CN105351018A - 带有熔盐储能供电供热的火力发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有熔盐储能供电供热的火力发电系统及方法，通过设置旁路蒸汽管路、高压冷凝器与熔盐加热器，可将因电网负荷变化而盈余出的蒸汽热能通过熔盐进行存储，在电网高峰负荷时通过熔盐储能发电子系统为电网供电参与调峰，由此不仅解决了电网调峰及电力设备利用率低等问题，而且保证了发电系统具有与现有火电机组相当的发电效率，具有既实现储能变负荷供电又保证高效发电的突出优势。

Description

带有熔盐储能供电供热的火力发电系统及方法
技术领域
本发明属于火力发电技术、具体涉及一种带有熔盐储能供电供热的火力发电系统及方法。
背景技术
随着人民生活水平提高和电力负荷快速增长，电网负荷峰谷差日益扩大。电力系统中电源及输配电设备均按照电网高峰负荷规划建设，但电网高峰负荷持续时间较短，导致为满足高峰负荷需求而规划建设的电力设备资产利用率低。此外，我国电源结构以火电为主，燃煤发电约占总发电量的75％，大量火电机组在非用电高峰时处于停机或低负荷运行状态，不仅使电力设备利用率低，也使发电机组运行可靠性变差、发电效率降低。故解决电网调峰问题，提高电力设备资产利用率和火电机组运行可靠性、效率是当前电力行业面临的重要问题。利用储能技术可大幅提高火电机组发电的总负荷系数和实际运行效率，增强电网的输电能力。因而，研究开发带有储能系统的火力发电技术是提高常规能源发电与输电效率、提高电力供应安全性和经济性的迫切需要。
在现有的各种储能技术中，熔盐显热蓄热技术具有技术成熟、蓄热成本低廉的优点，已具备大规模商业应用的能力，目前被广泛应用于太阳能热发电系统中。
目前有一种独立熔盐蓄热电站：其以混合熔盐作为蓄热工质，采用风电、光伏电等加热熔盐从而储热，再利用熔盐储热在需要时加热水产生水蒸气，水蒸气进而驱动蒸汽轮机及发电机实现熔盐蓄热发电。这种技术思路虽然达到了储存盈余电能从而对电网起到一定程度“削峰填谷”的作用，但因目前基于蒸汽朗肯循环的热→电能量转换效率为33～43％，其“电→热→电”的储能发电技术路线存在一定的缺点，即大量高品质电能在由热→电的转换过程中被浪费。该系统与火电机组耦合应用时，由于系统经历了二次由热→电过程(燃料放热→电→熔盐蓄热→电)，按超临界参数蒸汽朗肯循环热效率40％计，该系统总发电效率仅为16％，此时该系统发电效率低的缺点更为突出。考虑到我国电源结构以火电为主的现实，切实有效解决电网峰谷差等问题亟需更加高效合理的储能火力发电系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带有熔盐储能供电供热的火力发电系统及方法，既能解决电网调峰问题和电力设备资产利用率低问题，又能实现可靠、高效地发电。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一方面，一种带有熔盐储能供电供热的火力发电系统，包括：
火力发电子系统，包括火力发电机组和高压冷凝器，火力发电机组包括锅炉、第一发电机和第一汽轮机组，锅炉通过主蒸汽管路与第一汽轮机组相连，向第一汽轮机组输出蒸汽，第一汽轮机组通过旁路蒸汽管路与高压冷凝器相连，将部分蒸汽输至高压冷凝器，经高压冷凝器的热交换凝结成水，高压冷凝器通过旁路给水管路与锅炉相连，将凝结水输入锅炉；
熔盐储能发电子系统，包括第二发电机、第二汽轮机组、蒸汽发生器、熔盐加热器和冷、热熔盐罐，熔盐加热器一端通过循环管路与高压冷凝器相连，并通过中间循环工质进行热交换，熔盐加热器另一端通过与热熔盐罐、蒸汽发生器、冷熔盐罐相连形成熔盐循环回路，通过熔盐加热器将储存在冷熔盐罐内的熔盐加热形成热熔盐并储存在热熔盐罐内，热熔盐在蒸汽发生器内放热后形成冷熔盐再返回至冷熔盐罐，蒸汽发生器与第二汽轮机组相连，将蒸汽发生器产生的蒸汽输送至第二汽轮机组供其进行发电。
