一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统及其运行方法
本发明属于燃煤发电，具体涉及一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统及其运行方法。
背景技术：
1、光伏、风电等可再生能源发电快速发展，其装机容量占比逐年升高。与此同时，燃煤发电装机容量逐年降低，燃煤发电由电网的基本电源逐步向电网的调节性、备用性电源进行转变。然而太阳能和风能具有强烈的波动性和间歇性，在电网供给端造成了巨大的电力峰谷差异，同时对电网维持频率稳定造成了不利影响。因此，燃煤发电作为我国电力供应的“压舱石”，如何实现高效灵活协同运行是燃煤发电领域面临的最为迫切的技术需求。
2、为促进可再生能源电力上网，燃煤机组频繁处于深度调峰运行状态。但由于煤质变化、锅炉内稳定燃烧等因素的限制，燃煤机组的最低电负荷率在30％左右，进一步降低电负荷率则需要采用投油补燃等措施，造成了高品质能源的浪费。在燃煤机组中集成熔盐储热系统是目前提高其运行灵活性的有效手段。但单独提取主蒸汽或再热蒸汽进行储热会影响锅炉尾部烟道内主蒸汽和再热蒸汽的吸热量平衡，同时还会导致汽轮机轴向推力不平衡问题。现有熔盐储热系统方案难以满足日益增长的可再生能源电力的并网需求。因此，亟需对燃煤发电机组进行高效灵活协同运行的技术改造，以促进电网消纳新能源电力。
技术实现思路
1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统及其运行方法，该系统采取主蒸汽和再热蒸汽旁路分阶段加热熔盐进行储热，同时还集成了由高温熔盐罐、中温熔盐罐和低温熔盐罐等构成的双温区熔盐储热系统；该系统在储热阶段，首先同时分流再热蒸汽和主蒸汽依次加热熔盐，并设置中温熔盐罐降低储热过程能量损失，可在保证锅炉尾部烟道热量平衡和汽轮机轴向推力平衡的基础上实现燃煤机组最低电负荷率的降低；进而同时分流再热蒸汽和主蒸汽并联加热熔盐，不仅降低燃煤机组输出电功率，还通过提高熔盐储热温度实现储热系统储能密度的提高；该系统在释热阶段，熔盐储热系统释放热量，分别通过旁路凝结水-熔盐换热器和旁路给水-熔盐换热器加热旁路凝结水和旁路给水，提高机组快速升负荷的能力。
2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统，包括燃煤机组和与其耦合的熔盐储热系统，其中熔盐储热系统包括储热一回路、储热二回路和释热回路；
4、所述燃煤机组包括锅炉1、汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸3、汽轮机低压缸4、发电机5、凝汽器6、凝结水泵7、低压加热器8、除氧器9、给水泵10和高压加热器11；锅炉1的主蒸汽出口分为三路，一路通往一号主蒸汽分流阀12，另一路通往二号主蒸汽分流阀13，第三路与汽轮机高压缸2的蒸汽进口相连；汽轮机高压缸2的抽汽出口与高压加热器11的蒸汽进口相连，汽轮机高压缸2的蒸汽出口和一号主蒸汽-熔盐换热器20的水工质出口、二号主蒸汽-熔盐换热器23的水工质出口汇合后共同与锅炉1的再热蒸汽进口相连；锅炉1的再热蒸汽出口分为三路，一路通往一号再热蒸汽分流阀14，另一路通往二号再热蒸汽分流阀15，第三路与汽轮机中压缸3蒸汽进口相连；汽轮机中压缸3的抽汽出口与除氧器9的蒸汽进口相连，汽轮机中压缸3的蒸汽出口和二号再热蒸汽-熔盐换热器24的水工质出口汇合后共同与汽轮机低压缸4的蒸汽进口相连；汽轮机低压缸4的抽汽出口与低压加热器8的蒸汽进口相连，汽轮机低压缸4的蒸汽出口与凝汽器6的进汽口相连；凝汽器6的水工质