燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应系统及方法

技术领域

本发明涉及燃煤机组供发电深度调峰技术领域，具体涉及一种燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应系统及方法，尤其涉及一种基于电极锅炉及蓄热罐蓄热调峰的燃煤机组热电解耦供发电深度调峰及高效综合能源供应系统和方法。

背景技术

随着构建新型电力系统的推进，新能源发电的大规模接入，迫使火电机组需大幅提升机组的运行灵活性，同时还应兼具大规模参与电网供发电深度调峰的特点。特别是在我国三北地区，热电联产机组比重大，水电、纯凝机组等调峰电源稀缺，电力市场的调峰需求更加旺盛。燃煤机组受热电耦合特性的影响，供热季运行时受供热负荷影响，机组参与灵活性深度调峰的运行能力较差，大幅限制了燃煤机组参与深度调峰、辅助服务市场的能力。

另一方面，随着清洁供热替代的推进，大量关停供热小锅炉，不少燃煤机组已达到供热能力的极限，当燃煤机组出力受限或者发生故障时，将严重影响燃煤机组的供热能力，供热为民生问题，发生供热故障或者供热中断时，将严重影响企业的社会形象。

因此，提升供热的热电解耦能力，进一步提升燃煤机组的供热保障能力，就有广泛的社会和市场需求。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应系统，旨在克服现有燃煤机组因受热电耦合特性的影响，大幅限制供热季燃煤机组参与深度调峰的缺陷。

另外，本发明的目的还在于提供一种利用燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应系统的供应方法。

为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应系统，包括：发电机，

电极锅炉热电解耦模块，至少包括电极锅炉与汽水换热器，所述电极锅炉与发电机的电力输出端相接，用于当电网处于低负荷需求时，将未上网的网电负荷输入至电极锅炉中，所述电极锅炉生成的饱和蒸汽在汽水换热器内换热后产生的热水根据需要输送至热网加热器对外供热和/或储存于蓄热罐中，实现热电解耦的目的；

烟气余热回收模块，至少包括烟气换热器与高背压凝汽器，所述烟气换热器置于燃煤机组工业锅炉的空气预热器出口处，将来自于所述高背压凝汽器出口处70℃的热水，经烟气换热器加热后升至95℃，然后根据需要输送至热网加热器对外供热和/或储存于蓄热罐中，实现能源的综合供应；和

蓄热模块，至少包括蓄热罐和蓄热水泵，用于将所述电极锅炉热电解耦模块、烟气余热回收模块输送至蓄热罐的热水存储和释放，进一步实现能源的高效供应。

进一步的，所述电极锅炉热电解耦模块还包括有：提供给电极锅炉高压电源的变压器和将电极锅炉产生的饱和蒸汽实现分配与汇聚的分汽缸，所述分汽缸置于所述汽水换热器的上游，其中，所述电极锅炉为电极蒸汽锅炉。

更进一步的，所述汽水换热器将饱和蒸汽换热后冷凝的凝结水返回至电极锅炉中，作为内循环的工质。

再进一步的，所述分汽缸的出口设置三条支路，其中，第一支路连通汽水换热器，所述汽水换热器将换热后的热水根据需要直接输送至热网加热器对外供热，或者通过蓄热水泵将换热后的热水储存于蓄热罐内，实现热电解耦的目的；

第二支路与工业供汽模块连通，所述工业供汽模块至少包括一蒸汽过热器，所述蒸汽过热器利用电加热器将电极锅炉生成的饱和蒸汽再次加热后，对外提供高品质的工业供热；

第三支路与生活热水模块连通，所述生活热水模块至少包括一生活热水换热器，所述生活热水换热器将电极锅炉生成的饱和蒸汽在生活热水换热器完成换热后，对外提供低品质的生活热水用热。

较佳地，所述高背压凝汽器出口处设置有热网循环泵，该热网循环泵将高背压凝汽器出口处70℃的热水输入至烟气换热器中加热后升至95℃。

更佳地，所述高背压凝汽器入口处的热水来自于热网回水，热网回水的平均温度为50℃，所述热网回水首先在高背压凝汽器加热升温至70℃，随后再经烟气换热器二次加热至95℃，实现热网回水的梯级加热，提高能源的综合利用效率。

