带有蓄热储能模块的重型燃气-蒸汽联合循环发电系统的制作方法

1.本发明涉及重型燃气-蒸汽联合循环发电技术领域，尤其是涉及一种带有蓄热储能模块的重型燃气-蒸汽联合循环发电系统。


背景技术：

2.燃气-蒸汽联合循环发电机组因其具有启停时间短、升降负荷快等优点，被广泛应用于城市电网中作为调峰电源；另一方面，随着大气环境治理形式越来越严峻，作为清洁能源，天然气在发电领域的应用也越来越广泛。
3.通常情况下，燃气-蒸汽联合循环发电机组主要由燃气轮机、发电机、汽轮机、余热锅炉及其附属设备等组成。发电机组启机时，首先燃气轮机带动发电机并网，进入单循环模式，并开始对余热锅炉和汽轮机进行暖炉、暖机过程；暖炉、暖机结束后，汽轮机啮合，发电机组进入联合循环模式运行。停机时，发电机组将负荷降至联合循环最小负荷后，汽轮机脱扣，进入单循环模式；然后，再逐步降低单循环负荷直至发电机解列。一般情况下，联合循环发电机组冷态启动时，需要对汽轮机暖机约3小时，单循环运行约3小时；温态启动时，需要对汽轮机暖机约1.5小时，单循环运行约1.5小时；发电机组停运时，汽轮机脱扣后，机组单循环运行约0.5小时。单循环模式时，余热锅炉出来的大部分过热蒸汽直接通过旁路系统进入凝汽器进行冷却，不进入汽轮机做功，这就造成了一定程度的热损失。以400mw级燃气-蒸汽联合循环发电机组为例，额定工况时，余热锅炉产生的主蒸汽带动汽轮机产生的出力约为130mw；发电机组冷态启动时，将会造成约130mw*3h＝390mwh的热量损失。
4.因此，现有燃气-蒸汽联合循环发电工艺流程在机组启停过程中，存在一定程度的能源浪费，需要对这部分能量进行回收，进一步提高联合循环发电工艺综合效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带有蓄热储能模块的重型燃气-蒸汽联合循环发电系统，该系统通过蓄热储罐及其换热器回收发电机组启停过程中的蒸汽余热，并用以发电、作为辅汽热源、暖机等用途，能够减少能源浪费，提高联合循环发电工艺的综合效率。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.带有蓄热储能模块的重型燃气-蒸汽联合循环发电系统，该系统包括重型燃气轮机、汽轮机、发电机、余热锅炉、主汽门、第一主汽旁路门、第二主汽旁路门、给泵、小给泵、小给泵出口门以及一级蓄热储能模块或梯级蓄热储能模块，所述重型燃气轮机连接发电机，所述余热锅炉与重型燃气轮机连接，发电机连接汽轮机，给泵所在管道连接余热锅炉，所述余热锅炉的过热蒸汽出口通过蒸汽管道分别接入主汽门、第一主汽旁路门，所述主汽门连接汽轮机，一级蓄热储能模块或梯级蓄热储能模块通过第二主汽旁路门连接凝汽器，凝汽器的一端连接汽轮机，另一端分别通过两个管道连接给泵所在管道和小给泵所在管道，小给泵所在管道连接一级蓄热储能模块或梯级蓄热储能模块，并设有小给泵出口门。
8.进一步地，当系统采用一级蓄热储能模块时，所述一级蓄热储能模块包括储热罐、换热器和蓄热泵，所述换热器的第一工质的进口分别与第一主汽旁路门、小给泵出口门连接，所述换热器的第一工质的出口与第二主汽旁路门连接，第二主汽旁路门连接凝汽器；换热器的第二工质的进、出口分别与蓄热泵、储热罐连接。
9.进一步地，当系统采用梯级蓄热储能模块时，所述主汽门包括高压主汽门和低压主汽门，所述第一主汽旁路门包括高压主汽旁路门和低压主汽旁路门。所述梯级蓄热储能模块包括两个储热罐、换热器和蓄热泵，第一换热器的第一工质的进口分别与低压主汽旁路门、小给泵出口门相连，第一换热器的第一工质的出口连接第二主汽旁路门，第二主汽旁路门连接凝汽器，第一换热器的第二工质的进、出口分别与第一蓄热泵、第一储热罐连接；第二换热器的第一工质的进、出口分别与高压主汽旁路门、低压主汽旁路门连接，第二换热器的第二工质的进、出口分别与第二蓄热泵、第二储热罐连接，且第一换热器与第二换热器串联。
