CN108183495A - 一种锅炉富氧燃烧结合电解制氢调峰调频设备的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锅炉富氧燃烧结合电解制氢调峰调频设备的系统，包括电厂集控调峰调频控制模块、锅炉富氧燃烧模块、电解制氢调峰调频设备。此系统不但可增强锅炉本身的减负荷能力，可以使得机组一年四季可以随时进行深度调峰调频操作，从而极大地增加火电机组的灵活性，广泛适用于热电联产机组或纯凝机组，而且通过电厂内部提供清洁燃料，环境污染小，实现了电厂资源的有效利用，提高了电厂的经济性。
Description
技术领域
本发明涉及火力发电技术领域，特别涉及一种锅炉富氧燃烧结合电解制氢调峰调频设备的系统及其方法。
背景技术
在中国三北地区电力市场容量富裕，燃机、抽水蓄能等可调峰调频电源稀缺，电网调峰调频与火电机组灵活性之间矛盾突出，电网消纳风电、光电、水电及核电等新能源的能力不足，弃风、弃光、弃水和弃核现象严重。
现有技术中热电联产机组包括锅炉、汽轮机、发电机、凝汽器、除氧器、电网，“以热定电”方式运行，冬季由于热电耦合造成供热机组调峰调频能力仅为10％左右。随着能源局在2016年开展的22个火电灵活性示范项目的实施，未来冬季调峰调频可以得到一定程度的缓解。但是在夏季除了机组降负荷或停机之外如何调峰调频，特别是增加夏季调峰调频的同时保证火电厂的经济性，是摆在众多火电厂面前的一个难题。
夏季及冬季火电机组在启停及低负荷稳燃时需消耗大量燃油。近年来，我国火电行业普遍采用等离子、气化小油枪等点火稳燃技术，以节约燃油。这些技术由于其内在机理的原因，面对煤种多样性的特殊国情，在实际应用中存在一定的局限。近年来，富氧点火稳燃技术在国内个别电厂进行了成功的技改，克服了等离子、气化小油枪等传统节油点火技术煤种适应性狭窄、运行不稳、燃尽率偏低的技术难点，可适用于烟煤、贫煤、无烟煤，运行稳定，节油幅度大。
近年来，随着清洁能源发电需求的日益增长，氢气逐渐成为电能存储的理想载体。电解水制氢是一种高效、清洁的制氢技术，其制氢工艺简单，产品纯度高，氢气、氧气纯度一般可达99.9％，是最有潜力的大规模制氢技术。通过将清洁能源发电经过电解水制氢技术，将清洁能源产生的电能转化为氢能进行储存，将产生的氧气用于锅炉低负荷的富氧燃烧稳燃，一方面解决了在夏季除了机组降负荷或停机之外如何调峰调频，另一方面也实现了电厂能源的有效利用，必将成为未来火电灵活性调峰和电网调频的一种有利手段。
发明内容
本发明创新性地将锅炉富氧燃烧技术和电解制氢制氧调峰调频技术进行了结合，通过电厂集控调峰调频控制模块获取当前电网对电厂的需求电负荷数据，并基于电厂的需求电负荷数据对锅炉富氧燃烧模块或/和电解制氢调峰调频设备下达增减负荷指令，达到机组深度调峰调频的目的。利用本发明的系统可以最低成本地实现机组深度调峰调频，而且可以达到任意时间进行电力调峰调频的效果。另一方面通过电厂内部提供清洁燃料，环境污染小，同时实现了电厂资源的有效利用，提高了电厂的经济性。
为达到本发明的所述的目的，采用以下技术方案：
一种锅炉富氧燃烧结合电解制氢调峰调频设备的系统，所述系统包括：
电厂集控调峰调频控制模块，用于获取电网的当前需求负荷，并与电厂的实时发电量进行比对，根据比对结果，对厂内的设备下达调峰调频指令；
锅炉富氧燃烧模块，包括低负荷富氧燃烧稳燃装置，与电厂集控调峰调频控制模块连接，用于在电厂集控调峰调频控制模块下达增减负荷操作指令时，通过控制锅炉燃料增减来调节锅炉负荷，在锅炉低负荷情况下投入低负荷富氧燃烧稳然装置进行锅炉稳燃；
电解制氢调峰调频设备，包括电解制氢装置，分别与电厂集控调峰调频控制模块和低负荷富氧燃烧稳燃装置连接，用于向低负荷富氧燃烧稳燃装置输送氢气燃料或氧气，并且在电厂集控调峰调频控制模块下达增减负荷操作指令时，通过调节电解制氢装置的耗电功率调节机组负荷。
