CN113503196A - 基于一体化储热的联合循环热电联产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种联合循环热电联产系统，特别是一种基于一体化储热的联合循环热电联产系统，其要点在于：一方面通过采用冷、热一体的储热方案，通过多孔隔板将储热介质分隔成中间大、上下小的空间层次，能够使得储热罐随着冷、热流体的流动在罐体的某个高度上形成温度阶跃层，从而实现冷热分层且同体的目的；另一方面通过设置独立的旁路烟风道为储热换热器提供加热，即提高了储热换热效率，也提高了燃气轮机高温烟气的利用率。这样，本发明的效果还体现在：一方面减少了建设成本，且减小了占地面积；另一方面，由于设置了储热系统，提高了供热蒸汽负荷的稳定性，从而更好的适应负荷变化，降低了机组能耗，提高了运行的经济性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种联合循环热电联产系统，特别是一种基于一体化储热的联合循环热电联产系统。
背景技术
热电联产是建立在能量梯级利用的基础上，集成了供热、发电能量供应形式的系统。近年来，联合循环热电联产以其建设周期短、运行效率高等优点得到快速发展。根据《热电联产管理办法》，工业联合循环项目可按“一抽一背”配置汽轮发电机组或采用背压式汽轮发电机组，采取以热定电，全年热电比不低于40%。当供热蒸汽负荷不稳定时，由于机组运行在“以热定电”模式下，造成联合循环系统需要频繁降负荷运行，甚至需要频繁启停，造成机组能耗提高，经济性降低，甚至影响机组寿命。在实际运行中，联合循环系统可以通过设置储热换热以实现调节供热蒸汽负荷变化的要求，传统的储热换热包括有冷容器和热容器两大设备，储热时，从冷容器中抽出冷流体，吸收来自余热锅炉的热量，变成热流体后进入热容器以储热；放热时，从热容器中抽出热流体与汽轮机系统的换热装置进行热交换，释放热量用于供热、发电，变成冷流体后进入冷容器，由此达到调节负荷变化的目的。
然而，上述技术的不足之处在于：
1）采用冷、热容器进行储热，容器和管道散热面积较大，增加了能量的耗散；且依靠流体的显热进行储热，储热效率不高。
2）采用冷、热两个容器的储热方案，还存在占地面积大，建设成本高的问题。
3）通常在余热锅炉内增加储热介质的受热面，这种方法在不同的运行工况下调节困难，一旦发生故障时需要停机检修，降低了系统的可靠度和灵活性。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种提高储热和换热效率、充分利用烟气、降低建设成本和占地面积、有效适应负荷变化的基于一体化储热的联合循环热电联产系统。
本发明所述目的是通过以下途径来实现的：
基于一体化储热的联合循环热电联产系统，其要点在于，包括如下组成：
1）燃气轮机排气出口及其连接的主烟风道，余热锅炉的受热设备包括过热器、汽包和给水加热器均设置于主烟风道中，主烟风道的进烟口设置有主烟风门；
2）余热锅炉中过热器的蒸汽出口经由管道连接至汽轮机蒸汽进口，汽轮机系统给水出口经由给水泵其中一路连接至余热锅炉给水加热器的给水进口，另一路则连接至汽轮机侧换热器的给水进口端；汽轮机侧换热器的蒸汽出口端则连接至汽轮机蒸汽进口；
其要点在于：
3）还包括有旁路烟风道以及设置于其中的储热换热器，旁路烟风道与燃气轮机排气出口相连，并设置有进口烟风门和出口烟风门，且出口烟风门连通至主烟风道；
