CN209524680U - 一种火电厂空气分离装置调峰系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种火电厂空气分离装置调峰系统，所述调峰系统包括火电厂发电机组，所述火电厂发电机组包括大汽轮机(2)、发电机(3)及调峰控制模块，所述调峰控制模块接受电网调度中心的调峰指令；所述空气分离装置与发电机(3)和/或火电厂发电机组的蒸汽管道相连通，所述调峰控制模块能够将发电机(3)的电力和/或火电厂组的蒸汽调至空气分离装置，以驱动空气分离装置；本实用新型有效利用火力发电机组的调峰结余电量、热能满足空气分离装置的设备供能，减少外界补充驱动空气分离装置的能耗，避免资源浪费，提高能源利用率，使现代火力发电厂转型成为电能、热能、压缩空气能以及各种空气分离气体产品的综合性工厂。

Description

一种火电厂空气分离装置调峰系统
技术领域
本实用新型涉及空气分离和火电调峰技术领域，更具体地说，涉及一种利用火电厂调峰电力或调峰蒸汽给空气分离装置供能的系统。
背景技术
现阶段，我国电力系统中电能产量及容量富裕，燃机、抽水蓄能等可进行调峰，以解决电源稀缺问题；目前电网调峰与火电机组灵活性之间矛盾突出，电网消纳风电、光电、水电及核电等新能源的能力不足。
现有技术中，火电厂调峰工作已成为电网运行中较为突出的矛盾。目前国内火电灵活性调峰改造均是针对冬季供热机组，而如何进行夏季调峰是摆在众多火电厂面前的一个难题，为了满足电网调峰需求，最大程度的降低调峰过程中能源的浪费，以及电厂在激烈竞争中的生存需要，深度进行调峰的改革势在必行。
另外一方面，大型空气分离装置在钢铁、化工和合成氨工业中应用越来越广泛，大型空气分离装置新项目实施越来越多，其能耗所占社会总耗能逐年增加。
空气分离设备是以空气为原料，通过深冷空气分离、变压吸附或膜分离三种方法中的任意一种对空气进行分离。其中应用最为成熟的是深冷空气分离方法，该方法通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏从液态空气中逐步分离出氧气、氮气及氩气等惰性气体的方法。
目前我国生产的空气分离设备的形式、种类繁多。有生产气态氧、气态氮的装置，如制氧机；也有生产液态氧、液态氮的装置。但就其基本流程而言，主要有四种，即高压、中压、高低压和全低压流程。我国空气分离设备的生产规模早期只能生产20m3/h(氧)的制氧机，目前的特大型空气分离设备已具有生产20000m3/h、30000m3/h和50000m3/h(氧)的能力。
从工艺流程来说，空气分离设备可以分为5个基本系统：杂质的净化系统：主要是通过空气过滤器和分子筛吸收器等装置，净化空气中混有的机械杂质、水分、二氧化碳、乙炔等。空气冷却和液化系统：主要由空气压缩机、热交换器、膨胀机和空气节流阀等组成，起到使空气深度冷冻的作用。空气精馏系统：主要部件为精馏塔(上塔、下塔)、冷凝蒸发器、过冷器、液空和液氮节流阀；起到将空气中各种组分分离的作用。加温吹除系统：用加温吹除的方法使净化系统再生。仪表控制系统：通过各种仪表对整个工艺进行控制。综上所述，大型空气分离装置的高耗能成为阻碍空气分离行业发展的重要瓶颈。
有鉴于此，提出本实用新型。
发明内容
针对现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种利用调峰电力或调峰蒸汽为空气分离装置供能，并利用空气分离装置的气体产物对外提供冷量、热量、压缩空气和空分终端气体产品的能量利用率高的火电厂空气分离装置调峰系统。
