一种熔盐储热与火电机组耦合调峰系统

技术领域

本发明涉及储热发电技术领域，尤其涉及一种熔盐储热与火电机组耦合调峰系统。

背景技术

随着国家“碳达峰、碳中和”战略目标的提出，国内风电及光伏发电量逐年上升，火电机组未来将在以新能源为主体的新型电力系统中必须具备较好的调峰能力，充当电网稳定器的功能，在新能源大发时让出容量通道，在新能源出力不足时保障电力供应，以维持电网的安全稳定运行。

通常而言，在深度调峰阶段通过储热系统储存部分热量，在负荷提高时放出热量，通过热量的削峰填谷实现火电机组的深度调峰运行。然而，现有电化学储能、热水储能均无法满足火电机组的巨大存储能力需求。

因此，目前亟待需要提供一种熔盐储热与火电机组耦合调峰系统来解决上述技术问题。

发明内容

本发明实施例描述了一种熔盐储热与火电机组耦合调峰系统，能够解决现有电化学储能、热水储能均无法满足火电机组的巨大存储能力需求的问题。

本发明实施例提供了一种熔盐储热与火电机组耦合调峰系统，包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第一熔盐罐和第二熔盐罐，所述第一熔盐罐中熔盐的温度低于所述第二熔盐罐中熔盐的温度，其中：

所述第一换热器的放热段的入口与主蒸汽管道连通，出口与冷再热蒸汽管道连通，所述第一换热器的吸热段的入口与所述第一熔盐罐连通，出口与所述第二熔盐罐连通；

所述第二换热器的放热段的入口与热再热蒸汽管道连通，出口与低压蒸汽管道连通，所述第二换热器的吸热段的入口与所述第一熔盐罐连通，出口与所述第二熔盐罐连通；

所述第三换热器的放热段的入口与所述第四换热器的放热段的出口连通，出口与所述第一熔盐罐连通，所述第三换热器的吸热段的入口与高加中间管道连通，出口与省煤器入口管道连通；

所述第四换热器的放热段的入口与所述第二熔盐罐连通，所述第四换热器的吸热段的入口与所述冷再热蒸汽管道连通，出口与所述再热器入口管道连通；

所述吸热段吸收的热量来自所述放热段放出的热量。

根据本发明实施例提供的熔盐储热与火电机组耦合调峰系统，借助于熔盐储热的容量大、热能品位高等优点，将熔盐储热与火电机组耦合，具体是通过第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第一熔盐罐和第二熔盐罐等部件将主蒸汽管道、冷再热蒸汽管道、热再热蒸汽管道、低压蒸汽管道、高加中间管道、省煤器入口管道和再热器入口管道等火电机组中的管道进行耦合，从而解决了现有电化学储能、热水储能均无法满足火电机组的巨大存储能力需求的问题。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据一个实施例的熔盐储热与火电机组耦合调峰系统的系统示意图。

附图标记：

11-第一换热器；12-第二换热器；13-第三换热器；14-第四换热器；15-第一熔盐罐；16-第二熔盐罐；

21-主蒸汽管道；22-冷再热蒸汽管道；23-热再热蒸汽管道；24-低压蒸汽管道；25-高加中间管道；26-省煤器入口管道；27-再热器入口管道；

31-第一气动调节阀；32-第二气动调节阀；33-第三气动调节阀；34-第四气动调节阀；35-第五气动调节阀；36-第六气动调节阀；37-第七气动调节阀；

41-第一温度传感器；42-第二温度传感器；43-第三温度传感器；44-第四温度传感器；45-流量传感器；

51-第一熔盐泵；52-第二熔盐泵。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了根据一个实施例的熔盐储热与火电机组耦合调峰系统的系统示意图。如图1所示，该熔盐储热与火电机组耦合调峰系统包括第一换热器11、第二换热器12、第三换热器13、第四换热器14、第一熔盐罐15和第二熔盐罐16，第一熔盐罐15中熔盐的温度低于第二熔盐罐16中熔盐的温度，其中：

第一换热器11的放热段的入口与主蒸汽管道21连通，出口与冷再热蒸汽管道22连通，第一换热器11的吸热段的入口与第一熔盐罐15连通，出口与第二熔盐罐16连通；

第二换热器12的放热段的入口与热再热蒸汽管道23连通，出口与低压蒸汽管道24连通，第二换热器12的吸热段的入口与第一熔盐罐15连通，出口与第二熔盐罐16连通；

第三换热器13的放热段的入口与第四换热器14的放热段的出口连通，出口与第一熔盐罐15连通，第三换热器13的吸热段的入口与高加中间管道25连通，出口与省煤器入口管道26连通；

