一种空分制氧耦合压缩空气储能系统及调峰方法与流程

1.本发明属于火电机组深度调峰领域，涉及一种空分制氧耦合压缩空气储能系统及调峰方法。


背景技术：

2.目前参与深度调峰的机组长时间偏离设计值运行，造成机组安全性、经济性下降。从采取的技术和改造的实践来看，改造后的机组不同程度地存在锅炉低负荷稳燃和水动力循环的安全性问题、脱硝装置全负荷投入和汽轮机低负荷冷却问题、长期低负荷和快速变负荷时控制系统的灵活性问题、设备运行周期和寿命衰减的问题以及供热机组热电解耦等问题。因此亟需一种能够技术来满足火电机组耦合储能适应灵活性深度调峰需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种空分制氧耦合压缩空气储能系统及调峰方法，本发明能够满足火电厂机组灵活深度调峰的要求。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.一种空分制氧耦合压缩空气储能系统，包括低压压缩机、低温换热器、高压压缩机、分离器、高温换热器、膨胀机、低温加热器、精馏塔、冷却器、循环泵、高温加热器和空气储存罐；
6.低压压缩机的出口与低温换热器的热进口连接，低温换热器的热出口与高压压缩机的入口连接，高压压缩机的出口与分离器的入口连接；分离器的出口分为两路，一路与高温加热器的入口连接，另一路与高温换热器的热进口连接；高温换热器的热出口与膨胀机的入口连接，膨胀机的出口与低温加热器的入口连接，低温加热器的出口与精馏塔入口连接，精馏塔的液氧出口与冷却器的冷进口连接，冷却器的热出口与循环泵连接，循环泵的出口与低温加热器的入口连接，低温加热器出口还与低温换热器的冷进口连接，低温换热器的冷出口与高温换热器的冷进口连接，高温换热器的冷出口与高温加热器的入口连接，高温加热器的出口与空气储存罐的入口连接，空气储存罐的出口设有截止阀并与膨胀机的入口连接。
7.优选的，本发明空分制氧耦合压缩空气储能系统还包括汽轮机，冷却器的热进口与汽轮机排气口连接。
8.优选的，本发明空分制氧耦合压缩空气储能系统还包括燃煤锅炉，冷却器的冷出口与燃煤锅炉一次风入口连接。
9.优选的，本发明空分制氧耦合压缩空气储能系统还包括除氧器，高温加热器的冷出口与除氧器的入口连接。
10.优选的，空气储存罐采用可控活塞式空气储存罐，可控活塞式空气储存罐包括罐体和调压活塞，调压活塞的一段位于罐体内，调压活塞的另一端向外伸出于罐体，罐体在调压活塞的一侧设有空气入口和空气出口，空气入口与高温加热器连接，空气出口与膨胀机
的入口连接。
11.优选的，低温换热器采用低温管壳式换热器。
12.优选的，高温换热器采用高温管壳式换热器。
13.本发明还提供了一种调峰方法，该调峰方法通过本发明如上所述的空分制氧耦合压缩空气储能系统实施，包括如下过程：
14.当火电机组发电量过剩或新能源电需要消纳时，所述的空分制氧耦合压缩空气储能系统利用火电机组发的电或新能源电进行通电运转，其中，空气经低压压缩机进行压缩，经低压压缩机压缩后的空气流经低温换热器进行换热降温，经低温换热器换热降温后的空气流经高压压缩机压缩，经高压压缩机压缩压缩后的空气流经分离器后分为两路，一路流经高温加热器后使空气降温，从高温加热器流出的空气进入空气储存罐内储存；另一路流经高温换热器进行换热，经高温换热器换热后的空气流经膨胀机做功，然后流经低温加热器换热，经低温加热器换热后的空气进入精馏塔分离，精馏塔分离分馏出液氧，精馏塔分离分馏出液氧通过冷却器转换成气态氧，冷却器转换得到的气态氧用于燃烧；
15.冷却器在换热时形成液体水，形成的液态水经过循环泵加压送入到低温加热器换热升温，换热后的水流入低温换热器进行换热升温，经低温换热器换热升温后的水再流经高温换热器进行换热升温，经高温换热器换热升温的水流经高温加热器进行加热，将经高温加热器加热的水进行利用；