为了实现所述发明目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种火电厂空气分离装置调峰系统，所述调峰系统包括火电厂发电机组，所述火电厂发电机组包括大汽轮机、发电机及调峰控制模块，所述调峰控制模块接受电网调度中心的调峰指令；所述空气分离装置与发电机和/或火电厂发电机组的蒸汽管道相连通，所述调峰控制模块能够将发电机的电力和/或火电厂组的蒸汽调至空气分离装置，以驱动空气分离装置。
优选的，所述空气分离装置的驱动蒸汽来自火电厂发电机组大汽轮机的抽汽管道或电厂主蒸汽管道。
优选的，所述调峰系统包括蒸汽驱动空气分离装置的小汽轮机，所述小汽轮机与火力发电机组的大汽轮机的抽汽管道或电厂主蒸汽管道相连通；所述调峰控制模块能够控制调峰蒸汽供给小汽轮机的蒸汽量，以驱动小汽轮机，小汽轮机在调峰蒸汽的驱动下做功驱动空气分离装置。
优选的，所述空气分离装置包括压缩机；所述小汽轮机与压缩机通过联轴器相连接，以驱动压缩机。
优选的，所述压缩机为空气压缩机和/或增压机。
优选的，所述空气分离装置包括压缩机；所述发电机与压缩机相连接，以电力驱动压缩机。
优选的，所述压缩机为空气压缩机、增压机、产品增压机至少其中一个。
优选的，所述空气分离装置的空气压缩过程生成的压缩空气作为火电厂或附近工业园区的工业用驱动压缩空气气源。
优选的，所述产品增压机包括氧压机和/或氮压机；所述空气分离装置包括预冷系统和冷箱，所述预冷系统与空气压缩机相连接，所述冷箱与氧压机和/或氮压机相连接；所述预冷系统和/或冷箱与火电厂外部制冷设备的制冷循环水管路相连通，并能够将富余冷量传递至外部制冷设备的制冷循环水管路。
优选的，所述空气分离装置包括存储最终空气分离产品的低温液相储罐或储槽。
有益效果
1、有效利用火力发电机组的调峰结余电量、热能满足空气分离装置的设备供能，减少外界补充驱动空气分离装置的能耗，避免能源浪费，提高能源利用率，使现代火力发电厂转型成为电能、热能、压缩空气能以及各种空气分离气体产品的综合性工厂；
2、空气分离装置中冷箱的富余冷量制冷空调循环水，用于火电厂区或附近建筑的空调制冷；
3、空气分离装置中空气压缩过程生成的压缩空气能够作为火力发电机组或附近工业园区的工业用驱动压缩空气源；该方法也变相实现了电能的储存，可补充火电厂的上网电量，缓解了电网平衡和峰谷差问题。
附图说明
图1为本实用新型火电厂空气分离装置调峰系统的实施例一的示意图；
图2为本实用新型火电厂空气分离装置调峰系统的实施例一另一结构示意图；
图3为本实用新型火电厂空气分离装置调峰系统的实施例二的示意图；
图4为本实用新型火电厂空气分离装置调峰系统的实施例三的示意图；
图5为本实用新型火电厂空气分离装置调峰系统的实施例四的示意图；
图6为本实用新型火电厂空气分离装置调峰方法具体流程示意图。
附图标记说明
为进一步清楚的说明本实用新型的结构和各部件之间的连接关系，给出了以下附图标记，并加以说明。
燃煤锅炉1，大汽轮机2，发电机3，电网4，空气压缩机5，小汽轮机6，预冷系统7，增压机8，分子筛9，膨胀机10，板式换热器11，冷箱12，氧压机13，氮压机14，储槽15。
通过上述附图标记说明，结合本实用新型的实施例，可以更加清楚的理解和说明本实用新型的技术方案。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但本实用新型所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例一
