CN114810243B - 一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统及运行方法，本发明包括燃煤发电机组热力系统和与之耦合的多级压缩空气储能系统、多级压缩空气释能系统，将压缩空气储能系统与燃煤机组耦合，可以用锅炉烟气代替天然气对空气加热，避免了天然气的消耗。此外，利用压缩空气储能技术扩大燃煤机组的负荷范围与变负荷速率，同时利用压缩空气系统替代燃煤机组的一次风系统，将多余热量用于加热给水，优化了燃煤机组工质之间的换热过程，增加了燃煤机组内部的能量转换效率，实现了热能的优化利用，作为当前电力系统中重要的电能供应来源，提高其能量转换效率与运行灵活性对我国电力系统转型具有重要意义。

Description

一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统及运行方法

技术领域

本发明涉及燃煤发电领域，具体涉及一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统及运行方法。

背景技术

随着全球对太阳能、风能等可再生能源的利用急剧增加，其波动性、间歇性和不可预测性等特点给电网的稳定安全运行带来了巨大的挑战。在当前电力系统中，燃煤发电机组是重要的电能供应来源，所以提高其调峰调频过程的灵活性势在必行。因此，燃煤机组被要求一方面提高变负荷速率，另一方面需扩大其工作负荷范围，特别是最低负荷。现有热力系统机组的锅炉和汽轮机之间的强耦合限制了燃煤发电机组的最低出力，目前尚未有合理的解决方案使得火力发电机组能够满足电网对机组变负荷和低负荷运行性能的要求。需要解决的问题包括：

1、在机组要求低负荷工况运行时，受到锅炉最低稳燃负荷的限制，需要在保证锅炉稳燃的条件下使机组能以极低负荷稳定运行的方法。

2、当电网要求机组快速变负荷时，依靠系统内部蓄热能力提高机组变负荷速率有限，需要耦合高效的外部储热系统与传统燃煤发电系统进一步提高系统的变负荷能力。

3、耦合外部储热系统在储热过程中能量的品位大幅度减低，造成整个储热与放热过程的循环效率往往低于40%，使得系统的运行成本增加，经济竞争力下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统及运行方法，避免设置天然气燃烧室，减少了天然气的消耗。

为了达到上述目的，本发明包括燃煤发电机组热力系统、多级压缩空气储能系统和多级压缩空气释能系统；

多级压缩空气储能系统包括压气机系统、储热罐、储冷罐和储气罐，储热罐、储冷罐和储气罐均连接储能单元，储能单元包括储热罐和储气罐出口连接空气预热器，空气预热器的空气出口连接膨胀机系统，空气预热器的储热工质出口连接储冷罐；

多级压缩空气释能系统包括膨胀机系统，膨胀机系统连接空气与烟气换热器，空气与烟气换热器的烟气入口连接燃煤发电机组热力系统，膨胀机系统的烟气出口连接空气再热器和磨煤机，磨煤机连接燃煤发电机组热力系统，空气再热器连接燃煤发电机组热力系统的；

燃煤发电机组热力系统包括热力系统，热力系统包括锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸和汽轮机低压缸，汽轮机低压缸抽汽出口连接低压给水加热器的蒸汽进口，汽轮机低压缸的蒸汽出口连接凝汽器的蒸汽进口，凝汽器的给水出口连接低压给水加热器的给水进口，低压给水加热器的给水出口连接除氧器的给水进口，除氧器的给水出口连接高压给水加热器的给水进口，除氧器的给水出口连接高压给水与烟气换热器的给水进口，高压给水加热器的给水出口连接锅炉的给水进口，高压给水与烟气换热器给水出口连接锅炉的给水进口。

