一种基于蓄热启动的燃气蒸汽联合循环系统及方法与流程

本发明涉及燃气蒸汽联合循环和蓄热技术，尤其涉及一种基于蓄热启动的燃气蒸汽联合循环系统及方法。

技术背景

随着我国用电结构的改变，电网的峰谷差日趋增大，为保证电力系统的稳定，燃气蒸汽联合循环系统由于其启停速度快，经济性好作为调峰机组参与电网运行，同时为提高能源利用效率，燃气蒸汽联合循环系统采用热电联产的供能方式。

由于燃气蒸汽联合循环机组主要用于调峰，一般采用日开夜停“两班制”的运行方式，根据燃气蒸汽联合循环机组的启动特性，需要配备启动锅炉以提供机组启动过程中所需的汽轮机轴封用汽、给水加热和除氧，而启动过程中辅助用汽额外消耗大量燃料，同时增加运行人员运行操作的难度，还存在因燃烧器控制不良，风机挡板卡涩、烟气挡板调整性能差等的缺陷，发生无法启动及正常运行中多次跳闸现象，造成机组启动过程中辅助蒸汽供汽不足、轴封蒸汽不能正常供给，导致机组启动过程被迫中断和延时启动的事件偶尔发生，给电厂经济效益带来一定的损失。另一方面，由于燃气蒸汽联合循环系统作为调峰机组随时启停的运行特性，导致热用户在一定条件下无法得到满足。为了解决燃气蒸汽联合循环机组启动过程中所需的大量辅助蒸汽的问题，中国专利201820216462.0和201420402926.9分别提出利用余热锅炉自身产生的蒸汽来代替启动蒸汽，但采用余热锅炉自身供应启动用汽的方式，会延长机组的启动时间，增加燃料消耗量以及启动期间与电网调度协调的复杂性，同时，由于联合循环机组的温态和热态启动次数相对较多，对余热锅炉的腐蚀也不容忽视。另外，对于调峰过程中出现的热电需求不匹配的问题也没有得到解决。

因此，寻求一个替代启动锅炉提供辅助蒸汽的其他途径，以改变依靠启动锅炉才能启动机组的被动局面及相应减少启动锅炉能量消耗和实现联合循环机组在低负荷、高热电需求比甚至停机条件下的高品位供热。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服上述问题，提供一种基于蓄热启动的燃气蒸汽联合循环系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于蓄热启动的燃气蒸汽联合循环系统，包括燃气轮机、发电机、另一台发电机、主烟气管道、余热锅炉、主蒸汽管道、汽轮机、凝汽器、主水管、主水泵、主水入口阀、低压加热器、除氧器、高压加热器、旁路烟气入口阀、旁路烟气管、一级高温蓄热器、二级中温蓄热器、蓄热补水入口阀、蓄热补水旁路管、蓄热低压蒸汽管、蓄热高压蒸汽管、蓄热高压蒸汽止回阀、抽汽供热管、抽汽出口阀、供热蒸汽出口阀、供热站、低压加热抽汽管、高压加热抽汽管、除氧器加热蒸汽支路管、压力控制器、蓄热低压加热蒸汽支路入口阀、蓄热低压加热蒸汽支路管、蓄热高压加热蒸汽支路管、蓄热高压加热蒸汽入口阀、蓄热汽封蒸汽旁路入口阀、蓄热汽封蒸汽旁路管；

燃气轮机与发电机顺次连接；燃气轮机通过主烟气管道与余热锅炉相连；余热锅炉通过主蒸汽管道与汽轮机相连；汽轮机与另一台发电机相连；汽轮机排汽进入凝汽器；凝汽器、主水泵、低压加热器、除氧器、高压加热器、余热锅炉通过主水管顺次相连；主水泵与低压加热器之间的主水管上设有主水入口阀；主烟气管道上设有旁路烟气管；旁路烟气管入口设有旁路烟气入口阀；一级高温蓄热器和二级中温蓄热器通过旁路烟气管相连；主水泵与主水入口阀之间的主水管上设有蓄热补水旁路管；蓄热补水旁路管入口设有蓄热补水入口阀，蓄热补水旁路管、二级中温蓄热器、蓄热低压蒸汽管顺次相连；蓄热低压蒸汽管、一级高温蓄热器、蓄热高压蒸汽管顺次相连；高压蒸汽管和抽汽供热管并联后接入供热站；蓄热高压蒸汽管和抽汽供热管的并联入口处分别设有蓄热高压蒸汽止回阀和抽汽出口阀，供热站前设有供热蒸汽出口阀；汽轮机分别通过低压加热抽气管和高压加热抽汽管与低压加热器和高压加热器各自相连；高压加热抽汽管上设有除氧器加热蒸汽支路管，除氧器加热蒸汽支路管与压力控制器和除氧器顺次相连；蓄热低压蒸汽管通过蓄热低压加热蒸汽支路管与低压加热抽气管相连，并在蓄热低压加热蒸汽支路管的入口设有蓄热低压加热蒸汽支路入口阀；蓄热高压蒸汽管通过蓄热高压加热蒸汽支路管与高压加热抽汽管相连，并在蓄热高压加热蒸汽支路管的入口设有蓄热高压加热蒸汽入口阀；位于蓄热高压加热蒸汽入口阀上游的蓄热高压加热蒸汽支路管通过蓄热汽封蒸汽旁路管与汽轮机的汽封进汽口相连，蓄热汽封蒸汽旁路管的入口设有蓄热汽封蒸汽旁路入口阀。

