混合能源火力调峰电站及调峰方法

技术领域

本发明涉及节能环保技术领域，尤其涉及一种混合能源火力调峰电站及调峰方法。

背景技术

随着全球工业化的突飞猛进，电网负荷存在白天高峰和深夜低谷的周期性变化，用电负荷的峰谷差可达最大发电出力的30％～40％。峰谷差的存在给发电和电力调度造成一定的困难，也给电网运行带来一定风险。同时，为了满足电网的最大负荷要求，电网的建设费用也大幅增加，利用效率较低。

目前，在电网输电技术中火电厂的调峰比例相对最高，但受限于火电厂的自身技术特点，火电厂的调峰比例较低。当用电高峰时，调峰电厂机组增大发电量，当用电低谷时，调峰电厂机组减小发电量，以实现调峰发电。但是，常规调峰火电厂的发电量的增大和减小的幅度都不能过高，否则严重影响锅炉和汽轮机组的工作效率；并且，调节火电机组发电功率主要是通过改变汽轮机组的进汽参数，而参数改变的幅度过大也会显著影响锅炉燃煤利用效率以及汽轮机组的安全性和寿命；特别是，由于火电厂的锅炉改变参数的滞后性，更会导致调峰调频的瞬时响应不及时。

发明内容

本发明提供一种混合能源火力调峰电站，用以解决现有的传统火电厂受限于自身技术特点，存在调峰范围小以及调峰调频的瞬时响应不及时的缺陷。

本发明还提供一种调峰方法。

本发明提供一种混合能源火力调峰电站，包括电厂单元、液态空气储能单元和电池单元，所述电厂单元设有第一发电机，所述液态空气储能单元设有相连的储能流路和释能流路，所述第一发电机分别连接所述储能流路和所述电池单元，所述第一发电机、所述释能流路和所述电池单元分别能向电网输电；

在所述电网处于用电平段，所述第一发电机能将全部发电量用于向所述电网输电；

在所述电网处于用电谷段，所述第一发电机能同步的向所述电网、所述储能流路和所述电池单元输电；

在所述电网处于用电峰段，所述第一发电机能将全部发电量用于向所述电网输电，并且所述释能流路和所述电池单元均能向所述电网输电。

根据本发明提供的一种混合能源火力调峰电站，所述第一发电机通过第一输电线路连接于所述电网，所述第一发电机通过驱动线路连接于所述储能流路的能源输入端，所述第一发电机通过蓄电线路连接于所述电池单元的充电端；所述储能流路的能源输出端和所述电池单元的放电端分别通过第二输电线路和第三输电线路连接于所述电网。

根据本发明提供的一种混合能源火力调峰电站，所述驱动线路上设有第一开关，所述蓄电线路上设有第二开关，所述第三输电线路上设有放电开关。

根据本发明提供的一种混合能源火力调峰电站，所述液态空气储能单元包括电动机、空气压缩机组和储能罐，所述第一发电机连接于所述电动机，所述电动机连接于所述空气压缩机组的动力输入端，所述空气压缩机组的排气口通过储能流路连接于所述储能罐。

根据本发明提供的一种混合能源火力调峰电站，所述液态空气储能单元还包括空气透平机组和第二发电机，所述储能罐通过所述释能流路与所述空气透平机组连接，所述空气透平机组的动力输出端连接于所述第二发电机，所述第二发电机连接所述电网。

根据本发明提供的一种混合能源火力调峰电站，所述液态空气储能单元还包括：

压缩热利用装置，其第一换热侧和第二换热侧分别连接于所述储能流路和所述释能流路中；

蓄冷器，其第一换热侧连接于所述压缩热利用装置与所述储能罐之间的所述储能流路中，所述蓄冷器的第二换热侧连接于所述储能罐与所述压缩热利用装置之间的所述释能流路中；

节流元件，连接于所述蓄冷器的第一换热侧与所述储能罐之间的所述储能流路中；

驱动泵，连接于所述储能罐与所述蓄冷器的第二换热侧之间的所述释能流路中。

根据本发明提供的一种混合能源火力调峰电站，所述电厂单元包括至少一组蒸汽循环回路，每组所述蒸汽循环回路上分别设有至少一组汽轮机组，每组所述汽轮机组分别与所述第一发电机连接。

