CN114109547B - 一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***及运行方法 - Google Patents

一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***及运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***及运行方法，本发明将超临界二氧化碳储能***建立在已有的汽轮机蒸汽循环发电***上，利用超临界二氧化碳储能***中压缩机出口的高压高温二氧化碳进入第一换热器加热凝结水，提高了凝结水温度，减小了回热器内的换热温差，降低了换热过程中的不可逆损失，提高了机组的能量效率，同时，回收了压缩二氧化碳过程中的压缩热减小了热量的浪费。

Description

一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***及运行 方法
技术领域
本发明属于超临界二氧化碳储能技术领域，具体涉及一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***及运行方法。
背景技术
近年来，风能、光能等新能源发电装机量迅猛增长，部分地区的新能源装机量远远超过了其地区的消纳能力，同时由于风能、光能具有间歇性和波动性的特点，调节控制困难，大规模并网会影响电网的安全运行，因此对电网发电侧的调峰要求越来越高。储能技术是解决上述问题的有效途径。目前大规模应用的储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能，抽水蓄能对水源条件要求较高，难以普遍应用推广；压缩空气储能依赖地下储气洞穴以及化石燃料燃烧，储能密度低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***及运行方法，以解决现有技术中调峰困难等问题，提高用户接纳间歇性能源的能力。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***，包括锅炉和二氧化碳压缩机，锅炉的蒸汽输出端和汽轮机的蒸汽输入端连接，汽轮机的排汽端连接至凝汽器，凝汽器的凝结水输出端连接至第一换热器的冷侧入口，第一换热器的冷侧出口连接至回热器的水侧入口，回热器的水侧出口和锅炉连接；
二氧化碳压缩机的出口与第一换热器的热侧入口连接，第一换热器的热侧出口连接至超临界二氧化碳高压储罐，超临界二氧化碳高压储罐的出口连接至第二换热器的冷侧入口，第二换热器的冷侧出口连接至透平，透平的出口连接至超临界二氧化碳低压储罐，超临界二氧化碳低压储罐的出口和二氧化碳压缩机的进口连接；
所述汽轮机输出的抽汽分为第一抽汽管道和第二抽汽管道，第一抽汽管道和回热器的热侧入口连接，第二抽汽管道和第二换热器的热侧进口连接，第二换热器的热侧出口和回热器的汽侧连通；
所述汽轮机的动力输出端连接有第一发电机，透平的动力输出端连接有第二发电机。
优选的，所述凝汽器和第一换热器的冷侧入口的连接管路上设置有凝结水泵。
优选的，所诉第一换热器的冷侧出口和回热器的水侧入口之间设置有给水泵。
优选的，所述透平和超临界二氧化碳低压储罐的连接管路上设置有冷却器。
优选的，所述冷却器和超临界二氧化碳低压储罐的连接管路上设置有第三电动截止阀；所述超临界二氧化碳低压储罐和二氧化碳压缩机的连接管路上设置有第四电动截止阀。
优选的，所述超临界二氧化碳高压储罐和第二换热器的冷侧入口连接管路上设置有电动节流阀。
优选的，所述第一换热器的热侧出口和超临界二氧化碳高压储罐的连接管路上设置有第二电动截止阀。
优选的，所述第二抽汽管道上设置有第一电动截止阀。
优选的，所述二氧化碳压缩机的动力输出端连接有电动机。
一种上述任意一项基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***的运行方法，其特征在于，
正常工作状态时，所述锅炉的蒸汽输出至汽轮机，汽轮机驱动第一发电机发电，汽轮机做功后的排汽通过凝汽器冷却成为凝结水后，流回至锅炉中；
