燃气轮机技术

黄彬彬

[摘 要]本文简要介绍了具有蓄能装置的燃气轮机技术，并分析了具有蓄能装置的燃气轮机的全球与专利申请趋势以及各个国家专利申请情况，在此基础上针对具有蓄能装置的燃气轮机的技术演变进行详细阐述，并主要针对其中系统布局方面技术上遇到的问题以及在不同年代针对解决该技术问题国内外申请相关专利侧重点的演变过程进行详细梳理。

[关键词]燃气轮机蓄能蓄热系统布局技术演变

中图分类号：TK47 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）13-0131-01

1、序言

世界范围内均普遍存在的电力系统负荷不均衡、高峰低谷负荷差别大，对燃气轮机采用各式的蓄能手段能够有效平衡供电负荷、优化经济性能，对保护国防与能源安全、改善能源结构和实现环境可持续发展具有重要意义[1]。

1.1 用于燃气轮机的蓄能原理

燃气轮机中利用压气机将空气压缩后引入燃烧室，与喷入的燃料混合燃烧产生高温、高压的燃气，燃气进入燃气透平中膨胀做功带动发电机发电[2]。图1给出了空气压缩蓄能（CAES）的蓄能原理图，其工作原理是在峰谷阶段有剩余产能的情况下，将压缩空气存储起来，等到用能高峰期时，贮气室将储存的压缩空气释放，带动燃气轮机输出电能或动能以实现调峰以及提高机组的能源利用率[3]。

2、具有蓄能装置的燃气轮机专利分析

在分类表中的F02C6/14以及F02C6/16的分类体系均能很贴切的体现出具有蓄能装置的燃气轮机装置。

2.1 专利申请量分析

截止2016年6月15日，具有蓄能装置的燃气轮机领域相关全球专利申请总量为1091篇，最早的专利申请的公开日为1962年，2010-2013年期间出现的专利申请大幅度增长，其中主要注重于蓄能装置本身的改进以及蓄能途径的拓展等，申请量与国际对清洁能源的关注度息息相关，随后该项技术发展较为完善，创新一度遇到瓶颈期。

2.2 专利分布分析

在全球范围内美国申请量大大高于其他国家的申请量，WO的申请量紧跟其后，这主要得益于在经济全球化的当前，该项技术在全球范围内展开了广泛的研究，许多企业也很注重海外专利的相关保护，欧局、日本以及德国的申请量势均力敌，我国申请量占全球申请量的7%，且专利的申请主要聚集在近几年，颇有奋起直追的趋势。

3、具有蓄能装置的燃气轮机技术路线及发展过程

3.1 具有蓄能装置的燃气轮机技术路线

具有蓄能装置的燃气轮机装置领域发展已经较为成熟该技术起源于60年代，随着研究的深入，解决了气体存储、运行参数确定、快速响应等关键问题后，该技术于1978年投入生产。在80-90年代，申请人的讨论主要集中于提高能源利用率、扩大储气储气量，提升调峰的性能，此时的专利多数都是系统的改造，工艺的组合以及气体存储的研究。90年代末开始出现了新能源以及清洁能源的应用，不仅可以提升能源利用，还可以达到节能环保的作用，该应用为了以后发明人的研究扩宽了道路。进入21世纪以来，太阳能、风能、化学能相继引入到该领域，蓄能技术如蓄热器、蓄冷等传统蓄能方式引入，扩展了燃气轮机的蓄能范围以及，蓄能的用途。

3.2 具有蓄能装置的燃气轮机技术中技术布局发展

具有蓄能装置的燃气轮机技术存在的最主要的技术问题就是：如何实现调峰以及提高机组的能源利用率。整个技术发展路线基本都是围绕解决这个技术问题，其中在技术布局上针对该技术问题所采用的技术方案尤为典型。

在专利库中，SCIENTDESIGN公司其1962年公开的专利【US3037346A】中首次提出了利用压缩空气蓄能技术结合燃气轮机系统，用于调整能源的峰值。在该阶段的专利申请以及相关论文，都是在讨论该技术的可行性，为了提高系统的可行性以及灵活性，RICHARDSONSWESTGARTH公司于1966年在其专利【GB1042501A】提出多级压缩机，利用专门的压缩机供给储气室，并将储气室置于岩洞之中，大大降低了储气室的基建费用，但是该技术的应用过于依赖地形，不适于推广。随着20世纪60年代的技术积累，压缩空气蓄能在燃气轮机领域内的应用成为了可能。70年代初多个重点问题的解决，1978年德国HuntorfCAES电站是世界上第一座商业化运行的示范型CAES电站，在电站建成之前，为了解决系统运行的问题，ELECTRICITEDEFRANCE公司在其专利【US3631673A】中对系统的运行参数一级系统的节后进行了设定，并论述该设定对于能源利用的好处以及在调节用电高峰等方面的优势。此外，为了获得更好的经济效益，以及提高能源利用率，专利【DE20057226】首次提出利用基于燃气轮机的联合循环系统和压缩空气蓄能系统结合，调节电热冷分配，显著提高了系统的经济性以及调峰和能源结构的调整。随着德国HuntorfCAES电站的成功运行，其在能源空间以及时间利用上的优势，使得该技术越来越引起了世界的关注。尤其是在80年代以及90年代该技术发展越来越快，但由于空气在压缩过程会导致温度升高，在膨胀过程温度降低会导致能源的浪费，为了解决上述技术问题，【US4100745A】中增加了联合循环中汽轮机的蒸汽存储，并且利用蒸汽与压缩空气释放进行换热，提高了压缩空气的释放温度，从而提高了系统的效率；【US4686822A】中增加了扭矩换向器以及增加了回热换热装置，提高了系统的灵活性，回热换热器的增加，提高了系统的效率。在90年代末，国内的学者和公司纷纷注意到了燃气轮机蓄能技术在能源利用率以及调峰上的优势，开始加入到研究该课题的任务当中，【CN101289963A】中国内首次对压缩空气蓄能提出布局，设置了回热器以及低压燃烧室，但是创造性不足；【JP2002039694】中引入多级蓄热装置，利用多级蓄热槽，吸收压缩空气的热量，保证压缩空气液化，空气喷出后加热压缩空气用于高峰时系统的发电。

4、结论及技术发展趋势

随着接近50年的发展，燃气轮机蓄能技术已经逐渐成熟，专利申请量趋于稳定，其中在全球范围内美国申请量大大高于其他国家的申请量，体現了美国对具有蓄能装置的燃气轮机装置技术创新的重视。专利申请中针对具有蓄能装置的燃气轮机技术主要在系统布局、储气技术、能源形势以及新用途几个方面进行改进；当前的该技术发展方向主要包括提升系统理论的完备性实现系统趋于复杂化；扩大储气容量，进一步提升调峰填谷的能力，以适应当前能源时间利用的不协调以及新型蓄能方式的使用，其中在系统布局中尤为重视。

参考文献

[1] 压缩空气蓄能（CAES）电站及其现状和发展趋势，刘文毅等，《山东电力技术》，2007年第2期，10-14