CN115406284A - 一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统及其工作方法，该系统包括锅炉、高压缸、中压缸、低压缸、凝汽器、凝泵、低压加热单元、给水泵、高压加热单元、发电机、熔盐冷罐、低温熔盐泵、蒸汽冷却器、旁路调节阀、熔盐电加热器、熔盐热罐、高温熔盐泵、给水加热器。本发明通过抽汽和用电两种方式降低机组上网电量，能够大容量、长时间、低成本储热，实现机组深度调峰，同时，储存的热能加热锅炉给水，减少高加抽汽，降低机组热耗，具有良好的经济效益。

Description

一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统及其工作方法

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统及其工作方法。

背景技术

为了节能进行节能减排，对煤电机组的灵活性提出更高要求。为进一步提升灵活性和调节能力，促进电力行业清洁低碳转型，需要对煤电机组改造升级。对煤电机组改造升级时，新建机组需要全部实现灵活性制造，存量煤电机组灵活性改造应改尽改。对煤电机组改造升级时，要求纯凝工况调峰能力的一般化要求为最小发电出力达到35％额定负荷，采暖热电机组在供热期运行时要通过热电解耦力争实现单日6h最小发电出力达到40％额定负荷的调峰能力，其他类型机组应采取措施尽量降低最小发电出力。

煤电机组因其基础容量大，在深度调峰时需要存储的能量大、品质高，现有电化学储能、热水罐储能均无法满足煤电机组的深度调峰要求，而熔盐储热因其容量大、热能品位高等优点，适用于煤电机组的深度调峰。熔盐储热是一种熔融体无机盐显热储热，利用熔盐温度的改变来储存热量，通常采用双罐熔盐储热系统。熔盐储热多应用于太阳能热电站，鲜有应用于大型煤电机组的熔盐储热调峰系统。

煤电机组普遍采用滑压运行方式，在低负荷工况下，主蒸汽(热再蒸汽)压力低，蒸汽凝结温度低。例如，某超超临界机组在THA工况下，主蒸汽压力为25.2MPa，热再蒸汽压力为5.4MPa，而在40％THA工况下，主蒸汽压力降低至10MPa，热再蒸汽压力降低至2.2MPa，对应的蒸汽凝结温度分别为311℃和217℃；某亚临界机组在THA工况下，主蒸汽压力为16.7MPa，热再蒸汽压力为3.3MPa，而在40％THA工况下，主蒸汽压力降低至8.6MPa，热再蒸汽压力降低至1.3MPa，对应的蒸汽凝结温度分别为300℃和192℃。蒸汽蕴含的热量中，显热占比约30％，潜热占比达70％。如果要存储蒸汽潜热，则蒸汽冷凝器的热熔盐出口温度须低于对应蒸汽压力的凝结温度，同时，蒸汽冷凝器的冷熔盐进口温度须高于熔盐的凝点温度加40℃左右的安全裕度。因此，熔盐储热系统在储存蒸汽潜热时，熔盐的温升基本为180℃至300℃，而较大的潜热量导致熔盐小时流量大，同时叠加煤电机组长时间调峰，致使熔盐总量巨大，工程投资高，可实现性低。煤电机组熔盐储热仅能储存蒸汽显热，致使储热比例低、调峰能力受限。此外，煤电机组在低负荷工况下，过热器和再热器存在管壁超温风险，主蒸汽抽汽量受到严格限制。而如果抽取过多热再蒸汽，则会导致汽轮机组轴向推力改变，同样限制热再蒸汽的抽汽量。在汽电耦合加热熔盐的过程中，热熔盐最终温度同时受蒸汽加热和电加热影响，造成热熔盐最终温度不稳定，从而造成热熔盐储罐温度波动，对其安全性不利。

综上，煤电机组熔盐储热技术的调峰能力受到蒸汽温度、熔盐温度和抽汽量的限制，调峰能力有限，无法实现深度调峰。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统及其工作方法，该系统能够大容量、长时间、低成本储热，实现机组深度调峰，同时，储存的热能加热锅炉给水，减少高加抽汽，降低机组热耗，具有良好的经济效益。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统，包括火电机组、熔盐储热放热系统、蒸汽冷凝器和热网水加热器；

