CN112761745B - 一种火力发电机组热水储能系统及方法 - Google Patents

一种火力发电机组热水储能系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种火力发电机组热水储能系统，包括与火力发电机组的冷凝器出口连接的冷水储存单元、接收来自火力发电机组中的蒸汽以及冷水储存单元的冷水并加以混合的气液混合装置、与气液混合装置的出水口相连用于储存近饱和热水的热水储存单元；还公开了该火力发电机组热水储能系统的储能方法，在电网低负荷要求时，抽取火力发电机组中未完全膨胀的蒸汽与冷水储存单元的冷水混合为近饱和热水并储存在热水储存单元内；在电网高负荷要求时，抽取热水储存单元中的热水与火力发电机组中的锅炉用水混合并供向锅炉；该储能技术直接储存和释放热能，不存在多种形式能量的多次转化过程，综合储能效率较高，比热容较大、安全性好、价格低廉。

Description

一种火力发电机组热水储能系统及方法
技术领域
本发明涉及火力发电和储能技术领域，具体涉及一种火力发电机组热水储能系统及方法。
背景技术
一方面，为了保证火力发电机组的安全高效运行，火力发电机组的发电功率尽量保持稳定，且处于设计负荷附近，但由于季节、昼夜，以及工业生产、人类社会活动的变化，电网负荷不断波动变化；另一方面，随着可再生能源装机容量的不断扩大，火力发电在我国电力供应占比份额越来越小，由于可再生能源(如太阳能、风能)的不稳定性，要求火力发电对可再生能源供电的消纳能力越来越强。由于上述原因，火力发电机组面临低负荷、甚至超低负荷运行的困境，且需要具备越来越强的调峰运行能力。
目前，一些火力发电机组处于低负荷运行状态，并且未来面临进一步降低负荷的问题。火力发电机组启停时间很长，采用启停火力发电机组的方式进行调峰的方法不可行，采用储能技术是解决常规调峰或深度调峰，进一步促成火力发电机组超低负荷运行的重要可选手段。
传统火力发电机组主要由锅炉和汽轮机两大关键系统构成，其自身具有一定的变工况调节能力，但在超低负荷运行时，锅炉的最低稳燃负荷显著高于汽轮机的最低稳定运行负荷，因此，在超低负荷调峰时应根据两大关键系统的特点，重点考虑对锅炉系统蒸汽的调整和存储，从而实现火力发电机组的深度调峰和超低负荷运行。
(CN111608890A)公开了一种火力发电厂空气储能系统及方法，在电网负荷低的时候，利用发电厂多余的电力产能驱动压缩机将空气压缩并冷却后储存在压力容器中，在用电高峰时，将压力容器储存的高压空气加热后，由鼓风机输送到锅炉内，并与煤或其他燃料进行混合燃烧，从而代替常规的锅炉风机加压系统，实现电能的存储和释放，以及调峰。其不足在于，压缩空气比容仍较大，该系统需配备较大的压力容器；空气压缩过程是一个显著的升温过程，热空气的冷却会损失很多热量，且该储能过程存在多种形式能量的多次转化过程(蒸汽热能→汽轮机机械能→电能→压缩机机械能→压缩空气机械能)，造成综合储能效率偏低。
(CN110779009A)公开了一种火力发电厂高温高压蒸汽加热熔盐的储能系统，采用高压主蒸汽和高温再热蒸汽同时加热熔盐，将低温熔盐加热成高温熔盐，高压主蒸汽被熔盐冷却后，变成高压凝结水，加压后返回锅炉给水系统；高温再热蒸汽经熔盐冷却后，变成低温蒸汽，返回锅炉再热器。该储能系统以熔盐为储热介质，易腐蚀储能系统，且在换热器中易发生熔盐结晶堵塞问题，此外，熔盐的比热略低，不利于减小储能系统的容积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种火力发电机组热水储能系统及方法，以解决现有技术中火力发电机组储能过程中由于存在多种形式能量的多次转化过程造成的综合储能效率偏低或以熔盐为储热介质易腐蚀储能系统且易发生熔盐结晶堵塞的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
