一种火电厂蓄热发电调峰调频系统及工作方法与流程

1.本发明涉及能源利用领域，具体涉及一种基于火电厂的蓄热发电调峰调频系统及工作方法。


背景技术：

2.储能电站是提高常规能源发电与输电效率、安全性和经济性的迫切需要。为了满足电力负荷的要求，当前的发电装机容量与电网容量是按最大需求建设，随着电网峰谷差日趋增大，必然导致非用电高峰时发电机组的停机或低负荷运行以及电网容量的浪费。2011年全国常规燃煤发电机组发电总负荷系数仅为51.8％，电网负荷利用系数也小于55％。利用储能电站储能可以大幅提高火电机组实际运行效率，增强电网的输电能力。以2011年为例，如果系统都提高到80％，则可减少2.1亿千瓦的火电装机建设和25％电网容量建设，相当于减少投资1.05万亿元，同时每年节约3000万吨标准煤。
3.近10年来，主要发达国家均启动了电力储能系统的国家级研究计划，包括美国、日本、英国、欧盟和澳大利亚等。预计到2050年，世界电力储能系统的容量将从现在占发电总量的3.0％(128gw)增加到10％～15％，甚至更高。截止2011年，我国储能装机为17gw，约占全国电力总装机的1.6％，远低于世界2.6％的平均水平；到 2020年，我国电力储能装机容量需要达到70gw以上，占全国电力总装机容量的4.0％～5.0％。已有储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能(caes)、蓄热、蓄电池、超导、飞轮和超级电容器等，比较这些储能技术可以发现：除抽水蓄能、压缩空气储能和储热3种物理储能的单机容量可以达到或超过100mw规模外，其它储能技术均在 10mw甚至1mw规模以下；也只有这3种物理储能技术成本较低，不超过100美元/kw
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h，而且储能寿命较长。
4.随着全球能源消愈发紧张，人们对环境的关注日益加强。能源短缺和环境污染已经成为影响人们生活和制约社会发展的重要课题，世界各国都在努力开发清洁的新能源。太阳能作为一种清洁环保、储量无穷的自然能源，其在人类所利用的能源种类中所占比例变得越来越大。
5.常见的中高温蓄热介质有蒸汽、水、导热油、液态金属、空气、熔融盐等，如果能够利用中高温蓄热介质，在用电高峰时段，产生高温蒸汽进入汽轮机增加发电量，在用电低谷时段，利用电加热器加热蓄热介质实现调峰调频蓄热，就可以实现火电厂的灵活的调峰调频辅助服务。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种火电厂蓄热发电调峰调频系统及工作方法。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明的第一方面提供一种火电厂蓄热发电调峰调频系统，设置在火电厂内，火电厂包括电站锅炉、大汽轮机和发电机，还包括蓄热装置、机组调峰调频控制单元；
9.所述蓄热装置包括蓄热介质、调峰调频电加热器、低压加热过热换热器；
10.所述蓄热介质为显热蓄热材料、潜热蓄热材料、热化学蓄热材料中的任意一种；
11.所述调峰调频电加热器利用火电机组调峰调频富余电力供电来加热蓄热介质或利用火电厂内高温烟气或高温蒸汽加热蓄热介质；所述蓄热装置内布置的所述低压加热过热换热器产生的过热蒸汽送入火电机组再热器后进入大汽轮机或蓄热小汽轮机，带动发电机或小发电机进行发电。
