CN113865118A - 一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法 - Google Patents

一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法 Download PDF

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Abstract

一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法属于燃煤机组快速变负荷控制技术领域。本发明结合工程热力学、锅炉原理、汽轮机技术等多学科知识，依据以太阳能为热源的储热油罐有较高的蓄热深度，考虑燃煤发电机组锅炉运行特性，提出了一套完善的光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法。将燃煤发电机组的给水回热系统与太阳能储热系统充分耦合，利用了燃煤发电机组锅炉运行的热惯性，在实现负荷快速调节的同时为锅炉给煤量达到所需负荷响应提供时间。节约煤炭资源，提高发电机组效率。将太阳能作为第二能源加入发电机组中，提升了燃煤机组系统的发电量，太阳能与燃煤互补提升了能源的利用率，实现燃煤的高效利用。

Description

一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法
技术领域
本发明属于燃煤机组快速变负荷控制技术领域，特别是涉及到一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法。
背景技术
随着新能源的大规模并网，新能源的不稳定性和波动性对电力系统的影响也逐渐显露出来，为保证电网供电安全，需要提升电网系统的灵活性。在我国燃煤机组在电网发电系统中是保证电力稳定输出的主体，为了提升电网系统的灵活性就要提升燃煤机组的灵活性，因此燃煤机组的负荷调节能力决定了新能源能否大规模并网。然而，由于受到燃煤机组自身结构特点限制，负荷调节能力十分有限。
太阳能具有普遍、巨大、无害、长久等优点，是应用最普遍的清洁能源之一，在能源消耗巨大的今天，对太阳能利用的研究已经成为了发电领域的热点。光煤结合的运作的方式在提升燃煤机组效率方面已经十分成熟。但是将外部热量用于燃煤机组发电时，热量引入位置不同其效果会有很大不同，有的地方虽然改造施工难度低，但热量的转换效率很低；有的引入位置虽然热转换效率高，但改造难度大，成本高，甚至难以实现。此外，太阳能集热装置能通过快速改变输出流量来快速提升或降低回水的温度，且调整范围较大，但针对光煤能量互补的燃煤机组负荷调节系统，还没有一套完整、有效、通用的方法。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法，将太阳能收集及储存系统通过选定的位置接入燃煤机组进行发电并提供一套完整的调节方法用于有效提升燃煤机组发电效率。
一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、将太阳能收集及储存系统接入燃煤机组形成光-煤能量互补发电燃煤机组，其中太阳能收集及储存系统包括油水换热器、储热油罐和太阳能集热场，所述储热油罐的一侧两端分别与太阳能集热场的两端连接形成环路用于将经过太阳能加热的热油转移到储热油罐中储存，储热油罐的另一侧两端分别与油水换热器的两端油口连接形成环路用于给油水换热器供热，在储热油罐的出油口与油水换热器的油侧入口之间设置有一个阀门，用以控制储热油罐内热油流向油水换热器的流量；断开第二高压给水加热器的给水侧入水口与第三高压给水加热器的给水侧的出水口之间的连接管道，将油水换热器的水侧出口与第二高压给水加热器的给水侧入水口连接，油水换热器的水侧入口与第三高压给水加热器的给水侧出水口连接；
步骤二、光-煤能量互补发电燃煤机组的负荷调节方法在以下三种状态下进行：
A、正常运行状态：燃煤锅炉按照设定的燃煤量定量加入，阀门保持设定的开度，保证锅炉系统的发电效率；
B、电网负荷需求量增大状态：t1时刻发出升负荷指令，从t1时刻开始增加锅炉燃煤量至t3时刻，在t1～t2时间段内(t2＜t3)，增大阀门的开度，使储热油罐输出热油的流量迅速增大，增强第三高压给水加热器给水侧出水口输出给水的加热能力，提高第二高压给水加热器给水侧入水口的给水温度，给水进入第二高压给水加热器，高压缸内的蒸汽温度不变，则高压缸与第二高压给水加热器之间的温度差减小，压差减小，从而从高压缸内抽汽流量减少，机组发电量明显提升，使得系统整体负荷短时间内迅速升高；
在t2时间点关闭阀门，t2～t3时间段内，利用光-煤能量互补发电燃煤机组具有热惯性的特点，停止热油加热给水，锅炉汽轮机循环系统循环一圈后发电量开始逐渐降低，为燃煤量的调节提供时间；
C、电网负荷需求量减少状态：t1时刻发出降负荷指令，从t1时刻开始减少锅炉燃煤量至t3时刻，达到系统所需负荷并维持稳态输出，在t1～t2时间段内(t2＜t3)，减小阀门的开度，使储热油罐输出热油的流量迅速减少，降低第三高压给水加热器给水侧出水口输出给水的加热能力，降低第二高压给水加热器给水侧入水口的给水温度，给水进入第二高压给水加热器后，高压缸内的蒸汽温度不变，则高压缸与第二高压给水加热器之间的温度差增大，压强差增大，从而从高压缸内抽汽流量增加，机组发电量明显降低，使得系统整体负荷短时间内迅速降低；