4）还包括有储热罐，该储热罐包括有柱状罐体、储热介质、安装于柱状罐体内的若干个多孔隔板、支撑多孔隔板的多个立柱、以及上流量收集分配装置和下流量收集分配装置；所述多孔隔板表面分布有多个贯穿孔，该若干个多孔隔板平行布置并将柱状罐体内部分隔为三层储热空间，每层空间中均布满储热介质，其中中层空间的高度分别大于上层空间和下层空间高度，由于储热介质的填充使得储热罐随着冷、热流体的流动在罐体的某个高度上形成温度阶跃层；上流量收集分配装置连接到热端管道的接口并位于上层空间的上方，下流量收集分配装置连接冷端管道并位于下层空间的下方，该上流量收集分配装置和下流量收集分配装置均包括有多根水平分支管，每根水平分支管上均开设有多个连通到柱状罐体内腔的圆孔，该多根水平分支管一端与热端管道或冷端管道连接并连通，呈以热端管道或冷端管道为中心向外辐射的构造；
5）所述热端管道一路连接至储热换热器的传热介质出口端，另一路则连接至汽轮机侧换热器的传热介质进口端；冷端管道一路连接至储热换热器的传热介质进口端，另一路则连接至汽轮机侧换热器的传热介质出口端；
6）正常运行时，关闭旁路烟风道的进口烟风门和出口烟风门，完全打开主烟风门，燃气轮机排出的烟气全部进入主烟风道用于余热锅炉加热给水，余热锅炉的给水出口提供高温蒸汽经由管道传至汽轮机蒸汽进口，用于汽轮机做功；
7）当热用户热负荷降低并达到储热要求时，降低主烟风门开度，打开旁路烟风道的进口烟风门和出口烟风门，此时燃气轮机排出的烟气能够进入旁路烟风道，以对储热换热器中的传热介质进行加热，储热换热器中的传热介质被加热后进入储热罐的热端管道，并在上流量收集分配装置的均流作用下经由多孔隔板由上而下进入三层储热空间，同时储热罐中层空间及下层空间中的低温传热介质经由冷端管道进入储热换热器；由此，储热罐上部高温区域不断增加，下部低温区域不断减少，温度阶跃层下移，直至储热罐下部出口传热介质温度达到截断温度，储热罐的储热能力达到最大，完成储热；
8）当热用户热负荷增加并达到放热要求时，打开主烟风门，关闭旁路烟风道的进口烟风门和出口烟风门，从储热罐上部经由热端管道抽出高温的传热介质并传至汽轮机侧换热器，用于汽轮机系统给水加热，被换热后的低温传热介质则经由冷端管道回到储热罐的底部，经由下流量收集分配装置均流到储热罐的下层空间和中层空间；由此，储热罐上部高温区域不断减少，下部低温区域不断增加，温度阶跃层上移，直至储热罐上部出口传热介质温度达到截断温度，储热罐的放热能力达到最大，完成放热。
本发明一方面通过采用冷、热一体的储热方案，通过多孔隔板将储热介质分隔成中间大、上下小的空间层次，能够使得储热罐随着冷、热流体的流动在罐体的某个高度上形成温度阶跃层，使得上层热流体和下层冷热流体温度在温度阶跃层分层明显，从而实现冷热分层且同体的目的；另一方面通过设置独立的旁路烟风道为储热换热器提供加热，即提高了储热换热效率，也提高了燃气轮机高温烟气的利用率。这样，本发明的效果还体现在：一方面温度阶跃层的形成实现了一体化结构目的，减少了建设成本，且减小了占地面积；另一方面，由于储热传递一体化循环，提高了供热蒸汽负荷的稳定性，从而更好的适应负荷变化，降低了机组能耗，提高了运行的经济性和可靠性。
本发明可以进一步具体为：
所述热端管道连接至汽轮机侧换热器的传热介质进口端的管道上设置有热侧介质泵，冷端管道连接至储热换热器传热进口的管道上设置有冷侧介质泵。
热侧介质泵用于储热罐上部抽至汽轮机侧换热器的传热介质的传送；而冷侧介质泵则是用于储热罐下部抽至储热换热器的传热介质的传送。
所述储热罐可以进一步具体为：
所述三层储热空间中的储热介质或者为均显热储热介质，或者均为潜热储热介质，或者上层空间和下层空间中的储热介质为潜热储热介质，中层空间中的储热介质为显热储热介质。