压气机系统包括串联的一级压缩机和二级压缩机。

一级压缩机的空气进口与环境相连通，一级压缩机的空气出口连接第一储热介质与空气换热器的空气进口，储热介质与空气换热器1的空气出口连接二级压缩机的空气进口，二级压缩机的空气出口连接第二储热介质与空气换热器的空气进口，第二储热介质与空气换热器的空气出口连接储气罐的空气进口，储冷罐出口泵连接第一储热介质与空气换热器的储热介质进口，第一储热介质与空气换热器的储热介质出口连接储热罐的储热介质进口，储冷罐的储热介质出口通过储冷罐出口调节阀，储冷罐出口泵连接第二储热介质与空气换热器的储热介质进口，第二储热介质与空气换热器的储热介质出口连接储热罐的储热介质进口，储热罐的上游连接电加热器。

第二储热介质与空气换热器的空气出口连接储气罐的空气进口通过储气罐进口控制阀相连通，储冷罐的储热介质出口管路上设置有储冷罐出口调节阀，储热罐的储热介质出口管路上设置有储热罐出口调节阀，空气预热器与储气罐间设置有调节阀。

膨胀机系统包括串联的高压膨胀机和低压膨胀机，空气预热器的空气出口连接高压膨胀机的空气进口，储热罐出口泵连接空气预热器的储热介质进口，空气预热器的储热介质出口连接储冷罐的储热介质进口，高压膨胀机的空气出口连接空气与烟气换热器的空气进口，空气与烟气换热器的空气出口连接低压膨胀机的空气进口，空气与烟气换热器的烟气进口连接锅炉内烟气管道，空气与烟气换热器的烟气出口连接空气再热器的烟气进口，空气再热器的烟气出口连接高压给水与烟气换热器的烟气进口，低压膨胀机的空气出口连接空气再热器的空气进口，空气再热器的空气出口连接磨煤机的空气进口，低压膨胀机的空气出口连接磨煤机的空气进口，磨煤机的煤粉出口连接锅炉的煤粉进口。

低压膨胀机与空气再热器间设置有空气旁路调节阀。

储气罐内压缩空气的压力为70 bar-150bar。

储热罐与储冷罐内的储热介质为导热油或熔融盐，储热介质进入储热罐时大于等于550℃。

一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统的运行方法，包括以下步骤：

当燃煤机组需降低负荷时，将电力供给多级空气压缩储能系统，驱动压气机系统将常压空气压缩到70 bar以上的高压空气并存储在储气罐中，流出储冷罐的储热介质并联流过储能单元，吸收压气机系统中产生的热量，吸热后的储热介质加热后达到所需温度后进入储热罐内存储；

在压缩空气储能系统释能时，将高压空气从储气罐中释放进入空气预热器，使储热罐内的储热介质流入空气预热器加热空气，加热的空气进入膨胀机系统中做功，高压膨胀机的排气进入空气与烟气换热器被锅炉烟气加热后进入低压膨胀机做功，低压膨胀机的排气进入磨煤机用于煤粉干燥与输送煤粉进入锅炉，当磨煤机的煤粉湿度较大时，使空气进入空气再热器中，通过锅炉烟气再热后，进入磨煤机中。

流出储冷罐的储热介质并联流过第一储热介质与空气换热器与第二储热介质与空气换热器，吸收压缩空气过程中产生的热量。

与现有技术相比，本发明包括燃煤发电机组热力系统和与之耦合的多级压缩空气储能系统、多级压缩空气释能系统，将压缩空气储能系统与燃煤机组耦合，可以用锅炉烟气代替天然气对空气加热，避免了天然气的消耗。此外，利用压缩空气储能技术扩大燃煤机组的负荷范围与变负荷速率，同时利用压缩空气系统替代燃煤机组的一次风系统，将多余热量用于加热给水，优化了燃煤机组工质之间的换热过程，增加了燃煤机组内部的能量转换效率，实现了热能的优化利用，作为当前电力系统中重要的电能供应来源，提高其能量转换效率与运行灵活性对我国电力系统转型具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的系统图；

