CN113847109A - 一种煤电机组电热综合储能调峰系统与工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤电机组电热综合储能调峰系统与工作方法，通过将煤电机组的锅炉、汽轮机、发电机及其附属系统与熔盐储能系统相耦合，既能将煤电机组发出的电能和高温蒸汽储存在熔盐储能系统中，又能将熔盐储能系统中热能输出用于供热、供汽，或生成高温蒸汽重新送入汽轮机中进行发电，实现电能、热能的灵活存储和灵活释放，增加了煤电机组调节灵活性，可有效提升煤电机组消纳可再生能源发电的能力，助力我国实现碳达峰、碳中和。

Description

一种煤电机组电热综合储能调峰系统与工作方法
技术领域
本发明属于煤电机组储能技术领域，具体涉及一种煤电机组电热综合储能调峰系统与工作方法。
背景技术
随着风电、光伏发电的迅猛发展，电网对灵活性电源的需求不断提高，煤电在电网系统中的定位逐步由电量型电源向电量和电力调节型电源转变。目前，煤质和设备条件较好的机组通过灵活性改造，可将机组负荷调节范围由50％～100％额定负荷拓宽至30％～100％额定负荷，增加的20％额定负荷调节范围可消纳同等容量的新能源电力。但部分机组受煤质和设备条件的影响，机组最小技术出力降低受限，负荷调节能力变差。为激励煤电机组积极参与深度调峰，东北、陕西、甘肃、福建等地相继出台了电力辅助服务市场运营规则，对参与深度调峰、调频的机组予以经济补贴，相反，对不能参与深度调峰的机组予以考核。尤其是对于参与供暖或工业供汽的机组来讲，深度调峰的压力更甚，不仅要保证供暖或工业供汽，还要参与电网的调峰、调频，亟需提升机组自身的调峰能力。
针对自身调峰能力不足，且调峰任务重的煤电机组，配置储能或储热装置辅助机组参与深度调峰已成为一种选择。主要的储能或储热技术包括：电极锅炉、热水罐储热、熔盐储热、固体蓄热、蓄电池储能、飞轮储能、压缩空气储能等。其中，电极锅炉、热水罐储热、熔盐储热、固体蓄热主要用于北方地区燃煤机组供暖期运行或有工业供汽需求的机组辅助深度调峰，将电能直接转换成热能或存储起来，用于采暖供热或工业供汽，但一旦没有了热用户，上述储能或储热技术就没有了应用场景。蓄电池则主要用于电网调频需求较大区域的煤电机组，受其成本较高、电池衰减快、二次污染难处理等影响，蓄电池用于大规模的煤电机组调峰还有较长的路要走。飞轮储能和压缩空气储能目前仍处于示范阶段。
申请号为202011317852.5的发明专利公开了一种新能源耦合火电机组发电储能调峰联合系统及运行方法，新能源发出的电能可通过蓄电池存储起来，蓄电池中的电能通过电极锅炉与火电机组的给水系统耦合，通过控制给水系统的加热抽汽，从而实现新能源与火电机组的联合调峰。
申请号为202011166654.3的发明专利公开了一种基于液态压缩空气储能的火电机组调峰调频系统及方法，将液态压缩空气储能系统与火电机组汽水热力循环多重耦合，实现了火电机组汽水热力循环的部分能量的存储和释放，有利于提升火电机组参与电网的调峰和调频能力。
在新能源电力消纳的大背景下，为了解决北方地区煤电机组非供热期的储能或储热问题，以及南方地区无工业供汽的机组的储能问题，亟需研究一套可将电能或热能存储起来，又能随时释放出电能或热能的装置，同时尽可能地提高储能装置的转换效率，目前相关研究较少。
发明内容
