CN115680882A - 一种基于燃气轮机的储热系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于燃气轮机的储热系统及工作方法，该储热系统包括设置在低温熔盐储罐和高温熔盐储罐之间的第一熔盐储热通路、第二熔盐储热通路和第一熔盐放热通路，第一熔盐储热通路上设置第一换热器，其冷侧两端分别连接低温熔盐储罐和高温熔盐储罐；第二熔盐储热通路上设置用于加热低温熔盐的电加热件；第一熔盐放热通路上设置第二换热器，用于通过高温熔盐后对其冷侧的给水换热进行供汽。本发明通过将燃气轮机工作时产生的高温烟气的可用热量全部存入熔盐储热系统，可实现燃气轮机间断工作时，满足连续供蒸汽的需要，相比天然气锅炉，本发明通过燃气轮机先发电，余热供蒸汽，有效降低了蒸汽的生产成本。

Description

一种基于燃气轮机的储热系统及工作方法

技术领域

本发明涉及储热技术领域，尤其涉及一种基于燃气轮机的储热系统及工作方法。

背景技术

近年来，电力系统中光伏、风电等新能源发电的装机容量占比逐年提高，但光伏、风电存在波动性和间歇性的问题，影响电力系统的稳定运行。燃气轮机发电具有启停速度快、升降负荷率高的优势，在电力系统中可承担调峰、调频的作用。针对有供热需求的燃气-蒸汽联合循环发电系统，由于燃气轮机参与调峰、调频和频繁启停，不能保证供热的稳定性。

为减少污染和碳排放，各地关闭了大量小型燃煤锅炉，实施“煤改气”改造。如造纸、化工等需要工业蒸汽的工厂，采用天然气锅炉生产蒸汽，一方面增加了蒸汽成本，另一方面未能充分利用天然气的高品位热能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种基于燃气轮机的储热系统及工作方法。本发明的基于燃气轮机的储热系统通过热电联产生产工业蒸汽，降低了用能成本，解决了燃气轮机参与调峰、调频时不能稳定供热的问题。

