CN114135860A - 一种采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，包括依次连接的汽轮机、发电机、凝汽器和加热器；还包括相变储热装置和水储热装置；所述相变储热装置的第一端与所述汽轮机和所述加热器连接；所述相变储热装置的第二端与所述水储热装置的第一端连通，所述水储热装置的第二端与所述凝汽器以及所述加热器连接。本发明所提供的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，利用所述汽轮机耦合“相变储热+水储热”技术，实现大规模热量的梯级储存与释放，具有调峰幅度大、度电成本低、能量转化率高特点，同时避免锅炉低负荷运行时出现一系列性能恶化现象。

Description

一种采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统
技术领域
本发明涉及储能技术领域，特别是涉及一种采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统。
背景技术
在我国“30·60”双碳目标确立后，能源电力系统清洁低碳转型步伐将不断加速。未来，我国将构建以新能源为主体的新型电力系统，新能源的不稳定性给电网安全运行带来巨大挑战，灵活性电源在电力系统中的地位将越来越重要。我国煤电定位将由承担基荷逐渐转向为新能源电力进行调峰。煤电作为一种重要的调节电源，其灵活性改造将是支撑电力系统稳定运行的重要保障。提升煤电灵活性是构建新能源为主体的新型电力系统的必然途径，也是提升电力系统调节的关键手段。我国煤电占比较大，机组灵活性改造空间巨大。
现有技术中，机组灵活性深度调峰的方法主要包括低负荷稳燃、热电解耦、储能等方式。其中，低负荷稳燃和热电解耦是提升机组调峰能力的常规手段，但这两种手段增加的调峰能力有限，储能则可以进一步提升机组的灵活性深度调峰能力。储能系统作为能源存储转换的关键，可以解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，提高电力设备利用率，降低供电成本。
因此，如何有效在常规调峰技术的基础上，进一步提升机组深度调峰的能力，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，实现提升燃煤机组灵活性的同时，又提高能量转化率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，包括依次连接的汽轮机、发电机、凝汽器和加热器；还包括相变储热装置和水储热装置；所述相变储热装置的第一端与所述汽轮机和所述加热器连接；所述相变储热装置的第二端与所述水储热装置的第一端连通，所述水储热装置的第二端与所述凝汽器以及所述加热器连接。
优选的，还包括水泵，所述水泵连接于所述加热器和所述凝汽器之间，所述水储热装置的第二端与所述水泵的出口连接。
优选的，所述加热器的进口设有第一阀门，所述汽轮机与所述相变储热装置的第一端之间设有第二阀门，所述水储热装置的第二端与所述凝汽器之间设有第三阀门，所述水储热装置的第二端与所述水泵的出口之间设有第四阀门，所述相变储热装置的第一端与所述加热器的出口之间设有第五阀门。
优选的，还包括用于控制所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第四阀门以及所述第五阀门开度的控制器。
优选的，所述汽轮机与所述发电机之间通过键和键槽连接，所述汽轮机可带动所述发电机转动。
优选的，所述相变储热装置包括相变储热罐体以及安装在所述相变储热罐体内部的相变元件。
优选的，所述相变元件呈棒状结构，且所述相变元件为封装件。
优选的，所述水储热装置包括斜温层水罐和换热器，所述斜温层水罐的进口和出口均与所述换热器连接。
优选的，所述斜温层水罐内自上而下依次设有热水层、过渡层和冷水层。
优选的，所述换热器为板式换热器。
本发明所提供的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，包括依次连接的汽轮机、发电机、凝汽器和加热器；还包括相变储热装置和水储热装置；所述相变储热装置的第一端与所述汽轮机和所述加热器连接；所述相变储热装置的第二端与所述水储热装置的第一端连通，所述水储热装置的第二端与所述凝汽器以及所述加热器连接。本发明所提供的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，利用所述汽轮机耦合“相变储热+水储热”技术，实现大规模热量的梯级储存与释放，具有调峰幅度大、度电成本低、能量转化率高特点，同时避免锅炉低负荷运行时出现一系列性能恶化现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统一种具体实施方式的储热过程示意图；
图2为本发明所提供的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统一种具体实施方式的放热过程示意图；