本发明的目的在于针对传统的电极锅炉、热水罐储热、固体蓄热等储能、储热措施无法适应于供热机组或工业供汽机组纯凝工况的深度调峰运行，提供了一种煤电机组电热综合储能调峰系统与工作方法，通过将煤电机组的锅炉、汽轮机、发电机及其附属系统与熔盐储能系统相耦合，既能将煤电机组发出的电能和高温蒸汽储存在熔盐储能系统中，又能将熔盐储能系统中热能输出用于供热、供汽，或生成高温蒸汽重新送入汽轮机中进行发电，实现电能、热能的灵活存储和灵活释放。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种煤电机组电热综合储能调峰系统，包括锅炉、汽轮机、发电机、熔盐罐、熔盐、蓄热填料、熔盐电加热槽、熔盐电加热器、熔盐泵、蒸汽换热器、给水换热器、除氧器、给水泵、供热首站、蒸汽换热器入口管道、蒸汽换热器出口管道、给水换热器入口管道、给水换热器出口管道和熔盐管道；
熔盐、蓄热填料、蒸汽换热器和给水换热器均布置于熔盐罐内，熔盐电加热器布置在熔盐电加热槽内，熔盐电加热槽通过熔盐管道经熔盐泵与熔盐罐相连接，通过熔盐泵实现熔盐在熔盐电加热槽与熔盐罐之间的循环；
从锅炉出来的高温蒸汽一路与汽轮机连接用于蒸汽发电，一路与熔盐罐中的蒸汽换热器入口管道相连接，蒸汽换热器用于将高温蒸汽热量储存在熔盐罐中的熔盐中；发电机与汽轮机相连接；熔盐电加热器与发电机出口相连接，将发电机发出的电能通过熔盐电加热器加热熔盐，储存在熔盐罐中的熔盐中；蒸汽换热器出口管道与除氧器相连接，将与熔盐换热后的蒸汽剩余热量回收至除氧器；给水换热器入口管道与给水泵相连接，给水换热器出口管道一路与汽轮机的进汽管道相连接，用于将存储在熔盐中的热量转换为高温蒸汽送回至汽轮机发电，一路经蒸汽管道进入供热首站，用于将存储在熔盐中的热量带走用于采暖供热或工业供汽。
本发明进一步的改进在于，蒸汽换热器与给水换热器在熔盐罐内是交错布置的。
本发明进一步的改进在于，蒸汽换热器的入口在熔盐罐的顶部，出口在熔盐罐的底部。
本发明进一步的改进在于，给水换热器的入口在熔盐罐的底部，出口在熔盐罐的顶部。
本发明进一步的改进在于，熔盐罐中的蓄热填料是固定在熔盐罐内的，不随熔盐罐内熔盐的流动而流动。
本发明进一步的改进在于，熔盐罐是多个独立换热罐体的串联组合，蒸汽和给水在多个换热罐体内与熔盐进行逐级换热。
一种煤电机组电热综合储能调峰系统的工作方法，该方法基于所述的一种煤电机组电热综合储能调峰系统，包括：
当机组需要调峰时，采取存储电能或存储热能调峰，或同时存储电能和热能调峰；当需要存储电能时，启动熔盐电加热槽内的熔盐电加热器，将煤电机组发电机发出的电能转化为热能，同时启动熔盐泵，通过熔盐循环逐步将熔盐加热至500℃以上，存储电能过程完毕；当需要存储热能时，开启锅炉与熔盐罐相连的蒸汽管道阀门，使高温蒸汽从蒸汽换热器入口管道进入熔盐罐内的蒸汽换热器中，同时启动熔盐泵，通过熔盐循环逐步将熔盐加热至500℃以上，放热后的蒸汽送入除氧器中，存储热能过程完毕；当需要同时存储电能和热能时，则同时启动熔盐电加热槽内的熔盐电加热器，开启锅炉与熔盐罐相连的蒸汽管道阀门，同时启动熔盐泵，在电加热和高温蒸汽的共同作用下，逐步将熔盐加热至500℃以上，存储电能和热能过程完毕；
当机组不需要调峰时，将熔盐罐内的热量放出，将其转化为热能或电能；当有供热或工业供汽需求时，启动给水泵，将给水通入给水换热器入口管道进入熔盐罐内进行换热，产生的高温蒸汽从给水换热器出口管道出来后进入供热首站，用于居民采暖或工业供汽；当机组无供热或工业供汽需求时，启动给水泵，将给水通入给水换热器入口管道进入熔盐罐内进行换热，产生的高温蒸汽从给水换热器出口管道出来后经蒸汽管道送入汽轮机进行发电；当从给水换热器出口管道出来的高温蒸汽的温度和压力与汽轮机主蒸汽或再热蒸汽入口参数不匹配时，通过调节熔盐电热器的功率和给水泵的压力使之与其匹配，确保从熔盐罐内换热产生的高温蒸汽能顺利进入汽轮机主蒸汽或再热蒸汽管道推动汽轮机做功发电。
