调峰系统以及方法
文献发布时间:2023-06-19 15:47:50
技术领域
本发明涉及火电厂调峰领域,具体涉及一种基于金属氢化物储能的调峰系统以及方法。
背景技术
根据中国电力企业联合会预测,2030年火电装机容量占总装机容量的51%,2050年进一步下降到38%。与此相对应的是,新能源装机占比将达到33%。而随着电力需求增速放缓,可再生能源装机容量迅速增长,使得电网高峰与低谷负荷的峰谷差最多超过一倍,给电网的调度带来了极大的困难。与新能源等电源相比,火电具有较好的调峰性能,让其参与深度调峰是当前电源供给侧改革的有效途径,也是提高企业生命周期的必要选择。
目前,火力发电厂一般情况下稳定运行的最低负荷为50%。当负荷逐步下降时,首先,会造成脱硝装置入口烟气温度过低,导致脱硝装置无法工作,出现污染物排放不达标的问题;在此基础上继续降低负荷时,由于燃烧物(煤粉、油等)的流量的进一步减小,会导致在锅炉中混合不均,锅炉无法稳定燃烧的问题;如果还要降低负荷,最终会使得锅炉内局部温度过低而导致熄火和黑炉的严重安全问题。
在保证锅炉的低负荷稳定燃烧的情况下,为了响应电网的调度,火力发电厂常用电加热的深度调峰系统,将超出电网需求的部分电能转化为热能进行储存。具体而言,通过将部分电能通过电加热水储能、电固体蓄热锅炉等调峰系统转化为显热进行储能,能有效降低火电机组的上网功率,实现深度调峰。
但这些调峰系统大多采用显热储能材料,显热储能的储热密度普遍较低,调峰系统占地较大,并且,显热储能的储/放热温度变化大,后续放热时无法提供稳定的热能,难以再利用,另外将能量单纯以热量的形式存储,大量热量在存储时逸散,造成调峰系统的整体能源浪费。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种基于金属氢化物储能的调峰系统以及方法,采用金属氢化物作为储能材料,利用分解和化合反应进行储/放热,储热密度高,放热均匀且能量转换效率高。
本发明第一方面提供了一种基于金属氢化物储能的调峰系统,调峰系统包括:锅炉、汽轮机、发电机、储热装置、冷凝器和储氢装置,储热装置包括金属氢化物模块,加热金属氢化物的电加热器,以及与金属氢化物模块进行热交换的热交换器;热交换器具有与冷凝器冷凝水出口相连的给水入口,以及与外部连通的蒸汽出口;储氢装置的氢气出口与储热装置的氢气入口相连。
根据该技术方案,当电网调度要求火力发电厂降低负荷到一定程度时,为了保证锅炉的低负荷稳定燃烧,火力发电厂的发电循环中产生的电能大于电网所需要的电能,可以利用电加热器将多余的电能转换为热能,并通过加热金属氢化物模块进行储能来减少上网功率,从而降低锅炉负荷过低而导致的安全与环境风险。
并且,金属氢化物主要通过分解和化合反应进行储/放热,具体地,金属氢化物储/放热的反应式如下:
MH
金属氢化物储热时,金属氢化物在高温下分解,生成金属单质和氢气;金属氢化物放热时,金属原子与氢气发生化合反应,生成金属氢化物,并放出大量热能。其中,金属氢化物可以为金属与氢形成的二元(MH
另外,在本发明中还对金属氢化物的储/放热反应中产生的热量进行了简单高效地再利用。具体而言,在金属氢化物的放热过程中,氢气通过储氢装置的氢气出口吹入储热装置的氢气入口,与金属氢化物模块中的金属单质发生化合反应,释放热量,热交换器与冷凝器连通,冷凝器的给水进入热交换器后在储热装置内进行换热,吸收金属氢化物模块释放的热量,产生大量的高温蒸汽,高温蒸汽由热交换器的蒸汽出口排出,排出后的蒸汽可以通向其他装置进行做功,从而有利于对储热装置存储时的能量和物质进行充分地利用,不造成能源或资源的浪费。
作为优选的技术方案,储热装置内设置的电加热器的供电来自发电机出口母线、或厂用电母线或升压站后的出厂母线。