进一步的，所述蓄热模块与电极锅炉热电解耦模块、烟气余热回收模块、工业供汽模块、生活热水模块之间分别设有连通管道。

优选的，所述电极锅炉容量为60MW，生成的饱和蒸汽压力为1.2MPa，温度为188℃，额定出力下蒸汽流量为81t/h；所述蒸汽过热器的容量为7.5MW，产生不低于320℃的过热蒸汽；所述蓄热罐的容量为10000m

与此同时，本发明还提供了一种燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应方法，该方法包括以下步骤：

（1）在燃煤机组按照以热定电的运行模式下，当电网处于低负荷需求时，直接启动电极锅炉，将未上网的网电负荷输入至电极锅炉中生成饱和蒸汽，并将饱和蒸汽汇聚至分汽缸内；

（2）分汽缸内的饱和蒸汽根据能源需求，任意选择一条支路或二条支路或三条支路，将饱和蒸汽予以分配，分配完成的饱和蒸汽将分别被送至汽水换热器，蒸汽过热器和生活热水换热器中，其中：

进入汽水换热器的饱和蒸汽换热后产生的热水根据需要送至热网加热器对外供热和/或储存于蓄热罐内实现热电解耦的功能，换热完成的凝结水返回至电极锅炉中，作为内循环的工质；

进入蒸汽过热器的饱和蒸汽经电加热器加热后，对外提供高品质的工业供热；

进入生活热水换热器的饱和蒸汽换热后产生的热水，对外提供低品质的生活热水用热；

（3）将平均温度为50℃的热网回水首先在高背压凝汽器加热升温至70℃，然后送入到烟气换热器加热至95℃，随后根据需要输送至热网加热器对外供热和/或储存于蓄热罐中，实现烟气余热的回收的同时实现热网回水的梯级加热；

（4）当燃煤机组需接入高负荷时，蓄热罐释放热量补给至热网加热器，直接对外供热，减少供热抽汽用量，提高燃煤机组上网电负荷。

进一步的，在所述步骤（1）中，当电网处于低负荷需求时，燃煤机组中的发电机通过变压器提供高压电源后直接启动电极锅炉，将未上网的网电负荷输入至电极锅炉中生产饱和蒸汽；同时，所述蓄热罐与电极锅炉、分汽缸、汽水换热器，蒸汽过热器、生活热水换热器、高背压凝汽器、烟气换热器、热网加热器之间分别设有连通管道。

本发明的有益效果：

1)本发明基于能源梯级利用原理，通过将高背压凝汽器出口的热水，用烟气余热加热到95℃，梯级加热后存储在蓄热罐中，供热高峰或者用电高峰时对外供热，具有较高的经济效益。

2)本发明通过设置电极锅炉热电解耦模块，在燃煤机组参与深度调峰时，启动电极锅炉对外供热或者将电极锅炉生成的饱和蒸汽通过换热，存储在蓄热罐内实现热电解耦的目的，系统简单独立，具有较强的热电解耦能力。

3)本发明通过设置蓄热罐，根据燃煤机组的负荷和对外供热需求程度，蓄热罐可直接存储电极锅炉产生的热量、也可存储烟气余热回收的热量，还可存储热网首站出口热水的热量，系统运行方式灵活，可提高储热的经济性。

4)本发明设置的蓄热罐，通过“消峰填谷”的功能，可提高燃煤机组热电解耦特性，既可提高燃煤机组供热期间参与深度调峰的能力，在燃煤机组需接入高负荷时，通过蓄热罐对外供热，可降低对热网加热器的蒸汽消耗，提高机组带负荷能力。

5)本发明通过设置蓄热罐，可将电极锅炉生成的热量、烟气余热回收的热量或者供热首站出口热水的热量均存储于蓄热罐中，当燃煤机组出现故障或者发生供热故障时，可通过蓄热罐对外供热，提高机组的供热保障能力和最大供热能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应系统的布置图；

图2为本发明燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应方法的流程图。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“入口”、“出口”、“上游”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，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“连通”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

常规燃煤发电机组在冬季运行时，为了满足机组对外供热需求及自身运行的安全性，机组按照以热定电的运行模式，也就是热负荷决定了机组的电负荷，机组需保持某一负荷以上运行，由此限制了燃煤发电机组参与供发电深度调峰的能力。