本发明进一步的改进在于，当同时存储电能和热能时，先开启锅炉与熔盐罐相连的蒸汽管道阀门，同时启动熔盐泵，用蒸汽将熔盐加热至400～450℃的范围内，再启动熔盐电加热槽内的熔盐电加热器，通过电加热逐步将熔盐加热至540℃以上，充分利用蒸汽蓄热的容量和电蓄热的温升能力，同时确保释放能量时产生的蒸汽能与机组额定蒸汽温度相当，提高能量转换效率。
本发明进一步的改进在于，存储热能时，将锅炉产生的部分主蒸汽和所有的再热蒸汽全部送入熔盐罐内的蒸汽换热器中，剩余的部分主蒸汽不进入汽轮机高压缸，减温减压后进入锅炉的再热器，能够实现汽轮机不做功，发电机零功率输出。
相对于现有技术，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1)储存能量时，与传统的电极锅炉、热水罐、固体蓄热等技术仅能将电能转换成热能储存起来相比，本发明同时配置有熔盐电加热器和蒸汽换热器，既可以将电能转换成热能储存起来，又可以将热能直接通过蒸汽换热器储存起来，储能方式灵活，且能量转换效率更高。
2)释放能量时，目前现有的技术基本上都是将储存的热量用于居民供热、工业供汽等，或进入低品位的回热系统排挤汽轮机抽汽，本发明将经熔盐换热后的高温蒸汽一路接供热首站，一路接汽轮机，不仅可以用于供热和供汽，还可以用于发电，能量转换方式灵活，更重要的是解决了供热或供汽机组纯凝工况无热用户的大规模储能调峰问题。
3)与传统的冷热罐熔盐储能技术相比，本发明采用单罐熔盐技术，具有占地面积小、投资少等特点。
附图说明
图1给出了一种煤电机组电热综合储能调峰系统的示意图。
附图标记说明：
1-锅炉，2-汽轮机，3-发电机，4-熔盐罐，5-熔盐，6-蓄热填料，7-熔盐电加热槽，8-熔盐电加热器，9-熔盐泵，10-蒸汽换热器，11-给水换热器，12-除氧器，13-给水泵，14-供热首站，15-蒸汽换热器入口管道，16-蒸汽换热器出口管道，17-给水换热器入口管道，18-给水换热器出口管道，19-熔盐管道。
图2给出了多个熔盐罐体串联组成的熔盐储能系统，以三个熔盐罐体串联为例示意。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种煤电机组电热综合储能调峰系统，包括锅炉1、汽轮机2、发电机3、熔盐罐4、熔盐5、蓄热填料6、熔盐电加热槽7、熔盐电加热器8、熔盐泵9、蒸汽换热器10、给水换热器11、除氧器12、给水泵13、供热首站14、蒸汽换热器入口管道15、蒸汽换热器出口管道16、给水换热器入口管道17、给水换热器出口管道18和熔盐管道19。
熔盐罐4、熔盐5、蓄热填料6、熔盐电加热槽7、熔盐电加热器8、熔盐泵9、蒸汽换热器10、给水换热器11、蒸汽换热器入口管道15，蒸汽换热器出口管道16，给水换热器入口管道17，给水换热器出口管道18、熔盐管道19，构成熔盐储能系统。熔盐5、蓄热填料6、蒸汽换热器10和给水换热器11均布置于熔盐罐4内，熔盐电加热器8布置在熔盐电加热槽7内，熔盐电加热槽7通过熔盐管道19经熔盐泵9与熔盐罐4相连接，通过熔盐泵9实现熔盐5在熔盐电加热槽7与熔盐罐4之间的循环。
