一种用于供热机组的热电解耦系统及方法

技术领域

本申请涉及燃煤机组供热技术领域，尤其涉及一种用于供热机组的热电解耦系统及方法。

背景技术

相关技术中，风电、光伏等可再生能源发电的规模和比重大幅提高，然而可再生能源具有波动性和间歇性等特点，接入电网后，需要其它机组增加调峰、调频等辅助服务的能力。在燃煤发电机组占据主体电源地位，同时大规模不稳定可再生能源亟待并网的双重背景下，煤电机组负荷调节能力亟待提高。对于供热机组，在采暖季，如何在满足供热的前提下，提升机组电出力调节能力，以满足民生保供要求，成为急需解决的问题。目前，部分电厂通过电锅炉供热、储热罐供热、热泵供热等技术手段，在一定程度上缓解了机组热电耦合、难以灵活运行的矛盾，但这些技术手段存在能耗较高、效率偏低、投资成本高等问题，一定程度上限制了其推广应用。

发明内容

为此，本申请提供一种用于供热机组的热电解耦系统及方法。本申请的技术方案如下：

根据本申请实施例的第一方面，提供一种用于供热机组的热电解耦系统，包括锅炉、过热器级间换热器、汽轮机组和热网加热器、发电机，所述锅炉包括一级过热器和二级过热器，其中，

所述一级过热器的入口与锅炉给水管路连接，所述一级过热器的出口依次连接所述过热器级间换热器的壳侧、所述二级过热器、所述汽轮机组和所述热网加热器的壳侧；

所述热网加热器的管侧通过循环管路与热网连接；

所述热网加热器的管侧出口与所述过热器级间换热器的壳侧入口连接，所述过热器级间换热器的壳侧出口与所述热网的热网供水管路连接；

所述汽轮机组通过传动轴与所述发动机连接；

所述过热器级间换热器用于利用锅炉中产生的热能对热网水进行补充供热。

根据本申请的一个实施例，所述系统还包括第一调节阀，其中，

所述第一调节阀的一端与所述热网加热器的管侧出口连接；

所述第一调节阀的另一端连接在所述热网加热器与所述热网供水管路之间的管路上。

根据本申请的一个实施例，所述汽轮机组包括高压缸、中压缸和低压缸，其中，

所述高压缸通过传动轴依次连接所述中压缸、所述低压缸和所述发电机；

所述二级过热器的出口依次连接所述高压缸、所述中压缸和所述低压缸；

所述中压缸的出口与所述热网加热器的壳侧入口连接。

根据本申请的一个实施例，所述锅炉还包括一级再热器、二级再热器和再热器级间换热器，其中，

所述高压缸的出口依次连接所述一级再热器、所述再热器级间换热器、所述二级再热器和所述中压缸的入口；

所述热网加热器的管侧出口与所述再热器级间换热器的壳侧入口连接；

所述再热器级间换热器的壳侧出口与所述热网供水管路连接。

根据本申请的一个实施例，所述系统还包括第二调节阀，其中，

所述第二调节阀的一端与所述热网加热器的管侧出口连接；

所述第二调节阀的另一端连接在所述热网加热器与所述热网供水管路之间的管路上。

根据本申请的一个实施例，所述系统还包括第三调节阀，其中，

所述第三调节阀连接在所述热网加热器与所述热网供水管路之间的管路上。

根据本申请的一个实施例，所述系统还包括凝汽器、凝结水泵、低压加热器组、除氧器、给水泵和高压加热器组，其中，

所述低压缸的出口依次连接所述凝汽器、所述凝结水泵、所述低压加热器组、所述除氧器、所述给水泵和所述高压加热器组；

所述高压加热器组通过所述锅炉给水管路与所述一级过热器的入口连接；

所述热网加热器的壳侧出口与所述低压加热器组的入口连接。

根据本申请实施例的第二方面，一种应用于如第一方面所述的用于供热机组的热电解耦系统的方法，包括：

响应于接收到机组对外供热指令，控制所述第一调节阀和所述第二调节阀关闭，控制所述第三调节阀打开；

响应于接收到提升对外供热量指令，获取目标热负荷值和当前电负荷值；

基于所述目标热负荷值和当前机组电负荷值，确定所述高压缸入口的主蒸汽目标温度值和所述中压缸入口的再热蒸汽目标温度值；

获取所述高压缸入口的当前主蒸汽温度值和所述中压缸入口的当前再热蒸汽温度值；

将所述主蒸汽目标温度值与所述当前主蒸汽温度值进行比对，基于比对结果调节所述第一调节阀的开合角度；

将所述再热蒸汽目标温度值与所述当前再热蒸汽温度值进行比对，基于比对结果调节所述第二调节阀的开合角度。

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

通过利用热网水对主蒸汽、再热蒸汽进行减温，提升了热网供水温度，增加了机组对外供热量；另外，降低了汽轮机入口过热蒸汽、再热蒸汽的温度，从而使机组发电功率降低，在提升机组供热能力的同时，降低机组电出力，提升了机组热电解耦运行的灵活性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请实施例中提出的一种用于供热机组的热电解耦系统的结构示意图；

