CN113153471B - 旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统及其运行的方法，系统包括空气压缩机组、储气室、导热油‑空气换热器、高温储油罐、太阳能集热器和透平发电机组；空气经过空气压缩机组压缩后存储在储气室，压缩空气进入导热油‑空气换热器与太阳能集热器来的导热油换热，后进入透平发电机组做功发电，储油罐采用旧锅炉的汽包，导热油‑空气换热器采用旧锅炉的过热器，太阳能集热器的内流管束采用表面涂覆吸收辐射层的水冷壁管道；导热油在太阳能集热器中加热，实现旧火电厂的废弃设备重新利用，化解过剩产能，节省压缩空气储能系统总体成本，克服关火电厂设备浪费、传统压缩空气储能系统燃料消耗量较大和建设成本高的问题。

Description

旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统及其运行方法
技术领域
本发明属于压缩空气储能领域，具体涉及旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统及其运行方法。
背景技术
近年来，为缓解日益严重的环境污染问题，需要大力推进重点领域化解过剩产能工作，积极稳妥推进煤电优化升级。充分发挥市场调节和宏观调控作用，淘汰关停不达标落后煤电机组。同时可再生能源发电装机总量逐年提升，在总发电量中的比重也越来越高。然而可再生能源的不稳定性会造成电网稳定性、安全性降低，压缩空气储能作为一种可靠的储能技术，在实现可再生能源发电方面有重要支撑作用。
对于压缩空气储能技术，储气室出口空气补热是释能过程的关键环节。传统的压缩空气储能技术利用燃料燃烧加热空气，不可再生资源消耗量大且造成环境污染。同时因产能过剩而废弃、关停得火电厂暂无合适处理手段，造成设备闲置、浪费。
发明内容
为了实现旧火电厂的废弃设备重新利用，节省压缩空气储能系统总体成本，同时降低能源消耗和减少污染，本发明提供一种旧火电厂锅炉改造用于太阳能和压缩空气复合储能系统及其运行方法，整个系统将废旧锅炉改造作为加热储气室出口空气的设备，去掉燃料燃烧环节，有效降低资源消耗，减少环境污染，降低成本，来自储气室的高压空气在通过导热油-空气换热器时与来自高温储油罐的高温导热油换热，然后进入透平做功，带动发电机发电。低温导热油被收集流入太阳能集热器加热。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统，包括空气压缩机组、储气室、导热油-空气换热器、高温储油罐、太阳能集热器、高压透平、低压透平和发电机；空气压缩机组的第一级空气压缩机进气口连通大气，第一级空气压缩机的出气口连通第二级空气压缩机进气口，第二级空气压缩机的出气口连接储气室的入口，高压透平和低压透平连接发电机；导热油-空气换热器包括高温段和低温段，储气室的出气口连接导热油-空气换热器低温段管外侧入口，导热油-空气换热器低温段管外侧出口连接低压透平的入口，低压透平的出口连接导热油-空气换热器高温段入口，导热油-空气换热器高温段出口连接高压透平入口，低压透平的出口连通大气；太阳能集热器的出口依次连通高温储油罐和导热油-空气换热器的管侧入口，导热油-空气换热器的管侧出口连通太阳能集热器的入口，导热油经过太阳能集热器时进行辐射换热，高温储油罐采用旧锅炉的汽包，导热油-空气换热器采用旧锅炉的过热器，所述过热器管路外设置承压外壳，同时在过热器的原低温过热器区域与原高温过热区域之间设置金属隔板，将过热器分为高温段和低温段，太阳能集热器的内流管束采用表面涂覆吸收辐射层的水冷壁管道。
第一级空气压缩机的出口连接中间冷却器的进口，中间冷却器的出口连接第二级空气压缩机的进口，第二级空气压缩机的出口连接后冷器的进口，后冷器的出口连接储气室的进口；中间冷却器和后冷器的冷却介质均为水。
