CN109681280A - 电热储热热能发电的高参数发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电热储热热能发电的高参数发电系统，其结构独特，由电磁激励绕组，金属储能材料及其金属壳体，穿过金属储能材料的换热器管路组成的电热储热换热三合一装置替代燃煤发电机组的锅炉，组合形成一个完整的系统。由于高温换热管道的外部有较高的压力，这与在锅炉中高温换热管道的外部为大气压完全不同，使得高温换热管道的内外压力差大大减小。因此，高温换热管道材料可以选用热强度低一到两个量级的廉价材料，大大降低系统造价，使用金属材料作为储能体，安全系数高，报废处理成本低，再生利用率极高。

Description

电热储热热能发电的高参数发电系统

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种电热储热热能发电的高参数发电系统。

背景技术

随着中国经济增速放缓，电力需求放缓，电力行业开始由短缺变成供大于求。风电弃风、水电弃水，弃光限电形势加剧。2015年，全年弃风电量339亿千瓦时，同比增加213亿千瓦时，平均弃风率15%。

目前，可实现的大规模储能只有抽水蓄能电站。而风能资源丰富的地区，极少具备修建抽水性能电站的地理条件。而各种电池储能，飞轮、超导储能等化学物理储能方式，由于技术与成本的原因，无法实现适应风电调峰规模的储能系统。

火电机组仍然是电网中最主要的电源。火电机组的效率主要取决于蒸汽动力循环参数，参数越高机组效率越高。目前欧洲、日本、美国以及中国都相继提出将蒸汽参数提高到 700℃/35Mpa，并进行了相关的研究。

蒸汽温度的提高，主要受材料的承受能力限制。根据材料的允许温度，未来机组的主蒸汽温度可能选择以下三种：使用含Cr铁素体钢，其温度最高限为630℃；使用奥氏体钢，其允许蒸汽温度达到650℃，镍基材料，其允许蒸汽温度进一步达到700℃。

目前国外对700℃等级的锅炉、汽轮机以及管道、阀门等组件进行了设计，提出了多种电站紧凑设计方式，以减少昂贵的高温镍基合金的使用数量，从而降低成本。

如何将风电消纳与提升火电机组效率相结合，应是目前能源技术研究的重要课题。

发明内容

本发明用以克服现有技术的不足，提供一种高参数发电系统，其将负荷低谷或弃电时段的电能储存为高品位热能储存在储热器中，锅炉产生的低参数蒸汽，通过储热器产生高参数蒸汽的热力发电技术。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设置一电热储热换热三合一装置，串联在燃煤锅炉与蒸汽轮机之间；所述电热储热换热三合一装置包括外壳，及设置于外壳内的电热单元、储热单元和换热单元；外壳为金属材质，且外部设置保温层，储热单元为金属材料，换热单元为穿过储热单元的金属材料的多根管路，换热单元的管路连接至蒸汽轮机，电热单元为电磁激励绕组，接受电网能量激励产生磁场，且磁场穿过储热单元的金属材料及其金属壳体并产生感生电流，感生电流的焦耳热效应将储热单元整体加热，储热单元的热能通过换热单元进入蒸汽轮机。

其中，换热单元连接一控制单元，用以控制换热单元流向蒸汽轮机的热量的流量和流速。

其中，储热单元采用高导热、导电的金属镁材料，外壳的材质为耐热钢。

区别于现有技术，本发明具有如下效果：

1、本发明结构独特，由电磁激励绕组，金属储能材料及其金属壳体，穿过金属储能材料的换热器管路组成的电热储热换热三合一装置替代燃煤发电机组的锅炉，组合形成一个完整的系统。由于高温换热管道的外部有较高的压力，这与在锅炉中高温换热管道的外部为大气压完全不同，使得高温换热管道的内外压力差大大减小。因此，高温换热管道材料可以选用热强度低一到两个量级的廉价材料，大大降低系统造价。

2、本发明采用的能量转化、转移形式简单，技术成熟。电热单元为输入电流通过电磁激励绕组在金属储能材料及其金属壳体中感生出电流，将储能组件整体加热。因此，能量以电磁形式分散于几乎整个储能材料中，热量转移过程中分布均匀，系统中不存在过热点，且不受储能体结构热阻的影响，可实现极大功率的电热转换。由于使用金属材料作为储能体，安全系数高，报废处理成本低，再生利用率极高。

3、本发明较常规的燃煤蒸汽轮机，锅炉供出的工质温度降低。相同条件下，出口工质温度低，换热效率将有所提升。储能器将工质温度升高，注入的能量比例很小。以工质温度由600摄氏度升高到630摄氏度为例，根据测定功率P和工质耗率D可以推算出单位发电量的工质消耗率为2.58kg/kWh，既0.144kmol/kWh。工质在此条件下的比热熔约为117J/mol•k，则工质升温储能器输出的热量为0.144x117x30=505kJ/kWh。630摄氏度工况下的热耗率为7163.09kJ/kWh，效率为50.26%。锅炉热效率提升2%，则储能器输出热量的利用率近似为50.26% +(7163.09kJ/kWh-505 kJ/kWh)*2%/505 kJ/kWh =76.63%。既在负荷低谷消纳的电能的76.63%在用电高峰时又回馈电网。该效率与抽水蓄能相当，高于压缩空气储能。本发明为大规模储能开辟了一个新的解决途径。

