一种多机串联运行的单轴压缩机组系统及其控制方法与流程

1.本发明属于压缩空气储能领域，具体涉及一种多机串联运行的单轴压缩机组系统及其控制方法。


背景技术：

2.由于可再生能源发电具有间歇性和不稳定性的特征，电网的发电端、输配电端及用户端均有很大的必要性配置储能装置。而压缩空气储能系统是当前研究的一项热点技术。
3.压缩空气的基本原理为：通过电机消耗电网电能驱动压缩机压缩空气做功，存储压缩空气的压力能。当电网处于高负荷期时，再通过高压空气驱动透平膨胀机发电。压缩的空气可以通过废弃的岩穴、压力容器等存储，当采用容器时，随着储能功率的增大，对容器的容积要求越来越高。为了最大程度的减少容器或岩穴容积的需求，则需要在发电的时候充分利用压缩空气的压力能，一次储能和发电过程可实现压缩空压力能从10％～100％范围变化，这样压缩机在压缩空气储能的过程中，背压等同是从10％～100％变化的过程。
4.由于储能的最终压力一般很高，一般均大于10mpa，往往需要多台压缩机同时工作才能达到目标。但压缩机初始工作时储能容器中的压力较低，往往1台压缩机即可。但是，随着储能的进行，需要后续的压缩机逐渐并入压缩序列中，同时由于储能周期的时间十分有限，要求快速可靠的并入并迅速建立负荷，同时为了减少人为操作，还需要实现智能化的自动控制要求。
5.现有工业应用的压缩机时有多台串联应用的情况，但是往往工况恒定(即背压恒定)且不存在每日启停的频繁启停工况，多台串联的压缩机在该种运行方式下工作时，压缩机运行效率低下、压缩机配置复杂，难以实用化。


技术实现要素：

6.本发明的目的是解决现有串联压缩机组的压缩机运行效率低、压缩机配置复杂的问题，提供一种多机串联运行的单轴压缩机组系统及其控制方法，该方法可以实现宽背压过程中压缩机组尽量高效运行，从而提升空气储能系统的效率。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种多机串联运行的单轴压缩机组系统，包括低压机组、高压机组、第一输出管路、第二输出管路、高压防喘振阀、低压防喘振阀、放空阀和放空消音器；所述低压机组和高压机组均为多段式单轴离心压缩机组；所述低压机组通过变频电机驱动，其进口通过流量调节装置与外界大气连通，出口分别与高压机组的入口、第一输出管路连接，且低压机组出口与高压机组入口之间的管路上设置有止回阀、第三切断阀以及与第三切断阀并联的调节阀；所述第一输出管路通过第一单向阀和第一切断阀与高压空气储罐连接；所述高压机组通过变频电机驱动，所述高压机组的出口与第二输出管路连接，所述第二输出管路通过第二切断阀和第二单向阀与高压空气储罐连接；所述高压防喘振阀的进口与高压机组的出口
连接，所述高压防喘振阀的出口连接在高压机组进口和调节阀出口之间的管路上；所述低压防喘振阀的进口与低压机组的出口连接，所述低压防喘振阀的出口与外界大气连通；所述放空阀的进口与高压机组的出口连接，放空阀的出口通过放空消音器与外界大气连通。
9.进一步地，所述低压机组和高压机组分别为三段式单轴离心压缩机组。
10.进一步地，所述流量调节装置为节流阀或导叶。
11.进一步地，还包括设置在低压机组和高压机组中相邻两段压缩机之间、第一输出管路、第二输出管路上的六个换热器。
12.进一步地，所述低压机组的进口处还设置有空气过滤器。
13.进一步地，所述第一输出管路和第二输出管路上均设置有出口流量计。
14.进一步地，所述第一输出管路和第二输出管路的出口通过输出主管路与高压空气储罐连接，所述输出主管路上设置有出口流量计。
15.同时，本发明还提供一种多机串联运行的单轴压缩机组系统控制方法，包括以下步骤：
16.步骤一、节流阀或导叶处于小开度，低压缸防喘振阀全开，低压机组变频启动，低压机组启动至最小工作转速后，缓慢开启节流阀或导叶，同时缓慢关闭防喘振阀，通过第一输出管路对高压空气储罐恒流量充气，低压机组充气过程缓慢升高转速至其额定转速；所述高压空气储罐的初始压力小于1mpa；
17.步骤二、通过a)低压启动过程或者b)带压启动过程启动高压机组；
18.a)当高压空气储罐的背压超过1.2～1.6mpa时，止回阀自动开启，同时，打开调节阀，将低压机组出口的部分空气输入至高压机组，使高压机组处于充气状态，当高压机组的充气压力达到2～5bar时，高压机组充气完成，关闭调节阀；高压机组变频启动，以最低工作转速运行，高压防喘振阀处于全开状态；
19.高压机组在最低工作转速运行过程中，低压机组仍通过第一输出管路向高压空气储罐充气，打开调节阀，将高压机组内空气压力充至与低压机组排气压力相等，此时第三切断阀的阀前与阀后压力相等，打开第三切断阀，实现低压机组和高压机组完全导通，此时，低压机组以最大工作转速运行、高压机组以最小工作转速运行；
20.b)打开调节阀，高压机组充气至高压机组内部压力等于低压机组排气压力后，打开第三切断阀，完成低压机组和高压机组的导通，后通过变频启动高压机组至最小运行状态；
