集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组及其运行方法与流程

1.本发明属于燃煤发电技术领域，具体涉及一种集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组及其运行方法。


背景技术：

2.在双碳目标愿景下，风电、光伏等可再生能源迎来了飞速发展，装机规模不断上升，然而由于此类可再生能源固有的随机性，大规模的并网对现有的电力系统带来了较大的冲击。因此，提高现有电网的柔韧性成为当下重要的发展方向。而作为现有电网的重要供能单位，燃煤发电机组负荷调节能力的提升意义重大。
3.在此背景下，燃煤发电机组面临的挑战主要来自于两个方面：一个是低负荷运行能力。为了支撑区域内可再生能源的发展，燃煤机组需要在可再生能源负荷较高时能低负荷运行，以减少弃风弃光的发生，助力区域低碳。而目前燃煤机组在较低负荷运行时，锅炉炉膛燃料减少，燃烧环境变得恶劣，无法维持很好的稳燃条件，并且会导致尾部烟道烟温降低，极大的影响脱硝设备催化剂活性，进而影响脱硝的效果；另一方面是顶峰运行能力，典型的场景如夏季，昼夜用电负荷差别巨大，机组顶峰能力有限，会导致白天个别时间供电不足。因此，如何提高燃煤发电机组的运行灵活性成为其技术发展的重要方向。


技术实现要素：

4.针对现有方法的不足，本发明提供一种集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组及其运行方法，在传统燃煤发电系统中集成超临界二氧化碳储能系统，根据实际需求，改变系统的运行模式，使发电机组在低负荷运行的情况下保证脱硝设备的效率和锅炉稳燃特性，同时在高负荷时获得更高的顶峰能力。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组，包括燃煤锅炉、超临界二氧化碳储能系统和汽轮机系统；
7.所述燃煤锅炉的烟道内设置省煤器、脱硝设备和第三级空气预热器；
8.所述汽轮机系统包括高压缸、中压缸、低压缸、凝汽器、凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵和高压加热器，所述高压缸的蒸汽入口与燃煤锅炉过热器的蒸汽出口连接，所述高压缸的蒸汽出口依次与燃煤锅炉的再热器、中压缸、低压缸、凝汽器、凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵和高压加热器连接，所述高压加热器出口通过控制阀三分别连接省煤器和换热器，所述换热器与凝汽器连接；
9.所述超临界二氧化碳储能系统包括高压储气罐和低压储气罐，所述低压储气罐与第二级空气预热器、压缩机、第一级空气预热器、高压储气罐连接，所述高压储气罐与换热器、第一级透平、第二级透平、低压储气罐依次连接；
10.空气经由所述第一级空气预热器、第二级空气预热器和第三级空气预热器进入燃煤锅炉。
11.优选地，所述控制阀三连接控制阀一，所述控制阀一的其一通路与省煤器直接连接，所述控制阀一的另一通路通过给水预热器与省煤器连接；
12.所述低压储气罐连接控制阀二，所述控制阀二其一通路与第二级空气预热器直接连接，所述控制阀二另一通路与通过给水预热器与第二级空气预热器连接。
13.优选地，所述换热器、第一级透平之间还设置加热器一，所述第一级透平、第二级透平之间还设置加热器二。
14.优选地，所述低压加热器、除氧器和高压加热器的抽汽分别来自低压缸、中压缸和高压缸。
15.优选地，所述高压缸、中压缸、低压缸和发电机同轴连接；所述第一级透平和第二级透平同轴连接；所述压缩机、高压缸、第一级透平通过可切换连接方式的联轴器连接。
16.一种集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组的运行方法，包括单独或者联合运行的储能模式和释能模式；所述储能模式包括：所述低压储气罐的工质经过第二级空气预热器放热、压缩机升温升压、第一级空气预热器放热后进入高压储气罐；所述释能模式包括高压储气罐的工质经过换热器预热、透平做功进入低压储气罐。
17.优选地，所述储能模式包括：当检测到脱硝设备前的烟气温度较低时，若低压储气罐的工质温度高于高压加热器出口水温，低压储气罐的工质经过控制阀一和控制阀二的调节，进入给水预热器加热燃煤锅炉的给水，接着放热后的工质在第二级空气预热器中进一步放热加热空气，之后工质经压缩机升温升压后，经过第一级空气预热器放热进入高压储气罐。
