一种深度耦合燃煤机组液化空气储能发电系统
技术领域
本发明属于能源动力技术领域，尤其涉及一种深度耦合燃煤机组液化空气储能发电系统。
背景技术
随风电和光伏发电等新能源电力的不断并网，电网调频容量不足的问题日益凸显。为提升电网调频容量，需要加快提升燃煤发电机组的灵活性和调峰潜力，全面提高机组调峰和新能源消纳能力。
大规模储能技术是调节能源输出稳定性的重要手段。目前受到广泛关注的大规模储能技术主要有电池储能、抽水蓄能、压缩空气储能和液化空气储能等。但是抽水蓄能需要水资源作为支撑，压缩空气储能对储气室的要求较高。相比于抽水储能和压缩空气储能，近年来开发的液化空气储能系统有着许多优良的特性，如不受地理条件的限制、可以在低压条件下安全储存、可以在现有设备上运行等。因此，为克服传统压缩空气储能与抽水蓄能所存在的问题，近些年来国内外学者相继开展液态空气储能技术的研究，以低温液态空气作为储能介质，可显著提高储能密度。
发明内容
本发明的目的是提供一种深度耦合燃煤机组液化空气储能发电系统，将燃煤发电机组与液化空气储能系统耦合，有效提高火电厂深度调峰的灵活性，保证电网整体调频水平，同时还可有效提高燃煤发电机组在深度调峰过程中机组的安全运行水平、降低设备损耗。
本发明提供了一种深度耦合燃煤机组液化空气储能发电系统，包括空气压缩及凝结水加热系统、空气液化储能系统、空气膨胀发电系统及冷量回收储存系统；
所述空气压缩及凝结水加热系统包括空气压缩机及换热器；所述换热器与空气压缩机连接，用于将经所述空气压缩机压缩后的空气冷却；所述换热器冷却水入口与燃煤机组汽水系统凝汽器出口连接；所述换热器冷凝水出口与燃煤机组汽水系统除氧器入口连接；
所述空气液化储能系统与所述空气压缩及凝结水加热系统连接，用于将所述空气压缩及凝结水加热系统换热器输送的压缩空气冷却液化，并将液化空气进行储存；
所述空气膨胀发电系统与所述空气液化储能系统连接，用于将空气液化储能系统储存的能量释放发电，并回收燃煤电厂汽轮机乏汽和锅炉尾部烟气余热；
所述冷量回收储存系统与所述空气膨胀发电系统及空气压缩及凝结水加热系统连接，用于回收和储存所述空气膨胀发电系统液化空气气化过程中产生的冷量，及所述空气压缩及凝结水加热系统空气压缩过程中产生的热量。
进一步地，所述空气压缩及凝结水加热系统包括小汽机、一级空气压缩机、第一换热器、二级空气压缩机、第二换热器；所述小汽机通过燃煤发电机组汽水系统高压缸抽气驱动，做功后的乏汽汇入凝汽器入口；
所述小汽机依次连接所述一级空气压缩机、二级空气压缩机，用于通过旋转动能驱动所述一级空气压缩机及二级空气压缩机压缩空气；所述一级空气压缩机空气出口通过所述第一换热器与二级空气压缩机连接，用于将所述一级空气压缩机压缩后的空气经所述第一换热器冷却后送入所述二级空气压缩机；所述二级空气压缩机空气出口通过所述第二换热器与所述空气液化储能系统连接，用于将所述二级空气压缩机出口空气经所述第二换热器冷却后送入所述空气液化储能系统；
所述第一换热器、第二换热器并联布置，所用冷却水均为燃煤机组汽水系统凝汽器内的冷凝水，流经所述第一换热器和第二换热器的冷凝水升温后汇入燃煤机组汽水系统除氧器入口，所述第一换热器及第二换热器入口处均设有流量阀。