21.步骤三、逐步降低低压机组的转速，当低压机组达到最小工作转速后，低压机组向高压空气储罐充气量在此过程中逐渐减少，直至高压空气储罐的背压关闭第一单向阀；缓慢关闭高压防喘振阀，升高高压机组排气压力，同时通过节流阀或导叶减小低压机组的入口流量，降低低压机组出口、高压机组入口压力和流量，直至高压防喘振阀直至完全关闭，高压机组运行在高效区；在此过程中，高压机组开始向高压空气储罐充气，且充气量逐渐提升；
22.步骤四、随着高压空气储罐充气背压的提高，缓慢打开节流阀或导叶，同时逐步交替提升低压机组及高压机组的转速，使高压机组的排气压力不断提升，该过程中始终控制压缩机处于设定的最佳充气流量下；
23.步骤五、随着高压空气储罐背压的逐步提高，充气流量达到充气低阈值时，关闭低
压机组和高压机组，高压空气储罐背压关闭第二单向阀，后关闭第二切断阀，充气完成。
24.进一步地，所述低压机组和高压机组的每段压缩温度控制＜150℃。
25.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
26.1.本发明提供一种无宽背压多机串联运行的压缩空气储能机组，该机组可以实现宽背压过程中压缩机组高效运行，从而提升空气储能系统的效率，让充气过程的各压缩机在整个过程中均处于高效工作范围。
27.2.本发明系统采用多段式单轴离心压缩机组，单轴机组具有稳定可靠的特征，是当前应对压缩空气储能频繁启停的最佳选择。本发明单轴机组的串机运行方案中，高压机组、低压机组均采用变转速调节，通过匹配控制方法，实现了最佳的单轴机组综合运行效率。
28.3.本发明低压机组和高压机组分别为三段式单轴压缩机组，该种设置使得压缩机设计工况负荷匹配均匀，同时实现缸数最小，压缩段数最多。
附图说明
29.图1为本发明多机串联运行的单轴压缩机组系统实施一的示意图；
30.图2为本发明多机串联运行的单轴压缩机组系统实施二的示意图。
31.附图标记：1
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低压机组，2
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高压机组，3
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第一输出管路，4
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第二输出管路，5
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高压防喘振阀，6
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低压防喘振阀，7
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放空阀，8
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放空消音器，9
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变频电机，10
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止回阀，11
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第三切断阀，12
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调节阀，13
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第一单向阀，14
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第一切断阀，15
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高压空气储罐，16
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第二切断阀，17
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第二单向阀，18
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换热器，19
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空气过滤器，20
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出口流量计，21
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流量调节装置，22