一种使用上述联合循环系统的基于蓄热启动的燃气蒸汽联合循环方法，该方法包括四种工作状态过程：

蓄热状态过程：在汽轮机侧供热负荷不足或正常负荷运行时，蓄热补水入口阀、蓄热低压加热蒸汽支路入口阀、蓄热高压加热蒸汽入口阀、蓄热汽封蒸汽旁路入口阀处于关闭状态；打开旁路烟气入口阀，使得燃气轮机排出的一部分高温烟气经旁路烟气管顺次流入一级高温蓄热器和二级中温蓄热器进行换热，将一部分高品位热能存储在蓄热器中，此时，通过降低汽轮机侧的热电负荷，实现蓄热过程；当蓄热器达到设定温度时，关闭旁路烟气入口阀，完成蓄热工作；

蓄热供热状态过程：当电负荷需求较低，燃气轮机停机，热负荷需求存在，旁路烟气入口阀、主水入口阀、蓄热低压加热蒸汽支路入口阀、蓄热高压加热蒸汽入口阀、蓄热汽封蒸汽旁路入口阀均处于关闭状态；打开蓄热补水入口阀和供热蒸汽出口阀，冷凝水经过主水泵依次流入二级中温蓄热器和一级高温蓄热器加热产生高压过热蒸汽，并经蓄热高压蒸汽管输送到供热站，满足停机情况下用户热需求；

蓄热启动状态过程：当电负荷需求再次出现，燃气轮机重新开始启动运行，在蓄热供热状态过程的基础上，开启蓄热汽封蒸汽旁路入口阀，蓄热高压蒸汽通过汽轮机汽封蒸汽旁路管流入汽轮机中用于汽轮机启动时的汽封用汽；与此同时，燃气轮机开始启动并带动发电机发电，烟气通过主烟气管道进入余热锅炉加热；凝汽器中冷凝水通过主水泵经主水管进入余热锅炉产生主蒸汽进入汽轮机；

当蓄热蒸汽充足时，开启蓄热高压加热蒸汽入口阀和蓄热低压加热蒸汽支路入口阀，二级中温蓄热器产生部分低压蒸汽经过蓄热低压加热蒸汽支路管和低压加热抽气管进入低压加热器中加热给水，一级高温蓄热器产生的部分高压蒸汽经蓄热高压加热蒸汽支路管、高压加热抽汽管和除氧器加热蒸汽支路管分别进入高压加热器和除氧器加热给水；

当蓄热供热负荷不足时，依次关闭供热蒸汽出口阀，蓄热高压加热蒸汽支路管，蓄热低压加热蒸汽支路入口阀，减少供热，保证汽封用汽；

热电协同状态：当用户侧热需求较小时，此时蓄热低压加热蒸汽支路入口阀、蓄热高压加热蒸汽入口阀、蓄热汽封蒸汽旁路入口阀、蓄热补水入口阀、蓄热高压蒸汽止回阀均处于关闭状态，打开旁路烟气入口阀，使得一部分高温烟气依次流入一级高温蓄热器和二级中温蓄热器中进行蓄热；

当汽轮机6抽气比达到最大仍无法满足用户热需求时，打开蓄热补水入口阀、蓄热高压蒸汽止回阀，冷凝水经过主水泵依次流入二级中温蓄热器和一级高温蓄热器加热产生高压过热蒸汽经蓄热高压蒸汽管与抽汽供热管中汽轮机供热蒸汽汇合到达供热站，汽轮机和蓄热器共同完成供热工作。

与现有技术相比，本发明的主要优点在于：

(1)本发明通过引入蓄热器产生蒸汽，替代启动炉，满足燃气蒸汽联合循环启动过程中汽轮机汽封、余热锅炉加热和除氧过程中所需要的用汽需求。同时，蓄热系统系统安全可靠，结构简单，安装、操作方便，减少了电厂设备故障率，降低了启动炉运行的安全风险，提高了整个机组的安全性和经济性。