16.当电量需求量大时，火电机组发的电或新能源电停止向所述空分制氧耦合压缩空气储能系统供电，打开截止阀，空气储存罐内储存的空气流经膨胀机做功，膨胀机排出的空气流经低温加热器降温，然后进入精馏塔分离，精馏塔分离分馏出液氧，精馏塔分离分馏出的流入液氧通过冷却器转换成气态氧，冷却器转换得到的气态氧用于燃烧。
17.优选的，冷却器转换得到的气态氧送入到燃煤锅炉一次风内进行富氧燃烧。
18.优选的，经高温加热器加热的水送入除氧器，供除氧器除氧使用。
19.优选的，经低压压缩机压缩后的空气压强为1.3
‑
1.7mpa，温度为420
‑
430℃；经低温换热器换热降温后的空气压力为1.3
‑
1.7mpa，温度为223
‑
233℃；经高压压缩机压缩压缩后的空气压力为3.3
‑
3.7mpa，温度为551
‑
561℃；流经高温加热器的空气压力为3.3
‑
3.7mpa，温度为190
‑
200℃；经高温换热器换热后的空气压力为3.3
‑
3.7mpa，温度为345
‑
355℃；膨胀机做功后的空气压力为0.05
‑
0.09mpa，温度为80
‑
90℃；经低温加热器换热后的空气压力为0.05
‑
0.09mpa，温度为25
‑
35℃；精馏塔分离分馏出液氧的温度为
‑
172～
‑
182℃；冷却器转换得到的气态氧温度为15
±
5℃；经低温加热器换热后的水温度为40
‑
50℃；经低温换热器换热升温后的水温度为100
‑
110℃；经高温换热器换热升温的水温度为125
‑
135℃；经高温换热器换热升温的水流经高温加热器后温度为155
‑
165℃；空气储存罐内储存的空气压力为3.3
‑
3.7mpa，温度为190
‑
200℃。
20.本发明具有如下有益效果：
21.本发明空分制氧耦合压缩空气储能系统中的低压压缩机、高压压缩机、膨胀机和精馏塔构成了空分系统，低压压缩机、高压压缩机、分离器、高温加热器和空气储存罐构成了压缩空气储能系统，冷却器、循环泵、低温加热器、低温换热器、高温换热器和高温加热器构成了回热系统，本发明利用上述构成的空分系统、压缩空气储能系统和回热系统，能够在机组需要进行深度调峰时，将部分发电量通过空分系统消纳，一方面利用空分系统能够对
空气进行分离，得到产生实用价值高的氧气，得到的氧气可送入锅炉进行富氧燃烧，提高锅炉效率，减少污染物排放，减少碳排放，整体经济效益较；另一方面将部分中温中压得空气进行储能，将空气存储于空气储存罐中。当机组需要发电量时，可控制空分系统停止工作，此时可将空气储存罐储存的空气送入到膨胀机做功后进入精馏塔内制氧，保证了锅炉富氧燃烧。本发明的整套系统在各个环接产生的高品位热量被汽轮机排气以及汽轮机回热系统充分利用，减少汽轮机抽气量，提高了系统效率，降低发电煤耗，具有良好得经济效益。
22.进一步的，冷却器的热进口与汽轮机排气口连接，能够使冷却器利用汽轮机排气进行换热，使得液态的氧被加热气化，便于燃烧利用，同时能够降低汽轮机排气的温度，并将汽轮机排气中的水液化析出并进行利用。
23.进一步的，冷却器的冷出口与燃煤锅炉一次风入口连接，能够用于燃煤锅炉一次风内的富氧燃烧，能够充分利用所分离的氧气。
24.进一步的，高温加热器的冷出口与除氧器的入口连接，高温加热器经换热作用后，高温加热器冷出口流出的高水温能够用于除氧器，实现了热能的高效利用。
附图说明
25.图1为本发明空分制氧耦合压缩空气储能系统的结构示意图；
26.图2为本发明所采用的可控活塞式空气储存罐的纵剖结构示意图。
27.其中，1为低压压缩机、2为低温管壳式换热器、3为高压压缩机、4为分离器、5为高温管壳式换热器、6为膨胀机、7为低温加热器、8为精馏塔、9为冷却器、10为循环泵、11为高温加热器、12为空气储存罐、13为截止阀，14