12.进一步的，调峰调频电加热器的供电来自发电机出口母线、厂用电母线或升压站后出厂母线，利用火电厂调峰调频电力满足调峰调频电加热器的供电。
13.进一步的，火电厂内的低压加热器连接除氧器或凝汽器，通过低压给水泵将给水或凝结水送入所述蓄热装置内布置的所述低压加热过热换热器。
14.进一步的，所述蓄热装置内还布置高温烟气换热器，连接电站锅炉烟气供回管路，抽取电站锅炉的高温烟气加热蓄热介质。
15.进一步的，所述蓄热装置内还布置有高温蒸汽换热器，连接高温蒸汽管路，所述高温蒸汽来自电站锅炉主蒸汽、再热蒸汽或大汽轮机抽汽中的任意一种。
16.进一步的，所述蓄热介质的显热蓄热材料包括混凝土、固体镁砖、固体耐热砖、固体耐热砂、耐高温导热油中的任意一种。
17.进一步的，所述蓄热介质的潜热蓄热材料包括高温熔化盐、混合盐类、金属及合金等中的任意一种，所述高温熔化盐配方包括碱金属、碱土金属的卤化物、硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐中的任意一种或几种组合。
18.进一步的，所述蓄热介质的热化学蓄热材料为金属氢化物或氨化物。
19.进一步的，所述蓄热装置为单级、两级、三级或多级蓄热；所述单级蓄热装置内温度为300度以上。
20.进一步的，所述蓄热装置为两级蓄热，一级为高温蓄热单元，蓄热介质温度范围500度～1200度；二级为低温蓄热单元，蓄热介质温度范围300度～500度。
21.本发明的第二方面提供一种火电厂蓄热发电调峰调频系统的工作方法，包括如下步骤：
22.s1、根据火电厂内场地情况，设计选择最佳的蓄热装置的蓄热介质，并设计蓄热级数和每级蓄热装置的蓄热介质温度范围；
23.s2、根据每级蓄热装置的蓄热介质温度，选择对应的蓄热热源，采用调峰调频电力驱动的调峰调频电加热器作为蓄热热源，或利用锅炉的高温烟气、主蒸汽、再热蒸汽或抽汽作为蓄热热源；
24.s41、根据火电厂目前的运行状态，如果有富余的调峰调频电力可驱动调峰调频电加热器，则跳转执行步骤s42；如果锅炉容许抽取高温烟气用于加热蓄热介质，则跳转执行步骤s43；如果火电厂有富余的主蒸汽、再热蒸汽或抽汽用于加热蓄热介质，则跳转执行步骤 s44；
25.s42、利用富余调峰调频电力为蓄热装置的调峰调频电加热器供电，利用电加热方式使蓄热介质达到其蓄热温度；
26.s43、打开高温烟气换热器的加热烟气进口阀和出口阀，从锅炉引流过来的高温烟气进入高温烟气换热器放热后从出口阀排出回到电站锅炉烟道；蓄热装置内的蓄热介质吸
收高温烟气的热量后，达到其蓄热温度；
27.s44、打开高温蒸汽换热器的加热蒸汽进口阀和出口阀，从火电厂锅炉主蒸汽、再热蒸汽或大汽轮机抽汽引流过来的高温蒸汽进入高温蒸汽换热器放热后从出口阀排出回到火电厂热力系统；蓄热装置内的蓄热介质吸收高温蒸汽的热量后，达到其蓄热温度；
28.s5、利用蓄热装置加热产生的蒸汽，进入火电厂大汽轮机或蓄热小汽轮机带动发电机增加发电量，从而增加火电厂电力需求高峰阶段的顶尖峰能力，减少其锅炉燃煤的使用量。
29.本发明的有益效果在于：
30.1)本发明的火电厂蓄热发电调峰调频系统中，所述蓄热装置通过电加热器或高温换热器与火电厂进行热量的交换，利用调峰调频电力或调峰调频烟气、蒸汽实现蓄热，节约能源，可以在火电厂的用热高峰时辅助供热发电，反之则可以将火电厂的多余热能储存在蓄热介质中，待到用热高峰时供给火电厂使用，从而实现火电厂蓄热调峰调频。
31.2)火电厂蓄热发电调峰调频系统设置在火电厂中，充分利用现有火电机组设备，不用新建发电机组，投资节省巨大。
