CN115095899B - 一种燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统及运行方法，该系统将燃煤供热机组和压缩空气储能系统以及吸收式热泵结合，使得热网供水能够被空气余热，燃煤机组的余热加热。本发明汽轮发电机组采用朗肯循环为动力循环，耦合吸收式热泵，利用燃煤机组冷端余热，同时为用户提供热、电两种能源，压缩空气储能系统释能发电模式采用布雷顿循环为动力循环，对外输出电能。通过压缩空气储能‑冷端‑吸收式热泵的耦合优化，本发明可大幅度提高燃煤机组的能量利用率。本发明提出的一种燃煤机组耦合压缩空气储能和吸收式热泵的冷端余热供热系统提高了燃煤机组效率及运行灵活性，减少污染物排放以及资源消耗是燃煤电站长期关注的问题。

Description

一种燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统及运行方法

技术领域

本发明属于热电联产技术领域，具体涉及一种燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统及运行方法。

背景技术

现有的火电行业应遵循“坚持低碳、清洁、高效的原则，大力发展绿色火电”的原则，鼓励开展“高效清洁发电”等先进适用技术的研发应用。火电技术进步从提高初参数、蒸汽再热等方式向全工况运行、余热深度利用等方向转变。同时，现在北方地区正开展集中供热，减少小型供热锅炉污染物的排放，以改善冬季北方雾霾多发的环境问题。因此，火电机组进行热电联产对节能减排工作具有重要意义。

目前热电联产机组多采用抽凝式汽轮机、背压式汽轮机或者使凝器式汽轮机在供热工况下提高背压运行，由于热网回水温度在40℃以上，热网供水温度多在70-120℃，抽凝式机组汽轮机抽气温度较高，直接用于加热热网水有较大的不可逆损失，背压式汽轮机或者使凝器式汽轮机提高背压运行时，可以利用汽轮机乏汽加热热网水，可以合理利用冷端损失，但是高背压供热机组多按照以热定电模式运行，电负荷范围较小，难以实现机组的灵活运行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统及运行方法，以解决现有技术中，高背压供热机组多按照以热电模式运行，电负荷范围较小，难以实现机组的灵活运行的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统，其特征在于，包括第一汽轮机组、第二汽轮机组、吸收式热泵、小汽机乏汽加热器和第二机组供热凝汽器；

热网回水和第二机组供热凝汽器的冷侧工质入口连通，第二机组供热凝汽器的冷侧工质出口连通有管道，管道设置有两个分支，一个分支和吸收式热泵的被加热工质入口连通，另一分支和小汽机乏汽加热器的冷侧工质入口连通；吸收式热泵的被加热工质出口和小汽机乏汽加热器的冷侧工质出口汇合后连通至热网；

所述第二机组供热凝汽器以第二汽轮机组的排汽作为热源，所述吸收式热泵以第一汽轮机组的排汽作为热源以及驱动蒸汽，所述小汽轮机乏汽加热器的热侧工质入口连通至热网循环水泵小汽机，所述热网循环水泵小汽轮机以第一汽轮机组的排汽作为驱动蒸汽；

所述热网回水和第二机组供热凝汽器的冷侧工质入口连通管道上设置有分支，所述分支连通至空气冷却器的冷侧工质入口，所述空气冷却器的冷侧工质出口汇入至管道；所述空气冷却器的热侧工质入口连通有空气压缩机，空气冷却器的热侧工质出口连通有压缩空气储能装置。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述第一汽轮机组包括第一机组中压汽轮机和第一机组低压汽轮机，第一机组中压汽轮机组的排汽分别与第一机组汽轮低压汽轮机入口、热网循环水泵小汽轮机入口以及吸收式热泵驱动蒸汽入口连通。