一种火电厂空气分离装置调峰系统，如图1所示，所述调峰系统包括火电厂发电机组，所述火电厂发电机组包括燃煤锅炉1、大汽轮机2、发电机3及其附属设备、电厂集中控制系统；所述电厂集中控制系统包括调峰控制模块；所述调峰控制模块分别与火力发电机组、电网4和空气分离装置连接，以接受电网调度中心的调峰指令，控制空气分离装置的运行与停止，并满足电网4对火电厂的调峰需求。所述火电厂发电机组运作时，所述燃煤锅炉1运作，并将蒸汽传送至大汽轮机2，大汽轮机2被高温蒸汽驱动做功，并带动发电机3发电，所述调峰控制模块控制发电机3按需求将电量供应给电网4。
所述调峰系统包括小汽轮机6，所述小汽轮机6与火力发电机组的大汽轮机2的抽汽管道或电厂主蒸汽管道(火力发电机组的锅炉给水管路和凝结水管路连接)相连通；所述空气分离装置包括空气压缩机5和增压机8；所述小汽轮机6分别与空气压缩机5、增压机8相连接；所述调峰控制模块能够控制大汽轮机2的抽汽或主蒸汽等调峰蒸汽供给小汽轮机6的蒸汽量，以驱动小汽轮机6，所述小汽轮机6在调峰蒸汽的驱动下做功驱动空气压缩机5和增压机8的转动组件转动。
所述空气分离装置采用深冷空气分离、变压吸附或膜分离三种方法中的任意一种或组合制取空气分离相关气体产品。优选的，所述空气分离装置采用深冷工艺，所述空气分离装置包括预冷系统7、分子筛9、膨胀机10、板式换热器11及冷箱12。所述空气压缩机5、预冷系统7、增压机8、分子筛9、膨胀机10、板式换热器11及冷箱12依次连接。所述冷箱12与产品增压机、储槽15相连接；所述产品增压机包括氧压机13、氮压机14。所述储槽15或储罐低温液相存储装置，其能够存储空气分离装置的获得的液氮、液氧、液氩等最终空气分离产品。所述冷箱12上设有产品输出口；所述氧压机13、氮压机14、储槽15与冷箱12上的产品输出口相连接，以压缩空气分离装置分离所得的气体产物，并获得高压方式存储的气体产物(高压钢瓶存储的氧或氮等气体产品)。
优选的，所述氧压机13、氮压机14与火力发电机组的发电机3电性连接，所述氧压机13、氮压机14能够通过调峰控制模块从发电机3获得调峰电力。即，所述发电机3的电力一方面供给电网4，另一方面通过调峰控制模块将调峰电力供给其它空气分离装置中的用电设备，如发电机3向氧压机13、氮压机14供电。
在非用电高峰期，所述调峰控制模块从火力发电机组获取调峰蒸汽，并将调峰蒸汽运送至小汽轮机6，以驱动小汽轮机6，小汽轮机6在调峰蒸汽的驱动下带动空气压缩机5和增压机8，进行空气压缩和增压。如图1，所述驱动用的小汽轮机6分别与空气压缩机5、增压机8同轴连接；所述驱动用的小汽轮机6通过联轴器与空气压缩机5、增压机8相连接。如图2，或所述调峰系统设置两台小汽轮机6，其中一台小汽轮机6与空气压缩机5连接，另一台小汽轮机6与增压机8连接。
所述空气压缩机5从大气中抽取空气，空气经过压缩后进入预冷系统7；经过预冷系统7的低温空气进入分子筛9，从分子筛9过滤后的冷空气按需求量进入增压机8增压；经过增压机8的压缩空气进入膨胀机10，经膨胀机10的冷空气通过板式换热器11后到达冷箱12，并于冷箱12内得到分离后的气体产物，经处理后送至用户。压缩后的空气产物还可通过低温液相储罐储存或运输，也可通过增压机加压高压气瓶或高压管道送至用户。
优选的，所述空气分离装置中膨胀机10与增压机或其它空气分离装置中需要转动的装置相连接，所述膨胀机10膨胀制冷过程所释放的转动机械能能够用于驱动增压机或其他空气分离装置需要的转动装置。所述火电厂空气分离装置调峰系统的空气分离产品为氧气、氮气、氩气或其他稀有惰性气体。