熔盐储热放热系统包括熔盐冷罐、蒸汽冷却器、熔盐热罐和给水加热器，熔盐冷罐的出口设有低温熔盐泵，低温熔盐泵的出口与蒸汽冷却器的冷进口连接，蒸汽冷却器的冷出口与熔盐热罐的入口连接，熔盐热罐的出口设有高温熔盐泵，高温熔盐泵的出口与给水加热器的热进口连接，给水加热器的热出口与熔盐冷罐的入口连接；蒸汽冷却器的冷出口与熔盐热罐的入口连接的管路上设有熔盐电加热器，蒸汽冷却器的冷进口和冷出口之间连接有旁路熔盐管，所述旁路熔盐管上设有旁路调节阀；蒸汽冷却器的热进口与火电机组中的蒸汽出口连接；给水加热器的冷进口和冷出口分别与火电机组的高压加热单元的进口和出口连通；熔盐电加热器的电源输入端与火电机组的发电机连接；

蒸汽冷凝器的冷进口和冷出口分别与火电机组的低压加热单元的进口和出口连通，蒸汽冷却器的热出口分为两路，其中，一路与热网水加热器的热进口连接，另一路与蒸汽冷凝器的热进口连接，蒸汽冷凝器的热出口和热网水加热器的热出口均与火电机组的凝结水和/或热网水的管路连接。

优选的，蒸汽冷却器的冷出口设有第一温度测量装置，第一温度测量装置与一号控制器连接，一号控制器与低温熔盐泵连接。

优选的，蒸汽冷却器的冷出口与熔盐热罐的入口连接的管路上在熔盐电加热器的下游设有第二温度测量装置，第二温度测量装置与二号控制器连接，二号控制器与熔盐电加热器连接。

优选的，二号控制器采用功率调节装置，二号控制器设置在熔盐电加热器的电源输入端与发电机连接的线路上。

优选的，蒸汽冷却器的热进口与锅炉的蒸汽出口和/或锅炉的热再蒸汽出口连接。

优选的，火电机组的低压加热单元由一级或多级低压加热器串联组成，低压加热单元与蒸汽冷凝器的管道连接点位于任意低压加热器的进口或出口，单点或多点取水，取水管路设置调节阀；高压加热单元由一级或多级高压加热器串联组成，高压加热单元与给水加热器的管道连接点位于任意高压加热器的进口或出口，单点或多点取水，取水管路设置调节阀。

优选的，蒸汽冷凝器的热出口和热网水加热器的热出口与火电机组的凝汽器、除氧器、高压加热单元的级间疏水管道或低压加热单元的级间疏水管道连接。

优选的，所述火电机组包括锅炉、高压缸、中压缸、低压缸、凝汽器、凝泵、低压加热单元、除氧器、给水泵、高压加热单元和发电机；锅炉的蒸汽出口通过管道与高压缸进口连通，高压缸出口通过管道与锅炉再热蒸汽进口连通，锅炉再热蒸汽出口通过管道与中压缸进口连通，中压缸、低压缸和凝汽器依次通过管道连通，凝汽器出口、凝泵、低压加热单元、除氧器、给水泵和高压加热单元通过管道依次连接，高压加热单元出口通过管道与锅炉给水进口连通；高压缸、中压缸和低压缸主轴和发电机连接。

本发明如上所述的火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统的工作方法，包括如下过程：

机组调峰时，火电机组向蒸汽冷却器提供蒸汽，火电机组向蒸汽冷凝器供水，开启低温熔盐泵和熔盐电加热器，通过蒸汽冷却器和熔盐电加热器将低温熔盐泵从熔盐冷罐中抽出的冷熔盐进行加热，吸热后的冷熔盐变为热熔盐并储存于熔盐热罐；通过旁路调节阀控制蒸汽冷却器的旁路熔盐流量，用来控制调峰深度；

机组非调峰时，开启高温熔盐泵，高温熔盐泵将熔盐热罐中的热熔盐输送至给水加热器进行换热，高压加热单元入口的一部分水经给水加热器加热后再流至高压加热单元的出口，经水加热器换热后的熔盐流回熔盐冷罐；

其他工况：将熔盐储热放热系统以及热网水加热器与火电机组隔离，火电机组正常运行。

优选的，熔盐电加热器对熔盐的加热温度不高于熔盐的最高使用温度；通过控制低温熔盐泵的转速，使蒸汽冷却器的出口蒸汽温度的设定值不低于设定值对应压力下饱和温度加5℃以上裕量。