所述显热储热介质或者为石英石颗粒，或者为石块。
所述潜热储热介质为多元盐，其包裹在合金钢球壳内腔，并填充在柱状罐体内的各层空间中。
潜热储热介质是采用多元盐作为相变储热材料的，如三元碳酸盐，可根据截断温度选择，如罐体顶部的截断温度为570℃时，可采用三元碳酸盐Li2CO3-Na2CO3-K2CO3作为相变储热材料，如罐体顶部的截断温度为540℃时，可使用三元盐Na2CO3-Na2SO4-KCl作为相变储热材料。而罐底下层空间的储热介质熔点需大于传热介质的熔点，则可以选择Na2CO3–NaOH–NaCl，NaNO3-NaOH，NaF–NaNO3–NaCl等储热材料。
所述三层空间中的储热介质分别相对储热介质总量的占比为：上层空间：中层空间：下层空间=1~1.2:7.6~8:1~1.2。
上述占比为空间占比，即为三层空间的高度之比；当采用相同类别储热介质时，也可以是质量占比。
所述立柱为一种圆形空心管，管中与各多孔隔板等高的位置均设置有隔片以分隔出三段管内空间，每段管内空间均填充有与对应层空间内相同的储热介质。
这样，立柱也能够作为储热用装置，从而增加储热效益，提高储热效率。
所述多根水平分支管以热端管道或冷端管道为圆心，等圆心角分布在热端管道或冷端管道外环周面。
上流量收集分配装置和下流量收集分配装置的多根水平分支管为6-10根，以更好地将传热介质均匀分配到罐体的各个位置。
综上所述，本发明提供了基于一体化储热的联合循环热电联产系统，一是通过设置独立的旁路烟风道为储热换热器提供加热，二是采用冷、热一体的储热方案，既有效提高了储热效率，减少了建设成本，且减小了占地面积；且提高了供热蒸汽负荷的稳定性，从而更好的适应负荷变化，降低了机组能耗，提高了运行的经济性和可靠性；再者，提高了储热换热效率，也提高了燃气轮机高温烟气的利用率。
附图说明
图1为本发明所述基于一体化储热的联合循环热电联产系统的系统结构示意图；
图2为本发明所述应用于热电联产的储热罐的剖面结构示意图；
图3为本发明所述储热罐中立柱的结构示意图；
图4为本发明所述上流量收集分配装置的俯视结构示意图，下流量收集分配装置参考此图。
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
具体实施方式
最佳实施例：
参照附图1，基于一体化储热的联合循环热电联产系统，包括有燃气轮机1、主烟风道2、主烟风门3、旁路烟风道及其进口烟风门5和出口烟风门6、余热锅炉4、储热换热器7、汽轮机系统8、冷侧介质泵9、热侧介质泵10、储热罐11、汽轮机侧换热器12，以及将这些系统设备连接的风道、管道及部件等。其中余热锅炉4包含过热器4-1，平衡容器4-2，汽包4-3，给水加热器4-4等安装于主烟风道中的受热结构；汽轮机系统包含汽轮机8-1，除氧器8-2，给水泵8-3等结构。本实施例以熔盐作为传热介质，因此储热换热器7为烟气-熔盐换热器，汽轮机侧换热器12为熔盐-汽水换热器。
如附图2所示，储热罐11包括有柱状罐体、储热介质、安装于柱状罐体内的四个多孔隔板11-3、支撑多孔隔板11-3的多个立柱11-12、以及上流量收集分配装置11-2和下流量收集分配装置11-11。所述多孔隔板11-3表面分布有多个贯穿孔，该四个多孔隔板11-3平行布置并将柱状罐体内部分隔为三层储热空间，每层空间中均布满储热介质，其中上层空间11-4中的储热介质采用三元碳酸盐Li2CO3-Na2CO3-K2CO3材料，包裹于多个合金钢球壳中，该上层空间11-4的储热介质占比为10%；中层空间11-6的储热介质采用石英石颗粒材料，占比为80%；下层空间11-8的储热介质采用硝酸盐NaNO3材料，同样包裹于合金钢球壳中，占比为10%。