优选的，所述冷箱12和预冷系统7至少其中一个与外部空调的制冷循环水管路相连通，所述冷箱12和预冷系统7将富余冷量传递至外部空调的制冷循环水管路，为火电厂区或附近建筑的空调制冷。
优选的，所述预冷系统7连通于增压机8，以传送富余冷空气驱动增压机8。
本实施例中所有空气分离装置中的转动机械如空气压缩机、增压机等利用电厂调峰蒸汽驱动，即利用电厂非用电高峰期的调峰富余蒸汽为空气分离装置提供动力。
实施例二
本实施例与实施一的区别在于，所述调峰系统未设置小汽轮机6，而是将发电机与空气分离装置相连接，以对空气分离装置供电。
如图3所示，一种火电厂空气分离装置调峰系统，所述调峰系统包括火电厂发电机组，所述火电厂发电机组包括燃煤锅炉1、大汽轮机2、发电机3及其附属设备、电厂集中控制系统；所述电厂集中控制系统包括调峰控制模块；所述调峰控制模块分别与火力发电机组、电网4和空气分离装置连接，以接受电网调度中心的调峰指令，控制空气分离装置的运行与停止，并满足电网4对火电厂的调峰需求。所述火电厂发电机组运作时，所述燃煤锅炉1运作，并将蒸汽传送至大汽轮机2，大汽轮机2被高温蒸汽驱动做功，并带动发电机3发电，所述调峰控制模块控制发电机3按需求将电量供应给电网4。
所述空气分离装置包括空气压缩机5和增压机8；所述空气压缩机5、增压机8均与发电机3相连接；所述调峰控制模块能够将发电机3中的电量调送至空气压缩机5、增压机8，以驱动空气压缩机5和增压机8的转动组件转动。
在非用电高峰期，所述调峰控制模块从火力发电机组获取调峰电力，并将调峰电力运送至空气压缩机5和增压机8，作为空气压缩机5和增压机8的动力源，进行空气压缩和增压。即空气压缩机5和增压机8分别通过调峰控制模块由发电机3获取调峰电力。
本实施例中所有空气分离装置采用电力驱动，所有空气分离装置全部利用电厂非用电高峰期的调峰富余电力，即利用电厂非用电高峰期的调峰富余电力为空气分离装置提供动力。
实施例三
本实施例与实施一的区别在于，所述调峰系统中的空气分离装置一方面与火电厂发电机组的蒸汽管道相连接，以利用电厂调峰蒸汽驱动；另一方面将与发电机相连接，以利用发电机对空气分离装置供电。
如图4所示，本实施例中，所述调峰系统的空气分离装置一方面与火电厂发电机组的蒸汽管道相连接，所述调峰控制模块能够将大汽轮机2的抽汽或主蒸汽等调峰蒸汽抽送至小汽轮机6，以驱动小汽轮机6，小汽轮机6在调峰蒸汽的驱动下做功驱动空气压缩机和增压机的转动组件转动。另一方面，所述空气分离装置与发电机3相连接，并能够通过调峰控制模块由发电机3获取调峰电力。
即本实施例中将调峰蒸汽和调峰电力均作为空气压缩机5与增压机8的动力来源。本实施例中所述空气分离装置采用电力驱动和蒸汽驱动两种驱动方式，所述空气分离装置能够利用电厂非用电高峰期的调峰富余电力和调峰富余蒸汽，即利用电厂非用电高峰期的调峰富余电力和调峰富余蒸汽均为空气分离装置提供动力。
实施例四
如图5所示，本实施例与实施例三整体结构一致，其工作方法和原理相同，其区别在于：所述空气压缩机5、增压机8均与火电厂或邻近电厂的工业园区或工业设施通过管道连接。即所述空气压缩机5、增压机8空气压缩过程生成的压缩空气均能够作为火电厂(例如锅炉送风或仪表或气动阀门的驱动用压缩空气)或附近工业园区的工业用驱动压缩空气气源。
