CN114893263A - 一种耦合压缩空气储能的热电联产系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合压缩空气储能的热电联产系统及运行方法，该系统以空气冷却器和凝汽器作为中心换热单元，使得压缩空气的热量和机组的热量在空气冷却器和凝汽器加热热网水，该系统将热网回水加热过程分为3个阶段：先在空气冷却器中利用压缩空气的余热，之后进入凝汽器利用低压缸排汽进行加热，最后根据不同时期热负荷需求，最后在尖峰加热器中利用中压缸排汽抽汽进行加热，加热至供热所需温度；系统回收了压缩空气余热和汽轮机排汽余热，合理利用系统低温余热，提高了机组的能量利用效率。

Description

一种耦合压缩空气储能的热电联产系统及运行方法
技术领域
本发明属于热电联产技术领域，具体涉及一种耦合压缩空气储能的热电联产系统及运行方法。
背景技术
根据行业发展需求，火电技术进步从提高初参数、蒸汽再热等方式向全工况运行、余热深度利用等方向转变。同时，北方地区开展集中供热，减少小型供热锅炉污染物的排放，改善冬季北方雾霾多发的环境问题。因此，火电机组进行热电联产对节能减排工作具有重要意义。进一步的，提高燃煤电站能量利用效率及运行灵活性，减少污染物排放以及资源消耗是燃煤电站长期关注的问题。
燃煤电站中，高背压供热机组供热能力强，热经济性好，但是电负荷调节性能较差，抽汽背压机组的抽汽可以提高机组的电负荷条件范围，但是提高幅度较小，抽汽量过大也会影响高背压供热机组的热经济性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种耦合压缩空气储能的热电联产系统及运行方法，以解决现有技术中高背压供热机组电负荷调节性能差，抽汽量和高背压供热机组的热经济性不匹配的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种耦合压缩空气储能的热电联产系统，包括：空气冷却器，空气冷却器的冷侧工质入口连接有热网水，空气冷却器的冷侧工质出口连接有凝汽器的冷侧工质入口；空气冷却器的热侧工质入口连接有空气压缩机，空气冷却器的热侧工质出口连接有气液分离装置；
所述气液分离装置的气体出口和空气压缩机的入口连通，所述气液分离装置的液体出口连通有空气储罐；所述空气储罐连接有空气发电机；
所述凝汽器的冷侧工质出口连接至尖峰加热器，凝汽器的热侧工质入口连接有机组的汽体出口，凝汽器的热侧工质出口连接有加热器的冷侧入口，所述加热器的冷侧出口连通有锅炉，所述锅炉的汽体出口和机组连通。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述空气冷却器和气液分离装置之间设置有制冷膨胀机。
优选的，所述空气储罐连接有燃烧室，所述燃烧室连接有空气膨胀机，所述空气膨胀机的动力输出端和空气发电机的动力输入端连接。
优选的，所述机组包括高压缸、中压缸和低压缸；锅炉中设置有锅炉加热器和锅炉再热器；
锅炉加热器的出口和高压缸的入口连通，高压缸的出口和锅炉再热器的入口连通，锅炉再热器的出口和中压缸的入口连通，中压缸的出口设置有两个分支，一个分支和低压汽轮机的入口连通，一个分支和控制阀的入口连通，所述控制阀的出口和尖峰加热器连通；
所述低压汽轮机的出口和凝汽器的热侧工质入口连通。
优选的，所述高压缸、中压缸和低压缸设置有同一动力输出端，所述动力输出端连接有发电机，所述发电机和空气压缩机的动力输入端连通。
优选的，所述加热器包括低压加热器和高压加热器，低压加热器和高压加热器之间设置有除氧器；
所述低压加热器的冷侧工质入口和凝汽器热侧工质出口连通，低压加热器的冷侧工质出口和除氧器的入口连通，低压加热器的热侧工质入口和低压缸的抽汽出口连通，低压加热器的热侧工质出口和凝汽器的热井连通；
所述高压加热器的冷侧工质入口和除氧器的出口连通，高压加热器的冷侧工质出口和锅炉加热器连通；高压加热器的热侧工质入口和高压缸的抽汽出口连通，高压加热器的热侧工质出口和除氧器的入口连通。
优选的，所述除氧器的入口还和中压汽轮机的出口连通。