图2为本发明实施例与原始机组的运行负荷范围对比图；

图3为本发明实施例与原始机组的变负荷速率对比图；

其中，1、锅炉，2、汽轮机高压缸，3、汽轮机中压缸，4、汽轮机低压缸，5、凝汽器，6、低压给水加热器，7、除氧器，8、高压给水加热器，9、高压给水旁路调节阀，10、高压给水与烟气换热器，11、压气机系统，11-1、一级压缩机，11-2、二级压缩机，12、储气罐进口控制阀，13、储气罐，14、储冷罐，15、储冷罐出口调节阀，16、储冷罐出口泵，17、第一储热介质与空气换热器，18、第二储热介质与空气换热器，19、电加热器，20、储热罐，21、储热罐出口调节阀，22、储热罐出口泵，23、储气罐出口调节阀，24、空气预热器，25、膨胀机系统，25-1、高压膨胀机，25-2、低压膨胀机，26、空气与烟气换热器，27、空气旁路调节阀，28、空气再热器，29、磨煤机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明包括燃煤发电机组热力系统、多级压缩空气储能系统和多级压缩空气释能系统。

燃煤发电机组热力系统为一种超临界660MW一次再热燃煤机组，包括锅炉1，汽轮机高压缸2，汽轮机中压缸3，汽轮机低压缸4，凝汽器5，低压给水加热器6，除氧器7，高压给水加热器8，高压给水旁路调节阀9，高压给水与烟气换热器10；锅炉1的蒸汽出口与汽轮机高压缸2的蒸汽进口通过管道相连通；汽轮机高压缸2的抽汽出口与高压给水加热器8的蒸汽进口通过管道相连通；汽轮机高压缸2的蒸汽出口与汽轮机中压缸3的蒸汽进口通过锅炉相连通；汽轮机中压缸3的第一级抽汽出口与高压给水加热器8通过管道相连通；汽轮机中压缸3的第二级抽汽出口与除氧器7的蒸汽进口通过管道相连通；汽轮机中压缸3的蒸汽出口与汽轮机低压缸4的蒸汽进口通过管道相连通；汽轮机低压缸4的抽汽出口与低压给水加热器6的蒸汽进口通过管道相连通；汽轮机低压缸4的蒸汽出口与凝汽器5的蒸汽进口通过管道相连通；凝汽器5的给水出口与低压给水加热器6的给水进口通过管道相连通；低压给水加热器6的给水出口与除氧器7的给水进口通过管道相连通；除氧器7的给水出口与高压给水加热器8的给水进口通过管道相连通；除氧器7的给水出口与高压给水与烟气换热器10的给水进口通过高压给水旁路调节阀9相连通；高压给水加热器8的给水出口与锅炉1的给水进口通过管道相连通；高压给水与烟气换热器10给水出口与锅炉1的给水进口通过管道相连通。

多级压缩空气储能系统包括依次连接由两个串联压缩机组成的压气机系统11，储气罐进口控制阀12，储气罐13，储冷罐14，储冷罐出口调节阀15，储冷罐出口泵16，第一储热介质与空气换热器17，第二储热介质与空气换热器18，电加热器19和储热罐20；一级压缩机11-1的空气进口与环境通过管道相连通；一级压缩机11-1的空气出口与第一储热介质与空气换热器17的空气进口通过管道相连通；第一储热介质与空气换热器17的空气出口与二级压缩机11-2的空气进口通过管道相连通；二级压缩机11-2的空气出口与第二储热介质与空气换热器18的空气进口通过管道相连通；第二储热介质与空气换热器18的空气出口与储气罐13的空气进口通过储气罐进口控制阀12相连通；储冷罐14的储热介质出口通过储冷罐出口调节阀15，储冷罐出口泵16与第一储热介质与空气换热器17的储热介质进口相连通；第一储热介质与空气换热器17的储热介质出口与储热罐20的储热介质进口通过电加热器19相连通；储冷罐14的储热介质出口通过储冷罐出口调节阀15，储冷罐出口泵16与第二储热介质与空气换热器18的储热介质进口相连通；第二储热介质与空气换热器18的储热介质出口与储热罐20的储热介质进口通过电加热器19相连通。