第四换热器14的放热段的入口与第二熔盐罐16连通，第四换热器14的吸热段的入口与冷再热蒸汽管道22连通，出口与再热器入口管道27连通；

吸热段吸收的热量来自放热段放出的热量。

在本实施例中，借助于熔盐储热的容量大、热能品位高等优点，将熔盐储热与火电机组耦合，具体是通过第一换热器11、第二换热器12、第三换热器13、第四换热器14、第一熔盐罐15和第二熔盐罐16等部件将主蒸汽管道21、冷再热蒸汽管道22、热再热蒸汽管道23、低压蒸汽管道24、高加中间管道25、省煤器入口管道26和再热器入口管道27等火电机组中的管道进行耦合，从而解决了现有电化学储能、热水储能均无法满足火电机组的巨大存储能力需求的问题。

为了提升火电机组的调峰能力，需要重点考虑如何保证该类型机组在深度调峰模式下的运行稳定性、控制精度以及灵活性，下面进行具体介绍。

在本发明一个实施例中，主蒸汽管道21上设置有第一气动调节阀31，热再热蒸汽管道23上设置有第二气动调节阀32；

在调峰系统处于储热运行模式时，第一气动调节阀31和第二气动调节阀32均处于运行调节状态；其中，第一气动调节阀31和第二气动调节阀32均是基于机组主蒸汽压力设定值、运行人员向PID控制器中输入的第一输入信号和机组主蒸汽压力测量值来进行调节。

在本实施例中，鉴于火电机组正常的可调节范围一般是40％～100％额定负荷，因此在机组负荷低于40％额定负荷时，本发明所提熔盐储热与火电机组耦合调峰系统处于储热运行模式，此时第一气动调节阀31和第二气动调节阀32处于运行调节状态。目前火电机组协调控制系统多运行在炉跟机协调方式下，故上述第一气动调节阀31和第二气动调节阀32的控制方法均为基于火电机组炉跟机协调运行方式下提出。

机组主蒸汽压力设定值与运行人员向PID控制器中输入的第一输入信号求和后作为PID控制器的设定值输入端SP的输入值，此处第一输入信号的作用主要是方便运行人员对机组主蒸汽压力值进行微小调整；机组主蒸汽压力测量值(安装于火电机组主蒸汽管道)经过滤波块LEADLAG的运算处理之后，作为PID控制器的过程值输入端PV的输入值，此处滤波块LEADLAG的作用主要是防止压力测量过程中的信号抖动；PID控制器经过对设定值输入SP和过程值PV的控制运算之后，输出第一气动调节阀31执行机构的控制指令，从而确保机组深度调峰模式下锅炉维持在稳燃负荷以上运行，保证为汽轮机提供满足深度调峰运行需求的蒸汽参数。

对于火电机组，在机组并网带负荷之后，其再热机组一般处于全开位置，主蒸汽流量和再热蒸汽流量一般成一定的比例。故本发明提出：第二气动调节阀32执行机构的控制指令由第一气动调节阀31执行机构的控制指令经函数f(x)计算得出，从而保证进入汽轮机主蒸汽和再热蒸汽流量的合理比例，函数f(x)可由现场试验修正得出。

在本发明一个实施例中，第二气动调节阀32是通过如下公式(即函数f(x))进行调节的：

式中，v

在本实施例中，通过给出具体的函数f(x)，可以实现第二气动调节阀32的精准调控。

需要说明的是，当火电机组处于储热运行模式时，机组原有协调控制系统中锅炉负荷指令将保持原有指令不变，也即此时锅炉负荷维持在40％额定负荷状态；机组主蒸汽压力的调节主要由第一气动调节阀31来保证；项目执行时，机组锅炉和第一气动调节阀31的调节回路应有自动切换回路，此处不再赘述。

在本发明一个实施例中，连接第一换热器11的吸热段的入口与第一熔盐罐15的管道上设置有第三气动调节阀33，连接第一换热器11的吸热段的出口与第二熔盐罐16的管道上设置有第一温度传感器41；

在调峰系统处于储热运行模式时，第三气动调节阀33处于运行调节状态；其中，第三气动调节阀33是基于熔盐温度设定值、运行人员向PID控制器中输入的第二输入信号和第一温度传感器41的测量值来进行调节。

在本发明一个实施例中，连接第二换热器12的吸热段的入口与第一熔盐罐15的管道上设置有第四气动调节阀34，连接第二换热器12的吸热段的出口与第二熔盐罐16的管道上设置有第二温度传感器42；