旧锅炉的过热器外侧设置承压外壳，其内部形成可承压空气流道，导热油填充在过热器的管道内，在旧锅炉原低温过热器与原高温过热器之间设置金属隔板，将导热油-空气换热器分为高温段和低温段，原低温过热器管束设置在所述高温段中，原高温过热器管束设置在所述低温段中，高温段开设进油口，进油口连通高温储油罐，低温段开设出油口，出油口连通太阳能集热器；导热油在导热油-空气换热器依次经过原低温过热器管束和原高温过热器管束。
低温段开设原高温过热器区域入口和原高温过热器区域出口，储气室出口连接原高温过热器区域入口，原高温过热器区域出口连接高压透平的入口；高温段开设原低温过热器区域入口，原低温过热器区域出口，高压透平的出口连接原低温过热器区域入口，原低温过热器区域出口连接低压透平入口。
旧锅炉的汽包外侧覆盖隔热层，作为高温储油罐。
透平发电机组的电能输出端连接空气压缩机组输入端。
导热油-空气换热器与太阳能集热器之间设置低温储油罐。
储气室出气口设置节流阀，高温储油罐出口设置节流阀。
本发明所述的太阳能和压缩空气复合储能系统的运行方法，具体过程如下：
储能阶段，空气进入空气压缩机组被压缩，压缩空气进入储气室储存，太阳辐射充足时，太阳能集热器中的管道吸收太阳辐射，加热导热油，高温导热油储存在高温储油罐中；
释能阶段，储气室中的高压空气经导热油-空气换热器高温段加热升温后进入高压透平膨胀发电，从高压透平排出的空气在导热油-空气换热器中经过低温段再热进入低压透平膨胀发电，尾气排入大气；高温储油罐中的高温导热油与空气换热后进入直接进入太阳能集热器加热。
进一步的，其运行过程还可以是：储能阶段，空气流入第一级空气压缩机被压缩，后流入中间冷却器冷却并产生热水供热，再流入第二级空气压缩机被压缩，然后流入后冷器冷却并产生热水，最后进入储气室储存，光照条件良好时，太阳能集热器开始运行，导热油在太阳能集热器中吸收太阳辐射被加热，再进入高温储油罐储存；
释能阶段，储气室的高压空气经节流阀后进入导热油-空气换热器，在导热油-空气换热器高温段中与导热油换热后升温，再进入高压透平膨胀做功，带动压缩机和发电机；经做功的空气从高压透平排出后再进入导热油-空气换热器与导热油换热，空气温度升高，然后进入低压透平膨胀做功，尾气直接排入大气，来自高温储油罐的导热油与空气换热后进入低温储油罐储存或直接进入太阳能集热器进行换热。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，本发明实现旧火电厂的废弃设备重新利用，化解过剩产能，节省压缩空气储能系统总体成本，同时降低能源消耗和减少污染，整个系统将废旧锅炉改造作为加热储气室出口空气的设备，去掉燃料燃烧环节，有效降低资源消耗，减少环境污染，降低成本，来自储气室的高压空气在通过导热油-空气换热器时与来自高温储油罐的高温导热油换热，然后进入透平做功，带动发电机发电，低温导热油被收集流入太阳能集热器加热。
进一步的，系统产生的电能还能用于压缩机工作。
附图说明
图1是一种可实施的太阳能和压缩空气复合储能系统。
图2是一种采用过热器改造的导热油-空气换热器结构示意图。
其中：1-第一级空气压缩机；2-第二级空气压缩机；3-中间冷却器；4-后冷器；5-储气室；6-太阳能集热器；7-导热油-空气换热器；8-高温储油罐；9-高压膨胀机；10-低压膨胀机；11-原高温过热器区域入口；12-原高温过热器区域出口；13-原低温过热器区域入口；14-原低温过热器区域出口；导热油-空气换热器进油口15；导热油-空气换热器出油口16；17-原低温过热器管束；18-原高温过热器管束；19-承压外壳；20-金属隔板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
