一种基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统及其方法与流程

2021-02-27 22:02:13|

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本发明涉及锅炉系统负荷调节和蓄热技术，尤其涉及一种基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统及其方法。

背景技术：

随着可再生能源的不断发展和装机容量持续增加，可再生能源机组的间歇性与不稳定性特征，同时由于用户用能需求的不稳定性特征，导致能源供需侧的不匹配行矛盾日益尖锐，这给电网运行带来安全构成极大挑战。在发挥主干负荷的基础上，提升火力发电机组的调峰灵活性，对于电网运行具有重要意义。

于此同时，为了提升机组尤其是大机组参与调峰的能力，火力发电厂就必须具备深度调峰的能力。需要指出的是，在深度调峰工况下，由于锅炉负荷低，导致燃烧过程中存在燃烧不稳定、燃烧效率降低、排放增加、单位发电煤耗增加、系统经济性和安全性变差等诸多不利影响。因此，如何在深度调峰过程中，提高锅炉侧的性能参数，成为锅炉系统面临的挑战。此外，除了深度调峰意外，在锅炉运行中还存在诸多可提高锅炉运行效率的参数，例如，在锅炉负荷较高时，锅炉过热器的稳定运行至关重要，传统的喷水减温装置虽然能够降低过热器热负荷，但是存在能量上的浪费。如何在保证过热器安全的情况下，充分利用喷水减温的热量也是可以提高锅炉效率。另外，在锅炉机组参与调峰过程中，冷启动时间长，不利于机组灵活性，而采取热启动，可以快速的启动锅炉机组，提高了机组负荷调节的灵活性和机组运行的经济性。

于此同时，蓄热储能技术作为调节负荷波动的一种有效方法，利用蓄热技术解决热力系统中的波动问题具有一定的可行性。因此，如何利用蓄热技术，改善锅炉系统在深度调峰等运行过程中的锅炉性能成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统，其包括风机、调节换热器入口风道、调节换热器、调节换热器出口风道、蓄热器、蓄热器出口低温风道、止回阀、一次风道、空气预热器、高温过热器入口蒸汽管、高温过热器、主蒸汽管、汽轮机、发电机、汽轮机乏汽连接管、冷凝器、主水泵、主水管、蓄热补水支路、蓄热补水入口阀、蓄热蒸汽主管路、蓄热蒸汽出口阀、蓄热蒸汽止回阀、汽封蒸汽旁路管、蓄热供热支路、蓄热供热出口阀、蓄热供热止回阀、抽汽供热主路、抽汽供热出口阀、抽汽供热止回阀、热用户、锅炉本体、烟气流道调节器；

锅炉本体内设有调节换热器、空气预热器、高温过热器和烟气流道调节器；调节换热器分别通过调节换热器入口风道和调节换热器出口风道与风机和蓄热器相连；

蓄热器出口烟气通过蓄热器出口低温风道与一次风道相连，一次风道与空气预热器相连；蓄热器出口低温风道上设有止回阀；调节换热器下方设有用于改变烟气流向的烟气流道调节器；高温过热器入口蒸汽管与高温过热器、主蒸汽管、汽轮机顺次相连；汽轮机与发电机相连；汽轮机通过汽轮机乏汽连接管与冷凝器相连，冷凝器与主水管相连，主水管上设有主水泵；主水管旁接蓄热补水支路，蓄热补水支路与蓄热器、蓄热蒸汽主路顺次相连，蓄热蒸汽主路与汽封蒸汽旁路管并联后与汽轮机相连；蓄热补水支路上设有蓄热补水入口阀，蓄热蒸汽主路上设有蓄热蒸汽出口阀和蓄热蒸汽止回阀；蓄热蒸汽主路上在蓄热蒸汽出口阀上游的位置通过旁接蓄热供热支路与抽汽供热主路相连，蓄热供热支路上设蓄热供热入口阀和蓄热供热止回阀；汽轮机与抽汽供热主路、热用户依次相连，抽汽供热主路上设有抽汽供热出口阀和抽汽供热止回阀。