图2为本申请实施例中提出的一种用于供热机组的热电解耦系统的方法的流程图。

1、过热器级间换热器；2、再热器级间换热器；3、一级过热器；4、二级过热器；5、一级再热器；6、二级再热器；7、热网加热器；8、第一调节阀；9、第二调节阀；10、第三调节阀；11、高压缸；12、中压缸；13、低压缸；14、发电机；15、凝汽器；16、凝结水泵；17、低压加热器组；18、除氧器；19、给水泵；20、高压加热器组。

具体实施方式

为了使本领域普通人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1为本申请实施例中提出的一种用于供热机组的热电解耦系统的结构示意图。

如图1所示，该用于供热机组的热电解耦系统包括：锅炉、过热器级间换热器1、汽轮机组和热网加热器7、发电机14，锅炉包括一级过热器3和二级过热器4。

其中，一级过热器3的入口与锅炉给水管路连接，一级过热器3的出口依次连接过热器级间换热器1的管侧、二级过热器4、汽轮机组和热网加热器7的壳侧；热网加热器7的管侧通过循环管路与热网连接；热网加热器7的管侧出口与过热器级间换热器1的壳侧入口连接，过热器级间换热器1的壳侧出口与热网的热网供水管路连接；汽轮机组通过传动轴与发动机连接；过热器级间换热器1用于利用锅炉中产生的热能对热网水进行补充供热。

该系统还包括第一调节阀8，其中，第一调节阀8的一端与热网加热器7的管侧出口连接；第一调节阀8的另一端连接在热网加热器7与热网供水管路之间的管路上。

需要说明的是，上述管侧可以是设备中用于传输高压介质的一侧，壳侧可以是设备中用于传输低压介质的一侧。其中，高压介质可以是蒸汽，也可以是水，低压介质可以是水，也可以是蒸汽。

作为一种可能的示例，水由锅炉给水管路流经给水加热装置后进入到一级过热器3中进行加热，形成高温水蒸汽，水蒸汽进入到过热器级间换热器1中。汽轮机中的蒸汽由汽轮机出口进入到热网加热器7中，与热网水回水进行换热。热网加热器7将加热后的热网回水输送至过热器级间换热器1中与上述水蒸气进行换热，升温后的热网水通过热网供水管路进入到热网中，降温后的水蒸汽进入到二级过热器4中进行二次加热。二次加热后的蒸汽进入到汽轮机组中做功，从而带动发电机14进行发电。

汽轮机组包括高压缸11、中压缸12和低压缸13，其中，高压缸11通过传动轴依次连接中压缸12、低压缸13和发电机14；二级过热器4的出口依次连接高压缸11、中压缸12和低压缸13；中压缸12的出口与热网加热器7的壳侧入口连接。

作为一种可能的示例，蒸汽由二级过热器4依次进入高压缸11、中压缸12和低压缸13中做功，从而带动发电机14发电，中压缸12出口的部分蒸汽进入到热网加热器7中，与热网加热器7中的热网水回水进行换热，从而加热热网水回水。

锅炉还包括一级再热器5、二级再热器6和再热器级间换热器2，其中，高压缸11的出口依次连接一级再热器5、再热器级间换热器2、二级再热器6和中压缸12的入口；热网加热器7的管侧出口与再热器级间换热器2的壳侧入口连接；再热器级间换热器2的壳侧出口与热网供水管路连接。

该系统还包括第二调节阀9，其中，第二调节阀9的一端与热网加热器7的管侧出口连接；第二调节阀9的另一端连接在热网加热器7与热网供水管路之间的管路上。

可以理解的是，作为一种可能的实施方式的示例，蒸汽由二级过热器加热后进入到高压缸11中做功，然后返回至锅炉中进行二次加热。

作为一种可能的示例，蒸汽由高压缸11进入到一级再热器5中进行加热，然后进入到再热器级间换热器2中，热网加热器7将热网水回水输送至再热器级间换热器2中，热网水回水与上述蒸汽进行换热后通过热网供水管路返回至热网中对外供热。上述蒸汽依次进入二级再热器6和中压缸12中。

需要说明的是，在本申请一些实施例中，通过热网水与主蒸汽和再热蒸汽进行换热，从而对热网水进行加热，进而对热网进行补充供热，相比于抽汽供热，能够实现在不减少进入汽轮机的蒸汽量的情况下，通过对蒸汽的温度控制实现电负荷调节，并实现热网的补充供热，有效提高了机组的热电解耦能力。