根据该技术方案,电加热器能够将发电机产生的富余的电能转换为热能,并利用金属氢化物模块进行储能来减少上网功率。
作为优选的技术方案,电加热器为布置在金属氢化物模块周围的电加热片或电加热丝。
根据该技术方案,电加热片和电加热丝的体积较小,可以很方便地以穿插或埋入的方式布置于金属氢化物的表面或内部,与金属氢化物充分接触传热,降低热量传递过程中的能量损耗。
作为优选的技术方案,储热装置的氢气出口与锅炉的燃烧器入口相连。
根据该技术方案,在储热过程中,金属氢化物发生分解反应,放出氢气,氢气通过储热装置的氢气出口进入锅炉的燃烧器入口,被点燃后参与锅炉的燃烧反应,能够满足锅炉在低负荷工况下的燃烧稳燃要求,保障锅炉在20%低负荷工况下稳定燃烧和发电机组安全运行,实现对金属氢化物储/放热时的能量和物质都进行利用,最大程度的提升调峰系统的能源利用率,不造成能源或物质的浪费。
作为优选的技术方案,热交换器的蒸汽出口与汽轮机的蒸汽入口相连。
根据该技术方案,在金属氢化物的放热过程中,储氢装置的的氢气出口打开,氢气进入储热装置并与金属氢化物模块发生化合反应,释放热能。冷凝器向储热装置的热交换器给水,将热能吸收并产生高参数蒸汽,从热交换器的蒸汽出口排出,进入汽轮机中进行发电,从而当电网调度要求火力发电厂恢复或升高负荷时,即汽轮机产生的电能小于电网所需要的电能时,可以通过将金属氢化物中存储的热量转换为电能来快速增加上网功率,从而进一步避免频繁地升高/降低负荷影响锅炉的使用寿命。
本发明第二方面提供了一种基于金属氢化物储能的调峰方法,适用于上述任一技术方案中的基于金属氢化物储能的调峰系统,该调峰方法包括:
储热步骤,当需要发电机输出至外部电网的电力负荷降低到第一规定值以下时,电加热器上电加热金属氢化物模块;
放热步骤,当需要发电机输出至外部电网的电力负荷升高到第二规定值以上时,电加热器停止上电,打开储氢装置的氢气出口并通入氢气至金属氢化物模块。
作为优选的技术方案,调峰方法还包括,氢气供应燃烧步骤,金属氢化物模块达到规定分解反应温度后,储热装置的氢气出口打开,金属氢化物模块释放的氢气被供应给锅炉的燃烧器,用于锅炉低负荷稳燃。
作为优选的技术方案,调峰方法还包括放热步骤之后的蒸汽发生及供应步骤,蒸汽发生及供应步骤中,冷凝器的冷凝水出口与储热装置的热交换器的给水入口连通,热交换器中的冷凝水吸收金属氢化物模块释放的热量,产生蒸汽并供应至外部。
作为优选的技术方案,蒸汽发生及供应步骤中,热交换器中加热生成的蒸汽,被供应至汽轮机的蒸汽入口。
附图说明
图1是本发明第一实施方式中基于金属氢化物储能的调峰系统的结构示意图。
图2是本发明第二实施方式中基于金属氢化物储能的调峰系统的结构示意图。
图3是本发明第三实施方式中基于金属氢化物储能的调峰系统的结构示意图。
图4是本发明第四实施方式中基于金属氢化物储能的调峰方法的流程图。
图5是本发明第四实施方式中基于金属氢化物储能的调峰方法的又一流程图。
图6是本发明第四实施方式中基于金属氢化物储能的调峰方法的还一流程图。
图中:1-锅炉,2-汽轮机,3-发电机,4-热交换器,5-储热装置,6-电加热器,7-金属氢化物模块,8-冷凝器,9-储氢装置。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明的范围。
本实施方式提供了一种基于金属氢化物储能的调峰系统,图1是本实施方式中基于金属氢化物的调峰系统的结构示意图。
如图1所示,本实施方式提供的调峰系统包括锅炉1、汽轮机2、发电机3、储热装置5、冷凝器8和储氢装置9。