如附图3所示，所述立柱11-12为一种圆形空心管，管中与各多孔隔板11-3等高的位置均设置有隔片11-5以分隔出三段管内空间，每段管内空间均填充有与对应层空间内相同的储热介质，达到增加储热效益的作用。
如附图4所示，上流量收集分配装置11-2连接到热端管道11-1的接口并位于上层空间的上方，下流量收集分配装置11-11连接冷端管道11-10并位于下层空间的下方，该上流量收集分配装置11-2和下流量收集分配装置11-11均包括有多根水平分支管，每根水平分支管上均开设有多个等距分布并连通到柱状罐体内腔的圆孔，该多根水平分支管一端与热端管道11-1或冷端管道11-10连接并连通，呈以热端管道或冷端管道为圆心的等圆心角（45°）分布、并向外辐射的构造，以均分流量。
结合上述结构描述，参照附图1，燃气轮机1的排气出口通过主烟风道2与主烟风门3以及余热锅炉4的烟气进口依次相连，燃气轮机1的排气出口通过旁路烟风道与风门5以及烟气-熔盐换热器7的烟气进口依次相连，烟气-熔盐换热器7的烟气出口通过旁路烟风道与出口烟风门6以及余热锅炉4的旁路烟气进口依次相连。余热锅炉4包含的过热器4-1、平衡容器4-2、汽包4-3、给水加热器4-4依次串连。
储热罐11底部接口通过冷端管道（熔盐管道）与冷侧介质泵9（冷侧熔盐泵）、烟气-熔盐换热器7的熔盐进口依次相连，烟气-熔盐换热器7的熔盐出口与储热罐11顶部接口通过热端管道（熔盐管道）相连。储热罐11顶部接口通过热端管道与热侧介质泵10（热侧熔盐泵）、熔盐-汽水换热器12的熔盐进口依次相连，熔盐-汽水换热器12的熔盐出口通过冷端管道与储热罐11底部接口相连。
汽轮机系统8的给水出口通过管道分支成二路，一路与熔盐-汽水换热器12的汽水进口相连，另一路与余热锅炉4的给水进口相连。余热锅炉4的蒸汽出口和熔盐-汽水换热器12的汽水出口通过管道合并成一路，连接至汽轮机系统的蒸汽进口。汽轮机系统的蒸汽进口、汽轮机8-1、除氧器8-2、给水泵8-3、汽轮机系统的给水出口通过管道依次串连，汽轮机8-1的排气通过管道接至热用户。
储热罐11在运行时，熔盐在储热罐11的某个高度上形成温度阶跃层，在温度阶跃层内的温度梯度大，上层热熔盐和下层冷熔盐温度在温度阶跃层分层明显。在储热过程中，温度阶跃层不断下移，直到储热罐11底部传热介质温度大于下部截断温度，储热能力达到最大。在放热过程中，温度阶跃层不断上移，直到储热罐11顶部熔盐温度达到截断温度，放热能力达到最大。
以下通过实际应用的数据对本发明做进一步阐述：
余热锅炉进口烟气温度为638℃，余热锅炉出口蒸汽温度为565℃，汽轮机进口蒸汽温度为560℃。
储热罐中由于填充物储热介质的作用，在某个垂直高度上形成一个温度阶跃层，在温度阶跃层内的温度梯度大，上层热流体和下层冷流体温度在温度阶跃层分层明显。储热介质Li2CO3-Na2CO3-K2CO3的熔化温度为550℃，储热介质NaNO3的熔化温度为308℃。储热罐的运行和截断温度分别如下所示：
运行温度：上部为570℃、下部为290℃；
截断温度：上部为540℃、下部为320℃；
当热用户热负荷达到最小，系统运行在储热工况下，燃气轮机1运行在额定工况，给水泵8-3的出力根据热负荷的需求降低，相应主烟风门3的开度降低。旁路烟风道的进口风门5、出口风门6的开度开至最大，冷侧熔盐泵9开启，热侧熔盐泵10关闭。此时从储热罐底部管道11-10抽出290℃传热熔盐，经过冷侧熔盐泵9加压后进入烟气-熔盐换热器7，被烟气加热至570℃后进入储热罐顶部热端管道11-1。此时上层空间11-4的储热介质不断被传热熔盐加热直至熔化，并吸收部分相变潜热。随着传热熔盐不断从储热罐顶部带入热量，从储热罐底部带走热量，储热罐上部高温区域不断增加，下部低温区域不断减少，温度阶跃层下移。直至储热罐下部出口熔盐温度达到截断温度320℃，储热罐的储热能力达到最大。