进一步，所述的电解制氢调峰调频设备还包括氧气罐，分别连接电解制氢装置和低负荷富氧燃烧稳燃装置，将电解制氢装置产生的氧气进行存储，用于向低负荷富氧燃烧稳燃装置输送氧气。
进一步，所述的电解制氢调峰调频设备还包括氢气罐，分别连接电解制氢装置和低负荷富氧燃烧稳燃装置，将电解制氢装置产生的氢气进行存储，用于向低负荷富氧燃烧稳燃装置输送氢气。
进一步，在电厂集控调峰调频控制模块下达减负荷指令时，通过低负荷下投入锅炉富氧燃烧模块或增加电解制氢装置的耗电功率，达到机组减负荷的目的。
进一步，在电厂集控调峰调频控制模块下达减负荷指令时，首先由锅炉减负荷，则锅炉通过减少燃料供给量将锅炉负荷降到预设值X时，投入低负荷富氧燃烧稳燃装置，使机组负荷降低到低负荷稳燃的下限值Y，再增加电解制氢装置的耗电功率，将机组剩余的发电量全部供给电解制氢装置，从而实现对外上网电量减少的目的。
进一步，所述的低负荷富氧燃烧稳然装置包括氧气输送装置、燃料输送装置、富氧燃烧器、自动控制系统，所述氧气输送装置的氧气来自电解制氢装置制备，或者来自外部购买的氧气钢瓶。
进一步，所述燃料输送装置中的燃料为燃油、燃气、氢气、煤粉中的任意一种。
进一步，所述电解制氢装置是碱性水溶液电解制氢槽、质子膜电解槽、固体聚合物电解槽或高温固体氧化物电解槽中的至少一种。
进一步，所述氧气罐将氧气以高压气态形式或低温液氧形式进行存储。
进一步，所述氢气罐将氢气以氢油形式、高压气态形式、超低温液氢形式中至少一种进行存储。
本发明的调峰调频系统，通过锅炉富氧燃烧模块和电解制氢调峰调频设备的结合，可以达到下面有益效果：
1.可以利用电解制氢调峰调频设备获得免费的纯氧，极大降低富氧燃烧模块的运行费用；
2.可以利用低负荷富氧燃烧稳燃装置与电解制氢调峰调频设备相结合，从而达到最大深度调峰调频的效果。同时电力电解制氢制氧，变相利用了弃风弃光电力，氧气或氢气的制取电费成本接近于零，提高经济性；
3.利用电解制氢制备的氢气送入锅炉内的富氧燃烧模块，降低了富氧燃烧的燃料成本；
4.利用氢气的高热值和易燃性，结合氧气使得富氧燃烧的稳燃效果更佳。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的一种锅炉富氧燃烧结合电解制氢调峰调频设备的系统的结构示意图；
图2是本发明第一实施例提供电厂集控调峰调频控制模块的结构示意图；
图3是本发明第一实施例提供的一种锅炉富氧燃烧结合电解制氢调峰调频设备的系统的调峰调频方法的流程图；
图4是本发明第二实施例提供的一种锅炉富氧燃烧结合电解制氢调峰调频设备的系统的调峰调频方法的流程图；
图5是本发明第四实施例提供的一种锅炉富氧燃烧结合电解制氢调峰调频设备的系统的结构示意图；
附图标记：
1为锅炉、2为汽轮机、3为发电机、4为电网、5为凝汽器、6为除氧器、7为低负荷富氧燃烧稳然装置、8为电解制氢装置、9为氧气罐、10为氢气罐、11为对外销售纯氧模块、12为氢气供给管路、13为电厂集控调峰调频控制模块、14为氢气对外输出模块、15为氧气供给管路、131为获取模块、132为判断模块、133为控制模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1
如图1所示，一种锅炉富氧燃烧结合电解制氢调峰调频设备的系统，所述系统包括：
电厂集控调峰调频控制模块，用于获取电网的当前需求负荷，并与电厂的实时发电量进行比对，根据比对结果，对厂内的设备下达调峰调频指令；
锅炉富氧燃烧模块，包括低负荷富氧燃烧稳燃装置，与电厂集控调峰调频控制模块连接，用于在电厂集控调峰调频控制模块下达增减负荷操作指令时，通过控制锅炉燃料增减来调节锅炉负荷，在锅炉低负荷情况下投入低负荷富氧燃烧稳然装置进行锅炉稳燃；
