专利名称：一种压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成的发电系统的制作方法
技术领域：
本发明属于压缩空气蓄能发电系统领域，特别涉及一种压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成的发电系统。
背景技术：
压缩空气蓄能(CAES)是一种公认的有潜力的大规模蓄能方式，它既可实现大规模蓄能，又可以减少蓄能成本，同时对环境的影响很小。在一个典型的压缩空气系统中，在电网的低负荷时期或者当电网无法消纳大量可再生能源电力时，一部分电能或全部电能用来驱动空气压缩机。压缩的空气储存在某种特定的空间(如地下溶洞或人造的储气室等) 里。然后，在电网高负荷时期，压缩的空气被释放出来，经过膨胀驱动透平发电。CAES要使用某种燃料，通常是天然气，与压缩空气在燃烧室中燃烧以提高压缩空气的温度，从而提高系统的效率。我国能源结构的特点为多煤少油、少气，煤一方面支撑我国能源安全、是我国的主要一次能源，另一方面，燃煤也成为我国主要的污染源之一。为实现可持续发展和环境的根本转变，洁净煤技术已成为我国的重要战略措施。这其中，超临界煤粉燃烧锅炉、循环流化床燃烧锅炉都是重要的洁净煤技术，长期以来获得重视与发展。将压缩空气蓄能系统与燃煤发电系统结合起来，既实现了削峰填谷、增强了电网的可靠性，同时又能实现压缩空气蓄能系统与燃煤发电系统的热量合理分配利用，提高能源利用效率。在用电高峰时，高压空气驱动两级空气透平发电，并且启动锅炉，驱动汽轮机系统发电，二者的发电量均供给电网；同时将锅炉烟气显热和压缩空气过程中产生的热量进行蓄热集成，从而实现热能的优化利用。
发明内容
本发明的目的是提出一种压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成的发电系统，其特征在于，所述压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成的发电系统包括4个子系统压缩空气蓄能系统、空气透平发电系统、汽轮机发电系统以及燃煤锅炉系统；其中，所述压缩空气蓄能系统由原动机1与3个串联的压气机组成的压气机系统2连接，压气机系统2的输入、输出连接管道均在低温蓄热器3壳内进行换热，即第一级压气机的输出连接第二级压气机的输入，第二级压气机的输出连接第三级压气机的输入，第三级压气机的输出穿过低温蓄热器3释放热量后连接至储气室4 ；所述空气透平发电系统由省煤器5、锅炉本体6、一段空气加热器7与二段空气加热器9连接，高压空气透平8的输入连接一段空气加热器7，一段空气加热器7与二段空气加热器9连接，高压空气透平8的输出通过二段空气加热器9后和低压空气透平10输入连接，高压空气透平8、低压空气透平10和发电机11连接在一根传动轴上，从储气室4出来的压缩空气经换热器12与一段空气加热器7后进入高压空气透平8，低压空气透平10的输出直接连接换热器12 ；换热器12和储气室4联通。
所述汽轮机发电系统由汽轮机高压缸13-1、汽轮机中压缸13-2及汽轮机低压缸 13-3串联组成；汽轮机高压缸13-1的排汽经过锅炉再热后与汽轮机中压缸13-2进气连接；汽轮机中压缸13-2的排气与汽轮机低压缸13-3进气连接，汽轮机低压缸13-3的排汽经凝汽器后与给水泵16连接，给水泵16连接至低温蓄热器3，再与锅炉系统14的省煤器5 连接；汽轮机高压缸13-1、中压缸13-2和低压缸13-3同轴并与发电机15相连接。所述燃煤锅炉系统14分别连接压缩空气蓄能系统、空气透平发电系统和汽轮机发电系统，将三个3个子系统有机地连接为压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成的发电系统；其中低温蓄热器3的给水管经过省煤器5与锅炉本体6连接，锅炉本体6排出的热烟气进入一段空气加热器7 ；锅炉本体6产生的蒸汽进入汽轮机高压缸13-1做功。