在调峰系统处于储热运行模式时，第四气动调节阀34处于运行调节状态；其中，第四气动调节阀34是基于熔盐温度设定值、运行人员向PID控制器中输入的第三输入信号和第二温度传感器42的测量值来进行调节。

在本实施例中，第三气动调节阀33和10的控制功能和方案相同，均是保证第一换热器11和第二换热器12的出口熔盐温度满足工艺系统运行要求，熔盐温度设定值与运行人员向PID控制器中输入的第二输入信号或第三输入信号求和后作为PID控制器的设定值输入端SP的输入值，此处第二输入信号或第三输入信号的作用主要是方便运行人员对热熔盐温度值进行微小调整；第一温度传感器41和第二温度传感器42的测量值经过滤波块LEADLAG的运算处理之后，作为PID控制器的过程值输入端PV的输入值，此处滤波块LEADLAG的作用主要是防止温度测量过程中的信号抖动；PID控制器经过对设定值输入SP和过程值PV的控制运算之后，输出第三气动调节阀33和第四气动调节阀34执行机构的控制指令，用以最终维持第二熔盐罐16内热熔盐温度在合理范围之内，从而保证第二熔盐罐16内的热熔盐参数满足运行需求。

在本发明一个实施例中，高加中间管道25上设置有第五气动调节阀35，省煤器入口管道26上设置有第三温度传感器43；

在调峰系统处于放热运行模式时，第五气动调节阀35处于运行调节状态；其中，第五气动调节阀35是基于省煤器入口温度设定值、运行人员向PID控制器中输入的第四输入信号和第三温度传感器43的测量值来进行调节。

在本发明一个实施例中，冷再热蒸汽管道22上设置有第六气动调节阀36，再热器入口管道27上设置有第四温度传感器44；

在调峰系统处于放热运行模式时，第六气动调节阀36处于运行调节状态；其中，第六气动调节阀36是基于再热器入口温度设定值、运行人员向PID控制器中输入的第五输入信号和第四温度传感器44的测量值来进行调节。

在本实施例中，第五气动调节阀35和第六气动调节阀36的控制功能和方案类似，均是保证第三换热器13和第四换热器14之后的给水或蒸汽温度参数，以保证相关的汽水介质并入机组适当的位置，充分利用熔盐所储热能，提升机组负荷调节能力和运行经济性。

省煤器入口给水温度或再热器入口蒸汽温度的设定值与运行人员向PID控制器中输入的第四输入信号或第五输入信号求和后作为PID控制器的设定值输入端SP的输入值，此处第四输入信号或第五输入信号的作用主要是方便运行人员对省煤器入口给水温度值或再热器入口蒸汽温度值进行微小调整；第三温度传感器43或第四温度传感器44的测量值经过滤波块LEADLAG的运算处理之后，作为PID控制器的过程值输入端PV的输入值，此处滤波块LEADLAG的作用主要是防止温度测量过程中的信号抖动；PID控制器经过对设定值输入SP和过程值PV的控制运算之后，输出第五气动调节阀35或第六气动调节阀36中执行机构的控制指令，以保证在机组高负荷工况下将热熔盐储罐储存的热量合理高效的应用在机组发电系统中，从而提升机组调节以及经济性能。

在本发明一个实施例中，连接第四换热器14的放热段的入口与第二熔盐罐16的管道上设置有第七气动调节阀37和流量传感器45；

在调峰系统处于放热运行模式时，第七气动调节阀37处于运行调节状态；其中，第七气动调节阀37是基于熔盐流量设定值和流量传感器45的测量值来进行调节。

在本实施例中，当机组负荷大于40％额定负荷时，调峰系统处于放热运行模式，此时第七气动调节阀37处于运行调节状态。

在本发明一个实施例中，熔盐流量设定值是基于锅炉燃料量指令、运行人员向PID控制器中输入的第六输入信号和机组负荷得到的。

在本实施例中，需要考虑熔盐放热运行模式下的放热量，通过设置熔盐流量设定值所依据的因素，来保证锅炉出力与热熔盐所放热量与机组需求热量相匹配。

在本发明一个实施例中，熔盐流量设定值具体是通过如下方式得到的：

基于如下公式确定熔盐放热系数：

k＝cp+d

式中，k表示随机组负荷变化的熔盐放热系数，无量纲；p表示机组功率，MW；c和d分别表示随机组负荷增加所需要熔盐代替燃煤量的系数，现场投运后依据设备出力情况和实际运行数据计算得到；