附图说明
32.图1为本发明实施例1中的火电厂蓄热发电调峰调频系统的总体示意图；
33.图2为本发明实施例2中的火电厂蓄热发电调峰调频系统的总体示意图；
34.图3为本发明实施例3中的火电厂蓄热发电调峰调频系统的总体示意图；
35.图4为本发明实施例4中的火电厂蓄热发电调峰调频系统的工作方法的操作步骤示意图。
36.附图标记
37.1-电站锅炉，2-大汽轮机，3-发电机，4-凝汽器，5-低压加热器，6
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除氧器，7-高压加热器，8-低压蓄热罐给水泵，9-蓄热装置，10-调峰调频电加热器,11-蓄热小汽轮机，12-低压加热过热换热器,13
-ꢀ
高温烟气换热器,14-高温蒸汽换热器,15-机组调峰调频控制单元， 16-小发电机，17-熔盐冷罐，18-熔盐热罐，19-固体蓄热镁砖，20
-ꢀ
耐高温风机。
具体实施方式
38.以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
39.实施例1
40.如图1所示，一种火电厂蓄热发电调峰调频系统，包括蓄热装置9、机组调峰调频控制单元15。火电厂蓄热发电调峰调频系统设置在火电厂内,火电厂包括电站锅炉1、大汽轮机2和发电机3。火电厂内的电站锅炉1燃烧煤粉加热锅炉内的水，产生水蒸汽，驱动大汽轮机 2运动产生动能，大汽轮机带动发电机3转子运动，切割磁力线产生电能。释放出热势能的蒸汽从大汽轮机2的排气口排出，送入凝汽器 4冷却，重新凝结成水，凝结水由凝结水泵送入低压加热器5并最终回到除氧器6内。除氧器6中的水通过低压蓄热罐给水泵8将水送到蓄热装置9内。蓄热装置内的低压加热过热换热器连接火电厂内的再热器(图中未画出)和
蓄热小汽轮机11，再热器连接大汽轮机2，蓄热小汽轮机11连接小发电机16和凝汽器4。大汽轮机2和发电机3为火电厂现有机组，蓄热小汽轮机11和小发电机16可为新投资建设的火电机组，发电能力比火电厂的大汽轮机2和发电机3小。机组调峰调频控制单元15根据上级电网的电厂集中控制系统的调度指令，控制蓄热装置9的充电。当电力供应有富余时，电厂集中控制系统控制机组调峰调频控制单元15，向蓄热装置9进行充电。调峰调频电加热器10利用机组调峰调频控制单元15供电来加热蓄热介质。蓄热装置内布置的调峰调频电加热器10供电来自发电机出口母线、厂用电母线或升压站后出厂母线，利用火电厂调峰调频电力满足调峰调频电加热器供电。发电机出口母线为发电机机端电压母线，发电机出口母线经电抗器接到厂用电母线。
41.当电力供应紧张时，电厂集中控制系统控制机组调峰调频控制单元15，控制蓄热装置9进行放热发电。火电厂内的低压加热器5连接除氧器或凝汽器，通过低压蓄热罐给水泵8将给水或凝结水送入蓄热装置内布置的低压加热过热换热器12，蓄热装置释放热能，加热低压加热过热换热器10中的水，产生的过热蒸汽送入火电机组再热器，将蒸汽温度进一步升高后，进入大汽轮机2的中压缸做功发电，或送入蓄热小汽轮机11，做功发电。蓄热小汽轮机11中的放热后的蒸汽进入凝汽器4进行冷却。
42.蓄热装置9包括蓄热介质、调峰调频电加热器10、低压加热过热换热器12；蓄热介质为显热蓄热材料、潜热蓄热材料、热化学蓄热材料中的任意一种。显热蓄热材料包括混凝土、固体镁砖、固体耐热砖、固体耐热砂、耐高温导热油中的任意一种。潜热蓄热材料包括高温熔化盐、混合盐类、金属及合金等中的任意一种，高温熔化盐包括碱金属、碱土金属的卤化物、硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐中的任意一种或几种组合。热化学蓄热材料为金属氢化物或氨化物。
