CN114263504A - 一种耦合分级储热的汽轮机调峰系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了耦合分级储热的汽轮机调峰系统，包括：高压缸、中压缸、低压缸、发电机、凝汽器、分级储热机构和分级加热机构；发电机通过驱动转轴与高压缸、中压缸、低压缸连接，汽压缸通入锅炉蒸汽做功转动驱动转轴使发电机发电；从高压缸和中压缸分别抽取蒸汽并混合，其流量占比和混合温度由阀门调节，随后进入分级储热机构，混合蒸汽的热量存储于分级储热机构，混合蒸汽被冷却为低温水后进入凝汽器。凝汽器接收低压缸排汽并冷却为凝结水；凝汽器的出口连通分级加热机构，凝汽器排出冷水经过分级加热机构的变成锅炉给水回流至锅炉内。不改造锅炉本体，实现汽轮机深度调峰，并避免低负荷时出现的锅炉水动力不足、受热面寿命缩短等问题。

Description

一种耦合分级储热的汽轮机调峰系统

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种耦合分级储热的汽轮机调峰系统。

背景技术

当前，我国处于碳达峰的关键期、窗口期，要构建清洁低碳安全高效的能源体系，推进构建以新能源为主体的新型电力系统。高灵活性的电源将在新型电力系统中扮演重要角色，火电作为大型可控电源，承担着电力系统安全稳定的“压舱石”作用。当前，火电机组灵活性是提升电力系统稳定性的最经济、有效手段。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。储热作为储能技术的一个分支，在光热发电、城市供暖等方面具有广泛应用场景。常规纯凝机组的深度调峰制约因素在于锅炉的最小稳燃负荷。

因此，如何通过提升汽轮机的深度调峰能力以提高机组灵活性是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种提升深度调峰能力的耦合分级储热的汽轮机调峰系统。

为实现上述目的，本发明提供一种耦合分级储热的汽轮机调峰系统，包括：高压缸、中压缸、低压缸、发电机、凝汽器、分级储热机构和分级加热机构；

所述高压缸、所述中压缸和所述低压缸依次设置在所述发电机的驱动转轴上，所述高压缸的出口分别连通所述中压缸的入口和所述分级储热机构；所述中压缸的出口分别连通所述低压缸的入口和所述分级储热机构；所述凝汽器分别连通所述低压缸的出口、所述分级储热机构的出口和所述分级加热机构，所述分级储热机构与所述分级加热机构并联；

所述分级储热机构与所述高压缸、所述中压缸和所述分级加热机构之间均设置有阀门。

可选地，所述分级储热机构包括：高温储热装置和低温储热装置；

所述高温储热装置的入口连通所述高压缸的出口；所述中压缸的出口连通所述高压缸用以连通所述高温储热装置的通路；所述高温储热装置的出口连通所述低温储热装置的入口，所述低温储热装置的出口与所述凝汽器连通。

可选地，所述分级加热机构包括：低温加热器和高温加热器；所述低温加热器的入口连通所述凝汽器的出口，所述低温加热器的出口连通所述高温加热器的入口；所述低温储热装置并联在所述低温加热器的两端；所述高温储热装置并联在所述高温加热器的两端。

