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专利名称：一种氢燃机补燃式压缩空气储能系统及方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411154273.1

专利申请（专利权）人：东方电气集团东方汽轮机有限公司
权利人地址：四川省德阳市金沙江西路666号

专利发明（设计）人：翟璇,张文挺,张晓东,尹刚,王松,周嘉,覃小文,杨志,唐军,刘怡婷,朱浩,龚博曼,顾龙轩,任利莲,危吉,张永鹏,李晓英,赵本毅,李星杭,刘沛霖,邬雨雯

专利摘要：本发明涉及一种氢燃机补燃式压缩空气储能系统及方法，属于压缩空气储能领域，包括储能模块、热量模块、释能模块；所述储能模块用于压缩空气并储存压缩后的空气，所述热量模块用于产生烟气热量，所述释能模块用于将压缩后的空气与烟气热量进行热交换并做功发电。本发明在氢燃机本体发电的基础上，利用氢燃机本体的烟气热量与空气储能进行热交换后再发电，大幅度提高了机组发电效率，提升顶峰能力，同时氢燃机本体不产生CO2和NOx，实现了补燃式系统零碳发电。

主权利要求：
1.一种氢燃机补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，包括储能模块、热量模块、释能模块；所述储能模块用于压缩空气并储存压缩后的空气，所述热量模块用于产生烟气热量，所述释能模块用于将压缩后的空气与烟气热量进行热交换并做功发电，且压缩后的空气与烟气热量进行热交换后的温度为350℃ 650℃；所述释能模块包括第一烟气换热器（4）、第~一空气透平（5）、第二发电装置（51）、输气管（41），所述第一烟气换热器（4）通过输气管（41）与第一空气透平（5）连通，所述第二发电装置（51）与第一空气透平（5）的传动轴连接，所述第一烟气换热器（4）上连通有换热装置（6），所述换热装置（6）与第一空气透平（5）连接，所述第一空气透平（5）与换热装置（6）连通，所述换热装置（6）包括第二空气透平（65）、第二烟气换热器（62）、排气管（64）、进气管（63）、输送管（61），所述第二烟气换热器（62）通过进气管（63）与第一空气透平（5）连通，所述第二烟气换热器（62）通过排气管（64）与第二空气透平（65）连通，所述第二空气透平（65）的传动轴与第一空气透平（5）的传动轴连接，所述第二烟气换热器（62）与第一烟气换热器（4）通过输送管（61）连通，所述热量模块包括氢燃机本体（3）、第一发电装置（31）、排热管（32），所述第一发电装置（31）与氢燃机本体（3）的输出轴连接，所述氢燃机本体（3）通过排热管（32）与第一烟气换热器（4）连通。
2.根据权利要求1所述的氢燃机补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，所述储能模块包括储气装置（2）、压缩装置、储气管（21）、送气管（22），所述压缩装置通过储气管（21）与储气装置（2）连通，所述储气装置（2）通过送气管（22）与第一烟气换热器（4）连通。
3.根据权利要求2所述的氢燃机补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩装置包括若干压缩结构（1）、传输管（15），相邻所述压缩结构（1）之间通过传输管（15）连通，所述储气管（21）与相邻压缩结构（1）连通。
4.根据权利要求3所述的氢燃机补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，远离所述储气管（21）的压缩结构（1）上设有空气过滤器（121）。
5.根据权利要求3所述的氢燃机补燃式压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩结构（1）包括压缩机（12）、驱动源（11）、冷却器（13）、连接管（14），所述压缩机（12）通过连接管（14）与冷却器（13）连通，所述冷却器（13）上设有传输管（15），所述压缩机（12）上设有驱动源（11）。
6.一种氢燃机补燃式压缩空气储能方法，其特征在于，应用于如权利要求1 5任一项所~
述的氢燃机补燃式压缩空气储能系统，所述方法包括以下步骤：
利用储能模块压缩空气并储存压缩后的空气；