一方面，本发明提出了一种基于燃气轮机的储热系统，包括：

设置在低温熔盐储罐和高温熔盐储罐之间的第一熔盐储热通路、第二熔盐储热通路和第一熔盐放热通路；

其中所述第一熔盐储热通路上设置第一换热器，其冷侧两端分别连接所述低温熔盐储罐和所述高温熔盐储罐；所述第一换热器的热侧通入高温烟气对其冷侧的低温熔盐换热；

所述第二熔盐储热通路上设置电加热件，用于加热所述低温熔盐储罐中的低温熔盐；

所述第一熔盐放热通路上设置第二换热器，所述第二换热器的热侧两端分别连接所述高温熔盐储罐和所述低温熔盐储罐，利用高温熔盐对所述第二换热器冷侧的给水换热进行供汽。

在一些实施例中，还包括氮气供应件，所述氮气供应件分别与所述高温熔盐储罐和所述低温熔盐储罐连接，用于充入氮气。

在一些实施例中，所述氮气供应件还包括第一气体联通管，所述第一气体联通管用于联通所述高温熔盐储罐和所述低温熔盐储罐实现二者之间内部的气体流通。

在一些实施例中，所述第一熔盐储热通路上还设置有熔盐缓冲罐，在熔盐流动方向上，所述熔盐缓冲罐设置在所述第一换热器上游。

在一些实施例中，所述熔盐缓冲罐连接所述氮气供应件，所述氮气供应件向所述熔盐缓冲罐内充入氮气。

在一些实施例中，所述氮气供应件包括第二气体联通管，所述第二气体联通管一端与所述熔盐缓冲罐连接，另一端与所述第一气体联通管连通。

在一些实施例中，所述高温烟气选自燃气轮机发电过程中的排气。

在一些实施例中，所述熔盐缓冲罐的布置位置高于所述第一换热器。

在一些实施例中，所述第一换热器为管壳式结构，所述高温烟气在所述管壳式结构的壳侧由下往上流动，熔盐在所述管壳式结构的管侧由上往下流动。

另一方面，本发明提出了一种基于燃气轮机的储热系统的工作方法，包括以下步骤：

第一熔盐储热通路开始储热时，低温熔盐储罐中的低温熔盐进入第一换热器中与高温烟气换热，低温熔盐经高温烟气加热后成为高温熔盐，之后进入高温熔盐储罐存储；

第二熔盐通路开始储热时，低温熔盐储罐中的低温熔盐进入电加热件，低温熔盐经所述电加热件加热后成为高温熔盐，之后进入高温熔盐储罐存储；

第一熔盐放热通路对外供汽时，高温熔盐储罐中的高温熔盐进入第二换热器，加热给水使其成为蒸汽或过热蒸汽对外供应，放热后的高温熔盐成为低温熔盐，之后进入低温熔盐储罐存储。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明通过将燃气轮机工作时产生的高温烟气的可用热量全部存入熔盐储热系统，可实现燃气轮机间断工作时，满足连续供蒸汽的需要，相比天然气锅炉，本发明通过燃气轮机先发电，余热供蒸汽，有效降低了蒸汽的生产成本。

本发明通过配置电加热件，在低电价或有调峰需求的时间段通过电加热件加热熔盐，在实现了低成本储能的同时，还可参与调峰服务，提高电网的灵活性。

本发明在蒸汽负荷变化时，只需调节熔盐蒸汽发生器的蒸发量，无需调节燃气轮机的工作状态，可使燃气轮机工作在发电效率较高的区间，提高了系统效率。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一实施例的储热系统的结构示意图；

图2为本发明另一实施例的储热系统的结构示意图；

图3为本发明另一实施例的储热系统的结构示意图；

附图标记说明：

燃气轮机发电系统1、第一换热器2、熔盐缓冲罐3、低温熔盐储罐4、高温熔盐储罐5、低温熔盐泵6、高温熔盐泵7、第一阀门8、第二阀门9、第三阀门10、第四阀门11、电加热件12、第二换热器13、给水入口14、蒸汽出口15、第一气体联通管16、第二气体联通管17。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于燃气轮机的储热系统。

如图1所示，本发明的基于燃气轮机的储热系统，包括第一熔盐储热通路、第二熔盐储热通路和第一熔盐放热通路，第一熔盐储热通路、第二熔盐储热通路和第一熔盐放热通路均设置在低温熔盐储罐4和高温熔盐储罐5之间。

第一熔盐储热通路上设置第一换热器2，其冷侧两端分别连接低温熔盐储罐4和高温熔盐储罐5；第一换热器2的热侧通入高温烟气对其冷侧的低温熔盐换热。

具体为，第一换热器2设置在第一熔盐储热通路上，第一换热器2具有冷侧和热侧，其中，第一换热器2冷侧的入口端连接低温熔盐储罐4，第一换热器2冷侧的出口端连接高温熔盐储罐5，高温烟气从第一换热器2的热侧入口通入，在第一换热器2中热侧的高温烟气对其冷侧的低温熔盐加热，加热后的低温熔盐存储在高温熔盐储罐5中，换热后的高温烟气经第一换热器2的热侧出口排出。

参阅图1，在具体工作过程中，沿熔盐流动方向，在第一熔盐储热通路上依次设置低温熔盐泵6、第一阀门8、第一换热器2和第三阀门10，低温熔盐泵6设置在低温熔盐储罐4的底部出口管线上，低温熔盐泵6将低温熔盐储罐4中的低温熔盐经第一阀门8泵入第一换热器2的冷侧入口，低温熔盐在第一换热器2中与热侧的高温烟气换热后从第一换热器2的冷侧出口流出，经第三阀门10流入高温熔盐储罐5存储。

在一些实施例中，第一换热器2为管壳式结构，高温烟气在管壳式结构的壳侧由下往上流动，熔盐在管壳式结构的管侧由上往下流动。

具体为，高温烟气与低温熔盐在管壳式结构中换热，高温烟气在壳侧由下往上流动，熔盐在管壳式结构的管侧由上往下流动，高温烟气的流动方向与熔盐的流动方向相反，从而能够更好地换热，提高换热效率。

