一种天然气储能耦合燃机发电的系统及方法与流程

1.本发明属于新能源储能领域，涉及一种天然气储能耦合燃机发电的系统及方法。


背景技术：

2.近年来空气储能技术研究的比较深入，压缩空气储能方式较多方式，主要原理是在电网负荷较低时，利用电网过剩电力将空气压缩成压缩空气，储存在盐穴、矿坑或大型储罐中，待用电高峰期时将压缩空气通过空气透平推动发电机发电，压缩空气储能目前的效率约在50％-70％。天然气储能耦合燃机发电的系统及方法在电网负荷需求较低时，通过天然气压缩机将天然气管网中的天然气压缩为高压天然气储存在盐穴、矿坑或大型储罐中。待电网负荷需求较高，将储存在盐穴、矿坑或大型储罐中的高压天然气，通过天然气透平推动发电机发电，同时做功后的3mpa左右的低压天然气进入燃机燃烧发电，燃气透平进口调节阀开度控制燃气透平发电功率及燃机功率，燃机发电后的高温烟气可通过余热锅炉或导热油等其他蓄能工艺，将烟气热量再次利用，进一步提高效率。这种工艺首先实现了新型天然气储能发电技术，能实现电网调峰；其次，实现废矿井的综合利用，节约了许多处理费用；再次，目前天然气的大量储存一般采用液化工艺，这种工艺造价高且工艺的能耗高，经济性较差。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种天然气储能耦合燃机发电的系统及方法，该系统及方法的发电调峰作用优异，经济效益高。
4.为达到上述目的，本发明所述的天然气储能耦合燃机发电的系统包括天然气管网、天然气压缩机、压缩机换热器、压缩天然气进气阀、盐穴/矿井进出气总阀、盐穴/矿井、高压天然气出气阀、透平机换热器、天然气透平机、透平发电机、燃气轮机、燃机发电机及烟气换热器；
5.天然气管网的出口依次经天然气压缩机、压缩机换热器的管侧、压缩天然气进气阀、高压天然气出气阀、透平机换热器的管侧、天然气透平机、燃气轮机及烟气换热器与透平机换热器的壳侧相连通；
6.盐穴/矿井经盐穴/矿井进出气总阀与压缩天然气进气阀和高压天然气出气阀之间的管道相连通，燃气轮机与燃机发电机相连接，天然气透平机与透平发电机相连接。
7.透平机换热器的管侧经天然气透平进口调节阀与天然气透平机相连通。
8.天然气透平进口调节阀与燃机发电机及透平发电机锁连。
9.天然气透平进口调节阀与天然气透平机之间的管道上设置有透平进口燃气流量传感器、透平进口燃气温度传感器及透平进口燃气压力传感器。
10.天然气透平机与燃气轮机之间的管道上设置有透平出口燃气温度传感器及透平出口燃气压力传感器。
11.本发明所述的天然气储能耦合燃机发电的方法包括以下步骤：
12.在电网负荷较低时，过剩电力通过天然气压缩机将天然气管网中的天然气压缩至高压，天然气压缩机输出的高压天然气经压缩机换热器换热降温，再经压缩天然气进气阀及盐穴/矿井进出气总阀进入盐穴/矿井中储存；
13.待电网负荷需求较高时，则打开盐穴/矿井进出气总阀及高压天然气出气阀，盐穴/矿井中储存的高压天然气经透平机换热器中加热升温，以形成高温高压天然气，再经天然气透平进口调节阀进入天然气透平机中做功，以带动透平发电机发电，天然气透平机排出的天然气进入到燃气轮机中燃烧，以带动燃机发电机发电，燃气轮机输出的烟气经烟气换热器换热降温，降温后的烟气通过透平机换热器再次换热降温后进入到后续处理系统中。
14.通过天然气透平进口调节阀调节天然气的流量控制，以控制燃机发电机的功率。
15.通过天然气透平进口调节阀的开度控制透平发电机的功率。
16.通过天然气透平进口调节阀控制透平发电机及燃机发电机的功率，具体为：
17.w＝w
透
+w
燃
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0018][0019]w燃
＝q
13
×
cp
×
η
燃
÷
3600
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]
其中，q
13
为天然气透平机的进口燃气流量，cp为天然气定压比热容，k为绝热指数，p
17
为天然气透平机的出口压力，p
15
为天然气透平机的进口压力，η
燃
为燃机发电机的发电总效率，η
透
为天然气透平机的发电总效率；
[0021]
根据电网总需求的负荷w，利用式(1)至式(3)计算天然气透平机的进口燃气流量q
13
，自动调节天然气透平进口调节阀的开度，使燃机发电机和透平发电机的总功率与电网总需求的负荷相匹配。
[0022]
本发明具有以下有益效果：
[0023]