减少发电机发电量时，超临界二氧化碳低压储罐中的二氧化碳传递至二氧化碳压缩机，第一发电机的发出电量驱动二氧化碳压缩机做功，二氧化碳压缩机将二氧化碳压缩至预设压力后，二氧化碳输出至超临界二氧化碳高压储罐中，在压缩过程中产生的压缩热通过第一换热器加热从凝结水泵输出的凝结水；
增加发电机发电量时，超临界二氧化碳高压储罐输出的二氧化碳流入至第二换热器的冷侧，与来自汽轮机的高温高压蒸汽进行换热，被加热的二氧化碳从第二换热器输入至透平，在透平做功，从透平输出的二氧化碳储存在超临界二氧化碳低压储罐中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***，本发明将超临界二氧化碳储能***建立在已有的汽轮机蒸汽循环发电***上，利用超临界二氧化碳储能***中压缩机出口的高压高温二氧化碳进入第一换热器加热凝结水，提高了凝结水温度，减小了回热器内的换热温差，降低了换热过程中的不可逆损失，提高了机组的能量效率，同时，回收了压缩二氧化碳过程中的压缩热减小了热量的浪费。本发明***将超临界二氧化碳储能***与汽轮机蒸汽循环发电***耦合，在保证汽轮机组以额定负荷安全高效运行的前提下，实现燃煤电厂的全梯度调峰。而且超临界二氧化碳的密度接近液体，粘度接近气体，具有较好的流动性和传输特性，利用超临界二氧化碳代替空气作为储能介质，极大地提高了储能密度，显著缩小存储***的规模，降低成本。进一步地，利用汽轮机气缸内高压高温抽汽加热超临界二氧化碳储能***释能阶段的高压低温二氧化碳，提高了二氧化碳的做功能力，增加了机组的发电量。
本发明还公开了一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***的运行方法，该方法在用电低谷期间，利用二氧化碳压缩机压缩超临界二氧化碳以消耗汽轮机的做功，维持锅炉内稳定燃烧；在用电高峰期，通过超临界高压二氧化碳驱动透平做功带动发电机发电从而满足用电需求。
附图说明
图1为本发明一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***的***结构图。
图1中：1-锅炉；2-汽轮机；3-凝汽器；4-凝结水泵；5-第一换热器；6-给水泵；7-回热器；8-第一电动截止阀；9-二氧化碳压缩机；10-第二电动截止阀；11-超临界二氧化碳高压储罐；12-电动节流阀；13-第二换热器；14-透平；15-冷却器；16-第三电动截止阀；17-超临界二氧化碳低压储罐；18-第四电动截止阀；19-第一发电机；20-第二发电机；21-电动机；22-第一抽汽管道；23-第二抽汽管道。
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。
本发明通过以下方案实现：一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***主要包括汽轮机蒸汽循环发电***以及超临界二氧化碳储能***，两个***通过超临界二氧化碳的交换完成调峰。
如图1所示，本发明所述的一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***包括锅炉1、汽轮机2、凝汽器3、凝结水4、第一换热5、给水泵6、回热器7、二氧化碳压缩机9、超临界二氧化碳高压储罐11、第二换热器13、透平14、冷却器15、超临界二氧化碳低压储罐17、第一发电机19、第二发电机20和电动机21。锅炉1蒸汽出口与汽轮机2的蒸汽入口连通，汽轮机2的排汽出口与凝汽器3的热侧进口连通，蒸汽在凝汽器3内被冷却成为凝结水，凝汽器3的凝结水出口与凝结水泵4进口连通，凝结水泵4出口与第一换热器5冷侧入口连通，第一换热器5冷侧出口与给水泵6进口连通，给水泵6出口与回热器7水侧连通，回热器7的热侧入口与汽轮机气缸之间布置有第一抽汽管道22，回热器7的水出口和锅炉1连接，二氧化碳压缩机9出口与第一换热器5的热侧入口连通，超临界二氧化碳高压储罐11进口与第一换热器5热侧出口通过管道连通，超临界二氧化碳高压储罐11出口与第二换热器13冷侧入口间通过管道连通，第二换热器13热侧进口与汽轮机气缸之间布置有第二抽汽管道23，第二抽汽管道23上设置有第一电动阀8，第二换热器13热侧出口与第一换热器7汽侧连通，第二换热器13冷侧出口与透平14进口连通，透平14出口与冷却器15热侧进口连通，超临界二氧化碳低压储罐17进口与冷却器15热侧出口通过管道连通。