压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成发电系统的发电方法是所述压缩空气蓄能电站与燃煤发电系统紧密结合，形成一体化发电系统；当电网处于用电低谷或者电网无法消纳大量可再生能源电力时，将剩余电力或可再生能源电力供给压缩空气蓄能系统，驱动压气机系统2压缩空气蓄能、并将高压空气储存于大型储气室；压气机系统产生的间冷热储存于低温蓄热器3中；在用电高峰时，将高压空气释放出来，经换热器12、一段空气加热器7加热后驱动高压空气透平8发电、高压空气透平8的排气经二段空气加热器8加热后驱动低压空气透平10发电，供给电网；同时，给水泵16出来的水经过低温蓄热器3中预热，加热后的给水进入锅炉继续加热，产生的蒸汽驱动汽轮机系统13发电，以上发出的电能绝大部分都供给电网调峰所用。所述空气透平发电系统中，高压空气采用两级膨胀做功，不设燃烧室，空气在进入两级空气透平做功之前，先经过锅炉受热面加热达到500-60(TC的较高温度，具体而言 从储气室出来的60-150bar压缩空气先经换热器12预热到150_220°C，再经锅炉系统中的一段空气加热器7加热至500-600°C，然后进入高压空气透平8做功，排出200-250°C、 8-15bar的空气，再进入锅炉系统中的二段空气加热器9中进一步加热至500-600°C，之后再进入低压空气透平10做功，其排气压力接近常压，但温度仍可达200°C左右、包含热量也比较可观，因而将其送入换热器12中，用来预热从储气室4出来的高压空气。所述压缩空气蓄能系统中，空气压缩部分采用多级压缩、中间冷却的方式，在空气压缩蓄能时，多级压气机2的各级出口的压缩空气进入低温蓄热器3，将其所具有的250°C 以下的低温热储存于其中，而后进入储气室4 ；在发电期间，给水泵16驱动给水进入蓄热器 3，接收其中储存的热量将给水加热至150-220°C后，再进入锅炉本体6产生蒸汽驱动其汽轮机系统13做功。所述大型储气室为利用现存的盐洞、矿洞，或是专门挖掘而成的岩石洞。本发明的有益效果是本发明将压缩空气蓄能电站与燃煤发电系统结合起来，实现两种能量系统之间的互补集成。具体有以下三个特点第一，一体化系统中不设燃烧室，不消耗天然气等燃料资源，直接用高温、高压的空气膨胀做功，而选用燃煤锅炉来加热压缩空气，该燃煤锅炉在过热器之后布置有两级加热空气的空气加热器，充分利用锅炉烟气的热量、确保压缩空气在两级膨胀做功的过程中保持较高温度，增大做功量；第二，经过两级膨胀过后的空气压力接近常压，但排气温度依然较高左右)，由于空气流量巨大、排气包含热量也比较可观，因而在本发明中将其用来预热从储气室出来的高压空气；第三，多级的压缩空气蓄能发电系统在制备压缩空气的过程中，压缩机产生的间冷热可通过蓄热器储存，在用电高峰时用于加热给水、回收热能，提高汽轮机系统的做功量，进而提高一体化系统的能源利用效率，从而提高系统的整体性能。
图1是压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成的发电系统示意图。
具体实施例方式本发明提出一种压缩空气蓄能与燃煤发电一体化系统，下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。实施例图1所示为压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成的发电系统示意图。如图1，所述压缩空气蓄能与煤锅炉集成的发电系统包括4个子系统压缩空气蓄能系统、空气透平发电系统、 汽轮机发电系统以及燃煤锅炉系统，所述锅炉系统14分别连接压缩空气蓄能系统、空气透平发电系统和汽轮机发电系统，将三个3个子系统有机地连接为一体化的压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成的发电系统；其中低温蓄热器3的给水管经过省煤器(5)与锅炉本体6连接， 锅炉本体6排出的热烟气进入一段空气加热器7 ；锅炉本体6产生的蒸汽进入汽轮机高压缸13-1做功。