CN109185854A - 一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统 - Google Patents

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于剑锋
顾阳
刘晓宇
苗强
侯佩印
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    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters

Abstract

本发明的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统涉及热电联供系统，目的是为了克服现有技术中储能罐占地面积大的问题，包括储能电站单元、汽轮机单元和供热单元，储能电站单元包括单罐斜温层储能装置、电加热器和燃气加热器，所述的单罐斜温层储能装置内上部存储有高温储热介质、下部存储有低温储热介质，且高温储热介质与低温储热介质之间形成斜温层，斜温层将单罐斜温层储能装置内部分为上部的高温介质腔和下部的低温介质腔；本发明通过配置与电加热器并联的燃气加热器，当电源供电或电加热相关设备出现故障时，可切换使用燃气加热器，从而实现能量来源的多样性，通过配置单罐斜温层储能装置，相对双罐储能设备材料用量显著降低。

Description

一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统
技术领域
本发明涉及热电联供系统，具体涉及一种蓄热式多能联供系统。
背景技术
现有技术《独立熔盐蓄热电站技术及其评价》中，公开了为解决可再生能源发电的间歇性、不稳定性及电网“低谷电”问题，通过将过剩电能转为热能加热熔盐并储热的优势，把低品质电力转化为高品质电力，实现对过剩电能的消纳。但是此现有技术的缺陷在于：
1、若电源供电或电加热相关设备出现故障将导致系统无法储热，发电和供热的可靠性无法保障；
2、现有技术中储能罐采用双罐设计，但是双罐储能的设备材料用量大，占地面积大，并且不利于现场布置。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中储能罐采用双罐设计，设备材料用量大，占地面积大的问题，提供了一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统。
本发明的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统，包括储能电站单元、汽轮机单元和供热单元，储能电站单元包括单罐斜温层储能装置、电加热器和燃气加热器，所述的单罐斜温层储能装置内上部存储有高温储热介质、下部存储有低温储热介质，且高温储热介质与低温储热介质之间形成斜温层，斜温层将单罐斜温层储能装置内部分为上部的高温介质腔和下部的低温介质腔；
单罐斜温层储能装置的低温介质腔连接有低温介质输出管路，低温介质输出管路分别通过电加热器和燃气加热器的加热端后进入单罐斜温层储能装置的高温介质腔；所述的低温介质输出管路上设有冷介质泵、用于泵送低温介质；
单罐斜温层储能装置的高温介质腔连接有高温介质输出管路，高温介质输出管路通过蒸汽发生器后进入单罐斜温层储能装置的低温介质腔；所述的高温介质输出管路上设有热介质泵、用于泵送高温介质；
汽轮机单元包括汽轮机、发电机、凝汽器、低压排气管路和给水管路，所述的汽轮机驱动发电机发电；低压排汽管路的输入端与汽轮机的中低压缸的排汽口连接、输出端通过凝汽器后连接给水管路，给水管路通过蒸汽发生器后连接汽轮机的高压缸的蒸汽入口，所述的给水管路上设有给水泵、用于泵送水；
供热单元包括供热用户组、供热侧储能装置组和供热管路；供热用户组包括数量大于等于2的供热用户；供热侧储能装置组内供热侧储能装置的数量与供热用户的数量相等，且供热用户和供热侧储能装置一一匹配并联连接于供热管路；供热用户与供热管路、供热侧储能装置与供热管路、匹配的供热用户与供热侧储能装置分别构成循环；
高温介质输出管路与给水管路通过蒸汽发生器进行热交换；低压排汽管路与供热管路通过凝汽器进行热交换。
本发明的有益效果是：
1、通过配置与电加热器并联的燃气加热器，当电源供电或电加热相关设备出现故障时，可切换使用燃气加热器，从而实现能量来源的多样性，保障发电和供热的可靠性；提升了能量供应的可靠性，保证储能电站单元在热电联供过程中供热的稳定性。总能量转换效率达到了85％以上。