本实用新型火电厂空气分离装置调峰系统一方面，有效利用火力发电机组的调峰结余电量、热能满足空气分离装置的设备供能，减少外界补充驱动空气分离装置的能耗，避免资源浪费，提高能源利用率，使现代火力发电厂转型成为电能、热能、压缩空气能以及各种空气分离气体产品的综合性工厂；另一方面，空气分离装置中冷箱的富余冷量制冷空调循环水，用于火电厂区或附近建筑的空调制冷；再者，空气分离装置中空气压缩过程生成的压缩空气能够作为火力发电机组或附近工业园区的工业用驱动压缩空气源；该方法也变相实现了电能的储存，可补充火电厂的上网电量，缓解了电网平衡和峰谷差问题。
实施例五
实施例一至实施例四给出了空气分离装置的两种调峰驱动模式，一种为电力驱动模式，另一种为调峰蒸汽驱动模式。
一种火电厂空气分离装置调峰方法，如图6，所述调峰方法使用以上实施例中所述的调峰系统，所述调峰方法具体步骤如下：
S1：火电厂接到电网调度中心的深度调峰减负荷或增负荷指令，其增加或减少上网电量的功率为调峰负荷量P调峰；其中，上网电量增加时，调峰负荷量P调峰为负；上网量减少时，调峰负荷量P调峰为正；
S2：选择空气分离装置的调峰驱动模式，若为电力驱动模式，执行步骤S3；若为调峰蒸汽驱动模式，执行步骤S4；
S3：调峰控制模块调节空气分离装置的耗电量，使其及时响应电网调峰指令，具体公式为：
P调峰＝P空耗’-P空耗0，其中：P空耗0为调峰前空气分离装置的耗电功率，P空耗’为调峰后空气分离装置的耗电功率；
S4：所述调峰系统包括供汽调节阀，所述供汽调节阀调节供给空气分离装置的调峰蒸汽汽源流量F调峰；
根据调峰系统的情况，选择最优的调峰蒸汽汽源，此调峰蒸汽汽源流量F调峰与调峰负荷量P调峰的关系公式为：
F调峰＝0.278*P调峰/(ΔH剩余*η大汽机*ηe)
其中：P调峰为调峰负荷量，单位kW；
ΔH剩余为蒸汽从大汽轮机抽出后与排汽焓值的剩余焓差，单位kJ/kg；其中，蒸汽在再热前抽出的情况下，剩余焓差包含再热器带来的焓升；
η大汽机为大汽轮机的汽机相对内效率；
ηe为发电机效率；
S5：根据S4的计算结果F调峰，调节供汽调节阀的开度，以提供调峰蒸汽汽源流量F调峰，实现火电机组响应电网调峰指令。
其中，S4的计算公式为概算公式，根据调峰蒸汽来源，可分为下列几种情况具体计算：
(1)调峰蒸汽来自主蒸汽，则
F调峰＝0.278*P调峰/{[(H0高-H高排)*η高+(H0中-H中排)*η中+(H0低-H低排)*η低]*ηe}
(2)调峰蒸汽来自高压缸抽汽或排汽蒸汽，则
F调峰＝0.278*P调峰/{[(H高抽或高排-H高排)*η高+(H0中-H中排)*η中+(H0低-H低排)*η低]*ηe}
(3)调峰蒸汽来自中压缸进汽、抽汽或排汽蒸汽，则
F调峰＝0.278*P调峰/{[(H0中或中抽或中排-H中排)*η中+(H0低-H低排)*η低]*ηe}
上述公式中：
F调峰为调峰蒸汽量，单位kg/h；
P调峰为调峰负荷量，单位kW；
H0高为主蒸汽焓值，单位kJ/kg；
H高排为高压缸排汽蒸汽焓值，单位kJ/kg；
η高为高压缸汽机内效率；
H0中为中压缸进汽蒸汽焓值，单位kJ/kg；
H中排为中压缸排汽蒸汽焓值，单位kJ/kg；
η中为中压缸汽机内效率；
H0低为低压缸进汽蒸汽焓值，单位kJ/kg；
H低排为低压缸排汽蒸汽焓值，单位kJ/kg；
η低为低压缸汽机内效率；
ηe为发电机效率。