如图1所示，一种太阳能和压缩空气复合储能系统，包括空气压缩机组、储气室5、太阳能集热器6、导热油-空气换热器7、高温储油罐8和透平发电机组。透平发电机组包括高压透平9、低压透平10和发电机，高压透平9和低压透平10的输出连接发电机，太阳能集热器的内流管束由旧锅炉的水冷壁管道改造而成，在旧锅炉的水冷壁管道表面涂覆吸收辐射层；导热油-空气换热器7包括旧锅炉的低温过热器和高温过热器，在所述低温过热器、高温过热器外侧设置可承压外壳，储油罐由旧锅炉的汽包改造而成，旧锅炉的汽包外侧覆盖隔热层，作为高温储油罐8；旧锅炉的过热器外侧包裹耐压材料，其内部形成可承压空气流道，导热油填充在过热器的管道内，在旧锅炉过热器与再热器之间设置金属隔板20，将其分为过热器区域和再热器区域，空气压缩机组的出气口连接储气室5的入口，储气室5的出口连接导热油-空气换热器7的低温段，换热器的低温段气体出口连接高压透平9的进气口，高压透平9的出气口连接导热油-空气换热器7的高温段，换热器的高温段气体出口连接低压透平10的进气口，低压透平10的出口连通大气。
具体的，第一级空气压缩机1的出口连接中间冷却器3的进口，中间冷却器3的出口连接第二级空气压缩机2的进口，第二级空气压缩机2的出口连接后冷器4的进口，后冷器4的出口连接储气室5的进口；中间冷却器3和后冷器4的冷却介质均为水。
旧锅炉的过热器外侧设置承压外壳19，其内部形成可承压空气流道，导热油填充在过热器的管道内，在旧锅炉原低温过热器与原高温过热器之间设置金属隔板20，将导热油-空气换热器7分为高温段和低温段，原低温过热器管束17设置在所述高温段中，原高温过热器管束18设置在所述低温段中，高温段开设进油口15，进油口15连通高温储油罐8，低温段开设出油口16，出油口16连通太阳能集热器6；导热油在导热油-空气换热器7依次经过原低温过热器管束17和原高温过热器管束18；
参考图2，低温段开设原高温过热器区域入口11和原高温过热器区域出口12，储气室5出口连接原高温过热器区域入口11，原高温过热器区域出口12连接高压透平9的入口；高温段开设原低温过热器区域入口13，原低温过热器区域出口14，高压透平9的出口连接原低温过热器区域入口13，原低温过热器区域出口14连接低压透平10入口。
可选的，旧锅炉的汽包外侧覆盖隔热层，作为高温储油罐8。
透平发电机组的电能输出端连接空气压缩机组输入端；导热油-空气换热器7与太阳能集热器6之间设置低温储油罐；储气室5出气口设置节流阀，高温储油罐8出口设置节流阀。
导热油是太阳能集热器中的常用热载体，传统导热油蓄热储能的光热发电技术将高温导热油用于产生蒸汽推动汽轮机发电。在锅炉结构中过热器管路因其耐高温高压的性质可作为导热油通道，在管外添加可承压外壳作为导热油-空气换热器；水冷壁管的辐射吸收能力强，经过处理可作为集热器核心结构；汽包密封性较好，经过隔热加工可作为集热器出口的导热油储存容器。
太阳能光热发电作为一种成熟可靠的技术，将其集热器部分应用于本发明压缩空气储能系统的补热过程。
如图2所示，旧锅炉的过热器加装承压外壳19，承压外壳19中设置金属板20，金属板20将导热油-空气换热器7分为高温段和低温段，原低温过热器管束17设置在高温段中，原高温过热器管束18设置在低温段中，高温储油罐8中的高温导热油经过导热油-空气换热器7时先通入进油口15，再从出油口16流入太阳能集热器，依次经过原低温过热器管束17和原高温过热器管束18，高压透平出口连接原低温过热器区域入口13，原低温过热器区域出口14连接低压透平10入口，储气室出口连接原高温过热器区域入口11，原高温过热器区域出口12连接高压透平入口。
本发明基于旧火电厂锅炉改造成太阳能和压缩空气复合储能系统的运行方法具体如下：
1储能阶段，空气进入空气压缩机组被压缩，压缩过程产生热量被冷水带走一部分，压缩空气进入储气室储存，太阳辐射充足时，太阳能集热器6中的管道吸收太阳辐射，加热导热油，高温导热油储存在高温储油罐8中。
2释能阶段，储气室5中的高压空气经导热油-空气换热器7加热升温后进入高压透平9膨胀发电，从高压透平9排出的空气在导热油-空气换热器7中经过再热进入低压透平10膨胀发电，尾气排入大气；高温储油罐8中的高温导热油与空气换热后进入低温储油罐储存或直接进入太阳能集热器加热。
