一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰系统及方法

技术领域

本发明涉及火力发电调峰技术领域，特别是涉及一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰系统及方法。

背景技术

随着双碳目标的提出，新能源利用率逐步上升，然而其随机性、波动性和间歇性的特点对电网调峰和消纳能力提出了更高的要求。提高火力发电的调峰能力被认为是目前解决新能源并网问题的关键。火力发电的调峰方式分为启停调峰和深度调峰，前者可调出力大，后者机组损耗小。在锅炉的热备用停机过程中，炉膛及主蒸汽温度存在不同程度的下降，为其再次启动增添了时间的消耗及燃油的浪费。同时，随着峰谷电价的进一步拉大，如何充分利用富余谷电成为提高机组深度调峰能力的关键。现有的燃煤机组启停调峰系统存在能源转化效率低、调峰容量小的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰系统及方法，提高了能源转换率和调峰容量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰系统，包括：燃煤锅炉热力系统和谷电制氢启停调峰系统；所述燃煤锅炉热力系统用于为电网发电，当所述电网的用电负荷处于低谷期时，将为所述电网提供用电负荷之外的电能传输到所述谷电制氢启停调峰系统；所述谷电制氢启停调峰系统用于利用所述燃煤锅炉热力系统传输的电能进行电解水制氢，并将生成的氢气和氧气进行存储；所述谷电制氢启停调峰系统还用于，当所述燃煤锅炉热力系统处于启停调峰的热备用停机状态时，将存储的氢气和氧气输送到所述燃煤锅炉热力系统的锅炉内进行混燃，为锅炉维持设定温度范围内的炉膛温度和蒸汽温度。

可选地，所述谷电制氢启停调峰系统包括电解水制氢设备、氢气储罐、氧气储罐、氢气管道阀、氧气管道阀、氢气喷嘴和氧气喷嘴；所述氢气储罐和所述氧气储罐均与所述电解水制氢设备管道连接，所述氢气喷嘴和所述氢气储罐之间管道连接，所述氧气喷嘴和所述氧气储罐之间管道连接，所述氢气管道阀设置到所述氢气喷嘴和所述氢气储罐之间的管道上，所述氧气管道阀设置到所述氧气喷嘴和所述氧气储罐之间的管道上。

可选地，所述谷电制氢启停调峰系统还用于，当所述燃煤锅炉热力系统从所述热备用停机状态过渡到热备用重启时，将所述氧气管道阀调大到第一设定开度，将所述氢气管道阀调大到第二设定开度。

可选地，所述谷电制氢启停调峰系统还包括水蒸气管道阀门和水蒸气凝汽器；所述水蒸气凝汽器与所述锅炉管道连接，所述水蒸气管道阀门设置到所述水蒸气凝汽器与所述锅炉之间的管道上，所述水蒸气凝汽器用于收集所述锅炉内氢氧燃烧产生的水蒸气。

可选地，所述燃煤锅炉热力系统包括除氧器，所述水蒸气凝汽器与所述除氧器连接，所述水蒸气凝汽器回收的冷凝水引至所述除氧器。

可选地，所述谷电制氢启停调峰系统还包括烟气管道阀门和烟气净化系统，所述烟气净化系统与所述锅炉管道连接，所述烟气管道阀门设置到所述烟气净化系统与所述锅炉之间的管道上，所述锅炉产生的烟气引出至所述烟气净化系统。

可选地，所述电解水制氢设备进行制氢的水来自所述燃煤锅炉热力系统。

本发明还公开了一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰方法，应用于所述的基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰系统，所述方法包括：

当电网的用电负荷处于低谷期时，燃煤锅炉热力系统将为所述电网提供用电负荷之外的电能传输到所述谷电制氢启停调峰系统；

当电网的用电负荷处于低谷期时，谷电制氢启停调峰系统用于利用所述燃煤锅炉热力系统传输的电能进行电解水制氢，并将生成的氢气和氧气进行存储；

当所述燃煤锅炉热力系统处于启停调峰的热备用停机状态时，谷电制氢启停调峰系统将存储的氢气和氧气输送到所述燃煤锅炉热力系统的锅炉内进行混燃，为锅炉维持设定温度范围内的炉膛温度和蒸汽温度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明当电网的用电负荷处于低谷期时，将为电网提供用电负荷之外的多余电能传输到谷电制氢启停调峰系统，谷电制氢启停调峰系统利用多余电能进行电解水制氢，并存储生成的氢气和氧气，当燃煤锅炉热力系统处于启停调峰的热备用停机状态时，将存储的氢气和氧气输送到锅炉内进行混燃，为锅炉维持设定温度范围内的炉膛温度和蒸汽温度，从而大幅度缩短了锅炉重启时间，提高了能源转换率和调峰容量，扩宽了启停调峰的应用范围，而且降低了炉膛热应力不均带来的安全隐患，提高了锅炉的深度调峰能力。