在本申请的描述中，属于“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如“连接”可以是固定连接，也可以时可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介简介相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”“一些实施例”“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请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达不一定指的是相同的实施例或实施例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本领域的技术人员应该明白，虽然发明实施例所揭露的实施方式如上，但所述内容仅为便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型的实施例。任何本实用新型实施例所属领域的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改及变化，但本实用新型实施例的专利保护范围，仍须以所附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种火电厂空气分离装置调峰系统，所述调峰系统包括火电厂发电机组，所述火电厂发电机组包括大汽轮机(2)、发电机(3)及调峰控制模块，所述调峰控制模块接受电网调度中心的调峰指令；其特征在于，所述空气分离装置与发电机(3)和/或火电厂发电机组的蒸汽管道相连通，所述调峰控制模块能够将发电机(3)的电力和/或火电厂组的蒸汽调至空气分离装置，以驱动空气分离装置。
2.根据权利要求1所述的火电厂空气分离装置调峰系统，其特征在于，所述空气分离装置的驱动蒸汽来自火电厂发电机组大汽轮机(2)的抽汽管道或电厂主蒸汽管道。
3.根据权利要求2所述的火电厂空气分离装置调峰系统，其特征在于，所述调峰系统包括蒸汽驱动空气分离装置的小汽轮机(6)，所述小汽轮机(6)与火力发电机组的大汽轮机(2)的抽汽管道或电厂主蒸汽管道相连通；所述调峰控制模块能够控制调峰蒸汽供给小汽轮机(6)的蒸汽量，以驱动小汽轮机(6)，小汽轮机(6)在调峰蒸汽的驱动下做功驱动空气分离装置。
4.根据权利要求3所述的火电厂空气分离装置调峰系统，其特征在于，所述空气分离装置包括压缩机；所述小汽轮机(6)与压缩机通过联轴器相连接，以驱动压缩机。
5.根据权利要求4所述的火电厂空气分离装置调峰系统，其特征在于，所述压缩机为空气压缩机(5)和/或增压机(8)。
6.根据权利要求1-4其中一项所述的火电厂空气分离装置调峰系统，其特征在于，所述空气分离装置包括压缩机；所述发电机(3)与压缩机相连接，以电力驱动压缩机。
7.根据权利要求6所述的火电厂空气分离装置调峰系统，其特征在于，所述压缩机为空气压缩机(5)、增压机(8)、产品增压机至少其中一个。
8.根据权利要求7所述的火电厂空气分离装置调峰系统，其特征在于，所述空气分离装置的空气压缩过程生成的压缩空气作为火电厂或附近工业园区的工业用驱动压缩空气气源。
9.根据权利要求7所述的火电厂空气分离装置调峰系统，其特征在于，所述产品增压机包括氧压机(13)和/或氮压机(14)；所述空气分离装置包括预冷系统(7)和冷箱(12)，所述预冷系统(7)与空气压缩机(5)相连接，所述冷箱(12)与氧压机(13)和/或氮压机(14)相连接；所述预冷系统(7)和/或冷箱(12)与火电厂外部制冷设备的制冷循环水管路相连通，并能够将富余冷量传递至外部制冷设备的制冷循环水管路。
10.根据权利要求7所述的火电厂空气分离装置调峰系统，其特征在于，所述空气分离装置包括存储最终空气分离产品的低温液相储罐或储槽。
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