一种火力发电机组热水储能系统，包括：
冷水储存单元，所述冷水储存单元的进水口与所述火力发电机组的冷凝器出口连接；
气液混合装置，所述气液混合装置接收来自所述火力发电机组中的蒸汽以及冷水储存单元的冷水并加以混合形成具有一定压力的近饱和热水；
热水储存单元，所述热水储存单元与所述气液混合装置的出水口相连用于储存近饱和热水并在电网用电负荷高时将储存的热水与火力发电机组的锅炉供水混合；
其中，所述冷水储存单元包括冷水管路，所述热水储存单元包括热水管路，所述冷水管路与所述热水管路共同连接有多个两用储罐，所述两用储罐用于交替储存冷水和热水，所述冷水管路至少连接有一个仅储存冷水的冷水储罐，所述热水管路至少连接有一个仅储存热水的热水储罐。
作为本发明的一种优选方案，所述火力发电机组包括发电机以及顺次连接并形成闭合回路的锅炉、汽轮机、冷凝器和回热器，在所述冷凝器与所述回热器之间设置有除氧器，所述除氧器连接有补给水管，所述汽轮机中的乏汽经所述冷凝器冷凝成水，所述冷凝水通过第一水泵输送至除氧器内除氧后再通过第二水泵输送到回热器内，所述回热器的出口连接有掺混室，在所述汽轮机的中部开设有抽气口，所述回热器接收来自抽气口抽出的未完全膨胀的蒸汽以及除氧器中的冷水并输送至掺混室加以混合再通过第三水泵输送到锅炉中进行加热，被加热后的蒸汽或超临界水进入汽轮机膨胀做功并驱动发电机发电。
作为本发明的一种优选方案，所述汽轮机中部与所述锅炉之间通过回路管件连接形成闭合通路，所述回路管件包括用于将所述汽轮机中部抽出的未完全膨胀的蒸汽送入所述锅炉进行再热的管件以及用于将再热后的蒸汽送入所述汽轮机进行膨胀做功的输送管。
作为本发明的一种优选方案，所述冷水管路的进水端与所述冷凝器的出水口通过管道连接且在该段连接管道上设置有第四水泵和阀门A，所述冷水管路的出水端与所述气液混合装置的进水口通过管道连接且在该段管道上设置有第五水泵和阀门B。
所述热水管路的进水端与所述气液混合装置的出水口通过管道相连，所述热水管路的出水端与所述掺混室进口通过管道连接且在该段管路上设置有第六水泵和阀门C。
作为本发明的一种优选方案，所述气液混合装置的进气口与所述输送管连接用于接收经所述锅炉再热后的蒸汽且在该段连接管道上设置有阀门D，在所述输送管靠近所述汽轮机的一段还设置有阀门E。
作为本发明的一种优选方案，在每一个冷水储罐、热水储罐以及两用储罐上均安装有独立的用于控制进出水的阀门F。
为解决上述技术问题，本发明还进一步提供下述技术方案：
一种火力发电机组热水储能系统的储能方法，包括如下步骤：
步骤100、在电网低负荷要求时，抽取火力发电机组中未完全膨胀的蒸汽与冷水储存单元的冷水混合为近饱和热水并储存在热水储存单元内；
步骤200、在电网高负荷要求时，抽取热水储存单元中的热水与火力发电机组中的锅炉用水混合并供向锅炉。
作为本发明的一种优选方案，步骤100具体包括：
步骤101、在电网低负荷要求时，闭合阀门E并打开阀门D、和阀门B以导通气液混合装置的进气口与火力发电机组之间以及气液混合装置的进液口与冷水储存单元之间的连接管路；
步骤102、从汽轮机中部抽出未完全膨胀的蒸汽经锅炉再热后与冷水储存单元中的冷水分别通过进气口与进液口进入气液混合装置内混合生成具有一定压力的近饱和热水，再将热水储存在热水储存单元内。
作为本发明的一种优选方案，步骤200具体包括：
步骤201、打开阀门E并闭合阀门D和阀门B，关闭气液混合装置的进气口与火力发电机组之间以及气液混合装置的进液口与冷水储存单元之间的连接管路；