该系统还包括第三调节阀10，其中，第三调节阀10连接在热网加热器7与热网供水管路之间的管路上。

作为一种可能的示例，机组正常对外供热时，第一调节阀8和第二调节阀9关闭，第三调节阀10打开，热网水回水进入热网加热器7中，与中压缸12排汽进行换热，被加热后的热网水回水通过热网供水管路返回至热网中。当机组需要提升对外供热量时，将第一调节阀8和第二调节阀9打开，使部分热网水回水进入到过热器级间换热器1、再热器级间换热器2中，与主蒸汽和再热蒸汽进行换热。可以理解的是，由于蒸汽将部分热量传递给热网水，进入汽轮机的入口蒸汽温度降低。

该系统还包括凝汽器15、凝结水泵16、低压加热器组17、除氧器18、给水泵19和高压加热器组20，其中，低压缸的出口依次连接凝汽器15、凝结水泵16、低压加热器组17、除氧器18、给水泵19和高压加热器组20；高压加热器组20通过锅炉给水管路与一级过热器3的入口连接；热网加热器7的壳侧出口与低压加热器组17的入口连接。

作为一种可能的示例，蒸汽依次进入高压缸11、中压缸12、低压缸13中做功，从而带动发电机14发电，做功后的蒸汽依次进入凝汽器15、凝结水泵16、低压加热器组17、除氧器18、给水泵19和高压加热器组20，最终返回至一级过热器3中，完成循环。中压缸12的部分排汽进入到热网加热器7中，与热网水回水进行换热后进入到低压加热器组17中，与低压缸13输出的蒸汽一起返回至锅炉的一级过热器3中。

根据本申请实施例的用于供热机组的热电解耦系统，通过利用热网水对主蒸汽、再热蒸汽进行减温，一方面，提升了热网供水温度，增加了机组对外供热量；另一方面，降低了汽轮机入口过热蒸汽、再热蒸汽的温度，从而使机组发电功率降低。该发明在提升机组供热能力的同时，降低机组电出力，实现了机组热电解耦运行。另外，通过第一调节阀、第二调节阀，能够有效提高调节主蒸汽、再热蒸汽减温幅度的精准度，从而实现机组电负荷、热负荷的灵活调节。

图2为本申请实施例中提出的一种用于供热机组的热电解耦系统的方法的流程图。在本申请一些实施例中，如图2所示，该用于供热机组的热电解耦系统的方法包括：

步骤201，响应于接收到提升对外供热量指令，获取目标热负荷值。

可以理解的是，在需要机组正常对外供热时，可以控制第一调节阀8和第二调节阀9关闭，控制第三调节阀10打开。

步骤202，基于目标热负荷值和当前电负荷值，确定高压缸11入口的主蒸汽目标温度值和中压缸12入口的再热蒸汽目标温度值。

需要说明的是，当目标热负荷值和当前电负荷值确定后，高压缸11入口的主蒸汽目标温度值、中压缸12入口的再热蒸汽目标温度值以及机组主蒸汽流量之间存在对应关系。

作为一种可能的示例，可以预先基于计算分析结果或测试记录不同目标热负荷值和电负荷值所对应的高压缸11入口的主蒸汽目标温度值、中压缸12入口的再热蒸汽目标温度值以及机组主蒸汽流量值，需要提升热负荷时，可以根据目标热负荷值及当前电负荷值，确定与该目标热负荷值对应的高压缸11入口的主蒸汽目标温度值、中压缸12入口的再热蒸汽目标温度值以及机组主蒸汽流量值。

步骤203，获取高压缸11入口的当前主蒸汽温度值、中压缸12入口的当前再热蒸汽温度值。

作为一种可能实施的示例，可以在高压缸11入口以及中压缸12入口安装温度传感器，通过温度传感器检测高压缸11入口的当前主蒸汽温度值和中压缸12入口的当前再热蒸汽温度值。

步骤204，将主蒸汽目标温度值与当前主蒸汽温度值进行比对，基于比对结果调节第一调节阀8的开合角度。

可以理解的是，将主蒸汽目标温度值与当前主蒸汽温度值进行比对，差值越大，调节第一调节阀8的开合角度越大。

步骤205，将再热蒸汽目标温度值与当前再热蒸汽温度值进行比对，基于比对结果调节第二调节阀9的开合角度。

可以理解的是，将再热蒸汽目标温度值与当前再热蒸汽温度值进行比对，差值越大，调节第二调节阀9的开合角度越大。

作为一种可能实施的示例，还可以获取当前机组主蒸汽流量值和主蒸汽目标流量值，将机组主蒸汽目标流量值与当前主蒸汽流量值进行比对，基于比对结果调节锅炉给水流量及汽轮机进汽阀门。