根据本发明提供的一种混合能源火力调峰电站，所述蒸汽循环回路上依次连接有蒸汽锅炉、所述汽轮机组、冷凝器和给水泵。

根据本发明提供的一种混合能源火力调峰电站，所述电池单元包括至少一组电池组，每组所述电池组均由至少一级电池通过串联和/或并联组成。

本发明还提供一种调峰方法，由如上所述的混合能源火力调峰电站执行；所述调峰方法包括：

在电网处于用电平段，驱动所述第一发电机将全部发电量用于向所述电网输电；

在所述电网处于用电谷段，驱动所述第一发电机同步的向所述电网、所述储能流路和所述电池单元输电；

在所述电网处于用电峰段，驱动所述第一发电机将全部发电量用于向所述电网输电，并分别驱动所述释能流路和所述电池单元向所述电网输电。

本发明提供一种混合能源火力调峰电站包括电厂单元、液态空气储能单元和电池单元，电厂单元设有第一发电机，液态空气储能单元设有相连的储能流路和释能流路，第一发电机分别连接储能流路和电池单元，第一发电机、释能流路和电池单元分别能向电网输电。在电网处于用电平段，该调峰电站利用第一发电机将全部发电量用于向电网输电，以保证调峰电站的可靠输电；在电网处于用电谷段，该调峰电站利用第一发电机同步的向电网、储能流路和电池单元输电，从而实现电网的输电保障基础上，还能实现液态空气储能单元的储能阶段以及电池单元的蓄电阶段，实现“填谷”作用；在电网处于用电峰段，该调峰电站利用第一发电机将全部发电量用于向电网输电，并且释能流路和电池单元均能向电网输电，从而利用液态空气储能单元的释能阶段和电池单元的放电阶段与电厂单元的输电相结合，扩大电网的调峰范围。

需要说明的是，由于现有的传统火电厂需要通过控制汽轮机组的进汽量而实现调峰，调峰能力范围仅为50％至100％，调峰范围小，调峰效率低，且改变幅度过大会显著影响锅炉燃煤利用效率以及汽轮机组的安全性和寿命；同时由于燃煤锅炉改变参数的滞后性，会导致调峰响应不及时。

与现有技术相比，本发明所述的调峰电站能够将传统电厂与液态空气储能单元和电池单元相结合，能够实现调峰电站的0至200％额定功率的深度调峰；并且，在电网的任意用电时段均可维持电厂单元在额定工况下运行不停机，提高电厂单元的运行效率，以及调峰电站整体的运行效率；并且，可以通过液态空气储能单元的储能阶段和释能阶段的灵活切换，实现大功率削峰填谷；并且，通过电池单元的充放电阶段切换实现调峰电站的快速调峰响应和瞬时调频。

本发明还提供一种调峰方法，由上述的混合能源火力调峰电站执行，从而使得该调峰方法具备上述的混合能源火力调峰电站的全部优点，具体在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，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是本发明提供的混合能源火力调峰电站的结构示意图。

附图标记：

1：蒸汽锅炉； 2：汽轮机组； 3：冷凝器；

4：给水泵； 5：第一开关； 6：第二开关；

7：电池组； 8：放电开关； 9：空气压缩机组；

10：压缩热利用装置； 11：蓄冷器； 12：节流元件；

13：储能罐； 14：驱动泵； 15：空气透平机组；

16：电网； 17：第一输电线路； 18：第二输电线路；

19：第三输电线路； 20：驱动线路； 21：蓄电线路；

22：第一发电机； 23：第二发电机； 24：电动机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

下面结合图1描述本发明的混合能源火力调峰电站(本发明实施例中可简称为“调峰电站”)，以及由该调峰电站执行的调峰方法。

如图1所示，该调峰电站包括电厂单元、液态空气储能单元和电池单元。其中，电厂单元设有第一发电机22；液态空气储能单元设有相连的储能流路和释能流路。第一发电机22分别连接储能流路和电池单元。第一发电机22、释能流路和电池单元分别能向电网16输电。