2、通过配置单罐斜温层储能装置，相对双罐储能设备材料用量显著降低从而可有效降低5％成本，同时占地面积减少了10％，便于布置。
附图说明
图1为本发明的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一
本发明的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统，包括储能电站单元1、汽轮机单元2和供热单元3，储能电站单元1包括单罐斜温层储能装置4、电加热器6和燃气加热器7，所述的单罐斜温层储能装置4内上部存储有高温储热介质、下部存储有低温储热介质，且高温储热介质与低温储热介质之间形成斜温层5将单罐斜温层储能装置4内部分为高温介质腔和低温介质腔；单罐斜温层储能装置4利用低温储热介质与高温储热介质密度不同自然分层原理，高温储热介质位于单罐斜温层储能装置4罐体上部，温度较低的低温储热介质位于罐体下部，低温储热介质与高温储热介质间自然形成隔离边界层，称为“斜温层5”。
单罐斜温层储能装置4的低温介质腔连接有低温介质输出管路，低温介质输出管路分别通过电加热器6和燃气加热器7的加热端后进入单罐斜温层储能装置4的高温介质腔；所述的低温介质输出管路上设有冷介质泵8、用于泵送低温介质；
单罐斜温层储能装置4的高温介质腔连接有高温介质输出管路，高温介质输出管路通过蒸汽发生器9后进入单罐斜温层储能装置4的低温介质腔；所述的高温介质输出管路上设有热介质泵10、用于泵送高温介质；
汽轮机单元2包括汽轮机、发电机11、凝汽器12、低压排气管路和给水管路，所述的汽轮机驱动发电机11发电；低压排汽管路的输入端与汽轮机的中低压缸14的排汽口连接、输出端通过凝汽器12后连接给水管路，给水管路通过蒸汽发生器9后连接汽轮机的高压缸13的蒸汽入口，所述的给水管路上设有给水泵18、用于泵送水；
供热单元3包括供热用户组15、供热侧储能装置组16和供热管路；供热用户组15包括数量大于等于2的供热用户；供热侧储能装置组16内供热侧储能装置的数量与供热用户的数量相等，且供热用户和供热侧储能装置一一匹配并联连接于供热管路；供热用户与供热管路、供热侧储能装置与供热管路、匹配的供热用户与供热侧储能装置分别构成循环；
供热侧储能装置组16内的各个供热侧储能装置与供热用户组15中各匹配供热用户依次并联，当储能电站单元1放能时，供热侧储能装置可吸收过剩的供热能量，当储能电站单元1储能供热能力不足时，供热侧储能装置释放热量，确保满足其所匹配的供热用户的用热需求。
高温介质输出管路与给水管路通过蒸汽发生器9进行热交换；低压排汽管路与供热管路通过凝汽器12进行热交换。
电加热器6通过电源进行加热，由于风电、光伏等新能源所固有的随机性、波动性和间歇性特点，导致其大规模并网对电网产生冲击，从而导致电网难以消纳，因此电源可以来自于风电、光伏等存在电网难以消纳的弃电，也可以来自于电网“低谷”时段的余电；而燃气加热器7通过燃气进行加热。
当电源侧电力过剩时，储能电站单元1开始储能，该储能是通过将储热介质由低温加热至高温进行能量存储的，具体过程为：冷介质泵8从低温介质腔抽取低温储热介质流经电加热器6，通过电加热器6将来自电源侧的过剩电能转化为热能，加热来自低温介质腔的低温储热介质至高温，然后将高温储热介质储存在高温介质腔中，此过程实现了电能向热能的转化。并且，当储能电站单元1在电加热器6的电源丧失或电加热器6本身出现故障时，可切换使用与电加热器6并联的燃气加热器7，从而提高储能电站单元1的供电可靠性。
当电力用户(电网或直供电用户)有电力需求时(如电网用电“高峰”时段)，储能电站单元1开始放能，热介质泵10抽取高温介质腔中的高温储热介质流经蒸汽发生器9加热来自给水泵18的给水从而产生蒸汽，蒸汽发生器9产生的蒸汽进入汽轮机作功驱动发电机11发电，汽轮机的中低压缸14排汽进入凝汽器12凝结为水，通过凝汽器12将汽轮机排汽余热向热用户供热，上述过程实现了热能向电能和热能形式的转化，即热电联供。
上述增加设备的功能主要是：1.当电源供电或电加热器6相关设备出现故障时，通过燃气加热器7进行补燃保障发电和供热的稳定性。2.当储能电站单元1热电联供时，供热侧储能装置组16吸收部分的供热热量，在发电岛不运行或供热能力不足时，供热侧储能装置组16放热，保障供热的稳定性。3、当储能电站单元1放能时，供热侧储能装置组16可吸收过剩的供热能量，当储能电站单元1储能供热能力不足时，供热侧储能装置组16释放热量，确保满足供热用户组15的用热需求。从而解决了热电联供“以热定电”的问题，在电网负荷处于“低谷”和“平”时段的16小时期间，汽轮发电机组不运行没有热量供热时也可利用供热侧储能装置组16放热进行供热，从而解除了供热发电的相互关联性，实现热电解耦，保证多能联供的稳定性。
