一种火力发电系统及其运行方法与流程

1.本发明属于火电技术领域，尤其涉及一种火力发电系统及其运行方法。


背景技术：

2.为实现“碳中和、碳达峰”目标，国家对新能源的发展投入了巨大的力量。但是，新能源普遍具有很强的波动性，对电网的稳定运行造成很大挑战，电网急需灵活电源，改善电网整体结构，维护电网的安全稳定。
3.在我国现有的电力体系中，火电装机规模巨大，并且输出稳定，将其作为灵活性调峰电源，能够有效促进新能源消纳和保证电网安全稳定运行。
4.但是火力发电系统在低负荷工况下会导致运行经济性下降，深度调峰时由于要求火力发电系统输出至电网的负荷需低于最低设计工况，而火力发电系统中的锅炉机组又存在最低稳燃负荷要求，因此会造成锅炉机组在最低稳燃负荷工况下产生的热能无法被利用的情况，导致火力发电系统中的锅炉机组效率降低，并且火力发电系统长期在低负荷工况下运行时，锅炉机组内部动力场、温度场会发生较大偏差，影响设备寿命和安全，另外，锅炉机组在低负荷工况下运行也会使运行难度加大，工作量增加。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种火力发电系统及其运行方法，可提高现有火力发电系统的深度调峰能力，同时，又能保证火力发电系统的安全稳定运行，避免能源的浪费。
6.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
7.本发明的一种火力发电系统，包括锅炉、汽轮机、发电机、给水系统、储热系统以及第一换热单元；
8.所述给水系统的水工质出口通过管道与所述锅炉的水工质入口连接，用于向所述锅炉提供水工质；
9.所述锅炉的蒸汽出口与所述汽轮机的蒸汽入口连接，以利用蒸汽驱动所述汽轮机带动发电机发电；
10.所述第一换热单元设置于所述锅炉内部或外部，所述储热系统通过所述第一换热单元吸收所述锅炉内的热能并存储备用。
11.本发明的的一种火力发电系统，当所述第一换热单元设置于所述锅炉内部时，所述第一换热单元为设置于所述锅炉内的换热管，所述储热系统的低温储热介质出口通过管道与所述换热管的储热介质入口连接，所述换热管的储热介质出口通过管道与所述储热系统的高温储热介质入口连接；
12.当所述第一换热单元设置于所述锅炉外部时，所述第一换热单元为设置于所述锅炉外部的换热器，所述储热系统的低温储热介质出口通过管道与所述换热器的储热介质入口连接，所述换热器的储热介质出口通过管道与所述储热系统的高温储热介质入口连接，
所述换热器的烟气入口通过管道与所述锅炉的炉膛连接，所述换热器的烟气出口通过管道与锅炉的炉膛、大气或者其他外接机构中的至少一个连接。
13.本发明的一种火力发电系统，包括高温换热系统；所述汽轮机的冷再热蒸汽排出口通过管道与所述高温换热系统的蒸汽入口连接，所述高温换热系统的蒸汽出口通过管道与所述汽轮机的热再热蒸汽入口连接，所述储热系统的高温储热介质出口通过管道与所述高温换热系统的储热介质入口连接，所述高温换热系统的储热介质出口通过管道与所述储热系统的低温储热介质入口连接。
14.本发明的一种火力发电系统，包括低温换热系统；所述汽轮机的冷再热蒸汽排出口通过管道与所述低温换热系统的蒸汽入口连接，所述低温换热系统的蒸汽出口通过管道与所述给水系统的冷凝入口连接；所述储热系统的低温储热介质出口通过管道分别与所述低温换热系统的储热介质入口和所述第一换热单元的储热介质入口连接，所述低温换热系统的储热介质出口通过管道与所述储热系统的低温储热介质入口连接。
15.本发明的一种火力发电系统，所述储热系统的高温储热介质出口处设有高温泵；所述储热系统的低温储热介质出口处设有低温泵。
16.本发明的一种火力发电系统，所述汽轮机的冷再热蒸汽排出口与所述高温换热系统的蒸汽入口之间的管道上设有第一汽水阀门；
17.所述汽轮机的冷再热蒸汽排出口与所述低温换热系统的蒸汽入口之间的管道上设有第二汽水阀门。
18.本发明的一种火力发电系统，所述低温换热系统的蒸汽出口与所述给水系统的冷凝入口之间的管道上设有第三汽水阀门。
19.本发明的一种火力发电系统，所述储热系统的低温储热介质出口与所述第一换热单元的储热介质入口之间的管道上设有第一储热介质阀；