出口分为两路，一路经凝结水泵7与低压加热器8的水工质进口相连通，另一路经凝结水泵7和凝结水分流阀26通往旁路凝结水-熔盐换热器29的水工质进口；低压加热器8的水工质出口和旁路凝结水-熔盐换热器29的水工质出口汇合后共同与除氧器9的水工质进口相连；除氧器9的水工质出口分为两路，一路经给水泵10与高压加热器11的水工质进口相连，另一路经给水泵10和给水分流阀25通往旁路给水-熔盐换热器28；高压加热器11的水工质出口和旁路给水-熔盐换热器28的水工质出口汇合后，共同与锅炉1的给水入口相连；汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸3和汽轮机低压缸4通过转轴进行连接，并共同驱动发电机5对外输出电功率；
5、所述熔盐储热系统的储热一回路包括低温熔盐罐17、低温熔盐泵16、中温熔盐罐18、高温熔盐罐19、一号主蒸汽分流阀12、一号再热蒸汽分流阀14、一号主蒸汽-熔盐换热器20和一号再热蒸汽-熔盐换热器21；由一号主蒸汽分流阀12分流的部分主蒸汽经一号主蒸汽-熔盐换热器20换热后汇入锅炉1的再热蒸汽进口；由一号再热蒸汽分流阀14分流的部分再热蒸汽经一号再热蒸汽-熔盐换热器21换热后汇入除氧器9的水工质进口；低温熔盐罐17的熔盐出口经低温熔盐泵16与一号再热蒸汽-熔盐换热器21的熔盐入口相连；一号再热蒸汽-熔盐换热器21的熔盐出口分为两路，一路与中温熔盐罐18的熔盐入口相连，另一路与一号主蒸汽-熔盐换热器20的熔盐入口相连；一号主蒸汽-熔盐换热器20的熔盐出口与高温熔盐罐19的熔盐入口相连；
6、所述熔盐储热系统的储热二回路包括中温熔盐泵22、中温熔盐罐18、高温熔盐罐19、二号主蒸汽分流阀13、二号再热蒸汽分流阀15、二号主蒸汽-熔盐换热器23和二号再热蒸汽-熔盐换热器24；由二号主蒸汽分流阀13分流的部分主蒸汽经二号主蒸汽-熔盐换热器23换热后汇入锅炉1的再热蒸汽进口；由二号再热蒸汽分流阀15分流的部分再热蒸汽经二号再热蒸汽-熔盐换热器24换热后与汽轮机中压缸3的蒸汽出口汇合，共同进入汽轮机低压缸4的蒸汽进口；中温熔盐罐18的熔盐出口经中温熔盐泵22分两路，一路与二号再热蒸汽-熔盐换热器24的熔盐入口相连，另一路与与二号主蒸汽-熔盐换热器23的熔盐入口相连；二号主蒸汽-熔盐换热器23的熔盐出口和二号再热蒸汽-熔盐换热器24的熔盐出口汇合后共同与高温熔盐罐19的熔盐入口相连；
7、所述熔盐储热系统的释热回路包括高温熔盐泵27、中温熔盐罐18、高温熔盐罐19、给水分流阀25、凝结水分流阀26、旁路凝结水-熔盐换热器29和旁路给水-熔盐换热器28；由凝结水分流阀26分流的部分凝结水经旁路凝结水-熔盐换热器29加热后与低压加热器8的水工质出口汇合，共同进入除氧器9的水工质进口；由给水分流阀25分流的部分给水经旁路给水-熔盐换热器28加热后与高压加热器11的水工质出口汇合，共同进入锅炉1的给水入口；高温熔盐罐19的熔盐出口经高温熔盐泵27与旁路给水-熔盐换热器28的熔盐入口相连；旁路给水-熔盐换热器28的熔盐出口与旁路凝结水-熔盐换热器29的熔盐入口相连；旁路凝结水-熔盐换热器29的熔盐出口与低温熔盐罐17的入口相连。
8、进一步地，所述一号主蒸汽-熔盐换热器20、一号再热蒸汽-熔盐换热器21、二号主蒸汽-熔盐换热器23和二号再热蒸汽-熔盐换热器24均为间壁式水-熔盐换热器。
9、进一步地，所述低温熔盐罐17、中温熔盐罐18和高温熔盐罐19均采用同种熔盐作为储热介质。
10、进一步地，所述低温熔盐罐17和中温熔盐罐18的罐体容积均小于高温熔盐罐19罐体容积。
11、进一步地，所述低温熔盐罐17、中温熔盐罐18和高温熔盐罐19均包含一个入口和一个出口，且在出口处均设置有熔盐泵。