进一步地，所述空气液化储能系统包括集冷箱、低温制冷机、降压喷管、气液分离器、液态空气储罐；所述集冷箱与所述第二换热器空气出口连接，用于将所述第二换热器出口空气经所述集冷箱冷却后送入所述低温制冷机进行深度冷却；所述低温制冷机通过所述降压喷管与所述气液分离器连接，用于将深度冷却后的空气经所述降压喷管降压处理后送入所述气液分离器；所述气液分离器内设有气态空气管路及液态空气管路，所述气态空气管路与所述集冷箱连接，用于将气态空气送入所述集冷箱，用以冷却流入集冷箱的空气，气态空气升温后排入大气；所述液态空气管路与所述液态空气储罐连接，用于将液态空气送入所述液态空气储罐储存。
进一步地，所述空气膨胀发电系统包括低温泵、第三换热器、第四换热器、第五换热器、一级膨胀机、第六换热器、二级膨胀机、发电机；所述液态空气储罐出口与所述低温泵连接，所述低温泵依次连接所述第三换热器、第四换热器、第五换热器，用于将液态空气储罐出口空气经低温泵送入第三换热器加热后，依次送入所述第四换热器、第五换热器进一步升温；
所述一级膨胀机与所述二级膨胀机连接，所述二级膨胀机动力输出端与所述发电机连接；所述一级膨胀机空气出口通过所述第六换热器与所述二级膨胀机连接，用于将所述第五换热器加热升温后的空气送入所述一级膨胀机，将经所述一级膨胀机做功后的空气经所述第六换热器加热后送入所述二级膨胀机器，通过高压空气在所述一级膨胀机和二级膨胀机器内膨胀产生的动能驱动所述发电机发电；
所述第五换热器、第六换热器并联布置均采用烟气来加热空气，所采用的烟气为燃煤机组空预器入口与出口烟气的混合烟气；所述第五换热器、第六换热器入口处均设有流量阀。
进一步地，所述冷量回收储存系统包括蓄冷装置及蓄热装置，所述第三换热器、蓄冷装置、集冷箱、蓄热装置依次连接形成闭环回路，所述蓄冷装置与集冷箱之间、所述蓄热装置与第三换热器之间均设有流量阀；
当所述空气液化储能系统运行时，系统内的循环介质流经所述第三换热器，且在第三换热器内不发生换热，经所述第三换热器后进入所述蓄冷装置，携带储存于蓄冷装置内的冷量进入集冷箱冷却高压空气，并将集冷箱内空气降温过程中产生的热量，存于蓄热装置内；
当空气膨胀发电系统运行时，系统内的循环介质流经所述第三换热器后进入蓄冷装置，将第三换热器获得的冷量储存于蓄冷装置后，流经集冷箱后进入蓄热装置，该过程中循环介质在集冷箱内不发生换热，循环介质进入蓄热装置后携带储存于蓄热装置内的热量进入第三换热器加热空气。
借由上述方案，通过深度耦合燃煤机组液化空气储能发电系统，将燃煤发电机组与液化空气储能系统耦合，有效提高了火电厂深度调峰的灵活性，保证了电网整体调频水平，同时还可有效提高燃煤发电机组在深度调峰过程中机组的安全运行水平、降低设备损耗。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1本发明深度耦合燃煤机组液化空气储能发电系统的结构示意图。
图中标号：
1-小汽机；2.1-一级空气压缩机；2.2-二级空气压缩机；3.1-第一换热器；3.2-第二换热器；3.3-第三换热器；3.4-第四换热器；3.5-第五换热器；3.6-第六换热器；4.1-第一流量阀；4.2-第二流量阀；4.3-第三流量阀；4.4-第四流量阀；4.5-第五流量阀；4.6-第六流量阀；4.7-第七流量阀；5-集冷箱；6-低温制冷机；7-降压喷管；8-气液分离器；9-液态空气储罐；10-低温泵；11-蓄冷装置；12-蓄热装置；13.1-一级膨胀机；13.2-二级膨胀机；P1-凝汽器出口；P2-燃煤机组除氧器进口；P3-高压缸抽气；P4-凝汽器入口；P5-除尘器入口；P6-空气预热器入口；P7-空气预热器出口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参图1所示，本实施例提供了一种深度耦合燃煤机组液化空气储能发电系统，包括空气压缩及凝结水加热系统、空气液化储能系统、空气膨胀发电系统及冷量回收储存系统四部分。