20.所述储热系统的低温储热介质出口与所述低温换热系统的储热介质入口之间的管道上设有第二储热介质阀。
21.本发明的一种火力发电系统，还包括余热回收装置，所述余热回收装置设于所述低温换热系统的蒸汽出口与所述给水系统的冷凝入口之间的管道上。
22.本发明的一种火力发电系统，所述汽轮机的乏汽排出口通过管道与所述给水系统的冷凝入口连接，且所述汽轮机的乏汽排出口与所述给水系统的冷凝入口之间的管道上设有第四汽水阀门。
23.本发明的一种火力发电系统，所述给水系统包括通过管道相连的冷凝系统和给水泵。
24.本发明的一种运行方法，应用于上述任意一项所述的火力发电系统，运行模式如下：
25.发电模式：所述储热系统通过所述第一换热单元吸收所述锅炉内的热能并存储；同时，所述储热系统内的热能导出并加热所述汽轮机排出的冷再热蒸汽为热再热蒸汽，所述热再热蒸汽进入所述汽轮机继续做功；
26.储能模式：所述储热系统通过所述第一换热单元吸收所述锅炉内的热能并存储；同时，所述汽轮机排出的冷再热蒸汽通过换热器将热能导出并存储至所述储热系统备用；
27.储能发电混合模式：所述储热系统通过所述第一换热单元吸收所述锅炉内的热能
并存储；所述汽轮机排出的冷再热蒸汽分为两路，一路由储热系统内的热能加热为热再热蒸汽进入所述汽轮机继续做功，另一路通过换热器将热能导出并存储至所述储热系统。
28.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
29.1、本发明一实施例通过在现有包括锅炉、汽轮机、发电机和给水系统的火力发电系统的基础上进一步设置了第一换热单元和储热系统；第一换热单元设置在锅炉的内部或外部，用于将锅炉内的热能通过第一换热单元导出至储热系统内进行存储以备用。这种设置方式可以大幅度增加火力发电系统的深度调峰能力，锅炉存在最低稳燃负荷要求，而如仍需要降低火力发电系统的输出，则可通过第一换热单元将锅炉位于最低稳燃要求时产生的多出电网需求的热能引出至储热系统进行储存，从而提高了火力发电系统的深度调峰能力，同时也可避免锅炉在低于最低稳燃负荷要求的工况下运行；而当需要提升火力发电系统的输出时，可将储热系统内的热能导出进行发电，可以加快火力发电系统提升输出的响应时间，同时提升了火力发电系统的峰值输出，提高机组运行经济性和安全性，解决了现有火电机组在最低设计工况时产生能源浪费的问题。
30.2、本发明一实施例中，第一换热单元可利用锅炉内原有换热器(如再热器)进行改造，对原有机组工艺系统改造小，改造成本低，工期短，易于实施；新增储热系统使用寿命长、维护成本低。
31.3、本发明一实施例可以根据调峰和储能需求设计高温储热单元和低温储热单元的容量，储热过程和放热过程相互独立，系统运行灵活度高，电厂可通过自身调峰需求定制运行模式和储能方案。
32.4、本发明一实施例中，储热介质没有损耗，储换热效率高达99％，系统综合效率高，能耗损失小，经济效益好；储热参数高，选用的储热介质为熔盐时，熔盐储热温度可以达到550℃以上，放热蒸汽参数高。
33.5、本发明一实施例中，机组运行模式切换简单方便，调峰速度快，能够满足电力系统负荷大幅度波动的调节要求；同时改善整个机组的启停速度和变负荷能力。
附图说明
34.图1为本发明的适用于现有火电机组深度调峰的储热系统的示意图；
35.图2为本发明的适用于现有火电机组深度调峰的储热系统的发电模式的示意图；
36.图3为本发明的适用于现有火电机组深度调峰的储热系统的储能模式的示意图。
37.附图标记说明：1：第一换热单元；2：高温储罐；3：高温泵；4：高温换热系统；5：低温储罐；6：低温泵；7：低温换热系统；8-1：第一介质管道；8-2：第二介质管道；8-3-1：第三介质管道；8-3-2：第六介质管道；8-4：第四介质管道；8-5：第五介质管道；9-1：第一储热介质阀；9-2：第二储热介质阀；10-1：第一汽水管道；10-2：第二汽水管道；10-3：第三汽水管道；10-4：第四汽水管道；10-5：第五汽水管道；10-6：回流管道；11-1：第一汽水阀门；11-2：第二汽水阀门；11-3：第四汽水阀门；11-4：第三汽水阀门；12：余热回收装置；13：冷凝系统；14：给水泵；15：锅炉；16：汽轮机；17：发电机。