(2)本发明通过采用梯级蓄热的方式，可以提供多种品位的蒸汽，满足启动阶段不同品位蒸汽的需求，提高了能量的利用效率和运行的灵活性。

(3)本发明采用引入蓄热供热，解决了了燃气轮机频繁启停过程中，稳定供热负荷的矛盾，达到了频繁启停机组热电协同运行高效运行的目的。

附图说明

图1是一种基于蓄热启动的燃气蒸汽联合循环系统示意图；

图2是蓄热状态示意图；

图3是蓄热供热状态示意图；

图4是蓄热启动状态示意图；

图5是热电协同状态示意图。

图中：燃气轮机1、发电机2、主烟气管道3、余热锅炉4、主蒸汽管道5、汽轮机6、凝汽器7、主水管8、主水泵9、主水入口阀10、低压加热器11、除氧器12、高压加热器13、旁路烟气入口阀14、旁路烟气管15、一级高温蓄热器16、二级中温蓄热器17、蓄热补水入口阀18、蓄热补水旁路管19、蓄热低压蒸汽管20、蓄热高压蒸汽管21、蓄热高压蒸汽止回阀22、抽汽供热管23、抽汽出口阀24、供热蒸汽阀25、供热站26、低压加热抽气管27、高压加热抽汽管28、除氧器加热蒸汽支路管29、压力控制器30、蓄热低压加热蒸汽支路入口阀31、蓄热低压加热蒸汽支路管32、蓄热高压加热蒸汽支路管33、蓄热高压加热蒸汽入口阀34、蓄热汽封蒸汽旁路入口阀35、蓄热汽封蒸汽旁路管36。

具体实施方式

如图1所示，一种基于蓄热启动的燃气蒸汽联合循环系统，其包括：燃气轮机1、发电机2-1、另一台发电机2-2、主烟气管道3、余热锅炉4、主蒸汽管道5、汽轮机6、凝汽器7、主水管8、主水泵9、主水入口阀10、低压加热器11、除氧器12、高压加热器13、旁路烟气阀14、旁路烟气管15、一级高温蓄热器16、二级中温蓄热器17、蓄热补水阀18、蓄热补水旁路管19、蓄热低压蒸汽管20、蓄热高压蒸汽管21、蓄热高压蒸汽止回阀22、抽汽供热管23、抽汽出口阀24、供热蒸汽出口阀25、供热站26、低压加热抽汽管27、高压加热抽汽管28、除氧器加热蒸汽支路管29、压力控制器30、蓄热低压加热蒸汽支路入口阀31、蓄热低压加热蒸汽支路管32、蓄热高压加热蒸汽支路管33、蓄热高压加热蒸汽入口阀34、蓄热汽封蒸汽旁路入口阀35、蓄热汽封蒸汽旁路管36。

燃气轮机1与一台发电机2-1顺次连接；燃气轮机1通过主烟气管道3与余热锅炉4相连；余热锅炉4通过主蒸汽管道5与汽轮机6相连；汽轮机6与另一台发电机2-2相连；汽轮机6排汽进入凝汽器7；凝汽器7、主水泵9、低压加热器11、除氧器12、高压加热器13、余热锅炉4通过主水管8顺次相连；主水泵9与低压加热器11之间的主水管(8)上设有主水入口阀10；主烟气管道3上设有旁路烟气管15；旁路烟气管15入口设有旁路烟气入口阀14；一级高温蓄热器16和二级中温蓄热器17通过旁路烟气管15相连；主水泵9与主水入口阀10之间的主水管8上设有蓄热补水旁路管19；蓄热补水旁路管19入口设有蓄热补水阀18，蓄热补水旁路管19、二级中温蓄热器17、蓄热低压蒸汽管20顺次相连；蓄热低压蒸汽管20、一级高温蓄热器16、蓄热高压蒸汽管21顺次相连；高压蒸汽管21和抽汽供热管23并联后接入供热站26；蓄热高压蒸汽管21和抽汽供热管23的并联入口处分别设有蓄热高压蒸汽止回阀22和抽汽出口阀24，供热站26前设有供热蒸汽出口阀25；汽轮机6分别通过低压加热抽汽管27和高压加热抽汽管28与低压加热器11和高压加热器13各自相连；高压加热抽汽管28上设有除氧器加热蒸汽支路管29，除氧器加热蒸汽支路管29与压力控制器30和除氧器12顺次相连；蓄热低压蒸汽管20通过蓄热低压加热蒸汽支路管32与低压加热抽气管27相连，并在蓄热低压加热蒸汽支路管32的入口设有蓄热低压加热蒸汽支路入口阀31；蓄热高压蒸汽管21通过蓄热高压加热蒸汽支路管33与高压加热抽汽管28相连，并在蓄热高压加热蒸汽支路管33的入口设有蓄热高压加热蒸汽入口阀34；位于蓄热高压加热蒸汽入口阀34上游的蓄热高压加热蒸汽支路管33通过蓄热汽封蒸汽旁路管36与汽轮机6的汽封进汽口相连，蓄热汽封蒸汽旁路管36的入口设有蓄热汽封蒸汽旁路入口阀35。

