电能输出功率，实现了高负载时段的用电供应。

实际上，在本发明释能过程工作方式的启示下，还提供了一种燃气循环与等温压缩气体循环联合的发电方式，在传统的燃气循环发电中，为了充分利用燃气轮机出口烟气中的热量，配套蒸汽循环进行再次发电，传统的设计之所以配套蒸汽循环主要考虑到蒸汽循环增压过程基本无温升，便于增压后的水吸收燃气轮机出口烟气中的热量，如果配套一般的气体循环，经过压气机压缩的气体本身因压缩发热会使得该气体无法充分吸收燃气轮机出口烟气的热量，随着压缩气体技术的发展，等温气体压缩逐步应用。一种燃气循环与等温压缩气体循环联合的发电方式，燃气循环仍然是空压机出口气体与燃料在燃烧室中混合燃烧，燃烧烟气进入燃气轮机膨胀释能；

用于吸收燃气轮机出口烟气热量的等温压缩气体循环工作方式如下：等温压缩后的气体吸收燃气轮机出口烟气热量，温度升高，高温高压气体在膨胀机中膨胀释能，由于等温压缩无气体发热升温问题，压缩后的高压气体可有效吸收燃气轮机出口烟气的热量进行再次利用，因此，克服了传统设计上因压缩发热导致压缩后气体无法充分吸收燃气轮机出口烟气热量的问题，实现了燃气循环和等温压缩气体循环联合的发电。