具体实施方式
38.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种火力发电系统及其运行方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
39.参看图1至图3，在一个实施例中，一种火力发电系统，包括锅炉15、汽轮机16、发电机17、给水系统、储热系统以及第一换热单元1。
40.其中，给水系统的水工质出口通过回流管道10-6与锅炉15的水工质入口连接，用于向锅炉15提供水工质。锅炉15的蒸汽出口与汽轮机16的蒸汽入口通过第一汽水管道10-1连接，以利用蒸汽驱动汽轮机16带动发电机17发电。
41.第一换热单元1则是设置于锅炉15内部或外部，储热系统通过第一换热单元1吸收锅炉15内的热能并存储备用。
42.本实施例通过在现有包括锅炉15、汽轮机16、发电机17和给水系统的火力发电系统的基础上进一步设置了第一换热单元1和储热系统；第一换热单元1设置在锅炉的内部或外部，用于将锅炉15内的热能通过第一换热单元1导出至储热系统内进行存储以备用。这种设置方式可以大幅度增加火力发电系统的深度调峰能力，锅炉15存在最低稳燃负荷要求，而如仍需要降低火力发电系统的输出，则可通过第一换热单元1将锅炉位于最低稳燃要求时产生的多出电网需求的热能引出至储热系统进行储存，从而提高了火力发电系统的深度调峰能力，同时也可避免锅炉15在低于最低稳燃负荷要求的工况下运行；而当需要提升火力发电系统的输出时，可将储热系统内的热能导出进行发电，可以加快火力发电系统提升输出的响应时间，同时提升了火力发电系统的峰值输出，提高机组运行经济性和安全性，解决了现有火电机组在最低设计工况时产生能源浪费的问题。
43.下面对本实施例的火力发电系统的具体结构进行进一步说明：
44.在本实施例中，当第一换热单元1设置于锅炉15内部时，第一换热单元1可为设置于锅炉15内的换热管，储热系统的低温储热介质出口通过第四介质管道8-4与换热管的储热介质入口连接，换热管的储热介质出口通过第一介质管道8-1与储热系统的高温储热介质入口连接。
45.当第一换热单元1设置于锅炉15外部时，第一换热单元1为设置于锅炉15外部的换热器，储热系统的低温储热介质出口通过第四介质管道8-4与换热器的储热介质入口连接，换热器的储热介质出口通过第一介质管道8-1与储热系统的高温储热介质入口连接，换热器的烟气入口通过管道与锅炉的炉膛连接，换热器的烟气出口通过管道与锅炉的炉膛、大气或者其他外接机构中的至少一个连接。
46.其中，第一换热单元1可利用锅炉内原有换热器(如再热器)进行改造，对原有机组工艺系统改造小，改造成本低，工期短，易于实施；新增储热系统使用寿命长、维护成本低。
47.在本实施例中，火力发电系统可包括高温换热系统4。汽轮机16的冷再热蒸汽排出口通过第二汽水管道10-2及其第一分支与高温换热系统4的蒸汽入口连接，高温换热系统4的蒸汽出口通过第三汽水管道10-3与汽轮机的热再热蒸汽入口连接。储热系统的高温储热介质出口通过第二介质管道8-2与高温换热系统4的储热介质入口连接，高温换热系统4的储热介质出口通过第三介质管道8-3-1与储热系统的低温储热介质入口连接。
48.火力发电系统还可包括低温换热系统7。汽轮机的冷再热蒸汽排出口通过第二汽水管道10-2及其第二分支与低温换热系统7的蒸汽入口连接，低温换热系统7的蒸汽出口通
过第五汽水管道10-5与给水系统的冷凝入口连接。储热系统的低温储热介质出口通过总管和第五介质管道8-5与低温换热系统7的储热介质入口连接，储热系统的低温储热介质出口还通过总管和第四介质管道8-4与第一换热单元1的储热介质入口连接，低温换热系统7的储热介质出口通过第六介质管道8-3-2与储热系统的低温储热介质入口连接。
49.其中，高温换热系统4和低温换热系统7可为单个换热器，也可由多级换热器组成，在此不做具体限定。
50.在本实施例中，上述第二介质管道8-2上设有高温泵3，从而将储热介质从储热系统的高温储热介质出口泵出。上述的总管上设有低温泵6，用于将储热介质从储热系统的低温储热介质出口泵出。