附图说明

图1是本发明提供的一种电热储热热能发电的高参数发电系统的结构示意图；

图2是本发明提供的一种电热储热热能发电的高参数发电系统的电热储热换热三合一装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1是本发明提供的一种电热储热热能发电的电网储能调频调峰系统的结构示意图。该系统100通过设置一电热储热换热三合一装置110串联在燃煤锅炉101与蒸汽轮机102之间；电热储热换热三合一装置110包括外壳111，及设置于外壳111内的电热单元112、储热单元113和换热单元114；外壳111为金属材质，且外部设置保温层115，储热单元113为金属材料，换热单元114为穿过储热单元113的金属材料的多根管路，换热单元114的管路连接至蒸汽轮机102，电热单元112为电磁激励绕组，接受电网能量激励产生磁场，且磁场穿过储热单元113的金属材料及其金属壳体并产生感生电流，感生电流的焦耳热效应将储热单元113整体加热，储热单元113的热能通过换热单元114进入蒸汽轮机102。

其中，换热单元114连接一控制单元116，用以控制换热单元114流向蒸汽轮机101的热量的流量和流速。

其中，储热单元113采用高导热、导电的金属镁材料，外壳111的材质为耐热钢。

电热储热换热三合一装置110的结构如图2所示。图2为电热储热换热三合一装置110的截面示意图。图中，换热单元114的管路延伸至蒸汽轮机102，并通过一控制单元116控制热量的输出速度和流量，保温层115为保温材质，如泡沫塑料，包裹于外壳111外侧，电热单元112的线圈套置于保温层115外侧，实现了线圈与外壳111的绝缘，线圈通电后，产生了磁场，磁场作用于金属材质的储热单元113和外壳111，产生感应电流，根据热电效应，电流转换为热量存储于储热单元113的金属中。

本发明的电热单元112为电磁激励绕组，其设置方式是使绕组受激励产生的磁场穿过储热单元113的金属材料和外壳111。优选的，本发明的一种电磁激励绕组的设置方式是设置在保温层115之内，包围在储热单元113及外壳111的外圆周上，与外壳111间绝缘。如图2所示。

本发明电热储热热能发电的电网储能调频调峰系统的运行过程为：输入电流通过电磁激励绕组，产生感应磁场，磁场的磁感线穿过金属材质的储电单元113及其金属材质的外壳111，并在储电单元113及其金属材质的外壳111产生感生电流，感生电流的焦耳热效应将储热单元整体加热，从而将电能转化为高品位的热能储存在储热单元113中；通过调节控制换热单元114的控制单元116，控制换热单元114输出工质的流量和流速，可控制从储热单元113中换出的热量大小；换出的热量进入蒸汽轮机102中。

本发明储热单元113采用金属材质，全寿命成本大大优于电池储能系统。

本发明的系统构成为：

电热储热换热三合一单元，串联在燃煤锅炉与蒸汽轮机之间； 电热储热换热三合一单元外部有保温层；保温层外部有低温承压壳体；低温承压壳体与电热储热换热三合一单元壳体间充有高压气体；电热储热换热三合一单元中储能材料采用高导热、导电的金属材料；换热器管路穿过储热材料；电热环节为电磁激励绕组，其接受电网能量产生电流，所激励的磁场穿过金属储能材料及其金属壳体并产生感生电流，感生电流的焦耳热效应将储能组建整体加热；

运行过程为：在电网负荷低谷或电网存在“弃风、弃水、弃光”的情况下，电热环节将电能转化为高品位的热能储存在储热环节中；通过调节换热器中流过工质的流量和流速，可控制从储热单元中换出的热量大小；换出的热量将低参数的蒸汽加热为高参数的蒸汽进入热力发电系统转化为电能；在储能阶段，控制工质从储能器中换出热量很少，汽轮机以低蒸汽参数，低工质流量运行，在保证锅炉稳燃的前提下，尽可能减小发电机出力；在负荷高峰时段，大流量的工质通过储能器得到高参数的蒸汽，使得汽轮机高效运行。

磷酸铁锂电池的单位能量成本约为3000元/kWh，其寿命为5000次循环，转换1度电的电池成本约为0.6元。

使用镁金属作为储热单元，每公斤镁的相变热为400kJ。储存1kWh能量需要材料9公斤。镁金属的市价约1.5~1.8万元。相同储能容量的镁金属材料成本是电池的1/20。而金属材料的热循环寿命几乎是无限的。因此，一次能量循环中，储能材料的成本可以忽略不计。

