CN113090352B - 一种提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于火力发电领域，具体涉及一种提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦系统及方法，在机组参与电网调峰需要降低出力时，通过抽取部分主蒸汽和/或再热蒸汽进入储热系统，将部分热量存储于储热系统；在机组参与电网调峰需要增加出力时，按照参数和热量的合理匹配原则，把储热系统的储热量送回到热力系统中，实现机组出力大于对应锅炉负荷，或通过储热系统放热产生新蒸汽，进入顶峰用汽轮发电机组，可实现汽轮发电机组总出力高于锅炉额定负荷能力，提升电厂顶峰能力。该方案实现了锅炉和汽轮机的解耦运行，机组最小出力可不受锅炉最低稳燃负荷限制，最大出力可根据需要超出锅炉最大出力，大幅增加了机组的调峰负荷范围和灵活性。

Description

一种提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦系统及方法

技术领域

本发明属于火力发电技术领域，具体涉及一种提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦系统及方法。

背景技术

目前我国发电结构中火电仍占绝对主导地位，为了降低碳排放，需要严格控制燃煤发电的总量，大部分燃煤机组将改为灵活调度的运行方式，为非化石能源发电的消纳提供技术支撑，同时煤电在未来一段时间仍然发挥着电力供应“压舱石”的作用。随着控制碳排放量工作的推进，风电、光伏等新能源将大规模并网，给电网带来高比例可再生能源、高比例电力电子设备的挑战，煤电“基荷电源”的角色将逐步淡化，其定位将转向配合可再生能源灵活调整出力以保障平稳电力供给、以及配合尖峰负荷时段快速出力的辅助调节型电源。目前火电机组灵活性受制于锅炉和汽轮机间的耦合关系，当需要宽负荷运行时，汽轮机具有较好的负荷调节能力，但锅炉受最低稳燃负荷的限制，不能进一步降低负荷率，限制了机组的调峰能力。

因此为提高火电机组的灵活性，适用于深度调峰，将锅炉负荷与汽轮机出力进行解耦是一项亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦系统及方法，提高火电机组的灵活性，适用于深度调峰，将锅炉负荷与汽轮机出力进行解耦。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦方法，当机组参与电网调峰需要降低出力时，将部分进入汽轮机的蒸汽引出至储热系统，储存部分热量，减少进入汽轮机的蒸汽流量，降低汽轮机出力，实现机组降负荷调峰运行；

当机组参与电网调峰需要增加出力时，从机组汽水系统中抽取部分蒸汽、给水或凝结水至储热系统，吸收存储的热量后进入汽轮机组做功，增加汽轮机出力，实现机组升负荷调峰运行。

具体如下：

当机组参与电网调峰需要降低出力时：

保持锅炉负荷不低于最低稳燃负荷；从进入汽轮机高压缸前的主蒸汽管道上抽取主蒸汽进入高温储热模块；将抽取的主蒸汽热量进行储存，损失热量后的蒸汽成为较低品质的蒸汽或给水；所述较低品质的蒸汽与高压缸排汽混合，送至锅炉再热；所述较低品质的蒸汽或给水送入机组回热系统热力接口；从进入汽轮机中压缸前的再热蒸汽管道上抽取再热蒸汽进入高温储热模块；将抽取的再热蒸汽热量进行存储，再热蒸汽释放热量后成为较低品质的蒸汽或水；所述较低品质的蒸汽或水进入机组回热系统热力接口；所述较低品质的蒸汽或水进入中温储热模块储存；

当机组参与电网调峰需要增加机组出力时：

锅炉在最低稳燃负荷以上到额定负荷间运行；从锅炉的过热器中间集箱上抽取蒸汽；从汽轮机高压缸排汽抽取蒸汽；从回热系统热力接口抽取给水；从凝结水泵出口的管道上抽取凝结水；所抽取的蒸汽、给水或凝结水进入储热系统吸收所存储的热量，增加热量后的蒸汽、给水或凝结水成为较高品质的蒸汽、给水或凝结水；所述较高品质的蒸汽与主蒸汽或再热蒸汽混合；所述较高品质的蒸汽送入锅炉；所述较高品质的给水送入锅炉；所述高品质的给水或凝结水送入机组回热系统热力接口。