超临界二氧化碳高压储罐11出口与第二换热器13冷侧入口间通过管道连通，管道上布置有电动节流阀12；超临界二氧化碳高压储罐11进口与第一换热器5热侧出口通过管道连通，管道上布置有第二电动截止阀10。超临界二氧化碳低压储罐17进口与冷却器15热侧出口通过管道连通，管道上布置有第三电动截止阀16；超临界二氧化碳低压储罐17出口与二氧化碳压缩机9进口通过管道连接，管道上布置有第四电动截止阀18。
本发明的工作原理：
汽轮机蒸汽循环发电***中锅炉1出口的过热蒸汽进入汽轮机2内膨胀做功，带动第一发电机19发电，汽轮机2的排汽进入凝汽器3冷凝后，成为凝结水，凝结水流入至凝结水泵4中，凝结水随后经过凝结水泵4进入第一换热器5的冷侧，在第一换热器5内与超临界二氧化碳储能***中高压高温的二氧化碳换热，被加热后的凝结水从第一换热器5内流出后，被加热的凝结水经给水泵6加压，然后进入回热器7中与来自汽轮机2缸内的高压高温抽汽进行换热，然后返回锅炉1，完成汽轮机蒸汽发电循环。
凝结水泵4的出口管道与第一换热器5冷侧入口相连通，超临界二氧化碳储能***中二氧化碳压缩机9的出口与第一换热器5热侧入口相连通。
从汽轮机2气缸内的抽汽分成两股，一股进入回热器7内加热给水，另一股进入第二换热器13热侧加热超临界二氧化碳储能***释能阶段中的高压二氧化碳，随后返回回热器7内。
超临界二氧化碳储能***储能阶段，来自超临界二氧化碳低压储罐17中的二氧化碳进入二氧化碳压缩机9内被压缩，被压缩后的二氧化碳随后进入第一换热器5热侧被冷却，被冷却后的二氧化碳经过第二电动截止阀10后储存在超临界二氧化碳高压储罐11中；释能阶段，从超临界二氧化碳高压储罐11出来的二氧化碳经电动节流阀12节流后进入第二换热器13冷侧，被高压高温抽汽加热后进入透平14膨胀做功，透平14带动第二发电机20进行发电，释能后的超临界二氧化碳经过冷却器15冷却后进入超临界二氧化碳低压储罐17中。
超临界二氧化碳高压储罐11出口与第二换热器13冷侧入口间通过管道连通，管道上布置有电动节流阀12；超临界二氧化碳高压储罐11进口与第一换热器5热侧出口通过管道连通，管道上布置有第二电动截止阀10。超临界二氧化碳低压储罐17进口与冷却器15出口通过管道连通，管道上布置有16第三电动截止阀；超临界二氧化碳低压储罐17出口与二氧化碳压缩机9进口通过管道连接，管道上布置有第四电动截止阀18。
本发明所述的基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***的运行方法具体如下：
正常情况下，关闭第一电动截止8、第二电动截止阀10、第三电动截止阀16、第四电动截止阀18以及电动节流阀12，使超临界二氧化碳储能***处于关闭状态，只维持汽轮机蒸汽循环发电***正常运行。
当需要减少第一发电机发电量时，则开启第二电动截止阀10以及第四电动截止阀18，其余阀门维持关闭状态。汽轮机蒸汽循环发电***正常运行，汽轮机蒸汽循环发电***的发电出满足电网要求的负荷外，多余电能通过电动机驱动二氧化碳压缩机9进行工作，二氧化碳压缩机9将超临界二氧化碳低压储罐17中的二氧化碳压缩至预设压力后储存于超临界二氧化碳高压储罐中，在压缩过程中产生的压缩热通过第一换热器5加热从凝结水泵(4)输出的凝结水。储能结束后，先关闭第四电动截止阀18，再关闭第二电动截止阀10。
当需要增加发电量时，开启第一电动截止阀8、电动节流阀12以及第三电动截止阀16，其余阀门维持关闭状态。从超临界二氧化碳高压储罐11出来的二氧化碳经电动节流阀12节流后进入第二换热器13冷侧，与来自汽轮机2气缸内的高压高温蒸汽换热，之后进入透平20膨胀做功从而带动第二发电机20发电增加发电量，从透平14出来的二氧化碳经冷却剂器15却至33～40℃后储存在超临界二氧化碳低压储罐17内。释能结束后，先关闭第一电动截止阀8、电动节流阀12再关闭第三电动截止阀16。
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 (7)