18.优选地，所述储能模式还包括：当检测到脱硝设备前的烟气温度较低时，若低压储气罐的工质温度低于高压加热器出口水温，通过控制阀一和控制阀二的调节，给水预热器不投运，工质在第二级空气预热器中放热加热空气，之后工质经压缩机升温升压后，经过第一级空气预热器放热进入高压储气罐。
19.优选地，所述释能模式包括：当电负荷需求较大时，高压储气罐的工质依次经过换热器预热、加热器一加热后进入第一级透平膨胀做功，之后加热器二加热后进入第二级透平膨胀做功后进入低压储气罐。
20.优选地，所述释能模式还包括：当电负荷需求较小时，加热器一、加热器二不工作，高压储气罐的工质经过换热器加热后依次进入第一级透平和第二级透平膨胀做功，之后进入低压储气罐。
21.本发明的积极有益效果：
22.1.本发明公开了一种集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组，通过在燃煤系统中集成超临界二氧化碳储能系统，并依据能量匹配的原理进行运行，保证系统低负荷运行时脱硝设备的效率和锅炉稳燃特性，同时在高负荷时获得更高的顶峰能力，具体表现为：当发电机组在低负荷运行时，炉膛温度和排烟温度降低，此时不利于炉膛燃烧环境的稳定和脱硝设备的高效运行，通过在燃煤系统中集成超临界二氧化碳储能系统，并采用储能模式，可以提高锅炉给水温度，减少给水在省煤器的吸热量，进而提高进入脱硝设备的烟气温度，同时提高入炉空气温度，改善炉膛燃烧环境并提高排烟温度；另外在释能模式下，在电负荷有需求的情况下，辅助机组提高发电量，从而提高机组的顶峰能力，储能模式、释能模式联合运行使发电机组有灵活的调节能力。本发明保证能级匹配，高效用能，低负荷运行的情况
下保证脱硝设备的效率和锅炉稳燃特性，同时在高负荷时获得更高的顶峰能力。
23.2.本发明储能模式和释能模式单独或者联合运行，更能使发电机组有灵活的调节能力，例如运行模式一和运行模式三的联合运行可以实现发电量不变的情况下排烟温度和入炉空气温度提高，应对各种复杂的现实需求。
附图说明
24.图1为集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组结构示意图；
25.图2是集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组运行模式一结构示意图；
26.图3是集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组运行模式二结构示意图；
27.图4是集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组运行模式三结构示意图；
28.图5是集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组运行模式四结构示意图；
29.图中：1-燃煤锅炉，2-省煤器，3-脱硝设备，4-第二级空气预热器，5-第一级空气预热器，6-第二级空气预热器，7-给水预热器，8-控制阀一，9-控制阀二，10-压缩机，11-联轴器，12-高压储气罐，13-低压储气罐，14-换热器，15-加热器一，16-第一级透平，17-加热器二，18-第二级透平，19-控制阀三，20-高压缸，21-中压缸，22-低压缸，23-发电机，24-凝汽器，25-凝结水泵，26-低压回热加热器，27-除氧器，28-给水泵，29-高压加热器。
具体实施方式
30.下面结合一些具体实施例对本发明进一步说明。
31.实施例1
32.参见图1，一种集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组，包括燃煤锅炉、超临界二氧化碳储能系统和汽轮机系统；
33.燃煤锅炉1的烟道内设置省煤器2、脱硝设备3和第三级空气预热器4，锅炉烟气在放热过程中依次经过省煤器2、脱硝设备3和第三级空气预热器4，然后送入除尘设备；