优选的，所述除氧器的出口和高压加热器的冷侧工质入口之间设置有给水泵。
优选的，所述凝汽器的热侧工质出口和加热器的冷侧入口之间设置有凝结水泵。
一种上述的耦合压缩空气储能的热电联产系统的运行方法，包括以下运行过程：
热网水进入空气冷却器被压缩空气加热后进入凝汽器被加热，被加热的热网水进入尖峰加热器继续被加热后输出；
当系统为储能模式时，空气在空气压缩机中被压缩，进入空气冷却器放热后进入气液分离装置中被分离成为气态空气和液态空气，液态空气存储在空气储罐中，气态空气返回至空气压缩机中；
当系统为释能模式时，空气储罐中的液态空气通过膨胀做功驱动空气发电机发电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种耦合压缩空气储能的热电联产系统，该系统以空气冷却器和凝汽器作为中心换热单元，使得压缩空气的热量和机组的热量在空气冷却器和凝汽器加热热网水，该系统将热网回水加热过程分为3个阶段：先在空气冷却器中利用压缩空气的余热，之后进入凝汽器利用低压缸排汽进行加热，最后根据不同时期热负荷需求，最后在尖峰加热器中利用中压缸排汽抽汽进行加热，加热至供热所需温度；系统回收了压缩空气余热和汽轮机排汽余热，合理利用系统低温余热，提高了机组的能量利用效率。压缩空气系统通过调整储能模式或者释能发电模式，进行机组电负荷调节，可以满足灵活调峰需求，弥补了高背压供热机组电负荷调节范围小的缺点。作为一个整体，该系统可以稳定、高效的输出电热两种负荷。本发明耦合压缩空气储能系统和高背压-抽汽供热系统，同时为用户提供热、电两种能源的同时，提高机组的能源利用效率及运行灵活性。该系统机组耦合了压缩空气储能系统，作为一个整体，系统的灵活性好，可以满足灵活调峰需求。
本发明还提供了一种耦合压缩空气储能的热电联产系统的运行方法，通过热网回水回收压缩空气的废热，提高系统的能源利用效率，通过压缩空气储能系统储能模式及释能模式的调整，可以满足机组灵活运行的要求。该方法将热网水加热分为三个过程，符合温度匹配，能级匹配，利用较低温度的热量满足供热需求，提高机组的能源利用率；该方法的压缩空气储能系统在储能模式运行时，可以通过热网回水和补水回收压缩空气的余热，合理利用了系统的废热，系统能源利用率高。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图中：1为锅炉、2为高压汽轮机、3为中压汽轮机、4为低压汽轮机、5为凝汽器、6为凝结水泵、7为低压加热器、8为除氧器、9为给水泵、10为高压加热器、11为发电机、13为控制阀、14为尖峰加热器、15为制冷膨胀机、16为空气冷却器、17为空气压缩机、18为气液分离装置、19为空气储罐、20为升压泵、21为燃烧室、22为空气膨胀机、23为空气发电机；24为锅炉加热器；25为锅炉再热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明公开了一种耦合压缩空气储能的热电联产系统及运行方法，该系统包括依次相连通的凝汽器5、凝结水泵6、低压加热器7、除氧器8、给水泵9、高压加热器10、锅炉1加热器a、高压汽轮机2、锅炉1再热器b、中压汽轮机3和低压汽轮机4；
也包括依次相连通的空气压缩机17、空气冷却器16、制冷膨胀机15、气液分离装置18、空气储罐19、升压泵20、燃烧室21、空气膨胀机22；
还包括发电机11、控制阀13、尖峰加热器14和空气发电机23；
高压汽轮机2、中压汽轮机3和低压汽轮机4共同带动发电机11转动，对外输出电能；空气膨胀机22带动空气发电机23转动，对外输出电能。
更为具体的，高压汽轮机2入口与锅炉加热器24出口相连通，高压汽轮机2出口与锅炉再热器25入口相连通，高压汽轮机2的抽汽与高压加热器10热侧工质入口相连通。
中压汽轮机3入口与锅炉再热器25出口相连通，中压汽轮机3的出口设置有三个分支，同时与低压汽轮机4入口、除氧器8入口和控制阀13入口相连通；
低压汽轮机4出口与凝汽器5热侧工质入口相连通，低压汽轮机4的抽汽与低压加热器7热侧工质入口相连通。
