一种燃煤发电机组单罐熔融盐斜温层储热系统及方法与流程

本发明属于火力发电和储能技术领域，具体涉及一种燃煤发电机组单罐熔融盐斜温层储热系统及方法。

背景技术：

熔融盐属于一种“吸热-储热”一体化的储热材料，它是指处于熔融态的盐，包括无机盐、氧化物熔体以及熔融有机物等种类。通常所指的熔融盐是无机盐，其中最常用的两类盐是硝酸盐和碳酸盐。熔融盐具有成本低、化学性能稳定等优点，在吸热过程中可以保持液态无相变、热容大和换热系数高等特点。

单罐斜温层储热采用一个储热罐，通常利用熔融盐或导热油储存热量，具有成本低、系统简单的优点。冷热流体处于同一个储热罐体内，单一流体在不同温度的密度差形成的浮力维持热分层并分离高低温流体区域。当高温流体在罐的上部被高温泵抽出，经过换热器放热冷却后，由罐的下部进入罐内，或者当低温流体在罐的下部被低温泵抽出，经系统加热后，由罐的上部进入罐内时，在罐的中间会存在一个温度梯度很大而且很薄的自然分层，即斜温层。斜温层以上区域流体保持高温(低密度)，斜温层以下区域流体保持低温(高密度)，随着高温流体的不断排出，斜温层会上下移动，排出的高温流体在放热开始阶段能够保持恒温，当斜温层到达罐的顶部或底部时，排出的高温流体的温度会发生显著变化。

美国专利us4124061所述了一种太阳能热发电站使用液体-固体混合储热的单罐斜温层储热系统，储热罐内采用固体储热介质，换热流体上下流经固体颗粒填充层，与固体介质直接换热，且系统运行时罐内温度分布从上往下呈斜温层特征。此系统结合了液体良好的热传输性能与固体储热的低成本优点，进一步降低了储热成本。但是，局部紊流引起高、低温流体之间的混合很难抑制，导致系统稳定运行调控困难。

国内专利cn103292486b所述了一种太阳能热发电用单罐-双罐复合储热系统及储热方法，储热系统与太阳能热发电技术紧密结合，所述的单罐-双罐复合储热系统，相对于双罐储热系统，有效降低了系统成本，但是系统设计和操作规程比较复杂。

随着我国可再生能源发电比例的快速增长，电网的波动性和不稳定性增加，电网对火力发电参与调峰的次数和品质要求不断增加，国家对煤耗的降低标准要求也越来越严，并且工业园区用热和冬季北方地区采暖对热量的需求量比较大。负荷的剧烈波动带来了巨大的安全隐患，影响汽轮机发电系统连续稳定运行，对发电机组的安全性要求越来越高。

但是，传统的火力发电机组存在运行方式和控制方式难以实现对负荷的快速响应，难以解决机组的稳定运行，难以实时保证用户侧对热量的需求等问题，为了提高机组运行的灵活性和调峰能力，有效降低系统成本，实时满足用户侧的用热需求，采用了单罐熔融盐斜温层储热系统及方法。

技术实现要素：

为了解决了现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃煤发电机组单罐熔融盐斜温层储热系统及方法，该系统及方法能够提高火力发电机组的灵活性和调峰能力，能够实时满足用户侧的用热需求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种燃煤发电机组单罐熔融盐斜温层储热系统，包括熔融盐斜温层储热罐、第一换热器、第二换热器、汽轮机高压缸、汽轮机低压缸、高温泵、低温泵以及锅炉；熔融盐斜温层储热罐顶部高温熔融盐出口分别连通第一换热器和第二换热器的熔融盐入口；熔融盐斜温层储热罐底部低温熔融盐出口连通第一换热器的熔融盐入口，第一换热器的熔融盐出口连通熔融盐斜温层储热罐底部的低温熔融盐入口；

第一换热器的蒸汽入口连通汽轮机高压缸的抽汽口和汽轮机低压缸的排汽口，第一换热器的蒸汽出口连通汽轮机低压缸的蒸汽入口和锅炉的蒸汽入口；

第二换热器的熔融盐出口连通熔融盐斜温层储热罐底部的低温熔融盐入口，第二换热器的循环水出/入口连通供热系统。

熔融盐斜温层储热罐为单罐。

熔融盐斜温层储热罐内以及所有熔融盐管路中均设置有电伴热系统。

熔融盐斜温层储热罐上设置有保温层，所有热循环介质的管道上均设置有保温层。

熔融盐斜温层储热罐的高温熔融盐出口和低温熔融盐入口分别对应设置高温泵和低温泵，高温泵出口至第一换热器和第二换热器的管道均设置有阀门，低温泵的出口至第一换热器的管道上设置有阀门。