优选的，所述第一机组低压汽轮机的排汽和吸收式热泵冷源入口连通，所述吸收式热泵的冷源出口连通至第一加机组凝汽器热井。

优选的，所述第二机组包括第二机组中压汽轮机和第二机组低压汽轮机，第二机组中压汽轮机的排汽入口和第二机组低压汽轮机的蒸汽入口连通，第二机组低压汽轮机的排汽和第二机组供热凝汽器的热源入口连通。

优选的，所述热网回水的管路上设置有热网循环水泵，所述热网循环水泵的动力输入端和热网循环水泵小汽轮机的动力输出端连接；所述热网回水和第二机组供热凝汽器的冷侧工质入口连通管道上的分支上设置有出口控制阀。

优选的，第一汽轮机组的动力输出轴连接有第一机组发电机，第二汽轮机组的动力输出轴连接有第二机组发电机，所述第二机组发电机为压缩空气储能装置供电。

优选的，所述空气冷却器的热侧工质出口连通有制冷膨胀机，制冷膨胀机的出口连通有气液分离器，气液分离器的液体出口连接有空气储罐。

优选的，所述空气储罐的出口连接有升压泵，升压泵的出口连接有燃烧室，燃烧室的出口连接有空气膨胀机，空气膨胀机的动力输出端连接有空气发电机。

优选的，所述气液分离装置的气体出口和空气压缩机的入口连通。

一种上述燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统的运行方法，当压缩空气储能系统在储能模式运行时，热网回水分流一部分经过空气冷却器，通过压缩空气的余热进行加热，另一部分经过第二机组供热凝汽器加热，在供热凝汽器出口汇集；之后分流为两部分，一部分作为被加热工质通过吸收式热泵被加热，另一部分通过小汽机乏汽加热器被加热，被吸收式热泵加热后的水和被小汽机乏汽加热器加热后的水汇合后通入热网中；第一汽轮机组对外输出电能，空气以液态形式被存储在压缩空气储能装置中；

当压缩空气储能系统在释能模式运行时，压缩空气储能装置对外提供电能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统，该系统将燃煤供热机组和压缩空气储能系统以及吸收式热泵结合，使得热网供水能够被空气余热，燃煤机组的余热加热。本发明汽轮发电机组采用朗肯循环为动力循环，耦合吸收式热泵，利用燃煤机组冷端余热，同时为用户提供热、电两种能源，压缩空气储能系统释能发电模式采用布雷顿循环为动力循环，对外输出电能。通过压缩空气储能-冷端-吸收式热泵的耦合优化，本发明可大幅度提高燃煤机组的能量利用率。本发明提出的一种燃煤机组耦合压缩空气储能和吸收式热泵的冷端余热供热系统提高了燃煤机组效率及运行灵活性，减少污染物排放以及资源消耗是燃煤电站长期关注的问题。

进一步的，本发明采用压缩空气储能系统储能模式下空气冷却器和高背压机组乏汽依次加热热网回水，之后将抽凝机组乏汽作为吸收式热泵冷源，合理利用冷端余热，提高能量利用率，同时可以显著降低机组综合发电煤耗率。