从锅炉1出来的高温蒸汽一路与汽轮机2连接用于蒸汽发电，一路与熔盐罐4中的蒸汽换热器入口管道15相连接，蒸汽换热器10用于将高温蒸汽热量储存在熔盐罐4中的熔盐5中；发电机3与汽轮机2相连接；熔盐电加热器8与发电机3出口相连接，将发电机3发出的电能通过熔盐电加热器8加热熔盐5，储存在熔盐罐4中的熔盐5中；蒸汽换热器出口管道16与除氧器12相连接，将与熔盐5换热后的蒸汽剩余热量回收至除氧器12；给水换热器入口管道17与给水泵13相连接，给水换热器出口管道18一路与汽轮机2的进汽管道相连接，用于将存储在熔盐5中的热量转换为高温蒸汽送回至汽轮机2发电，一路经蒸汽管道进入供热首站14，用于将存储在熔盐5中的热量带走用于采暖供热或工业供汽。
优选地，蒸汽换热器10与给水换热器11在熔盐罐4内是交错布置的，蒸汽换热器10的入口在熔盐罐4的顶部，出口在熔盐罐4的底部，给水换热器11的入口在熔盐罐4的底部，出口在熔盐罐4的顶部。
优选地，熔盐罐4中的蓄热填料6是固定在熔盐罐4内的，不随熔盐罐4内熔盐5的流动而流动。
优选地，熔盐罐4可以是多个独立换热罐体的串联组合，蒸汽和给水在多个换热罐体内与熔盐5进行逐级换热。如图2所示，三个熔盐罐垂直重叠布置，通过熔盐管道将三个熔盐罐、熔盐泵、熔盐电加热器连接起来，可实现熔盐在整个系统的循环；蒸汽管道和给水管道也采取串联布置，与熔盐罐中的熔盐进行逐级换热。
本发明提供的一种煤电机组电热综合储能调峰系统的工作方法，当机组需要调峰时，采取存储电能或存储热能调峰，或同时存储电能和热能调峰；当需要存储电能时，启动熔盐电加热槽7内的熔盐电加热器8，将煤电机组发电机3发出的电能转化为热能，同时启动熔盐泵9，通过熔盐5循环逐步将熔盐5加热至500℃以上，存储电能过程完毕；当需要存储热能时，开启锅炉1与熔盐罐4相连的蒸汽管道阀门，使高温蒸汽从蒸汽换热器入口管道15进入熔盐罐5内的蒸汽换热器10中，同时启动熔盐泵9，通过熔盐5循环逐步将熔盐加热至500℃以上，放热后的蒸汽送入除氧器12中，存储热能过程完毕；当需要同时存储电能和热能时，则同时启动熔盐电加热槽7内的熔盐电加热器8，开启锅炉3与熔盐罐4相连的蒸汽管道阀门，同时启动熔盐泵9，在电加热和高温蒸汽的共同作用下，逐步将熔盐加热至500℃以上，存储电能和热能过程完毕。
当机组不需要调峰时，应及时将熔盐罐4内的热量放出，将其转化为热能或电能。当有供热或工业供汽需求时，启动给水泵13，将给水通入给水换热器入口管道17进入熔盐罐4内进行换热，产生的高温蒸汽从给水换热器出口管道18出来后进入供热首站14，用于居民采暖或工业供汽；当机组无供热或工业供汽需求时，启动给水泵13，将给水通入给水换热器入口管道17进入熔盐罐4内进行换热，产生的高温蒸汽从给水换热器出口管道18出来后经蒸汽管道送入汽轮机2进行发电；当从给水换热器出口管道18出来的高温蒸汽的温度和压力与汽轮机2主蒸汽或再热蒸汽入口参数不匹配时，可通过调节熔盐电热器8的功率和给水泵13的压力使之与其匹配，确保从熔盐罐4内换热产生的高温蒸汽能顺利进入汽轮机2主蒸汽或再热蒸汽管道推动汽轮机2做功发电。
优选地，当同时存储电能和热能时，先开启锅炉1与熔盐罐4相连的蒸汽管道阀门，同时启动熔盐泵9，用蒸汽将熔盐5加热至400～450℃的范围内，再启动熔盐电加热槽7内的熔盐电加热器8，通过电加热逐步将熔盐5加热至540℃以上，充分利用蒸汽蓄热的容量和电蓄热的温升能力，同时确保释放能量时产生的蒸汽能与机组额定蒸汽温度相当，提高能量转换效率。