电解制氢调峰调频设备，包括电解制氢装置，分别与电厂集控调峰调频控制模块和低负荷富氧燃烧稳燃装置连接，用于向低负荷富氧燃烧稳燃装置输送氢气燃料或氧气，并且在电厂集控调峰调频控制模块下达增减负荷操作指令时，通过调节电解制氢装置的耗电功率调节机组负荷。
具体的，所述的电解制氢调峰调频设备还包括氧气罐9、氢气罐10、氧气供给管路15以及氢气供给管路12。其中，所述的氧气罐9分别连接电解制氢装置8和低负荷富氧燃烧稳燃装置7，将电解制氢装置产生的氧气进行存储，用于向低负荷富氧燃烧稳燃装置7输送氧气。所述的氢气罐10分别连接电解制氢装置8和低负荷富氧燃烧稳燃装置7，将电解制氢装置产生的氢气进行存储，用于向低负荷富氧燃烧稳燃装置7输送氢气。
其中，如图2所示，所述的电厂集控调峰调频控制模块13包括：
获取模块131，用于获取电网的当前需求负荷；
判断模块132，用于将当前电网对电厂的需求电负荷数据与电厂的实时发电量进行比对，判断需要机组增减负荷；
控制模块133，根据所述判断模块的判定结果控制锅炉富氧燃烧模块和/或电解制氢调峰调频设备。
具体的，电厂集控调峰调频控制模块13获取电网的当前需求负荷，并与电厂的实时发电量进行比对，根据比对结果，对厂内的设备下达调峰调频指令。在电厂集控调峰调频控制模块13下达增/减负荷指令时，通过控制低负荷富氧燃烧稳然装置7或调节电解制氢装置8的耗电量调节机组负荷，达到机组增减负荷的目的。
如图3所示，一种锅炉富氧燃烧结合电解制氢调峰调频设备的系统的调峰调频的方法包括：
步骤S11：电厂集控调峰调频模块13获取当前电网对电厂的需求负荷数据；
步骤S12：电厂集控调峰调频模块13将当前电网对电厂的需求负荷数据与电厂的实时发电量进行比对；
步骤S13：判断电厂是否需要减少发电负荷；如果是，则执行步骤S14，如果否，则执行步骤S15；
步骤S14：通过增加电解制氢装置的耗电量，增加氢气或氧气供给富氧燃烧模块；控制低负荷富氧燃烧稳然装置投入。
步骤S15：通过增加锅炉燃料供给量；减少电解制氢装置的耗电量或完全切除；富氧燃烧模块增加燃料供给量或者完全切除。
具体的，以减负荷为例，在电网用电量较低时，需要机组进行减负荷调整。在电厂集控调峰调频控制模块13下达减负荷指令时，通过投入低负荷富氧燃烧稳然装置7或调节电解制氢装置8的耗电量，来达到机组减负荷的目的，从而实现调峰。
在电网用电量较低时，如果单一通过低负荷富氧燃烧稳然装置7或调节电解制氢装置8的耗电量不能满足要求时，需要两者进行结合进行深入调峰调频。当两者进行结合时，其中，所述的低负荷富氧燃烧稳然装置7的控制和电解制氢装置8的耗电量的调节没有先后顺序。根据电网对电厂响应调峰调频时间、幅度、深度的要求，以及此时系统中的氢气罐或氧气罐内储存气体量的情况，在电厂集控调峰调频控制模块下达减负荷指令时，首先通过控制低负荷富氧燃烧稳然装置7的投入，使机组负荷降低到M，再通过增加电解制氢装置8耗电量，继续降低机组发电负荷；或者首先通过增加电解制氢装置8耗电量，使机组负荷降低到N，再通过控制低负荷富氧燃烧稳然装置7的投入，达到调峰调频的目的。
其中预设值M、N根据实际需要进行设定，例如可以取机组负荷的30％-60％,上述数值仅列举一定的范围，但本发明不限于上述范围。
类似的，在电厂需要进行增负荷时，在电厂集控调峰调频控制模块13下达增负荷指令时，通过控制低负荷富氧燃烧稳然装置7切除和/或减少电解制氢装置8的耗电量，进行深入调峰调频。
本实施例中，所述锅炉富氧燃烧模块的氧气供给采用电解制氢的产生的氧气，通过专门的氧气罐9和氧气供给管路15将电解制氢装置与富氧燃烧模块进行连接。
本实施例中，所述锅炉富氧燃烧模块的燃料可采用电解制氢的产生的氢气，通过专门的氢气罐10和氢气供给管路12将电解制氢装置与富氧燃烧模块进行连接。
所述的低负荷富氧燃烧稳然装置7包括氧气输送装置、燃料输送装置、富氧燃烧器、自动控制系统。