本发明所述的天然气储能耦合燃机发电的系统及方法在具体操作时，在电网负荷较低时，过剩电力带动天然气压缩机抽取并压缩天然气管网中的天然气，再存储于盐穴/矿井中，待电网负荷需求较高时，则将盐穴/矿井中存储的高压天然气升温后利用透平发电机及燃机发电机进行发电，以弥补电量不足的问题，实现天然气新型储能和发电的有机结合，同时实现废矿井的综合利用，节约废弃矿井的后处理费用，由于废矿井容积大，压缩后的天然气压力高，以最低的成本实现天然气的大量储存，与目前大规模采用的液化天然气工艺相比，具有能耗低、造价低的特点。需要说明的是，本发明将天然气通过透平和燃机实现调峰发电，启动时间短，且燃机功率较大，该系统对电网调峰作用强，大大提高了系统的经济效益。
附图说明
[0024]
图1为本发明的结构示意图。
[0025]
其中，1为天然气压缩机、2为压缩机换热器、3为压缩天然气进气阀、4为盐穴/矿井进出气总阀、5为盐穴/矿井、6为高压天然气出气阀、7为透平机换热器、8为天然气透平进口调节阀、9为天然气透平机、10为透平发电机、11为燃气轮机、12为燃机发电机、13为烟气换热器、14为透平进口燃气流量传感器、15为透平进口燃气温度传感器、16为透平进口燃气压
力传感器、17为透平出口燃气温度传感器、18为透平出口燃气压力传感器。
具体实施方式
[0026]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0027]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0028]
参考图1，本发明所述的天然气储能耦合燃机发电的系统包括天然气压缩机1、压缩机换热器2、压缩天然气进气阀3、盐穴/矿井进出气总阀4、盐穴/矿井5、高压天然气出气阀6、透平机换热器7、天然气透平进口调节阀8、天然气透平机9、透平发电机10、燃气轮机11、燃机发电机12、烟气换热器13、透平进口燃气流量传感器14、透平进口燃气温度传感器15、透平进口燃气压力传感器16、透平出口燃气温度传感器17及透平出口燃气压力传感器18；
[0029]
天然气管网的出口依次经天然气压缩机1、压缩机换热器2的管侧、压缩天然气进气阀3、高压天然气出气阀6、透平机换热器7的管侧、天然气透平进口调节阀8、天然气透平机9、燃气轮机11及烟气换热器13与透平机换热器7的壳侧相连通；
[0030]
盐穴/矿井5经盐穴/矿井进出气总阀4与压缩天然气进气阀3和高压天然气出气阀6之间的管道相连通，燃气轮机11与燃机发电机12相连接，天然气透平机9与透平发电机10相连接，天然气透平进口调节阀8与天然气透平机9之间的管道上设置有透平进口燃气流量传感器14、透平进口燃气温度传感器15及透平进口燃气压力传感器16；天然气透平机9与燃气轮机11之间的管道上设置有透平出口燃气温度传感器17及透平出口燃气压力传感器18。
[0031]
天然气透平进口调节阀8与燃机发电机12及透平发电机10锁连。
[0032]
本发明的工作过程为：
[0033]
在电网负荷较低时，过剩电力通过天然气压缩机1将天然气管网中的天然气压缩至高压(8mpa以上)，同时天然气压缩机1工作过程中产生的热量，由导热油或者其他储热介质将热量通过压缩机换热器2携带出系统，可用于工业供热。天然气压缩机1输出的高压天然气经压缩机换热器2换热降温，再经压缩天然气进气阀3及盐穴/矿井进出气总阀4进入盐穴/矿井5中储存；
[0034]
待电网负荷需求较高时，则打开盐穴/矿井进出气总阀4及高压天然气出气阀6，盐穴/矿井中储存的高压天然气经透平机换热器7中加热升温，以形成高温高压天然气，再经天然气透平进口调节阀8进入天然气透平机9中做功，以带动透平发电机10发电，通过天然气透平进口调节阀8的开度控制透平发电机10的功率，天然气透平机9排出的天然气进入到
燃气轮机11中燃烧，以带动燃机发电机12发电，通过天然气透平进口调节阀8调节天然气的流量控制，以控制燃机发电机12的功率，燃气轮机11输出的烟气经烟气换热器13换热降温，将热量传递给导热油或其他储能材料，降温后的烟气通过透平机换热器7再次换热降温后进入到后续处理系统中，将天然气的温度提高50-100℃。
[0035]
通过天然气透平进口调节阀8控制透平发电机10及燃机发电机12的功率，具体的：
[0036]
w＝w
透
+w
燃
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0037][0038]w燃
＝q
13
×
cp
×
η
燃
÷
3600
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0039]
其中，q
13
为天然气透平机9的进口燃气流量，cp为天然气定压比热容，k为绝热指数，p
17
为天然气透平机9的出口压力，p
15
为天然气透平机9的进口压力，η
燃
为燃机发电机12的发电总效率，η
透
为天然气透平机9的发电总效率。
[0040]
根据电网总需求的负荷w，利用式(1)至式(3)计算天然气透平机9的进口燃气流量q
13
，自动调节天然气透平进口调节阀8的开度，使燃机发电机12和透平发电机10的总功率与电网总需求的负荷相匹配。