优选的，所述的烟气流道调节器包括若干片导流叶片)、支撑固定端)、转动轴)和传动连杆；每片导流叶片安装在对应的转动轴上，并通过支撑固定端固定，传动连杆与各导流叶片对应的转动轴分别构成传动连接；所有导流叶片平行设置且同步转动；烟气流道调节器位于调节换热器下方的烟气流道上，且所有导流叶片的转动角度应当满足：至少存在一个全关状态使烟气能绕过调节换热器直接流入高温过热器，同时至少存在另一个全开状态使烟气能顺次流入调节换热器和高温过热器。

优选的，所述的蓄热器包括高温蓄热器，也包括保温蓄热器和中低温蓄热器组合的梯级蓄热器；所述高温蓄热器中的蓄热材料包括熔盐、石墨、混凝土、铸铁及其混合物，所述中低温蓄热器中的蓄热材料包括糖醇类、石蜡类相变材料及其混合物。

一种根据上述基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统的负荷调节方法，其包括低负荷下的蓄热调节过程、过载负荷下的蓄热调节过程、蓄热供热汽机启动调节过程、蓄热供热调节过程四种工作状态：

低负荷下的蓄热调节过程：

当机组处于深度调峰指令过程，汽轮机负荷降低，此时将锅炉负荷调到高于汽轮机负荷，通过调节烟气流道调节器的导流叶片，让其处于全开状态，锅炉烟气能够顺次流入调节换热器和高温过热器进行换热；空气经风机鼓入，并通过调节换热器入口风道进入调节换热器换热，换热后的空气通过调节换热器出口风道进入蓄热器，将换热空气从锅炉烟气换得的高品位热能储存在蓄热器中，放热后的低温空气再经过蓄热器出口低温风道进入一次风道，达到预热一次风温的目的；通过调节换热器的换热和蓄热器的储热过程，增加锅炉负荷，提高锅炉对汽机负荷变化的调节弹性以及锅炉的效率；

当汽轮机负荷提升，蓄热器的蓄热达到设定蓄热量时，调节烟气流道调节器的导流叶片，让其处于全关状态，锅炉烟气直接流入高温过热器进行换热，蓄热调节过程完成，锅炉进入常规工况运行；

过载负荷下的蓄热调节过程：

当锅炉负荷过大导致从水冷壁出口进入高温过热器入口的烟气温度超温时，调节烟气流道调节器的导流叶片，让其处于全开状态，锅炉烟气首先流入调节换热器进行换热降温后，再流入高温过热器进行换热，避免超温烟气对高温过热器的危害；风机鼓入换热空气，换热空气经调节换热器入口风道进入调节换热器被加热后，经调节换热器出口风道进入蓄热器换热，将高品位热能储存其中，放热后的低温空气再经过蓄热器出口低温风道进入一次风道，达到预热一次风温的目的；

当过热烟气温度恢复正常时，调节烟气流道调节器的导流叶片，让其处于全关状态，锅炉烟气直接流入高温过热器进行换热，蓄热调节过程完成，锅炉进入常规工况运行；

蓄热供热汽机启动调节过程：

当锅炉系统机组关停后重新启动时，在蓄热器储存一定的高品位热能的基础上，开启蓄热补水入口阀、蓄热蒸汽出口阀，关闭蓄热供热出口阀；冷凝水由主水泵泵出，流经主水管、蓄热补水支路，进入蓄热器换热，产生高温蒸汽，与蓄热蒸汽主管路汇合后进入汽封蒸汽旁路管，最终流入汽轮机作为汽轮机快速启动的汽封用汽；

蓄热供热调节过程：

当抽汽供热主路的负荷不满足热用户热需求时，在蓄热器储存一定的高品位热能的基础上，开启蓄热补水入口阀、蓄热供热出口阀，关闭蓄热蒸汽出口阀；冷凝水由主水泵泵出，流经主水管、蓄热补水支路，进入蓄热器换热，产生高温蒸汽，经由蓄热供热支路进入抽汽供热主路，满足热用户热需求。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明采用调节换热器和蓄热相结合，实现了在深度调峰过程中，通过蓄热增加锅炉负荷达到减小锅炉在低负荷运行下的能耗高、排放高、安全可靠性差等问题。