在电网16处于用电平段，该调峰电站利用第一发电机22将全部发电量用于向电网16输电，以保证调峰电站的可靠输电。

在电网16处于用电谷段，该调峰电站利用第一发电机22同步的向电网16、储能流路和电池单元输电。换言之，根据当前时段电网16的用电需求将第一发电机22的发电量分为三部分：第一发电机22的第一部分发电量持续向电网16输电，以满足电网16用电需求；第一发电机22的第二部分和第三部分分别能用于启用液态空气储能单元的储能流路实现储能阶段、以及启用电池单元的蓄电储能过程。上述设置能实现电网16在用电谷段满足输电保障的基础上，还能实现液态空气储能单元的储能阶段以及电池单元的蓄电阶段，实现“填谷”作用。

在电网16处于用电峰段，该调峰电站利用第一发电机22将全部发电量用于向电网16输电，并且释能流路和电池单元均能向电网16输电，从而利用液态空气储能单元的释能阶段和电池单元的放电阶段与电厂单元的输电相结合，扩大电网16的调峰范围。

可见，本发明所述的调峰电站能够将传统电厂与液态空气储能单元和电池单元相结合，能够实现调峰电站的0至200％额定功率的深度调峰；并且，在电网16的任意用电时段均可维持电厂单元在额定工况下运行不停机，提高电厂单元的运行效率，以及调峰电站整体的运行效率；并且，可以通过液态空气储能单元的储能阶段和释能阶段的灵活切换，实现大功率削峰填谷；并且，通过电池单元的充放电阶段切换实现储能电站的快速响应和瞬时调频。

可理解的，优选第一发电机22通过第一输电线路17连接于电网16，以实现电厂单元直接向电网16输电。第一发电机22通过驱动线路20连接于储能流路的能源输入端，以实现第一发电机22驱动液态空气储能单元的储能阶段启用。第一发电机22通过蓄电线路21连接于电池单元的充电端，以实现第一发电机22驱动电池单元的蓄电储能阶段启用。储能流路的能源输出端通过第二输电线路18连接于电网16，从而实现液态空气储能单元的释能阶段启用。电池单元的放电端与第三输电线路19连接于电网16，从而实现电池单元的放电过程。

为了提高电厂单元、液态空气储能单元、电池单元和电网16之间的智能调度关系，优选驱动线路20上设有第一开关5；蓄电线路21上设有第二开关6；第三输电线路19上设有放电开关8。

可理解的，上述的第一开关5、第二开关6和放电开关8均优选为流量控制开关。换言之，上述各个开关既能够控制线路通断，又能够控制当前线路内通过的电流大小，即，能够调控当前线路的功率。

在一些实施例中，如图1所示，优选电厂单元包括至少一组蒸汽循环回路，每组蒸汽循环回路上分别设有至少一组汽轮机组2，每组汽轮机组2分别与第一发电机22连接，利用蒸汽循环回路形成蒸汽发电循环，从而驱动第一发电机22发电。优选的，蒸汽循环回路上依次连接有蒸汽锅炉1、汽轮机组2、冷凝器3和给水泵4。

可理解的，蒸汽锅炉1优选可以为燃煤锅炉、燃气锅炉和余热锅炉中的一种。

可理解的，上述的电厂单元的蒸汽发电循环还可以替换为超级电容储能结构或者飞轮储能结构，只要满足电厂单元设置第一发电机22实现发电即可。

可理解的，上述的电厂单元优选为火电厂、燃气轮机电站或者燃气-蒸汽联合循环电站。

可理解的，上述的电厂单元为火电厂，则火电厂优选为凝气式发电厂或热电厂。

在一些实施例中，如图1所示，优选电池单元包括至少一组电池组7。每组电池组7均由至少一级电池通过串联和/或并联组成。

可理解的，优选电池为锂电池、镍基电池、液流电池、铅酸电池和钠硫电池中的一种。

在一些实施例中，如图1所示，液态空气储能单元包括电动机24、空气压缩机组9和储能罐13。第一发电机22连接于电动机24，电动机24连接于空气压缩机组9的动力输入端，从而实现由第一发电机22向电动机24输出电能，以利用电动机24驱动空气压缩机组9运行。空气压缩机组9的排气口通过储能流路连接于储能罐13，以将进入空气压缩机组9的空气进行压缩，进而实现并完成液态空气储能单元的储能阶段。