本发明具有如下有益效果：

本发明火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统利用熔盐同时储存蒸汽热能和电能，实现火电机组深度调峰，提高火电机组的灵活性，通过蒸汽冷却器将蒸汽显热存储于熔盐，通过蒸汽冷凝器或者热网水加热器利用蒸汽潜热加热凝结水或热网水，能够大幅减少储热过程的熔盐量；通过熔盐电加热器利用机组自发电加热熔盐，减少机组上网电量，提高系统调峰能力；高压加热单元入口的一部分水经给水加热器加热后再流至高压加热单元的出口，这样能够通过给水加热器将熔盐存储的热量用于加热火电机组的锅炉给水、减少高压加热器抽汽，降低火电机组热耗；通过热熔盐温度测点控制熔盐电加热器耗功，通过冷熔盐泵控制蒸汽出口温度，实现热熔盐罐温度稳定，保障其安全性。综上，本发明抽取机组主蒸汽或热再蒸汽，蒸汽显热存储于熔盐，蒸汽潜热则加热凝结水或热网水，发电用蒸汽量减少，机组发电量降低；在此基础上，系统通过熔盐电加热系统，利用机组自发电加热熔盐，减少机组上网电量，提高系统的调峰能力。该系统能够大容量、高品质储热，实现机组深度调峰，系统熔盐流量为百吨级，大幅降低工程投资，具有可实现性，同时，储存的热能加热锅炉给水，减少高加抽汽，降低机组热耗，具有良好的经济效益。

附图说明

图1为本发明火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统的结构示意图。

图中，1为锅炉，2为高压缸，3为中压缸，4为低压缸，5为凝汽器，6为凝泵，7为低压加热单元，8为除氧器，9为给水泵，10为高压加热单元，11为发电机，12为熔盐冷罐，13为低温熔盐泵，14为蒸汽冷凝装置，15为旁路调节阀，16为熔盐电加热器，17为熔盐热罐，18为高温熔盐泵，19为给水加热器，20为蒸汽冷凝器，21为热网水加热器，22为一号控制器，23为二号控制器，24为功率调节装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统包括锅炉1、高压缸2、中压缸3、低压缸4、凝汽器5、凝泵6、低压加热单元7、除氧器8、给水泵9、高压加热单元10、发电机11；还包括熔盐冷罐12、低温熔盐泵13、蒸汽冷却器14、旁路调节阀15、熔盐电加热器16、熔盐热罐17、高温熔盐泵18、给水加热器19、蒸汽冷凝器20、热网水加热器21；还包括一号控制器22、二号控制器23和功率调节装置24。

锅炉1的蒸汽出口通过管道与高压缸2进口连通，高压缸2出口通过管道与锅炉1再热蒸汽进口连通，锅炉1再热蒸汽出口通过管道与中压缸3进口连通，中压缸3、低压缸4和凝汽器5依次通过管道连通，凝汽器5出口、凝泵6、低压加热单元7、除氧器8、给水泵9和高压加热单元10依次通过管道连通，高压加热单元10出口通过管道与锅炉1给水进口连通；高压缸2、中压缸3和低压缸4主轴和发电机11连接；低压加热单元7由一级或多级低压加热器串联组成，其与蒸汽冷凝器20的管道连接点位于任意低压加热器的进口或出口，单点或多点取水，取水管路设置调节阀，取水温度和流量可调；高压加热单元10由一级或多级高压加热器串联组成，其与给水加热器19的管道连接点位于任意高压加热器的进口或出口，单点或多点取水，取水管路设置调节阀，取水温度和流量可调。

熔盐冷罐12、低温熔盐泵13、蒸汽冷却器14、熔盐电加热器16、熔盐热罐17、高温熔盐泵18和给水加热器19的熔盐侧通过熔盐管道依次连通，形成闭式循环，其中，蒸汽冷却器14熔盐侧(吸热侧)进出口之间设置旁路，该旁路上设有旁路调节阀15；熔盐电加热器16出口熔盐管道设置温度测量装置；

蒸汽冷却器14蒸汽侧(放热侧)进口通过管道与锅炉1的蒸汽出口连通，蒸汽冷却器14的取汽点位于锅炉1的蒸汽出口或锅炉1的热再蒸汽出口，蒸汽侧(放热侧)出口分为两路，即通过管道分别与蒸汽冷凝器20蒸汽进口和热网水加热器21蒸汽进口连通，蒸汽冷却器14蒸汽侧的出口母管上设置温度测量装置；蒸汽冷凝器20冷凝水出口和热网水加热器21冷凝水出口通过管道汇总后与凝汽器5或除氧器8或高压加热单元10的级间疏水管道或低压加热单元7的级间疏水管道连通；热网水加热器21的热网水进出口设置热网进回水管路；蒸汽冷凝器20凝结水进口通过管道与低压加热单元7进口连通，蒸汽冷凝器20凝结水出口通过管道与低压加热单元7出口连通。给水加热器19水侧(吸热侧)进口通过管道与高压加热单元10进口连通，给水加热器19水侧出口通过管道与高压加热单元10出口连通。

