燃气轮机系统及基于其与新能源发电系统的耦合电力系统

技术领域

本公开涉及新能源技术领域的耦合电力系统技术领域，尤其涉及一种利用提高燃气轮机响应速度的方法来提高新能源系统稳定性的耦合电力系统。

背景技术

随着清洁能源在电力系统中的比重不断提高，包括风电、光伏和水电等，由于新能源具有间歇和波动的特点，其大规模的接入电网对电力系统安全运行和稳定运行带来了隐患。由于储能技术成本过高，采用储能系统的新能源系统经济性往往较差，而燃气轮机由于其技术成熟，响应速度快，其与新能源系统组成的耦合电力系统具有较好的竞争力，是提高新能源系统稳定性，提高新能源安全消纳的一个重要的技术途径。

传统重型燃气轮机从启动到全负荷，往往需要30分钟左右，无法满足新能源系统快速响应要求。因此，随着电力系统发展需求，对燃气轮机快速响应能力的要求进一步提高。但是由于压气机和透平气缸热容量的影响，升温需要一个过程；而转子和气缸系统热容量不匹配导致二者变形协调不一致，转子系统转速提高带来的离心力的即刻加载，加上环境因素的影响等，导致燃气轮机启动速度不能超过某个极限值，否则会发生转静碰摩，危害燃气轮机安全运行。

因此，提高气缸和转子变形协调能力，可以提高启动阶段转静间隙，从而提高转子系统转速提高的速率，提高燃气轮机快速响应能力。从而进一步提高燃气-新能源电力耦合系统的稳定性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种燃气轮机系统及基于其与新能源发电系统的耦合电力系统，以缓解现有技术中上述技术问题中的至少之一。

(二)技术方案

本公开的一个方面，提供一种燃气轮机系统，包括：

压气机，包括压气机气缸及压气机转子，用于使工作介质在压气机气缸和压气机转子之间流动，并被压缩；

燃烧室，与所述压气机的工作介质输出端连接，用于从所述压气机接收所述工作介质并在其内部燃烧，形成高温高压工作介质；

透平，包括透平气缸及透平转子，与所述燃烧室的工作介质输出端连接，用于从所述燃烧室接收所述高温高压工作介质，所述高温高压工作介质在透平气缸和透平转子之间流动，使所述高温高压工作介质的温度及压力降低后通过透平出口排出；

加热装置，布置于所述压气机气缸及所述透平气缸的外表面，用于保持所述压气机气缸及所述透平气缸的平均温度不低于其稳定工作状态下所述压气机气缸及所述透平气缸的平均温度的50％，以提高燃气轮机系统的启动速度。

在本公开实施例中，所述压气机包括轴流式压气机、离心式压气机、混流式压气机中的任意一种或其组合。

在本公开实施例中，所述燃烧室包括单管燃烧室、环管燃烧室、环形燃烧室中的任意一种或者为通过换热器对工质进行加热。

在本公开实施例中，所述气缸外表面布置的分布式可控的加热装置包括电加热装置、高温气体加热、高温液体加热、液态金属加热中的任意一种。

在本公开实施例中，所述各加热方式均包括热传导、对流、辐射、感应加热中的任意一种。

在本公开的另一方面，提供一种耦合电力系统，利用如上任一项所述的燃气轮机系统和新能源发电系统；

所述新能源发电系统，具有新能源机组，控制系统，负荷，电网；

在本公开实施例中，所述控制系统可以接受调度指令并结合系统内负荷情况，控制新能源机组运行。

在本公开实施例中，所述新能源发电系统包括风电系统、水电系统、光伏系统中的任意一种。

在本公开实施例中，所述新能源发电系统为所述的燃气轮机系统的所述加热装置提供电能。

在本公开实施例中，所述加热装置提所需电能包括新能源发电系统的弃风、弃光、弃水中的任意一种的电能。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开燃气轮机系统及基于其与新能源发电系统的耦合电力系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)提高了燃气轮机响应速度，缩短启动时间；

(2)提高了新能源系统频率和相位的稳定性，减小新能源系统对电网的冲击；以及

(3)提高了新能源发电系统的稳定性，减小弃风、弃光等，提高新能源消纳比例。

附图说明

图1为本公开实施例中燃气轮机系统示意图；

图2为图1的B——B截面示意图；

图3为本公开实施例中加热装置的结构示意图。

图4为本公开实施例中加热装置工作前后燃气轮机系统转静间隙变化对比及启动时间对比。

图5为传统新能源系统示意图；以及

图6为本公开实施例中燃气轮机系统与新能源发电系统的耦合系统示意图；

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1 压气机

2 燃烧室

3 透平

4 压气机气缸

5 压气机转子

6 透平气缸

7 透平转子

8 加热装置

9 电源

10 功率调节装置

11 电加热丝

12 导线

13 新能源机组

14 带有加热装置的燃气轮机系统

15 控制系统

16 负荷

17 电网

具体实施方式

本公开提供了一种燃气轮机系统及基于其与新能源发电系统的耦合电力系统，所述系统提高燃气轮机响应速度，缩短启动时间，提高新能源系统频率和相位的稳定性，减小新能源系统对电网的冲击，从而进一步提高燃气-新能源电力耦合系统的稳定性。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开提供一种燃气轮机系统，如图1所示，包括：压气机气缸4及压气机转子5的压气机1，用于使工作介质在压气机气缸4和压气机转子5之间流动，并被压缩；与所述压气机1工作介质输出端连接的燃烧室2，用于从所述压气机1接收所述工作介质，并在其内部燃烧，形成高温高压工作介质；具有透平气缸6及透平转子7的透平3，与所述燃烧室2工作介质输出端连接，用于接收从所述燃烧室2接收所述高温高压工作介质，且所述高温高压工作介质在透平气缸6和透平转子7之间流动，使所述高温高压工作介质的温度及压力降低后，通过透平3出口排出；以及布置于所述压气机气缸4及所述透平气缸6的外表面的加热装置8，用于保持所述压气机气缸4及所述透平气缸6的平均温度不低于其稳定工作状态下气缸的平均温度的50％，以提高燃气轮机系统的启动速度。