多级压缩空气释能系统包括依次连接的储热罐20，储热罐出口调节阀21，储热罐出口泵22，储气罐出口调节阀23，空气预热器24，由高压膨胀机25-1与低压膨胀机25-2组成的膨胀机系统25，空气与烟气换热器26，空气旁路调节阀27，空气再热器28，磨煤机29；空气预热器24的空气进口与储气罐13的空气出口通过储气罐出口调节阀23相连通；空气预热器24的空气出口与高压膨胀机25-1的空气进口通过管道相连通；储热罐20的储热介质出口通过储热罐出口调节阀21，储热罐出口泵22与空气预热器24的储热介质进口相连通；空气预热器24的储热介质出口与储冷罐14的储热介质进口通过管道相连通；高压膨胀机25-1的空气出口与空气与烟气换热器26的空气进口通过管道相连通；空气与烟气换热器26的空气出口与低压膨胀机25-2的空气进口通过管道相连通；空气与烟气换热器26的烟气进口与锅炉1内烟气通过管道相连通；空气与烟气换热器26的烟气出口与空气再热器28的烟气进口通过管道相连通；空气再热器28的烟气出口与高压给水与烟气换热器10的烟气进口通过管道相连通；低压膨胀机25-2的空气出口与空气再热器28的空气进口通过空气旁路调节阀27相连通；空气再热器28的空气出口与磨煤机29的空气进口通过管道相连通；低压膨胀机25-2的空气出口与磨煤机29的空气进口通过管道相连通；磨煤机29的煤粉出口与锅炉1的煤粉进口通过管道相连通。

优选的，储气罐13内压缩空气的压力为100bar。

优选的，储热罐20与储冷罐14内的储热介质为熔融盐，储热介质进入储热罐20时温度为550°C。

优选的，进入空气与烟气换热器26的烟气温度为650°C。

优选的，进入高压膨胀机25-1的空气温度为525°C，进入低压膨胀机25-2的空气温度为600°C。

优选的，离开低压膨胀机的空气压力为4 bar, 温度为230°C。

优选的，当磨煤机内的煤粉水分较低时，进入磨煤机的空气温度为230°C，当磨煤机内的煤粉水分较高时，进入磨煤机的空气温度为270°C。

优选的，燃煤机组升降负荷在50 MW以内时，优先使用压缩空气储能与释能来达到升降负荷的目的。

优选的，锅炉的一次风与二次风系统由压缩空气释能系统替代，原有用于加热空气的烟气热量进入高压给水与烟气换热器10用于加热给水。

当燃煤机组需降低负荷时，将电力供给多级空气压缩储能系统，驱动空气压缩机11将常压空气压缩到100 bar的高压空气并存储在储气罐13中，打开储冷罐出口调节阀15，启动储冷罐出口泵16，流出储冷罐14的储热介质并联流过第一储热介质与空气换热器17与第二储热介质与空气换热器18，吸收压缩空气过程中产生的热量，吸热后的储热介质经过电加热器19加热后达到更高温度进入储热罐20内存储，通过调整压缩机功率来调整燃煤机组降负荷，通过调整电加热器的功率来调整进入储热罐20的储热介质温度；在压缩空气储能系统释能时，打开储气罐出口调节阀23，将高压空气从储气罐13中释放进入空气预热器24，打开储热罐出口调节阀21，启动储热罐出口泵22，使储热罐20内的储热介质流入空气预热器24加热空气，加热的空气进入高压膨胀机25-1中做功，高压膨胀机的排气进入空气与烟气换热器26被锅炉烟气加热后进入低压膨胀机25-2做功，低压膨胀机25-2的排气进入磨煤机29用于煤粉干燥与输送煤粉进入锅炉1，当磨煤机29的煤粉湿度较大时，打开空气旁路调节阀27，使部分空气进入空气再热器28被锅炉再热后进入磨煤机29中。