t2～t3时间段内，在由于燃煤机组调整至最佳发电状态导致发电量提升前，利用光-煤能量互补发电燃煤机组具有热惯性的特点，降低阀门开度使机组的发电量降到最低，锅炉汽轮机循环系统循环一圈后发电量开始逐渐上升，为燃煤量的调节提供时间。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明结合工程热力学、锅炉原理、汽轮机技术等多学科知识，依据以太阳能为热源的储热油罐有较高的蓄热深度，考虑燃煤发电机组锅炉运行特性，提出了一套完善的光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法。利用了燃煤发电机组锅炉运行的热惯性，在实现负荷快速调节的同时为锅炉给煤量达到所需负荷响应提供时间。节约煤炭资源，提高发电机组效率。
光-煤能量互补发电燃煤机组通过设置太阳能集热场，蓄热油罐和油水换热器，将燃煤发电机组的给水回热系统与太阳能储热系统充分耦合，使燃煤机组蓄热能力得到有效提升。同时，将太阳能作为第二能源加入发电机组中，提升了燃煤机组系统的发电量，太阳能与燃煤互补提升了能源的利用率，实现燃煤的高效利用。
光-煤能量互补发电燃煤机组，利用其存储较多的太阳能，通过改变控制阀门的开度，实现负荷的快速跟踪。在收到负荷变化的指令时，改变阀门开度，使负荷快速跟踪。同时，利用机组自身具有热惯性的特点，为燃料调节提供时间，大大改善了单纯燃料调节所产生的大延迟大惯性的不足。通过改变阀门开度，控制热油输出流量提升燃煤机组锅炉快速负荷响应能力。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法中光能接入燃煤机组前的结构示意图。
图2为本发明一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法中光能接入燃煤机组的结构示意图。
图3为本发明一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法中升负荷指令图。
图4为本发明一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法中传统燃煤发电系统的升负荷图。
图5为本发明一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法中光-煤能量互补发电系统的升负荷图。
图6为本发明一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法中降负荷指令图。
图7为本发明一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法中传统燃煤发电系统的降负荷图。
图8为本发明一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法中光-煤能量互补发电系统的降负荷图。
图中1-汽轮机高压缸，2-汽轮机中压缸，3-汽轮机低压缸，4-发电机4，5-第一高压给水加热器，6-第二高压给水加热器，7-第三高压给水加热器，8-给水泵，9-除氧器，10-第一低压给水加热器，11-第二低压给水加热器，12-第三低压给水加热器，13-第四低压给水加热器，14-凝结水泵，15-凝汽器，16-油水换热器，17-阀门，18-储热油罐，19-太阳能集热场。
具体实施方式
如图所示，光能接入燃煤机组的方法中包括的燃煤发电厂系统和太阳能收集及储存系统两部分。燃煤发电厂系统如图1所示包括：汽轮机高压缸1，汽轮机中压缸2，汽轮机低压缸3，发电机4，第一高压给水加热器5，第二高压给水加热器6，第三高压给水加热器7，给水泵8，除氧器9，第一低压给水加热器10，第二低压给水加热器11，第三低压给水加热器12，第四低压给水加热器13，凝结水泵14，凝汽器15，油水换热器16，阀门17，储热油罐18和太阳能集热场19，其中，太阳能集热场19与储热油罐18的一侧相互连接，可将收集的太阳能存入储热油罐18中；储热油罐18的另一侧与油水换热器16的一侧相互连接，在储热油罐18的出口处连接阀门17，控制输出热油量来加热给水；油水换热器16另一侧的一端与第三高压给水加热器7给水侧出口相连，油水换热器16另一侧的另一端与第二高压给水加热器6的给水侧入口相连，构成太阳能收集及储存系统，用以加热锅炉给水。
1)设置油水换热器16
油水换热器16的水侧出口与第二高压给水加热器6的给水侧入水口连接，油水换热器16的水侧入口与第三高压给水加热器7的给水侧出水口连接，油水换热器16的另一侧分别连接储热油罐18的两端，油水换热器16的油侧入口与储热油罐18的出油口连接，油水换热器16的油侧出口与储热油罐18的入油口连接。油水换热器16是利用储热油罐18内储存的太阳能热量加热第三高压给水加热器7的给水侧出口的给水，使第二高压给水加热器6的给水侧入口的给水温度提升。