高压缸抽汽口通过高压缸抽汽管与第一换热器的蒸汽入口连通；汽轮机低压缸的排汽口通过低压缸辅排汽管连通第一换热器的蒸汽入口，高压缸抽汽管与低压缸辅排汽管上均设置有阀门。

第一换热器和第二换热器的熔融盐出口至熔融盐斜温层储热罐的低温熔融盐入口管道上均设置有阀门，第一换热器至熔融盐斜温层储热罐高温熔融盐入口的管道上设置有阀门。

第一换热器的蒸汽出口至锅炉和汽轮机低压缸的高温蒸汽入口的管路上均设置有阀门。

一种燃煤发电机组单罐熔融盐斜温层储热方法，根据电网负荷以及供热/采暖用户的动态需求改变储热系统的运行，具体如下：

当电网负荷减小时，从高压缸中抽汽，熔融盐斜温层储热罐中低温熔融盐与高压缸的高温蒸汽在第一换热器中换热，低温熔融盐温度升高变为高温熔融盐进入熔融盐斜温层储热罐上部，高温蒸汽变为低温蒸汽返回锅炉；

当电网负荷增大时，低压缸排汽和高温熔融盐在第一换热器中换热，高温熔融盐变为低温熔融盐之后进入熔融盐斜温层储热罐下部，低温蒸汽变为高温蒸汽返回汽轮机低压缸做功；

当用户侧热需要热量时，熔融盐斜温层储热罐上部的高温熔融盐进入第二换热器，高温熔融盐加热第二换热器中的低温水/蒸汽，高温熔融盐变为低温熔融盐进入斜温层储热罐下部，低温水/蒸汽被加热呈高温水/蒸汽，为用户供热；

当用户侧不需要热量时，熔融盐斜温层储热罐上部的高温熔融盐停止进入第二换热器。

当电网负荷减小时，开通汽轮机高压缸至第一换热器蒸汽入口的管路和第一换热器蒸汽出口至锅炉的管路；开通熔融盐斜温层储热罐低温熔融盐出口至第一换热器熔融盐入口的管路和第一换热器熔融盐出口至熔融盐斜温层储热罐高温熔融盐入口的管路；在熔融盐斜温层储热罐低温熔融盐出口至第一换热器的熔融盐入口的管路上设置低温泵；

当电网负荷增大时，开通熔融盐斜温层储热罐高温熔融盐出口至第一换热器的熔融盐入口的管路和第一换热器熔融盐出口至熔融盐斜温层储热罐低温熔融盐入口的管路，开通汽轮机低压缸排汽口至第一换热器蒸汽入口的管路和第一换热器蒸汽出口至汽轮机低压缸高温蒸汽入口的管路；

并且在熔融盐斜温层储热罐高温熔融盐出口至第一换热器的高温熔融盐入口的管路上进行加压输送高温熔融盐；

当用户侧热需要热量时，开通熔融盐斜温层储热罐高温熔融盐出口至第二换热器熔融盐入口的管路和第二换热器熔融盐出口至熔融盐斜温层储热罐低温熔融盐入口的管路，同时开通第二换热器与用户侧供热循环系统管路；

当用户侧不需要热量时，关闭熔融盐斜温层储热罐与第二换热器之间的所有管路，同时关闭第二换热器与用户侧供热循环系统管路。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：第一换热器与能将汽轮机高压缸抽汽用于和低温熔融盐换热进行储能，还可以用于将高温熔融盐和汽轮机低压缸的排汽换热进行释能，使得汽轮机低压缸的排汽再次回到汽轮机低压缸做功，而且熔融盐循环利用；本发明所述的一种燃煤发电机组单罐熔融盐斜温层储热系统采用了一个储热罐，相比于双罐熔融盐储热系统，有效降低了系统成本以及系统，系统从整体上能实现根据电网负荷的变化灵活调整储能和释能，有助于机组的稳定运行；第一换热器既能用于对熔融盐加热，也能用于对熔融盐放热，第一换热器实现了两种用途；本发明所述的系统有助于实现对电网负荷变化的快速响应，有助于提高机组运行的灵活性和调峰能力，有助于提高机组长期稳定运行的能力；同时高温熔融盐能通过第二换热器为供热/采暖用户供热。

当电网负荷减小时，通过高压缸抽汽加热熔融盐，并且存储在储热罐的上部，以减小发电量；当电网负荷增大时，利用储热罐上部的高温熔融盐加热低压缸排汽，然后高温蒸汽返回到低压缸，推动汽轮机发电，以增大发电量，并将冷却的熔融盐储存在储热罐的下部；本发明所述方法可以实现对负荷的快速响应，有效提高机组运行的灵活性和调峰能力。