可选地，所述高温储热装置包括：用以实现热量交换的高温换热器和与其连接的高温熔盐罐和低温熔盐罐；

所述低温储热装置包括：用以实现热量交换的低温换热器和与其连接的斜温层水罐。

可选地，所述凝汽器与低温加热器之间设置有凝结水泵；所述低温加热器与所述高温加热器之间设置有给水泵。

可选地，所述分级加热机构包括还包括：除氧器，所述除氧器设置所述低温加热器与所述高温加热器之间，所述除氧器与所述中压缸的连通。

可选地，所述阀门均设置为电动调阀。

相对于上述背景技术，本发明设置有高压缸、中压缸、低压缸、发电机、凝汽器、分级储热机构和分级加热机构；发电机通过驱动转轴与高压缸、中压缸、低压缸连接，汽压缸通入锅炉蒸汽做功转动驱动转轴使发电机发电；从高压缸和中压缸分别抽取蒸汽并混合，其流量占比和混合温度由阀门调节，随后进入分级储热机构，混合蒸汽的热量存储于分级储热机构，混合蒸汽被冷却为低温水后进入凝汽器。凝汽器接收低压缸排出乏汽，并将乏汽冷却为凝结水；凝汽器的出口连通分级加热机构，凝汽器排出冷水经过分级加热机构的分级加热变成高温的锅炉给水回流至锅炉内。在常规调峰技术的基础上，为进一步提升纯凝机组的深度调峰能力，提出锅炉本体不变、汽轮机耦合分级储热的改造技术，分级储热技术实现蒸汽热量的梯级储存与释放，大幅度提升汽轮机深度调峰能力的同时保证能量转化效率，并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。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的耦合分级储热的汽轮机调峰系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的耦合分级储热的汽轮机调峰系统调峰状态的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的耦合分级储热的汽轮机调峰系统非调峰状态的结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的耦合分级储热的汽轮机调峰系统的另一种实施方式的结构示意图。

其中：

1-高压缸、2-中压缸、3-低压缸、4-发电机、5-凝汽器、6-凝结水泵、7-低温加热器、8-除氧器、9-给水泵、10-高温加热器、11-高温储热装置、111-高温熔盐罐、112-低温熔盐罐、12-低温储热装置、121-斜温层水罐、122-低温换热器、131-第一阀门、132-第二阀门、133-第三阀门、134-第四阀门。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术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。

参考说明书附图1-说明书幅图3，附图1为本发明实施例所提供的耦合分级储热的汽轮机调峰系统的结构示意图、图2为本发明实施例所提供的耦合分级储热的汽轮机调峰系统调峰状态的结构示意图、图3为本发明实施例所提供的耦合分级储热的汽轮机调峰系统非调峰状态的结构示意图，包括：高压缸1、中压缸2、低压缸3、发电机4、凝汽器5、分级储热机构和分级加热机构；高压缸1接收从锅炉来的高温蒸汽，高温蒸汽在高压缸内做功推动驱动转轴旋转；中压缸2接收高压缸1排出的中温蒸汽，中温蒸汽在中压缸2内做功推动驱动转轴旋转；低压缸3接收中压缸3排出的低温蒸汽，低温蒸汽在低压缸3内做功推动驱动转轴旋转；发电机4通过驱动转轴与高压缸1、中压缸2、低压缸3连接，驱动转轴带动发电机4转动发电；从高压缸1出口和中压缸2出口分别抽取高温蒸汽和中温蒸汽，高温蒸汽和中温蒸汽的流量占比由阀门调节，高温蒸汽和中温蒸汽混合后，进入分级储热机构，混合蒸汽的热量存储于分级储热机构，混合蒸汽被冷却为低温水后进入凝汽器5。同时，凝汽器5接收低压缸3排出乏汽，并将乏汽冷却为凝结水；凝结水与低温水从凝汽器5的出口进入分级加热机构，凝汽器排出冷水经过分级加热机构的分级加热将变成高温的锅炉给水回流至锅炉内。

上述高压缸1和中压缸2与分级储热机构的连接通路上均设置有阀门，且上述分级储热机构并联在分级加热机构的两端，且其并联通路上也设置有阀门。如此，使用者可通过不同阀门控制系统进入调峰状态与非调峰状态。

调峰状态：通过阀门开度控制高压缸1和中压缸2向分级储热机构传输高温蒸汽的流量和混合温度，通过流量控制发电负荷降低幅度；高温混合蒸汽进入分级储热机构，高温混合蒸汽的热量被分级储存在分级储热机构内，且自身变成低温水流入冷凝器，这部分混合蒸汽不进入汽轮机做功，发电机负荷降低；在此过程中，分级储热机构与分级加热机构的并联通路保持断开，即可实现通过控制阀门调节混合蒸汽流量，控制汽轮机发电负荷降低幅度，实现汽轮机调峰。

非调峰状态：连通分级储热机构与分级加热机构的并联通路，凝汽器5输出的凝结水将分流进入分级储热机构，从而被其储存的热量加热成热水，上述热水从分级储热机构回流到分级加热机构的出口，从而排挤分级加热机构的抽汽流量；在此过程中，分级储热机构与高压缸1和中压缸2之间通路均断开，即可通过控制并联通路的阀门开度，控制汽轮机发电负荷上升幅度。

基于大规模储热技术，不在改造锅炉本体，实现汽轮机深度调峰，调峰幅度增加20％THA以上，并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。

