风力发电、火力发电和压缩空气储能一体化发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种可再生能源发电利用领域的风电、火电和压缩空气储能一体化发电系统。一体化系统主要由风电场、火电厂、压缩空气储能电站组成。通过压缩空气系统将风电场与火电厂连接起来形成一个风、火、储的一体化发电系统。压缩空气储能系统根据电网负荷需求及风电场和火电厂出力情况调节其功率输出，从而实现风电场、火电厂的联动，提高其对电网负荷的响应能力，在保证电网安全的情况下，使更多的清洁能源并网。压缩空气储能系统通过利用火电厂产生的高温炉渣进行发电，取代了传统压缩空气储能系统利用天然气进行发电。因此,该系统具有较高的环境效益。同时，该系统调峰能力强大，对于电网大规模接收风电、提高火电厂调峰能力作用巨大。
【专利说明】风力发电、火力发电和压缩空气储能一体化发电系统
【技术领域】
[0001]本发明属于可再生能源利用的发电领域，特别涉及一种风力发电、火力发电和压缩空气储能一体化发电系统。具体说，主要利用压缩空气储能系统连接风电场和火电厂，压缩空气储能系统根据电网负荷需求及风电场和火电厂出力情况调节其功率输出情况。从而实现风电场、火电厂的联动，提高其对电网负荷的响应能力，保证电网安全的情况下，更多的接纳清洁能源并网。
【背景技术】
[0002]地球能源的开发和利用，仍属当今世界的重大课题，在不断开发新能源的同时，如何更有效的利用现有能源已成为一项迫切的工程。随着社会的高速发展，使现在的用电量极不均衡，夜间与白天负荷之比几乎达到1:100以上，而风电在夜间出力较大，而火电很难在夜间低谷期间停炉灭火，因此造成了大量清洁能源的浪费。
[0003]风电存在间歇性和稳定性差两个致命问题，在电网的闻负荷需求时期，风电是不可靠的，在低负荷时期却可能发出大量电网难以消纳的功率。因此，大规模风电送出消纳的矛盾日益突出，“弃风”问题逐渐严重。据国家能源局公布的数据显示，2012年全国弃风电量约200亿千瓦时，是2011年弃风量100亿千瓦时的一倍，全国风电平均利用小时数持续下降，吉林省甚至降至1400小时左右(盈亏平衡点)。如何解决弃风限电问题已关系到我国节能减排战略和国家关于调整和优化能源结构，提高可再生能源比例的目标。
[0004]传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术开发的一种储能系统。在用电低谷将空气压入储气室中从而将电能转化为空气内能存储起来，在用电高峰将高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。传统压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率较高和单位投资相对较小等优点；但是压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮氧化物、硫化物和二氧化碳等，不符合绿色能源发展要求。
[0005]为了实现风力发电的优质利用，提高风电场和传统火电厂的调峰能力，提出一种风力发电、火力发电、压缩空气储能一体化系统是非常重要的，这种系统当电网处于用电低谷时，通过火电厂的蒸汽和部分风电驱动压气机系统压缩空气、并将高压空气储存起来；在用电高峰时，将压缩空气释放出来驱动发电机发电供给电网。这样的系统大大提高了风能的利用率与效益、同时也提高了火电厂的调峰特性，增强了电网的安全性与稳定性。
【发明内容】
[0006]本发明的目的提出一种风力发电、火力发电、压缩空气储能一体化系统，其特征在于:
1)首先通过压缩空气储能系统连接风电场和火电厂，构成风、火、储一体化系统；
2)当电网处于用电低谷时，压缩空气储能系统通过利用火电厂蒸汽(或部分风电)驱动压气机系统压缩空气、并将高压空气储存于大型储气室，形成压缩空气储能，同时由于压缩空气储能系统消耗了火电厂蒸汽，降低了火电厂出力，为风电并网提供了空间。
[0007]3)在用电高峰时，将储气室的高压空气释放出来，驱动透平发电，供给电网；压缩空气储能系统具有启动快、容量大的特点，可实现在数分钟内启动加满负荷，因此其调峰能力大、可大幅提高电网调峰能力和电网安全性。
[0008]4)压缩空气储能系统中利用蓄热装置收集火电厂高温炉渣中的废热，利用该部分热量加热储气室中的压缩空气，使其在透平机内膨胀做功发电。由于利用蓄热装置取代了传统压缩空气储能系统中的燃烧室，因此该系统不受地理因素的限制，同时更加经济环保，具有了更高的实用性。
[0009]所述风电场、火电厂与压缩空气储能系统结合的关键在于压缩空气储能系统与风电场和火电厂的耦合作用，所述的压气机分为两类:汽动压气机和电动压气机，汽动压气机的动力来自于火电厂高温蒸汽，电动压气机动力来自于风电场过剩风电；两类压气机均采用容积式压缩机，通过改变压气机台数和转速比来适应整个压气过程中空气容积的变化。
[0010]所述风电场、火电厂、压缩空气储能一体化发电系统的组成为:小汽轮机1，电动机3，压气机2、4，储气室5，换热器6，蓄热装置7，透平机8，发电机9。
[0011]压缩空气储能系统组成为:冷却水12，级间换热器13，并联运行的汽动压气机11与电动压气机10，储气室5。