1.一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***，其特征在于，包括锅炉(1)和二氧化碳压缩机(9)，锅炉(1)的蒸汽输出端和汽轮机(2)的蒸汽输入端连接，汽轮机(2)的排汽端连接至凝汽器(3)，凝汽器(3)的凝结水输出端连接至第一换热器(5)的冷侧入口，第一换热器(5)的冷侧出口连接至回热器(7)的水侧入口，回热器(7)的水侧出口和锅炉(1)连接；
二氧化碳压缩机(9)的出口与第一换热器(5)的热侧入口连接，第一换热器(5)的热侧出口连接至超临界二氧化碳高压储罐(11)，超临界二氧化碳高压储罐(11)的出口连接至第二换热器(13)的冷侧入口，第二换热器(13)的冷侧出口连接至透平(14)，透平(14)的出口连接至超临界二氧化碳低压储罐(17)，超临界二氧化碳低压储罐(17)的出口和二氧化碳压缩机(9)的进口连接；
所述汽轮机(2)输出的抽汽分为第一抽汽管道(22)和第二抽汽管道(23)，第一抽汽管道(22)和回热器(7)的热侧入口连接，第二抽汽管道(23)和第二换热器(13)的热侧进口连接，第二换热器(13)的热侧出口和回热器(7)的汽侧连通；
所述汽轮机(2)的动力输出端连接有第一发电机(19)，透平(14)的动力输出端连接有第二发电机(20)；
所述二氧化碳压缩机(9)的动力输入端连接有电动机(21)；汽轮机蒸汽循环发电***的发电出满足电网要求的负荷外，多余电能通过电动机驱动二氧化碳压缩机(9)进行工作；
所述凝汽器(3)和第一换热器(5)的冷侧入口的连接管路上设置有凝结水泵(4)；
所诉第一换热器(5)的冷侧出口和回热器(7)的水侧入口之间设置有给水泵(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***，其特征在于，所述透平(14)和超临界二氧化碳低压储罐(17)的连接管路上设置有冷却器(15)。
3.根据权利要求2所述的一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***，其特征在于，所述冷却器(15)和超临界二氧化碳低压储罐(17)的连接管路上设置有第三电动截止阀(16)；所述超临界二氧化碳低压储罐(17)和二氧化碳压缩机(9)的连接管路上设置有第四电动截止阀(18)。
4.根据权利要求1所述的一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***，其特征在于，所述超临界二氧化碳高压储罐(11)和第二换热器(13)的冷侧入口连接管路上设置有电动节流阀(12)。
5.根据权利要求1所述的一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***，其特征在于，所述第一换热器(5)的热侧出口和超临界二氧化碳高压储罐(11)的连接管路上设置有第二电动截止阀(10)。
6.根据权利要求1所述的一种基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***，其特征在于，所述第二抽汽管道(23)上设置有第一电动截止阀(8)。
7.一种权利要求1-6任意一项基于超临界二氧化碳储能的燃煤电厂调峰***的运行方法，其特征在于，
正常工作状态时，所述锅炉(1)的蒸汽输出至汽轮机(2)，汽轮机(2)驱动第一发电机(19)发电，汽轮机(2)做功后的排汽通过凝汽器(3)冷却成为凝结水后，流回至锅炉(1)中；
减少发电机发电量时，超临界二氧化碳低压储罐(17)中的二氧化碳传递至二氧化碳压缩机(9)，第一发电机(19)的发出电量驱动二氧化碳压缩机(9)做功，二氧化碳压缩机(9)将二氧化碳压缩至预设压力后，二氧化碳输出至超临界二氧化碳高压储罐(11)中，在压缩过程中产生的压缩热通过第一换热器(5)加热从凝结水泵(4)输出的凝结水；
增加发电机发电量时，超临界二氧化碳高压储罐(11)输出的二氧化碳流入至第二换热器(13)的冷侧，与来自汽轮机(2)的高温高压蒸汽进行换热，被加热的二氧化碳从第二换热器(13)输入至透平(14)，在透平(14)做功，从透平(14)输出的二氧化碳储存在超临界二氧化碳低压储罐(17)中。
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