进一步地，上述分级储热机构包括：高温储热装置11和低温储热装置12；高温储热装置11的入口连通高压缸1的出口；中压缸2的出口连通高压缸1用以连通高温储热装置11的通路；高温储热装置11的出口连通低温储热装置12的入口，低温储热装置12的出口与凝汽器5连通。利用此结构实现系统的分级储热，将混合蒸汽的热能梯级储存，确保其能量的转化率够高，以供后续使用。

上述分级储热机构的具体实现结构显然不仅限于设置为高温储热装置11和低温储热装置12这一种形式，根据实际情况增加更多级的储热装置以实现分级储热效果同样可行，本文在此不再展开赘述。

进一步地，上述分级加热机构包括：低温加热器7和高温加热器10；低温加热器7的入口连通凝汽器5的出口，低温加热器7的出口连通高温加热器10的入口；低温储热装置12并联在低温加热器7的两端；高温储热装置11并联在高温加热器10的两端。此结构共有两个作用：其一、对凝汽器5排出的低温冷凝水进行分级加热，使其变为锅炉给水，以回流至锅炉内并提高机组循环效率。其二、在每个加热器两端对应并联储热装置，以实现非调峰状态下的梯级释放蒸汽热量，并排挤加热器抽汽流量，提升汽轮机发电负荷。

上述分级加热机构还可采用其他分级加热器装置配合实现，只需要保证其对应并联储热装置即可，本文不再展开。

进一步地，上述高温储热装置11包括：实现热量交换的高温换热器113和与其连接的高温熔盐罐111和低温熔盐罐112；上述高温换热器113设置在主通路上，其两端分别连通输入高温混合蒸汽的汽压缸和低温储热装置12，高温熔盐罐111和低温熔盐罐112分别连接在高温换热器113上；高温储热装置11吸热过程，低温熔盐罐112内低温熔盐流经高温换热器113与蒸汽换热，低温熔盐吸收蒸汽热量被加热为高温熔盐，高温熔盐流入高温熔盐罐111内；高温储热装置11放热过程，高温熔盐罐111内高温熔盐流经高温换热器113与锅炉给水换热，高温熔盐向锅炉给水释放热量后被冷却为低温熔盐，低温熔盐流入低温熔盐罐112内。

上述低温储热装置12包括：用以实现热量交换的低温换热器122和与其连接的斜温层水罐121。上述低温换热器122设置在主通路上，其两端分别连通高温换热器113和冷凝器5。上述斜温层水罐121从上至下依次分为热水层、过渡层、冷水层；低温储热装置12吸热过程，斜温层水罐121底部冷水层中冷水流经低温换热器122与蒸汽换热，冷水吸收蒸汽热量被加热为热水，热水流入斜温层水罐121顶部热水层；低温储热装置12放热过程，斜温层水罐121顶部热水层中热水流经低温换热器122与凝结水换热，热水向凝结水释放热量后被冷却为冷水，冷水流入斜温层水罐121底部冷水层。

上述高温储热装置11内熔盐材质可选用且不仅限于选用硝酸盐，融化温度不高于140℃，高温熔盐温度设定为300～360℃，低温熔盐温度设定为140～200℃；

上述低温储热装置12内热水温度可设定为90～150℃，冷水温度设定为40～70℃；

上述高温换热器113和低温换热器122可选用且不仅限于选用板式换热器，结构稳定，节省成本。

熔盐储热技术早在20世纪80年代就已经开始应用于塔式太阳能光热发厂。水储热技术是目前成本最为廉价的储热方式。本结构利用分级储热技术，利用熔盐储热储存蒸汽高温段热量，利用水储热储存蒸汽低温段热量，降低系统总投资，调峰度电成本低于抽水蓄能、电化学储能等。整体合理布置分级储热机构，利用熔盐储热加热锅炉给水，利用水储热加热凝结水，实现蒸汽热量的梯级利用，提高系统能量转化效率，系统能量转化效率达80％以上。