所述主蒸汽热量进行存储是通过主蒸汽与储热介质进行换热实现将主蒸汽中的部分热量转移至储热介质并存储；再热蒸汽热量进行存储是通过再热蒸汽与储热介质进行换热实现将再热蒸汽中的部分热量转移至储热介质并存储；储存热量送回系统是通过从系统中抽取较低品质的蒸汽、给水或凝结水与储热介质进行换热，吸收储热介质所存储的热量，实现将储热系统中的热量转移至热力系统中。

所述机组回热系统热力接口包括高压加热器蒸汽入口、高压加热器给水入口、高压加热器给水出口、除氧器蒸汽入口、除氧器给水入口、除氧器给水出口、低压加热器蒸汽入口、低压加热器凝结水入口和/或低压加热器凝结水出口。

所述机组为亚临界、超临界机组或超超临界参数的纯凝机组，所述机组采用现有任一等级容量的煤电机组。

储热系统吸热后较高品质的蒸汽直接进入另一独立顶峰用汽轮发电机组做功发电。

一种实现提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦方法的系统，包括现有机组及储热系统，所述储热系统的入口与主蒸汽、再热蒸汽、高压缸排汽管道、锅炉的过热器和再热器的中间集箱连通，所述储热系统的出口与机组回热系统热力接口相连通。

所述储热系统包括高温储热模块和中温储热模块，所述高温和中温储热模块采用熔盐储热系统、混凝土储热系统、相变材料储热系统或热水储热系统。

所述回热系统热力接口包括：所述机组回热系统热力接口包括高压加热器蒸汽入口、高压加热器给水入口、高压加热器给水出口、除氧器蒸汽入口、除氧器给水入口、除氧器给水出口、低压加热器蒸汽入口、低压加热器凝结水入口和/或低压加热器凝结水出口。

系统还设置独立的顶峰用汽轮机组，所述独立顶峰用汽轮机组为高压、超高压、亚临界、超临界参数机组，当机组参与电网调峰需要增加机组出力时，经储热系统吸热后较高品质的蒸汽直接送入独立汽轮机做功发电。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明在机组参与电网调峰需要降低出力时，保持锅炉最低稳燃不变，通过抽取部分主蒸汽和再热蒸汽进入储热系统，放热后介质根据参数匹配原则，选择机组相应热力系统接口中的一个或多个接口，将较低品质蒸汽/水返回机组或存储于储热系统，实现机组出力降低的同时将部分热量存储于储热模块；在机组参与电网调峰需要增加出力时，根据参数匹配原则，选择机组相应热力系统接口中的一个或多个接口，抽出部分蒸汽/给水进入储热模块，吸热后根据参数匹配与相应的热力系统接口蒸汽/给水对接，返回机组或产生蒸汽进入独立的顶峰用汽轮发电机组，实现电厂出力的提升；本发明通过增加储热模块实现机炉解耦，当机组参与电网调峰需要降低出力时，保持锅炉不低于最低稳燃负荷运行，利用储热介质将部分高品位能量储存，使汽轮机低于锅炉负荷运行，汽轮发电机组出力不受锅炉最低稳燃负荷限制，增加机组调峰负荷范围和灵活性，可以实现深度调峰的需求；当机组参与电网调峰需要增加出力时，利用储热介质放热提升汽轮机负荷，可减少锅炉燃煤量，提高能量利用效率。

进一步的，由于储热系统与机组多个热力接口相连，在降低出力过程中，与储热介质换热后的蒸汽或给水介质可以根据参数匹配原则，选择一个或多个接口返回机组，避免因参数差异产生的热量品质的降低；同时在增加出力过程中，可根据与储热介质换热后的蒸汽或给水介质，选择从机组热力系统接口中的一个或多个接口抽出部分蒸汽/给水进入储热模块，避免因参数差异产生的介质品质的降低，保证机组灵活性的前提下提高能量利用效率。