在本公开实施例中，如图1及图2所示，燃气轮机系统包括压气机1，燃烧室2，透平3等主要部件，燃气轮机系统工作时，工作介质从压气机1进入燃气轮机系统内，在压气机气缸4和压气机转子5之间流动，并被压缩；高压工作介质离开压气机1后受进入燃烧室2，通过燃料的燃烧或者换热器加热，温度被进一步升高；高温高压工作介质进入透平3，并在透平气缸6和透平转子7之间流动，温度压力降低后，通过透平3出口排出燃气轮机系统。燃机停止工作后，为了防止各个部件温度降低过多，通过在气缸表面布置加热装置8，对气缸进行加热和保温，保证气缸不同位置的温度维持在指定的温度水平；因此，在燃气轮机系统启动过程中，气缸的温度与稳定工作状态的温度非常接近。而转子由于质量小，加上离心力效应，可以较快达到热平衡，转子变形较快。虽然转子变形快于气缸变形，但是由于气缸已经经过提前预热，可以避免转子快速启动带来的燃气轮机系统转子和气缸碰摩，因此燃气轮机系统只需要很少的时间就可以启动，达到了快速启动的目的。

在本公开实施例中，如图3所示，气缸的加热装置8是由电源9，功率调节装置10，电加热丝11，导线12等组成的。燃气轮机系统停止工作后，气缸的温度也会随之降低，气缸膨胀变形量减小。通过在气缸外表面布置加热装置8，根据燃气轮机系统不同位置气缸散热量大小，布置加热装置8，并通过热分析结果，调整功率调节装置10，使得气缸温度保持在预定水平，因此，在燃气轮机系统启动过程中，气缸的温度与稳定工作状态的温度非常接近。转子由于质量小，加上离心力效应，可以较快达到热平衡。

在本公开实施例中，如图4所示，在加热装置8不工作时，燃气轮机系统启动时间为t1，此时需要只通过燃烧室2产生的热量使气缸与转子之间的间隙达到稳定状态，因为转子变形快于气缸变形，所以使燃气轮机系统达到稳定工作状态，是一个缓慢的过程。在加热装置8工作时，燃气轮机系统启动时间为t2，此时虽然转子变形快于气缸变形，但是由于气缸已经提前预热，可以避免转子快速启动带来的转子和气缸碰摩，因此燃气轮机系统只需要很少的时间就可以达到满负荷水平，缩短了燃气轮机系统启动时间(从t1减小到t2)，增加了燃气轮机系统运行的灵活性。

在本公开实施例中，所述压气机可以为轴流式压气机，也可以为离心式压气机，也可以为混流式压气机，或者为这几种形式压气机的组合式压气机。

在本公开实施例中，所述燃烧室可以为单管燃烧室，也可以为环管燃烧室，也可以为环形燃烧室，或者为通过换热器对工质进行加热。

在本公开实施例中，所述气缸外表面布置的分布式可控的加热装置可以为电加热装置，也可以为高温气体加热，也可以为高温液体加热，或者液态金属加热；

在本公开实施例中，所述各加热方式均可以为热传导、对流、辐射或者感应加热。

本公开还提供一种耦合电力系统，包括上述的燃气轮机系统和新能源发电系统；所述新能源发电系统，具有新能源机组13，控制系统15，负荷16，电网17；所述燃气轮机系统和新能源发电系统协同工作。

在本公开实施例中，如图5所示，控制系统15接受调度指令并结合系统内负荷情况，控制新能源机组13运行。通常，传统新能源系统由于波动性较高，上网电能质量不佳，限制了其上网小时数，除造成一定的电量浪费外，同时也对电网17的安全稳定运行造成威胁。

在本公开实施例中，如图6所示，是采用加热装置的燃气轮机与新能源耦合系统示意图。通过带有加热装置的燃气轮机系统14的采用，充分利用燃气轮机快速响应的特点，可以极大地提高耦合电力系统的稳定性，提高系统输出的电能质量，提高新能源机组13所发电能的消纳水平。

在本公开实施例中，所述新能源发电系统可以为风电系统、水电系统、光伏系统。

在本公开实施例中，所述新能源发电系统可以为所述的燃气轮机系统的所述加热装置提供电能。

在本公开实施例中，所述加热装置提所需电能为新能源发电系统的弃风、弃光或者弃水的电能。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种基于燃气轮机与新能源耦合的电力系统有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种基于燃气轮机与新能源耦合的电力系统，该系统通过加热装置对压气机气缸和透平气缸加热，可提高燃气轮机响应速度，缩短启动时间；提高新能源消纳比例；利用燃气轮机快速的负荷跟踪能力，提高新能源系统频率和相位的稳定性，减小新能源系统对电网的冲击；极大的提高新能源发电系统的稳定性，减小弃风弃光，提高新能源消纳比例；从而进一步提高燃气-新能源电力耦合系统的稳定性。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。