当然，上述高温储热装置11和低温储热装置12的具体实现方式均不仅限于上述一种，根据实际需求和情况可更换二者的具体结构，本文不再展开赘述。

进一步地，上述凝汽器5与低温加热器7之间通过凝结水泵6将凝汽器5产生的低温水泵出并施压，凝结水泵6的出口分别连接高温加热器10和低温储热装置12的并联通路；上述低温加热器7与高温加热器10之间设置有给水泵9将低温加热器7出口通路的温水泵出并施压，给水泵9的出口分别连接锅炉回流口和高温储热装置11的并联通路。当然，当分级储热机构与分级加热机构更改具体结构时，在同理的配合通路上对应适应性增加功能性水泵，本文不再展开。

进一步地，上述分级加热机构还包括：低温加热器7与高温加热器10之间设置有除氧器8，除氧器8与中压缸2的出口连通。通过中压缸2蒸汽加热到对应除氧器8工作压力下的饱和温度，除去溶解于给水的氧及其它气体，防止和降低锅炉给水管、省煤器和其它附属设备的腐蚀。

当然，除氧器8的设置方式不仅限于上述一种，此处不再展开。

对于当前实施例的阀门包括：

设置在高温储热装置11与高压缸1的通路上的第一阀门131；

设置在高温储热装置11与中压缸2的通路上的第二阀门132；

设置在低温储热装置12与低温加热器7并联通路上的第三阀门133；

设置在高温储热装置11与高温加热器10并联通路上的第四阀门134。

在本实施例的系统的运转过程中，上述凝汽器5接收低压缸3排出乏汽，并将乏汽冷却为凝结水；凝结水泵6抽取凝汽器5内凝结水并对其进行加压；低温加热器7接收凝结水泵6出口凝结水并对其进行加热；除氧器8接收低温加热器7加热后的凝结水，并利用中压缸2排汽加热凝结水；给水泵9抽取除氧器8中凝结水并对其进行加压，凝结水被加压为锅炉给水；高温加热器10接收给水泵出口锅炉给水并对其进行加热，加热后锅炉给水进入锅炉；高温储热装置11和低温储热装置12通过管路与汽轮机系统连接，并通过第一阀门131～134控制高温储热装置11和低温储热装置12的吸热与放热过程。

上述吸热过程包括高温储热装置11吸热过程和低温储热装置12吸热过程，从高压缸1出口和中压缸2出口分别抽取高温蒸汽和中温蒸汽，高温蒸汽和中温蒸汽的流量占比由第一阀门131、第二阀门132调节，高温蒸汽和中温蒸汽混合后，依次进入高温储热装置11和低温储热装置12，混合蒸汽的热量存储于高温储热装置11和低温储热装置12，混合蒸汽被冷却为低温水后进入凝汽器5。

上述放热过程包括低温储热装置12放热过程和高温储热装置11放热过程，从凝结水泵6出口分流部分凝结水进入低温储热装置12，低温储热装置向凝结水放热，加热后的凝结水回入低温加热器7出口；从给水泵9出口分流部分锅炉给水进入高温储热装置11，高温储热装置向锅炉给水放热，加热后的锅炉给水回入高温加热器10出口。

本实施例中汽轮机的调峰方式：储热装置储存蒸汽热量，蒸汽做功减小，发电机发电负荷降低，包括如下步骤：

步骤1：打开第一阀门131、第二阀门132，关闭第三阀门133、第四阀门134；

步骤2：调节第一阀门131、第二阀门132开度，从高压缸1出口和中压缸2出口分别抽取高温蒸汽和中温蒸汽，高温蒸汽与中温蒸汽进行混合，混合蒸汽温度及流量通过调节第一阀门131、第二阀门132开度控制，通过混合蒸汽流量调节控制汽轮机发电负荷降低幅度；

步骤3：混合蒸汽依次进入高温储热装置7和低温储热装置8，高温储热装置7内低温熔盐被加热为高温熔盐，低温储热装置8内冷水被加热为热水，混合蒸汽被冷却为低温水，低温水流入凝汽器4，混合蒸汽不进入汽轮机做功，发电机负荷降低；

步骤4：控制第一阀门131、第二阀门132开度，调节混合蒸汽流量，控制汽轮机发电负荷降低幅度，即汽轮机调峰幅度。

本实施例中汽轮机的非调峰方式，储热装置释放蒸汽热量，蒸汽做功增加，发电机发电负荷上升，包括如下步骤：

步骤1：关闭第一阀门131、第二阀门132，打开第三阀门133、第四阀门134；

步骤2：调节第三阀门133，从凝结水泵6出口分流部分凝结水进入低温储热装置12，分流的凝结水流量通过阀门开度控制，低温储热装置12内热水被冷却为冷水，加热后的凝结水回入低温加热器7出口，排挤低温加热器7抽汽做功，发电机负荷上升；