51.在本实施例中，第一分支上设有第一汽水阀门11-1。第二分支上设有第二汽水阀门11-2。汽轮机16的乏汽排出口通过第四汽水管道10-4与给水系统的冷凝入口连接，且第四汽水管道10-4上设有第四汽水阀门11-3。第五汽水管道10-5上设有第三汽水阀门11-4。其中，第一汽水阀门11-1和第二汽水阀门11-2的开闭可控制冷再热蒸汽是否流向高温换热系统4和低温换热系统7；第四汽水阀门11-3的开闭可控制乏汽是否流向给水系统进行水工质的循环；第三汽水阀门11-4则可控制在低温换热系统7处释放热量后的冷再热蒸汽回流至给水系统进行水工质的循环。
52.下面以火力发电系统的蒸汽流向进行说明：锅炉内产生的蒸汽先通过第一汽水管道10-1输出至汽轮机16的高压缸做功，并形成冷再热蒸汽经由第二汽水管道10-2输出至高温换热系统4内吸热，形成热再热蒸汽，再经由第三汽水管道10-3输送回汽轮机16的中低压缸进行做功，做功后的蒸汽经由第四汽水管道10-4输送至给水系统的冷凝入口，并再由给水系统经回流管道10-6输送回锅炉15进行下一循环。
53.在本实施例中，第四介质管道8-4上设有第一储热介质阀9-1，第五介质管道8-5上设有第二储热介质阀9-2。通过两个储热介质阀的开闭可控制储热系统的低温储热介质出口处泵出的储热介质的流向，即是流向第一换热单元1还是流向低温换热系统7。
54.在本实施例中，储热系统可以是双罐储热系统，也可以是单罐储热系统，双罐储热系统是指低温储热介质和高温储热介质分别存储于低温储罐5和高温储罐2中的储热系统，单罐储热系统是指低温储热介质和高温储热介质均存储在同一储罐的相互分隔的两个区间中的储热系统。本实施例可以根据调峰和储能需求设计高温储罐2和低温储罐5或是存储低温储热介质和高温储热介质的两个区间的容量，储热过程和放热过程相互独立，系统运行灵活度高，电厂可通过自身调峰需求定制运行模式和储能方案。
55.下面以双罐储热系统为例，对火力发电系统的储热介质流向进行说明：储热介质在第一换热单元1内吸收热量后经由第一介质管道8-1进入高温储罐2内进行储存，当需要进行做功时，则可由高温泵3提供动力将储热介质从高温储罐2经由第二介质管道8-2输出至高温换热系统4与冷再热蒸汽进行换热，换热后储热介质则经由第三介质管道8-3-1输送至低温储罐5。当储热介质需要进入下一循环时，则由低温泵6提供动力将储热介质从低温储罐5经由第四介质管道8-4输出至第一换热单元1开始新的循环。
56.在本实施例中，火力发电系统还可包括余热回收装置12，该余热回收装置12设于第五汽水管道10-5上，从而将经过低温换热系统7吸收热量的冷再热蒸汽内的热能进行进一步利用，余热回收装置12可根据用户需求对外供热。
57.在本实施例中，给水系统具体可包括设置在回流管道10-6上的冷凝系统13和给水泵14。
58.在本实施例中，储热系统还可包括仪表热控系统，仪表热控系统分别与上述的各个阀门和各个泵信号连接。仪表热控系统具体可包含压力表、温度计、流量计等仪器仪表。根据仪表热控系统和用户需求，用户可以通过远程控制实现系统发电和储能模式的切换和系统具体参数的调节。
59.在本实施例中，储热介质具体可为熔盐，则高温储罐2和低温储罐5分别为高温熔盐储罐和低温熔盐储罐，高温泵3和低温泵6分别为高温熔盐泵和低温熔盐泵。本实施例的储热介质没有损耗，储换热效率高达99％，系统综合效率高，能耗损失小，经济效益好；储热参数高，选用的储热介质为熔盐时，熔盐储热温度可以达到550℃以上，放热蒸汽参数高。
60.下面以一些具体实例对本实施例的火力发电系统的深度调峰能力进行说明：
61.例如，以电网不需火力发电系统的电能输入为例，本实施例的火力发电系统的锅炉15维持在最低稳燃负荷要求，此时可将锅炉15内产生的热量通过第一换热单元1传递至熔盐中后全部导出至储热系统内进行存储备用，锅炉15内产生的热量不会产生蒸汽，也不会驱动汽轮机运转，从而使得火力发电系统不会向电网输出电能。而当电网所需的电能低于锅炉在最低稳燃负荷要求时产生的电能时，可通过熔盐流量变化来控制第一换热单元1导出热能的量，控制锅炉内剩余热量产生蒸汽的量，从而控制火力发电系统的发电量，使得火力发电系统的电能输出与电网的需求相匹配。
