CN107327322B - 一种燃机-煤机耦合发电系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃机‑煤机耦合发电系统及其运行方法。目前，燃煤机组的负荷响应速率低于燃机，特别是遇到特高压故障冲击时，其快速调频能力明显不足。本发明采用的技术方案为：煤机锅炉设有主燃烧器区二次风风箱、燃尽风风箱、炉膛烟气风箱和尾部烟道烟气风箱；所述燃机的烟气母管通过烟道分别与所述的主燃烧器区二次风风箱入口、燃尽风风箱入口、炉膛烟气风箱入口和尾部烟道烟气风箱入口连接。本发明将燃机排出的高温烟气直接送入煤机锅炉作为助燃空气，提高了燃机余热的发电效率；给煤机锅炉输入额外热源，降低了煤机的燃煤消耗量；在最大程度降低燃气/燃油消耗的同时，仍然使机组具备对电网的即时负荷快速响应能力。

Description

一种燃机-煤机耦合发电系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及发电机组，具体地说是一种燃机-煤机耦合发电系统及其运行方法。
背景技术
当前，由于环境保护的需求，需要控制燃煤消耗总量，国家亦严格限制了新建燃煤发电机组的规模，特别是沿海地区，某些省份甚至禁止了新建燃煤发电机组。然而，随着社会经济水平的发展，社会用电量必然趋于增长。可再生的风能、太阳能等新兴清洁能源发电虽然装机量大幅增长，但由于其发电利用小时数低，负荷可控性差，难以适应社会用电量的持续稳定增长及用电负荷随时间的动态变化过程。另外，特高压电网的高速发展给受端电网的安全运行带来了不安定因素，需要受端电网具备灵活、快速的负荷响应能力。
燃机(燃气或燃油)发电具备启停灵活、负荷响应快的特点，但受制于当前相对昂贵的燃气/燃油价格，其年利用小时数相对偏低，并且机组启停频繁，进一步降低了燃机发电的经济性及使用寿命。现有燃煤发电虽然受到了新兴清洁能源发电的冲击，但由于我国煤炭资源相对丰富、燃煤发电成本相对较低，仍是我国当前乃至今后相当长时间内最主要的发电方式。然而，燃煤机组的负荷响应速率低于燃机，对电网调频响应的能力相对较弱，特别是遇到特高压故障冲击时，其快速调频能力明显不足。因此，有必要综合燃机与燃煤发电各自的优点，开发一种负荷响应速率快、经济性较好的燃机-煤机耦合发电系统。
常规燃机发电为了提高发电效率，通常均为联合循环发电方式，燃机排出的烟气通过余热锅炉加热给水至合格的蒸汽参数后再推动蒸汽轮机发电。但燃机排出的烟气温度，通常为600℃左右，当需要将给水加热至550℃左右的蒸汽时，其所需换热面积巨大，因此，余热锅炉占地大、造价高。另外，联合循环发电还需一整套额外的蒸汽轮机发电系统，包括汽轮机主机以及加热器、除氧器、凝汽器等辅机，这进一步增加了联合循环系统的投资成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种综合燃机和煤机发电各自优点的燃机-煤机耦合发电系统，燃机排出的高温烟气直接送入煤机锅炉作为助燃空气，以提高燃机余热的发电效率；给煤机锅炉输入额外热源，以降低煤机的燃煤消耗量；在最大程度降低燃气/燃油消耗的同时，仍然可使机组具备对电网的即时负荷快速响应能力。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种燃机-煤机耦合发电系统，包括燃机和煤机锅炉，所述的煤机锅炉设有主燃烧器区二次风风箱、燃尽风风箱、炉膛烟气风箱和尾部烟道烟气风箱；
所述燃机的烟气母管通过烟道分别与所述的主燃烧器区二次风风箱入口、燃尽风风箱入口、炉膛烟气风箱入口和尾部烟道烟气风箱入口连接；
用于将燃机高温烟气送入煤机锅炉内的主燃烧器区二次风风箱、燃尽风风箱、炉膛烟气风箱以及尾部烟道烟气风箱为并联布置。
本发明将燃机排出的高温烟气直接送入煤机锅炉作为助燃空气，提高了燃机余热的发电效率；给煤机锅炉输入额外热源，降低了煤机的燃煤消耗量；在最大程度降低燃气/燃油消耗的同时，仍然使机组具备对电网的即时负荷快速响应能力。