熔盐电加热器16接线端、功率调节装置24和发电机11通过电缆连接。熔盐电加热器16采用火电机组自发电能经变压器调压后加热熔盐，熔盐电加热器16出口温度通过二号控制器23控制，熔盐电加热器16出口温度设定值不高于所使用熔盐最高使用温度。

本发明的火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统中，蒸汽的显热通过蒸汽冷却器14储存于熔盐中，蒸汽的潜热通过蒸汽冷凝器20储存于凝结水中或者通过热网水加热器21加热热网水。低温熔盐泵13的转速与蒸汽冷却器14的出口蒸汽温度通过一号控制器22关联，蒸汽冷却器14的出口蒸汽温度设定值不低于对应压力下饱和温度加5℃以上裕量。

上述方案中，锅炉1是产生蒸汽的装置，如燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、生物质锅炉、余热锅炉或电极锅炉。

如图1所示，本发明火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统的工作方法包括如下过程：

机组调峰时，开启蒸汽冷却器14的进出口蒸汽管道，开启蒸汽冷凝器20、热网水加热器21的进出口水管道及蒸汽冷凝器20与热网水加热器21的凝结水汇总管道，开启低温熔盐泵13和熔盐电加热器16，蒸汽显热热能和电能转化为熔盐热能，蒸汽潜热热能转化为凝结水显热或热网水显热；机组用于发电的蒸汽量减少，发电功率降低，同时，机组生产电能通过熔盐电加热器16加热熔盐，进一步降低机组上网电量，实现机组深度调峰；熔盐电加热器16的消耗电功率由二号控制器23控制，设定值不高于使用熔盐的最高使用温度；低温熔盐泵13的转速与蒸汽冷却器14的出口蒸汽温度通过一号控制器22控制，设定值不低于对应压力下饱和温度加5℃以上裕量。旁路调节阀15控制蒸汽冷却器14的旁路熔盐流量，实现系统整体调峰深度的控制。

机组非调峰时，开启高温熔盐泵18，熔盐由熔盐热罐17经给水加热器19流向熔盐冷罐12，开启给水加热器19进出口给水管道；熔盐显热转化为给水显热，在锅炉蒸发量不变的情况下，减少高压加热单元10的抽汽量，增加发电蒸汽量，降低机组热耗。

其他工况，关闭储热调峰系统管道及设备，保持伴热系统开启，储热调峰系统与火电机组隔离，火电机组正常运行。

综上可以看出，本发明抽取机组主蒸汽或热再蒸汽，蒸汽显热存储于熔盐，蒸汽潜热则加热凝结水或热网水，发电用蒸汽量减少，机组发电量降低；在此基础上，系统通过熔盐电加热系统，利用机组自发电加热熔盐，进一步提高热熔盐温度，降低熔盐用量，大幅减少机组上网电量，提高系统的调峰能力；通过热熔盐温度测点控制熔盐电加热器耗功，通过冷熔盐泵控制蒸汽出口温度，实现热熔盐罐温度稳定，保障其安全性。该系统能够大容量、长时间、低成本储热，实现机组深度调峰，系统熔盐流量为百吨级，大幅降低工程投资，具有可实现性，同时，储存的热能加热锅炉给水，减少高加抽汽，降低机组热耗，具有良好的经济效益。

Claims (10)

1.一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统，其特征在于，包括火电机组、熔盐储热放热系统、蒸汽冷凝器(20)和热网水加热器(21)；

熔盐储热放热系统包括熔盐冷罐(12)、蒸汽冷却器(14)、熔盐热罐(17)和给水加热器(19)，熔盐冷罐(12)的出口设有低温熔盐泵(13)，低温熔盐泵(13)的出口与蒸汽冷却器(14)的冷进口连接，蒸汽冷却器(14)的冷出口与熔盐热罐(17)的入口连接，熔盐热罐(17)的出口设有高温熔盐泵(18)，高温熔盐泵(18)的出口与给水加热器(19)的热进口连接，给水加热器(19)的热出口与熔盐冷罐(12)的入口连接；蒸汽冷却器(14)的冷出口与熔盐热罐(17)的入口连接的管路上设有熔盐电加热器(16)，蒸汽冷却器(14)的冷进口和冷出口之间连接有旁路熔盐管，所述旁路熔盐管上设有旁路调节阀(15)；蒸汽冷却器(14)的热进口与火电机组中的蒸汽出口连接；给水加热器(19)的冷进口和冷出口分别与火电机组的高压加热单元(10)的进口和出口连通；熔盐电加热器(16)的电源输入端与火电机组的发电机(11)连接；