所述熔盐储能发电子系统还包括热网加热器，蒸汽发生器与热网加热器相连，通过蒸汽在热网加热器内的凝结放热，对城市热网直接供热。
所述中间循环工质为水或导热油。
所述火力发电机组为燃煤发电机组或燃用液体或气体燃料的火力发电机组。
所述旁路给水管路与第一汽轮机组的主给水管路相并接后再连至锅炉。
另一方面，一种带有熔盐储能供电供热的火力发电系统的发电方法，包括以下步骤：
a.由锅炉燃烧产生蒸汽，通过主蒸汽管路进入第一汽轮机组进行火力发电；
b.通过第一汽轮机组将部分蒸汽通过旁路蒸汽管路输至高压冷凝器，蒸汽在高压冷凝器内被中间循环工质冷却凝结成水，并通过旁路给水管路与来自第一汽轮机组的主给水管路内的锅炉给水混合后，共同为锅炉给水；
c.通过熔盐加热器将热交换后的热能存储在热熔盐罐内；
d.将热熔盐罐存储的热能用于蒸汽发生器产生蒸汽，供第二汽轮机组进行发电，在电网高峰负荷时为电网供电参与调峰。
在步骤b中，所述中间循环工质的冷端温度高于熔盐使用温度范围的低限。
所述中间循环工质的冷端温度在280～350℃范围。
在步骤d中，将蒸汽发生器产生蒸汽通过热网加热器直接对城市热网进行供热。
采用本发明的带有熔盐储能供电供热的火力发电系统及方法，具有如下优点：
1、能够在电网低谷负荷时将锅炉放热存储至熔盐罐内，因此锅炉可以长期运行在机组供电效率较高的高负荷状态下，因电网负荷变化而盈余出的蒸汽热能可予以储存，在电网高峰负荷时通过熔盐储能发电子系统为电网供电参与调峰。
2、储存在熔盐罐内的热能既可以通过加热水形成高温高压蒸汽进而带动熔盐储能发电子系统进行发电，也可以直接用以加热城市热网循环水从而进行供热，或者发电与供热联合运行。
3、使用高压凝汽器(其压力不低于2.5MPa)，既可简化系统流程减少工艺设备，同时也满足了熔盐安全可靠工作温度范围的要求。
4、避免了以往储能系统中“热→电→热”转换所带来的巨大能量损失，由此不仅解决了电网调峰及电力设备利用率低等问题，而且保证了发电系统具有与现有火电机组相当的发电效率，具有既实现储能变负荷供电又保证高效发电的突出优势。
5、工艺流程简便，工程可行性很好，无需研发新的发电设备主机锅炉和汽轮机就可以实现大型化工程应用。
6、因锅炉机组能够长期在热力性能最佳的高负荷状态下运行，既提高了火电机组发电效率从而获得发电经济效益和减排环保效益，也实现了提高电力设备资产利用率的目的，还具有减少锅炉机组故障风险和维护费用的效果。
附图说明
图1为本发明的带有熔盐储能供电供热的火力发电系统的原理图(燃煤实施例)。
具体实施方式
本发明的带有熔盐储能供电供热的火力发电系统如图1所示，其主要包括火力发电子系统(见图1左边虚线框)和熔盐储能发电子系统(见图1右边虚线框)，两个子系统之间由中间循环工质(工质可以为水，也可为导热油等流体)传递热量。
具体来说，所述火力发电子系统包括火力发电机组，该火力发电机组可采用图1中所示的我国广为应用的燃煤发电机组，当然还可以采用其它的燃用液体或气体燃料的火力发电机组。以燃煤发电机组为例，其主要包括锅炉、第一发电机1、第一汽轮机组2以及制粉系统、燃烧器7、送风机、除尘系统、脱硫系统、烟囱等，该火力发电子系统的工作原理与常规火力发电系统相同，主要是通过锅炉产生蒸汽，通过主蒸汽管路与第一汽轮机组2相连，向第一汽轮机组2输出蒸汽，进行火力发电，再将蒸汽冷凝后形成的水通过主给水管路4及第一给水泵3a返回至锅炉，作为锅炉给水。不同的是，该火力发电子系统还包括高压冷凝器5，在第一汽轮机组2上还设置了与高压冷凝器5相连的旁路蒸汽管路6，通过旁路蒸汽管路6将部分蒸汽输至高压冷凝器5，经高压冷凝器5的热交换凝结成水，再由高压冷凝器5通过旁路给水管路及第二给水泵3b与第一汽轮机组2的主给水管路4相并接后再输送至锅炉进行给水。