进一步的，当用户侧需要热量时，利用储热罐上部的高温熔融盐在第二换热器中加热水/蒸汽，进行换热，以满足用户的用热需求；当电网负荷增大，同时用户侧需要热量时，可以利用储热罐上部的高温熔融盐暂时满足电网侧和用户侧的负荷和用热需求，为汽轮机组平稳增大出力提供有利条件。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为汽包、2为锅炉、3为汽轮机高压缸、4为汽轮机中压缸、5为汽轮机低压缸、6为凝汽器、7为第一阀门、8为第二阀门、9为第三阀门、10为第四阀门、11为第五阀门、12为第六阀门、13为第七阀门、14为第八阀门、15为第九阀门、16为第十阀门、17为第十一阀门、18为第十二阀门、19为第一换热器、20为第二换热器、21为高温泵、22为低温泵、23为供热泵、24为熔融盐斜温层储热罐、25为供热/采暖用户、26为电伴热系统、27为保温层、28为主蒸汽管、29为高压缸抽汽管、30为高压缸排汽管、31为再热蒸汽管、32为低压缸辅排汽管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

参考图1，本发明所述的一种燃煤发电机组单罐熔融盐斜温层储热系统，包括蒸汽经过汽包1进入锅炉2中加热之后进入汽轮机高压缸3，将汽轮机高压缸3抽汽口与第一换热器19通过高压缸抽汽管29连通，再热蒸汽管道31将锅炉2的再热蒸汽与汽轮机中压缸4连通，蒸汽做完功从汽轮机低压缸5排汽口进入凝汽器6；汽轮机低压缸5的蒸汽入口还连通第一换热器19的高温蒸汽出口，汽轮机低压缸5的排汽口通过低压缸辅排汽管32连通第一换热器19的低温蒸汽入口，

高压缸抽汽经过高压缸抽汽管29到达第一换热器19，用来加热熔融盐斜温层储热罐24下部的低温熔融盐，加热后的高温熔融盐储存在熔融盐斜温层储热罐24上部，换热后的蒸汽进入锅炉2再次加热推动汽轮机高压缸3做功；熔融盐斜温层储热罐24下部的低温熔融盐经过低温泵22到达第一换热器19与高温蒸汽换热，加热后的熔融盐进入熔融盐斜温层储热罐24上部；汽轮机低压缸5的排汽经过低压缸辅排汽管32到达第一换热器19，在第一换热器19中与斜温层储热罐24上部输出的高温熔融盐换热，加热后的蒸汽推动汽轮机低压缸5做功；熔融盐斜温层储热罐24上部高温熔融盐经过高温泵21到达第一换热器19加热低压缸排汽，与低压缸排汽换热后的熔融盐返回到储热罐24下部；熔融盐斜温层储热罐24上部的高温熔融盐经过高温泵21还能输送至第二换热器20加热水/蒸汽，以满足供热/采暖用户25需求，然后冷却后的熔融盐返回到熔融盐斜温层储热罐24下部；供热/采暖用户25利用供热泵23将低温水/蒸汽送入第二换热器20换热，以获得高温水/蒸汽满足用户需求。

熔融盐斜温层储热罐24为单罐，低温熔融盐储存在储热罐24的下部，高温熔融盐储存在熔融盐斜温层储热罐24的上部，电伴热系统26安装在熔融盐斜温层储热罐24罐体内以及熔融盐管道中设置有电伴热系统26；保温层27安装在熔融盐斜温层储热罐24和所有的管道表面上。

本发明所述高温熔融盐的工作温度为250到600℃；低温熔融盐工作温度为70到250℃；高压缸抽汽温度为400-600℃；汽轮机低压缸出口蒸汽温度100-400℃。

参考图1，所述的一种燃煤发电机组单罐熔融盐斜温层储热系统中熔融盐斜温层储热罐24的顶部出口设置高温泵21，高温泵21的出口通过管道连通第一换热器19的高温熔融盐入口，高温泵21出口至第一换热器19的管道上设置第十阀门16；熔融盐斜温层储热罐24的顶部入口连通第一换热器19的高温熔融盐出口，熔融盐斜温层储热罐24的顶部入口处设置第十二阀门18，熔融盐斜温层储热罐24下部出口设置有低温泵22，低温泵22的出口连通第一换热器19的低温熔融盐入口，低温泵22出口至第一换热器19的管道上设置有第六阀门12；第一换热器19的出口还连通熔融盐斜温层储热罐24底部的入口，第一换热器19的出口至熔融盐斜温层储热罐24底部入口的管道上设置第七阀门13；第一换热器19的蒸汽入口通过高压缸抽汽管29连通汽轮机高压缸3抽汽口，高压缸抽汽管29上设置有第一阀门，第一换热器19的蒸汽入口通过低压缸辅排汽管32连通汽轮机低压缸5的排汽口，第一换热器19的蒸汽出口分别连通汽轮机低压缸5的蒸汽入口和锅炉2的蒸汽入口；且第一换热器19的蒸汽出口至汽轮机低压缸5的蒸汽入口和锅炉2的蒸汽入口分别对应设置有第四阀门10和第五阀门11；