当热用户热负荷在额定时，燃气轮机1运行在额定工况，系统的储热罐及储热换热器不运行，旁路烟风道的进口风门5、出口风门6关闭，冷侧熔盐泵9、热侧熔盐泵10关闭，主烟风门3开启。燃气轮机排出的烟气全部进入余热锅炉加热给水，形成565℃的蒸汽后进入汽轮机8-1做功，汽轮机运行在额定工况下。
当热用户热负荷达到最大，系统运行在放热工况下，燃气轮机1运行在额定工况。主烟风门3开启，旁路烟风道的进口风门5、出口风门6关闭，冷侧熔盐泵9关闭，热侧熔盐泵10开启。从储热罐顶部管道11-1抽出570℃传热熔盐，经过热侧熔盐泵10加压后进入熔盐-汽水换热器12，熔盐-汽水换热器12中被给水冷却至290℃后的熔盐则进入储热罐底部冷端管道11-10；这样，给水在熔盐-汽水换热器12中被加热形成560℃的蒸汽，与余热锅炉4产生的560℃蒸汽合并为一路，进入汽轮机8-1做功。此时由于下层空间11-8储热介质不断被传热熔盐冷却直至凝固，并释放部分相变潜热。随着传热熔盐不断从储热罐顶部带走热量，从储热罐底部流入冷能，储热罐上部高温区域不断减少，下部低温区域不断增加，温度阶跃层上移。直至储热罐上部出口熔盐温度达到截断温度540℃，储热罐的放热能力达到最大。
在不同工况下，燃气轮机均可以运行在额定工况下，通过系统配置储热，可以减少机组的配置容量，降低机组的投资成本，提高运行的经济性。
另外，在具体实施中，上述储热介质需要根据所需熔盐温度参数来选择，上部熔盐出口温度需要控制在570℃时可以使用三元碳酸盐Li2CO3-Na2CO3-K2CO3作为相变储热材料，上部熔盐出口温度需要控制在540℃时可以使用三元盐Na2CO3-Na2SO4-KCl作为相变储热材料；中部储热介质可以使用混凝土、砂石、石英砂等；下部储热介质的熔点不得低于传热熔盐的熔点，可选择的储热介质有NaNO3，Na2CO3–NaOH–NaCl，NaNO3-NaOH，NaF–NaNO3–NaCl等。
本发明未述部分与现有技术相同。
Claims (8)
1.基于一体化储热的联合循环热电联产系统，其特征在于，包括如下组成：
1）燃气轮机排气出口及其连接的主烟风道，余热锅炉的受热设备包括过热器、汽包和给水加热器均设置于主烟风道中，主烟风道的进烟口设置有主烟风门；
2）余热锅炉中过热器的蒸汽出口经由管道连接至汽轮机蒸汽进口，汽轮机系统给水出口经由给水泵其中一路连接至余热锅炉给水加热器的给水进口，另一路则连接至汽轮机侧换热器的给水进口端；汽轮机侧换热器的蒸汽出口端则连接至汽轮机蒸汽进口；
其特征在于：
3）还包括有旁路烟风道以及设置于其中的储热换热器，旁路烟风道与燃气轮机排气出口相连，并设置有进口烟风门和出口烟风门，且出口烟风门连通至主烟风道；
4）还包括有储热罐，该储热罐包括有柱状罐体、储热介质、安装于柱状罐体内的若干个多孔隔板、支撑多孔隔板的多个立柱、以及上流量收集分配装置和下流量收集分配装置；所述多孔隔板表面分布有多个贯穿孔，该若干个多孔隔板平行布置并将柱状罐体内部分隔为三层储热空间，每层空间中均布满储热介质，其中中层空间的高度分别大于上层空间和下层空间高度，由于储热介质的填充使得储热罐随着冷、热流体的流动在罐体的某个高度上形成温度阶跃层；上流量收集分配装置连接到热端管道的接口并位于上层空间的上方，下流量收集分配装置连接冷端管道并位于下层空间的下方，该上流量收集分配装置和下流量收集分配装置均包括有多根水平分支管，每根水平分支管上均开设有多个连通到柱状罐体内腔的圆孔，该多根水平分支管一端与热端管道或冷端管道连接并连通，呈以热端管道或冷端管道为中心向外辐射的构造；
