CN110273722A - 一种火电厂混凝土储热调峰系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种火电厂混凝土储热调峰系统和方法，系统包括火电厂锅炉、火电厂汽轮机、汽轮机抽汽回热系统和发电机；还包括有混凝土储热单元；所述混凝土储热单元包括混凝土主体和设于所述混凝土主体内的换热介质通道，所述换热介质通道的蒸汽进口连通于所述火电厂汽轮机，用于接收火电厂汽轮机输出的过剩供热蒸汽，所述换热介质通道的冷凝水出口用于输出经混凝土主体吸热后的冷凝水，所述换热介质通道的蒸汽出口连通于火电厂供汽管网。本发明可以为火电厂热储能调峰提供了大规模、低成本、高可靠性、高效的高温高压蒸汽热能的存储方案，从而大幅提高火电厂运行灵活性的经济性和可靠性。

Description

一种火电厂混凝土储热调峰系统和方法
技术领域
本发明涉及火电厂调峰技术领域，具体涉及一种火电厂混凝土储热调峰系统和方法。
背景技术
近年来，在中国“三北”地区电力市场容量富裕，燃机、抽水蓄能等可调峰电源稀缺，电网调峰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。热电联产机组“以热定电”方式运行，调峰能力仅为10％左右，因此，采用合适的灵活性改造技术，增强火电厂的热电解耦运行能力，大幅增加火电机组的调峰能力势在必行。
目前火电厂灵活性改造主要面对的是“三北”地区供热电厂在采暖季运行灵活性不足的问题，因此，提高供热机组的调峰能力是灵活性改造的主要内容。供热机组的灵活性改造主要分为三类，一是增加机组供热能力，在满足供热负荷的条件下降低锅炉出力，减小机组强迫出力，主要有汽轮机旁路供热技术，低压缸零出力供热技术和高背压循环水供热技术等；二是电热供暖调峰技术，将机组发出的电能转化为热能对外供暖，如电极锅炉技术和电锅炉固体储热技术；三是热储能调峰技术，将汽轮机内过剩的蒸汽热能转化为储能介质的热能存储起来，如应用较多的热水罐储能技术，相变储热技术以及潜在的熔盐热储能技术等。
从改造成本、运行成本和调峰效果等方面对上述灵活性改造技术进行比分析，可以得出：
1)汽轮机旁路供热，低压缸零出力和低压缸高背压技术增加了热电厂的供热能力，通过调节锅炉负荷，能够增加调峰能力，具备较好的技术经济可行性，但随着热负荷增加，机组的顶负荷能力下降较多。
2)以电能为热源的固体储热技术和电极锅炉能够获得最大的深度调峰能力，但存在投资成本高，运行费用高的问题。
3)热水罐储热技术具备最佳的运行灵活性，投资成本和运行成本具有明显优势；但由于热水储热的储能密度低，空间占用较大，只能短时间有限容量的储热，不能做到深度调峰，项目实施有一定的限制条件；相变储热技术和熔盐储热技术的价格较高，经济性较差。
因此，火电厂热储能灵活性改造技术，仍需要进一步提高储能密度和降低储能成本。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种火电厂混凝土储热调峰系统和方法，可以为火电厂热储能调峰提供了大规模、低成本、高可靠性、高效的高温高压蒸汽热能的存储方案，从而大幅提高火电厂运行灵活性的经济性和可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种火电厂混凝土储热调峰系统，包括火电厂锅炉、火电厂汽轮机、汽轮机抽汽回热系统和发电机；还包括有混凝土储热单元；所述混凝土储热单元包括混凝土主体和设于所述混凝土主体内的换热介质通道，所述换热介质通道的蒸汽进口连通于所述火电厂汽轮机，用于接收火电厂汽轮机输出的过剩供热蒸汽，所述换热介质通道的冷凝水出口用于输出经混凝土主体吸热后的冷凝水，所述换热介质通道的蒸汽出口连通于火电厂供汽管网。