在一些实施例中，液态空气储能单元还包括空气透平机组15和第二发电机23。储能罐13通过释能流路与空气透平机组15连接，空气透平机组15的动力输出端连接于第二发电机23。以使液态空气自储能罐13流经释能流路并逐步升温升压成高温高压空气，从而进入空气透平机组15中做功，利用空气透平机组15带动第二发电机23发电。第二发电机23连接电网16，优选第二发电机23通过第二输电线路18连接电网16，进而实现液态空气储能单元的释能阶段。

在一些实施例中，该液态空气储能单元还包括压缩热利用装置10、蓄冷器11、节流元件12和驱动泵14。压缩热利用装置10的第一换热侧和第二换热侧分别连接于储能流路和释能流路中。压缩热利用装置10可以将液态空气储能单元处于储能阶段中存储压缩空气的压缩热，从而对液态空气储能单元处于释能阶段中流经压缩热利用装置10中的空气进行加热升温。蓄冷器11的第一换热侧连接于压缩热利用装置10与储能罐13之间的储能流路中，蓄冷器11的第二换热侧连接于储能罐13与压缩热利用装置10之间的释能流路中，蓄冷器11可以将液态空气储能单元处于释能阶段中流经蓄冷器11的液态空气的冷量进行留存，从而对液态空气储能单元处于储能阶段中流经蓄冷器11的常温高压空气进行降温。节流元件12连接于蓄冷器11的第一换热侧与储能罐13之间的储能流路中，节流元件12能在储能阶段对降温后的低温高压空气进行降压膨胀，以将空气转化为液态空气。驱动泵14连接于储能罐13与蓄冷器11的第二换热侧之间的释能流路中，驱动泵14能根据电网16的控制信号实现启停响应，以在电网16进入用电峰段及时启用液态空气储能单元的释能流路，从而使储能罐13中的液态空气经驱动泵14的增压作用后进入蓄冷器11中。

可理解的，优选空气压缩机组9的结构为活塞式、螺杆式或离心式。优选空气压缩机组9包括一台或多台压缩机。各台通过串联、并联或串并联集成以组成空气压缩机组9。每一级压缩机的级后都可以配置有压缩热利用装置10。

可理解的，优选空气透平机组15的结构形式优选为径流式、轴流式或径轴流式。优选空气透平机组15包括一台或多台透平机，各台透平机通过串联、并联或串并联集成而组成空气透平机组15。优选在每一级透平机的级前都配置有预热器。优选预热器为管壳式结构、板翅式结构和绕管式结构中的一种或几种组合。

可理解的，优选压缩热利用装置10既能将存储的压缩热用于预热空气透平机组15的进气，也可用于生产生活热水、采暖用水或者用于驱动吸收式制冷机组供冷。例如将压缩热利用装置10设为溴化锂机组或氨水机组。

可理解的，优选蓄冷器11采用液相蓄冷器11、固相蓄冷器11或相变材料蓄冷器11中的一种或多种的组合。液相蓄冷器11的蓄冷介质优选为甲醇、丙烷和R123中的至少一种。固相蓄冷器11的蓄冷介质优选为金属、岩石和玻璃中的至少一种。优选在蓄冷器11内，液态或气态的空气与蓄冷介质直接或间接接触换热。优选蓄冷器11包括一级或多级蓄冷机，各级蓄冷机通过串联、并联、或者串并联组合构成。

可理解的，优选节流元件12为低温膨胀机或节流阀。

可理解的，优选储能罐13为杜瓦罐或低温储槽。

可理解的，优选驱动泵14的泵体结构为活塞式或离心式。

可理解的，优选电网16的控制信号可以为电网16的调度指令信号，也可以为电厂单元的内部调度指令信号。

本发明还提供一种调峰方法，由上述的混合能源火力调峰电站执行，从而使得该调峰方法具备上述的混合能源火力调峰电站的全部优点，关于该调峰方法的优点具体在此不再赘述。

该调峰方法中，电网16依据用电负荷量和用电时段划分为用电平段、用电谷段和用电峰段。其中，用电平段是指电网16的用电负荷量处于平均水平范围，该平均水平范围依据电网16所在地用户的整体用电负荷量、年平均用电负荷量、月平均用电负荷量、以及当日平均用电负荷量等实际用电负荷量数据综合考评得到；用电谷段是指电网16处于用电负荷量低于平均水平范围的阶段，用电峰段是指电网16处于用电负荷量高于平均水平范围的阶段。