10.进一步地，储热罐的储热介质为高比热容介质。
11.本发明提供的带有蓄热储能模块的重型燃气-蒸汽联合循环发电系统，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
12.1)本发明回收了燃气-蒸汽联合循环发电机组启停、暖机等过程中单循环模式运行时大量的蒸汽余热，储热罐内的蓄热介质通过循环泵导入换热器，凝汽器连接汽轮机，使得储热罐内的高温蓄热介质还可以将凝结水加热为合格的辅助蒸汽，可为辅汽母管提供热源，降低启动炉的运维成本；储热罐内的高温蓄热介质还可以将凝结水加热为合格的过热蒸汽，为汽轮机暖机提供热源，延长汽轮机热备用或温态备用的时间；进一步提高了联合循环发电机组的综合发电效率，起到了很好的节能效果。
13.2)本发明具有梯级的蓄热储能方式，通过将两个换热器串联，能够分别回收单循环模式时主蒸汽的高位和低位余热，并分别存储在高位和低位储热罐中，形成梯级储热；联合循环发电机组进入联合循环模式时，高位和低位储热罐中的热量再分别通过两个换热器对第一工质进行加热，分别得到高温蒸汽和中温蒸汽；产生的高温和中温蒸汽，分别通过高压主汽旁路门、高压主汽门和低压主汽旁路门、低压主汽门进入汽轮机，增加汽轮机出力，能够减少能源浪费，进而提高联合循环发电工艺的综合效率。
附图说明
14.图1为实施例1中带有蓄热储能模块的重型燃气-蒸汽联合循环发电系统在一级蓄热储能功能下的流程示意图；
15.图2为实施例2中带有蓄热储能模块的重型燃气-蒸汽联合循环发电系统在梯级蓄热储能功能下的流程示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
17.实施例1
18.本实施例提供一种带有蓄热储能模块的重型燃气-蒸汽联合循环发电系统，该系统设有一级蓄热储能模块，该系统包括重型燃气轮机，汽轮机，发电机，余热锅炉，给泵(给水泵)，小给泵(小给水泵)，主汽门，主汽旁路门1，主汽旁路门2，小给泵出口门，储热罐(蓄热储罐)及其换热器、蓄热泵。重型燃气轮机包括透平、燃烧室、压气机。在本实施例中，小给泵的尺寸小于给泵的尺寸。
19.如图1所示，联合循环发电运行时，汽轮机与燃气轮机同时带动发电机，并网发电。燃气轮机的尾部烟气通入余热锅炉中，高温烟气通过余热锅炉的换热器，余热锅炉中的换热器中的水被加热成水蒸汽。为实现燃气-蒸汽联合循环发电机组启停过程中的蒸汽余热回收，在凝汽器后增加了蓄热储能模块。蓄热储能模块包括一个储热罐及其换热器、蓄热泵。发电机组启停过程中，将多余的蒸汽通过主汽旁路门引入储热罐的换热器，加热蓄热介质，并将加热后的高温储热介质导入储热罐，实现热量存储。
20.具体地，余热锅炉与燃气轮机透平连接，燃气轮机与发电机连接，汽轮机与发电机连接，给泵所在管道连接余热锅炉。余热锅炉的过热蒸汽出口通过蒸汽管道分别接入主汽门、主汽旁路门1，主汽门连接汽轮机。储热罐的换热器的第一工质进口分别与主汽旁路门1、小给泵出口门连接，小给泵出口门连接小给泵；第一工质出口与主汽旁路门2连接，主汽旁路门2连接凝汽器，凝汽器的一端连接汽轮机，另一端分别通过两个管道连接给泵和小给泵；储热罐的换热器的第二工质进、出口分别与蓄热泵、储热罐连接。