12、进一步地，所述一号再热蒸汽分流阀14和二号再热蒸汽分流阀15的最大蒸汽分流流量均为再热蒸汽总质量流量的28.17％。
13、进一步地，所述一号主蒸汽分流阀12和二号主蒸汽分流阀13的主蒸汽分流流量分别为一号再热蒸汽分流阀14和二号再热蒸汽分流阀15所分流再热蒸汽质量流量的80％～90％。
14、一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统的运行方法，具体如下：
15、1)当燃煤机组处于正常运行负荷区间时，关闭一号主蒸汽分流阀12、一号再热蒸汽分流阀14、二号主蒸汽分流阀13、二号再热蒸汽分流阀15、给水分流阀25和凝结水分流阀26，此时燃煤机组处于正常运行工况；
16、2)当燃煤机组处于低负荷运行需要进行深度调峰时，熔盐储热系统进入储热阶段，首先启动储热一回路，开启一号主蒸汽分流阀12和一号再热蒸汽分流阀14，同时启动低温熔盐泵16，同时分流部分主蒸汽和再热蒸汽依次加热熔盐进行储热，低温熔盐经一号再热蒸汽-熔盐换热器21加热后，根据一号主蒸汽-熔盐换热器20的加热功率，部分经一号再热蒸汽-熔盐换热器21加热后的熔盐进一步送入一号主蒸汽-熔盐换热器20提高温度，剩余熔盐则送入中温熔盐罐18进行存储，此时燃煤机组在维持锅炉最低稳燃负荷的条件下降低输出电功率；
17、3)当燃煤机组处于低负荷运行需要进行深度调峰且低温熔盐罐17中熔盐已完全排空时，关闭储热一回路，启动储热二回路，开启二号主蒸汽分流阀13和二号再热蒸汽分流阀15，同时启动中温熔盐泵22，同时分流再热蒸汽和主蒸汽并联加热熔盐，中温熔盐罐(18)中的熔盐分别同时经二号主蒸汽-熔盐换热器(23)和二号再热蒸汽-熔盐换热器(24)加热后送入高温熔盐罐(19)存储，直至中温熔盐罐18中的熔盐完全排空，此时燃煤机组在维持锅炉最低稳燃负荷的条件下降低输出电功率；
18、4)当燃煤机组处于高负荷运行时，关闭储热一回路和储热二回路，启动释热回路释放熔盐储热系统中存储的热量，启动给水分流阀25和凝结水分流阀26，并开启高温熔盐泵27，使用高温熔盐通过旁路凝结水-熔盐换热器29和旁路给水-熔盐换热器28分别加热旁路给水和旁路凝结水，直至高温熔盐罐19中的熔盐完全排空，此时燃煤机组可在不增加锅炉热负荷的条件下增加燃煤机组输出电功率；
19、进一步地，所述熔盐储热系统的工作温度区间为120℃～400℃，其中中温熔盐罐18的温度范围在200℃～230℃，高温熔盐罐19的温度范围在350℃～400℃。
20、进一步地，所述熔盐储热系统在储热过程中，先单独运行储热一回路，后单独运行储热二回路，且储热一回路的运行时长为两小时，储热二回路的运行时长为六小时。
21、和现有技术相比较，本发明的优点如下：
22、(1)本发明将燃煤机组与熔盐储热系统耦合，通过提取主蒸汽和再热蒸汽的热量分阶段进行储热，储热过程能量利用效率高，在保证锅炉燃烧稳定性的同时降低了燃煤机组的最低电负荷率，促进了电网对可再生能源电力的消纳；
23、(2)本发明通过同时分流主蒸汽和再热蒸汽加热熔盐进行储热，不会造成锅炉内部再热器超温以及汽轮机推力不平衡问题，并且采取分阶段双温区熔盐储热系统，储能密度高，减少了熔盐储热系统的熔盐使用量，降低了熔盐储热系统的成本；
24、(3)本发明对燃煤机组的改造只涉及外部的熔盐换热器和燃煤机组回热加热器旁路管道，在新建燃煤机组及在役燃煤机组均可使用，并且通过熔盐储热系统提高了燃煤机组的变负荷速率。
技术特征：
1.一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统，其特征在于：包括燃煤机组和与其耦合的熔盐储热系统，其中熔盐储热系统包括储热一回路、储热二回路和释热回路；