储热发电中其它能量转换环节的制造与运行成本也远远低于电池储能系统中电力变流器。

现有技术的热能转化为电能的过程中，虽然汽轮机的整体能量利用率大约为50%，但汽轮机的热效率随着主蒸汽温度、压力的升高而升高。而本发明电热储热换热三合一装置110加在了主蒸汽及过热汽管道上，可以将主蒸汽的参数提高一个等级。

以工质温度由600摄氏度升高到630摄氏度为例，根据测定功率P和工质耗率D可以推算出单位发电量的工质消耗率为2.58kg/kWh，既0.144kmol/kWh。工质在此条件下的比热熔约为117J/mol•k，则工质升温储能器输出的热量为0.144x117x30=505kJ/kWh。630摄氏度工况下的热耗率为7163.09kJ/kWh，效率为50.26%。储能器输出的热量中253.8kJ/kWh被转换成了电能。相对于600摄氏度，30MPa工况下7349.6kJ/kWh的热耗，630度工况减少热耗186.5kJ/kWh。则储能器输出热量的利用率近似为(253.8+186.5)/505=87.2%。

整个能量转化过程中，能量利用率约为85%。

本发明采用电磁感应的电热转换过程，能量效率大于97%。

区别于现有技术，本发明具有如下效果：

1、本发明结构独特，由电磁激励绕组，金属储能材料及其金属壳体，穿过金属储能材料的换热器管路组成的电热储热换热三合一装置替代燃煤发电机组的锅炉，组合形成一个完整的系统。由于高温换热管道的外部有较高的压力，这与在锅炉中高温换热管道的外部为大气压完全不同，使得高温换热管道的内外压力差大大减小。因此，高温换热管道材料可以选用热强度低一到两个量级的廉价材料，大大降低系统造价。

2、本发明采用的能量转化、转移形式简单，技术成熟。电热单元为输入电流通过电磁激励绕组在金属储能材料及其金属壳体中感生出电流，将储能组件整体加热。因此，能量以电磁形式分散于几乎整个储能材料中，热量转移过程中分布均匀，系统中不存在过热点，且不受储能体结构热阻的影响，可实现极大功率的电热转换。由于使用金属材料作为储能体，安全系数高，报废处理成本低，再生利用率极高。

3、本发明较常规的燃煤蒸汽轮机，锅炉供出的工质温度降低。相同条件下，出口工质温度低，换热效率将有所提升。储能器将工质温度升高，注入的能量比例很小。以工质温度由600摄氏度升高到630摄氏度为例，根据测定功率P和工质耗率D可以推算出单位发电量的工质消耗率为2.58kg/kWh，既0.144kmol/kWh。工质在此条件下的比热熔约为117J/mol•k，则工质升温储能器输出的热量为0.144x117x30=505kJ/kWh。630摄氏度工况下的热耗率为7163.09kJ/kWh，效率为50.26%。锅炉热效率提升2%，则储能器输出热量的利用率近似为50.26% +(7163.09kJ/kWh-505 kJ/kWh)*2%/505 kJ/kWh =76.63%。既在负荷低谷消纳的电能的76.63%在用电高峰时又回馈电网。该效率与抽水蓄能相当，高于压缩空气储能。本发明为大规模储能开辟了一个新的解决途径。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种电热储热热能发电的高参数发电系统，其特征在于，系统构成为：

电热储热换热三合一单元，串联在燃煤锅炉与蒸汽轮机之间； 电热储热换热三合一单元外部有保温层；保温层外部有低温承压壳体；低温承压壳体与电热储热换热三合一单元壳体间充有高压气体；电热储热换热三合一单元中储能材料采用高导热、导电的金属材料；换热器管路穿过储热材料；电热环节为电磁激励绕组，其接受电网能量产生电流，所激励的磁场穿过金属储能材料及其金属壳体并产生感生电流，感生电流的焦耳热效应将储能组建整体加热；

运行过程为：在电网负荷低谷或电网存在“弃风、弃水、弃光”的情况下，电热环节将电能转化为高品位的热能储存在储热环节中；通过调节换热器中流过工质的流量和流速，可控制从储热单元中换出的热量大小；换出的热量将低参数的蒸汽加热为高参数的蒸汽进入热力发电系统转化为电能；在储能阶段，控制工质从储能器中换出热量很少，汽轮机以低蒸汽参数，低工质流量运行，在保证锅炉稳燃的前提下，尽可能减小发电机出力；在负荷高峰时段，大流量的工质通过储能器得到高参数的蒸汽，使得汽轮机高效运行。

2.根据权利要求1所述的电热储热热能发电的高参数发电系统，其特征在于，所述换热单元连接一控制单元，用以控制换热单元流向蒸汽轮机的热量的流量和流速。

3.根据权利要求1所述的电热储热热能发电的高参数发电系统，其特征在于，储热单元采用高导热、导电的金属镁材料，外壳的材质为耐热钢。