进一步的，本发明能提高电厂顶峰出力，通过设置一套独立的顶峰用汽轮发电机组，在电网要求机组高负荷运行时，利用储热介质放热产生新蒸汽进入顶峰用汽轮发电机组，提升电厂顶峰出力，使本发明系统整体最大出力超过现有机组最大出力，增加调峰负荷范围；对新建和改造机组均有较好的适用性。

进一步的，对于新建项目，本发明通过配置储热系统，提高机组运行的灵活性，可实现机炉容量匹配解耦，即锅炉容量低于汽轮机组容量配置，实现机组顶峰出力高于锅炉额定出力。

附图说明

图1为本发明一种提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦系统及方法的示意图。

图2为本发明基于实施例1系统低负荷运行的示意图。

图3为本发明基于实施例1系统升负荷运行的示意图。

图4为本发明基于实施例2系统低负荷运行的示意图。

图5为本发明基于实施例2系统升负荷运行的示意图。

图6为本发明基于实施例4系统低负荷运行的示意图。

图7为本发明基于实施例4系统升负荷运行的示意图。

图中标号：1-锅炉；2-储热系统；3-汽轮机高压缸；4-汽轮机中/低压缸；51-第一给水加热器；52-第二给水加热器；5n-第n给水加热器；6-除氧器；7-凝汽器；8-顶峰用汽轮机组。

具体实施方式

本发明提供了一种提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦系统及方法，下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的一种可实施的提高火电机组灵活性的机炉解耦方法，如图1所示，当机组参与电网调峰需要降低机组出力时，保持锅炉1的负荷不低于最低稳燃负荷，从进入汽轮机高压缸3前的主蒸汽管道上抽取部分主蒸汽；将抽取的主蒸汽引入储热模块2；主蒸汽与储热介质在储热模块2中进行换热，将部分热量储存于储热模块2；换热后损失热量的蒸汽成为低品质蒸汽或给水，按照参数进入锅炉再热或机组回热系统热力接口，如除氧器6入口、第一给水加热器51入口抽汽管道、第二给水加热器52入口抽汽管道、第n给水加热器5n入口抽汽管道、第一给水加热器51入口给水管道、第二给水加热器52入口给水管道、第n给水加热器5n入口给水管道等。与此同时从进入汽轮机中压缸4前的再热蒸汽管道上抽取部分再热蒸汽，将抽取的再热蒸汽引入储热模块2，再热蒸汽与储热介质在储热模块2中进行换热，将部分热量储存于储热模块2，换热后损失热量的蒸汽成为低品质蒸汽或水，按照参数进入机组回热系统热力接口，如除氧器6入口、第一给水加热器51入口抽汽管道、第二给水加热器52入口抽汽管道、第n给水加热器5n入口抽汽管道、第一给水加热器51入口给水管道、第二给水加热器52入口给水管道、第n给水加热器5n入口给水管道等。由于将部分进入汽轮机的蒸汽引出至储热模块，将部分热量储存于储热模块，降低了进入汽轮机的蒸汽流量，汽轮机出力降低，实现降负荷调峰。

当机组参与电网调峰需要增加机组出力时，保持锅炉1的负荷不低于最低稳燃，从锅炉的过热器低过集箱上抽取部分蒸汽，从汽轮机高压缸排汽抽取部分蒸汽，从回热系统热力接口抽取部分给水，从凝结水泵出口的管道上抽取部分凝结水，所述蒸汽、给水或凝结水进入储热模块2；蒸汽、给水或凝结水与储热介质在储热模块2中进行换热，将部分储热模块2的热量传递给蒸汽或给水，换热后增加热量的蒸汽、给水或凝结水成为高品质的蒸汽、给水或凝结水，与主蒸汽/再热蒸汽混合、送入锅炉继续加热或送回到机组回热系统热力接口。由于部分存储于储热模块2的热量引入至汽轮机组，增加了进入汽轮机的蒸汽流量，汽轮机出力增加，实现升负荷调峰。