为此，本发明提供了一种燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应系统，以下简称为：系统，该系统主要包括电极锅炉热电解耦模块、烟气余热回收模块、蓄热模块、工业供汽模块、生活热水模块，各模块相互独立又相互耦合使用，通过调整系统的组合和对运行参数的优化，既解决系统的热电解耦特性，又保证系统供热的可靠性和系统供热的经济性。

本发明对运行参数的优化，涉及两台机组，具体以“现货交易+高电价+严寒期”工况为例说明，1号机组高背压高负荷运行，电负荷出力在280MW左右，2号机组少量抽汽供热，电负荷亦可维持310MW上限运行。在严寒期供热量不足时，蓄热罐需要释放热量补给至热网。为不排挤高背压供热运行经济性，此时蓄热罐回水宜为高背压后的热网循环水，出水为蓄热罐热水。在初末寒期供热量富裕时，蓄热罐将回收热网首站的热网水蓄热，50℃的热网回水回至高背压入口处。

具体到本方案中，如图1所示，本发明的燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应系统，包括：发电机，电极锅炉热电解耦模块，烟气余热回收模块，蓄热模块和工业供汽模块以及生活热水模块。需要说明的是，本方案中的燃煤机组为燃煤发电机组，该燃煤发电机组中含有发电机和工业锅炉。

本发明中的电极锅炉热电解耦模块，包括电极锅炉2与汽水换热器4以及提供给电极锅炉2高压电源的变压器1和将电极锅炉2产生的饱和蒸汽实现分配与汇聚的分汽缸3。其中，电极锅炉2与燃煤机组中发电机的电力输出端相接，用于当电网处于低负荷需求时，将未上网的网电负荷输入至电极锅炉2中，电极锅炉2生成的饱和蒸汽在汽水换热器4内换热后产生的热水根据需要输送至热网加热器11对外供热和/或储存于蓄热罐6中，实现热电解耦的目的。

作为本方案的优选方案，在电极锅炉2与汽水换热器4之间设置分汽缸3，并将分汽缸3置于汽水换热器4的上游，同时在分汽缸3的出口设置三条支路，其中，第一支路连通汽水换热器4，汽水换热器4将换热后的热水根据需要直接输送至热网加热器11对外供热，或者通过蓄热水泵5将换热后的热水储存于蓄热罐6内；而汽水换热器4将饱和蒸汽换热后冷凝的凝结水进一步返回至电极锅炉2中，作为内循环的工质。

在本发明的方案中，电极锅炉2优选为电极蒸汽锅炉。

本发明的燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应系统，可当电网对电负荷需求较低时，直接启动电极锅炉2，部分电负荷送至电极锅炉2生成饱和蒸汽，降低了机组上网电负荷。电极锅炉2生成的饱和蒸汽通过汽水换热器4换热后凝结成凝结水，返回到电极锅炉2，而热量通过热交换后，实现对外供热，起到热电解耦的目的。

蓄热模块作为本发明的核心联络枢纽，可实现热能的存储与释放，在系统中起到消峰填谷的作用。本发明中的蓄热模块至少包括蓄热罐6和蓄热水泵5，蓄热罐6可存贮电极锅炉2产生的热量，也可存储烟气余热回收模块回收的烟气余热。由此，本发明在蓄热模块与电极锅炉热电解耦模块、烟气余热回收模块之间分别设有连通管道，此外，本发明还在蓄热模块与工业供汽模块、生活热水模块之间也分别设有连通管道。

蓄热罐6在存储电极锅炉2的热量时，来自高背压凝汽器9入口50℃的热网回水通过汽水换热器4与来自分汽缸3的蒸汽换热，加热后的热水通过蓄热水泵5储入蓄热罐6。存储烟气余热时，来自高背压凝汽器9出口的热水与烟气通过烟气换热器12换热后进一步加热，加热后的高温热水通过蓄热水泵5储入蓄热罐6。蓄热过程中，热水通过蓄热罐6上部进入罐体，50℃的热网回水经过增压泵7排到高背压凝汽器9的入口管道。

常规电站工业锅炉设计的排烟温度为120℃左右，实际排烟温度一般为130-140℃，大量烟气余热未得到有效利用，而常规低温省煤器因回收烟气余热品质较低，仅能作为排挤低加系统的抽汽，降低了烟气余热利用的品质。