进一步的，本发明采用汽轮机抽汽驱动热网循环水泵，并将小汽机乏汽用于加热热网水，合理利用汽轮机抽汽的压力和热量，实现能量的梯级利用，可以降低机组的发电煤耗率。

进一步的，本发明通过压缩空气储能系统储能模式和释能发电模式的调整，可以实现热电解耦，使第一机组和第二机组均可满足灵活调峰的需求。

本发明还公开了一种燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统的运行方法，该方法将热网回水加热过程分为2个阶段：当压缩空气储能系统在储能模式下运行时，热网回水先经过空气冷却器和供热凝汽器，分别利用空气余热和汽轮机乏汽潜热加热，汇集之后再次分流为两部分，一部分作为被加热工质通过吸收式热泵被加热，另一部分通过小汽机乏汽加热器利用乏汽余热，满足供热需求。系统通过合理分配不同阶段加热热源，合理利用系统余热，机组的能量利用率较高；在高背压汽轮发电机组稳定运行的工况下，压缩空气系统通过调整压缩储能模式或者释能发电模式，进行机组电负荷调节，满足单台机组单独调配情况下灵活调峰需求。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图中：1为第一机组高压汽轮机、2为第一机组低压汽轮机、3为热网循环水泵小汽机、4为热网循环水泵、5为第二机组供热凝汽器、6为小汽机乏汽加热器、7为吸收式热泵、8为第一机组中压汽轮机、9为第二机组低压汽轮机、10为第二机组发电机、11为第一机组发电机、12为出口控制阀、13为第二机组高压汽轮机、14为第二机组中压汽轮机、15为制冷膨胀机、16为空气冷却器、17为空气压缩机、18为气液分离装置、19为空气储罐、20为升压泵、21为燃烧室、22为空气膨胀机、23为空气发电机；24为管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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“安装”、“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；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。

参见图1，本发明公开了一种燃煤机组耦合压缩空气储能和吸收式热泵的冷端余热供热系统，包括依次相连通的空气压缩机17、空气冷却器16、制冷膨胀机15、气液分离装置18、空气储罐19、升压泵20、燃烧室21、空气膨胀机22；也包括第一机组高压汽轮机1、第一机组中压汽轮机8、第一机组低压汽轮机2、热网循环水泵小汽机3、热网循环水泵4、第二机组供热凝汽器5、吸收式热泵7、第二机组高压汽轮机13、第二机组中压汽轮机14、第二机组低压汽轮机9、第二机组发电机10、第一机组发电机11、控制阀12和空气发电机23。

第一机组中压汽轮机8排汽分别与第一机组低压汽轮机2入口、热网循环水泵小汽机3入口及吸收式热泵7驱动蒸汽入口相连通；第一机组低压汽轮机2排汽的一部分进入吸收式热泵7冷源入口，其余部分进入第一机组凝汽器热井。第一机组高压汽轮机1、第一机组中压汽轮机8和第一机组低压汽轮机2共同驱动一个动力输出轴，该动力输出轴驱动第一机组发电机11进行发电。

第二机组低压汽轮机9入口和第二机组中压汽轮机14出口相连通，第二机组低压汽轮机9排汽出口和第二机组供热凝汽器5热侧工质入口相连通，第二机组高压汽轮机13、第二机组中压汽轮机14和第二机组低压汽轮机9共同驱动一个动力输出轴，该动力输出轴驱动第二机组发电机10进行发电。

热网循环水泵4入口与热网回水相连通，热网循环水泵4的出口分为两个支路，一个支路与控制阀12的入口连通，一个支路和第二机组供热凝汽器5冷侧工质入口相连通，热网循环水泵4动力由热网循环水泵小汽机3提供，热网循环水泵小汽机3驱动蒸汽来自第一机组中压汽轮机8排汽，驱动蒸汽做功之后进入小汽机乏汽加热器6热侧工质入口，放热之后汇入第一机组凝汽器热井。控制阀12的出口和空气冷却器16的冷侧工质入口连通。

第二机组供热凝汽器5热侧工质出口与第二机组凝汽器热井相连通，冷侧工质入口热网循环水泵4的一个支路连通，冷侧工质出口和管道24连通，管道24的入口为第二机组供热凝汽器5的冷侧工质出口，管道24的出口和吸收式热泵7的被加热工质入口连通。管道24汇入有空气冷却器16冷侧工质出口流出的水流，管道24在汇入水流后设置有分支，该分支与小汽机乏汽加热器6冷侧工质入口连通。

吸收式热泵7工质为溴化锂溶液，吸收式热泵7冷源入口与第一机组低压汽轮机2排汽相连通，冷源工质出口汇入第一机组凝汽器热井；吸收式热泵7驱动蒸汽来自第一机组中压汽轮机排汽，驱动蒸汽做功之后汇入第一机组凝汽器热井；吸收式热泵7被加热工质入口与第二机组供热凝汽器5冷侧工质出口连通，第二机组供热凝汽器5冷侧工质出口和小汽机乏汽加热器6冷侧工质入口相连通，吸收式热泵7被加热工质的出口与小汽机乏汽加热器6冷侧工质出口相汇合，共同通入至热网供水。