低压加热器7热侧工质出口和凝汽器5的热井连通、凝汽器5热侧工质出口和凝结水泵6入口相连通；凝汽器5的冷侧工质入口和空气冷却器16冷侧工质出口连通，空气冷却器16冷侧工质出口和尖峰加热器14的冷侧工质入口连通。
低压加热器7冷侧工质入口与凝结水泵6出口相连通，低压加热器7冷侧工质出口与除氧器8入口相连通；低压加热器7热侧工质入口和低压汽轮机4的抽汽连通，低压加热器7热侧工质出口凝汽器5的热井连通。
高压加热器10热侧工质出口和低压加热器7的冷侧工质出口共同连通至除氧器8的入口；中压汽轮机3的出口作为除氧器8的热源，和除氧器8连通。除氧器8的出口和给水泵9的入口连通，给水泵9出口与高压加热器10冷侧工质入口相连通；
高压加热器10的热侧工质入口和高压汽轮机2的抽汽连通，高压加热器10热侧工质出口与除氧器8入口相连通，高压加热器10冷侧工质出口与锅炉1加热器a入口相连通；
空气压缩机17入口与外部空气源和气液分离装置18气体出口相连通，空气压缩机17出口与空气冷却器16热侧工质入口相连通。发电机11的电力输出端和空气压缩机17连通，驱动空气压缩机17运行工作。
空气冷却器16热侧工质出口与制冷膨胀机15入口相连通，空气冷却器16冷侧工质入口与热网水连通，热网水包括汇流的热网回水和热网补水，空气冷却器16冷侧工质出口与凝汽器5冷侧工质入口相连通；
气液分离装置18入口与制冷膨胀机15出口相连通，气液分离装置18液体出口与空气储罐19入口相连通；
升压泵20入口与空气储罐20出口相连通，升压泵20出口与燃烧室21入口相连通；
燃烧室21补充燃料燃烧后，进入空气膨胀机22做功，带动空气发电机23对外输出电能；
尖峰加热器14冷侧工质入口与凝汽器5冷侧工质出口相连通，尖峰加热器14冷侧工质出口与热网供水相连通，尖峰加热器14热侧工质入口与控制阀13出口相连通，尖峰加热器14热侧工质出口与凝汽器相连通。
本发明通过上述结构，形成了以空气冷却器16作为换热中心的两路能量的交换。具体的运行过程为：
热网回水与热网补水汇集之后首先进入空气冷却器16被压缩空气进行初步加热，同时压缩空气进行降温，热网回水与热网补水然后进入凝汽器5利用低压汽轮机4排汽进行加热，最后根据进入尖峰加热器14利用中压汽轮机3排汽抽汽进行加热，满足供热需求。
机组为抽汽背压机组，压缩空气储能系统储能模式运行时，空气先进入空气压缩机17加压，然后进入空气冷却器16放热，之后进入制冷膨胀机15膨胀至储存压力，最后在气液分离装置18中完成气态空气与液态空气分离，液态空气存储在空气储罐19中，所分离气态空气返回空气压缩机17入口进行重新压缩，完成压缩空气储能系统空气压缩储能过程；
压缩空气储能系统释能发电模式运行时，空气储罐19出口液态空气经升压泵20加压后进入燃烧室21燃烧升温，之后进入空气膨胀机22膨胀做功，驱动空气发电机23发电，完成液态压缩空气储能系统发电释能过程；
热网回水与热网补水首先经过空气冷却器16，当压缩空气储能系统储能模式运行时，可以回收压缩空气的余热，然后进入凝汽器5，利用机组的低压汽轮机4排汽进行加热，最后采用中压汽轮机3排汽抽汽按照热负荷需求进行加热，满足供热需求。
从凝汽器5的热侧工质出口排出的冷凝水首先进入低压加热器7，被低压缸4排出的抽汽加热，冷凝水然后进入除氧器8被除氧后进入高压加热器10，在高压加热器10内被高压缸2的抽汽加热后进入锅炉加热器24被加热。
当机组热负荷稳定、电网需求电负荷波动较大时，可以通过压缩空气储能系统储能模式与释能发电模式调整来满足电网调配电负荷；当热负荷波动而引起机组发电量大于(小于)电网调配电负荷时，也可以通过压缩空气储能系统对汽轮发电机组发电量进行消耗(补充)。机组通过三个阶段的热网水加热，合理利用系统的余热，满足热负荷需求，同时通过压缩空气储能系统储能模式与释能发电模式的调整，满足机组的灵活运行要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耦合压缩空气储能的热电联产系统，其特征在于，包括：空气冷却器(16)，空气冷却器(16)的冷侧工质入口连接有热网水，空气冷却器(16)的冷侧工质出口连接有凝汽器(5)的冷侧工质入口；空气冷却器(16)的热侧工质入口连接有空气压缩机(17)，空气冷却器(16)的热侧工质出口连接有气液分离装置(18)；