本发明中烟气余热回收模块，至少包括烟气换热器12与高背压凝汽器9，烟气换热器12置于燃煤机组工业锅炉的空气预热器13出口处，将来自于高背压凝汽器9出口处70℃的热水通过热网循环泵10输入至烟气换热器12内加热后升至95℃，然后根据需要输送至热网加热器11对外供热和/或储存于蓄热罐6中，实现能源的综合供应；之后，将利用完余热的烟气，经除尘器14、引风机15、脱硫器16一系列工序处理后由烟囱17进行排放。

其中，高背压凝汽器9入口处的热水来自于热网回水，热网回水的平均温度为50℃，50℃的热网回水首先在高背压凝汽器9加热升温至70℃，随后再经烟气换热器12二次加热升温至95℃，在冬季供热严寒期，还可进一步通过热网加热器11加热到110℃，实现热网回水的梯级加热，提高能源的综合利用效率。

另外，本发明为了提升系统运行的热网热经济性，在热网首站出口至蓄热水泵5之间也设置有连通管道，当外部所需供热量较少时，可将热网首站出口的热水直接存储于蓄热罐6内，实现低品质热量的回收。

本发明为了进一步扩展电极锅炉的综合能源效益，将分汽缸3出口设置的第二支路与工业供汽模块连通。所述工业供汽模块至少包括有蒸汽过热器8，蒸汽过热器8利用电加热器将电极锅炉2生成的饱和蒸汽再次加热后，对外提供高品质的工业供热。

进一步的，本发明为了提升本系统的综合性能，还为此设置了生活热水模块，提供低品质热源。本发明将分汽缸3出口设置的第三支路与生活热水模块连通。所述生活热水模块至少包括有生活热水换热器18，生活热水换热器18将电极锅炉2生成的饱和蒸汽在生活热水换热器18完成换热后，对外提供低品质的生活热水用热。另外，生活热水用热也可由蓄热罐6直接提供。

本发明通过上述各模块解决了燃煤机组供热季热电解耦的问题、提升燃煤机组参与深度调峰的能力，同时通过蓄热罐作为中间联络环节，实现热量的存储和释放，一方面解决燃煤机组发电和供电之间不平衡的问题；另一方面，通过蓄热罐作为中间联络枢纽，提高供热系统运行的经济性和可靠性。烟气余热回收模块回收烟气余热既可以直接对外供热，当供热有富裕时，也可以存储于蓄热罐，当需要进一步增加对外供热能力时，直接对外供热。工业供汽模块和生活热水模块可进一步增加本系统的综合功能，实现综合能源高效利用的目的。

如图2所示，在上述燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应系统的基础上，本发明还提供了一种燃煤机组热电解耦供发电深度调峰能源供应方法，该方法包括以下步骤：

（1）在燃煤机组按照以热定电的运行模式下，当电网处于低负荷需求时，燃煤机组中的发电机通过变压器1提供高压电源后直接启动电极锅炉2，将未上网的网电负荷输入至电极锅炉2中生成饱和蒸汽，并将饱和蒸汽汇聚至分汽缸3内；

（2）分汽缸3内的饱和蒸汽根据能源需求，任意选择一条支路或二条支路或三条支路，将饱和蒸汽予以分配，分配完成的饱和蒸汽将分别被送至汽水换热器4，蒸汽过热器8和生活热水换热器18中，其中：

进入汽水换热器4的饱和蒸汽换热后产生的热水根据需要送至热网加热器11对外供热和/或储存于蓄热罐6内实现热电解耦的功能，换热完成的凝结水返回至电极锅炉2中，作为内循环的工质；

进入蒸汽过热器8的饱和蒸汽经电加热器加热后，对外提供高品质的工业供热；

进入生活热水换热器18的饱和蒸汽换热后产生的热水，对外提供低品质的生活热水用热；

（3）将平均温度为50℃的热网回水首先在高背压凝汽器9加热升温至70℃，然后送入到烟气换热器12加热至95℃，随后根据需要输送至热网加热器11对外供热和/或储存于蓄热罐6中，实现烟气余热的回收的同时实现热网回水的梯级加热；

（4）当燃煤机组需接入高负荷时，蓄热罐6释放热量补给至热网加热器11，直接对外供热，减少供热抽汽用量，提高燃煤机组上网电负荷。

在上述的供应方法中，所述蓄热罐6与电极锅炉2、分汽缸3、汽水换热器4，蒸汽过热器8、生活热水换热器18、高背压凝汽器9、烟气换热器12、热网加热器11之间分别设有连通管道。