其中，存储热能时，将锅炉1产生的部分主蒸汽和所有的再热蒸汽全部送入熔盐罐4内的蒸汽换热器10中，剩余的部分主蒸汽不进入汽轮机2高压缸，减温减压后进入锅炉1的再热器，能够实现汽轮机2不做功，发电机3零功率输出。
为进一步说明本发明电热综合储能调峰系统的工作原理和性能优势，下面以300MW煤电机组为例，简述一下其电热配置和能量转换效率。一台300MW机组，分别配置10MW×4h的电蓄热和30t/h高再蒸汽×4h的蒸汽蓄热，同时运行对应的等效电功率为17.4MW，蓄热4h等效消纳的电量为69.6MW.h，经电加热蓄热的热值为144GJ,蒸汽蓄热熔盐的平均温升160℃，蒸汽蓄热量361GJ，合计蓄热量为505GJ，再热蒸汽-给水焓降为2.872MJ/kg，计算出释放能量时，通过熔盐换热可产生540℃再热蒸汽175.9t，可发电41.89MW.h，除以等效消纳的电量69.6MW.h，整个电热综合储能过程的能量转换效率为60.2％，当电网峰谷电价比(峰/谷)大于1.66时，电热综合储能调峰系统就具有较好的经济效益，目前国内几乎所有执行峰谷电价的电网峰谷电价比均在2～3以上，因此电热综合储能调峰系统具有较好的性能优势和市场前景。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (9)

1.一种煤电机组电热综合储能调峰系统，其特征在于，包括锅炉(1)、汽轮机(2)、发电机(3)、熔盐罐(4)、熔盐(5)、蓄热填料(6)、熔盐电加热槽(7)、熔盐电加热器(8)、熔盐泵(9)、蒸汽换热器(10)、给水换热器(11)、除氧器(12)、给水泵(13)、供热首站(14)、蒸汽换热器入口管道(15)、蒸汽换热器出口管道(16)、给水换热器入口管道(17)、给水换热器出口管道(18)和熔盐管道(19)；
熔盐(5)、蓄热填料(6)、蒸汽换热器(10)和给水换热器(11)均布置于熔盐罐(4)内，熔盐电加热器(8)布置在熔盐电加热槽(7)内，熔盐电加热槽(7)通过熔盐管道(19)经熔盐泵(9)与熔盐罐(4)相连接，通过熔盐泵(9)实现熔盐(5)在熔盐电加热槽(7)与熔盐罐(4)之间的循环；
从锅炉(1)出来的高温蒸汽一路与汽轮机(2)连接用于蒸汽发电，一路与熔盐罐(4)中的蒸汽换热器入口管道(15)相连接，蒸汽换热器(10)用于将高温蒸汽热量储存在熔盐罐(4)中的熔盐(5)中；发电机(3)与汽轮机(2)相连接；熔盐电加热器(8)与发电机(3)出口相连接，将发电机(3)发出的电能通过熔盐电加热器(8)加热熔盐(5)，储存在熔盐罐(4)中的熔盐(5)中；蒸汽换热器出口管道(16)与除氧器(12)相连接，将与熔盐(5)换热后的蒸汽剩余热量回收至除氧器(12)；给水换热器入口管道(17)与给水泵(13)相连接，给水换热器出口管道(18)一路与汽轮机(2)的进汽管道相连接，用于将存储在熔盐(5)中的热量转换为高温蒸汽送回至汽轮机(2)发电，一路经蒸汽管道进入供热首站(14)，用于将存储在熔盐(5)中的热量带走用于采暖供热或工业供汽。
2.根据权利要求1所述的一种煤电机组电热综合储能调峰系统，其特征在于，蒸汽换热器(10)与给水换热器(11)在熔盐罐(4)内是交错布置的。
3.根据权利要求2所述的一种煤电机组电热综合储能调峰系统，其特征在于，蒸汽换热器(10)的入口在熔盐罐(4)的顶部，出口在熔盐罐(4)的底部。