进一步地，所述的主燃烧器区二次风风箱入口处设有二次热风量第一调节挡板，通过二次热风量第一调节挡板调节进入主燃烧器区二次风风箱中的二次热风量。
进一步地，所述的主燃烧器区二次风风箱入口处设有烟气量第一调节挡板，通过烟气量第一调节挡板调节进入主燃烧器区二次风风箱中的烟气量。
进一步地，所述的燃尽风风箱入口处设有二次热风量第二调节挡板，通过二次热风量第二调节挡板调节进入燃尽风风箱中的二次热风量。
进一步地，所述的燃尽风风箱入口处设有烟气量第二调节挡板，通过烟气量第二调节挡板调节进入燃尽风风箱中的烟气量。
进一步地，所述的炉膛烟气风箱入口处设有烟气量第三调节挡板，通过烟气量第三调节挡板调节进入炉膛烟气风箱中的烟气量。
进一步地，所述的尾部烟道烟气风箱入口处设有烟气量第四调节挡板，通过烟气量第四调节挡板调节进入尾部烟道烟气风箱中的烟气量。
本发明还提供上述燃机-煤机耦合发电系统的运行方法，其包括：
来自燃机烟气母管的烟气通过烟道混入煤机锅炉主燃烧器区二次风风箱，与来自二次热风母管的二次风混合后以混合气流的形式喷入煤机锅炉炉膛作为煤粉燃烧之用；
来自燃机烟气母管烟气通过烟道混入煤机锅炉燃尽风风箱，与来自二次热风母管的二次风混合后以混合燃尽风的形式喷入煤机锅炉炉膛作为煤机锅炉炉膛内未燃尽物质的助燃空气；
来自燃机烟气母管的烟气通过烟道进入单独的炉膛烟气风箱，主要作为额外热源的形式喷入炉膛内；
来自燃机烟气母管的烟气通过烟道进入单独的尾部烟道烟气风箱，仅作为额外热源的形式喷入炉膛内；
喷入炉膛内的燃机烟气本身即已起到煤机锅炉额外热源的作用，同时沿着煤机锅炉烟气流程，越早喷入炉膛的燃机烟气越能起到助燃的作用；
通过上述四种形式喷入炉膛的燃机烟气量通过对应的烟气量调节挡板进行调节匹配，以适应煤机锅炉内燃烧、传热的实际需要。
高烟气氧含量的燃机高温烟气可以通过煤机煤锅炉主燃烧器区二次风箱、燃尽风箱、炉膛烟气风箱、尾部烟道烟气风箱为序送入煤机锅炉内作为煤粉的助燃气体及额外热源。
进一步地，当燃机烟气中的氧含量在12-18%时，来自燃机烟气母管的燃机烟气分成四部分烟气，分别进入主燃烧器区二次风风箱、燃尽风风箱、炉膛烟气风箱以及尾部烟道烟气风箱中，再喷入炉膛内，并以烟气量主要进入主燃烧器区二次风风箱和燃尽风风箱更为有效。
进一步地，当燃机烟气中的氧含量在4-8%时，来自燃机烟气母管的燃机烟气主要分成两部分烟气，分别进入炉膛烟气风箱以及尾部烟道烟气风箱中，再喷入炉膛内；此时若需要提高燃尽风动量以利于煤机锅炉尾部燃尽，还可以将该部分烟气适量导入燃尽风风箱。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明的燃机-煤机耦合发电系统，仅需要燃机本体及附属子系统，余热利用依靠煤机锅炉，而不需要额外的余热锅炉及蒸汽轮机发电系统，投资大幅降低。
2.常规燃机发电为了控制燃烧NOx的生成以及叶片冷却的需要，通常排烟中的氧量很高，循环发电方式中，烟气氧含量通常在15%左右，相对于煤机5%左右的烟气氧含量，其排烟热损失相当大。本发明将燃机烟气耦合进煤机锅炉后，由于燃煤燃烧需要进一步耗氧，因此燃机烟气中的氧量可以被进一步消耗，尾部混合烟气的氧量相对于燃机可以大幅降低，从而降低该部分热损失；另外，燃机烟气助燃的作用也降低了煤机锅炉热风的消耗量，其风机功耗可以显著降低。
3.常规燃机联合循环发电方式中，汽机侧热效率大致为44%左右，余热锅炉效率则为84%左右，如此，燃机排烟的余热发电效率约为37%左右。本发明将燃机烟气送入煤机锅炉中，由于煤粉的燃烧加热，能量品位得到提高，其可以接近煤机效率进行发电，以百万燃煤机组为例，其汽机发电热效率可以达到约49%，锅炉效率可在93%以上，则该部分余热的发电效率可显著高于37%。
4.本发明采用的耦合发电系统不仅提高了燃机余热的发电效率，而且由于对煤机锅炉输入了额外的外来热源，也降低了煤机的燃煤消耗量。