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为本发明实施例提供的一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰系统谷电制氢时工作示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰系统启停调峰运行示意。

符号说明：

1—燃煤锅炉热力系统；2—谷电制氢启停调峰系统；3—锅炉；3-1—过热器；3-2—再热器；3-3—省煤器；4—高压缸；5—中压缸；6—低压缸；7—一号高压回热器；8—二号高压回热器；9—中压回热器；10—除氧器；11—给水泵；12—一号低压回热器；13—二号低压回热器；14—凝结水泵；15—凝汽器；16—冷却塔；17—发电机；18—电解水制氢设备；19—氢气储罐；20—氧气储罐；21—氢气管道阀；22—氧气管道阀；23—氢气喷嘴；24—氧气喷嘴；25—水蒸气管道阀门；26—烟气管道阀门；27—水蒸气凝汽器；28—烟气净化系统。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰系统及方法，提高了能源转换率和调峰容量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提供了一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰系统，如图1所示，一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰系统包括：燃煤锅炉热力系统1和谷电制氢启停调峰系统2；所述燃煤锅炉热力系统1用于为电网发电，当所述电网的用电负荷处于低谷期时，将为所述电网提供用电负荷之外的电能传输到所述谷电制氢启停调峰系统2；所述谷电制氢启停调峰系统2用于利用所述燃煤锅炉热力系统1传输的电能进行电解水制氢，并将生成的氢气和氧气进行存储；所述谷电制氢启停调峰系统2还用于，当所述燃煤锅炉热力系统1处于启停调峰的热备用停机状态时，将存储的氢气和氧气输送到所述燃煤锅炉热力系统1的锅炉3内进行混燃，为锅炉3提供炉膛温度和蒸汽温度。

燃煤锅炉热力系统1包括锅炉3、高压缸4、中压缸5、低压缸6、一号高压回热器7、二号高压回热器8、中压回热器9、除氧器10、给水泵11、一号低压回热器12、二号低压回热器13、凝结水泵14、凝汽器15、冷却塔16、发电机17；所述锅炉3内部包括过热器3-1、再热器3-2以及省煤器3-3。

锅炉3中的过热器3-1出口与高压缸4连接，高压缸4轴向连接中压缸5、低压缸6以及发电机17；高压缸4中段抽气与再热器3-2连接，然后进入中压缸5入口；高压缸4中段及末段抽气分别与一号高压回热器7和二号高压回热器8连接；中压缸5中段及末段抽气分别与中压回热器9及除氧器10连接；低压缸6的首段、中段及末段抽气分别与一号低压回热器12、二号低压回热器13以及凝汽器15连接；凝汽器15另一端与冷却塔16连接。

一号高压回热器7、二号高压回热器8、中压回热器9、除氧器10、给水泵11、一号低压回热器12、二号低压回热器13、凝结水泵14和凝汽器15的回水管路依次连接。

谷电制氢启停调峰系统2包括电解水制氢设备18、氢气储罐19、氧气储罐20、氢气管道阀21、氧气管道阀22、氢气喷嘴23和氧气喷嘴24；所述氢气储罐19和所述氧气储罐20均与所述电解水制氢设备18管道连接，所述氢气喷嘴23和所述氢气储罐19之间管道连接，所述氧气喷嘴24和所述氧气储罐20之间管道连接，所述氢气管道阀21设置到所述氢气喷嘴23和所述氢气储罐19之间的管道上，所述氧气管道阀22设置到所述氧气喷嘴24和所述氧气储罐20之间的管道上。

电解水制氢装置电源侧与发电机17相连，氢气出口侧与氢气储罐19相连；氧气出口侧与氧气储罐20相连。

谷电制氢启停调峰系统2还用于，当所述燃煤锅炉热力系统1从所述热备用停机状态过渡到热备用重启时，将所述氧气管道阀22调大到第一设定开度，将所述氢气管道阀21调大到第二设定开度。

谷电制氢启停调峰系统2还包括水蒸气管道阀门25和水蒸气凝汽器27；所述水蒸气凝汽器27与所述锅炉3管道连接，所述水蒸气管道阀门25设置到所述水蒸气凝汽器27与所述锅炉3之间的管道上，所述水蒸气凝汽器27用于收集所述锅炉3内产生的水蒸气。