34.汽轮机系统包括高压缸20、中压缸21、低压缸22、凝汽器24、凝结水泵25、低压加热器26、除氧器27、给水泵28和高压加热器29，高压缸20的蒸汽入口与燃煤锅炉1过热器的蒸汽出口连接，高压缸20的蒸汽出口依次与燃煤锅炉1的再热器、中压缸21、低压缸22、凝汽器24、凝结水泵25、低压加热器26、除氧器27、给水泵28和高压加热器29连接，高压加热器29出口通过控制阀三19分别连接省煤器2和换热器14，换热器14与凝汽器24连接，高压加热器29出口的一部分给水经控制阀三19进入省煤器2，另一部分给水经控制阀三19进入换热器14对高压储气罐12出口的气体进行加热后返回凝汽器24；
35.超临界二氧化碳储能系统包括高压储气罐12、换热器14、第一级透平16、第二级透平18、低压储气罐13、第二级空气预热器6、压缩机10和第一级空气预热器5，低压储气罐13与第二级空气预热器6、压缩机10、第一级空气预热器5、高压储气罐12连接，高压储气罐12与换热器14、第一级透平16、第二级透平18、低压储气罐13依次连接；
36.空气经由第一级空气预热器5、第二级空气预热器6和第三级空气预热器4加热后进入燃煤锅炉1。
37.进一步地，控制阀三19连接控制阀一8，控制阀一8的其一通路与省煤器2直接连接，控制阀一8的另一通路通过给水预热器7与省煤器2连接；
38.低压储气罐13连接控制阀二9，控制阀二9其一通路与第二级空气预热器6直接连接，控制阀二9另一通路与通过给水预热器7与第二级空气预热器6连接。
39.若低压储气罐13的气体温度高于高压加热器29出口水温，低压储气罐13的工质经过控制阀一8和控制阀二9的调节，进入给水预热器7加热燃煤锅炉1的给水，接着放热后的工质在第二级空气预热器6中进一步放热加热空气，之后工质经压缩机10升温升压后，经过第一级空气预热器5放热进入高压储气罐12；
40.若低压储气罐13的气体温度低于高压加热器29出口水温，则通过控制阀一8调节进入给水预热器7的给水流量为0，低压储气罐13出口气体经过控制阀二9调节进入给水预热器7的气体流量为0，给水预热器7不运行。
41.进一步地，换热器14、第一级透平16之间还设置加热器一15，第一级透平16、第二级透平18之间还设置加热器二17。
42.当电负荷需求大时，高压储气罐12的工质依次经过换热器14预热、加热器一15加热后进入第一级透平16膨胀做功，之后加热器二17加热后进入第二级透平18膨胀做功后进入低压储气罐13；
43.当电负荷需求不大时，高压储气罐12的工质依次进入第一级透平16、第二级透平18膨胀做功，无需外界加热器加热，即可满足电负荷需求。
44.进一步地，低压加热器26、除氧器27和高压加热器29的抽汽分别来自低压缸22、中压缸21和高压缸20。
45.进一步地，高压缸20、中压缸21、低压缸22和发电机23同轴连接；第一级透平16和第二级透平18同轴连接；压缩机10、高压缸20、第一级透平16通过可切换连接方式的联轴器11连接，需要压缩机10运行时，联轴器11将压缩机10与高压缸20的轴连接，需要第一级透平16和第二级透平18运行时，联轴器11将第二级透平18与高压缸20的轴连接。
46.实施例2
47.一种实施例1所述的集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组的运行方法，包括单独或者联合运行的储能模式和释能模式；包括单独或者联合运行的储能模式和释能模式，储能模式包括：低压储气罐13的工质经过第二级空气预热器6放热、压缩机10升温升压、第一级空气预热器5放热后进入高压储气罐；释能模式包括：高压储气罐的工质经过换热器14预热、透平做功进入低压储气罐13。
48.进一步地，储能模式步骤如下(运行模式一)：参见图2，当检测到脱硝设备3前的烟气温度较低时，若低压储气罐13的工质温度高于高压加热器29出口水温，低压储气罐13的工质经过控制阀一8和控制阀二9的调节，进入给水预热器7加热燃煤锅炉1的给水，高压加热器29出口的给水经过控制阀三19、控制阀一8、给水预热器7进入省煤器2，接着放热后的工质在第二级空气预热器6中进一步放热加热空气，之后工质经压缩机10升温升压后，经过第一级空气预热器5放热进入高压储气罐12，此时减少给水在省煤器的吸热量，进而提高进入脱硝设备的烟气温度，同时空气入炉温度提高，可改善炉膛内稳燃特性同时提高省煤器2前烟气温度。
49.更进一步地，储能模式还包括(运行模式二)：参见图3，检测到脱硝设备3前的烟气温度较低时，若低压储气罐13的工质温度低于高压加热器29出口水温，通过控制阀一8和控制阀二9的调节，给水预热器7不投运，高压加热器29出口的给水经过控制阀三19、控制阀一