(2)本发明采用调节换热器替代传统喷水减温器的作用，同时利用蓄热器实现过热烟气减温热能的利用，提高了锅炉的热利用率。

(3)本发明提出将蓄热器产生的蒸汽供给汽轮机热启动的方法，减小了启动时间，提高了机组运行灵活性和经济性。

(4)本发明在采用蓄热器和一次风预热方法，实现了对过热高温烟气高品位热能的梯级利用，提高了能量利用效率。

附图说明

图1是一种基于蓄热锅炉汽机负荷调节的系统的蓄热-启动-供热示意图；

图2是一种基于蓄热锅炉汽机负荷调节的系统的蓄热-启动工况示意图；

图3是一种基于蓄热锅炉汽机负荷调节的系统的蓄热-供热工况示意图；

图4是烟气流道调节器工作调节图；

图5是烟气流道调节器结构示意图。

图中：风机1、调节换热器入口风道2、调节换热器3、调节换热器出口风道4、蓄热器5、蓄热器出口低温风道6、止回阀7、一次风道8、空气预热器9、高温过热器入口蒸汽管10、高温过热器11、主蒸汽管12、汽轮机13、发电机14、汽轮机乏汽连接管15、冷凝器16、主水泵17、主水管18、蓄热补水支路19、蓄热补水入口阀20、蓄热蒸汽主管路21、蓄热蒸汽出口阀22、蓄热蒸汽止回阀23、汽封蒸汽旁路管24、蓄热供热支路25、蓄热供热出口阀26、蓄热供热止回阀27、抽汽供热主路28、抽汽供热出口阀29、抽汽供热止回阀30、热用户31、锅炉本体32、烟气流道调节器33、导流叶片331、支撑固定端332、转动轴333)、传动连杆334。

图中管道上的箭头表示管内介质流动方向。

具体实施方式

如图1所示，一种基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统，其包括风机1、调节换热器入口风道2、调节换热器3、调节换热器出口风道4、蓄热器5、蓄热器出口低温风道6、止回阀7、一次风道8、空气预热器9、高温过热器入口蒸汽管10、高温过热器11、主蒸汽管12、汽轮机13、发电机14、汽轮机乏汽连接管15、冷凝器16、主水泵17、主水管18、蓄热补水支路19、蓄热补水入口阀20、蓄热蒸汽主管路21、蓄热蒸汽出口阀22、蓄热蒸汽止回阀23、汽封蒸汽旁路管24、蓄热供热支路25、蓄热供热出口阀26、蓄热供热止回阀27、抽汽供热主路28、抽汽供热出口阀29、抽汽供热止回阀30、热用户31、锅炉本体32、烟气流道调节器33。

锅炉本体32内设有调节换热器3、空气预热器9、高温过热器11和烟气流道调节器33。调节换热器3分别通过调节换热器入口风道2和调节换热器出口风道4与风机1和蓄热器5相连；

蓄热器5出口烟气通过蓄热器出口低温风道6与一次风道8相连，一次风道8与空气预热器10相连；蓄热器出口低温风道6上设有止回阀7；调节换热器3下方设有用于改变烟气流向的烟气流道调节器33。高温过热器入口蒸汽管10与高温过热器11、主蒸汽管12、汽轮机13顺次相连。汽轮机13与发电机14相连。汽轮机13通过汽轮机乏汽连接管15与冷凝器16相连，冷凝器16与主水管18相连，主水管18上设有主水泵17。主水管18旁接蓄热补水支路19，蓄热补水支路19与蓄热器5、蓄热蒸汽主路21顺次相连、蓄热蒸汽主路21与汽封蒸汽旁路管24并联后与汽轮机13相连。蓄热补水支路19上设有蓄热补水入口阀20，蓄热蒸汽主路21上设有蓄热蒸汽出口阀22、蓄热蒸汽止回阀23。蓄热蒸汽主路21通过旁接一条蓄热供热支路25与抽汽供热主路28相连，蓄热供热支路25上设蓄热供热入口阀26、蓄热供热止回阀27。汽轮机13与抽汽供热主路28、热用户31依次相连，抽汽供热主路28上设有抽汽供热出口阀29、抽汽供热止回阀30。