具体实施方式二
本具体实施方式二与具体实施方式一的区别在于，储热介质为熔融盐。
熔融盐可以采用质量分数分别为60％的NaNO3和40％的KNO3混合制成的二元熔融盐，二元熔融盐的熔点为220℃左右，上限扩展温度为500℃；或者采用质量分数分别为53％的KNO3、40％的NaNO2和7％的NaNO3混合而成的三元熔融盐。三元熔融盐的熔点在142℃，气化点500℃。在450℃以上亚硝酸钠就会产生缓慢分解现象，但一般系统的工作温度在250～350℃以内。
具体实施方式三
本具体实施方式三与具体实施方式一的区别在于，汽轮机的高压缸13和汽轮机的中低压缸14之间连接有高压排汽管路；高温介质输出管路与高压排汽管路之间设有再热器17，所述的高温介质输出管路还通过再热器17与高压排汽管路进行热交换。
高温介质输出管路分为两路，一路经过蒸汽发生器9后回到低温介质腔，另一路经过再热器17后回到低温介质腔。
蒸汽在汽轮机的高压缸13做功后，再通过再热器17与来自高温介质腔的高温储热介质换热后，蒸汽进入汽轮机的中低压缸14作功驱动发电机11发电，提升了储能电站单元1系统效率，通过配置再热器17，用储热介质加热汽轮机的高压缸13的排汽后进入汽轮机低压缸，从而提升汽轮机朗肯循环效率。
具体实施方式四
本具体实施方式四与具体实施方式一的区别在于，给水管路上于凝汽器12至蒸汽发生器9之间依次设有低压加热器19、除氧器20和高压加热器21，汽轮机的中低压缸14的排汽口分别与低压加热器19和除氧器20的加热介质输入口连接、汽轮机高压缸13的排汽口与高压加热器21的加热介质输入口连接。
汽轮机的中低压缸14的排气通过凝汽器12凝结成水后，再依次经过低压加热器19、除氧器20和高压加热器21加热到适当温度后进入蒸汽发生器9从而完成循环。低压加热器19和除氧器20通过汽轮机的中低压缸14的排气进行加热，高压加热器21通过汽轮机的高压缸13的排气进行加热。
具体实施方式五
本具体实施方式五与具体实施方式一或四的区别在于，汽轮机中低压缸14的排汽口分别与供热单元3中的每组供热用户和供热侧储能装置的前置供热管路连接。
由于供热用户组15中的每个供热用户分别与供热侧储能装置组16中的每个供热侧储能装置一一匹配，因此供热用户和供热侧储能装置形成的组数与两者数量一致。
根据供热用户组15中不同供热用户对热源温度需求的不同，可以通过从汽轮机抽取不同品味不同流量的蒸汽调节供热用户组15中不同供热用户及与之并联配套的供热侧储能装置入口温度至额定值，从而保证各个供热用户的稳定运行。
具体实施方式六
本具体实施方式六与具体实施方式一的区别在于，给水管路上于凝汽器12输出端设有凝水泵22，用于泵送蒸汽通过凝汽器12产生的凝水。
具体实施方式七
本具体实施方式七与具体实施方式一的区别在于，供热管路连接有冷却塔23、该冷却塔23与供热用户组15和供热侧储能装置组16并联设置。
当无需对供热用户组15提供热量进行供热时，汽轮机排汽余热可由与供热用户组15并联的冷却塔23带走。
具体实施方式八
本具体实施方式八与具体实施方式一的区别在于，单罐斜温层储能装置4的低温介质腔上设有低温伴热装置24，单罐斜温层储能装置4的高温介质腔上设有高温伴热装置25。
低温伴热装置24和高温伴热装置25均可以采用电热棒，主要是为了避免低温介质腔和高温介质腔中的储热介质由于散热的原因导致温度降低，无法达到需要的工作温度，可以将低温伴热装置24和高温伴热装置25的电加热部分分别浸没入低温储热介质和高温储热介质中，当储热介质的温度下降时启动进行加热至额定温度。
具体实施方式九
本具体实施方式九与具体实施方式一的区别在于，供热用户组15和供热管路之间设有调节阀26。
为解决储能电站单元1供能形式单一的问题，通过在供热单元3中设置不同种类的供热用户(如制冷机组、供暖换热器、海水淡化装置等)使其并联形成供热用户组15，可通过调节阀26根据实际能量需求对各个供热用户进行选择隔离、切换和供能配比调节(如调节制冷、海水淡化、供暖的供应量)。
具体实施方式十
本具体实施方式十与具体实施方式七的区别在于，冷却塔23的出口和入口均设有隔离阀27。冷却塔23的与供热管道连接的出口和入口均设有隔离阀27，只在需要是开启，用于排出余热。