参见图2，机组的最低负荷从198 MW 降低到118 MW。最高负荷从660 MW增加到725MW，储热系统的循环效率为75%。机组的输出速率变化对比如图3所示，从原始的1.5%额定负荷每分钟提高到2.95%额定负荷每分钟。

本发明利用空气与烟气换热器，利用燃煤机组的烟气热能对高压空气进行加热，保证空气进入膨胀机时处于较高温度，增加做功量，避免设置天然气燃烧室，减少了天然气的消耗。本发明将压缩空气储能与燃煤机组耦合，利用多级压缩空气系统替代一次风系统，减少机组设备，降低了机组运行的复杂度。原有用于加热空气的烟气热量用于加热给水，优化热能利用，提高能量转换效率。

本发明与传统燃煤机组相比，将压缩空气储能与燃煤机组耦合扩大了燃煤机组的负荷变化区间与变负荷速率。其最小负荷可从30% THA最大降低至0 MW，变负荷速率可从传统的1-1.5 Pe0/min提高到3.0Pe0/min,大大提高了燃煤机组的运行灵活性。

Claims (10)

1.一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统，其特征在于，包括燃煤发电机组热力系统、多级压缩空气储能系统和多级压缩空气释能系统；

多级压缩空气储能系统包括压气机系统（11）、储热罐（20）、储冷罐（14）和储气罐（13），储热罐（20）、储冷罐（14）和储气罐（13）均连接储能单元，储热罐（20）出口和储气罐（13）出口分别连接空气预热器（24），空气预热器（24）的空气出口连接膨胀机系统（25），空气预热器（24）的储热工质出口连接储冷罐（14）；

多级压缩空气释能系统包括膨胀机系统（25），膨胀机系统（25）连接空气与烟气换热器（26），空气与烟气换热器（26）的烟气入口连接燃煤发电机组热力系统，空气与烟气换热器（26）的烟气出口连接空气再热器（28），空气再热器（28）的空气出口连接磨煤机（29），磨煤机（29）连接燃煤发电机组热力系统，空气再热器（28）的烟气出口连接燃煤发电机组热力系统；

燃煤发电机组包括热力系统，热力系统包括锅炉（1）、汽轮机高压缸（2）、汽轮机中压缸（3）和汽轮机低压缸（4），汽轮机低压缸（4）抽汽出口连接低压给水加热器（6）的蒸汽进口，汽轮机低压缸（4）的蒸汽出口连接凝汽器（5）的蒸汽进口，凝汽器（5）的给水出口连接低压给水加热器（6）的给水进口，低压给水加热器（6）的给水出口连接除氧器（7）的给水进口，除氧器（7）的给水出口连接高压给水加热器（8）的给水进口，除氧器（7）的给水出口连接高压给水与烟气换热器（10）的给水进口，高压给水加热器（8）的给水出口连接锅炉（1）的给水进口，高压给水与烟气换热器（10）给水出口连接锅炉（1）的给水进口。

2.根据权利要求1所述的一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统，其特征在于，压气机系统（11）包括串联的一级压缩机（11-1）和二级压缩机（11-2）。

3.根据权利要求2所述的一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统，其特征在于，一级压缩机（11-1）的空气进口与环境相连通，一级压缩机（11-1）的空气出口连接第一储热介质与空气换热器（17）的空气进口，第一储热介质与空气换热器（17）的空气出口连接二级压缩机（11-2）的空气进口，二级压缩机（11-2）的空气出口连接第二储热介质与空气换热器（18）的空气进口，第二储热介质与空气换热器（18）的空气出口连接储气罐（13）的空气进口，储冷罐出口泵（16）连接第一储热介质与空气换热器（17）的储热介质进口，第一储热介质与空气换热器（17）的储热介质出口连接储热罐（20）的储热介质进口，储冷罐（14）的储热介质出口还通过储冷罐出口调节阀（15）和储冷罐出口泵（16）连接第二储热介质与空气换热器（18）的储热介质进口，第二储热介质与空气换热器（18）的储热介质出口连接储热罐（20）的储热介质进口，储热罐（20）的上游连接电加热器（19）。