包括以下过程：
储能阶段，空气流入第一级空气压缩机1被压缩，后流入中间冷却器3冷却并产生热水供热，再流入第二级空气压缩机2被压缩，然后流入后冷器4冷却并产生热水，最后进入储气室5储存。光照条件良好时，太阳能集热器6开始运行，导热油在太阳能集热器6中吸收太阳辐射被加热，再进入高温储油罐8储存。
释能阶段，储气室5的高压空气经节流阀后进入导热油-空气换热器7，在导热油-空气换热器7中与导热油换热后升温，再进入高压透平9膨胀做功，带动压缩机和发电机；从高压透平9排出后再进入导热油-空气换热器7与导热油换热，空气温度升高，然后进入低压透平10膨胀做功，尾气直接排入大气。来自高温储油罐8的导热油与空气换热后进入低温储油罐储存或直接进入太阳能集热器6进行换热。
本系统的空气压缩部分采用多级压缩，膨胀部分采用多级膨胀；如图1所示，空气压缩机级间设置中间冷却器，在末级压缩机出口设置空气后冷器；第一级空气压缩机1的出口连接中间冷却器3的进口，中间冷却器3的出口连接第二级空气压缩机2的进口，第二级空气压缩机2的出口连接后冷器4的进口，后冷器4的出口连接储气室5的进口。中间冷却器3和后冷器4的冷却介质均为水。
在储能过程中，高压空气储存在储气室。太阳能集热器利用太阳辐射能将导热油加热后储存在高温储油罐中。
在释能过程，系统高温储油罐中的导热油流入导热油-空气换热器加热来自低压透平和储气室的空气，在太阳能集热器的入口之前可加装低温导热油收集容器。如图1所示，来自储气室5的高压空气经节流阀后进入导热油-空气换热器7，在换热器中被导热油加热后进入高压透平9膨胀做功；从高压透平9排出后再进入导热油-空气换热器7与导热油换热，然后进入低压透平10膨胀做功，尾气直接排入大气。

Claims (10)

1.旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统，其特征在于，包括空气压缩机组、储气室（5）、导热油-空气换热器（7）、高温储油罐（8）、太阳能集热器（6）、高压透平（9）、低压透平（10）和发电机；空气压缩机组的第一级空气压缩机（1）进气口连通大气，第一级空气压缩机（1）的出气口连通第二级空气压缩机（2）进气口，第二级空气压缩机（2）的出气口连接储气室（5）的入口，高压透平（9）和低压透平（10）连接发电机；导热油-空气换热器（7）包括高温段和低温段，储气室（5）的出气口连接导热油-空气换热器（7）高温段管外侧入口，导热油-空气换热器（7）高温段管外侧出口连接高压透平（9）的入口，高压透平（9）的出口连接导热油-空气换热器（7）低温段入口，导热油-空气换热器（7）低温段出口连接低压透平（10）入口，低压透平（10）的出口连通大气；太阳能集热器（6）的出口依次连通高温储油罐（8）和导热油-空气换热器（7）的管侧入口，导热油-空气换热器（7）的管侧出口连通太阳能集热器（6）的入口，导热油经过太阳能集热器（6）时进行辐射换热，高温储油罐（8）采用旧锅炉的汽包，导热油-空气换热器（7）采用旧锅炉的过热器，所述过热器管路外设置承压外壳，同时在过热器的原低温过热器区域与原高温过热区域之间设置金属隔板（20），将过热器分为高温段和低温段，太阳能集热器（6）的内流管束采用表面涂覆吸收辐射层的水冷壁管道。
2.根据权利要求1所述的旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统，其特征在于，第一级空气压缩机（1）的出口连接中间冷却器（3）的进口，中间冷却器（3）的出口连接第二级空气压缩机（2）的进口，第二级空气压缩机（2）的出口连接后冷器（4）的进口，后冷器（4）的出口连接储气室（5）的进口；中间冷却器（3）和后冷器（4）的冷却介质均为水。