步骤202、打开阀门C和阀门A，导通热水储存单元的出水端与火力发电机组之间以及冷水储存单元的进水端与火力发电机组之间的连接管路；
步骤203、热水储存单元中的热水与来自回热器中的冷水共同进入掺混室内混合后输送至锅炉内；
步骤204、汽轮机中排出的乏汽进入冷凝器中冷却为冷凝水，部分冷凝水输送至冷水储存单元内储存；
重复步骤203和步骤204直至热水储存单元中的热水完全释放。
本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
本发明在电网低负荷要求时，从火力发电机组中抽出未完全膨胀的蒸汽与冷水储存单元中的冷水混合为饱和热水，并进一步存储在热水储存单元中，待电网用电负荷较高时，抽取热水储存单元中的热水在适当位置与锅炉供水混合，并供向锅炉。该储能技术，直接储存和释放热能，不存在多种形式能量的多次转化过程，且无必要的冷却散热过程，综合储能效率较高。整个储能系统采用水为工作介质，比热容较大、环境友好、安全性好、价格低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例提供火力发电机组单独运行时的流程示意图；
图2为本发明实施例提供火力发电机组热水储能系统储能时的流程示意图；
图3为本发明实施例提供火力发电机组热水储能系统释能时的流程示意图；
图中的标号分别表示如下：
10-火力发电机组；20-气液混合装置；30-冷水储存单元；40-热水储存单元；
11-锅炉；12-汽轮机；13-发电机；14-冷凝器；16-除氧器；17-回热器；18-掺混室；
31-冷水管路；32-冷水储罐；
41-热水管路；42-热水储罐；
51-两用储罐；
151-第一水泵；152-第二水泵；153-第三水泵；154-第四水泵；155-第五水泵；156-第六水泵；
191-阀门A；192-阀门B；193-阀门C；194-阀门D；195-阀门E；196-阀门F。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明提供了一种火力发电机组热水储能系统，包括：
冷水储存单元30，所述冷水储存单元30的进水口与所述火力发电机组10的冷凝器出口连接；
气液混合装置20，所述气液混合装置20接收来自所述火力发电机组10中的蒸汽以及冷水储存单元30的冷水并加以混合形成具有一定压力的近饱和热水；
热水储存单元40，所述热水储存单元40与所述气液混合装置20的出水口相连用于储存近饱和热水并在电网用电负荷高时将储存的热水与火力发电机组10的锅炉供水在掺混室18内混合。
其中，所述火力发电机组10包括发电机13以及顺次连接并形成闭合回路的锅炉11、汽轮机12、冷凝器14和回热器17，在所述冷凝器14与所述回热器17之间设置有除氧器16，所述除氧器16连接有补给水管，所述汽轮机12中的乏汽经所述冷凝器14冷凝成水，所述冷凝水通过第一水泵151输送至除氧器16内除氧后再通过第二水泵152输送到回热器17内，所述回热器17的出口连接有掺混室18，在所述汽轮机12的中部开设有抽气口，所述回热器17接收来自抽气口抽出的未完全膨胀的蒸汽以及除氧器16中的冷水并输送至掺混室18加以混合再通过第三水泵153输送到锅炉11中进行加热，被加热后的蒸汽或超临界水进入汽轮机12膨胀做功并驱动发电机13发电。
所述汽轮机12中部与所述锅炉11之间通过回路管件连接形成闭合通路，所述回路管件包括用于将所述汽轮机12中部抽出的未完全膨胀的蒸汽送入所述锅炉11进行再热的管件以及用于将再热后的蒸汽送入所述汽轮机12进行膨胀做功的输送管。