4.根据权利要求3所述的一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统，其特征在于，第二储热介质与空气换热器（18）的空气出口连接储气罐（13），储气罐（13）通过储气罐进口控制阀（12）与储气罐（13）的空气进口相连通，储冷罐（14）的储热介质出口管路上设置有储冷罐出口调节阀（15），储热罐（20）的储热介质出口管路上设置有储热罐出口调节阀（21），空气预热器（24）与储气罐（13）间设置有调节阀（23）。

5.根据权利要求1所述的一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统，其特征在于，膨胀机系统（25）包括串联的高压膨胀机（25-1）和低压膨胀机（25-2），空气预热器（24）的空气出口连接高压膨胀机（25-1）的空气进口，储热罐出口泵（22）连接空气预热器（24）的储热介质进口，空气预热器（24）的储热介质出口连接储冷罐（14）的储热介质进口，高压膨胀机（25-1）的空气出口连接空气与烟气换热器（26）的空气进口，空气与烟气换热器（26）的空气出口连接低压膨胀机（25-2）的空气进口，空气与烟气换热器（26）的烟气进口连接锅炉（1）内烟气管道，空气与烟气换热器（26）的烟气出口连接空气再热器（28）的烟气进口，空气再热器（28）的烟气出口连接高压给水与烟气换热器（10）的烟气进口，低压膨胀机（25-2）的空气出口连接空气再热器（28）的空气进口，空气再热器（28）的空气出口连接磨煤机（29）的空气进口，低压膨胀机（25-2）的空气出口连接磨煤机（29）的空气进口，磨煤机（29）的煤粉出口连接锅炉（1）的煤粉进口。

6.根据权利要求5所述的一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统，其特征在于，低压膨胀机（25-2）与空气再热器（28）间设置有空气旁路调节阀（27）。

7.根据权利要求1所述的一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统，其特征在于，储气罐（13）内压缩空气的压力为70 bar-150bar。

8.根据权利要求1所述的一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统，其特征在于，储热罐（20）与储冷罐（14）内的储热介质为导热油或熔融盐，储热介质进入储热罐（20）时的温度大于等于550℃。

9.一种权利要求5所述的锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

当燃煤机组需降低负荷时，将电力供给多级空气压缩储能系统，驱动压气机系统（11）将常压空气压缩成70 bar以上的高压空气并存储在储气罐（13）中，流出储冷罐（14）的储热介质并联流过储能单元，吸收压气机系统（11）中产生的热量，吸热后的储热介质加热后达到所需温度后进入储热罐（20）内存储；

在压缩空气储能系统释能时，将高压空气从储气罐（13）中释放进入空气预热器（24），使储热罐（20）内的储热介质流入空气预热器（24）加热空气，加热的空气进入膨胀机系统（25）中做功，高压膨胀机（25-1）的排气进入空气与烟气换热器（26）被锅炉烟气加热后进入低压膨胀机（25-2）做功，低压膨胀机（25-2）的排气进入磨煤机（29）用于煤粉干燥与输送煤粉进入锅炉（1），当磨煤机（29）的煤粉湿度较大时，使空气进入空气再热器（28）中，通过锅炉烟气再热后，进入磨煤机（29）中。

10.根据权利要求9所述的一种锅炉烟气耦合压缩空气储能的燃煤发电系统的运行方法，其特征在于，一级压缩机（11-1）的空气进口与环境相连通，一级压缩机（11-1）的空气出口连接第一储热介质与空气换热器（17）的空气进口，储热介质与空气换热器（17）的空气出口连接二级压缩机（11-2）的空气进口，二级压缩机（11-2）的空气出口连接第二储热介质与空气换热器（18）的空气进口，第二储热介质与空气换热器（18）的空气出口连接储气罐（13）的空气进口；

流出储冷罐（14）的储热介质并联流过第一储热介质与空气换热器（17）与第二储热介质与空气换热器（18），吸收压缩空气过程中产生的热量。

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