需要说明的是，所述氧气输送装置的氧气可以来自电解制氢装置制备，或者来自外部购买的氧气钢瓶。所述燃料输送装置中的燃料可以为燃油、燃气、氢气、煤粉中的任意一种。
具体的，所述的锅炉富氧燃烧模块可以引入电解制氢装置8中产生的氧气，实现资源的有效利用。其中所述的锅炉富氧燃烧模块可以引入电解制氢装置8中产生的氢气作为燃料供给，这样的富氧燃烧器的燃烧稳定性更好，燃烧成本最低，并且采用清洁燃料，环境污染小。
进一步，所述电解制氢装置8是碱性水溶液电解制氢槽、质子膜电解槽、固体聚合物电解槽或高温固体氧化物电解槽中的至少一种。
所述氧气罐9将氧气以高压气态形式或低温液氧形式进行存储。所述氢气罐10将氢气以氢油形式、高压气态形式、超低温液氢形式中至少一种进行存储。
实施例2
本实施例系统基本构成与实施例1类似，不同之处在于，如图4所示，一种锅炉富氧燃烧结合电解制氢调峰调频设备的系统的调峰调频的方法包括：
步骤S101：电厂集控调峰调频模块获取当前电网对电厂的需求电负荷数据；
步骤S102：电厂集控调峰调频模块将当前电网对电厂的需求电负荷数据与电厂的实时发电量进行比对；
步骤S103：电厂集控调峰调频模块根据比对结果判断电厂需要增加发电负荷还是减少发电负荷；若需要减少发电负荷，则执行步骤S104；若需要增加发电负荷，则执行步骤S109；
步骤S104：电厂集控调峰调频模块向锅炉富氧燃烧模块发送锅炉减负荷指令，锅炉进行减负荷操作；
步骤S105：判断锅炉负荷是否低于预设值X，如果是，则执行步骤S106，如果否，则执行步骤S110；
步骤S106：投入低负荷富氧燃烧稳燃装置，使锅炉负荷进一步降低；
步骤S107：判断锅炉负荷是否到达锅炉低负荷稳燃的下限值Y，如果是，则执行步骤S108，如果否，则执行步骤S111；
步骤S108:增加电解制氢装置的耗电量；
步骤S109：机组通过汽机蒸汽调门增大开度、减少抽汽或部分切除高低加、凝结水节流、增加锅炉燃料供给量或者减少电解制氢装置的耗电量中的任意一种或几种组合，增加机组发电负荷；
步骤S110：通过减少锅炉燃料供给量；
步骤S111：通过低负荷富氧燃烧稳燃装置调节锅炉负荷。
在锅炉减负荷操作时，锅炉减负荷操作至预设值X，其中预设值X根据实际需要进行设定，例如可以取锅炉负荷的50％-60％,上述数值仅列举一定的范围，但本发明不限于上述范围。
在投入低负荷富氧燃烧稳燃装置7后，其中锅炉低负荷稳燃的下限值Y可以根据实际需要进行设定，例如可以取锅炉负荷的15％-45％，优选为15％-30％。上述数值仅列举一定的范围，但本发明不限于上述范围。
其中X、Y的大小关系满足：X＞Y。
具体的，以减负荷为例，在电网用电量较低时，需要机组进行减负荷调整。在电厂集控调峰调频控制模块13下达减负荷指令时，通过投入低负荷富氧燃烧稳然装置7或调节电解制氢装置8的耗电量，来达到机组减负荷的目的，从而实现调峰。
在电网用电量较低时，如果单一通过低负荷富氧燃烧稳然装置7或调节电解制氢装置8的耗电量不能满足要求时，需要两者进行结合进行深入调峰调频。当两者进行结合时，在电厂集控调峰调频控制模块下达减负荷指令时，首先由锅炉减负荷，则锅炉通过减少燃料供给量将锅炉负荷降到预设值X时，投入低负荷富氧燃烧稳燃装置，使机组负荷降低到低负荷稳燃的下限值Y，再增加电解制氢装置的耗电功率，将机组剩余的发电量全部供给电解制氢装置，从而实现对外上网电量减少的目的，甚至达到机组深度调峰至零上网电量的目的。
需要说明的是，在电网用电量较高时，需要机组进行增加负荷调整，在电厂集控调峰调频控制模块13下达增加负荷指令时，机组通过汽机蒸汽调门增大开度、减少抽汽或部分切除高低加、凝结水节流、增加锅炉燃料供给量或者减少电解制氢装置的耗电量中的任意一种或几种组合，增加机组发电负荷。
实施例3
本实施例系统基本构成与实施例1类似，不同之处在于在实施例1基础上添加了氢气对外输出模块14，氢气最终对外输出可以是氢气运输撬车、打入天然气管网、氢燃料电池气源或压缩钢瓶或碳纤维瓶对外销售等方式中的任意一种。