第二熔盐储热通路上设置电加热件12，用于加热低温熔盐储罐4中的低温熔盐。第一熔盐储热通路与第二熔盐储热通路为两个独立的储热通路，在第一熔盐储热通路中利用高温烟气加热低温熔盐，在第二熔盐储热通路中利用电能加热低温熔盐，低温熔盐储罐4中的低温熔盐经电加热件12加热后存储在高温熔盐储罐5中。可以理解的是，当蒸汽需求量增大，单靠第一熔盐储热通路产生的高温熔盐不能满足需求时，将第一熔盐储热通路和第二熔盐储热通路同时投入工作以增大高温熔盐产量，满足第二换热器13的需求。

第一熔盐储热通路和第二熔盐储热通路均是将低温熔盐储罐4中的低温熔盐加热后存储在高温熔盐储罐5中，二者可以共用设置在低温熔盐储罐4底部出口管线上的低温熔盐泵6。在具体工作过程中，沿熔盐流动方向，在第二熔盐储热通路上依次设置低温熔盐泵6、第二阀门9、电加热件12和第四阀门11。在低电价或有调峰需求的时间段时，开启电加热件12，低温熔盐在电加热件12中被加热成为高温熔盐，高温熔盐经第四阀门11进入高温熔盐储罐5。可以理解的是，低电价时段利用电加热件12将低温熔盐加热为高温熔盐实现低成本储能；在有调峰需求时间段，利用电加热件12加热低温熔盐可以保持高温熔盐的需求。

第一熔盐放热通路上设置第二换热器13，第二换热器13的热侧两端分别连接高温熔盐储罐5和低温熔盐储罐4，利用高温熔盐对第二换热器13冷侧的给水换热进行供汽。

具体为，第二换热器13设置在第一熔盐放热通路上，第二换热器13具有冷侧和热侧，其中，第二换热器13热侧的入口端连接高温熔盐储罐5，第二换热器13热侧的出口端连接低温熔盐储罐4，高温熔盐储罐5中的高温熔盐从第二换热器13的热侧入口进入第二换热器13，在第二换热器13中热侧的高温熔盐对其冷侧的给水加热，给水经高温熔盐加热后产生蒸汽或过热蒸汽以供使用，换热后的高温熔盐从第二换热器13的热侧出口流出后存储在低温熔盐储罐4中。

在第一熔盐放热通路上设置高温熔盐泵7，高温熔盐泵7设置在高温熔盐储罐5的底部出口管线上，高温熔盐泵7将高温熔盐储罐5中的高温熔盐泵入第二换热器13的热侧入口端加热给水。

给水经第二换热器13的冷侧入口进入第二换热器13，加热给水产生的蒸汽经第二换热器13的冷侧出口排出，其中，第二换热器13的冷侧入口和冷侧出口分别对应给水入口14和蒸汽出口15，给水入口14设置在第二换热器13下部，蒸汽出口15设置在给水入口14上方。高温熔盐泵7将高温熔盐泵入第二换热器13的热侧入口，在第二换热器13中，高温熔盐与从给水入口14进入第二换热器13的给水换热。给水吸收高温熔盐的热量后产生蒸汽或过热蒸汽，蒸汽或过热蒸汽从蒸汽出口15排出以供使用，高温熔盐换热后成为低温熔盐，低温熔盐进入低温熔盐储罐4储存起来。可以理解的是，根据需要使给水在第二换热器13中吸热后产生蒸汽或过热蒸汽。

本发明的第二换热器13用于加热给水产生蒸汽，即第二换热器13为本发明的蒸汽发生器。

在一些实施例中，储热系统还包括氮气供应件，氮气供应件分别与高温熔盐储罐5和低温熔盐储罐4连接，用于充入氮气。可以理解的是，当高温熔盐储罐5或低温熔盐储罐4中的液位下降时，熔盐储罐内产生负压，存在熔盐储罐被压瘪的风险。利用氮气供应件及时向熔盐储罐中供应氮气，避免熔盐储罐出现负压。另外，当熔盐储罐中的液位上升出现正压时，可以通过熔盐储罐上的开口与大气联通，排出部分气体，从而维持熔盐储罐中的气压与大气压一致。