5）所述热端管道一路连接至储热换热器的传热介质出口端，另一路则连接至汽轮机侧换热器的传热介质进口端；冷端管道一路连接至储热换热器的传热介质进口端，另一路则连接至汽轮机侧换热器的传热介质出口端；
6）正常运行时，关闭旁路烟风道的进口烟风门和出口烟风门，完全打开主烟风门，燃气轮机排出的烟气全部进入主烟风道用于余热锅炉加热给水，余热锅炉的给水出口提供高温蒸汽经由管道传至汽轮机蒸汽进口，用于汽轮机做功；
7）当热用户热负荷降低并达到储热要求时，降低主烟风门开度，打开旁路烟风道的进口烟风门和出口烟风门，此时燃气轮机排出的烟气能够进入旁路烟风道，以对储热换热器中的传热介质进行加热，储热换热器中的传热介质被加热后进入储热灌的热端管道，并在上流量收集分配装置的均流作用下经由多孔隔板由上而下进入三层储热空间，同时储热罐中层空间及下层空间中的低温传热介质经由冷端管道进入储热换热器；由此，储热罐上部高温区域不断增加，下部低温区域不断减少，温度阶跃层下移，直至储热罐下部出口传热介质温度达到截断温度，储热罐的储热能力达到最大，完成储热；
8）当热用户热负荷增加并达到放热要求时，打开主烟风门，关闭旁路烟风道的进口烟风门和出口烟风门，从储热罐上部经由热端管道抽出高温的传热介质并传至汽轮机侧换热器，用于汽轮机给水加热，被换热后的低温传热介质则经由冷端管道回到储热罐的底部，经由下流量收集分配装置均流到储热罐的下层空间和中层空间；由此，储热罐上部高温区域不断减少，下部低温区域不断增加，温度阶跃层上移，直至储热罐上部出口传热介质温度达到截断温度，储热罐的放热能力达到最大，完成放热。
2.根据权利要求1所述的基于一体化储热的联合循环热电联产系统，其特征在于，所述热端管道连接至汽轮机侧换热器的介质进口端的管道上设置有热侧介质泵，冷端管道连接至储热换热器进口的管道上设置有冷侧介质泵。
3.根据权利要求1所述的基于一体化储热的联合循环热电联产系统，其特征在于，所述三层空间中的储热介质或者为均显热储热介质，或者均为潜热储热介质，或者上层空间和下层空间中的储热介质为潜热储热介质，中层空间中的储热介质为显热储热介质。
4.根据权利要求3所述的基于一体化储热的联合循环热电联产系统，其特征在于，所述显热储热介质或者为石英石颗粒，或者为石块。
5.根据权利要求3所述的基于一体化储热的联合循环热电联产系统，其特征在于，所述潜热储热介质为多元盐，其包裹在合金钢球壳内腔，并填充在柱状罐体内的各层空间中。
6.根据权利要求1所述的基于一体化储热的联合循环热电联产系统，其特征在于，所述三层空间中的储热介质分别相对储热介质总量的占比为：上层空间：中层空间：下层空间=1~1.2:7.6~8:1~1.2。
7.根据权利要求1所述的基于一体化储热的联合循环热电联产系统，其特征在于，所述立柱为一种圆形空心管，管中与各多孔隔板等高的位置均设置有隔片以分隔出三段管内空间，每段管内空间均填充有与对应层空间内相同的储热介质。
8.根据权利要求1所述的基于一体化储热的联合循环热电联产系统，其特征在于，所述多根水平分支管以热端管道或冷端管道为圆心，等圆心角分布在热端管道或冷端管道外环周面。
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