燃煤锅炉热力系统1包括除氧器10，所述水蒸气凝汽器27与所述除氧器10连接，所述水蒸气凝汽器27回收的冷凝水引出至所述除氧器10。

氢氧混燃产生的水蒸气引出至水蒸气凝汽器27，通过凝结水泵14引出的冷却水将其降温冷凝，回收至除氧器10。

谷电制氢启停调峰系统2还包括烟气管道阀门26和烟气净化系统28，所述烟气净化系统28与所述锅炉3管道连接，所述烟气管道阀门26设置到所述烟气净化系统28与所述锅炉3之间的管道上，所述烟气净化系统28与用于收集所述锅炉3内产生的烟气。

当谷电制氢启停调峰系统2使用时，即氢气和氧气在锅炉3内混燃时，水蒸气管道阀门25打开，当谷电制氢启停调峰系统2停止使用时，水蒸气管道阀门25关闭。

电解水制氢设备18进行制氢的水来自所述燃煤锅炉热力系统1，具体来自除氧器10、中压回热器9和二号高压回热器8。

本发明提供的一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰系统的运行方式如下：

当电网用电负荷处于高峰期时或者燃煤机组发电量契合电网要求时，燃煤锅炉热力系统1正常运行为电网供电，谷电制氢启停调峰系统2停止运行。

当电网用电负荷处于低谷期时，燃煤锅炉热力系统1除了供给电网，还能产生多余的电能，则将多余的电能用于电解水制氢，即发电机17将富余电力为电解水制氢装置供能，并将氢气和氧气分别储存至氢气储罐19及氧气储罐20。

当需要进行启停调峰时，燃煤锅炉热力系统1处于热备用停机状态下，氢气及氧气在炉膛内混燃，维持炉膛温度以及主蒸汽温度、压力，以缩短再次启炉时间。当启停调峰，锅炉3处于热备用停机状态时，氢气管路阀及氧气管路阀开启，输送氢气及氧气至炉膛内的氢气喷嘴23和氧气喷嘴24。二者混燃维持炉膛温度以及主蒸汽温度。此时产生的水蒸气经水蒸气管道阀门25引出至水蒸气凝汽器27，在水蒸气凝汽器27内水蒸气凝结，并引出至除氧器10。水蒸气凝汽器27所用冷却水引自凝结水泵14，升温后引出至二号低压回热器13前端。

当热备用锅炉3重启时，通过调整氢气管路阀以及氧气管路阀，实现氢氧混燃状态下的助燃效果，使得主蒸汽及再热蒸汽迅速升温，达到并网要求，同时减少燃油投用量。电网的高峰期和低谷期为电网根据当地用电负荷设定的时间段，比如一天当中，6点到9点为用电低谷期，18点到24点为用电高峰期。

本发明系统利用电网谷电电解水制氢，然后将制得的氢气和氧气储存，在锅炉热备用停机阶段，将氢气和氧气在炉膛内混燃，维持炉膛温度以及主蒸汽温度、压力，同时在机组重启过程中实现助燃效果，从而达到机组深度调峰的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)充分利用电网谷电，并采用能量利用效率较高的电解水制氢技术，将富余电能转化为氢能储存，从而最大限度减少了能量转化和储存过程中的损耗。

(2)在锅炉热备用停机时维持炉膛温度以及主蒸汽温度、压力，从而大幅度缩短锅炉重启时间，扩宽了启停调峰的应用范围，降低了炉膛热应力不均带来的安全隐患，提高了锅炉的深度调峰能力。

(3)通过控制氢气及氧气流量，在热备用锅炉重启过程，使得炉膛及蒸汽温度快速回升，减少助燃用油的使用量。

(4)氢氧混燃产生的水蒸气及其汽化潜热的有效回收利用，降低了整套系统的用水量，提高了系统热效率。

实施例2

本实施例提供了一种基于谷电制氢的燃煤锅炉启停调峰方法，该方法包括如下步骤。

步骤100：当电网的用电负荷处于低谷期时，燃煤锅炉热力系统将为所述电网提供用电负荷之外的电能传输到所述谷电制氢启停调峰系统。

步骤200：当电网的用电负荷处于低谷期时，谷电制氢启停调峰系统用于利用所述燃煤锅炉热力系统传输的电能进行电解水制氢，并将生成的氢气和氧气进行存储。

步骤300：当所述燃煤锅炉热力系统处于启停调峰的热备用停机状态时，谷电制氢启停调峰系统将存储的氢气和氧气输送到所述燃煤锅炉热力系统的锅炉内进行混燃，为锅炉提供炉膛温度和蒸汽温度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。