43.蓄热装置为单级、两级、三级或多级蓄热；所述单级蓄热装置内温度为300度以上。
44.蓄热装置为两级蓄热装置时，一级为高温蓄热单元，蓄热介质温度范围500度～1200度；二级为低温蓄热单元，蓄热介质温度范围300 度～500度。
45.蓄热装置内还布置高温烟气换热器13，连接电站锅炉烟气供回管路，烟气供回管路包括烟气供气管路和烟气回气管路。烟气供气管路上设置进口阀，烟气回气管路上设置出口阀。当需要对固体蓄热砖蓄热时，打开烟气供气管路上的进口阀，抽取电站锅炉高温烟气加热蓄热介质，蓄热装置内的蓄热介质吸收高温烟气的热量后，达到其蓄热温度。换热完成后的低温烟气从出口阀排出，通过烟气回气管路回电站锅炉，并通过电站锅炉的排气管道排出。当需要蓄热装置发电时，蓄热装置释放热能，加热低压加热过热换热器10中的水，产生的过热蒸汽送入火电机组再热器，将蒸汽温度进一步升高后，进入大汽轮机2的中压缸做功发电，或送入蓄热小汽轮机11，做功发电。
46.蓄热装置内还布置有高温蒸汽换热器14，连接高温蒸汽管路，高温蒸汽管路通过进口阀连接火电厂煤粉锅炉主蒸汽管路，再热器管路和汽轮机抽汽管路，抽取电站锅炉主蒸汽、再热蒸汽或大汽轮机抽汽中的任意一种高温蒸汽。蓄热装置内的蓄热介质吸收高温蒸汽的热量后，达到其蓄热温度。换热后的低温蒸汽送往大汽轮机的凝汽器4 中进行冷却。当需要蓄热装置发电时，蓄热装置释放热能，加热低压加热过热换热器10中的水，产生的过热蒸汽送入火电机组再热器，将蒸汽温度进一步升高后，进入大汽轮机2的中压缸做功发电，或送入蓄热小汽轮机11，做功发电。
47.本实施例的有益效果是：
48.1)利用蓄热装置通过电加热器或高温换热器与火电厂进行热量的交换，利用调峰调频电力或调峰调频烟气、蒸汽实现蓄热，节约能源，可以在火电厂的用热高峰时辅助供热发电，反之则可以将火电厂的多余热能储存在蓄热介质中，待到用热高峰时供给火电厂使用，从而实现火电厂蓄热调峰调频。
49.2)利用现有火电机组设备中的汽轮机和发电机，不用投资新的汽轮机和发电机组，节省巨大投资。
50.实施例2
51.如图2所示，本实施例中蓄热装置内的蓄热介质为高温熔盐，蓄热装置中还包括熔盐冷罐17和熔盐热罐18。
52.当需要给蓄热装置中的蓄热介质蓄热时，熔盐冷罐17中的冷盐通过熔盐泵抽送到调峰调频电加热器10中，通过调峰调频电加热器 10利用调峰调频电力加热，并通过热盐泵将加热后的熔盐抽送到熔盐热罐18中；或者将熔盐冷罐17中的冷盐通过熔盐泵抽送到高温烟气换热器13中，利用电站锅炉高温烟气加热熔盐，并通过热盐泵将加热后的熔盐抽送到熔盐热罐18中；或者将熔盐冷罐17中的冷盐通过熔盐泵抽送到高温蒸汽换热器14中，利用电站锅炉主蒸汽、再热蒸汽或大汽轮机抽汽加热熔盐，并通过热盐泵将加热后的熔盐抽送到熔盐热罐18中。
53.当需要蓄热装置中的蓄热介质发电时，熔盐热罐18中的高温熔盐通过熔盐泵抽取到低压加热过热换热器12中，高温熔盐将低压加热过热换热器12中的水加热产生蒸汽，高温蒸汽进入大汽轮机2做功发电，或进入蓄热小汽轮机11做功发电。
54.本实施例的有益效果是利用高温熔盐作为储热介质，蓄热装置占地面积小，并且利用火电厂的高温蒸汽或高温烟气，蓄热装置的效率可达到70％以上，成本较低。
55.实施例3