21.进一步地，储热罐内的蓄热介质通过循环泵导入换热器。凝汽器连接汽轮机，即储热罐内的高温蓄热介质可以将凝结水加热为合格的蒸汽，引入汽轮机，增加汽轮机做功发电能力。储热罐内的高温蓄热介质还可以将凝结水加热为合格的辅助蒸汽，为辅汽母管提供热源，降低启动炉的运维成本。此外，储热罐内的高温蓄热介质也可以将凝结水加热为合格的过热蒸汽，为汽轮机暖机提供热源，延长汽轮机热备用或温态备用的时间。
22.整个联合循环发电系统在单循环模式运行时，多余的蒸汽会通过汽轮机主蒸汽旁路门进入换热器，进而对蓄热介质进行加热，加热后的高温蓄热介质进入蓄热储罐进行存储。具体流程如图1所示，即联合循环发电系统单循环模式运行时，从余热锅炉出来的大部分主蒸汽(第一工质)通过主汽旁路门1进入换热器进行冷却，同时对蓄热介质(第二工质)进行加热，并将高温蓄热介质储存在储热罐中，进行余热回收；冷却后的第一工质再通过旁路门2进入凝汽器，形成水汽闭式循环。
23.(1)联合循环发电系统进入联合循环模式时，从凝汽器出来的凝结水通过给泵进入余热锅炉加热，从余热锅炉出来的主蒸汽(第一工质)通过主汽门进入汽轮机，带动汽轮机对外做功发电；此外，还有部分从凝汽器出来的凝结水通过小给泵进入换热器，通过蓄热泵将储热罐内的高温蓄热介质导入换热器，将凝结水加热为合格蒸汽，然后将合格的蒸汽通过主汽旁路门1和主汽门导入汽轮机做功发电，增加汽轮机出力。
24.(2)联合循环发电系统非启停过程中，部分从凝汽器出来的凝结水通过小给泵进入换热器，通过蓄热泵将储热罐内的高温蓄热介质导入换热器，将凝结水加热为合格的辅助蒸汽，然后将合格的辅助蒸汽引入电厂辅助蒸汽母管，作为辅助蒸汽热源，降低启动炉的运维成本。
25.(3)联合循环发电系统备用状态时，部分从凝汽器出来的凝结水通过小给泵进入换热器，通过蓄热泵将储热罐内的高温蓄热介质导入换热器，将凝结水加热为过热蒸汽，然
后将过热蒸汽通过主汽旁路门1和主汽门导入汽轮机，对汽轮机进行暖机，延长汽轮机热备用或温态备用的时间。
26.本发明回收了燃气-蒸汽联合循环发电机组启停、暖机等过程中单循环模式运行时大量的蒸汽余热，并还能将其用来发电、辅汽母管供热、汽机暖机等用途，进一步提高了联合循环发电机组的综合发电效率，起到了很好的节能效果。
27.实施例2
28.本实施例涉及一种带有蓄热储能模块的重型燃气-蒸汽联合循环发电系统，该系统设有梯级蓄热储能模块，即设有梯级结构的蓄热储能方式，能够减少能源浪费，提高联合循环发电工艺的综合效率。该系统包括重型燃气轮机，汽轮机，发电机，余热锅炉，给泵(给水泵)，小给泵(小给水泵)，主汽门，旁路门1，旁路门2和小给泵出口门，两个储热罐(蓄热储罐)及其换热器、蓄热泵。重型燃气轮机包括透平、燃烧室、压气机。在本实施例中，小给泵的尺寸小于给泵的尺寸。
29.如图2所示，联合循环发电运行时，汽轮机与燃气轮机同时带动发电机，并网发电。燃气轮机的尾部烟气通入余热锅炉中，高温烟气通过余热锅炉的换热器，余热锅炉中的换热器中的水被加热成水蒸汽。为实现燃气-蒸汽联合循环发电机组启停过程中的蒸汽余热回收，在凝汽器后增加了梯级蓄热储能模块。梯级蓄热储能模块包括两个储热罐及其换热器、蓄热泵，两个储热罐的换热器串联。发电机组启停过程中，将多余的蒸汽通过旁路门引入储热罐的换热器，加热蓄热介质，并将加热后的高温储热介质导入储热罐，实现热量存储。
30.具体地，余热锅炉与燃气轮机透平连接，燃气轮机与发电机连接，汽轮机与发电机连接，给泵所在管道连接余热锅炉。主汽门包括高压主汽门和低压主汽门，旁路门1包括高压主汽旁路门和低压主汽旁路门。余热锅炉的过热蒸汽出口分别通过两个蒸汽管道(蒸汽管道1、蒸汽管道2)接入高压主汽门、低压主汽门，高压主汽门、低压主汽门连接汽轮机。蒸汽管道1还联通低压主汽门以及高压主汽旁路门，蒸汽管道2还联通低压主汽旁路门。
