CN112944332B - 一种循环灰储热系统及其优化深度调峰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储能与深度调峰技术领域，具体为一种循环灰储热系统及其优化深度调峰的方法，分离器下方的料腿位置处设置有小型鼓泡流化床，所述小型鼓泡流化床由返料风、风室和布风装置构成；其中，风室中安装有电加热装置；该系统不仅能储存电网中的弃光弃风弃水电量，还能提高循环流化床机组在深度调峰中的性能，结构简单、易于改造且运行安全可靠。该系统可消纳低负荷时期电网中过剩的可再生能源发电量，同时能以较低的耗煤量维持较高的炉膛温度，从而提高机组在低负荷运行过程中的流态化安全性，降低硫氧化物和氮氧化物在快速调峰过程中的排放浓度，提升机组的调峰响应速率。

Description

一种循环灰储热系统及其优化深度调峰的方法

技术领域

本发明涉及储能与深度调峰技术领域，具体为一种循环灰储热系统及其优化深度调峰的方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

在当前大力推动清洁能源发展和能源系统低碳转型的背景下，可再生能源发电比例逐步增大。但是可再生能源(例如太阳能、风能和水能)受自然因素影响大，发电具有不稳定性，因此电力系统仅依靠可再生能源发电无法保障电网安全。为了充分优先消纳可再生能源发电，解决弃光弃风弃水问题，维持电网的安全稳定，煤电机组将利用其灵活稳定的特性更多地承担深度调峰任务。

循环流化床燃烧技术是符合清洁能源发展的可靠技术，依托该技术的循环流化床锅炉在中国得到广泛应用，其是承担深度调峰任务的主要火电力量之一。当可再生能源发电量高时，循环流化床机组便降低发电量，维持在较低负荷下运行；而当可再生能源发电量低时，循环流化床机组便提升发电量，维持在较高负荷下运行。当前循环流化床机组大幅度变负荷已成为运行常态，因此深度调峰进一步要求机组在大幅度变负荷的过程中不仅要提升负荷响应速率，还要保障各运行参数在合理范围内，确保机组安全运行。

为了消纳电负荷低谷时期机组自身产生的过剩电能和提升机组在深度调峰过程中的性能，授权公告号为CN 109899780 B的发明专利提出了一种用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统，该发明专利中热电联产机组在电负荷低谷时段利用自身所发的电去加热循环流化床锅炉的循环物料，提升电出力调节能力。但是，发明人发现，其存在三个问题：第一，热电联产机组利用自身所发的非上网电量去加热循环物料，因此其耗煤除了用于发电上网，还有一部分将用于发电加热循环物料，这部分耗煤量将增加运行成本，同时也会增加污染物的生成量与排放量；第二，电加热管群布置在循环床料之中，流态化运行过程中循环床料将会严重磨损电加热管群，从而缩短设备使用寿命；第三，由于床料属于气固两相流动，因此电加热管群与物料的传热效果受颗粒相分布浓度影响较大，颗粒相分布浓度低处的传热效果差，因此易造成电加热管群局部达到烧毁点而损坏。如何解决上述问题成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本公开提供了一种循环灰储热系统及其优化深度调峰的方法，该方法不仅能解决前述问题，而且还能储存弃光弃风弃水电能、污染物排放量低、储热系统结构简单、易于改造且运行安全可靠。一般而言，电厂所用电量为其总发电量减去上网电量，即电厂使用自身所发的一部分电量来维持正常运行。本公开创新性的提出将电网中的可再生能源电能储存于循环流化床机组中，从而消纳低负荷时期电网中过剩的可再生能源发电量，同时能以较低的耗煤量维持较高的炉膛温度，从而提高机组在低负荷运行过程中的流态化安全性，降低硫氧化物和氮氧化物在快速调峰过程中的排放浓度，提升机组的调峰响应速率。