在一些实施例中，氮气供应件包括第一气体联通管16，第一气体联通管16用于联通高温熔盐储罐5和低温熔盐储罐4实现二者之间内部的气体流通。

具体为，第一气体联通管16为一进多出的管道结构，第一气体联通管16的进气端连接氮气供应件，第一气体联通管16的出气端分别连接高温熔盐储罐5和低温熔盐储罐4，使得氮气在高温熔盐储罐5和低温熔盐储罐4间循环使用，维持气压，可以减少氮气的消耗，降低成本。

在一些实施例中，第一熔盐储热通路上设置有熔盐缓冲罐3，在熔盐流动方向上，熔盐缓冲罐3设置在第一换热器2上游。

具体为，参阅图2，熔盐缓冲罐3的出口端连接第一换热器2的冷侧入口，低温熔盐泵6将低温熔盐储罐4中的低温熔盐经第一阀门8泵入熔盐缓冲罐3，熔盐缓冲罐3中的低温熔盐流入第一换热器2从而使得低温熔盐与高温烟气进行换热。

在一些实施例中，熔盐缓冲罐3连接氮气供应件，氮气供应件向熔盐缓冲罐3内充入氮气。当熔盐缓冲罐3中液位下降时，氮气供应件及时为熔盐缓冲罐3提供氮气，避免出现负压。

在一些实施例中，氮气供应件包括第二气体联通管17，第二气体联通管17一端与熔盐缓冲罐3连接，另一端与第一气体联通管16连通，实现高温熔盐储罐5、低温熔盐储罐4和熔盐缓冲罐3之间气体流通。

具体为，当储热系统中存在熔盐缓冲罐3时，第二气体联通管17的两端分别连接熔盐缓冲罐3和第一气体联通管16，通过第二气体联通管17将高温熔盐储罐5、低温熔盐储罐4和熔盐缓冲罐3之间联通，使得氮气在三者之间循环使用，维持气压，可以减少氮气的消耗，降低成本。

在一些实施例中，熔盐缓冲罐3的布置位置高于第一换热器2。具体为，当熔盐缓冲罐3的布置位置高于第一换热器2时，熔盐缓冲罐3中的低温熔盐能够在重力的作用下进入第一换热器2，当低温熔盐泵6产生故障时，熔盐缓冲罐3中的低温熔盐能够持续一段时间，防止第一换热器2过热。

在一些实施例中，高温烟气选自燃气轮机的发电过程中的排气。参阅图3，燃气轮机发电系统1利用天然气为原料进行发电，燃气轮机发电系统1的发电过程产生高温烟气。燃气轮机发电系统1工作时排出的高温烟气具有较高的热量，通过第一换热器2将高温烟气的热量回收利用。本发明的储热系统将高温烟气的热量储存在高温熔盐中，当需要蒸汽时，利用高温熔盐在第二换热器13中加热给水产生蒸汽，实现了发电与烟气余热利用在时间上和蒸汽产量上的解耦。

基于燃气轮机的储热系统的工作方法，包括以下步骤：

第一熔盐储热通路开始储热时，低温熔盐储罐中4的低温熔盐进入第一换热器2中与高温烟气换热，低温熔盐经高温烟气加热后成为高温熔盐，之后进入高温熔盐储罐存储5；

第二熔盐通路开始储热时，低温熔盐储罐4中的低温熔盐进入电加热件12，低温熔盐经电加热件12加热后成为高温熔盐，之后进入高温熔盐储罐5存储；

第一熔盐放热通路对外供汽时，高温熔盐储罐5中的高温熔盐进入第二换热器13，加热给水使其成为蒸汽或过热蒸汽对外供应，放热后的高温熔盐成为低温熔盐，之后进入低温熔盐储罐存储4。

以图3为例，说明本发明的工作流程：

燃气轮机发电系统1的发电过程产生高温烟气，第一熔盐储热通路进行储热过程，开启第一阀门8和第三阀门10，关闭第二阀门9和第四阀门11，低温熔盐泵6将低温熔盐储罐4中的低温熔盐泵入熔盐缓冲罐3，在第一换热器2中与高温烟气换热，低温熔盐经高温烟气加热后产生高温熔盐并进入高温熔盐储罐5储存，完成储热。