56.如图3所示，本实施例中蓄热装置9内的蓄热介质为固体蓄热砖，固体蓄热砖的蓄热材料包括混凝土、固体镁砖、固体耐热砖、固体耐热砂、沙子、土壤中的任意一种。优选的，本实施例中的固体蓄热砖为固体蓄热镁砖。在蓄热装置9内设置固体蓄热镁砖19，利用调峰调频电力驱动调峰调频电加热器10进行固体镁砖蓄热。蓄热装置9 中的调峰调频电加热器10为布置在固体蓄热砖中的电加热片或电加热丝，调峰调频电加热器10连接电厂中的机组调峰调频控制单元15。当需要蓄热装置放热发电时，耐高温风机20抽取空气经过风道流至固体蓄热镁砖19处，固体蓄热镁砖19将流过的空气进行加热，升温后的空气流至低压加热过热换热器12的翅片管内，将翅片管内的液体加热后，再进入耐高温风机20内继续循环，翅片管内的液体升温后产生的高温蒸汽进入大汽轮机2发电，或进入蓄热小汽轮机11发电。
57.实施例4
58.如图4所示，火电厂蓄热发电调峰调频系统的工作方法，包括如下步骤：
59.s1、根据火电厂内场地情况，设计选择最佳的蓄热装置的蓄热介质，并设计蓄热级数和每级蓄热装置的蓄热介质温度范围；蓄热介质为显热蓄热材料、潜热蓄热材料、热化学蓄热材料中的任意一种。显热蓄热材料包括混凝土、固体镁砖、固体耐热砖、固体耐热砂、耐高温导热油中的任意一种。潜热蓄热材料包括高温熔化盐、混合盐类、金属及合金等中的任意一种，高温熔化盐包括碱金属、碱土金属的卤化物、硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐中
的任意一种或几种组合。热化学蓄热材料为金属氢化物或氨化物。根据火电厂调峰调频能力，以及选择的蓄热装置的固体蓄热材料及固体蓄热材料的蓄热温度工作范围，设计出蓄热装置的蓄热级数。
60.s2、根据每级蓄热装置(9)的蓄热介质温度，选择对应的蓄热热源，采用调峰调频电力驱动的调峰调频电加热器(10)作为蓄热热源，或利用锅炉的高温烟气、主蒸汽、再热蒸汽或抽汽作为蓄热热源；
61.s41、根据火电厂目前的运行状态，如果有富余的调峰调频电力可驱动调峰调频电加热器(10)，则跳转执行步骤s42；如果锅炉容许抽取高温烟气用于加热蓄热介质，则跳转执行步骤s43；如果火电厂有富余的主蒸汽、再热蒸汽或抽汽用于加热蓄热介质，则跳转执行步骤s44；
62.s42、利用富余调峰调频电力为蓄热装置的电加热器供电，利用电加热方式使蓄热介质达到其蓄热温度；
63.s43、打开烟气换热器的加热烟气进口阀和出口阀，从锅炉引流过来的高温烟气进入高温烟气换热器放热后从出口阀排出回到电站锅炉烟道；蓄热装置内的蓄热介质吸收高温烟气的热量后，并达到其蓄热温度；
64.s44、打开高温蒸汽换热器的加热蒸汽进口阀和出口阀，从火电厂锅炉主蒸汽、再热蒸汽或大汽轮机抽汽引流过来的高温蒸汽进入高温蒸汽换热器放热后从出口阀排出回到火电厂热力系统；蓄热装置内的蓄热介质吸收高温蒸汽的热量后，达到其蓄热温度；
65.s5、利用蓄热装置加热产生的蒸汽，进入火电厂大汽轮机或蓄热小汽轮机带动发电机增加发电量，从而增加火电厂电力需求高峰阶段的顶尖峰能力，减少其锅炉燃煤的使用量。
66.本实施例的有益好处是可以根据火电厂的富余电力、火电厂的高温蒸汽或高温烟气进行调峰调频，即使夏季也能利用火电厂的高温蒸汽或高温烟气对蓄热装置进行蓄热，并通过蓄热装置将热能转化为电能，参与火电厂的调峰调频，保障电力供应。
67.对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。