2)设置储热油罐18
储热油罐18一侧与油水换热器16的两端相互连接，储热油罐18入油口与油水换热器16的油侧出口连接，储热油罐18出油口连接油水换热器16的油侧入口，在储热油罐18出油口与油水换热器16的油侧入口之间设置有一个阀门17，用以控制储热油罐18内热油流向油水换热器16的流量。另一侧与太阳能集热场19相互连接，储热油罐18的入油口与太阳能集热场19的出油口连接，储热油罐18的出油口与太阳能集热场19的入油口连接。将油输入太阳能集热场19，利用太阳能集热场19加热油随后输出到储热油罐18内，利用太阳能加热储热油罐18内的油来蓄积太阳能的热能。
3)设置太阳能集热场19
太阳能集热场19与储热油罐18串联。太阳能集热场19的入油口相连在储热油罐18的出油口处，用于将储热油罐18内的油输到太阳能集热场19，太阳能集热场19的出油口连接在储热油罐18的入油口出，用于将经过太阳能加热的热油转移到储热油罐18中储存。
按照1)～3)将太阳能蓄储热油罐18与传统锅炉蒸汽朗肯循环相结合，正常运行时，在给水经过第三高压给水加热器7后会通过油水换热器16，再次提升给水温度，减少第二高压给水加热器6的抽汽，提升了锅炉系统的发电效率，减少燃料消耗。同时，通过改变蓄热储热油罐18输出热油的流量，实现机组负荷的跟踪，利用锅炉机组自身的热惯性，来弥补燃料调节所产生的大惯性大延迟。最终实现提升燃煤发电机组快速负荷响应能力的目标。
本发明基于光-煤能量互补发电的燃煤机组负荷调节方法在以下三种状态下运行：
A、正常运行状态：燃煤锅炉按照设定的燃煤量定量加入，阀门17保持设定的开度，保证锅炉系统的发电效率；
B、在电网负荷需求量增大时，t1时刻发出升负荷指令，如图3所示。
传统燃煤机组是通过增加燃煤量。在t1～t3时间段内，燃煤量增加，燃煤燃烧所释放的热量增加，使锅炉内的水加热至水蒸汽的速度加快，水蒸气推动汽轮机转动速度加快，汽轮机带动发电机4发电的电量增加，系统的负荷提升。但燃煤完全燃烧所需的时间较长，因此通过增加燃煤量使负荷提升所需时间较长。
光-煤能量互补发电系统通过提高阀门17开度。在t1～t2时间段内，提高阀门17开度，使储热油罐18输出热油流量迅速增大，增强第三高压给水加热器7给水侧出水口输出给水的加热能力，提高第二高压给水加热器6给水侧入水口的给水温度，给水进入第二高压给水加热器6后，若汽轮机高压缸1内的蒸汽温度不变，则汽轮机高压缸1与第二高压给水加热器6之间的温度差减小，压差减小，从而从汽轮机高压缸1内抽汽流量减少，机组发电量明显提升，使得系统整体负荷短时间内迅速升高。在t2～t3时间段内，在由于停止热油加热给水导致发电量骤减前，利用光-煤能量互补发电燃煤机组具有热惯性的特点，在停止热油加热给水后，锅炉汽轮机循环系统的发电量并不会立刻降低，而是等到锅炉汽轮机循环系统循环一圈后才开始逐渐降低，这就为燃料调节提拱了时间。在t1时刻就开始增加锅炉燃料量，逐渐提升燃煤发电机组的发电量，达到系统所需负荷并维持稳态输出。如图5所示，光-煤能量互补发电系统在t1～t2时间段内，由于储热油罐18输出热油量的提升，整体发电负荷得到迅速提升。并且，利用t1～t3时间段来增加燃料量的供应。
C、在电网负荷需求量减少时，t1时刻发出降负荷指令，如图6所示。
传统燃煤机组是通过减少燃煤量。在t1～t3时间段内，燃煤量减少，燃煤燃烧所释放的热量减少，使锅炉内的水加热至水蒸汽的速度降低，水蒸汽推动汽轮机转动速度减慢，汽轮机带动发电机4发电的电量降低，系统的负荷降低。但即便立刻减少燃料量，锅炉内的热量减少的时间较长，因此通过减少燃料量使负荷降低所需的时间较长，
光-煤能量互补发电系统通过降低阀门17开度。在t1～t2时间段内，降低阀门17开度，使储热油罐18输出热油流量迅速减少，降低第三高压给水加热器7的给水侧出水口输出给水的加热能力，降低第二高压给水加热器6的给水侧入水口的给水温度，给水进入第二高压给水加热器6后，若汽轮机高压缸1内的蒸汽温度不变，则汽轮机高压缸1与第二高压给水加热器6之间的温度差增大，压强差增大，从而从汽轮机高压缸1内抽汽流量增加，机组发电量明显降低，使得系统整体负荷短时间内迅速降低。在t2～t3时间段内，在由于燃煤机组调整到最佳发电状态而导致发电量上升前，在由于燃煤机组调整至最佳发电状态导致发电量提升前，利用光-煤能量互补发电燃煤机组具有热惯性的特点，在降低阀门17开度使机组发电量降到最低后，锅炉汽轮机循环系统的发电量并不会迅速上升，而是等到锅炉汽轮机循环系统循环一圈后才开始逐渐上升，这就为燃料调节提拱了时间。在t1时刻就开始减少锅炉燃料量，从根本上逐渐降低燃煤机组的发电量，达到系统所需负荷并维持稳态输出。如图8所示，光-煤能量互补发电系统在t1～t2时间段内，由于储热油罐18输出热油量的降低，整体发电负荷得到迅速降低。并且，利用t1～t3时间段来持续降低燃料量的供应，进而降低负荷。
最后，本发明将传统燃煤发电循环与太阳能储热油罐18耦合利用。利用燃煤机组的热惯性的特点，是其迅速达到系统所需负荷，同时为燃料量的调节提供了较长的反应时间，提高能源利用效率，节约能源。通过改变储热油罐18内热油的输出流量，实现机组负荷的跟踪。