4.根据权利要求2所述的一种煤电机组电热综合储能调峰系统，其特征在于，给水换热器(11)的入口在熔盐罐(4)的底部，出口在熔盐罐(4)的顶部。
5.根据权利要求1所述的一种煤电机组电热综合储能调峰系统，其特征在于，熔盐罐(4)中的蓄热填料(6)是固定在熔盐罐(4)内的，不随熔盐罐(4)内熔盐(5)的流动而流动。
6.根据权利要求1所述的一种煤电机组电热综合储能调峰系统，其特征在于，熔盐罐(4)是多个独立换热罐体的串联组合，蒸汽和给水在多个换热罐体内与熔盐(5)进行逐级换热。
7.一种煤电机组电热综合储能调峰系统的工作方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至6中任一项所述的一种煤电机组电热综合储能调峰系统，包括：
当机组需要调峰时，采取存储电能或存储热能调峰，或同时存储电能和热能调峰；当需要存储电能时，启动熔盐电加热槽(7)内的熔盐电加热器(8)，将煤电机组发电机(3)发出的电能转化为热能，同时启动熔盐泵(9)，通过熔盐(5)循环逐步将熔盐(5)加热至500℃以上，存储电能过程完毕；当需要存储热能时，开启锅炉(1)与熔盐罐(4)相连的蒸汽管道阀门，使高温蒸汽从蒸汽换热器入口管道(15)进入熔盐罐(5)内的蒸汽换热器(10)中，同时启动熔盐泵(9)，通过熔盐(5)循环逐步将熔盐加热至500℃以上，放热后的蒸汽送入除氧器(12)中，存储热能过程完毕；当需要同时存储电能和热能时，则同时启动熔盐电加热槽(7)内的熔盐电加热器(8)，开启锅炉(3)与熔盐罐(4)相连的蒸汽管道阀门，同时启动熔盐泵(9)，在电加热和高温蒸汽的共同作用下，逐步将熔盐加热至500℃以上，存储电能和热能过程完毕；
当机组不需要调峰时，将熔盐罐(4)内的热量放出，将其转化为热能或电能；当有供热或工业供汽需求时，启动给水泵(13)，将给水通入给水换热器入口管道(17)进入熔盐罐(4)内进行换热，产生的高温蒸汽从给水换热器出口管道(18)出来后进入供热首站(14)，用于居民采暖或工业供汽；当机组无供热或工业供汽需求时，启动给水泵(13)，将给水通入给水换热器入口管道(17)进入熔盐罐(4)内进行换热，产生的高温蒸汽从给水换热器出口管道(18)出来后经蒸汽管道送入汽轮机(2)进行发电；当从给水换热器出口管道(18)出来的高温蒸汽的温度和压力与汽轮机(2)主蒸汽或再热蒸汽入口参数不匹配时，通过调节熔盐电热器(8)的功率和给水泵(13)的压力使之与其匹配，确保从熔盐罐(4)内换热产生的高温蒸汽能顺利进入汽轮机(2)主蒸汽或再热蒸汽管道推动汽轮机(2)做功发电。
8.根据权利要求7所述的一种煤电机组电热综合储能调峰系统的工作方法，其特征在于，当同时存储电能和热能时，先开启锅炉与熔盐罐相连的蒸汽管道阀门，同时启动熔盐泵，用蒸汽将熔盐加热至400～450℃的范围内，再启动熔盐电加热槽内的熔盐电加热器，通过电加热逐步将熔盐加热至540℃以上，充分利用蒸汽蓄热的容量和电蓄热的温升能力，同时确保释放能量时产生的蒸汽能与机组额定蒸汽温度相当。
9.根据权利要求7所述的一种煤电机组电热综合储能调峰系统的工作方法，其特征在于，存储热能时，将锅炉(1)产生的部分主蒸汽和所有的再热蒸汽全部送入熔盐罐(4)内的蒸汽换热器(10)中，剩余的部分主蒸汽不进入汽轮机(2)高压缸，减温减压后进入锅炉(1)的再热器，能够实现汽轮机(2)不做功，发电机(3)零功率输出。
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