在发明中锅炉本体32内的负荷调节是通过特定的烟气流道调节器33来实现的，烟气流道调节器33的主要作用是改变从锅炉的水冷壁出口排出的烟气流向，使得烟气能够受控的被导向调节换热器3或者高温过热器11。如图5所示，烟气流道调节器33包括若干片导流叶片331、支撑固定端332、转动轴333和传动连杆334。每片导流叶片331均安装在一条对应的转动轴333上，转动轴333的两端通过支撑固定端332固定。导流叶片331能够绕转动轴333进行转动，而转动的状态则是通过传动连杆334来控制的。传动连杆334与各导流叶片331对应的转动轴333分别构成传动连接，通过传动连杆334可以驱动转动轴333转动，进而带动导流叶片331转动。所有导流叶片331均平行设置且在传动连杆334带动下同步转动。烟气流道调节器33位于调节换热器3下方的烟气流道上，水冷壁出口排出的烟气通过烟气流道进入烟气流道调节器33所在位置，由导流叶片331的转动角度改变后续的流动方向。为了保证负荷调节的有效性，所有导流叶片331的转动角度应当满足：至少存在一个全关状态使烟气能绕过调节换热器3直接流入高温过热器11，同时至少存在另一个全开状态使烟气能顺次流入调节换热器3和高温过热器11。其调节的两个状态如图4所示。当然，由于导流叶片331的转动是连续的，因此在全关状态和全开状态之间也存在烟气被部分导入调节换热器3，部分导入高温过热器11的其他状态，具体可以根据负荷调节需要进行调整。

上述基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统，在负荷调节时可以具有低负荷下的蓄热调节过程、过载负荷下的蓄热调节过程、蓄热供热汽机启动调节过程、蓄热供热调节过程四种工作状态，具体的调节过程可以根据运行需要进行设定和选择。下面通过两个实施例说明其具体的运行过程。

实施例1

在本实施例中，图1所示的基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统，除去未工作部分的简化图如图3所示。在负荷调节时具有低负荷下的蓄热调节过程、过载负荷下的蓄热调节过程、蓄热供热调节过程三种工作状态，具体的流程如下：

低负荷下的蓄热调节过程如下：

上述基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统在深度调峰过程中运行方法：当机组出现深度调峰指令，汽轮机负荷低工况下运行，相应锅炉负荷下燃煤煤耗和污染排放指标运行及环保参数明显恶化，此时不根据汽轮机负荷比例降低锅炉负荷，而保持锅炉负荷在新设定的最低负荷之上(高于汽轮机负荷)，通过调节烟气流道调节器33的导流叶片331，让其处于全开状态，锅炉烟气能够顺次流入调节换热器3和高温过热器11进行换热。空气经风机1鼓入，并通过调节换热器入口风道2进入调节换热器3换热，换热后的空气通过调节换热器出口风道4进入蓄热器5，将换热空气从锅炉烟气换得的高品位热能储存在蓄热器5中，放热后的低温空气再经过蓄热器出口低温风道6进入一次风道8，达到预热一次风温的目的。调节换热器3的换热和蓄热器5的储热过程，增加了锅炉负荷，提高了锅炉对汽机负荷变化的调节弹性，提高了锅炉的效率。

当汽轮机负荷提升，蓄热器5的蓄热达到设定蓄热量时，调节烟气流道调节器33的导流叶片331，让其处于全关状态，锅炉烟气直接流入高温过热器11进行换热。蓄热调节过程完成，锅炉进入常规工况运行。

过载负荷下的蓄热调节过程如下：

上述基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统在烟气超温工况下的运行方法：当锅炉负荷过载，从水冷壁出口进入高温过热器入口的烟气温度超温时，调节烟气流道调节器33的导流叶片331，让其处于全开状态，锅炉烟气首先流入调节换热器3进行换热降温后，再流入高温过热器11进行换热，避免超温烟气对高温过热器的危害。风机1鼓入换热空气，换热空气经调节换热器入口风道2进入调节换热器3被加热后，经调节换热器出口风道4进入蓄热器5换热，将高品位热能储存其中，放热后的低温空气再经过蓄热器出口低温风道6进入一次风道8，达到预热一次风温的目的。

当过热烟气温度恢复正常，调节烟气流道调节器33的导流叶片331，让其处于全关状态，锅炉烟气直接流入高温过热器11进行换热。蓄热调节过程完成，锅炉进入常规工况运行。

蓄热供热调节过程如下：

上述基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统在供热不足工况下的运行方法：当抽汽供热主路28的负荷不满足热用户31热需求时，在蓄热器5储存一定的高品位热能的基础上，开启蓄热补水入口阀20、蓄热供热出口阀26，关闭蓄热蒸汽出口阀22。冷凝水由主水泵17泵出，流经主水管18、蓄热补水支路19，进入蓄热器5换热，产生高温蒸汽，经由蓄热供热支路25进入抽汽供热主路28，满足热用户31热需求。