下面将本发明的技术方案结合具体的实际应用方式进行详细的说明。

本实施例提供了一种本发明的应用方案，以某330MW燃煤机组为例。燃煤机组在冬季运行时，为了满足机组对外供热需求及自身运行的安全性，机组按照以热定电的运行模式，也就是热负荷决定了机组的电负荷，机组需保持某一负荷以上运行，限制了机组参与深度调峰的能力。

本案例机组根据能监办核定的电负荷上、下限运行，供热季电负荷运行区间为210MW-310MW，在供热极寒期运行负荷区间为220MW-280MW，大幅限制了机组运行负荷区间，特别是严重制约了机组参与电力市场调峰的能力。

本发明中在发电机出口新增70MVA变压器1，变压器1后设置电极锅炉2，电极锅炉2优选为电极蒸汽锅炉，电极锅炉2的容量优选为60MW，电极锅炉后设置分汽缸3，起到蒸汽汇聚和分配的作用，分汽缸3的出口设置三条支路，其中第一支路连接汽水换热器4，电极锅炉2启动后可生成饱和蒸汽，饱和蒸汽压力为1.2MPa，温度为188℃，额定出力下蒸汽流量81t/h。饱和蒸汽在汽水换热器4内换热后产生的热水根据需要可靠直接送至热网加热器11之后，直接对外供热，也可通过蓄热水泵5存储于蓄热罐6内，饱和蒸汽换热后冷凝为凝结水返回至电极锅炉2的工质进口处，作为内循环工质。为了进一步扩展电极锅炉的综合能源效益，在分汽缸3出口的第二之路上设置蒸汽过热器8，蒸汽过热器8的容量优选为7.5MW，可将20t饱和蒸汽温度过热至不低于320℃的过热蒸汽，满足对外工业供汽的需求。蒸汽过热器8热源由电加热器提供，供电由变压器1供电。当电网对电负荷需求较低时，本案例机组需参与电力市场深度调峰时，启动电极锅炉2，电极锅炉2满出力时，可生成约80t/h饱和蒸汽，可降低机组上网电负荷60MW，案例机组上网电负荷可由原运行下限210MW降低至150MW，大幅提升机组的热电解耦能力。电极锅炉2生成的饱和蒸汽通过汽水换热器4换热后凝结成凝结水，返回到电极锅炉2，而热量通过热交换后，实现对外供热，起到热电解耦的目的。

蓄热罐6作为本发明的核心联络枢纽，可实现热能的存储与释放，在系统中起到消峰填谷的作用。本发明中储热主要为了解决热电解耦的问题，蓄热主要用于协调机组和外部供热市场之间的供需矛盾关系。本案例中蓄热罐6优选为结构相对简单、投资成本较低的常压储热罐，容量优选为10000m

蓄热罐6的蓄热过程分析，蓄热罐6有效容积优选为10000m

蓄热罐6的放热过程分析，蓄热罐6可有效蓄热存储热量460000kWh，主要可解决以下供需矛盾：

增加机组供热保障能力，扩大全厂供热能力。

放热运行模式一，供热严寒期间—单机供热运行。蓄热罐6放热可实现机组保供热的能力。在供热严寒期间，一台机组出现临时性故障，全厂1号机组单机供热，此时电极锅炉2补充供热运行，同时蓄热罐6放热运行。若以10000m

现货交易高电价，提高全厂盈利能力。

现货交易模式下，当上网电价较高时，希望尽可能提高上网电量，蓄热罐6处于放热模式。设定1号机组高背压高负荷运行，电负荷出力在310MW左右，2号机组少量抽汽供热，电负荷亦可维持310MW上限运行。在严寒期供热量不足，蓄热罐6需要释放热量补给到热网加热器11出口，直接对外供热。若以10000m³为蓄热罐容量设计基准，不考虑供热出口温度品质要求的话，则放热工况可维持约3.0小时，蓄热工况需要约4.5小时蓄满储水罐。

为了提升本案例中系统的综合性能，本案例中还设置了生活热水模块，提供低品质热源。在分汽缸3上设置第三支路，第三支路上设置生活热水汽水换热器18，电极锅炉2生成的饱和蒸汽，汇集到分汽缸3，通过第三支路，在生活热水汽水换热器18中完成换热，可对外提供生活热水或低品质工业用热，另外，生活热水也可由蓄热罐6直接提供。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。