空气压缩及凝结水加热系统，主要作用是将常温常压的空气加压到一定的压力(8MPa以上)，将压缩空气过程中产生的热量回收用于加热燃煤发电机组汽水系统中的凝结水。该系统由小汽机1、一级空气压缩机2.1、第一换热器3.1、二级空气压缩机2.2、第二换热器3.2、第一流量阀4.1及第二流量阀4.2组成。其中小汽机1采用燃煤发电机组汽水系统内高压缸抽气驱动，在小汽机1内做功后的乏汽汇入凝汽器入口，小汽机1产生的旋转动能用于驱动一级空气压缩机2.1和二级空气压缩机2.2压缩空气，一级空气压缩机2.1压缩后的空气经第一换热器3.1冷却后进入二级空气压缩机2.2，二级空气压缩机2.2出口空气经第二换热器3.2冷却后进入空气液化储能系统，其中第一换热器3.1和第二换热器3.2并联布置，冷却水均为燃煤机组汽水系统内的凝汽器内的冷凝水，流经第一换热器3.1和第二换热器3.2的冷凝水升温后混合汇入除氧器入口。其中第一换热器3.1和第二换热器3.2前设有第一流量阀4.1和第二流量阀4.2。
空气液化储能系统的作用是将空气压缩及凝结水加热系统产生的高压空气冷却液化，并将液化空气储存起来。该系统由集冷箱5、低温制冷机6、降压喷管7、气液分离器8、液态空气储罐9组成。空气压缩及凝结水加热系统产生的高压空气经集冷箱5冷却后进入低温制冷机6进行深度冷却，深度冷却后的空气通过降压喷管7降压处理后进入气液分离器8，气液分离器8内空气分为气液两路，气态空气返回集冷箱5用于冷却第四换热器3.4流入集冷箱5的空气，该部分空气升温后排入大气，其中液态空气进入液态空气储罐9储存。
空气膨胀发电系统的主要作用是将空气液化储能系统储存的能量释放发电，同时兼顾回收燃煤电厂汽轮机乏汽和锅炉尾部烟气余热的作用。该系统由第五流量阀4.5、低温泵10、第三换热器3.3、第四换热器3.4、第五换热器3.5一级膨胀机13.1、第六换热器3.6、二级膨胀机器13.2、发电机14、第六流量阀4.6和第七流量阀4.7组成。在空气膨胀发电系统运行过程中，液态空气储罐9出口空气经低温泵10，进入第三换热器3.3加热后依次进入第四换热器3.4和第五换热器3.5进一步升温后，进入一级膨胀机13.1，经一级膨胀机13.1做功后的空气经第六换热器3.6加热后进入二级膨胀机器13.2，高压空气在一级膨胀机13.1和二级膨胀机器13.2内膨胀产生的动能驱动发电机发电，其中第四换热器3.4采用燃煤机组汽轮机乏汽进行加热，且经过第四换热器3.4后的乏汽汇入凝汽器出口。第五换热器3.5与第六换热器3.6并联布置且均采用烟气来加热空气，所采用的烟气为按照一定比例抽取自燃煤机组空预器入口及出口烟气混合至一定温度的烟气。且第五换热器3.5与第六换热器3.6前分别设有第六流量阀4.6和第七流量阀4.7。