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输出主管路。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
33.本发明提供了一种多机串联运行的单轴压缩机组系统及其控制方法，该系统和方法是一种多机串联的宽背压系统及优化的控制方法，以快速启停和实现整个运行过程中的高效为目标，减少放空或者回流工况，提升了压缩空气储能系统的运行效率。
34.实施例一
35.如图1所示，该实施例提供的多机串联运行的单轴压缩机组系统包括低压机组1、高压机组2、第一输出管路3、第二输出管路4、高压防喘振阀5、低压防喘振阀6、放空阀7和放空消音器8；低压机组1和高压机组2均为多段式单轴离心压缩机组；低压机组1通过变频电机9驱动，其进口通过流量调节装置21、空气过滤器19与外界大气连通，出口分别与高压机组2的入口、第一输出管路3连接，且低压机组1出口与高压机组2入口之间的管路上设置有止回阀10、第三切断阀11以及与第三切断阀11并联的调节阀12；第一输出管路3通过第一单向阀13和第一切断阀14与高压空气储罐15连接；高压机组2通过变频电机9驱动，高压机组2的出口与第二输出管路4连接，第二输出管路4通过第二单向阀17和第二切断阀16与高压空气储罐15连接；高压防喘振阀5的进口经过一个换热器18后与高压机组2的出口连接，高压防喘振阀5的出口连接在高压机组2进口和第二调节阀12出口之间的管路上，即高压防喘振
阀5的出口接点位于调节阀12的出口下游处；低压防喘振阀6的进口与低压机组1的出口连接，低压防喘振阀6的出口与外界大气连通；放空阀7的进口与高压机组2的出口连接，放空阀7的出口通过放空消音器8与外界大气连通。
36.本发明低压机组1和高压机组2均为多段式单轴离心压缩机组，单轴(单轴)机组具有稳定可靠的特性，是当前应对压缩空气储能频繁启停的最佳选择。但是单轴机组低压机组1实现的压比较小，调节范围较窄，基于此，本发明低压机组1使用变频电机9驱动，变转速调节能够有效弥补单轴机组效率低，调节范围窄的问题。因此，本发明单轴机组的串机运行方案中，高压机组、低压机组1均采用变转速调节，通过匹配工艺操作，可以实现更高效和更宽的压比调节范围，实现了最佳的单轴机组综合运行效率。
37.本发明低压机组1、高压机组2为多段式离心压缩机组，为实现较高的压缩效率，压缩机的每段压缩温度控制＜150℃，而采用多段压缩机则考虑尽量减小压缩机的台数来降低成本。在该实施例中，低压机组1和高压机组2分别为三段式单轴压缩机组，该种设置使得压缩机设计工况负荷匹配均匀，同时实现缸数最小，压缩段数最多。此外，低压机组1和高压机组2中相邻两段压缩机之间、第一输出管路3、第二输出管路4上的六个换热器18，可对系统中的能量进行回收。
38.在该实施例中，流量调节装置21具体可为节流阀或导叶。节流阀或导叶可以控制充气速度，避免快速充气导致高压机组2设备损坏。同时，单轴机组充气恒流量调节方式，除节流阀或导叶外，还可有变转速，增加变转速调节也能够有效弥补单轴机组效率低，调节范围窄的问题。本发明第一输出管路3和第二输出管路4上均设置有出口流量计20，共设置有两个出口流量计20。由于充气可快可慢，因此机组升负荷需设有控制变量，通过出口流量计20输出的流量控制，可以实现机组恒流量输气的高效调节。
39.本发明系统运行时，设定储罐的最终储能压力为9～11mpa，该压力为最佳的充气压力，设定初始储能工作压力为1mpa，完成了当压力从1mpa、2mpa、3mpa、
…
10mpa的不同背压下压缩机的运行状态分析，形成了配置方案。当储能压力超过1.2～1.6mpa时，高压机组2需介入工作，而此时低压机组1工作在小流量和最大压比的状态，低压机组1运行在最高转速，且运行点接近防喘振线；低压机组1出口通向高压机组2入口的管路上通过一个第三切断阀11隔开两机组的气路，使低压机组1的压缩机单独工作时高压机组2压缩机不受影响。随着低压机组1的工作，低压机组1的低压防喘振阀可能会打开实现低压机组1压缩机的出口压力恒定。该方式可实现单位有效压缩空气所消耗的压缩功最低，实现全自动的运行于自动加载、串机。
40.当低压机组1工作接近其最大压比时，打开低压机组1出口第三切断阀11的旁通阀(即调节阀12)，直至第三切断阀11全开，高压机组2及管道中充满压力等于低压机组1出口的空气；此时，低压机组1工作，高压防喘振阀5开并保持一定开度。因压比不够，储能充气暂时停止。开启高压机组2至最小工作转速，后不断关闭防喘振阀至压比逐渐建立。下面将上述过程通过以下步骤进行详细的说明，即本发明提供的多机串联运行的单轴压缩机组系统控制方法具体包括以下步骤：
41.步骤一、节流阀或导叶处于小开度，低压缸防喘振阀6全开，低压机组1变频启动，低压机组1启动至最小工作转速后，缓慢开启节流阀或导叶，同时缓慢关闭防喘振阀6，通过第一输出管路3对高压空气储罐15恒流量充气，低压机组1充气过程缓慢升高转速至其最大