所述气液分离装置(18)的气体出口和空气压缩机(17)的入口连通，所述气液分离装置(18)的液体出口连通有空气储罐(19)；所述空气储罐(19)连接有空气发电机(23)；
所述凝汽器(5)的冷侧工质出口连接至尖峰加热器(14)，凝汽器(5)的热侧工质入口连接有机组的汽体出口，凝汽器(5)的热侧工质出口连接有加热器的冷侧入口，所述加热器的冷侧出口连通有锅炉，所述锅炉的汽体出口和机组连通。
2.根据权利要求1所述的一种耦合压缩空气储能的热电联产系统，其特征在于，所述空气冷却器(16)和气液分离装置(18)之间设置有制冷膨胀机(15)。
3.根据权利要求1所述的一种耦合压缩空气储能的热电联产系统，其特征在于，所述空气储罐(19)连接有燃烧室(21)，所述燃烧室(21)连接有空气膨胀机(22)，所述空气膨胀机(22)的动力输出端和空气发电机(23)的动力输入端连接。
4.根据权利要求1所述的一种耦合压缩空气储能的热电联产系统，其特征在于，所述机组包括高压缸(2)、中压缸(3)和低压缸(4)；锅炉(1)中设置有锅炉加热器(24)和锅炉再热器(25)；
锅炉加热器(24)的出口和高压缸(2)的入口连通，高压缸(2)的出口和锅炉再热器(25)的入口连通，锅炉再热器(25)的出口和中压缸(3)的入口连通，中压缸(3)的出口设置有两个分支，一个分支和低压汽轮机(4)的入口连通，一个分支和控制阀(13)的入口连通，所述控制阀(13)的出口和尖峰加热器(14)连通；
所述低压汽轮机(4)的出口和凝汽器(5)的热侧工质入口连通。
5.根据权利要求4所述的一种耦合压缩空气储能的热电联产系统，其特征在于，所述高压缸(2)、中压缸(3)和低压缸(4)设置有同一动力输出端，所述动力输出端连接有发电机(11)，所述发电机(11)和空气压缩机(17)的动力输入端连通。
6.根据权利要求4所述的一种耦合压缩空气储能的热电联产系统，其特征在于，所述加热器包括低压加热器(7)和高压加热器(10)，低压加热器(7)和高压加热器(10)之间设置有除氧器(8)；
所述低压加热器(7)的冷侧工质入口和凝汽器(5)热侧工质出口连通，低压加热器(7)的冷侧工质出口和除氧器(8)的入口连通，低压加热器(7)的热侧工质入口和低压缸(4)的抽汽出口连通，低压加热器(7)的热侧工质出口和凝汽器(5)的热井连通；
所述高压加热器(10)的冷侧工质入口和除氧器(8)的出口连通，高压加热器(10)的冷侧工质出口和锅炉加热器(24)连通；高压加热器(10)的热侧工质入口和高压缸(2)的抽汽出口连通，高压加热器(10)的热侧工质出口和除氧器(8)的入口连通。
7.根据权利要求6所述的一种耦合压缩空气储能的热电联产系统，其特征在于，所述除氧器(8)的入口还和中压汽轮机(3)的出口连通。
8.根据权利要求6所述的一种耦合压缩空气储能的热电联产系统，其特征在于，所述除氧器(8)的出口和高压加热器(10)的冷侧工质入口之间设置有给水泵(9)。
9.根据权利要求1所述的一种耦合压缩空气储能的热电联产系统，其特征在于，所述凝汽器(5)的热侧工质出口和加热器的冷侧入口之间设置有凝结水泵(6)。
10.一种权利要求1所述的耦合压缩空气储能的热电联产系统的运行方法，其特征在于，包括以下运行过程：
热网水进入空气冷却器(16)被压缩空气加热后进入凝汽器(5)被加热，被加热的热网水进入尖峰加热器(14)继续被加热后输出；
当系统为储能模式时，空气在空气压缩机(17)中被压缩，进入空气冷却器(16)放热后进入气液分离装置(18)中被分离成为气态空气和液态空气，液态空气存储在空气储罐(19)中，气态空气返回至空气压缩机(17)中；
当系统为释能模式时，空气储罐(19)中的液态空气通过膨胀做功驱动空气发电机(23)发电。
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