冷量储存与回收系统主要作用是回收和储存空气膨胀发电系统运行过程中液化空气气化过程中产生的冷量，及空气压缩过程中产生的热量。储存的冷量可用于冷却空气液化储能系统中的高压空气，以此降低低温制冷机6的制冷量达到节能效果，储存的热量可用于加热膨胀发电系统中的液态空气。该系统由蓄冷装置11、第五流量阀4.5、蓄热装置12和第四流量阀4.4和组成。该系统内第三换热器3.3、蓄冷装置11、第五流量阀4.5、集冷箱5，蓄热装置12、第四流量阀4.4形成闭环回路。当空气液化储能系统运行时，介质流经第三换热器3.3，且在第三换热器3.3内不发生换热，经第三换热器3.3后进入蓄冷装置11，并将储存于蓄冷装置11内的冷量携带进入集冷箱5冷却高压空气，并将集冷箱5内的空气降温过程中产生的热量，存于蓄冷装置11内。当空气膨胀发电系统运行时，冷量储存与回收系统内的循环介质流经第三换热器3.3后进入蓄冷装置11，将第三换热器3.3获得的冷量储存于蓄热装置12后，依次流经第五流量阀4.5、集冷箱5后进入蓄热装置12，该过程中循环介质在集冷箱5内不发生换热，循环介质进入蓄热装置12后携带储存于蓄热装置12内的热量经第四流量阀4.4后进入第三换热器3.3加热空气。
当燃煤机组承担电网调峰功能需降低上网负荷时，启动空气压缩及凝结水加热系统，通过增加高压缸抽气量来提升压缩机出力，同时减少燃煤机组中参与做功的蒸汽量，进而降低燃煤机组发电量。同时启动空气液化储能系统和冷量回收储存系统。空气液化储能系统用于将空气压缩及凝结水加热系统产生的高压空气进行冷却液化并储存于液态空气储罐内。冷量回收储存系统通过循环介质将储存于蓄冷装置内的冷量释放并用于冷却来自于空气压缩及凝结水加热系统的高压空气，同时将高压空气降温过程中释放的热量储存于蓄热装置内。
当燃煤机组承担电网调峰功能需提高上网负荷时，开启液态空气储罐出口流量阀并启动空气膨胀发电系统和冷量回收储存系统。在燃煤机组缓提升负荷的同时，开启空气膨胀发电系统进行发电，可快速提高整体系统的上网负荷，同时为燃煤机组提升负荷争取时间。冷量回收储存系统通过循环介质将储存于蓄热装置内的热量释放并用于加热来自于液态空气储罐的液化空气，同时将液化空气升温释放的冷量储存于蓄冷装置内。
为保证系统整体经济性，一般不同时开启空气压缩及凝结水加热系统、空气液化储能系统和空气膨胀发电系统三个系统。
该深度耦合燃煤机组液化空气储能发电系统具有如下技术效果：
1)采用燃煤发电机组凝汽器出口凝结水冷却压缩机出口空气，且将加热后的凝结水分别汇入除氧器入口和省煤器入口，有效回收了空气压缩过程中的余热，为空气压缩过程提供了恒温冷源，降低了低温制冷机的能耗，达到了节能效果；
2)采用燃煤发电机组凝汽器入口乏汽和燃煤锅炉尾部烟气加热一级膨胀机和二级膨胀机入口空气，为空气膨胀发电过程提供了稳定的热源，保证储能过程独立运行；
3)将燃煤机组锅炉尾部烟气余热及汽水系统乏汽余热用于液化空气储能发电系统液化空气膨胀发电系统，实现了能量的梯级利用及燃煤机组和储能系统的深度耦合；
4)将燃煤发电机组汽水系统中的热能转化为液化空气的内能并进行储存，可实现快速降低燃煤发电机组上网负荷，为燃煤发电机组的负荷调整争取了时间，保证了燃煤发电机组的安全性与经济性，提高了燃煤发电机组调峰的灵活性。
5)增设液化空气储能发电系统后，可在燃煤发电机组处于低负荷工况下运行时，快速提升上网负荷，为提升燃煤发电机组提升负荷争取时间，保证燃煤发电机组运行的稳定性与安全性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