3.根据权利要求1所述的旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统，其特征在于，旧锅炉的过热器外侧设置承压外壳（19），其内部形成可承压空气流道，导热油填充在过热器的管道内，在旧锅炉原低温过热器与原高温过热器之间设置金属隔板（20），将导热油-空气换热器（7）分为高温段和低温段，原低温过热器管束（17）设置在所述高温段中，原高温过热器管束（18）设置在所述低温段中，高温段开设进油口（15），进油口（15）连通高温储油罐（8），低温段开设出油口（16），出油口（16）连通太阳能集热器（6）；导热油在导热油-空气换热器（7）依次经过原低温过热器管束（17）和原高温过热器管束（18）。
4.根据权利要求3所述的旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统，其特征在于，高温段开设原高温过热器区域入口（11）和原高温过热器区域出口（12），储气室（5）出口连接原高温过热器区域入口（11），原高温过热器区域出口（12）连接高压透平（9）的入口；低温段开设原低温过热器区域入口（13），原低温过热器区域出口（14），高压透平（9）的出口连接原低温过热器区域入口（13），原低温过热器区域出口（14）连接低压透平（10）入口。
5.根据权利要求1所述的旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统，其特征在于，旧锅炉的汽包外侧覆盖隔热层，作为高温储油罐（8）。
6.根据权利要求1所述的旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统，其特征在于，透平发电机组的电能输出端连接空气压缩机组输入端。
7.根据权利要求1所述的旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统，其特征在于，导热油-空气换热器（7）与太阳能集热器（6）之间设置低温储油罐。
8.根据权利要求1所述的旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统，其特征在于，储气室（5）出气口设置节流阀，高温储油罐（8）出口设置节流阀。
9.权利要求1-8任一项所述的旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统的运行方法，其特征在于，
储能阶段，空气进入空气压缩机组被压缩，压缩空气进入储气室（5）储存，太阳辐射充足时，太阳能集热器（6）中的管道吸收太阳辐射，加热导热油，高温导热油储存在高温储油罐（8）中；
释能阶段，储气室（5）中的高压空气经导热油-空气换热器（7）高温段加热升温后进入高压透平（9）膨胀发电，从高压透平（9）排出的空气在导热油-空气换热器（7）中经过低温段再热进入低压透平（10）膨胀发电，尾气排入大气；高温储油罐（8）中的高温导热油与空气换热后进入直接进入太阳能集热器加热。
10.根据权利要求9所述的旧火电厂锅炉改造的压缩空气复合储能系统的运行方法，其特征在于，包括以下过程：
储能阶段，空气流入第一级空气压缩机（1）被压缩，后流入中间冷却器（3）冷却并产生热水供热，再流入第二级空气压缩机（2）被压缩，然后流入后冷器（4）冷却并产生热水，最后进入储气室（5）储存，光照条件良好时，太阳能集热器（6）开始运行，导热油在太阳能集热器（6）中吸收太阳辐射被加热，再进入高温储油罐（8）储存；
释能阶段，储气室（5）的高压空气经节流阀后进入导热油-空气换热器（7），在导热油-空气换热器（7）高温段中与导热油换热后升温，再进入高压透平（9）膨胀做功，带动压缩机和发电机；经做功的空气从高压透平（9）排出后再进入导热油-空气换热器（7）与导热油换热，空气温度升高，然后进入低压透平（10）膨胀做功，尾气直接排入大气，来自高温储油罐（8）的导热油与空气换热后进入低温储油罐储存或直接进入太阳能集热器（6）进行换热。
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