‑
调压活塞，15
‑
空气入口，16
‑
空气出口。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
29.参照图1，本发明空分制氧耦合压缩空气储能系统，包括低压压缩机1、低温换热器、高压压缩机3、分离器4、高温换热器、膨胀机6、低温加热器7、精馏塔8、冷却器9、循环泵10、高温加热器11和空气储存罐12；
30.低压压缩机1的出口与低温换热器的热进口连接，低温换热器的热出口与高压压缩机3的入口连接，高压压缩机3的出口与分离器4的入口连接；分离器4的出口分为两路，一路与高温加热器11的入口连接，另一路与高温换热器的热进口连接；高温换热器的热出口与膨胀机6的入口连接，膨胀机6的出口与低温加热器7的入口连接，低温加热器7的出口与精馏塔8入口连接，精馏塔8的液氧出口与冷却器9的冷进口连接，冷却器9的热出口与循环泵10连接，循环泵10的出口与低温加热器7的入口连接，低温加热器7出口还与低温换热器的冷进口连接，低温换热器的冷出口与高温换热器的冷进口连接，高温换热器的冷出口与高温加热器11的入口连接，高温加热器11的出口与空气储存罐12的入口连接，空气储存罐12的出口设有截止阀13并与膨胀机6的入口连接。
31.作为本发明优选的实施方案，本发明空分制氧耦合压缩空气储能系统还包括汽轮机，冷却器9的热进口与汽轮机排气口连接。
32.作为本发明优选的实施方案，本发明空分制氧耦合压缩空气储能系统还包括燃煤锅炉，冷却器9的冷出口与燃煤锅炉一次风入口连接。
33.作为本发明优选的实施方案，本发明空分制氧耦合压缩空气储能系统还包括除氧器，高温加热器11的冷出口与除氧器的入口连接。
34.作为本发明优选的实施方案，空气储存罐12采用可控活塞式空气储存罐，可控活塞式空气储存罐包括罐体和调压活塞14，调压活塞14的一段位于罐体内，调压活塞14的另一端向外伸出于罐体，罐体在调压活塞14的一侧设有空气入口15和空气出口16，空气入口15与高温加热器11连接，空气出口16与膨胀机6的入口连接。其中，利用调压活塞14能够使得进气和排气压力比较稳定，因此在电量需求量大时，空气储存罐12能够稳定的向膨胀机6送入空气进行做功，保证了系统的稳定性，保证了储能效率及锅炉富氧燃烧。
35.作为本发明优选的实施方案，低温换热器采用低温管壳式换热器。高温换热器采用高温管壳式换热器。
36.名词解释，本发明中的热进口指的是热介质进口，热出口指的是热介质经过换热以后出口，冷进口指的是冷源进口，冷出口指的是冷源换热以后的出口。
37.本发明还提供了一种调峰方法，该调峰方法通过本发明如上所述的空分制氧耦合压缩空气储能系统实施，参照图1，包括如下过程：
38.当火电机组发电量过剩或新能源电需要消纳时，所述的空分制氧耦合压缩空气储能系统利用火电机组发的电或新能源电进行通电运转，其中，空气经低压压缩机1进行压缩，经低压压缩机1压缩后的空气流经低温换热器进行换热降温，经低温换热器换热降温后的空气流经高压压缩机3压缩，经高压压缩机3压缩压缩后的空气流经分离器14后分为两路，一路流经高温加热器11后使空气降温，从高温加热器11流出的空气进入空气储存罐12内储存；另一路流经高温换热器进行换热，经高温换热器换热后的空气流经膨胀机6做功，然后流经低温加热器7换热，经低温加热器7换热后的空气进入精馏塔分离8，精馏塔分离8分馏出液氧，精馏塔分离8分馏出液氧通过冷却器9转换成气态氧，冷却器9转换得到的气态氧用于燃烧；冷却器9的冷出口与燃煤锅炉一次风入口连接时，冷却器9转换得到的气态氧送入到燃煤锅炉一次风内进行富氧燃烧。