进一步地，所述系统还包括有冷凝水箱；所述冷凝水箱的进水口连通于所述换热介质通道的冷凝水出口，用于接收从换热介质通道的冷凝水出口输出的冷凝水；所述冷凝水箱的出水口连通于所述换热介质通道的供水进口，用于将冷凝水输送至换热介质通道内吸收混凝土主体的热量。作为另一种实施方式，所述换热介质通道的冷凝水出口连通于所述汽轮机抽汽回热系统的低压加热器，用于输出冷凝水至低压加热器；所述低压加热器的旁路连通于所述换热介质通道的供水进口，用于将循环水从低压加热器的旁路输出至换热介质通道。
进一步地，所述混凝土本体采用钢筋混凝土结构。
本发明还提供一种利用上述火电厂混凝土储热调峰系统的方法，具体为：
当供热蒸汽出现过剩情况时，火电厂汽轮机中未被利用的过剩供热蒸汽会通过管道输出至混凝土储热单元中；过剩供热蒸汽经换热介质通道的蒸汽进口进入换热介质通道内和混凝土主体进行热交换，混凝土主体吸收供热蒸汽的热量后，供热蒸汽转化为冷凝水，冷凝水经换热介质通道的冷凝水出口进入冷凝水箱中存储；
当电力需求处于低谷时，减小火电厂锅炉负荷，降低汽轮机出力，此时如有出现供热蒸汽不足时，将冷凝水箱中的冷凝水输入换热介质通道内，冷凝水吸收混凝土主体所存储的热量后转化为蒸汽输出至火电厂供气管网，补充供热蒸汽不足的部分；当电力需求处于高峰时，增加火电厂锅炉出力，减少汽轮机对外供热，增强火电厂的顶负荷能力，同样地，当供热蒸汽不足时，将冷凝水输送入换热介质通道内，冷凝水吸收混凝土主体所存储的热量后转化为蒸汽输出至火电厂供气管网，补充供热蒸汽不足的部分。
本发明还提供另一种利用上述火电厂混凝土储热调峰系统的方法，具体为：
当供热蒸汽出现过剩情况时，火电厂汽轮机中未被利用的过剩供热蒸汽会通过管道输出至混凝土储热单元中；过剩供热蒸汽经换热介质通道的蒸汽进口进入换热介质通道内和混凝土主体进行热交换，混凝土主体吸收供热蒸汽的热量后，供热蒸汽转化为冷凝水后送入汽轮机抽汽回热系统的低压加热器，从而进入火电厂汽水循环系统；
当电力需求处于低谷时，减小火电厂锅炉负荷，降低汽轮机出力，此时如有出现供热蒸汽不足时，从低压加热器旁路将循环水送入换热介质通道中，循环水吸收混凝土主体所存储的热量后转化为蒸汽输出至火电厂供气管网，补充供热蒸汽不足的部分；当电力需求处于高峰时，增加火电厂锅炉出力，减少汽轮机对外供热，增强火电厂的顶负荷能力，同样地，当供热蒸汽不足时，从低压加热器旁路将循环水送入换热介质通道中，循环水吸收混凝土主体所存储的热量后转化为蒸汽输出至火电厂供气管网，补充供热蒸汽不足的部分。
本发明的有益效果在于：
1)本发明为火电厂热储能调峰提供了大规模、低成本、高可靠性、高效的高温高压蒸汽热能的存储方案，可大幅提高火电厂运行灵活性的经济性和可靠性；
混凝土是一种性能优良、造价低廉的显热储热材料，以混凝土作为储热介质的混凝土储热技术是一种高效、大规模、低成本的中高温显热储能技术；耐高温混凝土内部设置换热介质流通管道，高温传热介质通过换热管道，释放热能，混凝土作为储热介质，温度升高，储存热能；放热时，混凝土将热能传导至传热介质，温度降低，完成热能释放；混凝土储热单元储热的主要材料是钢筋和水泥，获取方便，成本低，安全性好，运输方便，便于模块化设计制造。
2)本发明为背压火电机组提供了可靠的低成本的储热方案，能够有效解决昼夜热负荷波动对锅炉运行安全性不利影响，而且能够有效平抑波动热负荷，增加燃煤锅炉的经济性。