小汽机乏汽加热器6的冷侧工质入口和管道24的分支连通，冷侧工质出口汇入至吸收式热泵7被加热工质出口，小汽机乏汽加热器6的热侧工质入口为热网循环水泵小汽机3的蒸汽，热侧工质出口连通至第一机组凝汽器热井。

空气压缩机17由第二机组发电机10驱动，空气压缩机17入口与大气和气液分离装置18气体出口相连通，空气压缩机17出口与空气冷却器16热侧工质入口相连通。

空气冷却器16热侧工质出口与制冷膨胀机15入口相连通，空气冷却器16冷侧工质入口与热网回水和热网补水相连通，空气冷却器16冷侧工质出口与吸收式热泵13被加热工质入口相连通。

气液分离装置18入口与制冷膨胀机15出口相连通，气液分离装置18液体出口与空气储罐19入口相连通。

升压泵20入口与空气储罐19出口相连通，升压泵20出口与燃烧室21入口相连通；

燃烧室21补充燃料燃烧后，进入空气膨胀机22做功，带动空气发电机23对外输出电能。

热网部分的工作过程为：

热网回水首先经过热网循环水泵4完成增压过程，当压缩空气储能系统在储能模式运行时，热网回水分流一部分经过空气冷却器16，利用压缩空气的余热进行加热，另一部分经过第二机组供热凝汽器5加热，在供热凝汽器5出口汇集，之后分流为两部分，一部分作为被加热工质通过吸收式热泵7被加热，另一部分通过小汽机乏汽加热器6被加热，完成热网供水加热整个流程；第一机组高压汽轮机1、第一机组中压汽轮机8、第一机组低压汽轮机2带动第一机组发电机11对外输出电能，第二机组高压汽轮机13、第二机组中压汽轮机14、第二机组低压汽轮机9带动第二机组发电机10对外输出电能，空气膨胀机22带动空气发电机23对外输出电能。

压缩空气储能系统的工作过程为：

压缩空气储能系统储能模式运行时，空气先进入空气压缩机17加压，然后进入空气冷却器16放热，之后进入制冷膨胀机15膨胀至储存压力，最后在气液分离装置18中完成气态空气与液态空气分离，液态空气存储在空气储罐19中，所分离气态空气返回空气压缩机17入口进行重新压缩，完成压缩空气储能系统空气压缩储能过程；压缩空气储能系统释能发电模式运行时，空气储罐19出口液态空气经升压泵20加压后进入燃烧室21燃烧升温，之后进入空气膨胀机22膨胀做功，驱动空气发电机23发电，完成液态压缩空气储能系统发电释能过程；热网回水先经过热网循环水泵4增压0.4-0.6MPa，之后进入空气冷却器16和第二机组供热凝汽器5被加热至60-70℃，之后分流为两部分，一部分经过吸收式热泵7被加热至85-90℃，另一部分通过小汽机乏汽加热器6进行加热，汇合之后至热网供水管路，可以调整进入小汽轮机乏汽加热器6的分流流量以保证热网供水温度在85-105℃之间，满足不同供热时期的温度需求；第一机组为抽汽供热机组，电负荷调节能力较强，通过耦合压缩空气储能系统，提高了第二机组高背压供热机组电负荷调节能力，实现了热电解耦，使第一机组和第二机组均可满足灵活调峰的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (5)

1.一种燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统，其特征在于，包括第一汽轮机组、第二汽轮机组、吸收式热泵（7）、小汽机乏汽加热器（6）和第二机组供热凝汽器（5）；