39.冷却器9在换热时形成液体水，形成的液态水经过循环泵10加压送入到低温加热器7换热升温，换热后的水流入低温换热器进行换热升温，经低温换热器换热升温后的水再流经高温换热器进行换热升温，经高温换热器换热升温的水流经高温加热器11进行加热，将经高温加热器11加热的水进行利用；高温加热器11的冷出口与除氧器的入口连接时，经高温加热器11加热的水送入除氧器，供除氧器除氧使用。
40.当电量需求量大时，火电机组发的电或新能源电停止向所述空分制氧耦合压缩空气储能系统供电，打开截止阀13，空气储存罐12内储存的空气流经膨胀机6做功，膨胀机6排出的空气流经低温加热器7降温，然后进入精馏塔分离8，精馏塔分离8分馏出液氧，精馏塔分离8分馏出的流入液氧通过冷却器9转换成气态氧，冷却器9转换得到的气态氧用于燃烧。
41.实施例
42.如图1所示，本实施例空分制氧耦合压缩空气储能系统，包括低压压缩机1、低温管壳式换热器2、高压压缩机3、分离器4、高温管壳式换热器5、膨胀机6、低温加热器7、精馏塔8、冷却器9、循环泵10、高温加热器11、空气储存罐12、截止阀13。其中，低压压缩机1、高压压缩机3、膨胀机6、精馏塔8构成了空分系统；低压压缩机1、高压压缩机3、分离器4、高温加热器11、空气储存罐12和截止阀13构成了压缩空气储能系统；冷却器9、循环泵10、低温加热器
7、低温管壳式换热器2、高温管壳式换热器5和高温加热器11构成了回热系统。
43.其中，高压压缩机3出口连通分离器4；分离器4出口连通两路，一路依次接通高温管壳式换热器5和膨胀机6；一路依次高温加热器11和空气储存罐12。膨胀机6与精馏塔8之间布置低温加热器7。精馏塔8液氧出口冷却器9。空气储存罐12依次连通截止阀13和膨胀机6。汽轮机排气依次流经冷却器9、循环泵10、低温加热器7、低温管壳式换热器2、高温管壳式换热器5、高温加热器11到除氧器。
44.本实施例的调峰方法，采用本实施例上述空分制氧耦合压缩空气储能系统实施，包括如下过程：
45.当火电机组发电量过剩或新能源电需要消纳时，空分制氧耦合压缩空气储能系统通电运转，空气经低压压缩机1压缩到1.5
±
0.2mpa，温度425
±
5℃，流经低温管壳式换热器2与冷端水侧换热，换热后空气压力1.5
±
0.2mpa，温度228
±
5℃，流经高压压缩机3再次压缩，压缩后空气压力3.5
±
0.2mpa，温度556
±
5℃，流经分离器后分两路，一路流经高温加热器11后，空气压力3.5
±
0.2mpa，温度195
±
5℃，进入空气储存罐12内储存。另一路流经高温管壳式换热器5换热，换热后空气压力3.5
±
0.2mpa，温度350
±
5℃，流经膨胀机6做功，做功后压力0.07
±
0.02mpa，温度85
±
5℃，流经低温加热器7换热，空气参数为0.07
±
0.02mpa，30
±
5℃，进入精馏塔分离8产生(
‑
177
±
5℃)液氧和(
‑
155
±
5℃)液氮，液氧通过冷却器9与60
±
5℃汽轮机排气换热，将液氧转换成15
±
5℃的气态氧，直接送入到燃煤锅炉一次风内形成富氧燃烧。上述过程中，精馏塔8产生的液氧与汽轮机排气进行热交换，一方面氧气由液态转化成气态，可供锅炉富氧燃烧；另一方面利用外界冷源降低了汽轮机排气温度，大大减少空冷岛耗电。
46.汽轮机排气经过与液氧换热，温度降低到25
±
5℃，形成液体水，经过循环泵10加压送入到低温加热器7换热，换热后水被加热到45
±
5℃，流经低温管壳式换热器2换热，换热后水被加热到105
±
5℃，流经高温管壳式换热器5换热，换热后水侧温度达到130
±
5℃，流经高温加热器11加热到160
±
5℃，进入除氧器。
47.当电量需求量大时，系统停止运转，打开截止阀13，空气储存罐12内储存的中压中温空气(压力3.5
±
0.2mpa，温度195
±
5℃)流经膨胀机6做功，膨胀机排气压力0.07
±
0.02mpa，温度85
±
5℃，再一次流经低温加热器7降温，流经精馏塔8制氧。