3)本发明为燃气发电机组的冷热电多联供系统提供很好的热电解耦工具，能够大幅提高燃气冷热电多联供的负荷率和燃料的使用效率，增强系统的经济性。
4)本发明为多能互补的分布式能源系统和综合能源服务系统提供储热池，有效平抑可再生能源的波动，也能解决多能供应的耦合问题，增强整个系统的经济性和能源利用的高效性。
附图说明
图1为本发明实施例1的系统结构示意图；
图2为本发明实施例2的系统结构示意图；
图3为混凝土储热单元的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
实施例1
本实施例提供一种火电厂混凝土储热调峰系统，如图1所示，包括火电厂锅炉1、火电厂汽轮机2、汽轮机抽汽回热系统3和发电机4，还包括有混凝土储热单元5；所述混凝土储热单元5包括混凝土主体51和设于所述混凝土主体51内的换热介质通道52，所述换热介质通道52的蒸汽进口连通于所述火电厂汽轮机2，用于接收火电厂汽轮机2输出的过剩供热蒸汽，所述换热介质通道52的冷凝水出口用于输出经混凝土主体51吸热后的冷凝水，所述换热介质通道52的蒸汽出口连通于火电厂供汽管网7。
一般地，所述火电厂汽轮机2包括高中压缸21和低压缸22，所述汽轮机抽汽回热系统3包括高压加热器31、低压加热器32、水泵33和凝汽器34。
在本实施例中，所述换热介质通道52的蒸汽进口连通于所述火电厂汽轮机2的高中压缸21，用于接收火电厂汽轮机2的高中压缸21中的过剩供热蒸汽。
在本实施例中，所述系统还包括有冷凝水箱6；所述冷凝水箱6的进水口连通于所述换热介质通道52的冷凝水出口，用于接收从换热介质通道52的冷凝水出口输出的冷凝水；所述冷凝水箱6的出水口连通于所述换热介质通道52的供水进口，用于将冷凝水输送至换热介质通道内吸收混凝土主体的热量。
上述火电厂混凝土储热调峰系统的工作原理在于：
当供热蒸汽出现过剩情况时，火电厂汽轮机中未被利用的过剩供热蒸汽会通过管道输出至混凝土储热单元中。过剩供热蒸汽经换热介质通道的蒸汽进口进入换热介质通道内和混凝土主体进行热交换，混凝土主体吸收供热蒸汽的热量后，供热蒸汽转化为冷凝水，冷凝水经换热介质通道的冷凝水出口进入冷凝水箱中存储。
当电力需求处于低谷时，减小火电厂锅炉负荷，降低汽轮机出力，此时如有出现供热蒸汽不足时，将冷凝水输入换热介质通道内，冷凝水吸收混凝土主体所存储的热量后转化为蒸汽输出至火电厂供气管网7，补充供热蒸汽不足的部分。当电力需求处于高峰时，增加火电厂锅炉出力，减少汽轮机对外供热，增强火电厂的顶负荷能力，同样地，当供热蒸汽不足时，将冷凝水输送入换热介质通道内，冷凝水吸收混凝土主体所存储的热量后转化为蒸汽输出至火电厂供气管网7，补充供热蒸汽不足的部分。
实施例2
本实施例的火电厂混凝土储热调峰系统结构和实施例1基本相同，主要区别在于，如图2所示，本实施例中的换热介质通道52的冷凝水出口连通于所述汽轮机抽汽回热系统3的低压加热器32，用于输出冷凝水至低压加热器32；所述低压加热器32的旁路连通于所述换热介质通道52的供水进口，用于将循环水从低压加热器32的旁路输出至换热介质通道52。