具体地，本公开的技术方案如下所述：

在本公开的第一方面，一种循环灰储热系统，分离器下方的料腿位置处设置有小型鼓泡流化床，所述小型鼓泡流化床由返料风、风室和布风装置构成；其中，风室中的电加热装置为折流板式结构。

在本公开的第二方面，一种优化深度调峰的方法，所述方法利用电网中的弃光弃风弃水电量，通过加热装置加热风室中的返料风，被加热的返料风通过布风装置维持料腿下方循环灰的流态化并对循环灰进行加热；被加热的循环灰通过回料装置进入循环流化床锅炉炉膛。

在本公开的第三方面，一种循环灰储热系统和/或一种优化深度调峰的方法在储能与深度调峰中的应用。

本公开中的一个或多个技术方案具有如下有益效果：

可在用电低谷时期将电网中多余的可再生能源电能以热能形式进行储存，充分消纳电网中可再生能源的发电量，缓解弃光弃风弃水状况。利用可再生能源发电量提升深度调峰时期循环流化床锅炉在低负荷工况下的炉膛温度，有效解决由于低炉温运行下的热量分布不均性导致的受热面变形破裂问题，降低循环流化床机组在低负荷运行下的硫氧化物和氮氧化物生成量并提高脱除效率，提升循环流化床机组的变负荷爬坡及下坡能力。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

以下，结合附图来详细说明本公开的实施方案，其中：

图1为实施例1的一种优化深度调峰循环流化床机组性能的循环灰储热系统。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本公开。应理解，这些实施例仅用于说明本公开而不用于限制本公开的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。

术语解释：

深度调峰：为适应电负荷需求的大幅度变化而使发电机组大幅度调节发电量的运行操作；

循环灰：循环流化床锅炉系统中的循环物料。

目前中国的循环流化床锅炉可以从100％负荷调节至30％负荷，但是循环流化床锅炉在低负荷运行时由于较低的给煤量和风量会导致炉内物料量减少和循环流率降低，进而造成炉膛平均温度显著降低。炉膛温度是循环流化床锅炉运行的重要参数，实际运行中炉膛温度通常维持在850-950℃，该温度区间既能保证高效率燃烧也能保障脱硫脱硝效果。但是低负荷运行时炉膛平均温度明显低于850℃，同时炉膛温度沿高度方向的分布差异也会增大。炉膛温度的降低及不均匀性的增加会产生四个问题：第一，深度调峰过程中大量热量和物料集中于炉膛下部的密相区，造成炉膛下部密相区和炉膛上部稀相区温度差加大，而较大的热量分布不均性会导致炉内受热面发生变形和破裂，影响运行安全；第二，循环流化床锅炉的炉膛温度影响炉内石灰石的脱硫效率，当炉膛温度低于800℃时，石灰石的煅烧速率显著下降，导致生成的CaO孔隙减少，最终降低脱硫反应的效率；第三，氮氧化物的生成控制和生成后治理效果均与炉膛温度有关，炉膛温度降低将会削弱炉内控制氮氧化物生成量的效果。炉膛温度降低也会导致炉膛出口烟气温度低于选择性非催化还原技术的正常工作温度窗口(窗口温度在800℃以上)，进而会降低脱硝装置的脱硝效率；第四，循环流化床锅炉热惯性大，当需要机组迅速调节发电量时，由于发电量变化相对于给煤量变化具有滞后性，因此其无法快速响应来自能量管理系统的自动发电量控制指令。同时循环流化床机组快速变负荷时，其污染物排放瞬时值容易超限，这也限制了其对调峰指令的快速响应。

为了有效解决循环流化床机组在深度调峰过程中由于炉膛温度降低导致的一些列问题，本公开创新性地利用电网在电负荷低谷时段的弃光弃风弃水电量加热循环流化床锅炉的循环灰，将这部分电能转化为热能储存在循环流化床系统中，同时利用高温循环灰提升调峰期间的炉膛温度，从而在充分利用弃光弃风弃水电量的同时解决上述由于炉膛温度降低导致的一系列问题，最终实现机组在深度调峰过程中的高性能稳定运行。