Claims (10)

1.一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统，包括储能电站单元(1)、汽轮机单元(2)和供热单元(3)，其特征在于，
储能电站单元(1)包括单罐斜温层储能装置(4)、电加热器(6)和燃气加热器(7)，所述的单罐斜温层储能装置(4)内上部存储有高温储热介质、下部存储有低温储热介质，且高温储热介质与低温储热介质之间形成斜温层(5)，斜温层(5)将单罐斜温层储能装置(4)内部分为上部的高温介质腔和下部的低温介质腔；
单罐斜温层储能装置(4)的低温介质腔连接有低温介质输出管路，低温介质输出管路分别通过电加热器(6)和燃气加热器(7)的加热端后进入单罐斜温层储能装置(4)的高温介质腔；所述的低温介质输出管路上设有冷介质泵(8)、用于泵送低温储热介质；
单罐斜温层储能装置(4)的高温介质腔连接有高温介质输出管路，高温介质输出管路通过蒸汽发生器(9)后进入单罐斜温层储能装置(4)的低温介质腔；所述的高温介质输出管路上设有热介质泵(10)、用于泵送高温储热介质；
汽轮机单元(2)包括汽轮机、发电机(11)、凝汽器(12)、低压排气管路和给水管路，所述的汽轮机驱动发电机(11)发电；低压排汽管路的输入端与汽轮机的中低压缸(14)的排汽口连接、输出端通过凝汽器(12)后连接给水管路，给水管路通过蒸汽发生器(9)后连接汽轮机的高压缸(13)的蒸汽入口，所述的给水管路上设有给水泵(18)、用于泵送水；
供热单元(3)包括供热用户组(15)、供热侧储能装置组(16)和供热管路；供热用户组(15)包括数量大于等于2的供热用户；供热侧储能装置组(16)内供热侧储能装置的数量与供热用户的数量相等，且供热用户和供热侧储能装置一一匹配并联连接于供热管路；供热用户与供热管路、供热侧储能装置与供热管路、匹配的供热用户与供热侧储能装置分别构成循环；
高温介质输出管路与给水管路通过蒸汽发生器(9)进行热交换；低压排汽管路与供热管路通过凝汽器(12)进行热交换。
2.根据权利要求1所述的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统，其特征在于，储热介质为熔融盐。
3.根据权利要求1所述的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统，其特征在于，汽轮机的汽轮机高压缸(13)和汽轮机的中低压缸(14)之间连接有高压排汽管路；高温介质输出管路与高压排汽管路之间设有再热器(17)，所述的高温介质输出管路还通过再热器(17)与高压排汽管路进行热交换。
4.根据权利要求1所述的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统，其特征在于，给水管路上于凝汽器(12)至蒸汽发生器(9)之间依次设有低压加热器(19)、除氧器(20)和高压加热器(21)，汽轮机中低压缸(14)的排汽口分别与低压加热器(19)和除氧器(20)的加热介质输入口连接、汽轮机高压缸(13)的排汽口与高压加热器(21)的加热介质输入口连接。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统，其特征在于，汽轮机中低压缸(14)的排汽口分别与供热单元(3)中的每组供热用户和供热侧储能装置的前置供热管路连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统，其特征在于，给水管路上于凝气器(18)输出端设有凝水泵(22)。
7.根据权利要求1所述的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统，其特征在于，供热管路连接有冷却塔(23)、该冷却塔(23)与供热用户组(15)和供热侧储能装置组(16)并联设置。
8.根据权利要求1所述的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统，其特征在于，单罐斜温层储能装置(4)的低温介质腔上设有低温伴热装置(24)，单罐斜温层储能装置(4)的高温介质腔上设有高温伴热装置(25)。
9.根据权利要求1所述的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统，其特征在于，供热用户组(15)内的供热用户和供热管路之间均设有调节阀(26)；
供热用户包括制冷机组、供暖换热器和海水淡化装置，调节阀(26)用于对供热用户进行选择、隔离、切换和供能配比调节。
10.根据权利要求7所述的一种基于单罐蓄热式储能多能联供系统，其特征在于，冷却塔(23)的出口和入口均设有隔离阀(27)。
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