在该设置下，过剩供热蒸汽在换热介质通道52内与混凝土本体51进行热交换转化为冷凝水后，送入汽轮机抽汽回热系统3的低压加热器32，从而进入火电厂汽水循环系统。当出现供热蒸汽不足时，从低压加热器32旁路将循环水送入换热介质通道52中，经过存储了热能的混凝土本体加热转化为高温蒸汽，输出至供汽管网作为补充。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种火电厂混凝土储热调峰系统，包括火电厂锅炉(1)、火电厂汽轮机(2)、汽轮机抽汽回热系统(3)和发电机(4)，其特征在于，还包括有混凝土储热单元(5)；所述混凝土储热单元(5)包括混凝土主体(51)和设于所述混凝土主体(51)内的换热介质通道(52)，所述换热介质通道(52)的蒸汽进口连通于所述火电厂汽轮机(2)，用于接收火电厂汽轮机(2)输出的过剩供热蒸汽，所述换热介质通道(52)的冷凝水出口用于输出经混凝土主体(51)吸热后的冷凝水，所述换热介质通道(52)的蒸汽出口连通于火电厂供汽管网(7)。
2.根据权利要求1所述的火电厂混凝土储热调峰系统，其特征在于，所述系统还包括有冷凝水箱(6)；所述冷凝水箱(6)的进水口连通于所述换热介质通道(52)的冷凝水出口，用于接收从换热介质通道(52)的冷凝水出口输出的冷凝水；所述冷凝水箱(6)的出水口连通于所述换热介质通道(52)的供水进口，用于将冷凝水输送至换热介质通道内吸收混凝土主体的热量。
3.根据权利要求1所述的火电厂混凝土储热调峰系统，其特征在于，换热介质通道(52)的冷凝水出口连通于所述汽轮机抽汽回热系统(3)的低压加热器(32)，用于输出冷凝水至低压加热器(32)；所述低压加热器(32)的旁路连通于所述换热介质通道(52)的供水进口，用于将循环水从低压加热器(32)的旁路输出至换热介质通道(52)。
4.根据权利要求1所述的火电厂混凝土储热调峰系统，其特征在于，所述混凝土本体采用钢筋混凝土结构。
5.利用如权利要求1所述的火电厂混凝土储热调峰系统的方法，其特征在于，具体为：
当供热蒸汽出现过剩情况时，火电厂汽轮机中未被利用的过剩供热蒸汽会通过管道输出至混凝土储热单元中；过剩供热蒸汽经换热介质通道的蒸汽进口进入换热介质通道内和混凝土主体进行热交换，混凝土主体吸收供热蒸汽的热量后，供热蒸汽转化为冷凝水，冷凝水经换热介质通道的冷凝水出口进入冷凝水箱中存储；
当电力需求处于低谷时，减小火电厂锅炉负荷，降低汽轮机出力，此时如有出现供热蒸汽不足时，将冷凝水箱中的冷凝水输入换热介质通道内，冷凝水吸收混凝土主体所存储的热量后转化为蒸汽输出至火电厂供气管网，补充供热蒸汽不足的部分；当电力需求处于高峰时，增加火电厂锅炉出力，减少汽轮机对外供热，增强火电厂的顶负荷能力，同样地，当供热蒸汽不足时，将冷凝水输送入换热介质通道内，冷凝水吸收混凝土主体所存储的热量后转化为蒸汽输出至火电厂供气管网，补充供热蒸汽不足的部分。
6.利用如权利要求1所述的火电厂混凝土储热调峰系统的方法，其特征在于，当供热蒸汽出现过剩情况时，火电厂汽轮机中未被利用的过剩供热蒸汽会通过管道输出至混凝土储热单元中；过剩供热蒸汽经换热介质通道的蒸汽进口进入换热介质通道内和混凝土主体进行热交换，混凝土主体吸收供热蒸汽的热量后，供热蒸汽转化为冷凝水后送入汽轮机抽汽回热系统的低压加热器，从而进入火电厂汽水循环系统；
当电力需求处于低谷时，减小火电厂锅炉负荷，降低汽轮机出力，此时如有出现供热蒸汽不足时，从低压加热器旁路将循环水送入换热介质通道中，循环水吸收混凝土主体所存储的热量后转化为蒸汽输出至火电厂供气管网，补充供热蒸汽不足的部分；当电力需求处于高峰时，增加火电厂锅炉出力，减少汽轮机对外供热，增强火电厂的顶负荷能力，同样地，当供热蒸汽不足时，从低压加热器旁路将循环水送入换热介质通道中，循环水吸收混凝土主体所存储的热量后转化为蒸汽输出至火电厂供气管网，补充供热蒸汽不足的部分。
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