实施例2：

在本实施例中，图1所示的基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统，除去未工作部分的简化图如图2所示，该锅炉-汽机负荷调节系统包括风机1、调节换热器入口风道2、调节换热器3、调节换热器出口风道4、蓄热器5、蓄热器出口低温风道6、止回阀7、一次风道8、空气预热器9、高温过热器入口蒸汽管10、高温过热器11、主蒸汽管12、汽轮机13、发电机14、汽轮机乏汽连接管15、冷凝器16、主水泵17、主水管18、蓄热补水支路19、蓄热补水入口阀20、蓄热蒸汽主管路21、蓄热蒸汽止回阀23、汽封蒸汽旁路管24、锅炉本体32、烟气流道调节器33。

锅炉本体32内设有调节换热器3、空气预热器9、高温过热器11和烟气流道调节器33。调节换热器3通过调节换热器入口风道2和调节换热器出口风道4与风机1和与蓄热器5顺次相连；

在本实施例中，锅炉本体32内的负荷调节是通过特定的烟气流道调节器33来实现的，烟气流道调节器33的具体结构与实施例1相同，参见图4和图5。

上述基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统，在负荷调节时可以具有低负荷下的蓄热调节过程、过载负荷下的蓄热调节过程、蓄热供热汽机启动调节过程三种工作状态，具体的流程如下：

低负荷下的蓄热调节过程如下：

上述基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统在深度调峰过程中的运行过程：当机组出现深度调峰指令，汽轮机负荷低工况下运行，相应锅炉负荷下燃煤煤耗和污染排放指标运行及环保参数明显恶化，此时不根据汽轮机负荷比例降低锅炉负荷，而保持锅炉负荷在新设定的最低负荷之上(高于汽轮机负荷)，通过调节烟气流道调节器33的导流叶片331，让其处于全开状态，锅炉烟气能够顺次流入调节换热器3和高温过热器11进行换热。空气经风机1鼓入，并通过调节换热器入口风道2进入调节换热器3换热，换热后的空气通过调节换热器出口风道4进入蓄热器5，将换热空气从锅炉烟气换得的高品位热能储存在蓄热器5中，放热后的低温空气再经过蓄热器出口低温风道6进入一次风道8，达到预热一次风温的目的。调节换热器3的换热和蓄热器5的储热过程，增加了锅炉负荷，提高了锅炉对汽机负荷变化的调节弹性，提高了锅炉的效率。

过载负荷下的蓄热调节过程如下：

上述基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统在烟气超温工况下的运行过程：当锅炉负荷过载，从水冷壁出口进入高温过热器入口的烟气温度超温时，调节烟气流道调节器33的导流叶片331，让其处于全开状态，锅炉烟气首先流入调节换热器3进行换热降温后，再流入高温过热器11进行换热，避免超温烟气对高温过热器的危害。风机1鼓入换热空气，换热空气经调节换热器入口风道2进入调节换热器3被加热后，经调节换热器出口风道4进入蓄热器5换热，将高品位热能储存其中，放热后的低温空气再经过蓄热器出口低温风道6进入一次风道8，达到预热一次风温的目的。

蓄热供热汽机启动调节过程如下：

上述基于蓄热的锅炉-汽机负荷调节系统在启动过程中的工作过程：当锅炉系统机组关停后重新启动时，在蓄热器5储存一定的高品位热能的基础上，开启蓄热补水入口阀20、蓄热蒸汽出口阀22。冷凝水由主水泵17泵出，流经主水管18、蓄热补水支路19，进入蓄热器5换热，产生高温蒸汽，与蓄热蒸汽主管路21汇合后进入汽封蒸汽旁路管24，最终流入汽轮机13作为汽轮机快速启动的汽封用汽。

在上述两个实施例中，蓄热器5的具体选型可以根据实际需要而定，其类型可以是高温蓄热器，也可以是保温蓄热器和中低温蓄热器组合的梯级蓄热器。其中高温蓄热器中的蓄热材料包括熔盐、石墨、混凝土、铸铁及其混合物，中低温蓄热器中的蓄热材料包括糖醇类、石蜡类相变材料及其混合物。

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