举例来说，机组正常对外供热时，第一调节阀8、第二调节阀9关闭，第三调节阀10全开，热网循环水回水进入热网加热器7中被机组抽汽加热，之后送入热网供水管路。

此时，机组发电负荷为E，E＝f(P,M)＝f1(P)，P为机组主蒸汽压力，M为机组主蒸汽流量，发电负荷可以由机组主蒸汽压力确定。

机组抽汽供热模式下最大对外供热量Q，Q＝f2(E)＝f3(P)。

当机组需提升对外供热量(或降低发电负荷时)，打开第一调节阀8、第二调节阀9，引热网加热器7出口部分热网循环水进入过热器级间换热器1、再热器级间换热器2，与主蒸汽、再热蒸汽进行换热。由于蒸汽将部分热量传递给热网水，进入汽轮机组的入口蒸汽温度降低，

此时，机组电负荷E＝f4(P,T1,T2)，其中T1为汽轮机入口主蒸汽温度，T2为汽轮机入口再热蒸汽温度。由于T1、T2降低，机组电负荷E降低。

热网加热器7出口热网循环水进入过热器级间换热器1、再热器级间换热器2被蒸汽进一步加热，之后再对外供出，机组最大对外供热量

Q’＝Q+Q1＝f2(E)+Q1＝f4(P,T1,T2)+Q1

其中，Q1为热网循环水在过热器级间换热器1、再热器级间换热器2中吸收的热量。

Q1＝W

其中，W

故Q’＝f4(P,T1,T2)+f5(P,T1,T2)＝f6(P,T1,T2)，即供热量Q’也可由P、T1、T2确定。

而降温后主、再热蒸汽温度T1、T2由第一调节阀8、第二调节阀9的开度确定。通过第一调节阀8、第二调节阀9调节流经过热器级间换热器1、再热器级间换热器2的循环水流量，从而对主、再热蒸汽温度T1、T2进行调节。实现对机组电负荷及对外供热量的调节。机组主蒸汽流量可通过调节锅炉给水流量及汽轮机进汽阀门进行调节。

对主、再热蒸汽温度T1、T2进行调节时，主蒸汽可实现的最大降温值T1max为蒸汽进入高压缸11膨胀做功后，高压缸11排汽过热度为15℃。再热蒸汽可实现的最大降温值T2max为再热蒸汽进入中压缸12膨胀做功后，中压缸12排汽过热度为15℃。

该技术方案由于使得低压缸13入口蒸汽过热度降低，为避免低压缸13通流区域蒸汽湿度过大造成安全风险，因此该方案适用于低压缸13零出力供热机组、光轴供热机组、背压供热机组等低压缸13进汽流量处于限制状态的供热运行机组。

以亚临界300MW机组为例：

机组原设计主汽压力16.7MPa，主蒸汽、再热蒸汽温度538℃，主蒸汽流量1029t/h。机组低压缸13零出力供热模式下，对外供热量为484MW，机组发电负荷为195MW。采用该热电解耦系统后，控制高排蒸汽过热度为15℃，主蒸汽换热降温后温度为460℃，再热蒸汽温度460℃，机组发电负荷为166MW，机组对外总供热量为521MW，其中抽汽供热量454MW，主蒸汽换热供热量67MW。采用本方案，使机组电出力调节能力提升29MW，供热量提升37MW。

以超临界680MW机组为例：

机组原设计主汽压力24.2MPa，主蒸汽、再热蒸汽温度566℃，主蒸汽流量1029t/h。机组低压缸13零出力供热模式下，对外供热量为964MW，机组发电负荷为388MW。采用该热电解耦系统后，控制高排蒸汽过热度为15℃，主蒸汽换热降温后温度为505℃，再热蒸汽温度505℃，机组发电负荷为342MW，机组对外总供热量为1027MW，其中抽汽供热量920MW，主蒸汽换热供热量107MW。采用本方案，使机组电出力调节能力提升46MW，供热量提升63MW。

根据本申请实施例的用于供热机组的热电解耦系统的方法，通过利用热网水对主蒸汽、再热蒸汽进行减温，一方面，提升了热网供水温度，增加了机组对外供热量；另一方面，降低了汽轮机入口过热蒸汽、再热蒸汽的温度，从而使机组发电功率降低。该发明在提升机组供热能力的同时，降低机组电出力，实现了机组热电解耦运行。另外，通过第一调节阀第二调节阀，能够有效提高调节主蒸汽、再热蒸汽减温幅度的精准度，从而实现机组电负荷、热负荷的灵活调节。此外，本申请仅通过蒸汽级间换热器实现热网水与锅炉蒸汽的换热，进而实现热电解耦，能耗较低，效率较高，相比于电锅炉供热、储热罐供热和热泵供热等技术，有效降低了运行成本。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。