实施例4
本实施例系统基本构成与实施例1类似，如图5所示，不同之处在于在实施例1基础上添加了氧气对外销售模块11，这样做的前提是锅炉的富氧燃烧模块的纯氧完全由电解制氢装置8来供氧气而且还有富余氧气，就可以用于对外销售。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种锅炉富氧燃烧结合电解制氢调峰调频设备的系统，其特征在于，所述系统包括：
电厂集控调峰调频控制模块，用于获取电网的当前需求负荷，并与电厂的实时发电量进行比对，根据比对结果，对厂内的设备下达调峰调频指令；
锅炉富氧燃烧模块，包括低负荷富氧燃烧稳燃装置，与电厂集控调峰调频控制模块连接，用于在电厂集控调峰调频控制模块下达增减负荷操作指令时，通过控制锅炉燃料增减来调节锅炉负荷，在锅炉低负荷情况下投入低负荷富氧燃烧稳然装置进行锅炉稳燃；
电解制氢调峰调频设备，包括电解制氢装置，分别与电厂集控调峰调频控制模块和低负荷富氧燃烧稳燃装置连接，用于向低负荷富氧燃烧稳燃装置输送氢气燃料或氧气，并且在电厂集控调峰调频控制模块下达增减负荷操作指令时，通过调节电解制氢装置的耗电功率调节机组负荷。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的电解制氢调峰调频设备还包括氧气罐，分别连接电解制氢装置和低负荷富氧燃烧稳燃装置，将电解制氢装置产生的氧气进行存储，用于向低负荷富氧燃烧稳燃装置输送氧气。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的电解制氢调峰调频设备还包括氢气罐，分别连接电解制氢装置和低负荷富氧燃烧稳燃装置，将电解制氢装置产生的氢气进行存储，用于向低负荷富氧燃烧稳燃装置输送氢气。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在电厂集控调峰调频控制模块下达减负荷指令时，通过低负荷下投入锅炉富氧燃烧模块或增加电解制氢装置的耗电功率，达到机组减负荷的目的。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在电厂集控调峰调频控制模块下达减负荷指令时，首先由锅炉减负荷，则锅炉通过减少燃料供给量将锅炉负荷降到预设值X时，投入低负荷富氧燃烧稳燃装置，使机组负荷降低到低负荷稳燃的下限值Y，再增加电解制氢装置的耗电功率，将机组剩余的发电量全部供给电解制氢装置，从而实现对外上网电量减少的目的。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的低负荷富氧燃烧稳然装置包括氧气输送装置、燃料输送装置、富氧燃烧器、自动控制系统，所述氧气输送装置的氧气来自电解制氢装置制备，或者来自外部购买的氧气钢瓶。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述燃料输送装置中的燃料为燃油、燃气、氢气、煤粉中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电解制氢装置是碱性水溶液电解制氢槽、质子膜电解槽、固体聚合物电解槽或高温固体氧化物电解槽中的至少一种。
9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述氧气罐将氧气以高压气态形式或低温液氧形式进行存储。
10.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述氢气罐将氢气以氢油形式、高压气态形式、超低温液氢形式中至少一种进行存储。
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