其中,火力发电厂的发电循环为锅炉1、汽轮机2、发电机3以及冷凝器8,具体而言,在锅炉1中持续通入燃料(煤粉等)进行燃烧,产生大量燃烧热,冷水管道中的水在锅炉1中吸收热量后膨胀形成高温蒸汽,膨胀的高温蒸汽通过蒸汽管道由锅炉1通向汽轮机2,高温蒸汽推动汽轮机2做功,与汽轮机2同轴设置的发电机3将机械功转化为电能向外部电网供电,做功之后的低温蒸汽经由冷凝器8再次冷凝为水进入锅炉1,进行下一次循环。
储热装置5包括金属氢化物模块7、加热金属氢化物的电加热器6,以及与金属氢化物模块进行热交换的热交换器4。
具体而言,金属氢化物模块7的储能材料为二元或多元的金属氢化物,金属氢化物通过分解和化合反应进行储/放热,金属氢化物储/放热的反应式如下:
MHx(MHxY)+△H==M(MY)+x/2*H2
当金属氢化物储热时,金属氢化物在高温下分解,生成金属单质和氢气;当金属氢化物放热时,储氢装置9通过储热装置5的氢气入口向储热装置5内通入氢气,金属单质降温与氢气发生化合反应,生成金属氢化物,并放出大量热能;
电加热器6设置在金属氢化物附近,电加热器6可以为任意具有电加热功能的耗电元件,例如发热电阻,在此不作限定。电加热器6能够通过将火力发电厂供给的电量转化为热能以降低火力发电厂的上网功率。优选地,电加热器6的供电来自发电机3出口母线、或厂用电母线或升压站后的出厂母线,进一步优选地,电加热器6为布置在金属氢化物模块7周围的电加热片或电加热丝,电加热片和电加热丝的体积较小,可以很方便地以穿插或埋入的方式布置于金属氢化物的表面或内部,与金属氢化物充分接触传热,降低热量传递过程中的能量损耗。
热交换器4设置在金属氢化物模块7附近,能够与金属氢化物模块7进行热交换,具有与冷凝器8的冷凝水出口连通的给水入口,与外部连通的蒸汽出口,当金属氢化物模块7发生放热反应时,冷凝器8通过给水入口向热交换器4内通入冷凝水,冷凝水在储热装置5内进行换热,吸收金属氢化物模块7放出的热量,产生大量蒸汽,并由热交换器4的蒸汽出口排出。
储氢装置9与储热装置5的氢气入口相连,储氢装置9可以为任意形式的储氢或产氢装置,储氢装置9的氢气出口为常闭且单向流通的阀门,降低储热装置5内的高温或空气回流产生的爆燃等安全风险。
举例而言,当电网调度需要火力发电厂降低输出至电网的电力负荷时,为了保证锅炉1的低负荷稳定燃烧,火力发电厂的发电循环中产生的电能大于电网所需要的电能,发电机3发出的富余电能通过电加热器6转化为热能后由金属氢化物模块7进行储热,金属氢化物模块7在温度升高时持续储存显热热能,当自身温度达到分解反应温度时开始将热能以化学能的形式储存,即金属氢化物发生分解反应,释放氢气;
当电网调度需要火力发电厂恢复或者升高输出至电网的电力负荷时,火力发电厂可以降低或停止向电加热器6供电以增加发电循环输出至电网的电力负荷,当电加热器6停止上电时,对储热装置5中存储的热量进行再利用,储氢装置9的氢气出口打开,储氢装置9往储热装置5中通入氢气,当储热后的金属氢化物模块7温度降低至化合反应温度时,与氢气反应并释放热量;同时,冷凝器8向热交换器4中给水,热交换器4中的给水吸收金属氢化物模块7释放的热量后,产生大量高温蒸汽,高温蒸汽由热交换器4的蒸汽出口排出,通向其他装置进行做功,在一些优选的实施方式中,热交换器4的蒸汽出口可以与汽轮机2连通,热交换器4产生的高温蒸汽可以被送入火力发电厂汽轮机2进行做功发电,在另一些实施方式中,热交换器4的蒸汽出口也可以与其他装置连通,高温蒸汽也可产生工业供热蒸汽,对外供汽,在此不做限定。
在本实施方式中,当电网调度要求火力发电厂降低负荷到一定程度时,为了保证锅炉1的低负荷稳定燃烧,火力发电厂的发电循环中产生的电能大于电网所需要的电能,可以通过将多余的电能转换为热能并利用金属氢化物模块7进行储能来减少上网功率,从而避免降低负荷影响锅炉1的使用寿命。