对熔盐放热系数和锅炉燃料量指令进行乘法运算，得到所需要熔盐替代的燃煤量；

基于如下公式确定熔盐流量基本计算值：

式中，q表示熔盐流量基本计算值，t/h；μ表示所需要熔盐替代的燃煤量，t/h；r

对熔盐流量基本计算值和运行人员向PID控制器中输入的第六输入信号进行求和，得到熔盐流量设定值。

在本实施例中，先确定出热熔盐放热系数，经与锅炉燃料量指令进行乘法运算，得到所需要熔盐替代的燃煤量，该所需要熔盐替代的燃煤量经进一步运算得出熔盐流量基本计算值，熔盐流量基本计算值与运行人员向PID控制器中输入的第六输入信号求和后作为PID控制器的设定值输入端SP的输入值；此处第六输入信号的作用主要是方便运行人员对热熔盐流量值进行微小调整。流量传感器45的测量值经过滤波块LEADLAG的运算处理之后，作为PID控制器的过程值输入端PV的输入值，此处滤波块LEADLAG的作用主要是防止流量测量过程中的信号抖动；PID控制器经过对设定值输入SP和过程值PV的控制运算之后，输出第七气动调节阀37中执行机构的控制指令，以保证在机组高负荷工况下将热熔盐储罐储存的热量合理高效的应用在机组发电系统中，从而提升机组调节以及经济性能。

在本发明一个实施例中，第一熔盐罐15中设置有第一熔盐泵51，第一熔盐泵51分别与第一换热器11和第二换热器12的吸热段的入口连通，第二熔盐罐16中设置有第二熔盐泵52，第二熔盐泵52与第四换热器14的放热段的入口连通，第一熔盐泵51和第二熔盐泵52均采用变频调速的方式。

在本实施例中，在放热负荷较小时采用第七气动调节阀37调节热熔盐流量，在放热负荷较大时采用第二熔盐泵52变频调节热熔盐流量。

下面介绍上述技术方案的工作过程：

a)储热运行模式：

当机组负荷低于40％额定负荷时，调峰系统处于储热运行模式，此时第一气动调节阀31、第二气动调节阀32、第三气动调节阀33和第四气动调节阀34处于运行调节状态。从主蒸汽管道21和热再热蒸汽管道23来的蒸汽分别经过第一气动调节阀31和第二气动调节阀32，并分别经由第一换热器11和第二换热器12后，分别接入冷再热蒸汽管道22和低压蒸汽管道24，以实现机组低负荷下多余蒸汽放热至熔盐的过程；在储热运行模式时，第一熔盐泵51启动，通过分别控制第三气动调节阀33和第四气动调节阀34分别控制第一换热器11和第二换热器12熔盐侧出口熔盐温度，以保证储热过程中的熔盐参数。

特别地，上述低压蒸汽管道24包括除氧器供汽管道、给水泵汽轮机供汽管道、汽轮机低压缸连通管和辅汽联箱中的至少一种，机组运行期间，可依据排汽参数自动选择换热器后蒸汽接入点，在此不进行具体限定。

B)放热运行模式：

当机组负荷大于40％额定负荷时，调峰系统处于放热运行模式，此时第五气动调节阀35、第六气动调节阀36和第七气动调节阀37处于运行调节状态。从高加中间管道25和冷再热蒸汽管道22来的给水和蒸汽分别经过第五气动调节阀35和第六气动调节阀36，并分别经由给第三换热器13和第四换热器14后，分别接入省煤器入口管道26和再热器入口管道27，以实现机组高负荷下热熔盐放热至机组汽水系统的过程，第五气动调节阀35和第六气动调节阀36分别控制第三换热器13和第四换热器14出口的汽水介质温度，确保各参数间的匹配；放热运行模式时，第二熔盐泵52启动，通过第七气动调节阀37的调节来控制进入第三换热器13和第四换热器14的热熔盐流量，从而保证合理安全的将低负荷时储存的热量逐步释放于火电机组，实现火电机组热量的“削峰填谷”，实现火电机组深度调峰模式下的安全高效运行。

综上，上述技术方案具有如下技术效果：

1)通过运行模式切换和控制方法的调节，能够灵活应对火电机组深度调峰模式下的多工况运行；

2)能够实现在机组低负荷运行时，锅炉在安全稳定工况下运行，保证了设备的安全性；

3)充分提升了火电机组灵活运行的调峰能力，有利于“双碳”目标下新能源的电力消纳。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。