在本公开的一种实施方式中，一种优化深度调峰循环流化床机组性能的循环灰储热系统，分离器下方的料腿位置处设置有小型鼓泡流化床，所述小型鼓泡流化床由返料风、风室和布风装置构成；其中，风室中的电加热装置为折流板式结构，兼具电加热功能和折流板功能，可有效延长返料风在风室中的加热时间，提高热交换效率；所述电加热装置利用电网电量加热返料风。

分离器用于分离来自炉膛燃烧后的物料，燃烧后的物料以灰为主要成分，称为循环灰，循环灰随烟气进入分离器，经分离器分离后循环灰进入分离器下方的料腿。其中，对于分离器没有具体的限定，只要分离器能够用于实现循环灰的分离即可，本领域技术人员能够基于实际需求，对分离器进行选择，优选的，所述分离器为旋风分离器。同时，对于分离器与炉膛的连接关系也不做具体的限定，本领域技术人员能够基于实际情况进行常规设置。

进一步地，所述系统还包括回料装置，回料装置设置在循环流化床锅炉炉膛与分离器之间；回料装置中有流动风，能够保证循环灰的流化，防止结焦；所述回料装置不仅用于将分离器收集的循环灰送回炉膛，而且还能够防止气体反窜，由于分离器内的压力低于炉膛的压力，回料装置将循环灰从低压区送入高压区，必须有足够的压力克服负压差，既起到气体的密封作用又将固体颗粒送回炉膛；

所述回料装置选自U型回料阀、L型回料阀和J型回料阀；优选的，所述回料装置为U型回料阀，U型阀结构由底部相通、截面相同的两个小流化床构成，物料在一个流化床中上行，一个流化床中下行。下行小流化床一般称为流化室，与分离器下的料腿相连接，上行小流化床与通向主床的过渡斜管相连接，一般称为返料室。U型阀底部设置布风装置。通过调节布风装置下部的空气阀门，可以使U型阀上行室中的颗粒处于鼓泡状态，而下行室中的颗粒处于充气滑移状态，并维持一定的料位高度，从而提供足够的压头，可控颗粒从U型阀返回进入炉膛，使床料实现循环。

进一步地，所述布风装置为布风板；布风装置一方面能够维持循环灰的流态化，另一方面还能够防止料腿中的循环灰进入风室，避免加热装置被磨损。

进一步地，所述电加热装置设置于返料风和布风装置之间，被加热后的流化态的循环灰被输送至回料装置进而进入炉膛。

其中，该小型鼓泡流化床不仅能够将电网中的弃光弃风弃水电量以热能形式储存于循环灰中，解决弃光弃风弃水问题，维持电网的安全稳定，而且，由于实现对电网中弃光弃风弃水电量的储能利用，提升了炉膛温度，极大的降低了耗煤量，相比于其他储能系统，极大的降低了成本，同时，由于是对电网中弃光弃风弃水电量的储能利用，也极大的提高了发电响应速度，避免了现有的利用机组自身产生的过剩电能(需要不断的提供大量的煤)去加热循环流化床锅炉的循环物料而导致的耗煤量多与污染物排放量高的问题。此外，该储热系统的电加热装置设置在风室中，风室上方设置有布风板，布风板上安装钟罩式风帽，物料无法进入风室，进而有效避免循环灰对加热装置造成的严重磨损，从而延长使用寿命。

在本公开的一种实施方式中，提供一种优化深度调峰的方法，所述方法利用电网中的弃光弃风弃水电量，通过加热装置加热风室中的返料风，被加热的返料风通过布风装置维持料腿下方循环灰的流态化并对循环灰进行加热；被加热的循环灰通过回料装置进入循环流化床锅炉炉膛。