在低电价或有调峰需求的时间段，第二熔盐储热通路进行储热过程，打开第二阀门9和第四阀门11，低温熔盐泵6出口的部分或全部低温熔盐经电加热件12加热后进入高温熔盐储罐5，完成储热。

在需要蒸汽时，第一熔盐放热通路进行对外供汽过程，高温熔盐泵7将高温熔盐储罐5中的高温熔盐泵入第二换热器13，高温熔盐在第二换热器13中与给水换热降温后进入低温熔盐储罐4存储，给水吸收高温熔盐的热量产生蒸汽或过热蒸汽以供使用。

另外，当蒸汽需求量增大，单靠第一熔盐储热通路产生的高温熔盐不能满足需求时，将第一熔盐储热通路和第二熔盐储热通路同时进行储热过程以增大高温熔盐产量，满足供汽需求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于燃气轮机的储热系统，其特征在于，包括：

设置在低温熔盐储罐和高温熔盐储罐之间的第一熔盐储热通路、第二熔盐储热通路和第一熔盐放热通路；

其中所述第一熔盐储热通路上设置第一换热器，其冷侧两端分别连接所述低温熔盐储罐和所述高温熔盐储罐；所述第一换热器的热侧通入高温烟气对其冷侧的低温熔盐换热；

所述第二熔盐储热通路上设置电加热件，用于加热所述低温熔盐储罐中的低温熔盐；

所述第一熔盐放热通路上设置第二换热器，所述第二换热器的热侧两端分别连接所述高温熔盐储罐和所述低温熔盐储罐，利用高温熔盐对所述第二换热器冷侧的给水换热进行供汽。

2.如权利要求1所述的储热系统，其特征在于，还包括氮气供应件，所述氮气供应件分别与所述高温熔盐储罐和所述低温熔盐储罐连接，用于充入氮气。

3.如权利要求2所述的储热系统，其特征在于，所述氮气供应件还包括第一气体联通管，所述第一气体联通管用于联通所述高温熔盐储罐和所述低温熔盐储罐实现二者之间内部的气体流通。

4.如权利要求3所述的储热系统，其特征在于，所述第一熔盐储热通路上还设置有熔盐缓冲罐，在熔盐流动方向上，所述熔盐缓冲罐设置在所述第一换热器上游。

5.如权利要求4所述的储热系统，其特征在于，所述熔盐缓冲罐连接所述氮气供应件，所述氮气供应件向所述熔盐缓冲罐内充入氮气。

6.如权利要求4或5所述的储热系统，其特征在于，所述氮气供应件包括第二气体联通管，所述第二气体联通管一端与所述熔盐缓冲罐连接，另一端与所述第一气体联通管连通。

7.如权利要求1所述的储热系统，其特征在于，所述高温烟气选自燃气轮机发电过程中的排气。

8.如权利要求4所述的储热系统，其特征在于，所述熔盐缓冲罐的布置位置高于所述第一换热器。

9.如权利要求1所述的储热系统，其特征在于，所述第一换热器为管壳式结构，所述高温烟气在所述管壳式结构的壳侧由下往上流动，熔盐在所述管壳式结构的管侧由上往下流动。

10.一种基于燃气轮机的储热系统的工作方法，其特征在于，利用如权利要求1-9中任一所述的储热系统，包括以下步骤：

第一熔盐储热通路开始储热时，低温熔盐储罐中的低温熔盐进入第一换热器中与高温烟气换热，低温熔盐经高温烟气加热后成为高温熔盐，之后进入高温熔盐储罐存储；

第二熔盐通路开始储热时，低温熔盐储罐中的低温熔盐进入电加热件，低温熔盐经所述电加热件加热后成为高温熔盐，之后进入高温熔盐储罐存储；

第一熔盐放热通路对外供汽时，高温熔盐储罐中的高温熔盐进入第二换热器，加热给水使其成为蒸汽或过热蒸汽对外供应，放热后的高温熔盐成为低温熔盐，之后进入低温熔盐储罐存储。

Images