使用上述联合循环系统的基于蓄热启动的燃气蒸汽联合循环方法，包括以下四个工作状态过程：

如图2所示，蓄热状态过程：在汽轮机侧供热负荷不足或正常负荷运行时，蓄热补水阀18、蓄热低压加热蒸汽支路入口阀31、蓄热高压加热蒸汽入口阀34、蓄热汽封蒸汽旁路入口阀35处于关闭状态。打开旁路烟气入口阀14，使得燃气轮机1排出的一部分高温烟气经旁路烟气管15顺次流入一级高温蓄热器16和二级中温蓄热器17进行换热，将一部分高品位热能存储在蓄热器中，此时，通过降低汽轮机侧的热电负荷，实现蓄热过程。当蓄热器达到设定温度时，关闭旁路烟气入口阀14，完成蓄热工作。

如图3所示，蓄热供热状态过程：当电负荷需求较低，燃气轮机停机，热负荷需求存在，旁路烟气入口阀14、主水入口阀10、蓄热低压加热蒸汽支路入口阀31、蓄热高压加热蒸汽入口阀34、蓄热汽封蒸汽旁路入口阀35均处于关闭状态。打开蓄热补水入口阀18和供热蒸汽出口阀25，冷凝水经过主水泵9依次流入二级中温蓄热器17和一级高温蓄热器16加热产生高压过热蒸汽，并经蓄热高压蒸汽管21输送到供热站26，满足停机情况下用户热需求。

如图4所示，蓄热启动状态过程：当电负荷需求再次出现，燃气轮机重新开始启动运行，在蓄热供热状态过程的基础上，开启蓄热汽封蒸汽旁路入口阀35，蓄热高压蒸汽通过汽轮机汽封蒸汽旁路管36流入汽轮机6中用于汽轮机启动时的汽封用汽。与此同时，燃气轮机1开始启动并带动发电机2-1发电，烟气通过主烟气管道3进入余热锅炉4加热。凝汽器7中冷凝水通过主水泵9经主水管8进入余热锅炉4产生主蒸汽进入汽轮机6。

当蓄热蒸汽充足时，开启蓄热高压加热蒸汽入口阀34和蓄热低压加热蒸汽支路入口阀31，二级中温蓄热器17产生部分低压蒸汽经过蓄热低压加热蒸汽支路管32和低压加热抽汽管27进入低压加热器11中加热给水，一级高温蓄热器16产生的部分高压蒸汽经蓄热高压加热蒸汽支路管33、高压加热抽汽管28和除氧器加热蒸汽支路管29分别进入高压加热器13和除氧器12加热给水。

当蓄热供热负荷不足时，依次关闭供热蒸汽出口阀25，蓄热高压加热蒸汽支路管33，蓄热低压加热蒸汽支路入口阀31，减少供热，保证汽封。

如图5所示，热电协同状态：当用户侧热需求较小时，此时蓄热低压加热蒸汽支路入口阀31、蓄热高压加热蒸汽入口阀34、蓄热汽封蒸汽旁路入口阀35、蓄热补水入口阀18、蓄热高压蒸汽止回阀22均处于关闭状态，打开旁路烟气入口阀14，使得一部分高温烟气依次流入一级高温蓄热器16和二级中温蓄热器17中进行蓄热。

当汽轮机6抽汽比达到最大仍无法满足用户热需求时，打开蓄热补水入口阀18、蓄热高压蒸汽止回阀22，冷凝水经过主水泵9依次流入二级中温蓄热器17和一级高温蓄热器16加热产生高压过热蒸汽经蓄热高压蒸汽管21与抽汽供热管23中汽轮机供热蒸汽汇合到达供热站26，汽轮机6和蓄热器共同完成供热工作。

与现有技术相比，本发明的主要优点在于：

(1)本发明通过引入蓄热器产生蒸汽，替代启动炉，满足燃气蒸汽联合循环启动过程中汽轮机汽封、余热锅炉加热和除氧过程中所需要的用汽需求。同时，蓄热系统系统安全可靠，结构简单，安装、操作方便，减少了电厂设备故障率，降低了启动炉运行的安全风险，提高了整个机组的安全性和经济性。

(2)本发明通过采用梯级蓄热的方式，可以提供多种品位的蒸汽，满足启动阶段不同品位蒸汽的需求，提高了能量的利用效率和运行的灵活性。

(3)本发明采用引入蓄热供热，解决了了燃气轮机频繁启停过程中，稳定供热负荷的矛盾，达到了频繁启停机组热电协同运行高效运行的目的。