步骤3：调节阀门134，从给水泵9出口分流部分锅炉给水进入高温储热装置11，分流的锅炉给水流量通过阀门开度控制，高温储热装置11内高温熔盐被冷却为低温熔盐，加热后的锅炉给水回入高温加热器7出口，排挤高温加热器11抽汽做功，发电机负荷进一步上升；

步骤4：控制第三阀门133、第四阀门134开度，调节分流的凝结水流量和锅炉给水流量，调节低温加热器7和高温加热器11排挤的抽汽流量，控制汽轮机发电负荷上升幅度。

针对火电机组深度调峰需求，本实施例利用汽轮机耦合“熔盐储热+水储热”装置实现大规模、梯级储存与释放蒸汽热量，具有调峰幅度大、能量转化率高、成本低、安全性高等特点。

参考说明书附图2，图2为本发明实施例所提供的耦合分级储热的汽轮机调峰系统的另一种实施方式的结构示意图，包括：实施例2与实施例1基本相同，主要区别在于高温储热装置11内部的熔盐罐结构型式不同。实施例2中，高温储热装置11中采用斜温层熔盐罐114储存蒸汽热量，斜温层熔盐罐114从上至下依次分为热熔盐层、过渡层、冷熔盐层。相比于实施例1可提升熔盐的利用率从而节省使用成本，并提高热能转化率。

进一步地，上述阀门均选用电动调阀；电控调阀控制方便，成本低廉，可精确调节开度实现调峰系统的精准调控。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的耦合分级储热的汽轮机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 (7)

1.一种耦合分级储热的汽轮机调峰系统，其特征在于，包括：高压缸、中压缸、低压缸、发电机、凝汽器、分级储热机构和分级加热机构；

所述高压缸、所述中压缸和所述低压缸依次设置在所述发电机的驱动转轴上，所述高压缸的出口分别连通所述中压缸的入口和所述分级储热机构；所述中压缸的出口分别连通所述低压缸的入口和所述分级储热机构；所述凝汽器分别连通所述低压缸的出口、所述分级储热机构的出口和所述分级加热机构，所述分级储热机构与所述分级加热机构并联；

所述分级储热机构与所述高压缸、所述中压缸和所述分级加热机构之间均设置有阀门。

2.根据权利要求1所述的耦合分级储热的汽轮机调峰系统，其特征在于，所述分级储热机构包括：高温储热装置和低温储热装置；

所述高温储热装置的入口连通所述高压缸的出口；所述中压缸的出口连通所述高压缸用以连通所述高温储热装置的通路；所述高温储热装置的出口连通所述低温储热装置的入口，所述低温储热装置的出口与所述凝汽器连通。

3.根据权利要求2所述的耦合分级储热的汽轮机调峰系统，其特征在于，所述分级加热机构包括：低温加热器和高温加热器；所述低温加热器的入口连通所述凝汽器的出口，所述低温加热器的出口连通所述高温加热器的入口；所述低温储热装置并联在所述低温加热器的两端；所述高温储热装置并联在所述高温加热器的两端。

4.根据权利要求3所述的耦合分级储热的汽轮机调峰系统，其特征在于，所述高温储热装置包括：用以实现热量交换的高温换热器和与其连接的高温熔盐罐和低温熔盐罐；

所述低温储热装置包括：用以实现热量交换的低温换热器和与其连接的斜温层水罐。

5.根据权利要求4所述的耦合分级储热的汽轮机调峰系统，其特征在于，所述凝汽器与低温加热器之间设置有凝结水泵；所述低温加热器与所述高温加热器之间设置有给水泵。

6.根据权利要求5所述的耦合分级储热的汽轮机调峰系统，其特征在于，所述分级加热机构包括还包括：除氧器，所述除氧器设置所述低温加热器与所述高温加热器之间，所述除氧器与所述中压缸的连通。

7.根据权利要求1-6任一项所述的耦合分级储热的汽轮机调峰系统，其特征在于，所述阀门均设置为电动调阀。

Images