并且,金属氢化物主要通过分解和化合反应进行储/放热,如表1所示,金属氢化物的储热密度高,能达到显热储热的储热密度的10倍以上,能够有效地精简调峰系统的占地面积;在储/放热过程中,金属氢化物的温度变化较小,能够在后续的再利用中提供稳定的热能,并且,通过将热能转化为化学能进行存储,更加稳定,减少了存储中逸散的热能造成的能量损失。
表1
另外,在本发明中还对金属氢化物的储/放热反应中产生的热量进行了简单高效地再利用,有利于对储热装置存储时的能量和物质进行充分地利用,不造成能源或资源的浪费。
图2是本发明第二实施方式中提供的基于金属氢化物储能的调峰系统的结构示意图。如图2所示,在本实施方式提供的火力发电厂的稳燃调峰系统中,储热装置5的氢气出口与锅炉1的燃烧器入口相连。
具体而言,当电网调度需要火力发电厂降低输出至电网的电力负荷时,为了保证锅炉的低负荷稳定燃烧,火力发电厂的发电循环中产生的电能大于电网所需要的电能,发电机3发出的富余电能通过电加热器6转化为热能后由金属氢化物模块7进行储能,金属氢化物模块7在温度升高时持续储存显热热能,当自身温度达到分解反应温度时开始将热能以化学能的形式储存,即金属氢化物发生分解反应,释放氢气,纯氢气通过储热装置5的氢气出口进入锅炉1的燃烧器入口,被点燃后参与锅炉1的燃烧反应,加入火力发电厂的发电循环中。
优选地,储热装置5的氢气出口与锅炉1的燃烧器入口之间设置有单向常闭的阀门,避免锅炉1内的火焰传递至储热装置5内部,进一步降低调峰系统的安全风险。
在本实施方式中,将金属氢化物储热过程中产生的氢气通入锅炉1中参与燃烧,能够满足锅炉1在低负荷工况下的燃烧稳燃要求,保障锅炉1在20%低负荷工况下稳定燃烧和发电机组安全运行,实现对金属氢化物储/放热时的能量和物质都进行利用,最大程度的提升调峰系统的能源利用率,不造成能源或物质的浪费,并且将氢气通入燃烧器直接进行点燃,可以避免纯氢气与空气混合为爆炸混合物,使得氢气能够稳定燃烧。
图3是本发明第三实施方式中提供的基于金属氢化物储能的调峰系统的结构示意图。
如图3所示,本实施方式提供的调峰系统中,热交换器4的蒸汽出口与汽轮机2的蒸汽入口相连通。
具体而言,当电网调度需要恢复或者升高火力发电厂输出至电网的电力负荷时,火力发电厂可以降低或停止向电加热器6供电以增加发电循环输出至电网的电力负荷,当电加热器6停止上电时,储氢装置9的氢气入口和冷凝器的冷凝水出口打开,储氢装置9往储热装置5中通入氢气,当储热后的金属氢化物模块7温度降低至化合反应温度时,与氢气反应并释放热量;同时,冷凝器8向热交换器4中给水,热交换器4中的给水吸收金属氢化物模块7释放的热量后,产生大量高温蒸汽,高温蒸汽由热交换器4的蒸汽出口排出,通向火力发电厂汽轮机2进行做功发电。
在本实施方式中,当电网调度要求火力发电厂恢复或升高负荷时,即发电机3产生的电能小于电网所需要的电能时,可以通过降低或停止向电加热器6输出的电力负荷以增加输出至电网的电力负荷,进一步地,还可以将金属氢化物中存储的热量转换为电能来快速增加上网功率,在一定时间内填补不足的电量,实现对电网调度的快速响应,深度调峰。
另外,持续将发电机3产生的一部分电量通过电加热器6上电加热金属氢化物模块7,当火力发电厂接到电网调度,需要快速调频时,电加热器6和金属氢化物模块7也能迅速响应于调频指令,具体而言,当电网调度需要快速降低负荷时,电加热器6的电力负荷能够在短时间内迅速增加,产生的热冲击金属氢化物模块7也能够很好的消化存储;当电网调度需要快速升高负荷时,电加热器6可以迅速降低负荷甚至关停,进一步地,金属氢化物模块7还能通过放热反应来迅速升高火力发电厂的输出电力负荷,从而可以使得火力发电厂的发电循环的电力负荷维持在一个稳定的水平,避免频繁地升高/降低负荷影响锅炉1的使用寿命。
本实施方式中提供了一种适用于第一实施方式、第二实施方式或第三实施方式中的调峰系统的调峰方法。图4是本发明第四实施方式中基于金属氢化物储能的调峰方法的流程图。