上述汽轮机12中部出口亦可不经过锅炉11，通过管道直接与气液混合装置20气入口相连；
本发明实施例中的气液混合装置20可以采用引射器亦可用气液混合器、三通等可以达到蒸汽与冷水混合的任何设备代替引射器。
基于上述储能系统的现有结构，本发明实施例的特征之处在于，是在电网低负荷要求时，从汽轮机12中抽出未完全膨胀的蒸汽与冷水储存单元30中的冷水混合为饱和热水，并进一步存储在冷热水储存单元40中，待电网用电负荷较高时，抽取冷热水储存单元40中的热水在适当位置与锅炉11供水混合，并供向锅炉11。该储能技术，直接储存和释放热能，不存在多种形式能量的多次转化过程，且无必要的冷却散热过程，综合储能效率较高。整个储能系统采用水为工作介质，比热容较大、环境友好、安全性好、价格低廉。
其中，所述冷水储存单元30包括冷水管路31，所述热水储存单元40包括热水管路41，所述冷水管路31与所述热水管路41共同连接有多个两用储罐51，所述两用储罐51用于交替储存冷水和热水，所述冷水管路31至少连接有一个仅储存冷水的冷水储罐32，所述热水管路41至少连接有一个仅储存热水的热水储罐42。
在每一个冷水储罐32、热水储罐42以及两用储罐51上均安装有独立的用于控制进出水的阀门F196。
上述冷水储存单元30与热水储存单元40区别于现有技术的特征之处在于，两用储罐51可以交替储存热水和冷水，相比于将冷水储存单元30与热水储存单元40单独设置互不交叉，设置两用储罐51可以减少罐体的数量，从而减少整个储能系统的占地面积以及建造费用，经济环保。两用储罐51的具体个数可根据火力发电机组10的实际储能需求进行配置。
进一步地，所述冷水管路31的进水端与所述冷凝器14的出水口通过管道连接且在该段连接管道上设置有第四水泵154和阀门A191，所述冷水管路41的出水端与所述气液混合装置20的进水口通过管道连接且在该段管道上设置有第五水泵155和阀门B192，当气液混合装置采用引射器，并且引射入口的蒸汽压力完全具备驱动冷水储存单元内冷凝水运行的能力时，可去掉系统中的第五水泵155。
所述热水管路41的进水端与所述气液混合装置20的出水口通过管道相连，所述热水管路41的出水端与所述掺混室18进口通过管道连接且在该段管路上设置有第六水泵156、阀门C193。
所述气液混合装置20的进气口与所述输送管连接用于接收经所述锅炉11再热后的蒸汽且在该段连接管道上设置有阀门D194，在所述输送管靠近所述汽轮机的一段还设置有阀门E195。
如图2和图3所示，本发明还提供了上述火力发电机组热水储能系统的储能方法，包括如下步骤：
步骤100、在电网低负荷要求时，抽取火力发电机组中未完全膨胀的蒸汽与冷水储存单元的冷水混合为近饱和热水并储存在热水储存单元内；
步骤200、在电网高负荷要求时，抽取热水储存单元中的热水与火力发电机组中的锅炉用水混合并供向锅炉。
其中火力发电机组中未完全膨胀的蒸汽由火力发电机组运行时产生；
如图1所示，火力发电机组采用常规运行方式运行，锅炉将来自第三水泵的冷水加热为蒸汽或超临界水，被加热的蒸汽或超临界水进入汽轮机膨胀做功，驱动发电机发电，汽轮机中的乏汽进入冷凝器进行冷凝，然后由第一水泵输送到除氧器中，再由第二水泵输送到回热器中，与来自汽轮机中部某处抽出的未完全膨胀的蒸汽进行混合，再由第三水泵输送到锅炉中；需要补水时，补给水补给到除氧器中，与来自第一水泵的循环水一同进行除氧后被第二水泵输送到回热器中；再热过程是由汽轮机中部某处抽出的蒸汽经锅炉再热后，输送到汽轮机再进行膨胀做功。储能系统处于关闭状态；
步骤100具体包括：
步骤101、在电网低负荷要求时，闭合阀门E并打开阀门D、和阀门B以导通气液混合装置的进气口与火力发电机组之间以及气液混合装置的进液口与冷水储存单元之间的连接管路；