下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

汽轮机组额定容量为350MW，为机组配置储热模块。

汽轮机主蒸汽管道和再热蒸汽管道分别与储热模块的入口相连，储热模块的出口分别与锅炉省煤器入口管道和汽轮机组凝汽器出口管道相连。如图2所示，当机组参与电网调峰需要降低机组出力至30％负荷时，设置锅炉在50％负荷运行，从进入汽轮机高压缸前的主蒸汽管道上抽取部分主蒸汽进入储热模块，经储热模块换热后与高压给水混合进入锅炉省煤器；同时从进入汽轮机中压缸前的再热蒸汽管道上抽取部分再热蒸汽进入储热模块，经储热模块换热后与凝结水混合进入回热系统。协同控制抽取的主蒸汽和再热蒸汽流量使汽轮机组在30％负荷运行。

除氧器出口管道和高压缸排汽管道分别与储热模块的入口相连，储热模块的出口分别与锅炉省煤器入口管道和再热蒸汽管道相连。如图3所示，当机组参与电网调峰需要增加机组出力至100％负荷时，设置锅炉在85％负荷运行，从除氧器出口管道上抽取部分给水进入储热模块，经储热模块换热后与高压给水混合进入锅炉省煤器；同时从进入汽轮机高压缸排汽管道上抽取部分蒸汽进入储热模块，经储热模块换热后与再热蒸汽混合进入中压缸做功。协同控制抽取的给水和蒸汽流量使汽轮机组在100％负荷运行。

实施例2

汽轮机组额定容量为1000MW，为机组配置储热模块。

汽轮机主蒸汽管道和再热蒸汽管道分别与储热模块的入口相连，储热模块的出口分别与锅炉省煤器入口管道和第3、第4、第5级抽汽管道相连。如图4所示，当机组参与电网调峰需要降低机组出力至25％负荷时，设置锅炉在35％负荷运行，从进入汽轮机高压缸前的主蒸汽管道上抽取部分主蒸汽进入储热模块，经储热模块换热后与高压给水混合进入锅炉省煤器；同时从进入汽轮机中压缸前的再热蒸汽管道上抽取部分再热蒸汽进入储热模块，经储热模块换热后与分别与第3、第4、第5级抽汽混合进入相应的给水加热器。协同控制抽取的主蒸汽和再热蒸汽流量使汽轮机组在25％负荷运行。

除氧器出口管道和高压缸排汽管道分别与储热模块的入口相连，储热模块的出口分别与锅炉省煤器入口管道和再热蒸汽管道相连。如图5所示，当机组参与电网调峰需要增加机组出力至90％负荷时，设置锅炉在75％负荷运行，从第三给水加热器出口管道上抽取部分给水进入储热模块，经储热模块换热后与高压给水混合进入锅炉省煤器。控制抽取的给水流量使汽轮机组在90％负荷运行。

实施例3

汽轮机组额定容量为2x660MW，为机组配置储热模块及调峰用顶峰汽轮机，顶峰汽轮机的容量为200MW。

汽轮机主蒸汽管道和再热蒸汽管道分别与储热模块的入口相连，储热模块的出口分别与锅炉再热器入口管道和除氧器入口管道相连。如图6所示，当机组参与电网调峰需要降低机组出力至20％负荷时，设置锅炉在35％负荷运行，从进入汽轮机高压缸前的主蒸汽管道上抽取部分主蒸汽进入储热模块，经储热模块换热后与高压缸排汽混合进入锅炉再热器；同时从进入汽轮机中压缸前的再热蒸汽管道上抽取部分再热蒸汽进入储热模块，经高温储热模块换热后部分进入机组回热系统热力接口，部分进入中温储热模块。协同控制抽取的主蒸汽和再热蒸汽流量使汽轮机组在20％负荷运行。

储热系统出口与顶峰汽轮机组的主蒸汽入口相连，顶峰汽轮机组的回热系统出口与储热系统的入口相连。如图7所示，当机组参与电网调峰需要增加机组出力时，原有2x660MW机组在额定负荷运行，同时储热系统放热产生新蒸汽进入顶峰汽轮机做功发电。本方案通过新增200MW的顶峰汽轮机组，可将机组出力增加至1520MW，为原有负荷的115％，大幅提高机组向上调峰能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦方法，其特征在于，当机组参与电网调峰需要降低出力时，将部分进入汽轮机的蒸汽引出至储热系统，储存部分热量，减少进入汽轮机的蒸汽流量，降低汽轮机出力，实现机组降负荷调峰运行；