工作转速(额定转速)；高压空气储罐15的初始压力小于1mpa；
42.初始充气时，低压机组1入口节流阀或导叶有一个小的关度；此时，采集去高压空气储罐15的第一输出管路3和第二输出管路4的流量信号，根据该流量信号，充气过程逐中渐打开节流阀或导叶，使得低压机组1采用恒流量充气来实现高效充气；
43.步骤二、通过低压启动过程启动高压机组2；
44.当高压空气储罐15的背压超过1.2～1.6mpa时(不同压缩机工作性能差异，背压值变化)，止回阀10自动开启(止回阀10因低压机组1工作而处于自动打开的状态)，同时，打开调节阀12，将低压机组1出口的部分空气输入至高压机组2，使高压机组2处于充气状态，高压机组2充气压力为低压状态，当高压机组2的充气压力达到2～5bar时，高压机组2充气完成，关闭调节阀12；高压机组2变频启动，以最低工作转速运行，此过程高压防喘振阀5处于全开状态；
45.高压机组2在最低工作转速运行过程中，低压机组1仍通过第一输出管路3向高压空气储罐15充气，打开调节阀12，将高压机组2内空气压力充至与低压机组1排气压力相等，此时第三切断阀11的阀前与阀后压力相等，打开第三切断阀11，实现低压机组1和高压机组2完全导通，低压机组1以最大工作转速运行、高压机组2以最小工作转速运行；此时，仍然仅由低压机组1向高压储罐充气；
46.步骤三、逐步降低低压机组1的转速，当低压机组1达到最小工作转速后，低压机组1向高压空气储罐15充气量在此操作过程中逐渐减少，直至高压空气储罐15的背压关闭第一单向阀13；
47.缓慢关闭高压防喘振阀5，升高高压机组2排气压力，同时通过节流阀或导叶减小低压机组1的入口流量，降低低压机组1出口、高压机组2入口压力和流量，直至高压防喘振阀5直至完全关闭，高压机组2运行在高效区；在此过程中，高压机组2开始向高压空气储罐15充气，且充气量逐渐提升；
48.步骤四、随着高压空气储罐15充气背压的提高，缓慢打开节流阀或导叶，同时逐步交替提升低压机组1及高压机组2的转速，使高压机组2的排气压力不断提升；为了实现压缩机的高效运行，此时根据高压空气储罐15的第一输出管路3、第二输出管路4上的流量信号，始终控制压缩机处于最佳的充气流量下，获得高效调节；
49.步骤五、随着高压空气储罐15背压的逐步提高，充气流量达到充气低阈值时，关闭低压机组1和高压机组2，高压空气储罐15背压关闭第二单向阀17，后关闭第二切断阀16，充气完成。
50.实施例二
51.如图2所示，该实施例与实施一的系统设置基本相同，不同点在于，第一输出管路3和第二输出管路4的出口通过输出主管路22与高压空气储罐15连接，出口流量计20设置在输出主管路22上，该种设置可以减少出口流量计20的设置，使得系统的成本进一步减小。
52.该实施例提供的多机串联运行的单轴压缩机组系统控制方法具体包括以下步骤：
53.步骤一、节流阀或导叶处于小开度，低压缸防喘振阀6全开，低压机组1变频启动，低压机组1启动至最小工作转速后，缓慢开启节流阀或导叶，同时缓慢关闭防喘振阀6，通过第一输出管路3对高压空气储罐15恒流量充气，低压机组1充气过程缓慢升高转速至其最大工作转速(额定转速)；高压空气储罐15的初始压力小于1mpa；
54.初始充气时，低压机组1入口节流阀或导叶有一个小的关度；此时，采集去高压空气储罐15的第一输出管路3和第二输出管路4的流量信号，根据该流量信号，充气过程逐中渐打开节流阀或导叶，使得低压机组1采用恒流量充气来实现高效充气；
55.步骤二、通过带压启动过程启动高压机组2；高压机组2可以带压启动，带压启机省略了二次开启节流阀或导叶的操作，但启动力矩较大；
56.打开调节阀12，高压机组2充气至高压机组2内部压力等于低压机组1排气压力后，打开第三切断阀11，完成低压机组1和高压机组2的导通，后通过变频启动高压机组2至最小运行状态；
57.步骤三、逐步降低低压机组1的转速，当低压机组1达到最小工作转速后，低压机组1向高压空气储罐15充气量在此操作过程中逐渐减少，直至高压空气储罐15的背压关闭第一单向阀13；
58.缓慢关闭高压防喘振阀5，升高高压机组2排气压力，同时通过节流阀或导叶减小低压机组1的入口流量，降低低压机组1出口、高压机组2入口压力和流量，直至高压防喘振阀5直至完全关闭，高压机组2运行在高效区；在此过程中，高压机组2开始向高压空气储罐15充气，且充气量逐渐提升；
59.步骤四、随着高压空气储罐15充气背压的提高，缓慢打开节流阀或导叶，同时逐步交替提升低压机组1及高压机组2的转速，使高压机组2的排气压力不断提升；为了实现压缩机的高效运行，此时根据高压空气储罐15的第一输出管路3、第二输出管路4上的流量信号，始终控制压缩机处于最佳的充气流量下，获得高效调节；
60.步骤五、随着高压空气储罐15背压的逐步提高，充气流量达到充气低阈值时，关闭低压机组1和高压机组2，高压空气储罐15背压关闭第二单向阀17，后关闭第二切断阀16，充气完成。