Claims (1)

1.一种光能接入燃煤机组及光煤能量互补负荷调节方法，其特征是：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、将太阳能收集及储存系统接入燃煤机组形成光-煤能量互补发电燃煤机组，其中太阳能收集及储存系统包括油水换热器(16)、储热油罐(18)和太阳能集热场(19)，所述储热油罐(18)的一侧两端分别与太阳能集热场(19)的两端连接形成环路用于将经过太阳能加热的热油转移到储热油罐(18)中储存，储热油罐(18)的另一侧两端分别与油水换热器(16)的两端油口连接形成环路用于给油水换热器(16)供热，在储热油罐(18)的出油口与油水换热器(16)的油侧入口之间设置有一个阀门(17)，用以控制储热油罐(18)内热油流向油水换热器(16)的流量；断开第二高压给水加热器(6)的给水侧入水口与第三高压给水加热器(7)的给水侧的出水口之间的连接管道，将油水换热器(16)的水侧出口与第二高压给水加热器(6)的给水侧入水口连接，油水换热器(16)的水侧入口与第三高压给水加热器(7)的给水侧出水口连接；
步骤二、光-煤能量互补发电燃煤机组的负荷调节方法在以下三种状态下进行：
A、正常运行状态：燃煤锅炉按照设定的燃煤量定量加入，阀门(17)保持设定的开度，保证锅炉系统的发电效率；
B、电网负荷需求量增大状态：t1时刻发出升负荷指令，从t1时刻开始增加锅炉燃煤量至t3时刻，在t1～t2时间段内(t2＜t3)，增大阀门(17)的开度，使储热油罐(18)输出热油的流量迅速增大，增强第三高压给水加热器(7)给水侧出水口输出给水的加热能力，提高第二高压给水加热器(6)给水侧入水口的给水温度，给水进入第二高压给水加热器(6)，汽轮机高压缸(1)内的蒸汽温度不变，则汽轮机高压缸(1)与第二高压给水加热器(6)之间的温度差减小，压差减小，从而从汽轮机高压缸(1)内抽汽流量减少，机组发电量明显提升，使得系统整体负荷短时间内迅速升高；
在t2时间点关闭阀门(17)，t2～t3时间段内，利用光-煤能量互补发电燃煤机组具有热惯性的特点，停止热油加热给水，锅炉汽轮机循环系统循环一圈后发电量开始逐渐降低，为燃煤量的调节提供时间；
C、电网负荷需求量减少状态：t1时刻发出降负荷指令，从t1时刻开始减少锅炉燃煤量至t3时刻，达到系统所需负荷并维持稳态输出，在t1～t2时间段内(t2＜t3)，减小阀门(17)的开度，使储热油罐(18)输出热油的流量迅速减少，降低第三高压给水加热器(7)给水侧出水口输出给水的加热能力，降低第二高压给水加热器(6)给水侧入水口的给水温度，给水进入第二高压给水加热器(6)后，汽轮机高压缸(1)内的蒸汽温度不变，则汽轮机高压缸(1)与第二高压给水加热器(6)之间的温度差增大，压强差增大，从而从汽轮机高压缸(1)内抽汽流量增加，机组发电量明显降低，使得系统整体负荷短时间内迅速降低；
t2～t3时间段内，在由于燃煤机组调整至最佳发电状态导致发电量提升前，利用光-煤能量互补发电燃煤机组具有热惯性的特点，降低阀门(17)开度使机组的发电量降到最低，锅炉汽轮机循环系统循环一圈后发电量开始逐渐上升，为燃煤量的调节提供时间。
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