62.而当电网的需求快速增加，需要快速响应时，则可将高温储罐2内的熔盐导出，通过高温换热系统4与汽轮机16排出的冷再热蒸汽换热，形成热再热蒸汽，进入汽轮机16的中低压缸进行做功，从而加快火力发电系统对电网需求的响应速度。
63.实施例二
64.本实施例提供了一种运行方法，应用于上述实施例一中的火力发电系统，具体可包括以下模式：
65.发电模式：储热系统通过第一换热单元1吸收锅炉15内的热能并存储；同时，储热系统内的热能导出并加热汽轮机16排出的冷再热蒸汽为热再热蒸汽，热再热蒸汽进入汽轮机16继续做功；
66.储能模式：储热系统通过第一换热单元1吸收锅炉15内的热能并存储；同时，汽轮机16排出的冷再热蒸汽通过低温换热系统7将热能导出并存储至储热系统备用；
67.储能发电混合模式：储热系统通过第一换热单元1吸收锅炉15内的热能并存储；汽轮机16排出的冷再热蒸汽分为两路，一路由储热系统内的热能加热为热再热蒸汽进入汽轮机16继续做功，另一路通过低温换热系统7将热能导出并存储至储热系统。
68.下面以储热介质为熔盐、储热系统包括低温储罐5和高温储罐2为例，对上述的各个模式进行具体展开说明：
69.发电模式：参看图2，熔盐经过第一换热单元1吸收热量进入高温储罐2，通过高温泵3提供动力将高温熔盐送入高温换热系统4与蒸汽进行换热，经过换热的熔盐变成低温熔盐进入低温储罐5，低温泵6提供动力将低温熔盐送回锅炉吸收热量，完成熔盐系统的循环；此时，第一储热介质阀9-1处于开启状态，第二储热介质阀9-2处于关闭状态。
70.同步的，水工质在锅炉15内被加热到额定状态后进入汽轮机16的高压缸做功，形
成冷再热蒸汽进入高温换热系统4，经过加热后输出的热再热蒸汽进入汽轮机16的中低压缸继续做功；做功后排出的乏汽进入冷凝系统13，随后通过给水泵14和回流管道10-6返回锅炉15，完成汽水系统的循环；此时，第一汽水阀门11-1和第四汽水阀门11-3处于开启状态，第二汽水阀门11-2和第三汽水阀门11-4处于关闭状态。
71.储能模式：参看图3，水工质在锅炉内被加热到额定状态后进入汽轮机16的高压缸做功，冷再热蒸汽进入低温换热系统7，与低温熔盐换热后经过余热回收装置12回收部分热量，进入冷凝系统13，随后通过给水泵14和回流管道10-6返回锅炉，完成汽水系统的循环；此时第一汽水阀门11-1和第四汽水阀门11-3处于关闭状态，第二汽水阀门11-2和第三汽水阀门11-4处于开启状态。
72.同步的，通过低温泵6提供动力，一部分低温熔盐进入低温换热系统7与冷再热蒸汽换热，吸热后的低温熔盐返回低温储罐5进行低温熔盐的储能，另一部分低温熔盐返回锅炉吸收热量；此时，第一储热介质阀9-1和第二储热介质阀9-2同时处于开启状态，并可以根据阀门开度调节流量。
73.储能发电混合模式：参看图1，水工质在锅炉内被加热到额定状态后进入汽轮机16的高压缸做功，冷再热蒸汽进入分别进入高温换热系统4和低温换热系统7，一部分蒸汽经过加热后形成的热再热蒸汽进入汽轮机16的中低压缸继续做功，同时剩余部分蒸汽与低温熔盐换热后经过余热回收装置12回收部分热量，自汽轮机16排出的乏汽与自预热回收装置排出的蒸汽汇合后进入冷凝系统13，随后通过给水泵14和回流管道10-6返回锅炉15，完成汽水系统的循环；此时第一汽水阀门11-1、第二汽水阀门11-2、第四汽水阀门11-3和第三汽水阀门11-4均处于开启状态，并通过开度调节蒸汽比例，进而调节系统储能和发电比例。
74.同步的，高温储罐22内的高温熔盐通过高温泵3提供动力将高温熔盐送入高温换热系统4与蒸汽进行换热，经过换热的熔盐变成低温熔盐进入低温储罐5，低温熔盐泵提供动力将低温熔盐分别送回锅炉15和低温换热系统7换热后返回低温储罐5；此时第一储热介质阀9-1和第二储热介质阀9-2均处于开启状态，并通过开度调节熔盐比例，进而调节系统储能和发电比例。
75.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。