利用热量模块产生烟气热量；
利用释能模块将压缩后的空气与烟气热量进行热交换并做功发电。 说明书 : 一种氢燃机补燃式压缩空气储能系统及方法技术领域[0001] 本发明属于压缩空气储能领域，特别涉及一种氢燃机补燃式压缩空气储能系统及方法。背景技术[0002] 现有的压缩空气储能系统分为传统补燃式和非补燃式，这两种系统都各自有缺点。传统补燃式系统能采用天然气燃烧补热提高发电功率，但存在大量CO2和NOx排放，对气候和环境造成不利影响。虽然非补燃式压缩空气储能系统能避免大量CO2和NOx排放，但因受储气容积制约，导致发电功率也要受到限制。[0003] 为了解决上述问题，本发明提出了耦合氢燃机本体与压缩空气储能系统的技术，不仅能大幅度提高机组发电功率，还不产生CO2和NOx，保护了气候和环境，也实现了系统零碳发电。发明内容[0004] 针对上述问题，本发明提出了一种氢燃机补燃式压缩空气储能系统，包括储能模块、热量模块、释能模块；所述储能模块用于压缩空气并储存压缩后的空气，所述热量模块用于产生烟气热量，所述释能模块用于将压缩后的空气与烟气热量进行热交换并做功发电。[0005] 进一步地，所述释能模块包括第一烟气换热器、第一空气透平、第二发电装置、输气管，所述第一烟气换热器通过输气管与第一空气透平连通，所述第二发电装置与第一空气透平的传动轴连接。[0006] 进一步地，所述第一烟气换热器上连通有换热装置，所述换热装置与第一空气透平连接，所述第一空气透平与换热装置连通。[0007] 进一步地，所述换热装置包括第二空气透平、第二烟气换热器、排气管、进气管、输送管，所述第二烟气换热器通过进气管与第一空气透平连通，所述第二烟气换热器通过排气管与第二空气透平连通，所述第二空气透平的传动轴与第一空气透平的传动轴连接，所述第二烟气换热器与第一烟气换热器通过输送管连通。[0008] 进一步地，所述储能模块包括储气装置、压缩装置、储气管、送气管，所述压缩装置通过储气管与储气装置连通，所述储气装置通过送气管与第一烟气换热器连通。[0009] 进一步地，所述压缩装置包括若干压缩结构、传输管，相邻所述压缩结构之间通过传输管连通，所述储气管与相邻压缩结构连通。[0010] 进一步地，远离所述储气管的压缩结构上设有空气过滤器。[0011] 进一步地，所述压缩结构包括压缩机、驱动源、冷却器、连接管，所述压缩机通过连接管与冷却器连通，所述冷却器上设有传输管，所述压缩机上设有驱动源。[0012] 进一步地，热量模块包括氢燃机本体、第一发电装置、排热管，所述第一发电装置与氢燃机本体的输出轴连接，所述氢燃机本体通过排热管与第一烟气换热器连通。[0013] 一种氢燃机补燃式压缩空气储能方法，包括以下步骤：[0014] 利用储能模块压缩空气并储存压缩后的空气；[0015] 利用热量模块产生烟气热量；[0016] 利用释能模块将压缩后的空气与烟气热量进行热交换并做功发电。[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0018] 1）本发明在氢燃机本体发电的基础上，利用氢燃机本体的烟气热量与空气储能进行热交换后再发电，大幅度提高了机组发电效率，提升顶峰能力，同时氢燃机本体不产生CO2和NOx，实现了补燃式系统零碳发电。[0019] 2）本发明增加了发电来源，打破了现有空气透平依赖压缩热发电的现象。[0020] 3）本发明中的空气压缩过程采用多段压缩，降低各段压缩机排气温度，压缩功率。低澄薷咂肺谎顾跞，无加压水、导热油或熔盐储热系统，因此，占地面积显著减。蹲始跎。[0021] 4）本发明中的储能模块和热量模块能分别发电，可以保证机组在极端情况下的能源供给。[0022] 5）本发明中的储能模块不仅能压缩空气并储存压缩后的空气，还能对外供热，增加了功能性。[0023] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。附图说明[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0025] 图1示出了根据本发明实施例的系统图；[0026] 附图标记：1、压缩结构；11、驱动源；12、压缩机；121、空气过滤器；13、冷却器；14、连接管；15、传输管；2、储气装置；21、储气管；211、储气阀门；22、送气管；221、送气阀门；3、氢燃机本体；31、第一发电装置；32、排热管；4、第一烟气换热器；41、输气管；5、第一空气透平；51、第二发电装置；6、换热装置；61、输送管；62、第二烟气换热器；63、进气管；64、排气管；65、第二空气透平。