当电网处于用电低谷时，将剩余电力供给原动机1，用来驱动三级压气机系统2压缩空气，压缩过程产生的多级间冷热被低温蓄热器3储存，换热后的压缩空气进入储气室4 中储存。空气透平发电系统中，高压空气发电采用两级膨胀做功，不设燃烧室，高压空气做功之前，经过锅炉受热面加热达到500-600°C的较高温度，具体而言从储气室出来的 60-150bar压缩空气先经换热器12预热到150_220°C，再经锅炉系统中的一段空气加热器7 加热至500-600°C，然后进入高压空气透平8做功，排出200-250°C、8-Mbar的空气，再进入锅炉系统中的二段空气加热器9中进一步加热至500-600°C，之后再进入低压空气透平10 做功，其排气压力接近常压，但温度仍可达200°C左右、包含热量也比较可观，因而将其送入换热器12中，用来预热从储气室4出来的高压空气。其中，所述的一体化系统中的燃煤锅炉，其炉型可根据情况灵活选择，例如可采用燃料适应性广、负荷调整范围大的超高压循环流化床锅炉，锅炉容量也可灵活设定，最高可达600MW。该锅炉直接用煤作为燃料、过热器之后布置两级空气加热器，分别用来加热压缩空气。同时，在对外发电期间，还将启动锅炉系统14。给水泵16出来的给水经蓄热器3 预热，回收蓄热器3储存的压缩空气间冷热量，之后经由省煤器5进入锅炉本体6内被加热，直至得到合格的蒸汽，并去汽轮机系统13发电。锅炉烟道中在过热器之后布置有两段空气加热器，用于加热空气。用电高峰时空气透平发电系统和蒸汽轮机发电系统同时运行，二者的所发出的电均供给电网调峰使用。本发明可用其他的不违背本发明的思想和主要特征的具体形式来概述。因此，本发明的上述实施方案是对本发明进行说明，并非对本发明进行限定。权利要求书指出了本发明要求保护的构思和范围，而上述的说明并未全部指出本发明的范围。因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成的发电系统，其特征在于，所述压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成的发电系统包括4个子系统压缩空气蓄能系统、空气透平发电系统、汽轮机发电系统以及燃煤锅炉系统；其中，所述压缩空气蓄能系统由原动机(1)与3个串联的压气机组成的压气机系统(2)连接，压气机系统O)的输入、输出连接管道均在低温蓄热器C3)壳内进行换热，即第一级压气机的输出连接第二级压气机的输入，第二级压气机的输出连接第三级压气机的输入，第三级压气机的输出穿过低温蓄热器( 释放热量后连接至储气室(4)；所述空气透平发电系统由高压空气透平(8)和低压空气透平(10)与锅炉系统(14)连接，高压空气透平(8)的输入连接一段空气加热器(7)，一段空气加热器(7)与二段空气加热器(9)连接，高压空气透平(8)的输出通过二段空气加热器(9)后和低压空气透平(10) 输入连接，高压空气透平(8)、低压空气透平(10)和发电机(11)连接在一根传动轴上，从储气室出来的压缩空气经换热器(12)与一段空气加热器(7)后进入高压空气透平(8)， 低压空气透平(10)的输出直接连接换热器(1 ；换热器(1 和储气室(4)联通。所述汽轮机发电系统由汽轮机高压缸(13-1)、汽轮机中压缸(13- 及汽轮机低压缸 (13-3)串联组成；汽轮机高压缸(13-1)的排汽经过锅炉再热后与汽轮机中压缸(13-2) 进气连接；汽轮机中压缸(13- 的排汽与汽轮机低压缸(13- 进气连接，汽轮机低压缸 (13-3)的排汽经凝汽器后与给水泵(16)连接，给水泵(16)连接至低温蓄热器(3)，再与锅炉系统(14)的省煤器(5)连接；汽轮机高压缸(13-1)、中压缸(13-2)和低压缸(13_3)同轴并与发电机(15)相连接。所述锅炉系统(14)分别连接压缩空气蓄能系统、空气透平发电系统和汽轮机发电系统，将三个子系统有机地连接为一体化的压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成的发电系统；其中低温蓄热器(3)的给水管经过省煤器(5)与锅炉本体(6)连接，锅炉本体(6)排出的热烟气进入一段空气加热器(7)；锅炉本体(6)产生的蒸汽进入汽轮机高压缸(13-1)做功。