进一步地，当可再生能源发电量高时，循环流化床机组进行深度调峰操作，降低进入燃烧室的给煤量和减小流化风，进而降低运行负荷；利用电网中的弃光弃风弃水电量通过加热装置加热风室中的返料风，被加热的返料风通过布风装置维持料腿下方循环灰的流态化并将其加热至900～1100℃；被加热的循环灰通过回料装置进入循环流化床锅炉炉膛，可提升深度调峰过程中炉膛的温度至850-950℃。

进一步地，当炉膛温度升高后，炉内换热增强，产生蒸汽量增多，其发电量也相应增多；此时，维持调峰任务规定的上网电量不变，将由于炉膛温度升高而增产的电量也用于加热循环灰。该过程相当于将弃光弃风弃水电量以及快速降负荷多余的非上网电量以热能的形式储存于循环流化床锅炉内，同时提升了炉膛温度和温度分布的均匀性。

进一步地，当可再生能源发电量低时，循环流化床机组需要提高运行负荷，关闭加热装置，停止利用电网电量和机组自身超发电量加热循环灰，其中，停止利用电网电量加热循环灰相当于瞬时增加了电网中的电量，而停止利用机组自身超发电量加热循环灰意味着机组可以将全部发电量上网，从而瞬时提升上网电量。

由于这部分能量储存在循环流化床锅炉内，没有系统的热惯性导致的延迟，因此其发电响应速度将显著快于增多给煤量和风量提升发电量的响应速度。较短时间内，这部分储存的能量可快速提升响应速度，之后为了长时间维持较高的电量供应，需同时增大给煤量和风量，从而在充分发挥储存能量的迅速响应作用后持续按照负荷要求提供电能。

CN 109899780 B的发明专利中多加煤有利于在需要提升负荷时提高响应速度，这个提高是相对于不采用储热的机组而言的，因为不采用储热的机组只能通过开始加煤来提升负荷，而CN 109899780 B专利中可以让多加的煤所发的电停止加热循环物料，而直接参与上网。本公开的专利中响应速度又比CN 109899780 B专利的更好，因为本公开不用靠多耗的煤来实现一个较快的响应，利用的是电网原来多余的电量，可以迅速还给电网。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。

实施例1

一种优化深度调峰循环流化床机组性能的循环灰储热系统，如图1所示，该系统的炉膛顶端与分离器的顶端连接，实现循环灰从炉膛随烟气进入分离器；分离器的料腿位置设置布风板，布风板下方设置有风室，风室中设置有电加热装置；该电加热装置的结构是折流板式电加热结构，能够利用电网电量高效加热返料风；在炉膛和分离器之间设置有U型回料阀。

实施例2

利用实施例1的储热系统进行优化深度调峰的方法：

当可再生能源发电量高时，能量管理系统要求循环流化床机组调整至额定负荷的30％。循环流化床机组进行深度调峰操作，将非必要上网电量直接用于加热循环灰，提高了调峰过程中的下坡速度。同时降低进入炉膛的给煤量和减小流化风，进而降低运行负荷。燃烧后的物料以灰为主要成分，称为循环灰。循环灰随烟气进入分离器，经分离器分离后循环灰进入料腿。料腿下方是由返料风、风室和布风板构成的小型鼓泡流化床，其中风室中安装有电加热装置。利用电网中的弃光弃风弃水电量和机组所发非必要上网电量通过电加热装置加热风室中的返料风，被加热的返料风通过布风板维持料腿下方循环灰的流态化并将其加热至900℃左右。被加热的循环灰通过回料阀进入循环流化床锅炉炉膛，可提升深度调峰过程中炉膛的温度至850-950℃。值得注意的是，当炉膛温度升高后，炉内换热增强，产生蒸汽量增多，其发电量也相应增多，即发电量将会高于30％负荷下的发电量，但其耗煤量仍为30％负荷下的耗煤量。此时仅将30％负荷的电量上网从而完成调峰任务，将由于炉膛温度升高而增产的电量也用于加热循环灰，继续以热能形式储存在锅炉系统中。该过程相当于将弃光弃风弃水电量和快速降负荷多余的电量以热能的形式储存于循环流化床锅炉内，同时提升了炉膛温度和温度分布的均匀性。有效解决由于低炉温运行下的热量分布不均性导致的受热面变形破裂问题，保障循环流化床机组在低负荷下运行的硫氧化物和氮氧化物脱除效率。