如图4所示,基于金属氢化物储能的调峰方法包括,
储热步骤S1,当需要发电机输出至外部电网的电力负荷降低到第一规定值以下时,电加热器上电加热金属氢化物模块;
放热步骤S2,当需要发电机输出至外部电网的电力负荷升高到第二规定值以上时,电加热器停止上电,打开储氢装置的氢气出口并通入氢气至金属氢化物模块。
“第一规定值”与“第二规定值”可以根据实际应用情况自由选择,在此不做限定。其中,“第二规定值”大于等于“第一规定值”,例如“第一规定值”可以为火力发电厂一般情况下稳定运行的最低负荷,当火力发电厂的总电力负荷低于最低负荷时,不再降低火力发电厂的总电力负荷,而是利用一部分电能加热金属氢化物模块来继续降低火力发电厂输出至外部电网的电力负荷;“第二规定值”可以为高于最低负荷的负荷值,当火力发电厂的电力负荷等于或高于最低负荷时,减少或停止向电加热器输出的电力负荷,当停止向电加热器供电时,打开储氢装置的氢气出口并通入氢气至金属氢化物模块,金属氢化物模块放热,与热交换器中的给水进行热交换,产生高温蒸汽。
图5是本发明第四实施方式中基于金属氢化物储能的调峰方法的又一流程图。如图5所示,基于金属氢化物储能的调峰方法还包括氢气供应燃烧步骤S3,金属氢化物模块达到规定分解反应温度后,储热装置的氢气出口打开,金属氢化物模块释放的氢气被供应给锅炉的燃烧器。
图6是本发明第四实施方式中基于金属氢化物储能的调峰方法的还一流程图。如图6所示,基于金属氢化物的调峰方法还包括蒸汽发生及供应步骤S4,蒸汽发生及供应步骤中,冷凝器的冷凝水出口与储热装置的热交换器的给水入口连通,热交换器中的冷凝水吸收所述金属氢化物模块释放的热量,产生蒸汽并供应至外部。优选地,热交换器中产生的蒸汽,被供应至汽轮机的蒸汽入口。
在本实施方式中,结合图3和图6来看,当电网调度需要火力发电厂降低负荷时,火力发电厂的发电机3的总电力负荷持续降低,降低至第一规定值时,基于金属氢化物储能的调峰系统执行储热步骤S1,发电机3发出的富余电能通过电加热器6转化为热能后由金属氢化物模块7进行储能,首先,金属氢化物模块7在温度升高时持续储存显热热能,当金属氢化物自身温度达到分解反应温度时,执行氢气供应步骤S3,金属氢化物开始将热能以化学能的形式储存,即金属氢化物发生分解反应,释放氢气,纯氢气通过储热装置5的氢气出口进入锅炉1的燃烧器入口,被点火枪点燃后参与锅炉1的燃烧反应,加入火力发电厂的发电循环中;
当电网调度需要火力发电厂恢复或升高负荷时,火力发电厂的发电机3的总电力负荷持续回升,此时,火力发电厂可以降低或停止向电加热器6供电以增加发电循环输出至电网的电力负荷,当回升至第二规定值时执行放热步骤S2,电加热器6停止上电,储氢装置9的氢气入口和冷凝器的冷凝水出口打开,储氢装置9往储热装置5中通入氢气,当储热后的金属氢化物模块7温度降低至化合反应温度时,与氢气反应并释放热量;同时,同时,还执行蒸汽发生及供应步骤S4,冷凝器的冷凝水出口与储热装置的热交换器的给水入口连通,冷凝器8向热交换器4中给水,热交换器4中的给水吸收金属氢化物模块7释放的热量后,产生大量高温蒸汽,高温蒸汽由热交换器4的蒸汽出口排出,通向火力发电厂汽轮机2进行做功发电。
需要说明的是,上述具体实施方式仅是本发明的部分实施案例,本说明书中所描述的具体实施例,其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思的构造、特征及原理所做的等效或简单变化,均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。
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