8进入省煤器2，工质在第二级空气预热器6中放热加热空气，之后工质经压缩机10升温升压后，经过第一级空气预热器5放热进入高压储气罐12，此时空气入炉温度提高，可改善炉膛内稳燃特性同时提高省煤器2前烟气温度。
50.进一步地，释能模式步骤如下(运行模式三)：参见图4，当电负荷需求较大时，高压储气罐12的工质依次经过换热器14预热、加热器一15加热后进入第一级透平16膨胀做功，之后加热器二17加热后进入第二级透平18膨胀做功后进入低压储气罐13，加热器一15和加热器二17出口气体温度不高于650℃，此释能模式能提供更多的发电量，适合电负荷需求大的情况。
51.更进一步地，释能模式还包括(运行模式四)：参见图5，当电负荷需求较小时，加热器一15、加热器二17不工作，高压储气罐12的工质经过换热器14加热后依次进入第一级透平16和第二级透平18膨胀做功，之后进入低压储气罐13，适合电负荷需求不大的情况。
52.运行模式除了单独运行外，还可联合运行，其中运行模式一可以和运行模式三联合运行，运行模式二可以和运行模式三或者运行模式四联合运行，应对各种复杂的现实需求。储能模式(运行模式一或者运行模式二)单独运行时，高压加热器29出口给水进入换热器14并返回凝汽器24这一通路不运行；释能模式(运行模式三或者运行模式四)单独运行时，第一级空气预热器5、第二级空气预热器6不运行，空气经过第三级空气预热器4加热后进入燃煤锅炉1，高压加热器29出口的一部分给水经过控制阀三19、控制阀一8进入省煤器2，高压加热器29出口的另一部分给水经控制阀三19进入换热器14对高压储气罐12出口的气体进行加热后返回凝汽器24。
53.进一步地，高压储气罐12和低压储气罐13的工质为超临界二氧化碳。
54.进一步地，低压储气罐13的压力大于7.39mpa，压缩机10入口处二氧化碳温度大于30.10℃，高压储气罐12的压力为20-40mpa，高压储气罐12的气体温度为190℃～500℃。
55.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组，其特征在于，包括燃煤锅炉、超临界二氧化碳储能系统和汽轮机系统；所述燃煤锅炉(1)的烟道内设置省煤器(2)、脱硝设备(3)和第三级空气预热器(4)；所述汽轮机系统包括高压缸(20)、中压缸(21)、低压缸(22)、凝汽器(24)、凝结水泵(25)、低压加热器(26)、除氧器(27)、给水泵(28)和高压加热器(29)，所述高压缸(20)的蒸汽入口与燃煤锅炉(1)过热器的蒸汽出口连接，所述高压缸(20)的蒸汽出口依次与燃煤锅炉(1)的再热器、中压缸(21)、低压缸(22)、凝汽器(24)、凝结水泵(25)、低压加热器(26)、除氧器(27)、给水泵(28)和高压加热器(29)连接，所述高压加热器(29)出口通过控制阀三(19)分别连接省煤器(2)和换热器(14)，所述换热器(14)与凝汽器(24)连接；所述超临界二氧化碳储能系统包括高压储气罐(12)和低压储气罐(13)，所述低压储气罐(13)与第二级空气预热器(6)、压缩机(10)、第一级空气预热器(5)、高压储气罐(12)连接，所述高压储气罐(12)与换热器(14)、第一级透平(16)、第二级透平(18)、低压储气罐(13)依次连接；空气经由所述第一级空气预热器(5)、第二级空气预热器(6)和第三级空气预热器(4)进入燃煤锅炉(1)。2.根据权利要求1所述的集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组，其特征在于，所述控制阀三(19)连接控制阀一(8)，所述控制阀一(8)的其一通路与省煤器(2)直接连接，所述控制阀一(8)的另一通路通过给水预热器(7)与省煤器(2)连接；所述低压储气罐(13)连接控制阀二(9)，所述控制阀二(9)其一通路与第二级空气预热器(6)直接连接，所述控制阀二(9)另一通路与通过给水预热器(7)与第二级空气预热器(6)连接。3.根据权利要求1所述的集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组，其特征在于，所述换热器(14)、第一级透平(16)之间还设置加热器一(15)，所述第一级透平(16)、第二级透平(18)之间还设置加热器二(17)。4.