该调峰方法中，在电网16处于用电平段，驱动第一发电机22将全部发电量用于向电网16输电。

具体的，如图1所示，电网16处于用电平段，电厂单元的蒸汽锅炉1以额定功率运行，由蒸汽锅炉1产生的高压蒸汽能驱动汽轮机组2以额定功率稳定运行，从而驱动第一发电机22发电。第一发电机22将全部发电量都通过第一输电线路17输送至电网16中，以满足电网16用电平段的用电需求量。汽轮机组2运行产生的乏汽沿蒸汽循环回路进入冷凝器3中被冷凝成液态，然后通过给水泵4增压以后回到蒸汽锅炉1中，重新被加热生成高压蒸汽，以实现上述的电厂单元内的蒸汽发电循环。在用电平段中，第一开关5、第二开关6和放电开关8均关闭，以保证液态空气储能单元和电池单元均停机不运行。

该调峰方法中，在电网16处于用电谷段，驱动第一发电机22同步的向电网16、储能流路和电池单元输电。

具体的，如图1所示，电网16处于用电谷段，电厂单元以额定工况运行，汽轮机组2以额定功率稳定运行，从而驱动第一发电机22发电。分别打开第一开关5和第二开关6，以分别启动驱动线路20和蓄电线路21。第一发电机22的第一部分发电量直接通过第一输电线路17送至电网16，以满足电网16在用电谷段的正常用电需求。第一发电机22的第二部分通过驱动线路20进入电动机24，以驱动液态空气储能单元的空气压缩机组9工作，从而将常温常压空气压缩至中温高压，中温高压空气沿储能管路依次经过压缩热利用装置10的第一换热侧、蓄冷器11的第一换热侧以及节流元件12，以液态空气的状态存储于储能罐13中，具体为：通过压缩热利用装置10将上述中温高压空气的中温压缩热回收利用，然后冷却至常温的高压空气并进入蓄冷器11降至低温，接着经过节流元件12的降压膨胀后，转变为液态空气存储于储能罐13中，从而完成液态空气储能单元的储能阶段。第一发电机22的第三部分通过蓄电线路21向电池单元的电池组7以便给大功率电池组7充电，完成电池单元的蓄电储能过程。

该调峰方法中，在电网16处于用电峰段，驱动第一发电机22将全部发电量用于向电网16输电，并分别驱动释能流路和电池单元向电网16输电。

具体的，如图1所示，电网16处于用电峰段，电厂单元以额定工况运行，汽轮机组2以额定功率稳定运行，从而驱动第一发电机22发电。关闭第一开关5和第二开关6，以使驱动线路20和蓄电线路21都断开，从而保证第一发电机22的全部发电量都通过第一输电线路17送至电网16。

在用电峰段由于电厂单元的发电量有可能无法满足电网16的用电需求，因此在电网16判断进入用电峰段，则液态空气储能单元的驱动泵14立刻响应并启动，从而使储能罐13中的液态空气经驱动泵14的增压作用后进入蓄冷器11中，并将液态空气的冷量留存于蓄冷器11内以便于在储能阶段使用。复温后的高压空气经压缩热利用装置10的加热后进入空气透平机组15中膨胀做功并驱动第二发电机23发电，以将生成的电能通过第二输电线路18输送至电网16，从而完成液态空气储能单元的释能流路的释能过程。

在用电峰段电网16判断电厂单元与液态空气储能单元的释能过程相结合而产生的总发电量仍不足以弥补电网16用电需求，则优选驱动第三输电线路19的上的放电开关8打开，以使第三输电线路19启用，从而使电池单元能通过第三输电线路19向电网16输电，从而实现电池单元的放电过程，更进一步提升调峰电站在用电峰段的调峰能力。

可理解的，优选在电网16用电谷段，电厂单元的输电过程、液态空气储能单元的储能过程、以及电池单元的蓄电储能过程三者之间可以并行，也可以将可以液态空气储能单元的储能过程和电池单元的蓄电储能过程之间设置为存在先后时序或彼此间歇运行；优选在电网16用电峰段，电厂单元的输电过程、液态空气储能单元的释能过程、以及电池单元的放电过程三者可以并行，也可以将可以液态空气储能单元的储能过程和电池单元的蓄电储能过程之间设置为存在先后时序或彼此间歇运行。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述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实施例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。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。