热网回水和第二机组供热凝汽器（5）的冷侧工质入口连通，第二机组供热凝汽器（5）的冷侧工质出口连通有管道（24），管道（24）设置有两个分支，一个分支和吸收式热泵（7）的被加热工质入口连通，另一分支和小汽机乏汽加热器（6）的冷侧工质入口连通；吸收式热泵（7）的被加热工质出口和小汽机乏汽加热器（6）的冷侧工质出口汇合后连通至热网；

所述第二机组供热凝汽器（5）以第二汽轮机组的排汽作为热源，所述吸收式热泵（7）以第一汽轮机组的排汽作为热源以及驱动蒸汽，所述小汽机乏汽加热器（6）的热侧工质入口连通至热网循环水泵小汽机（3），所述热网循环水泵小汽机（3）以第一汽轮机组的排汽作为驱动蒸汽；

所述热网回水和第二机组供热凝汽器（5）的冷侧工质入口连通管道上设置有分支，所述分支连通至空气冷却器（16）的冷侧工质入口，所述空气冷却器（16）的冷侧工质出口汇入至管道（24）；所述空气冷却器（16）的热侧工质入口连通有空气压缩机（17），空气冷却器（16）的热侧工质出口连通有压缩空气储能装置；

所述第一汽轮机组包括第一机组中压汽轮机（8）和第一机组低压汽轮机（2），第一机组中压汽轮机（8）的排汽分别与第一机组低压汽轮机（2）入口、热网循环水泵小汽机（3）入口以及吸收式热泵（7）驱动蒸汽入口连通；

所述第一机组低压汽轮机（2）的排汽和吸收式热泵（7）冷源入口连通，所述吸收式热泵（7）的冷源出口连通至第一机组凝汽器热井；

所述第二机组包括第二机组中压汽轮机（14）和第二机组低压汽轮机（9），第二机组中压汽轮机（14）的排汽入口和第二机组低压汽轮机（9）的蒸汽入口连通，第二机组低压汽轮机（9）的排汽和第二机组供热凝汽器（5）的热源入口连通；

所述热网回水的管路上设置有热网循环水泵（4），所述热网循环水泵（4）的动力输入端和热网循环水泵小汽机（3）的动力输出端连接；所述热网回水和第二机组供热凝汽器（5）的冷侧工质入口连通管道上的分支上设置有出口控制阀（12）；

第一汽轮机组的动力输出轴连接有第一机组发电机（11），第二汽轮机组的动力输出轴连接有第二机组发电机（10），所述第二机组发电机（10）为压缩空气储能装置供电；

所述第一机组为抽汽供热机组，第二机组为高背压供热机组。

2.根据权利要求1所述的燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统，其特征在于，所述空气冷却器（16）的热侧工质出口连通有制冷膨胀机（15），制冷膨胀机（15）的出口连通有气液分离装置（18），气液分离装置（18）的液体出口连接有空气储罐（19）。

3.根据权利要求2所述的一种燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统，其特征在于，所述空气储罐（19）的出口连接有升压泵（20），升压泵（20）的出口连接有燃烧室（21），燃烧室（21）的出口连接有空气膨胀机（22），空气膨胀机（22）的动力输出端连接有空气发电机（23）。

4.根据权利要求2所述的一种燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统，其特征在于，所述气液分离装置（18）的气体出口和空气压缩机（17）的入口连通。

5.一种权利要求1所述燃煤机组耦合压缩空气储能余热供热系统的运行方法，其特征在于，当压缩空气储能系统在储能模式运行时，热网回水分流一部分经过空气冷却器（16），通过压缩空气的余热进行加热，另一部分经过第二机组供热凝汽器（5）加热，在第二机组供热凝汽器（5）出口汇集；之后分流为两部分，一部分作为被加热工质通过吸收式热泵（7）被加热，另一部分通过小汽机乏汽加热器（6）被加热，被吸收式热泵（7）加热后的水和被小汽机乏汽加热器（6）加热后的水汇合后通入热网中；第一汽轮机组对外输出电能，空气以液态形式被存储在压缩空气储能装置中；

当压缩空气储能系统在释能模式运行时，压缩空气储能装置对外提供电能。