其中，1-汽轮机、2-发电机、3-凝汽器、4-水泵、5-加热器、6-相变储热装置、61-相变储热罐体、62-相变元件、7-水储热装置、71-斜温层水罐、72-换热器、10-第一阀门、11-第二阀门、12-第三阀门、13-第四阀门、14-第五阀门。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，实现提升燃煤机组灵活性的同时，又提高能量转化率。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1和图2，图1为本发明所提供的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统一种具体实施方式的储热过程结构示意图；图2为本发明所提供的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统一种具体实施方式的放热过程结构示意图。
在该实施方式中，采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统包括汽轮机系统和储热系统。其中，汽轮机系统包括依次连接的汽轮机1、发电机2、凝汽器3和加热器5；储热系统包括相变储热装置6和水储热装置7；相变储热装置6的第一端与汽轮机1和加热器5连接，可择一连通，可以实现储热和放热两种模式；相变储热装置6的第二端与水储热装置7的第一端连通，水储热装置7的第二端与凝汽器3以及加热器5连接，可择一连通。
汽轮机1可在高温蒸汽的作用下带动发电机2动作，凝汽器3可将汽轮机1排出的蒸汽冷却为冷凝水，加热器5用于将冷凝水加热，供给锅炉使用，提高整个系统的效率，加热器5的热量可由汽轮机1内获取的蒸汽来提供热量，例如可以从汽轮机1内分级抽取蒸汽，作为加热器5的热源，进而加热冷凝水。
在上述各实施方式的基础上，还包括水泵4，水泵4连接于加热器5和凝汽器3之间，水储热装置7的第二端与水泵4的出口连接，水泵4可将凝汽器3中的冷凝水输送至加热器5，并且，水泵4可以为整体的循环提供动力。
在上述各实施方式的基础上，加热器5的进口设有第一阀门10，汽轮机1与相变储热装置6的第一端之间设有第二阀门11，水储热装置7的第二端与凝汽器3之间设有第三阀门12，水储热装置7的第二端与水泵4的出口之间设有第四阀门13，相变储热装置6的第一端与加热器5的出口之间设有第五阀门14。
进一步，还包括用于控制第一阀门10、第二阀门11、第三阀门12、第四阀门13以及第五阀门14开度的控制器，实现第一阀门10、第二阀门11、第三阀门12、第四阀门13以及第五阀门14的自动控制。
在上述各实施方式的基础上，发电机2通过轴与汽轮机1机械连接，具体的，汽轮机1与发电机2之间通过键和键槽连接，汽轮机1可带动发电机2转动，提高稳定性。
在上述各实施方式的基础上，相变储热装置6包括相变储热罐体61以及安装在相变储热罐体61内部的相变元件62。
在上述各实施方式的基础上，相变元件62呈棒状结构，且相变元件62为封装件。相变元件62设计为棒状结构，方便装配，其内部填充相变材料，相变材料潜热选择不低于220kJ/kg；
在上述各实施方式的基础上，水储热装置7包括斜温层水罐71和换热器72，斜温层水罐71的进口和出口均与换热器72连接。
在上述各实施方式的基础上，斜温层水罐71内自上而下依次设有热水层、过渡层和冷水层，过渡层可以很好的减少热水层与冷水层的热传递。
在上述各实施方式的基础上，换热器72为板式换热器，取材方便，换热效果好。
该系统耦合了汽轮机系统与储热装置，储热装置为“相变储热+水储热”装置，利用“相变储热+水储热”装置实现蒸汽热量的梯级储存与释放，实现燃煤机组深度调峰。燃煤机组深度调峰模式：①在电网谷期，“相变储热+水储热”装置储存蒸汽热量，锅炉热负荷维持在相对低水平，燃煤机组电负荷则可以维持在一个更低水平。②在电网非谷期，“相变储热+水储热”装置释放热量，加热冷凝水，排挤汽轮机1抽汽做功，锅炉热负荷维持在中高水平，燃煤机组电负荷则可以维持在一个更高水平。
在一种具体实施例中，该采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，包括汽轮机1、发电机2、凝汽器3、水泵4、加热器5、相变储热装置6、水储热装置7以及第一阀门10、第二阀门11、第三阀门12、第四阀门13和第五阀门14。汽轮机1接收来自锅炉的高温蒸汽，高温蒸汽推动汽轮机1内部叶片旋转做功，做完功后的蒸汽排入凝汽器3；发电机2通过轴与汽轮机1连接，汽轮机1带动发电机2转动并发电；凝汽器3接收汽轮机1排出蒸汽，蒸汽在凝汽器3内被冷凝为冷凝水；水泵4抽取凝汽器3内冷凝水，冷凝水被水泵4加压后输入加热器5；相变储热装置6和水储热装置7通过管路与汽轮机系统连接，并通过第一阀门10至第五阀门14，控制相变储热装置6和水储热装置7的储热与放热过程；储热过程见图1，从汽轮机1抽取中温蒸汽依次进入相变储热装置6及水储热装置7，中温蒸汽在相变储热装置6内直接与相变元件62换热并将部分热量被储存于相变元件62内，中温蒸汽被冷却为低温蒸汽，低温蒸汽在水储热装置7内通过换热器72将斜温层水罐71内冷水加热为热水，低温蒸汽被冷凝为过冷水，过冷水进入凝汽器3；放热过程见图2，从水泵4出口抽取冷凝水依次进入水储热装置7及相变储热装置6，低温冷凝水进入水储热装置7内通过换热器72将斜温层水罐71内热水冷却为冷水，低温冷凝水被加热为中温冷凝水，中温冷凝水进入相变储热装置6内直接与相变元件62换热并吸收相变元件62内储热，中温冷凝水被加热为高温冷凝水，高温冷凝水回入加热器5出口。
其中，从汽轮机1抽取的中温蒸汽可以是中压缸排汽，也可以是中压缸排汽与高压缸排汽的混合汽；
其中，水泵4包括凝结水泵和给水泵；
其中，加热器5包括低压加热器和高压加热器。