根据权利要求1所述的集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组，其特征在于，所述低压加热器(26)、除氧器(27)和高压加热器(29)的抽汽分别来自低压缸(22)、中压缸(21)和高压缸(20)。5.根据权利要求1所述的集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组，其特征在于，所述高压缸(20)、中压缸(21)、低压缸(22)和发电机(23)同轴连接；所述第一级透平(16)和第二级透平(18)同轴连接；所述压缩机(10)、高压缸(20)、第一级透平(16)通过可切换连接方式的联轴器(11)连接。6.一种权利要求1-5任一项所述的集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组的运行方法，其特征在于，包括单独或者联合运行的储能模式和释能模式，所述储能模式包括：低压储气罐(13)的工质经过第二级空气预热器(6)放热、压缩机(10)升温升压、第一级空气预热器(5)放热后进入高压储气罐；所述释能模式包括：高压储气罐的工质经过换热器(14)预热、透平做功进入低压储气罐(13)。7.根据权利要求6所述的集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组的运行方法，其特征在于，所述储能模式包括：当检测到脱硝设备(3)前的烟气温度较低时，若低压储气罐(13)的工质温度高于高压加热器(29)出口水温，低压储气罐(13)的工质经过控制阀一(8)
和控制阀二(9)的调节，进入给水预热器(7)加热燃煤锅炉(1)的给水，接着放热后的工质在第二级空气预热器(6)中进一步放热加热空气，之后工质经压缩机(10)升温升压后，经过第一级空气预热器(5)放热进入高压储气罐(12)。8.根据权利要求7所述的集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组的运行方法，其特征在于，所述储能模式还包括：当检测到脱硝设备(3)前的烟气温度较低时，若低压储气罐(13)的工质温度低于高压加热器(29)出口水温，通过控制阀一(8)和控制阀二(9)的调节，给水预热器(7)不投运，工质在第二级空气预热器(6)中放热加热空气，之后工质经压缩机(10)升温升压后，经过第一级空气预热器(5)放热进入高压储气罐(12)。9.根据权利要求6所述的集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组的运行方法，其特征在于，所述释能模式包括：当电负荷需求较大时，高压储气罐(12)的工质依次经过换热器(14)预热、加热器一(15)加热后进入第一级透平(16)膨胀做功，之后加热器二(17)加热后进入第二级透平(18)膨胀做功后进入低压储气罐(13)。10.根据权利要求9所述的集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组的运行方法，其特征在于，所述释能模式还包括：当电负荷需求较小时，加热器一(15)、加热器二(17)不工作，高压储气罐(12)的工质经过换热器(14)加热后依次进入第一级透平(16)和第二级透平(18)膨胀做功，之后进入低压储气罐(13)。

技术总结
本发明公开了一种集成超临界二氧化碳储能系统的发电机组及其运行方法，发电机组包括燃煤锅炉、超临界二氧化碳储能系统和汽轮机系统，燃煤锅炉的烟道内设置省煤器、脱硝设备和第三级空气预热器；汽轮机系统包括高压缸，高压缸的蒸汽入口与燃煤锅炉过热器的蒸汽出口连接，高压缸的蒸汽出口依次与燃煤锅炉的再热器、中压缸、低压缸、凝汽器、凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵和高压加热器连接，高压加热器出口通过控制阀三分别连接省煤器和换热器；超临界二氧化碳储能系统包括高压储气罐、低压储气罐、压缩机、透平和换热器。本发明使发电机组在低负荷运行的情况下保证脱硝设备的效率和锅炉稳燃特性，同时在高负荷时获得更高的顶峰能力。峰能力。峰能力。


技术研发人员：李玲 夏大伟 陈均 张帅辉 蒋玲芳 张步庭 张少锋 刘玮蔚 李敏 张小科 曹桂州 董锐锋 王放放 张盼
受保护的技术使用者：国网河南省电力公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/7