当机组参与电网调峰需要增加出力时，从机组汽水系统中抽取部分蒸汽、给水或凝结水至储热系统，吸收存储的热量后进入汽轮机组做功，增加汽轮机出力，实现机组升负荷调峰运行；具体如下：

当机组参与电网调峰需要降低出力时：

保持锅炉负荷不低于最低稳燃负荷；从进入汽轮机高压缸前的主蒸汽管道上抽取主蒸汽进入高温储热模块；将抽取的主蒸汽热量进行储存，损失热量后的蒸汽成为较低品质的蒸汽或给水；所述较低品质的蒸汽与高压缸排汽混合，送至锅炉再热；所述较低品质的蒸汽或水送入机组回热系统热力接口；从进入汽轮机中压缸前的再热蒸汽管道上抽取再热蒸汽进入高温储热模块；将抽取的再热蒸汽热量进行存储，再热蒸汽释放热量后成为较低品质的蒸汽或水；所述较低品质的蒸汽或水进入机组回热系统热力接口；所述较低品质的蒸汽或水进入中温储热模块储存；

当机组参与电网调峰需要增加机组出力时：

锅炉在最低稳燃负荷以上到额定负荷间运行；从锅炉的过热器中间集箱上抽取蒸汽；从汽轮机高压缸排汽抽取蒸汽；从回热系统热力接口抽取给水；从凝结水泵出口的管道上抽取凝结水；所抽取的蒸汽、给水或凝结水进入储热系统吸收所存储的热量，增加热量后的蒸汽、给水或凝结水成为较高品质的蒸汽、给水或凝结水；所述较高品质的蒸汽与主蒸汽或再热蒸汽混合；所述较高品质的蒸汽送入锅炉；所述较高品质的给水送入锅炉；所述高品质的给水或凝结水送入机组回热系统热力接口；所述主蒸汽热量进行存储是通过主蒸汽与储热介质进行换热实现将主蒸汽中的部分热量转移至储热介质并存储；再热蒸汽热量进行存储是通过再热蒸汽与储热介质进行换热实现将再热蒸汽中的部分热量转移至储热介质并存储；储存热量送回系统是通过从系统中抽取较低品质的蒸汽、给水或凝结水与储热介质进行换热，吸收储热介质所存储的热量，实现将储热系统中的热量转移至热力系统中；所述机组回热系统热力接口包括高压加热器蒸汽入口、高压加热器给水入口、高压加热器给水出口、除氧器蒸汽入口、除氧器给水入口、除氧器给水出口、低压加热器蒸汽入口、低压加热器凝结水入口和/或低压加热器凝结水出口。

2.根据权利要求1所述的提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦方法，其特征在于，所述机组为亚临界、超临界机组或超超临界参数的纯凝机组，所述机组采用现有任一等级容量的煤电机组。

3.根据权利要求1所述的提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦方法，其特征在于，储热系统吸热后较高品质的蒸汽直接进入另一独立顶峰用汽轮发电机组做功发电。

4.一种实现权利要求1至3任一项所述提高纯凝火电机组调峰能力的机炉解耦方法的系统，其特征在于，包括现有机组及储热系统，所述储热系统的入口与主蒸汽、再热蒸汽、高压缸排汽管道、锅炉的过热器和再热器的中间集箱连通，所述储热系统的出口与机组回热系统热力接口相连通，所述储热系统包括高温储热模块和中温储热模块，所述高温和中温储热模块采用熔盐储热系统、混凝土储热系统、相变材料储热系统或热水储热系统，所述回热系统热力接口包括：所述机组回热系统热力接口包括高压加热器蒸汽入口、高压加热器给水入口、高压加热器给水出口、除氧器蒸汽入口、除氧器给水入口、除氧器给水出口、低压加热器蒸汽入口、低压加热器凝结水入口和/或低压加热器凝结水出口。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，系统还设置独立的顶峰用汽轮机组，所述独立顶峰用汽轮机组为高压、超高压、亚临界、超临界参数机组，当机组参与电网调峰需要增加机组出力时，经储热系统吸热后较高品质的蒸汽直接送入独立汽轮机做功发电。

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