进一步，还提供一种采用梯级储热的燃煤机组深度调峰方法，利用汽轮机系统耦合“相变储热+水储热”装置实现蒸汽热量的梯级储存与释放，提升燃煤机组深度调峰幅度。燃煤机组运行阶段分为需要深度调峰阶段和无需深度调峰阶段。
燃煤机组需要深度调峰阶段，打开第二阀门11和第三阀门12，关闭第四阀门13和第五阀门14，从汽轮机1抽取中温蒸汽依次进入相变储热装置6及水储热装置7，中温蒸汽在相变储热装置6内被冷却为低温蒸汽，低温蒸汽进入水储热装置7被冷凝为过冷水，过冷水流入凝汽器3，“相变储热+水储热”装置储存蒸汽热量，减小蒸汽在汽轮机1内部做功，锅炉热负荷保持不变，燃煤机组电负荷降低。通过控制储热速率调节燃煤机组电负荷降低幅度，即通过第二阀门11和第三阀门12的开度控制进入“相变储热+水储热”装置的蒸汽流量；
燃煤机组无需深度调峰阶段，关闭第二阀门11和第三阀门12，打开第四阀门13和第五阀门14，从水泵4出口抽取冷凝水依次进入水储热装置7及相变储热装置6，低温冷凝水在水储热装置7内被加热为中温冷凝水，中温冷凝水在相变储热装置6内被加热为高温冷凝水，高温冷凝水回入加热器5出口，“相变储热+水储热”装置加热冷凝水，排挤加热器5抽汽做功，锅炉热负荷保持不变，燃煤机组电负荷升高。通过控制放热速率调节燃煤机组电负荷升高幅度，即通过第一阀门10、第四阀门13和第五阀门14的开度控制进入“相变储热+水储热”装置的冷凝水流量。
该采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，具有以下有益效果：
1、利用大规模储热技术，实现燃煤机组大幅度深度调峰，调峰深度最高增加20％THA，度电成本约0.15～0.18元/kWh，调峰成本低于抽水蓄能、电化学储能等。
2、利用汽轮机1耦合“相变储热+水储热”技术，实现热量的梯级储存与释放，提高能量转化效率，转化效率可达80％以上。
3、利用相变材料储能密度高以及水储热成本低的特点，降低系统总成本，提高系统竞争力。
4、在不改变锅炉本体的条件下，实现燃煤机组深度调峰，避免低负荷时出现的锅炉水动力不足、受热面寿命缩短、环保指标下降等问题。
以上对本发明所提供的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，包括依次连接的汽轮机(1)、发电机(2)、凝汽器(3)和加热器(5)；其特征在于，还包括相变储热装置(6)和水储热装置(7)；所述相变储热装置(6)的第一端与所述汽轮机(1)和所述加热器(5)连接；所述相变储热装置(6)的第二端与所述水储热装置(7)的第一端连通，所述水储热装置(7)的第二端与所述凝汽器(3)以及所述加热器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，其特征在于，还包括水泵(4)，所述水泵(4)连接于所述加热器(5)和所述凝汽器(3)之间，所述水储热装置(7)的第二端与所述水泵(4)的出口连接。
3.根据权利要求2所述的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，其特征在于，所述加热器(5)的进口设有第一阀门(10)，所述汽轮机(1)与所述相变储热装置(6)的第一端之间设有第二阀门(11)，所述水储热装置(7)的第二端与所述凝汽器(3)之间设有第三阀门(12)，所述水储热装置(7)的第二端与所述水泵(4)的出口之间设有第四阀门(13)，所述相变储热装置(6)的第一端与所述加热器(5)的出口之间设有第五阀门(14)。
4.根据权利要求3所述的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，其特征在于，还包括用于控制所述第一阀门(10)、所述第二阀门(11)、所述第三阀门(12)、所述第四阀门(13)以及所述第五阀门(14)开度的控制器。
5.根据权利要求1所述的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，其特征在于，所述汽轮机(1)与所述发电机(2)之间通过键和键槽连接，所述汽轮机(1)可带动所述发电机(2)转动。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，其特征在于，所述相变储热装置(6)包括相变储热罐体(61)以及安装在所述相变储热罐体(61)内部的相变元件(62)。
7.根据权利要求6所述的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，其特征在于，所述相变元件(62)呈棒状结构，且所述相变元件(62)为封装件。
8.根据权利要求1至5任意一项所述的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，其特征在于，所述水储热装置(7)包括斜温层水罐(71)和换热器(72)，所述斜温层水罐(71)的进口和出口均与所述换热器(72)连接。
9.根据权利要求8所述的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，其特征在于，所述斜温层水罐(71)内自上而下依次设有热水层、过渡层和冷水层。
10.根据权利要求8所述的采用梯级储热的燃煤机组深度调峰系统，其特征在于，所述换热器(72)为板式换热器。
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