具体实施方式[0027] 为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地说明，显然，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。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，都属于本发明保护的范围。[0028] 一种氢燃机补燃式压缩空气储能系统，包括储能模块、热量模块、释能模块；所述储能模块用于等温压缩空气并储存压缩后的空气，所述热量模块用于产生烟气热量，所述释能模块用于将压缩后的空气与烟气热量进行热交换并做功发电。[0029] 氢燃机补燃式压缩空气储能系统，通过释能模块将储能模块压缩后的空气与热量模块产生的烟气热量进行热交换，再做功发电，这种发电方式不仅能大幅度提高机组发电功率，还不产生CO2和NOx，保护了气候和环境，也实现了系统零碳发电。[0030] 图1示出了根据本发明实施例的系统图。如图1所示，进一步地，所述释能模块包括第一烟气换热器4、第一空气透平5、第二发电装置51、输气管41，所述第一烟气换热器4通过输气管41与第一空气透平5连通，所述第二发电装置51与第一空气透平5的传动轴连接；第一烟气换热器4起到烟气热量与高压空气进行热交换的作用，使高压空气升温后进入第一空气透平5做功，则第一空气透平5能对升温后的高压空气做功，并为第二发电装置51传递机械能；第二发电装置51为电网提供电能。[0031] 进一步地，所述第一烟气换热器4上连通有换热装置6，所述换热装置6与第一空气透平5连接，所述第一空气透平5与换热装置6连通；第一烟气换热器4对烟气热量与高压空气进行热交换后，会向换热装置6排出一部分降温后的烟气热量，从空气透平出来的乏气也会进入到换热装置6，则换热装置6对乏气和降温后的烟气进行热交换并做功向第一空气透平5传递机械能。[0032] 进一步地，所述换热装置6包括第二空气透平65、第二烟气换热器62、排气管64、进气管63、输送管61，所述第二烟气换热器62通过进气管63与第一空气透平5连通，所述第二烟气换热器62通过排气管64与第二空气透平65连通，所述第二空气透平65的传动轴与第一空气透平5的传动轴连接，所述第二烟气换热器62与第一烟气换热器4通过输送管61连通；进气管63起到传输第一空气透平5排出的乏气；输送管61起到输送第一烟气换热器4排出的降温后的烟气热量；排气管64用于传输热交换的乏气；第二空气透平65能通过第一空气透平5传递机械能。[0033] 具体地，换热装置6的数量可根据实际需求增加。[0034] 进一步地，所述储能模块包括储气装置2、压缩装置、储气管21、送气管22，所述压缩装置通过储气管21与储气装置2连通，所述储气装置2通过送气管22与第一烟气换热器4连通；储气装置2能储存被压缩后的空气，即高压空气；压缩装置用多段压缩大气的空气；储气装置2用于储存和传输被压缩后的空气；送气管22用于传输高压空气。[0035] 具体地，储气装置2为现有技术，因此此处不再赘述。[0036] 进一步地，储气管21上设有储气阀门211；利用储气阀门211实现压缩装置与储气装置2的联通和隔断。[0037] 进一步地，送气管22上设有送气阀门221；利用送气阀门221控制高压空气进入第一烟气换热器4。[0038] 具体地，储气阀门211与送气阀门221为现有技术，因此此处不再赘述。[0039] 进一步地，所述压缩装置包括若干压缩结构1、传输管15，相邻所述压缩结构1之间通过传输管15连通，所述储气管21与相邻压缩结构1连通；用电低谷时，富裕电力驱动若干压缩结构1将空气压缩为高压状态，以便存储在储气装置2中；传输管15在相邻压缩结构1之间传输被压缩后的空气，提高了传输效率。[0040] 具体地，若干压缩结构1的段数可选但不限制于四段。[0041] 进一步地，远离所述储气管21的压缩结构1上设有空气过滤器121；空气过滤器121能过滤大气中的杂质，保证了系统设备的使用寿命。