步骤102、从汽轮机中部抽出未完全膨胀的蒸汽经锅炉再热后与冷水储存单元中的冷水分别通过进气口与进液口进入气液混合装置内混合生成具有一定压力的近饱和热水，再将热水储存在热水储存单元内。
在这里热水储存在热水储存单元包括两种情况，即热水储存单元中的储罐有热水和空罐两种情况：
从汽轮机中部某处抽出的未完全膨胀的蒸汽经锅炉再热后(或不经过锅炉再热)输送到引射器(或气液混合器、三通等)内，若储罐中有剩余的热水，则蒸汽在引射器内引射混合来自于第五水泵的冷水，生成具有一定压力的近饱和热水，直接将该近饱和热水以液态的形式储存在储罐中；若储罐是空罐，则先对将储热水的空储罐充气增压，待压力达到平衡后，打开冷水管路阀门，采用引射器引射混合来自于第五水泵的冷水，生成具有一定压力的近饱和热水，再将该近饱和热水输送到已充满蒸汽的储罐中储存。重复上述操作，依次对储罐充热水，完成储能。最终会剩余1个或多个储罐为空置状态。
此外针对上述两种情况，本发明实施例还提供了另一种储存方式：
从汽轮机中部某处抽出的未完全膨胀的蒸汽经锅炉再热后(或不经过锅炉再热)输送到引射器(或用气液混合器、三通等)内与来自第五水泵的冷水混合为具有一定压力的近饱和热水，然后将该近饱和热水直接输送到储罐中，若储罐中有剩余的热水，则热水会以液态的形式储存在储罐中；若储罐是空罐，则在储存过程中热水首先会汽化为蒸汽，随着热水的不断加入，热水汽化产生更多的蒸汽，达到对应的饱和压力后，热水以液态的形式储存在储罐中。重复上述操作，依次对储罐充热水，完成储能。最终会剩余1个或多个储罐为空置状态。
步骤200具体包括：
步骤201、打开阀门E并闭合阀门D和阀门B，关闭气液混合装置的进气口与火力发电机组之间以及气液混合装置的进液口与冷水储存单元之间的连接管路；
步骤202、打开阀门C和阀门A，导通热水储存单元的出水端与火力发电机组之间以及冷水储存单元的进水端与火力发电机组之间的连接管路；
步骤203、热水储存单元中的热水与来自回热器中的冷水共同进入掺混室内混合后输送至锅炉内；
步骤204、汽轮机中排出的乏汽进入冷凝器中冷却为冷凝水，部分冷凝水输送至冷水储存单元内储存；
重复步骤203和步骤204保证热水与冷水不直接接触的情况下，依次将储罐中的热水释放，将冷水储存在储罐中，完成释能。最终会剩余1个或多个储罐为空置状态。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (4)

1.一种火力发电机组热水储能系统，其特征在于，包括：
冷水储存单元(30)，所述冷水储存单元(30)的进水口与所述火力发电机组(10)的冷凝器出口连接；
气液混合装置(20)，所述气液混合装置(20)接收来自所述火力发电机组(10)中的蒸汽以及冷水储存单元(30)的冷水并加以混合形成近饱和热水；
热水储存单元(40)，所述热水储存单元(40)与所述气液混合装置(20)的出水口相连用于储存近饱和热水并在电网用电负荷高时将储存的热水与火力发电机组(10)的锅炉供水混合；
其中，所述冷水储存单元(30)包括冷水管路(31)，所述热水储存单元(40)包括热水管路(41)，所述冷水管路(31)与所述热水管路(41)共同连接有多个两用储罐(51)，所述两用储罐(51)用于交替储存冷水和热水，所述冷水管路(31)至少连接有一个仅储存冷水的冷水储罐(32)，所述热水管路(41)至少连接有一个仅储存热水的热水储罐(42)；
所述热水管路(41)的进水端与所述气液混合装置(20)的出水口通过管道相连，所述热水管路(41)的出水端与掺混室(18)进口通过管道连接且在该管道上设置有第六水泵(156)和阀门C(193)；