2.根据权利要求1所述的一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统，其特征在于：所述一号主蒸汽-熔盐换热器(20)、一号再热蒸汽-熔盐换热器(21)、二号主蒸汽-熔盐换热器(23)和二号再热蒸汽-熔盐换热器(24)均为间壁式水-熔盐换热器。
3.根据权利要求1所述的一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统，其特征在于：所述低温熔盐罐(17)、中温熔盐罐(18)和高温熔盐罐(19)均采用同种熔盐作为储热介质。
4.根据权利要求1所述的一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统，其特征在于：所述低温熔盐罐(17)和中温熔盐罐(18)的罐体容积均小于高温熔盐罐(19)罐体容积。
5.根据权利要求1所述的一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统，其特征在于：所述低温熔盐罐(17)、中温熔盐罐(18)和高温熔盐罐(19)均包含一个入口和一个出口，且在出口处均设置有熔盐泵。
6.根据权利要求1所述的一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统，其特征在于：所述一号再热蒸汽分流阀(14)和二号再热蒸汽分流阀(15)的最大蒸汽分流流量均为再热蒸汽总质量流量的28.17％。
7.根据权利要求1所述的一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统，其特征在于：所述一号主蒸汽分流阀(12)和二号主蒸汽分流阀(13)的主蒸汽分流流量分别为一号再热蒸汽分流阀(14)和二号再热蒸汽分流阀(15)所分流再热蒸汽质量流量的80％～90％。
8.权利要求1至7任一项所述的一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统的运行方法，其特征在于：
9.根据权利要求8所述的运行方法，其特征在于：所述熔盐储热系统的工作温度区间为120℃～400℃，其中中温熔盐罐(18)的温度范围在200℃～230℃，高温熔盐罐(19)的温度范围在350℃～400℃。
10.根据权利要求8所述的运行方法，其特征在于：所述熔盐储热系统在储热过程中，先单独运行储热一回路，后单独运行储热二回路，且储热一回路的运行时长为两小时，储热二回路的运行时长为六小时。
技术总结
本发明公开了一种集成主蒸汽及再热蒸汽分阶段双温区熔盐储热的燃煤发电系统及其运行方法，该系统采取主蒸汽和再热蒸汽旁路分阶段加热熔盐进行储热，同时还集成了由高温熔盐罐、中温熔盐罐和低温熔盐罐等构成的双温区熔盐储热系统；该系统在储热阶段，首先同时分流再热蒸汽和主蒸汽依次加热熔盐，并设置中温熔盐罐降低储热过程能量损失，可在保证锅炉尾部烟道热量平衡和汽轮机轴向推力平衡的基础上实现燃煤机组最低电负荷率的降低；进而同时分流再热蒸汽和主蒸汽并联加热熔盐，不仅降低燃煤机组输出电功率，还通过提高熔盐储热温度实现储热系统储能密度的提高；该系统在释热阶段，熔盐储热系统释放热量，分别通过旁路凝结水‑熔盐换热器和旁路给水‑熔盐换热器加热旁路凝结水和旁路给水，提高机组快速升负荷的能力。
技术研发人员：苗林,刘明,严俊杰,王朝阳,赵永亮,王珠
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5