31.储热罐1设有蓄热泵1和换热器1，储热罐2设有蓄热泵2和换热器2。换热器1的第一工质进口分别与低压主汽旁路门、小给泵出口门相连，小给泵出口门连接小给泵，换热器1的第一工质出口连接旁路门2，旁路门2连接凝汽器，凝汽器的一端连接汽轮机，另一端分别通过两个管道连接给泵和小给泵。换热器1的第二工质进、出口分别与蓄热泵1、储热罐1相连。换热器2的第一工质进、出口分别与高压主汽旁路门、低压主汽旁路门连接，换热器2的第二工质进、出口分别与蓄热泵2、储热罐2相连；且换热器1与换热器2串联。
32.按此设计，与换热器2连接的储热罐2以及与换热器1连接的储热罐1分别构成高位和低位储热罐，储热罐1、2储存经过换热器加热后的高温储热介质。各储热罐内的蓄热介质通过循环泵导入换热器。凝汽器连接汽轮机，即储热罐内的高温蓄热介质可以将凝结水加热为合格的蒸汽，引入汽轮机，增加汽轮机做功发电能力。储热罐内的高温蓄热介质还可以将凝结水加热为合格的辅助蒸汽，为辅汽母管提供热源，降低启动炉的运维成本。此外，储热罐内的高温蓄热介质也可以将凝结水加热为合格的过热蒸汽，为汽轮机暖机提供热源，延长汽轮机热备用或温态备用的时间。
33.按照上述设计，储热罐及其加热器系统设置为梯级储热罐及其加热器系统，包含两个储热罐及其换热器，能够回收不同梯度等级的蒸汽余热。各储热罐的储热介质为高比
热容介质，例如熔盐或导热油等。
34.(1)联合循环发电系统进入联合循环模式时，从凝汽器出来的凝结水通过给泵进入余热锅炉加热，从余热锅炉出来的主蒸汽(第一工质)通过主汽门进入汽轮机，带动汽轮机对外做功发电；此外，还有部分从凝汽器出来的凝结水通过小给泵进入换热器1、换热器2，分别通过蓄热泵1、蓄热泵2将储热罐1、储热罐2内的高温蓄热介质导入换热器，将凝结水加热为合格蒸汽，然后将合格的蒸汽通过旁路门1和主汽门导入汽轮机做功发电，增加汽轮机出力。
35.(2)联合循环发电系统非启停过程中，部分从凝汽器出来的凝结水通过小给泵进入换热器1、换热器2，分别通过蓄热泵1、蓄热泵2将对应储热罐内的高温蓄热介质导入换热器，将凝结水加热为合格的辅助蒸汽，然后将合格的辅助蒸汽引入电厂辅助蒸汽母管，作为辅助蒸汽热源，降低启动炉的运维成本。
36.(3)联合循环发电系统备用状态时，部分从凝汽器出来的凝结水通过小给泵进入各换热器，通过相应的蓄热泵将储热罐内的高温蓄热介质导入换热器，将凝结水加热为过热蒸汽，然后将过热蒸汽通过旁路门1和主汽门导入汽轮机，对汽轮机进行暖机，延长汽轮机热备用或温态备用的时间。
37.在本发明的带有梯级蓄热储能的重型燃气-蒸汽联合循环发电系统中，将换热器2和换热器1串联，能够分别回收单循环模式时主蒸汽的高位和低位余热，并分别存储在高位和低位储热罐中，形成梯级储热；联合循环发电机组进入联合循环模式时，高位和低位储热罐中的热量再分别通过换热器1和换热器2对第一工质进行加热，分别得到高温蒸汽和中温蒸汽；产生的高温和中温蒸汽，分别通过高压主汽旁路门、高压主汽门和低压主汽旁路门、低压主汽门进入汽轮机，增加汽轮机出力。本发明回收了燃气-蒸汽联合循环发电机组启停、暖机等过程中单循环模式运行时大量的蒸汽余热，并将其用来发电、辅汽母管供热、汽机暖机等用途，进一步提高了联合循环发电机组的综合发电效率，起到了很好的节能效果。
38.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。