蒸汽冷凝器(20)的冷进口和冷出口分别与火电机组的低压加热单元(7)的进口和出口连通，蒸汽冷却器(14)的热出口分为两路，其中，一路与热网水加热器(21)的热进口连接，另一路与蒸汽冷凝器(20)的热进口连接，蒸汽冷凝器(20)的热出口和热网水加热器(21)的热出口均与火电机组的凝结水和/或热网水的管路连接。

2.根据权利要求1所述的一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统，其特征在于，蒸汽冷却器(14)的冷出口设有第一温度测量装置，第一温度测量装置与一号控制器(22)连接，一号控制器(22)与低温熔盐泵(13)连接。

3.根据权利要求1所述的一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统，其特征在于，蒸汽冷却器(14)的冷出口与熔盐热罐(17)的入口连接的管路上在熔盐电加热器(16)的下游设有第二温度测量装置，第二温度测量装置与二号控制器(23)连接，二号控制器(23)与熔盐电加热器(16)连接。

4.根据权利要求3所述的一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统，其特征在于，二号控制器(23)采用功率调节装置(24)，二号控制器(23)设置在熔盐电加热器(16)的电源输入端与发电机(11)连接的线路上。

5.根据权利要求1所述的一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统，其特征在于，蒸汽冷却器(14)的热进口与锅炉(1)的蒸汽出口和/或锅炉(1)的热再蒸汽出口连接。

6.根据权利要求1所述的一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统，其特征在于，火电机组的低压加热单元(7)由一级或多级低压加热器串联组成，低压加热单元(7)与蒸汽冷凝器(20)的管道连接点位于任意低压加热器的进口或出口，单点或多点取水，取水管路设置调节阀；高压加热单元(10)由一级或多级高压加热器串联组成，高压加热单元(10)与给水加热器(19)的管道连接点位于任意高压加热器的进口或出口，单点或多点取水，取水管路设置调节阀。

7.根据权利要求6所述的一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统，其特征在于，蒸汽冷凝器(20)的热出口和热网水加热器(21)的热出口与火电机组的凝汽器(5)、除氧器(8)、高压加热单元(10)的级间疏水管道或低压加热单元(7)的级间疏水管道连接。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统，其特征在于，所述火电机组包括锅炉(1)、高压缸(2)、中压缸(3)、低压缸(4)、凝汽器(5)、凝泵(6)、低压加热单元(7)、除氧器(8)、给水泵(9)、高压加热单元(10)和发电机(11)；锅炉(1)的蒸汽出口通过管道与高压缸(2)进口连通，高压缸(2)出口通过管道与锅炉(1)再热蒸汽进口连通，锅炉(1)再热蒸汽出口通过管道与中压缸(3)进口连通，中压缸(3)、低压缸(4)和凝汽器(5)依次通过管道连通，凝汽器(5)出口、凝泵(6)、低压加热单元(7)、除氧器(8)、给水泵(9)和高压加热单元(10)通过管道依次连接，高压加热单元(10)出口通过管道与锅炉(1)给水进口连通；高压缸(2)、中压缸(3)和低压缸(4)主轴和发电机(11)连接。

9.权利要求1-8任意一项所述的火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统的工作方法，其特征在于，包括如下过程：

机组调峰时，火电机组向蒸汽冷却器(14)提供蒸汽，火电机组向蒸汽冷凝器(20)供水，开启低温熔盐泵(13)和熔盐电加热器(16)，通过蒸汽冷却器(14)和熔盐电加热器(16)将低温熔盐泵(13)从熔盐冷罐(12)中抽出的冷熔盐进行加热，吸热后的冷熔盐变为热熔盐并储存于熔盐热罐(17)；通过旁路调节阀(15)控制蒸汽冷却器(14)的旁路熔盐流量，用来控制调峰深度；

机组非调峰时，开启高温熔盐泵(18)，高温熔盐泵(18)将熔盐热罐(17)中的热熔盐输送至给水加热器(19)进行换热，高压加热单元(10)入口的一部分水经给水加热器(19)加热后再流至高压加热单元(10)的出口，经水加热器(19)换热后的熔盐流回熔盐冷罐(12)；

其他工况：将熔盐储热放热系统以及热网水加热器(21)与火电机组隔离，火电机组正常运行。

10.根据权利要求9所述的火电机组汽电耦合熔盐储热调峰系统的工作方法，其特征在于，熔盐电加热器(16)对熔盐的加热温度不高于熔盐的最高使用温度；通过控制低温熔盐泵(13)的转速，使蒸汽冷却器(14)的出口蒸汽温度的设定值不低于设定值对应压力下饱和温度加5℃以上裕量。

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