所述熔盐储能发电子系统的工作与现有太阳能热发电系统中的熔盐蓄热发电的工作原理相似，区别为本发明的热源来自于锅炉输出的蒸汽热能。具体来说，该熔盐储能发电子系统包括第二发电机9、第二汽轮机组10、蒸汽发生器11、熔盐加热器12和冷、热熔盐罐等，熔盐加热器12一端通过循环管路13与高压冷凝器5相连，并通过循环泵8及中间循环工质进行热交换，熔盐加热器12另一端通过与热熔盐罐、热盐泵14b、蒸汽发生器11、冷熔盐罐、冷盐泵14a相连形成熔盐循环回路，在电网低负荷时，通过熔盐加热器12将储存在冷熔盐罐内的熔盐加热形成热熔盐并储存在热熔盐罐内，在电网高负荷时，将热熔盐罐内的热熔盐输送至蒸汽发生器11，在蒸汽发生器11内放热，为蒸汽发生器供热产生蒸汽后形成冷熔盐再返回至冷熔盐罐，蒸汽发生器11与第二汽轮机组10相连，将蒸汽发生器产生的蒸汽输送至第二汽轮机组10的供其带动发电机进行发电。
作为一个实施例，所述熔盐储能发电子系统还包括热网加热器15，蒸汽发生器11与热网加热器15相连，通过蒸汽在热网加热器15内的放热，对城市热网直接供热。当然，熔盐放热也可以采用发电与供热同时进行。
所述中间循环工质可采用水或导热油。
该带有熔盐储能供电供热的火力发电系统的发电方法，主要包括以下步骤：
a.由锅炉燃烧产生蒸汽，通过主蒸汽管路进入第一汽轮机组2进行火力发电；
b.通过第一汽轮机组2将部分蒸汽通过旁路蒸汽管路6输至高压冷凝器5，蒸汽在高压冷凝器5内被中间循环工质冷却凝结成水，并通过旁路给水管路与来自第一汽轮机组2的主给水管路4内的锅炉给水混合后，共同为锅炉进行给水；
c.通过熔盐加热器12将热交换后的热能存储在热熔盐罐内；
d.将热熔盐罐存储的热能用于蒸汽发生器11产生蒸汽，供第二汽轮机组10进行发电，在电网高峰负荷时为电网供电参与调峰，还可将蒸汽发生器11产生蒸汽通过热网加热器15直接对城市热网进行供热。
为保证熔盐不凝固，中间循环工质的冷端温度需稍高于熔盐使用温度范围的低限。在本系统中，可选取给水泵出口的水温与第一汽轮机组2的给水温度相同或相近，从而使系统流程大为简化，工程可行性更佳。由此，中间循环工质的冷端温度为锅炉给水温度和高压凝汽器冷端传热端差之和。按常见大型火电机组的给水温度并选取合理的高压凝汽器冷端传热端差，可知中间循环工质的冷端温度在280～350℃范围之间，该温度处于当前混合熔盐常见的低限温度范围。因而，使用高压凝汽器即可简化整个系统流程、减少工艺设备，同时也满足了熔盐安全可靠工作温度范围的要求，因此图1所示的技术方案在工程应用中完全可行。
在本发明所述发电系统运行时，锅炉机组可以长期运行在机组供电效率较高的高负荷状态下，因电网负荷变化而盈余出的蒸汽热能可由熔盐储能发电子系统予以储存，在电网高峰负荷时通过熔盐储能发电子系统为电网供电参与调峰。储存在热熔盐罐中的热能既可以通过加热水形成高温高压蒸汽，进而带动第二汽轮机组10和第二发电机9进行发电，也可以直接用以加热城市热网循环水从而进行供热，或者发电与供热联合运行。
本发明的突出优点是：因于高压凝汽器、熔盐加热器12及中间循环工质的联合工作，锅炉输出蒸汽的显热及潜热均被回收储存至热熔盐罐中，相当于原有锅炉的有效利用热全部被熔盐储存。因而，本发明所述发电系统避免了以往储能系统中“热→电→热”转换所带来的巨大能量损失，由此不仅解决了电网调峰及电力设备利用率低等问题，而且保证了发电系统具有与现有火电机组相当的发电效率，具有既实现储能变负荷供电又保证高效发电的突出优势。