高温泵21的出口通过管道连通第二换热器20的高温熔融盐入口，高温泵21出口至第二换热器20的管道上设置第十一阀门17，第二换热器20的熔融盐出口通过管道连通熔融盐斜温层储热罐24底部入口，且第二换热器20的熔融盐出口管道上设置有第八阀门14；第二换热器20连通供暖系统，第二换热器20的热水出口连通供热/采暖用户25的热水入口，供热/采暖用户25的热水出口连通第二换热器的热水入口，供热/采暖用户25热水出口至第二换热器20的管道上依次设置供热泵23和第九阀门15。

第一换热器19既可以用于对熔融盐斜温层储热罐24下部的低温熔融盐进行加热，也可以用于对熔融盐斜温层储热罐24上部的高温熔融盐进行放热，不能对熔融盐同时进行加热和放热。

热循环介质的管道包括熔融盐管道、蒸汽管道以及热水管道。

参考图1，高压缸抽汽经过第一阀门7，同时熔融盐斜温层储热罐24下部的低温熔融盐通过低温泵22和第六阀门12，高压缸抽汽和低温熔融盐在第一换热器19中换热，冷却后的蒸汽经过第五阀门11返回锅炉2中再加热，加热后的高温熔融盐经过第十二阀门18储存于熔融盐斜温层储热罐24上部。

参考图1，汽轮机低压缸5的排汽经过第三阀门9，同时熔融盐斜温层储热罐24上部的高温熔融盐通过高温泵21和第十阀门16，汽轮机低压缸5的排汽和高温熔融盐在第一换热器19中换热，加热后的高温蒸汽经过管道和第四阀门10返回汽轮机低压缸5中做功，冷却后的熔融盐经过管道和第七阀门13储存于熔融盐斜温层储热罐24下部。

参考图1，熔融盐斜温层储热罐24上部的高温熔融盐通过高温泵21和第十一阀门17和用户侧的水/蒸汽在第二换热器20中换热，加热后的水/蒸汽返回用户侧以满足用热需求，冷却后的熔融盐通过第八阀门14到达熔融盐斜温层储热罐24下部进行储存。

参考图1，本发明所述的一种燃煤发电机组单罐熔融盐斜温层储热方法，具体如下：

当电网负荷减小时，打开第一阀门7、第五阀门11、第六阀门12以及第十二阀门18和低温泵22，关闭第三阀门9、第四阀门10、第七阀门13、第十阀门16和高温泵21，从汽轮机高压缸3中抽汽，以减小汽轮机出力，从而降低机组的输出功率；高压缸中抽汽经过第一阀门7，同时熔融盐斜温层储热罐24下部的低温熔融盐经过低温泵22和第六阀门12，两者在第一换热器19中换热；在第一换热器19内，高温蒸汽和低温熔融盐换热分别变成低温蒸汽和高温熔融盐，低温蒸汽经过第五阀门11返回锅炉2中加热，高温熔融盐经过第十二阀门18储存于熔融盐斜温层储热罐24上部。

当电网负荷增大时，打开第三阀门9、第四阀门10、第七阀门13、第十阀门16和高温泵21，关闭第一阀门7、第五阀门11、第六阀门12、第八阀门14、第十二阀门18和低温泵22，将低压缸排汽加热成高温蒸汽返回到汽轮机低压缸5中做功，以增大汽轮机出力，提高机组的输出功率；汽轮机低压缸的排汽经过第三阀门9，同时熔融盐斜温层储热罐24上部的高温熔融盐经过高温泵21和第十阀门16，两者在第一换热器19中换热；在第一换热器19内，低温蒸汽和高温熔融盐换热分别变成高温蒸汽和低温熔融盐，高温蒸汽经过第四阀门10返回到低压缸5做功，低温熔融盐经过第七阀门13储存于储热罐24下部。

当用户侧热需要热量时，打开第八阀门14、第九阀门15、第十一阀门17、高温泵21和供热泵23，关闭第七阀门13和第十阀门16；储热罐24中的高温熔融盐经过高温泵21和第十一阀门17，同时用户侧水/蒸汽通过供热泵23和第九阀门15，两者在第二换热器20中换热；在第二换热器20内，低温水/蒸汽被加热成满足用户需求的高温水/蒸汽，而高温熔融盐变成低温熔融盐，然后经过第八阀门14储存于储热罐24下部。

当用户侧不需要热量时，关闭第八阀门14、第九阀门15、第十一阀门17和供热泵23，以停止用户侧热量的供应。

综上所述，该系统和方法可以实现对负荷的快速响应，可以解决机组的稳定运行，可以实时保证用户侧对热量的需求，能够有效提高机组运行的灵活性和调峰能力。

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