[0042] 进一步地，所述压缩结构1包括压缩机12、驱动源11、冷却器13、连接管14，所述压缩机12通过连接管14与冷却器13连通，所述冷却器13上设有传输管15，所述压缩机12上设有驱动源11；压缩机12用于压缩空气；驱动源11为压缩机12提供电能；冷却器13用于冷却压缩后的空气，并冷却至常温，则从冷却器13出来的热水可储存用来对外供热；连接管14起到传输压缩空气的作用。[0043] 具体的，驱动源11可选但不限制于电动机。[0044] 进一步地，热量模块包括氢燃机本体3、第一发电装置31、排热管32，所述第一发电装置31与氢燃机本体3的输出轴连接，所述氢燃机本体3通过排热管32与第一烟气换热器4连通；氢燃机本体3能为第一发电装置31提供机械能，第一发电装置31为电网提供电能；排热管32用于传输氢燃机本体3产生的高温烟气热量。[0045] 具体地，在高温拉闸限电、特殊需求保供等极端情况下，氢燃机可以单独带动第一发电机发电，保障了紧急能源供给。[0046] 具体地，第二发电装置51与第一发电装置31可选但不限制于发电机。[0047] 一种氢燃机补燃式压缩空气储能方法，包括以下步骤：[0048] 利用储能模块压缩空气并储存压缩后的空气；[0049] 利用热量模块产生烟气热量；[0050] 利用释能模块将压缩后的空气与烟气热量进行热交换并做功发电。[0051] 具体地，压缩后的空气与烟气热量进行热交换后，处于高压状态下的空气温度能达到350℃ 650℃，为第一空气透平5和第二空气透平65提供了做功条件。~[0052] 具体的，“排热管32”输送的是氢燃机本体3产生的“高温烟气热量”，“输送管61”输送的是“高温烟气热量”进入第一烟气换热器4后进行热交换的过程中出来的一些温度低于氢燃机本体3烟气热量的烟气，故还是“高温烟气热量”，而“连接管14”起到传输压缩空气的作用，“储气管21与送气管22”均是用于传输经压缩后的高压空气，故连接管14、储气管21以及送气管22都是传输经压缩后的空气，因此，在图1中压缩空气的传输用实线表示，高温烟气热量的传输用虚线表示，以示区别。[0053] 氢燃机补燃式压缩空气储能系统的工作原理如下：[0054] 在氢燃机本体3发电的基础上利用氢燃机本体3的烟气热量与空气储能进行热交换后再发电，大幅度提高了机组发电效率，提升顶峰能力，同时氢燃机本体3不产生CO2和NOx。其中，需要储能时，启动若干压缩结构1内的驱动源11，带动若干压缩结构1内的压缩机12，使若干压缩结构1开始运作，来自大气的空气经空气过滤器121被吸入压缩结构1内，被吸入的空气经多次压缩至高压状态，每次压缩后都会经过冷却器13冷却至预设状态，经过最后一次冷却后，高压状态下的空气经储气阀门211进入储气装置2内并进行储存，储存结束后关闭储气阀门211；需要释能时，启动氢燃机本体3，打开送气阀门221，高压状态下的空气从储气装置2放出，依次通过送气阀门221、送气管22输送至第一烟气换热器4内，氢燃机本体3产生的高温烟气通过排热管32进入第一烟气换热器4内，高压状态下的空气和高温烟气利用第一烟气换热器4进行换热，高压状态下的空气经加热后通过输气管41进入第一空气透平5做功，并带动第二发电装置51转动发电；第一空气透平5做功的过程中会产生乏气，该乏气通过进气管63进入第二烟气换热器62，第一烟气换热器4在进行热交换的过程中会出来一些温度低于氢燃机本体3烟气热量的烟气，该烟气通过输送管61输送至第二烟气换热器62，并利用第二烟气换热器62与乏气进行热交换，交换热量后的乏气通过排气管64进入第二空气透平65并做功，第二空气透平65为第一空气透平5提供动能，并带动第二发电装置51发电，释能结束后关闭送气阀门221。[0055] 释能时，除了第一空气透平5与第二空气透平65为第二发电装置51提供动能，氢燃机本体3还能带动第一发电装置31发电，且第二发电装置51和第一发电装置31发电可全部输送至电网，大幅度提高了机组发电效率，提升顶峰能力，同时氢燃机本体3不产生CO2和NOx，实现了补燃式系统零碳发电。[0056] 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

专利地区：四川

专利申请日期：2024-08-22

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN118677117B