所述气液混合装置(20)的进气口与输送管连接用于接收经锅炉(11)再热后的蒸汽且在该输送管上设置有阀门D(194)，在所述输送管靠近汽轮机的一段还设置有阀门E(195)；
所述冷水管路(31)的进水端与所述冷凝器(14)的出水口通过管道连接且在该段连接管道上设置有第四水泵(154)和阀门A(191)，所述冷水管路(31)的出水端与所述气液混合装置(20)的进水口通过管道连接且在该段管道上设置有第五水泵(155)和阀门B(192)，在每一个冷水储罐(32)、热水储罐(42)以及两用储罐(51)上均安装有独立的用于控制进出水的阀门F(196)。
2.根据权利要求1所述的一种火力发电机组热水储能系统，其特征在于，所述火力发电机组(10)包括发电机(13)以及顺次连接并形成闭合回路的锅炉(11)、汽轮机(12)、冷凝器(14)和回热器(17)，在所述冷凝器(14)与所述回热器(17)之间设置有除氧器(16)，所述除氧器(16)连接有补给水管，所述汽轮机(12)中的乏汽经所述冷凝器(14)冷凝成冷凝水，所述冷凝水通过第一水泵(151)输送至除氧器(16)内除氧后再通过第二水泵(152)输送到回热器(17)内，所述回热器(17)的出口连接有掺混室(18)，在所述汽轮机(12)的中部开设有抽气口，所述回热器(17)接收来自抽气口抽出的未完全膨胀的蒸汽以及除氧器(16)中的冷水并输送至掺混室(18)加以混合再通过第三水泵(153)输送到锅炉(11)中进行加热，被加热后的蒸汽或超临界水进入汽轮机(12)膨胀做功并驱动发电机(13)发电。
3.根据权利要求2所述的一种火力发电机组热水储能系统，其特征在于，所述汽轮机(12)中部与所述锅炉(11)之间通过回路管件连接形成闭合通路，所述回路管件包括用于将所述汽轮机(12)中部抽出的未完全膨胀的蒸汽送入所述锅炉(11)进行再热的管件以及用于将再热后的蒸汽送入所述汽轮机(12)进行膨胀做功的输送管。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述火力发电机组热水储能系统的储能方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100、在电网低负荷要求时，抽取火力发电机组中未完全膨胀的蒸汽与冷水储存单元的冷水混合为近饱和热水并储存在热水储存单元内；
步骤100具体包括：
步骤101、在电网低负荷要求时，闭合阀门E并打开阀门D和阀门B，导通气液混合装置的进气口与火力发电机组之间以及气液混合装置的进液口与冷水储存单元之间的连接管路；
步骤102、从汽轮机中部抽出未完全膨胀的蒸汽经锅炉再热后与冷水储存单元中的冷水分别通过进气口与进液口进入气液混合装置内混合生成近饱和热水，再将热水储存在热水储存单元内；
步骤200、在电网高负荷要求时，抽取热水储存单元中的热水与火力发电机组中的锅炉用水混合并供向锅炉；
步骤200具体包括：
步骤201、打开阀门E并闭合阀门D和阀门B，关闭气液混合装置的进气口与火力发电机组之间以及气液混合装置的进液口与冷水储存单元之间的连接管路；
步骤202、打开阀门C和阀门A，导通热水储存单元的出水端与火力发电机组之间以及冷水储存单元的进水端与火力发电机组之间的连接管路；
步骤203、热水储存单元中的热水与来自回热器中的冷水共同进入掺混室内混合后输送至锅炉内；
步骤204、汽轮机中排出的乏汽进入冷凝器中冷却为冷凝水，部分冷凝水输送至冷水储存单元内储存；
重复步骤203和步骤204直至热水储存单元中的热水完全释放。
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