[0012]蓄热装置组成为:外筒15，内筒16，螺旋管屏换热器17。内筒16内含有蓄热材料。
[0013]本发明的有益效果是，通过压缩空气储能系统使风电场和火电厂组合成了 一个一体化系统，该系统可以提高风电场和火电厂的调峰和填谷能力，并且该系统具有较好的环
境效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是风电场、火电厂、压缩空气储能一体化系统示意图。
[0015]图2是风电场、火电厂、压缩空气储能一体化系统运行示意图。
[0016]图3是压缩空气储能系统示意图。
[0017]图4是蓄热装置示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和具体实列进一步详细描述本发明。
[0019]图1为风电场、火电厂和压缩空气储能一体化系统示意图。压缩空气储能系统分别与风电场，火电厂，负荷预测系统相联，同时，风电场、火电厂、压缩空气储储能系统又分别与电网相连。负荷预测系统通过预测电网负荷和风电场，火电厂，压缩空气储能系统功率,对压缩空气储能系统发出指令。
[0020]图2为风电场、火电厂、压缩空气储能一体化系统运行示意图。压缩空气储能系统通过小汽机与火电厂相连，通过电动机与风电场相连。当电网负荷处在低谷时，压缩空气储能系统通过抽取火电厂主蒸汽管道中的高温蒸汽降低火电机组发电功率，为风电上网提供空间，同时该部分高温蒸汽中的能量通过小汽机和压气机转化到压缩空气中；同时另一组压气机通过将过剩的风电转化到压缩空气系统中。当用电高峰时，将压缩空气储能系统中的能量释放转化为电能。[0021]图3为压缩空气储能系统示意图。为了增加压缩机的效率，本发明采用了三级压缩级间冷却的方案。空气首先通过压气机10、11的低压级进行压缩，压缩后的空气再进入换热器13进行冷却，冷却后的空气进入压气机中压级，通过换热器13进入高压级，最后压缩空气冷却到环境温度后进入储气室5。该压气机系统通过采用三级压缩，级间冷却的方式，保证了压气机可在定温下压缩工作，可以提高压气机的效率。
[0022]图4为蓄热装置示意图。蓄热装置有外筒15，内筒16，螺旋管屏换热器17组成。在内筒16中装有蓄热材料，高温炉渣含有的热量通过外筒传递到内筒中，并储存在蓄热材料内。压缩空气通过螺旋管屏换热器吸收热量，进入透平机膨胀做功最终转变为电能。
[0023]本发明可用其他的不违背本发明的思想和主要特征的具体形式来概述。因此本发明的上述实施方案是对本发明进行说明，并非对本发明进行限定。权力要求书指出了本方明要求保护的构思和范围。
[0024]而上述的说明并未全部指出本发明的范围。因此，在与本发明的专利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应该认为是包括在权利要求书的范围内。
【权利要求】
1..一种风力发电、火力发电和压缩空气储能一体化发电系统，其特征在于，所述风力发电、火力发电和压缩空气储能一体化系统的组成:通过压缩空气储能系统连接风电场和火电厂形成一个风、火、储一体化发电系统，同时风电场、火电厂、压缩空气储能系统分别与电网连接，通过电网负载预测、风场出力预测，并结合储能电站和火电厂的发电能力，决定风电场、火电厂、压缩空气储能电站的运行状况。
2.根据权利要求1所述风力发电、火力发电和压缩空气储能一体化发电系统，其特征在于，该系统由小汽轮机(I)驱动的压气机(2)与电动机(3)驱动的压气机(4)并联运行，压缩空气进入储气室(5 )中，压缩空气依次经过换热器(6 )、蓄热装置(7 )进入透平机(8 )驱动发电机(9)进行发电。
3.根据权利要求2所述风力发电、火力发电和压缩空气储能一体化发电系统，其特征在于， 1)压缩空气储能系统中的压缩机由电驱动和蒸汽驱动两种类型的压缩机组成，并联运行，蒸汽驱动的压缩机动力来源为火电厂的高温蒸汽，电驱动压缩机的动力来源为风电场的过剩风电； 2)通过利用火电厂中高温炉渣的热量加热压缩空气，使其在透平内膨胀做功； 3)在用电低谷时，将过剩的风电储存到压缩空气储能系统中，同时通过储能系统调节火电厂出力，使其发电量降低，为风电并网提供更多的空间； 4)在用电高峰时期，压缩空气储能电站释放能量并网发电，压缩空气储能系统可在数分钟内启动加满负荷，因此其可以大幅提高电网调峰能力和电网安全性，同时，压缩空气储能电站采用的是锅炉炉渣，不存在环境污染问题。
4.根据权利要求3所述风力发电、火力发电和压缩空气储能一体化发电系统，其特征在于: 1)压缩空气储能系统通过蓄热装置利用火电厂炉渣废热进行发电，取代了传统压缩空气储能系统中通过燃烧天然气获取热量的方法； 2)压缩空气储能系统中设置汽动和电动两种类型的压气机，压缩空气储能系统通过调节火电厂中进入汽轮机的蒸汽量来增强火电厂的调峰性能。
5.根据权利要求3所述风力发电、火力发电和压缩空气储能一体化发电系统，其特征在于，风、火、储集成的关键在于压缩机与风电场、火电厂的耦合作用，压气机系统可根据实际情况灵活设置运行种类。
【文档编号】F04C23/02GK103644081SQ201310614128
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】何青, 刘辉 申请人:华北电力大学