5.采用本发明的耦合发电系统后，同等上网负荷下，煤机运行负荷率虽有所降低，但运行稳定性尚可，不用似燃机那般频繁启停。单独燃机耦合进煤机发电后，由于单独燃机的负荷响应速率相对煤机及燃机联合循环系统可以更快，当燃机以部分负荷耦合进煤机运行时，单独燃机发电的负荷调节速率及调节范围可以达到比较理想的水平，这在最大程度降低燃气/燃油消耗的同时，仍然使得机组具备了对电网的即时负荷快速响应能力。
6.燃机联合循环在低负荷运行时，燃烧生成的NOx显著升高，由于大部分联合循环机组不设置脱硝装置，因此不能长期低负荷运行；另一方面，燃机低负荷运行时，热效率降低，排烟温度升高，很容易造成余热锅炉蒸汽超温。而煤机本身必须具备脱硝装置，因此，即使燃机低负荷时燃烧生成NOx增多，本发明的耦合发电系统也不会造成NOx排放问题；另外，燃机低负荷时，热效率降低，虽然排烟温度升高，但该温度值相对于煤机锅炉内部燃烧温度而言仍然很低，完全不会造成煤机侧锅炉蒸汽超温。
7.当前电网对煤机的一次调频要求升高，致使煤机汽轮机前调阀关小，造成大量的节流损失，显著影响了煤机的经济性。若采用本发明的耦合发电系统，则由于燃机具有良好的调频能力，如此煤机的一次调频要求可以下降，即煤机汽轮机前的调阀开度可以相对开大甚至全开，以提高其经济性。
附图说明
图1为本发明耦合发电系统的结构示意图；
图中，1-烟气量第三调节挡板；2-二次热风量第二调节挡板；3-烟气量第二调节挡板；4-二次热风量第一调节挡板；5-烟气量第一调节挡板；6-主燃烧器区二次风风箱；7-燃尽风风箱；8-炉膛烟气风箱；9-烟气量第四调节挡板；10-尾部烟道烟气风箱，11-二次热风母管接口。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示的燃机-煤机耦合发电系统，其由燃机和煤机锅炉耦合而成，所述的煤机锅炉设有主燃烧器区二次风风箱6、燃尽风风箱7、炉膛烟气风箱8和尾部烟道烟气风箱10。
所述的主燃烧器区二次风风箱6入口处设有二次热风量第一调节挡板4和烟气量第一调节挡板5。所述的燃尽风风箱7入口处设有二次热风量第二调节挡板2和烟气量第二调节挡板3。所述的炉膛烟气风箱8入口处设有烟气量第三调节挡板1。所述的尾部烟道烟气风箱10入口处设有烟气量第四调节挡板9。
所述燃机的烟气母管通过烟气量第一调节挡板5、烟气量第二调节挡板3、烟气量第三调节挡板1和烟气量第四调节挡板9分别与主燃烧器区二次风风箱6入口、燃尽风风箱7入口、炉膛烟气风箱8入口和尾部烟道烟气风箱10入口连接。
用于将燃机高温烟气送入煤机锅炉内的主燃烧器区二次风风箱6、燃尽风风箱7、炉膛烟气风箱8以及尾部烟道烟气风箱10为并联布置。
本发明耦合发电系统的运行方法如下：
以分级燃烧煤粉锅炉为例。燃气/燃油以及空气被送入燃机系统燃烧膨胀做功发电，燃烧后从燃机尾部排出的烟气进入燃机烟气母管。以当前常规的燃机为例，为了控制燃烧NOx以及叶片冷却的需要，通常其排烟中的氧含量在15%左右，因此，该部分烟气完全可以混入煤机炉膛作为煤粉燃烧所需氧量的来源之一。
来自燃机烟气母管的第一部分烟气通过烟气量第一调节挡板5混入煤机锅炉主燃烧器区二次风风箱，与经过二次热风量第一调节挡板4来自二次热风母管的二次风混合后以混合气流的形式喷入煤机锅炉炉膛，作为煤粉燃烧之用；来自燃机烟气母管的第二部分烟气通过烟气量第二调节挡板3混入煤机锅炉燃尽风风箱，与经过二次热风量第二调节挡板2来自二次热风母管的二次风混合后以混合燃尽风的形式送入煤机锅炉炉膛，作为煤机炉膛内未燃尽物质的助燃空气；来自燃机烟气母管的第三部分烟气通过烟气量第三调节挡板1进入单独的炉膛烟气风箱，主要作为额外热源的形式喷入炉膛内；来自燃机烟气母管的第四部分烟气通过烟气量第四调节挡板9进入单独的尾部烟道烟气风箱，仅作为额外热源的形式喷入炉膛内。喷入炉膛内的燃机烟气本身即已起到煤机锅炉额外热源的作用，同时沿着煤机锅炉烟气流程，越早喷入炉膛的燃机烟气越能起到助燃的作用。