此外，采用高压凝汽器加热中间循环工质从而进行蓄热，避免了由锅炉烟气直接加热中间循环工质所带来的锅炉受热面系统复杂化和锅炉运行难以调节控制等问题。因此本发明所述系统的实现对现有的锅炉及汽轮机装置并无特殊要求，故本发明提出的技术方案具有工艺流程简便，工程可行性很好的优点，无需研发新的发电设备主机锅炉和汽轮机就可以实现大型化工程应用。
而且，因锅炉机组长期在热力性能最佳的高负荷状态下运行，既提高了火电机组发电效率从而获得节能经济效益和减排环保效益，也实现了提高电力设备资产利用率的目的，还具有减少锅炉机组故障风险和维护费用的效果。
虽然本发明多出了一套熔盐储能发电子系统，相应地增加了一部分电厂投资，但同时实现了在不新增新建机组的条件下，大幅提高发电厂供电能力，由此既省去了建设和维护调峰机组的费用，也省去了从外网送电从而保证电网安全的大笔电网建设费用。总体来看，本发明所述系统仍然具有显著的投资经济性。
但是，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种带有熔盐储能供电供热的火力发电系统，其特征在于，包括：
火力发电子系统，包括火力发电机组和高压冷凝器，火力发电机组包括锅炉、第一发电机和第一汽轮机组，锅炉通过主蒸汽管路与第一汽轮机组相连，向第一汽轮机组输出蒸汽，第一汽轮机组通过旁路蒸汽管路与高压冷凝器相连，将部分蒸汽输至高压冷凝器，经高压冷凝器的热交换凝结成水，高压冷凝器通过旁路给水管路与锅炉相连，将凝结水输入锅炉；
熔盐储能发电子系统，包括第二发电机、第二汽轮机组、蒸汽发生器、熔盐加热器和冷、热熔盐罐，熔盐加热器一端通过循环管路与高压冷凝器相连，并通过中间循环工质进行热交换，熔盐加热器另一端通过与热熔盐罐、蒸汽发生器、冷熔盐罐相连形成熔盐循环回路，通过熔盐加热器将储存在冷熔盐罐内的熔盐加热形成热熔盐并储存在热熔盐罐内，热熔盐在蒸汽发生器内放热后形成冷熔盐再返回至冷熔盐罐，蒸汽发生器与第二汽轮机组相连，将蒸汽发生器产生的蒸汽输送至第二汽轮机组供其进行发电。
2.根据权利要求1所述的带有熔盐储能供电供热的火力发电系统，其特征在于：所述熔盐储能发电子系统还包括热网加热器，蒸汽发生器与热网加热器相连，通过蒸汽在热网加热器内的放热对城市热网直接供热。
3.根据权利要求1所述的带有熔盐储能供电供热的火力发电系统，其特征在于：所述中间循环工质为水或导热油。
4.根据权利要求1所述的带有熔盐储能供电供热的火力发电系统，其特征在于：所述火力发电机组为燃煤发电机组或燃用液体或气体燃料的火力发电机组。
5.根据权利要求1所述的带有熔盐储能供电供热的火力发电系统，其特征在于：所述旁路给水管路与第一汽轮机组的主给水管路相并接后再连至锅炉。
6.一种如权利要求1中所述的带有熔盐储能供电供热的火力发电系统的发电方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.由锅炉燃烧产生蒸汽，通过主蒸汽管路进入第一汽轮机组进行火力发电；
b.通过第一汽轮机组将部分蒸汽通过旁路蒸汽管路输至高压冷凝器，蒸汽在高压冷凝器5内被中间循环工质冷却凝结成水，并通过旁路给水管路与来自第一汽轮机组的主给水管路内的锅炉给水混合后，共同为锅炉进行给水；
c.通过熔盐加热器将热交换后的热能存储在热熔盐罐内；
d.将热熔盐罐存储的热能用于蒸汽发生器产生蒸汽，供第二汽轮机组进行发电，在电网高峰负荷时为电网供电参与调峰。
7.根据权利要求6所述的发电方法，其特征在于：在步骤b中，所述中间循环工质的冷端温度高于熔盐使用温度范围的低限。
8.根据权利要求6所述的发电方法，其特征在于：所述中间循环工质的冷端温度在280～350℃之间。
9.根据权利要求6所述的发电方法，其特征在于：在步骤d中，将蒸汽发生器产生蒸汽通过热网加热器直接对城市热网进行供热。
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