当可再生能源发电量低时，能量管理系统要求循环流化床机组提高运行负荷。此时关闭电加热装置，停止利用电网电量和机组自身超发电量加热循环灰。其中停止利用电网电量加热循环灰相当于瞬时增加了电网的电量。而停止利用机组自身超发电量加热循环灰意味着机组可以将发电量全部上网，即可瞬时将超过30％负荷的发电量全部上网。由于这部分能量储存在循环流化床锅炉内，没有系统的热惯性导致的延迟，因此其发电响应速度将显著快于增多给煤量和风量提升发电量的响应速度。较短时间内，这部分储存的能量可快速提升响应速度，之后为了长时间维持较高的电量供应，需同时增大给煤量和风量，从而在充分发挥储存能量的迅速响应爬坡作用后持续按照负荷要求增加电能供应。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种循环灰储热系统的优化深度调峰的方法，其特征是，利用电网中的弃光弃风弃水电量，通过电加热装置加热风室中的返料风，被加热的返料风通过布风装置维持料腿下方循环灰的流态化并对循环灰进行加热；被加热的循环灰通过回料装置进入循环流化床锅炉炉膛；

当可再生能源发电量高时，循环流化床机组进行深度调峰操作，将非上网电量直接用于加热循环灰，同时降低进入炉膛的给煤量和减小流化风，进而降低运行负荷；利用电网中的弃光弃风弃水电量通过加热装置加热风室中的返料风，被加热的返料风通过布风装置维持料腿下方循环灰的流态化并将其加热至900～1100℃；被加热的循环灰通过回料装置进入循环流化床锅炉炉膛，可提升深度调峰过程中炉膛的温度至850-950℃；

当炉膛温度升高后，炉内换热增强，产生蒸汽量增多，其发电量也相应增多；此时，维持调峰任务规定的上网电量不变，将由于炉膛温度升高而增产的电量也用于加热循环灰；该过程相当于将弃光弃风弃水电量以及快速降负荷多余的电量以热能的形式储存于循环流化床锅炉内，同时提升了炉膛温度和温度分布的均匀性；

当可再生能源发电量低时，循环流化床机组需要提高运行负荷，关闭电加热装置，停止利用电网电量和机组自身超发电量加热循环灰，其中，停止利用电网电量加热循环灰相当于瞬时增加了电网中的电量，而停止利用机组自身超发电量加热循环灰意味着机组可以将全部发电量上网，从而瞬时提升上网电量。

2.如权利要求1所述的一种循环灰储热系统的优化深度调峰的方法，其特征是，所述回料装置设置在循环流化床锅炉炉膛与分离器之间。

3.如权利要求2所述的一种循环灰储热系统的优化深度调峰的方法，其特征是，所述回料装置选自U型回料阀、L型回料阀或J型回料阀。

4.如权利要求2所述的一种循环灰储热系统的优化深度调峰的方法，其特征是，所述回料装置为U型回料阀，U型阀结构由底部相通、截面相同的两个小流化床构成，物料在一个流化床中上行，一个流化床中下行；下行小流化床为流化室，与分离器下的料腿相连接，上行小流化床与通向主床的过渡斜管相连接，称为返料室；U型阀底部设置布风装置。

5.如权利要求1所述的一种循环灰储热系统的优化深度调峰的方法，其特征是，所述布风装置为布风板。

6.如权利要求1所述的一种循环灰储热系统的优化深度调峰的方法，其特征是，所述电加热装置设置于返料风和布风装置之间，被加热后的流化态的循环灰被输送至回料装置进而进入炉膛。

7.权利要求1-6任一项所述的一种循环灰储热系统的优化深度调峰的方法在储能与深度调峰中的应用。

Images