2.—种压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成发电系统的发电方法，其特征在于，压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成发电系统的发电方法是所述压缩空气蓄能系统、空气透平发电系统及汽轮机发电系统与燃煤锅炉系统紧密结合，形成一体化发电系统；当电网处于用电低谷或者电网无法消纳大量可再生能源电力时，将剩余电力或可再生能源电力供给压缩空气蓄能系统，驱动压气机系统(2)压缩空气蓄能、并将高压空气储存于大型储气室；压气机系统产生的间冷热储存于低温蓄热器(3)中；在用电高峰时，将高压空气释放出来，经换热器(12)、 一段空气加热器(7)加热后驱动高压空气透平(8)发电、高压空气透平(8)的排气经二段空气加热器(8)加热后驱动低压空气透平(10)发电，供给电网；同时，给水泵(16)出来的水经过低温蓄热器(3)中预热，加热后的给水进入锅炉继续加热，产生的蒸汽驱动汽轮机系统(1 发电，以上发出的电能绝大部分都供给电网调峰所用。
3.根据权利要求2所述压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成发电系统的发电方法，其特征在于，所述空气透平发电系统中，高压空气发电采用两级膨胀做功，不设燃烧室，高压空气做功之前，经过锅炉受热面加热达到500-600°C的较高温度，具体而言从储气室出来的 60-150bar压缩空气先经换热器(12)预热到150_220°C，再经锅炉系统中的一段空气加热器(7)加热至500-600°C，然后进入高压空气透平(8)做功，排出200-250°C、8-Mbar的空气，再进入锅炉系统中的二段空气加热器(9)中进一步加热至500-600°C，之后再进入低压空气透平(10)做功，排气压力接近常压，但温度仍可达200°C左右、包含热量也比较可观， 因而将其送入换热器(1 中，用来预热从储气室出来的高压空气。
4.根据权利要求2所述压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成发电系统的发电方法，其特征在于，所述压缩空气蓄能系统中，空气压缩部分采用多级压缩、中间冷却的方式，在空气压缩蓄能时，多级压气机O)的各级出口的压缩空气进入低温蓄热器(3)，将其所具有的250°C 以下的低温热储存于其中，而后进入储气室；在发电期间，给水泵(16)驱动给水进入蓄热器(3)，接收其中储存的热量将给水加热至150-220°C后，再进入锅炉本体(6)产生蒸汽驱动其汽轮机系统(13)做功。
5.根据权利要求2所述压缩空气蓄能-燃煤-发电一体化系统的发电方法，其特征在于，所述大型储气室为利用现存的盐洞、矿洞，或是专门挖掘而成的岩石洞。
全文摘要
本发明公开了属于压缩空气蓄能发电系统领域的一种压缩空气蓄能与燃煤锅炉集成的发电系统。该一体化系统中锅炉系统分别连接包括压缩空气蓄能系统、空气透平发电系统以及汽轮机发电系统3个子系统。将3个子系统有机地连接为一体化的发电系统。当处于用电低谷或电网无法消纳大量可再生能源电力时，剩余电力驱动压气机系统压缩空气，并将高压空气储存于大型储气室。在用电高峰时，将高压空气释放出来，经过燃煤锅炉加热后驱动高压空气透平和低压空气透平发电，供给电网；同时给水经由低温蓄热器加热后进入燃煤锅炉产生蒸汽驱动汽轮机系统发电，也供给电网调峰。从而实现热能充分集成与系统的高性能。
文档编号F22B33/18GK102518480SQ20111041653
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者刘文毅, 张伟德, 徐钢, 李守成, 杨勇平, 黄健 申请人:华北电力大学