通过上述四种形式喷入炉膛的燃机烟气量分别可以通过烟气量第一、二、三、四调节挡板进行调节匹配，以适应煤机锅炉内燃烧、传热的实际需要。原则上，氧含量越高的燃机排烟，越可优先通过煤机锅炉烟气流程越上游的位置送入炉膛。燃机烟气混合入煤机锅炉对煤机锅炉而言，既起到了额外热源的作业，也可以起到煤粉助燃的作用。由于煤机锅炉输入了额外的热源，因此在一定的锅炉负荷下，进入磨煤机的煤量可以减少，如此也就降低了燃煤的消耗量。混入燃机烟气的煤机锅炉经过煤粉的继续加热，所产生的蒸汽推动煤机原有的大型、高效汽轮机，作为除燃机发电外的另一个发电通道。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (9)

1.一种燃机-煤机耦合发电系统的运行方法，所述的燃机-煤机耦合发电系统包括燃机和煤机锅炉，所述的煤机锅炉设有主燃烧器区二次风风箱(6)、燃尽风风箱(7)、炉膛烟气风箱(8)和尾部烟道烟气风箱(10)；所述燃机的烟气母管通过烟道分别与所述的主燃烧器区二次风风箱(6)入口、燃尽风风箱(7)入口、炉膛烟气风箱(8)入口和尾部烟道烟气风箱(10)入口连接；用于将燃机高温烟气送入煤机锅炉内的主燃烧器区二次风风箱(6)、燃尽风风箱(7)、炉膛烟气风箱(8)以及尾部烟道烟气风箱(10)为并联布置；其特征在于，
所述燃机-煤机耦合发电系统的运行方法包括：
来自燃机烟气母管的烟气通过烟道混入煤机锅炉主燃烧器区二次风风箱，与来自二次热风母管的二次风混合后以混合气流的形式喷入煤机锅炉炉膛作为煤粉燃烧之用；
来自燃机烟气母管的烟气通过烟道混入煤机锅炉燃尽风风箱，与来自二次热风母管的二次风混合后以混合燃尽风的形式喷入煤机锅炉炉膛作为煤机锅炉炉膛内未燃尽物质的助燃空气；
来自燃机烟气母管的烟气通过烟道进入单独的炉膛烟气风箱，主要作为额外热源的形式喷入炉膛内；
来自燃机烟气母管的烟气通过烟道进入单独的尾部烟道烟气风箱，仅作为额外热源的形式喷入炉膛内；
喷入炉膛内的燃机烟气本身即已起到煤机锅炉额外热源的作用，同时沿着煤机锅炉烟气流程，越早喷入炉膛的燃机烟气越能起到助燃的作用；
通过上述四种形式喷入炉膛的燃机烟气量通过对应的烟气量调节挡板进行调节匹配，以适应煤机锅炉内燃烧、传热的实际需要。
2.根据权利要求1所述的燃机-煤机耦合发电系统的运行方法，其特征在于，所述的主燃烧器区二次风风箱(6)入口处设有二次热风量第一调节挡板(4)。
3.根据权利要求1所述的燃机-煤机耦合发电系统的运行方法，其特征在于，所述的主燃烧器区二次风风箱(6)入口处设有烟气量第一调节挡板(5)。
4.根据权利要求1所述的燃机-煤机耦合发电系统的运行方法，其特征在于，所述的燃尽风风箱(7)入口处设有二次热风量第二调节挡板(2)。
5.根据权利要求1所述的燃机-煤机耦合发电系统的运行方法，其特征在于，所述的燃尽风风箱(7)入口处设有烟气量第二调节挡板(3)。
6.根据权利要求1所述的燃机-煤机耦合发电系统的运行方法，其特征在于，所述的炉膛烟气风箱(8)入口处设有烟气量第三调节挡板(1)。
7.根据权利要求1所述的燃机-煤机耦合发电系统的运行方法，其特征在于，所述的尾部烟道烟气风箱(10)入口处设有烟气量第四调节挡板(9)。
8.根据权利要求1所述的燃机-煤机耦合发电系统的运行方法，其特征在于，当燃机烟气中的氧含量在12-18%时，来自燃机烟气母管的燃机烟气分成四部分烟气，分别进入主燃烧器区二次风风箱、燃尽风风箱、炉膛烟气风箱以及尾部烟道烟气风箱中，再喷入炉膛内，并以烟气量主要进入主燃烧器区二次风风箱和燃尽风风箱更为有效。
9.根据权利要求1所述的燃机-煤机耦合发电系统的运行方法，其特征在于，当燃机烟气中的氧含量在3-7%时，来自燃机烟气母管的燃机烟气主要分成两部分烟气，分别进入炉膛烟气风箱以及尾部烟道烟气风箱中，再喷入炉膛内；此时若需要提高燃尽风动量以利于煤机锅炉尾部燃尽，将该部分烟气适量导入燃尽风风箱。
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